Nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu phức hợp oxide bán dẫn một chiều và các cấu trúc nano kim loại ứng dụng cho quang xúc tác - Mã số đề tài: VAST03.03/15-16

Chủ nhiệm đề tài Tiến sĩ Hoàng Vũ Chung
Đơn vị thực hiện Viện Khoa học Vật liệu
Thời gian thực hiện 2015 - 2017
Tổng kinh phí Tổng số: 600.000.000đ (sáu trăm triệu đồng chẵn) Trong đó, từ ngân sách SNKH: 600.000.000đ (sáu trăm triệu đồng chẵn)
Xếp loại đề tài Khá
Hình ảnh nổi bật của đề tài Hình ảnh nổi bật
Mục tiêu đề tài

1. Mục tiêu tổng quát:
Dựa trên những kết quả nghiên cứu ban đầu của đề tài Mở hướng ưu tiên và đề tài Phòng thí nghiệm trọng điểm (PTNTĐ) thực hiện tại Viện KHVL, mục tiêu tổng quát của đề tài này là nhằm thiết lập, định hướng nghiên cứu về PLASMONICS tại Viện KHVL, xây dựng và duy trì kênh liên lạc và hợp tác quốc tế trong nghiên cứu về plasmonics. Đối tượng nghiên cứu cụ thể trong đề tài này là hệ vật liệu nano kim loại với các cấu hình khác nhau (dạng hạt, dạng thanh, dạng màng ngẫu nhiên có các nanogap) với bước sóng cộng hưởng điều khiển được từ vùng khả kiến cho tới vùng hồng ngoại gần và ứng dụng chúng trong quang xúc tác nhân tạo.
2. Mục tiêu cụ thể:
 - Xác lập một hướng nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu cơ bản về plasmonics và hiệu ứng plasmonics trong quá trình tăng cường hoạt tính quang xúc tác trong vùng phổ khả kiến của các vật liệu oxide bán dẫn. Hệ vật liệu lựa chọn là các vật liệu tổ hợp nano kim loại vàng dạng hạt hình cầu hoặc dạng thanh (AuNPs) trên các cấu trúc oxide nano một chiều tạo bởi TiO2 và ZnO.
 - Nghiên cứu cơ chế của hiệu ứng plasmonics trong việc tăng cường hoạt tính quang xúc tác của vật liệu oxide bán dẫn. Cụ thể, nghiên cứu sự suy giảm hấp thụ quang học của dung dịch methylene blue dưới tác dụng của hệ vật liệu tổ hợp, nghiên cứu sự tăng cường huỳnh quang của các cấu trúc quantum dots nằm trong các nanogap dưới ảnh hưởng của trường điện từ tăng cường của cộng hưởng plasmonic, nghiên cứu sự trao đổi điện tử giữa cấu trúc nano kim loại và nano bán dẫn dưới tác dụng của cộng hưởng plasmonic.
 - Xác lập các kênh liên lạc và hợp tác quốc tế trong nghiên cứu về plasmonics và quang xúc tác. Đối tác hợp tác hiện có là: nhóm nghiên cứu của TS. Tadaaki Nagao (Viện NIMS, Nhật Bản) và các đối tác tiềm năng khác tại ĐH Hoàng gia Melbourne (RMIT, Australia) và ĐH Hanyang, Hàn Quốc. Thông qua đó, nâng cao chất lượng các nghiên cứu để có xuất bản tại các tạp chí có uy tín và kết hợp đào tạo các cán bộ khoa học trẻ cho Viện KHVL.
 - Tham gia trao đổi tại các hội nghị khoa học và xuất bản ít nhất 01 bài báo theo chuẩn ISI và ít nhất 01 bài báo quốc tế khác.

