Nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng dụng của màng tio2 pha tạp nb chế tạo bằng phương pháp phún xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

PHẠM THỊ HỊA

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG CỦA MÀNG TiO2 PHA TẠP Nb CHẾ TẠO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------

Phạm Thị Hịa

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH HƯỚNG
ỨNG DỤNG CỦA MÀNG TiO2 PHA TẠP Nb CHẾ TẠO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ

Chuyên ngành : Quang học
Mã số

: 60440109

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG CHÍ HIẾU
TS. HỒNG NGỌC LAM HƯƠNG

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo TS. Hồng Chí Hiếu, TS. Hoàng Ngọc Lam Hương những người đã
trực tiếp chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học tập và hồn thành luận
văn này.
Đồng thời, tơi rất cảm kích trước sự ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình của TS. Lưu
Mạnh Quỳnh, TS. Phạm Văn Thành các thầy đã ln tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho
tơi những kiến thức lý thuyết và thực nghiệm quý giá, cùng sự giúp đỡ, động viên để
tơi hồn thành khóa luận này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả các thầy cô, tập thể cán
bộ Bộ mơn Quang học lượng tử, cùng tồn thể người thân, gia đình và bạn bè đã giúp
đỡ, động viên để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Qua đây, tơi cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô và các em sinh
viên trong Khoa Vật lý và Trung tâm Khoa học vật liệu đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tơi trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn của tơi.
Tác giả cũng xin cám ơn sự hỗ trợ kinh phí của đề tài “Giải pháp tiết kiệm
năng lượng: nghiên cứu chế tạo màng dẫn điện trong suốt TiO2 pha tạp kim loại ứng
dụng cho cửa sổ kính nhằm chống nóng và chống bẩn” của TS. Hoàng Ngọc Lam
Hương.

Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2018
Học viên cao học

Phạm Thị Hòa

i


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................v
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ............................................................3
1.1. Lý thuyết về cơ chế phản xạ tia hồng ngoại của màng có nồng độ điện tử
cao…………………………………………………………………………………3
1.2.

Màng mỏng trong suốt dẫn điện (TCO) ......................................................13

1.3.

Các sản phẩm trong suốt chắn tia hồng ngoại .............................................14

1.4. Cấu trúc, tính chất của vật liệu TiO2..............................................................16
1.4.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2 ........................................................................16
1.4.2. Một số tính chất hố học cơ bản của TiO2 ...............................................18
1.4.3. Một số tính chất vật lý đặc trưng của vật liệu nano TiO2.........................18
1.5. Ứng dụng của vật liệu TiO2 ............................................................................19
1.6. Vật liệu TiO2 pha tạp ......................................................................................20

1.7. TiO2 pha tạp Niobium (Nb) ............................................................................21
1.8. TNO kết hợp với Ag .......................................................................................23
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .............................................................................26
2.1. Phương pháp phún xạ .....................................................................................26
2.1.1. Định nghĩa ................................................................................................26
2.1.2. Các loai phún xạ .......................................................................................27
2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng trong quá trình phún xạ .....30
2.1.5. Ưu điểm và hạn chế của phún xạ [2] ........................................................30
2.2. Chế tạo màng TNO đồng phún xạ Ag. ...........................................................32
2.2.1 Quy trình chế tạo. ......................................................................................32
2.2.2 Thực hành chế tạo mẫu .............................................................................33

ii


2.3. Một số phép đo khảo sát tính chất màng ........................................................37
2.3.1. Phân tích cấu trúc màng bằng giản đồ nhiễu xạ tia X [2] ........................37
2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét SEM [2] ...........................................................39
2.3.3. Phương pháp phổ tán xạ Raman ...............................................................39
2.3.4.

Phổ tán xạ, hấp thụ và truyền qua [2] ...................................................41

2.4. Thiết lập mơ hình thí nghiệm đo hiệu ứng chắn nhiệt của các loại màng khác
nhau ........................................................................................................................41
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................44
3.1. Tính chất màng TNO đồng phún xạ Ag .........................................................44
3.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X (XDR) ........................................................................44
3.1.2. Phổ tán xạ Raman. ....................................................................................46
3.1.3. Ảnh SEM mặt cắt ngang của màng ..........................................................47

3.2. Tính chất quang của màng ..............................................................................49
3.2.1. Năng lượng vùng cấm của các màng .......................................................49
3.2.2. Năng lượng trung bình ánh sáng mặt trời truyền qua màng trong vùng
ánh sáng khả kiến. ..............................................................................................52
3.2.3. Độ truyền qua trung bình của các màng trong vùng ánh sáng hồng ngoại
(800 – 2600 nm). ................................................................................................54
3.3. Tính chất chắn nhiệt của màng mỏng TNO đồng phún xạ Ag ......................55
3.3.1. Xây dựng phương trình tính toán hiệu ứng chắn nhiệt ............................55
3.3.2. Sự tăng nhiệt độ bên trong hộp kín khi chiếu đèn hơng ngoại qua các cửa
sổ khác nhau. ......................................................................................................59
3.3.3. Sự phụ thuộc của tốc độ truyền nhiệt 𝝆(𝑺)/𝑪, tốc độ tỏa nhiệt 𝝈(𝑺)/𝑪
theo tỉ lệ diện tích cửa sổ. ...................................................................................60
3.3.4. Hiệu suất chắn nhiệt của các màng. .........................................................64
3.3.5. Đánh giá tính chất của các màng và định hướng ứng dụng trong thực tế.
............................................................................................................................68
KẾT LUẬN ..............................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số thông số vật lý cơ bản của tinh thể TiO2 pha anatase, rutile và
brookite [14]. ............................................................................................................. 18
Bảng 1.2: Độ phát xạ E, phản xạ R của một số vật liệu thông dụng [71]. ............... 24
Bảng 2.1: Các thông số chế tạo màng mỏng TNO đồng phún xạ Ag. ..................... 36
Bảng 3.1: Giá trị hằng số mạng của các màng mỏng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p
và mẫu TiO2 pha Anatase...........................................................................................45
Bảng 3.2: Năng lượng ánh sáng mặt trời trung bình và độ truyền qua các màng trong
vùng bước sóng khả kiến từ 380nm đến 760 nm: ..................................................... 53

Bảng 3.3: Độ truyền qua trung bình trong vùng hồng ngoại gần (800 – 2600 nm) và
vùng ánh sáng khả kiến (380 – 760 nm) của các loại màng khác nhau. ................... 54
Bảng 3. 4: Độ tăng nhiệt độ bão hòa bên trong hộp qua các loại cửa sổ ................. 65
Bảng 3.5: Tỷ số giữa tốc độ truyền nhiệt và tỷ số truyền qua của các màng TNO,
TNO-Ag2p, TNO-Ag 4p. .......................................................................................... 66
Bảng 3.6: Bảng tổng kết tính chất của các màng: .................................................... 68

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Đồ thị giữa  ( ) và 𝜔/𝜔𝑝 [69] .................................................................. 9
Hình 1.2: Sự lan truyền của sóng điện từ trong trường hợp κ ảo............................. 10
Hình 1.3: Sự lan truyền của sóng điện từ trong trường hợp κ thực. ........................ 11
Hình 1.4: Cơ chế phản xạ bức xạ nhiệt theo sự thay đổi của thời tiết [18].............. 15
Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể của TiO2 pha anatase (a), rutile (b), brookite (c) [67] .. 16
Hình 1.6: Khối bát diện của TiO2 [67]. .................................................................... 17
Hình 1.7: Cơ chế pha tạp Nb vào mạng tinh thể TiO2 pha Anatase [19] ................. 22
Hình 1.8: Ý tưởng để tạo màng TNO kết hợp Ag bằng phương pháp đồng phún xạ
quy trình một bước. ................................................................................................... 25
Hình 2.1: Ngun lí hoạt động chung của phương pháp phún xạ [66]. ................... 26
Hình 2.2: Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (a), cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu
suất bắn phá ion (b) [65]. .......................................................................................... 27
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử bằng từ trường trong hệ phún xạ
magnetron[65] ........................................................................................................... 29
Hình 2.4: Thiết bị phún xạ 4 súng SP-01 của hãng SYSKEY ................................. 32
Hình 2.5: Các dung dịch rửa đế: aceton, ethanol, axit H2SO4, H2O2 và máy rung siêu
âm. ............................................................................................................................. 33
Hình 2.6: Bia TNO (a) được lắp vào súng RF2, bia Ag (b) được lắp vào súng RF1
trong buồng phún xạ (c). ........................................................................................... 34

Hình 2.7: Đế được giữ trên gá và đưa vào buồng phún xạ. ..................................... 34
Hình 2.8: Sơ đồ mơ phỏng thí nghiệm q trình đồng phún xạ tạo màng TNO kết
hợp Ag ....................................................................................................................... 35
Hình 2.9: Nhiễu xạ của tia X trên tinh thể. .............................................................. 38
Hình 2.10: Thu phổ nhiễu xạ tia X ........................................................................... 38
Hình 2.11: Nhiễu xạ kế tia X.................................................................................... 38
Hình 2.12: Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét (SEM), Model NANOSEM450, Hà
Lan ............................................................................................................................. 39
Hình 2.13: Cơ chế thu phổ Raman [40]. .................................................................. 39

v


Hình 2.14: Thiết bị đo phổ tán xạ Raman Labram HR800 của hãng Horiba........... 40
Hình 2.15: Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS................................................................... 41
Hình 2.16: Sơ đồ mơ phỏng thí nghiệm của đo sự truyền nhiệt từ đèn hồng ngoại qua
các loại cửa sổ khác nhau .......................................................................................... 42
Hình 2.17: Hệ thí nghiệm đo hiệu ứng chắn nhiệt của các màng. ........................... 43
Hình 3.1: Phổ XRD của màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p ............................. 44
Hình 3.2: Phổ tán xạ Raman của màng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p ................ 46
Hình 3.3: Ảnh SEM mặt cắt ngang của các màng: TNO-Ag 2p(a) và TNO-Ag 4p(b).
................................................................................................................................... 47
Hình 3.4: Phổ truyền qua của các màng mỏng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p vùng
ánh sáng tử ngoại - khả kiến – hồng ngoại gần. ........................................................ 49
Hình 3.5: Đồ thị Tauc của các màng mỏng TNO, TNO-Ag 2p, TNO-Ag 4p. ........ 50
Hình 3.6: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng độ rộng vùng cấm và thời
gian đồng phún xạ. .................................................................................................... 51
Hình 3.7: Năng lượng ánh sáng mặt trời truyền qua màng ...................................... 52
Hình 3.8: Diện tích bề mặt được chiếu sáng S0 và diện tích đặt kính S................... 55
Hình 3.9: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa sự tăng nhiệt độ bên trong hộp và thời

gian chiếu đèn hồng ngoại, diện tích cửa sổ. ............................................................ 59
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của tốc độ truyền nhiệt

S 
 S 
(a), tốc độ tỏa nhiệt
(b)
C
C

theo tỉ lệ diện tích S/S0. ............................................................................................. 61
Hình 3.11: Đồ thị thể hiện thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ truyền nhiệt ρ (S =
S0 )/C(a), tốc độ tỏa nhiệt σ(S = S0 )/C (b) của các loại màng khác nhau vào thời
gian đồng phún xạ. .................................................................................................... 62
Hình 3.12: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ truyền nhiệt ρ (S = 0)/C (a), tốc
độ tỏa nhiệt σ(S = 0)/C (b) của các loại màng khác nhau với thời gian đồng phún
xạ. .............................................................................................................................. 63

vi


BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ag

Kim loại bạc

AZO

Màng ZnO pha tạp nhơm

CG

Kính thủy tinh Corning

DC sputtering

Phún xạ một chiều

ĐH KHTN

Đại học khoa học tự nhiên

ĐH QGHN

Đại học Quốc gia Hà Nội

Eg

Độ rộng vùng cấm

ITO (indium tin oxide)

