Dự án chế tạo cửa thông minh

Tên dự án dự thi
CHẾ TẠO CỬA SỔ THÔNG MINH TỰ ĐIỀU CHỈNH ĐỘ TRUYỀN QUA
ÁNH SÁNG TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG ĐIỆN SẮC

Lĩnh vực dự thi
VẬT LÍ – KHOA HỌC VẬT LIỆU


MỤC LỤC

2. Mục lục.........................................................................................................2
3. Lời cảm ơn.............................................................................................................................. 3
4. Tóm tắt nội dung dự án...............................................................................4
5. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, lí do chọn dự án và điểm mới, sáng tạo
của dự án..........................................................................................................5
6. Quá trình nghiên cứu và kết quả của dự án............................................ 12
7. Kết luận...................................................................................................... 25
8. Tài liệu tham khảo..................................................................................... 26

2


4 . TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN.
Với sự phát triển của kinh tế, nhu cầu của con người ngày càng cao tỷ lệ thuận
với việc tiêu dùng năng lượng, trong đó năng lượng dùng để chiếu sáng đóng góp
một phần đáng kể. Tại nhiều nơi, đặc biệt là các văn phòng, công xưởng, kể cả vào
ban ngày người ta vẫn dùng đèn điện để chiếu sáng. Đây là sự lãng phí rất lớn, cần
thay đổi để tiết kiệm năng lượng, xây dựng nên các toà nhà xanh phù hợp hơn với
môi trường của chúng ta.
Một tòa nhà, công xưởng có mái hoặc cửa sổ (sau đây gọi chung là cửa sổ) có
thể thay đổi độ trong suốt để điều chỉnh lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào phòng

một cách tự động sao cho trong phòng luôn được chiếu sáng thích hợp với nhu cầu
của những người trong phòng đến nay vẫn chỉ có trong chí tưởng tượng của chúng
ta. Tuy nhiên, qua tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đã tìm thấy nhiều hiệu ứng vật lý
trong đó có hiệu ứng điện sắc có thể biến tòa như như thế thành hiện thực. Hiệu ứng
này không những làm thay đổi độ truyền qua của cửa kính mà còn tiêu tốn rất ít điện
năng để tạo ra sự thay đổi này.
Hiệu ứng điện sắc dựa trên phương trình điện hóa thuận nghịch, có thể được
điều khiển bằng điện trường ngoài. Nếu phản ứng được thúc đẩy theo chiều thuận
thì độ trong suốt của vật liệu tăng và ngược lại. Chúng ta không cần tiêu tốn năng
lượng để giữ nguyên độ trong suốt mà chỉ tiêu tốn năng lượng khi cần điều chỉnh.

Hình 1: Mô hình cấu tạo tấm kính điện sắc
Trong dự án này nhóm đã tiến hành các nghiên cứu, thử nghiệm sau:
 Nghiên cứu quá trình lắng đọng của von-fram oxit lên bề mặt thủy tinh và
điện cực trong suốt ITO bằng phương pháp bốc bay trong chân không,




khảo sát sự kết tinh, hình thái bề mặt. Và tính chất điện sắc của màng mỏng tạo

được
Ghép các thành phần trên lại tạo thành kính điện sắc cấu trúc Hình 1.
để tạo ra một kính thông minh hoàn chỉnh. Thử nghiệm sự thay đổi mầu sắc của
kính


4






Xây dựng mô hình nhà sử dụng các tấm kính điện sắc được chế tạo.



Viết các phần mềm để điều khiển quá trình điện sắc một các tự động.

TỔNG QUAN VỀ VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU, LÍ DO CHỌN DỰ ÁN
VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA DỰ ÁN
5.

Trong mục này, chúng tôi trình bầy một số tính chất điển hình của WO3 liên
quan đến nội dung nghiên cứu và tình hình nghiên cứu vật liệu này để có cái nhìn
thổng quan về thực trạng và triển vọng nghiên cứu tiếp theo.
5.1. TỔNG QUAN VÈ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
5.1.1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA WO3
WO3 là oxit của kim loại chuyển tiếp Vonfram thuộc phân nhóm B, nhóm 6 là
bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm cỡ 3,1eV. Ở điều kiện thường, WO3 ở dạng

bột (hoặc viên) và màu vàng nhạt ( hình 2). WO3 có nhiệt độ nóng chảy cao, rất
cứng, rất khó ép khó nghiền. Khối lượng phân tử: 231,84g/mol, khối lượng riêng:
3
0
0
0
7,16 g/cm , Điểm nóng chảy: 1.473 C ( 2.683 F), Điểm sôi 1.700 C ( 3.090

0
F), không tan trong nước, và tan ít trong HF, do đó đây là một vật liệu khá bền
cho các ứng dụng

Hình 2: Bột WO3
5.1.2. MỘT SỐ ĐẬC TÍNH VỀ CẤU TRÚC VÀ HỢP THỨC CỦA OXIT
VONFRAM
a. Cấu trúc
WO3 có cấu trúc perovskit [1]. Trong tinh thể WO3, vonfram kết hợp với oxy
dạng hợp thức cao nhất với hóa trị 6. WO3 hình thành trên cơ sở một ion W ở tâm
kết hợp với 6 ion oxy tại 6 đỉnh tạo thành khối bát diện. Với tinh thể lý tưởng, độ dài
0
liên kết W=O là không đổi, góc liên kết W-O-W là 180 [1, 2]. Thực tế màng WO3
có xu hướng hình thành các pha bất hợp thức, tức là các màng tồn tại vị trí
5


khuyết oxy và biểu diễn dưới dạng WO 3-y (y là hệ số khuyết oxy). Do đó hợp thức
này mang cấu trúc bát diện chung cạnh như WO2 [1, 2].

(A)

(B)
Hình 3: A) cấu trúc của WO3 và B) WO2

Sự sắp xếp này dẫn đến sự thay đổi góc liên kết độ dài liên kết. Vì vậy trong
tinh thể xuất hiện những sai hỏng và hình thành những kênh ngầm với thiết diện lục
+ +
giác hay ngũ giác, tạo ra khoảng trống cho các ion kích thước nhỏ (Na ,Li …) xâm
nhập và bắt giữ trong màng dẫn đến hiệu ứng điện sắc [1, 2].

