Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Vật Liệu Nano MoS2 Ứng Dụng Trong Điện Hóa Và Quang Điện Hóa

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano MoS2 hướng đến ứng dụng trong lĩnh vực điện hóa và quang điện hóa, mở ra tiềm năng công nghệ mới.

• Tác giả: Nguyễn Thị Huyền Thùy
• Người hướng dẫn: TS. Trần Năm Trung
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano MoS2 có cấu trúc lớp định hướng ứng dụng trong điện hóa và quang điện hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MoS2
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của MoS2
• 1.3. Một số tính chất của vật liệu MoS2
• 1.4. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu MoS2
• 1.5. Một số ứng dụng của vật liệu MoS2
• 1.6. Triển vọng và thách thức về ứng dụng của vật liệu MoS2
• 1.7. TỔNG QUAN VỀ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC (PEC)
• 1.8. Nguyên lý chung của hệ tách nước sử dụng ánh sáng
• 1.9. Nguyên lý của tế bào quang điện hóa
• 1.10. Hiệu suất của hệ tách nước
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
• 2.1.1. Hóa chất và nguyên liệu
• 2.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU
• 2.2.1. Chuẩn bị đế FTO
• 2.2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu nano MoS2
• 2.2.3. Bảng tổng hợp các mẫu vật liệu nano MoS2 chế tạo được
• 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VẬT LIỆU
• 2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)
• 2.3.4. Phương pháp phổ tán xạ Raman
• 2.3.5. Các phép đo tính chất điện hóa và quang điện hóa
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2
• 3.2. CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2
• 3.3. TÍNH CHẤT HẤP THỤ CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2
• 3.4. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA VÀ QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano MoS2

Vật liệu nano MoS2 có cấu trúc lớp đặc trưng, bao gồm các lớp nguyên tử molybden (Mo) và lưu huỳnh (S). Cấu trúc này cho phép MoS2 có nhiều tính chất nổi bật, như tính chất quang học và điện hóa. Các nghiên cứu cho thấy MoS2 có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ cấu trúc 3D đến 2D, với các tính chất điện và quang khác nhau. Đặc biệt, cấu trúc 2H-MoS2 được coi là dạng ổn định nhất và có tính chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm khoảng 1,8 eV. Việc tổng hợp vật liệu nano MoS2 có thể thực hiện qua nhiều phương pháp, trong đó phương pháp thủy nhiệt được đánh giá cao nhờ chi phí thấp và khả năng tạo ra sản phẩm có độ kết tinh cao. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano MoS2 không chỉ có ý nghĩa trong lĩnh vực điện hóa mà còn trong quang điện hóa, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai.

1.1. Cấu trúc tinh thể của MoS2

Cấu trúc tinh thể của MoS2 được hình thành từ các lớp nguyên tử Mo và S, liên kết với nhau bằng lực liên kết cộng hóa trị. Các lớp này được giữ lại với nhau bằng tương tác Van-der-Waals yếu, cho phép chúng dễ dàng tách rời. MoS2 có thể tồn tại ở nhiều pha khác nhau, trong đó 2H và 3R là hai pha phổ biến nhất. Pha 1T, mặc dù ít ổn định hơn, lại có tính kim loại và có thể được tạo ra bằng cách xen tạp với các kim loại kiềm. Sự đa dạng trong cấu trúc tinh thể của MoS2 không chỉ ảnh hưởng đến tính chất điện và quang của nó mà còn mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

1.2. Một số tính chất của vật liệu MoS2

MoS2 có nhiều tính chất nổi bật, bao gồm tính chất quang học và điện hóa. Hệ số hấp thụ của MoS2 ở dạng đơn lớp và đa lớp cho thấy sự khác biệt rõ rệt, với khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn ở bước sóng 400-500 nm. Phổ Raman là một công cụ quan trọng để xác định cấu trúc của MoS2, cho thấy sự dịch chuyển của các đỉnh phổ khi chuyển từ cấu trúc đa lớp sang đơn lớp. Tính chất điện hóa của MoS2 cũng rất đáng chú ý, với khả năng hoạt động như một chất xúc tác hiệu quả trong phản ứng tiến hóa hydro (HER). Những tính chất này làm cho MoS2 trở thành một vật liệu tiềm năng trong các ứng dụng điện hóa và quang điện hóa.

