Nghiên cứu tính chất linh kiện điện sắc trên cơ sở vật liệu kim loại chuyển tiếp (Ti, W) cấu trúc Nanô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







NGUYỄN MINH QUYÊN







NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT LINH KIỆN ĐIỆN SẮC
TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU KIM LOẠI
CHUYỂN TIẾP (Ti, W) CẤU TRÚC NANÔ







LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2011



1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







NGUYỄN MINH QUYÊN

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT LINH KIỆN ĐIỆN SẮC
TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU KIM LOẠI CHUYỂN
TIẾP (Ti, W) CẤU TRÚC NANÔ


Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
Mã số: (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)


LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Nguyễn Năng Định








Hà Nội – 2011


55
Mục lục
MỞ ĐẦU
8
Chương 1 - Tổng quan về vật liệu điện sắc trên cơ sở ôxit kim loại chuyển

tiếp – vật liệu ôxit titan và ôxit vônfram
10
1.1. Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang và các hiệu ứng điện sắc 10
1.1.1. Khái niệm chung 10
1.1.2. Phân loại vật liệu điện sắc 10
1.1.3. Những nét cơ bản về linh kiện điện sắc 12
1.1.4. Màng mỏng điện sắc ôxit kim loại chuyển tiếp 14
1.1.5. Ứng dụng của linh kiện đ
iện sắc 12
1.2. Vật liệu ôxit titan và ôxit vônfram 16
1.2.1. Đặc trưng cấu trúc tinh thể 16
1.2.2. Tính chất quang và tính chất điện sắc 18
Chương 2 - Công nghệ chế tạo mẫu và các phương pháp nghiên cứu 22
2.1. Mục đích 22
2.2. Phương pháp chế tạo và các phép đo 22
2.2.1. Chế tạo màng mỏng TiO
2
bằng phương pháp phủ trải- "Doctor blade" 22
2.2.2. Chế tạo màng mỏng WO
3
bằng phương pháp lắng đọng điện hóa 23
2.2.3. Các phép đo đạc sử dụng để khảo sát tính chất của màng TiO
2
và WO
3
. 24
2.3. Thực nghệm chế tạo mẫu 32
2.3.1. Chuẩn bị hoá chất và dụng cụ thực nghiệm 32
2.3.2. Chế tạo điện cực nanô TiO
2

/ITO 32


56
2.3.3. Chế tạo điện cực xốp nanô WO
3
/ITO và điện cực màng mỏng tổ hợp dị
chất vô cơ TiO
2
:W 33
Chương 3 - Kết quả thực nghiệm và phân tích kết quả 36
3.1. Lắng đọng điện hóa 36
3.2. Cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt 37
3.3. Cấu trúc thành phần thông qua phân tích phổ tán xạ năng lượng 41
3.4. Phổ tán xạ Raman 42
3.5. Tính chất điện sắc 44
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 52
Công trình đã công bố 54



5
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại một số ôxit điện sắc chính
Bảng 3.1. Số liệu thành phần các nguyên tố có mặt trong mẫu WO
3
/TiO
2
(900

giây)
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các nguyên tố có ôxit của chúng là chất điện sắc
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của linh kiện điện sắc
Hình 1.3.Linh kiện điện săc được ứng dụng trong các cửa sổ “thông minh”
Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể WO
2
và WO
2

Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể WO
3
thể hiện sự sắp xếp các khối bát diện tâm W có
chung đỉnh và cạnh
Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể TiO
2

Hình 1.7. Giản đồ mức năng lượng của các ôxit có cấu trúc perovskit - tương
ứng giản đồ năng lượng của WO
3

Hình 1.8. Cấu hình điện tử biểu diễn theo vân đạo
Hình 1.9. Cấu trúc vùng TiO
2

Hình 2.1. Chế tạo màng ôxit cấu trúc nanô bằng phương pháp phủ trải -Doctor
blade
Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị tạo màng mỏng bằng kỹ thuật điện hóa
Hình 2.3. Sự phản xạ của tia X trên các mặt phẳng Bragg
Hình 2.4. Giản đồ kính hiển vi điện tử quét chụp ảnh bề mặt mẫu

Hình 2.5. Giản đồ mô tả các mức năng lượng của điện tử
và các bức xạ tương
ứng của điện tử khi bị kích thích
Hình 2.6. Sơ đồ hệ đo phổ truyền qua và phổ phản xạ
Hình 2.7. Hệ đo phổ truyền qua UV-VIS Jasco V570


6
Hình 2.8. Sơ đồ đo đặc trưng Von-Ampe
Hình 2.9. Sơ đồ đo điện thế quét vòng (Cyclic voltametry)
Hình 2.10. Sơ đồ một hệ tán sắc Raman điển hình
Hình 2.11. Ảnh các dung dịch chuẩn bị tiến hành lắng đọng điện hóa và các
điện cực chế tạo được
Hình 2.12. Thí nghiệm lắng đọng điện hóa tạo màng WO
3
và quét C-V trong
dung dịch điện ly LiClO
4
+PC 0.1M
Hình 2.13. Quá trình đo và lắng đọng WO
3
. Trên hình là hệ điện hóa trong chén
platin kết nối với hệ đo Autolab PGS–12 POTENTIO–GALVANOSTAT, phép
đo đặc tuyến dòng – thế được thực hiện bắng phần mềm trên máy tính.
Hình 3.1. Mật độ dòng phụ thuộc thời gian trong khi phủ điện hoá với điện thế
không đổi -3.5 V/SCE
Hình 3.2. SEM bề mặt và mặt cắt của màng TiO
2

