Báo Cáo Màng gương nóng truyền qua quang xúc tác TiO2/TiN/TiO2

TÓM TẮT: Màng gương nóng truyền qua,có độ truyền qua cao trong vùng khả kiến và phản xạ cao trong vùng hồng ngoại. Màng TiO2/TiN/TiO2 được chế tạo bằng phương pháp phún xạ phản ứng Magnetron D.C trên đế thủy tinh Corning và thủy tinh kiềm, đóng vai trò như màng gương nóng truyền qua. Ngoài ra lớp TiO2 trên cùng có tính chất quang xúc tác. Tuy nhiên,sự phụ thuộc đáng kể của đặc tính quang xúc tác vào bề dày màng của lớp TiO2 trên cùng lại là một trở ngại. Thực nghiệm cho thấy dộ dày tốt nhất để có tính quang xúc tác tốt thông thường là từ 300nm trở lên.
Trong công trình này,chúng tôi tìm ra được mối liên hệ giữa các bề dày màng qua tính toán lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng. Màng tạo được vừa có tính quang xúc tác tốt , vừa có tính chất gương nóng truyền qua với bề dày lớp TiO2 trong ~40-300nm, lớp TiN ~16-35nm và lớp TiO2 ngoài cùng từ 300nm trở lên.


1. GIỚI THIỆU


Tính chất quang học của gương nóng truyền qua [1,2,3] là truyền qua cao trong vùng khả kiến (bước sóng: 380nm≤ λ ≤760nm) và phản xạ cao vùng hồng ngoại (bước sóng: λ ≥760nm). Màng gương nóng truyền qua có thể chế tạo theo ba hướng [4] :
(a) Màng đa lớp “điện môi/kim loại” hoặc “điện môi/kim loại/điện môi”.
(b) Màng kim loại có độ phản xạ hồng ngoại cao như màng kim loại Ag, Au, Cu
(c) Màng vật liệu bán dẫn có đặc tính phản xạ hồng ngoại cao như ZnO; SiN; PbO; Bi2O3; SnO2; In2O3 Hoặc những chất bán dẫn pha tạp như SnO2:F; SnO2:Sb; AZO; GZO; ITO .
Tuy nhiên,màng kim loại thường không bền về nhiệt, cơ và hóa học. Màng bán dẫn phản xạ cao ở vùng bước sóng λ> 2000 nm,rất xa so với cực đại phổ bức xạ năng lượng mặt trời. Màng đa lớp có khả năng khắc phục được nhược điểm của màng bán dẫn pha tạp là có vùng bước sóng phản xạ rộng λ> 760 nm nhưng bền hơn màng kim lọai về cơ, nhiệt và hóa học. Một số công trình đã nghiên cứu màng đa lớp “điện môi/kim loại/điện môi” như

TiO2/Au/TiO2; TiO2

[5]; SiO /Al/SiO [6] Tuy nhiên, lớp kim loại giữa vẫn còn

/Ag/TiO2 2 2
nhược điểm về độ bền như đã nói trên và vì thế làm tính chất quang của màng thay đổi theo thời gian. Vì vậy, công trình này thay thế lớp giữa bằng lớp TiN- có tính chất quang học như vàng và bền về cơ, nhiệt và hóa học. Màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 có tính chất quang học ổn định và qui trình chế tạo màng đơn giản vì chỉ cần dùng duy nhất một nguồn phún xạ với bia Ti.
Lớp truyền qua TiO2 trên cùng đóng vai trò như màng khử phản xạ nhằm tăng độ truyền qua ở vùng khả kiến của gương nóng và có độ bền về mặt cơ, hoá và nhiệt cũng như đặc tính quang xúc tác rất tốt của nó. Đặc biệt, thuỷ tinh được phủ lớp TiO2 có đặc tính tự làm sạch và



chống đọng nước đã bước đầu được ứng dụng trong ngành kiến trúc xây dựng và công nghiệp ôtô.
Tuy nhiên,như đã giới thiệu, khả năng quang xúc tác cũng như tính khử phản xạ phụ thuộc rất lớn vào độ dày màng [7,8]. Vì vậy, mục đích của đề tài này là dựa vào bài toán tổng quát hệ màng đa lớp được xây dựng từ lý thuyết Fresnel và phương pháp ma trận [8], kết hợp với các thông số chiết suất và hệ số tắt của TiN, TiO2 được khảo sát từ thực nghiệm để xây dựng hệ màng đa lớp lý thuyết, và dùng kết quả đó định hướng cho thực nghiệm đối với các trường hợp cụ thể.


