Tên dự án dự thi

CHẾ TẠO CỬA SỔ THÔNG MINH TỰ ĐIỀU CHỈNH ĐỘ TRUYỀN QUA

ÁNH SÁNG TRÊN CƠ SỞ HIỆU ỨNG ĐIỆN SẮC

Lĩnh vực dự thi

VẬT LÍ – KHOA HỌC VẬT LIỆU

MỤC LỤC

2. Mục lục ........................................................................................................... 2

3. Lời cảm ơn .................................................................................................................................. 3

4. Tóm tắt nội dung dự án ................................................................................ 4

5. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, lí do chọn dự án và điểm mới, sáng tạo

của dự án ............................................................................................................ 5

6. Quá trình nghiên cứu và kết quả của dự án ............................................. 12

7. Kết luận ........................................................................................................ 25

8. Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 26

2

4 . TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN.

Với sự phát triển của kinh tế, nhu cầu của con người ngày càng cao tỷ lệ thuận

với việc tiêu dùng năng lượng, trong đó năng lượng dùng để chiếu sáng đóng góp

một phần đáng kể. Tại nhiều nơi, đặc biệt là các văn phòng, công xưởng, kể cả vào

ban ngày người ta vẫn dùng đèn điện để chiếu sáng. Đây là sự lãng phí rất lớn, cần

thay đổi để tiết kiệm năng lượng, xây dựng nên các toà nhà xanh phù hợp hơn với

môi trường của chúng ta.

Một tòa nhà, công xưởng có mái hoặc cửa sổ (sau đây gọi chung là cửa sổ) có

thể thay đổi độ trong suốt để điều chỉnh lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào phòng

một cách tự động sao cho trong phòng luôn được chiếu sáng thích hợp với nhu cầu

của những người trong phòng đến nay vẫn chỉ có trong chí tưởng tượng của chúng

ta. Tuy nhiên, qua tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đã tìm thấy nhiều hiệu ứng vật lý

trong đó có hiệu ứng điện sắc có thể biến tòa như như thế thành hiện thực. Hiệu ứng

này không những làm thay đổi độ truyền qua của cửa kính mà còn tiêu tốn rất ít điện

năng để tạo ra sự thay đổi này.

Hiệu ứng điện sắc dựa trên phương trình điện hóa thuận nghịch, có thể được

điều khiển bằng điện trường ngoài. Nếu phản ứng được thúc đẩy theo chiều thuận

thì độ trong suốt của vật liệu tăng và ngược lại. Chúng ta không cần tiêu tốn năng

lượng để giữ nguyên độ trong suốt mà chỉ tiêu tốn năng lượng khi cần điều chỉnh.

Hình 1: Mô hình cấu tạo tấm kính điện sắc

Trong dự án này nhóm đã tiến hành các nghiên cứu, thử nghiệm sau:

Nghiên cứu quá trình lắng đọng của von-fram oxit lên bề mặt thủy

tinh và điện cực trong suốt ITO bằng phương pháp bốc bay trong chân không,

khảo sát sự kết tinh, hình thái bề mặt. Và tính chất điện sắc của màng mỏng tạo

được

Ghép các thành phần trên lại tạo thành kính điện sắc cấu trúc Hình 1.

để tạo ra một kính thông minh hoàn chỉnh. Thử nghiệm sự thay đổi mầu sắc của

kính

4

Xây dựng mô hình nhà sử dụng các tấm kính điện sắc được chế tạo.

Viết các phần mềm để điều khiển quá trình điện sắc một các tự động.

5. TỔNG QUAN VỀ VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU, LÍ DO CHỌN DỰ ÁN

VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA DỰ ÁN

Trong mục này, chúng tôi trình bầy một số tính chất điển hình của WO3 liên

quan đến nội dung nghiên cứu và tình hình nghiên cứu vật liệu này để có cái nhìn

thổng quan về thực trạng và triển vọng nghiên cứu tiếp theo.

5.1. TỔNG QUAN VÈ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

5.1.1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA WO3

WO3 là oxit của kim loại chuyển tiếp Vonfram thuộc phân nhóm B, nhóm 6 là

bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm cỡ 3,1eV. Ở điều kiện thường, WO3 ở dạng

bột (hoặc viên) và màu vàng nhạt ( hình 2). WO3 có nhiệt độ nóng chảy cao, rất

cứng, rất khó ép khó nghiền. Khối lượng phân tử: 231,84g/mol, khối lượng riêng:

7,16 g/cm3, Điểm nóng chảy: 1.473

0C ( 2.683

0F), Điểm sôi 1.700

0C ( 3.090

0F),

không tan trong nước, và tan ít trong HF, do đó đây là một vật liệu khá bền cho các

ứng dụng

Hình 2: Bột WO3

5.1.2. MỘT SỐ ĐẬC TÍNH VỀ CẤU TRÚC VÀ HỢP THỨC CỦA OXIT

VONFRAM

a. Cấu trúc

WO3 có cấu trúc perovskit [1]. Trong tinh thể WO3, vonfram kết hợp với oxy

dạng hợp thức cao nhất với hóa trị 6. WO3 hình thành trên cơ sở một ion W ở tâm

kết hợp với 6 ion oxy tại 6 đỉnh tạo thành khối bát diện. Với tinh thể lý tưởng, độ

dài liên kết W=O là không đổi, góc liên kết W-O-W là 1800 [1, 2]. Thực tế màng

WO3 có xu hướng hình thành các pha bất hợp thức, tức là các màng tồn tại vị trí

5

khuyết oxy và biểu diễn dưới dạng WO3-y (y là hệ số khuyết oxy). Do đó hợp thức

này mang cấu trúc bát diện chung cạnh như WO2 [1, 2].

(A) (B)

Hình 3: A) cấu trúc của WO3 và B) WO2

Sự sắp xếp này dẫn đến sự thay đổi góc liên kết độ dài liên kết. Vì vậy trong

tinh thể xuất hiện những sai hỏng và hình thành những kênh ngầm với thiết diện lục

giác hay ngũ giác, tạo ra khoảng trống cho các ion kích thước nhỏ (Na+,Li

+…) xâm

nhập và bắt giữ trong màng dẫn đến hiệu ứng điện sắc [1, 2].

