Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI và khả năng ứng dụng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus chế tạo cấu trúc nano aiibvi và khả năng ứng dụng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Phương Mai
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Tuyên
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Chế tạo cấu trúc nano AIIBVI và khả năng ứng dụng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về bán dẫn
• 1.2. Vật liệu PbS
• 1.3. Cấu trúc điện tử
• 1.4. Cấu trúc vùng năng lượng của PbS
• 1.5. Vật liệu ZnO
• 1.6. Vật liệu nano vàng (Au)
• 1.7. Vật liệu ZnO/Au
• 1.8. Nhận biết glucose bằng phương pháp điện hóa
• 1.9. Phương pháp tán xạ Raman tăng cường
• 1.10. Hiệu ứng và cơ chế tăng cường tán xạ Raman bề mặt
• 1.11. Hiệu ứng tăng cường Raman
• 1.12. Cơ chế tăng cường điện từ
• 1.13. Cơ chế tăng cường hóa học
• 1.14. Tổng quan về nhận biết glucose bằng tán xạ Raman tăng cường
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO HẠT NANO CỦA PbS VÀ ZnO
• 2.1. Chế tạo hạt nano của PbS
• 2.2. Chế tạo hạt nano ZnO
• 2.3. Nhiễu xạ tia X
• 2.4. Kính hiển vi điện tử quét
• 2.5. Phổ hấp thụ quang học UV - VIS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát vật liệu ZnO và ZnO/Au
• 3.2. Khảo sát cấu trúc thanh nano ZnO
• 3.3. Vật liệu nano ZnO phủ Au
• 3.4. Khả năng tái sử dụng của đế SERS
• 3.5. Khảo sát vật liệu PbS
• 3.6. Khảo sát hình ảnh bề mặt
• 3.7. Khảo sát cấu trúc của vật liệu
• 3.8. Thành phần hóa học và tính chất hấp thụ
• 3.9. Dùng sensor PbS đo glucose
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cấu trúc nano AIIBVI và vật lý chất rắn

Cấu trúc nano AIIBVI là một trong những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật lý chất rắn. Các vật liệu này có kích thước nano, thường từ 1 đến 100 nm, và có những tính chất vật lý độc đáo. Việc nghiên cứu cấu trúc nano không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các tính chất điện, quang mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Các vật liệu như PbS và ZnO thuộc nhóm AIIBVI đã được chứng minh có nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử và quang học.

1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano AIIBVI

Vật liệu nano AIIBVI, bao gồm PbS và ZnO, có cấu trúc tinh thể đặc biệt. PbS có cấu trúc lập phương tâm mặt, trong khi ZnO có cấu trúc Wurtzite. Những cấu trúc này ảnh hưởng đến tính chất điện và quang của vật liệu. Đặc biệt, PbS có vùng cấm hẹp, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng quang học.

1.2. Ứng dụng của cấu trúc nano trong vật lý chất rắn

Cấu trúc nano AIIBVI được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như cảm biến, phototransistor và các thiết bị quang học. Những ứng dụng này nhờ vào tính chất quang học và điện của vật liệu nano, giúp cải thiện hiệu suất và độ nhạy của các thiết bị.

II. Thách thức trong nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI cũng gặp phải nhiều thách thức. Việc chế tạo và kiểm soát kích thước, hình dạng của các hạt nano là một trong những vấn đề lớn. Ngoài ra, tính ổn định và khả năng tương tác của các vật liệu nano trong môi trường thực tế cũng cần được xem xét.

2.1. Vấn đề chế tạo và kiểm soát kích thước hạt nano

Chế tạo hạt nano với kích thước đồng nhất là một thách thức lớn. Các phương pháp như lắng đọng hóa học hay phún xạ cần được tối ưu hóa để đảm bảo kích thước và hình dạng của hạt nano đạt yêu cầu.

2.2. Tính ổn định của cấu trúc nano trong môi trường

Tính ổn định của cấu trúc nano AIIBVI trong môi trường thực tế là một yếu tố quan trọng. Các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và pH có thể ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu, do đó cần có các biện pháp bảo vệ và cải thiện độ bền cho các hạt nano.

III. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI hiệu quả

Để nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI, nhiều phương pháp hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định cấu trúc mà còn đánh giá tính chất vật lý của vật liệu. Một số phương pháp phổ biến bao gồm nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ Raman.

