Thạc Sĩ Nghiên cứu tính chất quang điện của màng WOx/TiO2

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay màng mỏng là một trong những vấn đề thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học bởi những tính năng ưu việt của nó. Trong số này không thể không kể đến màng ôxít Vonfram (WO3), một loại vật liệu có nhiều đặc tính lý thú. Được nghiên cứu từ rất sớm (1815), nhưng mãi đến năm 1969 khi S.K.Deb công bố sự khám phá về hiện tượng điện sắc của màng ôxít Vonfram, thì việc nghiên cứu vật liệu này mới phát triến mạnh mẽ.
Tiếp sau đó, hàng loạt nghiên cứu tiến hành trong vòng bốn thập kỷ qua đã đưa đến nhiều sự phát triển trong khoa học và công nghệ. Điều này đã mang lại sự khám phá ra hiện tượng quang sắc, khí sắc và điện sắc trong màng của các vật liệu này. Màng WO3 trở thành một trong những vật liệu quan trọng được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống kể cả trong lĩnh vực quân sự chẳng hạn như màng hiển thị, đầu dò, cảm biến quang học, biển báo giao thông, lớp bảo vệ (ngụy trang) đặc biệt là các loại cửa sổ thông minh dùng trong các thiết bị quang học hay cửa sổ các nhà cao tầng, cửa kính xe ôtô có khả năng điều chỉnh được thông lượng ánh sáng truyền qua. Cho đến nay, những hiểu biết về cấu trúc, tính chất quang, điện của vật liệu ôxít Vonfram phần lớn được chấp nhận rộng rãi. Tuy nhiên, các cơ chế giải thích về tính chất điện sắc của vật liệu ôxít Vonfram vẫn còn nhiều tranh cãi. Trong đó, linh kiện điện sắc hoạt động dựa trên cơ chế tiêm thoát ion mặc dù có khả năng ứng dụng nhiều vào thực tiễn nhưng vẫn chưa đạt đến khả năng thương mại hóa cao, vì cơ chế tiêm thoát, khuếch tán ion có hạn chế về khả năng lập lại hiệu ứng và tốc độ nhuộm, tẩy màu của linh kiện Đề tài này là bước đầu nghiên cứu về sự thay đổi màu sắc của màng WOx/TiO2 dựa trên mối quan hệ giữa tính chất quang và điện, được giải thích bằng cơ chế dịch chuyển điện tử giữa các lớp có sự khuyết oxi trong liên kết, nhằm tăng thời gian đáp ứng điện sắc của màng và mở rộng các ứng dụng như khả năng tự làm sạch bụi bẩn trên các cửa kính thủy tinh,

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT . 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ . 8
LỜI MỞ ĐẦU . 11
A. PHẦN TỔNG QUAN 12
CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU TiO2 VÀ WO3 13
1.1 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG TIO2 13
1.1.1 Đặc điểm cấu trúc tinh thể của vật liệu TiO2 13
1.1.2 Tính chất quang 17
1.1.2.1 Sự liên hệ giữa chiết suất n và mật độ khối lượng ρ [15]. 17
1.1.2.2 Sự liên hệ giữa độ phản xạ R, độ truyền qua T và chiết suất n [1]. 18
1.1.2.3 Sự liên hệ giữa cấu trúc tinh thể và độ rộng vùng cấm Eg [3,6,30] . 19
1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN SẮC VONFRAM 20
1.2.1 Sơ lược vật liệu điện sắc Vonfram 20
1.2.1.1 Lịch sử ra đời vật liệu điện sắc. . 20
