Đ Ạ I H Ọ C TH ÁI N G U Y ÊN
K H O A K H O A H Ọ C T ự N H IÊN V À X Ã HỘI
----------------------- ^ £ D .e r-----------------------
M AI TH Ị ĐÀO
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC
CHẤM LƯỢNG TỬ CdS VÀ CdS:Mn
Ị ì - - J í £ - ĐẠI H Ọ C THÁI N G U Y Ề N KHOA KHOA HỌC Tự NHIÊN VÀ XẢ HỘI
K H Ó A L U Ậ T O Ỡ T Y ltậíỂ Ệ P đỊạI h ọ c
N G À N H V Ậ T LÝ
C H U Y Ê N NG ÀN H : V ật L ý C hất Rắn
L Ớ P : C Ử NH Â N LÝ K2
C án bộ hư óug dẫn: T h .s. N guyễn X uân Ca
T H Á I N G U Y Ê N - 2 0 0 8
LỜI CẢM ƠN
Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình đến Th.s Nguyễn
Xuân Ca - giảng viên Vật lý Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, Đại học Thái
Nguyên đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn của mình đến Bộ Giáo dục và Đào tạo,
Trường Đại học Thái Nguyên, Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, những nơi đã
tạo điều kiện cho em được học tập và làm khóa luận tốt nghiệp. Nhân dịp này,
em cũng xin được dành những lời cảm ơn chân thành của mình đến các thầy cô
giáo của Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, các thầy cô trong bộ môn vật lý đã
cung cấp cho em những kiến thức cơ bản, giúp đỡ em nhiệt tình và tạo mọi điều
kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện khóa luận này.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ sự biết ơn chân thành đến tất cả các bạn
sinh viên lớp lý K2 Khoa khoa học tự nhiên và xã hội, Đại học Thái Nguyên đã
luôn luôn ủng hộ, động viên, giúp đỡ và góp ý cho tôi ừong suốt quá trình học
tập và thực hiện khóa luận này.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Mai Thị Đào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
M Ụ C L Ụ C
Trang
LỜI MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1 CHƯƠNG I.TỘNG QUAN LÝ TH U Y ẾT.............................................................3 1.1. Vài nét về chất bán dẫn................................................................................... 3 1.2. Các hệ bán dẫn thấp ch iều ..............................................................................4 1.3. Các trạng thái điện tử trong chấm lượng tử bán d ẫ n ...................................7 1.4. Các chế độ giam giữ trong chấm lượng tử .................................................. 11 1.4.1. Chế độ giam giữ m ạnh...........................................................................11 1.4.2. Chế độ giam giữ trung g ian .................................................................. 13 1.4ế3. Chế độ giam giữ y ếu ............................................................................. 13 1.5. Dịch chuyển quang học trong chấm lượng t ử .......................................... 14 1.6 . Một số cấu trúc tinh thể thường g ặ p ............................................................15 1.6.1 ắ Cấu trúc mạng lục giác W urtzte...........................................................15 1.6.2. Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl................................ 16 1 .6.3. Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm kiểu sphaleit ............................ 17 1.7. Cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử CdS, C dS:M n..................................17 1.8 . Tính chất quang của ion Mn2+.......................................................................18 CHƯƠNG II.CÁC KĨ THUẬT T H ựC NGHIỆM ...............................................21 2.1. Các phương pháp chế tạo m ẫu..................................................................... 21 2.1.2. Phương pháp sol - gel............................................................................21 2.1.2. Phương pháp Micelle đảo...................................................................... 22 2.2. Các phương pháp đo thực nghiệm ............................................................... 22 2.2.1. Quang phổ hấp thụ và phổ truyền qua................................................. 22 2.2ẽ2. Hệ đo phổ hấp th ụ .................................................................................. 25 2.2ẵ3. Phổ quang huỳnh quang.........................................................................26 CHƯƠNG III.KÉT QUẢ VÀ THẢO LU Ậ N .... ................................................. 29 3.1 .Chế tạo chấm lượng tử CdS và CdS:Mn2+bằng phương phápMicelle đảo29 3.1.1.Chế tạo lõi C d S ........................................................................................ 30 3.1.2..Chế tạo lõi Cd0)6Mn04S .......................................................................... 31 3.1Ế3Ế Tạo vỏ bọc Z nS .......ẽ.............................................................................. 32 3Ể2. Tính chất hấp thụ của các chấm lượng từ C d S ...........................................33 3.3. Tính chất hấp thụ của các chấm lượng tử CdS: M n................................... 35 3.4. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS............................................36 3.5. Phổ Huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS: Mn2+............................... 38 3.6. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS:Mn2+/Z nS ........................ 40 KẾT L U Ậ N ............................................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ........................................................................................45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
KHòa luặn tỡt nghiệp
L Ờ I M Ở Đ Ẩ U
Lý do chọn đề tài
Bước sang thế kỷ 21, các nước trên thế giới đang tích cực nghiên cứu
và chuẩn bị cho ra đời một lĩnh vực khoa học công nghệ mới mà tầm cỡ của
nó được đánh giá ngang tầm với các cuộc cách mạng công nghiệp trong lịch
sử, đó là công nghệ nano.
Các nano tinh thể - chấm lượng tử(QDs) là những tinh thể nhân tạo, có
kích thước cỡ nano mét. Độ rộng năng lượng vùng cấm được mở rộng khi
kích thước hạt nhỏ hom bán kính Bohr, dẫn tới làm dịch đỉnh phổ hấp thụ về
phía sóng xanh và làm tăng đáng kể quá trình phát quang và xúc tác quang
hoá. Hiện tượng này đóng vai trò to lớn trong việc ứng dụng các hạt nano tinh
thể bán dẫn vào các linh kiện quang điện từ như diod phát sáng (LEDs), laser,
các linh kiện sử dụng trong viễn thông như khuy ếch đại quang và dẫn sóng,
trong các máy tính lượng tử (ứng dụng để làm màn hình với năng suất phân
giải rất cao). Đặc biệt khả năng ứng dụng cao trong việc dánh dấu các mã
vạch cũng như trong công nghệ sinh học và hiện ảnh các tế bao.
Vật liệu CdS được quan tâm nghiên cứu rộng rãi do độ rộng vùng cấm
của bán dẫn khối là 2.5 eV tương ứng với vùng ánh sáng nhìn thấy, hiệu suất
lượng tử cao, có khả năng điều chỉnh các đặc trưng quang học theo kích thước
nên các chấm lượng tử CdS có thể đưa vào sản suất các nguồn laser mới, các
thiết bị phát sáng. Đe làm giảm huỳnh quang của trạng thái bề mặt do các
nano tinh thể gây ra và đặc biệt là tạo ra các nano tinh thể có thể phát xạ với
giải phổ từ 460 - 480 nm với phân bố kích thước tương đối hẹp thì các hạt
nano tinh thể CdS, CdS:Mn2+ đã bọc thêm lớp vỏ ZnS [4],
Mặc dù đã có rất nhiều nghiên cứu về chấm lượng tử CdS nhưng do ảnh
hưởng của điều kiện chế tạo đến chất lượng và hiệu suất phát quang của các
chấm lượng tử nên đòi hỏi các nhà khoa học luôn mong muốn chế tạo ra vật
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Rtioa luạn tdt nghièp
liệu ưu việt. Với mong muốn tìm hiểu lý thuyết cũng như bước đầu nghiên
cứu qui trình chế tạo chấm lượng tử CdS, chúng tôi tiến hành “tìm hiểu tính
chất quang của các chấm lượng tử CdS, CdS:Mn, CdS:M n/ZnS\ Với mục
đích chế tạo và nghiên cứu các hiệu ứng lượng từ bằng các phép đo quang.
Đối tượng nghiên cứu: Các chấm lượng tử CdS,CdS/ZnO, CdS:Mn,
CdS:Mn/ZnS”.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu:
- Chế tạo các chấm lượng tử CdS,CdS/ZnS, CdS:Mn, CdS:Mn/ZnS
bằng phương pháp micelle đảo.
- Nghiên cứu các tính chất quang của các chấm lượng tử qua phép đo
phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang.
Khóa luận gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết
Chương 2: Các kĩ thuật thực nghiệm.
Chương 3:Tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdS, CdS:Mn
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khóa luân tõt nghiệp
C H Ư Ơ N G I
T Ỏ N G Q U A N L Ý T H U Y É T
l . l ẵ V ài nét về chất bán dẫn [10] [11]
Vật liệu bán dẫn được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh
vực khoa học, kĩ thuật và công nghiệp. Vật liệu bán dẫn rất đa dạng và cũng
có nhiều cách để phân loại chúng. Các tính chất của các chất bán dẫn phụ
thuộc trước tiên vào thành phần hoá học của chúng và sau đó là phụ thuộc vào
cấu trúc vùng năng lượng. Các chất bán dẫn có thể là đơn tinh thể, đa tinh thể
hoặc là các chất vô định hình. Thông thường có các chất bán dẫn thông dụng
nhất như: silic, germani, hợp chất AmBv, hợp chất AnBVI và nhiều hợp chất
hữu cơ khác. Các chất bán dẫn thông dụng thường kết tinh theo mạng tinh thể
N ăng lượng
Điện môi
Bán dẫn
Kim loại H ình l . l ẻ Cấu trúc vùng năng lượng cùa vật liệu
lập phương tâm mặt.
v ề tính dẫn điện, các chất bán dẫn có giá trị điện trở suất nằm trung
1 0 ' 6 Qm, điện trở suất cùa bán dẫn trong khoảng 1 0 " 4 - 1 0 10 Qm (trong đó
gian giữa chất cách điện và kim loại. Điện trờ suất của kim loại khoảng 10' 8 -
cadimi suníua có thể có điện trở suất trong khoảng 1 0 ' 5 - 1 0 10 fìm ), các vật
liệu có điện trở suất lớn hơn 108 Qm được coi là điện môi. Ngoài ra, khác với
kim loại, trong một khoảng nhiệt độ xác định, điện trờ của chất bán dẫn giảm
khi nhiệt độ tăng.
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khóa luận tốt nghiệp
Cấu trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn bao gồm vùng hoá trị
bị lấp đầy hoàn toàn và vùng dẫn bị bỏ trống hoàn toàn được phân cách nhau
bởi vùng cấm có độ rộng không lớn lắm và chỉ cách điện thực sự ở nhiệt độ
T=0K. Ở nhiệt độ T * OK chuyển động nhiệt trong chất rắn có thể truyền cho
electron một năng lượng đủ để nó chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để
lại các trạng thái trống trong vùng hoá trị. Dưới tác dụng của một điện trường
không cần mạnh lắm, các electron trong vùng hoá trị có thể đến chiếm các
trạng thái trống và tham gia vào quá trình dẫn điện, số các trạng thái trống
này trong vùng hoá trị bằng số electron trong vùng dẫn. Nhiệt độ càng tăng
thì số electron và số trạng thái trống này càng tăng.
l ẻ2. Các hệ bán dẫn thấp chiều [11]
Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một
mặt phẳng, một đường thẳng hay một điểm, tức là ta hạn chế chuyển động của
các electron theo ít nhất là một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước
sóng deBroglie của nó (cỡ nm).
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi kích thước của vật rắn giảm
xuống một cách đáng kể theo 1 chiều, 2 chiều, hoặc cả 3 chiều, các tính chất
vật lý: tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang có thể thay đổi một cách đột ngột.
