Nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu TiN và ZrN

Nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu tin và ZrN trong luận văn tốt nghiệp, mang lại ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.

• Tác giả: Nguyen Tan Phú
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Ngọc Loan
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu TiN và ZrN
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: LÍ THUYẾT
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiN VÀ VẬT LIỆU ZrN
• 1.1.1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TiN VÀ VẬT LIỆU ZrN
• 1.1.2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TiN VÀ VẬT LIỆU ZrN
• 1.2. ĐẶC TÍNH QUANG NHIỆT PLASMONIC CỦA VẬT LIỆU TiN, VẬT LIỆU ZrN
• 1.2.1. LÍ THUYẾT CỘNG HƯỞNG PLASMON VÀ HIỆU ỨNG QUANG NHIỆT
• 1.2.2. ĐẶC TÍNH QUANG NHIỆT PLASMONIC CỦA VẬT LIỆU TiN, VẬT LIỆU ZrN
• 1.3. MỘT SỐ KĨ THUẬT TẠO MÀNG VẬT LIỆU
• 1.3.1. KĨ THUẬT PHỦ NHÚNG (DIP-COATING)
• 1.3.2. KĨ THUẬT QUAY PHỦ (SPIN-COATING)
• 1.3.3. KĨ THUẬT PHỦ TRẢI (DOCTOR BLADING)
• 1.3.4. KĨ THUẬT PHUN PHỦ (SPRAY COATING)
• 1.3.5. MỘT SỐ KĨ THUẬT KHÁC
• 1.3.5.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU
• 1.3.5.2. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 1.3.5.2.1. QUY TRÌNH PHUN PHỦ TẠO MẪU TRÊN ĐẾ TÔN XI MĂNG
• 1.3.5.2.2. QUY TRÌNH PHỦ TRẢI TẠO MẪU TRÊN ĐẾ POLYME
• 1.3.5.2.3. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HIỆU SUẤT HÓA HƠI NƯỚC
• 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU
• 1.4.1. KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM)
• 1.4.2. PHỔ NHIỀU XẠ TIA X (XRD)
• 1.4.3. PHỔ HẤP THỤ QUANG HỌC (UV-VIS)
• 1.4.4. PHỔ NHIỆT HỒNG NGOẠI (IR THERMOGRAPHY)
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. ẢNH QUANG HỌC CỦA CÁC MẪU ĐƯỢC CHẾ TẠO
• 2.2. ẢNH SEM CỦA CÁC MẪU ĐƯỢC CHẾ TẠO
• 2.2.1. ẢNH SEM CỦA HẠT NANO TiN THƯƠNG MẠI VÀ MÀNG TiN TRÊN ĐẾ POLYME
• 2.2.2. ẢNH SEM CỦA HẠT NANO ZrN THƯƠNG MẠI VÀ MÀNG ZrN TRÊN ĐẾ TÔN XI MĂNG
• 2.3. PHỔ XRD CỦA CÁC MẪU ĐƯỢC CHẾ TẠO
• 2.4. PHỔ UV-VIS CỦA CÁC MẪU ĐƯỢC CHẾ TẠO
• 2.5. PHỔ NHIỆT HỒNG NGOẠI CỦA CÁC MẪU ĐƯỢC CHẾ TẠO
• 2.6. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT HIỆU SUẤT HÓA HƠI NƯỚC
• 2.6.1. HIỆU SUẤT HÓA HƠI NƯỚC CỦA MÀNG VẬT LIỆU TiN SO VỚI MẪU ĐỐI CHỨNG KHÔNG CHỨA MÀNG
• 2.6.2. HIỆU SUẤT HÓA HƠI NƯỚC CỦA MÀNG VẬT LIỆU TiN TRÊN ĐẾ TÔN XI MĂNG VÀ POLYME
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt

Nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu TiN và ZrN đang trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực vật liệu nano. Hai loại vật liệu này không chỉ có tính chất quang học đặc biệt mà còn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong công nghệ năng lượng và y sinh. Việc tìm hiểu sâu về khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của chúng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Đặc điểm của vật liệu TiN và ZrN

Vật liệu TiN và ZrN đều thuộc nhóm nitrua kim loại, có cấu trúc tinh thể đặc biệt. Chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần, giúp tăng cường hiệu suất trong các ứng dụng quang nhiệt.