1.2.1.2 Khái niệm vật liệu điện sắc 21
1.2.1.3 Phân loại vật liệu điện sắc . 22
1.2.2 Đặc trưng của ôxít Vonfram 23
1.2.2.1 Cấu trúc vật liệu ôxít Vonfram 23
1.2.2.2 Các dạng thức của ôxít Vonfram 25
1.2.2.3 Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của ôxít Vonfram . 26
1.2.2.4 Cấu trúc giả đồng . 28
1.2.2.5 Ứng suất 29
1.2.3 Một số tính chất của màng ôxít Vonfram . 30
1.2.3.1 Tính nhiệt sắc [19] . 30
1.2.3.2 Tính khí sắc . 31
1.2.3.3 Tính quang sắc [20]. 31
1.2.3.4 Tính điện sắc . 32
1.2.4 Các ứng dụng của vật liệu điện sắc: . 33
1.2.4.1 Linh kiện điện sắc 33
1.2.4.2 Đầu dò khí H2, N2 . 35
1.2.4.3 Thiết bị chống sự rò điện . 36
1.2.4.4 Sản xuất đĩa cho phép ghi với tốc độ nhanh 38
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH POLARON VÀ CÁC MÔ HÌNH HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA ÔXÍT VONFRAM 39
2.1 MÔ HÌNH POLARON . 39
2.1.1 Sơ lược về mô hình Polaron [26] 39
2.1.2 Mô hình Polaron 39
2.1.3 Năng lượng Polaron 41
2.2 CÁC MÔ HÌNH HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA ÔXÍT VONFRAM
2.2.1 Mô hình hấp thụ điện tử tự do.[4] 42
2.2.2 Mô hình trao đổi điện tử hóa trị . 43
2.2.3 Mô hình hấp thụ Polaron nhỏ 44
2.2.4 Mô hình tâm màu ở vị trí khuyết oxi của S. K. Deb. 44
2.2.5 Các loại tâm màu được hình thành trong quá trình điện sắc của màng WOx 47
2.2.6 Sự ảnh hưởng của nước lên màng WO3. . 48
2.2.6.1 Ảnh hưởng của nước lên cấu trúc màng. 48
2.6.2.2 Ảnh hưởng của nước lên hoạt động điện sắc của màng WO3 51
B PHẦN THỰC NGHIỆM . 52
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO HỆ MÀNG WOx/TIO2/THỦY TINH VÀ CÁC THÔNG SỐ TẠO MÀNG . 53
3.1 HỆ THIẾT BỊ TẠO MÀNG 53
3.1.1 Hệ bơm chân không 53
3.1.2 Thiết kế hệ lắng đọng màng. . 54
3.2 CẤU TẠO HỆ MÀNG ĐA LỚP VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO 55
3.2.1 Cấu tạo hệ màng . 55
3.2.2 Xử lý bề mặt bia và đế phún xạ. 55
3.2.3 Quy trình chế tạo màng và các thông số tạo màng. 56
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT TÍNH DẪN ĐIỆN VÀ KẾT QUẢ ĐỘ TRUYỀN QUA 59
4.1 KHẢO SÁT TÍNH DẪN ĐIỆN: 59
4.2 KHẢO SÁT PHỔ TRUYỀN QUA 60
4.2.1 Phổ truyền qua của những mẫu không dẫn điện: 60
4.2.2 Phổ truyền qua của những mẫu có màng WOx/TiO2 dẫn điện tốt hơn màng WOx: . 62
4.3 GIẢI THÍCH SỰ TẠO MÀU Ở MÀNG WOx BằNG CƠ CHẾ DỊCH CHUYỂN POLARON VÀ SỰ KHUYẾT OXY: 64
4.3.1 Giải thích sự tạo màu ở màng WOx bằng cơ chế dịch chuyển Polaron: . 64
4.3.2 Giải thích sự tạo màu ở màng WOx bằng sự khuyết oxy trong liên kết W-O: 65
4.3.3 Giải thích cơ chế chuyển điện tử và sự hình thành tâm màu ở màng đa lớp WOx/TiO2: . 68
4.4 SỰ THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG VÙNG CẤM VÀ SỰ DỊCH CHUYỂN BỜ HẤP THỤ CỦA WOx 70
4.5 SỰ THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG VÙNG CẤM VÀ SỰ DỊCH CHUYỂN BỜ HẤP THỤ CỦA TIO2 74
KẾT LUẬN . 76
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 78