Luận án tiến sĩ: Tổng hợp phức chất thăng hoa để chế tạo màng mỏng Cu2O và ZnO bằng phương pháp CVD

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: PTS. Triệu Thị Nguyệt
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng hợp các phức chất có khả năng thăng hoa để ứng dụng chế tạo màng mỏng Cu2O, ZnO bằng phương pháp CVD
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC
• 1.1.1. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học
• 1.1.2. Tiền chất CVD
• 1.2. MỘT SỐ PHỨC CHẤT CÓ KHẢ NĂNG THĂNG HOA
• 1.2.1. Phức chất β-đixetonat kim loại
• 1.2.1.1. β-đixeton và β-đixetonat kim loại
• 1.2.1.2. Ứng dụng của β-đixetonat kim loại trong CVD
• 1.2.2. Phức chất cacboxylat kim loại
• 1.2.2.1. Axit cacboxylic và các cacboxylat kim loại
• 1.2.2.2. Ứng dụng của các cacboxylat kim loại trong CVD
• 1.3. MÀNG MỎNG OXIT BÁN DẪN
• 1.3.1. Màng mỏng Cu2O
• 1.3.1.1. Tính chất của màng Cu2O
• 1.3.1.2. Các phương pháp chế tạo màng Cu2O
• 1.3.1.3. Ứng dụng của màng mỏng Cu2O
• 1.3.2. Màng mỏng ZnO
• 1.3.2.1. Các tính chất của ZnO
• 1.3.2.2. Các phương pháp chế tạo màng ZnO
• 1.3.2.3. Ứng dụng của màng ZnO
• 1.4. PIN MẶT TRỜI DỰA TRÊN LỚP CHUYỂN TIẾP DỊ THỂ Cu2O/ZnO
• 1.4.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
• 1.4.2. Các đại lượng đặc trưng của pin mặt trời
• 1.4.3. Pin mặt trời chuyển tiếp dị thể Cu2O/ZnO
• 1.5. CẢM BIẾN KHÍ NO2 DỰA TRÊN MÀNG MỎNG ZnO
• 1.5.1. Vật liệu chế tạo cảm biến khí NO2
• 1.5.2. Cấu trúc và cơ chế cảm biến khí của ZnO
• 1.5.3. Các thông số đặc trưng của cảm biến khí
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ
• 2.1.1. Tổng hợp các phức chất
• 2.1.2. Khảo sát khả năng thăng hoa của các phức chất
• 2.1.3. Xác định hàm lượng kim loại trong phức chất
• 2.1.4. Chế tạo màng mỏng oxit kim loại bằng phương pháp CVD
• 2.1.4.1. Chế tạo màng Cu2O
• 2.1.4.2. Chế tạo màng ZnO
• 2.1.4.3. Chế tạo màng kép Cu2O/ZnO
• 2.1.5. Chế tạo mẫu đo hiệu ứng Hall
• 2.1.6. Chế tạo pin mặt trời dựa trên màng kép Cu2O/ZnO
• 2.1.7. Chế tạo cảm biến ZnO
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG THĂNG HOA CỦA CÁC PHỨC CHẤT
• 3.1.1. Tổng hợp các phức chất
• 3.1.2. Phổ hồng ngoại của các phối tử và phức chất
• 3.1.2.1. Axetylaxeton và các axetylaxetonat
• 3.1.2.2. Axit pivalic và các pivalat
• 3.1.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt
• 3.1.2.4. Khảo sát khả năng thăng hoa
• 3.2. CHẾ TẠO MÀNG Cu2O
• 3.2.1. Chế tạo màng Cu2O từ tiền chất Cu(acac)2
• 3.2.1.1. Cấu trúc và hình thái màng
• 3.2.1.2. Các tính chất quang và điện của màng
• 3.2.2. Chế tạo màng Cu2O từ tiền chất Cu(Piv)2
• 3.2.2.1. Cấu trúc và hình thái màng
• 3.2.2.2. Các tính chất quang và điện của màng
• 3.3. CHẾ TẠO MÀNG ZnO
• 3.3.1. Chế tạo màng ZnO từ tiền chất Zn(acac)2
• 3.3.1.1. Cấu trúc và hình thái màng
• 3.3.1.2. Tính chất quang và điện của màng
• 3.3.2. Chế tạo màng ZnO từ tiền chất Zn(Piv)2
• 3.3.2.1. Cấu trúc và hình thái màng
• 3.3.2.2. Tính chất quang và điện của màng
• 3.4. CHẾ TẠO MÀNG KÉP Cu2O/ZnO
• 3.4.1. Ảnh hưởng của chiều dày màng lên cấu trúc và tính chất điện của màng ZnO
• 3.4.1.1. Cấu trúc và hình thái màng
• 3.4.1.2. Tính chất điện của màng
• 3.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lắng đọng Cu2O đến tính chất màng kép Cu2O/ZnO
• 3.4.2.1. Cấu trúc và hình thái màng
• 3.4.2.2. Các tính chất quang và điện của màng
• 3.4.3. Ảnh hưởng của chiều dày lớp Cu2O lên cấu trúc và các tính chất điện của màng kép Cu2O/ZnO
• 3.5. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÁC MÀNG
• 3.5.1. Khả năng ứng dụng màng kép Cu2O/ZnO trong pin mặt trời
• 3.5.1.1. Cấu trúc và hình thái pin
• 3.5.1.2. Các đặc tính của pin
• 3.5.2. Khả năng ứng dụng màng ZnO trong cảm biến khí
• 3.5.2.1. Cấu trúc và hình thái của cảm biến
• 3.5.2.2. Các đặc tính của cảm biến
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu phức chất thăng hoa và ứng dụng CVD

Nghiên cứu về phức chất thăng hoa đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu, đặc biệt là trong việc chế tạo các màng mỏng Cu2O và ZnO. Các phức chất này không chỉ có khả năng thăng hoa tốt mà còn có thể được sử dụng để tạo ra các màng mỏng chất lượng cao thông qua phương pháp CVD. Việc hiểu rõ về các phức chất này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử.

