Nghiên Cứu Áp Dụng Phương Pháp Hạt Nhân Trong Phân Tích Vật Liệu TiO2/SiO2

• Tác giả: Trần Văn Phúc
• Người hướng dẫn: PTS. Lê Hồng Khiêm
• Trường học: Graduate University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Atomic Physics
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Hạt Nhân Trong Phân Tích Vật Liệu TiO2/SiO2
• Loại tài liệu: Doctoral Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2 SiO2 và Phương Pháp Hạt Nhân

Nghiên cứu vật liệu TiO2/SiO2 đang ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực khoa học vật liệu và công nghệ nano. Các phương pháp hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và hiểu rõ cấu trúc, thành phần, và tính chất của vật liệu này. Phương pháp phân tích vật liệu dựa trên tương tác của chùm ion với vật liệu, cung cấp thông tin chi tiết về thành phần nguyên tố, phân bố theo độ sâu và cấu trúc tinh thể. Ứng dụng của vật liệu TiO2/SiO2 rất đa dạng, từ xúc tác, quang xúc tác đến cảm biến và pin mặt trời. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp phân tích tiên tiến là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của vật liệu này. Luận án của Trần Văn Phúc đã nghiên cứu sâu về cơ chế trộn lẫn nguyên tử của TiO2/SiO2 gây ra bởi chiếu xạ ion, từ đó làm biến đổi tính chất quang và hóa học của hệ.

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu TiO2 SiO2 composite

Vật liệu composite TiO2/SiO2 kết hợp ưu điểm của cả hai oxit, tạo ra vật liệu có tính chất vượt trội so với từng thành phần riêng lẻ. TiO2 nổi tiếng với khả năng quang xúc tác, trong khi SiO2 có độ bền hóa học và nhiệt cao. Sự kết hợp này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Việc kiểm soát cấu trúc và thành phần của vật liệu nano composite là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Các phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu đóng vai trò then chốt trong quá trình này. "Sự hình thành của các lớp trộn lẫn được mô tả và mức độ trộn lẫn được định lượng" (Trần Văn Phúc).

1.2. Vai trò của phương pháp hạt nhân trong phân tích vật liệu

Phương pháp hạt nhân cung cấp khả năng phân tích thành phần nguyên tố, phân bố theo độ sâu và cấu trúc tinh thể của vật liệu một cách chính xác. Các kỹ thuật như Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Nuclear Reaction Analysis (NRA), và Particle-Induced X-ray Emission (PIXE) cho phép nghiên cứu các lớp màng mỏng và vật liệu nano. Kỹ thuật phân tích hạt nhân không chỉ giới hạn ở việc xác định thành phần mà còn có thể được sử dụng để nghiên cứu động học của các quá trình xảy ra trên bề mặt và trong lòng vật liệu. "Phương pháp tán xạ ngược Rutherford (RBS) đã được sử dụng để xác định biến đổi độ dày cấu trúc của các lớp TiO2, SiO2 và cả vùng chuyển tiến giữa hai lớp này trước và sau khi chiếu xạ" (Trần Văn Phúc).

II. Thách Thức Phân Tích Vật Liệu TiO2 SiO2 Bằng Kỹ Thuật Hạt Nhân

Mặc dù kỹ thuật phân tích hạt nhân mang lại nhiều ưu điểm, việc áp dụng chúng vào phân tích vật liệu TiO2/SiO2 cũng đối mặt với không ít thách thức. Việc lựa chọn thông số phù hợp cho chùm ion, xử lý số liệu phức tạp, và giải thích kết quả một cách chính xác đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kinh nghiệm thực tế. Ngoài ra, sự nhiễu loạn do hiệu ứng nền và giới hạn phát hiện của các kỹ thuật cũng cần được xem xét cẩn thận để đảm bảo độ tin cậy của kết quả phân tích. "Những biến đổi của các hằng số quang của các lớp TiO2/SiO2 trộn lẫn đã được khảo sát bằng phương pháp quang phổ Elip" (Trần Văn Phúc).

2.1. Giới hạn độ sâu và độ phân giải của phương pháp RBS

Phương pháp RBS có giới hạn về độ sâu phân tích và độ phân giải, đặc biệt khi phân tích các lớp màng mỏng hoặc vật liệu có cấu trúc phức tạp. Sự chồng chéo của các đỉnh phổ và hiệu ứng kênh có thể gây khó khăn trong việc xác định chính xác thành phần và phân bố nguyên tố. Việc sử dụng các kỹ thuật bổ trợ và phần mềm mô phỏng có thể giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của kết quả phân tích. "Theo đó, sự hình thành của các lớp trộn lẫn được mô tả và mức độ trộn lẫn được định lượng" (Trần Văn Phúc).

2.2. Xử lý số liệu và mô phỏng Monte Carlo trong phân tích RBS

Xử lý số liệu và mô phỏng Monte Carlo đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích phổ RBS và xác định các thông số vật liệu. Các phần mềm như SIMNRA cho phép mô phỏng quá trình tán xạ và so sánh với phổ thực nghiệm để xác định thành phần, độ dày lớp màng và phân bố nguyên tố. Việc lựa chọn mô hình phù hợp và đánh giá sai số là yếu tố then chốt để đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích. "Kết quả cho thấy quá trình trộn lẫn xảy ra trên cơ sở của dòng thác nguyên tử chuyển dời được sinh ra tại mặt phân cách TiO2/SiO2 bởi các ion mang năng lượng" (Trần Văn Phúc).