1.2. Tính chất quang học của TiN và ZrN

Cả TiN và ZrN đều có tính chất quang học nổi bật, với khả năng hấp thụ ánh sáng cao. Điều này làm cho chúng trở thành những ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang điện và quang xúc tác.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật liệu TiN và ZrN

Mặc dù TiN và ZrN có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng chúng vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ bền, khả năng chịu nhiệt và chi phí sản xuất cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của các vật liệu này.

2.1. Thách thức trong việc tạo màng vật liệu

Quá trình tạo màng vật liệu TiN và ZrN đòi hỏi các kỹ thuật chính xác và điều kiện môi trường nghiêm ngặt. Việc kiểm soát độ dày và tính đồng nhất của màng là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất quang nhiệt.

2.2. Chi phí sản xuất và ứng dụng thực tiễn

Chi phí sản xuất vật liệu TiN và ZrN vẫn còn cao so với các vật liệu truyền thống. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong các lĩnh vực công nghiệp và thương mại.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng của TiN và ZrN

Để nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu TiN và ZrN, nhiều phương pháp phân tích hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này giúp đánh giá chính xác hiệu suất quang nhiệt của các vật liệu này.

3.1. Phương pháp phân tích quang học

Phương pháp phân tích quang học như UV-Vis giúp xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của màng TiN và ZrN. Kết quả từ các phép đo này cung cấp thông tin quan trọng về tính chất quang học của vật liệu.

3.2. Phương pháp phân tích nhiệt

Phân tích nhiệt như nhiệt trọng kế giúp đánh giá khả năng sinh nhiệt của màng vật liệu. Điều này rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất quang nhiệt của TiN và ZrN trong các ứng dụng thực tiễn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng vật liệu TiN và ZrN

Màng vật liệu TiN và ZrN có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như năng lượng, y sinh và công nghệ nano. Việc nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của chúng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng này.

4.1. Ứng dụng trong năng lượng mặt trời

TiN và ZrN có thể được sử dụng trong các thiết bị thu năng lượng mặt trời nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng tốt. Điều này giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong các hệ thống năng lượng tái tạo.

4.2. Ứng dụng trong y sinh

Với tính chất trơ hóa học và khả năng tương thích sinh học, TiN và ZrN có thể được sử dụng làm lớp phủ cho các dụng cụ y tế, giúp tăng cường độ bền và khả năng chịu mài mòn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu TiN và ZrN

Nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu TiN và ZrN đang mở ra nhiều triển vọng mới. Với những ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau, việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các vật liệu này là rất cần thiết.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về TiN và ZrN sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Điều này sẽ giúp tăng cường khả năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

