Nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu Nano ô xít kẽm pha tạp

LỜI CẢM ƠN
Xin trân trọng cảm ơn quý Thầy giáo, Cô giáo khoa Vật lý và Công nghệ,
khoa Hóa trường Đại học Vinh đã trang bị những kiến thức khoa học và tạo những
điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện, hoàn thiện và bảo vệ luận văn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy giáo, PGS. TS.
Lưu Tiến Hưng, đã hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp những kiến thức hết sức quý giá
và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp Quang học khóa 21 học tại trường Đại học Vinh đã
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện và hoàn thành luận
văn. Giúp tôi vượt qua những khó khăn, thử thách trong cuộc sống để hoàn thành
khóa học.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp
luôn động viên, khích lệ và chia sẻ giúp tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ này.
Trân trọng cảm ơn tất cả!
Nghệ An, tháng 5 năm 2015
Tác giả

Trần Thái Phúc


ii
MỤC LỤC

CHƯƠNG I.......................................................................................................3
CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG HỌC.................3
CỦA VẬT LIỆU NANO...................................................................................3
2.1.1. Các dạng cấu trúc nano cơ bản..............................................................19
2.1.2. Cấu trúc mạng tinh thể ZnO..................................................................20
2.4.3. Phương pháp nghiền bi..........................................................................28
Phổ XRD của mẫu ZnO pha tạp Ag nung ở các nhiệt độ khác nhau được
biểu diễn trên hình 3.6.....................................................................................37

Kết quả tính hằng số mạng và thể tích ô mạng của các mẫu nung ở các
nhiệt độ khác nhau. Khi nhiệt độ tăng, tinh thể kết tinh tốt hơn và thông số
mạng nhỏ hơn. Từ các kết quả trên chúng tôi chọn nhiệt độ nung mẫu là
5000C..........................................................................................................38
.........................................................................................................................38
Phổ XRD của mẫu ZnO pha tạp Ag điều chế ở nhiệt độ tạo gel khác
nhau được biểu diễn trên hình 3.8...................................................................38
.........................................................................................................................39
Kích thước tinh thể ZnO pha tạp Ag ở các điều kiện tạo gel khác nhau
được tính theo công thức Sherrer. Kết quả thu được cho thấy ở nhiệt độ tạo
gel là 800C kích thước tinh thể thu được là bé nhất 14,1 nm. .......................39
Kết luận chương III.................................................44
KẾT LUẬN.....................................................................................................44

ii


iii
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Phân loại quang phổ[12]...................................................................4
Bảng 3.1. Năng lượng vùng cấm của ZnO pha tạp theo các tỉ lệ % khác nhau.
.........................................................................................................................44
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................iii
Hình 1.1. Sơ đồ khối của máy quang phổ đơn giản [10]...................5
Hình 1.2. Sơ đồ khối quang phổ kế hấp thụ loại 1 chùm tia [9].......................8
Hình 1.3. Sơ đồ khối của quang phổ kế hấp thụ loại 2 chùm tia [9].............9
1.2.1.3. Phương pháp đo....................................................................................9

Hình 1.4. Nguyên lý của quá trình tán xạ Raman [5]......................................13
Hình 1.5 . Nguyên lý của phép phân tích EDX [1].........................................14
Hình 1.6. Giản đồ Jablonski [8]......................................................................16
Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của nano[9]............................................................19
Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể hạt ZnO [11]........................................................20
Hình 2.3. Cấu trúc Rocksalt và Zn Blende của ZnO [12]........................21
Hình 2.4. Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano.................................21
Hình 2.5. Giản đồ năng lượng các mức sai hỏng donor tự nhiên trong tinh thể
ZnO..................................................................................................................22
Hình 2.6. Năng lượng photon được bảo toàn..................................................24
Hình 2.7. Bảo toàn véctơ sóng........................................................................24
Hình 2.8. Đườ ng cong từ hóa phụ thuộc nhiệ t độ củ a dây Zn1-xMnxO (x =
0,13) tại từ trườ ng 500 Oe. Phía góc trên là đ ườ ng từ trễ của quá trình từ
hóa thu đượ c ở nhiệt độ 5K [6]......................................................................25
Hình 2.9. (a) Cấu trúc mặt phân cực của tinh thể ZnO...................................26
Hình 3.1. Phổ XRD của A, B và C, hình nhỏ là phổ mở rộng trong khoảng . 32

iii


iv
Hình 3.2. Ảnh FE-SEM của mẫu ZnO (A) không pha tạp, (B) pha tạp 2% và
(C) pha tạp 7% Ag [19]...................................................................................33
Hình 3.3. Phổ hấp thụ UV-VIS của các mẫu A, B, C [19]..............................34
Hình 3.4. Phổ PL của hạt nano ZnO và ZnO pha tạp Ag [19].......................35
Hình 3.5. Sơ đồ tổng hợp mẫu bằng phương pháp đốt cháy gel PVA..........36
Hình 3.6. Phổ XRD của mẫu ZnO pha tạp Ag nung ở các nhiệt độ khác nhau
[4]....................................................................................................................37
Hình 3.7. Phổ XRD ZnO pha tạp Ag với các tỉ lệ PVA/(Zn2+, Ag+) khác
nhau [4]...........................................................................................................38

