Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và chế tạo màng graphene bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi

Luận văn thạc sĩ hóa học phân tích hay chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của màng graphene tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Tạ Văn Hiển
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Chúc
• Trường học: Trường Đại học Khoa Học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của màng graphene tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE
• 1.1. Cấu trúc vật liệu graphene
• 1.2. Một số tính chất của vật liệu graphene
• 1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphene
• 1.3.1. Phương pháp tách cơ học
• 1.3.2. Phương pháp Epitaxi nhiệt
• 1.3.3. Phương pháp tách hóa học
• 1.3.4. Phương pháp tách pha lỏng
• 1.3.5. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
• 1.4. Một số ứng dụng của vật liệu graphene
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Lựa chọn phương pháp, thiết bị chế tạo vật liệu graphene
• 2.2. Hệ thiết bị CVD nhiệt
• 2.3. Lựa chọn vật liệu đế xúc tác
• 2.4. Quy trình chế tạo graphene
• 2.4.1. Chuẩn bị mẫu
• 2.4.2. Qui trình CVD
• 2.5. Các phương pháp phân tích tính chất quang của màng graphene
• 2.5.1. Kính hiển vi điển tử quét SEM
• 2.5.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 2.5.3. Phổ tán xạ Raman
• 2.5.4. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-VIS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG GRAPHENE
• 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ CVD tới chất lượng của màng graphene
• 3.2. Ảnh hưởng của thời gian CVD tới chất lượng của màng graphene
• 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ khí phản ứng tới chất lượng của màng graphene
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu màng graphene và ứng dụng

Màng graphene là một trong những vật liệu có tiềm năng lớn trong lĩnh vực công nghệ nano. Được phát hiện vào năm 2004, graphene đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu nhờ vào những tính chất vượt trội như độ dẫn điện cao, độ bền cơ học và khả năng dẫn nhiệt tốt. Nghiên cứu và chế tạo màng graphene bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử, quang học và cảm biến. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của graphene là rất quan trọng để phát triển các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Cấu trúc và tính chất của màng graphene

Màng graphene có cấu trúc lục giác, mỗi nguyên tử carbon liên kết với ba nguyên tử khác. Điều này tạo ra một mạng lưới chắc chắn và linh hoạt, giúp graphene có độ bền cao và khả năng dẫn điện tốt. Tính chất quang học của graphene cũng rất đặc biệt, với độ truyền qua lên tới 97%.

1.2. Ứng dụng của màng graphene trong công nghệ

Màng graphene được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, cảm biến và pin mặt trời. Nhờ vào khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu suất của các thiết bị công nghệ cao.

II. Thách thức trong nghiên cứu và chế tạo màng graphene

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc chế tạo màng graphene chất lượng cao vẫn gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như kiểm soát độ dày, chất lượng bề mặt và khả năng tách lớp từ đế xúc tác là những yếu tố quan trọng cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa quy trình lắng đọng hóa học pha hơi cũng là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.1. Kiểm soát chất lượng màng graphene

Chất lượng của màng graphene phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian và lưu lượng khí trong quá trình CVD. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được màng graphene có tính chất quang học và điện học tốt.

2.2. Thách thức trong việc tách lớp graphene

Quá trình tách lớp graphene từ đế xúc tác kim loại như đồng là một thách thức lớn. Việc phát triển các phương pháp tách lớp hiệu quả sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng của graphene trong thực tiễn.

III. Phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi CVD trong chế tạo graphene

Phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để chế tạo màng graphene chất lượng cao. Quy trình này cho phép tạo ra màng graphene với diện tích lớn và độ dày đồng nhất. CVD sử dụng khí phản ứng để tạo ra các nguyên tử carbon trên bề mặt đế xúc tác, từ đó hình thành màng graphene.

3.1. Quy trình lắng đọng hóa học pha hơi

Quy trình CVD bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, lắp đặt thiết bị và điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và áp suất. Việc tối ưu hóa quy trình này là rất quan trọng để đạt được màng graphene chất lượng cao.

