Đề tài : Tổng hợp vật liệu zno có cấu trúc một chiều nhằm hướng tới ứng dụng trong pin mặt trời dị thể vô cơ- hữu cơ

1

BÁO CÁO NGHIỆM THU
 Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu ZnO có cấu trúc một chiều (1D) nhằm hướng
tới ứng dụng trong Pin mặt trời dị thể khối vô cơ/hữu cơ.
 Chủ nhiệm đề tài: Đinh Thị Mộng Cầm
 Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ.
 Thời gian thực hiện đề tài: 1 năm
 Kinh phí được duyệt: 80 triệu đồng
 Kinh phí đã cấp: 72 triệu đồng theo TB số : 145/ TB-SKHCN ngày
24/11/2011
 Mục tiêu:
- Nghiên cứu và chế tạo vật liệu vô cơ ZnO có cấu trúc một chiều (1D)
(nanorod). Vật liệu chế tạo được có cấu trúc tinh thể tốt, độ đồng đều và định
hướng tinh thể cao.
- Xây dựng quy trình tổng hợp ZnO có cấu trúc1D từ việc khảo sát ảnh hưởng
của các thông số chế tạo lên cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và các tính
chất của ZnO 1D tổng hợp được.
 Nội dung: (Theo đề cương đã duyệt và hợp đồng đã ký
Công việc dự kiến
Công việc đã thực hiện
Tập hợp tài liệu, hoàn chỉnh các
hệ chế tạo (thiết kế lại hệ
magnetron) cho phù hợp với
nghiên cứu của đề tài
- Hệ phún xạ magnetron hoạt động ổn
định, có độ lặp lại cao.
- Các hệ chế tạo khác: hệ nhúng, hệ spin
hoạt động tốt
Chế tạo vật liệu vô cơ ZnO có
cấu trúc 1D (nanorod.

nanowire…) với các điều kiện
chế tạo khác nhau
- Chế tạo lớp màng ZnO (lớp mầm) bằng
phương pháp phún xạ.
- Chế tạo lớp màng ZnO (lớp mầm) bằng
phương pháp solgel.
2

- Chế tạo vật liệu ZnO nanorod (NRs)
bằng phương pháp thủy nhiệt trên đế thủy
tinh thuần.
- Chế tạo ZnO NRs trên đế thủy tinh có
phủ một lớp mầm ZnO.
- Chế tạo ZnO NRs khi đế có phủ lớp điện
cực graphene nhằm hướng tới ứng dụng
trong PMT.
Khảo sát và phân tích kết quả
- Khảo sát cấu trúc tinh thể của các mẫu
ZnO NRs bằng phương pháp XRD với
các điều kiện và thông số chế tạo khác
nhau.
- Khảo sát hình thái cấu trúc của ZnO NRs
bằng SEM với các điều kiện và thông số
chế tạo khác nhau.
- Đo phổ truyền qua UV-vis của các mẫu.
- Đo phổ PL của các mẫu
 Sản phẩm nghiên cứu
Tên sản phẩm
Ghi chú
Vật liệu vô cơ ZnO nanorod

Vật liệu có cấu trúc dạng thanh nano ZnO có
chiều dài vài trăm nanomet; đường kính khoảng
50 - 100nm. Mật độ thanh cao, cấu trúc tinh thể
tốt và định hướng của các thanh thẳng đứng
vuông góc với đế.
Qui trình chế tạo
Qui trình ổn định, có tính lặp lại cao.
Một báo cáo khoa học trong Hội
nghị khoa học lần thứ 8,
11/2012, Trường ĐH Khoa học
Đinh Thị Mộng Cầm*, Nguyễn Thanh Bình,
Phạm Nguyễn Nhật Minh, Vũ Đức Lân, “Ảnh
hưởng của lớp mầm lên hình thái cấu trúc và tính
3

Tự nhiên TPHCM.
chất phát quang của các thanh nano ZnO”.
Một báo cáo khoa học trong Hội
nghị Quang học, quang phổ toàn
quốc lần thứ 7, 11/2012,
TPHCM.
Đinh Thị Mộng Cầm*, Nguyễn Hoàng Thảo
Linh, Nguyễn Thanh Hoàng, Nguyễn Chí Thắng,
Nguyễn Thị Kiều Ngân, “Synthesis of ZnO
nanowire on Ti/glass substrates by D.C
magnetron sputter deposition”.
Một đề tài cử nhân năm 2013
Tên đề tài: Tính chất quang và cấu trúc của ZnO
nanorod phát triển trên graphene oxide và reduce
graphene oxide.

Một đề tài cử nhân năm 2012
Tên đề tài: Chế tạo ZnO có cấu trúc nano bằng
phương pháp phún xạ Magnetron.
Bài báo đăng trên tạp chí Phát
triển Khoa học và Công nghệ.
(đã có nhận xét phản biện)
Tổng hợp dây nano ZnO trên đế Ti/thủy tinh
bằng phương pháp phún xạ magnetron dc.











4

Giới thiệu
Ngày nay, với sự gia tăng dân số và sự phát triển kinh tế thì nhu cầu sử dụng
năng lượng trên toàn thế giới ngày càng cao, đặc biệt là những nguồn năng lượng
truyền thống như dầu và khí đốt. Sự gia tăng tiêu thụ các nguồn năng lượng hóa
thạch này dẫn đến những vấn đề mà loài người hiện nay phải đối mặt: các nguồn
nhiên liệu đang dần cạn kiệt nên giá thành cao và sự nóng lên toàn cầu từ phát xạ
khí nhà kính. Do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng sạch đã và đang là vấn đề cấp
thiết hiện nay. Năng lượng mặt trời hiện là một trong các ứng viên tốt nhất.
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo

dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng. Hơn nữa, năng lượng mặt trời là kho tài
nguyên vô tận chưa được khai thác triệt để. Mặt trời liên tục cung cấp cho trái đất
lượng năng lượng khổng lồ, khoảng 120000 TW (terawatts) mỗi ngày trong khi đó
nhu cầu năng lượng của nhân loại chỉ 13TW/ngày (năm 2000) (dự kiến đến năm
2050 là 30 TW/ngày). Điều này có nghĩa là chỉ cần 0.1% năng lượng mặt trời chiếu
xuống trái đất và hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời (PMT) đạt 10% sẽ đáp ứng
đủ nhu cầu năng lượng của chúng ta. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quí
giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày cạn kiệt, giảm phát khí
thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, năng lượng sản xuất được từ mặt trời
vẫn còn ít hơn 0.1% nhu cầu năng lượng toàn cầu [1]. Rào cản lớn nhất cho việc sử
dụng năng lượng mặt trời trên phạm vi rộng là giá thành cao và hiệu suất của PMT
chưa tương xứng.
Khái niệm vật liệu nano chỉ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã
thu hút sự chú ý rất lớn của cả thế giới. Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và
công nghệ nano cuối thế kỷ 20 là một bước ngoặc lớn. Việc cho ra đời vật liệu (đặc
biệt là vật liệu bán dẫn vô cơ) có cấu trúc nano (vật liệu nano) thay thế cho các loại
vật liệu truyền thống đắt tiền và khó chế tạo đã giúp cải thiện đáng kể tính chất và
giá thành của PMT. Từ đó có thể đưa PMT vào sử dụng với qui mô lớn và thay thế
các nguồn năng lượng truyền thống khác trong một tương lai không xa.
5

Trong các vật liệu nano, vật liệu bán dẫn vô cơ ZnO có cấu trúc một chiều
(ZnO 1D) đang được nghiên cứu sôi động nhất trong những năm gần đây. ZnO có
các đặc tính rất đặc biệt và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khoa học kỹ
thuật. Với sự kết hợp những tính chất nổi bật của vật liệu ZnO và những đặc trưng
độc đáo của cấu trúc 1D, ZnO 1D sẽ là vật liệu đầy hứa hẹn và có ý nghĩa quan
trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như trong các ứng dụng kỹ thuật cao, đặc
biệt ứng dụng trong PMT dị thể vô cơ/hữu cơ (PMT thế hệ 4). Trong cấu trúc PMT
này, ZnO 1D đóng vai trò là các đường truyền dẫn điện tích trực tiếp đến các điện
cực. Đồng thời, với cấu trúc 1D sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc của ZnO với vật liệu

polymer liên hợp từ đó khoảng cách từ các eciton đến mặt phân giới giảm làm cho
khả năng phân tách exiton lớn dẫn đến hiệu suất PMT được tăng cường.
Trong thời gian qua, chúng tôi đã nghiên cứu rất nhiều về vật liệu ZnO:
màng mỏng ZnO, hạt nano ZnO ứng dụng trong gương nóng truyền qua, điện cực
trong suốt…. Hơn nữa, trong Khoa có một nhóm nghiên cứu về vật liệu polymer
dẫn ứng dụng trong cấu trúc PMT. Với kiến thức về vật liệu, phương pháp chế tạo,
trong đề tài này chúng tôi sẽ nghiên cứu chế tạo vật liệu ZnO 1D để tiếp nối hướng
nghiên cứu của nhóm đồng thời góp phần gắn kết vào các nghiên cứu đang triển
khai trong Khoa. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài này là: Nghiên cứu chế tạo vật
liệu bán dẫn vô cơ ZnO có cấu trúc 1D nhằm để ứng dụng trong cấu trúc pin mặt
trời lai hóa vô cơ/hữu cơ.









6

Phần 1: Tổng quan
Chương 1: Khái quát về pin mặt trời
1.1. Nguyên lý hoạt động:
Pin mặt trời (PMT) là một hay một hệ thiết bị, được thiết kế để chuyển đổi
quang năng (ánh sáng chiếu vào) thành điện năng một cách trực tiếp. Nền tảng của
PMT là các tế bào mặt trời (SC) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong (hiệu
ứng quang dẫn). Điều này có nghĩa là SC là hạt nhân cấu tạo và quyết định tính chất
của PMT.

Nguyên tắc hoạt động chung của PMT có thể khác nhau tùy loại ứng dụng,
tuy nhiên phải đảm bảo thực hiện hai giai đoạn chính:
- Hấp thụ photon ánh sáng kích thích và chuyển thành cặp điện tử - lỗ
trống liên kết (hay exciton).
- Phân tách cặp điện tử - lỗ trống và chuyển các điện tích này về các điện
cực tương ứng và dẫn ra mạch ngoài.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của PMT truyền thống tiếp xúc p-n:
Các loại PMT dựa trên mối nối p-n hoạt động chung theo một nguyên lý hoạt
động:
Điện trường tiếp xúc này được hình thành khi cho 2 bán dẫn loại n và loại p
tiếp xúc nhau. Lớp tiếp giáp giữa hai loại bán dẫn p và n gọi là lớp chuyển tiếp p-n.
Do sự chênh lệch mức fermi nên sẽ có dòng khuếch tán các hạt dẫn điện tử từ bên n
sang bên p và lỗ trống từ bên p sang bên n để lại các điện tích dương ở lớp chuyển
tiếp của bán dẫn n và các điện tích âm ở lớp chuyển tiếp của bán dẫn p. Sự tạo ra
các điện tích cố định này sinh ra một điện trường tiếp xúc (điện trường nội) trong
vùng chuyển tiếp có chiều chống lại sự gia tăng dòng khuếch tán của điện tử, lỗ
trống.
Điện trường tiếp xúc này kéo các hạt tải không cơ bản mang điện tích trái
dấu theo 2 hướng ngược nhau, đây là bản chất của hiện tượng tách hạt tải của lớp
chuyển tiếp p-n. Ở trạng thái cân bằng, có sự cân bằng của dòng khuyếch tán và
7

dòng trôi do tác dụng của điện trường tiếp xúc. Do vậy dòng chuyển tiếp xem như
bằng 0 ở điều kiện lý tưởng.
Khi chiếu chùm sáng lên PMT theo lý thuyết lượng tử ánh sáng, các hạt
photon mang năng lượng

hc
E 
. Trong những photon tới chỉ có những photon có

năng lượng lớn hơn hay bằng độ rộng vùng cấm E
g
của vật liệu PMT chuyển thành
điện năng. Những photon này xuyên sâu vào chất bán dẫn kích thích làm cho điện
tử đang liên kết với nguyên tử bật ra, để lại lỗ trống như vậy photon đến tạo cặp
điện tử - lỗ trống. Nếu cặp điện tử - lỗ trống sinh ra ở lớp tiếp xúc p-n thì dưới ảnh
hưởng của điện trường tiếp xúc một số điện tử sẽ di chuyển qua lớp bán dẫn loại n
và lỗ trống sẽ di chuyển qua lớp bán dẫn lọai p. Nhưng cơ bản là điện tử nhảy từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn, có thể chuyển động tự do. Nối ra mạch ngoài thì những
điện tử và lỗ trống này sẽ theo đó tái hợp với nhau tạo ra dòng điện.