Kính phủ lớp dẫn điện trong suốt ITO

PED (pulsed electron deposition)

Lắng đọng xung chùm điện tử

PLD (pulsed laser deposition)

Lắng đọng xung lade

RF sputtering

Phún xạ xoay chiều

SEM (scanning electron microscope)

Kính hiển vi điện tử quét

TC (Transparents conductor)

Chất dẫn điện trong suốt

TCO (Transparent Conducting Oxide) Vật liệu ơ xít dẫn điện trong suốt
TNO (Ti0.94Nb0.09O2)

Màng TiO2 pha tạp Nb 9 %

TNO-Ag 2p

Màng TNO 9% đồng phún Ag 2 phút

TNO-Ag 4p

Màng TNO 9% đồng phún Ag 4 phút

UV-Vis (ultraviolet - visible -

Phổ tử ngoại - khả kiến

spectroscopy)
XRD (X-ray diffraction)

Nhiễu xạ tia X

vii


MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng cao, những
nguồn năng lượng sạch như gió, mặt trời, thủy điện… đang được các nhà nghiên cứu
quan tâm. Tuy nhiên, hiệu suất của các nguồn năng lượng này chưa được cao. Năng
lượng hạt nhân tuy đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ năng lượng nhưng lại tiềm ẩn nhiều
nguy cơ rủi ro. Vì thế, những nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ và khí đốt
vẫn được sử dụng song song để đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn Thế
Giới. Việc sử dụng nguồn năng lượng này gây ra những hậu quả như hiện tượng nóng
lên tồn cầu, mơi trường bị ơ nhiễm, hay ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Sử
dụng ít năng lượng, con người có thể hạn chế những biến đổi khí hậu và tiết kiệm về
mặt kinh tế. Vì vậy, ngồi việc tìm ra những nguồn năng lượng mới thì tiết kiệm năng
lượng cũng trở thành một trong những nhiệm vụ hàng đầu của các nhà khoa học.
Gần đây, các nhà khoa học đang hướng tới tạo ra những sản phẩm làm mát có
khả năng giảm nóng trực tiếp, khơng làm ảnh hưởng tới q trình nóng lên toàn cầu
và đồng thời tiết kiệm năng lượng. Một trong những sản phẩm đó là màng chắn tia
hồng ngoại sản xuất từ các vật liệu ơ xít dẫn điện trong suốt (TCO: Transparent
Conducting Oxide). Vật liệu TCO không những được sử dụng nhiều làm điện cực
cho các loại màn hình và pin mặt trời mà cịn có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực tiết
kiệm năng lượng nhờ vào chỉ số bức xạ nhiệt thấp và ngăn bức xạ hồng ngoại. Tính
chất này cho phép lớp màng dẫn điện trong suốt phủ lên kính cửa sổ có thể phản xạ
lại tia hồng ngoại, cải thiện đáng kể khả năng chống nóng của lớp kính.

Hiện nay, vật liệu TCO đang được các nhà nghiên cứu quan tâm để tối ưu hóa
các tính chất điện và quang. Các vật liệu đã chế tạo thành công là màng Indium Tin
Oxide (ITO) [22]; màng ZnO pha tạp nhôm (AZO) [53, 39]; hay TiO2 pha tạp Nb
(TNO) [47]… Trong các loại vật liệu này, TNO là một loại TCO mới, có tính dẫn
điện và độ trong suốt cao, có thể so sánh với ITO và AZO nhưng giá thành lại thấp
hơn nhiều, đặc biệt, TNO rất bền trong khơng khí và các mơi trường có tính khử cao
[63, 56, 46]. Hơn nữa TiO2 còn là chất có khả năng tự làm sạch, độ ổn định hóa học

1


cao [7]. Do đó, màng TNO hứa hẹn ứng dụng vào các cửa sổ thơng minh với chức
năng chống nóng.
Theo một báo cáo gần đây của nhóm các nhà nghiên cứu trong nước Lưu Mạnh
Quỳnh và các cộng sự đã cho kết quả: màng TNO đạt hiệu suất chống nóng 24% [44].
Để tăng hiệu suất chống nóng, chúng tơi đã đưa ra một đề xuất là kết hợp Ag vào
màng TNO. Ag là chất có chỉ số bức xạ thấp, có khả năng phản xạ tia hồng ngoại và
ứng dụng vào vật liệu cách nhiệt. Hơn nữa, hiện nay có nhiều loại cửa kính cách nhiệt
có thêm lớp Ag để tăng cường hiệu quả chắn nhiệt phổ biến là dùng tổ hợp màng điện
môi/Ag/điện môi. Tuy nhiên việc chế tạo chúng là khá phức tạp bởi nhiều quy trình
và nhất là điều chỉnh độ mỏng của lớp kim loại để cho phép ánh sáng vùng khả kiến
đi qua [27]. Việc kết hợp trực tiếp Ag vào màng TNO bằng phương pháp đồng phún
xạ, quy trình một bước sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với các phương pháp chế tạo hiện
nay. Khơng chỉ vậy, Ag cịn có tính kháng khuẩn rất tốt và giá thành rẻ hơn các kim
loại khác như vàng, platin, do đó có thể sử dụng Ag trong sản xuất công nghiệp.
Chúng tôi hi vọng màng TNO kết hợp Ag khơng những tăng hiệu suất chống nóng
mà còn được sử dụng như một màng đa chức năng. Trên những cơ sở đó tơi chọn đề
tài “Nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng dụng của màng TiO2 pha tạp
Nb chế tạo bằng phương pháp phún xạ”. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật
liệu, thiết lập mơ hình đo nhiệt và khảo sát hiệu suất chống nóng của màng TNO kết

hợp Ag với nồng độ Ag khác nhau. Bố cục của luận văn được chia làm 3 chương như
sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về vật liệu TiO2, TiO2 pha tạp Nb (TNO), TNO kết
hợp Ag, lý thuyết cơ chế phản xạ tia hồng ngoại của màng có nồng độ điện tử cao.
Chương 2: Trình bày phương pháp chế tạo, các phương pháp phân tích, khảo sát tính
chất của mẫu và thiết lập mơ hình đo hiệu suất chống nóng của màng.
Chương 3: Trình bày các kết quả khảo sát cấu trúc, tính chất quang, tính chất chắn
nhiệt của màng và giải thích các kết quả thu được.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1.

Lý thuyết về cơ chế phản xạ tia hồng ngoại của màng có nồng độ điện tử
cao
Đối tượng vật liệu được tập trung nghiên cứu trong luận văn là TiO2 pha tạp Nb

(TNO). Để giải thích cho tính năng phản xạ tia hồng ngoại của vật liệu TNO nói riêng
và vật liệu TCO (Transparent Conducting Oxide - vật liệu trong suốt dẫn điện) nói
chung, chúng tôi dựa trên lý thuyết về cơ chế phản xạ tia hồng ngoại của màng có
nồng độ điện tử cao. Nội dung về lý thuyết này được phân tích và làm rõ trong phần
trình bày dưới đây:
 Định nghĩa Plasma và tần số plasma
Trong vật lý chất rắn, các mô hình như khí điện tử tự do, hay chất lỏng Fermi ...
đều là mơ hình plasma. Plasma là một hỗn hợp khí ion hóa, trong đó bao gồm các hạt
mang điện như electron, ion, và kể cả các hạt trung hịa. Trong hỗn hợp đó giá trị
tuyệt đối của điện tích dương bằng giá trị tuyệt đối của điện tích âm. Như vậy, plasma
là hệ trung hịa điện tích, đồng thời cũng là vật dẫn điện tốt. Tuy nhiên, không phải

lúc nào trong plasma điện tích dương cũng bằng điện tích âm, khi có sự mất cân bằng
điện tích thì trong plasma sẽ sinh ra một điện trường mạnh để ngăn cản sự mất cân
bằng và làm cho plasma này trở nên trung hịa về điện. Nói một cách khác, mật độ
electron gần bằng mật độ hạt mang điện tích dương trong một đơn vị thể tích [46].
Tần số plasma là một trong những tham số plasma cơ bản. Trong plasma tồn
tại các hạt mang điện (âm và dương), nếu như có một lượng điện tử nào đó dịch
chuyển khỏi vị trí cân bằng thì sẽ xuất hiện lực Coulomb với ion dương kéo nó lại.
Kết quả dẫn đến một dao động tập thể của mật độ điện tử, tất cả chúng đều dao động
với nhau ở tần số đặc trưng, tần số này phụ thuộc vào bản chất của plasma cụ thể.
Tần số dao động này được gọi là tần số plasma [70].

3


 Tần số dao động plasma của kim loại [25, 26]
Như ta đã biết, trong kim loại các electron tách ra khỏi liên kết của nguyên tử
chuyển thành các electron dẫn chuyển động tự do được gọi là plasma khí điện tử. Khi
có ánh sáng kích thích, những chuyển động của các electron dẫn này tạo ra sóng
truyền dọc theo bề mặt kim loại – sóng điện từ bề mặt. Hiện tượng này gọi là
“Plasmon bề mặt” của kim loại [5].
Dao động plasma của các electron dẫn trên bề mặt kim lọai liên quan đến sự truyền
sóng điện từ, nguồn gốc của hiện tượng này xuất phát từ hệ phương trình Maxwell
[11]:
∇. 𝐸⃗ = 0

(1.1)

⃗ = 0
∇. 𝐵

(1.2)
⃗

𝜕𝐵
∇ × 𝐸⃗ = −

(1.3)

𝜕𝑡

⃗⃗⃗ = 𝜇0 𝐽 + 𝜇0 𝜀0
∇×𝐵

𝜕𝐸⃗
𝜕𝑡

(1.4)

Trong đó, 𝐸⃗ và⃗⃗⃗𝐵 là véc tơ cường độ điện trường và véc tơ cảm ứng từ; các đại
lượng 𝜇0 và 𝜀0 tương ứng với độ điện thẩm chân không và độ từ thẩm chân khơng;
⃗𝐽 là mật độ dịng điện.
Theo mơ hình Drude, dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng
của các electron tự do. Trong khi chuyển động, các điện tử không bị gia tốc một cách
liên tục khi chảy qua vật dẫn, mà bị trôi dọc theo đường sức điện với vận tốc hữu hạn
gọi là vận tốc trôi (~ 106 m/s), đồng thời, liên tục bị tổn hao xung lượng do các
electron tự do luôn va chạm với các ion ở nút mạng và truyền một phần động năng
cho chúng. Khi đó, mật độ dịng được xác định bởi công thức:

4

𝐽 = 𝑛𝑒𝑣 =

𝑛𝑒 2 𝜏𝐸

(1.5)

𝑚

Trong đó, n là mật độ điện tử khối; 𝜏 là thời gian tự do trung bình của các điện tử;
𝑣 là vận tốc trung bình của điện tử, trước khi va chạm, vận tốc trung bình của các
điện tử có dạng: ν = eEτ/m.
Theo định luật Ohm, mật độ dòng điện tỷ lệ với điện trường theo công thức:
𝐽 = 𝜎𝐸⃗

(1.6)

Trong công thức (1.6), σ chính là độ dẫn, kết hợp với cơng thức (1.5) ta có
cơng thức của mơ hình Drude [28]:

𝜎=

𝑛𝑒 2 𝜏

(1.7)

𝑚

Thay các công thức (1.5), (1.6), (1.7) vào hệ phương trình Maxwell và biến
đổi ta có:

𝛁 × (∇ × 𝐸⃗ ) = −
∇ × (∇ × 𝐸⃗ ) = −

𝜕
𝜕𝑡
𝜕
𝜕𝑡

⃗ )=−
(∇ × 𝐵

𝜕
𝜕𝑡

∇(∇. 𝐸⃗ ) = ∇2 𝐸⃗ −

𝜕
𝜕𝑡

𝜕𝐸⃗
𝜕𝑡

)

