Nguyễn Thị Hiền và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
188(12/2): 9 - 16<br />
<br />
CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ<br />
LÕI/VỎ LOẠI-II CdTe/CdSe VÀ LÕI/VỎ/VỎ LOẠI-II/LOẠI-I CdTe/CdSe/ZnSe<br />
Nguyễn Thị Hiền, Nguyễn Xuân Ca*<br />
Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Các nano tinh thể (NC) lõi/vỏ (C/S) loại-II CdTe/CdSe và lõi/vỏ/vỏ (C/S/S) loại-II/loại-I<br />
CdTe/CdSe/ZnSe đã được chế tạo thành công bằng phương pháp hóa ướt trong dung môi không<br />
liên kết ODE. Các NC được chế tạo bằng phương pháp mới: sạch, an toàn và rẻ tiền, không sử<br />
dụng tri-n-octylphosphine (TOP) - một hóa chất rất đắt và độc hại. Sự hình thành của các cấu trúc<br />
C/S CdTe/CdSe và C/S/S CdTe/CdSe/ZnSe được chứng minh thông qua phổ hấp thụ (Abs), quang<br />
huỳnh quang (PL), tán xạ Raman (RS) và chụp ảnh bởi kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).<br />
Các NC CdTe/CdSe và CdTe/CdSe/ZnSe có hình dạng tựa cầu, kích thước đồng đều với độ rộng<br />
bán phổ (FWHM) nhỏ hơn 48 nm. Các tính chất quang và cấu trúc của các NC được khảo sát<br />
thông qua các phép đo phổ Abs, phổ PL và phổ nhiễu xạ tia X (XRD). Các NC CdTe, CdTe/CdSe<br />
và CdTe/CdSe/ZnSe chế tạo được đều có cấu trúc lập phương giả kẽm (ZB). Bằng cách cố định<br />
kích thước lõi CdTe và thay đổi chiều dày lớp vỏ CdSe, phổ PL của các NC C/S CdTe/CdSe có thể<br />
trải rộng từ 684 đến 779 nm với đặc trưng phát xạ loại II. Hiệu suất lượng tử (QY) của các NC<br />
CdTe/CdSe lên đến 54% sau khi được bọc thêm lớp vỏ ZnSe. Các NC loại-II CdTe/CdSe và loạiII/loại-I CdTe/CdSe/ZnSe rất có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực phát sáng và quang điện.<br />
Từ khóa: nano tinh thể, lõi/vỏ, loại-I, loại-II, tính chất quang.<br />
<br />
MỞ ĐẦU*<br />
Các NC bán dẫn đã và đang thu hút được rất<br />
nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà<br />
khoa học trên thế giới do những ứng dụng<br />
tiềm năng của chúng trong lĩnh vực quangđiện tử. Chúng có những tính chất rất khác<br />
biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng giam giữ<br />
lượng tử đối với các hạt tải điện và phonon [1,<br />
2]. Các NC bán dẫn thường được chia thành 2<br />
loại là loại-I và loại-II tùy thuộc vào vị trí các<br />
mức năng lượng thấp nhất của điện tử (e) và<br />
lỗ trống (h) trong các vật liệu bán dẫn thành<br />
phần cấu tạo nên các NC [3]. Trong các NC<br />
bán dẫn loại-I kiểu C/S như: CdSe/CdS [4],<br />
CdSe/ZnSe [5], CdTe/ZnSe [6], CdS/ZnS<br />
[7]..., mức năng lượng thấp nhất của e và h<br />
thuộc về một vật liệu, do đó các hạt tải được<br />
tạo ra khi kích thích quang sẽ định xứ trong<br />
vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn<br />
(thường là vật liệu lõi). Trong các NC bán<br />
dẫn loại-II kiểu C/S như: CdTe/CdSe [8],<br />
CdTe/CdS [9], CdS/ZnSe [10, 11],<br />
ZnTe/ZnSe [12]..., mức năng lượng thấp nhất<br />
*<br />
<br />
Tel: 0985 338855, Email: canx@tnus.edu.vn<br />
<br />
của e và h thuộc hai vật liệu bán dẫn C/S khác<br />
nhau. Vì vậy khi kích thích quang, e và h bị<br />
tách vào các miền không gian khác nhau giữa<br />
lõi và vỏ của các NC. Chính tính chất thú vị<br />
này làm cho các NC bán dẫn loại-II có nhiều<br />
triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực quang<br />
điện [3, 10], khuếch đại quang [13] và laser<br />
[14, 15]. Mặc dù có nhiều tiềm năng ứng<br />
dụng như vậy nhưng các NC bán dẫn loại-II<br />
thường có QY thấp do sự tách không gian của<br />
e và h giữa lõi và vỏ [16, 17]. Hơn nữa việc<br />
chế tạo các NC bán dẫn CdS, CdTe, CdSe có<br />
sử dụng tiền chất Cd là một nguyên tố độc<br />
hại, thêm vào đó S, Se hay Te thường sử dụng<br />
ligand TOP [4, 6, 11], đây là một hóa chất rất<br />
đắt tiền và có độc tính cao với người chế tạo<br />
và môi trường, không phù hợp cho các ứng<br />
dụng trong sinh học.<br />
Để giải quyết những khó khăn trên, trong<br />
nghiên cứu này chúng tôi bọc thêm lớp vỏ<br />
ZnSe tạo nên cấu trúc C/S/S loại-II/loại-I<br />
CdTe/CdSe/ZnSe (Hình 1) để tăng cường<br />
hiệu suất lượng tử huỳnh quang (PL QY) của<br />
các NC CdTe/CdSe. Việc bọc bên ngoài lớp<br />
vỏ ZnSe sẽ giảm thiểu tính độc hại của các<br />
9<br />
<br />
Nguyễn Thị Hiền và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
NC CdTe/CdSe do độc tính của nguyên tố<br />
kim loại nặng Cd. Với lớp vỏ ZnSe có chiều<br />
dày thích hợp, PL QY của các NC<br />
CdTe/CdSe đã được cải thiện đáng kể, tăng từ<br />
37% đến 54%. Các NC CdTe/CdSe có đỉnh<br />
phổ phát xạ thay đổi trong vùng ánh sáng<br />
nhìn thấy và hồng ngoại gần khi cố định kích<br />
thước lõi CdTe và thay đổi chiều dày lớp vỏ<br />
CdSe. Với việc loại bỏ được ligand TOP<br />
trong quá trình chế tạo, bọc vỏ ZnSe và PL<br />
QY cao, các NC CdTe/CdSe/ZnSe có thể coi<br />
là vật liệu an toàn hơn cho nhiều ứng dụng,<br />
đặc biệt là trong lĩnh vực phát sáng và đánh<br />
dấu sinh học...<br />
THỰC NGHIỆM<br />
Hóa chất<br />
Các hóa chất của Aldrich dùng để chế tạo các<br />
NC bao gồm: bột CdO (99,99%), bột S<br />
(99,98%), 1-octadecene (ODE, 90%), axit<br />
oleic (OA, 90%), bột Se (99,99%), bột Te<br />
(99,99%) và bột ZnO (99,99%). Các hóa chất<br />
dùng để làm sạch và phân tán các NC là<br />
isopropanol (98%) và toluene (97%) được<br />
mua từ công ty ChemChina của Trung Quốc.<br />
Chế tạo các nano tinh thể CdTe<br />
Hòa 128 mg CdO với 50 ml ODE và 1 ml<br />
OA, khuấy trộn hỗn hợp trên ở nhiệt độ<br />
200oC trong thời gian 1 giờ. Khi dung dịch<br />
