Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tính chất linh kiện điện sắc từ vật liệu kim loại chuyển tiếp Ti và W

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích vnu uet nghiên cứu tính chất linh kiện điện sắc trên cơ sở vật liệu kim loại chuyển tiếp ti w cấu, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Minh Quyên
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Năng Định
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất linh kiện điện sắc trên cơ sở vật liệu kim loại chuyển tiếp (Ti, W) cấu trúc nanô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN SẮC TRÊN CƠ SỞ ÔXIT KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP – VẬT LIỆU ÔXIT TITAN VÀ ÔXIT VÔNFRAM
• 1.1. Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang và các hiệu ứng điện sắc
• 1.1.1. Khái niệm chung
• 1.1.2. Phân loại vật liệu điện sắc
• 1.2. Những nét cơ bản về linh kiện điện sắc
• 1.3. Màng mỏng điện sắc ôxit kim loại chuyển tiếp
• 1.4. Ứng dụng của linh kiện điện sắc
• 1.5. Vật liệu ôxit titan và ôxit vônfram
• 1.5.1. Đặc trưng cấu trúc tinh thể
• 1.5.1.1. Vật liệu ôxit vônfram
• 1.5.1.2. Vật liệu ôxit titan
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp chế tạo và các phép đo
• 2.1.1. Chế tạo màng mỏng TiO2 bằng phương pháp phủ trải - Doctor blade
• 2.1.2. Chế tạo màng mỏng WO3 bằng phương pháp lắng đọng điện hóa
• 2.2. Các phép đo đạc sử dụng để khảo sát tính chất của màng TiO2 và WO3
• 2.3. Thực nghiệm chế tạo mẫu
• 2.3.1. Chuẩn bị hoá chất và dụng cụ thực nghiệm
• 2.3.2. Chế tạo điện cực nanô TiO2/ITO
• 2.3.3. Chế tạo điện cực xốp nanô WO3/ITO và điện cực màng mỏng tổ hợp dị chất vô cơ TiO2:W
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 3.1. Lắng đọng điện hóa
• 3.2. Cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt
• 3.3. Cấu trúc thành phần thông qua phân tích phổ tán xạ năng lượng
• 3.4. Phổ tán xạ Raman
• 3.5. Tính chất điện sắc
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất linh kiện điện sắc từ Ti và W

Nghiên cứu tính chất của các linh kiện điện sắc từ vật liệu kim loại chuyển tiếp như Ti và W đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu nanô. Các vật liệu này có khả năng thay đổi tính chất quang dưới tác động của điện trường, ánh sáng và nhiệt độ. Việc hiểu rõ về tính chất vật liệu kim loại chuyển tiếp này không chỉ giúp phát triển công nghệ mới mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống.

1.1. Khái niệm về vật liệu điện sắc và ứng dụng

Vật liệu điện sắc là loại vật liệu có khả năng thay đổi tính chất quang dưới tác động của điện trường. Chúng được ứng dụng trong các thiết bị như cửa sổ thông minh, giúp điều chỉnh ánh sáng và nhiệt độ trong không gian sống.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu vật liệu Ti và W

Nghiên cứu về vật liệu Ti và vật liệu W không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của linh kiện điện sắc mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như năng lượng tái tạo và công nghệ thông tin.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu linh kiện điện sắc

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và phát triển linh kiện điện sắc từ Ti và W cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ bền, khả năng dẫn điện và hiệu suất quang vẫn cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các phương pháp chế tạo và tối ưu hóa hiệu quả hơn.

2.1. Độ bền và ổn định của linh kiện điện sắc

Độ bền của linh kiện điện sắc là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của sản phẩm. Việc nghiên cứu các phương pháp cải thiện độ bền cho các màng mỏng từ Ti và W là cần thiết.

2.2. Khả năng dẫn điện và hiệu suất quang

Khả năng dẫn điện của các vật liệu này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quang của linh kiện. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa các thông số này nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động.