Hình 1.1. Cấu tạo PMT tiếp xúc p-n.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của PMT hữu cơ loại donor- acceptor:

Bi-layer Bulk-heterojunction
Hình 1.2. Quá trình phân ly exciton đối với PMT loại donor-acceptor.
Khi chiếu sáng, chất donor hấp thụ ánh sáng mặt trời. Liên kết Pi tự do
chuyển lên trạng thái kích thích tạo thành exciton Pi*. Những exciton này chuyển
động tự do khuếch tán đến biên của chất acceptor. Cặp điện tử - lỗ trống phân ly.
8

Điện tử chuyển động về hướng có ái lực điện tử mạnh (phần chất acceptor), còn lỗ
trống chuyển động về hướng ngược lại (phần chất donor). Quá trình điện tử và lỗ
trống chuyển động về 2 cực tạo thành dòng điện.
1.2. Các thế hệ PMT: [2][3]
Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại PMT, người ta phân thành
4 thế hệ:
1.2.1. Thế hệ 1:
PMT đơn tinh thể silic c-Si được chế tạo từ các wafer silic. PMT loại này
được chế tạo trên nền tiếp xúc p-n giống như một diode nhưng có phần diện tích

tiếp xúc lớn hơn nhiều.

Hình 1.3. Nguyên lý cấu tạo PMT c-Si.

 Ưu điểm:
- Yêu cầu kỹ thuật tinh vi.
- Phạm vi quang phổ hấp thụ rộng.
- Độ linh động hạt tải cao.
- Hiệu suất PMT cao (PMT c-Si thương mại hiệu suất khoảng 11%-14%).
 Nhược điểm:
- Yêu cầu công nghệ sản xuất đắt tiền.
- Vật liệu phải có độ dày thích hợp và tinh khiết để hấp thụ hầu hết photon
tới.
- Vật liệu phải có chiều dài khuếch tán hạt tải thiểu số lớn để đạt hiệu quả
trong việc vận chuyển hạt tải quang sinh.
9

1.2.2. Thế hệ 2:
Bao gồm SC silic vô định hình (a-Si), SC Silic đa tinh thể, SC CdTe, SC
CIGS. Chế tạo trên nền mối nối p-n hoặc p-i-n.
 Ưu điểm:
- Diện tích phơ sáng lớn.
- Gọn nhẹ.
- Có thể tích hợp nhiều chức năng.
- SC a-Si cho hiệu quả lượng tử cao hơn với đa nối (trong phòng thí
nghiệm, hiệu suất SC đơn nối đạt 8%, đa nối lên đến 20%).
- Đối với SC CdTe, hiệu suất chuyển đổi ở phòng thí nghiệm là 16,5% ,
quy mô công nghiệp là 8-10%, ưu thế là chi phí sản xuất thấp và ổn định lâu dài.
- Đối với SC CIGS, hiệu suất chuyển đổi là hơn 10% và chi phí sản xuất
thấp do đó nhanh chóng đi vào sản xuất công nghiệp.

- Khối lượng nhẹ, cho phép lắp đặt trên các vật liệu nhẹ và linh hoạt.
 Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp hơn so với c-Si.
- Silic vô định hình không ổn định và lão hóa dưới ánh sáng chiếu(nguyên
nhân là sự sắp xếp lại các liên kết lơ lửng và các nguyên tử H gần liên kết yếu, lơ
lửng).
- Độc tính cao.
- Giá thành lắp đặt và sản xuất còn cao.


Hình 1.4. Cấu tạo PMT CdTe và PMT CIGS.

10

1.2.3. Thế hệ 3:
Bao gồm các PMT tinh thể nano, pin quang điện, và các PMT có các thành
phần hữu cơ như: PMT polymer, PMT DSSC. PMT thế hệ 3 không dựa trên mối
nối p-n truyền thống để tạo hạt tải quang sinh.

Hình 1.5. Cấu tạo PMT polyme.




Hình 1.6. Cấu tạo PMT hữu cơ có cấu trúc di thể khối: acceptor – donor.
 Ưu điểm:
- Hấp thụ phần lớn phổ mặt trời.
- Sản xuất dễ dàng trên đé dẻo.
- Giá thành rẻ hơn hẳn hai thế hệ trước.
- Khối lượng nhẹ nên việc lắp đặt và vận chuyển rất dễ dàng.

- Kích thước và hình dạng của hệ rất phong phú và có thể tùy chỉnh theo
nhu cầu sử dụng,
 Nhược điểm:
- Hiệu suất thường không cao, PMT bán dẫn oxit 10%, PMT hữu cơ 2-5%
1.2.4. Thế hệ 4:
Trong PMT hữu cơ chỉ có polymer liên hợp, độ linh động của điện tử rất
thấp, nên exciton (cặp điện tử và lỗ trống) mới sinh ra có thời gian sống rất ngắn,
chúng nhanh chóng tái hợp trong quá trình khuếch tán. Hơn nữa, điều kiện lý tưởng
là tất cả exciton được kích thích phải tới được địa điểm phân tách – bề mặt tiếp xúc
11