Hình 3.3. Ảnh FE-SEM bề mặt của màng WO

3
/TiO
2
được lắng đọng trong
300giây
Hình 3.4. Ảnh FE-SEM bề mặt của màng WO
3
/TiO
2
được lắng đọng trong 900
giây
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiO
2
dày 2.1 μm
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng WO
3
/TiO
2
chế tạo trong 300 giây -
(a) và chế tạo trong 900 giây -(b)
Hình 3.7. Ảnh SEM của màng WO
3
/TiO
2
/ITO dày chế tạo bằng phương pháp
lắng đọng điện hóa tại điện thế -3.5V/SCE trong thời gian 900 giây
Hình 3.8. Phổ Raman của màng TiO
2
phủ trên ITO và màng đa lớp WO
3

/ITO
thời gian lắng đọng 300 giây
Hình 3.9. Phổ Raman của màng TiO
2
/ITO và màng đa lớp WO
3
/TiO
2
/ITO thời
gian lắng đọng 300 giây


7
Hình 3.10. Đồ thị tiêm thoát ion Li
+
trong quá trình ECD: 5 chu kì nhuộm và tẩy
màu ứng với điện thế -3.5 V/SCE và +0.5 V/SCE; Thời gian nhuộm 5 giây và
thời gian tẩy màu là 20 giây
Hình 3.11. Phổ CV của điện cực WO
3
/TiO
2
/ITO quét trong LiClO
4
+PC (tốc độ
quét ν = 100 mV/s)
Hình 3.12. Phổ truyền qua in-situ của linh kiện ITO │dd W
6+
│ WO
3

/TiO
2
/ITO

thực hiện trong dung dịch W
3+
tại các giá trị điện thế -1V (đường cong thứ nhất),
-2.5V (đường cong thứ hai), -3.5V (đường cong thứ ba), -4.0V (đường cong thứ
tư)
Hình 3.13. Phổ truyền qua in-situ của linh kiện ITO│LiClO
4
+PC│
WO
3
/TiO
2
/ITO

thực hiện trong LiClO
4
+PC tại -3.5V theo thời gian. Đường phổ
thứ nhất (đường 1) là phổ truyền qua khi không có điện thế trên điện cực WE.
Các đường 2, 3, 4 và 5 ứng với thời gian nhuộm là 5, 10 và 15 giây, đường số 6
là phổ sau khi đổi chiều phân cực (phai màu)
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn phụ thuộc của hiệu suất ECD vào bước sóng đối với
linh kiện đa lớp ITO│LiClO
4
+PC│WO
3
/TiO

2
/ITO dưới điện thế -3.5V
Hình 3.15. Sơ đồ năng lượng trên biên tiếp xúc đa lớp WO
3
/TiO
2
/ITO


8
MỞ ĐẦU
Việc nghiên cứu tìm kiếm các loại vật liệu cấu trúc nanô với các
đặc tính mới đã đạt được nhiều thành công đáng kể, trong đó phải kể đến
hướng nghiên cứu về các vật liệu có khả năng biến đổi tính chất quang
dưới tác dụng của điện trường, ánh sáng và nhiệt độ. Loại vật liệu này
được gọi là vật liệu biến đổi quang (chromogenic). Nghiên cứu vậ
t liệu
này có triển vọng trong việc tận dụng và khai thác sử dụng một cách hiệu
quả năng lượng mặt trời, góp phần giải quyết tốt hơn việc sử dụng năng
lượng không gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay, nhiều tập thể khoa học
trên thế giới, đặc biệt như ở Mỹ, Thuỵ Điển, Pháp, Nhật Bản, Đức, v.v
đã và đang tập trung nghiên c
ứu về các loại vậy liệu này và đã phát hiện
ra nhiều hiệu ứng mới như hiệu ứng nhiệt sắc, điện sắc, quang sắc, v.v
Trên cơ sở đó các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu về công nghệ chế
tạo các loại linh kiện hiển thị mới, các cửa sổ thông minh (Smart-
windows), các chuyển mạch nhiệt - điện - quang, các loại sensor hoá học,
sensor khí với độ nhạy và ch
ọn lọc ion cao. Các kết quả nghiên cứu đã mở
ra nhiều triển vọng ứng dụng các loại vật liệu này trong khoa học kỹ thuật

và đời sống dân sinh.
Với tính chất điện sắc của các vật liệu ôxit kim loại chuyển tiếp như
ôxit titan và ôxit vônfram, vật liệu này đang được quan tâm nghiên cứu và
triển khai nhằm khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu
quả
nhất. Một trong những lĩnh vực ứng dụng triển vọng của vật liệu nanô
ôxit kim loại vônfram và titan là cửa sổ năng lượng hữu hiệu hay còn gọi
là cửa sổ thông minh (Smart windows).





