Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Tính Chất Quang Học Của Cấu Trúc Một Chiều ZnS-MoS2

Khám phá luận văn thạc sĩ về chế tạo và tính chất quang của cấu trúc một chiều ZnS-MoS2, ứng dụng trong công nghệ vật liệu tiên tiến.

• Tác giả: Trần L An
• Người hướng dẫn: GS TS Phạm Thành Huy
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật Lý Chất Rắn
• Đề tài: Chế Tạo Và Tính Chất Quang Của Cấu Trúc Một Chiều ZnS-MoS2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU NANO
• 1.1.1. Định nghĩa vật liệu nano
• 1.1.2. Đặc trưng của vật liệu nano
• 1.2. TÍNH CHẤT QUANG
• 1.3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Vật liệu ZnS
• 1.3.2. Vật liệu MoS2
• 1.3.3. Vật liệu ZnS/MoS2
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO 1D ZnS BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT
• 2.1.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất
• 2.1.2. Quy trình chế tạo cấu trúc nano 1D ZnS
• 2.2. CHẾ TẠO CẤU TRÚC LAI NANO 1D/2D ZnS/MoS2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT
• 2.2.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất
• 2.2.2. Quy trình chế tạo cấu trúc lai nano 1D/2D ZnS/MoS2 bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt, thành phần nguyên tố của vật liệu bằng ảnh FESEM và phổ tán sắc năng lượng tia X
• 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất quang bằng phép đo phổ huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ
• 3.1. HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC CỦA 1D ZnS CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT
• 3.1.1. Hình thái bề mặt của vật liệu 1D ZnS
• 3.1.2. Cơ chế mọc của cấu trúc 1D ZnS
• 3.1.3. Thành phần các nguyên tố hóa học của các cấu trúc 1D ZnS
• 3.1.4. Cấu trúc 1D ZnS
• 3.2. HÌNH THÁI, CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU MoS2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT
• 3.2.1. Hình thái bề mặt của cấu trúc 2D MoS2
• 3.2.2. Thành phần hóa học của cấu trúc 2D MoS2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.2.3. Cấu trúc tinh thể của 2D MoS2 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt
• 3.3. HÌNH THÁI, CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU NANO LAI 1D/2D ZnS/MoS2
• 3.3.1. Hình thái bề mặt vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2
• 3.3.2. Thành phần các nguyên tố trong mẫu vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2
• 3.3.3. Cấu trúc tinh thể của vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2
• 3.4. TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU 1D ZnS VÀ VẬT LIỆU LAI 1D/2D ZnS/MoS2
• 3.4.1. Phổ huỳnh quang của cấu trúc nano 1D ZnS
• 3.4.2. Phổ huỳnh quang của cấu trúc nano lai 1D/2D ZnS/MoS2
• 3.5. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC 1D/2D ZnS/MoS2
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về vật liệu nano

Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước cỡ nanomet (1-100 nm). Chúng được phân loại dựa trên hình dạng và tính chất. Vật liệu nano một chiều (1D) như dây nano, ống nano đang thu hút sự quan tâm lớn do tính chất quang học và điện tử độc đáo. ZnS và MoS2 là hai vật liệu bán dẫn tiềm năng, đặc biệt khi kết hợp tạo thành cấu trúc một chiều ZnS-MoS2. Sự kết hợp này hứa hẹn mang lại các tính chất quang học mới, ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử và năng lượng.

1.1. Đặc trưng của vật liệu nano

Vật liệu nano có ba hiệu ứng chính: hiệu ứng giam giữ lượng tử, hiệu ứng bề mặt, và hiệu ứng kích thước. Hiệu ứng giam giữ lượng tử làm thay đổi cấu trúc điện tử, dẫn đến sự dịch chuyển năng lượng trong phổ hấp thụ. Hiệu ứng bề mặt tăng cường tính chất xúc tác và quang học do tỷ lệ nguyên tử bề mặt cao. Hiệu ứng kích thước làm thay đổi các đại lượng vật lý và hóa học khi kích thước vật liệu giảm xuống mức nano.

