Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano ZnO

Nội dung tài liệu: Luận văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano ZnO

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NguyễnThịHương CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HàNội - 2012 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NguyễnThịHương CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO Chuyênngành: VậtlýChấtrắn Mãsố : 60 44 07 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:T.S NGẠC AN BANG HàNội - 2012 2
3. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 4 Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................................................. 6 1.1 Vật liệu nano ........................................................................................................... 6 1.1.1 Khái niệm vật liệu nano.................................................................................... 6 1.1.2 Phân loại vật liệu nano .................................................................................... 6 1.2 Vật liệu bán dẫn ZnO .............................................................................................. 7 1.2.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ZnO .......................................................................... 7 1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO ................................................................. 9 1.2.3 Một số ứng dụng của vật liệu nano ZnO ........................................................ 10 1.3 Plasmon bề mặt, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .................................. 11 1.3.1 Khái niệm Plasmon bề mặt ............................................................................. 11 1.3.2. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt ...................................................... 12 1.4 Chế tạo vật liệu nano ............................................................................................ 13 1.4.1 Chế tạo hạt nano Au ....................................................................................... 13 1.4.2 Chế tạo thanh nano ZnO và hạt ZnO bọc Au ................................................. 14 1.5 Các phương pháp khảo sát ................................................................................... 14 1.5.1 Khảo sát đặc trưng cấu trúc XRD .................................................................. 14 1.5.2. Nghiên cứu phổ tán sắc năng lượng EDS: .................................................... 17 1.5.3 Khảo sát vi hình thái SEM, TEM .................................................................... 17 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu phổ hấp thụ ........................................................... 21 1.5.5 Phép đo phổ huỳnh quang .............................................................................. 24 Chương 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................................... 26 2.1 Chế tạo thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt ...................................... 26 2.2 Chế tạo hạt nano kim loại Au bằng phương pháp hóa khử .................................. 28 2.3 Chế tạo ZnO bọc Au bằng phương pháp hóa ....................................................... 30 1
4. 2.4 Các phép đo khảo sát mẫu .................................................................................... 31 2.4.1 Phép đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................................. 31 2.4.2 Phép đo phổ EDS và chụp ảnh SEM .............................................................. 32 2.4.3 Chụp ảnh TEM ............................................................................................... 32 2.4.3 Phép đo phổ hấp thụ UV-vis........................................................................... 33 2.4.4 Phép đo phổ huỳnh quang .............................................................................. 34 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................................... 35 3.1 Kết quả chế tạo vật liệu nano ZnO ....................................................................... 35 3.1.1 Kết quả chế tạo vật liệu nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt ................ 