II. Ứng dụng trong điện hóa và quang điện hóa

Vật liệu nano MoS2 đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện hóa và quang điện hóa. Đặc biệt, MoS2 được xem là một trong những chất xúc tác tiềm năng cho phản ứng tiến hóa hydro (HER), nhờ vào khả năng hoạt động hiệu quả và chi phí thấp hơn so với các chất xúc tác truyền thống như platin. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc và hình thái của MoS2 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điện hóa của nó. Trong lĩnh vực quang điện hóa, MoS2 cũng cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, làm cho nó trở thành một ứng viên lý tưởng cho các tế bào quang điện hóa. Những ứng dụng này không chỉ giúp giải quyết vấn đề năng lượng mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ năng lượng sạch.

2.1. Ứng dụng trong điện hóa

MoS2 đã được chứng minh là một chất xúc tác hiệu quả cho phản ứng tiến hóa hydro (HER). Nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc lớp của MoS2 giúp tăng cường khả năng tiếp xúc với điện phân, từ đó cải thiện hiệu suất phản ứng. Việc sử dụng MoS2 trong các điện cực cũng cho thấy khả năng ổn định cao trong môi trường kiềm, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng thực tế. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của MoS2 có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất điện hóa, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các chất xúc tác thay thế cho platin.

2.2. Ứng dụng trong quang điện hóa

Trong lĩnh vực quang điện hóa, MoS2 cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Công nghệ quang điện hóa tách nước sử dụng MoS2 đã được nghiên cứu và phát triển, cho thấy tiềm năng lớn trong việc sản xuất hydro từ nước. Việc kết hợp MoS2 với các vật liệu khác như graphene có thể tạo ra các cấu trúc lai, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất quang điện hóa. Những nghiên cứu này không chỉ mở ra cơ hội mới cho việc phát triển công nghệ năng lượng sạch mà còn góp phần vào việc giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và cạn kiệt nguồn tài nguyên, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch và tái tạo trở nên cấp thiết. Hydro, sản phẩm của quá trình tách nước, được xem là nhiên liệu xanh tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Tuy nhiên, quá trình tách nước thành hydro và oxy đòi hỏi các chất xúc tác hiệu quả, ổn định và chi phí thấp. Vật liệu nano MoS2 với cấu trúc lớp định hướng được đánh giá là một ứng viên triển vọng trong lĩnh vực điện hóa và quang điện hóa, đặc biệt trong các ứng dụng tách nước quang điện hóa (PEC) và xúc tác điện hóa tiến hóa hydro (HER).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo vật liệu nano MoS2 có cấu trúc lớp bằng phương pháp thủy nhiệt, khảo sát hình thái, cấu trúc và các tính chất điện hóa, quang điện hóa của các mẫu vật liệu chế tạo được. Nghiên cứu tập trung vào các mẫu MoS2 tổng hợp trên đế FTO với các nồng độ tiền chất ammonium tetrathiomolybdate (AM) khác nhau trong khoảng 5 mM đến 30 mM, thực hiện tại Trường Đại học Quy Nhơn. Kết quả nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm các phương pháp tổng hợp MoS2 và mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu nano MoS2 trong lĩnh vực năng lượng sạch, đồng thời hỗ trợ giải quyết các vấn đề về năng lượng và ô nhiễm môi trường.

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:

• Cấu trúc tinh thể MoS2: MoS2 tồn tại chủ yếu ở ba pha tinh thể 1T (kim loại), 2H và 3R (bán dẫn). Pha 2H-MoS2 là dạng bền vững nhất với vùng cấm năng lượng khoảng 1,8 eV, phù hợp cho ứng dụng bán dẫn và quang điện hóa.

