Nghiên cứu tổng hợp hạt nano gzo ứng dụng trong điện cực trong suốt nanocomposite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
........................

HUỲNH THỊ BÍCH HẢO

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO GZO ỨNG DỤNG
TRONG ĐIỆN CỰC TRONG SUỐT NANOCOMPOSITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN DUY CƯỜNG

HÀ NỘI - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
........................

HUỲNH THỊ BÍCH HẢO

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT NANO GZO ỨNG DỤNG
TRONG ĐIỆN CỰC TRONG SUỐT NANOCOMPOSITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN DUY CƯỜNG

HÀ NỘI - 2019


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi dưới sự hướng dẫn
của TS. Nguyễn Duy Cường. Các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn
này là thành tựu nghiên cứu của tôi và chưa được công bố dưới tên các tác giả khác.
Số liệu thực nghiệm đạt được là khoa học, chính xác và trung thực.
Học viên

Huỳnh Thị Bích Hảo

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
i


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc của mình đến thầy hướng

dẫn - TS. Nguyễn Duy Cường. Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, thầy đã định
hướng khoa học, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và hỗ trợ tơi về kiến thức khoa học, tài
chính và tinh thần để giúp tơi hồn thành luận văn này.
Bên cạnh đó, trong q trình học tập và hồn thành luận văn tại Viện Tiên
tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi cũng
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ của các thầy cơ, bạn bè và người
thân trong gia đình. Vì thế:
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Tiên tiến Khoa học
và Công nghệ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị nghiên cứu sinh, các bạn học
viên cao học của Viện AIST và các em sinh viên của trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã nhiều lần giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và đóng góp
ý kiến giúp tơi hồn thiện hơn luận văn của mình.
Cuối cùng, con muốn gửi lời cảm ơn tới bố mẹ cùng các em đã ln bên
cạnh, động viên, khích lệ, giúp đỡ con trong suốt quá trình học tập - nghiên cứu tại
Hà Nội, gia đình ln là nguồn động lực to lớn để con thành cơng.
Học viên

Huỳnh Thị Bích Hảo

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
ii


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................5
1.1. Giới thiệu về oxit dẫn điện trong suốt (TCO) ...............................................5
1.1.1.

Lịch sử phát triển của vật liệu TCO ....................................................5

1.1.2.

Các tính chất đặc trưng của TCO ........................................................6

1.1.3.

Ứng dụng của vật liệu TCO ................................................................8

1.2. Vật liệu ZnO ..................................................................................................9
1.2.1.

Cấu trúc của vật liệu ZnO....................................................................9

1.2.2.

Khuyết tật trong tinh thể ZnO ...........................................................11

1.2.3.

Tính chất của vật liệu ZnO ................................................................13

1.2.4.

Vật liệu nano ZnO và ứng dụng ........................................................14

1.3. Vật liệu GZO ...............................................................................................16
1.3.1.

Màng mỏng GZO ..............................................................................16

1.3.2.

Hạt GZO ............................................................................................17

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ..................................................................................20
2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ..................................................................20
2.1.1.

Hóa chất .............................................................................................20

2.1.2.

Dụng cụ .............................................................................................21

2.1.3.

Thiết bị...............................................................................................21

2.2. Tổng hợp vật liệu .........................................................................................22

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
iii


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ
2.2.1.

Quy trình tổng hợp vật liệu GZO ......................................................22

2.2.2.

Quy trình tạo màng AgNWs/GZO NPs .............................................24

2.3. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .........................................26
2.3.1.

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM).........................26

2.3.2.

Nhiễu xạ tia X (XRD) .......................................................................27

2.3.3.

Phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) .....................................................29

2.3.4.

Phương pháp bốn mũi dò ..................................................................30

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................32
3.1. Nghiên cứu hạt nano ZnO pha tạp Ga (GZO) .............................................32
3.1.1.

Ảnh hưởng của tiền chất lên hình thái của hạt nano GZO ................32

3.1.2.

Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Ga ..................................................33

3.1.3.

Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp .....................................................41

3.2. Nghiên cứu màng nanocomposite AgNWs/GZO NPs ................................46
3.2.1.

Hình thái bề mặt của màng AgNWs/GZO NPs.................................47

3.2.2.

Tính chất điện của màng AgNWs/GZO NPs ....................................48

3.2.3.

Tính chất quang của màng AgNWs/GZO NPs .................................50

3.2.4.

Hệ số chất lượng của màng AgNWs/GZO NPs ................................51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................53
CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..............................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
iv


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU
λ

Bước sóng (Å)

Eg

Năng lượng vùng cấm (eV)

τ

Thời gian sống

ν

Tần số ánh sáng

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt
Cường độ sáng tại mặt đất
khi mặt trời chiếu một góc

