Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Chế tạo, nghiên cứu các tính chất quang của các chấm lượng tử CdZnSe (S)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu chế tạo chấm lượng tử CdZnS bằng phương pháp hóa học; nghiên cứu tính chất hấp thụ và huỳnh quang của các nano tinh thể CdZnS khi thành phần hợp kim thay đổi. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Chế tạo, nghiên cứu các tính chất quang của các chấm lượng tử CdZnSe (S)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM VĂN DUY CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VÀ CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdZnSe (S) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên, năm 2017
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM VĂN DUY CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VÀ CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdZnSe (S) Ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Thị Hồng Hạnh Thái Nguyên, năm 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Thị Hồng Hạnh. Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận văn Phạm Văn Duy i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài. Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS. Vũ Thị Hồng Hạnh, giảng viên khoa Vật Lý – Đại học Sư Phạm Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này. Tôi xin được cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Xuân Nghĩa, NCS Hoàng Thị Lan Hương – Viện khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong quá trình chế tạo mẫu và thực hiện các phép đo quang. Tôi xin được cảm ơn các anh chị, các em, các bạn trong nhóm nghiên cứu đề tài đã giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý – Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành đề tài này. Dù bản thân đã rất cố gắng nhưng do còn hạn chế về kiến thức chuyên ngành nên đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các bạn để đề tài được hoàn thiện. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng, ……năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Văn Duy ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iv DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... vi LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài .............................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................... 2 3. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 3 5. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................... 3 Chương 1 TỔNG QUAN ...................................................................................... 4 1.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 4 1.2. Tính chất quang của vật liệu nano ................................................................ 7 1.2.1. Tính chất hấp thụ ....................................................................................... 7 1.2.2. Tính chất phát quang ................................................................................. 9 1.3. Chấm lượng tử ............................................................................................ 11 1.3.1. Chấm lượng tử bán dẫn ........................................................................... 11 1.3.2. Chấm lượng tử hợp kim........................................................................... 12 1.4. Các phương pháp chế tạo nano tinh thể ..................................................... 15 1.4.1. Các phương pháp vật lý ........................................................................... 16 1.4.2. Các phương pháp hóa học ....................................................................... 19 Chương 2 THỰC NGHIỆM ............................................................................... 23 2.1. Chế tạo mẫu CdZnS .................................................................................... 23 2.1.1. Thực nghiệm chế tạo các chấm lượng tử CdZnS ........................................ 23 2.1.2. Chế tạo các chấm lượng tử CdZnS ............................................................. 24 iii