III. Phương pháp chế tạo linh kiện điện sắc từ Ti và W

Để nghiên cứu tính chất của linh kiện điện sắc, các phương pháp chế tạo như phủ trải và lắng đọng điện hóa được áp dụng. Những phương pháp này giúp tạo ra các màng mỏng với cấu trúc nanô, từ đó cải thiện tính chất điện sắc của vật liệu.

3.1. Phương pháp phủ trải Doctor blade

Phương pháp phủ trải là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo màng mỏng TiO2. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát độ dày và cấu trúc của màng, từ đó ảnh hưởng đến tính chất điện sắc.

3.2. Phương pháp lắng đọng điện hóa

Phương pháp lắng đọng điện hóa được sử dụng để chế tạo màng mỏng WO3. Kỹ thuật này giúp tạo ra các lớp màng có tính chất quang và điện sắc tốt, phù hợp cho ứng dụng trong linh kiện điện sắc.

IV. Kết quả nghiên cứu và phân tích tính chất linh kiện điện sắc

Kết quả nghiên cứu cho thấy các linh kiện điện sắc từ Ti và W có tính chất điện sắc tốt, với khả năng thay đổi màu sắc rõ rệt dưới tác động của điện trường. Các phân tích cho thấy sự thay đổi này liên quan đến cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của màng mỏng.

4.1. Phân tích cấu trúc tinh thể

Cấu trúc tinh thể của các màng mỏng TiO2 và WO3 được phân tích bằng các phương pháp như XRD và FE-SEM. Kết quả cho thấy sự sắp xếp của các ion trong mạng tinh thể ảnh hưởng đến tính chất điện sắc.

4.2. Tính chất điện sắc của linh kiện

Tính chất điện sắc của linh kiện được khảo sát thông qua các phép đo quang phổ và điện hóa. Kết quả cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng và độ truyền qua của các màng mỏng thay đổi rõ rệt khi có điện trường tác động.

V. Ứng dụng thực tiễn của linh kiện điện sắc từ Ti và W

Linh kiện điện sắc từ Ti và W có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng và công nghệ. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.1. Cửa sổ thông minh

Cửa sổ thông minh sử dụng linh kiện điện sắc giúp điều chỉnh ánh sáng và nhiệt độ trong không gian sống, từ đó tiết kiệm năng lượng và cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng.

5.2. Kính chống lóa và chống phản xạ

Kính chống lóa và chống phản xạ được chế tạo từ vật liệu điện sắc giúp giảm cường độ ánh sáng, bảo vệ mắt và nâng cao an toàn khi lái xe. Đây là một ứng dụng thiết thực trong đời sống hàng ngày.

VI. Kết luận và tương lai của nghiên cứu linh kiện điện sắc

Nghiên cứu tính chất linh kiện điện sắc từ Ti và W mở ra nhiều triển vọng cho các ứng dụng trong tương lai. Việc phát triển công nghệ chế tạo và tối ưu hóa các vật liệu này sẽ góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của linh kiện điện sắc.

6.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về linh kiện điện sắc từ Ti và W sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu phát triển các vật liệu mới có tính chất điện sắc tốt hơn và ứng dụng rộng rãi hơn trong đời sống.