9
Mục đích của luận văn
Trên cơ sơ như đã nêu ở trên, đề tài: “Nghiên cứu tính chất linh
kiện điện sắc trên cơ sở vật liệu kim loại chuyển tiếp (W, Ti) cấu trúc
nanô” nhằm tập trung giải quyết một số vấn đề sau:
- Phát triển công nghệ chế tạo vật liệu màng mỏng có tính chất đổi
màu, trao đổi và tích trữ ion trên cơ sở
ôxit vônfram, ôxit titan.
- Nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu tạo phân tử liên quan đến các tính
chất của màng mỏng ôxit kim loại chuyển tiếp.
- Khảo sát tính chất điện, quang, quang điện-hóa, nghiên cứu cơ chế
dẫn ion của màng mỏng cũng như các yếu tố công nghệ ảnh hưởng
đến các tính chất đó.
- Khảo sát các thông số điện sắc của linh kiện hiển thị đ
iện sắc chế tạo
từ màng đa lớp.
Phương pháp nghiên cứu:

- Chế tạo điện cực TiO
2
xốp nanô bằng phương pháp phủ trải (tên tiếng
Anh là “Doctor-blade”) kết hợp tái kết tinh (ôxi hóa nhiệt).
- Chế tạo điện cực xốp nanô WO
3
bằng phương pháp lắng đọng điện
hóa bằng hệ điện hóa Auto-Lab.Potenstiostat.
- Chế tạo linh kiện đa lớp cấu trúc ITO/TiO
2
và ITO/WO
3
và
ITO/TiO
2
/WO
3
bằng hệ điện hóa Auto-Lab.Potenstiostat.
- Phân tích hình thái học bề mặt và cấu trúc tinh thể, phân tích thành
phần cấu tạo thông qua sử dụng các hệ thiết bị FE-SEM, XRD, EDS,
Raman.
- Nghiên cứu cơ chế, tính chất điện sắc của vật liệu đa lớp và các thông
số điện sắc của linh kiện ECD thông qua các phương pháp đặc trưng
I-V, phổ truyền qua tức thì in-situ.




10

Chương 1 - Tổng quan về vật liệu điện sắc trên cơ sở ôxit kim loại chuyển
tiếp – vật liệu ôxit titan và ôxit vônfram
1.1. Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang và các hiệu ứng điện sắc
1.1.1. Khái niệm chung
Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang (chromogenic materials) là họ
vật liệu có đặc trưng cơ bản là sự biến đổi thuận nghịch tính ch
ất quang
(độ truyền qua, phản xạ, hấp thụ và chiết suất) dưới tác động của điện
trường, ánh sáng, hay nhiệt độ.
Vật liệu biến đổi nhiệt-điện-quang tùy theo trường tác động được
chia làm các nhóm chính như nhóm vật liệu nhiệt sắc, nhóm vật liệu
quang sắc, nhóm vật liệu điện sắc, v.v Trong khuôn khổ của luận văn
này, các tính chất của các chất thuộ
c nhóm vật liệu điện sắc sẽ được trình
bày cụ thể hơn, đặc biệt là hai vật liệu điện sắc điển hình là ôxit titan và
ôxit vônfram.
Trước hết, vật liệu điện sắc (electrochromic materials)là loại vật
liệu thay đổi tính chất quang dưới tác động của điện trường. Hiệu ứng
điện sắc là hiện tượng vật lý xảy ra ở nhóm vật li
ệu có khả năng thay đổi
tính chất quang một cách thuận nghịch tương ứng với sự thay đổi chiều
phân cực của điện trường đặt vào [10]. Biểu hiện cơ bản của hiệu ứng
điện sắc là sự thay đổi độ truyền qua hay phản xạ khi đặt điện trường
phân cực thích hợp.
1.1.2. Phân loại vật liệu điện sắc
Trên hình 1.1 là b
ảng các nguyên tố hóa học trong đó các nguyên
tố mà ôxit của chúng là chất điện sắc đã được đánh dấu. Các nguyên tố
như Ti, V, Cr, Mn, Fe… đều là những nguyên tố có ôxit là chất điện sắc.
Có hai loại vật liệu điện sắc chính: vật liệu điện sắc catôt và vật liệu điện

sắc anôt
Vật liệu điện sắc catôt là loại vật liệu đi
ện sắc có khả năng nhuộm
màu xảy ra khi điện trường làm việc phân cực âm và khả năng tẩy màu ở
điện trường làm việc phân cực dương. Ví dụ như: TiO
2
, Nb
2
O
5
, MoO
3
,
Ta
2
O
5
,

v.v…


11
Vật liệu điện sắc anôt: là loại vật liệu điện sắc có khả năng nhuộm
màu xảy ra khi điện trường làm việc phân cực dương và khả năng tẩy màu
ở điện trường làm việc phân cực âm. Ví dụ như: MnO
2
, CoO
2
, NiO

2
,
Cr
2
O
3
, v.v…

Hình 1.1. Các nguyên tố có ôxit của chúng là chất điện sắc
Bảng 1.1 trình bày cụ thể hơn về các vật liệu điện sắc chính và phân
loại nhuộm màu của các ôxit này là nhuộm màu catôt hay nhuộm màu
anôt. Ngoài ra, trong bảng còn nêu trạng thái trong suốt (tương ứng với
trạng thái tẩy màu) của các ôxit này. Thí dụ vật liệu TiO
2
khi ở trạng thái
ban đầu thì vật liệu có màu trong suốt, ở trạng thái nhuộm màu thì vật liệu
chuyển màu xanh thẫm đặc trưng và chuyển về màu trong suốt khi tẩy
màu. Trong khi đó, vật liệu V
2
O
5
khi ở trạng thái tẩy màu thì không giữ
được độ trong suốt như ban đầu, vật liệu có màu hơi xanh.
Bảng 1.1. Phân loại một số ôxit điện sắc chính
Loại ôxit Loại nhuộm màu Trạng thái trong
suốt có thể đạt được
TiO
2
Catôt Có
V

2
O
5
Catôt/Anôt Không
Cr
2
O
3
Anôt Không
MnO
2
Anôt Không
FeO
2
Anôt Không


12
CoO
2
Anôt Không
NiO
2
Anôt Có
Nb
2
O
5
Catôt Có
MoO

3
Catôt Có
Ta
2
O
5
Catôt Có
WO
3
Catôt Có
IrO
2
Anôt Có
1.1.3. Những nét cơ bản về linh kiện điện sắc
a) Cấu tạo:
Linh kiện điện sắc bao gồm nhiều lớp màng mỏng sao cho tính chất
quang của lớp vật liệu điện sắc có thể thay đổi một cách thuận nghịch và
điều khiển được bởi độ lớn và chiều phân cực của điện trường (hình 1.2).

