Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của Nano tinh thể bán dẫn hợp kim CdS1-xSex

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu nhằm tìm ra phương án tối ưu nhất (phù hợp với điều kiện của các phòng thí nghiệm trong nước) để chế tạo ra các NC CdS1-xSex có chất lượng cao; sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại (TEM, XRD, máy đo phổ Abs và PL) để nghiên cứu tính chất quang của NC CdS1-xSex trong mối liên hệ với nhiệt độ phản ứng, thời gian chế tạo và tỷ lệ tiền chất S/Se tham gia phản ứng

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của Nano tinh thể bán dẫn hợp kim CdS1-xSex

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC DƯƠNG THỊ THANH THỦY CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN HỢP KIM CdS1-xSex LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC DƯƠNG THỊ THANH THỦY CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN HỢP KIM CdS1-xSex Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. PHAN THẾ LONG THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS Phan Thế Long và TS Nguyễn Xuân Ca là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý – Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã dạy dỗ và trang bị cho em những tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình và bạn bè – nguồn động viên quan trọng nhất về mặt tinh thần cũng như vật chất giúp tôi có điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2018 Học viên Dương Thị thanh Thủy
MỤC LỤC Mục lục .............................................................................................................. i Danh mục các kí hiệu và các chữ viết tắt .....................................................iii Danh mục các bảng ........................................................................................ iv Danh mục các hình .......................................................................................... v Mở đầu ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN BA THÀNH PHẦN ....3 1.1. Giới thiệu nano tinh thể bán dẫn ba thành phần ...................................... 3 1.2. Vùng cấm quang của nano tinh thể bán dẫn ba thành phần ............... 4 1.3 Tính chất quang của nano tinh thể bán dẫn ba thành phần ................ 8 1.4. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần CdSS 14 1.4.1. Công nghệ chế tạo ............................................................................ 15 1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo và thời gian phản ứng .................. 16 1.4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ các tiền chất S/Se tham gia phản ứng ............ 19 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................. 22 2.1. Chế tạo nano tinh thể CdS1-xSex ............................................................ 22 2.1.1. Phương pháp chế tạo mẫu ................................................................ 22 2.1.2. Nguyên liệu hóa chất và thiết bị ...................................................... 22 2.1.3. Chế tạo các dung dịch tiền chất ....................................................... 23 2.1.4. Chế tạo nano tinh thể CdS1-xSex....................................................... 23 2.1.5. Làm sạch mẫu .................................................................................. 24 2.2. Các phép đo thực nghiệm ...................................................................... 24 2.2.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction - XRD) ....................................... 24 2.2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron icroscopy- TEM) ............................................................................................ 25 2.2.3. Phổ hấp thụ quang học ................................................................... 26 2.2.4. Phổ huỳnh quang............................................................................. 27 2.2.5. Thời gian sống huỳnh quang ............................................................ 28 i