phản ứng có màu vàng chanh thì ta thu được<br />
<br />
188(12/2): 9 - 16<br />
<br />
dung dịch 1 chứa các ion Cd2+. Hòa 128 mg<br />
Te trong 10 ml ODE, khuấy trộn hỗn hợp trên<br />
ở nhiệt độ 200oC trong thời gian 5 giờ, sau<br />
khi Te tan hết ta thu được dung dịch 2 có màu<br />
xanh đen, chứa các ion Te2-. Bơm nhanh dung<br />
dịch 2 vào dung dịch 1 tại nhiệt độ phản ứng<br />
280oC trong điều kiện khuấy trộn và giữ phản<br />
ứng trong thời gian 10 phút, ta thu được dung<br />
dịch chứa các NC CdTe. Các NC CdTe được<br />
li tâm làm sạch để loại bỏ các tiền chất Cd2+<br />
và Te2- không phản ứng hết để chuẩn bị cho<br />
công việc bọc vỏ CdSe.<br />
Bọc vỏ CdSe cho các NC lõi CdTe<br />
Dung dịch chứa các ion Se2- được chế tạo<br />
bằng cách hòa 79 mg Se trong 10 ml ODE ở<br />
nhiệt độ 200oC và khuấy trộn (Máy khuấy từ<br />
Velp ARE, 1200 vòng/phút) trong thời gian 4<br />
giờ để Se tan hết. Hai dung dịch chứa các ion<br />
Cd2+ và Se2- được bơm chậm vào bình phản<br />
ứng chứa các NC CdTe tại nhiệt độ 250oC, ta<br />
thu được dung dịch chứa các NC loại-II<br />
CdTe/CdSe. Chiều dày của một lớp vỏ (ML)<br />
CdSe sẽ được tính phụ thuộc vào lượng tiền<br />
chất Cd2+ và Se2- được bơm vào dung dịch.<br />
Các NC CdTe/CdSe được li tâm làm sạch để<br />
loại bỏ các tiền chất Cd2+ và Se2- không phản<br />
ứng hết phục vụ cho các phép đo khảo sát và<br />
tiến hành bọc vỏ ZnSe.<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ biểu thị cấu trúc nano lõi/vỏ/vỏ (trái) và cấu trúc vùng năng lượng của CdTe, CdSe, ZnSe (phải)<br />
<br />
10<br />
<br />
Nguyễn Thị Hiền và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Bọc vỏ ZnSe cho các NC CdTe/CdSe<br />
Hòa 81 mg ZnO với 1 ml OA và 50 ml ODE,<br />
hỗn hợp trên được khuấy trộn ở nhiệt độ<br />
240C trong thời gian 1 giờ. Khi dung dịch<br />
phản ứng chuyển sang màu vàng thì ta đã tạo<br />
được dung dịch 1 chứa các ion Zn2+. Hai dung<br />
dịch chứa các ion Zn2+ và Se2- được bơm<br />
chậm vào bình phản ứng chứa các NC<br />
CdTe/CdSe tại nhiệt độ 230C, ta thu được<br />
dung dịch chứa các NC C/S/S loại-II/loại I<br />
CdTe/CdSe/ZnSe. Chiều dày lớp vỏ ZnSe sẽ<br />
tùy thuộc vào lượng tiền chất Zd2+ và Se2được bơm vào dung dịch. Các NC<br />
CdTe/CdSe/ZnSe cũng được li tâm làm sạch<br />
để loại bỏ các tiền chất Zn2+ và Se2- không<br />
phản ứng hết phục vụ cho các phép đo khảo<br />
sát. Tất cả các phản ứng trên được thực hiện<br />
trong môi trường khí Ar (99,9995%) siêu<br />
sạch để chống sự oxy hóa.<br />
Các phương pháp khảo sát đặc trưng<br />
Hình thái học của các NC được khảo sát bằng<br />
phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền<br />
qua (Jeol JEM 1010). Phổ hấp thụ quang<br />