AM 1,5

48,2º so với phương thẳng
đứng

ATO

Antimony-doped Tin Oxide

Oxit thiếc pha tạp chì

AZO

Aluminium-doped Zinc Oxide

Oxit kẽm pha tạp nhơm

BGN

Band-Gap Narrowing

Thu hẹp vùng cấm

BGR

Band-Gap Renormalization

Tái chuẩn hóa độ rộng
vùng cấm

CB

Conduction Band

Vùng dẫn

CT

Charge-Transfer

Chuyển đổi điện tích

Chemical Vapor Deposition

Lắng đọng hơi hóa học

Field-Emission Scanning

Kính hiển vi điện tử qt

Electron Microscopy

phát xạ trường

FOM

Figure of Merit

Hệ số chất lượng

FPD

Flat-Panel Display

Màn hình phẳng

FTO

Flour-doped Tin Oxide

Oxit thiếc pha tạp flo

GZO

Gallium-doped Zinc Oxide

Oxit kẽm pha tạp gali

ITO

Indium Tin Oxide

Oxit thiếc indi

CVD
FE-SEM

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
v


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ
IZO

Indium-doped Zinc Oxide

Oxit kẽm pha tạp indi

Joint Committee on Powder

Ủy ban chung về tiêu

Diffraction Standards

chuẩn nhiễu xạ của vật liệu

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

LED

Light Emitting Diode

Điốt phát quang

LPSP

Low-Pressure Spray Pyrolysis

JCPDS

NPs
SERS

TCE
TCO
UV-Vis
VB
XRD

Nhiệt phân phun áp suất
thấp

Nanoparticles

Các hạt nano

Surface Enhanced Raman

Tán xạ Raman tăng cường

Spectroscopy

bề mặt

Transparent Conductive

Điện cực dẫn điện trong

Electrode

suốt

Transparent Conductive Oxide

Oxit dẫn điện trong suốt

Ultraviolet-Visible

Tử ngoại - Khả kiến

Valance Band

Vùng hóa trị

X-ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
vi


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang

Hình 1.1.

Các ứng dụng của TCO. ..........................................................................8

Hình 1.2.

Cấu trúc tinh thể ZnO: (a) kiểu lập phương đơn giản, (b) kiểu cấu trúc
giả kẽm, (c) kiểu lục giác [46]. ..............................................................10

Hình 1.3.

Ơ cơ sở cấu trúc ZnO kiểu wurtzite [3]. ................................................10

Hình 1.4.

Các sai hỏng điểm: (1) nút khuyết, (2) tự xen kẽ, (3) tạp chất xen kẽ,
(4,5) tạp chất thay thế . ..........................................................................11

Hình 1.5.

Sai hỏng điểm trong cấu trúc tinh thể ...................................................12

Hình 1.6.

Đặc điểm J-V của pin mặt trời sử dụng hạt ZnO và hạt GZO (2-, 4mol%) NPs dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng (AM 1,5 G) [47]. .........18

Hình 1.7.

Đặc tính J-V của (a) pin mặt trời polyme [66], (b) OLED [61] có sử
dụng màng điện cực trong suốt. ............................................................19

Hình 2.1.

Một số thiết bị thí nghiệm. ....................................................................21

Hình 2.2.

Quy trình tổng hợp hạt nano GZO bằng phương pháp phân hủy nhiệt. 24

Hình 2.3.

Phương pháp in gạt. ...............................................................................25

Hình 2.4.

Thiết bị kính hiển vi điện tử qt JEOL JSM-7600F (Mỹ) tại phịng thí
nghiệm Hiển vi điện tử (BKEMMA), Viện Tiên tiến Khoa học và Công
nghệ (AIST), trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST)...................26

Hình 2.5.

Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử SEM, TEM. ........27

Hình 2.6.

Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể. ............................................................28

Hình 2.7.

Sơ đồ mạch điện của phương pháp bốn mũi dò [2]...............................30

Hình 3.1.

Ảnh FE-SEM của hạt nano GZO được tổng hợp bởi hai nhóm tiền chất
khác nhau: a) Zn(act)2 và Ga(NO3)3, b) Zn(acac)2 và Ga(acac)3. ..........32

Hình 3.2.

Ảnh FE-SEM của hạt nano GZO được tổng hợp theo các nồng độ Ga
khác nhau: (a) 0%, (b)1%, (c) 3%, (d) 5%, (e) 7% và (f) 9%. ..............34

Hình 3.3.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt GZO được tổng hợp bởi tiền chất
Zn(acac)2 và Ga(acac)3 ở các nồng độ Ga khác nhau. ...........................35

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
vii


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ
Hình 3.4.

Đỉnh (101) mở rộng của hạt GZO được tổng hợp bởi tiền chất
Zn(acac)2 và Ga(acac)3 ở nồng độ pha tạp Ga khác nhau. .....................36

Hình 3.5.

Phổ truyền qua của màng GZO được tổng hợp theo nồng độ pha tạp Ga
khác nhau. ..............................................................................................38

Hình 3.6.

Sự phụ thuộc (αhν)2 vào năng lượng photon (hν) đối với các hạt GZO
được tổng hợp theo các nồng độ Ga khác nhau. ...................................39

Hình 3.7.

Ảnh hưởng của sự pha tạp loại n đến vùng cấm trong chất bán dẫn oxit
kim loại [20]. .........................................................................................40

Hình 3.8.

