TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SnO2 CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ - CÔNG NGHỆ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS Nguyễn Trí Tuấn Phan Thị Mỹ Linh Mã số SV: 1110271 Lớp: TL1192A1 Khóa: 37 Cần Thơ, 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trí Tuấn hướng dẫn, truyền đạt kiến thức quý giá, theo dõi giúp đỡ em suốt trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô thuộc môn Vật lý – Khoa Sư phạm – Trường Đại học Cần Thơ, Thầy, Cô truyền đạt kiến thức và tận tình hướng dẫn suốt thời gian em học tập trường giúp em tự tin trình học tập Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô thuộc thuộc môn Vật lý, mơn Hóa học Khoa Khoa Học Tự Nhiên giúp đỡ tạo điều kiện sở vật chất để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp phát huy lực nghiên cứu thời gian tới Em c ng xin chân thành cảm ơn anh ch cao học, bạn sinh viên thực luận văn ph ng thí nghiệm Vật liệu, ph ng thí nghiệm Hóa sinh bạn b tận tình ch bảo, động viên, giúp đỡ em trình học tập c ng nghiên cứu Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình người thân ln quan tâm, động viên chỗ dựa tinh thần vật chất cho em suốt trình học tập trường Xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Phan Thị Mỹ Linh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu trước Mọi tham khảo, trích dẫn ch rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày tháng Tác giả năm 2015 Phan Thị Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG .iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI .2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ CÔNG NGHỆ NANO 1.1 Khái niệm phân loại 1.2 Cơ sở khoa học công nghệ nano 1.2.1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử 1.2.2 Hiệu ứng bề mặt 1.2.3 Kích thước tới hạn 1.3 Chế tạo vật liệu nano 1.3.1 Phương pháp từ lên 1.3.2 Phương pháp từ xuống 1.4 Một số ứng dụng vật liệu nano .5 THIẾC VÀ DIOXIT THIẾC 2.1 Thiếc (Sn) .6 2.2 Dioxit thiếc (SnO2) .7 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Cấu trúc tinh thể SnO2 2.2.3 Tính chất điện SnO2 .8 2.2.4 Tính chất quang SnO2 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SNO2 CẤU TRÚC NANO 11 3.1 Hạt nano, màng SnO2 linh kiện điện huỳnh quang 11 3.1.1 Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp xoay chiều 12 3.1.2 Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp chiều 14 GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang i SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt 3.1.3 Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp xoay chiều .15 3.1.4 Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp chiều 15 3.2 Pin Lithium 16 3.3 Điện cực 17 3.4 Cảm biến khí .18 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO SnO2 21 4.1 Phương pháp thủy nhiệt 21 4.2 Phương pháp sol - gel 22 4.3 Phương pháp bốc bay nhiệt chân không .22 4.4 Phương pháp phún xạ (Sputtering) .24 4.5 Phương pháp vi sóng 24 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .26 5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction - XRD) .26 5.2 Phương pháp chụp ảnh FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscop FESEM) 30 5.3 Phương pháp đo phổ huỳnh quang (Photoluminescence - PL) 32 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 34 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 34 1.1 Hóa chất .34 1.2 Dụng cụ thiết b .34 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 TÍNH CHẤT CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU SnO2 39 1.1 Ảnh hưởng xử lý nhiệt đến cấu trúc vật liệu 39 1.2 Ảnh hưởng hàm lượng Na3C6H5O7 đến cấu trúc vật liệu 41 KHẢO SÁT HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA NANO SnO2 48 TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU SnO2 CẤU TRÚC NANO .52 KẾT LUẬN 58 KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 62 GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang ii SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Eg IL Chữ viết tắt ACTFEL ACPEL DCTFEL DCPEL EL EDX FESEM PL UV XRD Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Năng lượng vùng cấm Cường độ huỳnh quang Bước sóng Tần số Bandgap Intensity of luminescence Wavelength Frequency Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Alternating Current thin film Electroluminescence layer devices Alternating Current powder Electroluminescence layer devices Direct Current thin film Electroluminescence layer devices Direct Current powder Electroluminescence layer devices Electroluminescence layer Energy-dispersive X-ray spectroscopy Field Emission Scanning Electron Microscop Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp xoay chiều Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp xoay chiều Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp chiều Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp chiều Linh kiện điện huỳnh quang Phổ tán sắc lượng tia X Photoluminescence Ultraviolet X-ray diffraction GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang iii Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Phổ huỳnh quang Tia cực tím, tia tử ngoại Nhiễu xạ tia X SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt DANH MỤC CÁC BẢNG 3 Bảng Các đặc điểm nguyên tố thiếc bảng tuần hoàn Menđêleep Bảng 2.1 Các mẫu SnO2 chế tạo phương pháp thủy nhiệt nhiệt độ 180 0C 12 h, thay đổi nồng độ Na3C6H5O7.2H2O Bảng 2.2 Các mẫu SnO2 chế tạo phương pháp thủy nhiệt nhiệt độ 180 0C 12 h, nung 450 0C h thay đổi nồng độ Na3C6H5O7.2H2O Bảng 3.1 Kích thước trung bình tinh thể SnO tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C 12 h Bảng 3.2 Kích thước trung bình tinh thể SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C h, nung 450 0C h GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang iv SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10 11 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 12 Hình 1.12 13 14 15 16 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 17 Hình 1.17 18 19 20 21 22 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 23 Hình 2.1 24 Hình 2.2 25 Hình 3.1 26 Hình 3.2 27 Hình 3.3 Cấu trúc đơn v tinh thể SnO2 Phổ nhiễu xạ tia X SnO2 Bán dẫn loại n - Mức donor Phổ huỳnh quang dây nano SnO2 nhiệt độ ph ng Cơ chế kích thích phát xạ SnO2 Một số loại cấu trúc linh kiện ACTFEL Cấu trúc linh kiện EL dạng màng mỏng điện áp chiều Cấu trúc linh kiện EL xoay chiều dạng bột Cấu trúc linh kiện EL chiều dạng bột Pin mặt trời DCS Máy đo cường độ xạ UV Cấu trúc cảm biến kiểu khối gia nhiệt trực tiếp TGS 109 (a), gia nhiệt gián tiếp TGS 813 (b) hãng Figaro (Nhật Bản) Cảm biến kiểu màng dày Cảm biến gas chế tạo từ bán dẫn SnO2 Sơ đồ hệ bốc bay nhiệt Mơ hình phún xạ Phân tử nước phân cực, nguyên tử Hydro Oxi thay đổi cực 2,45 t lần giây tác động sóng viba Các tia X nhiễu xạ mặt tinh thể chất rắn Máy nhiễu xạ tia X D8/Advanced Máy chụp ảnh hiển vi điện tử quét xạ trường JSM-7600F Nguyên lý hoạt động kính hiển vi điện tử quét