được đo bằng máy Jasco 670 (Varian). Phổ<br />
quang huỳnh quang và tán xạ Raman được đo<br />
bằng máy LABRAM-HR800 (Horriba, Jobin<br />
Yvon) với bước sóng kích thích 325 nm của<br />
đèn laser He-Cd. Cấu trúc tinh thể của các NC<br />
được khảo sát bằng máy nhiễu xạ tia X<br />
(SIEMENS D-5005).<br />
QY của các NC CdTe, CdTe/CdSe và<br />
CdTe/CdSe/ZnSe được tính thông qua QY<br />
<br />
188(12/2): 9 - 16<br />
<br />
của một số chất màu vô cơ đã biết trước QY<br />
và được xác định theo công thức [3]:<br />
<br />
QYQD QYdye<br />
<br />
2<br />
OD<br />
I QD nQD<br />
1 10 dye<br />
,<br />
2<br />
OD<br />
I dye ndye<br />
1 10 QD<br />
<br />
trong đó I là cường độ phát xạ tích phân, n là<br />
chiết suất của môi trường và OD là độ hấp thụ<br />
của các NC hoặc chất màu. Cường độ phát xạ<br />
tích phân chính là diện tích của phổ PL được<br />
xác định bằng phương pháp fit phổ với hỗn<br />
hợp hàm Gauss-Lorent, sử dụng phần mềm<br />
Labspec. Để tránh hiện tượng tái hấp thụ và<br />
dập tắt PL do nồng độ, độ hấp thụ tại vị trí<br />
bước sóng kích thích của dung dịch chứa các<br />
NC và chất màu được lấy rất thấp (nhỏ hơn<br />
0,05). Hai chất màu vô cơ được sử dụng để<br />
xác định QY là Rhodamine 6G (Rh 6G) có<br />
QY là 95% và Rhodamine 640 (Rh 640) có<br />
QY là 100% trong ethanol [16].<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
Để quan sát được hình dạng và kích thước của<br />
các<br />
NC<br />
CdTe,<br />
CdTe/CdSe<br />
và<br />
CdTe/CdSe/ZnSe, chúng tôi tiến hành chụp<br />
TEM của một số mẫu đại diện. Từ Hình 2<br />
nhận thấy các NC đều có dạng tựa cầu, phân<br />
bố hạt đồng đều không bị kết dính, kích thước<br />
trung bình của các NC CdTe, CdTe/<br />
CdSe2ML và CdTe/ CdSe2ML/ ZnSe3ML<br />
tương ứng là 4 nm; 5,8 nm và 8,2 nm. Kết<br />
quả quan sát từ ảnh TEM thấy rõ ràng sự phát<br />
triển của các lớp vỏ CdSe trên NC lõi CdTe<br />
và vỏ ZnSe trên các NC CdTe/CdSe thể hiện<br />
ở kích thước hạt tăng lên khi được bọc vỏ.<br />
<br />
Hình 2. Ảnh TEM của các NC CdTe, CdTe/CdSe2ML và CdTe/CdSe2ML/ZnSe3ML<br />
<br />
Để chứng minh sự hình thành cấu trúc C/S và C/S/S chúng tôi tiến hành đo phổ tán xạ RS của các<br />
NC CdTe, CdTe/CdSe2ML và CdTe/CdSe2ML/ZnSe3ML, kết quả được quan sát trên Hình 3.<br />
Phổ RS của các NC CdTe và CdTe/CdSe2ML đều xuất hiện đỉnh RS tại số sóng 160 cm-1, đây<br />
chính là đỉnh phonon quang dọc 1 LO của lõi CdTe [18]. Khi lớp vỏ CdSe phát triển trên lõi<br />
11<br />
<br />
Nguyễn Thị Hiền và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
CdTe, phổ RS của các NC CdTe/CdSe xuất<br />
hiện thêm đỉnh RS tại số sóng khoảng 203<br />
cm-1, đây chính là đỉnh phonon quang dọc 1<br />
LO của vỏ CdSe. Đỉnh 1LO này dịch về phía<br />
