Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật hiện đại, vật liệu nano ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, điện tử, viễn thông và công nghiệp quân sự. Đặc biệt, vật liệu plasmonic đã thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng hiệu quả. Tuy nhiên, các kim loại quý như vàng và bạc, mặc dù có hiệu suất cao, lại gặp nhiều hạn chế về chi phí, độ bền nhiệt và khả năng chế tạo. Do đó, việc nghiên cứu các vật liệu plasmonic mới thay thế là rất cần thiết.

Titan nitrua (TiN) và Zirconi nitrua (ZrN) là hai vật liệu plasmonic tiềm năng, sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 2950°C và 2980°C), độ bền cơ học tốt, khả năng chịu nhiệt và hóa học cao, cùng chi phí thấp hơn đáng kể so với vàng và bạc. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo màng vật liệu TiN và ZrN trên hai loại đế phổ biến là tôn xi măng và polyme, khảo sát khả năng hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt của các màng vật liệu này. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại trường Đại học Quy Nhơn, với phạm vi tập trung vào các phương pháp phủ trải và phun phủ.

Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá hiệu suất hấp thụ ánh sáng và khả năng sinh nhiệt của màng TiN và ZrN, từ đó mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực chuyển đổi quang nhiệt như chưng cất nước sạch và phơi sấy nông sản. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần làm phong phú thêm kiến thức về vật liệu plasmonic mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc tinh thể của vật liệu nitrua kim loại chuyển tiếp và lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). TiN và ZrN thuộc nhóm nitrua kim loại cấu trúc kẽ, với nguyên tử nitơ chiếm vị trí bát diện trong mạng tinh thể lập phương tâm khối, tạo nên tính chất vật lý và hóa học đặc trưng như nhiệt độ nóng chảy cao, độ cứng lớn và khả năng dẫn điện tốt.

Lý thuyết SPR giải thích hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt khi ánh sáng tương tác với các điện tử tự do trên bề mặt kim loại, tạo ra sóng plasmon bề mặt (SP) và hiệu ứng quang nhiệt. Hiệu ứng này giúp chuyển đổi năng lượng photon thành nhiệt năng hiệu quả, đặc biệt ở các vật liệu plasmonic nano như TiN và ZrN. Các khái niệm chính bao gồm: SPR truyền (SPP), SPR định xứ (LSPR), hiệu ứng quang nhiệt plasmonic, và các đặc tính hấp thụ quang học của vật liệu.

Ngoài ra, các kỹ thuật tạo màng như phun phủ (spray coating) và phủ trải (doctor blading) được áp dụng để chế tạo màng TiN và ZrN trên các đế tôn xi măng và polyme, đảm bảo độ đồng đều và độ dày màng phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu TiN và ZrN thương mại được chế tạo thành màng mỏng trên đế tôn xi măng và polyme. Phương pháp chọn mẫu là sử dụng kỹ thuật phun phủ cho đế tôn xi măng và phủ trải cho đế polyme, nhằm tận dụng ưu điểm của từng kỹ thuật phù hợp với đặc tính bề mặt đế.

Phân tích mẫu được thực hiện bằng các phương pháp hiện đại: kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt; phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể; phổ hấp thụ quang học UV-vis để khảo sát khả năng hấp thụ ánh sáng; và phổ nhiệt hồng ngoại (IR thermography) để đo nhiệt độ bề mặt và hiệu suất sinh nhiệt của màng vật liệu.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực nghiệm và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm trường Đại học Quy Nhơn, với cỡ mẫu gồm các màng TiN và ZrN trên hai loại đế, cùng các mẫu đối chứng TiO2 và ZrO2 để so sánh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo màng thành công: Hình ảnh quang học và SEM cho thấy màng TiN và ZrN được phủ đều trên đế tôn xi măng và polyme. Kích thước hạt TiN trên màng dao động từ 200–300 nm, lớn hơn so với hạt nano thương mại (160–200 nm) do sự kết dính bởi keo silicon. Hạt ZrN có kích thước nhỏ hơn, khoảng 70–150 nm, và có xu hướng xếp chồng trên đế tôn xi măng.

  2. Cấu trúc tinh thể ổn định: Phổ XRD xác nhận cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối của TiN và ZrN với các đỉnh nhiễu xạ trùng khớp thẻ chuẩn JCPDS, chứng tỏ vật liệu giữ nguyên tính chất tinh thể sau khi phủ màng.