3.2. Thiết bị và vật liệu sử dụng trong CVD

Hệ thiết bị CVD thường bao gồm lò nhiệt, hệ thống điều khiển khí và các cảm biến. Vật liệu đế xúc tác như đồng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành màng graphene.

IV. Kết quả nghiên cứu và khảo sát tính chất quang của màng graphene

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng graphene tổng hợp bằng phương pháp CVD có tính chất quang học vượt trội. Các phép đo như phổ tán xạ Raman và phổ truyền qua cho thấy màng graphene có độ truyền qua cao và độ dày đồng nhất. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử.

4.1. Phân tích tính chất quang của màng graphene

Các phương pháp phân tích như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ Raman cho thấy màng graphene có độ truyền qua cao và cấu trúc đồng nhất. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp CVD là một lựa chọn hiệu quả để chế tạo màng graphene.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của màng graphene

Màng graphene có thể được ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử, cảm biến và pin mặt trời. Những tính chất vượt trội của graphene sẽ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị này.

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

Nghiên cứu và chế tạo màng graphene bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để nâng cao chất lượng và khả năng ứng dụng của graphene. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ nano.

5.1. Tương lai của nghiên cứu graphene

Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo và phân tích, nghiên cứu về graphene sẽ tiếp tục phát triển. Các ứng dụng mới trong lĩnh vực điện tử và quang học sẽ được khám phá.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và phát triển các ứng dụng thực tiễn cho màng graphene. Việc giải quyết các thách thức hiện tại sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho graphene.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ======*****====== LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG GRAPHENE TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HÓA HỌC PHA HƠI Cán bộ hướng dẫn : TS. Nguyễn Văn Chúc Học viên : Tạ Văn Hiển Chuyên ngành : Quang học Mã Số : 8.10 Thái Nguyên, tháng 10 năm 2018 i LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các kết quả công bố chung cùng cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của tác giả khi đưa vào luận văn. Các kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khoa học nào khác. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2018 Học viên Tạ Văn Hiển ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Cao Thị Thanh - Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, người hướng dẫn khoa học tận tình chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ em có thể hoàn thành tốt bài luận văn với đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của màng graphene tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi” Em xin chân thành cảm ơn NCS. Phan Nguyễn Đức Dược và NCS. Trần Văn Hậu NCS tại Phòng Vật liệu Nano Cacbon, Viện Khoa học vật liệu đã giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy, cô trong Trường ĐH Khoa học - ĐH Thái Nguyên luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em trong thời gian làm luận văn cũng như suốt quãng thời gian em học tập tại trường. Do vốn kiến thức còn hạn hẹp và còn nhiều bỡ ngỡ. Vì vậy, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô và các bạn. Luận văn này được thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí từ các đề tài: Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), mã số 103.19 và đề tài cấp VAST mã số: VAST. Nguyễn Văn Chúc chủ trì), VAST. Phan Ngọc Minh chủ trì) . Kính chúc quý thầy cô và bạn đọc sức khỏe! Thái Nguyên, ngày 12 tháng 10 năm 2018 Học viên Tạ Văn Hiển iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC HÌNH . v DANH MỤC VIẾT TẮT . vii MỞ ĐẦU . 