35 3.1.2 Kết quả chế tạo hạt nano kim loại Au bằng phương pháp hóa khử ............... 35 3.1.3 Kết quả chế tạo hạt ZnO bọc Au bằng phương pháp hóa .............................. 36 3.2 Kết quả phân tích cấu trúc .................................................................................... 37 3.2.1 Mẫu ZnO nano chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt .................................. 37 3.2.2. Mẫu kim loại nano Au chế tạo bằng phương pháp hóa khử ......................... 41 3.2.3 Mẫu ZnO bọc Au chế tạo bằng phương pháp hóa ......................................... 42 3.3 Khảo sát phổ EDS ................................................................................................. 44 3.3.1 Phổ EDS của mẫu ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ..................... 44 3.3.2 Phổ EDS của mẫu Au chế tạo bằng phương pháp hóa khử ........................... 44 3.3.3 Phổ EDS của mẫu hạt ZnO bọc Au chế tạo bằng phương pháp hóa ướt ...... 45 3.4 Kết quả chụp ảnh SEM, TEM ............................................................................... 46 3.4.1 Kết quả chụp ảnh SEM của mẫu ZnO ............................................................ 46 3.4.2 Kết quả chụp ảnh TEM của mẫu Au .............................................................. 47 3.4.3 Kết quả chụp ảnh TEM của mẫu ZnO bọc Au................................................ 48 3.5 Kết quả khảo sát phổ hấp thụ ............................................................................... 51 3.5.1 Phổ hấp thụ của mẫu Au được chế tạo bằng phương pháp hóa khử ............. 51 3.5.2 Phổ hấp thụ của mẫu ZnO bọc Au chế tạo bằng phương pháp hóa .............. 53 3.6 Kết quả đo phổ huỳnh quang ................................................................................ 56 2
5. 3.6.1 Phổ huỳnh quang của thanh nano ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt ................................................................................................................................. 56 3.6.2 Phổ huỳnh quang của mẫu ZnO bọc Au chế tạo bằng phương pháp hóa.....57 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................60 3
6. MỞ ĐẦU Khoa học nano và công nghệ nano ngày càng khẳng định được vị thế và tầm quan trọng của mình trong các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật, đời sống và xã hội.Với nhân tố trung tâm của vật liệu nano là kích thước,khi kích thước giảm tới một mức độ nào đó, các hiệu ứng lượng tử xuất hiện, do đó có thể thay đổi đặc trưng của vật liệu như màu sắc, các tính chất điện, nhiệt, từ, quang...mà không cần thay đổi thành phần hoá học;khi kích thước giảm, tỷ số giữa bề mặt và thể tích tăng rất nhanh, hiệu ứng bề mặt xuất hiện và đó là điều kiện lí tưởng cho vật liệu nanocomposit, các tương tác hoá học, xúc tác, các vật liệu dự trữ năng lượng, tăng khả năng hoạt hoá của thuốc chữa bệnh...Khi hiệu suất làm việc của vật liệu cao thì lượng vật liệu cần sử dụng nhỏ, lượng chất thải ít đi.Với các đặc tính ưu việt như vậy vật liệu nano đã và đang mang lại nhiều thành tựu to lớn cho khoa học và đời sống. Chúng ta có thể kể đến một vài thành tựu của khoa học nano và công nghệ nano như: lĩnh vực công nghiệp điện tử - quang tử: transitor đơn điện tử, các linh kiện chấm lượng tử, vi xử lí tốc độ nhanh, senso, lade, linh kiện lưu trữ thông tin..., công nghiệp hoá học: xúc tác, hấp thụ, chất màu..., năng lượng: pin hidro, pin liti, pin mặt trời, y-sinh học và nông nghiệp: thuốc chữa bệnh nano, mô nhân tạo, thiết bị chẩn đoán và điều trị..., hàng không-vũ trụ- quân sự: vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, chịu nhiệt, chịu bức xạ..., môi trường: khử độc, vật liệu nano xốp, mao quản dùng để lọc nước... Vật liệu nano còn làm thay đổi hiệu suất của các vật liệu như polimer, các thiết bị điện tử, sơn, pin, tế bào nhiên liệu, tế bào điện mặt trời, lớp phủ, máy tính,...các linh kiện được thu gọn lại, hoạt động hiệu quả hơn rất nhiều. Đã có nhiều nghiên cứu trên các vật liệu khác nhau như TiO2, SiO2, Au,... và một vật liệu cũng đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm đó là ZnO. ZnO là hợp chất thuộc nhóm AIIBVI có nhiều tính chất nổi bật như: độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 4
