Luận văn ThS: Nghiên cứu chế tạo Si-NWs ứng dụng cho thiết bị quang điện

Tôi có thể giúp bạn tạo meta tags cho bài viết "Nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện" theo yêu cầu của bạn. Dưới đây là kết quả: {

• Tác giả: Phạm Thanh Tuân
• Người hướng dẫn: TS. Cù Thành Sơn
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khám phá Tiềm năng của Silicon Nanowires trong Ứng dụng Quang điện

Nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires (Si-NWs) đang mở ra những chân trời mới cho ngành quang điện, hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu suất và chi phí của các thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời. Sự độc đáo trong cấu trúc nano của Si-NWs mang lại các đặc tính quang học và điện tử vượt trội so với vật liệu silic khối truyền thống. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh quan trọng của quá trình nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện, từ lý thuyết cơ bản đến các phương pháp tổng hợp tiên tiến và kết quả ứng dụng thực tiễn.

1.1. Khái niệm và Xu hướng Phát triển Vật liệu Nano Quang điện

Vật liệu nano, với kích thước chỉ vài nanomet, sở hữu những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, khác biệt hoàn toàn so với vật liệu ở dạng khối. Trong lĩnh vực quang điện, chế tạo vật liệu nano như Silicon Nanowires đang là một xu hướng nghiên cứu trọng tâm. Các nhà khoa học hướng đến việc khai thác hiệu ứng lượng tử, diện tích bề mặt lớn và khả năng điều chỉnh vùng cấm của vật liệu nano để tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu quả tách hạt tải điện. Sự phát triển của vật liệu nano không chỉ dừng lại ở Si-NWs mà còn mở rộng sang các cấu trúc khác như chấm lượng tử, màng mỏng nano, hứa hẹn tạo ra pin mặt trời thế hệ mới với chi phí thấp và hiệu suất cao hơn. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc kiểm soát kích thước, hình dạng và mật độ của cấu trúc nano để đạt được hiệu suất quang điện tối ưu, giải quyết bài toán năng lượng sạch trong tương lai.

1.2. Vai trò đột phá của Silicon Nanowires Si NWs trong Công nghệ Năng lượng Mặt trời

Silicon Nanowires, hay Si-NWs, đại diện cho một bước tiến đột phá trong công nghệ năng lượng mặt trời. Nhờ cấu trúc dây nano, Si-NWs có khả năng bẫy ánh sáng hiệu quả, giảm thiểu sự phản xạ và tăng cường hấp thụ quang phổ rộng. Đặc biệt, diện tích bề mặt lớn của Si-NWs tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu thập hạt tải điện, cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi quang điện. So với silic khối, Si-NWs có thể hoạt động hiệu quả hơn ngay cả khi sử dụng lượng vật liệu ít hơn, giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, tính linh hoạt trong thiết kế cấu trúc cho phép Si-NWs được tích hợp vào các thiết bị quang điện mỏng, nhẹ và dẻo, mở rộng phạm vi ứng dụng từ pin mặt trời truyền thống đến các thiết bị điện tử đeo được và kiến trúc thông minh. Việc nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện đang tập trung vào việc khai thác tối đa những ưu điểm này.

II. Giải quyết Thách thức Hiệu suất Pin Mặt trời Truyền thống bằng Silicon Nanowires

Pin mặt trời truyền thống dựa trên silic khối, dù đã đạt được những thành tựu nhất định, vẫn đối mặt với nhiều hạn chế về hiệu suất và chi phí. Silicon Nanowires nổi lên như một giải pháp tiềm năng để khắc phục các nhược điểm này, mang lại hy vọng về các thiết bị quang điện hiệu quả hơn và bền vững hơn. Tuy nhiên, việc ứng dụng Si-NWs không phải không có thách thức, đòi hỏi những phương pháp chế tạo và kiểm soát vật liệu tinh vi.