1 Mục đích nghiên cứu. 2 Phạm vi nghiên cứu. 3 Phương pháp nghiên cứu. 3 Đối tượng nghiên cứu . 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE . Cấu trúc vật liệu graphene . Một số tính chất của vật liệu graphene . Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphene . Phương pháp tách cơ học . Phương pháp Epitaxi nhiệt. Phương pháp tách hóa học . Phương pháp tách pha lỏng. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) . Một số ứng dụng của vật liệu graphene . 12 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM . Lựa chọn phương pháp, thiết bị chế tạo vật liệu graphene . Hệ thiết bị CVD nhiệt . Lựa chọn vật liệu đế xúc tác . Quy trình chế tạo graphene . Chuẩn bị mẫu . Qui trình CVD. Các phương pháp phân tích tính chất quang của màng graphene . Kính hiển vi điển tử quét SEM . 21 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM . Phổ tán xạ Raman . Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-VIS. 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG GRAPHENE . Ảnh hưởng của nhiệt độ CVD tới chất lượng của màng graphene. Ảnh hưởng của thời gian CVD tới chất lượng của màng graphene . Ảnh hưởng của nồng độ khí phản ứng tới chất lượng của màng graphene . 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 44 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Màng graphene chụp bằng kính hiển vi điện tử phân giải cao .2: Mô hình mô tả quá trình lắng đọng pha hơi hóa học trên bề mặt kim loại .3: Quá trình hình thành graphene trên đế Cu bằng phương pháp CVD nhiệt .4: Hệ thiết bị CVD nhiệt được sử dụng để chế tạo vật liệu graphene .1: a) Hệ lò CVD nhiệt, b) Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò nhiệt CVD.2: (a) Lò nhiệt UP 150 và (b) Hình vẽ bộ phận cài đặt .3: Hệ các van khí và các ống dẫn khí .4: Bộ điều khiển khí flowmetter GMC 1200 có màn hình hiển thị .5: Khí H2 và Ar được sử dụng trong quá trình CVD.6: a) Van điều khiển chân không và đồng hồ báo áp suất chân không trong ống phản ứng thạch anh .7: Qui trình xử lý đế xúc tác.8: Máy rung siêu âm .9: Hệ thiết bị đánh bóng điện hóa .10: Sơ đồ quá trình tiến hành CVD nhiệt.11: Hình vẽ mô tả các quá trình xẩy ra trong quá trình CVD mẫu Cu để tổng hợp graphene.12: Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi điện tử quét SEM .13: Sơ đồ hoạt động của kính hiển điện tử truyền qua TEM .14: Phổ Raman của SWCNT.15: Minh họa các mode dao động RBM (a) và G (b) trong phổ Raman của CNT .16: Ảnh chụp thiết bị quang phổ UV- VIS .1: (a) Ảnh SEM bề mặt đế Cu trước khi CVD và (b) ảnh SEM bề mặt đế Cu sau khi ủ ở nhiệt độ 1000 0C, 30 phút trong môi trường khí H2……….2: Ảnh SEM của bề mặt đế Cu sau khi CVD ở (a)850 0C, (b) 900 0C .30 vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Ảnh SEM của bề mặt đế Cu sau khi CVD ở 950 0C.4: Ảnh SEM của bề mặt đế Cu sau khi CVD ở 1000 0C.5: Phổ Raman của mẫu màng graphene trên đế Cu tổng hợp ở nhiệt độ 850, 900, 950 và 1000 oC .6: Ảnh AFM mẫu màng graphene tách ra khỏi đế Cu và chuyển sang đế thủy tinh .7: Ảnh SEM mẫu Cu sau CVD với thời gian (a) 3 phút, (b) 30 phút.8: Ảnh hiển vi quang học của mẫu màng graphene mọc trên đế Cu với thời gian CVD: (a) 3 phút, (b) 30 phút. Các điểm a, b, c, d, e, f, g trên các hình (a) và (b) là các điểm ứng với vị trí đo phổ Raman………………………….9: Phổ Raman tại các vị trí đo khác nhau trên bề mặt của các mẫu với thời gian CVD: (a) 3 phút, (b) 30 phút……………………………………….10: Ảnh HRTEM mẫu màng graphene với thời gian CVD 30 phút được đo tại các vị trí khác nhau: (A) 2 lớp, (B) 3 lớp, (C) 4 lớp Khoảng cách giữa các lớp là 0.11: Ảnh chụp bề mặt mẫu Cu (a) trước và (b) sau quá trình CVD .12: Ảnh SEM của màng graphene được tổng hợp ở lưu lượng khí CH4 khác nhau (a)1 sccm, (b)5 sccm, (c)10 sccm, (d) 20 sccm .13: Phổ Raman của màng graphene được tổng hợp với nồng độ khí CH4 khác nhau: 20 sccm, 10 sccm, 5 sccm .14: (a) Ảnh chụp mẫu màng graphene tách ra khỏi đế Cu và chuyển sang đế thủy tinh và (b) phổ truyền qua với mẫu có nồng độ CH4 5 sccm.41 vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SEM - Hiển vi điện tử quét HRTEM - Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao CVD - Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học CNTs - Ống nano cácbon Gr - graphene GO - Oxit graphene AFM - kính hiển vi lực nguyên tử FET - transistor hiệu ứng trường ITO - Indium Tin Oxide viii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỞ ĐẦU Trước năm 1985 hầu hết mọi người đều cho rằng cácbon chỉ tồn tại ở dạng đa thù hình. Dạng phổ biến nhất thường gọi là than. Về cấu trúc, cácbon ở dạng này là dạng vô định hình. Dạng thù hình thứ hai của cácbon hay gặp trong kỹ thuật là graphite (than chì) cấu trúc của graphit gồm nhiều lớp graphene song song với nhau và sắp xếp thành mạng lục giác phẳng. Dạng hình thì thứ ba của cácbon là kim cương. Trong tinh thể kim cương mỗi nguyên tử cácbon ở tâm của một tứ diện đều và liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác. Sự hình thành trên là do sự lai hóa sp3 của các electron hóa trị trong nguyên tử cácbon. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ trở lại đây đã khám phá hình thù mới của cácbon, đó là vật liệu cácbon có cấu trúc nanô. Năm 2004 với việc tách thành công những tấm graphene đầu tiên từ bột graphit, đến năm 2010 giải Nôben vật lý đã được trao cho hai nhà khoa học Konstantin S. Novoselov và Andre K. Geim thuộc trường đại học Manchester nước Anh vì đã tách được những đơn lớp graphene đầu tiên và mô tả đặc trưng của chúng [21]. Sự kiện này đánh dấu một mốc quan trọng trong sự phát triển của khoa học về vật liệu. Vật liệu graphene được quan tâm nghiên cứu rộng rãi vì chúng không chỉ có cấu trúc tinh thể đặc trưng tinh tế mà còn bởi vì chúng có những tính chất cơ, nhiệt, điện và quang vô cùng lý thú. Với những tính chất vật lý và hóa học nổi trội, vật liệu graphene (Gr) hứa hẹn nhiều khả năng ứng dụng cho các linh kiện điện tử kích thước nanô. Các tấm graphene với diện tích bề mặt lớn (có thể đạt 2630 m2/g), độ linh động điện tử cao (đạt 200000 cm2 (V.s)-1), modul đàn hồi cao (đạt 1000 GPa), độ truyền qua cao (lên tới 97-98% đối với màng graphene đơn lớp)[4,5], do đó chúng đã được sử dụng trong các thiết bị quang điện tử [6, 7], pin mặt trời [7], màn hình hiển thị, cảm biến khí, cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học [18], v.v… Để có thể ứng dụng màng graphene trong suốt, đặc biệt cho các tấm pin mặt trời, các panel hiển thị, màn hình hiển thị,… việc tìm kiếm, lựa 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] chọnvà tối ưu công nghệ để tổng hợp màng Gr với diện tích lớn, độ truyền qua cao và chất lượng tốt là hết sức cần thiết. Ngoài phương pháp bóc tách cơ học từ graphite, còn có một số phương pháp khác để tổng hợp vật liệu graphene như phương pháp epitaxy, phương pháp bóc tách hóa học, phương pháp khử graphene oxide, và phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD). Trong số các phương pháp trên, phương pháp CVD nhiệt rất thuận lợi cho việc tổng hợp trực tiếp các màng graphene với diện tích lớn và chất lượng cao trên đế xúc tác kim loại đồng.