Luận văn: Nghiên cứu chuyển pha ZnS-ZnO trên các cấu trúc ZnS một chiều

Luận văn thạc sĩ phân tích quá trình chuyển pha ZnS-ZnO trên cấu trúc nano. Tổng quan phương pháp chế tạo, oxy hóa và ứng dụng quang điện tử.

• Tác giả: Nguyen Tu
• Người hướng dẫn: Pham Thanh Huy
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Chuyển Pha ZnS-ZnO Trên Các Cấu Trúc ZnS Một Chiều
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu chuyển pha ZnS ZnO trên cấu trúc nano

Nghiên cứu vật liệu nano hiện đang là lĩnh vực thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học và công nghệ trên toàn thế giới. Cấu trúc nano ZnS và ZnO là những bán dẫn hợp chất với vùng cấm thẳng và độ rộng vùng cấm lớn (3,68 eV cho ZnS và 3,37 eV cho ZnO ở nhiệt độ phòng). Những vật liệu này có khả năng phát quang tốt và hiệu suất lượng tử cao, làm cho chúng trở thành ứng dụng tiềm năng trong chế tạo các linh kiện quang điện tử. Quá trình chuyển pha ZnS-ZnO tạo ra các cấu trúc dị thế mới có khả năng phát xạ tử ngoại trong vùng bước sóng khoảng 355 nm, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị laser tử ngoại hiện đại.

1.1. Ý nghĩa của nghiên cứu chuyển pha ZnS ZnO

Việc chế tạo được cấu trúc dị thế ZnS/ZnO mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu quang điện tử. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng quá trình oxy hóa các cấu trúc nano ZnS một chiều có thể tạo ra vật liệu nhân tạo với những tính chất quang đặc biệt, phù hợp cho ứng dụng trong các dioát và laser tử ngoại phát xạ trong dải bước sóng từ 340 đến 390 nm.

1.2. Lịch sử phát triển vật liệu nano ZnS và ZnO

Trong hai mươi năm qua, công nghệ nano đã chứng minh được những ưu điểm vượt trội trong nhiều ứng dụng y học, sinh học và điện tử. ZnS và ZnO là những bán dẫn hợp chất A-B được ứng dụng rộng rãi nhờ vùng cấm lớn và khả năng phát quang xuất sắc. Các cấu trúc nano một chiều của các vật liệu này được coi là bước tiến quan trọng trong phát triển các thiết bị quang điện tử.

II. Phương pháp chế tạo và mục đích nghiên cứu

Đề tài "Nghiên cứu quá trình chuyển pha ZnS-ZnO trên các cấu trúc ZnS một chiều" được thực hiện với mục đích chính là khảo sát quá trình oxy hóa các cấu trúc nano ZnS và những thay đổi về tính chất vật lý, hóa học trong quá trình này. Phương pháp bay hơi tự phát được sử dụng để chế tạo các cấu trúc nano ZnS một chiều với hình thái đa dạng như dây nano (nanowires) và đai nano (nanobelts). Sau đó, các mẫu này được tiến hành oxy hóa trong môi trường khí oxy để khảo sát sự hình thành lớp ZnO trên bề mặt ZnS.

2.1. Phương pháp bay hơi tự phát chế tạo cấu trúc nano

Bay hơi tự phát là phương pháp hiệu quả để tạo ra cấu trúc nano ZnS với độ kiểm soát tốt. Phương pháp này cho phép chế tạo các dây nano và đai nano với kích thước điều khiển được. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ cao, tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán các nguyên tô và hình thành các cấu trúc một chiều bền vững.

2.2. Quy trình oxy hóa trong khảo sát chuyển pha

Quá trình oxy hóa các cấu trúc nano ZnS được tiến hành trong môi trường khí oxy. Khi oxy hóa, lớp ZnO hình thành trên bề mặt dây/đai nano ZnS, và chiều dày của lớp này tỉ lệ thuận với thời gian oxy hóa. Việc kiểm soát thời gian oxy hóa cho phép điều chỉnh độ dày lớp ZnO và tính chất của cấu trúc dị thế ZnS/ZnO.

III. Tính chất và đặc trưng của cấu trúc dị thế ZnS ZnO

Các kết quả phân tích bằng phổ tia X (XRD), phổ phân tán năng lượng (EDX) và phổ Raman cho thấy rằng trước khi oxy hóa, mẫu là đơn tinh thể ZnS với thành phần chỉ gồm các nguyên tố Zn, S và Au. Sau khi oxy hóa, bề mặt mẫu được bao phủ một lớp ZnO và thành phần gồm Zn, S và O. Phổ huỳnh quang của cấu trúc ZnS/ZnO được đặc trưng bởi ba vùng phát xạ: đỉnh 380 nm (phát xạ vùng-vùng của ZnO), đỉnh 468 nm (các sai hỏng bề mặt), và đỉnh 500-520 nm (liên kết S-Zn-O).