⃗

𝜕𝐸
(𝜇0 𝜎𝐸⃗ + 𝜇0 𝜀0 )
𝜕𝑡

∇ × (∇ × 𝐸⃗ ) = ∇(∇. 𝐸⃗ ) − ∇2 𝐸⃗ = −

∇2 𝐸⃗ −

(𝜇0 𝐽 + 𝜇0 𝜀0

𝜕
𝜕𝑡

(𝜇0 𝜎𝐸⃗ + 𝜇0 𝜀0

𝜕𝐸⃗
𝜕𝑡

)

𝜕
𝜕𝐸⃗
(𝜇0 𝜎𝐸⃗ + 𝜇0 𝜀0 )
𝜕𝑡
𝜕𝑡
⃗

𝜕𝐸
(𝜇0 𝜎𝐸⃗ + 𝜇0 𝜀0 ) = 0

(1.8)

𝜕𝑡

Đặt cường độ điện trường E có dạng: 𝐸⃗ (𝑡) = 𝐸⃗ (𝑟) 𝑒 −𝑖𝜔𝑡 và đặt 𝜎 =
phân tích 2 số hạng của phương trình (1.8):
5

𝜎0
1−𝑖𝜔𝑡

. Khi đó ta


 Số hạng thứ nhất ∇2 𝐸:
∇2 (𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡 ) = (∇2 𝐸⃗ (𝑟)) . 𝑒 −𝑖𝜔𝑡
 Số hạng thứ hai

𝜕
𝜕𝑡

⃗

𝜕𝐸
(𝜇0 𝜎𝐸⃗ + 𝜇0 𝜀0 ):
𝜕𝑡

𝜕
𝜕𝐸⃗
𝜕
𝜕2
−𝑖𝜔𝑡
(𝜇0 𝜎𝐸⃗ + 𝜇0 𝜀0 ) =
(𝜇 𝜎𝐸⃗ (𝑟)𝑒

) + 𝜇0 𝜀0
𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡
𝜕𝑡
𝜕𝑡
𝜕𝑡 0
𝜕𝑡
=

𝜕
𝜎0
(𝜇0
𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡 ) − 𝜇0 𝜀0 𝜔2 𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡
𝜕𝑡
1 − 𝑖𝜔𝑡

= −𝑖𝜔𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡 𝜇0

𝜎0
− 𝜇0 𝜀0 𝜔2 𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡
1 − 𝑖𝜔𝑡

Phương trình (1.8) trở thành:
(∇2 𝐸⃗ (𝑟)) . 𝑒 −𝑖𝜔𝑡 = −𝑖𝜔𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡 𝜇0

𝜎0
− 𝜇0 𝜀0 𝜔2 𝐸⃗ (𝑟)𝑒 −𝑖𝜔𝑡
1 − 𝑖𝜔𝑡

Biến đổi và chia cả 2 vế cho 𝑒 −𝑖𝜔𝑡 ta có:
∇2 𝐸⃗ + (

𝜇0 𝜎0
1−𝑖𝜔𝑡

𝑐=√

Từ công thức:

𝑖𝜔 + 𝜇0 𝜀0 𝜔2 ) 𝐸⃗ = 0
1
𝜇0 𝜀0

 𝜇0 𝜀0 =

1
𝑐2

Thay công thức (1.10) vào phương trình (1.9) ta được:
∇2 𝐸⃗ +

𝜔2
𝜇0 𝜎0 𝑖𝑐 2
(1
) 𝐸⃗ = 0
+
𝑐2
𝜔(1 − 𝑖𝜔𝑡)

𝜔2
𝜇0 𝜎0 𝑖

1
) 𝐸⃗ = 0
∇ 𝐸 + 2 (1 +
.
𝑐
𝜔(1 − 𝑖𝜔𝑡) 𝜇0 𝜀0
2⃗

6

(1.9)

(1.10)


∇2 𝐸⃗ +

𝜔2
𝜎0 𝑖
(1 +
) 𝐸⃗ = 0
2
𝑐
𝜔𝜀0 (1 − 𝑖𝜔𝑡)
𝜔2

∇2 𝐸⃗ +

𝐶2

𝑖𝜎

(1 +

𝜔𝜀0

) 𝐸⃗ = 0

(1.11)

Ta có thể viết phương trình (1.9) như một phương trình sóng như sau:
∇2 𝐸⃗ +
𝜅2 =

𝜔2
𝐶2

𝜔2
𝐶2

𝜀 (𝜔) 𝐸⃗ = 0

(1.12)

𝜀 (𝜔 )

(1.13)

∇2 𝐸⃗ + 𝜅 2 𝐸⃗ = 0
Trong đó: 𝜀 (𝜔) = (1 +

𝑖𝜎
𝜔𝜀0

(1.14)

) là hằng số điện môi phức của kim loại – xuất

hiện với vai trị bản chất của mơi trường dẫn điện, thể hiện có sự tổn hao bởi tần số
ω, phụ thuộc vào tần số và độ dẫn điện Drude σ:

𝜎=

𝜎0
1−𝑖𝜔𝑡

; 𝜎0 =

𝑛𝑒 2 𝜏
𝑚

Xét số hạng thứ 2 trong công thức hằng số điện môi 𝜀(𝜔):
𝑖𝜎
𝑖
𝜎0
𝑖 𝜎0 (1 + 𝑖𝜔𝑡 )
(
)=
=
𝜔𝜀0 𝜔𝜀0 1 − 𝑖𝜔𝑡

𝜔𝜀0 1 + (𝜔𝑡)2
Giả thiết với tần số đủ lớn sao cho 𝜔𝜏 ≫ 1 thì phép xấp xỉ cho kết quả:
𝑖𝜎
𝑖 𝜎0 (1 + 𝑖𝜔𝑡 )
𝑖𝜎0
𝜎0 𝜔𝑡
≈
=
−
(𝜔𝑡 )2
𝜔𝜀0 𝜔𝜀0
𝜔𝜀0 (𝜔𝑡 )2 𝜔𝜀0 (𝜔𝑡 )2
=
Phân tích: −