Ảnh FE-SEM của hạt nano GZO được tổng hợp theo các nhiệt độ khác
nhau: (a)190 °C, (b) 210 °C, (c) 230 °C, (d) 250 °C, (e) 270 °C và (f)
290 °C. ...................................................................................................41

Hình 3.9.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano GZO được tổng hợp theo các nhiệt
độ phản ứng khác nhau. .........................................................................43

Hình 3.10. Đỉnh (101) mở rộng của hạt GZO được tổng hợp bởi tiền chất
Zn(acac)2 và Ga(acac)3 ở các nhiệt độ khác nhau. .................................44
Hình 3.11. Phổ truyền qua của màng GZO được tổng hợp bởi tiền chất theo các
nhiệt độ phản ứng khác nhau. ................................................................45

Hình 3.12. Sự phụ thuộc (αhν)2 vào năng lượng photon (hν) đối với các hạt GZO
được tổng hợp theo các nhiệt độ phản ứng khác nhau. .........................46
Hình 3.13. Ảnh FE-SEM của màng nanocomposite AgNWs/GZO NPs: (a)
AgNWs, (b) AgNWs/GZO-1, (c) AgNWs/GZO-2, (d) AgNWs/GZO-3.
...............................................................................................................48
Hình 3.14. Sơ đồ mạch điện tương đương của màng AgNWs và AgNWs/GZO
NPs. .......................................................................................................49
Hình 3.15. Độ truyền qua của màng nanocomposite AgNWs/GZO NPs. ..............50

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
viii


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1

Một số vật liệu TCO [39] ........................................................................5

Bảng 1.2. Các thông số vật lý của vật liệu ZnO dạng khối [4, 6] ..........................13
Bảng 1.3. Kết quả đặc tính quang - điện của một số phương pháp .......................17
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất ................................................................................20
Bảng 2.2. Mẫu tổng hợp ở các nồng độ pha tạp Ga khác nhau .............................22
Bảng 2.3. Mẫu tổng hợp ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau ................................23

Bảng 3.1. Kích thước của các hạt GZO được tổng hợp theo nồng độ pha tạp Ga 34
Bảng 3.2. Các thông số của mạng tinh thể GZO được tổng hợp theo nồng độ pha
tạp Ga khác nhau ...................................................................................37
Bảng 3.3. Kích thước của các hạt GZO được tổng hợp theo nhiệt độ phản ứng ...42
Bảng 3.4. Các thông số của mạng tinh thể hạt nano GZO được tổng hợp theo nhiệt
độ phản ứng khác nhau ..........................................................................44
Bảng 3.5. Giá trị điện trở bề mặt của màng nanocomposite AgNWs/GZO NPs...49
Bảng 3.6. Giá trị độ truyền qua, điện trở bề mặt và FOM của màng
nanocomposite AgNWs/GZO NPs ........................................................51

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
ix


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, vật liệu quang điện tử là một lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng và
cần thiết cho cuộc sống của con người. Trong đó, các điện cực dẫn điện trong suốt
(TCE) được quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện như pin
mặt trời, màn hình tinh thể lỏng - LCD, đi-ốt phát sáng (LED), màn hình cảm ứng,
cửa sổ thơng minh… nhờ vào độ truyền quang cao và độ dẫn điện tuyệt vời của
chúng. Các TCE thường được nghiên cứu dựa vào các vật liệu oxit dẫn điện trong
suốt (TCO) như oxit thiếc pha tạp antimon (ATO), oxit indi pha tạp thiếc (ITO),
oxit thiếc pha tạp flo (FTO) và các loại ZnO pha tạp. Tuy nhiên, các loại TCO

thường ở dạng màng mỏng và được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau như
phương pháp phún xạ RF [27], lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) [23]... Các
phương pháp này đòi hỏi mẫu phải được chế tạo trong mơi trường chân khơng cao
và tại phịng thí nghiệm có cơ sở vật chất, trang thiết bị hiện đại, đắt tiền. Mặt khác,
màng mỏng TCO bị giới hạn về kích thước và hình dạng, dễ nứt gãy khi chế tạo
trên các đế mềm. Do đó, các sản phẩm có chi phí tương đối cao và khả năng ứng
dụng bị hạn chế.
Gần đây, vật liệu nanocomposite ứng dụng trong điện cực trong suốt đang
được các nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm, đặc biệt là màng nanocomposite
được chế tạo từ hạt nano TCO. Loại vật liệu này có rất nhiều ưu điểm: Thứ nhất,
màng nanocomposite được chế tạo bằng các phương pháp đơn giản, ở điều kiện
nhiệt độ và áp suất thấp với kích thước màng lớn như phương pháp in gạt, in lô
hoặc in jacket, quay phủ… Thứ hai, loại vật liệu này có thể chế tạo trên các đế mềm
dẻo (flexible substrate) như polyme hoặc tấm kim loại mỏng mà không bị nứt gãy.
Tuy nhiên, hạt nano TCO phải đáp ứng được một số yêu cầu như: có kích thước đủ
nhỏ (cỡ < 30 nm) và độ đồng đều cao [43], để tạo được màng có chất lượng tốt về
hình dạng và tính chất quang. Do đó, việc nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện
tổng hợp mực in từ hạt nano TCO là quan trọng và cần thiết nhằm tìm ra quy trình
chế tạo hạt nano TCO có chi phí thấp mà vẫn đạt hiệu quả cao.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
1