3.1. Nhiễu xạ tia X XRD trong nghiên cứu cấu trúc

Nhiễu xạ tia X là một phương pháp quan trọng để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu nano. Phương pháp này cho phép xác định các thông số mạng và tính chất tinh thể của các hạt nano AIIBVI.

3.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM và ứng dụng

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về bề mặt của các hạt nano. Phương pháp này giúp nghiên cứu hình dạng, kích thước và phân bố của các hạt nano AIIBVI, từ đó đánh giá tính chất vật lý của chúng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cấu trúc nano AIIBVI trong vật lý chất rắn

Cấu trúc nano AIIBVI đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ cảm biến đến thiết bị quang học. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của thiết bị mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến điện hóa

Cấu trúc nano PbS được sử dụng trong cảm biến điện hóa để xác định nồng độ glucose. Phương pháp này cho phép đo lường chính xác nồng độ glucose trong máu, giúp kiểm soát bệnh tiểu đường hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị quang học

Vật liệu nano ZnO/Au được sử dụng trong các thiết bị quang học như đế tăng cường tín hiệu bề mặt Raman (SERS). Ứng dụng này giúp tăng cường tín hiệu Raman, từ đó cải thiện khả năng phát hiện các chất ở nồng độ thấp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI

Nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI đang mở ra nhiều triển vọng mới trong vật lý chất rắn. Với những ứng dụng đa dạng và tiềm năng, việc phát triển các phương pháp chế tạo và nghiên cứu sẽ tiếp tục được đẩy mạnh. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu cấu trúc nano

Nghiên cứu cấu trúc nano AIIBVI sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại. Các phương pháp mới sẽ được áp dụng để cải thiện tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu nano.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Định hướng nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano mới với tính chất ưu việt hơn. Các ứng dụng trong y học, môi trường và công nghệ thông tin sẽ là những lĩnh vực chính được chú trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN PHƢƠNG MAI CHẾ TẠO CẤU TRÚC NANO AIIBVI VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN PHƢƠNG MAI CHẾ TẠO CẤU TRÚC NANO AIIBVI VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số:8440130.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Việt Tuyên Hà Nội - 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung tôi đã trình bày trong luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Việt Tuyên cùng các thầy, cô giáo trong khoa Vật lý trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Nội dung của luận văn không trùng lặp với kết quả nghiên cứu của các tác giả khác.

Hà Nội, tháng 12 năm 2018 Học viên Nguyễn Phƣơng Mai LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ngƣời hƣớng dẫn đề tài luận văn của tôi hai năm qua, Tiến sĩ Nguyễn Việt Tuyên, giảng viên khoa Vật lý, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên. Thầy đã định hƣớng, giúp đỡ nhiệt tình để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Quang Hòa đã thực hiện các phép đo XRD, thầy Sái Công Doanh với phép đo EDS, SEM. Trong thời gian học tập tại trƣờng, thầy giáo Phạm Nguyên Hải chủ nhiệm bộ môn Vật lý chất rắn luôn tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn cao học.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lƣu Mạnh Quỳnh, TS. Phạm Văn Thành và TS. Mai Hồng Hạnh đã có nhiều hỗ trợ chuyên môn trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã dạy dỗ, cho tôi những kiến thức quý báu và đƣa ra những lời khuyên bổ ích để giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến em Nguyễn Mạnh Hồng đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý cùng Trung tâm Khoa học vật liệu đã hỗ trợ, tạo điều kiện tốt nhất về thí nghiệm, các thiết bị và hệ đo: hệ thống kiểm soát nhiệt độ XMTD – 6006, thiết bị phún xạ JEOL JFC – 1200, máy đo nhiễu xạ tia X SIEMENS XD – 5005, kính hiển vi điện tử quét Nova NanoSEM 450, JEOL JSM – 5491LV, phổ kế huỳnh quang FL3-22, thiết bị đo phản xạ - khuếch tán Cary5000 và phổ kế Raman LabRAM HR800 để tôi có thể thực hiện luận văn tốt nhất. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu cùng các anh chị em đồng nghiệp trƣờng THPT Nguyễn Trãi đã tạo điều kiện cho tôi thời gian để hoàn thành công việc học tập và nghiên cứu của mình. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Tôi cảm ơn tới chồng và hai con trai rất nhiều, những thành viên trong gia đình đã luôn ân cần bên cạnh ủng hộ, đồng hành, hỗ trợ tôi trong suốt hai năm học cao học vừa qua.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đề tài cấp Bộ, mã số B2018 – MDA – 01 – CtrVL đã hỗ trợ kinh phí để tôi hoàn thành luận văn của mình. Ngƣời thực hiện Nguyễn Phương Mai LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC VIẾT TẮT SERS Tăng cƣờng bề mặt tán xạ Raman EF Hệ số tăng cƣờng HOMO Quỹ đạo phân tử dao động cao nhất LUMO Quỹ đạo phân tử không dao động thấp nhất XRD Nhiễu xạ tia X SEM Kính hiển vi điện tử quét EDS Tán sắc năng lƣợng tia X LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC GIỚI THIỆU. 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN. Giới thiệu chung về bán dẫn.

