Nghiên cứu màng mỏng oxit titan, oxit kẽm trong ứng dụng pin mặt trời quang điện hóa

79/889 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGÔ THỊ MINH THÔNG NGHIÊN CỨU MÀNG MỎNG ÔXÍT TITAN, ÔXÍT KẼM TRONG ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆ

79/889 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

NGÔ THỊ MINH THÔNG

NGHIÊN CỨU MÀNG MỎNG ÔXÍT TITAN, ÔXÍT KẼM TRONG

ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng, 2020

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÝ

NGÔ THỊ MINH THÔNG

NGHIÊN CỨU MÀNG MỎNG ÔXÍT TITAN, ÔXÍT KẼM TRONG

ỨNG DỤNG PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Vật lí học Khóa học: 2016 - 2020

Người hướng dẫn: TS Dụng Văn Lữ

Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình và bạn bè đã hổ trợ chia

sẽ cho tôi hoàn thành khóa luận này

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2020

Ngô Thị Minh Thông

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG BIỂU, DANH MỤC HÌNH V

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU MÀNG MỎNG 4

1.1 Khái niệm vật liệu màng mỏng 4

1.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng 4

1.2.1 Phương pháp phún xạ sputtering 5

1.2.2 Phương pháp lắng đọng xung laser (PLD) 7

1.2.3 Phương pháp lắng đọng chùm điện tử (PED) 7

1.2.4 Phương pháp sol-gel 7

1.2.5 Phương pháp thuỷ nhiệt 8

1.2.6 Phương pháp nhiệt phân 8

1.3 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc màng 8

1.3.1 Phân tích cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 9

1.3.2 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 9

1.4 Tính chất của màng mỏng 11

1.4.1 Phân loại các tính chất của màng mỏng 11

1.4.2 Tính chất nhiệt của màng mỏng 12

1.5 Ứng dụng 13

1.6 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2 PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA 15

2.1 Pin mặt trời 15

2.2 Cấu tạo và nguyên lí làm việc 17

2.3 Các đặc trưng của pin mặt trời 19

2.3.1 Sơ đồ tương đương 19

2.3.2 Dòng ngắn mạch ISC 19

2.3.2 Thế hở mạch 20

2.3.3 Hiệu suất biến đổi quang điện 21

2.3.4 Hệ số điện (fill factor) 22

2.4 Kết luận chương 2 22

3.1.1 Các pha tinh thể 24

3.1.2 Tính chất hình thái màng TiO 2 25

3.2 Tính chất quang, điện, quang điện hóa của màng TiO 2 26

3.2.1 Tính chất quang của màng TiO 2 26

3.2.2 Tính chất điện của màng TiO 2 26

3.2.3 Tính chất quang điện của màng TiO 2 27

3.2.4 Tính chất của màng kép TiO 2 /CdS 27

3.3 Tính chất hóa học của TiO 2 28

3.4 Cấu trúc pha tinh thể ZnO 29

3.5 Tính chất quang, điện của ZnO 29

3.5.1 Tính chất quang của ZnO 29

3.5.2 Tính chất điện của ZnO 30

3.5.3 Tính quang điện hoá của ZnO 30

3.5.4 Tính chất màng kép CdS/ZnO 30

3.6 Tính chất hóa học ZnO 31

3.7 Kết luận chương 3 31

KẾT LUẬN 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

Ý KIẾN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN X

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

DSSC Dye Sensitized Solar Cells: pin mặt trời nano dùng chất nhuộm màu TiO2/CdS Màng kép Titan oxit và cadimisunfua

