Ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới cấu trúc, tính chất huỳnh quang của dây nanô ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt

45 364 0
  • Loading ...

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 19/03/2015, 09:28

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN * * * TÀI: ^ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾĐỘ CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CÙA DÂY NANÔ ZnO Được CHẾTAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP Bốc BAY NHIÊT Mã số: QT - 05 - 07 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI: PGS. TS. Tạ Đình Cảnh HÀ NỘI - 2005 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN * * * TÀIì ẢNH HƯỞNG CỦA CHÊ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA DÂY NANÔ ZnO Được CHÊ'TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT Mã sỏ: QT - 05 - 07 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI: PGS. TS. Tạ Đình Cảnh CÁN BỘ THAM GIA: CN. Trần Thị Quỳnh Hoa HÀ NỘI - 2005 Đ A I H o C O U Í - - /- p / ì Ị\J r~- i Tf?ỤNG Tâm ĩ \ ỉ THÌ / V/IẸN F ị J Ã J ặ 2 BÁO CÁO TÓM TẤT Để tài: ẢNH HƯỎNG CỦA CHÊ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA DÂY NANÔ ZnO Được CHÊ'TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP Bốc BAY NHIỆT • ■ Mã số: QT - 05 - 07 Chủ trì đề tài: PGS. TS. Tạ Đình Cảnh Cán bộ tham gia: CN. Trần Thị Quỳnh Hoa 1. Muc tiêu để tài: Hiện nay vật liệu cấu trúc nano một chiều (dây nano, thanh nano, băng nano) đang được quan tâm đặc biệt vì tiềm năng ứng dụng của nó ứong lĩnh vực linh kiện điện từ và quang điện từ có kích thước nano. Vật liệu cấu trúc nano một chiều có thể dùng như các cấu trúc thành phần để ché tạo các linh kiện điện tử và quang điện tử kích thước nano. Các vật liệu này có thể được tông hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp vận chuyển từ pha hơi [1-3], phương pháp lang đọng hoá học từ pha hơi [4], phương pháp kết tủa bàng điện [5], sol-gel [6] Trong số các oxit bán dẫn, ZnO là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, có độ rộng vùng cấm ở nhiệt độ phòng Es ~ 3,37 eV và năng lượng liên kết exciíon cỡ 60 meV. Các dây nano, thanh nano ZnO là các vật liệu có nhiều triển vọng trong việc chế tạo các lade, điốt phát quang vùng tử ngoại (sừ dụng hiệu ứng exciton nhiệt độ phòng), các transito hiệu ứng trường, chuyển mạch quang và các sensơ khí Trong bài báo cáo này, chúng tôi tr ình b ày các kết quả chế tạo dây nano, thanh nano ZnO bàng phương pháp vận chuyển từ pha hơi kh ông V à có chất xúc tác Au ừong môi trường khí mang là Ar. 2. Nôi dung nghiên cứu: Để thực hiện được mục tiêu nêu ở trên, đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau: + Xây dựng hệ tạo dây nanô ZnO - Lò ống (4> =40mm) tạo nhiệt độ trên dưới 1000° cố độ ổn định cao (lò có sai số nhỏ cỡ ±1° và chạy theo chương trình) 3 - Khí mang Ar có độ sạch 99% + Tổng hợp cấu trúc nanô ZnO 1-chiểu từ pha hơi-rắn (VS) + Tổng hợp cấu trúc nanồ ZnO 1-chiều từ pha hơi-lòng-rắn (VLS) bằng cách sử dụng màng vàng (chất xúc tác) như một dung môi tại nhiệt độ cao. + Khảo sát tính chất cấu trúc của dây nanô ZnO + Khảo sát tính chất huỳnh quang và khích thích huỳnh quang của dây nanồ ZnO 3. Các kết quả đat đươc: + Chế tạo thánh công dây nanô ZnO có đường kính nhỏ từ 30-60nm trên đế Si bẳng 2 phương pháp v s và VLS có dùng môi trường thổi khí trơ Ar. + khảo sát tính chất cấu trúc của cấu trúc nanô ZnO phụ thuộc vào nhiệt độ đế, thời gian tạo mẫu, độ dày của chất xúc tác vàng. + Khoả sát tính chất huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của