1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+

Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+

Khoá luận này nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnS:Mn2+ có kích thước nano. Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Mn đến tính chất quang của mẫu bột ZnS:Mn2+. Mời các bạn cùng tham khảo! TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------- PHÙNG THANH HẰNG TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU ZnS:Mn2+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa học vô cơ HÀ NỘI - 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------- PHÙN

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 62

Ngày tạo 10/16/2021 5:28:09 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.34 M

Tên tệp

Tải Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Tổng hợp và tính chấ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------- PHÙNG THANH HẰNG TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU ZnS:Mn2+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa học vô cơ HÀ NỘI - 2018
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------- PHÙNG THANH HẰNG TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU ZnS:Mn2+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa học vô cơ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN VĂN QUANG HÀ NỘI - 2018
  3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận “Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+”, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Văn Quang, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong khoa Hóa học- trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã đào tạo và trang bị cho em những kiến thức cơ bản giúp em thực hiện khóa luận này. Đồng thời, em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích, tạo mọi điều kiện để em có thể thực hiện khóa luận thành công. Trong quá trình thực hiện khóa luận, em không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô và các bạn nhiệt tình đóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Phùng Thanh Hằng
  4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................4 1.1. Vật liệu nano........................................................................................... 4 1.1.1. Định nghĩavà phân loại vật liệu nano ............................................. 4 1.1.2. Đặc trưng của vật liệu nano ............................................................ 6 1.1.3. Ứng dụng....................................................................................... 10 1.2. Vật liệu nano ZnS ................................................................................. 11 1.2.1. Cấu trúc tinh thể ZnS .................................................................... 11 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnS .............................................. 13 1.2.3. Ứng dụng của vật liệu nano ZnS................................................... 14 1.3. Tính chất quang của vật liệu ZnS ......................................................... 15 1.3.1. Cơ chế hấp thụ ánh sáng ............................................................... 16 1.3.2. Cơ chế chuyển dời......................................................................... 19 1.4. Tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+ ............................................... 19 1.4.1. Tính chấ t quang của ZnS:Mn2+ khố i ............................................ 19 1.4.2. Tính chấ t huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ .................... 21 1.4.3. Hiệu suất quang lượng tử của huỳnh quang của ZnS:Mn2+.......... 25 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......27 2.1. Thực nghiệm ......................................................................................... 27 2.1.1. Hóa chất và dụng cụ thiết bị ......................................................... 27 2.1.2. Tổng hợp mẫu ............................................................................... 27 2.2. Một số phương pháp khảo sát mẫu và tính chất quang của vật liệu .... 30 2.2.1. Phép đo phổ nhiễu xạ tia X ........................................................... 30 2.2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ........................................ 31