Các tính chất của nano có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hình dạng
và kích thước cỡ nm của chúng. Sự giảm kích thước xuống cỡ nanomét xảy ra
hiệu ứng giam giữ lượng tử mà ở đó các trạng thái electron cũng như các
trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử hoá. Các trạng thái bị lượng tử
hoá trong cấu trúc nano sẽ quyết định tính chất điện và quang nói riêng, tính
chất hoá học nói chung của cấu trúc đó. Trong phần này, chúng ta sẽ sử dụng
khái niệm giam giữ lượng tử các hạt tải điện trong vật rắn thấp chiều [ 1 1 ].
Đối với hệ ba chiều hay là bán dẫn khối, các electron trong vùng dẫn
(và các lỗ trống trong vùng hóa trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể, do
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khỏa luận tỗt nghiệp
lưỡng tính sóng hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng
tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng trải khắp vật rắn. Năng lượng của
electron tự do phụ thuộc vào vectơ sóng k theo hàm parabol và các trạng thái
phân bố gần như liên tục. Mật độ trạng thái ti lệ với căn bậc hai của năng
lượng.
( 1. 1)
Người ta tạo ra được cấu trúc điện tử hai chiều (hay giếng thế lượng tử-
quantum well) bằng cách tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai
lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Các electron bị giam trong
lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy chuyển động của chúng
là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo chiều thứ ba đã bị lượng
tử hoá mạnh. Năng lượng ứng với hai hàm sóng riêng biệt, nói chung là khác
nhau và không liên tục. Điều đó có nghĩa là năng lượng của hạt không thể
nhận giá trị tùy ý, mà chỉ nhận các giá trị gián đoạn. Năng lượng của hạt là:
2m 8n 2m
Nếu thay kz=nzAk với A kz=7t/Lz, ta đươc:
(1.2)
E = - — 8 mL “
Mật độ trạng thái theo năng lượng có dạng: * (1.3)
với 0 là hàm bậc thang Heaviside.
Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc một chiều (quantum
wire-dây lượng tử) bằng cách thu nhỏ kích thước của vật rấn theo phương y
và z. Khi đó, các electron chỉ có thể chuyển động tự do theo phương X, còn
chuyển động của chúng theo phương y, z bị giới hạn bởi các mặt biên của vật.
Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động tự do theo một chiều và
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khoa luạn tõt nghiệp
chiếm các trạng thái lượng tử hóa ở hai chiều còn lại. Sự phân bố năng lượng
theo phương song song với trục kz là liên tục. Trong khi đó, các trạng thái k y ,
kz bị lượng tử hóa, nhận các giá trị gián đoạn. Lúc này, năng lượng toàn phần
là tổng các mức gián đoạn theo hai chiều bị giam giữ và liên tục theo chiều
dài của d â y [ll]. Điều này dẫn đến mật độ trạng thái của hệ một chiều có
dạng:
(1.4) g u ( E > ' ỵ I E -È „ „ ^ » « n nx ,ny yịIL Clnx ,ny
Mật độ này rất đặc biệt vì nó phân kì khi động năng nhỏ (ở đáy các tiểu
vùng nx, ny) và giảm khi động năng tăng.
Đối với hệ không chiều (chấm lượng tử-quantum dots) các electron bị
giới hạn trong cả ba chiều và không thể chuyển động tự do. Như vậy, các mức
năng lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian. Với một hệ lý
tưởng mật độ trạng thái là tổng của các hàm delta:
nx ,ny ,nz
g ữd{E) = 2 ỵ ô { E - E nx^ n z ) (1.5)
Các cấu trúc thấp chiều có nhiều tính chất mới lạ so với cấu trúc thông
thường, cả về tính chất quang, điện cũng như mật độ trạng thái.
/ \ /
-* E
-> E
a.
c.
H ình 1.2Ế Mật độ trạng thái theo năng lượng trong các hê lượng tử với số chiều khác nhau:
a. Hệ ba chiều (bán dẫn khối); b. Hệ hai chiều ( giếng lượng tử); c. Hệ một chiêu (dây lượng tử); c. Hệ không chiều (chấm lượng tử).
1 > / y g(E) g(E)
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khỏa luận tõt nghiệp
l ề3. Các trạng thái điện tử trong chấm lượng tử bán dẫn
M ột chấm lượng tử thường được miêu tả như là một nguyên tử nhân
tạo bởi vì điện tử bị giam giữ về mặt chiều thì giống như là trong một nguyên
tử và có các trạng thái năng lượng gián đoạn. Gần đây, đã có nhiều nỗ lực
được tiến hành để có thể chế tạo ra các chấm lượng tử với các hình dạng hình
học khác nhau, để có thể khổng chế được hàng rào thế giam giữ các điện tử
(và các lỗ trống) (Williamson, 2002). Các mức năng lượng gián đoạn sinh ra
các phổ hấp thụ, các phổ phát xạ hẹp và nhọn đối với các chấm lượng tử,
thậm chí ngay tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, cũng cần phải lưu ý rằng điều
này là lý tưởng, và các phổ do dịch chuyển quang học cũng bị mở rộng đồng
nhất và bất đồng nhất. Do tỷ lệ lớn giữa thể tích và diện tích bề mặt của các
nguyên từ của các chấm lượng tử, nên các chấm lượng từ còn biểu lộ các hiện
tượng liên quan đến bề mặt.
Các chấm lượng tử thường được miêu tả theo ngôn ngữ của mức độ
giam giữ. Chế độ giam giữ mạnh được xác định cho trường hợp khi kích
thước của chấm lượng tử nhỏ hon bán kính Bohr exciton (aB). Khi này, sự
phân chia năng lượng giữa các vùng (sub-bands) là sự biến đổi các mức của
các điện tử và các lỗ trống được lượng tử hoá lớn hơn là năng lượng liên kết
exciton. Bởi thế, các điện tử và các lỗ trống thì thường được biểu diễn bằng
các trạng thái năng lượng của các vùng sub-bands của chúng.
Khi kích thước của chấm lượng tử tăng, sự phân chia năng lượng giữa
các vùng sub-bands trở nên so sánh được một cách hiển nhiên với năng lượng
liên kết exciton. Đây là trường hợp của chế độ giam giữ yếu, khi kích thước
của chấm lượng tử lớn hơn bán kính Bohr exciton. Năng lượng liên kết điện
tử - lỗ trống trong trường hợp này gần như là trong bán dẫn khối.
Để bắt đầu xem xét về một vài tính chất của các hạt lượng tử thì cần
xem xét các điện tử trong tinh thể, ở đây, cần nhớ lại bài toán từ cơ lượng từ
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khóa luận tõt nghiệp
cơ bản, là một hạt trong một giếng thế năng. Chúng ta bắt đầu với hạt trong
một giếng thế năng một chiều[10]. Phương trình Schrödinger độc lập về thời
gian liên quan có thể viết là:
2 m õx
( 1.6)
Ở đây m là khối lượng của hạt, E là năng lượng hạt, và thế năng U(x)
được xem là giếng hình trụ với độ cao thành giếng là không xác định, nó là:
(1.7)
Trong phương trình trên, a ký hiệu cho độ rộng của giếng. Đã được biết
từ cơ lượng tử là từ phương trình Schrödinger ở trên (1.6) có lời giải các loại
chẵn và lẻ [ 1 0 ].
Kết quả quan trong nhất của bài toán là một tập hợp các giá trị năng
lượng gián đoạn được cho bởi công thức:
Khoảng cách giữa các mức năng lượng liền kề được cho bời công thức:
7ĩl h \ 2 n + \) AEn = E n+ì- E n = (1.9) 2ma2
và nó tăng theo n. Các hàm sóng đối với mỗi một trạng thái năng lượng thì
triệt tiêu ở X > a. Biên độ của các hàm sóng là giống nhau, và sác xuất tổng
cộng để tìm thấy một hạt ở bên trong hộp chính xác là bằng một đơn vị đối
với tất cả các trạng thái.
Lưu ý rằng phương trình (1.8) cho ta các giá trị động năng. Bằng cách
dùng quan hệ giữa năng lượng E, momen p, và số sóng k là:
( 1.10)
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khóa luận tôt nghiệp
Chúng ta có thể viết các giá trị momen và số sóng liên quan:
7ĩh . n
các đại lượng này cũng lấy các giá trị gián đoạn.
Nếu có tồn tại một hạt, thì đại lượng \ịi\ụ* phải khác 0 tại một nơi nào
đó. Như vậy, lời giải thoả mãn (1.6) và (1.7) với n = 0 không thể được phép,
bởi vì điều này sẽ phủ nhận sự tồn tại của một hạt. Năng lượng tối thiểu mà
(1.12) một hạt có thể có được cho bởi: E\ - ~7 ~ 2 2 m a
Năng lượng này được gọi là năng lượng điểm zero của hạt. Nó có thể
được rút ra từ kết quả của hệ thức bất định Heisenberg:
A p A x > y (1.13)
Một hạt bị giam chặt trong vùng không gian Ax = a. Do đó, phù hợp
2 a
với (1.13), nó phải là không xác đinh nếu momen của nó có giá tri A p > -^ ~ .
s ố hạng sau tương ứng năng lượng tối thiểu:
tương ứng với Ej trong (1.12) với độ chính xác của 7t2/4 .
Trong trường hợp các thành giếng có chiều cao xác định, các hàm sóng
không thể bị triệt tiêu tại bờ của thành giếng, nhưng bị giảm theo hàm mũ ở
bên trong vùng cấm cổ điển IX I > a/2. Sác xuất khác 0 hiện ra để tìm ra một
hạt ở bên ngoài giếng. Với sự tăng n, sác xuất này tăng, số các trạng thái ở
bên trong giếng được kiểm soát bởi điều kiện:
a^lmƯQ > 7đi{n-1) (1.15)
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khóa luận tỗt nghiêp
Ở đây U 0 là chiều cao của giếng. Điều kiện (1.15) luôn giữ đối vói n= 1.
Bởi vậy, ít nhất là có một trạng thái ở bên trong giếng thế năng một chiều với
bất kỳ sự liên hợp nào của a và U0. số khả năng của các trạng thái ở bên trong
giếng tương ứng với giá trị cực đại n đối với (1.15) vẫn còn được giữ. Vị trí
tuyệt đối của các mức năng lượng thì thấp hơn giá trị xác định U0 được so
sánh với Uo -» 00 bởi vì bước sóng hiệu dụng của hạt trở nên lớn hom. Tất cả
các trạng thái với En > U0 tương ứng với chuyển động không xác định và hình
thành các trạng thái liên tục.
Trong bán dẫn khối, phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng được
dùng để tính toán cấu trúc điện tử của các vùng một cách đơn giản và đủ. Các
p2
lời giải của phương trình Schrödinger đối với một hạt, với hamitonien
2 ma
Ha = - — + V(r), ở đây V(r) là thế năng tuần hoàn, đươc viết dưới dang hàm
B loch: y/vk(r) = QXỹ(ikr)uvk(r) (1.16)
Ở đây U v k (r) là hàm tuần hoàn với sự tuần hoàn của thế năng V, V là chỉ
số của vùng mà hạt thuộc về vùng đó. Bằng cách thay thế V |/vk(r) trong phương
A 2
trình Schrödinger và dùng toán tử p = - ìh V , do thay P = -ĨÃV -» V = - — P h
V2 = — , ta nhận được phương trình: Vvk = KkVvk ĩikì) P 2 h2k 2 —— + —Ĩ- + -Ỉ— + V 2 m„ 2 m„ m„
hay là phương trình:
. 2 m o
m 0
2 m 6
p 2 tìk.p h 2k 2 uvk = E vkuvk (1.17)
Các lời giải, Uvo và E vo, với k = 0, từ phương trình (1Ế17) được giả thiết
là đã biếtử Như vậy, ta có thể viết: (H0 + k02)u vo = (Evo+ ko2)u vo (1.18)
h2k 2 Với: Ho = (p /2m0) + V và K - 2 mn
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khỏa luận tôt nghiệp
( H o + k c + — k - P > v k = E vku vk
(1.19)
Như vậy, phương trình (1.18) được viết dưới dạng:
m0
1.4. C ác chế độ giam giữ trong chấm lượng tử[12]
Các hạt tải điện bị giam giữ là các điện tử và lỗ trống tương tác với
nhau bởi tương tác Coulomb. Mỗi cặp hạt (i, j) có điện tích q, tại vị trí r đóng
góp năng lượng tương tác Coulomb Wịj cho hệ bằng:
0 -2°)
J
¿ 1 'TT'Tr
I ~
c
I
Wịj (rằ,rằ) = — -------\ ~ ^ ~ \ ri 4 n n r e 0 |r , - r y
Với £0 là hằng số điện môi chân không. Khi qi = qj, các hạt tải chịu một
lực đẩy, nó làm tăng tổng năng lượng của hệ hạt. Khi qj = - qj, năng lượng của
hệ hạt giảm đi và một exciton được tạo thành. Exciton là một chuẩn hạt trung
hoà về điện. Có ba chế độ giam giữ có thể được định nghĩa để so sánh về tầm
quan trọng và vai trò của tương tác Coulomb với các hiệu ứng gây bởi sự
lượng tử hoá năng lượng.
1.4.1Ẽ Chế độ giam giữ mạnh
Chế độ giam giữ mạnh ứng với trường hợp bán kính của chấm lượng tử
nhỏ hơn nhiều so với bán kính Borh exciton (Ro < hiệu ứng Coulomb là nhỏ so với sự ảnh hưởng của sự lượng tử hoá năng lượng. Nghĩa là, AEe» E c và AEh» E c với AEe và AEh là khoảng cách giữa các mức con của điện tử và lỗ trống, Ec là năng lượng tương tác Coulomb. Với một chấm lượng tử có bán kính như trên, năng lượng gây bởi sự lượng tử hoá kích thước là năng lượng chỉ phối chủ yếu. Đối với cả điện tử và lỗ trống, năng lượng tương tác Coulomb là rất nhỏ so với khoảng cách năng lượng của các trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luận tôt nghiệp Mômen dịch chuyển lưỡng cực giữa một điện tử ở trạng thái m và một lỗ trống ở trạng thái n tới trạng thái cơ bản g được xác định không phụ thuộc vào Ro: Với pcv là phần tử của ma trận dịch chuyển lưỡng cực, hàm delta ô mô tả qui tắc chọn lọc các hàm bao. Nếu khối lượng điện tử và lỗ trống là khác nhau và thế giam giữ là hữu hạn thì thừa sổ này gần bằng 1 đối với các dịch chuyển được phép. Phổ hấp thụ của chấm lượng tử trong trường hợp giam giữ mạnh có dạng: Enl=Eg+:^ / nl (L22) m e + m h * * Trong âó ụ = memẰ- là khối lượng rút gọn của cặp điện tử lỗ trống. Năng lượng của trạng thái cơ bản của điện tử - lỗ trống được biểu diễn dưới dạng: *2 2 2 = E g+ !LJLĨ -1 ,8^-2 - ° ’248£* 0 -23) Ip R ị sRị Vớ 8 là hằng số điện môi tinh thể, ER là năng lượng Rydberg, aB là bán kính Borh exciton: » 2 _
a B - r- _ e 2
2 aB ụe Cường độ dao động của sự dịch chuyển một điện tử và lỗ trống ở trạng thái n tới trạng thái cơ bản g trong chế độ giam giữ mạnh là: f sc = Ĩ Ỵ n p 2 (124) Trong đó m 0 là khối lượng điện từ tự do. 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luận tôt nghiệp 1.4.2ệ Chế độ giam giữ trung gian ứ n g với trường hợp bán kính chấm lượng tử nằm trong khoảng aB thể xảy ra do sự chênh lệch khối lượng giữa các điện tử và lỗ trống (me/mh« l ) . Điện tử bị lượng tử hoá bởi thế giam giữ và lỗ trống có thể coi như không dịch chuyển mà định xứ tại tâm của chấm lượng tử. Với chế độ giam giữ trung gian, các trạng thái năng lượng và phổ hấp thụ của chấm được xác định chủ yếu bời sự lượng tử hoá chuyển động của điện tử. Tuy nhiên do tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trổng, mỗi mức điện tử bị tách thành vài mức con. Vị trí cực đại hấp thụ đầu tiên của chấm có thể được mô tả bởi biểu thức: / \
2 a exp £ > = £ „ + 8 (1.25) Cường độ dao động fi với exciton tái hợp có n = 1 trong một chấm hình cầu là: exp \ ) A .
rj->
Trong đó: ah = A7ISr S(\ h
; u 3 (1.26) 8 4 6 ) ^ V ĩ ĩ.h-
\ ^0 J rnh Hàm sóng điện tử - lỗ trống là hàm gián đoạn có dạng: mômen dịch chuyển lưỡng cực là nhỏ so với PCv( 1.4.3. Chế độ giam giữ yếu Chế độ giam giữ yếu với trường hợp bán kính chấm lượng tử lớn hơn nhiều lần so với bán kính Borh (Ro>4aB). Trong trường hợp này, các điện tử và lỗ trống tạo thành các cặp và chuyển động khối tâm của chúng bị lượng tử hoá bởi thế giam giữ và chuyển động của hạt tải sẽ bị chi phối bởi tương tác 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tồt nghiệp Coulomb. AEe và AEh là gần bằng hay lớn hơn Ec. Chuyển động tương đối của hạt tải sẽ được biểu diễn dưới dạng: f exp (1.27) rh ) =
Năng lượng liên kết exciton có dạng: p (1.28) p
h X„1
¿ i s i s - t g — 2 +~ĩ— ™
2 2MRữ nz Trong đó M = me + mh. Với n = 1, m = 1, 1 = 0 ta có năng lượng của í . . . X í _ trạng thái thâp nhât là: _
h 2n 2
£ lslí = E - E R + -—— (1.29) 2 AŨL (1.30) Hay: £ 151í = E g + E R l - i i
M Cường độ dao động exciton trong chấm lượng tử hình cầu ứng với dịch chuyển ở trạng thái cơ bản là: \ B / R„ « = 1,2,3. ( l ễ31) Jn 2m0(ùn 2 8
r cv 2
n +
h - y ;
n Như vậy, cường độ dao động giảm đi đối với các dịch chuyển cao hơn, và tăng lên khi kích thước của chấm lượng tử tăng lên. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi phép gần đúng lưỡng cực điện được giữ, tức là khi exp(i q Ro)«1, với q là vectơ sóng của trường bức xạ, và bị phá vỡ khi Ro lớn. 1.5ắ Dịch chuyển quang học trong chấm lượng tử [12] Các dịch chuyển quang học đom giản nhất trong một chấm lượng tử hình cầu được chỉ ra trong hình 1.3. Một chấm lượng tử ở trạng thái cơ bản có thể hấp thụ một photon có năng lượng Ex để tạo ra một exciton (a). Sau khi 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp exciton được tạo thành , chấm lượng tử không thể hấp thụ thêm một photon |lS ,lS ,lS 3 /2 ,ls3/2> có năng lượng Exx - Ex (b) và sau đó tạo thành một lưỡng exciton. |lp,ls3/2> Ịls , lp3/2>
ịlS,lS3/2> (d) Ngược lại, trạng thái lưỡng cực exciton có thể phân ra thành một photon và một excỉton, rồi sau đó exciton phân ra thành một photon có năng lượng Ex. Các điện tử và lỗ trống tạo nên cặp exciton có spin đối nhau. Với quá trình hấp thụ phi tuyến hai photon một lưỡng exciton có thể tạo ra bằng sự hấp thụ hai photon có năng lượng (Ex + Exx)/2 (c). Khi các dịch chuyển hai photon bao gồm sự thay đổi của số lượng tử quĩ đạo tổng là 0 và 2 thì sự tạo thành một exciton |l p ,ls 3/2> hoặc 11 s, lp 3/2> là có thể xảy ra. 1.6. M ột số cấu trúc tinh thể thường gặp 1.6.1. Cấu trúc mạng lục giác Wurtzte [7] [11] Cấu trúc tinh thể wurtzte là cấu trúc hỗn hợp của cấu trúc lập phương tâm khối nguyên tố đơn. Nó có cơ sờ đa nguyên tử. ô đơn vị bao gồm 4 nguyên tử, 2 nguyên tử cho nguyên tố thứ nhất và 2 nguyên tử cho nguyên tố thứ hai. Đây chính là cấu trúc lục giác xếp chặt. M ột trong những tính chất đặc trưng của phân mạng lục giác xếp chặt là giá trị ti số giữa các hằng số mạng c và a. Trường hợp lý tường thì tỉ số c/a=l,633. Trên thực tế, các giá trị của tỉ sổ c/a của hợp chất AnBvi đều nhỏ 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tỏt nghiệp hom 1,633. Điều này chứng tỏ các mặt không hoàn toàn xếp chặt. Đối với mạng tinh thể lục giác kiểu Wurtzte của A nBvi, hai nguyên tử An nằm ở vị trí (0, 0, 0) và (1/3, 2/3, 1/3) và hai nguyên tử Bvi nằm ở vị trí (0, 0, u) và (1/3, 2/3, 1/3+u) với u«3/5. Mỗi ô đem vị chứa hai phân tử A i i B v i (hình 1 .4). Mỗi nguyên tử An liên kết với 4 nguyên tử B v i nằm ở lân cận 4 đỉnh tứ diện trong đó 1 nguyên tử nằm ở vị trí có khoảng cách uc, và ba ngnuyên tử khác nằm ở vị trí cách nguyên tử ban đầu một đoạn bằng [l/3a 2 + c2(u-l/2)2]l/2. Xung quanh mỗi nguyên tử có 1 2 nguyên tử lân cận bậc hai, trong đó có 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng một mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên từ ban đầu một đoạn [l/3a 2 + l/4c2]2. Tinh thể A nBvi không có tâm đối xứng, do đó trong mạng tồn tại trục phân cực song song với hướng [001] như hình 1,4b. b. Trục phân cực song song với hướng 1.6.2. Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl. [10] [11] 0 mạng cơ sờ của cấu trúc lập phương (LP) đơn giản kiểu NaCl có thể được xem như gồm hai phân mạng LP tâm mặt của cation An và anion Bvi lồng vào nhau, trong đó phân mạng anion Bvi dịch đi một đoạn a/ 2 với a là cạnh hình lập phương. Mỗi ô cơ sở gồm bốn phân tử A i i B v i hình 1.5. Vị trí của các nguyên tử An trong ô cơ sở là (0, 0, 0), (1/2, 1/2, 0), (1/2, 0, 1/2), (0, 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luận tốt nghiệp 1 /2 ), (0 , 1 /2 , 0 ), ( 1 / 2 , 0 , 0 ). Số lân cận gần nhất của cation và anion bằng 6 . 