2.1. Hạn chế của Vật liệu Silic Khối và Nhu cầu Vật liệu Nano

Vật liệu Silic khối, nền tảng của hầu hết các tế bào quang điện hiện nay, tồn tại một số hạn chế cố hữu. Một trong những vấn đề chính là hệ số hấp thụ ánh sáng yếu ở dải bước sóng dài, yêu cầu độ dày lớn để hấp thụ hiệu quả, dẫn đến chi phí vật liệu cao. Ngoài ra, silic khối cũng chịu giới hạn về phản xạ bề mặt, làm thất thoát một phần năng lượng ánh sáng tới. Do đó, nhu cầu về vật liệu nano đã trở nên cấp thiết, đặc biệt là trong bối cảnh tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch. Silicon Nanowires cung cấp một giải pháp hiệu quả cho những hạn chế này, nhờ khả năng bẫy ánh sáng vượt trội và khả năng hấp thụ quang phổ rộng hơn, mở đường cho việc phát triển các thiết bị quang điện mỏng và nhẹ hơn, đồng thời giảm lượng vật liệu cần thiết.

2.2. Các Vấn đề Liên quan đến Chất lượng và Độ bền của Si NWs

Mặc dù Silicon Nanowires mang lại nhiều hứa hẹn, việc chế tạo chúng với chất lượng và độ bền cao cho ứng dụng quang điện vẫn là một thách thức lớn. Các vấn đề phổ biến bao gồm sự xuất hiện của sai hỏng cấu trúc trong quá trình phát triển, gây ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất điện tử và quang học của dây nano. Sự không đồng đều về kích thước, định hướng, và mật độ của Si-NWs cũng làm giảm hiệu suất chuyển đổi quang điện tổng thể của thiết bị. Hơn nữa, độ ổn định của Si-NWs dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm, bức xạ UV) cần được cải thiện để đảm bảo tuổi thọ dài cho pin mặt trời thế hệ mới. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số chế tạo và tìm kiếm vật liệu bảo vệ phù hợp là rất quan trọng để đưa Si-NWs từ phòng thí nghiệm ra ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp Chế tạo Silicon Nanowires Đánh giá Cơ chế Vapor Liquid Solid VLS

Trong số các phương pháp chế tạo vật liệu nano, cơ chế Vapor-Liquid-Solid (VLS) là một trong những kỹ thuật phổ biến và hiệu quả nhất để tổng hợp Silicon Nanowires. Đây là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự kiểm soát chính xác các điều kiện nhiệt độ, áp suất và thành phần hóa học để đảm bảo sự phát triển ổn định và chất lượng cao của Si-NWs cho ứng dụng quang điện.

3.1. Nguyên lý Hoạt động của Cơ chế VLS và Vai trò Kim loại Xúc tác

Cơ chế VLS (Vapor-Liquid-Solid) là phương pháp hàng đầu để tổng hợp Si-NWs định hướng. Quá trình này bắt đầu bằng việc đặt một lớp mỏng kim loại xúc tác (thường là vàng, bạc hoặc đồng) lên bề mặt đế silic. Khi được nung nóng đến nhiệt độ eutectic, kim loại xúc tác sẽ tạo thành giọt lỏng. Các tiền chất silic dạng hơi (ví dụ, SiH4 hoặc SiCl4) sau đó được đưa vào buồng phản ứng và hòa tan vào giọt kim loại lỏng. Khi nồng độ silic trong giọt vượt quá giới hạn bão hòa, silic sẽ kết tủa tại mặt phân cách lỏng-rắn, tạo thành Si-NWs theo hướng của giọt kim loại. Vai trò của kim loại xúc tác là không thể thiếu; chúng hoạt động như một điểm mầm cho sự phát triển của dây nano, đồng thời định hướng cho sự phát triển và kiểm soát đường kính của Si-NWs. Việc lựa chọn kim loại xúc tác và tối ưu hóa các thông số phản ứng là chìa khóa để đạt được Si-NWs với các đặc tính mong muốn.

3.2. Kiểm soát Quá trình Phát triển và Tiêu chuẩn Bền vững của Si NWs

Để đảm bảo chất lượng cao của Silicon Nanowires thông qua cơ chế VLS, việc kiểm soát quá trình phát triển là cực kỳ quan trọng. Các yếu tố như nhiệt độ phản ứng, áp suất, tốc độ dòng chảy của tiền chất và kích thước của hạt kim loại xúc tác đều ảnh hưởng trực tiếp đến đường kính, chiều dài, mật độ và định hướng của Si-NWs. Đặc biệt, việc duy trì tiêu chuẩn bền vững của quá trình phát triển Si-NWs là yếu tố then chốt. Theo các nghiên cứu của Gibbs – Thomson, sự ổn định của giọt kim loại xúc tác trên đỉnh dây nano được quyết định bởi cân bằng lực căng bề mặt tại giao diện ba pha (hơi-lỏng-rắn). Một sự mất cân bằng nhỏ cũng có thể khiến giọt mầm trượt khỏi vị trí, dẫn đến sự ngừng phát triển hoặc tạo ra các sai hỏng trong cấu trúc dây nano. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, để quá trình phát triển bền vững, cần thỏa mãn điều kiện liên quan đến sức căng bề mặt giữa các pha, ví dụ như σ1 > σS / (sinβ − cosβ), nơi σ1 là sức căng bề mặt giọt mầm, σS là sức căng bề mặt chất nền silic và β là góc tiếp xúc.

IV. Tối ưu hóa Tổng hợp Si NWs bằng Kỹ thuật PECVD Bước tiến Đột phá

Bên cạnh cơ chế VLS truyền thống, kỹ thuật Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) đang nổi lên như một phương pháp mạnh mẽ và linh hoạt để chế tạo Silicon Nanowires với khả năng kiểm soát tốt hơn các thông số. Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho ứng dụng quang điện nhờ khả năng tạo ra các cấu trúc nano chất lượng cao ở nhiệt độ thấp hơn, giảm thiểu chi phí và năng lượng tiêu thụ.

4.1. Tổng quan về Kỹ thuật PECVD và Ưu điểm trong Chế tạo Si NWs

Phương pháp PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) là một biến thể của kỹ thuật CVD, sử dụng plasma để phân ly các tiền chất khí, tạo ra các gốc tự do phản ứng cao ở nhiệt độ thấp hơn so với CVD nhiệt thông thường. Điều này mang lại nhiều ưu điểm đáng kể trong tổng hợp Si-NWs. PECVD cho phép lắng đọng vật liệu với tốc độ nhanh, tạo ra các lớp màng đồng nhất và có khả năng kiểm soát tốt hơn về cấu trúc, định hướng và độ tinh khiết của dây nano. Đặc biệt, việc sử dụng plasma giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào kim loại xúc tác hoặc cho phép sử dụng các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn. Đây là một lợi thế quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện, nơi mà việc kiểm soát tạp chất và chi phí sản xuất là yếu tố then chốt. Hệ thống PECVD tại các viện nghiên cứu vật lý đã và đang được sử dụng rộng rãi để phát triển Si-NWs chất lượng cao.

4.2. Các Yếu tố Ảnh hưởng đến Chất lượng Si NWs từ PECVD

Chất lượng của Silicon Nanowires được chế tạo bằng phương pháp PECVD phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các thông số plasma như công suất RF, tần số, áp suất buồng và thành phần khí tiền chất (ví dụ, tỷ lệ SiH4/H2) đóng vai trò quyết định đến tốc độ lắng đọng, hình thái và cấu trúc tinh thể của Si-NWs. Nhiệt độ đế cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến động học bề mặt và sự hình thành của dây nano. Việc tối ưu hóa các thông số này cho phép kiểm soát đường kính, chiều dài và mật độ của Si-NWs một cách chính xác, điều mà rất cần thiết cho ứng dụng quang điện. Ví dụ, một tỷ lệ H2 cao trong khí tiền chất có thể thúc đẩy sự phát triển của Si-NWs với độ tinh thể cao hơn. Các nghiên cứu liên tục được thực hiện để tìm ra bộ thông số tối ưu, nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của các thiết bị dựa trên Si-NWs, giải quyết các thách thức kỹ thuật còn tồn đọng.

V. Ứng dụng Thực tiễn và Hiệu quả Quang điện của Silicon Nanowires

Các kết quả nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện đã cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu này trong việc nâng cao hiệu suất các thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời. Từ việc tích hợp vào cấu trúc pin mặt trời đến việc phát triển các màng dẫn điện trong suốt, Si-NWs đang dần khẳng định vị thế của mình.

5.1. Tích hợp Si NWs vào Cấu trúc Pin Mặt trời và Màng mỏng ZnO ITO

Việc tích hợp Silicon Nanowires vào cấu trúc pin mặt trời thế hệ mới là một hướng đi đầy hứa hẹn. Si-NWs có thể được sử dụng để tạo ra một lớp hấp thụ ánh sáng hiệu quả, hoặc làm vật liệu dẫn điện xuyên tâm trong các cấu trúc pin mặt trời xuyên tâm (radial junction solar cells). Để tối ưu hóa việc thu thập hạt tải điện và giảm điện trở tiếp xúc, Si-NWs thường được kết hợp với các màng dẫn điện trong suốt như ZnO hoặc ITO. Ví dụ, màng ZnO lắng đọng trên đế Corning thường có cấu trúc tốt, hướng phát triển theo mặt mạng (002) thể hiện qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD), với độ truyền qua trên 80% (UV-Vis) và độ dẫn khoảng 1.1x10^-3 Ω.cm. Tương tự, màng ITO cũng được chế tạo bằng phún xạ magnetron DC, đạt độ truyền qua trên 80% (UV-Vis) và điện trở bề mặt thấp. Sự kết hợp giữa Si-NWs và các lớp ZnO/ITO tạo ra giao diện tối ưu cho việc thu thập dòng quang điện, góp phần nâng cao hiệu suất tổng thể của thiết bị.

5.2. Đánh giá Kết quả Thực nghiệm về Tính chất Quang điện của Màng Si NWs

Các đánh giá thực nghiệm là bước then chốt để xác định hiệu quả của Silicon Nanowires trong ứng dụng quang điện. Sau khi chế tạo Silicon Nanowires, các mẫu được kiểm tra bằng nhiều phương pháp khác nhau. Độ truyền qua quang học được đo bằng UV-Vis, cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng của Si-NWs và các lớp màng hỗ trợ. Bề dày của màng được đo bằng phương pháp Stylus, cung cấp thông tin về độ dày của lớp vật liệu. Điện trở và độ dẫn của màng được xác định bằng phương pháp bốn mũi dò, đánh giá khả năng dẫn điện của hệ thống. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để phân tích cấu trúc tinh thể, trong khi ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh về hình thái bề mặt và cấu trúc của dây nano. Ví dụ, kết quả phân tích bề mặt mẫu ZnO cho thấy độ đồng đều khá tốt, tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo Si-NWs sau này. Những kết quả này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa Si-NWs cho ứng dụng quang điện.

VI. Tương lai của Silicon Nanowires trong Phát triển Năng lượng Xanh Bền vững

Với những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu chế tạo Silicon Nanowires ứng dụng quang điện, tương lai của năng lượng mặt trời đang trở nên tươi sáng hơn bao giờ hết. Si-NWs không chỉ hứa hẹn các giải pháp hiệu quả về chi phí và hiệu suất mà còn mở ra cánh cửa cho nhiều đổi mới công nghệ khác.

6.1. Tiềm năng Mở rộng và Phát triển Công nghệ Si NWs

Tiềm năng mở rộng của công nghệ Silicon Nanowires là rất lớn. Với khả năng tích hợp vào nhiều nền tảng khác nhau, từ các tấm pin mặt trời linh hoạt đến các cảm biến quang điện hiệu suất cao, Si-NWs có thể cách mạng hóa nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu nano quy mô lớn và chi phí thấp, giúp đưa Si-NWs từ phòng thí nghiệm ra thị trường. Bên cạnh đó, việc khám phá các cấu trúc lai giữa Si-NWs và các vật liệu tiên tiến khác như perovskite hoặc vật liệu hữu cơ cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn để cải thiện hơn nữa hiệu suất chuyển đổi quang điện. Sự đa dạng trong cấu trúc và tính linh hoạt trong thiết kế cho phép Si-NWs thích ứng với nhiều yêu cầu ứng dụng, đóng góp vào mục tiêu năng lượng xanh bền vững toàn cầu.