2.2. Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu tính chất của vật liệu ............. 25 2.2.3. Phân tích huỳnh quang tia X ................................................................... 28 2.2.4. Hấp thụ quang .......................................................................................... 28 2.2.5. Quang huỳnh quang ................................................................................. 31 2.2.6. Thời gian sống huỳnh quang ................................................................... 33 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 34 3.1. Hình dạng và cấu trúc của các chấm lượng tử CdxZn1-xS .......................... 34 3.1.1. Ảnh TEM ................................................................................................. 34 3.1.2. Thành phần và cấu trúc của các chấm lượng tử Cdx Zn1-x S .................... 36 3.2. Tính chất quang .......................................................................................... 38 3.2.1. Phổ hấp thụ .............................................................................................. 38 3.2.2. Phổ huỳnh quang ..................................................................................... 44 3.2.3. Thời gian sống huỳnh quang ................................................................... 47 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 53 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 S Lưu huỳnh 2 Cd Cadimi 3 Eg Năng lượng vùng cấm 4 nm Nano met 5 N2 Khí Nitơ 6 HQ Huỳnh quang 7 OA Acid Oleic 8 Zn Kẽm 9 Abs Hấp thụ 10 CdO Cadimi Oxit 11 CdS Cadimi Sunfua 12 NC Nano tinh thể 13 ODE Octadecene 14 TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua 15 XRD Nhiễu xạ tia X 16 HDA Hexadecylamine 17 ZnS Zins Sulfide 18 S2- Ion S2- 19 CdSe Cadmium Selenide 20 Cd2+ Ion Cd2+ 21 Zn2+ Ion Zn2+ 22 EDS Tán sắc năng lượng 23 CLT Chấm lượng tử 24 PLQY Hiệu suất lượng tử 25 ZnSt2 Zinc Stearate iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Hằng số mạng c và a của các chấm lượng tử CdxZn1-xS ...............38 Bảng 3.2. Các hằng số thu được bằng việc làm khớp đường cong suy giảm huỳnh quang của các CLT. ...........................................................50 v
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mô hình robot nano ứng dụng trong y học. Các hạt nano có đặc tính sinh học được xem như một robot nano giúp truyền thuốc, tiêu hủy các tế bào ung thư[8]. .......................................................... 5 Hình 1.2 Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang của chấm lượng tử CdSe [5]. .................................................. 9 Hình 1.3. Phổ hấp thụ (a) và huỳnh quang (b) của các chấm lượng tử CdSe với các kích thước khác nhau [5]. ................................................... 10 Hình 1.4. Mô hình chấm lượng tử với cấu trúc vỏ lõi và phổ huỳnh quang tương ứng với kích thước tăng dần của chúng [12] ........................ 11 Hình 1.5. Ảnh Fe SEM của chấm lượng tử CdZnS với thành phần Cd 0,2; 0,4; 0,6 và 0,8%. Cd0,8Zn0,2S (a), Cd0,6Zn0,4S (b), Cd0,4Zn0,6S (c) và Cd0,2Zn0,8S(d) [13]....................................................................... 14 Hình 1.6. Ảnh các mẫu CLT ba thành phần CdZnSe/ZnSeS x ML, x = 0, 2, 4, 6,(a), CdZnSe/ZnSe1-ySy 4 ML (y = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8) (b), phát xạ dưới ánh sáng có bước sóng 380 nm [3]. ..................... 15 Hình 1.7. (a). Máy nghiền SPEX 8000, (b). Cối nghiền và bi nghiền [2]......... 17 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý thiết bị EBL [27] .................................................... 18 Hình 1.9. Quá trình tổng hợp TiO2 ZnO bằng phương pháp Sol-Gel [2]. ........ 19 Hình 1.10. Sơ đồ chế tạo của phương pháp phân huỷ tiền chất cơ kim [2] ...... 21 Hình 2.1. Hình ảnh hệ chế tạo các chấm lượng tử CdxZn1-xS. .......................... 24 Hình 2.2. a) Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua, b) Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 1010 đặt tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. ................................................................................. 25 Hình 2.3. Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt mạng ............................ 27 Hình 2.4. Nguyên lý của hiện tượng huỳnh quang tia X. .................................. 28 Hình 2.5 : Ảnh chụp hệ máy quang phổ UV-visible-Nir Absorption Spectrophotometer (nhãn hiệu Cary 5000, Varian). ....................... 29 vi
Hình 2.6. Sơ đồ khối một hệ đo huỳnh quang thông thường. ........................... 32 Hình 2.7. Hệ đo huỳnh quang nhãn hiệu FS 920. ............................................. 32 Hình 3.1. Ảnh TEM của các nano tinh thể Cd0.5Zn0.5S với tỷ lệ Cd:Zn = 1:1, chế tạo tại nhiệt độ 280oC. .............................................................. 34 Hình 3.2. Ảnh TEM của các nano tinh thể: (a) Cd0.28Zn0.72S; (b) Cd0.71Zn0.29S..................................................................................... 35 Hình 3.3. Phổ tán sắc năng lượng(EDS) của chấm lượng tử Cd0,57Zn0,43S (a) và Cd0,71Zn0,29S (b) ..................................................................... 36 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnS và CdZnS với tỷ lệ Zn/Cd là khác nhau: 0,9/0,1 ; 0,72/0,28. .................................................... 37 Hình 3.5. Phổ hấp thụ của chấm lượng tử CdZnS chế tạo ở thời gian 5 phút với tỉ lệ Cd:Zn= 0,7: 0,3 được chế tạo tại nhiệt độ 280oC, mẫu được phân tán trong Toluene và đo tại nhiệt độ phòng................... 39 Hình 3.6. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử Cd0.7Zn0.3S chế tạo tại nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác nhau từ 5 phút đến 10h. .......... 40 Hình 3.7. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử Cd0.5Zn0.5S chế tạo tại nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác nhau từ 5 phút đến 8h............ 41 Hình 3.8. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử Cd0,85Zn0,15S chế tạo tại nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác nhau từ 5 phút đến 10h (a) và từ 5 phút đến 4h................................................................................. 41 Hình 3.9. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử hợp kim phụ thuộc vào thành phần cấu tạo (a) và đường biểu diễn sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm của CLT hợp kim vào thành phần cấu tạo (b). ............... 43 Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của chấm lượng tử Cd0,7Zn0,3S được chế tạo nhiệt độ 280oC trong thời gian 5 phút, đo tại nhiệt độ phòng, bước sóng kích thích 370 nm. ............................................................................ 44 Hình 3.11. Phổ HQ (a) và phổ HQ chuẩn hóa của các CLT CdZnS với tỉ lệ Cd:Zn = 0,7 : 0,3 được chế tạo tại nhiệt độ 280oC với thời gian lấy mẫu khác nhau.................................................................................. 45 vii
Hình 3.12. Phổ HQ (a) và phổ HQ chuẩn hóa của chấm lượng tử CdZnS với tỉ lệ Cd:Zn = 0,85:0,15 được chế tạo tại nhiệt độ 280oC với thời gian lấy mẫu khác nhau ............................................................................ 46 Hình 3.13. Vị trí đỉnh huỳnh quang của các CLT Cd0,7Zn0,3S và Cd0,85Zn0,15S thay đổi theo thời gian chế tạo mẫu. .......................... 47 Hình 3.14 . Đường cong suy giảm huỳnh quang của CLT Zn0,5Cd0,5S được đo ở nhiệt độ phòng, dưới kích thích xung tại bức xạ 370 nm: (a)phân tích tại cực đại của dải phát xạ exciton và (b) phân tích tại cực đại của dải phát xạ tương ứng với các sai hỏng/bề mặt. ..... 48 viii
LỜI NÓI ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, công nghệ nano được đầu tư phát triển mạnh mẽ với những ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, người ta đã chế tạo ra các chip nano máy tính có độ tích hợp rất cao và triển vọng cho phép dung lượng bộ nhớ máy tính tăng lên rất lớn [16], các ống nano cacbon cực kỳ vững chắc, có độ bền cơ học gấp 10 lần thép và đặc biệt có tính bền nhiệt rất cao, những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo sẽ giúp con người sản xuất năng lượng sạch [4]…Ngoài ra công nghệ nano còn rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều ngành nghề khác nhau như y tế, an ninh quốc phòng [28], an toàn thực phẩm[19]… Đối tượng của công nghệ nano là những vật liệu có kích cỡ nanomet. Với kích thước nhỏ như vậy, vật liệu nano có những tính chất vô cùng độc đáo mà những vật liệu có kích thước lớn hơn không có được như độ bền cơ học cao, tính xúc tác cao, tính siêu thuận từ, các tính chất điện quang nổi trội. Đặc biệt với các nano tinh thể bán dẫn một loại vật liệu được chú ý và tập trung nghiên cứu bởi những tính chất và ứng dụng thực sự thu hút như: chúng có phổ hấp thụ rộng và phổ phát xạ hẹp, độ bền quang và độ chói cao, có thể thay đổi độ rộng vùng cấm và do đó có thể thay đổi bước sóng phát xạ thông qua việc thay đổi kích thước hoặc thành phần cấu tạo của chúng. Với nhiều đặc điểm nổi trội, công nghệ nano đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như, y-dược [23], mỹ phẩm, điện tử-điện, quốc phòng, nông nghiệp, thực phẩm, dệt, phương tiện vận chuyển,…Ngoài ra các nhà khoa học đã và đang tìm cách đưa công nghệ nano vào ứng dụng ngày nhiều hơn trong cuộc sống và đặc biệt là giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu [9]. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dựa trên các vật liệu bán dẫn hai thành phần, bước sóng phát xạ được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước hạt [17]. Kết quả là, các tinh thể nano lớn nhất được tạo ra sẽ có khối lượng gấp 512 lần 1
và diện tích bề mặt lớn gấp 64 lần so với các hạt nhỏ nhất. Những sự khác biệt lớn có thể gây ra vấn đề lớn trong ứng dụng sinh học và hóa học, cũng như trong các liên kết và động học của các tinh thể nano được chế tạo bằng phương pháp phát triển tinh thể từ những nguyên tử (phương pháp bottom - up) . Nhược điểm thứ hai là sự phát xạ nhấp nháy của Nano tinh thể bán dẫn đã là một trong những trở ngại lớn đối với việc ứng dụng chúng trong công nghệ sinh học khi dùng đơn chấm, hay trong thông tin lượng tử vì tính chất tắt sáng nhấp nháy (blinking) bất thường của chúng [5]. Hiện nay, các nhà khoa học đang muốn khai thác triệt để các ứng dụng quang học của các chấm lượng tử. Các chấm lượng tử hợp kim ba thành phần có kích thước nm là một loại vật liệu có tính chất đặc trưng phụ thuộc vào cả thành phần cấu tạo và cả sự giam giữ lượng tử do kích thước của nó. Do đó, ta có thể điều chỉnh tính chất quang của chúng thông qua việc thay đổi thành phần hợp kim trong khi vẫn duy trì được kích thước hoặc thông qua thay đổi đồng thời cả kích thước và thành phần hóa học. Không những vậy, khi tiến hành đưa một số tạp chất tích cực quang điển hình là các ion kim loại chuyển tiếp vào nano tinh thể hợp kim cũng sẽ làm thay đổi tính chất quang của chúng [25]. Với khả năng ứng dụng cao của các chấm lượng tử hợp kim mà tôi đã chọn đề tài “Chế tạo, nghiên cứu các tính chất quang của các chấm lượng tử CdZnSe (S)” làm đề tài khóa luận. 2. Mục đích nghiên cứu  Nghiên cứu chế tạo chấm lượng tử CdZnS bằng phương pháp hóa học.  Nghiên cứu tính chất hấp thụ và huỳnh quang của các nano tinh thể CdZnS khi thành phần hợp kim thay đổi. 3. Nội dung nghiên cứu  Qui trình chế tạo nano tinh thể CdZnS.  Tính chất quang phụ thuộc vào thành phần hợp kim của các nano tinh thể CdZnS. 2
4. Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp hóa ướt để chế tạo mẫu.  Sử dụng các phương pháp thực nghiệm để khảo sát đặc trưng cấu trúc và tính chất của các nano tinh thể chế tạo được. 5. Cấu trúc khóa luận Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của khóa luận được chia thành 3 chương:  Chương 1:Tổng quan.  Chương 2: Thực nghiệm.  Chương 3: Kết quả và thảo luận.  Các tài liệu tham khảo. 3
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu Công nghệ thế kỷ XXI đòi hỏi việc giảm kích thước tối đa của các máy móc, linh kiện, phương tiện mà vẫn tăng cường được công năng của chúng. Yêu cầu trên khiến người ta phải nghĩ tới các loại vật liệu mới thay thế những vật liệu có kích thước lớn trong quá khứ và ngày nay là công nghệ nano. Công nghệ nano (nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet (nm) Ngày nay, nhiều nhà khoa học đã phải dùng đến cụm từ “nanoboom” để diễn tả sự phát triển như vũ bão của công nghệ nano. Hàng tỷ đô la được đầu tư mỗi năm cho nghiên cứu và ứng dụng nano, con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 10 tỷ đô la vào năm 2003, tính đến cuối năm 2011 mức chi trên toàn cầu khoảng 65 tỉ đô la. Nhiều sản phẩm được gắn “nhãn nano”, năm 2010 công nghệ nano đã xuất hiện trong 1.317 dòng sản phẩm trong khi năm 2005 chỉ có trong 54 dòng sản phẩm. Hiện nay có hơn 1.600 sản phẩm dựa vào công nghệ nano đã được thương mại [10] Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Cũng vì thế mà công nghệ nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh [25], sinh học [20], năng lượng, môi trường [14], công nghệ thông tin, quân sự [28],… 4