TEM Hiển vi điện tử truyền qua

SEM Hiển vi điện tử quét

Tia X Tia rơnghen

ĐH Đại học

SSSC Semiconductor-Sensitized Solar sells: Pin mặt trời dùng chất bán dẫn làm

chất nhạy sáng

Eg Độ rộng vùng cấm

Etx điện trường tiếp xúc

FF Fill Factor: Hệ số điền đầy

ISC Dòng ngắt mạch

PLD Phương pháp lắng đọng xung laser

p-n Chất bán dẫn loại p và n

PV Photo-voltaic: Quang điện

PED Phương pháp lắng đọng chùm điện tử

XRD Giản đồ nhiễu xạ tia X

ZnO Oxit kẽm

UV Tia tử ngoại

DANH MỤC BẢNG BIỂU, DANH MỤC HÌNH

Bảng 1.1 Phân loại tính chất của màng mỏng 18 Bảng 1.2 Ví dụ về độ dẫn nhiệt của một số chất 18 Bảng 1.3 Độ khuyết tán nhiệt theo loại vật liệu 19 Hình 1.1 Ảnh chụp cắt ngang một loại màng mỏng 10 Hình 1.2 Máy phún xạ tại Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm Đà Nẵng 11 Hình 1.3 Minh hoạ nguyên lý của phương pháp phún xạ sputtering 12 Hình 1.4 Máy SE tại Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm Đà Nẵng 15 Hình 1.5 Máy XRD tại Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm Đà Nẵng 16 Hình 1.6 Nhiễu xạ của tia X trên tinh thể 16

Hình 2.2 Nguyên lý làm việc pin quang điện 23

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của Pin mặt trời vào cường độ bức

Hình 4.1 Cấu trúc tinh thể của ZnO ở ba dạng (a) Rocksalt, (b) Zinc blende

và (c) Wurtzite Hình cầu màu xám và màu đen biểu thị cho nguyên

tử Zn và O

37

MỞ ĐẦU

Với tình hình công nghiệp hóa ngày càng phát triển, thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng, trong khi nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt Đồng thời, việc sử dụng quá mức năng lượng này là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm môi trường và làm biến đổi khí hậu Do đó, chúng ta cần tìm các nguồn năng lượng sạch có khả năng tái tạo (như: năng lượng gió, thuỷ điện, mặt trời, ) là hướng đi quan trọng đặt ra đối với các quốc gia trên thế giới Trong

đó, năng lượng mặt trời tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng tái tạo khác Đó là nguồn năng lượng vô tận, siêu sạch và miễn phí Hàng năm, Trái đất nhận được nguồn năng lượng mặt trời vào khoảng 3,8.1024 J, nhiều hơn khoảng

10000 lần nhu cầu năng lượng của con người hiện tại

Việt Nam nằm trên vùng xích đạo, là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Đây là nguồn năng lượng sạch và vô cùng dồi dào đòi hỏi chúng ta phải tận dụng khai thác Đồng thời, nếu ta tận dụng được nguồn nhiệt từ mặt trời này để biến thanh năng lượng điện phục vụ sinh hoạt, thì nó cũng làm giảm nhiệt độ của khu vực, và cả Trái đất

Từ năm 1839, nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện, tức ánh sáng thích hợp chiếu lên kim loại làm bứt các điện tử,

và nó có thể tạo ra dòng điện Nhưng mãi đến năm 1883, Charles Fritts chế tạo pin mặt trời đầu tiên với hiệu suất chỉ khoảng 1% Hơn sáu thập kỉ sau, pin mặt trời đầu tiên dựa trên cơ sở lớp chuyển tiếp p-n đã được thực hiện từ 1946 bởi Russell Ohl

Do công nghệ chế tạo khá phức tạp, giá thành cao (vì phải sử dụng đơn tinh thể silic

có độ sạch cao) nên pin mặt trời dựa trên lớp chuyển tiếp p-n vẫn chưa được sử dụng

cứu, chế tạo và cải tiến pin mặt trời, và hiện nay, nó đã được sử dụng rộng rãi ở các nước tiên tiến