các dây nanô ZnO đã chế tạo. + Cổng tác nghiên cứu: đã công bố 3 bài báo 1/ Ta Dinh Canh, Tran Thi Quynh Hoa, Đao Quang Duy, Nguyen Viet Tuyen, Nguyen Quang Hoa, Nguyen Ng° Long, "Changing the shảe ò ZnO nanstructures by controlling Zn vapor release", VNU. Juo. Science, Mathematics-Physics, T.xx. No3AP (2004) (29-31) 2/ Ta Dinh Canh, Tran Thi Quynh Hoa, Nguyen Ng° Long, Nguyen Viet Tuyen, Hoang Due Anh, Nguyen Xuan Nghia, "Synthesis of ZnO nanowires using a vapor transport method", the pr°eedings of the second international workshop on nanophysics and technology (IWONN'04) (2004) 169 - 172.] 3/ Tạ Đình Cảnh, Trần Thị Quỳnh Hoa, Nguyền Việt Tuyên, Nguyên Ngọc Long, "Chế tạo và khảo sát dây nanô ZnO", tuyển tập báo cáo Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ 6 - Hà Nội 2005 (sẽ xuất bản). + Công tác đào tạo : * Đã hướng dẫn 1 khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thành Công, “Chế tạo dây nanô ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt trong môi trường khí trơ Ar trên dế Si" (2005) * Đang hướng dẫn 1 luận vãn cao học: Trần Thị Quỳnh Hoa, " Chế tạo và khảo sát một số tính chất của dây nanô ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt" (2006) 4. Tình hình sủ dung kinh phí: Tổng kinh phí thực chi: 15.000.000 đồng (mười lãm triệu đổng chẵn). Trong dó các khoán đã chi: Thanh toán dịch vụ công cộng : 600.000 đ (tiền điện) Thuê mướn : 7.500.000 đ Chi phí nghiệp vụ chuyên môn : 6.300.000 đ Chi phí khác (QLCS): 600.000 d 4 Đã thông qua chứng từ tại phòng tài vụ. Xác nhận của ban chủ nhiệm Khoa (Ký và ghi rõ họ tên) Chủ trì đề tài (Ký và ghi rõ họ tên) PGS.TS.Nguyễn Thế Bình PGS.TS.Tạ Đình a n h Xác nhận của Trường ĐHKHTN 5 Brief of the Report 1. The title of the projiect Influence of technological regime on the structural, the photoluminescence properties of ZnO nanowires, prepared by vapor transport method. The code number: QT - 05 - 07. 2. Main responsible person: assoc, prof. Dr Ta Dinh Canh. 3. Main implementation numbers: Bachelor Tran Thi Quynh Hoa 4. The objects. One-dimensional semiconductor nanowires have attracted increasing interest due to their physical properties diversity for potential electronic and photonic device applications [1]. They are expected to play an important role as both interconnects and functional components in the fabrication of nanoscale electronic optoelectronics devices. ZnO is a good candidate for room - temperature u v lasing as its exciton binding energy is approximately 60 meV, significantly larger than that of ZnSe (22 meV) and GaN (25 meV). Highly efficient excitonic u v lasering action was observed in nanosized ZnO epitaxial films, ZnO nanowires and nanocrystallizes under optical pumping. Recently, an u v nanolaser working at room temperature was fabricated using highly oriented ZnO nanowires arrays [2]. Our fabrication of ZnO nanostructures was based on a thermal evaporation pr°ess of ZnO powder with and without the presence of a catalyst 5. The content of research. ZnO nanorods and nanowires were successfully synthesized on Au /Si substrates by a simple thermal evaporation of ZnO, Zn and c powders at 1000° c in argon atmosphere. The as-deposited products have light gray color. The nanowữes have diameters ranging from 50 to 100 nm, lengths of up to several tens of micrometers. The nanorods have diameters ranging from 50 to 100 nm, lengths of up to a few of micrometers. The presence of spherical liquid droplets at the ends of the nanowừes represents strong