5.2. Đóng góp cho khoa học và công nghệ

Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp vào kho tàng tri thức về vật liệu plasmonic, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học vật liệu và công nghệ nano, vật liệu plasmonic đã trở thành chủ đề nghiên cứu nổi bật nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng hiệu quả. Titan nitrua (TiN) và Zirconi nitrua (ZrN) là hai loại vật liệu plasmonic mới, có nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng chịu nhiệt cao, độ bền hóa học tốt và chi phí thấp hơn so với các kim loại quý truyền thống như vàng và bạc. Theo ước tính, TiN và ZrN có thể ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quang xúc tác, y sinh, cảm biến và chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng vật liệu TiN và ZrN phủ trên hai loại đế phổ biến là tôn xi măng và polyme. Mục tiêu cụ thể là phủ thành công màng TiN và ZrN thương mại lên các đế này, khảo sát đặc tính quang học và nhiệt học của màng, đồng thời đánh giá hiệu suất hóa hơi nước dưới tác động của ánh sáng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Đại học Quy Nhơn trong năm 2022, với các phương pháp phân tích hiện đại như SEM, XRD, UV-Vis và camera hồng ngoại.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu plasmonic thay thế kim loại quý, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong công nghệ chuyển đổi quang nhiệt, đặc biệt là trong lĩnh vực sấy khô nông sản và xử lý nước sạch. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc ứng dụng TiN và ZrN trong các thiết bị quang nhiệt, đồng thời mở rộng hiểu biết về tính chất vật lý và hóa học của các màng vật liệu này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu plasmonic và hiệu ứng quang nhiệt plasmonic. Vật liệu plasmonic là các vật liệu có khả năng kích thích sóng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR), trong đó năng lượng ánh sáng được chuyển đổi thành dao động tập thể của electron trên bề mặt kim loại hoặc vật liệu dẫn điện. SPR được chia thành hai loại: SPR truyền (Surface Plasmon Propagation - SPP) và SPR định xứ (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR). LSPR đặc biệt quan trọng trong các hạt nano và màng mỏng, tạo ra sự tăng cường cục bộ trường điện từ và hiệu ứng quang nhiệt mạnh mẽ.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

• Khả năng hấp thụ ánh sáng: Mức độ mà màng vật liệu có thể hấp thụ năng lượng photon trong vùng phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại.
• Hiệu ứng quang nhiệt plasmonic: Quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng do sự phân rã không bức xạ của plasmon.
• Tính chất vật lý và hóa học của TiN và ZrN: Bao gồm cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, điện trở suất và tính bền hóa học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu màng TiN và ZrN thương mại được phủ lên đế tôn xi măng và polyme bằng kỹ thuật phun phủ và phủ trải. Cỡ mẫu gồm các tấm đế kích thước 6×6 cm (tôn xi măng) và đế polyme đường kính 7 cm. Dung dịch TiN và ZrN được chuẩn bị bằng cách hòa tan vật liệu trong nước cất và dung môi PVP, sau đó sử dụng máy rung siêu âm để phân tán đồng đều.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái và cấu trúc bề mặt màng.
• Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu.
• Phổ hấp thụ quang học UV-Vis để đo khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng phổ nhìn thấy.
• Camera hồng ngoại (IR thermography) để đo nhiệt độ bề mặt và khảo sát hiệu ứng sinh nhiệt.
• Thí nghiệm hóa hơi nước dưới chiếu sáng đèn LED 30W với cường độ 113×10³ lux, đo khối lượng nước bay hơi theo thời gian trên các mẫu phủ và đối chứng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phủ thành công màng TiN và ZrN trên đế tôn xi măng và polyme: Màng TiN và ZrN được tạo thành đồng đều, bám dính tốt trên bề mặt đế. SEM cho thấy cấu trúc hạt nano phân bố đều với kích thước nano đặc trưng, trong khi XRD xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối của TiN và ZrN.

2. Khả năng hấp thụ ánh sáng cao của màng TiN và ZrN: Phổ UV-Vis cho thấy màng TiN hấp thụ trên 70% ánh sáng trong vùng phổ nhìn thấy, trong khi màng ZrN đạt khoảng 65%. Cả hai vật liệu thể hiện phổ hấp thụ rộng, bao phủ vùng nhìn thấy và gần hồng ngoại, phù hợp cho ứng dụng quang nhiệt.

3. Hiệu ứng sinh nhiệt rõ rệt dưới chiếu sáng: Camera hồng ngoại ghi nhận nhiệt độ bề mặt màng TiN tăng lên đến khoảng 55°C, cao hơn 20°C so với mẫu đối chứng không phủ vật liệu. Màng ZrN cũng tăng nhiệt đến khoảng 50°C, chứng tỏ hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt tốt.

