Tổng hợp trực tiếp từ kim loại cấu trúc nano ôxít của telua và khảo sát đặc tính điện của chúng

Nội dung của báo cáo gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu vật liệu nano ôxít của kim loại telua và một số ứng dụng của chúng, các phương pháp chế tạo vật liệu nano ôxít. Giới thiệu về cảm biến hồng ngoại và hiệu ứng quang điện. Chương 2: Thực nghiệm Trình bày phương pháp, quá trình chế tạo và khảo sát đặc điểm, tính chất, cấu trúc hình học của vật liệu. Chương 3: Kết quả và thảo luận Phân tích, đánh giá các kết quả thu được từ các phép đo XRD, SEM, EDX, UV Vis và khảo sát đặc tính điện của vật liệu thông qua phép đo với các loại ánh sáng hồng ngoại, xanh và đỏ. Từ đó rút ra các kết luận và tính khả dụng của vật liệu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HÀ NỘI, 7/2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 7/2020

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, học tậptại Viện Vật Lý Kỹ Thuật, em đã nhận được rất nhiều kiến thức, kỹ năng, kinhnghiệm quý báu và cần thiết từ các thầy cô Em xin tỏ lòng biết ơn trân trọng tớitất cả các thầy cô và cán bộ nghiên cứu của Viện Vật Lý Kỹ Thuật, trường Đạihọc Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS Vũ Xuân Hiền,người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em tìm ra hướng nghiên cứu, tìm kiếmtài liệu, xử lý và phân tích số liệu, giải đáp các vấn đề gặp phải trong suốt quátrình nghiên cứu và thực hiện báo cáo này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bố mẹ kính yêu bao lâu nay đã luônđộng viên, khích lệ để em hoàn thành tốt nhất đồ án này Ngoài ra, bạn bè vàngười thân cũng là những người không thể thiếu đã giúp đỡ mình rất nhiều trongquá trình thực hiện đề tài nay

Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng trong báo cáo này chắc chắn sẽ khôngtránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy

cô và các bạn để em có thể hoàn thành tốt bài báo cáo

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn mọi người!

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Phân tích, đánh giá các kết quả thu được từ các phép đo XRD, SEM, EDX, Vis và khảo sát đặc tính điện của vật liệu thông qua phép đo với các loại ánh sánghồng ngoại, xanh và đỏ Từ đó rút ra các kết luận và tính khả dụng của vật liệu

UV-Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Giới thiệu kim loại telua 8

1.2 Vật liệu telua ôxít 9

Phân loại telua ôxít 9

Telua monoxit, TeO 9

Telua dioxit, TeO 2 9

Telua troxit, TeO 3 12

Một số ứng dụng của vật liệu nano oxit telua 13

1.3 Cảm biến hồng ngoại 13

Cảm biến 13

Cảm biến hồng ngoại 13

Các loại cảm biến hồng ngoại 14

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng ngoại 14

Một số đặc trưng của cảm biến hồng ngoại 16

1.4 Hiệu ứng quang điện 16

1.5 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 17

Phương pháp hóa ướt 18

Phương pháp oxy hóa nhiệt 18

Phương pháp Sol-Gel 19

Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) 19

Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD) 20

Phương pháp thủy nhiệt 21

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 22

2.1 Quá trình thí nghiệm 22

Hóa chất và các thiết bị thí nghiệm 22

Phương pháp thí nghiệm 22

Quy trình thí nghiệm 22

2.2 Các phương pháp khảo sát vật liệu 24

Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 24

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 25

Phép đo tán xạ năng lượng tia X (EDX) 26

Phép đo phổ hấp thụ UV-Vis 27

Khảo sát đặc tính điện 28

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ 30

3.1 Kết quả ảnh chụp SEM 30

3.2 Kết quả phân tích XRD 30

3.3 Kết quả phân tích EDX 31

3.4 Kết quả phân tích UV-Vis 33

3.5 Đặc tính điện của vật liệu 34

Led hồng ngoại 34

Led xanh và led đỏ 36

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bột Telua dioxit (TeO 2 ) 10

Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của TeO2: (a) α-TeO 2 , (b) β-TeO 2 , (c) γ-TeO 2 [5] .10

Hình 1.3: Mật độ năng lượng của các trạng thái điện tử Te 5s, Te 5p, O 2s, O 2p: 11

Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến 13

Hình 1.5: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 14

Hình 1.6: Mô tả hoạt động của cảm biến hồng ngoại 15

Hình 1.7: Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt 15

Hình 1.8: Cơ chế của hiệu ứng quang điện 16

Hình 1.9: Phương pháp từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up) để tổng hợp vật liệu nano 18

Hình 1.10: Hình ảnh FE-SEM của (a) dây nano ZnO và (b) dây CuO được chế tạo bằng phương pháp oxy hóa nhiệt [10] 18

Hình 1.11: Các nhóm sản phẩm của phương pháp Sol-gel 19

Hình 1.12: Sơ đồ tổng hợp nano cacbon bằng phương pháp CVD 20

Hình 1.13: Sơ đồ hệ bốc bay nhiệt 20

Hình 2.1: Bình áp suất, teflon và lọ thủy tinh 22

Hình 2.2: Hệ gia nhiệt gồm bộ gia nhiệt HC-05 và lò gia nhiệt 23

Hình 2.3: Phần mềm Hot plate để kết nối với bộ gia nhiệt HC-05 23

Hình 2.4: Cấu tạo của máy nhiễu xạ tia X (1)- Ống tia X, (2)- Đầu thu bức xạ, 24 Hình 2.5: Máy nhiễu xạ tia X 25

Hình 2.6: Sơ đồ hệ đo kính hiển vi điện tử quét 26

Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật EDX 26

Hình 2.8: Máy đo phổ UV-Vis Jaco V-750 27

Hình 2.9: Quy trình nhỏ phủ điện cực 28

Hình 2.10: Sơ đồ hệ đo 29

Hình 3.1: Ảnh SEM của các mẫu đã chế tạo 30

Hình 3.2: Kết quả phân tích XRD 31

Hình 3.3: Kết quả EDX mẫu T4 31

Hình 3.4: Ảnh mapping của mẫu T4 32

Hình 3.5: Kết quả phân tích UV-Vis với các mẫu khác nhau 33

Hình 3.6: Độ rộng cùng cấm của các mẫu 33

Hình 3.7: Đồ thị độ đáp ứng ánh sáng hồng ngoại của mẫu 34

Hình 3.8: Đường biểu diễn (a) thời gian đáp ứng và (b) thời gian hồi phục của mẫu 35

Hình 3.9: Độ đáp ứng hồng ngoại của mẫu qua 5 chu kỳ liên tiếp 35

Hình 3.10: Đồ thị độ đáp ứng led đỏ của mẫu 36Hình 3.11: Đồ thị độ đáp ứng led xanh của mẫu 36

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số tính chất của telua [1] 8

Bảng 2.1: Các mẫu được chế tạo 23

Bảng 3.1: Kích thước hạt nano của các mẫu 30

Bảng 3.2: Thành phần phần trăm nguyên tử của các mẫu 32

LỜI MỞ ĐẦU

Trong hơn hai thập kỉ qua, sự phát triển của công nghệ nano đã diễn ramạnh mẽ Các vật liệu nano chiếm vị trí hàng đầu về tốc độ phát triển trong cảhai khía cạnh: tăng cường kiến thức khoa học và các ứng dụng

Tại Việt Nam, tuy công nghệ nano chỉ mới phát triển trong khoảng mườinăm trở lại đây, nhưng cũng đã kịp thời có được những kết quả đáng khích lệ,đóng góp cho nền công nghệ nước nhà Nắm bắt được xu thế đó, các nhà khoahọc cũng như các phòng nghiên cứu đã đẩy mạnh việc nghiên cứu các ứng dụngcủa công nghệ nano trong các lĩnh vực mang tính ứng dụng cao như y học, môitrường…dựa trên chính những vật liệu nano phổ biến và dễ tổng hợp

Việc tìm kiếm và phát triển vật liệu mới luôn là vấn đề được quan tâm nhằmđáp ứng những nhu cầu của cuộc sống Với những lý do nêu trên và với sự hướngdẫn của TS Vũ Xuân Hiền, em xin được thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài:

“Tổng hợp trực tiếp từ kim loại cấu trúc nano oxit của telua và khảo sát đặc tính điện của chúng”.