II. Chế tạo vật liệu nano ZnS và MoS2

Quy trình chế tạo cấu trúc một chiều ZnS được thực hiện bằng phương pháp bốc bay nhiệt, trong khi MoS2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Sự kết hợp hai phương pháp này cho phép tạo ra cấu trúc lai 1D/2D ZnS-MoS2. Phương pháp bốc bay nhiệt đảm bảo độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể của ZnS, trong khi thủy nhiệt giúp phủ lớp MoS2 lên bề mặt ZnS, tạo ra cấu trúc lai có tính chất quang học đặc biệt.

2.1. Phương pháp bốc bay nhiệt

Phương pháp này sử dụng nhiệt độ cao (1150°C) để bốc bay nguyên liệu ZnS, tạo thành các dây nano một chiều. Quá trình này đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian để đảm bảo cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của vật liệu.

2.2. Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp MoS2 ở nhiệt độ thấp hơn (180°C). Quá trình này cho phép kiểm soát độ dày và số lớp nguyên tử của MoS2, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phủ lên bề mặt ZnS.

III. Tính chất quang học của cấu trúc ZnS MoS2

Tính chất quang học của cấu trúc một chiều ZnS-MoS2 được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang (PL). Kết quả cho thấy sự dịch chuyển năng lượng và hiệu suất phát quang cao hơn so với vật liệu đơn lẻ. Sự kết hợp giữa ZnS và MoS2 tạo ra hiệu ứng truyền điện tử, làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử.

3.1. Phổ huỳnh quang của ZnS

Phổ huỳnh quang của ZnS cho thấy các đỉnh phát xạ ở vùng tử ngoại, phản ánh độ rộng vùng cấm lớn (3.7 eV). Điều này phù hợp với tính chất của vật liệu bán dẫn có cấu trúc một chiều.

3.2. Phổ huỳnh quang của ZnS MoS2

Phổ huỳnh quang của cấu trúc lai ZnS-MoS2 cho thấy sự dịch chuyển năng lượng và tăng cường hiệu suất phát quang. Điều này chứng tỏ sự tương tác hiệu quả giữa hai vật liệu, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang học và năng lượng.

IV. Ứng dụng của cấu trúc ZnS MoS2

Cấu trúc một chiều ZnS-MoS2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quang điện tử, cảm biến, và xúc tác quang học. Sự kết hợp giữa ZnS và MoS2 tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp thụ ánh sáng cao, và hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt. Điều này làm cho vật liệu này trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các thiết bị như pin mặt trời, cảm biến khí, và xúc tác quang học.

4.1. Ứng dụng trong quang điện tử

Cấu trúc ZnS-MoS2 được sử dụng trong các thiết bị quang điện tử như laser tử ngoại và cảm biến ánh sáng. Tính chất quang học độc đáo của vật liệu này giúp tăng hiệu suất và độ nhạy của thiết bị.

4.2. Ứng dụng trong xúc tác quang học

Vật liệu này cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xúc tác quang học, giúp phân hủy các chất ô nhiễm trong môi trường. Diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh làm tăng hiệu quả xúc tác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano với kích thước từ 1 đến 100 nm đã và đang thu hút sự quan tâm lớn trong khoa học vật liệu do những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt khác biệt so với vật liệu khối truyền thống. Trong đó, vật liệu nano một chiều (1D) và hai chiều (2D) được nghiên cứu sâu rộng nhờ khả năng ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực quang điện tử, cảm biến, và năng lượng. Đặc biệt, ZnS và MoS2 là hai vật liệu bán dẫn có tính chất quang học nổi bật, với ZnS có vùng cấm rộng khoảng 3,7 eV và MoS2 có cấu trúc lớp tương tự graphene với vùng cấm thay đổi theo số lớp nguyên tử, từ 1,2 eV ở thể khối đến 1,8 eV ở đơn lớp.

Luận văn tập trung vào việc chế tạo và khảo sát tính chất quang của cấu trúc nano lai một chiều ZnS/MoS2, nhằm khai thác hiệu ứng truyền hạt tải giữa hai vật liệu để tăng cường phát xạ đặc trưng trong vùng tử ngoại và gần hồng ngoại. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi tổng hợp vật liệu nano 1D ZnS bằng phương pháp bốc bay nhiệt và phủ lớp MoS2 2D bằng phương pháp thủy nhiệt, tại phòng thí nghiệm các trường đại học Phenikaa và Bách Khoa Hà Nội trong khoảng thời gian gần đây.

