Luận án tiến sĩ Vật lí: Nghiên cứu tính chất vật liệu SnO2 và SnO2 pha tạp Sb(Zn) - Đại học Quốc gia Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI DDD TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SnO2 VÀ SnO2:Sb(Zn) Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 62 44 07 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS LÊ THỊ THANH BÌNH 2.TS NGUYỄN NGỌC LONG Hà Nội, 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào. Tác giả Nguyễn Thanh Bình 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CÁM ƠN Tôi xin dành những lời cảm ơn đầu tiên và sâu sắc nhất của mình gửi tới PGS.

Lê Thị Thanh Bình và PGS. Nguyễn Ngọc Long, người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt từ ngày tôi còn là sinh viên cho đến lúc tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới tất cả các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp của tôi ở bộ môn Vật lý Đại cương, bộ môn Vật lý chất rắn, Trung tâm Khoa học Vật liệu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà nội, những người đã trực tiếp giúp đỡ tôi trong khi thực hiện luận án và đã động viên tôi rất nhiều cả về vật chất lẫn tinh thần khi tôi gặp khó khăn, giúp tôi hoàn thành công trình này. Tôi xin gửi tới PGS.

Tạ Đình Cảnh, PGS. Lê Hồng Hà, PGS. Nguyễn Thị Thục Hiền, GS. Bạch Thành Công, GS.

Nguyễn Quang Báu, PGS. Ngô Thu Hương, TS. Ngạc An Bang, TS. Phạm Nguyên Hải, ThS.

Trần Vĩnh Thắng, ThS. lòng biết ơn sâu sắc vì sự quan tâm, giúp đỡ, động viên cũng như những góp ý, bàn luận khoa học quý giá của các Thầy, các bạn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình đã luôn chăm sóc, động viên tôi, giúp tôi thêm nghị lực để hoàn thành bản luận án này. Hà Nội, tháng 10 năm 2013 Tác giả Nguyễn Thanh Bình 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Mở đầu.

18 Chương 1: Tổng quan lý thuyết về vật liệu SnO2 và SnO2 pha tạp. Tổng quan về vật liệu SnO2. Cấu trúc tinh thể của SnO2. Cấu trúc vùng năng lượng của SnO2.

Tính chất hấp thụ của vật liệu bán dẫn SnO2. Tính chất huỳnh quang của SnO2. Tổng quan về vật liệu SnO2 pha tạp. Pha tạp antimon (Sb).

Pha tạp kẽm (Zn). Tổng quan về vật liệu nano SnO2. Một số ứng dụng của vật liệu SnO2. Một số phương pháp chế tạo vật liệu SnO2.

Phương pháp bốc bay nhiệt. Phương pháp phún xạ ca tốt. Phương pháp phủ hơi hoá học. Phương pháp sol–gel.

Phương pháp thuỷ nhiệt. 42 Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chế tạo vật liệu SnO2. Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp bốc bay 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp sol-gel. Quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp thuỷ nhiệt. Chế tạo vật liệu SnO2 pha tạp. Pha tạp Sb.

Pha tạp Zn. Các phép đo khảo sát tính chất của vật liệu SnO2 và SnO2 pha tạp. Phân tích nhiễu xạ tia X. Phổ hấp thụ, truyền qua.

Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang. Chụp ảnh bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi điện tử truyền qua. 54 Chương 3: Nghiên cứu tính chất của vật liệu SnO2 được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt. Tính chất tinh thể.

Giản đồ nhiễu xạ tia X. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2. Kết luận chương 3.

68 Chương 4: Nghiên cứu tính chất của vật liệu SnO2 và SnO2 pha tạp Sb được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Tính chất tinh thể. Giản đồ nhiễu xạ tia X. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Phổ truyền qua và phổ hấp thụ của vật liệu SnO2 và SnO2 pha 76 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tạp Sb. Phổ truyền qua. Phổ hấp thụ. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 và SnO2:Sb.

Kết luận chương 4. 84 Chương 5: Nghiên cứu tính chất của vật liệu SnO2 và SnO2 pha tạp chất Sb, Zn được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt. Tính chất của vật liệu SnO2. Giản đồ nhiễu xạ tia X.

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua. Phổ hấp thụ của vật liệu SnO2. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2. Tính chất của vật liệu SnO2 pha tạp chất Sb.

Giản đồ nhiễu xạ tia X. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua. Phổ tán sắc năng lượng EDS. Phổ hấp thụ, phổ truyền qua.

Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp Sb. Tính chất của vật liệu SnO2 pha tạp chất Zn. Giản đồ nhiễu xạ tia X. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Phổ tán sắc năng lượng EDS. Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp Zn. Kết luận chương 5. 114 Kết luận chung.