6.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của linh kiện điện sắc sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp xây dựng và công nghệ, giúp cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển vật liệu nanô với các đặc tính quang học và điện hóa đa dạng, vật liệu điện sắc trên cơ sở ôxit kim loại chuyển tiếp như ôxit titan (TiO2) và ôxit vônfram (WO3) đã thu hút sự quan tâm lớn. Theo ước tính, các vật liệu này có khả năng biến đổi tính chất quang học dưới tác động của điện trường, ánh sáng và nhiệt độ, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng sạch và công nghệ xây dựng. Vật liệu điện sắc có thể thay đổi độ truyền qua ánh sáng một cách thuận nghịch, tạo điều kiện cho việc phát triển các linh kiện như cửa sổ thông minh (Smart windows), kính chống lóa và các thiết bị cảm biến hóa học.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo màng mỏng nanô ôxit titan và ôxit vônfram, khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất điện sắc và cơ chế dẫn ion của các màng mỏng này, đồng thời đánh giá các thông số điện sắc của linh kiện đa lớp cấu trúc ITO/TiO2/WO3. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ năm 2010 đến 2011 tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, với ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời và phát triển các linh kiện điện tử quang học tiên tiến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết vật liệu điện sắc và lý thuyết cấu trúc tinh thể của ôxit kim loại chuyển tiếp. Vật liệu điện sắc (electrochromic materials) là nhóm vật liệu có khả năng thay đổi tính chất quang học (độ truyền qua, phản xạ) dưới tác động của điện trường một cách thuận nghịch. Hiệu ứng điện sắc được mô tả qua phản ứng oxy hóa-khử, ví dụ như:

$$ WO_3 (trong suốt) + xM^+ + xe^- \leftrightarrow M_xWO_3 (xanh sẫm) $$

Trong đó, M+ là ion cation như Li+ hoặc H+. Hai vật liệu chính nghiên cứu là TiO2 và WO3 thuộc nhóm vật liệu điện sắc catôt, có khả năng nhuộm màu khi điện trường phân cực âm và tẩy màu khi phân cực dương.

Cấu trúc tinh thể của TiO2 gồm ba pha chính: anatase, rutile và brookite, với các đặc trưng mạng tinh thể tứ phương và trực thoi, ảnh hưởng đến tính chất quang và điện. WO3 có cấu trúc mạng tinh thể perovskit với các khối bát diện tâm W, có thể tồn tại ở nhiều pha tinh thể khác nhau tùy theo nhiệt độ. Sự thay thế Ti bằng W trong mạng tinh thể TiO2 tạo thành pha tạp TiO2:W, ảnh hưởng đến tính chất điện sắc.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu ứng điện sắc, cấu trúc nanô xốp, chuyển tiếp dị chất n-n, và hiệu suất điện sắc (η) được xác định qua mật độ quang (ΔOD) và điện tích tiêm vào (Q):

$$ \eta = \frac{\Delta OD}{Q} $$

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp chế tạo màng mỏng nanô TiO2 bằng kỹ thuật phủ trải ("Doctor blade") kết hợp ủ nhiệt ở 450°C trong 9 giờ để tạo màng xốp nanô với kích thước hạt khoảng 20 nm. Màng WO3 được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch axit peroxotungstic 0.1 M, sử dụng hệ điện hóa ba điện cực với điện cực làm việc là đế thủy tinh phủ ITO hoặc TiO2/ITO.

Phân tích cấu trúc và thành phần vật liệu được thực hiện bằng các kỹ thuật: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt nanô; hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để khảo sát hình thái học bề mặt; phổ tán sắc năng lượng (EDS) để phân tích thành phần nguyên tố; phổ tán xạ Raman để xác định cấu trúc phân tử và pha tinh thể.

Tính chất điện sắc và trao đổi ion được khảo sát qua các phép đo điện hóa như đặc trưng dòng-điện áp (I-V), phổ điện thế quét vòng (CV), và đo phổ truyền qua tức thì in-situ bằng quang phổ UV-VIS-NIR Jasco V570. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các màng mỏng với độ dày từ 200 nm đến 2 μm, được chế tạo và khảo sát trong khoảng thời gian từ vài chục giây đến 900 giây lắng đọng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc nanô và hình thái học: Màng TiO2 xốp nanô có kích thước hạt khoảng 20-23 nm, trong khi màng WO3 lắng đọng trên TiO2 có hạt nanô khoảng 27-30 nm. Màng WO3/TiO2 chế tạo trong 300 giây có độ đồng đều cao hơn so với màng chế tạo trong 900 giây, khi đó hiện tượng kết đám hạt nanô xuất hiện rõ rệt. Độ dày màng WO3 đạt khoảng 2 μm sau 120 giây lắng đọng với tốc độ phủ trung bình 10 nm/s.

