CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Vật liệu ZnO: ZnO là chất bán dẫn II-VI, hứa hẹn ứng dụng trong các lĩnh vực đi-ốt phát quang màu xanh, cực tím hoặc đi-ốt laser. và đặc biệt là trong trong lĩnh vực quang xúc tác. ZnO có độ rộng vùng cấm khoảng 3.27 eV và năng lượng liên kết của các exciton lớn 60 meV, nó cho phép hấp thụ và tái tổ hợp exciton ngay cả ở nhiệt độ phòng, ZnO có độ bền nhiệt cao nên vật liệu ZnO là đối tượng được nhiều nghiên cứu quan tâm [10-13].
Tùy vào ứng dụng khác nhau, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra ZnO có cấu trúc hạt nano, dây nano, thanh nano để tăng khả năng ứng dụng của nó. Các tính chất vật lý và hóa học của các hạt nano ZnO phụ thuộc vào các cách tổng hợp khác nhau như lắng đọng điện hóa, thủy nhiệt, lắng đọng hơi hóa học, sol gel. Vật liệu ZnO có cấu trúc lục giác xếp chặt: Các O2- và Zn2+ thay phiên xếp chồng lên nhau, trong đó mỗi anion được bao quanh bởi 4 cation và ngược lại. Đó là sự phối hợp của hai tứ diện Zn và Oxy [11].1 Mô hình cấu trúc ZnO [11] e 5 Hình 1.2 Mô hình cấu trúc Wurtzite ZnO [12] Gần đây, cấu trúc nano ZnO một chiều đã nhận được tập trung nhiều.
Hình thái được kiểm soát, các thông số tăng trưởng và đặc tính vật lý của các cấu trúc này đang được các nhà nghiên cứu thảo luận. Họ đã tìm ra nhiều phương pháp khác nhau để kiểm soát được hình thái và các phương pháp để đạt được sự liên kết tốt hơn đối với cấu trúc nano ZnO.1 Chế tạo thanh nano ZnO bằng cách sử dụng hỗn hợp lớp hạt của các hạt nano ZnO và Polyme Chitosan. Trong nghiên cứu này, bằng cách tận dụng cả hai hạt nano ZnO vô cơ và vật liệu hữu cơ Chitosan làm lớp hạt tổng hợp để chế tạo các thanh nano ZnO trên nền thủy tinh phủ vàng bằng phương pháp tăng trưởng thủy nhiệt. Bằng kỹ thuật quang phổ Raman, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường, kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao, nhiễu xạ tia X, kỹ thuật quang phổ hấp thụ phản xạ hồng ngoại… đã được sử dụng để xác định đặc điểm cấu trúc của các hạt nano ZnO / các thanh nano ZnO phủ lớp hạt Chitosan trên một đế thủy tinh tráng vàng [14].3 Phổ XRD của các thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp dung dịch sử dụng mầm hạt nano ZnO và chitosan với lượng hạt nano ZnO khác nhau [14].
Các kết quả thu được từ phổ XRD: Xuất hiện đỉnh vàng do lớp vàng trên đế thủy tinh. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) đã chỉ ra định hướng chính xác của các thanh nano vuông góc với chất nền bằng cách chỉ thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của đỉnh 002 .4 Hình ảnh FESEM của các thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp dung dịch sử dụng chitosan với các lượng hạt nano ZnO khác nhau [14] e 7 Kết quả phân tích ảnh (FESEM) cho thấy các lớp hạt phức hợp khác nhau của hạt nano ZnO / Chitosan, các thanh nano ZnO có định hướng cao trên chất nền và tăng lên khi tăng hàm lượng hạt nano ZnO trong dung dịch Chitosan. phân tích ảnh FESEM mặt cắt ngang cho thấy các thanh nano ZnO trên bề mặt của chất nền, nano ZnO vuông góc 99% với chất nền, và chiều dài đo được của thanh nano xấp xỉ 7,1 µm với đường kính trung bình là 100 nm [14].5 Hình ảnh HRTEM của thanh nano ZnO được chế tạo sử dụng mầm ZnO có trong dung dịch chitosan [14] Kết quả thực nghiệm của kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (HRTEM) chỉ ra rằng thanh nano ZnO thu được là một tinh thể đơn với cấu trúc tinh thể wurtzite và hướng phát triển là dọc theo mặt phẳng (001), khoảng cách mạng rõ rệt hơn là 26 Å, đó là tương quan với khoảng cách mạng (002) của cấu trúc lục giác của thanh nano ZnO tinh thể. Đường kính của thanh nano là khoảng 90 nm.