giữa chất nhận và cho điện tử. Vì những vị trí phân tách có thể nằm tại điểm cuối
của vật liệu bán dẫn và khoảng khuếch tán exciton trong vật liệu polymer thường
vào khoảng 10 nm do vậy cần giảm độ dày của lớp vật liệu polymer đến cỡ độ dài
khuếch tán (10 nm) – nếu không thì chúng tái hợp với nhau và như vậy photon tới
sẽ bị lãng phí. Tuy nhiên, với kích thước quá mỏng này, hiệu suất hấp thụ ánh sáng
của lớp polymer bị giới hạn dẫn đến hiệu suất chuyển đổi thấp (khoảng 2,5%). Để
khắc phục hiệu suất hấp thụ ánh sáng độ dày của lớp polymer phải lớn hơn 100 nm
để hấp thụ hết ánh sáng trong vùng UV-VIS. Với độ dày trên 100 nm, để vẫn đảm
bảo các exciton đến mặt tiếp xúc cao (quá trình phân tách các exciton sẽ cao) chất
cho và nhận điện tử sẽ được pha trộn với nhau trong cấu trúc dị thể khối (hình 1.7).
Sự phát triển gần đây cho thấy, các cấu trúc dị thể khối giữa chất nhận và cho điện
tử (electron acceptor – donor): polymer – fullerene, polymer – polymer và polymer
– các tinh thể nano, có thể tạo được PMT hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi cao hơn.
Bởi vì, trong cấu trúc này, quá trình phân tách điện tích bởi quang năng được tăng
cường do diện tích mặt tiếp xúc giữa 2 chất donor và acceptor lớn. Tuy vậy, cấu
trúc này có khuyết điểm trong cơ chế truyền dẫn điện tích bởi vì cơ chế truyền dẫn
điện tích dựa trên mạng lưới các đường dẫn của 2 chất thành phần trong lớp hỗn
hợp, việc tạo ra các đường dẫn này là yêu cầu khó đối với quá trình tổng hợp vật
liệu hữu cơ (polymer dẫn) [4].

Hình 1.7. Cấu tạo PMT hữu cơ với chất cho và nhận điện tử pha trộn với nhau.
Để giải quyết vấn đề này, cần thay thế một lớp polymer trong cấu trúc dị thể
khối bằng vật liệu vô cơ có cấu trúc nano. Trong đó cấu trúc nano 1D (thanh nano,
dây nano…) đang được quan tâm mạnh mẽ trong thời gian qua. Vật liệu vô cơ có
12

cấu trúc nano 1D đóng vai trò là chất nhận điện tử được trộn lẫn với polymer bán
dẫn hữu cơ. Đây là cấu trúc di thể khối vô cơ/hữu cơ trong PMT thế hệ thứ 4 (hình
1.9) [5]. Vật liệu vô cơ có hằng số điện môi lớn, năng lượng liên kết exiton nhỏ,
năng lượng nhiệt (RT) đủ để phân ly exiton tạo bởi quá trình hấp thụ ánh sáng mặt
trời và độ linh động điện tử lớn, cộng với cấu trúc nano 1D sẽ tạo ra các đường
truyền dẫn điện tích trực tiếp đến các điện cực. Như vậy, với lớp vô cơ có cấu trúc
1D có thể giải quyết được yêu cầu tăng khả năng truyền dẫn điện tích nêu trên. Hơn
nữa, diện tích tiếp xúc giữa vật liệu vô cơ 1D với vật liệu hữu cơ trong cấu trúc
PMT dị thể vô cơ/hữu cơ lớn nên khoảng cách từ các eciton đến mặt phân giới giảm
làm cho khả năng phân tách exiton cao, dẫn đến hiệu suất PMT được cải thiện đáng
kể [6-8].
Như vậy, PMT thế hệ 4 có cấu trúc dị thể vô cơ/hữu cơ sử dụng polymer liên
hợp với vật liệu vô cơ có cấu trúc 1D để biến đổi ánh sáng mặt trời thành điện tích.
Thiết bị này kết hợp ưu điểm của hai vật liệu: độ linh động điện tử cao của bán dẫn
vô cơ, tính nhạy quang và độ linh động lỗ trống cao của polymer liên hợp.

Hình 1.8. Vật liệu ZnO 1D trên đế ITO và cấu trúc PMT thế hệ 4.
Trong đề tài này, vật liệu ZnO 1D được lựa chọn nghiên cứu do có các tính
chất đặc biệt. Với cấu trúc nano 1D kết hợp với những tính chất vật lý vượt trội,
ZnO là vật liệu đầy hứa hẹn và có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu khoa học
cũng như trong các ứng dụng kỹ thuật cao đặc biệt ứng dụng trong pin mặt trời. Tuy
mới chỉ nghiên cứu một phần trong cấu trúc PMT nhưng các nội dung của đề tài là
rất đáng quan tâm vì đây là một hướng đi mới và chưa phổ biến tại Việt Nam.

13

Chương 2: Khái quát về vật liệu ZnO

2.1. Giới thiệu về vật liệu ZnO:
Vật liệu ZnO được nghiên cứu rất sớm năm 1912 và cho đến ngày nay ZnO
vẫn còn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. ZnO đóng vai trò quan trọng với
nhiều ứng dụng trong cuộc sống như lĩnh vực y tế, bán dẫn, sinh học
Trong lĩnh vực y tế, vật liệu ZnO, đặc biệt là ZnO có cấu trúc nano, được
ứng dụng rộng rãi nhờ có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, xúc tác và có tính
tương hợp.
Trong lĩnh vực bán dẫn, vật liệu bán dẫn ZnO được đặc biệt chú ý nhờ vào
tính áp điện và tính chất quang của nó. Đầu tiên, ZnO là một vật liệu bán dẫn có độ
rộng vùng cấm lớn (Eg = 3.37 eV) có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các thiết bị
quang điện tử, chẳng hạn như laser bước sóng ngắn, diode phát quang…Chúng còn
phát xạ ở vùng hồng ngoại gần và trong suốt đối với ánh sáng khả kiến. Thứ hai,
ZnO có năng lượng liên kết exiton lớn (60 meV) cao hơn nhiều so với các vật liệu
thông thường khác được dùng trong các thiết bị phát quang màu xanh lục như ZnSe
(22 meV) và GaN (25 meV). Thứ ba, với cấu trúc không đối xứng tâm, ZnO là một
vật liệu áp điện, được ứng dụng trong các sensor cảm biến điện hóa và bộ cảm biến.
ZnO còn được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, sản xuất sơn, chế tạo
các thiết bị chống ăn mòn, chất xúc tác và ứng dụng trong mỹ phẩm (kem chống
nắng) do khả năng ngăn chặn tia cực tím.
2.2. Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu ZnO: [9]
ZnO thuộc họ bán dẫn hợp chất II - VI. ZnO kết tinh theo ba dạng cấu trúc:
hexagonal wurtzite, zince blende và rocksalt. Trong đó cấu trúc Hexagonal wurtzite
là cấu trúc phổ biến nhất. Dạng liên kết của cấu trúc Hexagonal wurtzite của ZnO
dựa trên liên kết đồng hóa trị của một nguyên tử với bốn nguyên tử lân cận (sắp xếp

có đặc trưng tứ diện như trong các nguyên tố nhóm VI (Si, Ge)). ZnO kết tinh theo
kiểu cubic rocksalt rất hiếm thấy do dạng cấu trúc này chỉ tồn tại dưới điều kiện áp
suất cao ~10GPa.
14

2.2.1. Cấu trúc cubic rocksal:
Nhóm đối xứng không gian của tinh thể (ứng với mạng tinh thể này là Fm3m
(225)). Các ion Zn và O được sắp xếp trong không gian như 2.1. Cấu trúc của ZnO
kết tinh theo dạng này được mô tả bởi mạng Bravais là lập phương tâm mặt F.
Trong ô cơ sở gồm hai ion Zn (0, 0, 0) và O (1/2, 0, 0) hoặc Zn (0, 0, 0) và O
(1/2, 1/2, 1/2).