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

TCO được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là indium tin oxide (ITO) vì vật
liệu này có điện trở suất thấp (10-4 Ω.cm) và độ trong suốt cao (88%) trong vùng
nhìn thấy [21]. Tuy nhiên, indi là một nguyên tố khan hiếm và giá thành khá đắt
nên chi phí sản xuất ITO cao. Ngồi ra, vật liệu ITO ở dạng màng khá giịn, gây khó
khăn cho việc chế tạo và ứng dụng trên các đế dẻo. Vật liệu ZnO là một trong
những ứng cử viên để thay thế ITO vì ZnO có chi phí thấp, nguồn vật liệu dồi dào
và đặc biệt khơng có độc tính. ZnO là chất bán dẫn loại n và vùng cấm thẳng
khoảng 3,2 - 3,4 eV ở nhiệt độ 300 K [16]. Bên cạnh những ứng dụng đặc biệt của
ZnO trong các lĩnh vực điện tử, quang phổ, xúc tác và cảm biến, ZnO cịn có tiềm
năng trong ứng dụng làm TCO vì có độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng nhìn
thấy [22]. Tuy nhiên, ZnO có nồng độ electron tự do thấp (cỡ 1018 - 1019 cm-3) [15]
và điện trở suất khá cao (cỡ 10-3 Ω.cm) để sử dụng làm TCO [58]. Do đó, ZnO cần
được pha tạp với các nguyên tố nhóm IIIA (như B, Al, In, Ga) để làm tăng độ dẫn
điện của màng ZnO. Trong số các chất trong nhóm IIIA, Ga là phù hợp nhất vì bán
kính ion của Ga3+ và Zn2+ gần bằng nhau [44]. Vì vậy, ion Ga3+ có thể thay thế cho
ion Zn2+ với nồng độ lớn và không làm biến dạng đáng kể đến cấu trúc mạng ZnO.
Hiện nay, phương pháp chế tạo hạt nano ZnO pha tạp Ga (GZO) rất đa dạng
như phương pháp thủy nhiệt, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp phun nóng…
Trong đó, phương pháp phân hủy nhiệt (thermal decomposition method) có nhiều
lợi thế như nhiệt độ tổng hợp thấp, thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp.
Ngồi ra, phương pháp trên có thể linh hoạt để thay đổi một số thông số như nhiệt
độ, nồng độ pha tạp và thời gian tổng hợp, do đó dễ dàng điều chỉnh hình thái, kích
thước cũng như tính chất của vật liệu.
Với tất cả cơ sở lý luận trên, tôi chọn đề tài “NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
HẠT NANO GZO ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN CỰC TRONG SUỐT
NANOCOMPOSITE” nhằm nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu GZO cũng
như đánh giá ứng dụng của vật liệu GZO trong lĩnh vực quang điện tử.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
2


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ
2. Mục tiêu của đề tài

Từ những đánh giá trên, chúng tôi đưa ra các mục tiêu nhằm giải quyết vấn
đề đã đặt ra:
- Tìm ra quy trình tổng hợp hạt nano ZnO pha tạp Ga với kích thước nhỏ hơn
30 nm, có hình dạng tương đối đồng đều và có độ truyền qua cao trong vùng
nhìn thấy.
- Chế tạo thành công màng nanocomposite dựa trên sợi nano bạc (AgNWs) và
hạt nano ZnO pha tạp Ga (GZO NPs) có điện trở bề mặt khoảng 20 Ω/ và
độ truyền qua lớn hơn 75%, để ứng dụng cho màng điện cực trong suốt.
3. Nội dung nghiên cứu
Từ những mục tiêu đã đề ra, chúng tơi có các nội dung cần thực hiện như
sau:
- Nghiên cứu chế tạo hạt nano GZO bằng phương pháp phân hủy nhiệt.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp như: tiền chất, nồng độ pha
tạp, nhiệt độ phản ứng… lên kích thước, hình thái, cấu trúc pha và tính chất
quang của các hạt nano GZO đã tổng hợp được.
- Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm điện cực trong suốt nanocomposite
AgNWs/GZO NPs sử dụng các hạt nano GZO đã tổng hợp được. Khảo sát
các đặc tính quang và điện của các màng nanocomposite.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là hạt nano GZO và màng
nanocomposite AgNWs/GZO NPs.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng một số phương pháp thực nghiệm để
nghiên cứu như:
- Phương pháp phân hủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp vật liệu hạt nano
GZO.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
3


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ

- Các phương pháp phân tích: Hiển vi điện tử quét FE-SEM, giản đồ nhiễu xạ
tia X (XRD), phổ truyền qua UV-Vis được sử dụng để nghiên cứu hình thái,
cấu trúc, thành phần và tính chất quang của hạt nano GZO.
- Sử dụng phương pháp bốn mũi dị (four-probe) để nghiên cứu tính chất điện
của màng AgNWs/GZO NPs.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, nội dung chính của
luận văn gồm 3 chương:
- Chương 1: TỔNG QUAN
Chương này trình bày tổng quan về vật liệu TCO, vật liệu ZnO nói chung và
vật liệu GZO nói riêng với một số tính chất quang - điện và ứng dụng của chúng
trong thực tiễn cuộc sống.
- Chương 2: THỰC NGHIỆM
Chương này trình bày về quy trình tổng hợp vật liệu GZO bằng phương pháp

phân hủy nhiệt. Các dụng cụ - thiết bị thí nghiệm, phương pháp nghiên cứu cấu trúc
và tính chất của vật liệu.
- Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Từ các kết quả và đánh giá đạt được dựa trên các phép đo phân tích về các
yếu tố ảnh hưởng tới q trình tổng hợp vật liệu, chúng tơi đưa ra được quy trình
tổng hợp GZO tối ưu nhất với các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu GZO
và màng AgNWs/GZO NPs.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
4


