Luận án tiến sĩ: Phương pháp hạt nhân nguyên tử trong phân tích vật liệu TiO2 SiO2 sử dụng chùm ion từ máy gia tốc

• Tác giả: Trần Văn Phúc
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hồng Khiêm
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Nghiên cứu áp dụng phương pháp hạt nhân nguyên tử phân tích vật liệu TiO2/SiO2 bằng chùm ion từ máy gia tốc
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGMENTS
• Dedicated to my Parents!
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• 1. CHAPTER 1: THEORETICAL BACKGROUND
• 1.1. Concept of ion beam mixing
• 1.2. Atomic collisions in solids
• 1.3. Kinematic of elastic collisions
• 1.4. Differential cross-section
• 1.5. Energy loss process
• 1.6. Low-energy ion modification of solids and IBM process
• 2. CHAPTER 2: THE EXPERIMENTAL METHODS
• 2.1. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) – an IBA method
• 2.2. Ellipsometry Spectroscopy (ES) method
• 2.3. Interaction of Light and Materials
• 2.4. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) method
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Influence of ion energy and mass on mixing of TiO2/SiO2 structures with different thickness
• 3.2. Characterization of samples and the mixing process
• 3.3. Dependence of mixing degree on energy of incident ions
• 3.4. Dependence of mixing degree on mass of the incident ions
• 3.5. Study on mixing of TiO2/SiO2 systems with different thicknesses
• 3.6. Influence of the ion energy on chemical composition of TiO2 near surface layers, and its effect to mixing of TiO2/SiO2 systems
• 3.7. The optical property of the TiO2/SiO2 mixed layers obtained by Spectroscopy Ellipsometry
• 3.8. Calculation thickness and components of the TiO2/SiO2 mixed layers
• 3.9. Variation of refractive index (n) and extinction coefficient (k) with ion energy
• 3.10. Variation of optical energy gap (Eg) of TiO2/SiO2 mixed area with ion energy
• CONCLUSIONS AND FUTURE SCOPE

I. Giới thiệu về phương pháp hạt nhân nguyên tử

Phương pháp hạt nhân nguyên tử đã trở thành một công cụ mạnh mẽ trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Các công nghệ này cho phép phân tích và sửa đổi các đặc tính của vật liệu, đặc biệt là trong việc nghiên cứu các lớp mỏng và bề mặt. Việc sử dụng chùm ion từ máy gia tốc để chiếu xạ các vật liệu như TiO2 và SiO2 đã mở ra nhiều khả năng mới trong việc cải thiện tính chất quang và hóa học của chúng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích sự trộn lẫn nguyên tử giữa TiO2 và SiO2 thông qua việc chiếu xạ bằng các ion khí hiếm, từ đó xác định được cơ chế và mức độ trộn lẫn của các lớp vật liệu này.

1.1. Cơ chế trộn lẫn nguyên tử

Cơ chế trộn lẫn nguyên tử trong hệ thống TiO2/SiO2 được hình thành thông qua sự dịch chuyển của các hạt nhân do tác động của ion mang năng lượng cao. Các ion này tạo ra dòng thác nguyên tử, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc và tính chất của các lớp vật liệu. Kết quả cho thấy rằng mức độ trộn lẫn tăng lên theo năng lượng và khối lượng của ion. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa các tính chất quang học và hóa học của vật liệu nano, mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ nano và vật liệu tiên tiến.

II. Phân tích vật liệu TiO2 và SiO2

Việc phân tích vật liệu TiO2 và SiO2 được thực hiện thông qua các phương pháp như quang phổ Elip và phổ quang điện tử tia X (XPS). Các phương pháp này cho phép xác định sự biến đổi trong cấu trúc và thành phần hóa học của các lớp vật liệu sau khi chiếu xạ. Kết quả cho thấy rằng hàm lượng TiO2 tăng lên trong khi các hợp chất khác giảm theo năng lượng ion. Sự thay đổi này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất quang học mà còn đến khả năng tương tác hóa học của các lớp vật liệu, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử và quang học.

2.1. Đặc tính quang học của lớp trộn lẫn

Đặc tính quang học của các lớp trộn lẫn TiO2/SiO2 được khảo sát thông qua phương pháp quang phổ Elip. Chỉ số khúc xạ và hệ số tắt của các lớp này cho thấy sự biến đổi rõ rệt khi năng lượng ion thay đổi. Sự gia tăng chỉ số khúc xạ và hệ số tắt cho thấy rằng quá trình trộn lẫn đã làm thay đổi cấu trúc quang học của vật liệu, điều này có thể dẫn đến các ứng dụng mới trong lĩnh vực quang học và cảm biến.

III. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về phân tích vật liệu TiO2 và SiO2 bằng phương pháp hạt nhân nguyên tử có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghệ hiện đại. Việc hiểu rõ cơ chế trộn lẫn và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất và phát triển các sản phẩm mới. Các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, quang học và y tế có thể được mở rộng nhờ vào những hiểu biết này. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ ion trong việc xử lý và cải thiện vật liệu sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp vật liệu.

3.1. Tương lai của nghiên cứu vật liệu nano

Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở việc phân tích TiO2 và SiO2 mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu nano với tính chất vượt trội. Sự kết hợp giữa các phương pháp hạt nhân nguyên tử và công nghệ nano sẽ tạo ra những vật liệu mới với khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điện tử đến y tế. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của nghiên cứu trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và phát triển công nghệ bền vững.