2.2.6. Phổ tán xạ micro – Raman ............................................................... 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 31 3.1. Chế tạo các NC hợp kim CdSSe ........................................................... 31 3.1.1. Ảnh hưởng của hoạt tính hóa học và tốc độ bơm các dung dịch tiền chất S2- và Se2- đến sự tạo thành và phát triển của các NC CdSSe .......... 31 3.1.1.1. Chế tạo các NC CdSSe bằng cách bơm nhanh dung dịch tiền chất chứa các ion S2- và Se2- vào dung dịch chứa tiền chất Cd2+ tại nhiệt độ phản ứng .................................................................................................... 31 3.1.1.2. Chế tạo các NC CdSSe bằng cách bơm chậm dung dịch tiền chất chứa các ion S2- và Se2- vào dung dịch chứa tiền chất Cd2+ tại nhiệt độ phản ứng ..................................................................................................... 35 3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến sự tạo thành và phát triển của các NC CdS1-xSex ................................................................................ 38 3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ S/Se đến tính chất quang của các NC CdS1-xSex .... 42 3.2.1. Ảnh TEM của các NC CdS1-xSex với tỉ lệ x thay ........................... 43 3.2.1. Ảnh TEM của các NC CdS1-xSex với tỉ lệ x thay đổi ...................... 43 3.2.3. Thời gian sống huỳnh quang của các NC CdS1-xSex với tỉ lệ x thay đổi .............................................................................................................. 46 3.2.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdS1-xSex với tỉ lệ x thay đổi .. 48 KẾT LUẬN .................................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 52 ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Abs Hấp thụ Eg Năng lượng vùng cấm NC Nano tinh thể nm Nano met OA Acid Oleic ODE Octadecene PL Huỳnh quang SA Acid Stearic T Nhiệt độ TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xa tia X θ Góc therta FWHM Độ rộng bán phổ RS Tá n xá Rámán QY Hiệu suất lượng tử iii
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Các hằng số thu được bằng việc làm khớp phổ PL phân giải thời gian của các NC CdSe, CdS và NCs hợp kim CdSSe .................. 48 Bảng 3.2. Bảng so sánh hàm lượng ion Se2- theo lý thuyết và hàm lượng tham gia phản ứng thực tế tại thời gian 60 phút của phản ứng tính theo định luật Vegard. Hằng số mạng và độ rộng vùng cấm của các NC CdS1-xSex theo tỉ lệ x ......................................................... 50 iv
Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể bán dẫn khối có cấu trúc tinh thể Zb và Wz ............................................................................... 4 Hình 1.2. Phổ hấp thụ và PL của NC CdS theo thời gian phản ứng ............... 6 Hình 1.3. Ảnh TEM của các NC: (a) Zn0.72Cd0.28S; (b) Zn0.54Cd0.46S; (c) Zn0.51Cd0.49S; (d) Zn0.Cd0.57S; (e) Zn0.29Cd0.71S; (f) Zn0.09Cd0.91S tại thời gian phản ứng 8 giờ ................................................................... 8 Hình 1.4. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các NC ZnxCd1-xS khác nhau: (a) Zn0.Cd0.57S; (b) Zn0.51Cd0.49S; (c) Zn0.54Cd0.46S; (d) Zn0.72Cd0.28S ....................................................................................... 8 Hình 1.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC ZnxCd1-xS với các tỷ lệ Zn:Cd khác nhau tại thời gian phát triển tinh thể là 8 giờ........................... 9 Hình 1.6. Quá trình thay đổi cấu từ cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe sang cấu trúc hợp kim ZnCdSe theo nhiệt độ phản ứng ................................. 10 Hình 1.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC: (a) CdS tại 240oC, 260oC và 280oC tại thời gian phát triển tinh thể 1 phút và (b) Zn0.29Cd0.71S tại thời gian phát triển tinh thể 5 giờ .............................................. 11 Hình 1.8. Phổ PL của NC Zn0,1Cd0,9S chế tạo ở nhiệt độ 300o C theo thời gian ủ nhiệt ...................................................................................... 12 Hình 1.9. Phổ Abs và PL của NC ZnxCd1-xSe tổng hợp từ hạt nhân CdSe (a) và hạt nhân ZnSe (b) .................................................................. 