Hình 3.8. Phổ XRD của mẫu ZnO pha tạp Ag điều chế ở nhiệt độ tạo gel khác
nhau [4]...........................................................................................................39
Hình 3.9. Ảnh TEM ZnO pha tạp Ag (a) và ZnO (b).............40
Hình 3.10. Phổ EDX của ZnO pha tạp Ag [4].......................................40
Hình 3.11. Phổ hấp thụ của các hạt nano ZnO pha Ag của 7 mẫu có tỉ lệ %
pha tạp khác nhau. ..........................................................................................41
Hình 3.12. Phổ hấp thụ của các hạt nano ZnO pha Ag của 4 mẫu có tỉ lệ %
pha tạp khác nhau............................................................................................42
Hình 3.13. Phổ hấp thụ của các hạt nano ZnO pha Ag của 3 mẫu có tỉ lệ %
pha tạp khác nhau............................................................................................42
Hình 3.14. Độ rộng năng lượng vùng cấm của nano ZnO và ZnO pha tạp
Ag của 7 mẫu có tỉ lệ % pha tạp khác nhau....................................................43

iv


1
MỞ ĐẦU
Hiện nay, vật liệu nano được biết đến với các ứng dụng như: cung cấp năng
lượng sạch, truyền tải điện năng hiệu suất cao, sử dụng vật liệu nano cho các hệ
thống lọc nước sạch... Một số nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, các
nước châu Âu đã nhìn nhận công nghệ nano như một trong những lĩnh vực triển
vọng nhất của thế kỷ 21 và đã có các dự án đầu tư tương đối lớn cho lĩnh vực này.
Do có kích thước nhỏ bé, có thể so sánh với kích thước tới hạn của các tính
chất vật liệu nên vật liệu nano có những tính chất vô cùng độc đáo mà những vật
liệu có kích thước lớn hơn không thể có được như độ bền cơ học, độ rộng vùng cấm
lớn, năng lượng liên kết exiton lớn, độ bền hóa học cao, độ dẫn nhiệt cao, ... Ôxit
kẽm (ZnO), là vật liệu bán dẫn thuộc nhóm bán dẫn II - VI, có độ rộng vùng cấm
khoảng (3,4 eV). Đây là vật liệu có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế như
thiết bị áp điện, điot phát quang, cảm biến hóa học, bộ tách sóng quang, ... Chính vì

vậy, ZnO là một vật liệu đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của
các nhà khoa học. Sự phát triển và các tính chất của cấu trúc nano ZnO đã được
nghiên cứu rộng rãi và thu được nhiều kết quả quan trọng. Tính chất quang học của
vật liệu ZnO đã được nghiên cứu khá lâu và đã thu được nhiều kết quả lý thú. Tuy
nhiên tính chất quang học và khả năng ứng dụng của vật liệu này vẫn còn nhiều vấn
đề hấp dẫn nhất là khi chúng được pha tạp các nguyên tố đất hiếm hoặc kim loại
chuyển tiếp hoặc được chế tạo bởi các phương pháp khác nhau.
Vì thế, chúng tôi đã chọn đề tài luận văn của mình là “Nghiên cứu tính chất
quang học của vật liệu nano ôxít kẽm pha tạp”. Mục tiêu của đề tài là: tìm hiểu
về nguyên lý của các phương pháp đo quang phổ của vật liệu; mối liên hệ mật thiết
giữa cấu trúc của vật liệu nano ôxít kẽm ZnO và ZnO pha tạp; nghiên cứu tính chất
quang học của ZnO pha tạp Ag.
Nội dung của đề tài sẽ tập trung tìm hiểu về một số kỹ thuật đo tính chất quang
của vật liệu. Tìm hiểu về vật liệu nano ZnO và các tính chất đặc trưng của chúng.
Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang học của vật liệu ôxít kẽm pha tạp
Ag chế tạo bằng phương pháp đốt cháy.
Về bố cục, ngoài các phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được
trình bày trong ba chương:

1


2

Chương I. Các phương pháp khảo sát tính chất quang học của vật liệu nano
Chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về phương pháp đo tính chất
quang học của vật liệu bằng phương pháp quang phổ. Một số phương pháp trong
chương này đã được sử dụng để nghiên tính chất quang của vật liệu ZnO và ZnO pha
tạp.
Chương II. Tìm hiểu về vật liệu nano ZnO

Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về vật vật liệu nano
ZnO gồm: đặc điểm về cấu trúc, các dạng cấu trúc của hợp phần ZnO, các dạng thù
hình, các tính chất lý hóa đặc trưng của vật liệu và các phương pháp chế tạo vật liệu
nano ZnO thông dụng.
Chương III. Tính chất quang học của vật liệu nano ZnO pha tạp Ag
Trong chương này, chúng tôi trình bày tính chất quang học của vật liệu ZnO
pha tạp. Các kết quả nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu nano ZnO pha tạp
Ag chế tạo bằng phương pháp đốt cháy.
Phần kết luận chung tóm tắt những kết quả đạt được của đề tài.

2


3
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG HỌC
CỦA VẬT LIỆU NANO
Chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về phương pháp đo tính chất
quang học của vật liệu bằng phương pháp quang phổ. Một số phương pháp trong
chương này đã được sử dụng để nghiên tính chất quang của vật liệu ZnO và ZnO pha
tạp.
1.1. Giới thiệu về quang phổ
Quang phổ là hình ảnh thu được khi chiếu một chùm bức xạ đến mẫu vật cần
nghiên cứu, khảo sát. Dựa vào vị trí, cường độ, số lượng các vạch phổ trong quang
phổ mà ta có thể tìm ra các quy luật liên hệ giữa các tính chất vật lý và hóa học
của hệ vật chất với các quang phổ phát xạ hay hấp thụ của chúng. Ứng dụng các
quy luật này trong các phương pháp phân tích quang phổ, tìm lại tính chất của hệ
vật chất từ quang phổ quan sát được [1].
1.1.1. Sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất
Các bức xạ điện từ bao gồm tia γ và tia vũ trụ đến các sóng vô tuyến trong

đó có bức xạ vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại đều có bản chất sóng và hạt.
Bản chất sóng của chúng thể hiện ra ở hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa. Các sóng
này lan truyền trong không gian theo hình sin có các cực đại và cực tiểu. Khi coi là
sóng nó được đặc trưng bởi các đại lượng sau [8]:
- Bước sóng λ(cm): khoảng cách giữa hai đầu mút của một sóng. Những bức
xạ điện từ khác nhau có độ dài bước sóng khác nhau. Chiều dài bước sóng λ được
đo bằng các đơn vị độ dài: m, cm, nm, A0...
- Tốc độ truyền sóng c hay tốc độ ánh sáng.
- Tần số ν (hec): số lần bước sóng truyền qua một điểm trong không gian
trong một đơn vị thời gian.