Mục tiêu của đề tài này là tổng hợp vật liệu nano ôxit từ kim loại telua vàkhảo sát đặc tính điện của chúng ứng dụng trong cảm biến quang học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu kim loại telua

Telua là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Te và số nguyên tử 52 Nó làmột kim loại màu trắng bạc, giòn, có độc tính trung bình Telua có liên quan vềmặt hóa học với selen và lưu huỳnh, cả ba đều là chalcogens Nó đôi khi đượctìm thấy ở dạng tự nhiên như tinh thể nguyên tố Telua phổ biến trong vũ trụ hơn

là trên trái đất Nó là nguyên tố cực kỳ hiếm trong vỏ trái đất so với platin,nguyên nhân là do sự hình thành của nó trong hydrua dễ bay hơi làm cho nguyên

tố này bị mất trong không gian ở dạng khí trong quá trình hình thành tinh vânnóng của hành tinh Trong tự nhiên, telua tồn tại nhiều dạng khoáng vật hiếm vàthường đi cùng với các kim loại nặng khác như Cu, Pb, Hg và Au… Khoáng vậtđiển hình của telua là telurua và nó tương tự như sunfua

Bảng 1.1: Các thông số tính chất của telua [1].

sự tạo nên khoáng vật bền đó

Telua thể hiện tính khử khi tác dụng với các chất oxi hóa mạnh (như oxy,halogen, axit sunfuric đăc…) có mức oxi hóa phổ biến là +4 và +6 [1]

Telua thường được sử dụng nhiều trong luyện kim, cho thêm vào chì đểtăng độ cứng, độ bền và chống ăn mòn của axit sunfuric, cho thêm vào đồng

và thép không gỉ để dễ chế tạo, cho thêm vào gang để dễ làm nguội Các hợpchất của telua được sử dụng làm chất tạo màu cho gốm sứ Telua là vật liệuquan trọng có nhiều đặc tính hữu ích bao gồm phản ứng quang phi tuyến,quang dẫn và tính chất nhiệt điện, dẫn đến các ứng dụng tiềm năng củachúng trong các thiết bị điện tử và quang điện tử Hợp chất của telua vớibimut (Bi2Te3) và chì (PbTe) được dùng trong các thiết bị nhiệt điện Dùnglàm hợp kim với cadimi (CdTe) để sản xuất pin mặt trời có hiệu suất cao

1.2 Vật liệu telua ôxít

Phân loại telua ôxít

Telua ôxít là một loại vật liệu còn khá mới trong cuộc sống cũng nhưtrong nghiên cứu hiện nay, là hợp chất hóa học vô cơ có thành phần chínhgồm hai ngyên tố là telua và oxy Có ba loại telua ôxít thường gặp là teluamonoxit (TeO), telua dioxit (TeO2) và telua trioxit (TeO3)

Telua monoxit, TeO

Trong không khí khô, TeO là chất bột ổn định, vô định hình, màu xámhoặc chất rắn xốp, có thể truyền ánh sáng graphit bằng áp suất Nó bị oxi hóachậm trong không khí ẩm và cả khi được làm nóng trong không khí khô,được chuyển hóa thành telua dioxit

TeO không tan trong nước nhưng bị oxi hóa bởi axit nitric (HNO3) và

và axit sunfuric (H2SO4) đậm đặc được sử dụng để lắng đọng telua sunphat

So với telua và telua dioxit, TeO tương đối không ổn định, dễ bị chuyển đổithành hai chất này

TeO2 là oxit bền nhất của telua, tồn tại dưới dạng chất rắn màu trắnghoặc vàng, khó tan trong nước nhưng dễ tan trong dung dịch axit và kiềm tạothành muối teluarit (M2TeO3, M là kim loại hoa trị 1)

Hình 1.1: Bột Telua dioxit (TeO 2 ).

TeO2 là một chất bán dẫn loại p, độ rộng vùng cấm khoảng 3.32 eV [4] Có

ba pha tinh thể của TeO2 đã được ghi lại rõ ràng Hai dạng đa hình được biết đếnnhiều hơn của TeO2 là β-TeO2 telurit màu vàng và α-TeO2 paratelurit màu trắng.Trong cả hai cấu trúc này, oxy xung quanh các nguyên tử Te tạo thành một tứdiện TeO4 Các tứ diện này tạo thành một cấu trúc liên kết ba chiều của α-TeO2 vàtừng lớp mạng lưới hai chiều của β-TeO2 Gần đây một dạng tinh thể thứ ba đãđược tìm thấy γ-TeO2 Mặc dù γ-TeO2 vẫn có thể xem như được hình thành bởi

sự phân bố góc TeO4, một liên kết Te-O lớn hơn đáng kể so với ba liên kết còn lại

và bằng cách phá vỡ liên kết này trong cấu trúc mạng ba chiều, một cấu trúc dạngchuỗi sẽ xuất hiện Vì vậy, γ-TeO2 đã được mô tả dưới dạng polyme tạo thành từ

các khối TeO3 [5].

Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của TeO2: (a) α-TeO 2 , (b) β-TeO 2 , (c) γ-TeO 2 [5].

Trong đó, α-TeO2 là dạng bền phổ biến nhất của TeO2 Hầu hết các thông tinliên quan đến các phản ứng hóa học của hợp chất TeO2 thu được trong các nghiêncứu đều liên quan đến paratelurit, α-TeO2

TeO2 là vật liệu đầy tiềm năng cho các thiết bị chuyển đổi quang (như thiết

bị chuyển đổi cực nhanh và bóng bán dẫn quang học) và bộ khuếch đại quang,bởi vì các chỉ số khúc xạ cao và độ phi tuyến tính quang cao của chúng, có khảnăng truyền ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy tốt [5] TeO2 đôi khi cònđược sử dụng để tô màu gốm sứ Nó ngày càng được sử dụng nhiều trong cácứng dụng khúc xạ quang như sợi quang Do các đặc tính độc đáo của nó, TeO2 là

một phần không thể thiếu của các sản phẩm quang âm cũng như có hiệu quảnhiễu xạ tốt và nó hoạt động rất tốt ở hầu hết các mức công suất Nó thậm chí

còn có khả năng được sử dụng cho các thiết bị tốc độ cao hoặc độ phân giải caocần sử dụng laser công suất cao.

a) Tính chất điện

Các báo cáo trước về tính chất điện của vật liệu TeO2 đã được một số tác giảđưa ra, sử dụng các hàm trao đổi và tương quan khác nhau, tính toán độ rộngvùng cấm Trong báo cáo của Yanlu Li [5], đã thu được độ rộng vùng cấm xiêncủa α-TeO2 là 2,78 eV và độ rộng vùng cấm thẳng là 3,03 eV nhỏ hơn so với 3,5

rộng vùng cấm là 2,26 eV, nhỏ hơn so với giá trị tính toán khác là 3,4 eV Cáctính toán của Yanlu Li dự đoán độ rộng vùng cấm xiên cho γ-TeO2 là 2,47 eV, gầnvới giá trị tính toán khác là 2,88 eV và độ rộng vùng cấm thẳng là 2,68 eV, nhỏhơn số liệu thí nghiệm 3,41 eV Sự khác nhau trong giá trị của bề rộng vùng cấm

là do sự khác nhau của các phương pháp xử lý và sai số trong xử lý kết quả

Hình 1.3: Mật độ năng lượng của các trạng thái điện tử Te 5s, Te 5p, O 2s, O 2p:

(a) α-TeO 2 , (b) β-TeO 2 , (c) γ-TeO 2 [5].

trong hình 1.3 Mức Fermi được chon là 0 của thang đo năng lượng Đối với TeO2, các trạng thái thấp nhất (dưới -15eV) chủ yếu xuất phát từ obital O 2s với

α-sự pha trộn của obital Te 5s và Te 5p Vùng năng lượng từ -12 eV đến -7,5 eV về

cơ bản được đóng góp bởi các trạng thái điện tử Te 5s và O 2p với sự đóng gópnhỏ từ các trạng thái Te 5p và O 2s Trong vùng năng lượng từ -7,5 eV đến -4 eV,

có sự lai hóa giữa trạng thái Te 5p và O 2p và sự đóng góp của các obital O 2p và

Te 5p được lan truyền dọc theo một dải năng lượng rộng, do đó chỉ ra rằng cácliên kết cộng hóa trị một phần được hình thành Các trạng thái O 2p kiểm soát sựđóng góp chính xung quanh mức Fermi Các trạng thái Te 5s có một đỉnh rất rõràng nằm gần mức năng lượng Fermi từ -2 eV đến 0 eV So với sơ đồ mật độnăng lượng của α-TeO2, các tính chất điện của các pha β-TeO2 và γ-TeO2 cho

thấy nhiều sự khác biệt Từ sơ đồ của β-TeO2, ta có thể thấy rằng sự đóng gópcủa trạng thái Te 5p ở trạng thái dẫn là nhỏ hơn và đỉnh của trạng thái O 2p cao

khác nhau giữa hai nhóm TeO4 của α-TeO2 và β-TeO2 Cụ thể, đối với β-TeO2 sự

như hẹp hơn và các đỉnh của đồ thị trở nên sắc nét hơn Lý do là trong γ-TeO2,một nguyên tử Te liên kết với ba nguyên tử O thay cho bốn nguyên tử Sự thayđổi này làm thay đổi khoảng cách Te-O và do đó thay đổi vị trí của các vùng hóatrị và các vùng dẫn thông qua các biến thể trong hỗn hợp obital Số phối trí ít hơn

có nghĩa là tương tác mạnh hơn giữa các ion O và ion Te, và do đó dẫn đến cácdải hẹp hơn [5]

b) Tính chất quang

Các tính chất quang của TeO2 được xác định bởi hàm điện môi:

�(�) = �1(�) + ��2(�) PT 1.9

Hàm điện môi ε(ω) có thể được sử dụng để mô tả đặc trưng tuyến tính của

hệ với bức xạ điện từ có liên quan đến sự tương tác giữa các photon với electron

được đánh giá từ phần ảo ε2(ω) bằng hệ thức Kramer-Kronig:

Telua trioxit (TeO3) tồn tại dưới dạng bột, không tan trong nước, axit vàkiềm loãng, chỉ tan trong axit và kiềm đặc tạo thành telurat tương ứng TeO3 đượctìm thấy tồn tại ở hai dạng là α-TeO3 và β-TeO3 [6] Dạng α phổ biến hơn, là loạibột màu vàng, nó không tan trong nước lạnh và bị hòa tan trong kiềm mạnh.Dạng β ít phổ biến, là vật liệu màu xám hòa tan trong KOH nóng chảy nhưngkhông tan trong nước nóng, axit hoặc dung dịch kiềm

Có thể điều chế α-TeO3 bằng cách đun nóng axit teluric (H6TeO6) ở nhiệt

độ trên 300oC theo phản ứng:

β-TeO3 được cho là được hình thành bằng cách đun nóng axit telurictrong ống kín có O2 và H2SO4 trong 12-15 giờ Một số nỗ lực sản xuất β-

TeO3 là tác nhân gây oxi hóa, và khi đun sôi với axit clohydric, khí clođược giải phóng Một số chất khác cũng bị oxi hóa khi đun nóng với TeO3 nhưlưu huỳnh, phốt pho và cacbon TeO3 phản ứng với các kim loại dễ bị oxi hóanhư kẽm, nhôm, mangan, cadimi

Một số ứng dụng của vật liệu nano oxit telua

Hiện nay, vật liệu nano ôxít đã có được ứng dụng rất quan trọng trongkhoa học và cuộc sống Mặc dù oxit telua là một vật liệu nano còn khá mớinhưng nó cũng đã được ứng dụng rất nhiều trong thực tế Các ứng dụng củaoxit telua chủa yếu liên quan đến oxit TeO2 Ứng dụng trong cảm biến khí:cảm biến chọn lọc khí NO2 ở nhiệt độ thấp đã được chế tạo dựa trên dây

biến pha tạp các hạt nano In4Sn3O12 và TeO2 có đặc tính nhạy tốt với khí độc

CO [8] Kính TeO2-TiO2-ZnO được sử dụng trong các ứng dụng che chắnbức xạ [9]

1.3 Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến

Cảm biến là một thiết bị phát hiện và phản hồi một số loại kích thíchđầu vào từ môi trường vật lý Đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt độ,chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặc bất kỳ một trong số rất nhiều hiện tượngmôi trường khác

Hình 1.4: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến.

Đầu ra nói chung là tín hiệu được chuyển đổi trên màn hình có thể đọc được

ở vị trí cảm biến hoặc được truyền điện tử qua mạng để đọc hoặc xử lý thêm

Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) là một thiết bị điện tử đo và phát hiện bức

xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh Bức xạ hồng ngoại có thể cảm nhậndưới dạng nhiệt mà con người không thể nhìn thấy Thông thường những vật thể

có nhiệt độ trên 35oC sẽ phát ra bước sóng hồng ngoại Bức xạ hồng ngoại đã vôtình được phát hiện bởi một nhà thiên văn học tên là

William Herschel vào năm 1800 Trong khi đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng, ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất

Hình 1.5: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK.

Các loại cảm biến hồng ngoại

Có hai loại cảm biến hồng ngoại đó là cảm biến dạng chủ động và thụ động.Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách phát ra và phát hiện bức xạ hồngngoại

Cảm biến hồng ngoai chủ động thường cấu tạo có hai phần: diode phát sáng(LED) và máy thu Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từđèn LED sẽ phản xạ với vật thể và được máy thu phát hiện Cảm biến hồng ngoạihoạt động đóng vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trongcác hệ thống phát hiện chướng ngại vật Có hai loại cảm biến hồng ngoại chủđộng là loại truyền phát và loại phản xạ Trong cảm biến hồng ngoại loại truyềnphát, bộ phát hồng ngoại và đầu dò hồng ngoại được đặt đối diện nhau để khimột vật đi qua giữa chúng, cảm biến sẽ phát hiện vật thể Còn trong cảm biếnhồng ngoại loại phản xạ, máy phát và đầu dò được đặt cạnh nhau và đối diện vớiđối tượng Khi một đối tượng đến trước cảm biến, cảm biến sẽ phát hiện đốitượng

Cảm biến hồng ngoại thụ động có nghĩa là chỉ nhận các tia hồng ngoại phát

ra từ vật thể khác như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ, chứ nókhông phát ra tia hồng ngoại nào cả Sau khi nhận biết được nguồn nhiệt, bộphận cảm biến sẽ phân tích để xác định điều kiện báo động Vì thế người ta gọi

đó là thụ động, chỉ phát hiện chứ không phải là nguồn phát tia hồng ngoại

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánhsáng cụ thể để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR).Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biếnđang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được Khi một vật ởgần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED phản xạ với vật thể và đi vào cảm biến ánh

sáng Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.

Hình 1.6: Mô tả hoạt động của cảm biến hồng ngoại.

Hình ảnh dưới đây minh họa về cơ chế hoạt động của cảm biến hồng ngoạithụ động điển hình

Hình 1.7: Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt.

Các cảm biến thụ động luôn có mắt cảm biến với hai đơn vị Chắn trướcmắt cảm biến là một lăng kính thường làm bằng plastic, chế tạo theo kiểu lăngkính fresnel Lăng kính fresnel có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vùngcho phép tia hồng ngoại đi vào mắt cảm biến Chúng ta có thể hiểu đơn giảnrằng, nếu không có lăng kính fresnel, toàn bộ bức xạ của môi trường sẽ dội hếtvào mắt cảm biến, như vậy thì nó sẽ không có tác dụng phân biệt chuyển động,

và sẽ cực kỳ nhạy với bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ của môi trường Hai đơn vị củamắt cảm biến có tác dụng phân thành hai điện cực Một cái là điện cực dương (+)

và cái kia là điện cực âm (-) Khi hai đơn vị này được tuần tự kích hoạt thì sẽ sinh

ra một xung điện, xung điện này kích hoạt chuông báo động Chính vì nguyên lýnày, khi có người đi theo hướng vuông góc với khu vực kiểm soát của mắt cảm

biến (hướng mũi tên), thân nhiệt từ vật thể (bức xạ hồng ngoại) sẽ lần lượt kíchhoạt từng đơn vị cảm biến và làm cảm biến báo động.

Một số đặc trưng của cảm biến hồng ngoại a) Độ đáp ứng

Độ đáp ứng là độ thay đổi tín hiệu đo tương ứng với thay đổi môi trườngđược chiếu sáng Độ đáp ứng được định nghĩa là tỷ lệ điện trở của mẫu đo khiđược chiếu sáng bởi đèn hồng ngoại với điện trở khi chưa được chiếu sáng Đượcxác định bằng công thức:

b) Thời gian đáp ứng và hồi phục

Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục là hai đại lượng rất quan trọngtrong việc xác định tính hiệu quả của cảm biến Cảm biến được coi là có chấtlượng khi thời gian đáp ứng và hồi phục ngắn Thời gian đáp ứng là thời gianđược tính từ lúc bắt đầu chiếu ánh sáng hồng ngoại vào mẫu đến khi điện trở củamẫu đạt giá trị ổn định Còn thời gian hồi phục là khoảng thời gian từ lúc tắt đenhồng ngoại đến khi điện trở của mẫu hồi phục về giá trị khi chưa được chiếusáng

1.4 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện

tử được thoát khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện ngoài)sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyểnsang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài Hiệu ứng quang điện đôi khiđược người ta dùng với cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertztìm ra

Hình 1.8: Cơ chế của hiệu ứng quang điện.

Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần sốlớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làmnên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh radòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bật ra khỏi bề mặt kim loại,

ta có hiệu ứng quang điện ngoài Các điện tử không thể phát ra nếu tần số củabức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượngcần thiết để vượt ra khỏi rào thế, đó gọi là công thoát Điện tử phát xạ ra dưới tácdụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác (thường

là vật liệu bán dẫn), khi được chiếu ánh sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng,các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trởthành điện tử tự do chuyển động trong lòng của khối vật dẫn và ta có hiệu ứngquang điện trong Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vậtdẫn, do đó người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Để giải thích các định luật quang điện, Einsrein đã đưa ra lý thuyết vềlượng tử ánh sáng, theo đó chùm sáng tạo thành từ dòng các photon, năng lượngcủa mỗi hạt có gí trị bằng:

= ℏ � � +

Hệ số tự do A được gọi là công thoát của electron và chỉ phụ thuộc vào bảnchất của chính vật liệu bị chiếu sáng

1.5 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano

Để chế tạo vật liệu kích thước nano, người ta thường sử dụng hai phươngpháp cơ bản sau:

Một là phương pháp từ trên xuống (top - down) nghĩa là chia nhỏ một vật

có kích thước lớn để thu được vật liệu có kích thước nano Phương pháp vật lýnhư bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang, lắng đọng chùm laser…),sau đó giảm kích thước bằng cách sử dụng các công nghệ khắc, công nghệ ănmòn bằng cách nghiền vật liệu dạng khối, giảm kích thước bằng công nghệquang khắc, công nghệ ăn mòn…hoặc nung nóng vật liệu rồi làm nguội đột ngộtvới tốc độ nhanh để thu được vật vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha

vô định hình - tinh thể Do phương pháp này thường đòi hỏi các thiết bị phức tạpđắt tiền nên khó thực hiện với điều kiện tại Việt Nam

Hai là phương pháp từ dưới lên (bottom - up) là phương pháp tổng hợp vậtliệu nano từ các phân tử, nguyên tử hoặc ion Đây là phương pháp hóa học có thể

đi theo hai con đường: thứ nhất là đi theo con đường từ pha lỏng như phương

pháp kết tủa, sol-gel, thủy nhiệt…Và thứ hai là đi theo con đường từ pha khí như phương pháp nhiệt phân.

Hình 1.9: Phương pháp từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up) để tổng hợp

vật liệu nano.

Phương pháp hóa ướt

Phương pháp hóa ướt là phương pháp chế tạo các cấu trúc nano bằng cácphản ứng hóa học trong môi trường dung dịch ở điều kiện thường Theo phươngpháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phầnthích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa

từ dung dịch Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano Ưuđiểm của phương pháp này là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng

có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại Đặc điểm của phương pháp này là rẻtiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu Nhưng nó cũng có nhượcđiểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là khó khăn

Phương pháp oxy hóa nhiệt

Hình 1.10: Hình ảnh FE-SEM của (a) dây nano ZnO và (b) dây CuO được chế tạo

bằng phương pháp oxy hóa nhiệt [10].

Phương pháp oxy hóa nhiệt dùng nhiệt độ để oxy hóa bề mặt kim loạitạo thành cấu trúc nano ôxít kim loại, phương pháp này thường được sử dụng

để chế tạo thanh nano và dây nano, tuy nhiên có thể chế tạo các cấu trúckhác nếu biến tính bề mặt kim loại Thời kỳ đầu phương pháp này sử dụng

được hình thái và kích thước của vật liệu nano