Nghiên Cứu Hạt Nano GZO Ứng Dụng Trong Điện Cực Nanocomposite

• Tác giả: Huỳnh Thị Bích Hảo
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Cường
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu Hạt Nano GZO Ứng Dụng Trong Điện Cực Nanocomposite
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu về oxit dẫn điện trong suốt (TCO)
• 1.2. Lịch sử phát triển của vật liệu TCO
• 1.3. Các tính chất đặc trưng của TCO
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu TCO
• 1.5. Vật liệu ZnO
• 1.5.1. Cấu trúc của vật liệu ZnO
• 1.5.2. Khuyết tật trong tinh thể ZnO
• 1.5.3. Tính chất của vật liệu ZnO
• 1.6. Vật liệu nano ZnO và ứng dụng
• 1.7. Vật liệu GZO
• 1.7.1. Màng mỏng GZO
• 1.7.2. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 1.7.3. Tổng hợp vật liệu
• 2. Quy trình tổng hợp vật liệu GZO
• 2.1. Quy trình tạo màng AgNWs/GZO NPs
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu
• 2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)
• 2.2.2. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.3. Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis)
• 2.2.4. Phương pháp bốn mũi dò
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu hạt nano ZnO pha tạp Ga (GZO)
• 3.1.1. Ảnh hưởng của tiền chất lên hình thái của hạt nano GZO
• 3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Ga
• 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp
• 3.2. Nghiên cứu màng nanocomposite AgNWs/GZO NPs
• 3.2.1. Hình thái bề mặt của màng AgNWs/GZO NPs
• 3.2.2. Tính chất điện của màng AgNWs/GZO NPs
• 3.2.3. Tính chất quang của màng AgNWs/GZO NPs
• 3.2.4. Hệ số chất lượng của màng AgNWs/GZO NPs
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Vật Liệu GZO Ưu Điểm Ứng Dụng Tiềm Năng 55 ký tự

Vật liệu oxit dẫn điện trong suốt (TCO) đang ngày càng được quan tâm nhờ khả năng dẫn điện tốt và độ trong suốt cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Các vật liệu TCO phổ biến bao gồm ITO, FTO, GZO, và AZO. Trong đó, GZO nổi lên như một lựa chọn đầy hứa hẹn nhờ tiềm năng thay thế ITO. Tuy nhiên, các loại TCO thường ở dạng màng mỏng, chế tạo bằng các phương pháp tốn kém. Vật liệu nanocomposite đang được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là màng nanocomposite từ hạt nano TCO nhờ ưu điểm về quy trình chế tạo đơn giản, chi phí thấp và khả năng ứng dụng linh hoạt trên nhiều loại đế, bao gồm cả đế mềm. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới cho GZO trong các thiết bị điện tử.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Các Loại Vật Liệu TCO Phổ Biến

Màng TCO đầu tiên được báo cáo năm 1907 bởi Badeker với vật liệu CdO. Sau đó, nhiều vật liệu khác như ZnO pha tạp, SnO2 pha tạp, In2O3 pha tạp ra đời. Những năm 60, ITO trở nên phổ biến trong các thiết bị quang điện tử. Hiện nay, các oxit kim loại pha tạp loại n như ITO, AZO, GZO, và IZO được tập trung nghiên cứu do có độ rộng vùng cấm > 3 eV, nồng độ hạt tải cao > 10^20 cm^-3, điện trở suất thấp < 10^-3 Ω.cm và độ truyền qua > 80% trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Sự dễ dàng điều chỉnh nồng độ tạp chất trong quá trình chế tạo khiến các hợp chất hai thành phần được ưu tiên nghiên cứu.

1.2. Tính Chất Đặc Trưng Của Vật Liệu TCO Điện Quang Độ Bền

Độ dẫn điện của TCO phụ thuộc vào nồng độ và độ linh động của điện tử tự do. Độ dẫn điện tăng khi cả hai yếu tố này tăng. Nồng độ hạt tải liên quan đến nồng độ pha tạp và trạng thái hoạt hóa của tạp chất trong mạng tinh thể. Việc lựa chọn vật liệu TCO phù hợp cần xem xét hiệu suất quang học và điện năng, sự ổn định về hình thái bề mặt, độ bền (nhiệt, hóa học) và sự ổn định trong môi trường làm việc, độc tính và chi phí sản xuất.