λ .v = c

(1.1)

- Chu kì T (s): thời gian ngắn nhất truyền một bước sóng qua một điểm trong
không gian.
- Trong quang phổ người ta còn dùng đại lượng nghịch đảo của bước sóng 1/
λ để đo chiều dài của bước sóng, kí hiệu:

3


4

v=

1

cm-1

(1.2)

λ

Các bức xạ điện từ cũng mang năng lượng, các bức xạ có chiều dài bước sóng càng
nhỏ thì năng lượng của chúng càng lớn và tuân theo định luật:

E =hν =

hc

(1.3)

λ

Trong đó: h là hằng số planck, h = 6,6262.10-34 J.s.
Năng lượng E được đo bằng đơn vị: eV, kcal/mol, cal/mol.
Bảng 1.1. Phân loại quang phổ[12].

Bước sóng

Loại quang phổ

Kiểu dịch chuyển lượng tử

0,001 A0 – 0.1A0

Phát xạ tia gamma

Nguyên tử

0,1 A0– 100A0

Nhiễu xạ, huỳnh quang, phát

Electron bên trong

xạ, hấp thụ tia X
10 nm – 180nm

Hấp thụ tử ngoại chân không

Các electron liên kết

180 nm – 780nm

Hấp thụ, phát xạ, huỳnh

Các electron liên kết

quang tử ngoại - khả kiến
0,78 µm - 300 µm

Hấp thụ hồng ngoại

0,75mm–3,75mm

Hấp thụ vi sóng

Dao động điều hòa/ dao động
quay của phân tử
Dao động quay của phân tử

Khi các bức xạ điện từ tương tác với các phân tử vật chất trạng thái năng
lượng của phân tử thay đổi hoặc không thay đổi. Khi có sự thay đổi năng lượng thì
phân tử có thể hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng.
Nếu gọi trạng thái năng lượng ban đầu của phân tử là E1, sau khi tương tác là E2 thì
có thể viết:
∆E = E2 - E1

(1.4)

∆E = 0: năng lượng phân tử không thay đổi khi tương tác với bức xạ điện từ. ∆E >
0: phân tử hấp thụ năng lượng; ∆E < 0: phân tử bức xạ năng lượng. Theo thuyết
lượng tử thì các phân tử và bức xạ điện từ trao đổi năng lượng với nhau không phải
bất kỳ và liên tục mà có tính chất gián đoạn. Phân tử chỉ hấp thụ hoặc bức xạ 0, 1, 2,
3... n lần lượng tử hν. Khi phân tử hấp thụ hoặc bức xạ sẽ làm thay đổi cường độ

4


5
của bức xạ điện từ nhưng không làm thay đổi năng lượng của bức xạ điện từ, bởi vì
cường độ bức xạ điện từ xác định bằng mật độ các hạt photon có trong chùm tia còn
năng lượng của bức xạ điện từ lại phụ thuộc vào tần số ν của bức xạ.
Ứng với bước sóng của các bức xạ chiếu tới mẫu vật cần nghiên cứu tính
chất ta có các loại quang phổ sau:
1.1.2. Cấu tạo của máy quang phổ
Máy quang phổ là dụng cụ trong đó dùng lăng kính hay cách tử nhiễu xạ để

phân tích một chùm ánh sáng phức tạp thành các thành phần đơn sắc khác nhau.
Cấu tạo chung của một máy quang phổ đơn giản gồm có 3 bộ phận chính như trên
hình 1.1 bao gồm [10]:
- Ống chuẩn trực có tác dụng biến chùm ánh sáng đi vào khe hẹp F thành
chùm tia song song nhờ một thấu kính hội tụ.
- Hệ tán sắc có tác dụng làm tán sắc chùm ánh sáng vừa ra khỏi ống chuẩn
trực. Có 2 cơ chế tán sắc: dựa vào hiện tượng tán sắc (dùng lăng kính); dựa vào hiện
tượng nhiễu xạ (dùng cách tử phản xạ hoặc cách tử truyền qua)

Hình 1.1. Sơ đồ khối của máy quang phổ đơn giản [10]
- Ống ngắm hoặc buồng tối (buồng ảnh) là nơi ta đặt mắt vào để quan sát
quang phổ của nguồn sáng cần nghiên cứu hoặc để thu ảnh quang phổ của nguồn
sáng cần nghiên cứu.
Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ như sau:
Ánh sáng cần phân tích từ nguồn được tập trung vào khe S của máy quang
phổ nhờ thấu kính tụ quang L1. Khe S đặt tại tiêu điểm của thấu kính L 2 của ống
trực chuẩn K. Ống chuẩn trực cho chùm tia song song đập vào cách tử C đặt trên
một bàn có thể xoay quanh một trục thẳng đứng. Các chùm tia song song sau khi
nhiễu xạ qua cách tử đập vào thấu kính L 3 của buồng ảnh P và hội tụ trên tiêu diện
E của thấu kính L3 cho ta các ảnh S1, S2,... của khe S đối với từng thành phần đơn
sắc. Tập hợp các ảnh này gọi là quang phổ của ánh sáng do nguồn sáng phát ra.

5


6
Mỗi ảnh S1, S2… được gọi là một vạch phổ. Trong các máy quang phổ người ta đặt
kính ảnh tại màn E để thu quang phổ.
1.2. Các phương pháp đo quang phổ
1.2.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ, phổ truyền qua (UV-VIS)

Phương pháp đo phổ hấp thụ, phổ truyền qua là phương pháp đo quang dựa
trên khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xạ rọi vào dung dịch các chất cần nghiên
cứu trong dung môi nhất định như nước, methanol, benzen,... Nó có ý nghĩa quan
trọng trong lĩnh vực phân tích định tính, phân tích cấu trúc phân tử và phân tích
định lượng. Phân tích các hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất, xác định khối lượng
phân tử và phân tích độ tinh khiết của một chất.
1.2.1.1. Cơ sở lý thuyết
a. Sự hấp thụ bước sóng tử ngoại - khả kiến của phân tử [8].
Ở điều kiện bình thường, các phân tử ở trạng thái cơ bản có năng lượng thấp
nhất. Khi các bức xạ chiếu đến mẫu có bước sóng thích hợp trong vùng 190nm 800nm, phân tử nhận năng lượng và chuyển lên các trạng thái kích thích. Năng
lượng tổng E của chùm sáng mà phân tử đã nhận được đó cuối cùng biến thành
nhiệt năng nhưng có 3 dạng chuyển hóa:
E = E(e) + E(d) + E(q)

(1.3)

Trong đó: E(e) là dạng năng lượng chuyển mức của electron, E(d) và E(q) là
năng lượng quay và dao động của nguyên tử trong phân tử. Nó được hình thành khi
phân tử của mẫu chất nhận năng lượng bởi chùm sáng kích thích, tuy nhiên do năng
lượng thấp nên tác động của nó chỉ làm các nguyên tử quay hoặc dao động quanh
vị trí cân bằng.
Sau khi bị mẫu hấp thụ, phần còn lại của chùm sáng ban đầu qua máy quang
phổ sẽ cho ta phổ hấp thụ của chất cần nghiên cứu.
b. Định luật Beer - Lambert [8].
Chiếu một chùm tia đơn sắc có cường độ I0 qua dung dịch có chiều dày d.
Sau khi bị hấp thụ, cường độ chùm tia còn lại I.
- Độ truyền qua T:
T = I/I0

(1.4)

- Độ hấp thụ A:
A = - lgT = lg(I/I0)

6

(1.5)


7
Độ hấp thụ A (mật độ quang A) của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ C của dung
dịch theo biểu thức:
A = α .d.C

(1.6)

Trong đó:

α : là hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào cấu tạo của chất tan trong dung dịch.
d: là chiều dày lớp dung dịch.
C: nồng độ dung dịch.
Trường hợp C tính theo mol/l và d tính bằng cm, ta có α = ε (hệ số hấp thụ
phân tử).
Khi đó:
A = ε .d.C

(1.7)

Trong đó ε đặc trưng cho bản chất của chất tan trong dung dịch và chỉ phụ
thuộc bước sóng ánh sáng đơn sắc.

Điều kiện để áp dụng định luật Beer - Lambert là bức xạ chiếu đến mẫu phải
có độ đơn sắc cao, nồng độ dung dịch phải phù hợp, dung môi phải tinh khiết
không hấp thụ bức xạ chiếu đến. Theo biểu thức (1.7) ta thấy rằng độ hấp thụ A phụ
thuộc vào hệ số hấp thụ ε, chiều dày lớp dung dịch d và nồng độ C. Đồ thị biểu diễn
sự phụ thuộc của A vào ε, C, λ hoặc đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ε vào bước
sóng λ được gọi là phổ hấp thụ của chất cần nghiên cứu. Dựa vào vị trí của đỉnh
phổ (cường độ vạch phổ) và độ rộng của vạch phổ của phổ hấp thụ ta có thể biết
được cấu tạo, một số tính chất của vật liệu.
Thông thường các đỉnh phổ hấp thụ thường tách rời nhau nhưng đôi khi
chúng cũng chồng lấn lên nhau một phần hay hoàn toàn. Sự tách rời của các đỉnh
phổ phụ thuộc vào khả năng phân giải của máy R =

λ
.
∆λ

1.2.1.2. Cấu tạo của phổ kế
Phổ kế gồm hai loại: loại 1 chùm tia đo điểm và loại hai chùm tia quét cả
vùng phổ. Cả hai loại này đều gồm các bộ phận sau [8]:
1. Nguồn sáng: dùng đèn Tungsten halogen (đo vùng 350-1000nm) và đèn
đơteri hay đèn hiđro (đo vùng 200-350 nm).
2. Bộ chọn sóng: dùng kính lọc hoặc bộ đơn sắc. Bộ đơn sắc dùng lăng kính

7


8
chế tạo bằng thạch anh hoặc cách tử (vạch từ 2000 - 3600 vạch/mm)
3. Detectơ: phổ biến dùng tế bào nhân quang, có độ nhay và độ bền cao. Một
số máy hiện nay dùng detectơ là dàn diot gồm 1024 diot cho cả vùng tử ngoại và

khả kiến.
4. Bộ phận đọc tín hiệu: loại máy đo điểm thường có bộ phận đọc tín hiệu là
đồng hồ đo điện thế hoặc bộ phận hiện số. Máy hai chùm tia dùng bộ phận tự ghi
hoặc ghép nối với máy vi tính và máy in.
a. Loại 1 chùm tia: Đối với loại máy quang phổ này chúng ta phải thực hiện 2 lần
đo khác nhau, đo phổ của ống nghiệm chuẩn trước rồi sau đó đo phổ của ống
nghiệm chứa mẫu cần phân tích. Hình 1.2 là sơ đồ khối của 1 máy quang phổ hấp
thụ loại một chùm tia.
Khe vào
Khe ra

Nguồn sáng Cuvet

Lăng kính
Đetecto

Khuêch đại

Tự ghi

Hình 1.2. Sơ đồ khối quang phổ kế hấp thụ loại 1 chùm tia [9].
b. Loại 2 chùm tia: Đối với loại máy quang phổ này chúng ta thực hiện đồng thời
phép đo trên 2 ống nghiệm, một ống nghiệm chuẩn và một ống nghiệm chứa mẫu
cần phân tích. Hình 1.3 là sơ đồ khối quang phổ kế loại hấp thụ hai chùm tia. Loại
máy đo này có ưu điểm là hạn chế được sự sai lệch gây ra bởi những thăng giáng
của nguồn sáng trong quá trình đo và cho kết quả nhanh hơn.