Hệ đo huỳnh quang Yobin Yvon Fluolog-3 Nanolog Các dụng cụ, thiết b sử dụng chế tạo mẫu SnO2 phương pháp thủy nhiệt Quy trình chế tạo mẫu SnO2 phương pháp thủy nhiệt Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột SnO2 với hàm lượng mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu bột trước ủ nhiệt; (b) mẫu bột ủ nhiệt 450 0C h Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột SnO2 với hàm lượng mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu bột trước ủ nhiệt; (b) mẫu bột ủ nhiệt 450 0C Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột SnO2 với hàm lượng mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu bột trước ủ nhiệt; (b) mẫu bột ủ nhiệt 450 0C h GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang v 10 11 13 14 15 15 17 18 19 20 20 23 24 25 27 29 30 31 33 36 37 39 40 40 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt 28 Hình 3.4 29 30 31 32 33 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 34 Hình 3.10 35 Hình 3.11 36 Hình 3.12 37 Hình 3.13 38 39 40 41 42 43 44 45 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 46 Hình 3.22 47 Hình 3.23 48 Hình 3.24 49 Hình 3.25 50 Hình 3.26 51 Hình 3.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột SnO2 với hàm lượng 12 mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu bột trước ủ nhiệt; (b) mẫu bột ủ nhiệt 450 0C h Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 (0 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 (2 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 (4 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 (6 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 (8 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO (10 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 (12 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO (14 mmol Na3C6H5O7) Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu SnO2 với hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi từ - 14 mmol Ảnh FESEM nano SnO2 (0 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (2 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (4 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (6 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (8 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (10 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (12 mmol Na3C6H5O7) Ảnh FESEM nano SnO2 (14 mmol Na3C6H5O7) Phổ PL mẫu SnO2 nung 450 0C h, (a) hàm lượng mmol Na3C6H5O7; (b) 12 mmol Na3C6H5O7 PL SnO2, a pH=5 (PEG), b pH=7 (PEG), c pH=12, d pH=7 Phổ PL dây nano SnO2 Phổ PL mẫu SnO2 hàm lượng mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu trước ủ nhiệt (b) mẫu ủ nhiệt 450 0C h Phổ PL mẫu SnO2, hàm lượng 10 mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu trước ủ nhiệt; (b) mẫu ủ nhiệt 450 0C h Phổ PL mẫu SnO2 xử lý nhiệt 450 0C h, hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi từ - 14 mmol GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang vi 41 42 42 43 43 44 44 45 45 47 48 49 49 50 50 51 51 52 53 54 54 55 55 56 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vật liệu oxit bán dẫn quan tâm nghiên cứu rộng rãi, có nhiều ứng dụng lĩnh vực chế tạo linh kiện điện tử Các cơng trình nghiên cứu khoa học sản phẩm loại công bố ngày nhiều Hiện nay, nhà khoa học giới tiếp tục khám phá loại vật liệu nhằm tìm loại linh kiện điện tử chất lượng cao đáp ứng nhu cầu sống SnO2 vật liệu có ứng dụng nhiều lĩnh vực khác khoa học đời sống SnO2 chất bán dẫn loại n, có