13 Hình 1.10. Sự phụ thuộc của tốc độ phát triển hạt theo tỉ số r/r* ........................... 14 Hình 1.11. (a) Sự thay đổi của vị trí đỉnh hấp thụ thứ nhất theo thời gian với những nhiệt độ phản ứng khác nhau, vòng tròn chỉ ra thời điểm kích thước hội tụ. (b) Sự thay đổi của [CdSe] theo thời gian với các nhiệt độ phản ứng khác nhau .............................................. 16 Hình 1.12. Sự thay đổi của PL FWHM theo thời gian phản ứng của CdTe với các nhiệt độ phản ứng khác nhau .............................................. 16 Hình 1.13. Sự dịch đỉnh phổ về phía bước sóng dài của NC CdSeS khi nhiệt độ chế tạo tăng từ 1000C đến 2400C cụ thể với (1)15 phút/1000C, (2) 15 phút/1200C, (3) 15 phút/1400C, (4) 15 phút/1600C, (5) 15 phút/1800C, (6) 15 phút/2000C, (7) 15 phút/2200C, (8) 15 phút/2400C, và (9) 30 phút/2400C ................................................... 17 Hình 1.14. (A) Phổ hấp thụ ,(B) Phổ huỳnh quang của các NC CdSSe ở các thời điểm tăng trưởng khác nhau .................................................... 18 v
Hình 1.15. Phổ XRD của NC CdSSe được chế tạo ở nhiệt độ 1800C với các thời gian (1) 3phút,(15) phút,(30) phút,(90) phút .......................... 18 Hình 1.16. Hàm lượng ion Se và S trong NC CdSSe theo thời gian phản ứng .. 19 Hình 1.17. (a) phổ hấp thụ Abs, (b) phổ phát xạ PL của NC CdSSe ............. 20 Hình 1.18. Phổ XRD của bán dẫn CdSSe với tỉ S/Se thay đổi ....................... 21 Hình 2.1. Hệ chế tạo các NC CdS1-xSex ......................................................... 22 Hình 2.2. Quy trình chế tạo NC CdS1-xSex dùng dung môi ODE ................. 23 Hình 2.3. Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg .............. 25 Hình 2.4. (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 ............................................................................................................ 26 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia ............... 27 Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ đo phổ huỳnh quang.......................................... 28 Hình 2.7. Cấu hình chi tiết của máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse ....... 28 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo phổ micro - Raman .............................. 30 Hình 3.1. Phổ PL của các NC CdS, CdSe chế tạo trong thời gian 60 phút và các NC CdS0,5Se0,5 chế tạo tại các thời gian 5, 10, 60 phút. Các NC đều được chế tạo ở nhiệt độ 270oC ............................................ 33 Hình 3.2. Phổ RS của các NC CdS, CdSe chế tạo trong thời gian 60 phút và các NC CdS0,5Se0,5 chế tạo tại các thời gian 5, 10, 20 phút. Các NC đều được chế tạo ở nhiệt độ 270oC ............................................ 34 Hình 3.3. Phổ PL của các NC CdS, CdSe chế tạo trong thời gian 60 phút và các NC CdS0,5Se0,5 chế tạo tại các thời gian 5, 10, 20, 60 phút. Các NC đều được chế tạo ở nhiệt độ 270oC ..................................... 36 Hình 3.4. Phổ RS của các NC CdS, CdSe chế tạo trong thời gian 60 phút và các NC CdS0,5Se0,5 chế tạo tại các thời gian 5, 10, 20 phút. Các NC đều được chế tạo ở nhiệt độ 270oC ............................................ 37 Hình 3.5. Phổ AbS và PL của các NC CdS0,5Se0,5 chế tạo theo thời gian phản ứng. Các NC đều được chế tạo ở nhiệt độ 270oC .................... 39 vi
Hình 3.6. Vị trí đỉnh PL và độ rộng bán phổ PL của các NC CdS0,5Se0,5 chế tạo theo thời gian phản ứng. Các NC đều được chế tạo ở nhiệt độ 270oC ................................................................................................ 40 Hình 3.7. Sơ đồ cơ chế hấp thụ và phát xạ huỳnh quang ......................... 40 Hình 3.8. Phổ hấp thụ của các NC CdS0,5Se0,5 lấy tại thời gian 1 phút và đường đạo hàm bậc hai của nó ........................................................ 41 Hình 3.9. Sự thay đổi độ dịch Stokes theo thời gian của các NC CdS0,5Se0,5. Đường liền nét biểu diễn quy luật của sự thay đổi ........................... 42 Hình 3.10. Ảnh TEM của các NC CdS, CdSe và CdSSe ............................... 