8

9
Cuvet mẫu
Khe vào
Khe ra

Nguồn sáng

Cuvet so sánh

Lăng kính

Đec tơ

Khuêch đại

Tự ghi

Hình 1.3. Sơ đồ khối của quang phổ kế hấp thụ loại 2 chùm tia [9].
1.2.1.3. Phương pháp đo
a. Phương pháp đo một bước sóng.
Để phân tích một mẫu có thể thực hiện theo cách đơn giản là đo một mẫu
chuẩn và một mẫu phân tích rồi tính toán theo công thức dưới đây. Gọi nồng độ của
chất chuẩn là Ck, của mẫu phân tích là Cx dựa theo định luật Lambert - Beer có thể
viết:
Dk = ε k Ck d k hay ε k = Dk / Ck Dk

(1.8)

Dx = ε x C x d x hay ε x = Dx / Cx Dx

(1.9)

Với: Dk, Dx là mật độ quang của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích.
dk, dx là chiều dày lớp mỏng của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích.
ε k , ε x là hệ số hấp thụ mol.

Ck, Cx là nồng độ của dung dịch mẫu chuẩn và mẫu phân tích.
Từ hai phương trình trên suy ra:
Cx =

Dx Ck d k
Dk d x

(1.10)

Nếu chọn cuvet đo mẫu chuẩn và mẫu phân tích có chiều dày như nhau, tức
là: dk= dx thì có thể viết:
Cx =

Dx Ck
Dk

(1.11)

Ck là nồng độ mẫu chuẩn được pha chính xác, Dk và Dx là giá trị đo được trên
máy do đó tính được nồng độ mẫu phân tích.
b. Phương pháp lập đường chuẩn
1.

Chọn λmax.

9


10
2.

Pha dãy chất chuẩn có nồng độ tăng (giảm) dần.

3. Đo mật độ quang của các mẫu ở bước sóng trên.
4. Vẽ đồ thị phụ thuộc mật độ quang D vào nồng độ C, đường biểu diễn của
đồ thị này được gọi là đường chuẩn.
5. Pha mẫu phân tích sao cho nồng độ dung dịch mẫu đo nằm trong giới hạn
tuyến tính của đường chuẩn. Sau khi đo mẫu phân tích nhận giá trị Dx rồi đối chiếu
trên đồ thị đọc được giá trị Cx.
Ưu điểm của phương pháp:
Phép đo phổ hấp thụ của một mẫu ngoài khả năng phân tích các chất trong
dung dịch đơn chất tinh khiết còn giúp ta phân tích các chất trong dung dịch hỗn
hợp nhiều chất, nhờ sự hỗ trợ xử lý của phần mềm chuyên dụng. Bên cạnh đó,
phương pháp này có độ nhạy, độ chọn lọc tương đối cao (độ nhạy từ 10 -4 đến 105

%), dễ tiến hành thực nghiệm, kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ.

Hạn chế của phương pháp:
Do phép đo này có độ nhạy cao nên môi trường không khí trong phòng thí
nghiệm phải không có bụi. Các dụng cụ, hóa chất dùng trong phép đo phải có độ
tinh khiết cao.
Phương pháp này chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu
phân tích mà không chỉ ra được trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu. Vì
thế đây chỉ là phương pháp giúp phân tích thành phần hóa học của mẫu chất cần

khảo sát.
1.2.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại
Phương pháp quang phổ hồng ngoại là phương pháp sử dụng tia sáng vùng
hồng ngoại để kích thích các phân tử. Sau khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại, tùy theo
năng lượng kích thích lớn hay nhỏ có thể xảy ra quá trình quay, dao động hay cả
đồng thời quay - dao động và xuất hiện các dải phổ hấp thụ hồng ngoại.
Phương pháp này thường được sử dụng để phân tích các hợp chất: nhận biết
các chất, xác định cấu trúc phân tử, xác định độ tinh khiết, phân tích định lượng,…
1.2.2.1. Cơ sở lý thuyết
Phương pháp phổ hồng ngoại có thể được ứng dụng trong phân tích định
lượng một chất trong dung dịch hay trong hỗn hợp. Cơ sở của phương pháp này
dựa trên phương trình định luật Lambert - Beer biểu hiện mối quan hệ giữa sự hấp

10


11
thụ ánh sáng và nồng độ chất [8].
log

I
= ε Cd = Dλ
I0

(1.12)

Theo phương trình trên, ở một bước sóng xác định, sự hấp thụ ánh sáng tỷ lệ
với nồng độ C và chiều dày cuvet d và bản chất của chất mẫu. Như vậy, khi phân
tích một chất, đo ở một bước sóng xác định với một cuvet có chiều dày d đã biết thì
mật độ quang Dλ chỉ còn tỷ lệ với nồng độ C của mẫu chất. Vì phương trình trên chỉ

chính xác với dung dịch có nồng độ loãng nên phương pháp phân tích định lượng
bằng phổ hồng ngoại chỉ áp dụng đo trong dung dịch.
Phương pháp phân tích định lượng nhờ phổ hồng ngoại cũng có thể thực
hiện theo cách lập đường chuẩn. Pha một loạt mẫu với các nồng độ khác nhau của
chất cần xác định ở dạng tinh khiết rồi đo giá trị Dλ của chúng, sau đó vẽ đồ thị biễu
diễn sự phụ thuộc Dλ vào nồng độ C.
Vấn đề khó khăn và sai số trong phương pháp này là tính tỷ số Io/I. Về
nguyên tắc, giá trị Io và I có thể xác định trên phổ theo các tìm đường nền rồi đo giá
trị Io và I. Khó khăn ở đây là xác định đường nền sao cho sai số phương pháp là nhỏ
nhất bởi vì trên đường cong phổ có sự che phủ nhau của các đỉnh cho nên có thể có
một số vị trí khác nhau khi vẽ đường nền. Vì thế ngoài phương pháp đường nền,
người ta còn tiến hành theo một số phương pháp khác để đạt độ chính xác cao hơn.
Sau khi thiết lập được đồ thị đường chuẩn, cần chú ý đường chuẩn này chỉ sử
dụng được trong phạm vi giới hạn nồng độ ứng với đoạn thẳng của đường biểu
diễn, bởi vì trong giới hạn này mới có sự tuyến tính giữa mật độ quang và nồng độ
dung dịch. Sau đó có thể xác định nồng độ của dung dịch mẫu cần tìm bằng cách đo
giá trị Dx rồi chiếu lên đồ thị để tìm giá trị Cx.
Phương pháp phổ hồng ngoại cũng có thể áp dụng để phân tích định lượng
hỗn hợp nhưng thực hiện rất phức tạp.
1.2.2.2. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp phổ hồng ngoại
a. Ưu điểm:
Phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi
hỏi các phương pháp tính toán phức tạp, có thể ứng dụng cho tất cả các trạng thái
rắn, lỏng, khí và dung dịch.
b. Hạn chế:
Do vùng phổ hồng ngoại phát ra rộng nên nhiều khi không thu hết được