𝜎0 𝑡
𝜀0 (𝜔𝑡)2

=−

𝑛𝑒 2 𝜏2
𝑚𝜀0 (𝜔𝜏)2

𝑖𝜎0
𝜔𝜀0 (𝜔𝑡)2

=−

7

−

𝑛𝑒 2
𝑚𝜀0 𝜔2

𝜎0 𝑡
𝜀0 (𝜔𝑡)2

=−

2
𝜔𝑝

𝜔2

(Với 𝜔𝑝 =√

𝑛𝑒 2
𝜀0 𝑚

)


𝜔𝑝2
𝑖𝜎
𝑖𝜎0
=
−
𝜔𝜀0 𝜔𝜀0 (𝜔𝑡 )2 𝜔 2
𝜀 (𝜔) = (1 +

𝑖𝜎
𝜔𝜀0

)=1−

2
𝜔𝑝

𝜔2

+

𝑖𝜎0
𝜔𝜀0 (𝜔𝑡)2
2
𝜔𝑝

Giả thiết 𝜔𝜏 ≫ 1 thì 𝜀 (𝜔) ≈ 1 −

(1.15)

𝜔2

Trong đó 𝜔 là tần số góc của ánh sáng chiếu tới bề mặt vật liệu, 𝜔𝑝 =√

𝑛𝑒 2

𝜀0 𝑚

là

tần số dao động plasma, trong đó n là nồng độ electron, e là điện tích cơ bản, m là
khối lượng electron và 𝜀0 là hằng số điện môi. Như vậy, có thể thấy rằng tần số plasma
chỉ phụ thuộc vào hằng số vật lý và nồng độ electron.
Biến đổi công thức (1.15), ta được:
𝜀 (𝜔 ) = 1 −

1

(1.16)

2
𝜔
( )
𝜔𝑝

Công thức (1.16) là một hàm số thể hiện mối quan hệ giữa 𝜀 (𝜔) và

𝜔
𝜔𝑝

, từ đó ta có

đồ thị hàm số của phương trình này được thể hiện trong Hình 1.1 dưới đây:

8


Phản xạ tồn phần

𝝎
𝝎𝒑

𝜺(𝝎)

Tần số Plasma của
kim loại
𝜔𝑝 (1015 𝐻𝑧)
Hình 1.1: Đồ thị giữa  ( ) và

𝝎
𝝎𝒑

[69]

Từ đồ thị Hình 1.3 ta có 2 trường hợp:
 Trường hợp 1: 𝜔 < 𝜔𝑝 : 𝜀 (𝜔) là thực và âm, κ là ảo và electron triệt tiêu điện
trường. Sự lan truyền của sóng điện từ sẽ giảm nhanh theo hàm mũ, vì thế chúng
khơng thể xâm nhập vào kim loại và bị phản xạ hoàn toàn.
 Trường hợp 2: 𝜔 > 𝜔𝑝 : 𝜀 (𝜔) là thực và dương, κ là thực, sóng có thể truyền
trong kim loại. Nói cách khác dao động của trường điện từ bên ngoài quá nhanh so
với electron nên có thể truyền qua.
Khi 𝜔 = 𝜔𝑝 : tần số ở đó sóng dao động của điện tử bắt đầu truyền qua kim loại.
nên trông chúng bóng lống ở vùng thấy được.
Kim loại chỉ trong suốt với ánh sáng có tần số cao hơn tần số plasma của kim
loại. Đối với các kim loại điển hình như đồng hoặc bạc, ne trong khoảng 1023 cm-3,
và tần số plasma 𝜔𝑝 của kim loại cỡ 1015 Hz. Vì thế hầu hết các kim loại có bước
sóng plasma ở khoảng tử ngoại. Đây là lý do tại sao hầu hết các kim loại phản xạ ánh
sáng nhìn thấy và xuất hiện sáng bóng [68].

9


 Để phân tích rõ hơn mối quan hệ của κ và E, ta có những phân tích như sau:
Từ các phương trình (1.12), (1.13) và (1.14):
∇2 𝐸⃗ +
𝜅2 =

𝜔2
𝐶2

𝜔2
𝐶2

𝜀 (𝜔)𝐸⃗ = 0

𝜀 (𝜔 )

∇2 𝐸⃗ + 𝜅 2 𝐸⃗ = 0
Xét trường hợp sóng tới có tần số 𝜔 chỉ truyền theo phương x
Đặt 𝐸⃗ (𝑥) = 𝑒 ℎ𝑥
Thay vào phương trình trên ta có:
∇2 (𝑒 ℎ𝑥 ) + 𝜅 2 (𝑒 ℎ𝑥 ) = 0
ℎ2 (𝑒 ℎ𝑥 ) + 𝜅 2 (𝑒 ℎ𝑥 ) = 0
ℎ2 + 𝜅 2 = 0
ℎ2 = −𝜅 2
ℎ2 = 𝑖 2 𝜅 2
ℎ = ± 𝑖𝜅
 Trường hợp 1: 𝜅 ảo → ℎ thực
Từ phương trinh 𝐸⃗ (𝑥) = 𝑒 ℎ𝑥 , ℎ phải âm. Thật vậy nếu ℎ dương thì khi

𝑥 → ∞ thì 𝐸 → ∞ (Điều này khơng xảy ra).
Vậy khi 𝜅 ảo thì h thực âm biên độ sóng giảm nhanh theo hàm e mũ.
E

x
Hình 1.2: Sự lan truyền của sóng điện từ trong trường hợp 𝜿 ảo.
10


 Trường hợp 2: 𝜅 thực → ℎ ảo
𝐸⃗ (𝑥) = 𝑒 ℎ𝑥 (ℎ ảo)
𝐸(𝑥) = 𝑒 𝑖𝜅𝑥 + 𝑒 −𝑖𝜅𝑥
𝐸(𝑥) = cos(𝜅𝑥)
Từ phương trình ta thấy: Khi 𝜅 thực sóng điện từ lan truyền theo quy luật hàm
sin/cos

E

x
Hình 1.3: Sự lan truyền của sóng điện từ trong trường hợp 𝜿 thực.