116 Danh mục các công trình khoa học của tác giả có liên quan đến 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 118 Tài liệu tham khảo. 120 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm %wt Weight percent Phần trăm trọng lượng AFM Atomic force microscope Hiển vi lực nguyên tử TEM Transmission electron microscopy Hiển vi điện tử truyền qua High-resolution Transmission Hiển vi điện tử truyền qua HRTEM electron microscopy phân giải cao CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng pha hơi hóa học EDS Energy dispersive spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng FWHM Full width at half maximum Độ rộng bán cực đại SEM Scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét Field emission scanning electron Hiển vi điện tử quét phát xạ FESEM microscopy trường XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X Selective area electron diffraction Nhiễu xạ điện tử vùng lựa SAED chọn PL Photoluminescence Huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation Kích thích huỳnh quang UV-VIS Ultraviolet-Visible Tử ngoại – khả kiến VLS Vapor – Liquid - Solid Cơ chế hơi – lỏng – rắn VS Vapor – Solid Cơ chế hơi – rắn Joint committee on powder JCPDS diffraction standards 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên Nội dung Trang Sự phụ thuộc của hình thái học, kích thước 1.1 60 của SnO2 vào nhiệt độ chế tạo mẫu [61]. Hằng số mạng của bán dẫn SnO2 chế tạo 2.

bằng phương pháp sol-gel ứng với các số lần 71 nhúng khác nhau. Hằng số mạng của vật liệu bán dẫn SnO2:Sb 3. 73 chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Kích thước của hạt tinh thể SnO2 chế tạo 4.

74 bằng phương pháp sol-gel. Kích thước hạt trung bình của bán dẫn 5. 75 SnO2:Sb chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Kích thước của hạt tinh thể SnO2 chế tạo 6.

87 bằng phương pháp thuỷ nhiệt. Đỉnh huỳnh quang của SnO2 chế tạo bằng 7. 90 phương pháp thủy nhiệt. Tách phổ huỳnh quang của mẫu SnO2.

92 Hằng số mạng của bán dẫn SnO2:Sb chế tạo 9. 95 bằng phương pháp thủy nhiệt. Kích thước hạt tinh thể của mẫu vật liệu 10. SnO2 khi pha tạp Sb chế tạo bằng phương 96 pháp thủy nhiệt.

Kích thước trung bình của hạt xác định từ 11. 97 giản đồ nhiễu xạ tia X và từ ảnh TEM. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Độ rộng vùng cấm của mẫu vật liệu SnO2 có 12. nồng độ tạp chất Sb khác nhau được chế tạo 100 bằng phương pháp thủy nhiệt.

Kích thước trung bình của hạt xác định từ 13. giản đồ nhiễu xạ tia X đối với pha SnO2 và 108 Zn2SnO4. Mức năng lượng giữa các đỉnh trong phổ 14. 112 huỳnh quang của mẫu SnO2:Zn (1%).

9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Tên Chú giải Trang 1.1 Mô hình cấu trúc tinh thể của SnO2 23 Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của bán 2.2 24 dẫn SnO2 Phổ truyền qua của mẫu SnO2 chế tạo bằng 3.3 26 phương pháp CVD [65]. Phổ truyền qua của màng SnO2 chế tạo bằng 4.4 26 phương pháp sol-gel [22] Phổ huỳnh quang của màng SnO2 chế tạo bằng phương pháp CVD ở nhiệt độ đế 425 5.5 27 ºC(S1), 450 ºC(S2), 475 ºC(S3), 500 ºC(S4) [38] Phổ huỳnh quang của SnO2 ở các nhiệt độ 6.6 đo khác nhau: nhiệt độ phòng (a) 100K (b) 28 10K (c) [54]. Phổ truyền qua của màng SnO2 pha tạp Sb 7.7 29 với các nồng độ khác nhau [43] Phổ huỳnh quang của SnO2 pha tạp Sb đo ở 8.8 30 nhiệt độ phòng [12] Phổ huỳnh quang của SnO2 pha tạp Sb đo ở 9.9 31 nhiệt độ phòng [25] Phổ hấp thụ của hạt nano SnO2 pha tạp chất 10.10 Zn [27] 32 a- ủ ở 300 oC b- ủ ở 600 oC 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phổ hấp thụ của thanh nano SnO2 pha tạp 11.11 chất Zn [36] 33 a- Pha tạp Zn b- không pha tạp Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp 12.12 34 chất Zn [36] Phổ huỳnh quang của vật liệu SnO2 pha tạp 13.13 34 Zn [47] Các dây nano, các băng nano SnO2 chế tạo 14.14 36 bằng phương pháp bốc bay nhiệt [74] Hạt nano SnO2 chế tạo bằng phương pháp 15.15 37 thủy nhiệt [92] Các đĩa nano SnO2 chế tạo bằng phương 16.16 37 pháp bốc bay nhiệt [21] 17.17 Sơ đồ hệ bốc bay nhiệt 38 Sơ đồ chế tạo vật liệu nano theo phương 18.18 42 pháp sol-gel Hình ảnh và cấu tạo của một số nồi hấp, ống 19.19 43 Teflon trong hệ thủy nhiệt Sơ đồ chế tạo mẫu bằng phương pháp bốc 20.2 Sơ đồ phương pháp sol-gel phủ nhúng 46 22.3 Hệ đo phổ nhiễu xạ tia X (DX 5005) 50 23.4 Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS 2450 51 24.5 Hệ đo phổ huỳnh quang FL 3-22 52 Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ huỳnh quang FL 25.6 53 3-22 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.7 Kính hiển vi điện tử quét JSM 5410 LV 54 27.8 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 55 Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnO2 chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt với 28.