III. Phương Pháp RBS Phân Tích Thành Phần Vật Liệu TiO2 SiO2

Phương pháp Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) là một kỹ thuật phân tích hạt nhân mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi để xác định thành phần, độ dày lớp màng và phân bố nguyên tố trong vật liệu TiO2/SiO2. Kỹ thuật này dựa trên việc bắn phá vật liệu bằng chùm ion năng lượng cao (thường là He+) và phân tích năng lượng của các ion bị tán xạ ngược. Thông tin thu được từ phổ RBS cho phép xác định thành phần nguyên tố, phân bố theo độ sâu và cấu trúc của vật liệu. "Phương pháp tán xạ ngược Rutherford (RBS) đã được sử dụng để xác định biến đổi độ dày cấu trúc của các lớp TiO2, SiO2 và cả vùng chuyển tiến giữa hai lớp này trước và sau khi chiếu xạ" (Trần Văn Phúc).

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp Rutherford Backscattering

Phương pháp Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) dựa trên nguyên lý tán xạ đàn hồi của các ion năng lượng cao bởi hạt nhân của các nguyên tử trong vật liệu. Năng lượng của ion tán xạ ngược phụ thuộc vào khối lượng của hạt nhân và góc tán xạ. Bằng cách phân tích phổ năng lượng của các ion tán xạ ngược, có thể xác định thành phần nguyên tố và phân bố theo độ sâu của vật liệu. "Các ion có năng lượng cao hơn bứt và dịch chuyển các hạt nhân tới các vị trí sâu hơn dưới bề mặt phân cách, trong khi các nguyên tử nặng hơn tương tác với nhiều nguyên tử hơn tại vùng trộn lẫn, kết quả là mức độ trộn lẫn tăng tuyến tính theo năng lượng và tăng mạnh theo khối lượng của ion" (Trần Văn Phúc).

3.2. Ứng dụng RBS xác định độ dày lớp màng và tỷ lệ thành phần

Phương pháp RBS là một công cụ hiệu quả để xác định độ dày lớp màng và tỷ lệ thành phần nguyên tố trong vật liệu TiO2/SiO2. Phân tích hình dạng và vị trí của các đỉnh phổ RBS cho phép xác định độ dày của từng lớp màng và tỷ lệ nguyên tử của các nguyên tố khác nhau. Độ chính xác của phép đo RBS phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm năng lượng chùm ion, góc tán xạ và độ phân giải của detector. "Đồng thời, mất mát năng lượng của ion trong TiO2 giảm theo năng lượng ion tới (tính toán SRIM), hay mức năng lượng tương tác của ion tại vùng phân cách cao hơn, dẫn đến mức độ trộn lẫn giữa các lớp TiO2 và SiO2 lớn hơn, phù hợp với các kết quả đã đạt được bằng phương pháp RBS" (Trần Văn Phúc).

IV. NRA và PIXE Phân Tích Thành Phần Nguyên Tố Vật Liệu TiO2 SiO2

Ngoài RBS, Nuclear Reaction Analysis (NRA) và Particle-Induced X-ray Emission (PIXE) là hai kỹ thuật phân tích hạt nhân quan trọng khác được sử dụng để nghiên cứu vật liệu TiO2/SiO2. NRA dựa trên việc đo năng lượng và số lượng các hạt sinh ra từ các phản ứng hạt nhân giữa chùm ion và hạt nhân của các nguyên tử trong vật liệu. PIXE dựa trên việc đo năng lượng và cường độ của tia X đặc trưng phát ra từ vật liệu khi bị bắn phá bởi chùm ion. "Những biến đổi của các hằng số quang của các lớp TiO2/SiO2 trộn lẫn đã được khảo sát bằng phương pháp quang phổ Elip" (Trần Văn Phúc).

4.1. Nguyên lý và ứng dụng của phương pháp Nuclear Reaction Analysis

Phương pháp Nuclear Reaction Analysis (NRA) dựa trên việc kích thích các phản ứng hạt nhân giữa chùm ion và hạt nhân của các nguyên tử trong vật liệu. Năng lượng và số lượng của các hạt sinh ra từ các phản ứng này phụ thuộc vào thành phần nguyên tố và nồng độ của các nguyên tố trong vật liệu. NRA có độ nhạy cao đối với các nguyên tố nhẹ như hydro và liti, và có thể được sử dụng để xác định phân bố theo độ sâu của các nguyên tố này. "Hàm lượng của TiO2 tăng trong khi các hợp chất khác giảm theo năng lượng ion" (Trần Văn Phúc).