Kết quả đạt được

Về khoa học:
- Đã nghiên cứu tổng hợp thành công các cấu trúc nano antennas dạng cầu, dạng thanh và mạng lưới các hạt với phân bố ngẫu nhiên về hình dạng, kích thước và có các nanogaps giữa chúng.
Kết quả: các hạt nano AuNPs có dạng cầu, kích thước vào khoảng 13 ± 2 nm. Các thanh nano Au có tỷ lệ dị hướng điều khiển được, với chiều rộng 15 nm, chiều dài có thể điều khiển từ 35 nm tới 90 nm. Tương ứng, bước sóng cộng hưởng của chúng cũng được điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm từ 640 nm tới 780 nm. Các cấu trúc Au phân bố ngẫu nhiên với khoảng cách nanogap điều khiển được và có cộng hưởng plasmon dải rộng, bao phủ toàn bộ vùng nhìn thấy cho tới vùng hồng ngoại gần.
- Đã nghiên cứu tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt các cấu trúc nano TiO2 dạng dây trên đế FTO/glass.
Kết quả: các dây nano TiO2 với đường kính ~ 10 nm, chiều dài lên tới vài trăm nano mét. Các dây nano TiO2 có cấu trúc pha anatase mà không cần ủ nhiệt thêm.
- Đã nghiên cứu tổng hợp các cấu trúc thanh nano ZnO tự mọc trên đế dẫn điện FTO không cần lớp mầm bằng kỹ thuật Galvanic. Tìm hiểu cơ chế mọc của chúng dựa trên việc chia tách riêng rẽ đóng góp của hiệu ứng Galvanic và hiệu ứng thủy nhiệt, tiến tới điều khiển đường kính, hình dạng và chiều dài của thanh nano ZnO.
Kết quả: tìm ra cơ chế phát triển của thanh nano ZnO theo cơ chế Galvanic bằng cách nghiên cứu thấu đáo sự phát triển từ lớp mầm ZnO trên FTO. Từ đó tìm ra điều kiện tối ưu để nuôi được thanh nano ZnO. Các thanh nano ZnO được nuôi mọc thẳng đứng trên đế FTO với đường kính ~ 100-200 nm, chiều dài có thể lên tới 2 µm hoặc hơn.
- Đã nghiên cứu hoạt tính quang xúc tác của hệ vật liệu nano AuNPs@TiO2 và AuNPs/ZnO. Nghiên cứu cơ chế truyền điện tích từ nano AuNPs sang cấu trúc nano bán dẫn ZnO (TiO2) bằng kính hiển vi KPFM.
Kết quả: hoạt tính quang xúc tác trong vùng nhìn thấy của hai hệ vật liệu nano composite AuNPs@TiO2 và AuNPs/ZnO đều đã được nghiên cứu. Hệ vật liệu AuNPs@TiO2 thể hiện tính chất quang xúc tác với hằng số phản ứng cao hơn hai lần so với các hệ vật liệu tương đương. Hệ vật liệu AuNPs/ZnO cho kết quả hằng số phản ứng của cấu trúc hình kim cao hơn 30% so với các cấu trúc dạng thanh đơn thuần. Cơ chế truyền điện tích được nghiên cứu và khẳng định bằng kết quả mô phỏng FDTD.
- Đã nghiên cứu sự tăng cường tín hiệu dao động do sự coupling của các cấu trúc cộng hưởng nano plasmonics. Cấu trúc coupling bao gồm các hạt nano antennas AuNPs ở chế độ coupling mạnh với màng Au hai chiều, phân cách qua lớp vật liệu bán dẫn ZnO. Bề dày lớp ZnO có thể điều khiển được bằng các thông số thực nghiệm, qua đó điều khiển coupling.
Kết quả: một mode dao động mới của vật liệu ZnO đã được đo bằng kích thích laser trong phép đo Raman. Cường độ tín hiệu tăng lên khi bề dày lớp ZnO tăng lên. Trong điều kiện coupling mạnh nhất, mode dao động mới này của ZnO là mode dao động cho cường độ lớn nhất.
- Đã thiết lập một kênh hợp tác Quốc tế nghiên cứu về plasmonics, bao gồm các nhà khoa học của ĐH Hanyang (Hàn Quốc), Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản (NIMS) và Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Kết quả: đã có một công bố chung trên tạp chí Scientific Reports (Nature publishing group).
- Về ứng dụng
Kết quả nghiên cứu của đề tài này là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực plasmonics và các ứng dụng dành cho năng lượng như các nghiên cứu về pin mặt trời, xúc tác nhân tạo và chuyển đổi quang điện.

Một số hình ảnh của đề tài:

hvchung2

Những đóng góp mới

Xây dựng được hệ vật liệu hybrid AuNPs@TiO2 với hoạt tính xúc tác nhân tạo cao hơn gấp hai lần so với hoạt tính của các loại vật liệu tương tự. Điều này có được là do đặc trưng kích thước siêu nhỏ (đường kính dưới 10nm) của các dây nano TiO2.
Đo đạc được một mode dao động Raman mới của vật liệu ZnO trong hệ plasmonics mà các cấu trúc nano kim loại ở chế độ coupling mạnh. Tuy vậy, các kết quả này cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng và hệ thống hơn.
Tìm ra được đặc trưng nhạy tín hiệu trong vùng terahertz của các phân tử proteins.