2. THỰC NGHIỆM


Màng đa lớp TiO2/TiN/TiO2 được thực hiện bằng phương pháp phún xạ Magnetron D.C. Đế là thuỷ tinh Corning và thủy tinh kiềm. Bia làm bằng vật liệu Titan độ tinh khiết (99.6%), màng TiO2 được chế tạo trong hỗn hợp khí Argon nguyên chất (99.999%) và khí hoạt tính oxygen (99.99%) theo tỉ lệ O2/Ar=8%, màng TiN được chế tạo trong hỗn hợp khí Argon nguyên chất (99.999%) và Nitơ (99.99%) theo tỉ lệ N2/Ar=10%. Hỗn hợp khí được trộn lẫn trong bình thép không rỉ theo tỉ lệ cho trước và được đưa vào buồng chân không bằng hệ van kim. Khoảng cách tối ưu giữa bia và đế là 4.5 cm, điều này đã được nghiên cứu trong [9].
Lớp TiO2 trong cùng được chế tạo ở áp suất 10-3 Torr để bề mặt của màng mịn và khử phản xạ tốt do chiết suất màng cao. Lớp TiO2 ngoài cùng được tạo ở áp suất 1,3.10-2 Torr để bề mặt màng gồ ghề và như thế màng tạo được có tính chất quang xúc tác tốt. Cả hai lớp TiO2 được chế tạo ở nhiệt độ 300oC để màng có cấu trúc tinh thể. Lớp TiN được tạo ở áp suất 3.10-3
Torr ở nhiệt độ 200oC cho màng có độ phản xạ cao ở vùng hồng ngoại, có chiết suất bé, hệ số
tắt lớn và như thế thích hợp làm lớp giữa cho hệ màng đa lớp như đả nêu trên [9] .
Tính chất của gương nóng được xác định qua phổ truyền qua UV-Vis và phổ phản xạ hồng ngoại. Tính chất quang xúc tác của màng được xác định bằng phương pháp đo sự phân hủy của Metylen Blue (MB) dưới điều kiện ánh sáng Hg. Đo độ truyền qua của mẫu (đã ngâm trong dung dịch MB nồng độ 1mM/l trong một giờ) trước (To) và sau (T) khi chiếu đèn thủy ngân→khả năng phân hủy ΔABS=ln(T/To). Bề dày màng, chiết suất TiO2 được xác định bằng phương pháp Swanapoel[10], bề dày, chiết suất và hệ số tắt lớp TiN được xác định bằng phương pháp Elippsometer, cấu trúc màng được xác định bằng phổ nhiễu xạ tia X.




3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN


3.1. ính chất quang xúc tác của màng TiO2
Màng TiO2 có tính chất quang xúc tác rất tốt, đã và đang được nhiều tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu, tới thời điểm này, đề tài này vẫn còn nhiều vấn đề mới lạ và vẫn hấp dẫn đối với các nhà khoa học. Trong công trình này, chúng tôi chỉ tìm bề dày tối ưu của màng TiO2 để màng có tính quang xúc tác tốt nhất theo điều kiện tạo màng : cường độ dòng phún xạ 0,45A, áp suất phún xạ 13mTorr, ở khoảng cách bia đế 4.5 cm, nhiệt độ đế 350oC như công trình [9] đã đề cập. Chúng tôi đã khảo sát sự phân hủy của MB phụ thuộc vào bề dày màng và tìm ra kết quả như trong bảng 1.
Từ bảng 1 ta nhận thấy, màng có bề dày khoảng 360nm có độ phân hủy MB cao nhất. Kết hợp phổ nhiểu xạ Tia X-hình 1, và ảnh AFM hình 2, ta rút ra kết luận rằng, màng có bậc tinh thể anatase thấp ứng với bề dày ngưỡng ~360nm có tính quang xúc tác tốt nhất. Điều này giải thích rằng: màng có cấu trúc tinh thể vô định hình khi bề dày nhỏ hơn bề dày ngưỡng, khi đó diện tích hiệu dụng bề mặt nhỏ nên quang xúc tác kém. Khi bề dày lớn hơn bề dày ngưỡng,



điện tử và lỗ trống không có cơ hội tới bề mặt trước khi bị tái hợp do chiều dài khuếch tán của chúng nhỏ hơn bề dày màng và đồng thời diện tích hiệu dụng bề mặt màng giảm nên tính quang xúc tác giảm. Vì vậy, màng đạt được bề dày ngưỡng, sẽ giảm tối đa số điện tử, lỗ trống bị tái hợp trước khi khuếch tán đến bề mặt. Ngoài ra, bề dày ngưỡng đủ lớn để màng hình thành nên tinh thể Anatase và có diện tích hiệu dụng bề mặt lớn nhất.