Hình 2.1. Mô hình cấu trúc rocksalt.
Cation Zn
2+
chiếm hết số khoang bát diện. Số phối trí của hai loại ion đều bằng
6. Tất cả khoang tứ diện đều bỏ trống.
2.2.2. Cấu trúc cubic zinc blende:
Cấu trúc zinc blende chỉ kết tinh được trên đế lập phương

Hình 2.2. Mô hình cấu trúc zinc blende.
Trong ô cơ sở có bốn nguyên tử Zn và bốn nguyên tử O có tọa độ như sau:
4O: (0, 0, 0); (0, 1/2, 1/2); (1/2, 0, 1/2); (1/2, 1/2, 0)
15

4Zn: (1/4, 1/4, 1/4); (1/4, 3/4, 3/4); (3/4. 1/4, 3/4); (3/4, 3/4, 1/4).
Trong tinh thể ZnO (hình 2.2), nguyên tử Zn chiếm khoang tứ diện nhưng
chỉ một nửa số khoang này bị chiếm. Chính vì thế, tâm nghịch đảo và trục xoay bậc
bốn biến mất: nhóm không gian tương ứng là
43Fm

(216). Khoang tứ diện chứa
kẽm định hướng song song nhau, ngược với hướng của khoang trống. Như vậy, tinh
thể ZnO có thể được mô tả bằng hai mạng lập phương tâm mặt dịch chuyển đối với
nhau theo phương đường chéo chính một đoạn bằng
3
4
a
(với a = 0.458 nm là
hằng số mạng). Trong đó, các nguyên tử Zn nằm ở các nút của một trong hai mạng
lập phương tâm mặt và các nguyên tử O nằm ở các nút của mạng kia.
2.2.3. Cấu trúc hexagonal wurtzite
Cấu trúc hexagonal wurtzite: là cấu trúc phổ biến nhất của ZnO trong tự
nhiên. Cấu trúc wurtzite thuộc lớp đối xứng điểm 6mm và nhóm đối xứng không
gian tương ứng là P6
3
mc (186). Trong một ô cơ sở có 2 nguyên từ O và 2 nguyên
tử Zn, tọa độ các nguyên tử như sau:
2O : (0,0,0) ; (
2
1
,
3
2
,
2
1
)
2Zn : (0,0,u) ; (
2
1

,
3
2
,
2
1
+u)
Với
375.0
8
3
u
( thông số u được tính từ độ dài liên kết song song với trục c ).

Hình 2.3. Ô đơn vị của cấu trúc wurtzite.
16

Mỗi nguyên tử Zn liên kết với bốn nguyên tử O nằm trên bốn đỉnh của tứ
diện gần đều và ngược lại. Khoảng cách từ Zn đến bốn nguyên tử O một khoảng
bằng u.c, còn ba khoảng kia bằng
))
2
1
(
3
1
(
222
 uca
với a, c là các hằng số mạng

được xác định a= 0.3296 nm ; c=0.52660 nm và tỉ số c/a =1.60 rất gần với tỉ số c/a
của mạng lục lăng lý tưởng (1.63). Có thể mô tả mạng lục giác wurzite cấu tạo từ
hai mạng lục giác xếp chặt lồng vào nhau: một mạng lục giác chứa các nguyên tử
Zn và một mạng lục giác chứa các nguyên tử O, tịnh tiến theo trục z một đoạn bằng
3/8c. Xung quanh mỗi nguyên tử có mười hai nguyên tử lân cận bậc hai: sáu nguyên
tử ở đỉnh lục giác nằm trong cùng mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên
tử ban đầu một khoảng a; sáu nguyên tử còn lại tạo thành một lăng trụ tam giác gồm
ba nguyên tử ở mặt cao hơn, ba nguyên tử nằm ở mặt phẳng thấp hơn mặt phẳng kể
trên, sáu nguyên tử này cách nguyên tử ban đầu một khoảng
22
11
24
ac


Hình 2.4. Sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể wurzite ZnO.
2.3. Dạng liên kết trong tinh thể:
Cấu trúc Wurzite gồm những nguyên tử có liên kết cộng hóa trị với nhau.
Khi nằm tại những vị trí ổn định trong mạng tinh thể, các nguyên tử phải có lớp vỏ
ngoài cùng bão hoà điện tử. Hai nguyên tử Zn và O có khả năng đạt tới lớp vỏ ổn
định trên bằng cách “dùng chung” một hay nhiều đôi điện tử. Khi đó, liên kết cộng
hóa trị được hình thành. Để tạo thành liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử thành
phần của phân tử phải có những điện tử chưa kết đôi ở lớp ngoài.
Đối với Zn không còn điện tử độc thân nào do phân lớp 4s
2
đã lấp đầy. Vì
thế, trước khi hóa hợp, nguyên tử phân bố lại điện tử, chuyển chúng vào trạng thái
17

kích thích. Một trong hai điện tử của phân lớp 4s

2
phải chuyển vào orbital trống của
phân lớp 4p
0
. Cấu hình điện tử của Zn sau khi “lai ghép” trở thành:
4(sp) 4(sp)
↑ ↑
↑ Trở lại với O, cấu hình điện tử của nó:
1s
2
2s
2
2p
4

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
Bình thường, với hai điện tử độc thân ở phân lớp 2p
4
, nguyên tử O chỉ tạo hai
mối liên kết cộng hóa trị sp với nguyên tử Zn. Khi đó, nguyên tử O đã đạt được cơ
cấu bền của khí trơ, mà vẫn còn dư hai cặp điện tử. Trong khi đó, nguyên tử Zn còn
thiếu đúng bốn điện tử ngoài cùng. Như vậy, nguyên tử O có xu hướng nhường bốn
nguyên tử còn lại cho nguyên tử Zn hình thành nên hai liên kết cộng hóa trị phối
hợp. Cần lưu ý rằng liên kết đồng hóa trị là các liên kết mạnh cho nên khá bền
vững. Điều này có nghĩa là cấu trúc ba chiều và không gian chúng chiếm giữ khá ổn
định. Một đặc điểm nổi bật của liên kết cộng hóa trị là tính định hướng. Bốn orbitals
được lấp đầy quanh hạt nhân kẽm của phân tử ZnO, bản thân chúng đóng góp các
không gian để các nguyên tử oxi liên kết được định hướng dưới góc 109
o
5 đối với

nhau của một khối tứ diện gần đều với kẽm là tâm của khối tứ diện đó.