Ở Việt Nam, việc quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực này còn rất nhiều hạn chế Chính vì vậy hơn lúc nào hết chúng ta cần phải tập trung nghiên cứu để có thể khai thác và sử dụng một cách hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng sạch, tái tạo lại được mà thiên nhiên ban tặng cho chúng ta Để thực hiện nhiệm

vụ này thì rất cần phải đẩy mạnh triển khai việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện pin mặt trời

Trong số đó, nổi bật có nhóm nghiên cứu do PGS.TS Phạm Duy Long, Viện Khoa học Vật liệu đã tiến hành nghiên cứu nhằm mục tiêu xây dựng hướng nghiên cứu phát triển pin mặt trời thế hệ thứ 3 (pin mặt trời nano) và hướng tới việc làm chủ các công nghệ, chế tạo được các loại pin mặt trời DSSCs (Dye Sensitized Solar Cells)

và QDSSCs (Quantum Dot sensitized Solar Cells) Đồng thời tìm kiếm các giải pháp công nghệ nâng cao hiệu suất, đặc biệt là với các pin mặt trời kích thước lớn để có thể tạo ra các panel pin mặt trời hướng tới mục đích ứng dụng vào thực tế

Ở Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng vừa được tiếp cận các thiết bị tiên tiến: Hệ thống phún xạ tạo màng mỏng DS3000 Máy phân tích nhiễu

xạ Tia X (D8 Advance Eco), Bruker, Đức.Hệ máy quang phổ huỳnh quang 22), Horiba, Mỹ Máy SEM JSM IT-200, Jeol, Nhật Bản Và các thiết bị khác phù hợp để chế tạo và nghiên cứu tính chất màng mỏng

(FL3C-Với những lí do trên, trong khóa luận này, chúng tôi chọn đề tài “nghiên cứu

màng mỏng oxit titan, oxit kẽm trong ứng dụng pin mặt trời quang điện hóa”

Mục tiêu của khóa luận: nghiên cứu lí thuyết tính chất màng oxit titan và oxit

kẽm dùng trong pin mặt trời quang điện hóa để tìm ra phương án tốt nhất để chế tạo

Để đạt được mục tiêu đó, trong khóa luận thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Nghiên cứu tổng quan màng mỏng

- Nghiên cứu nguyên lí hoạt động pin mặt trời quang điện hóa và các thể hệ phát triển của nó

- Nghiên cứu các tính chất màng oxit titan

- Nghiên cứu tính chất màng oxit kẽm

Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Pin mặt trời, màng oxit tian và màng oxit

kẽm

Do nhiều lí do khách quan, nên đề tài chỉ thực hiện với phương pháp nghiên

cứu lí thuyết

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận được chia làm

4 chương như sau:

Chương 1: Vật liệu màng mỏng

Chương 2: Pin mặt trời quang điện hóa

Chương 3: Tính chất màng oxit titan TiO2

Chương 4: Tính chất màng oxit kẽm ZnO

CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU MÀNG MỎNG 1.1 Khái niệm vật liệu màng mỏng

Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho bề dày nhỏ hơn nhiều các chiều còn lại Nó có thể chỉ từ một vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet hay micromet Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của điện tử thì tính chất màng mỏng thay đổi hoàn toàn so với tính chất của vật liệu khối [1] Ví dụ trên Hình 1.1 Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp, gồm 10 lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta/Cu/Au với kích thước cỡ vài chục nano mét

1.2.1 Phương pháp phún xạ sputtering

Phún xạ (sputtering) hay phún xạ catốt (cathode sputtering) là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng [3] Người ta dùng các iôn khí hiếm được tăng tốc trong điện trường để bắn phá bề mặt bia vật liệu, động năng của ion hoá truyền cho các nguyên tử trên bia khiến chúng bị bật ra bay về phía đế và lắng đọng trên đế

Hình 1.2 Máy phún xạ tại Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm Đà Nẵng

