quy trình thực hiện chế tạo thanh nano kẽm oxit trên đế thủy tinh

Lưu ý phần MEA khi rút ra để pha hóa chất còn dư thì không được bỏ lại vào bình hóa chất mà phải bỏ đi có thể hơi hao phí hóa chất nhưng nếu để sử dụng lại thì sợ không đảm bảo chất lượ

QUY TRÌNH THỰC HIỆN CHẾ TẠO THANH NANO KẼM OXÍT TRÊN

ĐẾ THỦY TINH

- -I.THIẾT BỊ

1.Cân điện tử

Khối lượng các hóa chất được xác định bằng cân điện tử Sartorius TE 214S, chính xác đến bốn chữ số

Hình 4.1 Cân điện tử

2 Máy khuấy từ

Máy khuấy từ có chức năng gia nhiệt đến 400oC và khuấy từ

Hình 4.2 Máy khuấy từ và gia nhiệt

3 Lò nung

Lò nung có thể điều chỉnh nhiệt độ cũng như vận tốc tang nhiệt, nhiệt độ tối đa là

1400oC

Hình 4.3 Lò nungVMK1400 có thể điều chỉnh nhiệt độ

4 Hệ nhúng

Hệ nhúng tự chế của phòng thí nghiệm Chế Tạo Màng Mỏng thuộc khoa Khoa Học Vật Liệu – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQG TP.HCM

Hình 4.4 Hệ nhúng

II.QUY TRÌNH THỰC HIỆN

1.Tạo Dung Dịch Mầm

Thông số pha chế:

( Sử dụng becher 50ml để pha ~40ml dung dịch với nồng độ 0.75M, tỷ lệ 1:1 )

40ml dd Ethanol (CH3CH2OH) (dung môi)

1.8ml dd MEA Monoethanolamine C2H7NO ( chất tạo phức )

6.56g Zinc Acetate Dehydrate (Zn(CH3COOH)2.2H2O) ( tác nhân chính tạo màng kẽm oxide)

Cách tính khối lượng hóa chất như sau:

o Ví dụ pha 40ml dung dịch sol với nồng độ là 0.75M

• Số mol Ethanol = mol MEA = mol Zn2+ = V.Cm = 0.75 x 0.04 = 0.03 mol

→ m MEA = n.M = 0.03 x 61.08 = 1.8324 g = 1.8 ml

m Zn(CH3COO)2.2H2O = 0.03 x 219.49 = 6.58 g → V Ethanol = 40 – 1.8 = 38.2 ml

Thực hiện pha dung dịch tạo mầm

Lấy becher 50ml cho lần lượt theo thứ tự các hóa chất Ethanol, MEA, Zinc

Acetate Dedydrate Sau đó bỏ cá từ và bịt nilon 2 lớp lại rồi khuấy Lưu ý phần MEA khi rút ra để pha hóa chất còn dư thì không được bỏ lại vào bình hóa chất mà phải bỏ đi ( có thể hơi hao phí hóa chất nhưng nếu để sử dụng lại thì sợ không đảm bảo chất lượng ) Sau

khi khuấy xong thì bỏ vào bình đựng mẫu (dessicator ) trong 22 tiếng(không được để ở ngoài không khí đặc biệt là những chỗ ẩm, tốt nhất là để vào bình desiccator )

Với lượng dung dịch như trên thì chỉ mất khoảng từ 5 đế 8 phút thì dung dịch sẽ trong trở lại theo đúng màu của chất dung môi, với trường hợp có màu hơi ngả vàng thì

cần xem lại chất lượng của MEA vì có khả năng MEA trong bình đựng đã bị oxi hóa, còn khi khuấy hay sau khi ủ có kết tủa trắng thì phải bỏ ngay vì hơi nước đã bay vào becher dung dịch tạo ra kết tủa kẽm

Dung dịch mầm sau khi ủ qua 22 giờ

2.Cắt lam và xử lý đế

Cắt lam với kích thước :

Chiều dài ~ 6cm

Chiều rộng ~ 0.8cm

Xử lý đế:

Pha dung dịch NaOH với nước cất 2 lần, nồng độ 1M ( 50ml nước cất thì cho vào 4g NaOH) Sau đó bỏ mẫu ngâm với dung dịch NaOH trong vòng 30 phút Khi đã ngâm với

dung dịch NaOH xong thì dùng nước cất 1 lần tráng đi tráng lại nhiều lần sau đó dùng nước cất 2 lần đánh siêu âm với lam trong vòng 30 phút.

Việc ngâm trong dung dịch NaOH nhằm tẩy rửa cũng như là làm trám các sai hỏng trên

bề mặt đế

Đánh siêu âm nhằm loại bỏ các tạp chất trong

3.Thực hiện nhúng mầm

Chuẫn bị dụng cụ:

Dụng cụ chuẩn bị gồm kẹp, aceton, khăn giấy ( khăn vải), máy sấy, chén sứ, kẹp cá sấu nhỏ

Thực hiện nhúng mầm:

Lau lam thật sạch bằng aceton sau đó sấy sơ sau đó mới để vào hệ nhúng Khi nhúng xong thì để mẫu ổn định trong hệ nhúng tầm 2 phút sau đó mới lấy ra và để vào chén sứ

và đem nung mầm Trung bình một lần chỉ nên nhúng nhiều nhất là 8 mẫu trở xuống để

cho mẫu không bị để lâu ngoài không khí, dễ bám bụi

Quý trình tăng nhiệt độ khi nung như sau:

Từ nhiệt độ phòng lên 100o tăng nhiệt với tốc độ là 200o/h

Từ 100o đến nhiệt độ khảo sát thì giảm tốc độ xuống còn 100o/h

Thực hiện nhúng mầm

Các phản ứng xảy ra trong quá trình tạo lớp mầm:

Muối kẽm là một loại muối lưỡng tính trong khi acid acetate lại là một acid yếu nên dễ dàng bị phân ly trong nước Mức độ phân ly còn phụ thuộc vào lượng hơi nước trong môi trường xung quanh cũng như lượng nước mà chất kẽm ngậm vào ban đầu Sản phẩm của quá trình này là tạo ra được dạng kẽm acetate cơ bản cùng với acid acetate và phức kẽm acetate

2Zn(CH3COO)2 + H2O ↔ Zn(OH)(CH3COO) + CH3COOH + Zn2+2CH3COO -Nhưng nếu nung muối kẻm liên tục ở nhiệt độ cao thì nó sẽ tạo ra kẽm hydroxit cùng với acid acetate dạng hơi:

Zn(CH3COO)2 + 2H2O → Zn(OH)2 + 2CH3COOH↑

Khi có sự xuất hiện của các chất nhóm amine thì quá trình tạo màng kẽm oxit sẽ được tiến hành thông qua các quá trình thủy phân, ngưng tụ và trùng ngưng:

→ Zn(CH3COO)2 + OH- → Zn(CH3COO)(OH) + CH3COO- ( thủy phân )

→ Zn(OH)(CH3COO) + OH- → Zn(OH)2 + CH3COO

-( Zn-(OH) 2 → ZnO + H 2 O )

→ HO−Zn−OH + HO−Zn−OH → HO−Zn−O−Zn−OH + H2O ( ngưng tụ )

→ HO−Zn−O−Zn−OH + HO−Zn−OH → HO−Zn−O−Zn−O−Zn−OH ( trùng ngưng )

Quá trình này sẽ tiếp tục và đến khi hơi nước bay hết thì sản phẩm cuối cùng có thể được viết dưới dạng HO–(Zn–O–Zn)n–OH, trong đó n là số phân tử tham gia trong quá trình trùng ngưng Đây chính là công thức màng ZnO khi được lắng đọng trên đế

4.Pha dung dịch tạo rod

Thông số pha chế:

(Sử dụng becher 150ml để pha ~ 100ml dung dịch nồng độ 0.03M, tỷ lệ 1:1)

100ml dd nước cất 2 lần ( dung môi )

0.42g HTMA ( hexamethylenetetramine ) C6H12N4 ( chất tạo môi trường kiềm )

0.9175g zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO3 )2.6H2O) ( tác nhân chính tạo thanh ZnO )

(Cách thức tính khối lượng cũng tương tự như dung dịch mầm)

Thực hiện khuấy dung dịch rod

Tương tự như pha dung dịch tạo mầm, ta lần lượt theo thứ tự cho nước cất 2 lần, HTMA

và Zinc nitrate vào becher và bỏ cá từ, bị nilon 2 lớp và khuấy trong thời gian khảo sát Sau đó cũng đem để vào bình dessicator trong 22 tiếng giống như dung dịch mầm

Với lượng dung dịch trên thì chỉ cần khuấy trong 5 phút sẽ thấy xuất hiện kết tủa kẽm trắng đóng thành các đám nhỏ, kết tủa này không bị mất đi kể cả khi để qua 22 tiếng

Dung dịch rod sau khi khuấy

5.Thực hiện tạo rod

Trước tiên cần chọn mặt mầm tốt để đánh dấu ( đánh dấu trên phần mặt mầm xấu )

Dụng cụ cần dùng là bếp dầu, lọ nhỏ, kẹp, becher 100ml, cao su non, nylon Nhật, chén

sứ, khăn giấy

Đối với bếp dầu cần khoảng thời gian 1h để chuẩn bị để đảm bảo lên đúng nhiệt độ, trong quá trình đó thường xuyên kiểm tra nhiệt độ

Bỏ mẫu vào lọ nhỏ sau đó bịt miệng lọ lại bằng 2 lớn nilon và dùng cao su non quấn quanh thành miệng nhằm khi đậy nắp thì bình sẽ kín và chặt Sau đó bỏ vào bếp dầu đã

đạt tới nhiệt độ khảo sát để ủ rod.

Chuẩn bị ủ rod

Khi còn khoảng 15p nữa để lấy mẫu ra thì chuẩn bị một becher 100ml đựng nước cất 2 lần và đun bằng một bếp khác cho nước đến bằng đúng nhiệt độ của bếp dầu

Lấy mẫu ra sau đó bỏ mẫu vào becher nước cất đã chuẩn bị trước sau khoảng 1phút và

lấy ra sau đó đem vào lò nung để sấy khô trong khoảng nhiệt độ là 100.

Các phản ứng xảy ra trong quá trình tạo thanh rod:

Trong dung môi nước, ion Zn2+ được tạo ra nhờ phương trình phân ly zinc nitrate hexahydrate:

Zn(NO3)2.6H2O → Zn2+ + 2NO3 Khí NH3 được tạo ra nhờ phản ứng giữa hexamethylenetetramine và nước

(CH2)6N4 + 6H2O → 6HCHO + 4NH3 ↑ Khí NH3 sau đó kết hợp với nước tạo môi trường Bazo chứa ion OH–

NH3 + H2O → NH4+ + OH– Các ion Zn2+ và OH– tìm đến với nhau tạo kết tủa kẽm hydroxit

Zn2+ + 2OH– → Zn(OH)2 ↓ Dưới tác dụng của nhiệt độ, kẽm hydroxit bị phân hủy tạo kẽm oxit theo phương trình:

Zn(OH)2 → ZnO + H2O

Lưu ý: Sau mổi quá trình làm nên ghi lại nhật ký, cụ thể thời gian, nhằm có được cái nhìn khách quan nhất của quá trình làm việc Nên chụp hình lài toàn bộ thời gian phát triển thanh rod!