II. Thách Thức Giải Pháp Vì Sao Nghiên Cứu Hạt Nano GZO Quan Trọng 58 ký tự

Mặc dù ITO có điện trở suất thấp và độ trong suốt cao, việc sử dụng indium tiềm ẩn nhiều vấn đề. Indium là nguyên tố khan hiếm, giá thành cao, và màng ITO khá giòn, gây khó khăn cho ứng dụng trên các đế dẻo. ZnO nổi lên như một ứng cử viên thay thế tiềm năng nhờ chi phí thấp, nguồn vật liệu dồi dào và không độc tính. Tuy nhiên, ZnO có nồng độ electron tự do thấp và điện trở suất cao. Do đó, việc pha tạp ZnO bằng các nguyên tố nhóm IIIA như Ga là cần thiết để tăng độ dẫn điện. Việc nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp mực in từ hạt nano TCO là rất quan trọng để tìm ra quy trình chế tạo hiệu quả và tiết kiệm.

2.1. Hạn Chế Của ITO Ưu Điểm Vượt Trội Của Vật Liệu ZnO

ITO là TCO được sử dụng phổ biến nhờ điện trở suất thấp (10^-4 Ω.cm) và độ trong suốt cao (88%). Tuy nhiên, indi là nguyên tố khan hiếm và đắt đỏ, khiến chi phí sản xuất cao. Ngoài ra, màng ITO giòn, gây khó khăn cho việc chế tạo trên các đế dẻo. ZnO là ứng cử viên thay thế vì chi phí thấp, nguồn vật liệu dồi dào và không độc tính. ZnO là chất bán dẫn loại n với vùng cấm thẳng khoảng 3,2 - 3,4 eV ở 300 K, có tiềm năng ứng dụng làm TCO nhờ độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy.

2.2. Vai Trò Của Pha Tạp Ga GZO Để Cải Thiện Tính Chất Điện Của ZnO

ZnO có nồng độ electron tự do thấp (cỡ 10^18 - 10^19 cm^-3) và điện trở suất khá cao (cỡ 10^-3 Ω.cm) để sử dụng làm TCO. Do đó, ZnO cần được pha tạp với các nguyên tố nhóm IIIA (B, Al, In, Ga) để tăng độ dẫn điện. Ga là phù hợp nhất vì bán kính ion của Ga^3+ và Zn^2+ gần bằng nhau. Ion Ga^3+ có thể thay thế ion Zn^2+ với nồng độ lớn và không làm biến dạng đáng kể cấu trúc mạng ZnO.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Hạt Nano GZO Lựa Chọn Tối Ưu Ưu Điểm 59 ký tự

Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano GZO, bao gồm phương pháp thủy nhiệt, đồng kết tủa, và phun nóng. Tuy nhiên, phương pháp phân hủy nhiệt nổi bật với nhiều ưu điểm. Phương pháp này có nhiệt độ tổng hợp thấp, thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp. Ngoài ra, nó cho phép linh hoạt thay đổi các thông số như nhiệt độ, nồng độ pha tạp và thời gian tổng hợp. Nhờ đó, có thể dễ dàng điều chỉnh hình thái, kích thước cũng như tính chất của vật liệu. Vì những lợi thế này, phương pháp phân hủy nhiệt là lựa chọn phù hợp để nghiên cứu và phát triển hạt nano GZO.

3.1. So Sánh Các Phương Pháp Chế Tạo Hạt Nano GZO

Hiện nay, phương pháp chế tạo hạt nano ZnO pha tạp Ga (GZO) rất đa dạng như phương pháp thủy nhiệt, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp phun nóng… Mỗi phương pháp có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các yêu cầu khác nhau về kích thước, hình dạng, độ tinh khiết và chi phí sản xuất của hạt nano.

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Phân Hủy Nhiệt Trong Tổng Hợp GZO

Phương pháp phân hủy nhiệt (thermal decomposition method) có nhiều lợi thế như nhiệt độ tổng hợp thấp, thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp. Ngoài ra, phương pháp trên có thể linh hoạt để thay đổi một số thông số như nhiệt độ, nồng độ pha tạp và thời gian tổng hợp, do đó dễ dàng điều chỉnh hình thái, kích thước cũng như tính chất của vật liệu. Với tất cả cơ sở lý luận trên, tôi chọn đề tài “NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO GZO ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN CỰC TRONG SUỐT NANOCOMPOSITE” nhằm nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu GZO cũng như đánh giá ứng dụng của vật liệu GZO trong lĩnh vực quang điện tử.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Thông Số Đến Tính Chất Hạt Nano GZO 58 ký tự

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tổng hợp đến tính chất của hạt nano GZO là rất quan trọng. Các yếu tố như tiền chất, nồng độ pha tạp, và nhiệt độ phản ứng đều có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước, hình thái, cấu trúc pha và tính chất quang của hạt nano. Việc kiểm soát các thông số này cho phép tạo ra hạt nano GZO với các đặc tính mong muốn, phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Cụ thể, kích thước hạt nano nhỏ và độ đồng đều cao rất quan trọng để tạo ra màng có chất lượng tốt.