vùng cấm thẳng rộng (năng lượng vùng cấm khoảng 3,6 eV 300 K), tính truyền qua cao, tính dẫn điện hoạt động hóa học mạnh Đây tính chất hấp dẫn vật liệu SnO để tạo khả ứng dụng nhiều lĩnh vực như: chế tạo điện cực, pin mặt trời, lớp phủ suốt, pin Lithium, gương phản xạ nhiệt, cảm biến khí, chất xúc tác, linh kiện quang học (diod phát quang, lazer diod), Đặc biệt, khác kích thước hạt, nồng độ nút khuyết oxi tính chất điện, vật liệu SnO2 tỏ vật liệu có triển vọng cao chiếm ưu sản phẩm thương mại hóa, lĩnh vực cảm biến vật liệu xúc tác Bên cạnh đó, việc nghiên cứu tính chất huỳnh quang loại vật liệu c ng bắt đầu quan tâm nghiên cứu, số báo cáo cho vùng phát xạ huỳnh quang SnO2 từ 2,4 - 2,5 eV 2,9 - 3,1 eV Bản chất vùng phát xạ huỳnh quang vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu làm sáng tỏ Trong trường hợp thông thường, nút khuyết oxi hoạt động tâm phát xạ có vai tr quan trọng tính chất huỳnh quang vật liệu bán dẫn oxit kim loại Vật liệu SnO2 cấu trúc nano chế tạo từ nhiều phương pháp khác như: phương pháp sol-gel, bốc bay nhiệt chân không, thủy nhiệt, phún xạ, Trong đó, phương pháp thủy nhiệt với đặc điểm chế tạo hạt nano kích thước đồng đều, điều khiển kích thước hạt, khơng cần xử lý nhiệt nhiệt độ cao phù hợp với điều kiện sẵn có ph ng thí nghiệm, nên tơi chọn phương pháp thủy nhiệt để nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano để phục vụ cho việc chế tạo linh kiện điện tử chất lượng cao sản xuất Việt Nam Vì lý nên tơi chọn đề tài luận văn tốt nghiệp "Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt" MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Chế tạo thành công vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt - Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang vật liệu chế tạo GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt có hình dạng giống bơng hoa hình cầu với nhiều cánh, có đường kính ~ 3,5 Mẫu có nồng độ mmol Na3C6H5O7 có hình thái bề mặt gần giống với mẫu mmol Na3C6H5O7, nhiên mẫu mmol Na3C6H5O7 có xuất mảnh vụn nhỏ giống số cánh hoa b vỡ, độ đồng mẫu khơng cao (b) (a) Hình 3.17 Ảnh FESEM bơng hoa SnO2 (6 mmol Na3C6H5O7) Hình 3.18 ảnh FESEM hoa SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C 12 h, sau ủ nhiệt 450 0C h, với nồng độ mmol Na3C6H5O7, hình 3.18a có độ phóng đại nhỏ hình 3.18b Dựa vào ảnh FESEM này, chúng tơi nhận thấy mẫu tinh thể SnO2 có nồng độ mmol Na3C6H5O7, có dạng hình que với chiều dài ~80 nm đường kính que ~15 nm, độ đồng mẫu tương đối tốt (a) (b) Hình 3.18 Ảnh FESEM nano SnO2 (8 mmol Na3C6H5O7) GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 50 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt Hình 3.19 ảnh FESEM mẫu nano SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C 12 h, sau ủ nhiệt 450 0C h, với nồng độ 10 mmol Na3C6H5O7, hình 3.19a có độ phóng đại nhỏ hình 3.19b Dựa vào ảnh FESEM này, chúng tơi nhận thấy mẫu nano SnO2, nồng độ 10 mmol Na3C6H5O7, có dạng với chiều dài ~500 nm bề dày ~15 nm, độ dồng mẫu khơng cao (a) (b) Hình 3.19 Ảnh FESEM nano SnO2 (10 mmol Na3C6H5O7) Hình 3.20 ảnh FESEM mẫu nano SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C 12 h, sau ủ nhiệt 450 0C h, với nồng độ 12 mmol Na3C6H5O7, hình 3.20a có độ phóng đại nhỏ hình 3.20b Dựa vào hình chúng tơi nhận thấy nano SnO2 có nồng độ 12 mmol Na3C6H5O7, có dạng dạng que xen kẽ, độ đồng mẫu khơng cao (a) (b) Hình 3.20 Ảnh FESEM nano SnO2 (12 mmol Na3C6H5O7) GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 