Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của dây Nano TiO2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------

TRỊNH ĐÌNH CAO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT
QUANG CỦA DÂY NANO TiO2

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

TP.Hồ Chí Minh 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
------------

TRỊNH ĐÌNH CAO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT
QUANG CỦA DÂY NANO TiO2
CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC
MÃ SỐ: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học:
Ts. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

TP.Hồ Chí Minh 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG
ĐẠI HỌC VINH
Người hướng dẫn khoa học:
Ts. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

Phản biện 1: PGS.TS.VŨ NGỌC SÁU, Trường ĐH VINH
Phản biện 2: TS.LÊ THẾ VINH, Trường ĐHSPKT VINH

Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn thạc sỹ họp tại Trường
Đại học Vinh vào hồi 9 giờ 45 ngày 15 tháng 6 năm 2013.


LỜI CÁM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của TS.
NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA. Tác giả xin trân trọng bày tỏ sự kính trọng, lòng
biết ơn chân thành sâu sắc nhất của mình đối với cô giáo hướng dẫn, cô đã tận
tình dẫn dắt, chỉ bảo, luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả ngay từ những
bước đi đầu tiên cũng như trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Đối với tác
giả được học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của cô là một niềm hạnh
phúc lớn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới các thầy, cô giáo
trong Khoa Vật lý, Khoa Điện Tử -Viễn Thông của TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
và Đề tài được thực hiện dưới sự tài trợ của Quỹ phát triển Khoa học và Công
Nghệ Quốc Gia (NAFOSTED) với mã số đề tài 103.05-2012-53 , những người đã
có những đóng góp, ủng hộ rất quý báo và thiết thực cho tác giả trong suốt thời
gian làm luận văn và dành cho tác giả sự cổ vũ ,động viên nhiệt tình trong cuộc
sống cũng như trong học tập.
Tác giả cũng xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Ban
Chủ nhiệm Khoa Vật lý, Khoa Sau đại học của trường Đại Học Vinh đã tạo điều

kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Cuối cùng, tôi dành những tình cảm biết ơn chân thành nhất cho gia đình
tôi và tập thể lớp Quang Học Khóa 19 (Đại Học Sài Gòn) vì đã động viên tôi rất
nhiều trong quá trình học tập, giúp đỡ tôi vượt qua mọi thử thách để có ngày
hôm nay.
Chân thành cám ơn tất cả!
ĐỒNG NAI, ngày 15 tháng 5 năm 2013


MỤC LỤC
Trang
Lời cám ơn
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Danh mục các chữ viết tắt
Lời nói đầu ......................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano và phân loại vật liệu nano.................................................3
1.1.1 Khái niệm vật liệu nano và công nghệ nano...............................3
1.1.2 Phân loại vật liệu nano..................................................................4
1.1.3 Tính chất của vật liệu nano..........................................................5
1.1.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano..........................................7
1.2.Tổng quan về vật liệu TiO2.............................................................. 9
1.2.1. Cấu trúc TiO2................................................................................9
1.2.2. Tính chất lý- hóa của TiO2..........................................................11
1.2.3. Sự chuyển pha của TiO2...............................................................12
1.2.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây TiO2
kích thước nanomet.......................................................................13
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Quy trình chế tạo dây nano TiO2............................................................15

2.1.1. Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu.......................................................15
2.1.2. Quy trình chế tạo mẫu ......................................................................15
2.2. Các kỹ thuật phân tích tính chất quang và vi cấu trúc của
dây nano TiO2 ..........................................................................................17
2.2.1. Phổ hấp thụ (Absorption Spectroscopy- AbS) ...............................17
2.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử...................................................20
2.2.3.Phương pháp nhiễu xạ tia X............................................................24
2.2.4. Phương pháp khảo sát hoạt tính quang xúc tác của TiO2.............29
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo lên sự hình thành dây nano TiO2...31
3.1.1. Nhiệt độ chế tạo.................................................................................31
3.1.2. Tiền chất ............................................................................................32
3.1.3. Pha tạp kim loại chuyển tiếp............................................................33
3.2. Nghiên cứu vi cấu trúc của dây nano TiO2............................................34
3.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X......................................................................34
3.2.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM và HRTEM........................37
3.3. Tính chất quang của dây nano TiO2............................................................................................ 38
KẾT LUÂN......................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................44


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Chú thích bảng

Bảng 1.1

Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu

Bảng 1.2

Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2

Bảng 2.1 Các hệ tinh thể và thông số mạng của chúng

Trang
.7
10
28


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Chú thích hình

Hình 1.1

Các dạng thù hình khác nhau của TiO2
(A) rutile
(B) anatase
(C) brookite
Sơ đồ khối của thiết bị sử dụng để chế tạo dây nanô TiO2
bằng phương pháp thủy nhiệt .