Pha
-WO3
-WO3
-WO3
-WO3
ε-WO3

Tứ phương(Tetragonal)

0
Nhiệt độ ( C)
680-740

Trực thoi( Orthorhombic)

320- 480

Đơn tà( Monoclinic)

17 – 200

Tam tà( Triclinic)

-40 – 17

Đơn tà( Monoclinic)

< -40

Dạng cấu trúc tinh thể

Bảng 1: Một số pha cấu trúc của W03[2]
Vật liệu khối WO3 có dạng cấu trúc tinh thể khá phức tạp, các cấu trúc này phụ
thuộc nhiều vào quy trình chế tạo và nhiệt độ ủ được minh họa bảng 2.
b . Một số dạng hợp thức của oxit Vonfram
Các hợp thức khác của Vonfram hình thành có xu hướng tuân theo trật tự chuỗi :
WmO3m-1 và WmO3m-2 (m=1,2,3…) ngoại trừ 2 pha: W18O49 và W40O116. Khi đó,
vật liệu WO3 thay đổi màu từ xanh da trời đến nâu xám. Glemser và Sauer đã
6


khảo sát sự thay đổi màu theo tỉ lệ nguyên tử Oxy và Vonfram, kết quả được thể
hiện như ở hình 4 [3]:

Hình 4: Thang màu tỉ lệ O/W
Đối với vật liệu màng, sự thay đổi màu không dễ thay đổi như vật liệu khối do
độ dày màng nhỏ dẫn đến khả năng hấp thụ quang nhỏ. Màng WO x nếu được chế
tạo bằng phương pháp phún xạ thì khi hợp thức của màng x < 2,5 , màng có ánh kim
và phản xạ gần như kim loại, khi x > 2,6 màng cho ánh sáng truyền qua rất tốt, nếu
hợp thức 2,5 < x <2,6 thì màng có màu xanh da trời [2].

Hình 5: Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của WO3 (bên phải) và WO3x (bên trái) [3,4]
0
Trong cấu trúc mạng lý tưởng góc liên kết W-O-W là 180 . Tuy nhiên màng chế

tạo có hợp thức chưa tốt, tồn tại cả hai pha WO3 và WO2. Do đó hợp thức này
được qui về WO3-y. Trong màng xuất hiện các vị trí khuyết Oxy. Khi đó, vật liệu
hình thành nên cấu trúc bát diện chung cạnh. Điều này dẫn đến sự thay đổi độ dài và
góc liên kết [1, 2, 5].
7

Vùng hóa trị bao gồm các vùng ứng với quĩ đạo 2s và 2p của O, vùng dẫn ứng
quỹ đạo 5d của W. Với WO3-x, các điện tử ở vùng hóa trị được lấp đầy, nhưng các
điện tử ở vùng dẫn còn thiếu. Do đó mức Fecmi nằm ở vùng t 2g của obitan W5d [5].
Green cho rằng chính các điện tử tự do này hấp thụ mạnh ánh sáng ở vùng hồng
ngoại và ánh sáng đỏ gây nên màu xanh của vật liệu. Với WO3, vùng hóa trị có tất cả
24e được lấp đầy hoàn toàn còn vùng dẫn trống hoàn toàn. Do đó chúng có màu
vàng nhạt hoặc không màu. Độ rộng vùng cấm nằm trong khoảng (2,6 – 3,25eV) [4].
+
Khi có ion ( như H ) xâm nhập thì nguyên tử H liên kết với O làm thay đổi hợp thức
mạng sang dạng WO3-x. Từ đó, màng có màu xanh. Giản đồ cấu trúc vùng năng
lượng của WO3 được minh họa trong hình 5.
5.1.3. TÍNH CHẤT ĐIỆN SẮC CỦA WO3
Tính chất quang đặc trưng nhất của màng WO 3 là tính chất điện sắc. Khi màng
chưa được tiêm ion và điện tử, màng WO 3 có độ truyền qua cao trong vùng khả kiến.
+
+
Ngược lại, khi các ion kích thước nhỏ như proton (H ) hay các kim loại kiềm (Na ,
+
Li ,…) được tiêm vào màng thì độ truyền qua của chúng giảm đi đáng kể [2,3]. Sự tiêm
điện tử được hỗ trợ bởi điện trường nên tính chất này gợi là tính chất điện sắc.

Màng WO3 khi mới chế tạo có màu vàng nhạt, độ truyền qua trong vùng khả
kiến cỡ 90%. Khi đặt điện trường phân cực âm lên điện cực làm việc WO 3, các ion
trong chất điện ly được hút vào trong màng, đồng thời để bù trừ điện tích, điện tử từ
điện cực trong suốt cũng được tiêm vào. Quá trình tiêm các ion và điện tử vào trong
màng WO3 được thể hiện qua phương trình sau [1, 2, 6-9]:
+
xM + xe + WO3 = MxWO3

+
+
+ +
Trong đó M là các ion H , Na , Li …. MxWO3 hấp thụ mạnh ánh sáng nhìn
thấy, có màu xanh thẫm, độ truyền qua thấp. Sự thay đổi tính chất quang này được
khảo sát bằng cách xác định độ truyền qua, phản xạ trong vùng nhìn thấy và vùng
hồng ngoại.
Độ truyền qua và phản xạ còn phụ thuộc vào nồng độ các ion được tiêm vào
màng. Đặc biệt, độ truyền qua phụ thuộc vào hiệu điện thế phân cực được thể hiện
qua hình sau 6 [1]:

8


Hình 6: Sự phụ thuộc của độ truyền qua khi thay đổi hiệu điện thế.
Hình 6 là phổ truyền qua khi thay đổi hiệu điện thế. Kết quả chỉ ra rằng khi ta
giảm dần hiệu điện thế đặt vào mẫu trong một môi trường chất điện ly thì độ truyền
qua của màng giảm dần một cách tương ứng, hiện tượng này thường được gọi là sự
nhuộm màu của màng.
+
Các kết quả nghiên cứu cho thấy đối với chất điện ly chứa ion Li sau khi được
tiêm vào màng thì những ion này nằm ở vị trí trung tâm perovskit. Nhưng đối với chất
+
điện ly chứa H thì hydro không nằm ở giữa trung tâm mạng mà liên kết với Oxy tạo
thành nhóm OH có khoảng cách bằng dOH và được mô tả như hình 7 [1, 3].

+
+
Hình 7: Mô tả ion Li và H trong mạng tinh thể
+

+
Hình 7 là sự mô tả ion Li và H khi xâm nhập vào trong mạng tinh thể. Các
ion trong chất điện ly xâm nhập vào trong màng thông qua các kênh ngầm kéo theo
9


sự xâm nhập của điện tử để cân bằng điện tích và gây ra quá trình nhuộm màu [5].
Để giải thích cho quá trình này, người dùng hai cơ chế gồm sự thay đổi cấu trúc
vùng năng lượng (đã trình bày trên) và cơ chế chuyển điện tích vùng hóa trị [1, 3].

Cơ chế chuyển điện tích vùng hóa trị với các chuyển mức polaron:
4+ 5+ 6+
Màng WO3 chế tạo thường là hợp thức của các oxit: W , W , W , W. Khi áp
6+
phân cực âm vào, vị trí nút mạng W biến thành bẫy bắt điện tử và trở thành tâm màu
5+
W và gây nên sự biến dạng xung quanh vị trí của chúng tạo thành các
palaron nhỏ.