1/2, 1 /2 ) và vị trí của các nguyên tử Bvi tương ứng là ( 1 /2 , 1/2, 1 /2 ), (0 , 0 , w 1 1 ■ p i i u w i i g > u w n g i c u i í 1 C4V_-1 t 1.6.3. Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm ki Đây cũng là một trạng thái cấu trúc gií bền c E ỉ t ì t A nqvi- Mỗi ô cơ sở (Hình 1.6 .) chứa bốn phân tử với các tọa độ của bốn nguyên tử An là (0, 0, 0), (0, 1/2, 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0) và tọa độ của bốn nguyên tử Bvi là (1/4,174,1/4), (1/4, 3/4, 3/4), (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4). ở đây mỗi nguyên từ bất kì được bao quanh bởi bốn nguyên tử khác, mỗi nguyên tử Bvi được bao quanh bởi bốn nguyên tử A n nằm ở đỉnh của tứ diện có khoảng cách aV 3 /2, a là thông số của mạng lập phương. Còn mỗi nguyên tử A n (hoặc Bvi) được bao quanh bởi 1 nguyên tử cùng loại, chúng là lân cận bậc hai nằm tại khoảng cách a Ị 4 Ĩ . Các lớp A i i B v i được định hướng theo trục, do đó tinh thể A nBvi lập phương có tính dị hướng. Các mặt đối xứng nhau, các hướng ngược nhau thì có thể có tính chất vật lí khác nhau. 1.7ễ Cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử C dS, C dS:M n[12] Cấu trúc tinh thể của các chấm lượng tử cũng giống như cấu trúc tinh thể của bán dẫn khối tương ứng. Do đó, chấm lượng tử CdS cũng có cấu trúc tinh thể giống như của CdS khối. Cadimi suníiia (CdS) là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AnBvi- Hợp chất này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử học bán dẫn và điện tử 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp học lượng tử cũng như trong lĩnh vực quang học bán dẫn, do chúng có độ rộng vùng cấm lớn và chuyển mức thẳng. CdS tồn tại trong hai loại cấu trúc cơ bản: cấu trúc lập phương giả kẽm kiểu sphalerit và cấu trúc lục giác kiểu Wurtzite. 1.8. Tính chất quang của ion M n2+ [12] 4E
4T 2 lon trong tinh thể CdS lon tự do ion tự do ở trong chấm lượng tử Các tâm phát xạ được pha vào các chấm lượng tử bán dẫn thường là các ion kim loại chuyển tiếp và các ion đất hiếm. Khi được pha tạp vào các chấm lượng tử, hiệu suất phát xạ của các tâm phát xạ sẽ tăng lên, Thời gian phát xạ ngắn hơn do các hiệu ứng giam giữ lượng tử. Chính vì vậy, sự phát xạ của các tâm phát xạ trong chấm lượng tử cũng đang rất được quan tâm. Ở đây, chúng tôi chi xét sự phát xạ của ion Mn2+ trong các chấm lượng tử CdS. Sơ đồ các mức năng lượng của Mn2+ ở trạng thái ion tự do và ở trạng thái chấm lượng tử có dạng như trong hình 1.8. Khi được pha tạp vào chấm lượng tử, các ion Mn2+ sẽ chiếm các vị trí của Cd2+ và có đối xứng tứ diện. Dưới sự đối xứng này, trạng thái kích thích đầu tiên của Mn2+ trong trạng thái ion tự do là 4G sẽ bị tách thành các trạng thái con 4T |, 4E, 4Ai, 4E (ở đây các trạng thái 4Ai và 4E là không bị suy biến). Mô hình phát xạ của các chấm lượng tử CdS có pha tạp Mn2+ được trình bày trong Hình 1.8 . 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn ấ k Điện tử
1 i k Khỏa luận tỏt nghiệp của Mn2+ (6 ) (3)J ( 1 ) (5) (2) 6 A| của Mn2+ ( '■) o ' r
T
LÔ trông u Khi kích thích các chấm lượng tử CdS có pha tạp ion Mn2+ bằng photon ánh sáng có năng lượng lớn, các điện tử trong vùng hóa trị sẽ chuyển mức lên vùng dẫn, đồng thời làm xuất hiện trong vùng hóa trị các lỗ trống. Do đó sẽ có sự tái hợp giữa các cặp điện tử lỗ trống ( 1 ) (tái hợp vùng - vùng hoặc tái họrp exciton). Ngoài ra với các chấm lượng tử, trạng thái bề mặt bị chiếm một tỷ lệ lớn. Cho nên các điện tử hoặc lỗ trống bị kích thích có thể bị bắt bởi các mức bẫy bề mặt, vì vậy sẽ có sự tái hợp ở các mức bẫy (2). Bởi sự có mặt của ion Mn2+, các điện tử hoặc lỗ trống còn có thể bị bắt ở các mức bẫy nông ngay 4+Tị của ion Mn2+ (4), hoặc có thể tái hợp phát xạ với lỗ trống hoặc điện tử ở dưới vùng dẫn (3), và kéo theo sự truyền năng lượng tới trạng thái kích thích các mức bẫy sâu (5). Khi năng lượng được truyền cho trạng thái 4Ti của ion Mn2+ thì sẽ xảy ra sự phân rã phát xạ từ trạng thái kích thích 4Tị về trạng thái cơ bản 6Ai (6 ) gây ra dải phát xạ ở dải sóng ngắn. Cũng có thể trạng thái kích thích 4Ti của ion M n2+ có thể được lấp đầy trực tiếp từ vùng dẫn (7) sau đó phân rã phát xạ về trạng thái cơ bản 6A|. Trong các chấm lượng tử CdS có pha tạp Mn2+, sự phát xạ gây bởi sự dịch chuyển trạng thái từ 4T| về 6Ai của ion Mn2+ đã được quan sát thấy ở bước sóng cỡ 585 nm. Hiệu suất phát xạ của Mn2+ cũng tăng lên do sự truyền 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luận tốt nghiệp năng lượng của các chấm CdS cho ion Mn2+ từ các trạng thái bẫy (phần 2 hình 1.9) hoặc từ các cặp điện tử - lỗ trống bên trong chấm lượng tử (phần 1 hình 1.9.). Tuy nhiên bằng thực nghiệm một số nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự phát xạ của ion Mn2+ dưới kích thích của photon ánh sáng hầu hết bị chi phối bởi sự truyền năng lượng từ các cặp điện tử lỗ trống bên trong chấm lượng tử. n \ ' * • 4 ^ 11 f r A Ỹ------ v ----- « A/«/ễ Thị Đào- Lớp CNLý K2 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tỏt nghiệp C H Ư Ơ N G II C Á C K ĩ T H U Ậ T T H ự C N G H IỆ M 2.1. C ác phư ơng pháp chế tạo mẫu 2.1.2. Phương pháp sol - gel Phương pháp này gồm hai bước chính: Pha chế dung dịch sol và tạo gel. Hạt keo là những hạt nhỏ nằm lơ lửng trong một chất lỏng, người ta gọi huyền phù đó là sol (lỏng). Thường dung dịch sol đó được pha chế bằng cách hoà tan dung dịch muối của kim loại tương ứng trong dung môi. Sol không có hình dạng riêng, nó có hình dạng của bình chứa. Khi sol biến đổi để sang trạng thái đông đặc có hình dạng riêng thì gọi là gel. Vậy quá trình sol-gel là quá trình hình thành dung dịch huyền phù của chất keo (sol) rồi biến hoá để đông đặc lại (gel). Vật liệu xuất phát để làm ra “soi” thường là muối kim loại vô cơ hoặc là họp chất kim loại hữu cơ. Trong quá trình sol-gel thông thường chất tiền tố cùng với quá trình thuỷ phân và phản ứng polyme hoá tạo ra được keo huyền phù, đó là sol. Dùng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating) để có thể được màng gel trên bề mặt đế. Màng này còn xốp, ta làm nóng lên và thu được màng đặc trên đế[13]. Khi đổ sol vào khuôn do chuyển hoá từ sol ta có gel ướt, gel ướt có hình dạng của khuôn. Nếu tiếp tục làm bay hết nước trong gel, ta có gel khô. Từ gel khô tiếp tục nung nóng ta có vật liệu đặc vì các hạt sau khi hết nước dưới ảnh hưởng của nhiệt độ liên kết chặt với nhau[13]. Dùng cách kết tủa, phun qua ngọn lửa hoặc dùng kỹ thuật nhũ tương có thể có được các hạt rất mịn. Đó là cách sản xuất thích hợp để chế tạo bột nano dùng trong công nghiệp. Phương pháp Sol-gel hiện nay là phương pháp hiệu quả nhất để sản xuất bột nano với cấu trúc và thành phần mong muốn, dễ điều 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiêp khiển kích thước hạt đồng đều và đặc biệt là giá thành hạ. Các loại bột từ, bột bán dẫn với yêu cầu về thành phần, độ tinh khiết, kích thước hạt nhất định ... thường được chế tạo bằng phương pháp Sol-gel, vừa dễ có sổ lượng đủ dùng trong công nghiệp, vừa có giá thành hợp lý, có khả năng cạnh tranh. Điều quan trọng chủ yếu của phương pháp này là có thể điều khiển được các phản ứng hoá học hay các phản ứng hoá lý. 2.1.2ẵ Phương pháp Micelle đảo. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp micelle đảo (reverse micelle) để chế tạo ra các chấm lượng tử, được gọi là lõi (core), sau đó sẽ chế tạo một lớp vỏ (shell) để bọc các chấm lượng tử này lại, nhằm bảo vệ các phát xạ liên quan đến các dịch chuyển nội tại của lõi chấm lượng tửẽ Phương pháp micelle chính là phương pháp trộn hai pha chất lỏng, ví dụ là pha chất hữu cơ (lượng ít) vào pha chứa nước (hoặc chất vô cơ hoà tan được trong nước) với lượng thể tích lớn hơn. Sau khi trộn hai pha lỏng không thể hoà tan lẫn vào nhau được này, ta sẽ có trạng thái các hạt tròn pha hữu cơ lơ lửng trong pha nước, kích thước nanô của hạt pha hữu cơ phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích của chúng. Khi này ta có các hạt cầu pha hữu cơ được bao bọc bởi môi trường nước xung quanh. Khi tình huống ngược lại, tức là các hạt cần pha nước được bao bọc bởi pha hữu cơ, ta có các hạt micelle đảo. Thể tích của các hạt này cũng phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích pha trộn giữa hai pha lỏng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các micelle đảo. 2.2. C ác p h ư on g pháp đo thực nghiệm 2.2.1ẳ Quang phổ hấp thụ và phổ truyền qua [2] Cơ sở của quang phổ hấp thụ là định luật Lambert-beer. Khi chùm sáng cường độ lo truyền tới một môi trường độ dày 1, do ánh sáng bị hấp thụ một phần , cường độ ánh sáng lối ra còn lại là I. Nếu cường độ ánh sáng tới không 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp lớn và nếu các hiện tượng phản xạ tán xạ không đáng kể thì cường độ ánh sáng lối ra tuân theo định luật Lambert như sau: / = / 0.exp(-*/) (3.1) Trong đó k là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bản chất môi trường hấp thụ và nồng độ chất hấp thụ c. Theo Beer: k = a .c Ket hợp lại ta có định luật Lambert-Beer: / = / 0 .exp(-a.C i) (3.2) Thông thường trong quang phổ hấp thụ người ta đo độ truyền qua T = 7/ / 0 hoặc độ hấp thụ. A = - lo g T = -log(exp(-ar.C./) = (or.c./).log10e = 0.434(or.Ci) Neu 1 = 1 cm , c = 1 mol/1 ta có A = a .
Để xác định độ hấp thụ A theo bước sóng phải dùng đến máy quang phổ hấp thụ. Có thể chia máy quang phổ hấp thụ làm 2 loại: -Máy quang phổ một chùm tia ( sơ đồ hình 2.1 a ) - Máy quang phổ hai chùm tia ( sơ đồ hình 2.1 .b ) 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tôt nghiệp Trong máy quang phổ một chùm tia phải đo 2 lần: một lần với cuvet chi chứa dung môi, một làn với dung dịch cần phân tích. Trong cả 2 lần đo phải giữ cho cường độ chùm sáng tới là không đổi. Điều này là khó đảm bảo và dân tới kêt quả không chính xác. Để loại trừ nhược điểm này người ta dùng máy quang phổ 2 chùm tia. Chùm sáng tới được tách làm 2: một chùm đi qua cuvet đựng dung môi chuẩn, một chùm đi qua cuvet chứa dung dịch cần đo. Sau đó chúng được bố trí cùng đi vào máy thu tín hiệu để xác định tỷ số biên độ và qui ra ngay độ hấp thụ A của mẫu. Phép đo độ hấp thụ có thể tiến hành với một vài bước sóng đom sắc xác định, đặc trưng, khi đó có thể chỉ cần một đèn đơn sắc kết hợp với kính lọc hoặc dùng một tia laser cho bước sóng thích hợp. Thông thường phép đo phổ hấp thụ được tiến hành với một vùng phổ rộng với bước sóng thay đổi liên tục. Các nguồn sáng hay dùng trong đo phổ hấp thụ là đèn Wolfram-halogen cho phổ liên tục trong miền khả kiến và hồng ngoại gần hoặc đèn Xenon, D2, H 2 cho phổ liên tục trong miền tử ngoại... Tốt hơn cả là dùng một laser màu có bước sóng thay đổi liên tục trong vùng phổ hấp thụ cần nghiên cứu. Cũng có thể thu phổ hấp thụ theo kiểu đa kênh. Khi đó chùm sáng có phổ liên tục truyền thẳng vào cuvet mẫu rồi tới máy quang phổ đa kênh. Tín hiệu sau đó được lấy tích phân, xử lý rồi đưa lên màn hình máy tính qua một Cuvet mẫu Computer Nguồn sáng Máy quang phổ
đa kênh chương trình đã cài đặt sẵn. 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luân tốt nghiêp 2.2.2. Hệ đo phổ hấp thụ [2] Trong máy đo phổ hấp thụ nguyên tử dừng ngọn lửa (hình 2.3) thì một nguôn bức xạ chiếu vào ngọn lửa, một phần của bức xạ được hấp thụ bời các nguyên tố ở trạng thái cơ bản. Bức xạ đi qua ngọn lửa sẽ đi tiếp qua máy tạo bức xạ đơn sắc, chiếu đến đetectơ quang - cấu trúc ghi phổ ghi lại tín hiệu cuôi cùng ở dạng độ truyền quang hay mật độ quang. Đê thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ta cần phải thực hiện các quá trình sau: 1. nguồn bức xạ; 2. đèn; 3. máy tạo ánh sáng đơn sắc; 4. Đetectơ quang;
5. cấu trúc ghi phổ. - Quá trình nguyên tử hóa mẫu. - Đo cường độ của vạch phổ hấp thụ được biểu thị theo thang đo mật độ quang A. - Ghi vạch quang phổ hấp thụ ở dạng peak. Cường độ vạch phổ sẽ tỷ lệ thuận với chiều cao (h) của peak hay diện tích của peak (S). Sau đó trong một giới hạn nhất định nồng độ c của nguyên tố phân tích ta có biếu thức: h= K.c hay S=K.C Cường độ vạch hấp thụ được in ngay trên máy in theo từng lần đo và sau đó lấy giá trị trung bình của n lần đo. Chúng ta có thể tỉm hiểu phổ hấp thụ và truyền qua của mẫu được đo trên các máy quang phổ hấp thụ nhãn hiệu Cintra 40 (Australia) hiện có tại 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiêp khoa Sinh trường Đại học Sư phạm - ĐHTN (Dải phổ làm việc của máy từ Gi, G 2 , G4, G5: Các gương 190nm tới 900nm. Sơ đồ hệ đo của máy được trình bày trên hình 2.4. Đ 2 : Nguồn đèn halogen G3 : gương phản xạ -truyền qua K i, K 2 :khe vào ra máy đơn sắc ĐT: đầu thu là phôto diode bằng Sili E>i: Nguồn đèn đơteri 2.2.3. Phổ quang huỳnh quang [1] [9] Trong thực tế có nhiều phép đo huỳnh quang phụ thuộc vào kiểu kích thích. Nếu vật liệu được kích thích bằng bức xạ điện từ, ta có phổ quang huỳnh quang, được kích thích bằng nguồn tia X cho phổ huỳnh quang tia X, phổ hóa huỳnh quang nếu được kích thích bằng phản ứng hóa học. Huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử trong vật chất. Phổ quang huỳnh quang biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào bước sóng (hoặc tần số) dưới một ánh sáng kích thích nhất định. Sơ đồ khối của một hệ đo quang huỳnh quang được minh họa trên hình 2.5. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luân tốt nghiệp Kết quả phép đo phổ huỳnh quang sẽ cung cấp các thông tin về xác suất chuyển dời điện tử có bức xạ giữa các trạng thái. Trong trường hợp mẫu có chứa nhiều loại tâm tích cực quang thì phổ huỳnh quang có thể sẽ là chồng chập của các đỉnh huỳnh quang có nguồn gốc từ các tâm khác nhau. Đe có thể tách được các phần phổ huỳnh quang có nguồn gốc khác nhau này, người ta phải sử dụng một số kĩ thuật đo huỳnh quang khác. Huỳnh quang có nguồn gốc từ các tâm khác nhau có thể có năng lượng kích thích khác nhau, do vậy, chúng có thể được phân biệt từ phép đo phổ kích thích huỳnh quang. Phổ kích thích thu được từ phép đo cường độ của bức xạ huỳnh quang tại một bước sóng cố định, trong khi tần số hoặc bước sóng của nguồn kích thích được quét với cường độ không đổi. Trong thực tế thì đo cường độ của ánh sáng kích thích tại mỗi tần số là khác nhau nên phổ kích thích thường được hiệu chỉnh bằng cách chia cường độ của bức xạ huỳnh quang I h q ( v ) cho cường độ phổ của nguồn kích thích Io(v). Phổ kích thích thu được là sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào tần số hay bước sóng của ánh sáng kích thích Ikt(v): T í iHgO') (3.3) 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luận tốt nghiệp Sơ đồ nguyên lý phép đo phổ kích thích được trình bày trên hình 2.6: máy đơn sắc thứ nhất tạo nguồn đơn sắc kích thích cho phép thay đổi bước sóng kích thích vào mẫu, máy đơn sắc thứ hai để phân tích tín hiệu phát ra từ mẫu. Phép đo phổ kích thích được thực hiện với máy đơn sắc thứ hai định vị ở một vị trí cố định, máy đơn sắc thứ nhất quét trong dải tần số của ánh sáng kích thích cần khảo sát. Đầu thu 2 sẽ cho ta phổ I h q ( v ) , đầu thu so sánh sẽ cho ta phổ Io(v). Cường độ của phổ kích thích vì vậy sẽ phụ thuộc vào xác suất chuyển hấp thụ từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Kết quả này dẫn đến phổ kích thích cũng chứa các thông tin của phổ hấp thụ. Ta có thể thấy sự liên hệ này khi xét mẫu đo có hệ số hấp thụ a(v), bề dày d và nồng độ của các tâm hấp thụ c rất thấp. Công thức (3.3) có thể được viết như sau: IKT(v) = Qa(v)cd (3.4) Trong đó, Q là hiệu suất lượng tử huỳnh quang, được xác định bởi tỷ số giữa số photon bức xạ và số photon hấp thụ bời mẫu đo. Các phép đo phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang được thực hiện trên hệ FS - 920 của hãng Edinburgh - Anh, có tại phòng thí nghiệm Khoa Vật lý, trường Đại học sư phạm Thái Nguyên. Hệ đo huỳnh quang gồm hai máy đơn sắc có cách tử kép cho hai phần kích thích và huỳnh quang. Nguồn kích thích là đèn xenon (Xe) - 900 được nuôi bằng nguồn và đặt trong hộp bảo vệ cùng với quạt làm nguội, đèn có công suất 450W 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp C H Ư Ơ N G III K É T Q U Ả V À T H Ả O L U Ậ N 3.1. C hế tạo chấm l lượng tử CdS và C dS:M n2+ bằng phương pháp M icelle đảo Các hóa chất được sử dụng: Cd(CH3C0 0 )2.2 H20 , Mn(CH3C 0 0 )2.4 H 20 , C2H 5NS, chất dùng làm tác nhân bẫy ở đây là 3-mercapto propyltrimethoxy silanne (MPS) - CgH180 3SSi. Chúng tôi đã tiến hành chế tạo các chấm lượng tử CdS và CdS pha tạp Mn2+ bằng phương pháp Micelle đảo. Đe chế tạo các chấm lượng tử CdS chúng tôi đã tiến hành theo qui trình được mô tả như trong hình 3.1. Đầu tiên muối Cd(CH 3C 0 0 )2.2 H 20 được hòa tan trong MeOH có thêm MPS thành dung dịch chứa Cd2+ được bao bởi MPS. Muối C2H 5NS cũng được hòa tan trong methnol thành dung dịch s 2\ Sau đó, hai dung dịch được đổ lẫn vào nhau nhờ việc khuấy trộn và các chấm lượng tử CdS được hình thành. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp Để chế tạo các chấm lượng tử CdS pha tạp Mn2+, chúng tôi tiến hành theo qui trình được mô tả như trong hình 3.2. Hòa tan hỗn hợp muối Cd(CH3C0 0 )2.2 H 2 0 và Mn(CH 3C 0 0 )2.4 H 20 trong MeOH có thêm MPS thành hỗn hợp dung dịch chứa Cd2+ và Mn2+ được bao bởi MPS. Đồng thời C2H 5NS cũng được hòa tan trong methnol thành dung dịch s 2'. Sau đó, hai dung dịch được đổ lẫn vào nhau nhờ việc khuấy trộn cuối cùng thu được các chấm lượng tử CdS pha tạp Mn2+ trong MeOH. Sử dụng phương pháp chế tạo chung đã trình bày ở trên chúng tôi đã tiến hành chế tạo các mẫu dung dịch chứa các chấm lượng tử CdS, CdS/ZnS, trình chế tạo mẫu của chúng tôi như sau: 3ẻl.l.C h ế tạo lõi CdS Khối lượng hóa chất: Cd(CH 3C 0 0 )2.2 H 20 : 0,3325 g. C2H5NS : 0,108 g. MeOH : 25ml. MPS : 0,125 m lệ Khối lượng hóa chất được chọn sao cho tỷ lệ mol Cd2+/S2' = 1/1 và Cd2+/MPS = 2/1. 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp Đầu tiên hòa tan 0,3325 g muối Cd(CH3C0 0 )2.2 H 20 với 12,5 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 30 phút tạo ra dung dịch chứa ion Cd2+. Đồng thời hòa tan 0,108 g muối C2H 5NS vào 12,5 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 30 phút tạo ra dung dịch chứa ion s 2'. Nhỏ từ từ 0,125 ml MPS vào dung dịch Cd2+ rồi tiếp tục khuấy từ trong khoảng 30 phút. Sau đó đổ từ từ dung dịch chứa s 2' vào dung dịch hỗn hợp dung dịch chứa Cd2+ và MPS rồi tiếp tục khuấy từ trong khoảng 3 đến 4 giờ thì thu được dung dịch màu vàng có chứa các chấm lượng tử CdS được bao bởi các phân tử MPS. Hỗn hợp dung dịch được để ở nhiệt độ phòng và được lấy mẫu để tiến hành các phép đo phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. 3.1.2. Chế tạo lõi CdoôMnoíS Khối lượng hóa chất: Cd(CH3C 0 0 ) 2.2H20 : 0,1995 g. C 2H5NS : 0,108 g. Mn(CH3C 0 0 ) 2.4H20 : 0,1223 g. MeOH : 25ml. MPS : 0,125 ml. Đầu tiên hòa tan hỗn hợp gồm 0,3325 g muối Cd(CH 3C 0 0 ) 2.2H20 và 0,1223 g muối M n(CH 3C0 0 )2.4 H 20 với 12,5 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 30 phút thu được hỗn hợp dung dịch chứa ion Cd2+ và Mn2+ có màu vàng. Đồng thời hòa tan 0,108 g muối C 2H 5NS vào 12,5 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 30 phút tạo ra dung dịch chứa ion s 2'. Nhỏ từ từ 0,125 ml MPS vào hỗn hợp dung dịch Cd2+ và Mn2+ rồi tiếp tục khuấy từ trong khoảng 45 phút thì thu được hỗn hợp dung dịch chứa các ion Cd2+ và M n2' đã bị mất màu. Sau đó nhỏ từ từ dung dịch s 2' vào hỗn hợp dung dịch chứa các ion Cd2+, Mn2' và MPS, khuấy từ trong khoảng 4 đến 5 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luân tốt nghiệp giờ thu được dung dịch chứa cac chấm lượng tử Cdo6Mno4S được bao bời các phân tử MPS. Các mẫu chứa các chấm lượng tử CdS pha tạp Mn2+ với nồng độ Mn2+ khác nhau cũng làm tương tự. Hỗn hợp dung dịch được để ờ nhiệt độ phòng và được lấy mẫu để tiến hành các phép đo phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. 3.1.3ế Tạo vỏ bọc ZnS Đ ối với CdS/ZnS Khối lượng hóa chất: Zn(CH3C 0 0 ) 2.2H20 : 0,5326 g. C2H 5NS : 0,1792 g. MeOH : 47,2 ml. MPS : 0,24 ml. Hòa tan 0,5326 g muối Zn(CH3C0 0 )2.2 H20 vào 23,6 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 10 phút thu được hỗn họp dung dịch chứa ion Zn2+. Đồng thời hòa tan 0,1792 g muối C2H 5NS vào 23,6 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 10 phút tạo ra dung dịch chứa ion s 2\ Nhỏ từ từ 0,24 ml MPS vào dung dịch Zn2+ rồi tiếp tục khuấy từ trong khoảng 1 giờ 30 phút. Sau đó đổ từ từ dung dịch chứa s 2' vào dung dịch chứa Zn2+ và MPS, tiếp tục khuấy từ trong khoảng 3 giờ thì thu được dung dịch chứa các chấm lượng tử ZnS được bao bởi các phân tử MPS. Lấy ra hai lọ, mỗi lọ 10 ml dung dịch chứa chấm lượng tử CdS. Sau đó đổ hỗn hợp dung dịch chứa chứa s 2\ Zn2+ và MPS vào 10 ml dung dịch CdS, khuấy từ trong khoảng 3 giờ thì ta thu được chấm lượng tử CdS/ZnS. Đ ổi với Cdo,(ịMno,4S/ZnS. Khối lượng hóa chất: Zn(CH3C 0 0 )2.2 H20 : 0,494 g C2H 5NS : 0,0949 g. Mn(CH3C 0 0 ) 2.4H20 : 0,1223 g. MeOH : 21,75 ml. MPS : 0,24 ml. 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp Hòa tan 0,5326 g muối Zn(CH3C00)2.2H20 vào 10,875 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 10 phút thu được hỗn hợp dung dịch chứa ion Zn2+ề Đồng thời hòa tan 0,0949 g muối C2H 5NS vào 10,875 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 10 phút tạo ra dung dịch chứa ion s2". Nhỏ từ từ 0,24 ml MPS vào hỗn hợp dung dịch Zn2+ và Mn2+ rồi tiếp tục khuấy từ trong khoảng 1 giờ 30 phút. Sau đó đổ từ từ dung dịch chứa s2' vào hỗn hợp dung dịch chứa Zn2+ Mn2+ và MPS, tiếp tục khuấy từ trong khoảng 3 giờ thì thu được dung dịch chứa các chấm lượng tử ZnS pha tạp Mn2+ được bao bởi các phân tử MPS. Các mẫu chứa các chấm lượng tử CdS pha tạp Mn2+ với nồng độ Mn2+ khác nhau cũng làm tương tự. Lấy ra hai lọ, mỗi lọ 10 ml dung dịch chứa chấm lượng tử CdS:Mn2+. Sau đó đổ hỗn hợp dung dịch chứa chứa s2", Zn2+ và MPS vào 10 ml dung dịch CdS:Mn2+, khuấy từ trong khoảng 3 giờ thì ta thu được chấm lượng tử Cdo 6Mn04S/ZnS. PhếhýihicíBGEióSng 3.2. Tính chất hấp thụ của các chấm lượng tử CdS 0.6 b) 0 5 Ị377 ụ
»
ư p
ấ
b Ọ
Đ OA 0.1 •t
240 300 350 «0 a) Phổ hấp thụ của CdS đặc. b) Phổ hấp thụ của CdS loãng. 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp Để ước tính kích thước các nano tinh thể được hình thành trong quá trình chế tạo và sau khi hoàn thành việc chế tạo, qua việc xác định độ rộng vùng cấm hiệu dụng của các nano tinh thể CdS, CdS:Mn2+, chúng tôi đã tiến hành ghi các phổ hấp thụ quang học trong vùng UV-VIS. Trên thực tế, phổ hâp thụ quang học là cách nhanh nhất để xác định sự hình thành và kích thước các chấm lượng tử, bởi vì độ rộng vùng cấm của các chấm lượng tử bị mờ rộng ra và lớn hơn so với Eg của vật liệu khối cùng thành phần. Do hiệu ứng giam giữ lượng tử, vùng cấm của các chấm lượng tử tăng khi kích thước hạt giảm, về mặt thực nghiệm điều này quan sát được qua sự dịch bờ (hay đỉnh) phổ hấp thụ [5]. Hình 3.3 ta thấy bờ hấp thụ của các chấm lượng tử CdS ở các trạng thái đặc hay loãng không khác nhau là mấy và đều ở bước sóng 377 nm. Điều này chứng tỏ chấm lượng tử CdS ở trạng thái đặc hay loãng không ảnh hưởng đến kích thước của chấm lượng tử. Phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại của chấm lượng tử CdS ở T=300K, chúng tôi quan sát được trên hình 3.3 thấy trên phổ hấp thụ, xuất hiện một đỉnh tại bước sóng -377 nm. Chân bờ hấp thụ bắt đầu được nâng lên tại bước sóng -420 nm. Trên hình cũng chỉ ra, bằng mũi tên, giá trị tương ứng với Eg của CdS khối, (X ~ 490 nm ứng với năng lượng 2,5 eV). Như vậy là đỉnh phổ hấp thụ của các Chấm lượng tử bị dịch về phía bước sóng ngắn hom tức là dịch về phía bước sóng xanh da trời (Blue). Kết quả này hoàn toàn phù hợp với những tính toán của lý thuyết khi kích thước của các chấm lượng tử giảm đến cỡ nano mét (nm) thì xảy ra hiệu ứng giam giữ lượng tử. Chỉ những dịch chuyển giữa các trạng thái của điện tử và lỗ trống có cùng sổ lượng tử chính n và cùng số lượng tử quỹ đạo 1 mới được phép dựa theo quy tấc chọn lọc đối với những dịch chuyển quang học. Bờ hấp thụ quan sát được từ các nano tinh thể CdS được quy cho dịch chuyển 1 Se - i s h. Năng lượng chuyển mức phụ th u ộ c vào bán kính Ro của chấm lượng tử khi tính đến tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống [5], Từ phổ hấp thụ, chúng tôi đã ước lượng kích thước của các chấm lượng tử CdS, theo phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng, bằng cách sử dụng công thức của Effros, Brus và Kayanuma (1.23): 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khỏa luân tốt nghiệp V ( 1 J _ ' E m. = Eg + ^ — 0 ,2 4 8 £ R
eR0 Với Eisis là năng lượng vùng cấm của chấm lượng tử bán kính R xác định được từ phổ hấp thụ. Với CdS ta có: Độ rộng vùng cấm của bán dẫn k h ố i: Eg = 2,5 eV Hằng số điện môi : £ = 9,4 Khối lượng hiệu dụng của điện tử : m*e = 0,21 m0 Khối lượng hiệu dụng của lỗ trống : m*h = 0,68mữ Khối lượng rút gọn của điện tử và lỗ trống \ ụ = — + — = 0,16mữ me mh với m0 là khối lượng của điện tử : m0 = 9 , 1 . 1 0 ' 31 Kg. E r năng lượng Rydberg, E R = 13, 6— = 0,0246 eV m0e Đối với các chấm lượng tử CdS, phương trình Effros, Brus và Kayanuma trở thành [5]: (ì 98 1 rj—9 (3.1) ’ ------0,007 + 2,482 - E ÌSU = 0 Giải phương trình (3.1) với Eisis =E*g = w 3,289eV, chúng tôi tính được bán kính của các chấm lượng tử là R = 1,7 nm. 3.3. T ính chất hấp thụ của các chấm lượng tử CdS: M nề Khi pha tạp M n2+ vào trong các chấm lượng tử CdS, trong cùng điều kiện chế tạo, từ phổ hấp thụ (hình 3.4) chúng tôi cũng thấy có sự dịch chuyển về phía có bước sóng ngắn hay dịch chuyển về phía có năng lượng cao (blue shií) của bờ vùng hấp thụ so với CdS khối. Hình dạng của phổ hấp thụ và đinh phổ hấp thụ của các mẫu với các tỷ lệ Mn2+ khác nhau hầu như không đổi (A, = 370 nm với mẫu C d o ,8 M n 0,2S và X = 372 nm với mẫu Cd0 7Mn0 3S, X. = 369 nm với mẫu C d o ,6M n 0,4S ) . Như vậy có thể kết luận kích thước của các 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp chấm lượng tử CdS khi pha tạp Mn2+ với các nồng độ khác nhau, trong cùng một điều kiện chế tạo là hầu như không đổi. Kết quả này có ý nghĩa rất quan trọng, bởi nó cho phép chúng tôi nghiên cứu tính chất của các chấm lượng tử có kích thước cố định giống nhau, nhưng với nồng độ ion Mn2+ pha tạp thay đôi. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả khi nghiên cứu phổ kích thích W avelength (nm) huỳnh quang. (x =0,2; 0,3; 0,4) với tỷ lệ MPS/CdS = '4 T = 300 K. Từ các phổ hấp thụ này, chúng tôi có thể kết luận rằng các chấm lượng tử chế tạo được đều có kích thước nằm trong chế độ giam giữ lượng tử mạnh, đường kính khá nhỏ (1,7 nm), tuỳ từng mẫu Chấm lượng tử. 3.4. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS. Như đã biết, phổ hấp thụ quang học là một phương pháp hiệu quả để nghiên cứu các hiệu ứng kích thước lượng tử, đặc biệt sự mở rộng vùng cấm và sự tăng năng lượng exciton. Tuy nhiên, có tồn tại một số khó khăn trong việc nghiên cứu các hiệu ứng kích thước bởi phương pháp phổ hấp thụ quang học. Ví dụ các hạt nano có kích thước không hoàn toàn giống nhau gây ra sự mờ rộng bất đồng nhất trong phổ hấp thụ. Ta có thể dùng các phổ kích thích 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp quang huỳnh quang để nhận được các thông tin về sự hấp thụ của các chấm lượng tử, với sự thừa nhận là các dáng vẻ của phổ kích thích thì giống hệt dáng vẻ của phổ hấp thụ. Sự thừa nhận này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng vì nó bao hàm sự kích thích hiệu quả nhất của các nano xảy ra với năng lượng photon cao hcm bờ hấp thụ. Phổ kích thích quang huỳnh quang (PLE) đã trở thành một kỹ thuật tiêu chuẩn để thu được thông tin về sự hấp thụ cùa chấm lượng tử. Nó cho phép làm rõ được các nguyên nhân đóng góp vào sự mở rộng phổ hấp thụ [5]. Hình 3.5 trình bày phổ huỳnh quang của mẫu chứa các chấm lượng tử CdS với bán kính trung bình của chấm lượng tử được xác định từ hấp thụ là 1,7 nm. Quan sát trên phổ huỳnh quang này ta thấy xuất hiện hai dải phát xạ, một dải nằm ở phía sóng ngắn với cực đại là 414 nm, một dải nằm ở phía sóng dài vói cực đại 607,2 nm và vói cường độ phát xạ lớn hơn hẳn. Dải phát xạ ứng với cực đại ở 414 nm là phát xạ intrisic (phát xạ nội tại) do tái hợp vùng - vùng hay tái hợp exciton tự do hoặc cặp điện tử - lỗ trống tại bờ hấp thụ của chấm lượng tử CdS, còn dải phát xạ ở phía sóng dài là phát xạ của các mức trạng thái bề mặt (tái hợp liên quan đến các mức bẫy kiểu donor đối với 5 6 0 7 .2 điện tử và kiểu acceptor đối với lỗ trống). 5
Õ d ó o 4 5 0 500 " 5 5 0 6 00 6 5 0 7 0 0 Bước sóng nm 1 X 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp Qua phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS ta thấy phát xạ intrisic của các chấm lượng tử CdS ở cỡ bước sóng 414 nm dịch về phía sóng ngăn khá nhiều so với vị trí bước sóng tương ứng với bờ hấp thụ của bán dẫn thước nano mét, khi kích thước tinh thể giảm, độ rộng vùng cấm tăng lên do hiệu ứng giam giữ lượng từ. Theo đó, phát xạ do tái hợp vùng - vùng cũng bị dịch về phía sóng ngắn. Cường độ phát xạ ở phía sóng dài quan sát thấy là rất lớn cho thấy số trạng thái bề mặt chiếm một tỷ lệ lớn. Điều này cho thấy khả năng trong dung dịch tồn tại các chấm lượng tử CdS với kích thước nhỏ hơn nên các trạng thái bề mặt chiếm một tỷ lệ lớn, nghĩa là chưa kiểm soát được sự đồng đều của các hạt nano tinh thể tạo thành sau phản ứng trong qui trình chế tạo; hoặc trong dung dịch vẫn còn các hóa chất dư thừa chưa phản ứng hết, hoặc trong dung dịch có lẫn các tạp chất khác. Kết quả này dẫn đến một chú ý là cần kiểm soát qui trình chế tạo các chấm lượng tử với chất lượng tốt hơn. Như vậy, hiệu ứng giam giữ lượng tử làm cho bờ hấp thụ của chấm lượng tử bị dịch về phía sóng ngắn so với bán dẫn khối, theo đó phát xạ huỳnh quang cũng bị dịch về phía sóng ngắn. Do vậy, chúng ta có thể điều khiển màu phát xạ theo kích thước của chấm lượng tử. 3.5. Phổ Huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS: Mn2+. Với mong muốn tăng hiệu suất phát xạ và có thể có thêm được các màu phát xạ huỳnh quang theo ý muốn, các chấm lượng tử thường được pha tạp thêm các tâm phát xạ, đó là các ion kim loại chuyển tiếp hoặc các ion đất hiếm. Ở đây, chúng tôi nghiên cứu các chấm lượng tử CdS pha tạp ion Mn2+. Hình 3.6 trình bày phổ huỳnh quang của các mẫu Chấm lượng tử pha tạp các ion Mn2+ với các nồng độ khác nhau, thành phần là C d|.xMnxS (x = 0; 0 05; 0,1) với phép chế tạo để thu được các hạt có bán kính cỡ 1,7 nm. Bước 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp sóng kích thích huỳnh quang là Xtt = 370 nm. Phổ huỳnh quang này bao gồm hai dải, một dải ở phía sóng ngắn với vị trí cực đại của dải phát xạ nằm tại 433 nm - 433,7 nm và một dải ở phía sóng dài với cực đại từ 607,2 nm - 615,4 nm. Như vậy, có thể nói là phổ huỳnh quang của hai loại Chấm lượng tử CdS và CdS: Mn2+ với nồng độ khác nhau là tương đối giống nhau. Dải phát xạ ở phía sóng ngắn được qui cho phát xạ intrisic (phát xạ nội tại) của các châm lượng tử CdS, còn dải phát xạ ở phía sóng dài qui cho phát xạ của các mức bẫy bề mặt. C d|.xM nxS (x = 0,05; 0,1) với tỷ lệ MPS/CdS = Vỉ, T = 300 K, A_k.t. = 370nm. Như vậy, phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử quan sát được trên hình 3.6 chúng ta vẫn quan sát thấy phát xạ instrinsic với cường độ nhỏ, có nghĩa là sản phẩm thu được vẫn còn tồn tại một số chấm lượng tử CdS mà ion M n2+ không “chui” được vào (các chấm lượng tử không pha tạp). Trên phổ huỳnh quang này, ta không quan sát thấy dải phát xạ của ion Mn2+, đó là dải phát xạ đặc trưng cho dịch chuyển của các điện tử 3d5 của ion Mn2+ trong các Chấm lượng tử CdS, nhưng các phát xạ d-d đã che phủ với các trạng thái bề mặt và làm nó không có khả năng phân biệt được hai loại dịch chuyển phát xạ 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiêp này. Các mức 3d5 của Mn cung cấp một kênh khác để tiêu tán năng lượng kích thích các điện tử, cạnh tranh với các trạng thái bề mặt. Bời vì các mức 3d5 của Mn nằm trong vùng cấm, chúng có thể nhanh chóng bắt các điện từ kích thích từ bờ hấp thụ cũng như từ các trạng thái bề mặt. Phát xạ đặc trưng M n2+ xảy ra tại bước sóng 585 nm do dịch chuyển 4T i—>■ 6A i đã không quan sát được một cách rõ ràng trên phổ huỳnh quang hình 3.6. Lý do có thể cho việc khó tách bạch sự đóng góp từ các mức 3d5 của Mn2+ hay từ các trạng thái bể mặt, là phát xạ huỳnh quang do các trạng thái bề mặt dịch chuyển về phía sóng dài hơn, điều này dẫn đến có sự che phù rất lớn của phổ phát xạ của các mức 3d5 với các trạng thái bề mặt trong. Bởi vì năng lượng kích thích hai kênh phát xạ thì không khác nhau mấy. Do vậy, nếu hạn chế được các phát xạ bề mặt ta sẽ quan sát thấy phát xạ của ion Mn2+ trong các chấm lượng tử. 3.6. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdS:Mn2+/ZnS Để khắc phục phát xạ bề mặt của chấm lượng tử và để quan sát được sự phát xạ đơn sắc, chúng tôi chọn chất bán dẫn ZnS có độ rộng vùng cẩm lớn hcm độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn CdS làm lóp vỏ bọc chấm lượng tử CdS và CdS:Mn[15]. Hình 3.7 và hình 3.8 trình bày phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử Cd!.xMnxS/ZnS (x = 0,4; 0,3), cấu trúc lõi vỏ, dưới bước sóng của ánh sáng kích thích 370 nm. Ta thấy phổ huỳnh quang là các đám khá rộng với vị trí cực đại nằm ở 585 nm. Việc có thêm lớp vỏ bọc ZnS làm cho phát xạ của CdS mạnh lên nhiều lần và vị trí cực đại của dải phổ phát xạ hơi bị dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hơn. Sự tăng cường độ huỳnh quang này có thể là kết quả của sự làm giảm tái hợp không bức xạ, do sự giảm nồng độ trạng thái bề mặt, nhờ sự nuôi thành công lớp vỏ vô cơ ZnS trên chấm lượng tử CdS lõi. Như vậy, cường độ phát xạ của các chấm lượng tử sau khi bọc một lớp vỏ ngoài thì tăng lên nhiều lần, so với phát xạ trước khi bọc, đinh dải 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tot nghiệp phổ phát xạ của các chấm lượng tử sau khi đã bọc lớp vỏ ZnS thì hơi bị dịch chuyến về phía bước sóng ngắn hơn. W avelength (nm) Từ phổ huỳnh quang đã được chuẩn hoá của các chấm lượng tử CdS:Mn27ZnS với nồng độ Mn là 40%; 30%, tại nhiệt độ phòng hình 3.7 và 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiêp hình 3.8), ta thấy với các nồng độ Mn2+ khác nhau, nhưng cực đại của dải phát xạ huỳnh quang tại 585 nra của các chấm lượng tử đều không đổi. Điều này chứng tỏ khi pha tạp Mn2+ vào các chấm lượng tử CdS thì không làm thay đôi kích thước của hạt, và do sự che phủ hàm sóng giữa các điện tử 3d5 cùa M n2+ với các trạng thái bề mặt của chấm lượng từ, dẫn đến việc không quan sát được phát xạ đặc trưng của Mn2+. Từ kết quả trên chúng tôi thấy rằng tồn tại cả hai nano tinh thể CdS/ZnS và CdS: Mn/ZnS trong dung dịch. Mặt khác để quan sát sự phát xạ đơn sắc chúng tôi phải làm ngưng tụ nano tinh thể đã được chuẩn bị sau đó tách rời chúng ra bằng cách hòa tan vào dung dịch methanol và sử dụng máy li tâm để tạo thành nano tinh thể CdS/ZnS và CdS:Mn/ZnS. Các nano tinh thể CdS/ZnS và CdS:Mn/ZnS này tồn tại rời rạc nhau. Điều này là rất cần thiết để tách các nano tinh thể này với mục đích có thể thu được các nano tinh thể với sự phát xạ huỳnh quang đơn sắc. Như vậy, có thể thấy rằng phổ huỳnh quang của các Chấm lượng tử CdS và CdS:M n2+ khi bọc thêm một lớp vỏ ZnS, thì cường độ phát xạ tăng nhiều lần, vị trí đỉnh phổ hơi bị dịch chuyển về bước sóng ngắn hơn và có thể thu được các nano tinh thể với sự phát xạ huỳnh quang đơn sắc. 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp KÉT LUẬN 1. Bằng phương pháp micelle đảo, chúng tôi đã chế tạo được các châm lượng tử CdS, CdS: Mn2+, CdS: Mn2+/ZnS với phân bố kích thước hẹp và bán kính hạt thay đổi 1,7 nm (ở chế độ giam giữ mạnh) nhỏ hơn bán kính Bohr exciton của vật liệu CdS khối (~ 3 nm), với sự dịch đỉnh phổ hấp thụ về phía sóng xanh (blue - shift) và cường độ phát huỳnh quang tăng. Kết quả này mở ra nhiều khả năng ứng dụng của các chấm lượng từ trong việc chế tạo ra các nguôn laser diot phát ở vùng blue và đặc biệt là úng dụng trong công nghệ sinh học. Mô hình này đã được đề xuất và đang được triển khai. 2. Phổ hấp thụ của các chấm lượng từ C d S và CdS: Mn đã được đo ở nhiệt độ phòng với tỷ lệ mol MPS/CdS = 1/2. Bờ hấp thụ dịch về phía sóng xanh (blue - shift) và cường độ phát huỳnh quang tăng so với bờ hấp thụ bán dẫn khối, thể hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử. Bờ hấp thụ của các mẫu đều nằm ở bước sóng 377 nm. Chứng tỏ sự pha tạp thêm Mn2+ vào chấm lượng tử không làm thay đổi kích thước chấm lượng tử. 3. Phổ huỳnh quang của các mẫu chấm lượng tử gồm hai dải phát xạ, một dải nằm ờ phía sóng ngắn là phát xạ intrisic (phát xạ nội tại) do tái hợp vùng - vùng hay tái hợp exciton tự do hoặc cặp điện tử - lỗ trống tại bờ hấp thụ của chấm lượng tử CdS, còn dải nằm ở phía sóng dài là phát xạ của các mức trạng thái bề mặt với cường độ phát xạ lớn hơn hẳn. Không quan sát được dải phát xạ của ion Mn2+ trong phổ huỳnh quang của chấm lượng tử Cd|_ xMnxS (x = 0; 0,05; 0,1; 0,15) do phát xạ của ion Mn2+ bị trùm lên bời dải phát xạ do các mức bẫy bề mặt. 4. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử có cấu trúc lõi vỏ Cdi. xMnxS/ZnS (x = 0,2; 0,3), dưới bước sóng của ánh sáng kích thích 370 nm. Việc có thêm lớp vỏ bọc ZnS làm cho cường độ phát của CdS mạnh lên nhiều lần và vị trí cực đại của dải phổ phát xạ hơi bị dịch chuyển về phía bước sóng 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp ngắn hơn và có thể thu được các nano tinh thể với sự phát xạ huỳnh quang đơn sắc. 5. Một số vấn đề cần nghiên cứu - Nghiên cứu sự phụ thuộc kích thước các chấm lượng tử vào tỷ lệ mol MPS/CdS, từ đó tìm ra được tỷ lệ mol thích hợp nhất để chế tạo các chấm lượng tử có kích thước nhỏ, ở các chế độ giam giữ khác nhau. - Nghiên cứu sự phụ thuộc của các chấm lượng tử và nhiệt độ, từ đó tìm ra được nhiệt độ thích hợp để chế tạo được các chấm lượng tử có cường độ phát xạ mong muốn. - Hoàn thiện công nghệ chế tạo để có hệ chấm lượng tử phát xạ ở các bước sóng mong muốn, với hiệu suất phát xạ lớn. Với các chấm lượng tử pha tạp ion M n2+, cần nghiên cứu chế tạo sao cho phát xạ của các chấm lượng tử này mang đặc trưng phát xạ của ion Mn2+. - Tuy có thêm lớp vỏ bọc ZnS làm cho cường độ phát c ủ a CdS mạnh lên nhiều lần nhưng vị trí cực đại của dải phổ phát xạ vẫn bị dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hơn nên đòi hỏi cần có sự điều chỉnh nồng độ ZnS sao cho hạn chế việc dịch đỉnh phổ phát xạ đồng thời làm tăng cường độ phát xạ như mong muốn góp phần hoàn thiện mẫu cần nghiên cứu. - Nghiên cứu cơ chế phát xạ của các ion Mn2+ trong các chấm lượng tử CdS và các chấm lượng tử khác thuộc nhóm AiiB vi. Mặc dù đã hoàn thành khóa luận nhưng do thời gian có hạn, khóa luận còn nhiều sai sót tôi nên rất mong có sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên. 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luân tốt nghiệp [1]. Tràn Trọng An - Luận văn thạc s ĩ Khoa học vật liệu - khóa ITIMS- 2003, Đại học bách khoa Hà Nội, năm 2005. [2], Nguyễn Thế Bình - Quang phổ học thực nghiệm - NXB GD. [3], Tạ Đinh Cảnh, Nguyễn Thị Thục Hiền - Vật lý bản dẫn - Đại học khoa học tự nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, năm 1999. [4]. Vũ Thị Hồng Hạnh - Luận Văn thạc s ĩ - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên. [5]. Nguyễn Văn Hảo - Bài giảng quang bán dẫn, 2007. [6]. Phùng Hồ, Phan Quốc Phô - Giáo trình vật lý bán dẫn - NXB Khoa học và kĩ thuật. [7]. Lục Huy hoàng - Luận án tiến s ĩ vật lý - Trường Đại học sư phạm Hà Nội, 2003. [8]. Phan Đình Kiển - Cơ học lượng tử - Đại học sư phạm Thái Nguyên. [9]. Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình - vật lý chất rắn - NXBGD, 1992. [10]. Nguyễn Ngọc Long - vật lý chất rắn - c ấ u trúc và các tính chất của vật chất - ĐH khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, năm 2007. [11]. Lương Trúc Quỳnh Ngân - Khóa luận tốt nghiệp, 2007. [12]. GS. TSKH. N.V.Thái, N.H.Dũng, P.Q.LỘC, B.Chương, N.A.Dũng - Công nghệ Vật Liệu - NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội, năm 2006. [13]. Charles Barthoua, Paul Benalloula, P.T.Nga, N.V.Chuc, L.N.Chung, T.N.Ha, P.N.Thang, C.V.Ha, N.V.Hung, V.T.K.Lien, P.T.Cuong - synthesis and optical properties o f Mn2+ doped CdS chấm lượng tử - Proceedings o f the Ninth Asia Pacific Physics Conference (9th APPC) Hanoi, Vietnam, October 25-31, 2004. 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vn Khóa luận tốt nghiệp [14]. M. Azad Malik, Paul O ’Brien and N. Revaprasadu - Synthesis o f TOPO-capped Mn-doped ZnS and CdS chấm lượng tử - Received 23rd March 2001, Accepted 1st June 2001 First published as an Advance Article on the web 26th July 2001. [15]. Vu Thi Kim Lien, Chu Viet Ha, Trieu Thi Thu Thuy, Vu Thi Hong Hanh, Pham Thai Cương, Le Tien Ha, Nguyen Xuan Ca, Pham Thu Nga - Photoluminescence properties o f Mn-doped CdS and CdS/ZnS semiconductor nanocrystals - Hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lân thứ năm, 1 2 - 14/11/2007. 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN http://www.lrc-tnu.edu.vnM ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
í 2Ro )
u
< aB J
M ai Thị Đào- L ớp CNLý K2
/
\
> 1/
/ 2
__2
\ JlaB )
\
/
Y e - r h \
ữ n
D
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Exx
E*
<0>
(a)
(e)
(c)
M ai Thị Đào- Lớp CNLỳ K2
Hình l ẵ4ẽ a. c ấ u trúc mạng tinh thể lục giác Wurzite.
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Hình 1Ế6. Cấu trúc mạng
tinh thể giả kẽm ễ
Hình 1.5. Cấu trúc lập
phương đơn giản NaCl
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
V E
4 t 2
4 t ,
2
Hình 1Ề7Ể Sơ đồ mức năng luợng cùa Mn2+ ở trạng thái
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Hình l ễ8. Mô hình các phát xạ trong chấm lượng tử
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
------------------ *
*
,'Y
— Ạị»
Hình 1Ế9. Các cơ chê truyên năng lượng từ châm CdS tới ion Mn
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
Hình 2.1. a) Máy quang phổ một chùm tia; b) Máy quang phổ hai chùm tia
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Hình 2.2. Máy quang phổ hấp thụ đa kênh
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
Hình 2.3. Sơ đồ một máy đo phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa.
lMai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ đo quang huỳnh quang.
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
26
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lí của phép đo phổ kích thích
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
M ai Thị Đào- L ớp CNLý K2
Hình 3ềl . Sơ đồ qui trình chế tạo các chấm lượng tử CdS
bằng phương pháp Micelle đảo
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
2 9
Hình 3.2. Sơ đồ qui trình chế tạo các chấm lượng tử CdS:Mn2+
bàng phuơng pháp Micelle đảo
Cd0 6Mn04S và Cd06Mn<)4S/ZnS. Các mẫu này có màu vàng trong. Cụ thể quá
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
M ai Thị Đào- L ớp CNLỷ K2
8
a) Phổ hấp thụ CdS đặc
EEĨ1
1
Ọj 0.3
I
Ọ '
ữ 02
Eg= 2,5eV
490nm
Eg= 2,5eV
490nm
0.0
Hình 3.3ế Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdS
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
Ro
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
Hình 3.4. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử với thành phần Cdi-xMnxS
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Hình 3.5ẳ Phổ huỳnh quang CdS
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
C d S khối (~ 490 nm ), thể hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh. Ở kích
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
Hình 3.6. Phổ huỳnh quang cùa các chấm lượng tử với thành phần
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
Mai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Wavelength (nm)
Hình 3.7. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng từ
Cdo,8 Mno,4 S/ZnS, T=300K, tỷ lệ MPS/CdS = 1/2. x k,t= 370 nm.
Hình 3.8. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử
Cdo.7 Mno.3 S/ZnS, T=300K, tỷ lệ MPS/CdS = 1/2. Ằkt= 370 nm.
Mai Thị Đào- Lớp CNLý K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
M ai Thị Đào- Lớp CNLỳ K2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Mai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
Mai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2