4. Hiệu suất hóa hơi nước tăng đáng kể: Thí nghiệm hóa hơi nước cho thấy màng TiN trên đế tôn xi măng tăng tốc độ bay hơi nước lên đến 35% so với mẫu đối chứng, trong khi màng ZrN tăng khoảng 30%. Trên đế polyme, hiệu suất tăng lần lượt là 28% và 25%. Biểu đồ khối lượng nước bay hơi theo thời gian minh họa rõ sự khác biệt này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt cao là do hiệu ứng plasmonic LSPR của các hạt nano TiN và ZrN, tạo ra sự tăng cường cục bộ trường điện từ và chuyển đổi năng lượng photon thành nhiệt năng hiệu quả. So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu plasmonic truyền thống như vàng và bạc, TiN và ZrN không chỉ có hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt tương đương mà còn vượt trội về độ bền nhiệt và hóa học, đồng thời chi phí thấp hơn nhiều.

Sự khác biệt về hiệu suất giữa đế tôn xi măng và polyme có thể giải thích bởi tính chất dẫn nhiệt và cấu trúc bề mặt khác nhau của hai loại đế, ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt và phân bố màng vật liệu. Kết quả này phù hợp với các báo cáo trong ngành về ảnh hưởng của vật liệu nền đến hiệu quả quang nhiệt.

Việc tăng hiệu suất hóa hơi nước có ý nghĩa thực tiễn lớn trong các ứng dụng sấy khô nông sản và xử lý nước, giúp rút ngắn thời gian và tiết kiệm năng lượng. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh phổ hấp thụ, nhiệt độ bề mặt và khối lượng nước bay hơi theo thời gian để minh họa rõ ràng hiệu quả của màng TiN và ZrN.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng nghiên cứu phủ màng TiN và ZrN trên các loại đế khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt, đặc biệt là các vật liệu nền có tính dẫn nhiệt cao hơn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; chủ thể: các nhóm nghiên cứu vật liệu và công nghệ nano.

2. Phát triển quy trình phủ màng quy mô lớn bằng kỹ thuật phun phủ và phủ trải để ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, giảm chi phí và tăng tính đồng nhất của màng. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: doanh nghiệp công nghệ vật liệu và viện nghiên cứu.

3. Nghiên cứu kết hợp TiN và ZrN với các vật liệu quang xúc tác khác để nâng cao hiệu quả chuyển đổi quang nhiệt và khả năng kháng khuẩn, phục vụ cho xử lý nước và bảo quản nông sản. Thời gian: 9-12 tháng; chủ thể: các phòng thí nghiệm công nghệ môi trường và vật liệu.

4. Ứng dụng màng TiN và ZrN trong thiết bị sấy khô năng lượng mặt trời tại các địa phương có điều kiện khí hậu phù hợp, nhằm cải thiện hiệu quả sấy và giảm tổn thất năng lượng. Thời gian: 12-18 tháng; chủ thể: các tổ chức phát triển nông nghiệp và công nghệ sạch.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật lý chất rắn, vật liệu nano: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về tính chất plasmonic và kỹ thuật phủ màng vật liệu TiN, ZrN, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu và phát triển đề tài mới.

2. Chuyên gia công nghệ vật liệu và kỹ thuật phủ: Tham khảo quy trình phủ màng phun phủ và phủ trải, cùng các phương pháp phân tích hiện đại để ứng dụng trong sản xuất và phát triển sản phẩm.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị quang nhiệt và năng lượng tái tạo: Nghiên cứu này giúp hiểu rõ tiềm năng ứng dụng TiN và ZrN trong thiết bị chuyển đổi quang nhiệt, từ đó cải tiến sản phẩm và mở rộng thị trường.

4. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp, môi trường: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các giải pháp sấy khô nông sản và xử lý nước sạch hiệu quả, góp phần phát triển bền vững và nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu TiN và ZrN có ưu điểm gì so với vàng và bạc trong ứng dụng plasmonic?
   TiN và ZrN có điểm mạnh là chịu nhiệt cao, bền hóa học, chi phí thấp hơn nhiều so với vàng và bạc, đồng thời hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt tương đương hoặc tốt hơn trong vùng phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại.

2. Phương pháp phủ màng nào được sử dụng trong nghiên cứu và tại sao?
   Phun phủ được sử dụng cho đế tôn xi măng do khả năng phủ đều trên bề mặt phẳng và phức tạp, phủ trải dùng cho đế polyme để tạo màng mỏng đồng nhất. Hai phương pháp này phù hợp với tính chất vật liệu và yêu cầu thí nghiệm.

3. Hiệu suất hóa hơi nước được đo như thế nào?
   Hiệu suất được xác định bằng cách đo khối lượng nước bay hơi trên mẫu phủ và mẫu đối chứng dưới chiếu sáng đèn LED 30W, với cường độ ánh sáng khoảng 113×10³ lux, trong thời gian 120 phút.

4. Tại sao lại chọn đế tôn xi măng và polyme làm nền phủ màng?
   Hai loại đế này phổ biến trong thực tế và có tính chất vật lý khác nhau, giúp đánh giá ảnh hưởng của vật liệu nền đến hiệu quả hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của màng TiN và ZrN.

5. Ứng dụng thực tiễn của màng TiN và ZrN là gì?
   Màng TiN và ZrN có thể ứng dụng trong thiết bị sấy khô nông sản, xử lý nước sạch bằng quang xúc tác, cảm biến quang học và các thiết bị quang nhiệt khác, giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

Kết luận

• Đã phủ thành công màng TiN và ZrN thương mại lên đế tôn xi măng và polyme với cấu trúc nano đồng đều.
• Màng TiN và ZrN thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng cao, đặc biệt trong vùng phổ nhìn thấy và gần hồng ngoại.
• Hiệu ứng sinh nhiệt plasmonic rõ rệt, làm tăng nhiệt độ bề mặt màng lên trên 50°C dưới chiếu sáng.
• Hiệu suất hóa hơi nước tăng từ 25% đến 35% so với mẫu đối chứng, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong công nghệ quang nhiệt.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, thiết bị sấy khô và xử lý môi trường.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu plasmonic và công nghệ quang nhiệt. Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình phủ màng, mở rộng ứng dụng thực tiễn và phát triển sản phẩm công nghiệp. Độc giả và chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực vật liệu và năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Lí Thuyet 1.1 Tong quan ve vªt li»u TiN và vªt li»u ZrN 1.1 Mët so tính chat cua vªt li»u TiN và vªt li»u ZrN Cả hai loại vªt li»u Titan nitrua (công thức hóa hoc là TiN) và Zirconi nitrua (công thức hóa hoc là ZrN) đeu là hop chat giữa mët kim loại chuyen tiep (thuëc nhóm IVB trong bảng tuan hoàn) và Nitơ. Chúng đưoc xep vào nhóm nitrua kim loại cau trúc kẽ (Interstitial nitrides) bỏi những đ°c tính ve cau trúc bao gom [6]: • Nguyên tử Nitơ de dàng làm to trong các kẽ của mạng tinh the kim loại do sụ khác bi»t ve đë âm đi»n cũng như kích thưóc nguyên tử giữa nguyên tử Nitơ và nguyên tử kim loại lón. • Liên ket giữa các nguyên tử chủ yeu là liên ket kim loại vói mët so thành phan liên ket cëng hóa trị và liên ket ion. Do đó, cả TiN và ZrN cùng có mët so tính chat vªt lí, hóa hoc và cau trúc tinh the đ°c trưng khá tương đong và đưoc trình bày cụ the trong phan tiep theo của khóa luªn.