4.1. Ảnh Hưởng Của Tiền Chất Đến Hình Thái Kích Thước Hạt Nano

Tiền chất sử dụng trong quá trình tổng hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thái và kích thước của hạt nano GZO. Các loại tiền chất khác nhau có thể dẫn đến các cơ chế hình thành hạt và tốc độ tăng trưởng khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

4.2. Tối Ưu Nồng Độ Pha Tạp Ga Cân Bằng Độ Dẫn Điện Độ Trong Suốt

Nồng độ pha tạp Ga có ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn điện và độ trong suốt của hạt nano GZO. Việc tăng nồng độ Ga giúp tăng độ dẫn điện, nhưng nếu vượt quá ngưỡng tối ưu, có thể làm giảm độ trong suốt. Do đó, cần tìm ra nồng độ pha tạp Ga phù hợp để đạt được sự cân bằng giữa hai yếu tố này.

4.3. Tác Động Của Nhiệt Độ Tổng Hợp Lên Cấu Trúc Tính Chất Quang

Nhiệt độ tổng hợp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc định hình cấu trúc và tính chất quang của hạt nano GZO. Nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến sự hình thành các hạt có kích thước không đồng đều và cấu trúc không hoàn chỉnh, trong khi nhiệt độ quá cao có thể gây ra sự kết tụ hạt và làm giảm diện tích bề mặt riêng.

V. Ứng Dụng Điện Cực Nanocomposite AgNWs GZO NPs Tiềm Năng 59 ký tự

Màng nanocomposite dựa trên sợi nano bạc (AgNWs) và hạt nano ZnO pha tạp Ga (GZO NPs) có tiềm năng lớn trong ứng dụng làm điện cực trong suốt. AgNWs cung cấp độ dẫn điện cao, trong khi GZO NPs giúp cải thiện độ trong suốt và độ bền của màng. Việc kết hợp hai vật liệu này tạo ra một vật liệu nanocomposite có tính chất ưu việt, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của màng nanocomposite để đạt được hiệu suất tốt nhất.

5.1. Vai Trò Của Sợi Nano Bạc AgNWs Trong Cấu Trúc Nanocomposite

Sợi nano bạc (AgNWs) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp độ dẫn điện cao cho màng nanocomposite. Với kích thước nano, AgNWs có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện cho sự dẫn điện hiệu quả.

5.2. Cải Thiện Độ Trong Suốt Độ Bền Với Hạt Nano GZO GZO NPs

Hạt nano GZO (GZO NPs) giúp cải thiện độ trong suốt và độ bền của màng nanocomposite. Sự phân bố đều đặn của GZO NPs trong màng giúp giảm sự tán xạ ánh sáng và tăng cường độ bền cơ học.

5.3. Đánh Giá Đặc Tính Quang Điện Của Màng AgNWs GZO NPs

Khảo sát các đặc tính quang và điện của màng nanocomposite là bước quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng của vật liệu. Các thông số cần quan tâm bao gồm độ truyền qua, điện trở bề mặt và hệ số chất lượng (FOM).

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Của Điện Cực GZO 53 ký tự

Nghiên cứu hạt nano GZO và ứng dụng của chúng trong điện cực nanocomposite mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực quang điện tử. Với những ưu điểm về chi phí, hiệu suất và tính linh hoạt, vật liệu GZO hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử tương lai. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cải thiện tính chất của vật liệu và mở rộng phạm vi ứng dụng.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Đóng Góp Mới

Tổng kết lại các kết quả nghiên cứu đạt được, nhấn mạnh những đóng góp mới trong lĩnh vực tổng hợp hạt nano GZO và ứng dụng của chúng trong điện cực nanocomposite.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Phát Triển Ứng Dụng GZO

Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển ứng dụng của GZO trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như pin mặt trời, đèn LED và cảm biến.