Đề tài màng điện sắc

Đề tài màng điện sắc

MÀNG ĐiỆN SẮC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BM VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN MÀNG MỎNG

GVHD: Ths Tạ Thị Kiều Hạnh Nhóm 6:

ĐỀ TÀI:

I.Vật liệu điện

sắc

I.1.1 Định nghĩa:

hiện sự biến đổi thuận nghịch tính chất quang của vật liệu dưới sự tác động của điện trường phân cực tương ứng áp vào vật liệu Một biểu hiện cơ bản của hiệu ứng này là sự thay đổi màu sắc của vật liệu khi được đặt trong điện trường Các vật liệu có tính điện sắc như trên

•Vật liệu điện sắc, do đặc trưng cơ bản là sự thay đổi tính chất quang nên thông thường vật liệu được chế tạo dưới dạng màng mỏng Khi áp điện trường phân cực vào vật liệu điện sắc, tùy thuộc vào loại vật liệu và chiều phân cực của điện trường mà ta có thể quan sát thấy trên vật liệu có quá trình thay đổi màu sắc một cách rõ ràng

I.Vật liệu điện sắc

I.Vật liệu điện sắc

I.1.2 Phân loại:

•Vật liệu điện sắc cathode: là loại vật liệu điện sắc được phủ trên điện cực làm việc phân cực âm, quá trình nhuộm màu xảy ra Quá trình này tương ứng với sự khuếch tán các cation từ chất điện ly vào trong vật liệu cùng với việc tiêm điện tử từ điện cực làm việc để cân bằng điện tích Khi điện cực làm việc được phân cực dương, quá trình tẩy màu xảy

ra Quá trình tương ứng với việc cation và điện tử xâm nhập vào vật liệu trong quá trình nhuộm bị đẩy

ra khỏi vật liệu

I.Vật liệu điện sắc

• Vật liệu điện sắc anode: là loại vật liệu mà quá trình nhuộm màu xảy ra khi điện cực làm việc được phân cực dương - tương ứng với việc thoát ra của các cation kèm theo các điện

tử Quá trình tẩy màu xảy ra khi đổi chiều phân cực của điện trường - tương ứng với việc xâm nhập ngược lại đồng thời của các cation và các điện tử vào trong vật liệu.

I.Vật liệu điện sắc

+Hai điện cực trong suốt,

thường được pha tạp indium

tin oxide (ITO) hoặc oxit thiếc

flo pha tạp (FTO)

+Lớp điện sắc dẫn hỗn hợp

các ion dương và các điện tử

Có sự khuếch tán của các ion

dương dịch chuyển giữa hai

điện cực sẽ cân bằng với

dòng các điện tử dịch chuyển

từ lớp điện cực trong suốt

I.Vật liệu điện

sắc

Có nhiều loại màng điện sắc: Oxit vô cơ,

polymer điện sắc, màng điện sắc hữu cơ khác

I.Vật liệu điện sắc

I.1.4Giải thích hiện tượng nhuộm màu và tẩy màu :

Trong đó M có thể là H+, Li+, Na+ và K+ Chất vonfram – giả đồng MxWO3 hấp thụ mạnh ánh sáng ở vùng nhìn thấy, có màu xanh xẫm, độ truyền qua thấp

Tóm lại, các đặc tính quý của màng điện sắc xuất hiện không phải là do cấu trúc mạng lý tưởng của WO3 mà chính là do sự tạo thành các sai hỏng bề mặt Chính việc hình thành các sai hỏng này khiến cho mạng có khả năng trữ các ion nhỏ H+, Li+,

Na+ trong các lỗ hỏng Và hình thành cấu trúc MxWO3, chính cấu trúc này có khả năng hấp thụ cao ánh sáng trong vùng khả kiến hình thành các đặc tính quý

I.1.5 Giải thích hiện tượng nhuộm màu và tẩy màu :

II.Các phương pháp chế tạo màng

điện sắc

II.1 Phún xạ Magnetron DC :

II.1.1 Định nghĩa : Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế

một chiều để gia tốc cho các ion khí hiếm Bia vật liệu được đặt trên điện cực âm (catốt) trong chuông chân không được hút chân không cao, sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là Ar hoặc He ) với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar) Người ta sử dụng một hiệu điện thế một chiều cao thế đặt giữa bia (điện cực âm) và đế mẫu (điện cực dương) Quá trình này là quá trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang do iôn hóa) Vì dòng điện là dòng điện một chiều nên các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòng điện, do

đó kỹ thuật này thường chỉ dùng cho các bia dẫn điện (bia kim

II.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ phún xạ :

Anode (cũng có thể

là đế cần phủ màng):

anode được nối đất ,

đặt song song với

Kathod: được cấp thế âm cỡ

200-800 V Vật liệu cần phủ (hay bia là

kim loại Tungsten) dùng để phún

xạ là một tấm kim loại Trong quá

trình phún xạ bia bị các ion bắn phá

nên nóng lên gây ra hiện tượng nhả

khí hay làm nóng chảy vật liệu bia,

do đó kathod được gắn với một

bảng giải Toàn bộ bia, bảng giải

II.1.3 Nguyên lý hoạt động :

Khi thế âm được áp vào hệ, giữa Anod và Kathod sinh

ra một điện trường E làm định hướng và truyền nặng lượng cho các hạt mang điện có trong hệ Những điện

tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào kathod và giải phóng các điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc trong điện trường E đồng thời bị tác động của từ trường B ,từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần kathod theo quỹ đạo xoắn ốc Nhờ vậy chiều dài quãng đường đi của điện tử đã được tăng lên nhiều lần trước khi nó đến anod.

II.1.3 Nguyên lý hoạt động :

Trong quá trình chuyển động của điện tử, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử hay phân tử khí và sinh ra những ion Các ion này được gia tốc đến Kathod và làm phát ra những điện tử thứ cấp Như vậy nồng độ điện tử sẽ tăng, khi số điện tử được sản sinh bằng số điện tử mất đi do quá trình tái hợp, lúc đó phóng điện tử duy trì, lúc này khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao đập vào kathod làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện, lúc này khi tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể.

II.1.4 Quá trình thực hiện:

II.1.4.1 Xử lý đế : đế là thủy tinh

II.1.4.2 Xử lý bia :

II.1.4 Quá trình thực hiện:

Điều khiển van chính của bơm khếch tán

buồng bằng hệ van kim, sau đó phóng điện làm sạch bề mặt bia là kim loại Vonlfram khoảng 5 phút, trong khi phóng điện đế được quay ra hệ Magnetron.

II.1.4.3 Phủ màng :

II.1.4 Quá trình thực hiện:

Màng được phủ trên đế lam thủy tinh với khoảng cách giữa bia và đế thay đổi trong khoảng giá trị 5cm ,6cm,7cm Bia làm bằng vật liệu Vonlfram ,độ tinh khiết 99,99% kích thước bia 80:80:6 mm

Khí làm việc là khí Argon và khí hoạt tính là Oxi, chúng được trộn lẫn trong bình thép không rỉ theo tỉ lệ cho trước và đưa vào buồng chân không bằng hệ van kim

Áp suất tổng cộng của quá trình tạo màng được giữ cố định ở 3mTorr

Công suất phún xạ được lấy giá trị 100W và 160W

Tỉ lệ áp suất riêng phần PO2/PAr thay đổi trong khoảng 50%: 70%

Thời gian phún 15 : 30 phút

II.1.5 Ưu điểm :

II.1.6 Nhược điểm :

II.2 Phương pháp Sol-gel:

được chứa đầy dung

môi cho đến khi xảy ra

quá trình chuyển tiếp

Sol-Gel

2.1.2 Các khái niệm cơ bản:

a Precursor:

b Sol :

Sol tồn tại tới một thời điểm mà các hạt keo kết

tụ với nhau và cấu trúc của thành phần rắn lỏng trong dung dịch liên kết chặt chẽ hơn tạo nên

chất kết dính.

Để tạo thành Gel ta phải tăng nồng độ dung dịch thay đổi độ pH hoặc

tăng nhiệt độ để hạ rào cản tĩnh điện cho các

hạt tương tác và kết tụ với nhau

c Gel:

Các thông số ảnh hưởng đến phản ứng thủy phân là :xúc tác, nhiệt độ, dung môi, ……….

b Phản ứng ngưng tụ:

Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết Kim loại-oxide-kim loại, là

cơ sở cấu trúc cho các màng oxide kim loại.Hiện tượng ngưng

tụ xảy ra liên tục làm cho liên kết Kim loại-oxide-kim loại không ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lưới Kim loại-oxide-kim loại trong khắp dung dịch

MOR + MOH M-O-M + ROH MOH + MOH M-O-M + H2O

Các thông số ảnh hưởng đến phản ứng ngưng tụ là : xúc tác, nhiệt độ, dung môi, phản ứng nghịch……….

2.1.4 Phương pháp tạo màng :

Kĩ thuật nhúng(dip coating)

dòng chảy(flow coating)

Kĩ thuật phủ quay(spin coating)

2.1.5 Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp Sol-gel

a.Ưu điểm:

Thiết bị tạo màng đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp và

có thể tạo màng có độ tinh khiết cao từ vật liệu ban đầu, bên cạnh đó phương pháp có nhiều ứng dụng trong việc tạo màng bảo vệ, màng có tính chất quang học, tạo màng chống phản xạ, bộ nhớ quang, màng đa lớp tạo vi điện tử, tạo kính giao thoa.

b Nhược điểm :

III Phương pháp khảo sát cấu trúc, tính chất, sự thay

đổi các liên kết bên trong màng

tia X (XRD)

Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

Trong đó Phổ IR và Raman dùng để khảo sát

sự thay đổi các liên kết bên trong màng

III.1 TEM (Transmission electron microscopy):

Gắn liền với hệ thức De Broglie:

Năm 1931, Ernst August Friedrich Ruska + Max Knoll lần đầu tiên dựng

nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai, sử dụng các thấu kính

từ để tạo ảnh của các sóng điện tử.

Năm 1938, Albert Presbus và James ở Đại học Toronto (Canada) làm nên

một thiết bị hoàn chỉnh thực sự Nguyên tắc tạo ảnh của TEM gần giống

với kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng là sử dụng sóng điện tử

thay cho sóng ánh sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh.

Định nghĩa TEM: là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng

chùm điện tử có năng lượng cao, chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử

dụng các thấu kính từ để tạo ra trên màn huỳnh quang hay trên film quang

học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kĩ thuật số.

1 – canon điện tử

2 – hệ thống thấu kính điện từ

3 – hệ thống bơm chân không

4 – bộ phận đưa mẫu vào và lấy

ra

5 – panel điều khiển

6 – màn hình

7 – hệ thống làm lạnh thiết bị

bằng nước

Kính hiển vi quang học

Bước sóng 400-800 nm (nhìn thấy được ) 0.0037 nm (100 kV)

Môi trường Không khí

Hội tụ Cơ học Điện

So sánh giữa TEM và kính hiển vi quang học bình

thường

III.1.1 Nguyên tắc hoạt động:

• Chùm điện tử được gia tốc xuống cột

•Chùm điện tử đi qua hàng loạt các

thấu kính điện từ (hội tụ, vật kính, trung gian, projector)mẫu được phóng đại lên nhiều lần

•Các khẩu độ đóng vai trò lọc các tia tán xạ mong muốn

•Chùm điện tử tới màn hình huỳnh quang hoặc CCD

•Hệ kính hội tụ và tạo chùm tia song song (Condenser lens):

Đây là hệ thấu kính có tác dụng tập trung chùm điện tử vừa phát

ra khỏi súng và điều khiển kích thước cũng như độ hội tụ của

chùm tia Hệ hội tụ 1 có vai trò điều khiển chùm tia vừa phát ra khỏi hệ phát điện tử được tập trung vào quỹ đạo của trục quang học Khi truyền đến hệ 2, chùm tia sẽ được điều khiển sao cho tạo thành chùm song song hoặc thành chùm hội tụ hẹp nhờ việc điều khiển dòng qua thấu kính