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của linh kiện điện sắc
• Màng dẫn điện trong suốt: điện cực ITO có độ truyền qua cao và
dẫn điện tốt, độ dẫn điện được biết thông qua điện trở của lớp điện cực
được phủ trên đế thủy tinh trên 1 đơn vị vuông. Màng dẫn điện này trong
nhiều trường h
ợp, có thể thay thế bằng màng ôxit thiếc có pha tạp flo
(SnO
2
:F) có độ bền và khả năng dẫn điện tương đương với màng dẫn điện
ITO.

13
• Lớp vật liệu điện sắc: lớp vật liệu chính để hình thành linh kiện
điện sắc. Cụ thể trong luận văn này là lớp nanô xốp TiO
2
được chế tạo
bằng phương pháp phủ trải – “Doctor blade” và lớp nanô xốp WO
3
được
chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa.
• Lớp dẫn ion (chất điện ly): có thể là chất rắn, lỏng hay đông đặc.
Sử dụng các dung dịch chất điện ly như axit, kiềm và các dung dịch chất
điện ly muối có độ dẫn điện tử cao. Ở đây, chất điện ly được chọn là dung
dịch muối trung tính lithiclorat (LiClO
4
) được hòa tan trong dung môi
propyplene carbonat (PC) với tỷ lệ 0.1M để đảm bảo độ phân ly tốt và
không gây tổn hại cho các màng điện sắc được nghiên cứu trong công
trình này.
• Lớp tích trữ ion: lớp này được coi như một lớp bổ trợ, có tác dụng
tích trữ ion làm cho mật độ ion trong linh kiện được cải thiện khi có điện
trường tác dụng. Trong một số trường hợp, lớp tích trữ ion thường mang
tính chất đố
i ngược với chất điện sắc để nhằm nâng cao hiệu suất của linh
kiện. Nói rõ hơn là khi chất điện sắc là vật liệu nhuộm màu catôt thì lớp
tích trữ được chọn trong trường hợp này thường là chất có khả năng
nhuộm màu anôt. (Do điều kiện có hạn của luận văn nên trong linh kiện
điện sắc được chế tạo thử ở đây không có mặ
t lớp tích trữ ion này. Vấn đề
này sẽ được mở rộng nghiên cứu trong những công trình tiếp theo).

b) Hoạt động
Tính chất điện sắc của vật liệu điện sắc trong linh kiện điện sắc
được thay đổi thông qua độ lớn về độ truyền qua. Khi đặt điện trường lên
các điện cực trong suốt của linh kiện thì các ion sẽ được tiêm vào hoặc
thoát ra khỏ
i lớp điện sắc gây ra sự thay đổi các đặc tính quang của chúng,
qua đó phản ánh đặc trưng của linh kiện.
Quá trình điện sắc thể hiện sự hình thành và biến đổi màu thuận
nghịch được biểu diễn dưới dạng phương trình hai chiều mô tả phản ứng
oxy hóa khử trên bề mặt điện cực làm việc như sau:
WO
3
(trong suốt) + xM
+
+ xe
-
⇔ M
x
WO
3
(xanh sẫm) (1.1)
TiO
2
(trong suốt) + xM
+
+xe
-
⇔ M
x
TiO

2
(xanh sẫm) (1.2)


14
Bình thường màng tinh thể WO
3
và TiO
2
gần như trong suốt, độ
trong suốt có thể đạt tới 90%, còn hợp chất M
x
TiO
2
và M
x
WO
3
là vật liệu
hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy, ta sẽ thấy màng có màu
xanh sẫm (theo những nghiên cứu trước đây về màng WO
3
). Màu sắc của
màng phụ thuộc vào mật độ proton hay cation xâm nhập vào màng. Ở
trạng thái nhuộm màu màng trở nên hấp thụ mạnh ánh sáng, khiến cho độ
truyền qua giảm, do đó ta thấy màng có màu xanh sẫm. Khi đổi chiều
phân cực của điện trường ngoài (quá trình tẩy màu), các liên kết giữa ion
M
+
và oxy được giải phóng bởi tác dụng của điện trường, hiện tượng tẩm