Việc phát triển cấu trúc lai 1D/2D ZnS/MoS2 không chỉ góp phần làm phong phú thêm dữ liệu khoa học về vật liệu nano lai mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử, cảm biến khí, và xúc tác quang học với hiệu suất cao. Các chỉ số như độ dài dây nano ZnS lên đến vài chục micromet, đường kính dây từ 50-300 nm, cùng khả năng phát xạ huỳnh quang mạnh mẽ được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả hoạt động của các linh kiện quang học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng giam giữ lượng tử (Quantum confinement effect): Khi kích thước hạt nano giảm xuống gần bán kính Bohr của exciton, các trạng thái điện tử bị lượng tử hóa, làm thay đổi vùng cấm năng lượng và dẫn đến dịch chuyển phổ hấp thụ (blue shift hoặc red shift).

• Hiệu ứng bề mặt: Tỉ lệ nguyên tử trên bề mặt tăng khi kích thước hạt giảm, ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học, đặc biệt là các trạng thái bẫy điện tử làm thay đổi hiệu suất huỳnh quang.

• Cơ chế truyền hạt tải trong cấu trúc lai ZnS/MoS2: Quá trình truyền điện tử và lỗ trống giữa ZnS và MoS2 tạo điều kiện tăng cường phát xạ huỳnh quang đặc trưng của từng vật liệu, dựa trên sự tương thích về vùng cấm và cấu trúc mạng tinh thể.

Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu nano 1D và 2D, phổ huỳnh quang (PL), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS), giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD), và cơ chế VLS (Vapor-Liquid-Solid) trong quá trình mọc dây nano.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu nano 1D ZnS được tổng hợp bằng phương pháp bốc bay nhiệt trong lò ống nằm ngang ở nhiệt độ 1150 °C trong 1 giờ, sử dụng bột ZnS làm nguyên liệu nguồn và đế Si/Au làm nền mọc dây. Sau đó, lớp MoS2 2D được phủ lên bề mặt ZnS bằng phương pháp thủy nhiệt ở 180 °C trong 4 giờ với dung dịch chứa (NH4)6Mo7O24 và N2H4CS.

• Phương pháp phân tích:

  • Hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).
  • Cấu trúc tinh thể được xác định qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Tính chất quang học được đánh giá bằng phổ huỳnh quang (PL) tại nhiệt độ phòng với nguồn kích thích đèn Xenon công suất 450 W, bước sóng từ 250 đến 800 nm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu vật liệu được tổng hợp tại ba vùng nhiệt độ khác nhau trên đế Si/Au để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến hình thái và cấu trúc. Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí đặt đế trong lò bốc bay nhiệt nhằm tạo ra các cấu trúc nano khác nhau.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu ZnS trong 1 giờ, phủ MoS2 trong 4 giờ, các bước phân tích và đo đạc thực hiện liên tục tại các phòng thí nghiệm chuyên dụng trong vòng vài tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công cấu trúc nano 1D ZnS: Ảnh FESEM cho thấy dây nano ZnS có chiều dài lên đến vài chục micromet, đường kính từ 50 đến 300 nm, mật độ cao và bề mặt nhẵn bóng. Nhiệt độ đế ảnh hưởng rõ rệt đến hình thái dây và đai nano, với vùng nhiệt độ cao nhất (1100-950 °C) tạo ra đai nano dày đặc, vùng thấp nhất (800-750 °C) tạo ra dây nano thuần túy.

2. Cơ chế mọc dây nano theo VLS: Sự xuất hiện các hạt Au xúc tác trên đầu dây nano ZnS được quan sát rõ, xác nhận cơ chế VLS trong quá trình bốc bay nhiệt. Kim loại Au tạo giọt hợp kim Au-Si hấp thụ Si và hỗ trợ sự kết tinh dây nano ZnS.

3. Phân tích thành phần nguyên tố: Phổ EDS cho thấy thành phần chính là Zn và S với tỷ lệ gần 50%, một số mẫu có sự hiện diện của O do oxi hóa nhẹ trong quá trình chế tạo. Nguyên tố Au không được phát hiện do hàm lượng rất nhỏ.

4. Tổng hợp cấu trúc lai 1D/2D ZnS/MoS2: Phương pháp thủy nhiệt thành công phủ lớp MoS2 lên bề mặt dây nano ZnS, tạo thành cấu trúc lai với sự phân bố đồng đều của các nguyên tố Zn, S, Mo. Giản đồ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể của cả ZnS và MoS2 trong mẫu lai.

5. Tính chất quang học được cải thiện: Phổ huỳnh quang của cấu trúc lai ZnS/MoS2 cho thấy sự tăng cường phát xạ ở vùng tử ngoại (ZnS) và vùng gần hồng ngoại (MoS2), minh chứng cho hiệu ứng truyền hạt tải giữa hai vật liệu. Hiệu suất phát xạ tăng khoảng 20-30% so với vật liệu đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc kết hợp vật liệu 1D ZnS và 2D MoS2 tạo ra cấu trúc lai có tính chất quang học vượt trội nhờ cơ chế truyền hạt tải qua lại giữa hai thành phần. Sự tăng cường phát xạ huỳnh quang được giải thích bởi sự gia tăng số lượng điện tử và lỗ trống tại vùng dẫn và hóa trị của ZnS và MoS2, làm tăng hiệu suất tái hợp bức xạ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về cấu trúc dị thể ZnS/MoS2, luận văn đã mở rộng phạm vi bằng cách áp dụng phương pháp kết hợp bốc bay nhiệt và thủy nhiệt, giúp kiểm soát tốt hơn hình thái và chất lượng vật liệu. Các biểu đồ FESEM, phổ EDS và XRD minh họa rõ ràng sự đồng nhất và cấu trúc lai thành công.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển quy trình tổng hợp vật liệu nano lai 1D/2D có tính chất quang học ưu việt, mở ra hướng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử như laser tử ngoại, pin mặt trời, và cảm biến khí với hiệu suất cao và độ bền tốt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Điều chỉnh nhiệt độ bốc bay và thời gian thủy nhiệt để kiểm soát kích thước và độ đồng nhất của dây nano ZnS và lớp MoS2, nhằm nâng cao hiệu suất phát xạ huỳnh quang. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Nghiên cứu ứng dụng trong thiết bị quang điện tử: Thử nghiệm tích hợp cấu trúc ZnS/MoS2 vào các linh kiện như cảm biến khí và pin mặt trời để đánh giá hiệu suất thực tế. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: phòng thí nghiệm ứng dụng công nghệ vật liệu.

3. Phân tích cơ chế truyền hạt tải chi tiết: Sử dụng kỹ thuật quang phổ thời gian và mô phỏng lý thuyết để hiểu rõ hơn về quá trình truyền điện tử và lỗ trống giữa ZnS và MoS2. Thời gian: 9 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.

4. Mở rộng nghiên cứu vật liệu lai khác: Khảo sát các vật liệu bán dẫn khác có cấu trúc 1D/2D tương tự để so sánh và tìm kiếm vật liệu có tính chất quang học ưu việt hơn. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp và phân tích chi tiết vật liệu nano 1D ZnS và cấu trúc lai 1D/2D ZnS/MoS2, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị quang điện tử: Thông tin về tính chất quang học và hiệu suất phát xạ của vật liệu lai hỗ trợ thiết kế các linh kiện như cảm biến, laser, pin mặt trời với hiệu quả cao.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý chất rắn và công nghệ vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu nano.

4. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất vật liệu: Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong phát triển sản phẩm mới, nâng cao chất lượng vật liệu và mở rộng thị trường ứng dụng trong công nghiệp quang học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp bốc bay nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp vật liệu nano?
   Phương pháp này giúp tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao, cấu trúc tinh thể tốt và kiểm soát được hình thái dây nano nhờ điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng khí. Ví dụ, dây nano ZnS dài vài chục micromet với bề mặt nhẵn bóng đã được tổng hợp thành công.

2. Tại sao cần kết hợp ZnS và MoS2 trong cấu trúc lai?
   Sự kết hợp tận dụng vùng cấm rộng của ZnS và tính chất quang học đặc trưng của MoS2, đồng thời cơ chế truyền hạt tải giữa hai vật liệu giúp tăng cường phát xạ huỳnh quang, mở rộng dải bước sóng ứng dụng từ tử ngoại đến gần hồng ngoại.

3. Cơ chế VLS ảnh hưởng thế nào đến sự mọc dây nano?
   Cơ chế VLS sử dụng giọt kim loại Au làm xúc tác tạo vùng lỏng-rắn, hấp thụ nguyên liệu và thúc đẩy sự kết tinh dây nano theo chiều dài, giúp kiểm soát kích thước và hình thái dây nano ZnS.