43 Hình 3.11. Phổ AbS và PL của các NC CdS, CdSe và CdS1-xSex khi thành phần x thay đổi ................................................................................. 44 Hình 3.12. Vị trí đỉnh và FWHM huỳnh quang của các NC CdS1-xSex khi thành phần x thay đổi........................................................................ 45 Hình 3.13. Hiệu suất lượng tử của các NC CdS1-xSex khi thành phần x thay đổi...................................................................................................... 46 Hình 3.14. Thời gian sống huỳnh quang của các NC CdS1-xSex theo tỉ lệ x .. 47 Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdS1-xSex khi thành phần x thay đổi .............................................................................................. 49 Hình 3.16. Sự phụ thuộc của hằng số mạng (a) và năng lượng vùng cấm (b) của các NC CdS1-xSex theo tỉ lệ x ............................................... 50 vii
MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Các nano tinh thể (NC) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưu điểm của chúng mà bán dẫn khối không có được. Các NC bán dẫn hai thành phần đã được tập trung nghiên cứu và phát triển từ thế kỷ trước, chúng cho các ứng dụng rất đa dạng, ví dụ như trong linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang điện tử, trong các linh kiện phát sáng, trong các ứng dụng y-sinh như đánh dấu sinh học... [1].Tuy nhiên để thay đổi các tính chất vật lý và hoá học của các NC bán dẫn hai thành phần bằng cách thay đổi kích thước hạt có thể gây ra nhiều vấn đề trong quá trình ứng dụng, đặc biệt khi kích thước hạt nhỏ thì các tính chất của chúng thường không ổn định trong quá trình sử dụng [2]. Vậy làm thế nào để thay đổi tính chất của các NC mà không cần thay đổi kích thước của chúng? Một trong các giải pháp để đáp ứng yêu cầu đó là sử dụng các NC hợp kim, vì tính chất quang của chúng không những phụ thuộc vào kích thước hạt mà còn phụ thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim, do đó có thể điều chỉnh tính chất quang của NC hợp kim thông qua điều chỉnh thành phần hóa học trong khi vẫn duy trì được kích thước của hạt [3,4]. Trong những năm gần đây các NC hợp kim 3 thành phần đang được quan tâm chế tạo và nghiên cứu nhiều như Zn1-xCdxSe, CdTexSe1-x, ZnSexS1-x, CdSxSe1-x.... [3].Trong các NC hợp kim 3 thành phần thì các NC CdS1-xSex được quan tâm nghiên cứu rộng rãi do chúng có khả năng phát quang trong toàn bộ vùng ánh sáng khả kiến khi thay tỉ lệ các nguyên tố S và Se. Chính vì lí do đó nên tôi đã chọn tiến hành nghiên cứu đề tài : “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của Nano tinh thể bán dẫn hợp kim CdS1-xSex”. II. Mục đích nghiên cứu -Tìm ra phương án tối ưu nhất (phù hợp với điều kiện của các phòng thí nghiệm trong nước) để chế tạo ra các NC CdS1-xSex có chất lượng cao. -Sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại (TEM, XRD, máy đo phổ Abs 1
và PL) để nghiên cứu tính chất quang của NC CdS1-xSex trong mối liên hệ với nhiệt độ phản ứng, thời gian chế tạo và tỷ lệ tiền chất S/Se tham gia phản ứng III. Phương pháp nghiên cứu.  Sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại để nghiên cứu, quan sát trực tiếp các NC CdS1-xSex chế tạo được, về hình dạng và kích thước bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Xác định cấu trúc pha tinh thể của các NC CdS1- xSex bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).  Sử dụng phương pháp đo phổ Abs và PL để nghiên cứu tính chất quang của các NC CdS1-xSex vừa chế tạo được. IV. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm 51 trang (không kể phần tài liệu tham khảo), 41 hình. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1. Trình bày một cách tổng quan về NC bán dẫn ba thành phần và ảnh hưởng của các thông số chế tạo như: Nhiệt độ chế tạo, thời gian phản ứng và tỷ lệ các tiền chất S/Se tham gia phản ứng nên tính chất quang của NC ba thành phần. Chương 2. Trình bày phương pháp chế tạo NC CdS1-xSex. Giới thiệu các phương pháp dùng để nghiên cứu kích thước, hình dạng, phân tích cấu trúc cũng như tính chất quang của các NC CdS1-xSex. Chương 3. Trình bày các kết quả thực nghiệm về chế tạo NC CdS1-xSe x theo nhiệt độ chế tạo, thời gian phản ứng và tỷ lệ các tiền chất S/Se tham gia phản ứng. Các thông số đặc trưng về cấu trúc của NC CdS1-xSex như: Hình dạng và kích thước được nghiên cứu thông qua ảnh TEM. Pha kết tinh của NC CdS1-xSex được nhận dạng nhờ kỹ thuật nhiễu xạ tia X. Các tính chất quang được nghiên cứu thông qua phổ Abs và PL. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN BA THÀNH PHẦN 2