màu mất đi và màng lại trở nên trong suốt. Đây chính là quá trình nhuộm
màu và tẩy màu của màng WO
3
và TiO
2
trong dung dịch chất điện ly thể
hiện tính chất điện sắc của các vật liệu và linh kiện điện sắc.
1.1.4. Màng mỏng điện sắc ôxit kim loại chuyển tiếp
Như đã nêu ở trên, hiệu ứng điện sắc được tìm thấy hầu hết trong
các ôxit kim loại chuyển tiếp như ôxit của Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni (chu
kỳ 4 trong bảng tuần hoàn); ôxit của Nb, Mo, Rh (chu kỳ 5); ôxit của Ta,
W, Ir (chu k
ỳ 6) và một số hỗn hợp ôxit khác của chúng. Các tính chất vật
lý và hóa học của vật liệu này mang tính đặc trưng cho họ vật liệu. Bên
cạnh đó, ôxit titan là loại vật liệu được nghiên cứu và phát triển mới đây
và có khả năng ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, phải kể đến
là khả năng chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng quang hay như
trong hi
ệu ứng điện sắc của các linh kiện điện sắc. Do đó, ôxit kim loại
chuyển tiếp được nghiên cứu trong luận văn này là ôxit titan và ôxit
vônfram, hai ôxit này đặc trưng cho loại vật liệu điện sắc catôt. Chúng
được chế tạo bằng các phương pháp phủ trải (đối với ôxit titan) và
phương pháp lắng đọng điện hóa (đối với ôxit vônfram).
1.1.5. Ứng dụng của linh kiện điện sắ
c
Cửa sổ “thông minh” (Smart windows)
Linh kiện điện sắc đang được các nhà khoa học trên thế giới đặc
biệt quan tâm và nghiên cứu phát triển vì khả năng ứng dụng thiết thực
của linh kiện này trong đời sống. Điển hình là trong các công trình xây
dựng có tính tiện nghi cao như những tòa cao ốc cao cấp, mà chủ yếu là

những ứng dụng của linh kiện điện sắc trong việc chế tạo các cử s
ổ “thông
minh” (hình 1.3). Bằng cách thay đổi điện thế đặt vào linh kiện người ta


15
có thể điều chỉnh được lượng ánh sáng truyền qua một cách dễ dàng linh
động và liên tục sao cho phù hợp với nhu cầu.

Hình 1.3.Linh kiện điện săc được ứng dụng trong các cửa sổ “thông
minh”
Khi áp điện thế thích hợp (bật công tắc), những ion sẽ di chuyển
nhanh trong lớp ion và lớp điện sắc kèm theo điện tử được tiêm vào từ
màng dẫn điện làm thay đổi tính chất quang của cửa sổ, cụ thể là màu sắc
của chúng được thay đổi (trạng thái nhuộm màu). Do đó chỉ có một ph
ần
ánh sáng được truyền qua cửa sổ.
Kính chống lóa, chống phản xạ
Ngoài cửa sổ “thông minh”, vật liệu điện sắc còn được nghiên cứu
và phát triển trong việc chế tạo kính chống lóa và chống phản xa. Người
ta có thể thay đổi độ phản xạ của linh kiện điện sắc với một trong hai điện
cực trong suốt được thay thế bằng một mặt phả
n xạ - mặt kim loại. Loại
linh kiện này được ứng dụng trong việc chế tạo kính chống lóa và chống
phản xạ cho các loại ô tô, xe tải, v.v trong việc giảm cường độ sáng của
các xe ngược chiều hay mặt trời. Khi đèn pha của các xe sau hoặc xe đi
ngược chiều hay ánh sáng mặt trời chiếu vào kính, với điện áp phù hợp,
kính chuyển màu sẫm giảm thiểu ánh sáng làm chói mắt, giúp lái xe có
thể điều khi
ển phương tiện dễ dàng hơn và an toàn hơn. Cửa sổ “thông

minh”, kính chống lóa và chống phản xạ là một trong những ví dụ điển
hình cho những ứng dụng được sử dụng rất nhiều trong đời sống hiện nay,
là một trong những ứng dụng tiên tiến góp phần cải thiện môi trường sống
bằng việc sử dụng các năng lượng sạch, không gây ô nhiễm.


16
1.2. Vật liệu ôxit titan và ôxit vônfram
1.2.1. Đặc trưng cấu trúc tinh thể
a) Vật liệu ôxit vônfram
Vônfram là kim loại chuyển tiếp thuộc phân nhóm B, nhóm VI
trong bảng hệ thống tuần hoàn hóa học Mendeleev. Dạng ôxi hóa của
vônfram là +4 (hình 1.4), +5 và cao nhất có thể đạt được khi vônfram có
hóa trị +6 (hình 1.4), với công thức hóa học là WO
3
. WO
3
là chất bán dẫn
có vùng cấm rộng 3.25 eV. Ở dạng bột, WO
3
có màu vàng nhạt, còn ở
dạng tinh thể thì W trong suốt trong vùng bước sóng khả kiến.


Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể WO
2
và WO
2

Về mặt cấu trúc mạng tinh thể, tinh thể W có cấu trúc mạng lập
phương, trong đó kim loại W nằm ở đỉnh, ion oxy nằm ở giữa các cạnh.
Cấu trúc mạng này tương đương với cấu trúc mạng tinh thể perovskit. Tại
nhiệt độ giảm dần từ 900
o
C → -189
o
C đơn tinh thể WO
3
sạch có thể tồn
tại ở các hệ mạng với bậc đối xứng giảm dần, khi nhiệt độ xuống rất thấp
hệ mạng lại được thiết lập ở bậc đối xứng cao hơn: hệ tứ giác → hệ trực
giao → hệ đơn tà → hệ tam tà → hệ đơn tà tại nhiệt độ thấp [3,11]. Ô
mạng tinh thể
được hình thành bởi sự sắp xếp các khối bát diện tâm W có
chung đỉnh và chung cạnh như trong hình 1.5. Sự sắp xếp này thường dẫn
đến những sai hỏng trong mạng tinh thể WO
3
.


