Thạc Sĩ Chế tạo và khảo sát tính chất đặc trưng của sợi nano ZnO (ZnO nanowires)

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành : Quang học
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Năm - 2011


MỤC LỤC

GIỚI THIỆU
TỔNG QUAN .3
Chương 1. Giới thiệu vật liệu ZnO .4
1.1 Cấu trúc ZnO 4
1.1.1 Cấu trúc ZnO 4
1.1.2 Sai hỏng trong ZnO .5
1.1.3 Các dạng hình học của ZnO cấu trúc nano 6
1.2 Tính chất và ứng dụng của ZnO cấu trúc nano .7
1.2.1 Tính chất điện .8
1.2.2 Tính chất quang 11
1.2.3 Tính áp điện 17
1.2.4 Tính nhạy hóa học 20

Chương 2: Các phương pháp chế tạo ZnO cấu trúc nano 23
2.1 Phương pháp dung dịch 23
2.2 Phương pháp lắng đọng vận chuyển pha hơi .26
2.2.1 Tổng quan phương pháp CVD 27
2.2.2 Phương pháp lắng đọng vận chuyển pha hơi .31
2.2.3 Tạo ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp lắng đọng vận chuyển pha
hơi theo cơ chế VLS .33
2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành ZnO theo cơ chế VLS
36
2.2.4.1 Nhiệt độ .36
2.2.4.2 Tốc độ dòng khí mang 36
2.2.4.3 Áp suất riêng phần .37
2.2.4.4 Vật liệu đế 37

THỰC NGHIỆM 40
Mục đích của quá trình thực nghiệm 41

Chương 3 Thực nghiệm tổng hợp ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp dung dịch .42

3.1 Tiến trình thực nghiệm .43
3.1.1 Hóa chất và dụng cụ .43
3.1.2 Tiến trình thực nghiệm 43
3.2 Kết quả thực nghiệm 47
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của lớp seed ZnO .49
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ amin HMTA 52
3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .56
3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 58
3.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của đơn lớp PS .61
3.2.6 Khảo sát tính chất quang của thanh nano ZnO .64
3.3 Nhận xét chung 66

Chương 4: Thực nghiệm tổng hợp ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp
lắng đọng vận chuyển pha hơi .68

4.1 Tiến trình thực nghiệm .68
4.1.1. Hóa chất và dụng cụ 68
4.1.2 Tiến trình thực nghiệm .71
42 Kết quả thực nghiệm 72
4.2.1 Tạo ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp AP-CVD, theo cơ chế VS . 73
4.2.1.1 Khảo sát cơ chế phát triển của vật liệu nano ZnO tạo bằng
phương pháp AP-CVD .73
4.2.2.2 Khảo sát cấu trúc nano ZnO tạo bằng phương pháp AP-CVD .75

4.2.2 Tạo ZnO cấu trúc nano bằng phương pháp LP-CVD, theo cơ chế VLS
4.2.2.1 Tạo lớp mầm nano Au bằng phương pháp bốc bay nhiệt .77
4.2.2.2 Khảo sát cơ chế phát triển của vật liệu nano ZnO tạo bằng phương pháp LP-CVD .78
4.2.2.3 Khảo sát cấu trúc nano ZnO tạo bằng phương pháp LP-CVD 82
4.3 Nhận xét chung 86

Chương 5: Khảo sát khả năng nhạy UV của thanh nano ZnO .88

KẾT LUẬN 98
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO



Giới thiệu

Ngày nay, để đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao của con người; ngành công nghệ vật liệu đã có những bước tiến lớn trong việc nghiên cứu và chế tạo những loại vật liệu có tính năng vượt trội. Trong những năm gần đây các vật liệu có cấu trúc và kích thước nano đã và đang được nghiên cứu rộng rãi, đặc biệt là các ứng dụng của chúng trong công nghệ bán dẫn đã và đang đạt được những thành tựu rất lớn, ví dụ như những siêu máy tính thế hệ mới. Vật liệu ở kích thước nano có những tính chất dị hướng đáng chú ý về độ bền, độ cứng, độ dẫn nhiệt, dẫn điện cũng như độ truyền qua mà ở vật liệu khối (vật liệu 3 chiều) không có được. Ở cấp độ nano này, người ta lại chia vật liệu nano thành nhiều nhóm: vật liệu 0 chiều (hạt các nano), vật liệu 1 chiều (sợi nano, ống nano), vật liệu 2 chiều (màng mỏng). Mỗi loại vật liệu nêu trên đều có cấu trúc, tính chất khác nhau và phù hợp với những ứng dụng riêng đặc thù. Bên cạnh đó các nhà khoa học có thể kết hợp các vật liệu cấu trúc và kích thước nano khác nhau nhằm phục vụ cho các ứng dụng tinh vi. Khi đó, để có thể sản xuất ra sản phẩm, người ta phải tính đến nhiều yếu tố: chất lượng của sản phẩm, chi phí sản xuất, yếu tố thị trường .