4. Phổ huỳnh quang phản ánh điều gì về tính chất vật liệu?
   Phổ huỳnh quang cho biết hiệu suất tái hợp bức xạ của điện tử và lỗ trống, thể hiện khả năng phát xạ photon của vật liệu. Sự tăng cường phát xạ trong cấu trúc lai ZnS/MoS2 chứng tỏ hiệu quả truyền hạt tải và cải thiện tính chất quang học.

5. Có thể ứng dụng cấu trúc nano lai ZnS/MoS2 trong lĩnh vực nào?
   Cấu trúc này phù hợp cho các thiết bị quang điện tử như laser tử ngoại, pin mặt trời, cảm biến khí và xúc tác quang học, nhờ khả năng phát xạ đa dải bước sóng và hiệu suất cao.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp vật liệu nano 1D ZnS bằng phương pháp bốc bay nhiệt và phủ lớp MoS2 2D bằng phương pháp thủy nhiệt, tạo ra cấu trúc lai 1D/2D ZnS/MoS2 với chất lượng cao.
• Hình thái dây nano ZnS có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi nhiệt độ đế, với chiều dài vài chục micromet và đường kính từ 50-300 nm.
• Phân tích cấu trúc và thành phần nguyên tố xác nhận sự tồn tại đồng thời của ZnS và MoS2 trong cấu trúc lai, với cơ chế VLS đóng vai trò quan trọng trong mọc dây nano.
• Tính chất quang học của cấu trúc lai được cải thiện rõ rệt, với sự tăng cường phát xạ huỳnh quang ở vùng tử ngoại và gần hồng ngoại nhờ hiệu ứng truyền hạt tải.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu nano lai cho các ứng dụng quang điện tử, cảm biến và năng lượng, đồng thời đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình và mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển các thiết bị quang học hiệu suất cao, đồng thời tiếp tục nghiên cứu sâu về cơ chế truyền hạt tải và mở rộng vật liệu lai mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

GI O Ụ V OT O TR ỜNG I HỌC QU NH N TRẦN LÊ ANH ÀO CHẾ T O VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC MỘT CHIỀU ZnS/MoS2 C u nn n Vật lí chất rắn M s 8440104 N ờ ớn d n GS TS P ạm Thành Huy 2 TS ỗ Quang Trung LỜI CAM OAN Tôi xin cam đoan, đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy GS. Phạm Thành Huy và Thầy TS. ỗ Quang Trung, không trùng lặp với bất kì công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng công bố trong bất kì một công trình nào.

Học viên Trần L An o LỜI CẢM N Trƣớc tiên, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến GS. Phạm Thành Huy và TS. ỗ Quang Trung, những ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ dạy, giúp đỡ hết lòng cả về vật chất lẫn tinh thần và cung cấp những kiến thức khoa học hết sức quí giá giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS.

Nguyễn Tƣ, ngƣời đã tận tình giúp đỡ, khích lệ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn em Khuất Thị Thƣ, sinh viên năm thứ 2 khoa Công nghệ Vật liệu, Trƣờng ại học Phenikaa và em Lƣu Thị Hà Thu học viên cao học Viện AIST, Trƣờng ại học Bách Khoa Hà Nội đã đồng hành cùng với tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Trƣờng ại học PHENIKAA, Viện AIST trƣờng ại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi làm thực nghiệm và đo đạc, khảo sát các tính chất của vật liệu. Tôi xin chân thành cảm ơn an Giám Hiệu Trƣờng ại Học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa, các thầy cô giáo của Khoa Vật lí - Trƣờng ại Học Quy Nhơn, an Giám Hiệu cùng các thầy cô tổ Vật lí trƣờng THPT Nguyễn Trãi An Khê, đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã gần gũi, động viên và chia sẻ, giúp tôi khắc phục khó khăn trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTE ) trong đề tài mã số 103. Xin trân trọng cảm ơn ! ình ịnh, tháng 9 năm 2020 Trần L An o MỤC LỤC LỜI AM OAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ẦU. Lý do chọn đề tài.

Mục đích nghiên cứu. ối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

3 HƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU NANO .1 ịnh nghĩa vật liệu nano .2 ặc trƣng của vật liệu nano. Tính chất quang. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. Vật liệu ZnS.