17

Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể WO
3
thể hiện sự sắp xếp các khối bát diện
tâm W có chung đỉnh và cạnh
b) Vật liệu ôxit titan
Tinh thể TiO
2

(hình 1.6) bao gồm ba pha cấu trúc riêng anatase,
rutile và brookite. Mạng TiO
2
tuân theo kiểu mạng tinh thể của hợp chất
hóa học ion AB
2
. Các nguyên tử titan trong cấu trúc pha anatase tạo thành
mạng tứ phương tâm thể (hình 1.6) với các thông số mạng a = b =
3,784
o
A
và c = 9,515
o
A
. Mật độ hạt
3
3,895g / cmρ≈
. Số nguyên tử titanium
là bốn. Số nguyên tử oxy là tám. Các nguyên tử titan trong cấu trúc pha
rutile tạo thành mạng tứ phương thể tâm với các thông số mạng a = b =
4,593
o
A
và c = 2,959
o
A
. Mật độ hạt
3
4,274g / cmρ≈
. Số nguyên tử titan là

hai. Số nguyên tử oxy là bốn.

Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể TiO
2




18
Bề rộng vùng cấm cấu trúc TiO
2
pha rutile (3,1 eV) nhỏ hơn so với
pha anatase (3,2 eV) là do cấu trúc rutile có mật độ nguyên tử lớn hơn.
Năng lượng hình thành mạng rutile
0
f
( G 212,6kcal / mol)Δ≈− cao hơn pha
anatase
0
f
( G 211,4kcal/ mol)Δ≈− . Do đó, độ phủ hàm sóng điện tử lớn hơn,
dẫn đến độ rộng vùng cấm nhỏ đi. Cả hai mạng tinh thể TiO
2
rutile và
anatase đều có cùng nhóm đối xứng điểm của hệ tứ giác. Nhiệt độ để hình
thành mạng anatase là 500 – 600
0
C và từ anatase chuyển sang rutile là
800 – 900
0

C.
Các nguyên tử titan trong cấu trúc brookite tạo thành mạng trực thoi
(hình 1.6) với các thông số mạng a = 9,184
o
A
; b = 5,447
o
A
và c = 5,145
o
A
.
Mật độ hạt
3
4,123g / cmρ≈ . Số nguyên tử titan là tám. Số nguyên tử oxy là
mười sáu. Mạng tinh thể TiO
2
brookite thuộc nhóm đối xứng điểm.Thể tích
ô cơ sở brookite bằng 257,28
o
3
A
.
Trong cả ba cấu trúc rutile, anatase và brookite mỗi cation Ti
4+
có
sáu anion O
2-
bao quanh gần nhất trong khi mỗi anion O
2-

có ba cation
Ti
4+
bao quanh gần nhất. Ngoài ra, ta còn có màng TiO
2
cấu trúc vô định
hình. Màng TiO
2
vô định hình có chiết suất, n, nhỏ nhất so với các cấu
trúc TiO
2
đa tinh thể vì mật độ khối lượng
m
ρ
(g/cm
3
) thấp nhất [15].
1.2.2. Tính chất quang và tính chất điện sắc
Độ rộng khe năng lượng của vật liệu titan ôxit và vônfram ôxit đủ
lớn khiến cho vật liệu trong suốt trong vùng khả kiến.
Khi có các ion và điện tử được tiêm vào, mức Fermi sẽ dịch chuyển
lên trên. Trong trường hợp của WO
3
và TiO
2
thì vật liệu chuyển từ trạng
thái trong suốt sang trạng thái hấp thụ hoặc phản xạ tùy thuộc các điện tử
chiếm trạng thái định xứ hay tự do. Khi các cặp ion hay điện tử được
thoát ra vật liệu trở lại trạng thái ban đầu.
a) Đối với vật liệu ôxit vônfram:

Các mức s, p và d của nguyên tử W và các mức 2s, 2p của nguyên
tử O được vạch rõ. Đối với WO
3
các mức tương ứng 6s, 6p và 5d. Sự sắp
xếp của các nguyên tử trong cấu trúc này dẫn đến mức d bị tách ra thành
hai mức e
g
và t
2g
như ở phần bên trái hình 1.7.


19

Hình 1.7. Giản đồ mức năng lượng của các ôxit có cấu trúc perovskit -
tương ứng giản đồ năng lượng của WO
3

Trong mạng perovskit các mức năng lượng của phân tử mới hình
thành sẽ mở rộng ra thành các dải năng lượng. Số trạng thái chứa các điện
tử ở mỗi dải là cố định. Số các trạng thái của điện tử trên mỗi dải được chỉ
ra trên hình vẽ. Đối với WO
3
số điện tử này là 24, vì vậy mức Fermi nằm
ở giữa khe tạo bởi các dải t
2g
và p
π
. Độ rộng của khe năng lượng là đủ lớn
khiến cho vật liệu này trong suốt trong vùng khả kiến [1].

Khi có các ion và điện tử được tiêm vào, mức Fermi sẽ dịch chuyển
lên trên. Trong trường hợp của WO
3
các điện tử thêm vào sẽ phải điền
vào mức t
2g
và khi đó, về nguyên tắc, vật liệu chuyển từ trạng thái trong
suốt sang trạng thái hấp thụ hoặc phản xạ tùy thuộc các điện tử chiếm các
trạng thái định xứ hay tự do. Khi các cặp ion và điện tử được thoát ra vật
liệu trở lại trạng thái trong suốt như ban đầu.
b) Đối với vật liệu ôxit titan:
Liên kết TiO
2
là liên kết ion. Các nguyên tử titan và oxy trao đổi
điện tử hóa trị cho nhau để trở thành các cation và anion. Liên kết hình
thành giữa các ion trái dấu thông qua lực hút tĩnh điện. Khi tạo thành tinh
thể, mỗi nguyên tử titan cho hai nguyên tử oxy bốn điện tử để trở thành
Ti
+4
, mỗi nguyên tử oxy nhận hai điện tử để trở thành O
-2
, để điện tử phân
bố thỏa mãn điều kiện bảo toàn điện tích trong toàn hệ và có xu hướng
sao cho các nguyên tử có lớp vỏ ngoài cùng lấp đầy điện tử.