số sóng nhỏ hơn so với bán dẫn khối CdSe<br />
(khoảng 210 cm-1) [19] do hiệu ứng giam giữ<br />
lượng tử. Phổ RS của các NC<br />
CdTe/CdSe2ML/ZnSe3ML xuất hiện 2 đỉnh 1<br />
LO của CdSe và ZnSe, tương ứng tại các số<br />
sóng 203 cm-1 và 251 cm-1[10, 11]. Không<br />
quan sát thấy đỉnh 1 LO của lõi CdTe tại số<br />
sóng khoảng 160 cm-1 trong phổ RS của các<br />
NC CdTe/CdSe2ML/ZnSe3ML có thể vì<br />
không thu được tín hiệu RS từ lõi CdTe do<br />
các lớp vỏ CdSe và ZnSe khá dày.<br />
<br />
188(12/2): 9 - 16<br />
<br />
Các NC chế tạo được đều có cấu trúc ZB do<br />
ligand chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu<br />
này chỉ là OA, không có TOP. Theo Lim và<br />
các cộng sự [20] thì OA tác dụng với các oxit<br />
CdO và ZnO sẽ tạo ra các muối Oleate, giúp<br />
ổn định cấu trúc ZB. Ngoài các đỉnh nhiễu xạ<br />
đặc trưng cho pha tinh thể ZB ta không quan<br />
sát thấy các đỉnh nhiễu xạ nào khác trên giản<br />
đồ XRD. Điều này chứng tỏ các NC đã chế<br />
tạo không tồn tại các pha tinh thể khác. Với<br />
bán dẫn khối CdTe, ba đỉnh nhiễu xạ của cấu<br />
trúc ZB tương ứng tại các vị trí 23,5o; 39,1o<br />
và 46,5o [21]. Khi so sánh vị trí các đỉnh<br />
nhiễu xạ ta nhận thấy các đỉnh nhiễu xạ của<br />
các NC CdTe/CdSe2ML có sự dịch chuyển<br />
về phía góc nhiễu xạ 2 lớn hơn so với mẫu<br />
CdTe. Điều này chứng tỏ sự phát triển của vỏ<br />
CdSe trên lõi CdTe do hằng số mạng của vỏ<br />
CdSe (a ~ 6.05 Å) là nhỏ hơn hằng số mạng<br />
của lõi CdTe (a ~ 6.48 Å) [18, 21]. Tương tự<br />
từ giản đồ XRD cũng có thể nhận thấy sự phát<br />
triển của lớp vỏ ZnSe trên các NC CdTe/<br />
CdSe. Có thể dễ dàng nhận thấy ba đỉnh nhiễu<br />
xạ của các NC CdTe/ CdSe2ML/ ZnSe3ML<br />
cũng dịch về phía góc nhiễu xạ 2 lớn hơn so<br />
với ba đỉnh nhiễu xạ của các NC<br />
CdTe/CdSe2ML do hằng số mạng của ZnSe (a<br />
~ 5,67 Å) nhỏ hơn hằng số mạng của CdSe [3].<br />
<br />
Hình 3. Phổ tán xạ RS của các NC CdTe,<br />
CdTe/CdSe2ML và CdTe/CdSe2ML/ZnSe3ML<br />
<br />
Việc xuất hiện đỉnh RS của CdSe tại số sóng<br />
203 cm-1 và ZnSe tại số sóng 251 cm-1 chứng<br />
tỏ vỏ CdSe đã phát triển trên lõi CdTe và vỏ<br />
ZnSe đã phát triển trên các NC CdTe/CdSe.<br />
Kết hợp ảnh TEM của các NC trong Hình 2<br />
và phổ tán xạ RS của các NC trong Hình 3,<br />
chứng tỏ đã chế tạo thành công các cấu trúc<br />
NC C/S loại-II CdTe/CdSe và C/S/S loạiII/loại-I CdTe/CdSe/ZnSe.<br />
Giản đồ XRD của các NC CdTe, CdTe/<br />
CdSe2ML và CdTe/ CdSe2ML/ ZnSe3ML<br />
được trình bày trên Hình 4. Kết quả quan sát<br />
trong giản đồ XRD cho thấy các NC CdTe,<br />
CdTe/ CdSe2ML và CdTe/ CdSe2ML/<br />
ZnSe3ML đều có cấu trúc ZB với ba đỉnh<br />
nhiễu xạ chính là {111}, {220}, và {311}.<br />
12<br />
<br />