3.1. Phân tích cấu trúc bằng XRD và EDX

Phổ tia X (XRD) xác nhận sự hiện diện của pha ZnS trước oxy hóa và sự hình thành pha ZnO sau oxy hóa. Phổ EDX cung cấp thông tin chi tiết về thành phần nguyên tố, cho thấy sự gia tăng hàm lượng oxy khi quá trình oxy hóa tiến hành. Kết hợp hai phương pháp này, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi quá trình chuyển pha ZnS-ZnO một cách chính xác.

3.2. Tính chất quang học của cấu trúc dị thế

Phổ huỳnh quang của ZnS/ZnO hiển thị các vùng phát xạ đặc trưng. Đỉnh 380 nm tương ứng với phát xạ vùng-vùng của ZnO, trong khi đỉnh 468 nm phản ánh các sai hỏng trên bề mặt. Đỉnh 500-520 nm liên quan đến những khiếm khuyết trong cấu trúc. Các tính chất quang này cấu trúc làm cho vật liệu này phù hợp cho các ứng dụng quang điện tử.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển trong tương lai

Cấu trúc dị thế ZnS/ZnO có khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử, đặc biệt trong chế tạo dioát và laser tử ngoại. Phát xạ tử ngoại ở vùng bước sóng 355 nm của cấu trúc ZnS/ZnO nằm giữa phát xạ 342 nm của ZnS và 390 nm của ZnO, mở ra khả năng tuning bước sóng phát xạ. Các nghiên cứu gần đây từ các tạp chí uy tín như Nature, Science và Advanced Materials cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu nano này trong các ứng dụng năng lượng mặt trời, pin quang điện và các thiết bị optoelectronics hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong thiết bị quang điện tử

Cấu trúc ZnS/ZnO được nghiên cứu cho các ứng dụng trong pin quang điện tử (solar cells) và dioát phát xạ tử ngoại (UV-LED). Khả năng tuning bước sóng phát xạ từ 340 đến 390 nm cho phép thiết kế các thiết bị với đặc tính quang được tối ưu hóa cho ứng dụng cụ thể. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao của vật liệu này làm cho nó trở thành ứng viên tiềm năng cho các thiết bị năng lượng tái tạo.

4.2. Triển vọng phát triển và hướng nghiên cứu tiếp theo

Các công bố gần đây cho thấy rằng công nghệ nano ZnS/ZnO sẽ tiếp tục là lĩnh vực được quan tâm trong các năm tới. Quá trình chuyển pha ZnS-ZnO có thể được điều khiển chính xác hơn để tạo ra các cấu trúc dị thế với tính chất tùy chỉnh. Hướng nghiên cứu tương lai bao gồm tối ưu hóa quy trình oxy hóa, khảo sát các ứng dụng mới và phát triển các thiết bị lần đầu tiên dựa trên những cấu trúc nano tiên tiến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỎNG QUAN 1. Cư xử khua học về vật liệu nano 1. Định nghĩa 'Vật liệu nano là vật liệu trong đó ït nhất 1 chiêu có kích thước nanomet (nm) Theo hinh dang vật liệu, người ta chía vật liệu nano thánh: « _ Vật liệu nano không chiều là vật liệu cả ba chiều đều có kích thước nanomet. Ví dw: darn nano, hat nano.

© Vat liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiễu có kích thước nanomet. Vi du: éng nano, day nano. « Vật liêu nano hai chiêu: là vật liệu trong đó một chiển có kích thước nanomet. Vi du: mang nano Ngoài ra con cé vat Léu nanocomposit trong đó chỉ một phần cúa vật liệu có kích thước nano hoặc câu trúc của nó có nano không chiểu, một chiếu, và hai chiều.

dan xen nhau, Vi du: nanocomposit bac/silica, bac/uretan 1. Các đặc trưng của vật liệu nano Một dặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô củng nhỏ bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tứ 1 hoặc 2 bậc. Do vậy, tí số giữa số nguyên tứ nằm ở bể mặt trên sở nguyên tử tỗng công của vật liệu nano lớn hơn tắt nhiều so với t số này đôi với các vật liệu có kích thước lớn hơn. Như vậy, nếu như ở vật liêu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bẻ mặt, eòn phân lớn sắc nguyên tử còn lại nằm sân phía trong, được các lớp ngoài che chẩn thì trong câu trúc của vật liệu nano, hầu hét các nguyên tử đều được "phơi” Trang7 Luan văn Thạc sĩ liện bốc bay.

