Nghiên cứu chế tạo thanh nano zno

HỘI NGHỊ KHOA HỌC KỸ THUẬT LẦN THỨ 34

Đề tài:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THANH NANO
ZnO
Báo cáo viên: Phạm Minh Khang

Tel: 01992210467

Email:


NỘI DUNG

Giới thiệu tổng quan

Thực nghiệm
Kết quả và bàn luận
Kết luận và hướng phát triển

2


Phần 1 . Giới thiệu tổng quan :

I. Về vật liệu ZnO :

 Có cấu trúc Hexagonal wurtzite

 ZnO là bán dẫn loại n, có nhiều khuyết tật oxi
 Có độ rộng vùng cấm lớn 3,37 eV.

3


Vật liệu ZnO
cấu trúc nano

Light emitting diodes, Mosfet, transistor…

Gas sensors, biosensor…
Solar cells
4


Nanobelt
s

Nanorods

Nanorings

Nanotips

Nanowires

Nanotubes

5


Chuyển pha

Rắn-lỏng-khí
(VLS)

sol–gel

Điện hóa

Các phương
pháp chế tạo
ZnO có cấu
trúc nano

Thủy nhiệt

Phún xạ
DC và Rf
6


II. Về phương pháp điện hóa :
- Thực hiện chi phí rẻ, tiến hành dễ dàng ở nhiệt độ
thấp (dưới 1000C), áp suất bình thường.

- Dựa vào quá trình biến đổi hóa học của các dung
dịch muối chứa ion kim loại
Dưới tác dụng của
dòng điện
Phản ứng khử và phản ứng oxi hóa trên các
điện cực
Hình thành lớp kim loại

trên điện cực cathode.
7


Quá trình tổng hợp như sau:

- Sử dựng 2 hóa chất chính : Zn(NO3)2.6H20 và C6H12N4

Zn(NO3)2  Zn2+ + 2NO3C6H12N4 + 6H2O  6CH2O + 4NH3
NH3 + H2O  NH4+ + OHZn2+ + 2OH- Zn(OH)2  ZnO + H2O
Zn(OH)2

(↓ màu trắng đục)

8


Phần 2 . Thực nghiệm:
1. Một số thiết bị được sử dụng
Một số thiết bị được sử dụng : Hệ điện hóa Gamry Intrusment Series G
300™ (Mỹ), cân điện tử Sartorius TE 214S, máy đánh siêu âm, máy sấy, lò
nung...

2. Các hóa chất được sử dụng
Tên hóa chất
Zinc nitrate hexahydrat Zn(NO3)2. 6H2O
(Trung Quốc)
Hexamethylene tetramine (HMTA) C6H12N4

Tác dụng

Pha dung dịch để tạo
các thanh nano

(Trung Quốc)

Pha dung dịch để tạo
các thanh nano

Nước cất 2 lần

Pha dung dịch..

Axit clohydric HCl, acetol, ethanol

Xử lý mẫu..

3. Một số phương pháp phân tích mẫu:
Phương pháp quan sát kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Phương pháp đo phổ truyền qua khả kiến UV-Vis
Phương pháp đo phổ quang phát quang (PL)
Phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X

9


4. Tóm tắt quá trình thực nghiệm :

10ml Zn(NO3)2

10ml C6H12N4

Trộn đều

80ml H2O

Cho vào bình
điện phân

Pt kẹp vào
điện cực đối

ITO kẹp vào
điện cực làm
việc

1 cm

100 ml hỗn hợp
dung dịch

5 cm

Nung nhiệt 850C

Tiến hành điện hóa
trong 30 phút
Sấy 1300C

Các thanh nano
trên đề ITO

30 phút
10


Phần 3 . Kết quả và bàn luận:
1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ
Hexamethylene tetramine (HMTA) lên sự phát
triển của ZnO cấu trúc nano trên đế ITO
Tên
mẫu

Nồng độ mol
(mol/l)

Cường độ
dòng(mA)

Thời gian
(phút)

HMTA

Step
1

Step
1

Zn

(NO3)2.
6H2O

Step
2

D1

520 – 800 nm

150 – 200 nm

Step
2

D2
D1

0.005

D2

0.0025

D3

0.0015

D4

0

400 – 550 nm

0.005

1

150 – 200 nm

D3

0.15

10

20

350 – 530 nm

450 – 600 nm

150 – 200 nm

D4

~ 200 nm

mẫu D1 có mật
độ các thanh đồng

đều hơn, định
hướng tốt hơn.
 HMTA không
ảnh hưởng nhiều
đến quá trình hình
thành thanh nano 11


2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Zn (NO3)2. 6H2O lên sự phát
triển của ZnO cấu trúc 1D trên ITO
Tên
mẫu

Nồng độ mol
(mol/l)

Cường độ
dòng(mA)

Thời gian
(phút)

HMTA

Step
1

Step
2

Step
1

Step
2

1

0.15

10

20

Zn
(NO3)2.
6H2O

G1
G3

- Các thanh có độ định hướng,
độ đồng đều không tốt.
- Các thanh có xu hướng phát
triển dạng đầu nhọn, mật độ
thanh thưa thớt.