Hình 4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC<br />
CdTe, CdTe/ CdSe2ML và CdTe/ CdSe2ML/<br />
ZnSe3ML<br />
<br />
Nguyễn Thị Hiền và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Hình 5 biểu diễn phổ Abs và PL của các NC<br />
lõi CdTe, loại-II C/S CdTe/CdSe1-5ML và<br />
loại-II/loại-I C/S/S CdTe/CdSe2ML/ZnSe13ML. Phổ Abs của lõi CdTe quan sát thấy<br />
một đỉnh hấp thụ rất rõ ở bước sóng 578 nm,<br />
đỉnh hấp thụ này chính là đỉnh hấp thụ<br />
exciton với năng lượng thấp nhất 1S(e)1S3/2(h) của lõi CdTe. Khi lớp vỏ CdSe phát<br />
triển trên lõi CdTe ta nhận thấy xuất hiện một<br />
đuôi hấp thụ (mũi tên màu đỏ) ở phía bước<br />
sóng dài ở khoảng bước sóng từ 641-736 nm<br />
tùy thuộc vào chiều dày lớp vỏ. Đuôi hấp thụ<br />
này được quy cho sự hấp thụ năng lượng gián<br />
tiếp trong các NC loại II. Đây được coi là một<br />
dấu hiệu quan trọng để nhận biết NC loại-II.<br />
Sự xuất hiện của đuôi hấp thụ kiểu này cũng<br />
đã được quan sát thấy trong các cấu trúc nano<br />
loại II như ZnTe/ZnSe [12], CdS/ZnSe [10,<br />
11], CdTe/CdS [9]..., và được giải thích như<br />
sau: độ chênh lệch giữa năng lượng vùng dẫn<br />
của các chất bán dẫn CdTe, CdSe cấu thành<br />
nên các NC loại-II CdTe/CdSe sẽ tạo ra nhiều<br />
trạng thái cho điện tử trong lõi CdTe. Tương<br />
tự, độ chênh của năng lượng trong vùng hóa<br />
trị cũng tạo ra nhiều trạng thái cho lỗ trống<br />
<br />
188(12/2): 9 - 16<br />
<br />
trong vỏ CdSe. Vì vậy, các exciton gián tiếp<br />
được tạo ra trong không gian giữa vùng hóa<br />
trị của các NC CdSe và vùng dẫn của các NC<br />
CdTe sẽ có nhiều giá trị năng lượng khác<br />
nhau trong không gian k [15], tạo nên đuôi<br />
trong phổ Abs như quan sát.<br />
Phổ PL của các NC CdTe có FWHM khá nhỏ,<br />
khoảng 25nm phản ánh kích thước của các<br />
NC CdTe đồng đều, đỉnh PL tại vị trí 602 nm.<br />
Hình 5a cho thấy khi lớp vỏ CdSe phát triển<br />
trên lõi CdTe thì đỉnh PL của các NC<br />
CdTe/CdSe dịch mạnh về phía bước sóng dài<br />
từ 684 nm đến 779 nm, đồng thời FWHM<br />
được mở rộng từ 35 nm đến 45 nm khi các<br />
NC CdTe/CdSe có bề dày lớp vỏ tăng từ 15ML. Đỉnh PL của các NC CdTe/CdSe dịch<br />
mạnh về phía bước sóng dài so với lõi CdTe<br />
do độ rộng vùng cấm giảm: chính là sự tái<br />
hợp giữa điện tử ở lõi CdTe và lỗ trống ở vỏ<br />
CdSe, chuyển mức 1Se(CdTe)-1Sh(CdSe) (<br />
mũi tên màu đỏ trong Hình 1). FWHM của<br />
các NC CdTe/CdSe với các lớp vỏ dày tăng là<br />
do sự mở rộng của phân bố kích thước và<br />
tăng cường đặc tính loại II.<br />
<br />
Hình 5. (a) Phổ Abs, PL của các NC lõi CdTe và C/S loại-II CdTe/CdSe1-5ML, (b)Phổ Abs, PL của các<br />
NC C/S loại-II CdTe/CdSe2ML và C/S/S loại-II/loại-I CdTe/CdSe2ML/ZnSe1-3ML.<br />
<br />
13<br />
<br />