evidence for the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism of the nanowire growth process. The photoluminescence spectra at the room temperature show a wide green emission band peaked at an wavelength of 483 nm and a narrow ultraviolet emission line located at 383 nm 6. Results: 1/ Ta Dinh Canh, Tran Thi Quynh Hoa, Đao Quang Duy, Nguyen Viet Tuyen, Nguyen Quang Hoa, Nguyen Ngoe Long, "Changing the shape of ZnO nanstructures by controlling Zn vapor release", VNU. Jour. Science, Mathematics-Physics, T .x x . No3AP (2004) (29-31) 2/ Ta Dinh Canh, Tran Thi Quynh Hoa, Nguyen Ngoc Long, Nguyen Viet Tuyen, Hoang Due Anh, Nguyen Xuan Nghia, "Synthesis of ZnO nanowữes using a vapor transport method", the proceedings of the second international workshop on nanophysics and technology (IWONK04) (2004) 169 - 172. 3/ Ta Dinh Canh, Tran Thi Quynh Hoa, Nguyen Viet Tuyen, Nguyen Ngoc Long," Preparation and investigation of ZnO nanovvừes", The 6th National conference of Physics. Hanoi-2005 (In the press) 7. Conclusion * Obtaining the aims of the project. Training 1 graduate students, 1 master student. 7 MỤC LỤC Mở đầu: * 1 Chương 1: Phương pháp chế tạo cấu trúc nanô một chiều từ pha khí 2 1.1. Phương pháp hơi - lỏng - rắn (VLS) 2 1.2. Quá trình tổng hợp từ pha hơi - rắn (VS) 4 Chương 2: Thực nghiệm 7 Chương 3: Kết quả và biện luận 8 Kết luận: 13 Lời cảm ơn: 13 Tài liệu tham khảo: 14 8 M Ò -ĩ>Xu Hiện nay trên thế giới đã và đang hình thành một ngành khoa học và công nghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ có những tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế-xã hội ở thế kỷ 21. Đó là Khoa học và Cồng nghệ nano. Khoa học và Công nghệ nano là lĩnh vực mang tính liên ngành cao, bao gồm vật lý, hoá học, y dợc-sinh học, công nghệ điện tử tin học, công nghệ môi trường và nhiều công nghệ khác. Theo Trung tâm đánh giá công nghệ thế giới (World Technology Evaluation Center), trong tương lai sẽ không có ngành cổng nghiệp nào không ứng dụng công nghệ nano Có thể hiểu đó là khoa học và công nghệ nhằm tạo ra và nghiên cứu các vật liệu, các hệ thống và các linh kiện có kích thước trong khoảng từ 0,1 đến 100 nm, với rất nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối, do hiệu ứng kích thước lượng tử. Những chất dùng để chế tạo các vật liệu cấu trúc nano rất đa dạng, có thể là vô cơ, hữu cơ, hoặc phức chất (composite) lai hữu cơ - vô cơ. Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu trôn thế giới đã chế tạo các vật liệu từ tính cấu trúc nano, các vật liệu 'bán dan, vật liệu quang tử cấu trúc nano, các vật liệu hữu cơ, polyme cấu trúc nano, nanô composite lai hữu cơ - vô cơ Các vật liệu cấu trúc nano được chế tạo chủ yếu bằng các phương pháp vật lý và hoá học như: các phương pháp epitaxy chùm phân tử (viết tắt tiếng Anh là MBE), lắng đọng từ pha hơi các chất (CVD) hoặc từ pha hơi các hợp chất hữu cơ kim loại (MOVD), phương pháp bốc bay nhiệt, bốc bay bằng laser, các kỹ thuật cấy ghép ion, nguyên tử; phơng pháp sol- gel, aerogel, phương pháp điện hoá, các phương pháp hoá học khác như phương pháp thuỷ nhiệt (hydrothermal method), dung môi nhiêt (solvotherma! method ) 1 CHƯƠNG I PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CẤU TRÚC NANO 1-CHlỂU TỪ PHA KHÍ 1.1. Phương pháp hơi-lỏng-rắn(vapor-liquid-solid VLS) Cơ chế nuôi dây nano từ pha khí đượcgọi là cơ chế VLS do Wagner đề xuất từ 1960 khi nghiên cứu chế tạo tóc đơn tinh thể lớn. Theo cơ chế này quá trình nuôi tinh thể bất đẳng hướng được đẩy mạnh vì sự tồn tại mặt phân giới pha rắn/hợp kim