Download miễn phí Luận văn Nghiên cứu chế tạo màng SnO2 bằng phương pháp phún xạ magnetron
Quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học trên bề
mặt màng SnO2:
- Hấp phụ vật lý: là một dạng liên kết yếu trên bề mặt. khi xảy ra
hấp phụ vật lý, cấu trúc hình học và cấu trúc điện tích bề mặt
không bị thay đ ổi. hấp phụ vật lý dựa trên lực tương tác tĩnh
điện giữa các phần tử với nhau, còn gọi là lực liên kết
Vanderwaals.
- Hấp phụ hóa học: là loại liên kết mạnh giữa các nguyên tử hấp
phụ với bề mặt vật liệu, loại liên kết này sẽ làm thay đổi cấu
trúc của bề mặt. hấp phụ hóa học thường xảy ra sau quá trình
hấp phụ vật lý khi được cung cấp năng lượng hoạt hóa (thường
là nhiệt năng).
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
.TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HCMKHOA VẬT LÝ
BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
BÀI TIỂU LUẬN
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG SnO2
BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHÚN XẠ MAGNETRON
GVHD: TS. Lê Trấn
HVTH: Lý Ngọc Thủy Tiên
1Tp.HCM Tháng 5/2010
I. Tổng quan về vật liệu SnO2 :
1) Cấu trúc tinh thể và tính chất của SnO2
a) Cấu trúc:
- Là tinh thể phân cực bất đẳng hướng, có cấu trúc rutile như
TiO2, GeO2
- Ô đơn vị chứa sáu nguyên tử, hai thiếc, bốn oxi. Bao quanh mỗi
nguyên tử thiếc có sáu nguyên tử oxi.Các nguyên tử oxi tạo
thành hình bát diện có tâm là nguyên tử thiếc.
- Hằng số mạng tinh thể: a = b = 4,737Ao, c = 3,186Ao
- T ỷ tr ọng ở 300oK l à 6.95g/cm3
- Điểm nóng chảy: 1630oC
- Hệ số dãn nở nhiệt: 0.02oC-1
b) Tính chất:
Tính chất khối:
- Là loại bán dẫn loại n, trong suốt, độ rộng vùng cấm 3,6 - 4,3
eV.
- Trong mạng tinh thể tồn tại nhiều sai hỏng. SnO2 được biết đến
như bán dẫn loại n do sự hiện diện của những nút khuyết oxi
trong mạng tinh thể, chính các nút khuyết này tạo điều kiện cho
2 điện tử trong nguyên tử Sn trở thành điện tử tự do, từ đó hình
thành hai mức donor ED1 và ED2. ED1 cách đáy vùng dẫn 0.03eV,
C ấ u trúc tinh thể SnO2
2trạng thái oxi hóa đạt được tại nhiệt độ khoảng 200oC. ED2 cách
đáy vùng dẫn 0.15 eV, trạng thái oxi hóa đạt tại nhiệt độ 400oC.
- Thiếc oxit có khả năng bền hóa học, bền cơ học rất cao, nó chỉ
bị ăn mòn bởi kiềm nóng đậm đặc.
Tính chất điện:
- Độ dẫn điện của tinh thể bán dẫn σb là tổng độ dẫn của electron
(σe) và lỗ trống (σp).
σb = σe+ σp
- Điện trở của vật liệu khối Rb được tính theo công thức:
Rb = l / (σb.A) , với σb = σe+σp = n.µ e .e + p.µp.e
µ l à độ linh động, l: chiều dài vật liệu, A: diện tích bề mặt.
- Nồng độ hạt tải điện đuợc tính:
n = Nc exp ( ); Nc = 2 ( )3/2
p = Nv exp ( ); Nv = 2 ( )3/2
- SnO2 là bán dẫn loại n , là do tồn tại các nút khuyết oxi trong
mạng tinh thể SnO2. Trong tinh thể SnO2 đồng thời chứa hai
loại hạt: Sn4+ (đã bị oxi hóa hoàn toàn) và Sn2+. Tồn tại của hai
loại hạt này mang lại cho SnO2 tính dẫn điện. Các ion nằm cạnh
nhau có thể trao đổi các cặp điện tử cho nhau dẫn đến sự di
chuyển các điện tử từ nơi này sang nơi khác tương ứng với sự
tăng độ linh động hạt tải điện, làm tăng tính dẫn điện của màng.
2) Ứng d ụng c ủa SnO2:
Vật liệu SnO2 đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện
nay:
3- Một lớp mỏng SnO2 được phủ lên cửa kính máy bay có tác
dụng gia nhiệt cửa kính và làm tan băng hay làm bốc hơi
sương mù.
- Làm điện cực trong suốt trong đèn phát quang và đèn hình máy
tính.
- Dùng làm dò khí: nếu bề mặt SnO2 tiếp xúc với không khí, oxi
được hấp thụ trên bề mặt. Tùy vào nhiệt độ, nó thay đổi trạng
thái oxi hóa thành O2- hay O-. Khi tiếp xúc với khí cần dò, Oxi
hấp phụ sẽ phản ứng với khí dò đó và làm thay đổi điện trở của
vật liệu.
- Dùng chế tạo pin mặt trời: do độ truyền qua cao và dẫn điện cao
mà vật liệu SnO2 pha tạp F được sử dụng để làm điện cực trong
suốt pin mặt trời
- Dùng làm lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn: hầu hết các chai thủy
tinh được sản xuất ngày nay đều được phủ một lớp SnO2 dày từ
10 đến 100nm. những vỏ chai này có độ bền cao hơn 20% so
với vỏ chai bình thường và có thể được tái chế.
3) Phương pháp tạo màng SnO2:
- Có nhiều phương pháp tạo màng SnO2: bốc bay, bắn chùm điện
tử, phún xạ magnetron.
- Trong đó màng SnO2 được chế tạo bằng phương pháp
Magnetron sẽ cho độ nhạy khí cực đại ở nhiệt độ thấp, và nhạy
khí ethanol cao th ích hợp cho việc ứng dụng các cảm biến độ
dẫn.
II. Cơ chế tạo màng SnO2 bằng phương pháp phún xa Magnetron:
1) Lý do tạo màng bằng phương pháp Magnetron:
Trước sự phát triển của công nghiệp thì một yêu cầu được đặt ra
đối với các thiết bị kiểm tra nồng độ các khí cháy nổ (CH4, H2,
C3H7…) và các khí độc hại (CO, NO, H2S, CH3OH…) là một vấn đề
cần thiết.
Trong các loại cảm biến dò khí thì cảm biến dò khí được chế tạo
từ màng mỏng bán dẫn SnO2 được nhiều quan tâm do SnO2 có tính
trơ hóa học, tính ổn định nhiệt cao, và giá thành rẻ.
Màng SnO2 được chế tạo bằng phương pháp Magnetron sẽ cho độ
nhạy khí cực đại ở nhiệt độ thấp, và nhạy khí ethanol cao th ích hợp
cho việc ứng dụng các cảm biến độ dẫn.
2) Các quá trình xảy ra trên bề mặt vật liệu:
4Quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học trên bề
mặt màng SnO2:
- Hấp phụ vật lý: là một dạng liên kết yếu trên bề mặt. khi xảy ra
hấp phụ vật lý, cấu trúc hình học và cấu trúc điện tích bề mặt
không bị thay đổi. hấp phụ vật lý dựa trên lực tương tác tĩnh
điện giữa các phần tử với nhau, còn gọi là lực liên kết
Vanderwaals.
- Hấp phụ hóa học: là loại liên kết mạnh giữa các nguyên tử hấp
phụ với bề mặt vật liệu, loại liên kết này sẽ làm thay đổi cấu
trúc của bề mặt. hấp phụ hóa học thường xảy ra sau quá trình
hấp phụ vật lý khi được cung cấp năng lượng hoạt hóa (thường
là nhiệt năng).
Khi năng lượng hoạt quá đạt đến một giá trị nào đó thì quá trình
hấp phụ hóa học xảy ra. Sau khi hấp phụ hóa học, trạng thái liên
kết O-O trở nên yếu đi và một trạng thái liên kết Sn-O được hình
thành. Như vậy, liên kết giữa Sn-O được hình thành từ liên kết hóa
học của phân tử Oxi với bề mặt SnO2.
Cơ chế giải hấp:
- Là quá trình ngược với quá trình hấp phụ, quá trình giải hấp xảy
ra khi liên kết hóa học giữa nguyên tử hấp phụ với bề mặt bị bẻ
gãy và nguyên tử này rời khỏi bề mặt. Điều này xảy ra khi kích
thích nhiệt đến nhiệt độ giải hấp.
- Quá trình giải hấp giúp ta tính được độ phủ bề mặt của màng
SnO2.
Cơ chế nhạy khí . Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy khí
của màng:
+ Cơ chế nhạy khí:
Tính chất nhạy khí của cảm biến khí hóa học ở dạng màng mỏng
được giải thích qua hai giai đoạn:
5 Giai đoạn đầu, các phân tử oxi trong không khí sẽ bị hấp
phụ vật lý trên bề mặt màng , dưới tác động của nhiệt độ
nó chuyển sang hấp phụ hóa học và bẫy những điện tử
trên bề mặt màng làm độ dẫn của màng giảm.
- Do bề mặt SnO2 có hiện tượng khuyết oxi nên tồn tại các ion
Sn2+ chưa bị oxi hóa hoàn toàn (ion Sn4+ bị oxi hóa hoàn toàn) .
Các phân tử O2 sau khi hấp phụ vật lý có xu hướng ion Sn2+
bằng cách lấy đi cặp điện tử của chúng, tạo thành Sn4+. Quá
trình lấy đi các điện tử làm thay đổi cấu trúc năng lượng và điện
tích ở bề mặt màng.
Ở giai đoạn tiếp theo, khi đặt màng trong môi trường khí
cần dò, các nguyên tử oxi hấp phụ sẽ tương tác với khí dò
làm độ dẫn của màng tăng lên. Sự thay đổi độ dẫn điện
trong cả hai giai đoạn thể hiện độ nhạy khí của màng, nếu
độ dẫn điện thay đổi càng nhiều, độ nhạy màng càng cao.
Trong giai đoạn này, oxi hấp phụ thực hiện quá trình oxi hóa
khử với các chất khí với môi trường xung quanh. Tùy thuộc vào
các chất khí khác nhau, phản ứng của oxi hấp phụ hóa học với
chúng sẽ khác nhau.Các khí khử khi tương tác với oxi hấp phụ sẽ
trả lại cho màng các electron, làm màng tăng tính dẫn điện.
CO + O- → CO2 + e-
C2H5OH ...