• Nguyên lý quang điện hóa tách nước (PEC): Quá trình tách nước thành hydro và oxy được kích hoạt bởi ánh sáng có năng lượng lớn hơn vùng cấm của chất bán dẫn, tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống tham gia phản ứng oxy hóa và khử trên bề mặt điện cực.

• Hiệu suất quang điện hóa: Đánh giá qua các chỉ số như hiệu suất lượng tử (QE), hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hydro (STH), hiệu suất chuyển đổi dòng điện (ABPE) và hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện (IPCE).

• Tính chất điện hóa và quang điện hóa của MoS2: MoS2 có khả năng xúc tác phản ứng tiến hóa hydro (HER) với hiệu suất cao, đặc biệt khi được tổng hợp dưới dạng nano có cấu trúc lớp định hướng, giúp tăng mật độ tâm hoạt động và cải thiện sự phân tách hạt tải.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu vật liệu nano MoS2 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt trên đế FTO với các nồng độ tiền chất AM lần lượt là 5 mM, 10 mM, 20 mM và 30 mM.

• Phương pháp tổng hợp: Phương pháp thủy nhiệt được lựa chọn do chi phí thấp, dễ thực hiện, sản phẩm có độ kết tinh cao và phù hợp với điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam. Quá trình tổng hợp diễn ra ở 200°C trong 16 giờ.

• Phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu:

  • Hình thái bề mặt: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phân giải cao.
  • Cấu trúc tinh thể: Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha và kích thước tinh thể.
  • Tính chất quang học: Phổ hấp thụ UV-Vis và phổ tán xạ Raman để đánh giá vùng cấm năng lượng và cấu trúc lớp.
  • Tính chất điện hóa và quang điện hóa: Phép đo quét thế tuyến tính (LSV) trên hệ CorrTest Electrochemical Workstation với nguồn sáng Xenon cường độ 100 mW/cm².

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Bốn mẫu MoS2 được tổng hợp với các nồng độ tiền chất khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến tính chất vật liệu và hiệu suất quang điện hóa.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và khảo sát vật liệu trong vòng 16 giờ cho mỗi mẫu, các phép đo đặc trưng được thực hiện sau khi mẫu được xử lý và làm khô.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể: Ảnh SEM cho thấy các mẫu MoS2 có cấu trúc lớp định hướng rõ rệt, với sự thay đổi hình thái bề mặt theo nồng độ tiền chất. Mẫu M10 (10 mM) và M30 (30 mM) thể hiện sự phân bố đồng đều và cấu trúc nano rõ nét. Giản đồ XRD xác nhận sự tồn tại của pha 2H-MoS2 với các đỉnh đặc trưng, kích thước tinh thể được tính theo công thức Scherrer khoảng vài nanomet, phù hợp với cấu trúc nano.

2. Tính chất quang học: Phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu M10 cho thấy hệ số hấp thụ cao trong vùng khả kiến (400-500 nm), phù hợp với vùng cấm năng lượng khoảng 1,8 eV. Phổ Raman thể hiện hai đỉnh đặc trưng E12g và A1g với sự dịch chuyển tần số phù hợp với số lớp MoS2, chứng tỏ cấu trúc lớp được duy trì.

3. Tính chất điện hóa và quang điện hóa: Phổ dòng điện - điện thế (I-V) dưới ánh sáng cho thấy mật độ dòng quang điện tại điện thế ngoài 0 V của mẫu M10 đạt khoảng 1,15 mA/cm², cao hơn mẫu M5 khoảng 6,3 lần. Hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa được cải thiện rõ rệt khi tăng nồng độ tiền chất đến 10 mM, tuy nhiên giảm nhẹ ở nồng độ cao hơn do hiện tượng tăng số lớp gây cản trở sự phân tách hạt tải.