20

Hình 1.8. Cấu hình điện tử biểu diễn theo vân đạo

Anion O
2-
(hình 1.8-4) có phân lớp 2p đầy sáu điện tử. Trong tinh
thể vùng 2p thành vùng đầy điện tử. Cation Ti
4+
(hình 1.8-2) không có
điện tử nào ở phân lớp 4s nên khi tạo thành vùng 4s trong tinh thể thì
vùng này không chứa điện tử.

Hình 1.9. Cấu trúc vùng TiO
2


Do đó hình thành hai vùng: vùng dẫn (vùng 4s) và vùng hóa trị
(vùng 2p) mà khoảng cách giữa hai vùng này lớn hơn 3 eV (hình 1.9).
Các chất có các vùng cho phép đầy điện tử hoàn toàn hoặc trống
hoàn toàn ở nhiệt độ thấp hầu như không dẫn điện, đó là các chất điện môi
hoặc các chất bán dẫn.
Khi T = 0 (K), vùng năng lượng hóa trị trong bán dẫn cũng như
trong điện môi đều bị điện tử chiếm hoàn toàn. Theo nguyên lý loại trừ
Pauli, mỗ
i mức ở vùng này có hai điện tử chiếm. Vùng nằm trên vùng hóa
trị hoàn toàn tự do, không chứa một điện tử nào, gọi là vùng dẫn. Vùng
hóa trị và vùng dẫn cách nhau bởi vùng cấm.


21
Khi T ≠ O (K) một số điện tử trong vùng hóa trị do chuyển động
nhiệt và trao đổi năng lượng nên có thể nhận được năng lượng vượt quá
độ rộng vùng cấm, chuyển lên vùng dẫn . Do độ rộng vùng cấm của chất

bán dẫn nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của chất điện môi nên độ dẫn điện
của bán dẫn lớn hơn nhiều lần so vớ
i độ dẫn điện của điện môi.
Với độ rộng vùng cấm lớn hơn 3 eV của màng TiO
2
, ta có thể xếp
nó thuộc loại
chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn và sử dụng lý thuyết
bán dẫn để lập luận phần hấp thụ quang. Khi năng lượng photon ánh sáng
chiếu tới màng TiO
2
lớn hơn hay bằng độ rộng vùng cấm của nó, chuyển
mức cơ bản xảy ra và là
chuyển mức xiên được phép. Mức Fermi trong
tinh thể TiO
2
nằm chính giữa vùng cấm.
Từ những khảo sát về cấu trúc vùng năng lượng, ta thấy bản chất
vật lý của hiệu ứng điện sắc cũng như nguyên nhân dẫn đến ôxit vônfram
và ôxit titan thuộc họ vật liệu điện sắc catôt chính là khả năng thay đổi
thuận nghịch các trạng thái chiếm chỗ của điện tử trong cấu trúc vùng
năng lượng.


22

Chương 2. Công nghệ chế tạo mẫu và các phương pháp
nghiên cứu tính chất
2.1. Mục đích
Mục đích của thực nghiệm là:

-
Chế tạo màng mỏng TiO
2
cấu trúc nanô bằng phương pháp “Doctor
blade” (trải phủ + ủ nhiệt)
-
Chế tạo màng mỏng WO
3
cấu trúc nanô bằng phương pháp lắng đọng
điện hóa.
-
Chế tạo hệ màng đa lớp chứa các chuyển tiếp dị chất nanô và linh
kiện điện sắc.
2.2. Phương pháp chế tạo và các phép đo
2.2.1. Chế tạo màng mỏng TiO
2
bằng phương pháp phủ trải-Doctor
blade
Sử dụng phương pháp phủ trải có thể chế tạo các màng có độ bám
dính đế tốt, độ xốp cao khác với các phương pháp chế tạo màng truyền
thống. Kết hợp với ủ nhiệt trong ôxy (ôxy hóa nhiệt hay tái kết tinh) có
thể nhận được màng tinh thể xốp nanô, hạt có kích thước gần giống như
kích thước của hạt phân tán trong dung dịch nước. Phương pháp này được
trình bày như trong khóa luận đã báo cáo trước đ
ây. Các bước chế tạo cụ
thể như sau: dùng băng keo viền tấm thủy tinh ở cả ba mặt của nó rồi sử
dụng ethanol rửa sạch những tạp bẩn ở bề mặt mẫu. Nhỏ vài giọt hóa chất
Degussa chứa các hạt ôxit titan kích thước hạt trong khoảng 20 nm.Trải
phẳng bằng cách lăn đều đũa thủy tinh trên bề mặt mẫu có hóa chất. Loại
bỏ bă

ng keo trên đế thủy tinh. Mẫu thu được để khô tự nhiên trong 10
phút ta nhận được lớp màng ôxit đông đặc. Quá trình ủ nhiệt được thực
hiện tại 450
0
C trong không khí, thời gian ủ là 9 giờ. Bề mặt mẫu chuyển
sang màu nâu khi các dung môi hữu cơ và chất hoạt động bề mặt khô, và
bị ôxy hóa hoàn toàn tạo thành lớp ôxit titan màu trong suốt.
Ưu điểm: phương pháp này hiệu quả về mặt thương mại, dễ thao
tác, ưu việt hơn hẳn so với các phương pháp chế tạo màng phức tạp khác.