9

Hình 2.2

Sơ đồ khối của máy đo phổ UV - Vis.

19

Hình 2.3

Phổ phát xạ của đèn Halogen trong vùng nhìn thấy.

20

Hình 2.4

Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét (vi.wikipedia.org)

22

Hình 2.5

Sơ đồ cấu tạo máy TEM.

23

Hình 2.6

Nguyên lý quá trình nhiễu xạ tia X .

26

Hình 3.1

Ảnh FESEM của dây nanô TiO2 chế tạo
ở nhiệt độ khác nhau sử dụng nguồn TiCl4 :
( a) 165℃ , ( b) 170℃ , ( c) 175℃ , (d) 185℃

Hình 2.1

Trang

17

31
Hình 3.2

Hình 3.3

Ảnh FESEM của dây nanô TiO2 chế tạo ở nhiệt độ 1800C
với các nguồn Ti khác nhau: (a,b)TiCl4 , (c,d)Ti(OC4H9)4 ,
(e,f) TiCl4 và Ti(OC4H9)4.

32

Ảnh FESEM của dây nanô TiO2 không pha tạp và pha tạp
kim loại chuyển tiếp (a,b) không pha tạp (c,d) pha tạp Co 1 at.%,
(c,f) pha tạp Ni 1 at.%.

Hình 3.4 Phổ XRD của dây nanô TiO2 chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau,
sử dụng nguồn TiCl4:(a) 165 oC , (b) 170 oC,

33


(c) 175 oC và (d)185 oC

34

Hình 3.5 Phổ XRD của dây nanô TiO2 chế tạo ở nhiệt độ 180 oC, sử dụng
nguồn tiền chất khác nhau: (a) TiCl4 và(b) mixed of TiCl4
và Ti(OC4H9)4 .
Hình 3.6

35

Phổ XRD của dây nano TiO2 không pha tạp và dây nano TiO2
pha tạp Co và Ni với nồng độ 1%.

Hình 3.7

36

Phổ XRD của dây nano TiO2 pha tạp Ni với các nồng độ
khác nhau.

Hình 3.8

37

Ảnh TEM và HRTEM của dây nanô TiO2 chế tạo ở 180 oC, 4h
sử dụng phương pháp thuỷ nhiệt với các tiền chất khác nhau:

(a, c) TiCl4và (b, d) hỗn hợp của TiCl4 and Ti(OC4H9)4,
hình chèn trên 3.8d tương ứng là ảnh SEAD của nó.

Hình 3.9

38

Phổ hấp thụ của dây nanô TiO2 chế tạo từ tiền chất TiCl4 (nét liền)
và hỗn hợp tiền chất TiCl4 và Ti(OC4H9)4 (nét đứt)

39

Hình 3.10 Phổ UV-VIS của dây nanô TiO2 không pha tạp và
pha tạp kim loại chyển tiếp Co và Ni với nồng độ 1%.

40

Hình 3.11 Phổ UV-VIS của dây nanô TiO2 không pha tạp và
pha tạp kim loại chyển tiếp .

41


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AAM

: Anot màng nhôm oxit

Abs

: Phổ hấp thụ (Absorption Spectroscopy)

CB

: Vùng dẫn (conduction band)

CVD

: Lắng đọng pha hơi hóa học (Chemical vapor deposition)

FESEM

: Kính hiển vi điện tử phát xạ trường
(Field emission scanning electron microscopy)

FTO

: Thiếc oxit pha tạp flo (Fluorine- doped tin oxide)

FWHM

: Độ rộng bán phổ của vạch nhiễu xạ cự c đại
(Full-width at half maximum intensity)

HRTEM

: Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao
(High resolution transmission electron microscopy)

MB

: Metylene blue

PLD

: Lắng đọng
(Pulsed

trong chân không

bằng laser xung

laser deposition)

PVD

: Lắng đọng pha hơi vật lý (Physical vapor deposition)

SEM

: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscpy)

SPM

: Kính hiển vi quét đầu dò (Scanning Probe Microscopy)

STEM

:Kính hiển vi điện tử truyền qua quét
(Scanning Transsmision Electronic Microscopy).

STM

: Kính hiển vi đường ngầm quét (Scanning tunneling microscope)

TEM

: Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy)

UV

: Tử ngoại (Ultraviolet)

VB

: vùng hoá trị (valence band)

XRD

: Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction)