Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC TIỂU LUẬN MÔN HỌC THỦY TINH ĐỀ TÀI CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ZnO Al BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL GEL GVHD Nguyễn Minh Quang SV Sơn Rạch Thây MSSV 08197151 Lớp.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC TIỂU LUẬN MƠN HỌC THỦY TINH ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO MÀNG MỎNG ZnO:Al BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL -GEL GVHD: Nguyễn Minh Quang SV: Sơn Rạch Thây MSSV: 08197151 Lớp: DHVC4 Khố: 2008-2012 Tp Hồ Chí Minh năm 2012 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .3 Tổng quan ZnO:Al 1.1.Giới thiệu: 1.2.Những tính chất ZnO:Al Phương pháp Sol – gel: 2.1.Định nghĩa trinh Sol – sel: 2.2.Precursor: .5 2.3.Sol: 2.4.Gel: 2.5.Quá trình Sol – gel: 2.5.1 Phản ứng thủy phân: 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân: 2.5.3 Phản ứng ngưng tụ: 2.5.4 Các thông số ảnh hưởng đến phản ứng ngưng tụ: 10 2.6.Sự phát triển cấu trúc: 10 2.7.Các phương pháp phủ màng Sol – gel: 11 2.7.1 Phương pháp phủ nhúng: 11 2.7.2 Phương pháp phủ quay: 12 2.8.Ưu nhược điểm phương pháp Sol – gel: 13 2.8.1 Ưu điểm: 13 2.8.2 Nhược điểm: 13 Quá trình chế tạo màng ZnO phương pháp Sol –gel: 13 KẾT LUẬN .15 LỜI MỞ ĐẦU Ngày màng mỏng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Các thiết bị, linh kiện sử dụng công nghệ màng mỏng bao gồm: công cụ cắt, cấy ghép y tế, yếu tố quang học, mạch tích hợp Với ứng dụng rộng rãi nên việc nghiên cứu phương pháp sản xuất loại màng tiêu điểm khoa hoạc Màng mỏng ZnO loại n xem loại màng oxit dẫn điện suốt thường dùng để thay màng ITO Đặc biệt màng ZnO:AL loại vật liệu dẫn điện suốt nhiều triển vọng cho ứng dụng quang điện khác hình phẳng, pin mặt trời,… Có nhiều phương pháp để chế tạo màng ZnO:Al phún xạ, nhiệt phân phun, CVD, phương pháp Sol – gel xem phương pháp hiệu để chế tạo màng ZnO:Al Phương pháp dễ dàng tạo màng oxit kim loại tinh khiết pha tạp theo thành phần hàm lượng khác Trong tiểu luận e xin giới thiệu cách “ Chế tạo màng mỏng ZnO:Al phương pháp Sol - gel” Tổng quan ZnO:Al 1.1 Giới thiệu: Màng mỏng ZnO:Al xem loại màng oxit dẫn điện suốt thường dùng để thay màng ITO Nó có độ rộng vùng cấm lớn khoảng 3.3eV, điện trở màng thấp khoảng 10-6Ώm, hệ số hấp phụ màng vùng khả kiến khoảng 5x103cm-3 1.2 Những tính chất ZnO:Al ZnO:Al có dạng cấu trúc tinh thể: haxaginal wurtzie, zinc blende, rocksalt Trong cấu trúc wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định ZnO:Al tinh thể hình thành từ nguyên tố nhóm II( Zn) nguyên tố nhóm VI(O), lượng liên kết chủ yếu lượng Madelung Hiện màng bán dẫn ZnO:Al có khả ứng dụng cao có tính chất sau: Tính chất bản: Khối lượng riêng: 5,67g/cm3 Khối lượng phân tử: 81,38u Bán kính ion: rZn2+ = 0,60Å ro2- = 1,40 Å Hằng số mạng a =3,24 Å c = 5,20 Å Độ rộng vùng cấm: Eg = 3.27 eV ( 300K) Eg = 3.44eV ( 6K) Tính chất nhiệt: nhiệt độ nóng chảy: 2242K Ứng dụng: pin lượng mặt trời, màng hinh phẳng, cửa sổ điện sắc,… Phương pháp Sol – gel: 2.1 Định nghĩa trinh Sol – sel: Quá trình Sol – sel q trình liên quan đến hóa lý chuyển đổi hệ thống từ precursor thành pha lỏng dạng Sol sau tạo thành pha rắn dạng Gel theo mơ hình sau: Hình 1: Mơ hình Sol – gel 2.2 Precursor: Precursor Là phần tử ban đầu để tạo hạt keo Nó đ ược tạo thành từ thành tố kim loại hay kim, đ ược bao quanh ligand khác Các precursor chất vơ kim loại hay hữu kim loại Công thức chung precursor: M(OR) x M kim loại 2.3 Sol: Một hệ sol phân tán hạt rắn có kích thước khoảng 0.1 đến μm chất lỏng Kích thướt hạt nhỏ nên lực hút không đáng kể Lực tương tác hạt lực Van Der Waals Các hạt chuyển động ngẫu nhi ên Brown dung d ịch hạt va chạm lẫn Sol có thời gian bảo quản giới hạn v ì hạt Sol hút d ẫn đến đông tụ hạt keo Các hạt Sol đến thời điểm định th ì hút lẫn để trở thành phân tử lớn hơn, đến kích thước cở – 100 nm theo xúc tác có mặt trongdung dịch mà phát triển theo hứơng khác Trên h ình hai trình phát triển khác với xúc tác l acid bazơ 2.4 Gel: Một hệ gel trạng thái mà chất lỏng rắn phân tán vào nhau, mạng lưới chất rắn chứa thành phần chất lỏng kết dính lại tạo thành gel Sự ngưng tụ hạt tạo thành mạng lưới Tăng nồng độ dung dịch, thay đổi độ pH tăng nhiệt độ nhầm hạ rào cản tĩnh điện cho hạt tương tác để hạt kết tụ với tạo thành gel Nếu nung nhiệt độ bình thươngd sản phẩm gel khơ 2.5 Quá trình Sol – gel: Quá trình phủ màng phương pháp Sol – gel gồm bước: Bước 1: Các hạt keo mong muốn từ phần tử huyền phù precursor phân tán vào chất lỏng để tạo nên hệ sol Bước 2: Sự lắng đọng dung dịch Sol tạo lớp huyền ohuf đế cách phun, nhúng, qauy Bước 3: Các hạt hệ Sol polymer hóa thơng qua loại bỏ thành ohaanr ổn định hệ tạo hệ gel trạng thái mạng lứi liên tục Bước 4: Cuối q trình sử lí nhiệt phân thành phần hữu cơ, vơ cịn lại tạo nên màng tinh thể hay vơ định hình Hình 2: Q trinh Sol –gel Về hóa học q trình Sol – gel xảy hai phản ứng: phản ứng thủy phân phản ứng ngưng tụ 2.5.1 Phản ứng thủy phân: Phản ứng thủy phân thay nhóm Alkoxide (-OR) liên kết kim loại – alkoxide nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại – hydroxyl M(OR)x + nH2O (RO)x-n-M-(OH) + nROH Hình 3: Q trình thủy phân Các thơng số ảnh hưởng đến trình thủy phân: pH, chất nồng độ chất xúc tác, nhiệt độ, tỉ số r (H2O/M) 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân: a) Ảnh hưởng pH: Hình 4: Ảnh hưởng pH đến trình thủy phân b) Ảnh hưởng dung môi: Dung môi ngăn chặn phân tách pha lỏng đến phan lỏng khác giai đoạn đầucủa phản ứng thủy phân Có hai loại dung môi: Dung môi phân cực gồm chất như: H2O, rượu, formaminde… dùng để hòa tan chất phân cực, phản ứng thủy phân tác động tạo H+ Dung môi không phân cực dùng để thay alkyl khơng thủy phân hồn tồn c)Ảnh hưởng bỏi chất xúc tác: Xúc tác axit làm tăng tốc độ phản ứng tăng lên so với xúc tác bazow, axit mạnh thường làm tốc độ tăng nhanh Các axit thông dụng thường dùng : HCl, CH3COOH, HF, HNO3,… 2.5.3 Phản ứng ngưng tụ: Phản ứng ngưng tị phản ứng tạo nên liên kết kim loại – oxit – kim loại, sở cấu trúc cho cá màng kocit kim loại Hiện tượng ngưng tụ diễn liên tục làm cho liên kết kim loại – oxit - kim loại không ngừng tăng lên tạo mạng lưới kim loại – oxit – kim loại khắp dung dịch Phản ứng ngưng tụ thực theo sơ đồ sau: Hình 5: Quá trình ngưng tụ MOR + MOH M-O-M + ROH MOH + MOH M-O-M + H2O Trong điều kiện thích hợp, ngưng tuh xảy liên tục phá hủy polimer, tái tạo thành hạt keo lớn, từ tạo thành polime lớn Các thông số ảnh hưởng chủ yếu đến ngưng tụ: độ pH, chất nồng đọ chất xúc tac, nhiệt độ, dung môi, tỉ sổ H2O/M 2.5.4 Các thông số ảnh hưởng đến phản ứng ngưng tụ: a) Ảnh hưởng pH: Quá trình trùng hợp để tạo nên nối Silonxan sinh phản ứng ngưng tụ hình thành nước rượu ngưng tụ tạo rượu Một chuỗi sản phẩm điển hình cảu phản ứng ngưng tụ Tốc độ q trình trùng hợp mở vịng cá phản ứng thêm vào monomer phụ thuộc vào pH môi trường Trong trường hợp mà pH < tốc độ ngưng tụ tỉ lệ nồng độ ngưng tụ tỉ lệ với nồng độ [H+] Với 2