4. So sánh với nghiên cứu khác: Kết quả tương đồng với các nghiên cứu trước đây về MoS2/NG và MoS2/ZnO, cho thấy hiệu ứng hiệp đồng giữa các lớp MoS2 và vật liệu nền giúp tăng điện dung riêng và mật độ dòng quang điện. Hiệu suất dòng quang điện của mẫu MoS2/BiVO4 cũng được cải thiện nhờ cấu trúc dị thể p-n và hiệu ứng plasmon của hạt nano Ag.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất quang điện hóa là do cấu trúc lớp định hướng của MoS2 giúp tăng mật độ tâm hoạt động ở biên cạnh, thúc đẩy quá trình phân tách và truyền tải các cặp electron-lỗ trống. Sự tăng nồng độ tiền chất AM làm tăng độ dày và mật độ lớp MoS2, tuy nhiên khi vượt quá mức tối ưu (khoảng 10 mM), hiện tượng tái hợp hạt tải tăng lên, làm giảm hiệu suất.

Biểu đồ SEM và XRD minh họa rõ sự thay đổi cấu trúc và kích thước tinh thể theo nồng độ tiền chất, trong khi phổ UV-Vis và Raman cung cấp bằng chứng về sự duy trì cấu trúc lớp và vùng cấm năng lượng phù hợp cho ứng dụng quang điện hóa. Phổ dòng điện - điện thế (I-V) thể hiện rõ sự gia tăng mật độ dòng quang điện, minh chứng cho hiệu quả xúc tác HER và khả năng tách nước PEC của vật liệu.

So với các chất xúc tác kim loại quý như Pt, MoS2 có chi phí thấp hơn nhiều và độ ổn định tốt trong môi trường kiềm, phù hợp cho ứng dụng quy mô lớn. Kết quả nghiên cứu góp phần khẳng định tiềm năng của MoS2 trong lĩnh vực năng lượng sạch, đồng thời mở ra hướng phát triển các vật liệu xúc tác mới có hiệu suất cao và chi phí hợp lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nồng độ tiền chất: Khuyến nghị sử dụng nồng độ ammonium tetrathiomolybdate khoảng 10 mM để tổng hợp MoS2 có cấu trúc lớp định hướng tối ưu, đạt hiệu suất quang điện hóa cao nhất. Thời gian thực hiện thủy nhiệt nên duy trì ở 16 giờ, nhiệt độ 200°C.

2. Phát triển cấu trúc dị thể và pha tạp: Đề xuất nghiên cứu kết hợp MoS2 với các vật liệu bán dẫn khác như BiVO4, CdS hoặc graphene pha tạp nitơ để tăng cường hiệu ứng hiệp đồng, cải thiện khả năng phân tách hạt tải và tăng hiệu suất PEC.

3. Nâng cao độ bền và ổn định: Khuyến khích áp dụng các kỹ thuật xử lý bề mặt hoặc phủ lớp bảo vệ nhằm tăng độ bền hóa học và cơ học của điện cực MoS2 trong môi trường điện hóa, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4. Mở rộng quy mô sản xuất: Đề xuất nghiên cứu quy trình tổng hợp thủy nhiệt trên quy mô lớn, đồng thời phát triển các phương pháp tổng hợp nhanh, tiết kiệm năng lượng để ứng dụng trong công nghiệp.

5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu vật liệu, trung tâm năng lượng tái tạo và doanh nghiệp sản xuất thiết bị quang điện hóa nên phối hợp triển khai các giải pháp trên trong vòng 2-3 năm tới nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về phương pháp tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và tính chất điện hóa của MoS2, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu nano bán dẫn.

2. Chuyên gia năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu suất quang điện hóa và ứng dụng MoS2 trong tách nước PEC giúp các chuyên gia thiết kế và tối ưu hóa hệ thống sản xuất hydro sạch.