W6+ + e- = W5+
Khi hấp thụ các photon có bước sóng trong vùng nhìn thấy các điện tử di
chuyển vào trong mạng tinh thể đi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Đây chính
là quá trình nhuộm màu [2].

Hình 8: Mô tả quá trình sự hấp thụ photon ánh sáng và làm dịch
chuyển điện tử gây ra sự trao đổi hóa trị giữa hai nguyên tử WA và WB
Hình 8 là quá trình hấp thụ photon và sự dịch chuyển điện tử của hai nguyên tử
4+
W nằm gần nhau. Khi đảo cực nguồn điện xảy ra quá trình oxy hóa. Khi đó W ,
5+

6+
W bị oxy hóa thành W . Đây chính là quá trình tẩy màu. Khi đó màng trở lại
trạng thái trong suốt ban đầu.

5.1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN HIỆN NAY VỀ VẬT LIỆU NÀY

10


Vật liệu WO3 có tính thay đổi màu sắc đã được phát hiện vào đầu thế kỷ 19.
Vào năm 1815, nhà khoa học Thụy Điển Jakob Berzelius đã cho dòng khí hydro qua
vật liệu khối WO3 nung nóng. Sau thí nghiệm, ông thấy nó có màu vàng hoặc xanh.
Năm 1824, Wohler cũng thu được kết quả màu vàng trong khối WO3 khi cho hơi Na
đi qua. Sự quan tâm về vật liệu này được dấy lên vào năm 1837, khi Wohler khám
phá ra ánh kim rực rỡ của LiWO 3. Ông cho rằng điều này là do hợp kim kim loại và
đặt ra thuật ngữ “ Tungsten bronzes” (hợp chất Vonfram dạng đồng).
Nửa đầu thế kỷ 20 đã có nhiều thí nghiệm nhằm mô tả cấu trúc, tính chất của
WO3 để tìm ra ứng dụng thiết thực của nó. Vào những năm 1950, 1960 hai nhà
khoa học Mott và Sienko đã khám phá ra chuyển pha dẫn điện – cách điện cũng như
tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp của Vonfram dạng đồng.
Năm 1969, Deb đã chỉ ra sự nhuộm màu của oxit Vonfram nguyên nhân là do
trong màng hình thành các tâm màu vì màng oxit Vonfram có khả năng tích trữ ion.
Hiện nay, màng WO3 được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm
nghiên cứu không chỉ vì tính điện sắc của nó mà còn có cả tính quang sắc và tính
lưu trữ ion. Chính những điều này mở ra vô vàn những ứng dụng của vật liệu này
như: cửa sổ thông minh, đầu dò khí, màn hình hiển thị…
Ở

Việt Nam, màng WO3 cũng được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu

một cách sâu rộng. Cụ thể: Năm 1988, hướng nghiên cứu tính điện sắc do nhóm
TS.Nguyễn Năng Định, TS.Vũ Thị Bích, Phạm Duy Long chế tạo màng oxit
Vonfram bằng phương pháp “ electron beam” với môi trường chất điện ly là
LiClO4/PC với nồng độ 1M. Năm 1995, hướng nghiên cứu tính khí sắc nhằm phát
hiện khí độc do nhóm nghiên cứu PGS.Nguyễn Văn Nhã, PGS.Nguyễn Thị Bảo
Ngọc, PGS.Nguyễn Văn Hùng, TS.Nguyễn Văn Minh triển khai và ứng dụng làm
sensor khí. Năm 2000, linh kiện điện sắc được nhóm TS.Phạm Duy Long so sánh
khả năng quang hóa của màng WO3 được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau.
Linh kiện điện sắc oxit Vonfram cũng được nhóm PGS.Vũ Thị Bích chế tạo thành
công với dung dịch chất điện ly rắn là polymethyl methacrylat (PMMA) và
polyaniline (PANI).
5.1.5. TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN CÁC HƢỚNG ƢNG DỤNG CỦA
VẬT LIỆU ĐIỆN SẮC WO3
Qua phân tích tổng quan, chúng tôi nhận thấy các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở
nghiên cứu cơ bản. mà chưa có những nghiên cứu về ứng dụng hoặc chế tạo sản
phẩm. vì vậy triển vọng của loại vật liệu này là rất lớn cho các nghiên cứu về ứng
dụng hiện tượng điện sắc cho cửa kính thông minh.
11


5.2. LÍ DO NGHIÊN CỨU
Xuất phát từ sự tìm hiểu, phân tích tổng quan và ý tưởng về một sản phẩm hữu
dụng, dự án đặt mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng mỏng WO 3 và chế tạo cửa sổ
điều khiển ánh sáng thông minh trên cơ sở tính chất điện sắc của màng WO 3 để
điều khiển các nguồn sáng tự nhiên tạo ra sự phù hợp cho con người trong các hoàn
cảnh khác nhau, giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng đối với môi trường. Qua đó tiết kiệm
điện năng và góp phần chống sự biến đổi khí hậu

6.

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ CỦA DỰ
ÁN 6.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu của chúng tôi xuyên suốt đề tài là: kết hợp các nghiên

cứu cơ bản trên màng WO3 với nghiên cứu ứng dụng chế tạo cửa sổ thông minh
dựa trên hiệu ứng điện sắc của màng và từng bước phát triển sản phẩm.
Để thực hiện được các mục đích và kế hoạch đề ra đó chúng tôi đã tiến hành
chế tạo các màng mỏng WO3 bằng phương pháp bốc bay nhiệt chân không trên hệ
Univex 300 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu. Khảo sát các tính chất của vật liệu thu
được. Sau đó thiết kế mô hình cửa sổ và lắp ghép thử nghiệm cửa sổ tự điều chỉnh
cường độ ánh sáng.
6.1.1. CHẾ TẠO MÀNG WO3 BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT
TRÊN HỆ UNIVEX 300
6.1.1.a. CẤU TẠO HỆ UNIVEX 300

Hình 9: Cấu tạo hệ bốc bay nhiệt
Cấu tạo của hệ bốc bay nhiệt về cơ bản bao gồm 3 bộ phận chính: Chuông chân
không, bơm chân không và hệ thống điều khiển. Trong đó chuông chân không bao
gồm: giá gắn mẫu, lò đốt (sợi đốt) nóng hay thuyền điện trở, cảm biến đo chiều dày
và đĩa gắn đế.
12