2. Cấu trúc tinh thể và thành phần: Phân tích XRD cho thấy màng WO3/TiO2 có các đỉnh đặc trưng của cả WO3 và TiO2, đồng thời xuất hiện pha WO2 cho thấy sự thay thế W4+ vào mạng TiO2 tạo thành pha tạp TiO2:W. Phổ Raman xác nhận sự tồn tại của các pha tinh thể và vô định hình của WO3, với đỉnh đặc trưng liên kết W=O tại 986 cm⁻¹. Thành phần nguyên tố phân bố theo chiều sâu với lớp trên chủ yếu là WO3, lớp dưới là TiO2 và ITO.

3. Tính chất trao đổi ion và điện sắc: Quá trình tiêm và thoát ion Li+ trong linh kiện WO3/TiO2/ITO diễn ra thuận nghịch, với thời gian nhuộm màu chỉ khoảng 5 giây và tẩy màu 20 giây, nhanh hơn nhiều so với màng TiO2 đơn lớp (cần đến 45 phút). Phổ CV cho thấy hai đỉnh dòng điện đặc trưng cho quá trình oxy hóa-khử của ion Li+ trong màng đa lớp, chứng tỏ hiệu ứng điện sắc mạnh và ổn định qua hơn 100 chu kỳ.

4. Hiệu suất điện sắc: Hiệu suất điện sắc η đạt giá trị 33.12 mC⁻¹cm² tại bước sóng 550 nm, cao hơn nhiều so với các màng đơn lớp WO3 hoặc TiO2 chế tạo bằng các phương pháp khác. Sự kết hợp lớp TiO2 giữa ITO và WO3 giảm hàng rào Schottky, thúc đẩy truyền tải điện tử và tăng hiệu suất điện sắc của linh kiện đa lớp.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy phương pháp phủ trải kết hợp lắng đọng điện hóa là hiệu quả trong việc tạo màng nanô xốp có cấu trúc tinh thể tốt và kích thước hạt đồng đều, điều kiện cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất điện sắc. Sự hình thành pha tạp TiO2:W làm tăng khả năng dẫn ion và điện tử, góp phần rút ngắn thời gian nhuộm màu và nâng cao độ bền của linh kiện.

So với các nghiên cứu trước đây, linh kiện đa lớp WO3/TiO2/ITO thể hiện hiệu suất và tốc độ phản ứng điện sắc vượt trội, phù hợp cho các ứng dụng thực tiễn như cửa sổ thông minh và kính chống lóa. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ FE-SEM minh họa kích thước hạt, giản đồ XRD thể hiện các pha tinh thể, phổ Raman xác định cấu trúc phân tử, và đồ thị CV cùng đồ thị tiêm thoát ion thể hiện tính chất điện hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình lắng đọng điện hóa: Điều chỉnh thời gian và điện thế lắng đọng để kiểm soát độ dày và độ đồng đều của màng WO3, nhằm tránh hiện tượng kết đám hạt nanô, nâng cao hiệu suất điện sắc. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 300 giây với điện thế khoảng -3.5 V/SCE.

2. Phát triển linh kiện đa lớp có lớp tích trữ ion: Nghiên cứu bổ sung lớp tích trữ ion có tính chất anôt để tăng mật độ ion và cải thiện hiệu suất linh kiện điện sắc, dự kiến thực hiện trong các công trình tiếp theo.

3. Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng và ô tô: Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng linh kiện điện sắc trong cửa sổ thông minh và kính chống lóa, tập trung vào việc nâng cao độ bền và khả năng hoạt động ổn định qua nhiều chu kỳ nhuộm-tẩy màu, với mục tiêu thương mại hóa trong vòng 3-5 năm.