3. Doanh nghiệp công nghệ xanh: Các công ty sản xuất thiết bị quang điện và pin nhiên liệu có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới với chi phí thấp và hiệu suất cao.

4. Sinh viên và giảng viên ngành vật lý chất rắn, khoa học vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về tổng quan lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phân tích kết quả trong lĩnh vực vật liệu nano và quang điện hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. MoS2 có ưu điểm gì so với các chất xúc tác kim loại quý như Pt?
   MoS2 có chi phí thấp hơn nhiều, độ bền cao trong môi trường kiềm và khả năng xúc tác HER hiệu quả nhờ cấu trúc lớp định hướng, phù hợp cho ứng dụng quy mô lớn.

2. Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm gì trong tổng hợp MoS2?
   Phương pháp thủy nhiệt có chi phí thấp, dễ thực hiện, tạo ra sản phẩm có độ kết tinh cao và có thể kiểm soát hình thái mẫu bằng cách thay đổi điều kiện tổng hợp.

3. Tại sao cấu trúc lớp định hướng của MoS2 quan trọng?
   Cấu trúc lớp giúp tăng mật độ tâm hoạt động ở biên cạnh, thúc đẩy sự phân tách và truyền tải các cặp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang điện hóa.

4. Hiệu suất quang điện hóa của MoS2 được đánh giá bằng chỉ số nào?
   Các chỉ số chính gồm hiệu suất lượng tử (QE), hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hydro (STH), hiệu suất chuyển đổi dòng điện (ABPE) và hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện (IPCE).

5. Có thể ứng dụng MoS2 trong các lĩnh vực nào ngoài tách nước PEC?
   MoS2 còn được ứng dụng trong cảm biến sinh học, cảm biến khí, siêu tụ điện, và các thiết bị điện tử do tính chất bán dẫn và quang học đặc biệt của nó.

Kết luận

• Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu nano MoS2 có cấu trúc lớp định hướng bằng phương pháp thủy nhiệt với các nồng độ tiền chất khác nhau.
• Mẫu MoS2 tổng hợp ở nồng độ 10 mM cho hiệu suất quang điện hóa và mật độ dòng quang điện cao nhất, đạt khoảng 1,15 mA/cm² tại 0 V.
• Kết quả khảo sát SEM, XRD, UV-Vis và Raman xác nhận cấu trúc lớp và tính chất quang điện phù hợp cho ứng dụng tách nước PEC và xúc tác HER.
• Luận văn góp phần mở rộng kiến thức về phương pháp tổng hợp và ứng dụng của MoS2 trong lĩnh vực năng lượng sạch, đồng thời đề xuất các hướng phát triển tiếp theo.
• Khuyến nghị triển khai nghiên cứu pha tạp, cấu trúc dị thể và mở rộng quy mô sản xuất trong vòng 2-3 năm tới để ứng dụng thực tiễn hiệu quả.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nano MoS2 để thúc đẩy phát triển công nghệ năng lượng xanh, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MoS2 1. Cấu trúc tinh thể của MoS2 Vật liệu MoS2 có cấu trúc phân lớp của các lớp nguyên tử molybden (Mo) và lưu huỳnh (S), trong đó một mặt phẳng gồm các nguyên tử Mo được kẹp bởi các mặt phẳng của các nguyên tử S.

Ba tầng này tạo thành một lớp đơn lớp S-Mo-S của MoS2. Các nguyên tử Mo và S trong từng đơn lớp liên kết với nhau bởi lực liên kết cộng hóa trị bền vững. Mẫu khối MoS2 bao gồm các đơn lớp xếp chồng lên nhau, được giữ với nhau bằng tương tác Van-der Waals yếu. Tinh thể MoS2 được tìm thấy trong tự nhiên là một trong hai pha: 2H- MoS2 và 3R-MoS2, trong đó chữ "H" và chữ "R" tương ứng cho biết đối xứng lục giác và hình thoi.