  3. Khả năng hấp thụ ánh sáng: Phổ UV-vis cho thấy màng TiN và ZrN có phổ hấp thụ rộng trong vùng khả kiến và gần hồng ngoại, phù hợp với đặc tính plasmonic. Màng TiN thể hiện độ hấp thụ cao hơn so với ZrN, tương ứng với hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt tốt hơn.

  4. Hiệu suất sinh nhiệt và hóa hơi nước: Thí nghiệm hóa hơi nước dưới nguồn sáng LED 30W với cường độ 113 × 10^3 lux cho thấy màng TiN trên đế tôn xi măng có tốc độ hóa hơi nước trung bình cao hơn khoảng 15% so với mẫu đối chứng không phủ màng. Màng ZrN cũng tăng hiệu suất hóa hơi nước nhưng thấp hơn TiN khoảng 8%. Trên đế polyme, hiệu suất hóa hơi nước của màng TiN và ZrN thấp hơn so với trên đế tôn xi măng, do sự khác biệt về dẫn nhiệt và cấu trúc bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt hiệu suất hấp thụ và sinh nhiệt giữa TiN và ZrN là do kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và đặc tính quang học khác nhau. TiN với kích thước hạt lớn hơn và phổ hấp thụ rộng hơn có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh mẽ hơn, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt cao hơn. Sự kết dính của hạt TiN trên màng cũng tạo ra bề mặt đồng nhất, hỗ trợ quá trình truyền nhiệt hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học về hiệu suất hóa hơi nước cao của TiN, vượt trội hơn cả vật liệu nano vàng truyền thống. Màng ZrN tuy ít được nghiên cứu trong nước nhưng cũng thể hiện tiềm năng ứng dụng trong các công nghệ quang nhiệt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tốc độ hóa hơi nước giữa các mẫu trên hai loại đế, cùng bảng tổng hợp các thông số vật lý và quang học của màng vật liệu. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và ưu thế của từng vật liệu trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa kỹ thuật phủ màng: Nên tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh các thông số phun phủ và phủ trải như áp suất, tốc độ phun, độ dày màng để nâng cao độ đồng đều và khả năng kết dính của màng TiN và ZrN, nhằm tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng và sinh nhiệt trong vòng 6-12 tháng, do các phòng thí nghiệm vật liệu thực hiện.

  2. Phát triển ứng dụng trong công nghệ chưng cất nước: Áp dụng màng TiN và ZrN trong các hệ thống chưng cất nước sạch quy mô nhỏ và vừa, nhằm cải thiện hiệu suất hóa hơi nước, giảm chi phí năng lượng, dự kiến triển khai thử nghiệm thực tế trong 1-2 năm, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu môi trường và công nghệ năng lượng.

  3. Nghiên cứu kết hợp vật liệu: Khuyến nghị phối hợp TiN và ZrN với các vật liệu khác như TiO2 hoặc ZrO2 để tạo màng composite, tận dụng ưu điểm của từng vật liệu, nâng cao hiệu quả quang nhiệt và độ bền cơ học, thực hiện trong 12-18 tháng bởi các nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

  4. Mở rộng khảo sát trên các loại đế khác: Nghiên cứu khả năng phủ màng trên các loại đế khác như thủy tinh, kim loại hoặc vật liệu sinh học để đa dạng hóa ứng dụng, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của đế đến hiệu suất quang nhiệt, tiến hành trong 1 năm, do các phòng thí nghiệm vật liệu và kỹ thuật thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và plasmonic: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chi tiết về đặc tính quang nhiệt của TiN và ZrN, hỗ trợ phát triển các vật liệu plasmonic mới.

  2. Chuyên gia công nghệ năng lượng sạch: Kết quả nghiên cứu giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt, ứng dụng trong chưng cất nước và phơi sấy nông sản, góp phần phát triển công nghệ xanh.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu phủ và thiết bị y sinh: Thông tin về kỹ thuật phủ màng và tính chất vật liệu hỗ trợ tối ưu hóa sản phẩm phủ chống mài mòn, chịu nhiệt và ứng dụng trong y học.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phân tích vật liệu plasmonic, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn.

C