4. Mở rộng nghiên cứu pha tạp và vật liệu mới: Khai thác các vật liệu ôxit chuyển tiếp khác và pha tạp đa nguyên tố để cải thiện tính chất điện sắc và khả năng chuyển hóa năng lượng, đồng thời giảm chi phí sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu và linh kiện nanô: Có thể áp dụng các phương pháp chế tạo và phân tích cấu trúc nanô để phát triển vật liệu điện sắc mới với hiệu suất cao.

2. Kỹ sư công nghệ vật liệu trong ngành xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế và sản xuất cửa sổ thông minh, kính chống lóa, góp phần tiết kiệm năng lượng và nâng cao tiện nghi công trình.

3. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử quang học: Áp dụng công nghệ chế tạo màng mỏng nanô và linh kiện đa lớp để phát triển sản phẩm linh kiện điện sắc có tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật liệu và công nghệ nano: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tích và kết quả thực nghiệm để phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu điện sắc là gì và ứng dụng chính của chúng?
   Vật liệu điện sắc là loại vật liệu có khả năng thay đổi tính chất quang học dưới tác động của điện trường một cách thuận nghịch. Ứng dụng chính bao gồm cửa sổ thông minh, kính chống lóa và cảm biến khí, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao an toàn.

2. Phương pháp chế tạo màng TiO2 và WO3 trong nghiên cứu này là gì?
   Màng TiO2 được chế tạo bằng phương pháp phủ trải ("Doctor blade") kết hợp ủ nhiệt, còn màng WO3 được tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa trong dung dịch axit peroxotungstic, giúp kiểm soát độ dày và cấu trúc nanô.

3. Hiệu suất điện sắc được đánh giá như thế nào?
   Hiệu suất điện sắc (η) được xác định bằng tỉ số giữa mật độ quang (ΔOD) và điện tích tiêm vào (Q). Trong nghiên cứu, η đạt giá trị 33.12 mC⁻¹cm² tại bước sóng 550 nm, cao hơn nhiều so với các vật liệu đơn lớp trước đây.

4. Tại sao lại sử dụng linh kiện đa lớp WO3/TiO2/ITO?
   Linh kiện đa lớp kết hợp ưu điểm của cả hai vật liệu, giảm hàng rào Schottky, tăng khả năng truyền tải điện tử và ion, từ đó nâng cao hiệu suất điện sắc và rút ngắn thời gian nhuộm màu so với màng đơn lớp.

5. Làm thế nào để đảm bảo độ bền của linh kiện điện sắc?
   Độ bền được đảm bảo nhờ cấu trúc nanô xốp đồng đều, khả năng tiêm thoát ion thuận nghịch qua nhiều chu kỳ, và kiểm soát quy trình chế tạo để tránh hiện tượng kết đám hạt nanô, giúp linh kiện hoạt động ổn định lâu dài.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công công nghệ chế tạo màng mỏng nanô TiO2 và WO3 với cấu trúc tinh thể tốt và kích thước hạt đồng đều, phù hợp cho linh kiện điện sắc.
• Linh kiện đa lớp WO3/TiO2/ITO thể hiện hiệu suất điện sắc cao, thời gian nhuộm màu nhanh và tính ổn định qua nhiều chu kỳ sử dụng.
• Phân tích cấu trúc và thành phần bằng XRD, FE-SEM, EDS và Raman đã xác nhận sự hình thành pha tạp TiO2:W và cấu trúc nanô xốp cần thiết cho hiệu suất cao.
• Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng trong cửa sổ thông minh, kính chống lóa và các thiết bị chuyển đổi năng lượng sạch.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình chế tạo, phát triển lớp tích trữ ion và mở rộng nghiên cứu vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền linh kiện.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển sản phẩm thương mại, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao hiệu quả và đa dạng hóa ứng dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - Tổng quan về vật liệu điện sắc trên cơ sở ôxit kim loại chuyển tiếp – vật liệu ôxit titan và ôxit vônfram 1. Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang và các hiệu ứng điện sắc 1. Khái niệm chung Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang (chromogenic materials) là họ vật liệu có đặc trưng cơ bản là sự biến đổi thuận nghịch tính chất quang (độ truyền qua, phản xạ, hấp thụ và chiết suất) dưới tác động của điện trường, ánh sáng, hay nhiệt độ. Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang tùy theo trường tác động được chia làm các nhóm chính như nhóm vật liệu nhiệt sắc, nhóm vật liệu quang sắc, nhóm vật liệu điện sắc, v.