Pha Dạng cấu trúc tinh thể Nhiệt độ (0C)

-WO3 Tứ phương(Tetragonal) 680-740

-WO3 Trực thoi( Orthorhombic) 320- 480

-WO3 Đơn tà( Monoclinic) 17 – 200

-WO3 Tam tà( Triclinic) -40 – 17

ε-WO3 Đơn tà( Monoclinic) < -40

Bảng 1: Một số pha cấu trúc của W03[2]

Vật liệu khối WO3 có dạng cấu trúc tinh thể khá phức tạp, các cấu trúc này phụ

thuộc nhiều vào quy trình chế tạo và nhiệt độ ủ được minh họa bảng 2.

b . Một số dạng hợp thức của oxit Vonfram

Các hợp thức khác của Vonfram hình thành có xu hướng tuân theo trật tự chuỗi :

WmO3m-1 và WmO3m-2 (m=1,2,3…) ngoại trừ 2 pha: W18O49 và W40O116. Khi đó, vật

liệu WO3 thay đổi màu từ xanh da trời đến nâu xám. Glemser và Sauer đã

6

khảo sát sự thay đổi màu theo tỉ lệ nguyên tử Oxy và Vonfram, kết quả được thể

hiện như ở hình 4 [3]:

Hình 4: Thang màu tỉ lệ O/W

Đối với vật liệu màng, sự thay đổi màu không dễ thay đổi như vật liệu khối do

độ dày màng nhỏ dẫn đến khả năng hấp thụ quang nhỏ. Màng WOx nếu được chế

tạo bằng phương pháp phún xạ thì khi hợp thức của màng x < 2,5 , màng có ánh kim

và phản xạ gần như kim loại, khi x > 2,6 màng cho ánh sáng truyền qua rất tốt, nếu

hợp thức 2,5 < x <2,6 thì màng có màu xanh da trời [2].

Hình 5: Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của WO3 (bên phải) và WO3-x

(bên trái) [3,4]

Trong cấu trúc mạng lý tưởng góc liên kết W-O-W là 1800. Tuy nhiên màng

chế tạo có hợp thức chưa tốt, tồn tại cả hai pha WO3 và WO2. Do đó hợp thức này

được qui về WO3-y. Trong màng xuất hiện các vị trí khuyết Oxy. Khi đó, vật liệu

hình thành nên cấu trúc bát diện chung cạnh. Điều này dẫn đến sự thay đổi độ dài và

góc liên kết [1, 2, 5].

7

Vùng hóa trị bao gồm các vùng ứng với quĩ đạo 2s và 2p của O, vùng dẫn ứng

quỹ đạo 5d của W. Với WO3-x, các điện tử ở vùng hóa trị được lấp đầy, nhưng các

điện tử ở vùng dẫn còn thiếu. Do đó mức Fecmi nằm ở vùng t2g của obitan W5d [5].

Green cho rằng chính các điện tử tự do này hấp thụ mạnh ánh sáng ở vùng hồng

ngoại và ánh sáng đỏ gây nên màu xanh của vật liệu. Với WO3, vùng hóa trị có tất cả

24e được lấp đầy hoàn toàn còn vùng dẫn trống hoàn toàn. Do đó chúng có màu

vàng nhạt hoặc không màu. Độ rộng vùng cấm nằm trong khoảng (2,6 – 3,25eV) [4].

Khi có ion ( như H+) xâm nhập thì nguyên tử H liên kết với O làm thay đổi hợp thức

mạng sang dạng WO3-x. Từ đó, màng có màu xanh. Giản đồ cấu trúc vùng năng

lượng của WO3 được minh họa trong hình 5.

5.1.3. TÍNH CHẤT ĐIỆN SẮC CỦA WO3

Tính chất quang đặc trưng nhất của màng WO3 là tính chất điện sắc. Khi màng

chưa được tiêm ion và điện tử, màng WO3 có độ truyền qua cao trong vùng khả kiến.

Ngược lại, khi các ion kích thước nhỏ như proton (H+) hay các kim loại kiềm (Na

+,

Li+,…) được tiêm vào màng thì độ truyền qua của chúng giảm đi đáng kể [2,3]. Sự tiêm

điện tử được hỗ trợ bởi điện trường nên tính chất này gợi là tính chất điện sắc.

Màng WO3 khi mới chế tạo có màu vàng nhạt, độ truyền qua trong vùng khả

kiến cỡ 90%. Khi đặt điện trường phân cực âm lên điện cực làm việc WO3, các ion

trong chất điện ly được hút vào trong màng, đồng thời để bù trừ điện tích, điện tử từ

điện cực trong suốt cũng được tiêm vào. Quá trình tiêm các ion và điện tử vào trong

màng WO3 được thể hiện qua phương trình sau [1, 2, 6-9]:

xM+ + xe

- + WO3 = MxWO3

Trong đó M+ là các ion H

+, Na

+, Li

+…. MxWO3 hấp thụ mạnh ánh sáng nhìn

thấy, có màu xanh thẫm, độ truyền qua thấp. Sự thay đổi tính chất quang này được

khảo sát bằng cách xác định độ truyền qua, phản xạ trong vùng nhìn thấy và vùng

hồng ngoại.

Độ truyền qua và phản xạ còn phụ thuộc vào nồng độ các ion được tiêm vào

màng. Đặc biệt, độ truyền qua phụ thuộc vào hiệu điện thế phân cực được thể hiện

qua hình sau 6 [1]:

8

Hình 6: Sự phụ thuộc của độ truyền qua khi thay đổi hiệu điện thế.

Hình 6 là phổ truyền qua khi thay đổi hiệu điện thế. Kết quả chỉ ra rằng khi ta

giảm dần hiệu điện thế đặt vào mẫu trong một môi trường chất điện ly thì độ truyền

qua của màng giảm dần một cách tương ứng, hiện tượng này thường được gọi là sự

nhuộm màu của màng.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy đối với chất điện ly chứa ion Li+ sau khi được

tiêm vào màng thì những ion này nằm ở vị trí trung tâm perovskit. Nhưng đối với

chất điện ly chứa H+ thì hydro không nằm ở giữa trung tâm mạng mà liên kết với

Oxy tạo thành nhóm OH có khoảng cách bằng dOH và được mô tả như hình 7 [1, 3].

Hình 7: Mô tả ion Li+

và H+

trong mạng tinh thể

Hình 7 là sự mô tả ion Li+ và H

+ khi xâm nhập vào trong mạng tinh thể. Các

ion trong chất điện ly xâm nhập vào trong màng thông qua các kênh ngầm kéo theo

9

sự xâm nhập của điện tử để cân bằng điện tích và gây ra quá trình nhuộm màu [5].

Để giải thích cho quá trình này, người dùng hai cơ chế gồm sự thay đổi cấu trúc

vùng năng lượng (đã trình bày trên) và cơ chế chuyển điện tích vùng hóa trị [1, 3].

Cơ chế chuyển điện tích vùng hóa trị với các chuyển mức polaron:

Màng WO3 chế tạo thường là hợp thức của các oxit: W4+

, W5+

, W6+

, W. Khi

áp phân cực âm vào, vị trí nút mạng W6+

biến thành bẫy bắt điện tử và trở thành

tâm màu W5+

và gây nên sự biến dạng xung quanh vị trí của chúng tạo thành các

palaron nhỏ.

W6+

+ e- = W

5+

Khi hấp thụ các photon có bước sóng trong vùng nhìn thấy các điện tử di

chuyển vào trong mạng tinh thể đi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Đây chính

là quá trình nhuộm màu [2].

Hình 8: Mô tả quá trình sự hấp thụ photon ánh sáng và làm dịch chuyển

điện tử gây ra sự trao đổi hóa trị giữa hai nguyên tử WA và WB

Hình 8 là quá trình hấp thụ photon và sự dịch chuyển điện tử của hai nguyên tử

W nằm gần nhau. Khi đảo cực nguồn điện xảy ra quá trình oxy hóa. Khi đó W4+

,

W5+

bị oxy hóa thành W6+

. Đây chính là quá trình tẩy màu. Khi đó màng trở lại

trạng thái trong suốt ban đầu.

5.1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN HIỆN NAY VỀ VẬT LIỆU NÀY

10

Vật liệu WO3 có tính thay đổi màu sắc đã được phát hiện vào đầu thế kỷ 19.

Vào năm 1815, nhà khoa học Thụy Điển Jakob Berzelius đã cho dòng khí hydro qua

vật liệu khối WO3 nung nóng. Sau thí nghiệm, ông thấy nó có màu vàng hoặc xanh.

Năm 1824, Wohler cũng thu được kết quả màu vàng trong khối WO3 khi cho hơi

Na đi qua. Sự quan tâm về vật liệu này được dấy lên vào năm 1837, khi Wohler

khám phá ra ánh kim rực rỡ của LiWO3. Ông cho rằng điều này là do hợp kim kim

loại và đặt ra thuật ngữ “ Tungsten bronzes” (hợp chất Vonfram dạng đồng).

Nửa đầu thế kỷ 20 đã có nhiều thí nghiệm nhằm mô tả cấu trúc, tính chất của

WO3 để tìm ra ứng dụng thiết thực của nó. Vào những năm 1950, 1960 hai nhà khoa

học Mott và Sienko đã khám phá ra chuyển pha dẫn điện – cách điện cũng như tính

siêu dẫn ở nhiệt độ thấp của Vonfram dạng đồng.

Năm 1969, Deb đã chỉ ra sự nhuộm màu của oxit Vonfram nguyên nhân là do

trong màng hình thành các tâm màu vì màng oxit Vonfram có khả năng tích trữ ion.

Hiện nay, màng WO3 được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm

nghiên cứu không chỉ vì tính điện sắc của nó mà còn có cả tính quang sắc và tính

lưu trữ ion. Chính những điều này mở ra vô vàn những ứng dụng của vật liệu này

như: cửa sổ thông minh, đầu dò khí, màn hình hiển thị…

Ở Việt Nam, màng WO3 cũng được các nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu

một cách sâu rộng. Cụ thể: Năm 1988, hướng nghiên cứu tính điện sắc do nhóm

TS.Nguyễn Năng Định, TS.Vũ Thị Bích, Phạm Duy Long chế tạo màng oxit

Vonfram bằng phương pháp “ electron beam” với môi trường chất điện ly là

LiClO4/PC với nồng độ 1M. Năm 1995, hướng nghiên cứu tính khí sắc nhằm phát

hiện khí độc do nhóm nghiên cứu PGS.Nguyễn Văn Nhã, PGS.Nguyễn Thị Bảo

Ngọc, PGS.Nguyễn Văn Hùng, TS.Nguyễn Văn Minh triển khai và ứng dụng làm

sensor khí. Năm 2000, linh kiện điện sắc được nhóm TS.Phạm Duy Long so sánh

khả năng quang hóa của màng WO3 được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau.

Linh kiện điện sắc oxit Vonfram cũng được nhóm PGS.Vũ Thị Bích chế tạo thành

công với dung dịch chất điện ly rắn là polymethyl methacrylat (PMMA) và

polyaniline (PANI).

5.1.5. TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN CÁC HƢỚNG ƢNG DỤNG CỦA

VẬT LIỆU ĐIỆN SẮC WO3

Qua phân tích tổng quan, chúng tôi nhận thấy các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở

nghiên cứu cơ bản. mà chưa có những nghiên cứu về ứng dụng hoặc chế tạo sản

phẩm. vì vậy triển vọng của loại vật liệu này là rất lớn cho các nghiên cứu về ứng

dụng hiện tượng điện sắc cho cửa kính thông minh.

11

5.2. LÍ DO NGHIÊN CỨU

Xuất phát từ sự tìm hiểu, phân tích tổng quan và ý tưởng về một sản phẩm hữu

dụng, dự án đặt mục tiêu nghiên cứu chế tạo màng mỏng WO3 và chế tạo cửa sổ

điều khiển ánh sáng thông minh trên cơ sở tính chất điện sắc của màng WO3 để

điều khiển các nguồn sáng tự nhiên tạo ra sự phù hợp cho con người trong các hoàn

cảnh khác nhau, giảm thiểu ô nhiễm ánh sáng đối với môi trường. Qua đó tiết kiệm

điện năng và góp phần chống sự biến đổi khí hậu

6. QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ CỦA DỰ

ÁN 6.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu của chúng tôi xuyên suốt đề tài là: kết hợp các nghiên

cứu cơ bản trên màng WO3 với nghiên cứu ứng dụng chế tạo cửa sổ thông minh dựa

trên hiệu ứng điện sắc của màng và từng bước phát triển sản phẩm.

Để thực hiện được các mục đích và kế hoạch đề ra đó chúng tôi đã tiến hành

chế tạo các màng mỏng WO3 bằng phương pháp bốc bay nhiệt chân không trên hệ

Univex 300 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu. Khảo sát các tính chất của vật liệu thu

được. Sau đó thiết kế mô hình cửa sổ và lắp ghép thử nghiệm cửa sổ tự điều chỉnh

cường độ ánh sáng.

6.1.1. CHẾ TẠO MÀNG WO3 BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT

TRÊN HỆ UNIVEX 300

6.1.1.a. CẤU TẠO HỆ UNIVEX 300

Hình 9: Cấu tạo hệ bốc bay nhiệt

Cấu tạo của hệ bốc bay nhiệt về cơ bản bao gồm 3 bộ phận chính: Chuông chân

không, bơm chân không và hệ thống điều khiển. Trong đó chuông chân không bao

gồm: giá gắn mẫu, lò đốt (sợi đốt) nóng hay thuyền điện trở, cảm biến đo chiều dày

và đĩa gắn đế.

12

6.1.1.b. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ BỐC BAY NHIỆT

Chuông chân không được làm sạch, sau đó bơm chân không được khởi động để

hút chân không của chuông đến áp xuất cỡ 10-6

– 10-5

torr. Tiếp đến thuyền điện trở

chứa vật liệu cần bay hơi được đốt nóng, nhiệt lượng của nó đủ lớn để bay hơi vật

liệu trên đó, vật liệu bay hơi sẽ được ngưng tụ trên đế (đế có thể nung nóng hoặc

không tùy mục đích sử dụng). Đó chính là cách tạo màng mỏng bằng phương pháp

bốc bay nhiệt chân không.

6.1.1.c. HÓA CHÂT VÀ MỘT SỐ THIẾT BỊ HỖ TRỢ THỰC NGHIỆM

Trong quá trình nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm, chúng tôi đã sử dụng những vật

liệu, hóa chất và các thiết bị sau: Đế thủy tinh (SiO2) vô định hình kích thước 1,5

x 2 (cm), đế ITO kích thước 6 x 6 (cm) (xuất xứ pháp) vật liệu khối WO3 99,9%

(xuất xứ Đức), nước cất, ethanol, iso-propanol (xuất xứ Đức), máy rung siêu âm, lò

sấy mẫu, lò nung mẫu.

6.1.1d. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MÀNG WO3

Quy trình chế tạo màng mỏng WO3 trên hệ bốc bay nhiệt chân không univex

300 được thực hiện theo các bước sau đây:

Bƣớc 1 : Rửa sạch đế và làm sạch buồng chân không.

Đế thủy tinh bằng cách rung siêu âm đế lần lượt với nước cất và ethanol. Mỗi

công đoạn rung trong khoảng 10 phút. Tiếp đó ta tráng đế qua iso – propanol nhằm

đẩy hết nước trên bề mặt đế và làm đế nhanh khô. Sau đó, ta sấy đế khô. Trong quá

trình sấy đế ta làm sạch buồng bốc bay bằng máy hút bụi.

Bƣớc 2: Lắp đế và hút chân không

Lắp đế thủy tinh vào đĩa gắn đế trong buồng bốc bay. Bỏ mẫu WO3 dạng viên

vào thuyền nhiệt (chú ý: Mẫu WO3 cho vào phải thừa cho mỗi lần bắn và có kích

thước phù hợp với thuyền). Tiếp đến lắp vỏ buồng nhiệt.

Hút chân không buồng bốc bay: Đầu tiên ta bật bơm sơ cấp (chạy khoảng 30

phút). Trong lúc này, ta sấy đế một lần nữa bằng cách gia nhiệt cho đế khoảng

1000C rồi tắt công tắc để đế tự nguội (làm sạch hơi nước có thể bám vào đế trong

quá trình lắp đế). Khi áp suất buồng đạt cỡ 4.10-2

torr, ta bật bơm turbo (chú ý phải

bật máy làm mát bơm turbo). Khi áp suất đạt cỡ 7 x 10-4

torr, là đạt yêu cầu.

Bƣớc 3:Tạo mẫu và đem ủ nhiệt sản phẩm.

Bật công tắc nguồn cấp điện vào thuyền. Ta có thể điều chỉnh cường độ dòng

điện cấp cho thuyền tùy thuộc vào vật liệu ta cần bốc bay. Đối với WO3 cường độ

13

dòng điện cấp vào là I = 30A hoặc I = 35A. Để thay đổi độ dày màng, sử dụng đồng

hồ theo dõi thời gian tạo màng . Sau đó tắt lần lượt công tắc dòng, bơm turbo (chú ý

không tắt máy làm mát bơm turbo) nhưng vẫn để bơm sơ cấp chạy. Khi áp suất

trong buồng đạt cỡ 4 x 10-2

torr mới tắt bơm sơ cấp và để buồng tự nâng áp suất so

với áp suất khí quyển. Khi áp suất trong buồng xấp xỉ áp suất khí quyển, ta có thể

mở buồng , lấy mẫu ra, bảo quản mẫu tránh bụi và hơi nước.

Đem mẫu ủ trong không khí với các nhiệt độ khác nhau, thời gian ủ mẫu trong

5h. Để mẫu nguội tự nhiên và bảo quản mẫu tránh bui, ẩm.

6.1.1.e. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT CỦA MÀNG

MỎNG

Các màng sau khi ủ nhiệt xong được đem đi phân tích cấu trúc bởi hệ nhiễu xạ

tia X (XRD) để kiểm tra mẫu kết tinh hay không kết tinh và kết tinh với pha nào.

Để khảo sát hình thái, bề mặt và độ dầy của màng chúng tôi sử dựng các hệ

phân tích tương ứng là kính hiển vi điện tử quét Nano SEM, kính hiển vi lực nguyên

tử AFM, và hệ khảo sát bề mặt Dektak 150.

Để khảo sát tính chất truyền qua của màng chúng tôi sử dụng hệ đo UV-Vis.

Các thiết bị đều đặt tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa vật lý, Trường đại học

Khoa học tự nhiên. ĐHQG HN

6.2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỬA KÍNH THÔNG MINH TỰ ĐIỀU

CHỈNH CƢỜNG ĐỘ ÁNH SNÁG TRUYỀN QUA.

6.2.1. MÔ HÌNH CỬA KÍNH THÔNG MINH

Mô hình nguyên lý của cửa kính thông minh được chỉ ra như hình vẽ dưới đây:

Trong đó:

14

Thể tích cửa sổ thiết kế là 6 cm x 6 cm x 0,5 cm (0,5 cm là độ dầy của lớp điện

ly), diện tích mặt cửa sổ là 36 cm2

Lớp dẫn điện trong suốt được chúng tôi sử dụng là ITO với điện trở là 240

ohm/1vuông.

Lớp điện sắc là màng WO3 độ dầy 230 nm

Lớp điện ly là dung dịch axit acetic 1M, nồng độ này là nồng độ an toàn vì nó

chính là nồng độ được định nghĩa là giấm. (C% <6%)

Với thiết kế như trên ngoài chức năng điều chỉnh cường độ ánh sáng truyền qua,

cửa sổ này còn có tác dụng cách âm tốt, cách nhiệt tốt.

6.2.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO CỦA KÍNH THÔNG MINH

Cửa kính thông minh được chế tạo theo quy trình bao gồm các bước sau:

Bước 1: Chế tạo màng trên đế ITO diện tích 6cm x 6cm theo như mục 4.1.4

Bước2 : Sử dụng tấm ITO có diện tích tương tự, hoặc sử dụng thanh bút chì

chiều dài 6,5 cm gắn vào giữa bề mặt tấm kính còn lại để tạo điện cực đối

Bước 3 : Ghép 2 tấm kính vào nhau một tấm có đế ITO như mô tả bước 2 và

một tấm có màng WO3 đã chế tạo ở bước 1, hai tấm kính được lắp ghép cách nhau

0.5cm, dùng epoxy để hàn lại kín, chỉ để một lỗ nhỏ để đổ dung dịch điên li là

CH3COOH.

Bước 4: Đổ dung dịch điện ly và hàn kín, hàn các dây dẫn từ các điện cực để

nối vào bộ điều khiển

6.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

6.3.1 . CẤU TRÚC VÀ NHÌNH THÁI CỦA MÀNG

Vật liệu WO3 sử dụng để chế tạo mẫu là dạng viên WO3, chúng tôi tiến hành

chế tạo màng WO3 trên đế thủy tinh trước để khảo sát quá trình lắng đọng của màng

sau đó sẽ lắng đọng lên đế ITO, điều kiện chế tạo với cường độ dòng điện I = 30A,

áp suất p = 7.10-4

torr và các thời gian bốc bay mẫu khác nhau. Mẫu hình thành với

độ dày khác nhau. Sau đó, chúng tôi ủ các mẫu này với nhiệt độ khác nhau trong 5h.

Với các nhiệt độ này, mẫu hình thành các pha có cấu trúc tinh thể khác nhau. Điều

này dẫn đến các tính chất của màng tạo thành sẽ khác nhau. Chúng tôi tiến hành

khảo sát cấu trúc và hình thái của màng bằng Phổ nhiễu xạ tia X, ảnh AFM, ảnh

SEM, Phổ EDX.

15

6.3.1a. PHỔ NHIỄU XẠN TIA X, PHỔ EDS, ẢNH SEM

Các pha, cấu trúc tinh thể hình thành phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Vì vậy, sau

khi chế tạo các màng chúng tôi đem ủ trong không khí trong thời gian 5h với các

nhiệt độ ủ là : 300oC, 400

oC và 500

oC. Các mẫu sau đó được phân tích XRD để

kiểm tra cấu trúc, kết quả được chỉ ra trong hình 10.

Hình 10 : A ) Phổ nhiễu xạ tia X của các màngWO3 trên đế thủy tinh, B) trên

đế ITO tại các nhiệt độ ủ khác nhau

Hình 10 là phổ nhi ễu xạ tia X (XRD) của các màngWO3 trên đế thủy tinh với

nhiệt độ ủ khác nhau. Kết quả cho thấy, mẫu có nhiệt độ ủ 300oC thì chưa kết tinh

vẫn ở dạng vô định hình, hai mẫu ủ tại 400oC, 500

oC đã kết tinh. So sánh với các

thẻ chuẩn trong thư viện quốc tế, ta thấy hai mẫu ủ ở 4000C và 500

0C kết tinh ở hai

pha triclinic [Pattern 20-1323] và pha hexagonal [Pattern 33-1387] như chỉ ra trên

các hình 11.

VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau WO3 - 400C VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau WO3 - 500C

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

1000 d

(A)

900

d = 3.

1 5 2

(B)

800

700

( C p s )

600

d = 3 . 7 9 5

500

L i n

d = 6 . 3 8 3

d=3.

82

2

d=

3.3

46

d=3.173d

=3.091

d=

2.6

2

92

d=2.

4379

d=2.

161

0

d=1.

9819

d=1.8319

d=

1.8

041

d = 1 . 6 5 2 4

400

d=

4.0

6 6

d=2.

6281

d=

2.4

3 8

8

d=2.

032

7

d=

1.8

2

37

d=1.

6310

d = 1 . 5 7 7 7

300

200

100

0

11 20 30 40 50 60 70 21 30 40 50 60 70

2-Theta - Scale 2-Theta - Scale File: Thien-CMS-WO3-M10.raw - Type: 2Th alone - S tart: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 .0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 12/26/14 17:05:26 File: Thien-CMS-WO3-M5.raw - Type: 2Th alone - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 12/22/14 17:20:22

20-1323 (I) - Tungsten Oxide - WO3 - Y: 27.50 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 20-1323 (I) - Tungsten Oxide - WO3 - Y: 31.75 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

33-1387 (I) - Tungsten O xide - WO3 - Y: 6.03 % - d x by: 1.00 0 - WL: 1.540 56 33-1387 (I) - Tungsten Oxide - WO3 - Y: 30.99 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

Hình 11 : Phổ nhiễu xạ tia X của màng WO3 trên đế thủy tinh tại nhiệt độ ủ

400oC và 500

oC

16

Thành phần pha tinh thể chủ yếu của mẫu màng WO3 ủ ở 400oC có cấu trúc

triclinic với xu thế kết tinh định hướng ưu tiên theo phương [200]. Đây là phương

tương ứng với mặt (200) có cường độ cao nhất trong thẻ chuẩn [20-1323]. Bên cạnh

đó có một lượng nhỏ pha tinh thể có cấu trúc hexagonal phù hợp với thẻ chuẩn [33-

1387] (hình 11B).

Mẫu màng WO3 ủ ở 500oC có hai pha tinh thể nêu trên với tỉ lệ so sánh được

với nhau (hình 11b). Pha tinh thể cấu trúc hexagonal cũng ở dạng phát triển định

hướng ưu tiên theo phương [200]. Đây là phương tương ứng với mặt (200) có cường

độ cao nhất trong thẻ chuẩn [33-1387].

Bảng 2 : Cường độ nhiễu xạ của một số mặt

Nhiệt độ Pha triclinic Pha hexagonal

Chỉ số mặt Cường độ Chỉ số mặt Cường độ

(hkl) nhiễu xạ (Cps) (hkl) nhiễu xạ (Cps)

4000C

(002) 200 (200) 70

(020)

(200) 940 (201) 35

(022) 24 (202) 70

(221)

(202) 224 (400) 14

(320) 15 (401,320) 12

(132)

(-114) 89

5000C

(002) 410 (200) 680

(020)

(200) 900 (201) 190

(022) 60 (202) 80

(221)

(202) 84 (400) 70

(320) 100 (401,320) 25

(132)

(-114) 190

17

Từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu, chúng tôi đã so sánh vị trí các đỉnh với thẻ

chuẩn và xác định được chỉ số (hkl) của các đỉnh nhiễu xạ. Các đỉnh nhiễu xạ và

cường độ nhiễu xạ được thể hiện qua các bảng 2. Tỉ lệ cường độ lớn nhất của hai

đỉnh mạnh nhất tương ứng với pha triclinic và pha hexagonal ở nhiệt độ 4000C và

5000C lần lượt là: 970:70 và 900:680. Điều này chứng tỏ: Mẫu ủ ở 400

0C tỉ lệ kết

tinh ở pha triclinic là vượt trội. Mẫu ủ ở 5000C tỉ lệ kết tinh ở pha triclinic vẫn lớn

hơn nhưng không quá nhiều so với pha hexagonal. Chúng tôi cho rằng sự khác nhau

giữa tỉ lệ các pha sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến các tính chất quang của mỗi mẫu.

Sau khi khảo sát sự kết tinh của các màng WO3 trên đế thủy tinh, chúng tôi đã

khảo sát sự kết tinh của các màng trên đế ITO kết quả được chỉ ra trong hình 10B.

Kết quả Khảo sát đối với màng WO3 chế tạo trên đế ITO cho thấy với nhiệt độ

ủ 400oC và 500

oC đều cho kết tinh pha triclinic với định hướng ưu tiên là phương

[200], kết quả hoàn toàn phù hợp với thẻ chuẩn [20-1323]. Như vậy có thể nhận

thấy các màng trên đế ITO kết tinh tốt hơn và đơn pha hơn.

Chúng tôi cũng đã tiến hành chụp ảnh SEM mẫu màng để khảo sát hình thái bề

mặt của các màng. Kết quả chỉ ra trong hình 12.

Hình 12 : a) Ảnh SEM bề mặt mẫu ủ ở 4000C. b) mẫu ủ ở 500

0C

Hình 12a, 12b ta thấy bề mặt mẫu có những khe nứt vi mô và biên của các hạt

tinh thể. Ta hoàn toàn thấy được mẫu có xu hướng tạo thành từng đám riêng biệt.

Các tinh thể có xu hướng phát triển thành các đám hạt chen vào nhau. Đặc biệt, với

mẫu 5000C, ta hoàn toàn thấy được hai pha trong mẫu phân tách rõ ràng. Trên mặt

màng có những “thanh” tinh thể lớn (dài cỡ 5µm, rộng cỡ 500 nm), còn những đám

còn lại xen kẽ giữa các “thanh”. Chúng tôi cho rằng các “thanh” tinh thể có thể kết

tinh ở dạng hexagonal. Đám các hạt nhỏ hơn xen giữa có thể kết tinh ở pha triclinic.

Mẫu 4000C kết tinh nhưng hoàn toàn không thấy “thanh” tinh thể lớn nào xuất hiện.

Kết quả phân tích ảnh SEM là hoàn toàn phù hợp với kết quả nhận được từ phổ

XRD. Chiều dài của thanh tinh thể có thể là phương phát triển ưu tiên [200] của pha

18

tinh thể hexagonal. Mẫu 4000C thì pha triclinic kết tinh chiếm tỉ lệ vượt trội nên trên

ảnh SEM ta chỉ quan sát thấy pha triclinic. Với mẫu kết tinh ở 5000C, tỉ lệ kết tinh ở

hai pha là tương đương nhau nên trên ảnh SEM ta hoàn toàn thấy được hai pha rõ

ràng.

Hình 13: Phổ EDS màng WO3 ủ ở 5000C

Hình 13 là phổ EDS của của màng WO3 được ủ 5000C. Kết quả ta thấy màng

WO3 không bị lẫn tạp và khá tinh khiết. Phổ EDS có đỉnh Na, Ca, K. Các nguyên tố

này là những tạp chất có trong đế thủy tinh.

6.3.1b. ẢNH AFM

Hình 14: Ảnh AFM của mẫu: a) trước khi ủ nhiệt, b) ủ ở 3000C,

c) ủ ở 4000C, d) ủ ở 500

0.

Hình 14 là ảnh AFM của mẫu có các nhiệt độ ủ khác nhau. Dựa vào ảnh AFM

ta thấy, khi mẫu chưa được ủ (trạng thái vô định hình) thì bề mặt màng khá mấp mô,

có nhiều đỉnh nhọn. Khi ủ với các nhiệt độ càng cao, ta thấy bề mặt màng càng xuất

19

hiện ít các đỉnh, mà thay vào đó màng khá bằng phẳng độ mấp mô chỉ 2 nm. Điều

này chứng minh, ở nhiệt độ cao, màng kết tinh sẽ tốt hơn. Điều này hoàn toàn đúng

với một số công bố trước đó [2]. Vì vậy, với mỗi yêu cầu cần thiết của màng chế tạo

thì chúng ta có thể tìm hiểu, thử nghiệm ủ ở nhiệt độ mà mẫu đạt hiệu quả cao nhất

với từng ứng dụng cụ thể.

Kết luận nội dung nghiên cứu 1: Các màng tạo ra chính là màng WO3. Mẫu

kết tinh tốt, bám dính tốt,không có tạp chất, độ dầy màng có thể được điều chỉnh

theo thời gian bốc bay, độ phẳng cao mấp mô bề mặt chỉ 2nm. Các màng này đáp

ứng yêu cầu để làm cửa sổ thông minh. Trên cơ sở màng tạo ra chúng tôi tiến hành

khảo sát tính chất điện sắc của màng để từ đó đánh giá hiệu ứng điện sắc nhằm chế

tạo cửa sổ thông minh tự điều chỉnh ánh sáng

6.3.2. TÍNH CHẤT ĐIỆN SẮC CỦA WO3.

Sau khi tiến hành các phép đo xác định các thông số, tính chất của màng WO3.

Chúng tôi cũng đã thử nghiệm khả năng nhuộm màu cũng như tẩy màu của màng.

Màng WO3 mà chúng tôi thí nghiệm lần này được tạo trên màng ITO. Với các

thông số chế tạo màng : I = 30A, p = 7.10-4

torr, t = 120s và được ủ 4000C trong 5h.

Các đặc trưng điện sắc của màng được thí nghiệm trên thiết bị điện hóa ba cực

potentiostat. Trong đó, hệ màng được dùng làm điện cực làm việc (WE ), điện cực

so sánh (RE) làm bằng AgCl, điện cực đối (CE) làm bằng Pt

Cùng với việc khảo sát sự biến đổi của độ truyền qua của màng khi nhuộm màu

và tẩy màu, chúng tôi khảo sát sự thay đổi của độ truyền qua của màng theo các hiệu

điện thế nhuộm và tẩy màu khác nhau. Các quá trình trên được thực hiện trong dung

dịch axít axêtic (CH3COOH) 1M với thời gian thực hiện mỗi lần là 180s. Trong quá

trình nhuộm màu, hiệu điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh có thể

được thực hiện với các giá trị từ -0,1V đến -0,7V.

Trong quá trình tẩy màu, hiệu điện thế giữa các điện cực trên được thực hiện

với các giá trị từ 0,1V đến 2V ứng với thế nhuộm 0,7V trong 180s.

KHẢ NĂNG NHUỘM MÀU.

Màng chế tạo với các thông số trên, màng tạo ra trên đế ITO có màu hơi vàng,

khi áp điện thế âm vào điện cực chứa màng thì màng chuyển dần sang màu xanh

thẫm.

Trên hình 15A là phổ truyền qua của màng khi thay đổi điện áp đặt vào. Điện

thế được chúng tôi thử nghiệm lần lượt là : -0,1V; -0,3V; -0,5V; -0,7V trong 180s.

Sau đó các màng được khảo sát độ truyền qua, kết quả cho thấy độ truyền qua giảm

20

rõ rệt khi ta giảm dần hiệu điện thế, hiện tượng này gọi là hiện tượng nhuộm mầu,

điện thế gây ra hiện tượng này gọi là điện thế nhuộm mầu.

Hình 15: (A) Phổ truyền qua của màng với các điện thế thay đổi, (B) : Hình

ảnh thực tế của màng khi nhuộm màu

Trên hình, chúng ta có thể chia bước sóng làm hai phần: Phổ tử ngoại, phổ khả

kiến với phổ hồng ngoại gần. Với phổ khả kiến và hồng ngoại gần, ta thấy độ truyền

qua của màng giảm rõ rệt. Khi chưa nhuộm màu, độ truyền qua rất lớn (80-100%)

nhưng khi hiệu điện thế giảm dần thì độ truyền qua giảm rõ rệt (trung bình khoảng

40%). Đặc biệt nhất, với vùng hồng ngoại, độ truyền qua giảm từ gần 100% xuống

khoảng 10%. Ta thấy, với hai phổ khả kiến và hồng ngoại độ truyền qua giảm mạnh

khi chúng ta nhuộm màu.

Kết quả cho thấy rằng hiệu điện thế nhuộm càng cao, lượng ion H+ khuếch tán

vào màng càng nhiều nhưng ở mỗi hiệu điện thế nhuộm màu, sự khuếch tán của các

ion H+ vào màng luôn đạt đến một trạng thái cân bằng động ở đó nồng độ ion H

+

trong màng đạt trạng thái ổn định [2]. Đặc biệt trạng thái tinh thể của màng không bị

thay đổi khi có sự chèn vào màng của các ion H+ (được nhộm màu) [2].

KHẢ NĂNG TẨY MÀU

Hình 16: (A). Phổ truyền qua của màng khi tẩy màu, B) Hình ảnh thực tế

của màng khi tẩy màu

21

Kính thông minh là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của màng WO3.

Nó giảm độ truyền qua khi ánh sáng cường độ ánh sáng mặt trời chiếu tới. Nó ngăn

phần lớn phổ hồng ngoại khi được nhuộm màu. Nhưng khi ánh sáng chiếu tới yếu,

nó phải cho truyền qua lớn. Tức là, màng phải chuyển dần sang màu như lúc chưa

nhuộm. Quá trình này được gọi là quá trình tẩy màu của màng. Vì thế khả năng tẩy

màu của màng là một vấn đề rất quan trọng trong kính thông minh.

Chúng tôi đã thử nghiệm việc tẩy màu của màng với các hiệu điện thế khác

nhau khi màng đã được nhuộm ở -0.7V trong môi trường điện ly là axit axetic

(CH3COOH:1M). Kết quả chỉ ra trong hình 16A: Khi tăng điện thế tẩy màu, ta thấy

độ truyền qua của màng tăng. Tuy nhiên, chúng tôi nghĩ rằng với mỗi hiệu điện thế

thì sẽ có mức bão hòa về độ truyền qua (mức bão hòa H+còn trong màng).

Vì thế muốn tăng độ truyền qua của màng, chúng ta phải tăng hiệu điện thế tẩy

mầu. Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng hiệu điện thế nhuộm là -0,7V rồi tẩy

màu cao nhất tới 2V trong 180s nhưng độ truyền qua của màng vẫn chưa trở về

trạng thái ban đầu. Vì thế, chúng tôi nghĩ rằng muốn trở về trạng thái ban đầu cần

tăng hiệu điện thế cao hơn nữa (có thể là 5V theo một số tài liệu)

Kết luận nội dung nghiên cứu thứ 2. Trong nội dung nghiên cứu này, chúng tôi

đã tiến hành khảo sát hiệu ứng điện sắc của màngWO3 trên đế ITO kích thước1,5

x 2 cm trong hai qua trình nhuộm mầu và tẩy mầu: các kết quả chỉ ra rằng Hiệu

ứng điện sắc thể hiện rất rõ rệt. sự biến đổi mầu sắc cửa các màng diễn ra nhanh.

cường độ ánh sáng truyền qua phụ thuộc mạnh vào Hiệu điện thế phân cực được

đặt vào. Các kết quả này là cơ sở khoa học để chúng tôi có thể thử nghiệm chế tạo

cửa kính thông minh tự điều chỉnh ánh sáng.

6.4. CHẾ TẠO CỬA SỔ THÔNG MINH

6.4.1. Kính điện sắc

Hình 17: Sản phẩm kính điện sắc

22

Trên cơ sở các nghiên cứu cơ bản về tính chất điện sắc đã nêu trên với mấu có

kích thuóc 1,5*2(cm). Chúng tôi đã phát triển trên diện tích lớn hơn 6 cm x 6cm để

chế tạo cửa sổ có kích thước với các bước đã trình bày ở mục 6.2.2. Sản phẩm được

chỉ ra trong hình 17.

Với thiết kế như trên cửa kính này Có khả năng tự điều chỉnh cường độ ánh

sáng truyền qua thông qua việc thay đổi điện áp đặt vào các cực hoặc có thể kết nối

với bộ điều khiển tự động với cảm biến ánh sáng đặt ngay sau cửa sổ để điều chỉnh

cường độ ánh sáng phù hợp với một tiêu chuẩn đã lập trình sẵn. việc điều chỉnh

cường độ ánh sáng sẽ giúp ánh sang trong phòng trở nên phù hợp đồng thời mát hơn

do cửa đã chặn hoặc giảm thiểu dải bước song khả kiến và hồng ngoại gần. Có khả

năng cách âm, cách nhiệt do một lớp dung dịch điện ly đầy 0,5cm

6.4.2. Bộ điều khiển thông minh

Để cửa kính trở thành một cửa sổ thông minh chúng tối đã tiến hành kết nối cửa

kính với một bộ điều khiển tự động đó là một bản mạch như trong hình 18.

Hình 18: Bộ điều khiển tự động cho cửa kính thông minh

Bảng mạch ở trên gồm bản mạch andruino pro mini kết nối với cầu H để đổi

chiều của dòng điện đi qua hệ kính thích hợp với quá trình nhuồm hay tẩy mầu. Hệ

thống được trang bị một cảm biến ánh sáng để đo cường độ sáng chiếu vào sensor

để từ đó điểu khiển độ truyền qua sánh sáng của cửa sổ một cách thích hợp. Chương

trình nhúng để điều khiển được trình bày trong hình

23

19.

Hình 19: Chương trình điều khiển viết trên Arduino-1.6.7

Sau đó chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm khả năng đổi mầu của kính với hiệu

điện thế 3V. Kết quả được chỉ ra trong hình 19. Hình 19A là ảnh trước khi nhuộm

mầu, và hình 19B là ảnh sau khi tẩy mầu trong thời gian 5 phút. Chúng ta có thể tự

điều chỉnh ánh sang truyền qua bằng thay đổi thời gian nhuộm mầu. Quá trinh tẩy

mầu đòi hỏi thời gian dài hơn 10 phút. Tuy nhiên đây là quá trình điều khiển bằng

tay, thủ công

Hình 19: Hình Ảnh thực tế của cửa sổ thông minh khi nhuộm mầu

Điểm đặc biệt của cửa kính thông minh của chúng tôi là khả năng điểu khiển

hoàn toàn tự động, quá trình điều khiển đó được mô tả ngắn gọn như sau:

Chúng ta thiết lập một ngưỡng cường độ ánh sáng phù hợp với mắt người đây là

cường độ cho phép làm việc tốt, chẳng hạn 250 - 350 lux/m2. Cảm biến ánh sáng có

24

nhiệm vụ đo ánh sáng trong phòng theo thời gian thực. Bộ KIT vi điều khiển

Andruino sẽ xử lý thông tin về cường độ ánh sáng để gửi lệnh điều khiển cho cầu H

để điều khiển quá trình nhuộm/ tẩy màu cửa kính. Nếu cường độ ánh sáng lớn hơn

ngưỡng (quá sáng) thì bộ điều khiển sẽ điều khiển cửa kính thực hiện quá trình

nhuộm mầu để giảm bớt ánh sáng truyền từ bên ngoài vào qua cửa sổ thông minh và

ngược lại khi cảm biến nhận cường độ nhỏ hơn 250 lux/m2 thì bộ điều khiển sẽ điều

khiển cửa kính thực hiện quá trình tầy mầu để tăng cường độ ánh sáng truyền qua

cửa kính. Như vậy, điều kiện ánh sáng trong phòng luôn được duy trì thích hợp cho

người ở trong phòng.

7. DỰ KIẾN HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

Trong thời gian tới, đến tháng 3 /2016 chúng tôi sẽ lắp ghép cửa kính thông

minh lên ngôi nhà mô hình

8. K ẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu hăng say chúng tôi đã đạt được các mục tiêu đề ra

và thu được các kết quả sau:

1. Đã tìm hiểu một cách sâu sắc về vật liệu WO3 và hiệu ứng điện sắc trên vật

liệu này. Tìm hiểu được các cơ chế điện sắc…

2. Đã nghiên cứu quá trình lắng đọng của von-fram oxit lên bề mặt thủy tinh và

điện cực trong suốt ITO bằng phương pháp bốc bay trong chân không trên

thiết bị Univex 300 của TTKHVL, khảo sát sự kết tinh, hình thái bề mặt. Và

tính chất điện sắc của màng mỏng tạo được. Các kết quả cho thấy

- Khảo sát phổ XRD cho thấy với nhiệt độ ủ ≥ 4000C màng đã kết tinh,

nhiệt độ thấp hơn màng chưa kết tinh.

- Khảo sát ảnh SEM cho thấy mẫu ủ ở nhiệt độ 500oC có hai loại tổ chức

hạt phù hợp với kết quả nhận được từ phân tích XRD. Ảnh AFM: Cho

biết sự thay đổi bề mặt màng khi ủ với nhiệt độ khác nhau.

- Khảo sát quá trình nhuộm màu : Màng lúc đầu có màu hơi vàng, độ

truyền qua của màng giảm mạnh tương ứng với quá trình giảm hiệu điện

thế (từ gần 100% xuống dưới 20%).

- Khảo sát quá trình tẩy màu được thực hiện sau khi được nhuộm màu: Độ

truyền qua của màng cũng tăng lên với quá trình tăng hiệu điện thế (từ

dưới 20% lên hơn 80%).

25

3. Thiết kế và chế tạo thành công kính điện sắc trên cở sở màng WO3. Kính

chế tạo được có hiệu ứng điện sắc rõ nét. Có thể thay đổi độ truyền qua của

ánh sáng bằng cách thay đổi hiệu điện thế đặt vào các điện cực hoặc thay đổi

thời gian đặt điện thế.

4. Xây dựng mô hình nhà sử dụng các tấm kính điện sắc được chế tạo.

5. Viết chương trình Arduino-1.6.7 để điều khiển quá trình điện sắc một các tự

động kết nối chương trình với kính điện sác để tạo thành một cửa kính thông

minh tự động thay đổi cường độ ánh sáng phù hợp với điều kiện làm việc

khác nhau.

Trên đây là một số kết quả bước đầu mở ra triển vọng tiếp tục nghiên cứu sâu

hơn để ứng dụng một cách thực tiễn cho công trình này nhằm đạt mục đích tiết kiệm

năng lượng và hoàn thiện hơn nữa ứng dụng.

8. TÀI LIỆU THAM KHẢO.

1. Lê Văn Ngọc, Lê Quang Trí, Trần Tuấn, Huỳnh Thành Đạt, Dương Ái Phương,

Nguyễn Văn Đến (2008), Nghiên cứu đặc trưng điện sắc và điện hóa của màng

WO3,,Tạp chí Phát triển KH & CN, Tập 11, Số 06 – 2008.

2. Lê Văn Ngọc (2010), Nghiên cứu màng Oxit Vonfram bằng phương pháp quang

phổ, Luận án Tiến sỹ Vật lý, ĐH KHTN – ĐH QGTPHCM

3. Bạch Văn Hòa (2009), Nghiên cứu cấu trúc màng WO3 bằng quang phổ tia X và

phổ Raman, Luận Văn Thạc sỹ Vật lý, ĐH KHTN – ĐH QGTPHCM

4. Malin Johansson (2014), Nanocrystalline Tungsten Trioxide Thin

Films,Dissertation, Uppsala University 25 - 39.

5. Lê Văn Vũ, Phân tích cấu trúc vật liệu, Giáo trình dành cho sinh viên ngành

Khoa học vật liệu.

6. A. Enesca, L.Andronic, A, Duta, S. Manolache (2007), “ Optical Properties and

Chemical Stability of WO3 and TiO2 Thin Film Photocatalysts”, Romanian

journal of science anh technology.

7. Felicia S, Manciu, Jose L.Enriquez, William G. Durer, and Young Yun

(2010),“Spectrocopic analysis tungsten oxide thin films”, Received 2 March

2010; accepted 14 July 2010.

8. Kyungmoon Kim, Chungwon Seo, Hyeonsik Cheong, Se-Hee Lee,

“ Photochromic Mechanism in a-WO3 thin films based on Ranman spectrocopic

studies”, Journal of Korean Physical SocietyVol. 48, No. 6, June 2006.

26

9. Meenakshi M, Gowthami V, Perumal P, Sanjeeviraja C(2014), “Effect of RF

Power on the Structuraland Optical characterization of (WO3)0.90(V2O5)0.10

Thin Films, Internation Journal of Chem Tech Research : Vol6, No.13, pp5412-

5418, November 2014.

27