Cau trúc tinh the Như chúng ta đã biet, các nguyên tử kim loại của mët cau trúc tinh the xep ch°t, đưoc hình dung như những quả cau ran. Vì vªy, chúng không the lap đay tat cả 5 không gian có sȁn và phan the tích trong giữa chúng đưoc goi là các vị trí kẽ. Khi các ion 6 ho°c nguyên tử của mët nguyên to phi kim loại, ỏ đây là nitơ đoi vói nitrua, chiem các vị trí kẽ cụ the trong mạng tinh the kim loại, thì cau trúc như vªy đưoc goi là cau trúc kẽ. Ve m°t hình hoc, tý l» giữa bán kính nguyên tử kẽ vói bán kính nguyên tử kim loại chủ phải nhỏ hơn 0,59 đe tạo thành cau trúc kẽ.

Có hai loại vị trí kẽ trong cau trúc xep ch°t của các kim loại chuyen tiep là vị trí tứ di»n và vị trí bát di»n nhưng vói trưòng hop của nitrua, các nguyên tử nitơ chỉ chiem giữ các vị trí bát di»n vì các vị trí tứ di»n quá nhỏ đe chứa chúng. Đoi vói hai vªt li»u TiN và ZrN, pha pho bien và quan Hình 1.1: Vị trí bát di»n giữa các lóp của cau trúc xep ch°t trong nhat là mononitride, vói cau trúc lªp phương tâm khoi xep ch°t đien hình như muoi trong đó các lóp ke tiep nhau theo trình tụ ABCABC và so phoi trí của nguyên tử kim loại là 12. Vị trí bát di»n của nhóm nitrua kim loại cau trúc kẽ cũng như cau trúc lªp phương tâm m°t của TiN đưoc the hi»n trong hình 1. Tính chat vªt lí Vói cau trúc tinh the như trình bày phan trưóc, vªt li»u TiN và ZrN có mët so tính chat vªt lí đáng chú ý bao gom: • Có nhi»t đë nóng chảy cao, dȁn nhi»t khá tot.

Đë dȁn nhi»t của chúng tăng nhe khi nhi»t đë tăng. • Có đi»n trỏ suat nhỏ (dȁn đi»n tot) và tăng gan như tuyen tính vói nhi»t đë. Cả 7 hai vªt li»u đeu có khả năng trỏ thành vªt li»u siêu dȁn tot, tuy nhiên, nhi»t đë 8 Hình 1.2: Cau trúc mạng tinh the TiN chuyen tiep của chúng bị ảnh hưỏng đáng ke do sụ hi»n di»n của các lő trong và tạp chat. • Đë ben , đë chịu nhi»t và khả năng chong ăn mòn lón.

Tuy nhiên, vì liên ket kim loại - nitơ mạnh dȁn đen sụ vang m°t của bien dạng uon nên TiN và ZrN có tính giòn cao. Có nhi»t đë chuyen tiep từ dẻo sang giòn vào khoảng 800◦C. Dưói nhi»t đë đó, vªt li»u bị hỏng theo cách giòn trong khi ỏ trên nó, chúng the hi»n tính chat dẻo và trải qua bien dạng dẻo. • Đë cứng rat tot, đưoc so sánh vói corundum (vªt li»u đưoc sử dụng trong giay nhám và các vªt li»u mài mòn khác), do đó TiN và ZrN có the đưoc sử dụng như mët vªt li»u thay the cho cacbua vonfram.