6.1.1.b. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ BỐC BAY NHIỆT
Chuông chân không được làm sạch, sau đó bơm chân không được khởi động để
-6
-5
hút chân không của chuông đến áp xuất cỡ 10 – 10 torr. Tiếp đến thuyền điện trở
chứa vật liệu cần bay hơi được đốt nóng, nhiệt lượng của nó đủ lớn để bay hơi vật
liệu trên đó, vật liệu bay hơi sẽ được ngưng tụ trên đế (đế có thể nung nóng hoặc

không tùy mục đích sử dụng). Đó chính là cách tạo màng mỏng bằng phương pháp
bốc bay nhiệt chân không.
6.1.1.c. HÓA CHÂT VÀ MỘT SỐ THIẾT BỊ HỖ TRỢ THỰC NGHIỆM
Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm, chúng tôi đã sử dụng những vật
liệu, hóa chất và các thiết bị sau: Đế thủy tinh (SiO 2) vô định hình kích thước 1,5

x 2 (cm), đế ITO kích thước 6 x 6 (cm) (xuất xứ pháp) vật liệu khối WO3 99,9%
(xuất xứ Đức), nước cất, ethanol, iso-propanol (xuất xứ Đức), máy rung siêu âm, lò
sấy mẫu, lò nung mẫu.
6.1.1d. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MÀNG WO3
Quy trình chế tạo màng mỏng WO3 trên hệ bốc bay nhiệt chân không univex
300 được thực hiện theo các bước sau đây:
Bƣớc 1 : Rửa sạch đế và làm sạch buồng chân không.
Đế thủy tinh bằng cách rung siêu âm đế lần lượt với nước cất và ethanol. Mỗi
công đoạn rung trong khoảng 10 phút. Tiếp đó ta tráng đế qua iso – propanol nhằm
đẩy hết nước trên bề mặt đế và làm đế nhanh khô. Sau đó, ta sấy đế khô. Trong quá
trình sấy đế ta làm sạch buồng bốc bay bằng máy hút bụi.
Bƣớc 2: Lắp đế và hút chân không
Lắp đế thủy tinh vào đĩa gắn đế trong buồng bốc bay. Bỏ mẫu WO3 dạng viên
vào thuyền nhiệt (chú ý: Mẫu WO 3 cho vào phải thừa cho mỗi lần bắn và có kích
thước phù hợp với thuyền). Tiếp đến lắp vỏ buồng nhiệt.
Hút chân không buồng bốc bay: Đầu tiên ta bật bơm sơ cấp (chạy khoảng 30
phút). Trong lúc này, ta sấy đế một lần nữa bằng cách gia nhiệt cho đế khoảng
0
100 C rồi tắt công tắc để đế tự nguội (làm sạch hơi nước có thể bám vào đế trong
-2
quá trình lắp đế). Khi áp suất buồng đạt cỡ 4.10 torr, ta bật bơm turbo (chú ý phải
-4
bật máy làm mát bơm turbo). Khi áp suất đạt cỡ 7 x 10 torr, là đạt yêu cầu.
Bƣớc 3:Tạo mẫu và đem ủ nhiệt sản phẩm.

Bật công tắc nguồn cấp điện vào thuyền. Ta có thể điều chỉnh cường độ dòng
điện cấp cho thuyền tùy thuộc vào vật liệu ta cần bốc bay. Đối với WO3 cường độ
13


dòng điện cấp vào là I = 30A hoặc I = 35A. Để thay đổi độ dày màng, sử dụng đồng
hồ theo dõi thời gian tạo màng . Sau đó tắt lần lượt công tắc dòng, bơm turbo (chú ý
không tắt máy làm mát bơm turbo) nhưng vẫn để bơm sơ cấp chạy. Khi áp suất
-2
trong buồng đạt cỡ 4 x 10 torr mới tắt bơm sơ cấp và để buồng tự nâng áp suất so
với áp suất khí quyển. Khi áp suất trong buồng xấp xỉ áp suất khí quyển, ta có thể
mở buồng , lấy mẫu ra, bảo quản mẫu tránh bụi và hơi nước.
Đem mẫu ủ trong không khí với các nhiệt độ khác nhau, thời gian ủ mẫu trong
5h. Để mẫu nguội tự nhiên và bảo quản mẫu tránh bui, ẩm.
6.1.1.e. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT CỦA
MÀNG MỎNG
Các màng sau khi ủ nhiệt xong được đem đi phân tích cấu trúc bởi hệ nhiễu xạ
tia X (XRD) để kiểm tra mẫu kết tinh hay không kết tinh và kết tinh với pha nào.
Để khảo sát hình thái, bề mặt và độ dầy của màng chúng tôi sử dựng các hệ
phân tích tương ứng là kính hiển vi điện tử quét Nano SEM, kính hiển vi lực nguyên
tử AFM, và hệ khảo sát bề mặt Dektak 150.
Để khảo sát tính chất truyền qua của màng chúng tôi sử dụng hệ đo UV-Vis.
Các thiết bị đều đặt tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa vật lý, Trường đại học
Khoa học tự nhiên. ĐHQG HN
6.2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỬA KÍNH THÔNG MINH TỰ ĐIỀU
CHỈNH CƢỜNG ĐỘ ÁNH SNÁG TRUYỀN QUA.
6.2.1. MÔ HÌNH CỬA KÍNH THÔNG MINH
Mô hình nguyên lý của cửa kính thông minh được chỉ ra như hình vẽ dưới đây:

Trong đó:

14


Thể tích cửa sổ thiết kế là 6 cm x 6 cm x 0,5 cm (0,5 cm là độ dầy của lớp điện
2
ly), diện tích mặt cửa sổ là 36 cm
Lớp dẫn điện trong suốt được chúng tôi sử dụng là ITO với điện trở là 240
ohm/1vuông.
Lớp điện sắc là màng WO3 độ dầy 230 nm
Lớp điện ly là dung dịch axit acetic 1M, nồng độ này là nồng độ an toàn vì nó
chính là nồng độ được định nghĩa là giấm. (C% <6%)
Với thiết kế như trên ngoài chức năng điều chỉnh cường độ ánh sáng truyền qua,
cửa sổ này còn có tác dụng cách âm tốt, cách nhiệt tốt.
6.2.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO CỦA KÍNH THÔNG MINH
Cửa kính thông minh được chế tạo theo quy trình bao gồm các bước sau:
Bước 1: Chế tạo màng trên đế ITO diện tích 6cm x 6cm theo như mục 4.1.4
Bước2 : Sử dụng tấm ITO có diện tích tương tự, hoặc sử dụng thanh bút chì
chiều dài 6,5 cm gắn vào giữa bề mặt tấm kính còn lại để tạo điện cực đối
Bước 3 : Ghép 2 tấm kính vào nhau một tấm có đế ITO như mô tả bước 2 và
một tấm có màng WO3 đã chế tạo ở bước 1, hai tấm kính được lắp ghép cách nhau
0.5cm, dùng epoxy để hàn lại kín, chỉ để một lỗ nhỏ để đổ dung dịch điên li là
CH3COOH.
Bước 4: Đổ dung dịch điện ly và hàn kín, hàn các dây dẫn từ các điện cực để
nối vào bộ điều khiển
6.3.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