51 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt Hình 3.21 ảnh FESEM nano SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 C 12 h, sau ủ nhiệt 450 0C h, với nồng độ 14 mmol Na3C6H5O7, hình 3.21a có độ phóng đại nhỏ hình 3.21b Dựa vào hình chúng tơi nhận thấy mẫu nano SnO2 có nồng độ 14 mmol Na3C6H5O7, có dạng dạng que xen kẽ, độ đồng mẫu không cao (a) (b) Hình 3.21 Ảnh FESEM nano SnO2 (14 mmol Na3C6H5O7) Từ hình ta thấy, nồng độ Na3C6H5O7 thay đổi hình thái bề mặt nano SnO2 c ng có thay đổi Khi mẫu chưa có Na3C6H5O7 mẫu có dạng hình que (0 mmol Na3C6H5O7), tăng dần nồng độ Na3C6H5O7 mẫu có dạng cánh hoa xuất lắp ghép thành hoa có dạng hình cầu (các mẫu - mmol Na3C6H5O7) Tiếp tục tăng nồng độ Na3C6H5O7 lên cánh hoa b vỡ mẫu có xen lẫn dạng que dạng nên độ đồng mẫu không cao (các mẫu - 14 mmol Na3C6H5O7) Như vậy, có mặt Na3C6H5O7 mẫu SnO2 có vai tr góp phần hình thành cấu trúc hoa, nồng độ Na3C6H5O7 mẫu tăng cấu trúc hoa b phá vỡ Với cấu trúc hoa vật liệu nano SnO2 có nhiều tiềm ứng dụng chế tạo pin Lithium, cảm biến khí Dựa vào kết phân tích trên, để vật liệu nano SnO2 có cấu trúc ổn đ nh gia tăng hiệu ứng bề mặt, thấy mẫu bột nano SnO2 chế tạo phương pháp thủy nhiệt 180 0C 12 h ủ nhiệt 450 0C h với nồng độ mmol Na3C6H5O7 tối ưu cho cấu trúc bơng hoa hình cầu tạo thành từ cánh hoa nano TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU SnO2 CẤU TRÚC NANO Phép đo phổ quang huỳnh quang xem phép đo hữu hiệu để đánh giá tính chất quang vật liệu huỳnh quang Những mẫu bột nhận sau trình tổng hợp, đem đo phổ huỳnh quang (PL) thiết b tiên tiến để xác đ nh GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 52 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt tính chất quang vật liệu nano SnO2, sử dụng hệ đo Yobin Yvon Fluolog-3 Nanolog sử dụng đ n kích Xenon có cơng suất 450 W, dải bước sóng từ 180 nm – 2,400 nm Bộ đơn sắc kích thích cách tử kép, tiêu cự 180 mm, độ phân giải 0,2 nm, độ xác bước sóng 0,5 nm, tốc độ qt 100 nm/s (cách tử kép), dải bước sóng từ – 1,300 nm Các phép đo thực nhiệt độ ph ng, ph ng thí nghiệm Nano Quang-Điện tử (LaNopel), Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Những hình 3.22, hình 3.25, hình 3.26 hình 3.27 phổ quang huỳnh quang vật liệu SnO2 cấu trúc nano tổng hợp phương pháp thủy nhiệt với bước sóng kích thích 330 nm Phổ PL mẫu dãy phát xạ rộng vùng ánh sáng khả kiến với bước sóng từ 480 - 860 nm có đ nh phát xạ có bước sóng từ 580 nm đến 650 nm, vùng bước sóng ứng với ánh sáng vàng - đỏ vùng ánh sáng khả kiến lượng phát xạ 1,9 - 2,1 eV Hình 3.22 phổ PL mẫu SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C 12 h, nung 450 0C h Từ hình 3.22 ta thấy, phổ huỳnh quang vật liệu SnO2 cấu trúc nano có dãy phát xạ rộng từ 480 nm đến 860 nm có đ nh huỳnh quang cực đại 650 nm (ánh sáng đỏ) Sự phát xạ ánh sáng đỏ nút khuyết oxi sai hỏng mạng tinh thể SnO gây 12 mmol 18000 16000 C-êng ®é PL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 400 500 600 700 800 900 B-íc sãng (nm) Hình 3.22 Phổ PL mẫu SnO2 nung 450 0C h (12 mmol Na3C6H5O7) GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 53 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt Kết c ng phù hợp với số nghiên cứu công bố trước đó, nghiên cứu tác giả V Th Trà, huỳnh quang nano SnO2 có dãy phát xạ rộng từ 430 - 850 nm, có đ nh huỳnh quang cực đại bước sóng 630 nm (hình 3.23)[3], theo nghiên cứu Sunghoon Park cộng sự, huỳnh quang dây nano SnO2 có dãy phát xạ rộng từ 410 - 830 nm với