[14] Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các thanh nano ZnO được liên kết tốt, đồng nhất và dày đặc, thể hiện cấu trúc lục giác wurtzite, và vuông góc hướng vào chất nền. Hơn nữa, các thanh nano ZnO chỉ bao gồm Zn và O mà không có các nguyên tử khác. Nghiên cứu này đã cung cấp một phương pháp chế tạo rẻ tiền, kết quả cho hình thái học đặc trưng của ZnO và sự liên kết tốt của các e 8 thanh nano ZnO, góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị quang điện tử [14].2 Chế tạo ống nano ZnO bằng phương pháp hóa ướt ở nhiệt độ thấp. Trong số các cấu trúc một chiều của nano ZnO, thì nano ZnO hình ống được chú ý do các ưu điểm của diện tích bề mặt riêng lớn, với độ rỗng đặc biệt hơn các cấu trúc tinh thể hình dạng khác.
Do đó, ZnO hình ống được sử dụng nhiều ứng dụng khác nhau. Một số phương pháp đã được thực hiện để điều chế ống nano ZnO, chẳng hạn như thủy nhiệt, bay hơi nhiệt, plasma- phân tử epitaxy chùm, và lắng đọng hơi hóa học. Tuy nhiên, để tạo ra các ống nano ZnO ở nhiệt độ thấp, đồng thời kích thước ống có thể kiểm soát được và sản xuất với quy mô lớn vẫn là một thách thức. So sánh với các phương pháp tổng hợp khác để thu được ống nano ZnO, quá trình tổng hợp nhiệt độ thấp ở dạng dung dịch đã được thực hiện vì tính đơn giản của nó [15].6 Mẫu XRD của ống nano ZnO được điều chế ở nhiệt độ thấp [15] Phổ XRD của ZnO đã cho thấy ống nano ZnO thu được là pha lục giác tinh khiết của ZnO với cấu trúc wurtzite.
Hơn nữa, không có các đỉnh nhiễu xạ liên quan đến bất kỳ tạp chất nào khác, và độ sắc nét của các pic liên quan đến ZnO chỉ ra rằng các ống nano ZnO được điều chế có độ kết tinh cao [15].7 Ảnh FESEM; TEM ; SAED ; HRTEM của ống nano ZnO [15] Ảnh FESEM thấy rằng ZnO khi được tổng hợp là hình ống mà không có bất kỳ tập hợp nào. Các ống nano có đường kính trung bình, độ dày thành và chiều dài tương ứng là khoảng 200, 50, 1µm. Nhìn thấy pha lục giác rõ ràng của ống nano ZnO. Điều đáng chú ý là từ các hình ảnh TEM cho thấy ống rỗng, ống nano ZnO được kết tinh tốt.
Trong nghiên cứu này báo cáo rằng các ống nano được hình thành trong dung dịch, đầu tiên được làm nóng ở 90°C trong 3 giờ, sau đó làm nguội xuống 60 và 50 ° C và duy trì trong 20 giờ. Họ đã cho thấy rằng một sự biến đổi mạnh mẽ của tất cả các thanh nano ZnO thành các ống nano ZnO. Sự biến đổi hình dạng chứng tỏ sự giảm nhiệt độ phản ứng có thể là một trong những đặc điểm chính ảnh hưởng đến hình thái học tinh thể ZnO biến thành ống nano. Phương pháp này mang lại lợi thế về chi phí thấp, nhiệt độ xử lý thấp, tiềm năng tạo ra các cấu trúc nano chất lượng cao.