Hình 1.1 Mô hình robot nano ứng dụng trong y học. Các hạt nano có đặc tính sinh học được xem như một robot nano giúp truyền thuốc, tiêu hủy các tế bào ung thư[8]. Y sinh là một trong những ứng dụng lớn nhất của công nghệ nano. Ví dụ như việc điều trị bệnh ung thư [23]. Nhiều phương pháp điều trị khác nhau đã được thử nghiệm để có thể hạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào. Một nghiên cứu đã cho kết quả rất khả quan khi sử dụng các hạt nano vàng để chống lại nhiều loại ung thư [14]. Không dừng lại ở đó, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặc biệt. Với những chú robot có kích thước siêu nhỏ, có thể đi vào bên trong cơ thể con người để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết. Trong điện tử - cơ khí: chế tạo các linh kiện điện tử nano có tốc độ xử lý cực nhanh, chế tạo các thế hệ máy tính nano, sử dụng vật liệu nano để làm các thiết bị ghi thông tin cực nhỏ, màn hình máy tính [16], điện thoại, tạo ra các vật liệu nano siêu nhẹ - siêu bền sản xuất các thiết bị xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ… Môi trường: chế tạo ra màng lọc nano lọc được các 5
phân tử gây ô nhiễm; các chất hấp phụ [22], xúc tác nano [19] dùng để xử lý chất thải nhanh chóng và hoàn toàn… . Để khắc phục những vấn đề này Korgel và cộng sự đã tạo ra một loạt các Nano tinh thể bán dẫn hợp kim, trong mỗi nano tinh thể bán dẫn hợp kim kích thước được cố định so với các nano tinh thể thành phần và thay đổi thành phần cấu tạo. Khi thay đổi thành phần cấu tạo của nano tinh thể bán dẫn thì bước sóng phát xạ thay đổi và không bị hạn chế so với các Nano tinh thể hai thành phần [25]. Nhóm nghiên cứu Wang cũng đã có giải pháp riêng để giảm hiện tượng nhấp nháy huỳnh quang của Các nano tinh thể bán dẫn. Thay bằng việc tạo ra các lớp vỏ dày, họ đã chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần cấu trúc lõi/vỏ CdZnSe/ZnSe. Kết quả cho thấy loại Nano tinh thể bán dẫn ba thành phần này đã không còn hiện tượng nhấp nháy huỳnh quang ở mức độ đơn chấm trong khoảng thời gian vài chục phút chiếu sáng. Chính vì vậy các nano tinh thể bán dẫn hợp kim 3 thành phần có nhiều ưu điểm và hứa hẹn mang đến đặc tính quang học độc đáo. Các CLT phát xạ ở vùng cận hồng ngoại (NIR) phát ra bước sóng cỡ 650 - 900 nm, đặc biệt hấp dẫn đối với ứng dụng trong sinh học và ứng dụng quang điện tử [27]. Chấm lượng tử bán dẫn hợp kim là một hợp kim của ít nhất hai chất bán dẫn (ví dụ CdZnS là hợp kim của CdS và ZnS), trong đó các chấm lượng tử có một thành phần đồng nhất và được đặc trưng bởi vùng cấm có năng lượng với tỷ lệ phi tuyến tính với số mol của ít nhất hai chất bán dẫn [25]. Thông thường người ta chọn một chất bán dẫn làm nền và thay đổi thành phần của các chất trong hợp kim để khảo sát tính chất của nó. Ví dụ với Nano tinh thể bán dẫn hợp kim CdxZn1-xS khi x thay đổi từ 1 đến 0 ta sẽ thu được bán dẫn hợp kim có độ rộng vùng cấm nằm trong khoảng độ rộng vùng cấm của CdS (Eg =2,48eV ) đến độ rộng vùng cấm của ZnS (Eg =3.8eV) [13]. Cả hai loại chấm lượng tử bán dẫn: chấm lượng tử bán dẫn hai thành phần (như CdS và ZnS) và chấm lượng tử hợp kim (như CdZnS) đều có đặc trưng là hạt nano chế tạo được có phân bố kích thước khá hẹp và độ kết tinh cao. Một đặc trưng ưu việt của các nano tinh thể 6
bán dẫn hợp kim nữa là chúng có thể thay đổi độ rộng vùng cấm và do đó có thể thay đổi bước sóng phát xạ thông qua việc thay đổi thành phần cấu tạo của chúng. Các chấm lượng tử bán dẫn hợp kim, ví dụ, chấm lượng tử bán dẫn hợp kim ba thành phần như: CdZnSe, CdSeTe và CdZnS đã được tổng hợp có phổ phát xạ nằm trong vùng tím-màu xanh lá cây với các bước sóng phát xạ phụ thuộc các thành phần cấu tạo [21] Ở Việt Nam cũng đã có một số nhóm nghiên cứu về Nano tinh thể bán dẫn hợp kim: nhóm của PGS. TS Nguyễn Quang Liêm – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và TS.Nguyễn Thị Minh Thủy – Khoa vật lý - Đại học Sư phạm Thái Nguyên nghiên cứu về chấm lượng tử CuInS2 [12], và các nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như: nhóm của PGS.TS. Phạm Thu Nga nghiên cứu về chấm lượng tử, CdSeTe, CdSeS, CdZnSe , nhóm của GS.TS. Nguyễn Xuân Nghĩa nghiên cứu về chấm lượng tử CdZnS và CdZnS:Cu, ….Cấu trúc của các chất bán dẫn hợp kim bậc ba là một sự thay đổi mạnh mẽ của vật liệu nano với nhiều thuộc tính mới mà không có trong các chấm lượng tử hai thành phần thông thường. 