7. 3,37eV ở nhiệt độ phòng), độ bền vững, độ rắn và nhiệt độ nóng chảy cao. Vật liệu cho linh kiện quang điện tử hoạt động trong vùng phổ tử ngoại, các chuyển mức phát quang xảy ra với xác suất tương đối lớn. Đối với ZnO hiệu suất lượng tử phát quang có thể đạt gần 100%, mở ra nhiều triển vọng trong việc chế tạo lade, senso nhạy khí, pin mặt trời... Hiện nay ZnO có cấu trúc nano đang được tập trung nghiên cứu vì hy vọng trong tương lai sẽ cho phép chế tạo một thế hệ mới các linh kiện có nhiều tính chất ưu việt. Do có nhiều khả năng ứng dụng rộng rãi nên vật liệu ZnO được chọn là đối tượng để tổng hợp và nghiên cứu trong luận văn của tôi: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano ZnO” Trong luận văn này, chúng tôi trình bày phương pháp chế tạo thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt, hạt nano Au bằng phương pháp hóa khử, hạt nano ZnO bọc Au bằng phương pháp hóa ướt. Các phương pháp này có đặc tính chung là đơn giản, dễ tiến hành, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm có trong trường. Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm 3 chương chính như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận 5
8. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano 1.1.1 Khái niệm vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét (1 푛 = 10−9 ). Đây là đối tượng nghiên cứu của hai lĩnh vực có quan hệ mật thiết với nhau là khoa học nano và công nghệ nano.Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng, vào cỡ nano mét, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vật liệu thông thường. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu [1]. 1.1.2 Phân loại vật liệu nano Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, sau đây là một vài cách phân loại thường dùng [1]: *Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: Vật liệu khối Giếng lượng tử Dây lượng tử Chấm lượng tử Hình 1.1: Các cấu trúc thấp chiều -Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano,ví dụ,màng mỏng, đĩa nano,... 6
9. -Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,ví dụ,dây nano, ống nano,... - Vật liệu nano không chiều là vật liệu mà ba chiều đều có kích thước nano, ví dụ, đám nano, hạt nano... Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. *Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano: như vật liệu nano kim loại, vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học. *Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của nghiên cứu làthanh nano bán dẫn ZnO được phân loại là "thanh nano bán dẫn". Trong đó "thanh" được phân loại theo hình dáng. Sau khi được chế tạo các thanh nanocó hai chiều có kích thước nano được xếp vào loại vật liệu nano một chiều, "bán dẫn" được phân loại theo tính chất thanh nano bán dẫn được chế tạo từ các bán dẫn khối. 1.2 Vật liệu bán dẫn ZnO 1.2.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ZnO Ở điều kiện thường cấu trúc của ZnO tồn tại ở dạng Wurtzite. Mạng tinh thể ZnO ở dạng này được hình thành trên cơ sở hai phân mạng lục giác xếp chặt của cation Zn2+ và anion O2- lồng vào nhau một khoảng cách 3/8 chiều cao (hình 1.2). Mỗi ô cơ sở có 2 phân tử ZnO trong đó có 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí (0, 0, 0); (1/3, 1/3, 1/3) và 2 nguyên tử oxi nằm ở vị trí (0, 0, ); (1/3, 1/3, 1/3 + ) với ~3/8. Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O nằm trên 4 đỉnh của một tứ diện gần đều. Khoảng cách 7
10. từ Zn đến 1 trong 4 nguyên tử bằng , còn 3 1 1 1/2 khoảng cách khác bằng 3 + 2( − )2 3 2 Hằng số mạng trong cấu trúc được đánh giá vào cỡ: = 3,243 Å, = 5,195 Å. Ngoài ra, trong các điều kiện đặc biệt tinh thể của ZnO còn có thể tồn tại ở các cấu trúc như: lập phương giả kẽm (hình 1.3) hay cấu trúc Kẽm (Zn) Oxi (O) lập phương kiểu NaCl (hình 1.4). Hình 1.2:Cấu trúc lục giác Wurzite của tinh thể ZnO Kẽm (Zn) Oxi (O) Kẽm (Zn) Oxi (O) Hình 1.3:Cấu trúc mạng tinh thể Hình 1.4:Cấu trúc mạng tinh thể kiểu lập phương giả kẽm lập phương kiểu NaCl Đây là một trạng thái giả bền của ZnO xuất hiện ở nhiệt độ cao.Mỗi ô cơ sở chứa bốn phân tử ZnO với các tọa độ nguyên tử là: + 4 nguyên tử Zn ở vị trí có các tọa độ: (0, 0, 0), (0, 1/2 , 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0). 8