Trong cả hai cấu trúc này, mỗi nguyên tử Mo tồn tại ở tâm của một quả cầu phối trí lăng trụ tam giác và được liên kết cộng hóa trị với sáu ion S. Mỗi nguyên tử S có sự phối trí hình chóp và được liên kết với ba nguyên tử Mo (Hình 1. Cả hai pha 2H và 3R đều là chất bán dẫn [2]. Pha tinh thể thứ ba, có khả năng siêu bền được gọi là 1T-MoS 2 được phát hiện bằng cách xen 2H-MoS2 với các kim loại kiềm (Hình 1.

Pha này có đối xứng tứ giác và có tính kim loại. Pha 1T có thể được ổn định thông qua pha tạp với các chất cho điện tử như rheni, hoặc chuyển đổi trở lại pha 2H bằng bức xạ vi sóng [2]. Các cấu trúc tinh thể của MoS2 [2] MoS2 có thể tồn tại ở các dạng cấu trúckhác nhau như cấu trúc dạng khối (3D), dạng hai chiều (2D), dạng một chiều (1D) hoặc dạng chấm lượng tử (nano dots). Các đặc tính và ứng dụng của nó cũng thay đổi từ chiều này sang chiều khác, chúng có thể là bán dẫn, kim loại hoặc siêu dẫn.

Nó tồn tại trong một số lớp và hình dạng. Cấu trúc 3D của nó có thể là tam giác (T), lục giác (H) và hình thoi (R), trong đó 2H-MoS2 có nghĩa là hình dạng lục giác 2 lớp MoS2. Ba cấu trúc chính là 1T, 2H và 3R, trong đó pha 1T tọa độ trong cấu trúc bát diện, 2H và 3R trong cấu trúc lăng trụ tam giác như thể hiện trong Hình 1. Cấu trúc 1T được biết đến là kim loại trong khi hai cấu trúc còn lại là bán dẫn.

Lớp đơn lớp của MoS2 lục giác cũng là chất bán dẫn. Cả 2H và 3R đều được sử dụng làm chất bôi trơn khô. Do tính chất quang học phi tuyến của pha 3R, nó được sử dụng trong cảm biến khối lượng quang học phi tuyến trong các phép đo lượng tử và y sinh học. Ví dụ, đối với cảm biến khí, các vật liệu pha khác nhau của MoS2 thích hợp trong việc thu được độ nhạy cao và giải hấp phụ nhanh chóng.

Các trình tự phối trí và xếp chồng khác nhau của ba cấu trúc MoS2 1T, 2H và 3R [3]. 1H-MoS2 là cấu hình ổn định nhất và nó được tạo thành từ một lớp S và một lớp Mo, nơi S-Mo-S được gắn vào thông qua liên kết cộng hóa trị mạnh, với độ dày xấp xỉ 0,65 nm, các đơn lớp S-Mo-S liên kết với nhau thông qua lực Wan-der-Vaal yếu. Độ dẫn của nano MoS2 phụ thuộc vào nhiệt độ và độ dày của các tấm vật liệu, trong đó độ dẫn điện tăng khi nhiệt độ tăng và giảm khi tăng độ dày cho đến khi đạt đến cấu trúc dạng khối [3]. MoS2 tồn tại ở cấu trúc 2D như tấm mỏng nano (nanoplates) và nanoribbons hoặc cấu trúc 1D dưới dạng dây nano (nanowires) và ống nano (nanotubes), hoặc cấu trúc 0D như chấm lượng tử (nanodots) và tiểu cầu nano (nanoplatelets).

Độ dày của các tấm mỏng nano 2D được tìm thấy là từ 1 đến 3 lớp MoS2, trong khi độ dài của dây nano 1D có thể có chiều dài từ 14 đến 30 nm và đường kính xấp xỉ 0,6 nm. Các tiểu cầu nano có kích thước 12-30 nm với chiều rộng một đơn vị tế bào. Các chấm lượng tử có kích thước từ 2 đến 10 nm. Chúng có độ rộng vùng cấm cao hơn tấm mỏng nano và liên kết e 9 giữa các nguyên tử Mo mạnh hơn so với các đơn lớp.