6.3.1 . CẤU TRÚC VÀ NHÌNH THÁI CỦA MÀNG
Vật liệu WO3 sử dụng để chế tạo mẫu là dạng viên WO3, chúng tôi tiến hành

chế tạo màng WO3 trên đế thủy tinh trước để khảo sát quá trình lắng đọng của màng
sau đó sẽ lắng đọng lên đế ITO, điều kiện chế tạo với cường độ dòng điện I = 30A,
-4
áp suất p = 7.10 torr và các thời gian bốc bay mẫu khác nhau. Mẫu hình thành với
độ dày khác nhau. Sau đó, chúng tôi ủ các mẫu này với nhiệt độ khác nhau trong 5h.
Với các nhiệt độ này, mẫu hình thành các pha có cấu trúc tinh thể khác nhau. Điều
này dẫn đến các tính chất của màng tạo thành sẽ khác nhau. Chúng tôi tiến hành
khảo sát cấu trúc và hình thái của màng bằng Phổ nhiễu xạ tia X, ảnh AFM, ảnh
SEM, Phổ EDX.

15


6.3.1a. PHỔ NHIỄU XẠN TIA X, PHỔ EDS, ẢNH SEM
Các pha, cấu trúc tinh thể hình thành phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Vì vậy, sau
khi chế tạo các màng chúng tôi đem ủ trong không khí trong thời gian 5h với các
o
o
o
nhiệt độ ủ là : 300 C, 400 C và 500 C. Các mẫu sau đó được phân tích XRD để
kiểm tra cấu trúc, kết quả được chỉ ra trong hình 10.

Hình 10 : A ) Phổ nhiễu xạ tia X của các màngWO3 trên đế thủy
tinh, B) trên đế ITO tại các nhiệt độ ủ khác nhau
Hình 10 là phổ nhi ễu xạ tia X (XRD) của các màngWO 3 trên đế thủy tinh với
o
nhiệt độ ủ khác nhau. Kết quả cho thấy, mẫu có nhiệt độ ủ 300 C thì chưa kết tinh
o
o
vẫn ở dạng vô định hình, hai mẫu ủ tại 400 C, 500 C đã kết tinh. So sánh với các

0
0
thẻ chuẩn trong thư viện quốc tế, ta thấy hai mẫu ủ ở 400 C và 500 C kết tinh ở hai
pha triclinic [Pattern 20-1323] và pha hexagonal [Pattern 33-1387] như chỉ ra trên
các hình 11.
VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau WO3 - 400C

VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau WO3 - 500C

d=2.610

d=1.5 777

d=2. 0327

d=1.8237

d=1. 6310

1

52

d=4.06 6

d=1. 9819

d=2. 43 7 9

d=2.43 88

400

d=2. 6281

d=2.6292

d=3.

500

5

600

500

d=3 .34 6

9

600

1

700

d=3.82 2

(B)

800

700

400
300

d

1000
900

(A)

800

d=3

900

.7

1000

300
200

100

100

d=1.6 524

d=6.383

200

0

30

40

50

60

0

20

30

40

50

60

70

21

2-Theta - Scale

2-Theta - Scale
File: Thien-CMS-WO3 -M10.raw - Type: 2Th alone - S tart: 10 .000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 .0 s - Temp.: 25 .0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 12/26/14 17:05:26

File: Thien-CMS-WO3-M5.raw - Type: 2Th alone - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 12/22/14 17:20:22

20-1323 (I) - Tungsten Oxide - WO3 - Y: 27.50 % - d x by: 1.000

- WL: 1.54056

20-1323 (I) - Tungsten Oxide - WO3 - Y: 31.75 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

33-1387 (I) - Tungsten O xide - WO3 - Y: 6.03 % - d x by: 1.00 0

- WL: 1.540 56

33-1387 (I) - Tungsten Oxide - WO3 - Y: 30.99 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

Hình 11 : Phổ nhiễu xạ tia X của màng WO3 trên đế thủy tinh tại nhiệt độ
o
o
ủ 400 C và 500 C
16

70

o
Thành phần pha tinh thể chủ yếu của mẫu màng WO 3 ủ ở 400 C có cấu trúc

triclinic với xu thế kết tinh định hướng ưu tiên theo phương [200]. Đây là phương
tương ứng với mặt (200) có cường độ cao nhất trong thẻ chuẩn [20-1323]. Bên cạnh
đó có một lượng nhỏ pha tinh thể có cấu trúc hexagonal phù hợp với thẻ chuẩn [331387] (hình 11B).
o
Mẫu màng WO3 ủ ở 500 C có hai pha tinh thể nêu trên với tỉ lệ so sánh được
với nhau (hình 11b). Pha tinh thể cấu trúc hexagonal cũng ở dạng phát triển định
hướng ưu tiên theo phương [200]. Đây là phương tương ứng với mặt (200) có cường
độ cao nhất trong thẻ chuẩn [33-1387].
Nhiệt độ

Bảng 2 : Cường độ nhiễu xạ của một số mặt
Pha triclinic
Pha hexagonal
Chỉ số mặt
(hkl)

0
400 C

(002)
(020)
(200)

0
500 C

Cường độ
nhiễu xạ (Cps)
200
940

Chỉ số mặt
(hkl)
(200)

Cường độ
nhiễu xạ (Cps)
70

(201)

35

(022)

24

(202)
(221)

70

(202)

224

(400)

14

(320)
(132)

15

(401,320)

12

(-114)

89

(002)
(020)

410

(200)

900

(200)

680

(201)

190

(022)

60

(202)
(221)

80

(202)

84

(400)

70

(320)
(132)

100

(401,320)

25

(-114)

190
17


Từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu, chúng tôi đã so sánh vị trí các đỉnh với thẻ
chuẩn và xác định được chỉ số (hkl) của các đỉnh nhiễu xạ. Các đỉnh nhiễu xạ và
cường độ nhiễu xạ được thể hiện qua các bảng 2. Tỉ lệ cường độ lớn nhất của hai
0
đỉnh mạnh nhất tương ứng với pha triclinic và pha hexagonal ở nhiệt độ 400 C và
0
0
500 C lần lượt là: 970:70 và 900:680. Điều này chứng tỏ: Mẫu ủ ở 400 C tỉ lệ kết
0
tinh ở pha triclinic là vượt trội. Mẫu ủ ở 500 C tỉ lệ kết tinh ở pha triclinic vẫn lớn
hơn nhưng không quá nhiều so với pha hexagonal. Chúng tôi cho rằng sự khác nhau
giữa tỉ lệ các pha sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến các tính chất quang của mỗi mẫu.
Sau khi khảo sát sự kết tinh của các màng WO 3 trên đế thủy tinh, chúng tôi đã
khảo sát sự kết tinh của các màng trên đế ITO kết quả được chỉ ra trong hình 10B.
Kết quả Khảo sát đối với màng WO3 chế tạo trên đế ITO cho thấy với nhiệt độ
o
o
ủ 400 C và 500 C đều cho kết tinh pha triclinic với định hướng ưu tiên là phương
[200], kết quả hoàn toàn phù hợp với thẻ chuẩn [20-1323]. Như vậy có thể nhận
thấy các màng trên đế ITO kết tinh tốt hơn và đơn pha hơn.
Chúng tôi cũng đã tiến hành chụp ảnh SEM mẫu màng để khảo sát hình thái bề
mặt của các màng. Kết quả chỉ ra trong hình 12.