Vật liệu PbS. Cấu trúc điện tử. Cấu trúc vùng năng lượng của PbS. Vật liệu ZnO.

Vật liệu nano vàng (Au). Vật liệu ZnO/Au. Nhận biết glucose bằng phƣơng pháp điện hóa. Phƣơng pháp tán xạ Raman tăng cƣờng.

Hiệu ứng và cơ chế tăng cƣờng tán xạ Raman bề mặt. Hiệu ứng tăng cường Raman. Cơ chế tăng cường điện từ. Cơ chế tăng cƣờng hóa học.

Tổng quan về nhận biết glucose bằng tán xạ Raman tăng cƣờng. 17 CHƢƠNG II. Chế tạo hạt nano của PbS. Chế tạo hạt nano ZnO.

Nhiễu xạ tia X. Kính hiển vi điện tử quét. 28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phổ hấp thụ quang học UV - VIS.

29 CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Khảo sát vật liệu ZnO và ZnO/Au. Khảo sát cấu trúc thanh nano ZnO.

Vật liệu nano ZnO phủ Au. Khả năng tái sử dụng của đế SERS. Khảo sát vật liệu PbS. Khảo sát hình ảnh bề mặt.

Khảo sát cấu trúc của vật liệu. Thành phần hóa học và tính chất hấp thụ. Dùng sensor PbS đo glucose. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.Cấu trúc tinh thể của chì (II) sulfide (PbS). Vùng Brillouin thứ nhất của của cấu trúc lập phƣơng tâm mặt. Cấu trúc vùng năng lƣợng trong bán dẫn khối PbS.Cấu trúc tinh thể ZnO. Sự biến đổi glucose thành axit gluconic nhờ GOx.Cơ chế pin điện hóa.

Tán xạ Rayleigh và tán xạ Raman. Phổ Raman tăng cƣờng trên đế SERS. Hiện tƣợng plasmon của hạt nano kim loại. Cơ chế tăng cƣờng hóa học.

Cấu trúc glucose. Đế SERS dùng để đo glucose. (a) Dụng cụ trong phƣơng pháp hoá siêu âm và (b) Hiện tƣợng bọt khí hình thành, phát triên và vỡ dƣới tác động của một sóng siêu âm tuần hoàn. Quá trình hình thành và phát triển thanh nano ZnO: a) Đế bảng mạch in (PCB) đƣợc đánh bóng, b) Đế PCB đƣợc tạo điện cực, c) Khi đặt trong dung dịch sau thời gian ngắn, các hạt nano ZnO bám lên bề mặt Cu của đế, d) Các thanh nano ZnO phát triển lên từ mầm là các hạt nano trên đế.

(a) Hình ảnh của hệ thống phún xạ magnetron (JFC-1200 Fine Coater Japanese) cho quá trình phủ; (b) Hệ thống kiểm soát nhiệt độ XMTD – 6006. Sơ đồ của phép đo phổ nhiễu xạ tia X. Nhiễu xạ kế tia X SIEMENS D5005, Bruker, Đức. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét.

(1) Súng điện tử, (2) Kính tụ, (3) Cuộn lái tia, (4) Vật kính, (5) Điện tử thứ cấp, (6) Mẫu, (7) Máy phát xung quét, (8) Đầu thu điện tử thứ cấp, (9) Màn hiển thị. 27 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Thiết bị Raman LabRAM HR800Raman, trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lý, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên. Hệ quang học của phổ kế UV 2450 PC.