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu về oxit dẫn điện trong suốt (TCO)
Vật liệu oxit dẫn điện trong suốt, thường ở dạng màng mỏng và có tính chất

đặc biệt là khả năng dẫn điện gần như kim loại nhưng lại trong suốt trong vùng ánh
sáng nhìn thấy. Các oxit dẫn điện trong suốt phổ biến nhất được dựa trên oxit thiếc,
oxit indi, oxit kẽm và oxit cadmi như ITO, FTO, GZO, AZO, ATO... Màng mỏng
của các vật liệu này thường trong suốt trong vùng ánh sáng khả kiến của thang đo
điện từ vì năng lượng photon Eph (1,8 - 3,0 eV) nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của vật
liệu (thường là 3,2 - 3,8 eV) và do đó photon không bị hấp thụ [35]. Mặt khác, TCO

dẫn điện là nhờ các hạt tải tự do như lỗ trống hoặc điện tử, các hạt tải điện xuất hiện
khi pha tạp các nguyên tử tạp chất thay thế thích hợp vào mạng tinh thể của vật liệu
nền. Các TCO loại n thường được sử dụng, có nghĩa là các hạt mang điện chính là
các electron. Nồng độ chất pha tạp cao dẫn đến một thuộc tính thứ ba của TCO - sự
phản xạ trong vùng hồng ngoại [35].
1.1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu TCO
Năm 1907, màng TCO được báo cáo lần đầu tiên bởi nghiên cứu của
Badeker về vật liệu CdO. Từ đó, rất nhiều vật liệu TCO được nghiên cứu chế tạo
như ZnO pha tạp, SnO2 pha tạp, In2O3 pha tạp. Những năm 60 của thế kỷ XX, TCO
được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng trong thiết bị quang điện tử là In2O3 pha
tạp Sn (ITO). Hiện nay, nhiều loại vật liệu TCO đã nghiên cứu và phát triển cho
nhiều ứng dụng được liệt kê và phân loại trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Một số vật liệu TCO [39]
STT

Vật liệu

1

SnO2

2

In2O3

3

ZnO

4

CdO

Vật liệu pha tạp
Sb, F, As, Nb, Ta
Sn, Ge, Mo, F, Ti, Zr, Hf,
Nb, Ta, W, Te
Al, Ga, B, In, Y, Sc, F, V,
Si, Ge, Ti, Zr, Hf
In, Sn

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
5


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ
5

ZnO-SnO2

Zn2SnO4, ZnSnO3

6

ZnO-In2O3

Zn2In2O5, Zn3In2O6

7

CdO-SnO2

Cd2SnO4, CdSnO3

8

CdO-In2O3

CdIn2O4

9

MgIn2O4

10

GaInO3,(Ga,In)2O3

11

ZnO-In2O3-SnO2

Zn2In2O5-In4Sn3O12

12

CdO-In2O3-SnO2

CdIn2O4-Cd2SnO4

13

ZnO-CdO-In2O3-SnO2

Sn, Ge

Tuy nhiên, vật liệu TCO thường được tập trung nghiên cứu và ứng dụng
trong thực tế là các oxit kim loại pha tạp loại n, phổ biến như ITO, ZnO:Al (AZO),
ZnO:Ga (GZO), ZnO:In (IZO)… do các vật liệu này có độ rộng vùng cấm Eg > 3
eV, nồng độ hạt tải cao n > 1020 cm-3, điện trở suất thấp ρ < 10-3 Ω.cm, độ truyền
qua T > 80% trong vùng ánh áng nhìn thấy… Các hợp chất hai thành phần đang
được sử dụng để nghiên cứu nhiều trong vật liệu TCO bởi vì sự dễ dàng điều chỉnh
nồng độ tạp chất trong quá trình chế tạo. Việc lựa chọn vật liệu TCO thích hợp cho
một ứng dụng nào đó địi hỏi phải xem xét một số các thông số, không chỉ liên quan
đến hiệu suất quang học và điện năng, mà còn có sự ổn định về hình thái bề mặt,
q trình hoạt động, độ bền (nhiệt, hóa học) và sự ổn định trong mơi trường làm
việc, độc tính, chi phí sản xuất…
1.1.2. Các tính chất đặc trƣng của TCO
1.1.2.1.

Tính chất điện

Độ dẫn điện của TCO được xác định bởi nồng độ ne và độ linh động µe của
điện tử tự do trong vùng dẫn. Cơng thức tính độ dẫn điện hoặc điện trở suất trong
môi trường đồng nhất được xác định như sau [19]:

  1/   neee

(1.1)

Độ dẫn điện tăng khi nồng độ ne và độ linh động µe của các điện tử đều tăng.
Nồng độ hạt tải thường phụ thuộc vào nồng độ pha tạp và trạng thái hoạt hóa của
Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
6


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

chất được pha tạp trong mạng tinh thể của vật liệu nền. Nồng độ ne được xác định
bởi số lượng tối đa các nguyên tử pha tạp được đưa vào mạng nền. Tuy nhiên, nồng
độ tạp chất quá lớn sẽ tạo ra nhiều sai hỏng trong mạng tinh thể gốc, làm giảm độ
linh động của các điện tử và làm tăng sự hấp thụ của các hạt tải tự do. Do đó, nồng
độ pha tạp khơng thể vượt quá giới hạn cho phép. Chẳng hạn như màng ITO và
ZnO pha tạp thì nồng độ pha tạp thơng thường cỡ 1020 - 1021 cm-3, để có thể sử dụng
với màng có độ dày khơng q lớn.
Độ linh động điện tử được xác định bởi các cơ chế tán xạ hạt tải có trong vật
liệu màng. Đối với TCO, các cơ chế tán xạ có thể kể đến bao gồm tán xạ điện tử phonon, điện tử - điện tử, điện tử - ion tạp chất, tán xạ trên các biên hạt.
1.1.2.2.