đ nh huỳnh quang cực đại bước sóng 600 nm (hình 3.24) [20] Hình 3.23 PL SnO2, a pH=5 (PEG), b pH=7 (PEG), c pH=12, d pH=7 [3] Hình 3.24 Phổ PL dây nano SnO2 [20] GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 54 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt Để khảo sát phụ thuộc nhiệt độ vào tính chất huỳnh quang mẫu SnO2 tổng hợp phương pháp thủy nhiệt 180 0C h, tiến hành đo phân tích phổ PL mẫu SnO2 trước sau ủ nhiệt Hình 3.25 3.26 phổ PL so sánh mẫu SnO2 trước sau khu ủ nhiệt 450 0C h 16000 (b) (a) 14000 C-êng ®é PL 12000 10000 8000 6000 4000 2000 400 500 600 700 800 900 B-íc sãng (nm) Hình 3.25 Phổ PL mẫu SnO2, hàm lượng mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu trước ủ nhiệt; (b) mẫu ủ nhiệt 450 0C h 20000 (b) (a) C-êng ®é PL 15000 10000 5000 400 500 600 700 800 900 B-íc sãng (nm) Hình 3.26 Phổ PL mẫu SnO2, hàm lượng 10 mmol Na3C6H5O7, (a) mẫu trước ủ nhiệt; (b) mẫu ủ nhiệt 450 0C h GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 55 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt Khi nhiệt độ thay đổi cường độ huỳnh quang SnO2 c ng thay đổi Từ hình 3.25 hình 3.26 ta thấy, phổ huỳnh quang mẫu SnO2 trước ủ nhiệt có cường độ thấp nhiều so với mẫu SnO2 ủ nhiệt 450 0C h Hình 3.25a phổ PL mẫu SnO2 hàm lượng mmol Na3C6H5O7, phổ có hai đ nh phát xạ Đ nh thứ có bước sóng 510 nm, ứng với ánh sáng màu lục vùng ánh sáng khả kiến Đ nh thứ hai có bước sóng 774 nm, ứng với ánh sáng vùng hồng ngoại gần Tuy nhiên, cường độ hai đ nh yếu Khi ủ nhiệt 450 0C h (hình 3.25b) phổ PL mẫu SnO2 có thay đổi rõ rệt, cường độ phát huỳnh quang tăng đáng kể, đ nh phổ c ng thay đổi Mẫu SnO2 hàm lượng mmol Na3C6H5O7 sau ủ nhiệt 450 0C h, có hai đ nh phát xạ mạnh bước sóng 595 nm 635 nm, vùng bước sóng ứng với ánh sáng vàng - đỏ Tương tự, phổ PL mẫu SnO2 hàm lượng 10 mmol Na3C6H5O7 trước sau ủ nhiệt (hình 3.26) c ng có thay đổi Trước ủ nhiệt (hình 3.26a) phổ PL mẫu SnO2 có đ nh phát xạ yếu bước sóng 525 nm - ứng với ánh sáng màu lục vùng ánh sáng khả kiến Mẫu SnO2 hàm lượng 10 mmol Na3C6H5O7 sau ủ nhiệt 450 0C h, có hai đ nh phát xạ mạnh bước sóng 605 nm 645 nm, vùng bước sóng ứng với ánh sáng màu cam màu đỏ vùng ánh sáng khả kiến Điều ủ nhiệt, tinh thể SnO2 hình thành ngày nhiều, sai hỏng mạng SnO2 tăng lên dẫn đến cường độ huỳnh quang SnO tăng lên đ nh phát quang SnO2 c ng thay đổi 24500 14700 9800 C-êng ®é PL 19600 4900 mmol mmol mmol mmol mmol 10 mmol 12 mmol 14 mmol 400 500 600 700 800 900 1000 B-íc sãng (nm) Hình 3.27 Phổ PL mẫu SnO2 ủ nhiệt 450 0C h, hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi từ - 14 mmol GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 56 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt Khi hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi phổ PL mẫu SnO2 c ng có thay đổi đ nh cường độ, đ nh phát xạ Hình 3.27 phổ PL mẫu SnO2 ủ nhiệt 450 0C h, hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi từ - 14 mmol Ta thấy, điều kiện nhiệt độ, hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi phổ PL mẫu SnO2 c ng thay đổi Hầu cường độ đ nh phổ PL mẫu SnO2 giảm, hàm lượng Na3C6H5O7 mẫu tăng Tuy nhiên, hàm lượng Na3C6H5O7 mẫu tăng đ nh phổ mẫu c ng có thay đổi Mẫu SnO2 có hàm lượng Na3C6H5O7 mẫu - 10 mmol có hai đ nh phát xạ, rõ nét mẫu mmol (khơng có Na3C6H5O7) mẫu mmol Các mẫu 12 mmol 14 mmol ch có đ nh phát xạ 650 nm, ứng với ánh sáng màu đỏ vùng ánh sáng khả kiến Nhìn chung, phổ huỳnh quang mẫu SnO2 có dãy phát xạ nằm vùng ánh sáng