0
0
Hình 12 : a) Ảnh SEM bề mặt mẫu ủ ở 400 C. b) mẫu ủ ở 500 C

Hình 12a, 12b ta thấy bề mặt mẫu có những khe nứt vi mô và biên của các hạt
tinh thể. Ta hoàn toàn thấy được mẫu có xu hướng tạo thành từng đám riêng biệt.
Các tinh thể có xu hướng phát triển thành các đám hạt chen vào nhau. Đặc biệt, với
0
mẫu 500 C, ta hoàn toàn thấy được hai pha trong mẫu phân tách rõ ràng. Trên mặt
màng có những “thanh” tinh thể lớn (dài cỡ 5µm, rộng cỡ 500 nm), còn những đám
còn lại xen kẽ giữa các “thanh”. Chúng tôi cho rằng các “thanh” tinh thể có thể kết
tinh ở dạng hexagonal. Đám các hạt nhỏ hơn xen giữa có thể kết tinh ở pha triclinic.
0
Mẫu 400 C kết tinh nhưng hoàn toàn không thấy “thanh” tinh thể lớn nào xuất hiện.
Kết quả phân tích ảnh SEM là hoàn toàn phù hợp với kết quả nhận được từ phổ
XRD. Chiều dài của thanh tinh thể có thể là phương phát triển ưu tiên [200] của pha
18


0
tinh thể hexagonal. Mẫu 400 C thì pha triclinic kết tinh chiếm tỉ lệ vượt trội nên trên
0
ảnh SEM ta chỉ quan sát thấy pha triclinic. Với mẫu kết tinh ở 500 C, tỉ lệ kết tinh ở
hai pha là tương đương nhau nên trên ảnh SEM ta hoàn toàn thấy được hai pha rõ
ràng.

0
Hình 13: Phổ EDS màng WO3 ủ ở 500 C
0
Hình 13 là phổ EDS của của màng WO3 được ủ 500 C. Kết quả ta thấy màng

WO3 không bị lẫn tạp và khá tinh khiết. Phổ EDS có đỉnh Na, Ca, K. Các nguyên tố
này là những tạp chất có trong đế thủy tinh.
6.3.1b. ẢNH AFM

0
Hình 14: Ảnh AFM của mẫu: a) trước khi ủ nhiệt, b) ủ ở 300 C,
0
0
c) ủ ở 400 C, d) ủ ở 500 .

Hình 14 là ảnh AFM của mẫu có các nhiệt độ ủ khác nhau. Dựa vào ảnh AFM ta
thấy, khi mẫu chưa được ủ (trạng thái vô định hình) thì bề mặt màng khá mấp mô,
có nhiều đỉnh nhọn. Khi ủ với các nhiệt độ càng cao, ta thấy bề mặt màng càng xuất
19


hiện ít các đỉnh, mà thay vào đó màng khá bằng phẳng độ mấp mô chỉ 2 nm. Điều
này chứng minh, ở nhiệt độ cao, màng kết tinh sẽ tốt hơn. Điều này hoàn toàn đúng
với một số công bố trước đó [2]. Vì vậy, với mỗi yêu cầu cần thiết của màng chế tạo
thì chúng ta có thể tìm hiểu, thử nghiệm ủ ở nhiệt độ mà mẫu đạt hiệu quả cao nhất
với từng ứng dụng cụ thể.
Kết luận nội dung nghiên cứu 1: Các màng tạo ra chính là màng WO3. Mẫu
kết tinh tốt, bám dính tốt,không có tạp chất, độ dầy màng có thể được điều chỉnh
theo thời gian bốc bay, độ phẳng cao mấp mô bề mặt chỉ 2nm. Các màng này đáp
ứng yêu cầu để làm cửa sổ thông minh. Trên cơ sở màng tạo ra chúng tôi tiến hành
khảo sát tính chất điện sắc của màng để từ đó đánh giá hiệu ứng điện sắc nhằm chế
tạo cửa sổ thông minh tự điều chỉnh ánh sáng
6.3.2. TÍNH CHẤT ĐIỆN SẮC CỦA WO3.
Sau khi tiến hành các phép đo xác định các thông số, tính chất của màng WO 3.

Chúng tôi cũng đã thử nghiệm khả năng nhuộm màu cũng như tẩy màu của màng.
Màng WO3 mà chúng tôi thí nghiệm lần này được tạo trên màng ITO. Với các thông số
-4
0
chế tạo màng : I = 30A, p = 7.10 torr, t = 120s và được ủ 400 C trong 5h.

Các đặc trưng điện sắc của màng được thí nghiệm trên thiết bị điện hóa ba cực
potentiostat. Trong đó, hệ màng được dùng làm điện cực làm việc (WE ), điện cực
so sánh (RE) làm bằng AgCl, điện cực đối (CE) làm bằng Pt
Cùng với việc khảo sát sự biến đổi của độ truyền qua của màng khi nhuộm màu
và tẩy màu, chúng tôi khảo sát sự thay đổi của độ truyền qua của màng theo các hiệu
điện thế nhuộm và tẩy màu khác nhau. Các quá trình trên được thực hiện trong dung
dịch axít axêtic (CH3COOH) 1M với thời gian thực hiện mỗi lần là 180s. Trong quá
trình nhuộm màu, hiệu điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh có thể
được thực hiện với các giá trị từ -0,1V đến -0,7V.
Trong quá trình tẩy màu, hiệu điện thế giữa các điện cực trên được thực hiện
với các giá trị từ 0,1V đến 2V ứng với thế nhuộm 0,7V trong 180s.
KHẢ NĂNG NHUỘM MÀU.
Màng chế tạo với các thông số trên, màng tạo ra trên đế ITO có màu hơi vàng,
khi áp điện thế âm vào điện cực chứa màng thì màng chuyển dần sang màu xanh
thẫm.
Trên hình 15A là phổ truyền qua của màng khi thay đổi điện áp đặt vào. Điện
thế được chúng tôi thử nghiệm lần lượt là : -0,1V; -0,3V; -0,5V; -0,7V trong 180s.
Sau đó các màng được khảo sát độ truyền qua, kết quả cho thấy độ truyền qua giảm
20


rõ rệt khi ta giảm dần hiệu điện thế, hiện tượng này gọi là hiện tượng nhuộm mầu,
điện thế gây ra hiện tượng này gọi là điện thế nhuộm mầu.