4.2. Phân tích thành phần bằng phương pháp Particle Induced X ray Emission

Phương pháp Particle-Induced X-ray Emission (PIXE) dựa trên việc kích thích phát xạ tia X đặc trưng từ vật liệu khi bị bắn phá bởi chùm ion. Năng lượng và cường độ của tia X đặc trưng phụ thuộc vào thành phần nguyên tố và nồng độ của các nguyên tố trong vật liệu. PIXE là một kỹ thuật phân tích đa nguyên tố, có thể được sử dụng để xác định đồng thời nồng độ của nhiều nguyên tố khác nhau trong vật liệu. "Sự biến đổi này do ảnh hưởng trực tiếp của việc thay đổi hàm lượng TiO2 trong vùng chuyển tiếp gây ra bởi khác biệt về mức độ sai hỏng được tạo ra đối với các mức năng lượng ion khác nhau" (Trần Văn Phúc).

V. Ứng Dụng Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2 SiO2 Trong Thực Tế

Nghiên cứu vật liệu TiO2/SiO2 và các phương pháp phân tích hạt nhân có nhiều ứng dụng thực tế quan trọng. Vật liệu TiO2/SiO2 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xúc tác, quang xúc tác, cảm biến, pin mặt trời và lớp phủ bảo vệ. Việc hiểu rõ cấu trúc, thành phần và tính chất của vật liệu này là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của chúng. "Những biến đổi của các hằng số quang của các lớp TiO2/SiO2 trộn lẫn đã được khảo sát bằng phương pháp quang phổ Elip" (Trần Văn Phúc).

5.1. Ứng dụng vật liệu TiO2 SiO2 trong xúc tác và quang xúc tác

Vật liệu TiO2/SiO2 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xúc tác và quang xúc tác nhờ khả năng tăng cường hiệu suất phản ứng và độ bền của xúc tác. Sự kết hợp giữa TiO2 và SiO2 tạo ra vật liệu có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng phân tán tốt các chất phản ứng. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm xử lý nước thải, khử ô nhiễm không khí và sản xuất năng lượng sạch. "Các ion tạo ra nhiều sai hỏng hay nguyên tử bị dịch chuyển sơ cấp hơn đối với TiO2/SiO2 có độ dày lớp mỏng, do đó cấu trúc này có mức độ trộn lẫn vượt trội hơn sau chiếu xạ" (Trần Văn Phúc).

5.2. Vật liệu TiO2 SiO2 trong cảm biến và pin mặt trời

Vật liệu TiO2/SiO2 cũng được sử dụng trong các ứng dụng cảm biến và pin mặt trời nhờ khả năng thay đổi tính chất điện và quang học khi tiếp xúc với các chất khác nhau hoặc dưới tác dụng của ánh sáng. Các cảm biến dựa trên TiO2/SiO2 có thể được sử dụng để phát hiện các chất khí độc hại, độ ẩm và nhiệt độ. Trong pin mặt trời, TiO2/SiO2 có thể được sử dụng làm lớp truyền dẫn điện tử hoặc lớp chống phản xạ để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. "Alteration of optical constants of TiO2/SiO2 mixed layers were evaluated based on the Ellipsometry Spectroscopy method" (Trần Văn Phúc).

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2 SiO2

Nghiên cứu vật liệu TiO2/SiO2 và các phương pháp hạt nhân phân tích đã đạt được nhiều tiến bộ quan trọng, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của vật liệu này. Các hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu tiên tiến, nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng và tương tác, và thiết kế các thiết bị và hệ thống ứng dụng hiệu quả. "In the present dissertation, ion-beam-induced mixing of TiO2/SiO2 and the related effects resulting in variation of optical and chemical properties of this system have been studied" (Trần Văn Phúc).

6.1. Tối ưu hóa phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu

Việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp vật liệu và đặc trưng vật liệu là yếu tố then chốt để kiểm soát cấu trúc, thành phần và tính chất của vật liệu TiO2/SiO2. Các phương pháp tổng hợp tiên tiến như sol-gel, hydrothermal và CVD cho phép tạo ra vật liệu có kích thước nano, độ tinh khiết cao và cấu trúc đồng nhất. Các kỹ thuật đặc trưng vật liệu như XRD, TEM, SEM và XPS cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc tinh thể, hình thái học, thành phần bề mặt và trạng thái hóa học của vật liệu. "The refractive index and extinction coefficient of the mixed layers grow for ion energy of 100 to 200 keV, then reduce for energy of 250 keV" (Trần Văn Phúc).

6.2. Nghiên cứu cơ chế phản ứng và tương tác trong vật liệu

Nghiên cứu cơ chế phản ứng và tương tác trong vật liệu TiO2/SiO2 là cần thiết để hiểu rõ quá trình xúc tác, quang xúc tác, cảm biến và chuyển đổi năng lượng. Các phương pháp mô phỏng phân tử và tính toán lý thuyết có thể được sử dụng để nghiên cứu động học của các phản ứng, sự hấp phụ và giải hấp của các chất phản ứng, và sự hình thành các trung tâm hoạt động. Thông tin thu được từ các nghiên cứu này có thể được sử dụng để thiết kế các vật liệu có hiệu suất cao hơn và độ bền tốt hơn. "This effect is associated with variation in TiO2 concentration at mixed areas due to changes amount of created defects" (Trần Văn Phúc).