1.2. Tính chất quang của vật liệu nano Trên thực tế khi sử dụng hiệu quả các vật liệu nano, các tính chất cơ, nhiệt, điện, quang… của từng loại vật liệu cần phải có các kỹ thuật thích hợp. Nghiên cứu tính chất quang cho thấy kết quả của quá trình chuyển hóa năng lượng xảy ra trong vật liệu khi vật liệu được kích thích bởi ánh sáng hay chính là quá trình tương tác giữa photon và vật liệu bao gồm cả tương tác photon-điện tử và photon-phonon. Qua đó thu nhận được những thông tin quan trọng về bản chất của các quá trình chuyển dời/tái hợp phát quang, các yếu tố ảnh hưởng đến huỳnh quang của vật liệu như hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng giam giữ lượng tử, điều kiện công nghệ chế tạo, nhiệt độ, môi trường [5]. 1.2.1. Tính chất hấp thụ 7
Khi có nguồn năng lượng từ bên ngoài tới kích thích vào vật liệu thì sẽ xảy ra quá trình tương tác giữa vật liệu và nguồn năng lượng bên ngoài này. Vật liệu có thể sẽ hấp thụ một phần hay hoàn toàn năng lượng tới và chuyển đổi trạng thái. Kết quả của quá trình hấp thụ này thường là sự phát huỳnh quang của các điện tử hay tâm, sự tăng các trạng thái dao động mạng... Năng lượng kích thích vào mẫu có thể dưới dạng năng lượng cơ, quang, nhiệt hay năng lượng điện từ. Thông thường, vật liệu hấp thụ năng lượng từ những nguồn trên mỗi cách khác nhau. Tuỳ theo cách kích thích mà sẽ tác động tới hệ điện tử hay hệ dao động mạng nhiều hơn. Khi dùng ánh sáng kích thích, chủ yếu hệ điện tử trong vật liệu sẽ phản ứng trước tiên. Sau đó có thể là các quá trình biến đổi thành quang hay nhiệt, hay tỉ lệ giữa hai phần này tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu[5]. Trường hợp nguyên tử hấp thụ photon thì hệ số hấp thụ là α có thể xem như xác suất hấp thụ photon, nếu bán dẫn có cơ chế độc lập với nhau và mỗi cơ chế hấp thụ có thể đặc trưng bởi xác suất αi (ω) thì xác suất tổng cộng của quá trình hấp thụ là: α(ω)= ∑𝑖 α 𝑖 (ω) (1.1) Như vậy, trong một vùng phổ cho phép cần phải tính đến các cơ chế hấp thụ chủ yếu, cho đóng góp lớn nhất vào phổ hấp thụ. Quá trình hấp thụ ánh sáng liên quan đến sự chuyển đổi năng lượng khác của tinh thể nên có thể phân loại - các cơ chế hấp thụ sau: - Hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản, liên quan đến các chuyển dời điện tử giữa các vùng năng lượng được phép. - Hấp thụ exciton, liên quan đến sự tạo thành và phân huỷ các trạng thái exciton. - Hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống) bên trong các vùng năng lượng được phép tương ứng hay giữa các tiểu vùng trong các vùng được phép. 8
- Hấp thụ tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống) giữa các mức bên trong tâm tạp chất hoặc giữa các vùng năng lượng được phép và các mức tạp chất bên trong vùng cấm. - Hấp thụ giữa các tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống) giữa các mức tạp chất bên trong vùng cấm. Tuy nhiên hai trường hợp trên rất ít xảy ra trong thực tế. 1.2.2. Tính chất phát quang Một phần năng lượng mà vật liệu hấp thụ sẽ được chuyển đổi thành quang năng, tái phát xạ từ vật liệu. Huỳnh quang là một trong những dạng phát quang thứ cấp sau khi vật chất bị kích thích. Hiện tượng phát quang có bản chất ngược với quá trình hấp thụ, là quá trình hồi phục điện tử từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp, giải phóng photon [4]. Hình 1.2 Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang của chấm lượng tử CdSe [5]. Khi vật liệu càng nhỏ các đặc tính quang và điện có sự khác xa so với vật liệu khối. Khi các chiều giam giữ giảm và tiến dần tới một giới hạn nào đó phổ năng lượng trở nên tách biệt, dẫn đến độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào kích thước các hạt. Hiệu ứng miêu tả kết quả hiện tượng khi electron và lỗ trống bị dồn lại 9