nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của hạt nano tinh thể zno

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN








VŨ THỊ HẰNG









NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT
TÍNH CHẤT QUANG CỦA HẠT NANO TINH THỂ ZnO

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CỬ NHÂN HÓA HỌC










2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN








VŨ THỊ HẰNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT
TÍNH CHẤT QUANG CỦA HẠT NANO TINH THỂ ZnO






LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CỬ NHÂN HÓA HỌC









CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. NGUYỄN TRÍ TUẤN




2013
 
hiên   


NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


: .

MSSV: 2102243
 Khóa 36














 tháng 
 

 
hiên   


NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN


:  .

MSSV: 2102243
 Khóa 36




 







 tháng 
 


i
LỜI CẢM ƠN
             
TS. 
.
T, Ch Khoa
 T, C
 giúp em

Xin chân thành cT, Cô  

, 


 s
              

 












ii
TÓM TẮT
  
 
               
 Các
 °C -
700°C. hanh nano có 65 - 170 460 - 650
. 
g 
các mu này  có hai phát  do 
   và  
vùng) và phát  oxi

iii

ABSTRACT
ZnO nanocrystallines with hexagonal structures have been successfully
prepared via a co-precipitation method and a hydrothermal method. The obtained
ZnO nanopowders were characterized by X-ray diffraction (XRD), energy
dipersive X-ray spectrometry (EDX) and field emission scanning electron
microscope (FESEM) to determine the crystal lattice structure, lattice
composition, morphology and average crystal size. The crystallines with a size
are 10 - 52 nm corresponding to annealing temperatures at 200 °C  700 °C. The
nanorods have a diameter of ~65 - 170 nm and length of ~460 - 650 nm under the
hydrothermal temperatures at 190 °C, 210 °C, 230 °C. Optical properties of ZnO
samples were studied by photoluminescence (PL) spectra. PL spectra of these
samples showed ultraviolet emission (~380 - 390 nm) is caused by the free
exciton recombination and visible emission (~530 - 620 nm) is related to defects
of oxygen and zinc.

iv

LỜI CAM ĐOAN

























v
MỤC LỤC
 i
 ii
ABSTRACT iii
 v
 vii
 viii
 ix
 1
 1
 1
 2

2.1  2
 2
 3
 4
 4
 4
 5
 5
 6
 6
 7
2.2 p 7
 7
 9
 10
 12
-precipitation) 13
 13
 15
 15
 15
 15
 15


vi
-
precipitation) 15

(hydrothermal) 16

 18
 18
 19
 (EDX) 20
 22
 24
 24
 24
 25
 28
 28
 28
 30
 34
 35
 35
 35
 36
 38

vii
DANH MỤC HÌNH
 4

II
B
VI
 6
 8
 8
 9
 11
 11
 16
 17
Hình 3.3 Máy  18
Hình 3.4  19
Hình 3.5 -7600F 20
 21
- 23
  24

2
/(NH
4

)
2
CO
3
 26
 26
 27
 27
 29
 29
 29
Hình 4 31
 32
 33
 34

viii
DANH MỤC BẢNG
1  4
 25

ix
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT



E
Energy

E
g

Bandgap of semiconductor

I
L

Intensity of luminescence

m

e

Efecctive mass of electron


Wavelength


Frequency

CB
Conduction band

EDX
Energy-dispersive X-ray
spectroscopy

FESEM
Field emission scanning
electron microscopy


HOMO
Highest occupied
molecular

LUMO
Lower occupied molecular

PL

Photoluminescence
spectrum

VB
Valence band

XRD
X-ray diffraction
 tia X


Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 1
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
ZnO là   thuc nhóm A
II
B
VI
có nhiu tính cht ni b
 rng vùng cm ln (c 3,4eV  nhi  bn v rn và nhi
 nóng chy cao,  
 
linh
kin t  
là ZnO có  nano, dây nano, thanh nano, 
 
 

 
  phát quang
 nano 
 

 
 

 
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
 thành công nano

  và 
 và .

Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 2
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Giới thiệu về công nghệ nano
  
  
          và    i mô
nanomet (nm, 1 nm = 10

m)
[1]
.
 nano

(nanomaterials) - vt lit mt chiu có kích c nanomet (t
     ). Khi   c này vt liu cho thy
nhng tính cht mt khác hn vi tính cht ca chúng ti các qui mô ln
có kh ng d
[1]
. Vi nht vi, vt liu
nano  c nhiu s quan tâm nghiên cu, ng dng trong
nhic ci sng y hc, m phm, hóa cht và vt liu cao cp, t
ng hóa, dt, vt liu quang n t, quang xúc tác, công ngh thông tin - vin
thông, nng, môi ng, hàng  và an ninh quc phòng
[2]
.
Nguyên nhân 

 t
[3]
.
2.1.1 Hiệu ứng giam giữ lượng tử
K  
  


 
(blue shift) 
 (red shift) 


 
 
- , 




tín             
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 3





, . Trong khi
 
 


 
 






 
/phân
khe HUMO  

- 


2.1.2 Hiệu ứng bề mặt
Khi  anomet thì 

1 nm thì 99% 

nanomet khác bi

      
 


 
. 
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 4


1 
 (nm)

N (%)
10
30000
20
4
4000
40
2

250
80
1
30
99
S


các tính ch
2.2 Vật liệu huỳnh quang ZnO
ZnO  nhóm A
II
B
VI

 3,4 
 60 meV), electron linh t quang
, 
[4]
.
2.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể của ZnO
T
 (Hình 2.1a),   (Hình 2.1b)
và  (Hình 2.1c)
[5]
.