lỏng. Người ta đã nuôi dây nano Ge bàng cách sử dụng các đám vàng Au như một dung môi tại nhiệt độ cao. Dựa trên giản đồ pha hai thành phần Ge - Au (Hình 1), ta thấy Ge và Au sẽ tạo thành hợp kim lỏng khi nhiệt độ của chúng cao hơn điểm ơtectic (363°). Mặt chất lỏng có hệ số thích nghi lớn (accommodation coefficient), do đó sẽ là một nút ngưng đọng thuận lợi đối với hơi Gc đi tới. Sau khi hợp kim lỏng đã trở nên quá bão hoà Gc, quá trình phát triển dây nano Ge sẽ xảy ra bằng sự kết tủa tại mặt phân giỏi rắn - lỏng. Gần đây quá trình nuôi dây nano Ge đã được'Wu và cộng sự (2001) quan sát tại chỗ (in situ) ở nhiệt độ cao nhờ kính hiển vi điện tử Iruyền qua TEM (Hình 2). Kết quả thực nghiệm chỉ rõ 3 giai đoạn mọc (phát triển); giai đoạn I: tạo hợp kim Au - Ge, giai đoạn II: tạo mầm nano tinh thể Gc, giai đoạn III: kéo dài dây nano. A imtm i i i t . C<y4; ííỉíorỵ y »> <tft'xìiỷàĩ2 toCỊri&ữ ự Ệ ấ ị Ề ẫ B r I SI o D < ‘ị ív ỹ ỉ v. s ’* %* ĩ a s / ' t ĨK t m i / l í 2 ĩỉte&kị ị ị / m :ý £ í / ■» ị < m i ' 2C'0 4 8 ĩậ 0> «*/ >'-V Í<í c * • Giai đoạn I: Quá trình lạo hựp kim. Nếu.không có sự ngưng đọng hơi Ge thì các đám Au sẽ giữ nguyên Irạng thái rắn đến nhiệt độ 900°. Khi tăng lượiìg hơi Ge ngưng đụng và lượng Ge hoà tan, Ge và Au sẽ tạo thành hợp kim và hoá lỏng. Thể tích của các giọt hợp kim tăng và tỷ lệ giữa các nguyên tố không quá chênh lệch. Khi đó tồn tại 2 miền: miền 2 pha (Au rắn và hợp kim lỏng Au/Ge lỏng)., miền đơn pha Hình I. Cơ chếVLS với xúc tác kim loại 2 [...]... cường độ của dải bức xạ 483 nm trong các dây nano có đường kính 60 nm 12 KẾT LUẬN Bằng phương pháp bộc bay nhiệt đơn giản trong môi trường khí mang Ar với các đế có và không có chất xúc tác Au, chúng tôi đã chế tạo thành công các dây nanô ZnO có đường kính nhỏ nhất cỡ 30-60nm Đường kính và hình dạng các dây nanô ZnO phụ thuộc rất mạnh vào chế độ công nghệ như nhiệt độ đế, thời gian tạo mẫu, độ dày chất. .. với dây nano (hình 12b) Độ rộng của các băng nano thay đổi từ 100 nm tới vài micromet Dây nano ZnO với đường kính từ 20 nm đến 40 nm phát triển chủ yếu ở vùng nhiệt độ 650 ° 500 £j(hình 12c) nhiệt độ đế khác nhau, a) 800 - 750 °c, b) 750 - 650 °c, c) 650 - 500 °c 10 Hình 14: ảnh SEM của mộí dây nanô ZnO và phổ EDS của nó Trên hình 14 chỉ ra ảnh SEM của một sợi dây nanô ZnO và phổ EDS chửng tò sợi dây. .. cũng được dùng để chế tạo cấu trúc nano 1-chiểu Trong quá trình này hơi được tạo ra trớc tiên bằng cách bốc bay, phản ứng khử hoá học hoặc phản ứng khí Sau đó hơi này được chuyển đi và ngưng đọng trên đế Yang và cộng sự (1996) đã sử dụng phương pháp v s để chế tạo dây nano MgO, A1203, ZnO, Sn02 bằng quá trình khử nhiệt các bon Đặc biệt, gần đây Wang và cộng sự (2001) đã sử dụng phơng -pháp bốc bay nhiệt. .. tại vùng nhiệt độ 750-650°^ - Dây nano hình thành trong vùng nhiệt độ 650-500°£ Dây nano có đường kính từ 10 đến 200 nm và chiều dài khoảng vài chục |im Đường kính phụ thuộc nhiệt độ Nhiệt độ tổng hợp thấp tạo ra dây nano đường kính nhỏ Đã chụp ảnh TEM của dây nano Nghiên cứu nhiễu xạ elecưon cho thấy các dây được cấu tạo từ các đơn tinh thể có cấu trúc lục giác 6 CHƯƠNG n THỰC NGHIỆM Bột ZnO, Zn và... nghiệm chế tạo băng nano được mô tả trên hình 5 Bột ôxit được đặt ứ giữa một ống Hình 4 Bãng nano ZnO được c h ế tạo bằng bốc alumina, ống này được bay nhiệt đặt trong một lò ống nằm ngang, trong đó nhiệt độ, áp suất, thời gian bốc bay có thể điều khiển được Một luồng khí Ar 4 hoặc N đượcthổi qua nồi nấu bột ôxit áp suất trong ống được giữ trong khoảng từ 200 đến 650 Torr Trong thí nghiệm của