Vật liệu MoS2. Vật liệu ZnS/MoS2. 22 HƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM. CHẾ T O VẬT LIỆU NANO 1D ZnS BẰNG PHƢƠNG PH P ỐC BAY NHIỆT.

Dụng cụ, thiết bị và hóa chất:. Quy trình chế tạo cấu trúc nano 1D ZnS. CHẾ T O CẤU TRÚC LAI NANO 1D/2D ZnS/MoS2 BẰNG PHƢƠNG PH P THỦY NHIỆT. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất.

Quy trình chế tạo cấu trúc lai nano 1D/2D ZnS/MoS2 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. PHƢƠNG PH P PHÂN TÍ H. Phƣơng pháp nghiên cứu hình thái bề mặt, thành phân nguyên tố của vật liệu bằng ảnh FESEM và phổ tán sắc năng lƣợng tia X. Phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD).

Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất quang bằng phép đo phổ huỳnh quang. 34 HƢƠNG 3: KẾT QUẢ. HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC CỦA 1D ZNS CHẾ T O BẰNG PHƢƠNG PH P ỐC BAY NHIỆT. Hình thái bề mặt của vật liệu 1D ZnS.

ơ chế mọc của cấu trúc 1D ZnS. Thành phần các nguyên tố hóa học của các cấu trúc 1D ZnS. Cấu trúc 1D ZnS. HÌNH THÁI, CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU MoS2 CHẾ T O ƢỢC BẰNG PHƢƠNG PH P THỦY NHIỆT.

Hình thái bề mặt của cấu trúc 2D MoS2. Thành phần hóa học của cấu trúc 2D MoS2 chế tạo bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. Cấu trúc tinh thể của 2D MoS2 chế tạo bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. HÌNH THÁI, CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU NANO LAI 1D/2D ZnS/MoS2.

Hình thái bề mặt vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2. Thành phần các nguyên tố trong mẫu vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2. Cấu trúc tinh của vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2. TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU 1D ZnS VÀ VẬT LIỆU LAI 1D/2D ZnS/MoS2 3.1 Phổ huỳnh quang của cấu trúc nano 1D ZnS .2 Phổ huỳnh quang của cấu trúc nano lai 1D/2D ZnS/MoS2.

Ơ HẾ HÌNH THÀNH CẤU TRÚC 1D/2D ZnS/MoS2. 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 58 QUYẾT ỊNH GIAO Ề TÀI LUẬN VĂN TH SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầ đủ N ĩa tiếng việt Eg Energy in the forbidden area Năng lƣợng vùng cấm VLS Vapor - Liquid - Solid ơ chế hơi – lỏng – rắn VZn Zinc Vacancy Nút khuyết kẽm VS Sulfur Vacancy Nút khuyết lƣu huỳnh PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang UV Ultraviolet Tử ngoại Phổ tán sắc năng lƣợng EDS Energy Dispersive X-ray Spectroscopy tia X XRD X-ray Diffraction Phổ nhiễu xạ tia X Field- Emission Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét FESEM Microscope phát xạ trƣờng 0D 0- Dimensional Không chiều 1D 1- Dimensional Một chiều 2D 2- Dimensional Hai chiều 3D 3- Dimensional Ba chiều 1T Tetragonal Tứ phƣơng 2H Hexagonal Lục giác 3R Rhombohedral a phƣơng NIR Near infrared Hồng ngoại gần DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lƣợng hạt nano cầu [5].8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.

Các cấu trúc nano thấp chiều phân loại theo kích thƣớc vật liệu [5]. Phổ năng lƣợng exciton [24]. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chất bán dẫn [24]. Các loại chất bán dẫn hình thành do tạp chất.

Quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn. Các dạng cấu trúc của ZnS. Cấu trúc lớp của vật liệu MoS2 [31]. Các dạng cấu trúc tinh thể của vật liệu MoS2 (A) Bát diện (pha- 1T), ( ) Lăng trụ tam giác (pha- 2H), ( ) Lăng trụ tam giác (pha- 3R) [35].

Sự thay đổi cấu trúc vùng cấm của vật liệu MoS2 theo số lớp nguyên tử [37]. Quá trình truyền điện tử từ MoS2 sang ZnS. Quá trình truyền hạt tải tử ZnS sang MoS2 [45]. Lò bốc bay nhiệt tại phòng thí nghiệm trƣờng đại học Phenikaa.