6.2. Hướng Nghiên cứu Tiếp theo để Tối đa hóa Hiệu suất Quang điện

Để tối đa hóa hiệu suất quang điện của Silicon Nanowires, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào một số lĩnh vực then chốt. Thứ nhất, cải thiện chất lượng tinh thể và giảm thiểu khuyết tật trong quá trình tổng hợp Si-NWs thông qua việc tinh chỉnh cơ chế VLS và phương pháp PECVD. Thứ hai, nghiên cứu sâu hơn về giao diện giữa Si-NWs và các lớp dẫn điện như ZnO hoặc ITO để giảm thiểu điện trở tiếp xúc và tái hợp hạt tải điện. Thứ ba, phát triển các cấu trúc Si-NWs có khả năng hấp thụ ánh sáng tối ưu ở các dải quang phổ rộng hơn, bao gồm cả tia hồng ngoại. Cuối cùng, nghiên cứu về độ ổn định dài hạn của các thiết bị dựa trên Si-NWs dưới các điều kiện môi trường thực tế là rất cần thiết. Những nỗ lực này sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng của Silicon Nanowires và đẩy nhanh quá trình thương mại hóa chúng trong ứng dụng quang điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN Si-NWs 1.1 Khái niệm và xu hướng chế tạo vật liệu nano 1.1 Khái niệm vật liệu nano Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước vào cỡ nano mét, ở kích thước đó nó sẽ mang những đặc điểm và tính chất khác mà khi chúng tồn tại ở dạng vật liệu khối không hề có. Vật liệu nano đã được con người biết đến và sử dụng trong đời sống từ hàng ngàn năm nay qua các sản phẩm về gốm sứ, y học,… của người La Mã, Ai Cập, Ấn Độ,… nhưng chúng chỉ được định nghĩa một cách rõ ràng, nghiên cứu một cách tỉ mỉ trong nửa cuối của thế kỉ 20 với công trình nghiên cứu của M. Nhờ những phát triển vượt bậc của khoa học giúp cho việc chế tạo, phân tích các cấu trúc nano được thuận lợi mà công nghệ nano có được những bước đột phá mạnh mẽ, hàng loạt các vật liệu có cấu trúc nano được phát minh chế tạo mở ra những ứng dụng to lớn vào cuộc sống như: nanowires, nanorod, nanoribbon, nanotube,… Dù có rất nhiều các vật liệu nano được chế tạo nhưng về cơ bản chúng được phân chia thành ba loại.

Các vật liệu nano không chiều điển hình là các đám nano, hạt nano, chấm lượng tử nano,…  Vật liệu nano một chiều: là vật liệu có kích thước chiều dài trên chiều rộng (Aspect Ratio – AR) lớn, ví dụ như thanh nano, ống nano và dây nano. Hiện nay từ thực nghiệm người ta cho rằng tỉ lệ AR cho hai loại thanh và ống dao động từ 2/1 đến 20/1, còn dây nano thì tỉ lệ thường lớn hơn 20/1. HV: Phạm Thanh Tuân 15 MSHV: 1132008 Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Thầy hướng dẫn: TS. Cù Thành Sơn  Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên hai chiều (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo một chiều không gian).

Vật liệu nano có cấu trúc hai chiều như các loại màng mỏng, giếng lượng tử,… 1.2 Xu hướng chế tạo vật liệu nano Hình 1.1: Hai hướng chế tạo vật liệu nano.[1] Để tạo ra vật liệu nano, người ta có nhiều cách khác nhau, nhưng tất cả đều quy về hai cách tiếp cận chủ yếu sau:[1] + Cách tiếp cận từ trên xuống (top – down) – phương pháp vật lý, tức là xuất phát từ các kích cỡ lớn, nhỏ nhất là micromét, sau đó giảm kích thước đặc trưng của vật liệu xuống kích thước nano mét. Ưu điểm của cách tiếp cận này là các sản phẩm được chế tạo có thể điều chỉnh kích thước khá tốt, có đặc trưng vật lý rõ và thường sử dụng các phương pháp kiểu quang khắc cải tiến đi kèm với các chùm ion, hạt, các chùm điện tử … được hội tụ thành các điểm cực nhỏ với năng lượng cao để có thể chế tạo các vật liệu có kích thước cỡ 50nm. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có nhược điểm là chất lượng hình thái học không cao, khá tốn kém và đòi hỏi phải có hệ thống máy móc thiết bị hiện đại. + Cách tiếp cận từ dưới lên (bottom – up), tức là chủ yếu sử dụng các phương pháp hóa học để lắp ghép các đơn vị nguyên tử hoặc phân tử lại với nhau nhằm thu được cấu trúc nano.