•Vật kính (Objective lens): ghi nhận chùm điện tử đầu tiên từ mẫu vật ,có vai trò tạo ảnh

•Khẩu độ vật (Objective Aperture)

•Khẩu độ hội tụ (Condenser Aperture)

Thấu kính điện từ :

-Dùng để hội tụ hoặc làm lệch chùm hạt mang điện tích dưới tác dụng của lực từ do từ trường trong thấu kính tác dụng lên chùm hạt

-Khả năng hội tụ hoặc làm lệch chùm hạt có thể thay đổi nhờ việc thay đổi từ trường trongthấu kính Thực chất là một nam châm điện có cấu trúc là một cuộn dây cuốn trên lõi làm bằng vật liệu từ mềm

Khẩu độ

- Là màn chắn có lỗ với độ rộng thay đổi được,nhằm thay đổi các tính chất của chùm điện tử như khả năng hội tụ, độ rộng, lựa chọn các vùng nhiễu xạ của điện tử

-Khẩu độ hội tụ (Condenser Aperture):điều khiển sự hội tụ của chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia và góc hội tụ của chùm tia, thường mang ký hiệu C1 và C2

-Khẩu độ vật (Objective Aperture): phía bên dưới vật ,hứng chùm điện tử vừa xuyên qua vật nhằm thay đổi độ tương phản của ảnh, lựa chọn chùm tia ở các góc lệch khác nhau -Khẩu độ lựa chọn vùng (Selected Area Aperture):lựa chọn diện tích vùng mẫu -vật sẽ ghi ảnh nhiễu xạ điện tử

III.1.2 Sự tạo ảnh trong TEM:

Các chế độ tương phản trong TEM:

-Tương phản biên độ (Amplitude contrast): do hiệu ứng hấp thụ điện tử (do độ dày, do thành phần hóa học) của mẫu vật.-Tương phản pha (Phase contrast): các điện tử bị tán xạ dưới các góc khác nhau – nguyên lý này rất quan trọng trong các hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

-Tương phản nhiễu xạ (Diffraction contrast): các điện tử bị tán xạ theo các hướng khác nhau do tính chất của vật rắn tinh thể,tạo ra các ảnh trường sáng và trường tối

III.1.2.1 Ảnh trường sáng và trường tối: Là chế độ ghi ảnh của TEM dựa

trên nguyên lý ghi nhận các chùm tia bị lệch đi với các góc (nhỏ) khác nhau sau khi truyền qua mẫu vật.

- Ảnh trường sáng (Bright-field imaging): Là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật kính hứng chùm tia truyền theo hướng thẳng góc Các vùng mẫu cho phép chùm tia truyền thẳng góc sẽ sáng và các vùng gây ra sự lệch tia sẽ bị sáng Ảnh trường sáng về mặt cơ bản có độ sáng lớn.

-Ảnh trường tối (Dark-field imaging): Là chế độ ghi ảnh mà chùm tia sẽ bị chiếu lệch góc sao cho khẩu độ vật kính sẽ hứng chùm tia bị lệch một góc nhỏ Ảnh thu được sẽ là các đốm sáng trắng trên nền tối Nền sáng tương ứng với các vùng mẫu có góc lệch được chọn, nền tối là từ các vùng khác

III.1.2.2 Ảnh nhiễu xạ điện tử:

+ Phương pháp nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử (Selected Area Electron Diffraction - SAED): có thể hiểu đơn giản là dùng chùm điện tử song song chiếu vuông góc với mẫu Ảnh tạo ra giống như hình ảnh giao thoa quang học qua lỗ tròn, tức là gồm các vòng tròn đồng tâm (như vân Newton)

