Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu Gallium Oxide ứng dụng trong cảm biến quang học

• Tác giả: Mai Đình Mỹ Duyên
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Huy Bình
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu Gallium Oxide bằng phương pháp thủy nhiệt ứng dụng cho cảm biến quang học
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu Gallium Oxide
• 1.2. Cấu trúc tinh thể của Ga2O3
• 1.3. Tính chất vật liệu Gallium Oxide
• 1.3.1. Tính chất điện
• 1.3.2. Tính chất quang
• 1.3.3. Tính chất nhiệt
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu Ga2O3
• 1.4.1. Thiết bị phát hiện UV
• 1.4.2. Cảm biến khí
• 1.4.3. Thiết bị điện phát quang
• 1.5. Vật liệu Reduced Graphene oxide
• 1.5.1. Tính chất rGO
• 1.6. Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp vật liệu β-Ga2O3
• 1.6.1. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.6.2. Ưu nhược điểm
• 1.7. Một số phương pháp phân tích và đánh giá
• 1.7.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.7.2. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)
• 1.7.3. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 1.8. Hóa chất và thiết bị
• 1.9. Dụng cụ thiết bị
• 1.10. Thiết bị dùng trong phân tích vật liệu
• 1.11. Quy trình chế tạo vật liệu β-Ga2O3 và chế tạo linh kiện cảm biến quang
• 1.11.1. Quy trình chế tạo vật liệu β-Ga2O3
• 1.11.2. Quy trình chế tạo linh kiện cảm biến quang β-Ga2O3
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt đến tinh thể nano Ga2O3
• 3.2. Khảo sát cấu trúc tinh thể
• 3.3. Khảo sát hình thái bề mặt
• 3.4. Khảo sát FT-IR
• 3.5. Khảo sát tính chất điện của vật liệu β-Ga2O3 + GO
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng hợp vật liệu Gallium Oxide bằng phương pháp thủy nhiệt

Tổng hợp vật liệu Gallium Oxide bằng phương pháp thủy nhiệt là một quy trình quan trọng trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn. Phương pháp này được ưa chuộng do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng tạo ra vật liệu nano có độ tinh khiết cao. Gallium Oxide (Ga₂O₃) là một vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn (~4.9 eV), phù hợp cho các ứng dụng trong cảm biến quang học và thiết bị điện tử công suất cao. Quá trình thủy nhiệt bao gồm việc sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường nước để tạo ra các tinh thể nano Ga₂O₃. Phương pháp này cho phép kiểm soát hình thái và kích thước của vật liệu, từ đó cải thiện các tính chất quang học và tính chất điện của Ga₂O₃.

1.1. Quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp vật liệu Ga₂O₃ bằng phương pháp thủy nhiệt bắt đầu với việc chuẩn bị dung dịch tiền chất chứa gallium nitrate (Ga(NO₃)₃). Dung dịch này được đặt trong nồi thủy nhiệt và gia nhiệt ở nhiệt độ từ 150°C đến 200°C trong thời gian từ 5 đến 24 giờ. Quá trình này tạo ra các tinh thể nano Ga₂O₃ với cấu trúc tinh thể β-Ga₂O₃, được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả cho thấy, thời gian thủy nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến kích thước và hình thái của các tinh thể nano, với thời gian dài hơn tạo ra các tinh thể có kích thước lớn hơn và độ tinh khiết cao hơn.

1.2. Ưu điểm và hạn chế

Phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm, bao gồm chi phí thấp, dễ thực hiện và khả năng tạo ra vật liệu nano có độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như thời gian tổng hợp dài và khó kiểm soát chính xác kích thước tinh thể. Ngoài ra, việc sử dụng nhiệt độ và áp suất cao có thể gây ra các vấn đề về an toàn trong quá trình thực hiện.

II. Tính chất quang học và điện của Gallium Oxide

Gallium Oxide (Ga₂O₃) là một vật liệu bán dẫn có các tính chất quang học và tính chất điện đặc biệt, làm cho nó trở thành ứng viên tiềm năng cho các ứng dụng trong cảm biến quang học và thiết bị điện tử công suất cao. Với độ rộng vùng cấm lớn (~4.9 eV), Ga₂O₃ có khả năng hấp thụ ánh sáng UV với bước sóng ngắn, phù hợp cho các thiết bị phát hiện UV. Ngoài ra, Ga₂O₃ có độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng quang học.

2.1. Tính chất quang học

Tính chất quang học của Ga₂O₃ được đặc trưng bởi độ truyền qua cao trong vùng án sáng khả kiến (93-95%) và khả năng hấp thụ ánh sáng UV mạnh. Điều này làm cho Ga₂O₃ trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong cảm biến quang học và thiết bị hiển thị. Ngoài ra, hệ số năng lượng exciton của Ga₂O₃ (~0.3 eV) cho phép vật liệu này tạo ra và duy trì các exciton với mức năng lượng ổn định, mở ra các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quang điện tử tiên tiến.

2.2. Tính chất điện

Tính chất điện của Ga₂O₃ được đặc trưng bởi độ dẫn điện thấp ở nhiệt độ phòng do độ rộng vùng cấm lớn. Tuy nhiên, độ dẫn điện có thể được cải thiện đáng kể thông qua quá trình pha tạp với các nguyên tố như Sn, Si, hoặc Ge. Ga₂O₃ cũng có khả năng chịu được điện trường đánh thủng cao (~8 MV/cm), làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong thiết bị điện tử công suất cao.

III. Ứng dụng của Gallium Oxide trong cảm biến quang học

Gallium Oxide (Ga₂O₃) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến quang học nhờ vào các tính chất quang học và tính chất điện vượt trội của nó. Với độ rộng vùng cấm lớn (~4.9 eV), Ga₂O₃ có khả năng hấp thụ ánh sáng UV mạnh, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị phát hiện UV. Ngoài ra, Ga₂O₃ cũng được sử dụng trong các cảm biến quang và thiết bị quang điện tử khác.

3.1. Cảm biến UV

Cảm biến UV sử dụng Ga₂O₃ là một trong những ứng dụng quan trọng của vật liệu này. Với khả năng hấp thụ ánh sáng UV mạnh, Ga₂O₃ được sử dụng để chế tạo các thiết bị phát hiện UV với độ nhạy cao và độ ổn định tốt. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, Ga₂O₃ có thể được sử dụng để phát hiện ánh sáng UV với bước sóng ngắn hơn 280 nm, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực an ninh và y tế.

3.2. Cảm biến quang

Cảm biến quang sử dụng Ga₂O₃ cũng đang được nghiên cứu và phát triển. Với độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến, Ga₂O₃ được sử dụng để chế tạo các cảm biến quang với độ nhạy cao và độ ổn định tốt. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, Ga₂O₃ có thể được sử dụng để phát hiện ánh sáng trong dải bước sóng rộng, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử và tự động hóa.