11

12
quang phổ. Ngoài ra phổ hồng ngoại bị ảnh hưởng nhiều bởi sự hấp thu rất mạnh
của nước nên không thể thu được phổ của các hợp chất hút ẩm hoặc nhạy khí.
1.2.3. Phương pháp phổ Raman
Phương pháp quang phổ Raman là kỹ thuật sử dụng hiện tượng tán xạ ánh
sáng (quá trình tương tác không đàn hồi giữa phôtôn và các phân tử, nguyên tử của
mẫu) để nghiên cứu cấu trúc bên trong của mẫu vật.
Phương pháp này được sử dụng để khảo sát thành phần cấu tạo, cấu trúc, các
liên kết bên trong và tính chất của một mẫu vật nào đó.
1.2.3.1. Cơ sở lý thuyết
a. Hiệu ứng Raman
Hiệu ứng Raman là hiệu ứng do tán xạ không đàn hồi của ánh sáng với
phonon. Trong thí nghiệm Raman, một laser được sử dụng để kích thích những
nguyên tử, phân tử, làm thay đổi trạng thái dao động của chúng. Các dao động
rung, xoay của phân tử làm thay đổi mức năng lượng của chúng, do đó ánh sáng tới
sẽ tán xạ ở các tần số khác với tần số của ánh sáng kích thích [5].
Tán xạ thường xảy ra nhất là tán xạ Rayleigh, tán xạ này là tán xạ đàn hồi,
đây là kết quả của quá trình phát ra một photon với cùng bước sóng với ánh sáng
kích thích. Nếu các phân tử ban đầu ở trạng thái cơ bản, sau khi tán xạ thì nó ở
trạng thái kích thích cao hơn, quá trình này được gọi là tán xạ Raman Stokes (các
photon thực hiện tán xạ không đàn hồi bị mất năng lượng và làm xuất hiện tán xạ
Stokes).
Ngược lại, với một phân tử ban đầu ở trạng thái kích thích, sau khi tán xạ thì
nó trở về trạng thái cơ bản, được gọi là quá trình tán xạ Anti-Stoles (các photon
thực hiện tán xạ không đàn hồi thu năng lượng làm xuất hiện tán xạ anti- Stokes).
Tiết diện tán xạ Raman là cỡ 106, tiết diện tán xạ phụ thuộc vào số phân tử
ban đầu ở trạng thái kích thích, số phân tử này lại phụ thuộc vào nhiệt độ (theo phân
bố Boltzmann). Như vậy, tỷ lệ cường độ của vạch Stokes/Anti-Stokes trong phổ
Raman có thể được sử dụng để tính toán điều kiện nhiệt độ khi đo đạc.
b. Tán xạ Raman cộng hưởng

12


13

Hình 1.4. Nguyên lý của quá trình tán xạ Raman [5].
Thông thường, phân tử được kích thích lên trạng thái năng lượng ảo sau đó
nó hồi phục, kết quả là một photon được phát ra. Quá trình tán xạ này được gọi là
tán xạ cộng hưởng nếu một hoặc nhiều chuyển dời giữa các trạng thái năng lượng
thực của phân tử. Nếu tồn tại trạng thái năng lượng thực của phân tử phù hợp với
năng lượng photon tới (thay cho trạng thái năng lượng ảo), khả năng xảy ra của quá
trình này sẽ cao hơn. Hiệu ứng này được chỉ ra ở hình sau, khả năng xảy ra của tán
xạ có thể tăng lên hàng nghìn lần, được chỉ ra ở các đường đậm nét [5].
1.2.3.2. Một số ưu điểm và hạn chế của phương pháp phổ Raman
a. Ưu điểm:
Ngoài ưu điểm chỉ tốn ít mẫu nhưng vẫn có kết quả với độ chính xác và tin
cậy cao, phương pháp phân tích phổ Raman còn giải thích một cách chặt chẽ các
thành phần hóa học cấu trúc phân tử của mẫu, các hiệu ứng liên kết, hiệu ứng môi
trường và biến dạng xảy ra bên trong mẫu mà các phương pháp quang phổ hấp thụ
UV-VIS và quang phổ phát xạ nguyên tử không thể thực hiện được. Bên cạnh đó,
phương pháp này còn phù hợp để khảo sát các chuyển động dao động và chuyển
động quay trong phân tử.
Việc sử dụng Raman cộng hưởng để tăng cường dao động của nhóm mang
màu trong phân tử giúp cho việc nghiên cứu dao động của các phân tử sinh học
chứa các nhóm mang màu cho kết quả khả quan hơn.
Phương pháp phổ Raman thuận lợi để khảo sát các mẫu phân tích trong nước
vì nước có tán xạ Raman rất yếu.
Phương pháp phân tích này còn rất phù hợp các hợp chất nhạy không khí vì

13


14
đối với các mẫu này ta có thể khảo sát bằng cách cho vào ống thủy tinh nút kín rồi
tiến hành đo phổ Raman. Vùng phổ của phổ Raman từ 50 - 4000 cm -1, do đó ta dễ
dàng ghi hết vùng phổ.
b. Hạn chế:
Ngoài những ưu điểm như trên, phương pháp phân tích này vẫn có một số
hạn chế như: việc sử dụng nguồn laser có công suất lớn để thu được quang phổ
Raman có thể tạo nên sự nóng cục bộ (làm cháy mẫu) và sự quang phân ly (phân tử
bị phân ly dưới tác dụng của ánh sáng). Trong một số trường hợp, ngoài phổ Raman
ta còn thu được cả phổ huỳnh quang của mẫu và hình ảnh phổ Raman thu được sẽ
bị che khuất một phần bởi phổ huỳnh quang. Điều này sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo
phổ Raman của mẫu.
1.2.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) là kỹ thuật phân tích thành phần hóa
học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với
các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi
điện tử).
1.2.4.1. Cơ sở lý thuyết
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử, ở đó
ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng
lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu
vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp
điện tử bên trong của nguyên tử như hình 1.5.