Hình 15: (A) Phổ truyền qua của màng với các điện thế thay đổi, (B) :
Hình ảnh thực tế của màng khi nhuộm màu
Trên hình, chúng ta có thể chia bước sóng làm hai phần: Phổ tử ngoại, phổ khả
kiến với phổ hồng ngoại gần. Với phổ khả kiến và hồng ngoại gần, ta thấy độ truyền
qua của màng giảm rõ rệt. Khi chưa nhuộm màu, độ truyền qua rất lớn (80-100%)
nhưng khi hiệu điện thế giảm dần thì độ truyền qua giảm rõ rệt (trung bình khoảng
40%). Đặc biệt nhất, với vùng hồng ngoại, độ truyền qua giảm từ gần 100% xuống
khoảng 10%. Ta thấy, với hai phổ khả kiến và hồng ngoại độ truyền qua giảm mạnh
khi chúng ta nhuộm màu.
+
Kết quả cho thấy rằng hiệu điện thế nhuộm càng cao, lượng ion H khuếch tán
vào màng càng nhiều nhưng ở mỗi hiệu điện thế nhuộm màu, sự khuếch tán của các
+
+
ion H vào màng luôn đạt đến một trạng thái cân bằng động ở đó nồng độ ion H
trong màng đạt trạng thái ổn định [2]. Đặc biệt trạng thái tinh thể của màng không bị
+
thay đổi khi có sự chèn vào màng của các ion H (được nhộm màu) [2].

KHẢ NĂNG TẨY MÀU

Hình 16: (A). Phổ truyền qua của màng khi tẩy màu, B) Hình ảnh thực
tế của màng khi tẩy màu
21


Kính thông minh là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của màng WO 3.
Nó giảm độ truyền qua khi ánh sáng cường độ ánh sáng mặt trời chiếu tới. Nó ngăn
phần lớn phổ hồng ngoại khi được nhuộm màu. Nhưng khi ánh sáng chiếu tới yếu,
nó phải cho truyền qua lớn. Tức là, màng phải chuyển dần sang màu như lúc chưa

nhuộm. Quá trình này được gọi là quá trình tẩy màu của màng. Vì thế khả năng tẩy
màu của màng là một vấn đề rất quan trọng trong kính thông minh.
Chúng tôi đã thử nghiệm việc tẩy màu của màng với các hiệu điện thế khác
nhau khi màng đã được nhuộm ở -0.7V trong môi trường điện ly là axit axetic
(CH3COOH:1M). Kết quả chỉ ra trong hình 16A: Khi tăng điện thế tẩy màu, ta thấy
độ truyền qua của màng tăng. Tuy nhiên, chúng tôi nghĩ rằng với mỗi hiệu điện thế
+
thì sẽ có mức bão hòa về độ truyền qua (mức bão hòa H còn trong màng).
Vì thế muốn tăng độ truyền qua của màng, chúng ta phải tăng hiệu điện thế tẩy
mầu. Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng hiệu điện thế nhuộm là -0,7V rồi tẩy
màu cao nhất tới 2V trong 180s nhưng độ truyền qua của màng vẫn chưa trở về
trạng thái ban đầu. Vì thế, chúng tôi nghĩ rằng muốn trở về trạng thái ban đầu cần
tăng hiệu điện thế cao hơn nữa (có thể là 5V theo một số tài liệu)
Kết luận nội dung nghiên cứu thứ 2. Trong nội dung nghiên cứu này, chúng tôi đã
tiến hành khảo sát hiệu ứng điện sắc của màngWO3 trên đế ITO kích thước1,5

2 cm trong hai qua trình nhuộm mầu và tẩy mầu: các kết quả chỉ ra rằng Hiệu
ứng điện sắc thể hiện rất rõ rệt. sự biến đổi mầu sắc cửa các màng diễn ra nhanh.
cường độ ánh sáng truyền qua phụ thuộc mạnh vào Hiệu điện thế phân cực được
đặt vào. Các kết quả này là cơ sở khoa học để chúng tôi có thể thử nghiệm chế tạo
cửa kính thông minh tự điều chỉnh ánh sáng.
x

6.4. CHẾ TẠO CỬA SỔ THÔNG MINH
6.4.1. Kính điện sắc

Hình 17: Sản phẩm kính điện sắc

22

Trên cơ sở các nghiên cứu cơ bản về tính chất điện sắc đã nêu trên với mấu có
kích thuóc 1,5*2(cm). Chúng tôi đã phát triển trên diện tích lớn hơn 6 cm x 6cm để
chế tạo cửa sổ có kích thước với các bước đã trình bày ở mục 6.2.2. Sản phẩm được
chỉ ra trong hình 17.
Với thiết kế như trên cửa kính này Có khả năng tự điều chỉnh cường độ ánh
sáng truyền qua thông qua việc thay đổi điện áp đặt vào các cực hoặc có thể kết nối
với bộ điều khiển tự động với cảm biến ánh sáng đặt ngay sau cửa sổ để điều chỉnh
cường độ ánh sáng phù hợp với một tiêu chuẩn đã lập trình sẵn. việc điều chỉnh
cường độ ánh sáng sẽ giúp ánh sang trong phòng trở nên phù hợp đồng thời mát hơn
do cửa đã chặn hoặc giảm thiểu dải bước song khả kiến và hồng ngoại gần. Có khả
năng cách âm, cách nhiệt do một lớp dung dịch điện ly đầy 0,5cm
6.4.2. Bộ điều khiển thông minh
Để cửa kính trở thành một cửa sổ thông minh chúng tối đã tiến hành kết nối cửa
kính với một bộ điều khiển tự động đó là một bản mạch như trong hình 18.

Hình 18: Bộ điều khiển tự động cho cửa kính thông minh
Bảng mạch ở trên gồm bản mạch andruino pro mini kết nối với cầu H để đổi
chiều của dòng điện đi qua hệ kính thích hợp với quá trình nhuồm hay tẩy mầu. Hệ
thống được trang bị một cảm biến ánh sáng để đo cường độ sáng chiếu vào sensor
để từ đó điểu khiển độ truyền qua sánh sáng của cửa sổ một cách thích hợp. Chương
trình

nhúng

để

điều

khiển

được

23

trình

bày

trong

hình


19.