tỉnh thửi chính của các mẫu nhận được bao gdm dai nano (nanobelt), dây nano (nanowircs) hoặc hỗn hợp của hai loại trên. Khi tiền hành ôxy hỏa tĩnh Thẻ Zn§, trên bể mặt cúa dây/đai nano Zn8 hinh thành các lớp mong ZnO và chiều dây của các lớp này tỷ lê thuận với thời gian ôxy hóa. Các kết quá đo rửiễu xe tia X, phố tán xa năng hrong (EDO, va phd tan xa Raman déu cho cing một kết quả là mẫn nhận được trước khi xy héa 1a don tinh thé ZnS va thanh phan chi bao gầm các nguyên tô Zn, S va Au (kim loai sic tae). Sau khi oxy hỏa bê mặt của mẫu nhận được bao phủ một lớp ZnO và hành phần của mẫu bao gồm Zn, S va O.

Phổ huỳnh quang của Zn§8/ZnO được đặc trưng bởi ba vừng phốt xạ tương ứng với các đỉnh 380 rau là phát xạ do chuyển mức vùng — vùng của ZmO, đình 468 run do các chuyến mức gây nên bởi các tâm sâu hoặc đo các sai hỏng trên bề mặt phản cách Zn§/ZnO, và đính 500-520 nm liên quan đến các sai hong do sự hình thánh cúa liên kết S-Zn-O hoặc đo các sai hỏng khác trong cẩn trúc nano Zn©. Trang 4 Luan văn Thạc sĩ VIEN DAO TAO QUOC TẾ VỀ KIIOA HỌC VAT LIEU ITIMS KILOA 2008-2010 Tên luận văn: Nghiên cứu quá trình chuyển pha Zm8-ZnO trên các cấu trúc Zn§ một chiều Tác giá: Nguyễn Tư Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thành Huy Người nhận xét: PGS. Lục IEuy Hoằng ( Phản biện 1) TS.

Trần Ngọc Khiêm ( Phân biện 2) Tóm tắt luận văn Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo và điều khiên được các câu trúc vật liệu nano một chiêu đang là hướng nghiên cứu hấp dẫn đổi với các nhà khoa học trên thể giới. [Hưởng nghiên cứu này mở ra khả năng ứng dụng không chỉ trong nhiều các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau, mà còn cả trong công nghigp. Tréu whidu lap chi co uy tin whe Malure, Advanced Materials, Applied Physics Letters. di cé nhiing céng bé vé vigc mudi thanh céng cau trúc đị thé ZnS/Zn0, và đồng thời cho thấy triển vọng ửng đụng cao trong chế tạo pin mặt trời, laser tử ngoại, các linh kiện quang điện tử.

Luận văn này nghiên cửu quá tríh hình thành cầu trúc đị thế mốt chiều ZnO/Zns chế tạo bằng phương pháp bic bay nhiệt và cơ chế oxy hóa các cầu trúc nano ZnS theo hai cách tiếp cận khác nhau là oxy hóa ngay trong quả trình muôi (in situ) va oxy héa sau khi qua trình nuôi để kết thúc (post oxidation) trong mỗi trường, khí ôxy. Câu túc, lảnh thái và hợp phản của các mẫu nhận được được khảo sát bằng nhiều phép đồ khác nhau. Kết quá quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (FESEM) cho thay hủnh thải của mẫu nhận được sau khi oxy hóa phụ thuộc vào nhiên thông sô khác nhau như nhiệt độ đề, khoảng cách giữa đề vá thuyền đụng vật Trang3 Luan văn Thạc sĩ Ở vật liệu nano, đa số gắu nguyên tử đêu nằm trên bễ mặt, nguyễn lử bề mật có nhiều tính chất khác biết so với các nguyễn tử bên trong. Vì thể, các hiểu ứng cỏ liên quan đến bê mặt như: khš năng hấp phụ, đỏ hoạt động bẻ mặt của vật liêu nano.

sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dang khôi. Diều này đã mớ ra những ứng đựng kỳ điêu che lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học dang quan tâm nghiên cửu -Hiệu ứng kích thước Các vật liệu truyền thông thường được đặc trưng bởi ruột số các đại lượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt đô sồi, tính axit. Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hỏa học nảy chỉ là bắt biến nêu kích thước của vật liệu đủ lớn (thưởng là lớn hơn 100 nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hon 100 mm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không gòn là bất biển nữa, ngược lại chứng sẽ thay đối theo kích thước.