Tính chất quang

Hệ số hấp thụ α có thể tính từ định luật Bouguer: I  I 0e d [33]. Khi đó, độ

hấp thụ A xác định từ quan hệ [4]:
A

Trong đó:

I0  I
 1  e d  1  R  T
I0

(1.2)

I0, I lần lượt là cường độ ánh sáng tới và ánh sáng thu được.
d là độ dày màng vật liệu.
T và R lần lượt là độ truyền qua và độ phản xạ trong vùng ánh
sáng nhìn thấy.

Giả sử đã bỏ qua sự tán xạ trong màng, hệ số hấp thụ α được rút ra từ biểu
thức (1.2) như sau:
 

ln(T  R)
d

(1.3)

Mặt khác, một số yếu tố như cấu trúc vơ định hình, đa tinh thể hay đơn tinh
thể, sự định hướng tinh thể, độ xếp chặt hay xốp, sự pha tạp trong thành phần hóa
học sẽ quyết định tính chất của màng TCO như khả năng dẫn điện, độ truyền qua và
nhiều tính chất khác. Các kết quả từ thực nghiệm về màng mỏng nói chung đều đưa
ra kết luận thống nhất là đặc điểm cấu trúc của một loại vật liệu màng có thể thay

đổi rất lớn theo các phương pháp và điều kiện chế tạo [4]. Do đó, các kết quả thực

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
7


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

nghiệm được công bố trên thế giới đối với cùng một loại vật liệu màng TCO có sự
khác nhau về tính chất và hình thái. Khi điều kiện chế tạo khác nhau về nồng độ pha
tạp, nhiệt độ, thời gian phản ứng… thì tính chất của TCO có thể bị thay đổi. Sau khi
lựa chọn vật liệu, tối ưu hóa TCO là một vấn đề phức tạp liên quan đến việc lựa
chọn phương pháp chế tạo và các thông số chế tạo, lựa chọn nồng độ pha tạp và lựa
chọn độ dày màng. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu để tạo ra các TCO
có hiệu suất cao với chi phí hợp lý và phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.
1.1.3. Ứng dụng của vật liệu TCO
Ứng dụng quan trọng của màng oxit dẫn điện trong suốt TCO dựa trên ưu
điểm là độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy, độ dẫn điện cao và cũng
như sự phản xạ hồng ngoại tốt.

Hình 1.1. Các ứng dụng của TCO.
Vật liệu oxit thiếc pha tạp flo (FTO) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng như lớp phủ phản xạ nhiệt trên kính của các tòa nhà hoặc dùng cho các cửa sổ
tiết kiệm năng lượng và điện cực trong suốt cho màng mỏng silicon vơ định hình Si và pin mặt trời cadmium telluride (CdTe). Ngồi ra, vật liệu thương mại cịn có

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
8


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

oxit indi thiếc (ITO) được sử dụng trong màn hình phẳng (FPD), tivi độ phân giải
cao, màn hình cảm ứng và một số loại pin mặt trời dựa trên đế Si, Si vơ định hình
hoặc CIGS (Cu, In, Ga, S). Ngoài ra, một số TCO khác như oxit thiếc pha tạp
antimon (ATO), oxit indi pha tạp thiếc (ITO) và oxit thiếc pha tạp flo (FTO) đã
được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng trong quang điện tử như đi-ốt phát quang
(LED) hay laze đi-ốt (LD), cảm biến khí, lớp phủ chống tia UV, điện cực trong suốt
dẫn điện (TCE)…
1.2.

Vật liệu ZnO
ZnO là vật liệu bán dẫn được quan tâm nghiên cứu rất nhiều bởi các nhà

khoa học, vì ZnO có triển vọng ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực khác nhau. Như
ta đã biết, ZnO là bán dẫn hợp chất loại n có độ rộng vùng cấm lớn (khoảng 3,37
eV) phù hợp cho các ứng dụng quang điện bước sóng ngắn. Thêm vào đó, năng
lượng liên kết exciton lên tới 60 meV, vật liệu ZnO có tiềm năng rất lớn trong việc
phát triển các loại linh kiện phát quang có cường độ và hiệu suất cao nhờ quá trình
tái hợp điện tử - lỗ trống. Mặt khác, ZnO trong suốt với ánh sáng nhìn thấy và có
thể dẫn điện tốt khi pha tạp các nguyên tố hóa học khác vào. Trong luận văn này,
chúng tơi chỉ đề cập đến vấn đề ZnO được pha tạp bằng các nguyên tố có hóa trị lớn
hơn hóa trị của nguyên tố kẽm (Zn) và oxy (O). Điều này khiến thừa electron ở các