(W1: Đèn halogen; D2: Đèn dơteri; G: Cách tử; PM: Ống nhân quang điện; S1, S2: Khe vào, ra; W: Cửa sổ thạch anh; F: Kính lọc; M1-M10: Gƣơng; CP: Ngắt tia. Ảnh SEM các đế ZnO đƣợc chế tạo với điện cực Al, nồng độ tiền chất 75mM và thay đổi thời gian thủy nhiệt: (a) 1h, (b) 3h, (c) 5h. (a) Giản đồ nhiễu xạ tia X, (b) Phổ EDS, (c) Phổ Raman của thanh nano ZnO. Phổ EDS của đế ZnO/Au phún xạ trong thời gian 10 giây.

a) Phổ phản xạ khuếch tán của đế ZnO và ZnO phún xạ Au với thời gian khác nhau, b) Phổ hấp thụ của ZnO và ZnO phún xạ Au với thời gian khác nhau đƣợc suy ra từ phổ phản xạ - khuếch tán. Sự thay đổi phổ huỳnh quang của đế ZnO trƣớc và sau khi phún xạ Au với thời gian khác nhau. (a)Cơ chế dịch chuyển điện tử, (b) Mô hình WGM.Ảnh SEM hạt vàng phún xạ ở thời gian 10s. Phổ Raman của Methylene Blue trên đế ZnO phủ Au đƣợc khảo sát theo thời gian phún xạ khác nhau tại nồng độ 10-7M.

Phổ Raman của Methylene Blue trên đế ZnO/Au phún xạ 10 giây với nồng độ khác nhau. Phổ Raman của Methylene Blue trên đế ZnO/Au thời gian phún xạ qua các lần tẩy bằng quang xúc tác trong 6h. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua và truyền qua phân giải cao của mẫu hạt nano PbS. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano PbS chế tạo bằng phƣơng pháp hóa trƣớc và sau khi ủ nhiệt bằng laser.

42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Quá trình biến đổi của phổ Raman của mẫu hạt nano PbS theo thời gian ủ nhiệt. Đồ thị phụ (h)2 thuộc h (a)và phổ tán xạ năng lƣợng tia X (b) của mẫu hạt nano PbS. Đƣờng CV với điện cực làm việc (working electrode) làm từ hạt nano PbS trong dung dịch đƣờng với nồng độ khác nhau.

(a) Đƣờng CV của 0,2 mM glucose, 2 mM glucose trong dung dịch 0,2 mM GOx với điện cực vàng và 0,2 mM glucose với điện cực PbS, (b) đƣờng CV của dung dịch glucose ở nồng độ khác nhau từ 0,1 đến 1,3 mV đo với điện cực PbS, (c, d) vùng phóng đại từ đồ thị b. Sự phụ thuộc của dòng điện ở điện cực đếm (counter electrode) khi điện thế là 0,45 V tính từ đƣờng CV khi có và không sử dụng điện cực làm từ PbS (a) và ở 1,14 V khi sử dụng điện cực làm từ hạt nano PbS. 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Một số thông số vật lí của PbS.

Một số thông số theo nhiệt độ của chì – chalcogenua. Các thông số vật lý cơ bản của ZnO. 1: Các đỉnh đặc trƣng của Methylene Blue thu đƣợc trong khảo sát hiệu ứng tăng cƣờng Raman. 39 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] GIỚI THIỆU Vật liệu nano là các vật liệu ở dạng hạt, sợi, ống, hay các tấm mỏng có ít nhất một chiều có kích thƣớc nano mét (1 nm = 10-9 m).

Ngày nay, công nghệ nano đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của cuộc sống. Khi đạt tới kích thƣớc nano mét, nhiều tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đƣợc tăng cƣờng một phần do diện tích bề mặt của vật liệu nano đƣợc tăng lên nhiều lần so với vật liệu dạng khối. Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo, ngƣời ta đã tổng hợp thành công những tinh thể nano với nhiều kích thƣớc hình dạng khác nhau và khống chế một cách chủ động các thông số của tinh thể, qua đó sẽ mở ra nhiều triển vọng ứng dụng mới của tinh thể nano vào kỹ thuật và đời sống.