Hình 1.5 . Nguyên lý của phép phân tích EDX [1].

14

15
Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với
nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley [1].
f =v=

me qe 4  3 
2
2
15
÷( Z − 1) = ( 1, 48.10 Hz ) ( Z − 1)
3 2 
8h ε 0  4 

(1.13)

Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có
mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về
các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các
nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong
các kính hiển vi điện tử, do đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm
điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ.
Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng
rộng và được phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về
các nguyên tố cũng như thành phần. Kỹ thuật EDX được phát triển từ những năm
1960 và thiết bị thương phẩm xuất hiện vào đầu những năm 1970 với việc sử dụng
detector dịch chuyển Si, HYPERLINK " Li hoặc
Ge.

1.2.4.2. Những ưu điểm và hạn chế của phương pháp phổ EDX
a. Ưu điểm
Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X có thể xác định được hầu hết các
nguyên tố và trạng thái electron của chúng và có độ chính xác ở cấp độ một vài
phần trăm (thông thường ghi nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ
3-5% trở lên).
Xác định được trạng thái phân bố bề mặt của các nguyên tố tại bề mặt mẫu
thí nghiệm.
b. Hạn chế
Phương pháp này tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...)
và thường xuất hiện hiệu ứng chồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác
nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng K α, Kβ,.., và các đỉnh của
các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích).
1.2.5. Phương pháp phổ huỳnh quang
Phương pháp đo phổ huỳnh quang là phương pháp phân tích dựa trên sự tỉ lệ

15


16
thuận giữa nồng độ chất định phân tích và cường độ bức xạ huỳnh quang mà chất
đó phát ra sau khi bị kích thích bởi bức xạ tử ngoại [7]. Phương pháp này giúp ta
đánh giá được cơ chế phát quang và các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế phát quang
của đối tượng đang nghiên cứu từ đó chúng ta có các thông tin về đặc điểm các
vùng năng lượng trong mẫu vật, độ rộng năng lượng vùng cấm.
1.2.5.1. Cơ sở lý thuyết
a. Cơ chế của hiện tượng huỳnh quang - Giản đồ Jablonski:
Những sự chuyển dịch có thể xảy ra bên trong vật liệu khi hấp thụ một bức
xạ kích thích được mô tả trong giản đồ Jablonski [8]. Khi chiếu vào vật liệu một
bức xạ kích thích có bước sóng λ thích hợp, các điện tử bị kích thích từ trạng thái

cơ bản (bội đơn) S0 lên trạng thái kích thích Sn có năng lượng cao hơn. Khi ở trạng
thái có năng lượng cao, các điện tử có thể bức xạ năng lượng để trở về trạng thái cơ
bản hoặc hồi phục theo 2 bước nối tiếp nhau:

Hình 1.6. Giản đồ Jablonski [8].
+ Bước 1: Phân tử đang ở trạng thái kích thích Sn chuyển về trạng thái kích
thích có năng lượng thấp nhất S1 do tiêu tán năng lượng ra môi trường xung quanh.
Hiện tượng này gọi là chuyển đổi nội bộ.
+ Bước 2: Từ trạng thái kích thích S1 phân tử chuyển về trạng thái cơ bản
qua nhiều hình thức cạnh tranh sau:


Phát ra photon (dịch quang hoặc huỳnh quang)



Tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt (dịch chuyển không bức xạ)



Chuyển một phần năng lượng cho phân tử khác



Dịch chuyển sang trạng thái bội ba T1 có năng lượng thấp hơn trạng

16


17

thái S1. Từ trạng thái kích thích bội ba T1 phân tử chuyển về trạng thái cơ bản S 0
theo nhiều hình thức cạnh tranh tương tự như từ trạng thái kích thích Sn: phát ra
photon (lân quang), tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc truyền năng lượng
cho phân tử khác.
Huỳnh quang thường được phân loại theo phương pháp kích thích như
quang-huỳnh quang sinh ra do kích thích bởi các photon, hóa-huỳnh quang được
kích thích bởi các gốc hóa học, catốt-huỳnh quang sinh ra do kích thích mẫu bằng
các dòng điện tích.
b. Các định luật cơ bản của huỳnh quang:
- Định luật về sự không phụ thuộc của phổ huỳnh quang vào bước sóng kích
thích: Phổ huỳnh quang của những phân tử phức tạp trong môi trường tích tụ (rắn,
lỏng) không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích.
- Định luật Stocke-Lommem về mối quan hệ giữa bước sóng ánh sáng huỳnh
quang và bước sóng ánh sáng kích thích: Toàn phổ huỳnh quang và cực đại của nó
bao giờ cũng dịch về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó.
- Định luật đối xứng gương của phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang: Phổ hấp
thụ và phổ huỳnh quang biểu diễn theo hàm số của tần số đối xứng qua đường
vuông góc với trục tần số và đi qua giao điểm của hai phổ.

Hình 1.7. Phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ [6].
1.2.5.2. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp đo phổ huỳnh quang
a. Ưu điểm:
Phương pháp này có độ nhạy cao (có thể phát hiện được chất có nồng độ từ
10-7 đến 10-5 mol/L), phép phân tích này còn giúp phân tích nhanh, đồng thời nhiều
nguyên tố, không phá huỷ mẫu và mẫu có thể ở nhiều dạng khác nhau như thể rắn,
lỏng, khí.