Cách tiếp cận này vẫn còn tương đối mới, đang ngày càng thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới và không đòi hỏi thiết bị hiện đại, khả năng thu được dạng cấu trúc nano có hình thái học tốt và tính đồng nhất cao. HV: Phạm Thanh Tuân 16 MSHV: 1132008 Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Thầy hướng dẫn: TS.2 Kim loại xúc tác trong tổng hợp silicon nanowires (Si-NWs) 1.1 Tổng quan chung về kim loại xúc tác trong tổng hợp Si-NWs Kim loại làm xúc tác trong quá trình tổng hợp Si-NWs có rất nhiều. Được sử dụng rộng rãi và lâu đời nhất là Au để tổng hợp Si-NWs.[27] Hiện nay, số lượng các kim loại có khả năng làm xúc tác trong quá trình tổng hợp Si-NWs là rất lớn, nó trải dài từ các kim loại có số Z nhỏ cho đến lớn trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học như Al, Cu, Fe, Ag, Ti,… Vì lẽ đó mà để tiện cho việc tìm hiểu các kim loại này nhóm tác giả V.2: Các kim loại khác nhau được chia thành loại A, B và C.[27] Loại A là các kim loại có giản đồ pha hai thành phần với Si tương đối đơn giản. Trong giản đồ pha của chúng chỉ có một điểm Eutectic tại vị trí có mật độ Si trên 10% về khối lượng và chúng không có bất cứ một pha kim loại – silicide nào.

Các kim loại đại diện cho loại A có thể kể ra là Au, Al, Ag,… Trong đó đáng chú ý nhất là Au được xem như là một chuẩn mực để đánh giá các kim loại xúc tác khác. Loại B là loại cũng chỉ có một điểm Eutectic thống trị và hầu như không có các pha kim loại – silicide nào, điểm Eutectic của chúng nằm ở vị trí có mật độ Si rất bé (<1%). Các kim loại đại diện cho loại B có thể kể ra như Zn, Cd, Ga, In,… HV: Phạm Thanh Tuân 17 MSHV: 1132008 Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Thầy hướng dẫn: TS. Cù Thành Sơn Loại C là những kim loại có mặt nhiều pha silicide trong giản đồ pha hai thành phần với Si.

Hơn nữa điểm Eutectic của chúng có thể tìm được ở các vị trí có nhiệt độ cao (>800 0C). Các kim loại xúc tác đại diện cho loại C như Ti, Cr, Ni,… Hình 1.3: Các mức tạp chất của các kim loại khác nhau trong vùng cấm của Si và nhiệt độ nhỏ nhất có thể để tổng hợp Si-NWs theo cơ chế VLS.2 Kim loại xúc tác Sn Trong rất nhiều kim loại xúc tác thì Sn được xem như một kim loại xúc tác hiệu quả. Sn là kim loại xúc tác loại B có giản đồ pha hai thành phần Sn-Si với điểm Eutectic ở nhiệt độ thấp 2320C, điều này là một ưu điểm để sử dụng Sn làm xúc tác tổng hợp Si-NWs theo cơ chế Vapor liquid solid (VLS). Bên cạnh đó nồng độ của Si tại nhiệt độ Eutectic thấp có nghĩa là tốc độ hòa tan của Si vào Sn lỏng là chậm giúp cho việc điều khiển quá trình tổng hợp dễ dàng hơn.

Xét về tính chất điện ta thấy rằng Sn và Si cùng nhóm IV nên chúng đẳng điện tử với nhau không tạo ra các sai hỏng điện tử. Bên cạnh đó mức tạp chất của Sn không gần với tâm vùng cấm của Si. Điều này có nghĩa là thời gian sống của hạt tải tương đối dài hơn so với Au. Bản thân hợp kim Si-Sn cũng không tạo ra các hợp chất trung gian như silicides, và việc xử lý Sn sau khi tổng hợp là rất dễ dàng hơn so với Au.

Thông qua gốc hydrogen ta có thể loại bỏ được Sn còn lại sau quá trình HV: Phạm Thanh Tuân 18 MSHV: 1132008 Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Thầy hướng dẫn: TS. Cù Thành Sơn tổng hợp vì Sn sẽ tương tác hóa học với H2 tạo ra các SnHx ở dạng khí. Điều này sẽ được chúng tôi khảo sát trong quá trình thực nghiệm.4: Giản đồ pha hai thành phần của Sn-Si.[18] Tính chất của kim loại xúc tác Sn  Tính chất chung Phân loại: kim loại; Nhóm: 14; Chu kì: 5; Phân lớp: p Khối lượng nguyên tử: 118.710; Cấu hình electron: [Kr] 4d10 5s2 5p2 Số electron trên vỏ điện tử: 2 8 18 18 4  Tính chất vật lý Màu: bạc hoặc xám; Trạng thái vật lý: chất rắn Thù hình: Thiếc có hai dạng thù hình phổ biến là thiếc-α và thiếc-β thường được gọi là thiếc xám và thiếc trắng. Ngoài ra thiếc còn có hai dạng thù hình khác là thiếc-γ và thiếc-σ tồn tại ở nhiệt độ trên 161 °C và áp suất trên vài GPa.

