Chuyên đề Vật lí ứng dụng màng quang học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHTN BỘ MƠN VẬT LÍ ỨNG DỤNG Seminar: MÀNG QUANG HỌC GVHD: PGS.TS LÊ VĂN HIẾU HVTH: NGUYỄN ĐỨC AN NGUYỄN ĐỨC THỊNH 6/20/2011 1 Nội dung trình bày A. Thịnh trình bày: • I. Giới thiệu chung về màng quang học • II. Phổ UV – Vis • III. UV – Vis spectrophotometer • IV. Phương pháp Swanepoel B. An trình bày: • V. Phương pháp Stylus • VI. Phương pháp xác định tính chất quang xúc tác. 6/20/2011 2 I. Giới thiệu chung về màng mỏng quang học • Khái niệm “mỏng” trong màng mỏng quang là khi bề dày của màng tương đương với bước sĩng ánh sáng mà ta quan tâm. • Nhĩm 1: khi ánh sáng truyền tới song song với mặt phẳng đế, màng mỏng quang học trong trường hợp này đĩng vai trị dẫn sĩng quang. Tín hiệu ánh sáng cĩ thể thay thế tín hiệu điện trong thơng tin và trong máy vi tính. • Nhĩm 2: ánh sáng truyền vuơng gĩc với mặt phẳng phản xạ quang. Các ứng dụng gồm màng chống phản xạ AR, kính lọc filter, gương hiệu suất cao, các bộ phận tách chùm tia… Đây cũng là các màng mà chúng ta quang tâm trong seminar này.6/20/2011 3 Một số vật liệu tạo màng thơng dụng Vật liệu Chiết suất Vùng truyền suốt MgF2 1.38 tại 550 nm 0.210 – 10 µm SiO2 1.46 tại 550 nm 0.2 – 8 µm ThF4 1.52 tại 400 nm 0.2 – 15 µm Al2O3 1.59 – 1.63 tại 600 nm 0.2 – 7 µmCeF3 1.63 tại 550 nm 0.3 – 5 µm PbF2 1.70 tại 1000 nm 0.24 – 20 µm MgO 1.70 tại 550 nm 0.2 – 8 µm Y2O3 1.82 tại 550 nm 0.25 – 2 µm SiO 2.00 tại 550 nm 0.5 – 8 µm HfO2 2.00 tại 550 nm 0.220 – 12 µm ZrO2 2010 tại 550 nm 0.340 – 12 µm Ta2O5 2.16 tại 550 nm 0.300 - 10µm CeO2 2.18 – 2.42 tại 550 nm 0.400 – 16 µmTiO2 2.20 – 2.70 tại 550 nm 0.350 – 12 µm6/20/2011 4 II.Phổ UV - Vis II.1. Thang sĩng điện từ: 6/20/2011 5 II.2. Nguồn gốc phổ UV – Vis 6/20/2011 6 II.3. Định luật Lambert – Beer 6/20/2011 7 III. Thiết kế một hệ spectrophotometer 6/20/2011 8 III.1. Nghuồn kích thích 6/20/2011 9 III.2.Hệ đơn sắc 6/20/2011 10 III.3.Bộ phận giữ mẫu 6/20/2011 11 III.4. Detector Photomultiplier detector 6/20/2011 12 6/20/2011 13 Diode array detector 6/20/2011 14 6/20/2011 15 III.5.Các loại UV - Vis spectro - photometer 6/20/2011 16 6/20/2011 17 IV. Phương pháp Swanepoel n0 = 1 Đế n0 = 1 Màng, d S α = 0 n = n1+ ik α I0 I 6/20/2011 18 • Vùng truyền suốt: α=0, độ truyền qua được xác định từ n và s thơng qua sự phản xạ nhiều lần. • Vùng hấp thu yếu: α nhỏ nhưng độ truyền qua bắt đầu giảm. • Vùng hấp thụ trung bình: α lớn và độ truyền qua giảm do tác động của α. • Vùng hấp thụ mạnh: độ truyền qua giảm mạnh chủ yếu do ảnh hưởng của α. 4 k    6/20/2011 19 • Độ truyền qua của đế • Chiết suất của đế 2 2 1 sT s   1 2 2 1 1 1 s s s T T         6/20/2011 20 Đối với màng điện mơi trong suốt (hệ số hấp thụ bằng 0) • Độ truyền qua cực đại của màng: • Độ truyền qua cực tiểu của màng: 2 2 1M ST S   2 4 2 2 2 4 ( 1)m n ST n n S S     6/20/2011 21 Suy ra chiết suất màng trong vùng truyền suốt là: Dựa vào điều kiện giao thoa ta tính được độ dày màng theo cơng thức 6/20/2011 22 2 ( )n d m  Ta cĩ thể dùng cách sau để tính chiết suất của màng tại vị trí cĩ dao thoa cực đại lẫn cực tiểu: • Dựa vào phương pháp Swanepoel này ta cĩ thể viết ra một chương trình để tính chiết suất và độ dày màng với độ chính xác rất cao. • Tuy nhiên phương pháp này cĩ một nhược điểm đĩ là bắt buộc phổ truyền qua dao thoa của chúng ta phải cĩ ít nhất năm cặp cực đại và cực tiểu.   1 1 2 2 2 2( )n N N s       2 12 2 M m M m T T sN s T T     6/20/2011 23 Mẫu 45 Tmax= 90.2% Tmin= 68.9% Hình 2.4: Phổ truyền qua của màng mỏng TiO2 được chế tạo với các thông số:h=4cm, Ip=0.5A, p=13 mtorr, tỉ lệ O2/Ar là 0.06 6/20/2011 24 d=544nm, n=2.29 V.PHƯƠNG PHÁP STYLUS PHƯƠNG PHÁP STYLUS I. Sơ lược cấu tạo II. Nguyên lý hoạt động II. Ưu nhược điểm của phương pháp STYLUS PHƯƠNG PHÁP STYLUS Bộ phận •camera •đầu dị •cảm biến •đế CẤU TẠO NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG PHƯƠNG PHÁP STYLUS TÍN HIỆU AC CHUYỂN ĐỔI A/D MẪU ĐẾ MÁY TÍNH LVDT LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER biến áp biến thiên tuyến tính thẳng LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER PHƯƠNG PHÁP STYLUS ĐO ĐỘ DÀY MÀNG MỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP STYLUS 3.ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP STYLUS a.Ưu điểm: - Đây là phương pháp phổ biến nhất để đo độ dày màng - Phương pháp này cĩ thể đo một cách trực tiếp độ dày màng khơng thơng qua việc đo độ truyền qua…Do đĩ cĩ thể xác định độ dày màng một cách nhanh chĩng, tiết kiệm được thời gian và cơng sức . - Tính độc lập của bề mặt: Trên cơ sở lập luận rằng mũi dị phải tiếp xúc với bề mặt, phương pháp này khơng bị ảnh hưởng bởi hệ số phản xạ hay màu sắc của bề mặt. b. Nhược điểm: - Rõ ràng việc cĩ thể tiến hành quá trình đo với một lực tác động rất nhỏ của đầu dị là một điều đáng mơ ước. Việc sử dụng lực mũi dị quá nhỏ thì sự tiếp xúc giữa mũi dị với bề mặt quá nhỏ khơng đủ để mũi dị cảm ứng được bề mặt làm cho kết quả đo khơng chính xác. Và tất nhiên sẽ dẫn đến việc làm giảm độ tin cậy của giá trị đo được. Để giải quyết vấn đề này thì địi hỏi phải cĩ một mơi trường “tĩnh”: khơng nhiễm bẩn, khơng tiếng ồn - Ngược lại khi sử dụng lực đầu lớn sẽ gây hao tổn GIỚI THIỆU VI.Phương pháp xác định tính quang xúc tác ° Đặc điểm: không độc hại, xúc tác rẻ tiền, oxi hoá hoàn toàn các chất hữu cơ, có thể tái sử dụng…… ° Cơ chế OHCORHOH OHOHh OHHOH OOe 22 2 22         Hình 2: Cơ chế phản ứng quang xúc