Trong khuôn khổ của luận văn này, các tính chất của các chất thuộc nhóm vật liệu điện sắc sẽ được trình bày cụ thể hơn, đặc biệt là hai vật liệu điện sắc điển hình là ôxit titan và ôxit vônfram. Trước hết, vật liệu điện sắc (electrochromic materials)là loại vật liệu thay đổi tính chất quang dưới tác động của điện trường. Hiệu ứng điện sắc là hiện tượng vật lý xảy ra ở nhóm vật liệu có khả năng thay đổi tính chất quang một cách thuận nghịch tương ứng với sự thay đổi chiều phân cực của điện trường đặt vào [10]. Biểu hiện cơ bản của hiệu ứng điện sắc là sự thay đổi độ truyền qua hay phản xạ khi đặt điện trường phân cực thích hợp.

Phân loại vật liệu điện sắc Trên hình 1.1 là bảng các nguyên tố hóa học trong đó các nguyên tố mà ôxit của chúng là chất điện sắc đã được đánh dấu. Các nguyên tố như Ti, V, Cr, Mn, Fe… đều là những nguyên tố có ôxit là chất điện sắc. Có hai loại vật liệu điện sắc chính: vật liệu điện sắc catôt và vật liệu điện sắc anôt Vật liệu điện sắc catôt là loại vật liệu điện sắc có khả năng nhuộm màu xảy ra khi điện trường làm việc phân cực âm và khả năng tẩy màu ở điện trường làm việc phân cực dương. Ví dụ như: TiO2, Nb2O5, MoO3, Ta2O5, v.v… LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11 Vật liệu điện sắc anôt: là loại vật liệu điện sắc có khả năng nhuộm màu xảy ra khi điện trường làm việc phân cực dương và khả năng tẩy màu ở điện trường làm việc phân cực âm.

Ví dụ như: MnO2, CoO2, NiO2, Cr2O3, v. Các nguyên tố có ôxit của chúng là chất điện sắc Bảng 1.1 trình bày cụ thể hơn về các vật liệu điện sắc chính và phân loại nhuộm màu của các ôxit này là nhuộm màu catôt hay nhuộm màu anôt. Ngoài ra, trong bảng còn nêu trạng thái trong suốt (tương ứng với trạng thái tẩy màu) của các ôxit này. Thí dụ vật liệu TiO2 khi ở trạng thái ban đầu thì vật liệu có màu trong suốt, ở trạng thái nhuộm màu thì vật liệu chuyển màu xanh thẫm đặc trưng và chuyển về màu trong suốt khi tẩy màu.