0.0025
0.005
0.0015

150 – 200 nm

~ 1000 nm

G1

~ 500 nm

~ 100 nm

G3

12


3. Khảo sát ảnh hưởng của lớp mầm lên sự hình thành thanh nano ZnO
a. Mục tiêu đặt ra:
• Độ dày lớp màng ZnO khoảng 150nm – 200nm
• Màng có độ đồng đều, kích thước hạt 30nm – 70nm ( tiền đề phát
triển đường kính cho các thanh nano ZnO).
b. Quy trình chế tạo:

Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo màng ZnO bằng phương pháp sol-gel

13


c. Kết quả chụp ảnh SEM của màng ZnO:

20 – 40 nm

Màng phủ 1 lớp

30 – 50 nm

Màng phủ 2 lớp

- Ở mẫu màng phủ 1 lớp, bề mặt màng không đồng đều, có nhiều
rãnh đứt gãy, nhiều lỗ xốp
- Đối với màng 2 lớp, bề mặt màng phát triển rất đồng đều, ít lỗ xốp hơn

Chúng tôi sử dụng màng phủ 2 lớp để làm lớp mầm
trong phương pháp điện hóa tạo thanh nano ZnO
14


d. Kết quả điện hóa tạo thanh nano ZnO có lớp
mầm
Tên Nồng độ mol
mẫu (mol/l)

Cường độ
dòng(mA)

Thời gian
(phút)
M1

HMTA

Zn
Step
(NO3)2. 1
6H2O

M1

1

M2

0.8

M3

0.005

0.005

M4

0.5

Step
2

Step
1

Step
2
~ 500 nm

100 – 120 nm

M2
0.15

10

5

0.3
~ 400 nm

350 – 400 nm

M3

30 – 50 nm ~ 380 nm

30 – 50 nm

M4

~ 50 nm

 Mẫu M4 có kết quả
tốt hơn (đảm bảo được

chiều dài, đường kính,
độ đồng đều).
15


4. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ dòng
và thời gian step 2 lên quá trình điện phân
Tên Nồng độ mol
mẫu (mol/l)

Cường độ
dòng(mA)

Thời gian
(phút)

M5
HMTA Zn
(NO3)
2.
6H2O

Step Step
1
2

Step Step
1
2
350 – 380 nm

M5

10

M6

15

M7

0.005

0.005

0.3

0.05

10

20

30 – 50 nm

M6
330 – 350 nm
30 – 50 nm

 Mẫu M7 đã đạt

được một số yêu
cầu đề ra từ ban đầu
300 – 350 nm

30 – 50 nm

M7

16


Phần 4 . Kết luận và hướng phát triễn :

1. Kết luận

Những kết quả đạt được của đề tài
• Đã khảo sát được sự ảnh hưởng nồng độ của các thành phần chất điện
phân lên sự hình thành thanh nano ZnO trên đế ITO thuần.
• Đã khảo sát được sự ảnh hưởng của lớp mầm ZnO lên sự hình thành
thanh nano ZnO.
• Trên cơ sở đó chúng tôi đã điều khiển được việc chế tạo thanh nano
ZnO thỏa các tiêu chí về chiều dài (350-400 nm), đường kính (30-50 nm),
độ định hướng và đồng đều cao (thông qua việc điều khiển cường độ dòng
và thời gian điện phân), đáp ứng được cho yêu cầu chế tạo pin mặt trời lai
hóa.

17


2. Hướng phát triển

• Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện các thông số ảnh hưởng và
chế tạo lớp mầm ZnO trên đế ITO, nhằm đạt được cấu trúc
thanh nano ZnO tốt hơn.
• Hoàn thiện các kết quả phân tích mẫu: các kết quả chụp
mặt cắt ngang.
• Nghiên cứu việc ứng dụng thanh nano ZnO trong việc chế
tạo hệ pin mặt trời lai hóa, cảm biến sinh học, cảm biến khí ...

18