Wang trừ nhiệt. .. nhiệt độ bốc bay được chọn căn cứ vào điểm nóng chảy của từng loại ôxit, còn các thông số sau đây được giữ khồng đổi: thời gian bốc bay 2 giờ, áp suất trong ống 300 Torr, lưu lượng khí Argon 50 cm3/phút Trong thời gian bốc bay băng nano được tạo ra trên các phiến alumina đặt ở cuối ống Yao và cộng sự (2002) trình bày phương pháp chế tạo dây nano, băng nano, thanh nano hình kim từ ZnO (Hình 6) bằng bốc bay. .. tổng hợp các dây nano từ các thành phần khác nhau bằng cách chọn dung môi và nhiệt độ nuôi thích hợp Một dung môi tốt sẽ có khả năng tạo ra hợp kim lỏng với vật liệu dây nano mong muốn, mộl cách lý tảng chúng tạo thành hợp kim eutectic Nhiệt độ nuôi sẽ được ặl giữa điểm eutectic và điểm nóng chảy của vật liệu dây nano Các phương pháp vật ỉý (bốc bay bằng laser, phóng điện hồ quang, hốc bay nhiệt) cũng... đến kích thước của các hạt nano phức hợp Au -ZnO và do đó ảnh hưởng đến sự hình thành và kích thước của các cấu trúc nano của vật liệu như đã quan sát thấy trong thực nghiệm Trong thí nghiệm của chúng tôi, nhiệt độ đế cũng là một thông số quan trọng ảnh hường tới sự hình thành các loại cấu trúc nano ZnO trên đế Si phủ Au (hình 12), 9 Hình 12 C ác dạn g cấu trúc nano thu được ở các nhiệt độ để khác nhau,... sau khi chế tạo, màng có màu tro sáng Các dây nano co đường kính từ 50 nm đên 100 nm, dài tới hàng chục |j.m Các thanh nano có đường kính từ 100 nm đến 250 nm, dài vài um Sự xuất hiện của các giọt vàng ờ đâu các dây nano là một bàng chúng rõ ràng của cơ chê hơi-lỏng-răn trong quá trình phát triển dây nano ZnO Trong phổ huỳnh quang nhiệt độ phòng của dây nano ZnO quan sát thấy m ột dài huỳnh quang rộng... và quang điện tử kích thước nano Các vật liệu này có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp vận chuyển từ pha hơi [1-3], phương pháp lắng đọng hoá học từ pha hơi [4], phương pháp kết tủa bằng điện [5], sol-gel [6] Trong số các oxit bán dẫn, ZnO là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, có độ rộng vùng cấm ở nhiệt độ phòng Eg ~ 3,37 eV và năng lượng liên kết exciton cỡ 60 meV Các dây . * TÀIì ẢNH HƯỞNG CỦA CHÊ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA DÂY NANÔ ZnO Được CHÊ'TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT Mã sỏ: QT - 05 - 07 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI: PGS. TS. Tạ Đình Cảnh CÁN. * TÀI: ^ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾĐỘ CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CÙA DÂY NANÔ ZnO Được CHẾTAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP Bốc BAY NHIÊT Mã số: QT - 05 - 07 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI: PGS. TS. Tạ Đình Cảnh HÀ. Ã J ặ 2 BÁO CÁO TÓM TẤT Để tài: ẢNH HƯỎNG CỦA CHÊ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỚI CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA DÂY NANÔ ZnO Được CHÊ'TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP Bốc BAY NHIỆT • ■ Mã số: QT - 05 - 07 Chủ
- Xem thêm -

Xem thêm: Ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới cấu trúc, tính chất huỳnh quang của dây nanô ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt, Ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới cấu trúc, tính chất huỳnh quang của dây nanô ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt, Ảnh hưởng của chế độ công nghệ tới cấu trúc, tính chất huỳnh quang của dây nanô ZnO được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt, 1-CHlỂU TỪ PHA KHÍ, CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN, TÀI LIỆU THAM KHẢO

Từ khóa liên quan