Hình 19: Chương trình điều khiển viết trên Arduino-1.6.7
Sau đó chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm khả năng đổi mầu của kính với hiệu
điện thế 3V. Kết quả được chỉ ra trong hình 19. Hình 19A là ảnh trước khi nhuộm
mầu, và hình 19B là ảnh sau khi tẩy mầu trong thời gian 5 phút. Chúng ta có thể tự
điều chỉnh ánh sang truyền qua bằng thay đổi thời gian nhuộm mầu. Quá trinh tẩy
mầu đòi hỏi thời gian dài hơn 10 phút. Tuy nhiên đây là quá trình điều khiển bằng
tay, thủ công

Hình 19: Hình Ảnh thực tế của cửa sổ thông minh khi nhuộm mầu
Điểm đặc biệt của cửa kính thông minh của chúng tôi là khả năng điểu khiển
hoàn toàn tự động, quá trình điều khiển đó được mô tả ngắn gọn như sau:
Chúng ta thiết lập một ngưỡng cường độ ánh sáng phù hợp với mắt người đây là
2
cường độ cho phép làm việc tốt, chẳng hạn 250 - 350 lux/m . Cảm biến ánh sáng có

24


nhiệm vụ đo ánh sáng trong phòng theo thời gian thực. Bộ KIT vi điều khiển
Andruino sẽ xử lý thông tin về cường độ ánh sáng để gửi lệnh điều khiển cho cầu H
để điều khiển quá trình nhuộm/ tẩy màu cửa kính. Nếu cường độ ánh sáng lớn hơn
ngưỡng (quá sáng) thì bộ điều khiển sẽ điều khiển cửa kính thực hiện quá trình
nhuộm mầu để giảm bớt ánh sáng truyền từ bên ngoài vào qua cửa sổ thông minh và
ngược lại khi cảm biến nhận cường độ nhỏ hơn 250 lux/m2 thì bộ điều khiển sẽ điều
khiển cửa kính thực hiện quá trình tầy mầu để tăng cường độ ánh sáng truyền qua
cửa kính. Như vậy, điều kiện ánh sáng trong phòng luôn được duy trì thích hợp cho
người ở trong phòng.
7. DỰ KIẾN HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Trong thời gian tới, đến tháng 3 /2016 chúng tôi sẽ lắp ghép cửa kính thông
minh lên ngôi nhà mô hình
8. K ẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu hăng say chúng tôi đã đạt được các mục tiêu đề ra
và thu được các kết quả sau:
1.

Đã tìm hiểu một cách sâu sắc về vật liệu WO3 và hiệu ứng điện sắc trên
vật liệu này. Tìm hiểu được các cơ chế điện sắc…

2.

Đã nghiên cứu quá trình lắng đọng của von-fram oxit lên bề mặt thủy tinh và
điện cực trong suốt ITO bằng phương pháp bốc bay trong chân không trên
thiết bị Univex 300 của TTKHVL, khảo sát sự kết tinh, hình thái bề mặt. Và
tính chất điện sắc của màng mỏng tạo được. Các kết quả cho thấy
-

-

0
Khảo sát phổ XRD cho thấy với nhiệt độ ủ ≥ 400 C màng đã kết
tinh, nhiệt độ thấp hơn màng chưa kết tinh.
o
Khảo sát ảnh SEM cho thấy mẫu ủ ở nhiệt độ 500 C có hai loại tổ chức
hạt phù hợp với kết quả nhận được từ phân tích XRD. Ảnh AFM: Cho
biết sự thay đổi bề mặt màng khi ủ với nhiệt độ khác nhau.

-

Khảo sát quá trình nhuộm màu : Màng lúc đầu có màu hơi vàng, độ
truyền qua của màng giảm mạnh tương ứng với quá trình giảm hiệu điện
thế (từ gần 100% xuống dưới 20%).

-

Khảo sát quá trình tẩy màu được thực hiện sau khi được nhuộm màu: Độ
truyền qua của màng cũng tăng lên với quá trình tăng hiệu điện thế (từ
dưới 20% lên hơn 80%).

25


3. Thiết kế và chế tạo thành công kính điện sắc trên cở sở màng WO 3. Kính chế
tạo được có hiệu ứng điện sắc rõ nét. Có thể thay đổi độ truyền qua của ánh
sáng bằng cách thay đổi hiệu điện thế đặt vào các điện cực hoặc thay đổi
thời gian đặt điện thế.

4.

Xây dựng mô hình nhà sử dụng các tấm kính điện sắc được chế tạo.

5.

Viết chương trình Arduino-1.6.7 để điều khiển quá trình điện sắc một các tự
động kết nối chương trình với kính điện sác để tạo thành một cửa kính thông
minh tự động thay đổi cường độ ánh sáng phù hợp với điều kiện làm việc
khác nhau.

Trên đây là một số kết quả bước đầu mở ra triển vọng tiếp tục nghiên cứu sâu
hơn để ứng dụng một cách thực tiễn cho công trình này nhằm đạt mục đích tiết kiệm
năng lượng và hoàn thiện hơn nữa ứng dụng.
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO.
1.

Lê Văn Ngọc, Lê Quang Trí, Trần Tuấn, Huỳnh Thành Đạt, Dương Ái Phương,
Nguyễn Văn Đến (2008), Nghiên cứu đặc trưng điện sắc và điện hóa của
màng WO3,,Tạp chí Phát triển KH & CN, Tập 11, Số 06 – 2008.

2.

Lê Văn Ngọc (2010), Nghiên cứu màng Oxit Vonfram bằng phương pháp quang
phổ, Luận án Tiến sỹ Vật lý, ĐH KHTN – ĐH QGTPHCM

3.

Bạch Văn Hòa (2009), Nghiên cứu cấu trúc màng WO3 bằng quang phổ tia X
và phổ Raman, Luận Văn Thạc sỹ Vật lý, ĐH KHTN – ĐH QGTPHCM

4.

Malin Johansson (2014), Nanocrystalline Tungsten Trioxide Thin
Films,Dissertation, Uppsala University 25 - 39.

5.

Lê Văn Vũ, Phân tích cấu trúc vật liệu, Giáo trình dành cho sinh viên ngành
Khoa học vật liệu.

6.

A. Enesca, L.Andronic, A, Duta, S. Manolache (2007), “ Optical Properties and
Chemical Stability of WO3 and TiO2 Thin Film Photocatalysts”, Romanian
journal of science anh technology.

7.

Felicia S, Manciu, Jose L.Enriquez, William G. Durer, and Young Yun
(2010),“Spectrocopic analysis tungsten oxide thin films”, Received 2 March
2010; accepted 14 July 2010.

8. Kyungmoon

Kim,

Chungwon

Seo,

Hyeonsik

Cheong,

Se-Hee

Lee,

“ Photochromic Mechanism in a-WO3 thin films based on Ranman spectrocopic
studies”, Journal of Korean Physical SocietyVol. 48, No. 6, June 2006.
26