23

Hình 2.1. Chế tạo màng ôxit cấu trúc nanô bằng phương pháp phủ trải -
Doctor blade
2.2.2. Chế tạo màng mỏng WO
3
bằng phương pháp lắng đọng điện
hóa
Phương pháp lắng đọng điện hóa là phương pháp chế tạo màng
mỏng trong đó quá trình hình thành màng mỏng dựa trên cơ sở của phản
ứng oxi hóa khử trên bề mặt điện cực đặt trong dung dịch có chứa các ion
hay phân tử của vật liệu cần chế tạo khi có dòng chạy qua. Có ba điện cực
được sử dụng trong phương pháp này cho việc lắng đọng hóa học là:
• WE (Working Electrode): Điện cực làm việc (ở đây là các điện
cực chế tạo được đem khảo sát)
• RE (Reference Electrode): Điện cực đối Pt
• CE (Counter Electrode): Điện cực so sánh Calomel

Hình 2.2. Sơ đồ thiết bị tạo màng mỏng bằng kỹ thuật điện hóa

24
- Phương pháp dòng không đổi: mật độ dòng qua điện cực làm việc
cố định ở một giá trị thích hợp trong quá trình tạo màng.
- Phương pháp thế không đổi: điện thế đặt trên điện cực làm việc
được cố định ở một giá trị thích hợp trong quá trình tạo màng.
Ưu điểm:
• Có thể khống chế được tốc độ tạo màng, kiểm soát được độ dày
màng. Có thể chế tạo được mẫu có diện tích lớn với độ đồng đều
cao.
• Có thể pha tạp vào màng bằng phương pháp đồng kết tủa hoặc
phương pháp ôxy hóa khử.
• Dễ dàng tạo được các dung dịch tạo màng có độ sạch cao.
• Sản phẩm có thể là màng mỏng kim loại, hợp kim, hoặc các hợp
chất hợp thức hoặc không hợp thức, các ôxit kim loại và các vật
liệu polymer.
Hạn chế: Về mặt cấu trúc, màng mỏng được hình thành dưới dạng vô
định hình hoặc trong một số trường hợp có thể là đa tinh thể với nhiều
biên hạt.
2.2.3. Các phép đo đạc sử dụng để khảo sát tính chất của màng TiO
2
và WO
3
Khảo sát cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất để nghiên
cứu cấu trúc vật rắn, vì tia X có bước sóng ngắn, nhỏ hơn khoảng cách
giữa các nguyên tử trong vật rắn. Khảo sát cấu trúc tinh thể của mẫu bằng
nhiễu xạ tia X sẽ góp phần điều chỉnh chế độ công nghệ chế tạo vật liệu
để nhận được cấu trúc tinh thể mong muố

n.
Bản chất của hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể được thể
hiện ở định luật nhiễu xạ Laue và phương trình Bragg.
Trên hình 2.3. trình bày hiện tượng nhiễu xạ tia X trên họ mặt mạng
tinh thể (mặt phẳng Bragg) có khoảng cách giữa hai mặt liền kề
d. Dễ
nhận thấy hiệu quang trình giữa hai tia phản xạ từ hai mặt phẳng này là


25
2dsinθ, trong đó θ là góc giữa tia tới và mặt phẳng mạng. Các sóng phản
xạ từ những mặt phẳng Bragg thoả mãn điều kiện của sóng kết hợp: cùng
tần số và lệch pha. Cường độ của chúng sẽ được nhân lên theo định luật
giao thoa. Công thức diễn tả định luật này chính là nội dung cơ bản của
phương trình Bragg :

2dsinθ = nλ (2.1)
trong đó
λ là bước sóng nguồn tia X sử dụng; n = 1, 2, 3, v.v là bậc
nhiễu xạ. Thông thường trong thực nghiệm chỉ nhận được các nhiễu xạ
ứng với n = 1.

Hình 2.3. Sự phản xạ của tia X trên các mặt phẳng Bragg
Từ phương trình Bragg, nhận thấy đối với một hệ mặt phẳng tinh
thể (d đã biết) thì ứng với giá trị nhất định của bước sóng tia X sẽ có giá
trị
θ tương ứng thoả mãn điều kiện nhiễu xạ. Nói cách khác, bằng thực
nghiệm trên máy nhiễu xạ tia X chúng ta sẽ nhận được tổ hợp của các giá
trị d
hkl

đặc trưng cho các khoảng cách mặt mạng theo các hướng khác
nhau của một cấu trúc tinh thể. Bằng cách so sánh tổ hợp này với bảng tra
cứu cấu trúc trong các tệp dữ liệu về cấu trúc tinh thể hoặc của các mẫu
chuẩn có thể xác lập cấu trúc tinh thể của mẫu nghiên cứu.
Phương pháp hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM
Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) là phương pháp
SEM có độ phân giải cao hơn một bậc so với SEM thông thường. Vì vậy
sử dụng FE-SEM có thể chụp cấu trúc hạt nanô tinh thể với độ nét rất cao.
SEM hoạt động theo nguyên lý sau: điện tử thứ cấp phát xạ nhờ các điện
tử của súng điện tử có năng lượng cao bắn phá vào bề mặt của mẫu kh
ảo
sát. Số lượng điện tử thứ cấp phát xạ càng nhiều khi bề mặt mẫu nhô lên