Trong khi đó, vật liệu V2O5 khi ở trạng thái tẩy màu thì không giữ được độ trong suốt như ban đầu, vật liệu có màu hơi xanh. Phân loại một số ôxit điện sắc chính Loại ôxit Loại nhuộm màu Trạng thái trong suốt có thể đạt được TiO2 Catôt Có V2O5 Catôt/Anôt Không Cr2O3 Anôt Không MnO2 Anôt Không FeO2 Anôt Không LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 12 CoO2 Anôt Không NiO2 Anôt Có Nb2O5 Catôt Có MoO3 Catôt Có Ta2O5 Catôt Có WO3 Catôt Có IrO2 Anôt Có 1. Những nét cơ bản về linh kiện điện sắc a) Cấu tạo: Linh kiện điện sắc bao gồm nhiều lớp màng mỏng sao cho tính chất quang của lớp vật liệu điện sắc có thể thay đổi một cách thuận nghịch và điều khiển được bởi độ lớn và chiều phân cực của điện trường (hình 1. Sơ đồ cấu tạo của linh kiện điện sắc • Màng dẫn điện trong suốt: điện cực ITO có độ truyền qua cao và dẫn điện tốt, độ dẫn điện được biết thông qua điện trở của lớp điện cực được phủ trên đế thủy tinh trên 1 đơn vị vuông.

Màng dẫn điện này trong nhiều trường hợp, có thể thay thế bằng màng ôxit thiếc có pha tạp flo (SnO2:F) có độ bền và khả năng dẫn điện tương đương với màng dẫn điện ITO. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 13 • Lớp vật liệu điện sắc: lớp vật liệu chính để hình thành linh kiện điện sắc. Cụ thể trong luận văn này là lớp nanô xốp TiO2 được chế tạo bằng phương pháp phủ trải – “Doctor blade” và lớp nanô xốp WO3 được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa. • Lớp dẫn ion (chất điện ly): có thể là chất rắn, lỏng hay đông đặc.

Sử dụng các dung dịch chất điện ly như axit, kiềm và các dung dịch chất điện ly muối có độ dẫn điện tử cao. Ở đây, chất điện ly được chọn là dung dịch muối trung tính lithiclorat (LiClO4) được hòa tan trong dung môi propyplene carbonat (PC) với tỷ lệ 0.1M để đảm bảo độ phân ly tốt và không gây tổn hại cho các màng điện sắc được nghiên cứu trong công trình này. • Lớp tích trữ ion: lớp này được coi như một lớp bổ trợ, có tác dụng tích trữ ion làm cho mật độ ion trong linh kiện được cải thiện khi có điện trường tác dụng. Trong một số trường hợp, lớp tích trữ ion thường mang tính chất đối ngược với chất điện sắc để nhằm nâng cao hiệu suất của linh kiện.

Nói rõ hơn là khi chất điện sắc là vật liệu nhuộm màu catôt thì lớp tích trữ được chọn trong trường hợp này thường là chất có khả năng nhuộm màu anôt. (Do điều kiện có hạn của luận văn nên trong linh kiện điện sắc được chế tạo thử ở đây không có mặt lớp tích trữ ion này. Vấn đề này sẽ được mở rộng nghiên cứu trong những công trình tiếp theo). b) Hoạt động Tính chất điện sắc của vật liệu điện sắc trong linh kiện điện sắc được thay đổi thông qua độ lớn về độ truyền qua.

Khi đặt điện trường lên các điện cực trong suốt của linh kiện thì các ion sẽ được tiêm vào hoặc thoát ra khỏi lớp điện sắc gây ra sự thay đổi các đặc tính quang của chúng, qua đó phản ánh đặc trưng của linh kiện. Quá trình điện sắc thể hiện sự hình thành và biến đổi màu thuận nghịch được biểu diễn dưới dạng phương trình hai chiều mô tả phản ứng oxy hóa khử trên bề mặt điện cực làm việc như sau: WO3 (trong suốt) + xM+ + xe- ⇔ MxWO3 (xanh sẫm) (1.2) LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 14 Bình thường màng tinh thể WO3 và TiO2 gần như trong suốt, độ trong suốt có thể đạt tới 90%, còn hợp chất MxTiO2 và MxWO3 là vật liệu hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy, ta sẽ thấy màng có màu xanh sẫm (theo những nghiên cứu trước đây về màng WO3). Màu sắc của màng phụ thuộc vào mật độ proton hay cation xâm nhập vào màng. Ở trạng thái nhuộm màu màng trở nên hấp thụ mạnh ánh sáng, khiến cho độ truyền qua giảm, do đó ta thấy màng có màu xanh sẫm.