tác Cách đo -Màng mỏng TiO2 được cắt ra thành mẫu đo theo kích thước 23 x 9 mm. Đánh dấu vị trí đo trên màng. -Đo độ truyền qua ban đầu của màng bằng máy quang phổ kế -Ngâm mẫu vào dung dịch MB nồng độ 1mM đã pha trước trong 1h. Chú ý để mặt cĩ màng ở phía trên để cĩ thể tiếp xúc tốt với dung dịch MB -Sau 1h lấy mẫu ra, dùng vải sạch lau nhẹ dung dịch cịn đọng lại trên màng rồi để màng vào một chiếc hộp, đậy kín lại trong 30 phút. VI.Phương pháp xác định tính quang xúc tác Hình 2.3. Máy quang phổ kế. Máy này cĩ thể sử dụng để đo độ truyền qua, độ hấp thụ,nồng độ của dung dịch hay độ truyền qua, độ hấp thụ của màng mỏng -Sau 30 phút, tiến hành đo mẫu. Chú ý bật đèn UV và khởi động máy đo trước 10 phút để flux của đèn và giá trị của máy ổn định. -Đo độ truyền qua của màng (sau khi để khơ) được giá trị Ti. Sau đĩ để màng vào đèn tử ngoại để chiếu UV, cứ cách quãng 5 phút lấy màng ra đo độ truyền qua được các gia trị Tf. Để hướng mặt cĩ màng TiO2 vào bên trong khe chiếu để nhận trực tiếp ánh sáng tử ngoại. -So sánh độ truyền qua của ánh sáng 650 nm trước (Ti) và sau (T­f) chiếu bức xa UV ta thu được lượng MB bị phân hủy: ΔABS : lượng MB bị phân hủy Ti : độ truyền qua của màng trước khi chiếu UV Tf : độ truyền qua của màng sau khi chiếu UV Cách đo  ln /f iABS T T  Máy quang phổ Kết quả đo Biến thế Đèn Mẫu ngâm MB Sơ đồ bố trí hệ đo quang xúc tác Hình 3. Mạch đo gồm đèn và máy biến thế. VI.Phương pháp xác định tính quang xúc tác 0.08A(004),A(101)750M32 0.09A(004),A(101)600M37 0.120.178, A(101)450M35 0.20.138, A(101)360M47 0.160.140, A(101)335M45 0.03Vơ định hình200N18 ABSKích thước hạt (nm) Bề dày (nm) Tên Mẫu Tìm bề dày tối ưu của màng TiO2 để màng cĩ tính quang xúc tác tốt nhất Bảng 1 khảo sát sự phân hủy của MB phụ thuộc vào bề dày màng và tìm ra kết quả như trong bảng 1. Hình 1:Phổ nhiễu xạ tia X của màng TiO2 với các bề dày khác nhau. Ứng Dụng Các Phép Đo • Từ bảng 1 ta nhận thấy, màng cĩ bề dày khoảng 360nm cĩ độ phân hủy MB cao nhất. • Kết hợp phổ nhiểu xạ Tia X-hình 1, ta rút ra kết luận rằng, màng cĩ bậc tinh thể anatase thấp ứng với bề dày ngưỡng ~360nm cĩ tính quang xúc tác tốt nhất. – Điều này giải thích rằng: màng cĩ cấu trúc tinh thể vơ định hình khi bề dày nhỏ hơn bề dày ngưỡng, khi đĩ diện tích hiệu dụng bề mặt nhỏ nên quang xúc tác kém. – Khi bề dày lớn hơn bề dày ngưỡng, chiều dài khuyếch tán bị giới hạn, và cặp điện tử lỗ trống ở độ sâu này khơng cĩ cơ hội tới bề mặt trước khi bị tái hợp. Vì vậy, màng đạt được bề dày ngưỡng, sẽ giảm tối đa số điện tử, lỗ trống bị tái hợp trước khi khuyếch tán đến bề mặt. Ngồi ra, bề dày ngưỡng đủ lớn để hình thành nên tinh thể Anatase. Tìm bề dày tối ưu của màng TiO2 để màng cĩ tính quang xúc tác tốt nhất