Hình 2.5. Đường cong phụ thuộc của tỉ lệ phần trăm (%) liên kết ion vào hiệu giá trị điện âm của
anion và cation trong cấu trúc
Tuy nhiên, tùy độ lớn của hiệu giá trị điện âm, hai nguyên tử A và X có thể
cho một hợp chất A
m
X
n
bằng dạng liên kết với bản chất trội của một trong hai dạng
18

là ion hay cộng hóa trị. Nhiều tác giả như Pauling, Povarennykh v.v…, đã mô tả
tương quan trên bằng đồ thị (hình 2.5).
Thực chất, liên kết trong ZnO là liên kết trung gian giữa liên kết ion và liên
kết cộng hóa trị hay còn gọi là liên kết lai. Khảo sát trạng thái liên kết hóa học của
hợp chất ZnO trong tự nhiên cho thấy liên kết ion trội hơn chiếm khoảng 62%.
Lực tương tác tĩnh điện của các ion mang điện trái dấu làm nên liên kết ion.
Theo quy tắc hóa trị tĩnh điện của Pauling L., năm 1929, trong cấu trúc tinh thể bền
vững, tổng năng lượng của các mối liên kết nối một cation với các anion gần kề
đúng bằng điện tích của cation ấy. Lực liên kết tĩnh điện (đo bằng giá trị tuyệt đối)
là điện tích hóa trị của ion (z) chia cho số phối trí (n) của nó, tức là z : n. Giá trị
nhận được gọi là hóa trị tĩnh điện, là số đo lực liên kết mà các ion liền kề nhận được
từ nó. Trong ZnO, ion kẽm có 4 ion oxi vây quanh trong đa diện phối trí tứ diện và
lực liên kết mỗi ion oxi nhận được từ nó, hóa trị tĩnh điện, là 2/4 = 1/2. Như vậy, 4
mối liên kết nối ion Zn
2+
trung tâm với 4 ion O
2+
gần nhất quanh nó hoàn toàn trung

hòa điện tích của cation kẽm trung tâm. Anion oxi cũng có 4 cation kẽm gần kề, cho
nên hóa trị tĩnh điện của mỗi mối liên kết cũng bằng 1/2. Như thế, điện tích của
anion oxi được trung hòa bởi 4 mối liên kết nối ion trung tâm với 4 cation kẽm
(phối trí tứ diện).
2.4. Các mặt phân cực trong tinh thể ZnO:

Hình 2.6. Phối trí tứ diện trong cấu trúc wurzite ZnO.
19

Từ dạng liên kết ion, cấu trúc ZnO còn được mô tả như sau: các mặt tinh thể
gồm có ion O
2-
và ion Zn
2+
, các ion trên mạng tinh thể sắp xếp theo phối trí tứ diện,
các mặt tinh thể này được sắp xếp luân phiên dọc theo trục đối xứng c (hình 2.6).
Các ion này chỉ chiếm khoảng 44% thể tích của tinh thể ZnO, khoảng trống còn lại
tương đối rộng.
Mặc dù trong một ô đơn vị chứa hai cation kẽm và hai anion oxi, nghĩa là
toàn bộ tinh thể được trung hòa điện tích. Tuy nhiên, chính mạng không gian với
các cation và anion này góp mặt tại các nút mạng sinh ra mạng tinh thể mang cấu
hình đặc trưng của chúng.
Một số mặt mạng chứa một loại hạt mang điện là cation hoặc anion, kết quả
hình thành nên các mặt mang điện tích dương hoặc mang điện tích âm. Các mặt
mạng này gọi là mặt phân cực. Mặt phân cực phổ biến nhất là mặt mạng tinh thể cơ
sở. Sự trái ngược của hai ion điện tích sinh ra mặt phân cực dương Zn_(0001) và
mặt phân cực âm O_(000
1
) tạo nên một moment lưỡng cực và sự phân cực tự phát
dọc theo trục đối xứng c giống như sự phân ly trong năng lượng bề mặt (hình 2.7a).

Hình 2.7. a) Hai mặt phân cực chủ yếu trong cấu trúc wurzite; b) Các mặt phân cực ±(0001), ±(10
1), ±(10 )
Ở hình 2.7b, bên cạnh hai mặt phân cực đặc trưng nhất ±(0001), ±(10
1
1),
±(10
11
) cũng là những mặt phân cực. Trong đó, kiểu mặt (10
1
1) thường không phổ
biến trong tinh thể ZnO, chúng chỉ được quan sát trong cấu trúc nano xoắn
(nanohelical). Sự tích điện trên các mặt phân cực là sự tích điện của ion, nghĩa là
không di chuyển và không thay đổi. Bởi vì năng lượng tương tác giữa các hạt mang
20

điện phụ thuộc vào sự phân bố của chúng trong không gian. Cấu trúc tinh thể được
sắp xếp sao cho cấu hình đạt đến mức năng lượng tĩnh điện là cực tiểu. Đây là lý do
chính thúc đẩy chính cho sự phát triển mặt phân cực làm chi phối cấu trúc nano. Về
mặt cấu trúc, ZnO có ba hướng phát triển nhanh: <2
11
0> (±[2
11
0] , ±[
1
2
1
0]
,±[
11

20] ); ±<01
1
0> ( ±[01
1
0] ,±[10
1
0], ±[0001]. Đồng thời với các mặt phân cực,
ZnO thể hiện nhiều cấu trúc rất mới lạ mà có thể được hình thành từ việc điều chỉnh
tốc độ phát triển dọc theo các phương định hướng.
Hình 2.8a-c trình bày một vài kiểu phát triển hình thái học cấu trúc nano một
chiều (1D) của ZnO. Các cấu trúc có khuynh hướng làm cho cực đại diện tích các
mặt (2
11
0) và (01
1
0) bởi vì năng lượng thấp.