Jiiện tượng này gơi là liệu ứng kích tuước. Kích thước mà ở đỏ, vật liêu bắt đầu có sự thay đối tính chất được gọi là kích turác tới bạn. Vì dục Điện trở của một kim loại tuần theo. định luật Olưn ở kích thước vĩ mê mà ta thấy hàng ngày.

Nếu te giám kích thước của kim loại xuống nhỏ hơn quảng đường tự do trưng bình của điện tử trong kim loại (thưởng là từ vải nanomet đến vài trăm nanomet) thì định luật Ohm khéng con đứng nữa. Lủc đô điện trở của vật liệu có kich thước nano sẽ tuân theo các quy tác lượng tử Các nghiền cửu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 rưm đến 100 nm nên các tính chất này đếu có biển hiện khác thường thủ vị ở vật liệu mo sơ với các val liệu khối truyền thông [1] Trang 9 Luan văn Thạc sĩ Ở vật liệu nano, đa số gắu nguyên tử đêu nằm trên bễ mặt, nguyễn lử bề mật có nhiều tính chất khác biết so với các nguyễn tử bên trong. Vì thể, các hiểu ứng cỏ liên quan đến bê mặt như: khš năng hấp phụ, đỏ hoạt động bẻ mặt của vật liêu nano. sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dang khôi.

Diều này đã mớ ra những ứng đựng kỳ điêu che lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học dang quan tâm nghiên cửu -Hiệu ứng kích thước Các vật liệu truyền thông thường được đặc trưng bởi ruột số các đại lượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt đô sồi, tính axit. Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hỏa học nảy chỉ là bắt biến nêu kích thước của vật liệu đủ lớn (thưởng là lớn hơn 100 nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hon 100 mm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không gòn là bất biển nữa, ngược lại chứng sẽ thay đối theo kích thước. Jiiện tượng này gơi là liệu ứng kích tuước.

Kích thước mà ở đỏ, vật liêu bắt đầu có sự thay đối tính chất được gọi là kích turác tới bạn. Vì dục Điện trở của một kim loại tuần theo. định luật Olưn ở kích thước vĩ mê mà ta thấy hàng ngày. Nếu te giám kích thước của kim loại xuống nhỏ hơn quảng đường tự do trưng bình của điện tử trong kim loại (thưởng là từ vải nanomet đến vài trăm nanomet) thì định luật Ohm khéng con đứng nữa.

Lủc đô điện trở của vật liệu có kich thước nano sẽ tuân theo các quy tác lượng tử Các nghiền cửu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 rưm đến 100 nm nên các tính chất này đếu có biển hiện khác thường thủ vị ở vật liệu mo sơ với các val liệu khối truyền thông [1] Trang 9 Luan văn Thạc sĩ Ở vật liệu nano, đa số gắu nguyên tử đêu nằm trên bễ mặt, nguyễn lử bề mật có nhiều tính chất khác biết so với các nguyễn tử bên trong. Vì thể, các hiểu ứng cỏ liên quan đến bê mặt như: khš năng hấp phụ, đỏ hoạt động bẻ mặt của vật liêu nano. sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dang khôi. Diều này đã mớ ra những ứng đựng kỳ điêu che lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học dang quan tâm nghiên cửu -Hiệu ứng kích thước Các vật liệu truyền thông thường được đặc trưng bởi ruột số các đại lượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt đô sồi, tính axit.

Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hỏa học nảy chỉ là bắt biến nêu kích thước của vật liệu đủ lớn (thưởng là lớn hơn 100 nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hon 100 mm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không gòn là bất biển nữa, ngược lại chứng sẽ thay đối theo kích thước. Jiiện tượng này gơi là liệu ứng kích tuước. Kích thước mà ở đỏ, vật liêu bắt đầu có sự thay đối tính chất được gọi là kích turác tới bạn.

Vì dục Điện trở của một kim loại tuần theo. định luật Olưn ở kích thước vĩ mê mà ta thấy hàng ngày. Nếu te giám kích thước của kim loại xuống nhỏ hơn quảng đường tự do trưng bình của điện tử trong kim loại (thưởng là từ vải nanomet đến vài trăm nanomet) thì định luật Ohm khéng con đứng nữa.