  5. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2.2.3. Phương pháp phổ huỳnh quang .................................................... 33 2.2.4. Phổ kích thích huỳnh quang .......................................................... 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................36 3.1. Cấu trúc pha tinh thể của vật liệu ZnS:Mn2+ ........................................ 36 3.2. Hình thái bề mặt và kích thước hạt của nano tinh thể ZnS:Mn2+......... 37 3.3. Tính chất quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ ...................................... 38 3.3.1. Tính chất quang của ZnS .............................................................. 38 3.3.2. Tính chất quang của ZnS:Mn2+ ..................................................... 40 KẾT LUẬN .............................................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................51
  6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AIIBVI II- VI semiconductor Bán dẫn nhóm II- VI CB Conductive band Vùng dẫn trong bán dẫn E Energy Năng lượng Eexc Energy of exciton Năng lượng exciton Năng lượng vùng cấm bán dẫn Eg(∞) Bandgap of bulk semiconductor khối Bandgap energy of a Năng lượng vùng cấm của hạt Eg(NPs) nanoparticles nano I Intensity of luminescence Cường độ huỳnh quang PL Photo lumines cence spectrum Phổ huỳnh quang Photoluminescence excitation PLE Phổ kích thích huỳnh quang spectrum SEM Sacnning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Transmission electron TEM Hiển vi điện tử truyền qua microscope VB Valence band Vùng hóa trị XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia x α Absorption coefficient Hệ số hấp thụ ΔE Transition energy Năng lượng chuyển tiếp λ Wavelength Bước sóng μ Transition dipole moment Môment lưỡng cực chuyển tiếp
  7. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Khi kích thước hạt tăng, tổng số nguyên tử trong hạt tăng, ............. 9 Bảng 1.2. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu .............................. 9 Bảng 2.1. Số liệu thực nghiệm tổng hợp bột huỳnh quang ZnS:Mn2+ ở các tỷ lệ pha tạp khác nhau ............................................................. 30
  8. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các loại vật liệu nano: (0D) hạt nano hình cầu, cụm nano; (1D) dây, thanh nano; (2D) màng, đĩa và lưới nano; (3D) vật liệu khối.................................................................................................... 4 Hình 1.2. Hạt nano và đám nano ....................................................................... 4 Hình 1.3. Vật liệu nano một chiều .................................................................... 5 Hình 1.4. Màng nano ......................................................................................... 5 Hình 1.5. (a) Hệ vật rắn khối ba chiều 3D, (b) Hệ hai chiều 2D (màng nano),(c) Hệ một chiều 1D(dây nano), (d) Hệ không chiều 0D (hạt nano) .......................................................................................... 6 Hình 1.6. Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang và điện của vật liệu ................................................................ 7 Hình 1.7. Cấu trúc Wurtzite ............................................................................ 11 Hình 1.8. Cấu trúc lập phương giả kẽm Sphalezite ........................................ 12 Hình 1.9. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnS dạng Wurtzite ........................ 13 Hình 1.10. Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể ZnS dạng Sphalezite ....... 14 Hình 1.11. Sơ đồ chuyển mức điện tử khi vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng ................................................................................................. 17 Hình 1.12. Các chuyển mức của điện tử vẽ trong không gian ........................ 17 Hình 1.13. Các quá trình phát quang trong tinh thể bán dẫn ......................... 19 Hình 1.14. Mức năng lượng của ion Mn2+ ở trạng thái tự do và trong trường đối xứng lập phương. Phổ kích thích huỳnh quang của ZnS chuyển mức từ 6A1 (6S) đến trạng thái các mức khác nhau ... 20 Hình 1.15. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của ZnS:Mn2+ khối đo ở bước sóng kích thích 365 nm (3.4 eV) và 254 nm (4.88 ev) .................. 20 Hình 1.16. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của ZnS:Mn2+ khối ................... 21 Hình 1.17. So sánh phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của nano và micro tinh thể ZnS:Mn2+ ............................................................ 22