Khối lượng riêng tại nhiệt độ phòng: 7. Khối lượng riêng tại nhiệt độ nóng chảy: 6.cm −3 Nhiệt độ nóng chảy: 231.93 °C; Nhiệt độ sôi: 2602 °C HV: Phạm Thanh Tuân 19 MSHV: 1132008 Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Thầy hướng dẫn: TS. Cù Thành Sơn Nhiệt lượng nóng chảy: 7.mol-1 (Bạc); Nhiệt lượng bay hơi: 296.mol-1 Nhiệt lượng riêng: 27.K-1  Tính chất nguyên tử Độ âm điện: 1.96 thang Pauling Năng lượng ion hóa: Thứ nhất: 708.mol−1, Thứ hai: 1411.mol−1, Thứ ba: 2943.0 kJ·mol−1 Bán kính cộng hóa trị: 140 pm Độ dài liên kết cộng hóa trị: 139 ± 4 pm Bán kính Van der Waals: 217 pm 1.3 Vật liệu Silic Vật liệu Silic dạng khối lần đầu tiên được phát hiện bởi Antoine Lavoisier năm 1787 và từ đó đến nay Silic đã đóng vai trò cực kì quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp như sản xuất xi măng, thủy tinh, thiết bị y tế,… và đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực công nghệ cao như điện tử bán dẫn. Không chỉ dừng lại ở dạng vật liệu khối mà các cấu trúc nano của Silic cũng đã được thúc đẩy nghiên cứu như các pin năng lượng mặt trời cấu trúc nano, transistor cấu trúc nano, các thiết bị lưu trữ dung lượng cao có cấu tạo nano,… nhóm tác giả Minsung Jeon[16] chế tạo pin năng lượng mặt trời, Songyue Chen[24] nghiên cứu chế tạo sensor bằng Si-NWs, Hideyuki Kamimura[10] với đề tài về transistor có cấu trúc Si-NWs, Kui Qing Peng[12] với đề tài lưu trữ dung lượng cao sử dụng cấu trúc Si-NWs.

Do tiềm năng ứng dụng của vật liệu Silic đặc biệt là Si-NWs là vô cùng to lớn vì thế chúng tôi chú trọng nghiên cứu chế tạo Si-NWs ứng dụng cho các thiết bị quang điện. HV: Phạm Thanh Tuân 20 MSHV: 1132008 Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Thầy hướng dẫn: TS. Cù Thành Sơn Tính chất của vật liệu Silic  Tính chất chung Phân loại: phi kim; Nhóm: 14, chu kì: 3, phân lớp: p Khối lượng nguyên tử: 28.0855; Cấu hình electron: [Ne] 3s2 3p2  Tính chất vật lý Màu: xám sẫm ánh xanh; Khối lượng riêng tại nhiệt độ phòng: 2.cm −3 Khối lượng riêng tại nhiệt độ nóng chảy: 2.cm−3 Nhiệt độ nóng chảy: 231.93 °C; Nhiệt độ sôi: 1414 °C Nhiệt lượng nóng chảy: 50.mol-1 (Bạc); Nhiệt lượng bay hơi: 359 kJ.mol-1 Nhiệt lượng riêng: 19.K-1  Tính chất nguyên tử Độ âm điện: 1.9 thang Pauling; Năng lượng ion hóa: Thứ nhất: 786.mol−1, Thứ hai: 1577.mol−1, Thứ ba: 3231.mol−1 Bán kính cộng hóa trị: 111 pm; Độ dài liên kết cộng hóa trị: 111 pm Bán kính Van der Waals: 210 pm Tinh thể Silic Tinh thể Silic có cấu trúc mạng kim cương (lập phương tâm mặt), tinh thể có màu sáng sẫm ánh kim. Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ, Silic vẫn có phản ứng với các halogen, các chất kiềm loãng và không tác dụng với hầu hết axit (trừ tổ hợp axit nitric và axit flohidric).