liên kết Zn-X, X-O (X: Ga, Al, In, Sn…) nên trong bán dẫn ZnO thì hạt dẫn điện
chủ yếu là điện tử.
1.2.1. Cấu trúc của vật liệu ZnO
Trong tự nhiên, cấu trúc tinh thể ZnO có ba dạng cơ bản: cấu trúc lục giác
(wurtzite) xuất hiện ở điều kiện thường, cấu trúc lập phương đơn giản (rocksalt) tồn
tại ở áp suất cao, cấu trúc lập phương giả kẽm (blende) chỉ kết tinh trên đế lập
phương. Các cấu trúc tinh thể của ZnO được minh họa trong hình 1.2. Trong luận
văn này, chúng tơi chỉ đề cập đến cấu trúc lục giác wurtzite vì ZnO là cấu trúc bền
vững ở điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Đây là cấu trúc phổ biến nhất
và sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tiễn cuộc
sống.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
9


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ

Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể ZnO: (a) kiểu lập phương đơn giản, (b) kiểu cấu trúc
giả kẽm, (c) kiểu lục giác [46].
Nhóm đối xứng khơng gian của cấu trúc wurtzite là P63mc - C46v. Mỗi ô
mạng có 2 phân tử ZnO, trong đó 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí có tọa độ (0, 0, 0) và
(1/3, 2/3, 1/2), còn 2 nguyên tử O nằm ở vị trí có tọa độ (0, 0, u) và (1/3, 1/3, 1/2 +
u) với u = 3/8 (trường hợp lý tưởng).

Hình 1.3. Ơ cơ sở cấu trúc ZnO kiểu wurtzite [3].

Mạng lục giác wurtzite có thể coi là 2 mạng lục giác lồng vào nhau, một mạng
chứa các anion O2- và một mạng chứa các cation Zn2+. Mỗi nguyên tử kẽm (Zn) liên
kết với 4 nguyên tử oxy (O) nằm trên 4 đỉnh của một tứ diện, trong đó một nguyên
tử ở khoảng cách u.c, ba nguyên tử còn lại ở khoảng cách [1/3a2 + c2(u – 1/2)2]1/2. Ở
nhiệt độ phòng, hằng số mạng trong cấu trúc này được tính cỡ: a = 3,24258 Å, c =
5,2060 Å.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
10


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ

Liên kết hóa học của ZnO là hỗn hợp của liên kết cộng hóa trị và liên kết ion,
trong đó liên kết cộng hóa trị chiếm 33%, liên kết ion chiếm 67% [51]. Trong hợp
chất, cấu hình điện tử của Zn là 4s2 và của O là 2s22p6.
1.2.2. Khuyết tật trong tinh thể ZnO
Mạng tinh thể là sự sắp xếp có trật tự của các ion (nguyên tử) ở các vị trí nút
mạng, đều tuân theo quy luật đối xứng, tuần hồn trong khơng gian. Tuy nhiên,
trong thực tế các mạng tinh thể luôn tồn tại các sai hỏng cấu trúc như sai hỏng mặt,
sai hỏng đường, sai hỏng điểm… Trong đó, sai hỏng điểm có ảnh hưởng nhiều đến
các tính chất của vật liệu ở kích thước nano.
Sai hỏng điểm là sai hỏng xuất hiện tại một điểm trong mạng tinh thể, gồm
có 2 loại: sai hỏng nội tại (1, 2) và sai hỏng do tạp chất (3, 4, 5) trong hình 1.4.

Hình 1.4. Các sai hỏng điểm: (1) nút khuyết, (2) tự xen kẽ, (3) tạp chất xen kẽ, (4,5)

tạp chất thay thế .
1.2.2.1.

Khuyết tật tự nhiên (nội tại)

Trong mạng tinh thể ZnO, những nguyên tử (hoặc ion) ln nhận được năng
lượng từ q trình thăng giáng nhiệt do dao động của mạng tinh thể gây ra, nó có
khả năng bật ra khỏi vị trí cân bằng (vị trí nút mạng) và đi vào vị trí xen kẽ giữa các

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
11


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ

nút mạng (tự xen kẽ) hoặc rời khỏi mạng tinh thể để lại vị trí trống (nút khuyết) ở
nút mạng ban đầu. Do đó, hai loại sai hỏng điểm thường xuất hiện trong cấu trúc
tinh thể là sai hỏng Frenkel và sai hỏng Schottky (hình 1.5).

Hình 1.5. Sai hỏng điểm trong cấu trúc tinh thể .
- Sai hỏng Frenkel: Một nguyên tử bất kỳ có thể bứt ra khỏi vị trí cân bằng
và dời đến xen giữa vào vị trí các ngun tử khác. Do đó, mạng tinh thể đã hình
thành đồng thời một nút khuyết và một nguyên tử xen kẽ.
- Sai hỏng Schottky: Một nguyên tử rời khỏi nút mạng và để lại một lỗ trống,
các nguyên tử bên trong tinh thể có thể nhảy vào vị trí trống đó và tạo ra một nút
khuyết.

Trong hợp chất oxit kim loại, ion dương có kích thước nhỏ hơn ion âm nên
dễ dàng di chuyển đến các khoảng trống giữa các nút mạng. Như vậy, trong tinh thể
ZnO tồn tại các sai hỏng tự nhiên là nút khuyết oxy (O) và các nguyên tử kẽm (Zn)
điền kẽ.
1.2.2.2.