  9. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 1.18. Phổ huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ của nano tinh thể ZnS:Mn2+ cho thấy sự tồn tại của dải phát xạ thứ hai trong vùng bước sóng ~ 350- 500 nm .............................................................. 23 Hình 1.19. Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS trước (đường A) và sau khi pha ta ̣p bề mă ̣t với ion Mn2+ (đường B, C, D).................... 23 Hình 1.20. Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ ............................. 24 Hình 1.21. Giản đồ các quá trình truyền năng lượng liên quan đến phát huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ ..................................... 25 Hình 1.22. Sự thay đổi hiệu suất lượng tử huỳnh quang theo kích thước hạt nano .......................................................................................... 25 Hình 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu nano tinh thể ZnS không pha tạp bằng phương pháp đồng kết tủa............................................................... 28 Hình 2.2. Sơ đồ chế tạo mẫu ZnS:Mn2+ bằng phương pháp đồng kết tủa ...... 29 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của nhiễu xạ tia X ................................................ 31 Hình 2.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL) ......................... 33 Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang........................................................ 33 Hình 2.6. Hệ huỳnh quang (Nanolog, Horiba Jobin Yvon) nguồn kích thích là đèn Xenon công suất 450 W có bước sóng từ 250 ÷ 800 nm, tại viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. ............................................................ 34 Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ đo kích thích huỳnh quang. ES-nguồn ánh sáng kích thích, SM- máy đơn sắc, BS- ấm tách ánh sáng, Sample- mẫu đo, Ref- tín hiệu so sánh, PMT- ống nhân quang điện, F- kính lọc. ............................................................................. 34 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano tinh thể ZnS:Mn2+8% nhận được sau khi tổng hợp sử du ̣ng quy trình tổ ng hơ ̣p hình 2.2 .......... 36 Hình 3.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của nano tinh thể ZnS: Mn2+8% ........................................................................................... 37
  10. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 3.3. Phổ huỳnh quang của tinh thể ZnS được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ............................................................................ 38 Hình 3.4. Phổ kích thích huỳnh quang của tinh thể ZnS được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa ở bước sóng 411nm.............................. 39 Hình 3.5. Phổ huỳnh quang đă ̣c trưng của nano tinh thể ZnS pha ta ̣p Mn2+ 0,5% khi đươ ̣c kích thích bởi bước sóng 333 nm ........................... 40 Hình 3.6. Phổ kích thích huỳnh quang tương ứng của đỉnh 417 nm .............. 41 Hình 3.7. Phổ kích thích huỳnh quang tương ứng của đỉnh phát xa ̣ 594 nm của các mẫu nano tinh thể ZnS:Mn2+0,5% và ZnS:Mn2+1% .......... 42 Hình 3.8. Phổ huỳnh quang của tinh thể nano ZnS: Mn2+ với các nồng độ Mn2+pha tạp khác nhau ................................................................... 43 Hình 3.9. Sự thay đổ i của cường đô ̣ của đỉnh phát xa ̣ 417 nm khi tăng nồ ng đô ̣ Mn2+ pha ta ̣p từ 0 đế n 14 % trong nano tinh thể ZnS . ..... 44 Hình 3.10. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của nano tinh thể ZnS pha ta ̣p 0,5 % và 14 % Mn2+ ................................................... 45 Hình 3.11. Phổ kích thích huỳnh quang của nano tinh thể ZnS pha ta ̣p 0,5 % và 14 % Mn2+ .............................................................................. 45 Hình 3.12. Sự phu ̣ thuô ̣c nhiêṭ đô ̣ của phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+8% trong vùng nhiêṭ đô ̣ từ 11-300 K ............................. 47