- Mẫu đơn tinh thể, ảnh sẽ gồm các

điểm sáng sắp xếp trên các vòng tròn đồng tâm Mỗi vòng tròn tương ứng với

Nhiễu xạ điện tử là hiện tượng sóng điện tử nhiễu xạ trên

các mạng tinh thể chất rắn, thường được dùng để nghiên cứu cấu trúc chất rắn bằng cách dùng một chùm điện tử có động năng cao chiếu qua mạng tinh thể chất rắn, từ đó phân tích các vân giao thoa để xác định cấu trúc vật rắn

Gọi là nhiễu xạ lựa chọn vùng bởi người dùng có thể dễ

dàng lựa chọn một vùng trên mẫu và chiếu chùm điện tử đi xuyên qua nhờ khẩu độ lựa chọn vùng (selected area

III.1.2.2 Ảnh nhiễu xạ điện tử: (tiếp theo)

+ Phương pháp nhiễu xạ bằng chùm điện tử hội tụ (Convergent Beam Electron Diffraction - CBED): là phương pháp nhiễu xạ điện tử bằng cách

hội tụ một chùm điện tử hẹp chiếu qua mẫu cần phân tích.

Với phương pháp này, chùm điện tử được hội tụ thành một điểm rất hẹp và

có thể phân tích một diện tích rất nhỏ có thể tới cỡ vài chục angstrom, hoặc vài angstrom Vì các chùm tia được hội tụ nên sẽ có nhiều chùm tia tán xạ theo các phương khác nhau

- CBED cho phép xác định cấu trúc tinh thể, đối xứng tinh thể và định hướng tinh thể với độ chính xác cao Ảnh nhiễu xạ là các điểm sáng rõ nét (nếu mẫu đơn tinh thể), tinh thể càng hoàn hảo càng rõ nét

•Áp dụng công thức Bragg: 2d.sin(θ)=λn hay 2sin(θ)=λn/d , n=1

•Do góc θ rất nhỏ, có thể tính xấp xỉ

sin(θ)≈tan(θ)=x/L

với x,L lần lượt là khoảng cách từ vân trung tâm đến vị trí vân sáng, và khoảng cách từ thấu kính đến màn tạo ảnh => d=λ.L/(2.x)

III.1.2.3 Ảnh cấu trúc Domain (Ảnh Fresnel):

-Khi điện tử truyền qua mẫu, nó sẽ tán xạ khác nhau ở các vùng mà mômen từ định hướng khá nhau, dựa trên sự lệch hướng của điện tử sau khi truyền qua => thu ảnh Fresnel cấu trúc domain

Góc lệch này rất nhỏ và cho bởi công thức :

với e là điện tích của điện tử, B0 là cảm ứng từ trong mẫu, λ là bước

sóng của sóng điện tử, t là chiều dày của mẫu, h là hằng số Planck.

 Định nghĩa: là một chế độ ghi ảnh của kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép quan sát ảnh vi cấu trúc của vật rắn với độ phân giải rất cao, đủ quan sát được sự tương phản của các lớp nguyên tử trong vật rắn có cấu trúc tinh thể Ngày nay HRTEM là một trong những công cụ mạnh để quan sát vi cấu trúc tới cấp độ nguyên tử.

 Nguyên lý của HRTEM:

Khác với các ảnh TEM thông thường có độ tương phản chủ yếu là tương

phản biên độ (ampltitude contrast) do hiệu ứng hấp thụ thì HRTEM hoạt

động dựa trên nguyên lý tương phản pha, tức là ảnh tạo ra nhờ sự giao

thoa giữa chùm tia thẳng góc và chùm tia tán xạ Khi chùm điện tử chiếu qua mẫu (có chiều dày, độ sạch và sự định hướng thích hợp) sẽ bị tán xạ theo

nhiều hướng khác nhau và sóng tán xạ sẽ ghi lại thông tin về cấu trúc, vị trí các nguyên tử Vật kính phải có độ quang sai đủ nhỏ và có độ phân giải

điểm đủ lớn để hội tụ các chùm tán xạ này, thực hiện việc giao thoa với chùm

III.1.2.4 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao:

Viết tắt là HRTEM (là chữ viết tắt High-Resolution Transmission Electron Microscopy).