Tần số dao động plasma của các chất dẫn điện trong suốt TC

(Transparent conducting)
Đối với các chất dẫn điện trong suốt, tần số dao động plasma được biểu thị
như sau:
𝜔𝑝 =√

𝑛𝑒 2

𝜀∞ 𝜀0 𝑚 ∗

(1.17)

Trong đó: 𝜔𝑝 : Tần số dao động Plasma; n: Nồng độ hạt tải trong màng;
m*: Khối lượng hiệu dụng của các hạt mang điện; e: Điện tích của điện tử.
𝜀0 , 𝜀∞ : Hằng số điện môi chân không, hằng số điện môi của môi trường.

11


Tần số 𝜔𝑝 phụ thuộc vào nồng độ điện tử tự do n trong màng, 𝜀0 , 𝜀∞ và e lần
lượt là hằng số điện môi của chân không, hằng số điện mơi của mơi trường và điện
tích của điện tử. 𝑚∗ là khối lượng hiệu dụng của điện tử trong vùng dẫn. Mặc dù 𝑚∗
thay đổi tùy theo nồng độ electron, nhưng 𝑚∗ chỉ tăng gấp đôi khi 𝑛𝑒 tăng từ 1019
cm-3 lên 1021 cm-3[57]. Nếu 𝑛𝑒 chỉ thay đổi trong một giới hạn thì 𝑚∗ hầu như khơng
đổi và 𝜔𝑝 chỉ phụ thuộc vào 𝑛𝑒 . Nhóm nghiên cứu của giáo sư Granqvist đã chỉ ra
rằng 𝜔𝑝 sẽ tăng, hay bước sóng plasma λp sẽ giảm khi 𝑛𝑒 tăng từ 1019 cm-3 lên 1021
cm-3 đối với ITO [23].
Đối với hạt tải là điện tử ta có thể tính gần đúng tần số sóng plasma 𝑓𝑝 như sau:
𝑓𝑝 =

𝜔𝑝
2𝜋

(1.18)

Mà bước sóng plasma 𝜆𝑝 tỷ lệ nghịch với tần số plasma fp, tỷ lệ thuận với tốc
độ truyền sóng v trong môi trường xét:

𝜆𝑝 = 𝑣/𝑓𝑝

(1.19)

Từ các công thức trên ta thấy tần số plasma của TCO phụ thuộc vào nồng độ
hạt tải trong vật liệu do đó có thể thay đổi tần số plasma qua việc làm thay đổi nồng
độ hạt tải bằng việc thay đổi nồng độ chất pha tạp hoặc điều kiện xử lý vật liệu.
Bản thân TCO là chất có nồng độ electron cao ne ~ 1021 cm-3 và bước sóng
plasma nằm trong khoảng > 2.0 𝜇m, tia hồng ngoại nhiệt ở bước sóng trong khoảng
3-50 µm. Từ phần lý thuyết đã trình bày bên trên, với các vật liệu TCO khi λ > λp (λp:
bước sóng Plasma); 𝜀 (𝜔) là thực và âm thể hiện đặc tính phản xạ mạnh của TCO
trong vùng hồng ngoại tương tự kim loại. Với λ < λp, phần ảo εim ~ 0, TCO thể hiện
tính trong suốt trong vùng khả kiến. Vì thế electron tự do có tính chất phản xạ các tia
có bước sóng lớn hơn bước sóng plasma, như vậy TNO có tiềm năng là chất có chỉ
số bức xạ thấp vì có thể phản xạ lại tia hồng ngoại nhiệt.

12


1.2.

Màng mỏng trong suốt dẫn điện (TCO)
Vật liệu oxit trong suốt dẫn điện (Transparent Conducting Oxide – TCO) đã

và đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên Thế Giới. Vật liệu
này có tính chất đặc biệt là khả năng dẫn điện gần như kim loại nhưng lại trong suốt
trong vùng khả kiến tương tự như các chất điện mơi. Nhờ những tính chất trên mà vật
liệu TCO có mặt trong nhiều ứng dụng yêu cầu đồng thời cả tính dẫn điện và độ trong
suốt. Rất nhiều ứng dụng của vật liệu TCO đã được nghiên cứu và đưa vào thực tiễn:
làm điện cực trong suốt cho các màn hình tinh thể lỏng (LCD), điện cực cho pin mặt

trời, cửa sổ phát xạ thấp, gương phản xạ nhiệt cho cửa sổ và gần đây được dùng chủ
yếu trong cơng nghệ màn hình phẳng (FPD), đi-ốt phát quang hữu cơ (OLED) [57].
TCO đã được nghiên cứu sử dụng đầu tiên vào năm 1907 với CdO. Từ đó đến
nay rất nhiều vật liệu TCO dưới dạng màng mỏng được nghiên cứu chế tạo như ZnO
pha tạp, SnO2 pha tạp, In2O3 pha tạp, TiO2 pha tạp. Cuối những năm 1960 cho đến
nay, In2O3 pha tạp Sn (ITO) vẫn là vật liệu TCO được sử dụng rộng rãi nhất cho các
thiết bị quang điện tử do tính ưu việt về độ dẫn điện và tính trong suốt. Fraser và
Cook [27] đã báo cáo các chỉ số điện và quang của màng ITO đó là điện trở suất ρ =
1,77×10-4 Ω.cm và độ truyền qua là 85% trong vùng khả kiến. Chúng được coi là tỉ
lệ chuẩn E/O (tính chất điện / tính chất quang) của TCO. Tuy nhiên, Indi là một kim
loại hiếm và đắt nên việc sử dụng ITO bị hạn chế bởi giá thành cao. Hiện nay vật liêu
ZnO pha tạp cũng đang được các nhà khoa học quan tâm do ưu điểm về chi phí thấp
hơn nhiều so với ITO. Tuy nhiên khả năng chịu nhiệt của màng ZnO trong mơi trường
oxi hóa khơng đủ lớn, dẫn đến ưu điểm về mặt chi phí của vật liệu ZnO pha tạp vẫn
chưa được khai thác [27].
Sự đa dạng và phát triển mạnh mẽ trong ứng dụng của vật liệu TCO ngày nay
dẫn đến việc nghiên cứu khoa học cũng như triển khai công nghệ của vật liệu này
càng được đẩy mạnh. Các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu để tìm ra các loại
TCO mới nhằm tăng cường tính năng cho những ứng dụng đã có, đồng thời tìm ra
những tính năng mới và hạ bớt giá thành thương mại của vật liệu này. Trong những