Sản phẩm

- Các bài báo đa công bố (liệt kê)
1) Viet V. Tran, Oanh T. T. Nguyen, Chi H. Le, Tuan A. Phan, Ban V. Hoang, Thang D. Dao, Tadaaki Nagao and Chung V. Hoang, Sub-10nm, high density titania nanoforests - gold nanoparticles compositefor efficient sunlight-driven photocatalysis, Tạp chí: Japanese journal of applied physics, 56 095001 (2017).
Doi: 10.7567/JJAP.56.095001
2) Chi H. Le, Oanh T. T. Nguyen, Hieu S. Nguyen, Long D. Pham and Chung V. Hoang
Controllable synthesis and visible-active photocatalytic properties of Au nanoparticles decorated urchin-like ZnO nanostructures, Tạp chí: Current Applied Physics, 17 1506-1512 (2017).
Doi: 10.1016/j.cap.2017.08.015
3) Tung S. Bui, Thang D. Dao, Luu H. Dang, Lam D. Vu, Akihiko Ohi, Toshihide Nabatame, YoungPak Lee, Tadaaki Nagao, and Chung V. Hoang, Metamaterial-enhanced vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein molecules. Tạp chí: Scientific Reports 6 32123 (2016).
Doi: 10.1038/srep32123
- Công bố tại các hội nghị trong nước và quốc tế
Dat Q. Tran, Oanh T. T. Nguyen, Chi H. Le, Tuan A. Phan, Long D. Pham and Chung V. Hoang, "Elucidating the growth mechanism of well-aligned ZnO nanorods on conducting substrates without seed layer by galvanic effect". The 7th International Workshop on Advanced materials science and nanotechnology, Ha Long City, Vietnam, 2-6 November, 2014
Dat Q. TRAN, Cat V.Vu, Chi H. LE, Long D. PHAM and Chung V. HOANG, "Radiation Damping Assisted Raman Scattering Enhancement of Plasmonic Nanoparticles in Semiconductor Nanostructures " The 5th International Workshop on Nanotechnology and Application - IWNA 2015, 11 -14 November 2015 - Vung Tau, Vietnam
Quynh N. Nguyen, Cat V. Vu, Dat Q. Tran, Oanh T. T. Nguyen, Long D. Pham, Thang D. Dao, Tadaaki Nagao and Chung V. Hoang, "Electromagnetic coupling of Au nanoparticles and conducting substrates for plasmonic solar cell applications." The 7th International Workshop on Advanced materials science and nanotechnology, Ha Long City, Vietnam, 2-6 November, 2014
Viet V. Tran, Chi H. Le, Long D. Pham, Oanh T. Nguyen, Thang D. Dao, Tadaaki Nagao, Tuan A. Phan, and Chung V. Hoang, " Hybrid materials: free-standing TiO2 nanowires - Au nanoparticles for artificial photo catalysis application." The 7th International Workshop on Advanced materials science and nanotechnology, Ha Long City, Vietnam, 2-6 November, 2014
-Các sản phẩm cụ thể (mô tả sản phẩm, nơi lưu giữ):
1. Quy trình công nghệ tổng hợp các cấu trúc nano antennas dạng cầu, dạng thanh và mạng lưới các hạt với phân bố ngẫu nhiên về hình dạng, kích thước và có các nanogaps giữa chúng
2. Quy trình tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt các cấu trúc dây nano TiO2 nuôi trên đế FTO/glass.
3. Quy trình tổng hợp các cấu trúc thanh nano ZnO, tự mọc trên đế dẫn điện FTO không cần lớp mầm bằng kỹ thuật Galvanic.
4. Linh kiện của các hệ vật liệu quang xúc tác nhân tạo trên các đế dẫn điện FTO: AuNPs@TiO2 và AuNPs@ZnO với kích thước 2cm × 2cm, số lượng 10 mẫu mỗi loại.
-Sản phẩm đào tạo

hvchung1 

Kiến nghị

V?i các k?t qu? kh? quan mà ?? tài ?ã ??t ???c, t?p th? tác gi? mong mu?n ???c thi?t l?p m?t nhóm nghiên c?u m?nh v? plasmonics và th?c hi?n ti?p m?t ?? tài c?p Vi?n Hàn lâm ho?c c?p cao h?n.

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".