1.1. Định nghĩa và vai trò của phức chất thăng hoa

Phức chất thăng hoa là các hợp chất có khả năng chuyển từ trạng thái rắn sang khí mà không qua trạng thái lỏng. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo màng mỏng, đặc biệt là trong các ứng dụng như pin mặt trời và cảm biến khí. Các phức chất như β-đixetonat kim loại và cacboxylat kim loại thường được sử dụng trong quy trình này.

1.2. Tại sao chọn phương pháp CVD cho chế tạo màng mỏng

Phương pháp CVD được ưa chuộng vì khả năng tạo ra các màng mỏng đồng nhất với độ tinh khiết cao. CVD cho phép sử dụng nhiều loại tiền chất khác nhau, giúp tối ưu hóa các tính chất quang và điện của màng mỏng. Điều này rất quan trọng trong việc phát triển các thiết bị điện tử hiệu suất cao.

II. Thách thức trong nghiên cứu phức chất thăng hoa và màng mỏng

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và chế tạo màng mỏng Cu2O và ZnO vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của tiền chất, điều kiện lắng đọng và tính đồng nhất của màng mỏng cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử.

2.1. Độ tinh khiết của tiền chất và ảnh hưởng đến chất lượng màng

Độ tinh khiết của các tiền chất như Cu(acac)2 và Zn(acac)2 ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của màng mỏng. Các tạp chất có thể gây ra sự suy giảm tính chất quang và điện của màng, do đó việc lựa chọn và xử lý tiền chất là rất quan trọng.

2.2. Điều kiện lắng đọng và ảnh hưởng đến tính chất màng

Các điều kiện lắng đọng như nhiệt độ, áp suất và thời gian lắng đọng có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của màng mỏng. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đạt được màng mỏng với các tính chất mong muốn.

III. Phương pháp CVD trong chế tạo màng mỏng Cu2O và ZnO

Phương pháp CVD đã được chứng minh là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để chế tạo màng mỏng Cu2O và ZnO. Quy trình này cho phép kiểm soát tốt các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng, từ đó nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử.

3.1. Quy trình lắng đọng màng mỏng Cu2O bằng CVD

Quy trình lắng đọng màng mỏng Cu2O bằng phương pháp CVD bao gồm việc sử dụng các tiền chất như Cu(acac)2. Nhiệt độ lắng đọng và áp suất được điều chỉnh để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của màng. Kết quả cho thấy màng mỏng Cu2O có tính chất quang và điện tốt, phù hợp cho ứng dụng trong pin mặt trời.

3.2. Chế tạo màng mỏng ZnO và các yếu tố ảnh hưởng

Màng mỏng ZnO cũng được chế tạo bằng phương pháp CVD từ các tiền chất như Zn(acac)2. Các yếu tố như nhiệt độ lắng đọng và thời gian lắng đọng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tinh thể và tính chất điện của màng. Việc nghiên cứu này giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử sử dụng ZnO.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng mỏng Cu2O và ZnO

Màng mỏng Cu2O và ZnO có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như năng lượng mặt trời và cảm biến khí. Việc nghiên cứu và phát triển các màng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của các thiết bị mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ.

4.1. Ứng dụng trong pin mặt trời

Màng mỏng Cu2O và ZnO được sử dụng trong các pin mặt trời chuyển tiếp dị thể. Sự kết hợp giữa hai loại màng này giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng, với tiềm năng đạt hiệu suất lý thuyết lên đến 20%.

4.2. Cảm biến khí và các ứng dụng khác

Màng ZnO được sử dụng trong các cảm biến khí, đặc biệt là cảm biến khí NO2. Tính nhạy và độ chính xác của cảm biến phụ thuộc vào chất lượng màng mỏng ZnO, do đó việc nghiên cứu và tối ưu hóa màng là rất cần thiết.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về phức chất thăng hoa và ứng dụng của chúng trong chế tạo màng mỏng Cu2O và ZnO đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao chất lượng màng mỏng sẽ là những bước quan trọng trong việc phát triển các thiết bị điện tử hiệu suất cao.

5.1. Tương lai của nghiên cứu phức chất thăng hoa

Nghiên cứu về các phức chất thăng hoa sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu phát triển các tiền chất mới có khả năng thăng hoa tốt hơn. Điều này sẽ giúp cải thiện chất lượng màng mỏng và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.2. Triển vọng ứng dụng trong công nghệ mới

Các màng mỏng Cu2O và ZnO có tiềm năng lớn trong các công nghệ mới như pin mặt trời thế hệ mới và cảm biến thông minh. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp điện tử.