  11. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài ZnS là một trong những hợp chất bán dẫn điển hình và quan trọng thuộc nhóm bán dẫn AIIBVI. Trong đó vật liệu nano ZnS có nhiều tính chất vật lí và tính chất hóa học đặc biệt mà bán dẫn khối không có như: độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa học bền vững và ứng dụng nhiều trong kĩ thuật. Vật liệu bán dẫn ZnS có vùng cấ m thẳng, độ rộng vùng cấm lớn nhất trong các hợp chất bán dẫn AIIBVI (Eg = 3,68 eV ở nhiệt độ phòng) và có độ bền nhiệt độ cao… Với vùng cấm thẳng, đồng thời chuyển mức phát quang gây bởi các tâm sâu có xác xuất lớn nên ZnS có hiệu suất lượng tử phát quang lớn. Nó đã đươ ̣c nghiên cứu xuyên suố t thế kỷ 20 do khả năng ứng du ̣ng rô ̣ng raĩ trong các linh kiêṇ điêṇ huỳnh quang, thiế t bi hiể ̣ n thi ̣và chiế u sáng. Đặc biệt ta có thể điều khiển độ rộng vùng cấm như mong muốn thu được dải phát xạ khác trong vùng ánh sáng nhìn thấy của tinh thể ZnS. Các hạt nano có thể được pha thêm các ion kim loại chuyển tiếp như: Ni2+, Mn2+, Cu2+, Eu3+ hoặc Co2+…; thay đổi nồng độ pha tạp, thay đổi điều kiện chế tạo mẫu nhằm cải thiện tính chất quang của chúng. Chính vì vậy ZnS có nhiều ứng dụng rộng rãi trong khoa học kĩ thuật như: bột huỳnh quang ZnS được sử dụng trong các tụ điện huỳnh quang, các màn Rơnghen, màn của các ống phóng điện tử. Người ta chế tạo được nhiều loại photodiode trên cơ sở lớp chuyển tiếp p – n của ZnS, suất quang điện động của lớp chuyển tiếp p – n trên tinh thể ZnS thường đạt tới 2,5V. Điều này cho phép có thể hy vọng những bước phát triển trong công nghệ chế tạo thiết bị ghi đọc quang học laser như: làm tăng mật độ ghi thông tin trên đĩa, tăng tốc độ làm việc của các máy in laser, đĩa compact, tạo khả năng sử dụng bảng màu trộn từ 3 laser phát màu cơ bản. Bên cạnh đó, hợp chất ZnS pha tạp với các ion kim loại chuyển tiếp (Ni2+, Cu2+, Mn2+, Pb2+, …) được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực điện phát quang, chẳng hạn như trong các dụng cụ phát xạ electron làm việc ở dải tần rộng. Cùng với việc pha thêm tạp chất Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 1 K40D- Sư phạm Hóa học
  12. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP và thay đổi nồng độ tạp chất, có thể điều khiển được độ rộng vùng cấm làm cho các ứng dụng của vật liệu ZnS càng trở nên phong phú. Ngày nay vật liệu ZnS càng thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu do những tính chất đặc biệt của nó khi các hạt ở kích thước nano. Những tính chất này gây ra bởi hiệu ứng lượng tử hóa do kích thước các hạt bị thu nhỏ. Các nghiên cứu của các tác giả trước cũng đã chỉ ra ở điều kiện nồng độ tạp chất tối ưu, tác động của các điều kiện tổng hợp trong khi chế tạo (chế độ nung ủ trong không khí hay trong khí Ar …) và của các chất phụ gia polyme đưa vào… đã ảnh hưởng đến hiệu suất lượng phát quang của tinh thể ZnS:Mn2+. Tuy nhiên các kết quả đưa ra chưa có sự thống nhất về điều kiện nồng độ tạp chất (về nồng độ Mn2+ tối ưu và cách giải thích về sự ảnh hưởng ảnh hưởng của các chất phụ gia đưa vào, ảnh hưởng của một hay nhiều thông số trong điều kiện chế tạo…). Từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: "Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+” 2. Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnS:Mn2+ có kích thước nano . - Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu ZnS:Mn2+. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Mn đến tính chất quang của mẫu bột ZnS:Mn2+. 3. Phương pháp nghiên cứu: Khóa luận được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa. Các số liêụ đo đa ̣c, kiể m tra đươ ̣c đánh giá, phân tích dựa trên các số liêu, ̣ kế t quả, mô hình lý thuyế t đã đươ ̣c công bố . 4. Những đóng góp mới - Chế tạo thành công bột huỳnh quang ZnS pha tạp Mn2+ bằng phương pháp đồng kết tủa. Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 2 K40D- Sư phạm Hóa học
  13. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP - Đã nghiên cứu một cách hệ thống sự phụ thuộc của phổ phát xạ của bột huỳnh quang ZnS pha tạp Mn2+ vào nồng độ Mn2+ pha tạp và bước sóng kích thích, để nhận được bột huỳnh quang có chất lượng tinh thể tốt và cường độ phát quang cao, giá thành rẻ và ứng dụng nhiều trong các ngành công, nông nghiệp. 5. Cấu trúc của khóa luận: • Mở đầu • Nội dung Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận • Kết luận • Tài liệu tham khảo Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 3 K40D- Sư phạm Hóa học