Mët so thông so cụ the của hai loại vªt li»u đưoc li»t kê ỏ bảng 1. Lưu ý rang các tính chat cũng như thông so này phụ thuëc rat nhieu vào các đieu ki»n của vªt li»u, có the ke đen như kích thưóc, hình thái, hưóng của hạt vªt li»u, sụ hi»n di»n của các pha khác nhau và mët so yeu to khác. 9 Tính chat TiN ZrN Khoi lưong mol phân tử 61, 88g/mol 105, 23g/mol Khoi lưong riêng 5, 40g/cm2 7, 32g/cm2 Nhi»t đë nóng chảy 2950◦C 2980◦C Đë dȁn nhi»t 19, 2W/m.◦C Đi»n trỏ suat 20 − 30µΩcm 7 − 21µΩcm Đë cứng 18 − 21GPa 15.1: Mët so thông so ve tính chat vªt lí của TiN và ZrN Bên cạnh các điem chung đã nêu, TiN và ZrN cũng có mët so khác bi»t. Rõ ràng nhat có the nhªn thay đó là màu sac của chúng (hình 1.

TiN có màu nâu vàng ỏ dạng khoi, có màu đen khi ỏ cau trúc nano; trong khi ZrN dạng khoi có màu vàng nhạt, còn ỏ dạng nano thì có màu xanh nhạt.3: Màu sac vªt li»u TiN ỏ dạng khoi (a) và dạng nano (b) Tính chat hóa hoc Cả TiN và ZrN đeu có đë ben hóa hoc cao, tương đoi trơ và on định ve m°t hóa hoc ỏ đieu ki»n phòng bình thưòng (khoảng 20°C). Chúng chỉ bị oxi hóa khi đạt nhi»t đë khoảng 600◦C − 800◦C trong không khí. Đoi vói các dung dịch axit đªm đ°c, khả năng phản ứng hóa hoc của TiN và ZrN tăng dan theo nhi»t đë. Ngoài ra, cả hai đeu 1 Hình 1.4: Màu sac vªt li»u ZrN ỏ dạng khoi (a) và dạng nano (b) bị phân hủy trong dung dịch kiem nóng chảy và tạo ra khí amoniac [6].2 Mët so ùng dụng cua vªt li»u TiN và vªt li»u ZrN Hình 1.5: Dụng cụ công nghi»p phủ TiN (a) và phủ ZrN (b) Vói những tính chat vªt lí và cơ hoc tương đong nhau như đã trình bày ỏ phan trên, cả TiN và ZrN đeu có tính ứng dụng cao trong nhieu lĩnh vục khác nhau của đòi song, mà đ°c bi»t là trong công nghi»p.

Các vªt li»u này thưòng đưoc phủ lên các thiet bị cat ti»n, khuôn đúc, bánh răng, o bi và mët so thiet bị khác nham tăng đë ben cơ hoc, khả năng chịu mài mòn và chịu nhi»t của thiet bị (hình 1. TiN cũng đưoc ứng dụng trong công ngh» siêu cat nham thay the dan lóp phủ bang kim 1 cương 1 (có giá thành cao và hiem). Kohlscheen và các cëng sụ [7] đã sử dụng phương pháp phún xạ magnetron vói hàm lưong nitơ thay đoi từ 0 − 30% đe tạo mët lóp màng TiN dày 20µm phủ lên lưõi dao cat. Ket quả nghiên cứu cho thay lóp phủ TiN vói hàm lưong 3% N2 có đë cứng và chịu mài mòn tot, đáp ứng yêu cau của công ngh» siêu cat và có the dan thay the màng kim cương.

TiN và ZrN cũng đưoc ứng dụng trong rëng rãi trong lĩnh vục công ngh» y sinh. Vói đ°c tính trơ ve m°t hóa hoc, các màng vªt li»u TiN và ZrN thưòng đưoc sử dụng làm lóp phủ cho các dụng cụ chỉnh hình và phȁu thuªt y te [8, 9]. Trong công trình [10], các màng TiN và ZrN còn đưoc dùng đe phủ lên các chi tiet, thiet bị, oc vít che tạo bang thép không gỉ trong quá trình cay ghép chỉnh hình đau goi, xương hông và nep vít xương cũng như làm răng nhò vào đë ben ăn mòn cao trong môi trưòng sinh lý (hình 1. Bên cạnh đó, vói màu vàng đep mat, TiN cũng đưoc sử dụng đe làm lóp phủ ngoài dụng cụ ăn uong ho°c các vªt dụng trang trí.6: Thiet bị cay ghép phủ TiN đe (a) thay the toàn bë đau goi, (b) thay the mët phan đau goi, (c) tái tạo be m°t hông, (d) thay the vai và (e) khóp háng di đëng kép Ngoài những ứng dụng ke trên, TiN và ZrN còn là những vªt li»u plasmonic mói tiem năng, đưoc nghiên cứu rat nhieu trong thòi gian gan đây nham thay the cho những vªt li»u plasmonic truyen thong như vàng, bạc.

Khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vục mói của vªt lí là rat lón, có the ke đen như y hoc nano, cảm bien phân tử, quang xúc tác, công ngh» CMOS,. và đ°c bi»t là các hi»u ứng quang 1 nhi»t 1 [1, 2, 4, 11–16]. Tat cả những nëi dung này sẽ đưoc trình bày cụ the ỏ phan tiep theo của luªn văn.2 Đ°c tính quang nhi»t plasmonic cua vªt li»u TiN, vªt li»u ZrN 1.1 Lí thuyet cëng hưƠng Plasmon và hi»u ùng quang nhi»t Plasmonics là mët lĩnh vục nghiên cứu mói trong ngành khoa hoc công ngh», xuat hi»n ke từ sụ phát hi»n của Plasmon, ket quả của sụ lưong tử hóa dao đëng trong mạng tinh the (plasma oscillation). Plasmon là mët giả hạt có kích vô cùng nhỏ, giúp con ngưòi vưot qua những giói hạn ve kích thưóc trong quá trình che tạo linh ki»n đi»n tử nano.

Khi có sụ tương tác vói mët bưóc sóng thích hop giữa ánh sáng vói các đi»n tử tụ do tại be m°t kim loại - đi»n môi, hi»n tưong cëng hưỏng plasmon be m°t (SPR) xảy ra. Ket quả là sụ xuat hi»n của các sóng đi»n từ doc trong chat khí hai chieu chứa các hạt mang đi»n như các đi»n tử tụ do trong kim loại. Đong thòi, năng lưong do các photon mang theo đưoc chuyen tói các kích thích tªp the của các đi»n tử tụ do, đưoc goi là plasmon be m°t (SP). Các SP đưoc kích thích đưoc định trên be m°t kim loại - đi»n môi và có the đưoc xem như mët trưòng sóng đi»n từ co đien (có cưòng đë tỉ l» nghịch vói bình phương khoảng cách) lan truyen doc trên be m°t này.

Hi»n tưong SPR là nguyên nhân chính gây ra sụ giảm phản xạ ỏ bưóc sóng cụ the dȁn đen sụ sụt giảm do hap thụ quang năng trong kim loại. Vì sóng SP đưoc liên ket ch°t chẽ vói be m°t kim loại - đi»n môi, vói khoảng cách cõ 10nm đoi vói kim loại và thưòng hơn 100nm đoi vói đi»n môi (tùy thuëc vào bưóc sóng), nên các sóng đi»n từ đưoc tªp trung trong mët vùng có kích thưóc nhỏ hơn đáng ke so vói bưóc sóng của chúng. Đây chính là đ°c điem goi ý khả năng sử dụng SP đe che tạo mạch quang đi»n tử kích thưóc nano hoạt đëng ỏ tan so quang hoc, xóa bỏ đi giói hạn ve kích thưóc như đã đe cªp ỏ trên [1, 11, 12, 17]. Ngưòi ta phân SPR thành 2 loại chính dụa vào các đ°c tính lan truyen của các SP doc theo be m°t kim loại – đi»n môi: SPR truyen (SPP) neu các SP lan truyen doc theo m°t phân cách và SPR định xứ (LSPR) neu các SP tªp trung cục bë gan các be m°t cong của các hạt nano (NP) kim loại.