Trong các nghiên cứu về vật liệu nano hiện nay, các nghiên cứu về nano bán dẫn đã và đang chiếm ưu thế ví dụ như như ZnO, SnO2, GaAs, InP, TiO2 . Trong đó, vật liệu oxít kẽm (ZnO) với nhiều tính chất đặc biệt về quang, điện, độ ổn định hóa học cao cộng thêm một số ưu điểm như dễ tìm và chi phí chế tạo tương đối thấp đang là một trong các loại vật liệu được tập trung nghiên cứu và ứng dụng phổ biến.
Vật liệu ZnO rất đa dạng về mặt hình thái học, từ cấu trúc 2 chiều (dạng màng), 1 chiều (dạng sợi) đến cấu trúc 0 chiều (hạt nano), trong đó cấu trúc nano 1 chiều của ZnO rất đa dạng từ dạng wire (sợi) đến rod (thanh), pencil (chóp nhọn) tetra-pod (tứ cạnh) hoặc các cấu trúc lai 1 chiều và 2 chiều như dạng sheet (lá) đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu do các tính chất đặc biệt của các cấu trúc khác nhau ứng với các ứng dụng đặc thù của chúng.

Khi vật liệu bán dẫn ở cấu trúc 1 chiều sẽ xuất hiện hiệu ứng lượng tử [32]. Hiệu ứng này làm ZnO có tính chất quang như tính dẫn sóng hay tính chất điện như phát xạ trường vượt trội hơn hẳn khi vật liệu này tồn tại ở dạng khối hay dạng màng mỏng. Một tính chất quan trọng nữa của sợi hay hạt nano là cấu trúc này có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn [33]. Đây là một trong những tính chất quan trọng và cần thiết của các loại vật liệu được sử dụng cho việc chế tạo cảm biến hoặc quang xúc tác .
Sợi nano ZnO đã và đang được nghiên cứu rộng rãi ở các phòng thí nghiệm trên thế giới, nhưng ở Việt Nam, sợi nano ZnO là hướng nghiên cứu mới được một số phòng thí nghiệm trong cả nước định hướng nghiên cứu. Qui trình chế tạo vật liệu ZnO dạng sợi nano hay thanh nano . không quá phức tạp nhưng để có được tính định hướng thẳng đứng và đều trên bề mặt đế vẫn còn là vấn đề kỹ thuật cần hoàn thiện đang được nhiều Phòng thí nghiệm (PTN) trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Trong một số công trình nghiên cứu của các tác giả ngoài nước[1],[2],[3],[5],[7],[8],[10],[12] sợi nano ZnO có thể được tổng hợp bằng nhiều cách như: phương pháp nhũ tương hóa, tổng hợp pha dung dịch (Solution-phase synthesis), CVD, lắng đọng xung laser (pulsed-laser deposition), phương pháp EBL (electron-beam lithography) kết hợp với CVD hay phương pháp dung dịch, phún xạ, đang gặt hái được nhiều kết quả tốt có khả năng ứng dụng. Tuy nhiên, với điều kiện hạn hẹp ở nước ta hiện nay, chỉ một số phương pháp như CVD, phún xạ, phương pháp dung dịch là có thể khả thi khi triển khai nghiên cứu chế tạo sợi nano. Trong đề tài này, tác giả sẽ tìm hiểu và tổng hợp sợi nano ZnO bằng phương pháp hóa học và phương pháp vận chuyển pha hơi (một dạng của phương pháp CVD), do đây là 2 phương pháp phù hợp với điều kiện hiện tại của PTN. Từ đó tìm ra được điều kiện tổng hợp tối ưu để đạt được cấu trúc một chiều (1D) của ZnO có định hướng thẳng và đều trên bề mặt đế.