Khuyết tật do tạp chất

Khi pha tạp một hoặc nhiều nguyên tố vào trong mạng nền ZnO, điều này
làm xuất hiện khuyết tật trong mạng tinh thể, tạo thành các sai hỏng điểm tương tự
như những sai hỏng nội tại. Ở đây, đáng chú ý là trường hợp các nguyên tử pha tạp
sẽ thay thế vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể, sự thay đổi này có thể làm tăng
nồng độ hạt tải tự do và làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Khi các khuyết tật được

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
12


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ

hình thành đồng nghĩa với việc các mức năng lượng mới xuất hiện trong vùng cấm,
đó là nguồn gốc ảnh hưởng đến các tính chất quang của vật liệu ZnO.
Ví dụ, khi pha tạp Ga vào mạng tinh thể ZnO, các ion dương Ga3+ và Zn2+ có
bán kính ion gần bằng nhau (0,62 Å và 0,74 Å) nên ion Ga3+ dễ dàng thay thế các
ion Zn2+ của mạng nền ZnO mà không cần phải phân biệt cấu trúc tinh thể của ZnO.
1

Ga2O3  2GaZn  2OO  O2  2e
2

(1.4)

Như thế, mỗi ion Ga3+ khi thay thế vào vị trí của Zn2+ trong mạng tinh thể
ZnO sẽ cho một electron tự do và một lỗ trống. Do đó, q trình này làm tăng độ
dẫn điện của vật liệu ZnO.
1.2.3. Tính chất của vật liệu ZnO
Ở điều kiện thường, kẽm oxit tồn tại ở dạng bột mịn, có màu trắng, khơng
độc, khi nung trên 300 °C thì bột chuyển sang màu vàng. ZnO không tan trong nước
nhưng dễ tan trong dung dịch axit và bazơ mạnh. ZnO là vật liệu bán dẫn loại n,
thuộc nhóm bán dẫn AIIBVI, có vùng cấm trực tiếp rộng Eg = 3,37 eV và năng lượng
liên kết lớn (cỡ 60 meV) [56]. Một số thơng số vật lý của ZnO được trình bày trong
bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các thông số vật lý của vật liệu ZnO dạng khối [4, 6]
Tính chất

Giá trị

Hằng số mạng

a = 3,24258 Å, c = 5,2060 Å

Khối lượng riêng

5,606 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy

1975 °C

Hằng số điện mơi

8,656

Độ rộng vùng cấm

3,37 eV tại 300 K

Năng lượng liên kết exciton

60 meV

Độ linh động của điện tử (300K)

200 cm2V-1s-1

Độ linh động của lỗ trống (300K) 5  50 cm2V-1s-1

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
13


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Tiên tiến Khoa học và Cơng nghệ
1.2.3.2.

Tính chất điện

Theo lý thuyết, mạng tinh thể ZnO tạo bởi sự liên kết của Zn2+ và O2- trong
mơi trường tinh thể hồn hảo khơng xuất hiện các hạt tải tự do, do đó ZnO là chất
điện mơi. Tuy nhiên, mạng tinh thể khơng bao giờ hồn hảo và luôn tồn tại các sai
hỏng như:
- Sai hỏng điểm (point defects) do thăng giáng nhiệt độ hay nguyên tử tạp
chất (như đã trình bày ở mục 1.2.2).
- Sai hỏng đường (line defects) do lệch mạng.
- Sai hỏng phức tạp (complex defects) do sự tương tác hay kết hợp của nhiều
khuyết tật thành phần.
Ở điều kiện thường, ZnO là bán dẫn loại n do tồn tại các sai hỏng tự nhiên là
nút khuyết O và điền kẽ Zn với nồng độ hạt tải thấp.
1.2.3.3.

Tính chất quang

Tính chất quang của vật liệu thể hiện sự tương tác giữa sóng điện từ với vật
liệu. Khi chiếu ánh sáng kích thích lên bề mặt mẫu, các điện tử hấp thụ năng lượng
và chuyển dời lên các mức kích thích (cơ chế hấp thụ). Sau một thời gian (τ ~ 10-8
giây), điện tử có xu hướng chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn kèm theo sự
phát xạ sóng điện tử (cơ chế phát xạ).
- Phổ huỳnh quang của vật liệu ZnO bao gồm hai vùng phát xạ chính đó là
phát xạ trong vùng cận tử ngoại có bước sóng cực đại xung quanh 380 nm và phát
xạ dải rộng trong vùng nhìn thấy.
- Phổ hấp thụ của ZnO cho thấy sự hấp thụ mạnh nhất xảy ra ở bước sóng cỡ
325 nm. Ngồi ra, phổ hấp thụ còn cho biết ZnO trong suốt trong vùng khả kiến và
vùng hồng ngoại gần.
1.2.4. Vật liệu nano ZnO và ứng dụng

ZnO là một vật liệu có nhiều đặc tính hấp dẫn như vùng cấm thẳng, có độ
rộng vùng cấm lớn, năng lượng liên kết exciton lớn, độ bền nhiệt và hóa học cao,
tương thích sinh học, áp điện, các hiệu ứng quang phi tuyến. Do đó, vật liệu ZnO có
nhiều ứng dụng đa dạng và phong phú trong công nghiệp và khoa học - kỹ thuật.

Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Huỳnh Thị Bích Hảo
14