  14. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu nano 1.1.1. Định nghĩavà phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là loại vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước nanomet (1- 100 nm), gồm các đai nano, ống nano, dây nano và hạt nano. Ở kích thước nano, vật liệu có những tính chất đặc biệt do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích bề mặt. Căn cứ vào hình dạng, có thể chia vật liệu nano thành các loại sau đây (hình 1.1) [1]: Hình 1.1. Các loại vật liệu nano: (0D) hạt nano hình cầu, cụm nano; (1D) dây, thanh nano; (2D) màng, đĩa và lưới nano; (3D) vật liệu khối [2] - Vật liệu nano không chiều (0D): là vật liệu trong đó cả ba chiều đều ở kích thước nanomet, không còn chiều tự do nào cho điện tử. Nó còn được gọi là chấm lượng tử. Các chấm lượng tử là những hệ có kích thước theo cả ba chiều có thể so sánh với bước sóng De Broilie của các kích thích cơ bản trong tinh thể. Hiệu ứng lượng tử xảy ra với chấm lượng tử là độ rộng vùng cấm của bán dẫn tăng dần khi kích thước của chấm lượng tử giảm. Ngoài ra, ở chấm lượng tử còn có sự thay đổi dạng của cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố lại trạng thái ở lân cận vùng hóa trị và đáy vùng dẫn [3]. Ví dụ: đám nano, hạt nano… Hình 1.2. Hạt nano và đám nano [4] a. Đám nano b. Hạt nano Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 4 K40D- Sư phạm Hóa học
  15. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP - Vật liệu nano một chiều (1D): là vật liệu trong đó có hai chiều ở kích thước nanomet, điện tử chuyển động tự do trong một chiều. Ví dụ như: dây, ống nano… Hình 1.3. Vật liệu nano một chiều [4] a. Dây nano kẽm oxit lớn trên đế silic b. Ống nano cacbon - Vật liệu nano hai chiều (2D): là vật liệu có một chiều ở kích thước nanomet, điện tử có thể chuyển động tự do trong hai chiều. Ví dụ như: màng nano, tấm nano…. Hình 1.4. Màng nano - Vật liệu khối (3D): là vật liệu không có giới hạn về kích thước, điện tử chuyển động gần tự do. Hình dưới đây là bức tranh tổng quát về vật liệu bán dẫn khối (hệ ba chiều) và vật liệu nano (hệ hai chiều, một chiều, không chiều hoặc chấm lượng tử) và phổ mật độ trạng thái lượng tử của chúng: Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 5 K40D- Sư phạm Hóa học
  16. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 1.5. (a) Hệ vật rắn khối ba chiều 3D, (b) Hệ hai chiều 2D (màng nano),(c) Hệ một chiều 1D(dây nano), (d) Hệ không chiều 0D (hạt nano) [4] Trong thực tế, có những loại vật liệu có cấu trúc hỗn hợp, trong đó chỉ có một phần vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó là sự tổ hợp của vật liệu nano không chiều, một chiều, hai chiều. Ngoài ra còn có vật liệu nanocomposit trong đó chỉ một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen nhau. Ví dụ nanocomposit bạc/ silica, bạc/ uretan… 1.1.2. Đặc trưng của vật liệu nano Một trong những đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô cùng nhỏ, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 1 hoặc 2 bậc. Do đó tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt trên số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với tỉ số này đối với các vật liệu có kích thước lớn hơn. Nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano hầu hết các nguyên tử đều được “phơi” ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Vì vậy ở các vật liệu có kích thước nanomet, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội như tính chất điện, quang, từ… Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 6 K40D- Sư phạm Hóa học
  17. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano 3 hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước. * Hiệu ứng lượng tử: Đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1 μm3 vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử), hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử. Do đó có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét các giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm… Hình 1.6. Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang và điện của vật liệu [4] Một biểu hiện rõ nét của hiệu ứng lượng tử là sự mở rộng vùng cấm của chất bán dẫn tăng dần khi kích thước hạt giảm đi, quan sát thấy sự dịch chuyển về phía các bước sóng xanh của bờ hấp thụ. Khi kích thước hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton thì xảy ra hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effect), khi đó các trạng thái điêṇ tử cũng như các trạng thái dao động của các hạt tải trong hạt nano bị lượng tử hóa. Hiệu ứng giam giữ lượng Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 7 K40D- Sư phạm Hóa học