khả kiến có đ nh bước sóng 650 nm Khi nhiệt độ tăng, cường độ phát xạ đ nh huỳnh quang c ng tăng đáng kể, đồng thời c ng có chuyển dời đ nh phát xạ Khi thay đổi hàm lượng Na3C6H5O7 mẫu SnO2 cường độ huỳnh quang đ nh phát xạ huỳnh quang c ng có thay đổi Để hỗ trợ cho việc chế tạo cảm biến quang, linh kiện điện huỳnh quang số thiết b quang điện khác, chọn mẫu SnO2 chế tạo phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng tối ưu 12 mmol Na3C6H5O7 mẫu nung 450 0C h GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 57 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt KẾT LUẬN Trong nghiên cứu luận văn, chúng tơi xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo thành công tinh thể SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt với quy trình chế tạo vật liệu ổn đ nh đạt kết sau: Chế tạo thành công nano tinh thể SnO2, nồng độ mol Na3C6H5O7 khác nhau, có cấu trúc nano kích thước trung bình ~ - 39 nm (trước ủ nhiệt 450 °C, h) ~ 11 - 18 nm (sau ủ nhiệt 450 °C h), tinh thể có đ nh hướng ưu tiên theo mặt phẳng (110), (101) (211) Những tinh thể nano SnO2 có cấu trúc bốn phương rutile, với số mạng a = b = 4,738 , c = 3,188 Kết nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu bột SnO2 cấu trúc nano tổng hợp thủy nhiệt 180 0C 12 h ủ nhiệt 450 0C 2h với hàm lượng Na3C6H5O7 thay đổi từ - 14 mmol, nhận thấy có mặt Na3C6H5O7 có vai tr quan trọng việc hình thành cấu cấu trúc hoa mẫu nano SnO2 Hàm lượng mmol Na3C6H5O7 vật liệu SnO2 thu có cấu trúc bơng hoa, có dạng hình cầu, đường kính ~3 , lắp ghép từ cánh hoa có, chiều dài ~ 250 nm, bề dày cánh hoa ~10 nm Cấu trúc nano gọi cấu trúc nano Hierarchical mang lại nhiều khả ứng dụng vật liệu SnO2 ứng dụng chế tạo pin Lithium, cảm biến khí Dựa kết khảo sát tính chất huỳnh quang vật liệu, nhận thấy phổ PL vật liệu SnO2 dãy phát xạ vùng ánh sáng khả kiến với bước sóng 480 - 860 nm với đ nh bước sóng 650 nm nút khuyết oxi sai hỏng mạng SnO2 gây Cường độ đ nh phát xạ có thay đổi theo điều kiện trước sau ủ nhiệt (cường độ huỳnh quang tinh thể SnO2 ủ nhiệt mạnh cường độ huỳnh quang trước ủ nhiệt) Dựa vào kết nhiễu xạ tia X, ảnh hiển vi điện tử quét, phổ quang huỳnh quang mẫu tinh thể SnO2 cấu trúc nano, thấy mẫu nano SnO2 có cấu trúc dạng bơng hoa, với hàm lượng mmol Na3C6H5O7 tối ưu GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 58 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt KIẾN NGHỊ Vì thời gian thực đề tài có hạn, nên tơi chưa nghiên cứu sâu tính chất, ứng dụng SnO2 Đề tài nên tiếp tục mở rộng nghiên cứu theo hướng sau: hồn thiện quy trình chế tạo SnO2 có cấu trúc nhỏ hơn, khảo sát điều kiện tổng hợp SnO2 (pH, nhiệt độ thủy nhiệt, thời gian thủy nhiệt, thời gian nhiệt độ nung mẫu, ) Pha tạp chất khác để phổ PL SnO2 phát xạ ánh sáng có màu sắc đa dạng ứng dụng việc chế tạo linh kiện điện huỳnh quang cảm biến quang, GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 59 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] http://vi.wikipedia.org/wiki/công nghệ nano Huỳnh Th Kim Quyên "Khảo sát tính nhạy khí màng SnO pha tạp Sb", luận văn thạc sĩ, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG TP.HCM V Th Trà, "Nghiên cứu chế tạo tính chất huỳnh quang vật liệu nano SnO2:Eu3+", luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa hà Nội, 2007 Nguyễn Th Búp, "Tổng hợp khảo sát tính chất quang vật liệu ZnO cấu trúc nano", Luận văn Thạc sĩ Đại học Cần Thơ, Cần Thơ, 2014 J.D Prades, J Arbiol, A Cirera, J.R Morante, M