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

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.

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.

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.

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.

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.

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.