17

18
b. Hạn chế:
Ngoài những ưu điểm như trên, phương pháp phân tích này cũng có một vài
hạn chế như: chỉ cho chúng ta biết được thành phần nguyên tố của mẫu phân tích,
mà không chỉ ra được trạng thái liên kết của nó ở trong mẫu. Bên cạnh đó, do ảnh
hưởng của hiện tượng tái hấp thụ nên có sự chồng lấn lên nhau của phổ hấp thụ và
phổ huỳnh quang. Vì thế, để có được phổ huỳnh quang thực sự cần nghiên cứu thì
ta phải hiệu chỉnh sự tái hấp thụ hoặc bố trí nguồn kích thích và chọn nồng độ mẫu
phù hợp.
Kết luận chương I
Để nghiên cứu tính chất quang học của các vật liệu nano, các nhà khoa học
có thể sử dụng nhiều phương pháp đo, phân tích khác nhau. Các phương pháp đó có
thể giúp các nhà khoa học phân tích được cấu trúc vật liệu, xác định cả về định tính
cũng như thành phần định lượng của vật liệu. Vì vậy, trong chương này chúng tôi
đã trình bày về nguyên tắc hoạt động chung của máy quang phổ, là thiết bị quan
trọng trong phân tích quang phổ để tìm hiểu cấu trúc của vật chất. Trong khuôn khổ
của luận văn này, chúng tôi tập trung tìm hiểu chi tiết 5 phương pháp đo quang phổ:
Phương pháp quang phổ hồng ngoại, phương pháp đo quang phổ hấp thụ - truyền
qua UV-VIS, phương pháp quang phổ Raman, phương pháp phổ huỳnh quang,
phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) về đặc điểm, cơ sở lý thuyết, các
định luật liên quan, kỹ thuật đo, ưu điểm, hạn chế và ứng dụng của mỗi phương
pháp đo.

18


19
CHƯƠNG II
TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU ZnO
Chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về vật vật liệu nano ZnO, bao

gồm: đặc điểm về cấu trúc, các dạng cấu trúc của hợp phần ZnO, các dạng thù hình;
các tính chất lý, hóa đặc trưng của vật liệu và các phương pháp chế tạo vật liệu
nano ZnO thông dụng.
2.1. Cấu trúc
2.1.1. Các dạng cấu trúc nano cơ bản
* Hạt, chùm (nguyên tử)
* Sợi (dây), thanh, ống, cột
* Màng siêu mỏng, bề mặt
* Khối, màng dày, tấm, phiến

Hình

2.1.
Cấu trúc cơ bản của nano[9].

19


20
2.1.2. Cấu trúc mạng tinh thể ZnO
ZnO là bán dẫn loại n, thuộc nhóm bán dẫn II-VI, có độ rộng vùng
cấm khoảng 3,4 eV với 3 dạng cấu trúc: hexagonal wurtzite, zin blende, rocksalt.
Trong đó cấu trúc hexagonal wurtzite là cấu trúc bền, ổn định nhiệt nên là cấu
trúc phổ biến nhất. Với cấu trúc này, mỗi nguyên tử Oxi liên kết với 4 nguyên
tử kẽm và ngược lại [11].

Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể hạt ZnO [11].
Trong cấu trúc wurtzite, mỗi ô đơn vị của ZnO chứa 2 nguyên tử Oxi
và 2 nguyên tử kẽm. Hằng số mạng a và c dao động khoảng 0.32495 0.32860 nm và 0.52069 - 0.5214 nm (hình 2.1). Các thông số mạng của ZnO
phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau:

- Các điện tử tự do tập trung dọc theo đường thế năng của đáy vùng dẫn.
- Nguyên tử lạ thay thế các nguyên tử chính trong mạng tinh thể, hoặc
các khuyết tật điểm do các nguyên tử có thể bị mất đi.
- Nhiệt độ.
- Ứng suất nội.
Hai đặc trưng quan trọng của cấu trúc này đó là không có sự đối xứng
trung tâm và ở các cực bề mặt. Các mặt tinh thể gồm có các ion Zn
O

2-

2+

và ion

sắp xếp theo phối vị tứ diện, các mặt tinh thể này sắp xếp luân phiên dọc

theo trục c tạo nên mạng tinh thể ZnO với liên kết ion mạnh. Hệ số xếp chặt của
các các ion này nằm trong khoảng 0.74. Do vậy nó chỉ chiếm khoảng 45% thể
tích tinh thể và còn lại là khoảng trống tương đối rộng khoảng 0.095nm.
Hai cấu trúc còn lại của ZnO là Rocksalt và Zn blende, trong đó cấu

20


21
trúc Rocksalt chỉ tồn tại dưới điều kiện áp suất cao và cấu trúc Zn blende chỉ
kết tinh được trên đế lập phương (hình 2.3) [12].

Hình 2.3. Cấu trúc Rocksalt và Zn Blende của ZnO [12].

2.2. Các dạng thù hình
Ngoài cấu trúc dạng hạt phổ biến, ZnO ở cấu trúc nano có thể tồn tại ở một
số dạng hình học như màng mỏng, sợi nano, dây nano, thanh nano, ống nano hay
tồn tại ở dạng lá, dạng lò xo... như hình 2.4. Tùy vào ứng dụng mà người ta sẽ tìm
điều kiện để tổng hợp ZnO cấu trúc nano dưới những dạng hình học khác nhau.
Ví dụ transitor màng mỏng ZnO được dùng rộng rãi trong ứng dụng sản
xuất màng ảnh do màng mỏng ZnO có độ linh động điện tử cao. Tuy nhiên để ứng
dụng cho các cảm biến khí, sợi nano ZnO được lựa chọn vì khi tồn tại ở dạng
sợi sẽ giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu ZnO với khí, làm tăng đáng kể
độ nhạy so với cảm biến dùng màng mỏng ZnO.

Hình 2.4. Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano.

21