Hình 2.8. Các kiểu phát triển hình thái học cấu trúc 1D của ZnO.
Hình thái học minh họa hình 2.8d được chiếm ưu thế bởi mặt phân cực. Mô hình
này có thể được phát triển bằng cách đưa vào những sai hỏng mặt song song với
mặt phân cực.
2.5. Sai hỏng cấu trúc ZnO:
Tính tuần hoàn của tinh thể bị phá vỡ khi trong tinh thể xuất hiện các sai
hỏng (sai hỏng đường , sai hỏng mặt ,sai hỏng điểm). Đặc biệt đối với những tinh
thể có kích thước giới hạn (cấu trúc màng mỏng, cấu trúc nano …) thì sai hỏng
điểm dễ dàng tồn tại và vi phạm tính tuần hoàn, tính đối xứng của tinh thể.
21

2.5.1. Sai hỏng điểm:
Trong tinh thể ZnO luôn có những nguyên tử hoặc ion có khả năng bật ra

khỏi vị trí cân bằng (vị trí nút mạng) và đi vào xen kẽ giữa các nút mạng hoặc dời
khỏi mạng tinh thể, để lại một vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ.
Có 2 dạng sai hỏng điểm:
- Sai hỏng Schottky: gây ra do thăng giáng nhiệt hoặc va chạm, một
nguyên tử ở bề mặt có thể bứt ra khỏi tinh thể để lại một vị trí trống, các nguyên tử
bên trong có thể nhảy vào vị trí trống đó và tạo ra một nút khuyết. Năng lượng để
tạo ra một nút khuyết là nhỏ, cỡ vài eV nên mật dộ nút khuyết này khá lớn. Xảy ra ở
mặt phân giới.
- Sai hỏng Frenkel: do thăng giáng nhiệt, một nguyên tử có thể bứt ra khỏi
vị trí cân bằng và dời đến xen giữa vào các vị trí nguyên tử khác. Như vậy đồng thời
hình thành một nút khuyết và một nguyên tử xen kẽ .Năng lượng để hình thành sai
hỏng này là rất lớn nên mật độ sai hỏng này thường nhỏ. Xảy ra trong long vật liệu.
Trong tinh thể ZnO tồn tại các vị trí trống Oxi và các nguyên tử Zn xen kẽ
trong tinh thể. Các khuyết tật này là nguồn gốc ảnh hưởng đến các tính chất điện và
quang của ZnO.
2.5.2. Sai hỏng điện tử:
Sai hỏng điện tử là sự sai biệt cấu trúc lớp vỏ điện tử ngoài cùng (thừa hoặc
thiếu electron) so với lớp vỏ liên kết bền vững, xảy ra khi các electron hóa trị bị
kích thích lên mức năng lượng cao hơn. Sự kích thích này có thể tạo ra một electron
trong vùng dẫn hoặc một lỗ trống trong vùng hóa trị .

Hình 2.9. Các mức năng lượng sai hỏng trong tinh thể Zn.
22

2.6. Các tính chất cơ bản của ZnO:
2.6.1. Tính chất điện:
ZnO là bán dẫn loại n độ rộng vùng cấm E
g
=3.37eV ở nhiệt độ phòng. ZnO
tinh khiết là chất cách điện ở nhiệt độ phòng nhưng thực chất luôn tồn tại sai hỏng.

Dưới đáy vùng dẫn có 2 mức bẫy có năng lượng lần lượt là 0.05eV và 0.15eV. Ở
nhiệt độ thường các electron tự do không đủ năng lượng để chuyển lên vùng dẫn, do
vậy ZnO dẫn điện kém ở nhiệt độ phòng. Tăng nhiệt độ lên khoảng 200-400
0
C, các
electron nhận được năng lượng đủ lớn để chúng có thể di chuyển lên vùng dẫn làm
ZnO trở thành chất dẫn điện .
Tính chất của ZnO được xác định từ những khuyết tật :
- Lỗ trống.
- Nguyên tử lạ (tạp chất) thay thế các nguyên tử của mạng tinh thể .
- Nguyên tử lạ ( tạp chất ) xếp vào giữa các nguyên tử chính trong mạng tinh
thể.
2.6.2. Tính chất quang:
Màng mỏng ZnO có độ truyền qua cao (80-90%) trong vùng ánh sáng khả
kiến, bờ hấp thụ tại bước sóng 380nm. Nhờ độ truyền qua cao mà ZnO được sử
dụng nhiều trong màng dẫn điện trong suốt .
Những đặc tính do tác động bên ngoài thường liên quan tới những chất kích
tạp, thường là độ tinh khiết chất kích tạp hay khuyết điểm tinh thể bị pha tạp.
Những chất kích tạp tạo ra những trạng thái điện tử của vùng cấm sẽ gây ảnh hưởng
cả sự hấp thụ quang học lẫn những quá trình tán xạ.
Ở nhiệt độ phòng, ZnO phát xạ tại ba bước sóng ~380nm, ~520nm, ~600nm
tương ứng với phát xạ tử ngoại, xanh lục và vàng cam. Phát xạ tại bước sóng 380nm
được biết như là phát xạ bờ vùng gần (NBE) hay phát xạ exciton trong vùng tử
ngoại được bắt nguồn từ việc kết hợp của exciton tự do thông qua một quá trình va
chạm exciton – exciton tương ứng với năng lượng tái hợp exciton. Trong khi đó
phát xạ xanh lục và vàng cam là phát xạ vùng sâu (DLE) xuất hiện là do sự kết hợp
của một lỗ trống quang sinh với từng trạng thái ion hóa của các khuyết tật (vị trí
23