(a) (b) (c)
Hình 2.1 

2.2.1.1 Cấu trúc mạng tinh thể lục giác Wurtzite
  

Kẽm (Zn) Oxi (O)

Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 5
C
4
6v
 P
6
3mc
. 

2+
và anion O
2-
 

2/3, 1/2) và O 
(1/3, 2/3, 1/2  ~3/8

 O .


















      này      a = 3,243 ,
c = 5,195 
[5-6]
.
2.2.1.2 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương kiểu NaCl
 
này O


       
,27 .
Khi  

,

[7]
.
2.2.1.3 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương giả kẽm

  y là


d
2


- F
43m

  
(0, 0, 0), (0, 1/2, 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0) và 4 
 1/4), (1/4, 3/4, 3/4), (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4).



 



.  

[7]
.
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 6
2.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO
2.2.2.1 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lục giác Wurtzite


 k = 
  1s
2
2s
2
2p
4
và
 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2


2+


   


7


9

7

7
i

9

7

7


9

7

9

7

       E
c
   
7

 
7
  


(a) (b)
Hình 2.2  A
II
B
VI
(a)  (b)
      
        
à: 3,3708 eV; 3,378 eV và 3,471 eV T = 77K
                

7
 
9
 
7
      là

II
B
VI
khác.
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 7

này là:













































a là 
 có 

















; 















; 















[8]
.
2.2.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lập phương kiểu NaCl
 














 













 













 có 

















; 















; 














2.2.2.3 Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lập phương giả kẽm



2.2.3 Sai hỏng trong tinh thể ZnO
Trong 

 . Tuy nhiên,  tinh
 
 .
S: Frenkel và Schottky. C
  
 
  (Hình 2.3a)           
 Schottky 
  
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 8
              
(H    ía    

~1 
 


[9-10]
.

a)  b) 
Hình 2.3 
  
i  
n khác nhau ,05  2,8 eV 
Hình 2.4
[11]
.

Hình 2.4 
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 9
oxi là nguyên nh
  k
1), (+2), 0: 


, 


,


và noxi 
(+2), 0: 



, 


, 


. ceptor là 


, 


.
: 
: 
: 


o















o














2.2.4 Tính chất huỳnh quang của vật liệu ZnO
 ZnO Hình 2.5:

Hình 2.5 
 vùng
(2), 
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 10


o
, V
Zn
và O
i


o





Zn
và O
i
(10): onor  
o
và V
Zn


V
o
, V
Zn
và O
i



[12]

K
ùng  hành các exciton (2). Các
a 
o
), nút

Zn
) 
i

 

  (V
Zn
,
O
i


[12]
.
 là có hai vùng phát
  (UV) 
520 nm -
650 nm) do  ng thái
 ra
[13]
.

2.2.5 Vật liệu nano ZnO và một số ứng dụng
      n   ba nhóm: 0  
, 1  (dây nano, thanh nano, , , 
nanotetrapod) và 2  

(a)  (b) Thanh nano (c) Nano tetrapod
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 11
Hình 2.6 
 ZnO 



(a)  (b) Diode phát quang

  

Hình 2.7 
Thanh nano ZnO  cho các thit b  
  nanolaser  , b tách sóng quang và diode phát quang
vùng t ngoi.  ZnO   cho
các thit b sensor vì  chúng  c, sensor nhy
 m và sensor khí siêu nhy s dng thanh nano ZnO và dây nano ZnO có 
tt   phòng, trong khi sensor  
 . 
, dây nano ZnO  ng t
 
[11-12,14]
. Màng nano ZnO khi pha



 
[8, 12-16]
.
Luận văn tốt nghiệp đại học

SVTH: Vũ Thị Hằng 2102243 12
              
 - 14,3 V
-1
   30 - 150 kHz.    
 ZnO (9,9 pm V
-1
)
[17]
.

 





[4,13]
.
2.2.6 Phương pháp chế tạo vật liệu nano ZnO
             
nhau      -      
(bottom-up).

 

              
            
      (photoetching)


[18]
Tuy nhiên

 
P
  (co-precipitation),
, sol-gel (sol-gel process) (hydrolysis), 
phân (pyrolysis),    (solvothermal)      
(chemical vapor deposition - CVD),     laser (pulsed laser
deposition  PLD) (electrochemistry),
[18]

, 
l,   
trang thi 
u, 

[3]
.