  18. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP tử có thể được mô tả một cách sơ lược như sau: trong vật liệu bán dẫn khối, các điêṇ tử trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hoá trị chuyển động tự do trong khắp tinh thể, do lưỡng tính sóng hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nanomet. Nếu kích thước của khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt tải điện bị giam trong khối này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một hộp thế (potential box). Nghiệm của phương trình Schrodinger trong trường hợp này là các sóng dừng bị giam trong giếng thế và năng lượng tương ứng với hai hàm sóng riêng biệt, khác nhau và gián đoạn. Sự chuyển dời của hạt tải điện giữa hai mức năng lượng gián đoạn nêu trên sẽ gây ra quang phổ vạch. Hệ hạt khi đó được gọi là hệ bị giam giữ lượng tử. Sự phân chia thành các chế độ giam giữ lượng tử theo kích thước được biểu hiện như sau: - Khi bán kính hạt r < 2rB (rB là bán kính Bohr) ta có chế độ giam giữ mạnh. - Khi r ≥ 4rB ta có chế độ giam giữ yếu. - Khi 2rB ≤ r ≤ 4rB ta có chế độ giam giữ trung gian. * Hiệu ứng bề mặt: Trong vật liệu nano, đa số các nguyên tử đều nằm trên bề mặt, nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong. Do đó các hiệu ứng có liên quan tới bề mặt như: độ hoạt động bề mặt, khả năng hấp phụ… của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối. Điều này đã mở ra những ứng dụng kì diệu cho lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu. * Hiệu ứng kích thước: Hầu hết các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lý, hóa học không đổi như: độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit…Tuy nhiên các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ là bất biến nếu kích thước của vật liệu đủ lớn (thường lớn hơn 100 nm). Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hơn 100nm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngược lại Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 8 K40D- Sư phạm Hóa học
  19. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP chúng sẽ thay đổi theo kích thước. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước. Kích thước mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi kích thước được gọi là kích thước tới hạn. Bảng 1.1. Khi kích thước hạt tăng, tổng số nguyên tử trong hạt tăng, phần trăm số nguyên tử trên bề mặt hạt giảm [5] Bảng 1.2. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [5] Độ dài tới Tính chất Thông số hạn (nm) Tương tác bất định số 1- 1000 Biên hạt 1-10 Tính chất cơ Bán kính khởi động nứt vỡ 1- 100 Sai hỏng mầm 0,1- 10 Độ nhăn bề mặt 1- 10 Bước sóng điện tử 10- 100 Tính chất Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1- 100 điện Hiệu ứng đường ngầm 1- 10 Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 9 K40D- Sư phạm Hóa học
  20. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Độ dày vách đômen 10- 100 Tính chất từ Quãng đường tán xạ spin 1- 100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1- 100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meiner 1- 100 Giếng lượng tử 1- 100 Tính chất Độ dài suy giảm 10- 100 quang Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 1.1.3. Ứng dụng Hầu hết các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện tử và quang. Những vi cấu trúc này là một trạng thái độc nhất của vật chất có hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng trong thực tế sản xuất và đời sống. Do có kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại, làm tăng tỉ trọng gói. Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi ích như: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì thế mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, ví dụ như bộ nhớ. Những phức tạp này chưa được khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tiềm ẩn trong chúng. Như vậy, vật liệu nano có tính chất thú vị khi kích thước của nó so sánh được với các độ dài tới hạn của tính chất và đối tượng mà ta nghiên cứu. Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10- 100 nm), virus (20- 450 nm), protein (5- 50 nm), gen (chiều rộng 2 nm và chiều dài 10- 100 nm). Ứng dụng của vật Sinh viên: Phùng Thanh Hằng 10 K40D- Sư phạm Hóa học
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược