Chương 2. VẬT LIỆU ZnO VÀ ZnO NANOROD
2.2 Vật liệu ZnO nanorod
2.2.2 Tính chất và ứng dụng của ZnO nanorod
Trong cấu trúc một chiều, dòng điện tử chỉ di chuyển một chiều theo chiều mở rộng của ZnO. Tuy rằng độ dẫn điện của vật liệu phụ thuộc vào nồng độ hạt tải và độ linh động, nhưng giả sử nồng độ hạt tải và độ linh động là không đổi với mọi hình thái khác nhau của cấu trúc ZnO, thì độ dẫn điện vẫn phụ thuộc vào hình thái của vật liệu. Đối với vật liệu một chiều thì điện tử tự do được sinh ra trong quá trình hấp thu ánh sáng sẽ di chuyển một chiều theo chiều mở rộng, nên mất mát năng lượng của điện tử bị hạn chế. Điều này sẽ làm cho vật liệu có hiệu suất lượng tử cao so với vật liệu hai hay ba chiều. Vì thế ZnO NRs thường được làm hiệu ứng truyền dẫn trong pin mặt trời lai hóa hay trong LED lai hóa dị thể. Trong cấu trúc lai hóa ZnO NRs sẽ đan xen tạo thành ma trận truyền dẫn trong hỗn hợp hữu cơ.
Xét trường hợp trong đó kích thước của vật rắn theo phương y và phương z co lại vài chục nanomet. Khi đó các electron chỉ có thể chuyển động tự do theo
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
phương x, còn chuyển động của chúng theo phương y, z bị giới hạn bởi các biên, theo hai chiều này điện tử bị giam giữ, vì thế trạng thái mức năng lượng sẽ bị thay đổi. Các trạng thái được phép của điên tử trong vật rắn được mô tả như những đường thẳng song song với kx trong không gian ba chiều và theo chiều này, phân bố trạng thái là liên tục. Tuy nhiên, sự phân bố các chiều còn lại có tính gián đoạn, bởi vì dọc theo trục ky, kz chỉ tồn tại các giá trị năng lượng gián đoạn. Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ theo một chiều và chiếm các trạng thái lượng tử hóa ở hai chiều còn lại, chính sự hạn chế chuyển động của điện tử dẫn đến việc thay đổi cấu trúc vùng năng lượng. Theo trục y và z, năng lượng bị lượng tử hóa và được tính theo công thức:
2 2
) 2 ( y
y
y d
n
E m
(2.5)
2 2
) 2 ( z
z
z d
n
E m
(2.6)
Trong đó dy, dz và ny, nz là kích thước số lượng tử theo các chiều y, z, m* là khối lượng hiệu dụng.
Còn theo chiều x, do chiều này không bị hạn chế, chuyển động của điện tử theo hàm sóng tuần hoàn và phổ năng lượng sẽ giống như trong vật rắn ở dạng khối:
2 2
2 x
z k
E m
(2.7)
Với
2
kx là vector sóng theo trục x.
Và phổ năng lượng của điện tử En = Ex+Ey+Ez
Như vậy, sự thay đổi kích thước sẽ dẫn đến việc thay đổi mạnh phổ năng lượng của vật liệu, và dẫn đến việc thay đổi các tính chất điện, quang.
Một lý do khác làm cho vật liệu 1D dẫn điện tốt là hiệu ứng biên, ở tại biên của vật liệu 1D các nguyên tử sẽ không được liên kết với các nguyên tử khác một cách đầy đủ với các nguyên tử lân cận, chỉ liên kết với các nguyên tử bên trong bờ.
Sự thiếu đi các liên kết này có thể coi như các sai hỏng trong cấu trúc và sai hỏng này góp phần vào quá trình dẫn điện của vật liệu 1D. Những nút khuyết này ngoài
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
vai trò như là mức donor làm tăng đáng kể độ dẫn điện của ZnO đồng thời nó còn hoạt động như những trạng thái bẫy có khả năng bắt giữ các phân tử khí trong môi trường. Điều này có nghĩa là các vị trí khuyết oxi làm tăng tính nhạy hóa học cho vật liệu ZnO. Đây là một tính chất đặc biệt của ZnO để ứng dụng vào trong lĩnh vực cảm biến khí và cảm biến sinh học. Một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ linh động của vật liệu 1D khoảng 80cm2/Vs cao hơn rất nhiều so với độ linh động của vật liệu màng 2D khoảng 7cm2/Vs [5]. Các nghiên cứu và cơ sở lý thuyết trên cho ta thấy ZnO có cấu trúc 1D có khã năng truyền dẫn điện tích với tốc độ cao được ứng dụng trong pin mặt trời [14,15], LED [16,17], diện tích tiếp xúc bề mặt cao ứng dụng trong cảm biến khí và cảm biến sinh học [18,19].
Nhóm tác giả Park [30] đã tiến hành đo đặc trưng I-V của vật liệu ZnO NRs bằng cách dùng sự cảm biến dòng của kính hiển vi lực nguyên tử (current sensing atomic force microscopy CSAFM). Kết quả cho thấy rằng đường đặc trưng I-V của ZnO NRs tiếp xúc với Au là tiếp xúc Schottky (hình 2.4(a)). Hình 2.4(b) cho thấy đường đặc trưng là dạng tuyến tính, điều đó chứng tỏ ở tiếp xúc Au/Ti/ZnO NRs là tiếp xúc ohmic
Hình 2.4: Đường đặc trưng I-V: (a) hệ Au/ZnO, (b) Hệ Au/Ti/ZnO
Hiệu ứng lượng tử của cấu trúc 1D của vật liệu ZnO cũng làm cho các ZnO NRs có khã năng phát xạ trường rất mạnh so với vật liệu cấu trúc khác [11, 24].
Nhóm tác giả Leed [25] đã tiến hành đo phát xạ trường của một số vật liệu 1D và cho kết quả ở ZnO NRs phát xạ trường tường ứng là 6.0 V μm−1 với mật độ cường
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
độ dòng 0.1 μA cm−2 ,11.0 V μm−1 - 0.1 mA cm−2. ZnO nanotube là 3 V μm−1 - 1.5 mA. ZnO nanopin là 9 V μm−1 - 0.1 μAcm-2. Hình (2.5) là đồ thị kết quả đo phát xạ trường của vật liệu ZnO NRs của nhóm tác giả Lee
Hình 2.5: Cường dộ dòng phát của ZnO nanarod trên đế Si ở 550oC
Mật độ phát xạ trường (mA/cm2) theo công thức lý thuyết Fower–Nordhein [30]:
V d B
V e A
J 2 2 3/2
(2.8)
Trong đó A (1.5×10−6 A eV/V2), B (6.8×109 eV−3/2 V/m), β là hệ số tăng cường trường, Φ là công thoát của vật liệu. trong đó hệ số β phụ thuộc vào hình học của vật liệu.
Hiện tượng phát xạ trường dựa trên hiệu ứng đường hầm và xảy ra ở vật liệu kích thước nano và có diện tích bề mặt hiệu dụng lớn. Hiện tượng phát xạ trường thường được ứng dụng trong kính hiện vi trường điện tử (Field Electron Microsopy – FEM) [5].