Khi đổi chiều phân cực của điện trường ngoài (quá trình tẩy màu), các liên kết giữa ion M+ và oxy được giải phóng bởi tác dụng của điện trường, hiện tượng tẩm màu mất đi và màng lại trở nên trong suốt. Đây chính là quá trình nhuộm màu và tẩy màu của màng WO3 và TiO2 trong dung dịch chất điện ly thể hiện tính chất điện sắc của các vật liệu và linh kiện điện sắc. Màng mỏng điện sắc ôxit kim loại chuyển tiếp Như đã nêu ở trên, hiệu ứng điện sắc được tìm thấy hầu hết trong các ôxit kim loại chuyển tiếp như ôxit của Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni (chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn); ôxit của Nb, Mo, Rh (chu kỳ 5); ôxit của Ta, W, Ir (chu kỳ 6) và một số hỗn hợp ôxit khác của chúng. Các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu này mang tính đặc trưng cho họ vật liệu.

Bên cạnh đó, ôxit titan là loại vật liệu được nghiên cứu và phát triển mới đây và có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, phải kể đến là khả năng chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng quang hay như trong hiệu ứng điện sắc của các linh kiện điện sắc. Do đó, ôxit kim loại chuyển tiếp được nghiên cứu trong luận văn này là ôxit titan và ôxit vônfram, hai ôxit này đặc trưng cho loại vật liệu điện sắc catôt. Chúng được chế tạo bằng các phương pháp phủ trải (đối với ôxit titan) và phương pháp lắng đọng điện hóa (đối với ôxit vônfram). Ứng dụng của linh kiện điện sắc Cửa sổ “thông minh” (Smart windows) Linh kiện điện sắc đang được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm và nghiên cứu phát triển vì khả năng ứng dụng thiết thực của linh kiện này trong đời sống.

Điển hình là trong các công trình xây dựng có tính tiện nghi cao như những tòa cao ốc cao cấp, mà chủ yếu là những ứng dụng của linh kiện điện sắc trong việc chế tạo các cử sổ “thông minh” (hình 1. Bằng cách thay đổi điện thế đặt vào linh kiện người ta LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 15 có thể điều chỉnh được lượng ánh sáng truyền qua một cách dễ dàng linh động và liên tục sao cho phù hợp với nhu cầu.Linh kiện điện săc được ứng dụng trong các cửa sổ “thông minh” Khi áp điện thế thích hợp (bật công tắc), những ion sẽ di chuyển nhanh trong lớp ion và lớp điện sắc kèm theo điện tử được tiêm vào từ màng dẫn điện làm thay đổi tính chất quang của cửa sổ, cụ thể là màu sắc của chúng được thay đổi (trạng thái nhuộm màu). Do đó chỉ có một phần ánh sáng được truyền qua cửa sổ. Kính chống lóa, chống phản xạ Ngoài cửa sổ “thông minh”, vật liệu điện sắc còn được nghiên cứu và phát triển trong việc chế tạo kính chống lóa và chống phản xa.

Người ta có thể thay đổi độ phản xạ của linh kiện điện sắc với một trong hai điện cực trong suốt được thay thế bằng một mặt phản xạ - mặt kim loại. Loại linh kiện này được ứng dụng trong việc chế tạo kính chống lóa và chống phản xạ cho các loại ô tô, xe tải, v. trong việc giảm cường độ sáng của các xe ngược chiều hay mặt trời. Khi đèn pha của các xe sau hoặc xe đi ngược chiều hay ánh sáng mặt trời chiếu vào kính, với điện áp phù hợp, kính chuyển màu sẫm giảm thiểu ánh sáng làm chói mắt, giúp lái xe có thể điều khiển phương tiện dễ dàng hơn và an toàn hơn.