13


năm gần đây có nhiều loại TCO mới được nghiên cứu và chế tạo thành cơng, một
trong số đó là TiO2 pha tạp Nb. Ở vật liệu TiO2 có những thuộc tính mà các vật liệu
chủ TC (Transparent Conducting) truyền thống khác khơng có, chẳng hạn như chiết
suất cao, hằng số điện mơi lớn, độ bền hóa học cao trong mơi trường có tính khử, có
tính quang xúc tác, hơn nữa giá thành rẻ và nguyên liệu dồi dào. Hơn nữa TiO2 pha
tạp kim loại chuyển tiếp Nb lại có tính năng phản xạ tia hồng ngoại. Chính vì những

lý do trên mà TiO2 pha tạp Nb được coi là một TCO mới có tiềm năng ứng dụng cao
trong thực tiễn [57].
1.3.

Các sản phẩm trong suốt chắn tia hồng ngoại
Hiện nay, vấn đề biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu gây ra nhiều hệ lụy

cho con người và thiên nhiên. Tại Việt Nam, theo số liệu thống kê của Trung tâm dự
báo thời tiết và khí tượng thủy văn Hà Nội, tháng 6 năm 2017 đánh dấu mức nắng
nóng kỷ lục của Hà Nội trong vịng 46 năm trở lại đây (kể từ năm 1971). Nắng nóng
ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe, đời sống và sinh hoạt người dân Thủ đơ. Bên cạnh
đó, nhu cầu sử dụng điều hòa nhiệt độ cùng các thiết bị điện tăng cao làm lượng điện
tiêu thụ quá tải, đồng thời thải ra các khí nhà kính càng thúc đẩy nhanh q trình biến
đổi khí hậu cũng như sự nóng lên tồn cầu.
Các giải pháp chống nóng đã được đưa ra, trực tiếp là sử dụng các thiết bị điện
làm mát hay gián tiếp là việc tăng cường diện tích cây xanh, màu xanh và tăng diện
tích mặt nước. Nếu như việc tăng diện tích cây xanh cần một khoảng thời gian dài thì
việc sử dụng các thiết bị như điều hòa, quạt điện làm mức tiêu thụ điện năng tăng cao
lại gián tiếp tạo ra q trình nóng lên tồn cầu. Vì thế hiện nay các giải pháp tích hợp
đa ứng dụng giữa chống nóng và tiết kiệm năng lượng đã được nghiên cứu và đưa
vào thực tế. Cụ thể là thay các tấm kính thơng thường bằng những tấm kính được phủ
màng phản xạ hồng ngoại.
Các màng phản xạ hồng ngoại đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu
nhằm ngăn cản chiều truyền nhiệt tự nhiên từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt
độ thấp và hạn chế thất thoát nhiệt do sự trao đổi nhiệt giữa bên trong và bên ngồi
cơng trình (nhà ở, chung cư,...). Việc phủ một lớp màng phản xạ hồng ngoại trong
14


suốt lên kính, khi đó, kính sẽ giữ được mát cho nhà vào mùa hè, khơng chỉ thế cịn

giữ ấm trong nhà vào mùa đơng,đồng thời giảm được chi phí cho hệ thống thiết bị
điện làm mát và sưởi ấm.
Nhờ những tính chất quang học của màng phản xạ hồng ngoại là cho ánh sáng
khả kiến (bước sóng từ 380nm đến 760nm) truyền qua và phản xạ cao trong vùng
hồng ngoại (bước sóng lớn hơn 760nm), vì thế, chúng được ứng dụng làm các cửa
kính chống nóng và tiết kiệm năng lượng [31].
Cơ chế phản xạ nhiệt truyền qua kính có lớp phủ phản xạ tia hồng ngoại nhiệt
như hình vẽ dưới đây:
Thời tiết lạnh

Thời tiết nóng

Hình 1.4: Cơ chế phản xạ bức xạ nhiệt theo sự thay đổi của thời tiết [18].

Trên Thế Giới, các tấm kính phủ màng phản xạ hồng ngoại thường được chế tạo
theo ba hướng [27, 31, 32]:
 Màng kim loại có độ phản xạ hồng ngoại cao như màng kim loại Ag, Au, Cu,...
 Màng bán dẫn pha tạp phản xạ hồng ngoại cao như SnO2:F; SnO2:Sb; AZO;
ITO...

15


 Màng đa lớp “điện môi / kim loại” hoặc “điện môi/kim loại/điện môi”:
TiO2/Ag/TiO2, TiO2/Cu/TiO2, TiO2/Au/TiO2...
Tuy nhiên, màng kim loại thường khơng bền về cơ, nhiệt cũng như hóa học và
hơn nữa lại không thể ứng dụng làm lớp phủ cho các loại kính vì khơng có độ truyền
qua. Đối với các màng đa lớp lại phức tạp trong việc chế tạo để đảm bảo cho độ trong
suốt trong vùng ánh sáng khả kiến. Trong luận văn này chúng tôi tập trung chế tạo
màng TNO (TiO2 pha tạp Nb) đồng phún xạ Ag là một trong những màng đơn lớp

trong suốt dẫn điện để khảo sát hiệu ứng chắn nhiệt của màng mỏng này.
1.4. Cấu trúc, tính chất của vật liệu TiO2
1.4.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2
Vật liệu TiO2 có 3 dạng thù hình phổ biến là anatase, brookite và rutile, hình
ảnh cấu trúc tinh thể của chúng được biểu diễn như Hình 1.5 [67].

(a)

(b)

(c)

Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể của TiO2 pha anatase (a), rutile (b), brookite (c) [67]

16