Quá trình bốc bay của vật liệu ZnS tại nhiệt độ 1150 °C. Quy trình thủy nhiệt tổng hợp cấu trúc nano lai 1D ZnS/MoS2. Thiết bị FESEM-JEOL/JSM-7600F tích hợp đo FESEM và E S tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST)- ại học Bách khoa Hà Nội. Hệ đo giản đồ nhiễu xạ tia X (D/MAX-2500/PC) tại Viện (KICET), Hàn Quốc.

Hệ huỳnh quang (Nanolog, Horiba Jobin Yvon) nguồn kích thích là đèn Xenon công suất 450 W có bƣớc sóng từ 250 ÷ 800 nm, tại viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trƣờng ại học Bách khoa Hà Nội. Ảnh FESEM của vật liệu nano 1D ZnS tổng hợp bằng phƣơng pháp bốc bay nhiệt tại 1150 oC trong 1 giờ với các vùng nhiệt độ khác nhau. Ảnh FESEM của các dây nano ZnS với độ phóng đại khác nhau cho quan sát hạt kim loại Au xúc tác. Phổ EDS của các mẫu vật liệu ZnS 1 tƣơng ứng với ba vùng nhiệt của đế.

Phổ XRD của mẫu vật liệu nano 1D ZnS. Ảnh FESEM của MoS2 thủy nhiệt ở 180oC trong các thời gian khác nhau a&b (8 giờ), c&d (12 giờ), d&e (24 giờ). Ảnh FESEM, ảnh điện tử EDS phân bố theo lớp nguyên tố, ảnh mapping các thành phần nguyên tố và phổ EDS của mẫu MoS2 thủy nhiệt ở thời gian 12 giờ. Phổ XRD của MoS2 thủy nhiệt trong thời gian 12 giờ.

Ảnh FESEM của vật liệu nano lai 1D/2D ZnS/MoS2. Phổ EDS của cấu trúc nano lai 1D/2D ZnS/MoS2 với nồng độ MoS2 ban đầu là 0,04M và 0,2M. Phổ EDS mapping của cấu trúc 1D/2D ZnS/MoS2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của cấu trúc 1D/2D ZnS và ZnS/MoS2.

Phổ huỳnh quang PL của cấu trúc 1D ZnS. Phổ huỳnh quang của cấu trúc nano lai 1D/2D ZnS/MoS2. ơ chế hình thành cấu trúc 1D/2D ZnS/MoS2. LÝ DO CHỌN Ề TÀI Vật liệu nano là vật liệu mới có nhiều tính chất ƣu việt so với các vật liệu khối truyền thống, có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: trong các thiết bị quang - điện tử, quang xúc tác để xử lý ô nhiễm môi trƣờng, thiết bị lƣu trữ năng lƣợng, trong pin mặt trời, trong y sinh.

Dựa vào hình dạng vật liệu, ngƣời ta chia vật liệu nano thành vật liệu nano không chiều (0D), một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) [5] [6]. Các cấu trúc nano thấp chiều dạng không chiều, dạng một chiều và dạng hai chiều đang ngày càng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc bởi chúng có nhiều những tính chất mới mà ở dạng vật liệu khối không có [7]. Gần đây, với việc kết hợp các loại vật liệu có cấu trúc khác nhau nhƣ 1 /0 (dây nano/hạt nano) [8] [9] [10] đã làm tăng đáng kể diện tích bề mặt vật liệu giúp tăng khả năng ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến, hoặc cấu trúc 2D/1D (màng mỏng nano/dây nano) [11] [12] [13] cũng tạo ra nhiều cấu trúc linh kiện điện tử đặc biệt cho nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Tƣơng tự nhƣ vậy, chúng ta hoàn toàn có thể kết hợp vật liệu 1 và 2 để tạo ra cấu trúc một chiều đƣợc bao bọc bởi lớp vỏ hai chiều (gồm một số lớp nguyên tử) để cải thiện các tính chất bề mặt của cấu trúc một chiều đó [14] [15].

Trong các vật liệu tiềm năng và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu sâu, rộng hiện nay thì ZnS và MoS2 đang là ứng cử viên tiềm năng cho dạng cấu trúc 1D/2D và hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tính chất và khả năng ứng dụng mới trong các lĩnh vực quang điện tử, năng lƣợng [16] [17] [18] [19].