Khác với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay hơi do đốt nóng mà thực chất quá trình phún xạ là quá trình truyền động năng Vật liệu nguồn được tạo thành dạng các tấm bia (target) và được đặt tại điện cực (thường là catốt), buồng được hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar) Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khí hiếm bị iôn hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia với tốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho các nguyên tử vật liệu tại bề mặt bia Các nguyên tử được truyền động năng sẽ bay về phía đế và lắng đọng trên đế Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ Hình 1.3 minh hoạ nguyên lý của phương pháp sputtering [3]

Hình 1.3 Minh hoạ nguyên lý của phương pháp phún xạ sputtering

Ta có thể chia quá trình phún xa ra thành ba giai đoạn [1]:

1 Gia tốc ion trong lớp vỏ plasma ở vùng catot

2 Ion bắn phá vào bia, các nguyên tử trong bia chuyển động va chạm nhau

3 Các nguyên tử thoái ra khởi bia và lắng đọng trên đế

Ưu điểm của phương pháp phún xạ sputtering [1]:

- Tất cả các loại vật liệu đều có thể phún xạ, nghĩa là từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất

- Bia phún xạ thường dùng được lâu, bởi vì lớp phún xạ rất mỏng

- Có thể đặt bia theo nhiều hướng, trong nhiều trường hợp, có thể dùng bia diện tích lớn, do đó bia là nguồn “bốc bay” rất lớn

- Trong magnetron có thể chế tạo màng mỏng từ bia có cấu hình đa dạng, phu thuộc vào cách lắp đặt nam châm, bia có thể thiết kế hính dạng của bề mặt đế

- Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa

Nhược điểm của phương pháp phún xạ sputtering [1]:

- Phần lớn năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia, cho nên phải

có bộ làm lạnh bia

- Tốc độ phúc xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chân không,

- Hiệu suất về năng lượng thấp, cho nên phúc xạ không phải là phương pháp tiết kiệm năng lượng,

- Bia thường là rất khó chế tạo và đăt tiền,

- Hiệu suất sử dụng bia thấp (không sử dụng được hết, nhiều khi do bia giòn, cho nên dễ nứt dẫn đến hỏng sau số lần phún xạ chưa nhiều

- Trong nhiều trường hợp, không cần đến nhiệt độ đế, nhưng nó luôn bị đốt nóng

- Các tạp chất nhiễm từ thành chuông, trong chương hay từ anot có thể bị lẫn vào trong màng

1.2.2 Phương pháp lắng đọng xung laser (PLD)

Trong phương pháp PLD, người ta sử dụng một chùm laser công suất cao dưới dạng xung chiếu vào bia làm bốc hơi vật liệu để lắng đọng lên đế tạo thành màng mỏng Bia và đế được đặt trong một buồng chân không (hoặc chứa một chất khí nào đó) Để điều chỉnh chùm tia chiếu trên bề mặt bia, người ta sử dụng một hệ thống quang học Ưu điểm của phương pháp lắng đọng xung laser là: thực hiện bốc bay hầu hết vật liệu (kim loại, chất điện môi, chất bán dẫn, ), dễ dàng điều chỉnh được các thông số chế tạo, thời gian tạo mẫu nhanh [3]

1.2.3 Phương pháp lắng đọng chùm điện tử (PED)

Trong phương pháp lắng đọng chùm điện tử, người ta sử dụng động năng của chùm điện tử va chạm với bia làm bật ra các nguyên tử, các nguyên tử này chuyển động về phía đế và lắng đọng trên đế tạo thành màng mỏng [3]

1.2.4 Phương pháp sol-gel

Phương pháp sol-gel là một phương pháp linh hoạt được sử dụng trong việc tạo ra các vật liệu gốm khác nhau Thông thường, trong quá trình sol-gel, các hạt keo

loại) Sau khi hoàn thành quá trình trùng hợp và mất tính hoà tan thì dung dịch tiền chất chuyển từ sol lỏng sang gel pha rắn Bằng phương pháp sol-gel và các biện pháp

xử lý thích hợp có thể chế tạo vật liệu gốm với nhiều dạng khác nhau như: bột nano, màng mỏng, sợi gốm, màng xốp, gốm chắc đặc hoặc các vật liệu aerogel cực xốp [3]

1.2.5 Phương pháp thuỷ nhiệt

Phương pháp thuỷ nhiệt thường được thực hiện trong ống thép chịu lực, được gọi là nồi hấp (thường có ống teflon) Nhiệt độ và áp suất trong nồi hấp được khống chế để thực hiện phản ứng xảy ra trong dung dịch có nước Nhiệt độ trong nồi hấp

có thể tăng lên trên điểm sôi của nước tiến tới áp suất hơi bão hoà Nhiệt độ và lượng dung dịch cho vào nồi hấp ảnh hưởng đến áp suất bên trong bình Phương pháp thuỷ nhiệt là phương pháp được sử dụng rộng rãi để chế tạo các hạt nhỏ trong công nghiệp gốm [3]

1.2.6 Phương pháp nhiệt phân

Phương pháp nhiệt phân gần như giống phương pháp thuỷ nhiệt ngoại trừ dung môi được sử dụng ở đây là kỵ nước Tuy nhiên, nhiệt độ có thể cao hơn nhiều so với phương pháp thuỷ nhiệt, bởi vì các dung môi hữu cơ được lựa chọn có điểm sôi cao

1.3 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc màng

Sau khi chế tạo màng, tùy theo mục dích khảo sát tình chất để kiểm tra cấu trúc của màng có như mong muốn, ta dùng các phương pháp để xác định cấu trúc màng Các phương pháp đó có thể là: Phương pháp nhiễu xạ tia X; Phương pháp Stylus; Phép đo hiệu ứng Hall; Phương pháp đo điện trở suất; Phương pháp sử dụng phần mềm Scout; phép phân tích phổ tán xạ Raman; ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM); quang phổ huỳnh quang Trong phần này, đề tài giới thiệu kĩ hiển vi điện

tử quét (SEM) để phân tích cấu trúc bề mặt và phương pháp nhiễu xạ tia X để phân tích cấu trúc tinh thể mà khoa Vật lý, Trường ĐH Sư phạm Đà Nẵng có thể thực hiện được (Hình 1.4 và Hình 1.5.)

1.3.1 Phân tích cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Trong kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope: SEM), chùm điện tử sơ cấp được gia tốc bằng một hiệu điện thế từ 1-50 kV giữa anốt và catốt rồi

đi qua thấu kính từ hội tụ Chùm điện tử được điều khiển để quét trên bề mặt mẫu đặt trong buồng chân không Chùm điện tử có đường kính từ 1-10 nm mang dòng điện từ 10-12 - 10-10 (A) đến bề mặt mẫu Do sự tương tác của chùm điện tử với các nguyên tử trên bề mặt mẫu, các điện tử thứ cấp phát ra được thu, chuyển thành tín hiệu điện và chuyển thành hình ảnh biểu thị cho hình thái bề mặt vật liệu

Hình 1.4 Máy SEM tại Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm Đà Nẵng

1.3.2 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) có nguyên lý dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg Khi chiếu chùm tia X có bước sóng λ vào bề mặt tinh thể vật rắn Hình 1.6., nếu hiệu quang lộ giữa các tia phản xạ từ các mặt lân cận nhau thoả mãn công thức Bragg sẽ xuất hiện cực đại nhiễn xạ:

2𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑘𝜆,

trong đó, d là khoảng cách hai lớp mạng liên tiếp (còn gọi là chu kì mạng), θ là góc nhiễu xạ, λ là bước sóng tới nhiễu xạ (do may phát ra, cỡ A0)

Hình 1.5 Máy XRD tại Khoa Vật lý, ĐH Sư phạm Đà Nẵng

Tập hợp các cực đại nhiễu xạ (gọi tắt là đỉnh) ứng với các góc 2θ khác nhau

có thể được ghi nhận bằng cách sử dụng phim hay detector Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau thì phổ nhiễu xạ có những đỉnh tương ứng với các giá trị d, θ khác nhau đặc trưng cho loại vật liệu đó Đối chiếu với phổ nhiễu xạ tia X (góc 2θ của các cực đại nhiễu xạ, khoảng cách d của các mặt phẳng nguyên tử) với dữ liệu chuẩn quốc tế

có thể xác định được cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng ) và thành phần pha của loại vật liệu đó

Hình 1.6 Nhiễu xạ của tia X trên tinh thể Hình 1.7 Thu phổ nhiễu xạ tia X

1.4 Tính chất của màng mỏng

Mỗi loại màng mỏng khác nhau sẽ có những tính chất cơ học khác nhau, chúng

có các đặc điểm như sau:

- Độ cứng của vật liệu: nó cho ta thấy được khả năng chống xuyên thủng của vật liệu và tuổi thọ hữu ích của màng và phụ thuộc bởi độ dày của màng

- Khi các áp lực tác dụng lên màng mỏng sẽ hạn chế được sự bong tróc và rạn, gãy của vật liệu khối

- Khả năng dịch chuyển điện tích của khối vật liệu thông qua màng mỏng

1.4.1 Phân loại các tính chất của màng mỏng

Tùy theo tính chất của màng mỏng, mà ta có thể ứng dụng chúng trong các lĩnh vực kĩ thuật khác nhau Trên Bảng 1.1 mô tả các tính chất ứng với các ứng dụng trong kĩ thuật

Loại tính chất màng mỏng Ví dụ ứng dụng

Quang học Lớp phản xạ hay chống phản xạ

Đĩa CD Ống dẫn sóng

Linh kiện áp điện Cách điện

Dẫn điện

Nhiệt Lớp ngăn

Lớp tỏa nhiệt

Bảng 1.1 Phân loại tính chất của màng mỏng

Trong ứng dụng pin điện hóa, tính chất của màng mỏng ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như độ bền của pin Ở mục này, đề tài chỉ giới thiệu qua tính chất nhiệt tổng quát cho các loại màng mỏng; còn tính chất điện và quang quan trọng hơn sẽ được nghiên cứu kĩ trong các màng tương ứng với các chương sau

1.4.2 Tính chất nhiệt của màng mỏng

Sự truyền tải nhiệt trong chất rắn là rất nhạy với cấu trúc bên trong và màng mỏng chứa khuyết tật hạn chế sự truyền tải nhiệt bởi các phonon Ngoài ra sự hổn độn giữa các lớp màng mỏng và chất nền tạo thành lớp ngăn nhiệt, làm giảm tính dẫn nhiệt Xác định tính chất nhiệt của màng mỏng thông qua các thông số nhiệt: độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt, nhiệt dung riêng của màng mỏng

Độ dẫn nhiệt: là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, được xác định bằng năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích vật liệu trong một đơn vị thời gian, kí hiệu độ dẫn nhiệt là λ Một vài ví dụ về độ dẫn nhiệt ở Bảng 1.2.:

Than chì nhiệt phân (Pyrolytic graphite)

1.22×10-3

Bảng 1.3 Độ khuyết tán nhiệt theo loại vật liệu

Ngoài ra, còn có các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất nhiệt của màng mỏng, như ảnh hưởng của đế; mật độ liên kết ngang; hệ số dẫn nhiệt giữa các bề mặt; độ dày của màng

1.5 Ứng dụng

Màng mỏng dược ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kĩ thuật, ví dụ như:

- Nano chip, chế tạo các thiết bị điện tử ứng dụng trong kĩ thuật MEMS, HDD, cảm biến (sensor) và bộ dẫn động

- chế tạo màng điện môi, bán dẫn

- chế tạo solar cell vô cơ

- nghiên cứu vật liệu bán dẫn cấu trúc nano

- sensor khí dựa trên vật liệu graphene