Avella, L Zanotti, E Comini, G Faglia, G Sberveglieri, " Defect study of SnO2 nanostructures by cathodoluminescence analysis: Application to nanowires",Italy, Spain, 2006 M.Alaf∗, D.Gultekin, H.Akbulut "Electrochemical properties of free-standing Sn/SnO2/multi-walled carbon nanotube anode papers for Li-ion batteries" Agnese Birrozzi, Rinaldo Raccichini, Francesco Nobilia, Mario Marinaroc, Roberto Tossici, Roberto Marassi "High-stability graphene nano sheets/SnO2composite anode for Lithium ion batteries" Đinh Th Mai Thanh, Nguyến Th Lê Hiền "Phản ứng oxi hóa phenol điện cực SnO2-Sb2O5/Ti", 2007 http://www.pinmattroi.com/kien-thuc-co-ban-ve-pin-mat-troi/phan-loai-cautao-va-hoat-dong-cua-pin-mat-troi.html Lê Văn Ngọc, Phạm Ngọc Hiền, Hoàng Lê Thanh Trang, Trần Tuấn, Huỳnh Thành Đạt "Ảnh hưởng nhiệt độ đế lên cấu trúc tính chất điện màng dẫn điện suốt SnO2:Sb chế tạo phương pháp phún xạ Magnetron phản ứng", ĐHQG - HCM, 2009 Trần Kim Cương, "Chế tạo, nghiên cứu số tính chất khả ứng dụng màng nano oxit Titan", Luận án Tiến sĩ, 2009 Đỗ Th Anh Thư, "Chế tạo nghiên cứu tính chất cảm biến nhạy cồn sở vật liệu oxit perovskit", luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, Viện Khoa học Vật Liệu, Hà Nội, 2011 http://www.atstotal.com/cam-bien/cam-bien-gas.html Nguyễn Ngọc Long "vật lý chất rắn" Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2007 Phan Thành Cơng, "Chế tạo nghiên cứu số tính chất vật liệu ZnO pha tạp Ni2+", luận văn thạc sĩ khoa vật lý, ĐHSPHN, 2006 Phạm Văn Th nh, "Phương pháp phún xạ MAGENETRON RF chế tạo màng mỏng" GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 60 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt [17] [18] [19] [20] Nguyễn Văn Ngọc, "Phổ hấp thụ huỳnh quang nano tinh thể bán dẫn CdS CdS/ZnS chế tạo AOT", 2009 Nguyễn Trí Tuấn, "Nghiên cứu tổng hợp khảo sát tính chất quang nano tinh thể bán dẫn ZnS pha tạp Cu Mn", luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa hà Nội, 2012 http://www.kilobooks.com/che-tao-bot-sno2-sno2-co-va-nghien-cuu-cau-truckich-thuoc-hat-tinh-chat-tu-cua-chung-20618 Sunghoon Park, Chanseok Hong, Jungwoo Kang, Namhee Cho, Chongmu Lee " Growth of SnO2 nanowires by thermal evaporation on Au-coated Si substrates" GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 61 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt PHỤ LỤC PHỤ LỤC THẺ CHUẨN JCSD 00-021-1250 CỦA SnO2 GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 62 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt PHỤ LỤC GIẢN ĐỒ NHIỄU XẠ TIA X (PHỔ CHUẨN) GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 63 SVTH: Phan Th Mỹ Linh Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt PHỤ LỤC KÍCH THƯỚC TRUNG BÌNH CỦA TINH THỂ SnO2 GVHD: TS Nguyễn Trí Tuấn Trang 64 SVTH: Phan Th Mỹ Linh ... "Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt" MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Chế tạo thành công vật liệu SnO2 cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt - Nghiên cứu cấu trúc, tính... cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt - Khảo sát cấu trúc tính chất quang SnO2 cấu trúc nano tổng hợp - Nghiên cứu ứng dụng SnO2 cấu trúc nano đời sống CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên. .. học nano công nghệ nano 1.3 Chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano chế tạo hai phương pháp: phương pháp từ lên phương pháp từ xuống 1.3.1 Phương pháp từ lên Khái niệm: phương pháp từ lên phương pháp