Phương pháp được sử dụng trong công việc này đơn giản hơn các phương pháp đã khác đã làm, vì tiền chất ban đầu là kẽm nitrat và HMT được điều chế trong dung môi là nước khử ion. Các ống nano ZnO được tổng hợp thông qua phương pháp hóa học ướt ở nhiệt độ thấp (65°C) sử dụng nước làm dung môi. Thân thiện với môi trường và rẻ hơn so với các dung môi khác. Những ống nano đã được sử dụng e 10 thành công để phát huỳnh quang dập tắt, sử dụng trong y học để phát hiện DNA – là một trong những tín hiệu cần thiết của một số trạng thái bệnh cụ thể và các quá trình sinh lý [15].2 Một số ứng dụng của vật liệu ZnO: Với những đặc tính của vật liệu ZnO như trên, ZnO được ứng dụng nhiều vào các lĩnh vực: 1.1 Pin mặt trời Từ vài thập kỷ trước, việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng sạch và dồi dào đã đạt những thành quả nhất định.
Về sau này, những chất xúc tác quang tốt hơn được tạo ra để ứng dụng vào Pin mặt trời lai hóa. Những vật liệu quang hoạt này yêu cầu hệ số hấp thụ cao và nồng độ hạt tải điện cao để chuyển đổi nhanh ánh sáng mặt trời thành tín hiệu điện lớn. Để đạt được điều này, các nhà khoa học đã tổng hợp các hợp chất nano lai bằng cách tạo liên kết các oxit kim loại chuyển tiếp có bề rộng vùng cấm lớn với các qdots vô cơ. Trong những loại pin mặt trời, thuốc nhuộm là chất hấp thụ và hoạt động như chất cảm quang trong quang phổ khả kiến và cung cấp các điện tử cho oxit có bề rộng vùng cấm lớn có độ linh động electron cao.
Zinc Oxide là một oxit vùng cấm rộng (3,27 eV), tương ứng với ánh sáng đối với các bước sóng > 360 nm thích hợp cho các ứng dụng quang hoạt. Điều đặc biệt của ZnO là do tính chất điện đặc trưng của nó và các đặc tính quang học do các khuyết tật tự nhiên chẳng hạn như chỗ trống ôxy hoặc chỗ trống kẽm. Hơn nữa, ZnO là vật liệu thân thiện với môi trường, kỹ thuật tổng hợp đơn giản và rẻ tiền cho các hình thái khác nhau, như hình cầu, tiểu cầu nano, dây nano, nanocomb, dây nano, chuỗi nano và nanocages, v., tùy thuộc vào điều kiện chế tạo. Những hình thái và hình dạng khác nhau này dẫn đến các tính chất điện tử và quang học khác nhau.
Tuy nhiên, ngoài những đặc tính nổi bật nêu trên của ZnO, thì nhược điểm lớn đối với vật liệu này là hấp thụ kém e 11 trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy do độ rộng vùng cấm của nó lớn. Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau như pha tạp nguyên tố, thuốc nhuộm hoặc chấm lượng tử (QD) nhạy cảm để biến đổi cấu trúc. Trong nhiều nghiên cứu về quang điện (PV), người ta đã khẳng định rằng các cấu trúc nano nhạy cảm với chấm lượng tử có thể làm tăng sự hấp thụ ánh sáng mặt trời. Độ nhạy bề mặt của các hạt nano ZnO có hình dạng khác nhau với các chấm lượng tử có kích thước khác nhau đã được chứng minh tương tác điện tử giữa các hạt nano với các mức độ tự do khác nhau có thể được kiểm soát bởi các thông số khác nhau như độ dài của các phân tử trình liên kết, hình dạng và kích thước của cả vật liệu nhạy cảm và điện cực tương ứng.