Sự thay đổi độ rộng vùng cấm của MoS2 từ chiều này sang chiều khác, làm thay đổi đặc tính phát quang và do đó có các tính chất quang học khác nhau tùy theo chiều của nó. Ngoài ra, các lớp đơn lớp hoặc các dạng kích thước khác cũng dễ dàng được thực hiện trong các cấu trúc nano quang học để nâng cao cường độ phát quang và tốc độ phát xạ thông qua các tương tác vật chất ánh sáng. Đây là động lực mạnh mẽ để đưa vật liệu MoS2 vào ứng dụng quang học [3]. Một số tính chất của vật liệu MoS2 1.

Tính chất quang Bước sóng và năng lượng vùng cấm tỉ lệ nghịch với nhau, các photon có bước sóng lớn hơn và năng lượng nhỏ hơn không thể bị hấp thụ [4]. Hệ số hấp thụ là độ sâu xuyên qua của ánh sáng ở một bước sóng cụ thể cùng với vật liệu, trước khi ánh sáng bị vật liệu hấp thụ hoàn toàn. Hệ số hấp thụ của MoS2 ở đa lớp và đơn lớp tương đối lớn hơn ở gần phổ khả kiến (400- 500 nm) vì chúng không bao quanh toàn bộ phạm vi nhìn thấy (400-700 nm). Có một sự phân rã mạnh ở bước sóng 500 nm [4].

Hệ số tắt là cách ánh sáng dễ dàng truyền qua vật liệu ở một bước sóng duy nhất. Đối với một lớp MoS2, hệ số tắt được thể hiện cực đại ở bước sóng 450 nm. Điều này cho thấy rằng ở bước sóng duy nhất này, ánh sáng được giữ lại bởi một lớp MoS2. Trên 500 nm, hệ số tắt rất nhỏ, điều này cho thấy lớp đơn của MoS2 là trong suốt sau 500 nm.

Đối với MoS2 đa lớp, đỉnh cũng xuất hiện ở ~400 nm nhưng cường độ của đỉnh trong đa lớp lớn hơn đơn lớp, có nghĩa là nhiều lớp MoS2 giữ lại ánh sáng tốt hơn một lớp MoS2 ở bước sóng này. Chiết suất là tỷ số giữa vận tốc của ánh sáng trong chân không với vận tốc của ánh sáng trong vật liệu đó. Đối với đơn lớp MoS2, giá trị chiết suất e 10 dưới 250 nm nằm giữa giá trị 1 và 2, cho thấy nó trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy. Ngược lại đối với đa lớp MoS2, chiết suất luôn lớn hơn 2, chiết suất cực đại quan sát được gần 500 nm đối với cả MoS2 đa lớp và đơn lớp [4].

Phổ Raman là một kỹ thuật quan trọng đặc trưng để chứng minh các thông số cấu trúc của vật liệu trong khi chuyển đổi từ cấu hình 3D sang cấu hình 2D có cấu trúc phân lớp. Hai đỉnh Raman điển hình là E12g và A1g được khảo sát để phản ánh cấu trúc tinh thể của MoS2. Các đỉnh phổ E12g và A1g lần lượt là chỉ số của chế độ dao động trong và ngoài mặt phẳng của nguyên tử S (Hình 1. Cấu trúc của MoS2 chuyển từ đa lớp đến đơn lớp theo ba quy tắc.