khuyết O

2
). Hai phát xạ này được tạo ra bởi những sai hỏng điểm như khuyết O
2

hoặc vật liệu không tinh khiết (phát xạ xanh lục) và những sai hỏng bên trong cấu
trúc vật liệu ZnO như các khe hở O
2
do sự thừa O
2
trong mẫu (phát xạ vàng cam).
2.6.3. Tính áp điện:
Tính áp điện là tính chất của vật liệu khi tác dụng vào nó một lực cơ học theo
phương thích hợp thì nó tạo ra dòng điện, ngược lại khi áp vào nó một điện trường
thì hình dạng vật liệu bị thay đổi. Đặc tính này thường xuất hiện trong những cấu
trúc tinh thể có sự phân cực bề mặt và không có đối xứng tâm.
Đặc trưng quan trọng nhất của cấu trúc wurzite là không đối xứng tâm.
Chính vì vậy, ZnO có tính áp điện: tâm của điện tích dương và tâm của điện tích
âm có thể đổi chỗ cho nhau do sự biến dạng mạng tinh thể được tạo bởi áp lực
ngoài. Kết quả của sự đổi chỗ cho nhau này tạo ra những moment lưỡng cực địa
phương khắp tinh thể. Trong số các chất bán dẫn có liên kết tứ diện thì ZnO có
tensor áp điện cao nhất.
Với cấu trúc không đối xứng tâm thì tinh thể ZnO còn có khả năng phân cực
tự phát và bề mặt phân cực đã chi phối cấu trúc nano. Các khối tứ diện xếp chồng
lên nhau theo hướng [0001]. Do các nguyên tử oxi và các nguyên tử kẽm có thể đổi
chỗ cho nhau theo hướng [0001]. Kết quả là bề mặt (0001) của ZnO được tích điện.
Tính áp điện của ZnO cũng được nghiên cứu cho các ứng dụng trong các hệ
thống đo lực.

Hình 2.10. Hiệu ứng áp điện trong mô hình phối vị tứ diện cation-anion
24

2.7. Vật liệu ZnO có cấu trúc nano 1D:
2.7.1. Giới thiệu vật liệu nano:
Khái niệm vật liệu nano chỉ mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã
thu hút sự chú ý rất lớn của cả thế giới. Do đó, nhiều nhà khoa học đã phải dùng đến
cụm từ “nanoboom” để diễn tả sự phát triển như vũ bão của công nghệ nano. Sở dĩ
công nghệ nano được đầu tư phát triển mạnh mẽ đến như vậy là nhờ vật liệu nano
thể hiện những tính chất đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được như: sự
thu nhỏ về kích thước dẫn đến tăng diện tích hiệu dụng bề mặt, cực kỳ vững chắc
với độ bền cơ học cao (ống nano Carbon có độ bền cơ học gấp 10 lần thép) và tính
bền nhiệt rất lớn. Vì vậy, vật liệu nano mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn
trong khoa hoc kỹ thuật và đời sống. Trong công nghệ sinh học, chẳng hạn như các
tác nhân phản ứng sinh học và hiện ảnh các tế bào. Trong ứng dụng vật lý, vật liệu
bán dẫn nano được quan tâm nghiên cứu để sản xuất các linh kiện điện tử như các
diode phát quang (LEDs); laser chấm lượng tử có hiệu suất cao hơn và dòng
ngưỡng thấp; đặc biệt, ngày nay các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chế tạo các
vật liệu bán dẫn nano nhằm ứng dụng trong các loại pin mặt trời có khả năng quang
hợp nhân tạo sẽ giúp con người sản xuất năng lượng sạch. Trong viễn thông, chấm
lượng tử được dùng trong các linh kiện để khuếch đại quang và dẫn sóng. Trong
công nghệ máy tính, người ta đã chế tạo ra các chíp nano máy tính có độ tích hợp
rất cao và triển vọng cho phép dung lượng bộ nhớ máy tính tăng lên rất cao. Ngoài
ra, các vật liệu bán dẫn cấu trúc nano còn được ứng dụng quan trọng trong nhiều
lĩnh vực khác như y tế, an ninh quốc phòng, thực phẩm…
Trong các dạng cấu trúc nano, cấu trúc một chiều (1D) là lĩnh vực nghiên
cứu còn rất mới và đầy tiềm năng. Với cấu trúc 1D, các điện tử bị giới hạn 2 chiều
chỉ còn tự do trong một chiều. Điều này dẫn tới hệ quả là nổi bật những tính chất
như hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước…
2.7.2. Các dạng cấu trúc nano 1D của ZnO:
Bên cạnh Si, một loại vật liệu bán dẫn có cấu trúc 1D tượng trưng nhất, được
các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm đó là bán dẫn ZnO 1D. Vật liệu ZnO có

cấu trúc nano 1D (ZnO 1D) là sự kết hợp những đặc tính nổi bật của vật liệu bán
25

dẫn ZnO và những đặc trưng độc đáo của cấu trúc 1D sẽ tạo ra vật liệu đầy hứa hẹn
và có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như trong các ứng dụng
kỹ thuật cao đặc biệt ứng dụng trong pin mặt trời khối dị thể vô cơ/hữu cơ. Ngoài
ra, vật liệu ZnO có cấu trúc nano 1D phong phú về cấu trúc ( nanorod, nanowire,
nano pencil, nanobelt, nanosaw…) nên dễ dàng lựa chọn cấu trúc phù hợp với mỗi
ứng dụng khác nhau.
Trong cấu trúc một chiều dòng điện tử chỉ di chuyển một chiều theo chiều
mở rộng của ZnO. Đối với vật liệu một chiều thì điện tử tự do được sinh trong quá
trình hấp thu ánh sáng sẽ di chuyển một chiều theo chiều mở rộng nên mất mát năng
lượng của điện tử bị hạn chế, điều này sẽ làm cho vật liệu ZnO có hiệu suất lượng
tử cao so với vật liệu hai hay ba chiều. Vì thế, ZnO 1D (nanorod, nanowire) thường
được làm hiệu ứng dẫn trong pin mặt trời lai hóa hay trong LED lai hóa dị thể. Các
thanh ZnO sẽ đan xen tạo thành ma trận truyền dẫn trong hổn hợp hữu cơ.
Trong cấu trúc nano của ZnO, mặt phân cực là một đặc trưng nổi bật nhất.
Từ việc điều khiển kích thước và sự định hướng của các mặt phân cực, một dải cấu
trúc nano 1D với nhiều hình dạng mới lạ được tổng hợp như: thanh (rod), dây
(wire), hình lược, hình nhẫn, cung, xoắn lò xo, cánh quạt…(hình 2.11). Trong đó,
ZnO nanorod và ZnO nanowire đang được quan tâm nghiên cứu do chúng thích hợp
ứng dụng trong nhiều thiết bị điện tử.