Thứ nhất, đỉnh phổ E12g dịch chuyển về bước sóng ngắn (blue shift) trong khi đỉnh phổ A1g dịch chuyển theo chiều ngược lại về bước sóng dài (red shift). Các đỉnh phổ E12g và A1g định vị ở ~384 cm-1 và ~405 cm-1 đối với MoS2 một lớp. Thứ hai, chênh lệch tần số đỉnh giữa E12g và A1g cho thấy xu hướng giảm rõ ràng như một hàm của số lớp (Hình 1. Khoảng cách tần số giữa hai đỉnh phổ E12g và A1g của MoS2 ở mẫu khối và đơn lớp lần lượt là khoảng 25 cm-1 và 19 cm-1.

Thứ ba, cường độ hai đỉnh phổ gần như tăng tuyến tính lên đến bốn lớp với độ dày lớp tăng lên, trong khi giảm đối với MoS2 dày hơn (Hình 1. Cấu trúc tinh thể và tính chất quang học của MoS2: (a) Hình minh họa sơ đồ của hai chế độ phonon hoạt động điển hình của Raman (E12g, A1g). (b) Phổ Raman của màng mỏng và màng MoS2 khối lượng lớn. (c) Tần số của chế độ Raman E12g và A1g (trục tung bên trái) và sự khác biệt của chúng (trục tung bên phải) với độ dày lớp.

(d) Sự phụ thuộc độ dày của cường độ tích hợp (trục tung bên trái) và tỷ lệ của cường độ tích hợp (trục tung bên phải) cho hai chế độ Raman. Phổ huỳnh quang (PL: photoluminescence) của vật liệu MoS2 có liên quan chặt chẽ với số lớp trong nó. Có sự khác biệt rõ rệt trong phổ PL giữa các mẫu MoS2 ở dạng đơn lớp (monolayer: 1L), hai lớp (two layers: 2L), bốn e 12 lớp (four layers: 4L) và sáu lớp (hexalayer: 6L) (Hình 1. Hai đỉnh phổ PL có cường độ mạnh ở 670 nm và 627 nm, được xác định là các exciton A1 và B1.

Hai đỉnh phổ này có thể quan sát thấy trong phổ PL của mẫu ở dạng 1L MoS2, trong khi cả hai đỉnh phổ này đều biến mất trong phổ PL của mẫu MoS2 ở dạng nhiều lớp. Hai exciton này có liên quan đến sự phân chia năng lượng từ sự ghép nối spin quỹ đạo vùng hóa trị. Sự cộng hưởng nổi bật trong mẫu 1L chỉ ra sự chuyển đổi exciton trực tiếp tại điểm Brillouin vùng K, điều này cũng phù hợp với dự đoán lý thuyết về sự chuyển đổi vùng cấm xiên (1,2 eV) sang vùng cấm thẳng (1,8 eV) khi thay đổi từ MoS2 dạng khối thành đơn lớp. Do đó, MoS2 với số lớp của nó thay đổi từ đa lớp sang đơn lớp, sẽ dẫn đến sự thay đổi về chất trong cấu trúc năng lượng của nó, điều này giải thích thêm về hiệu ứng PL nổi bật trong mẫu 1L MoS2 [5].

Tính chất cơ MoS2 đơn lớp có độ bền cao, kém hơn graphene và độ đàn hồi tốt tương tự như graphene oxyt, với mô đun Young là 0,33 ± 0,07 TPa. Đơn lớp MoS2 có tính linh hoạt hơn các cấu trúc khối lượng lớn, trong đó mô đun Young của nó là 0,24 TPa. Không giống như các chất bán dẫn khác, tính linh hoạt của MoS2 ngăn chặn sự biến dạng và dịch chuyển vùng cấm có thể xảy ra đối với cấu trúc tinh thể của nó khi bị biến dạng. Tuy nhiên, biến dạng cơ học được sử dụng để thay đổi các đặc tính điện tử MoS2 và chuyển chúng từ dạng chất bán dẫn sang kim loại.

Nó biến đổi độ rộng vùng cấm thẳng của các lớp MoS2 thành một lớp có vùng cấm xiên và các giá trị biến dạng cao có thể gây ra biến dạng cấu trúc và biến đổi MoS2 thành kim loại [3].