1.1. Giới thiệu nano tinh thể bán dẫn ba thành phần Các NC bán dẫn được quan tâm đặc biệt là do hiệu ứng giam giữ lượng tử thể hiện rất rõ và phụ thuộc mạnh vào kích thước của các hạt. Một trong những biểu hiện rõ nhất của hiệu ứng giam giữ lượng tử xảy ra trong các NC là sự mở rộng vùng cấm của chất bán dẫn khi kích thước của hạt giảm đi và quan sát được qua sự dịch về phía năng lượng cao trong phổ Abs. Biểu hiện thứ hai là sự thay đổi dạng của cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố lại trạng thái ở lân cận đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn, mà biểu hiện rõ nhất của hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh là các vùng năng lượng liên tục sẽ trở thành các mức gián đoạn. Một vài ưu điểm về quang học nổi trội của chấm lượng tử như: tính chất ổn định quang lớn hơn rất nhiều so với các chất màu truyền thống, thậm chí phát quang sau nhiều giờ ở điều kiện kích thích. Trong các nano bán dẫn thì nano bán dẫn 2 thành phần đã được nghiên cứu sâu rộng và đã có những ứng dụng rộng rãi như: Trong linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các detecter siêu nhạy, các linh kiện quang điện tử, các linh kiện phát sáng, trong các ứng dụng y sinh hiện ảnh tế bào phân tử [5], các cảm biến nano[1]….Một trong những đặc trưng quan trọng nhất của các NC hai thành phần là chúng có các tính chất quang và điện phụ thuộc mạnh vào kích thước. Sự phụ thuộc này sẽ có ý nghĩa hơn khi kích thước của NC nhỏ hơn hoặc bằng bán kính Bohr exciton. Tuy nhiên, việc thay đổi tính chất vật lý và hóa học của NC bán dẫn theo kích thước hạt thường gặp phải một số vấn đề cả về công nghệ chế tạo và hiệu suất phát xạ. Các NC bán dẫn có kích thước nhỏ hơn 2 nm thường phát triển rất nhanh tới kích thước lớn hơn. Do đó rất khó chủ động nhận được các hạt nhỏ có kích thước mong muốn. Bên cạnh đó, hiệu suất lượng tử của NC có kích thước nhỏ thường thấp hơn so với hiệu suất lượng tử của các NC có kích thước lớn hơn do sự tăng tỉ số bề mặt/thể tích khi kích thước của NC giảm xuống. Giải pháp khắc phục vấn đề trên là điều khiển bước sóng phát xạ của NC bán dẫn bằng cách thay đổi thành phần hóa học của chúng. Một số nghiên cứu 3
đối với các NC bán dẫn ba thành phần như CdSeS, ZnCdS, ZnCdSe, … đã cho thấy bước sóng phát xạ có thể thay đổi từ miền tử ngoại đến miền hồng ngoại, thậm chí đối với các hạt có kích thước lớn. Bên cạnh đó, các NC bán dẫn hợp kim biểu hiện tính chất quang không thua kém so với các cấu trúc nano lõi/vỏ đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Như vậy ta có thể làm thay đổi các tính chất quang và điện theo kích thước và thành phần của chúng. Mặt khác, với cùng một loại kích thước tinh thể, khi thay đổi thành phần, ta có thể nhận được phổ hấp thụ và phát xạ khác nhau. Trong các NC tinh thể 3 thành phần thì NC CdS1-xSex được nghiên cứu rộng rãi do chúng có khả năng phát quang trong vùng ánh sáng khả kiến khi thay đổi kích thước và tỉ lệ tiền chất. 1.2. Vùng cấm quang của nano tinh thể bán dẫn ba thành phần Tính chất quang của NC bị chi phối bởi cấu trúc vùng năng lượng. Cấu trúc vùng năng lượng của các tinh thể bán dẫn A2B6 như CdSe, CdS, CdTe... là khá phức tạp. Hình 1.1. Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể bán dẫn khối có cấu trúc tinh thể Zb và Wz[6] Vùng dẫn được xác định bởi quỹ đạo s của ion kim loại thuộc nhóm II, trong khi vùng hóa trị có cấu trúc phức tạp hơn và liên quan đến quỹ đạo p của Se, S, Te hoặc các nguyên tố nhóm VI khác. Trên Hình 1.1 trình bày sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể bán dẫn khối A2B6 có cấu trúc tinh thể kiểu Zb và Wz. 4
Trong cấu trúc tinh thể kiểu Zb, vùng hóa trị bao gồm ba vùng con của lỗ trống nặng (HH), lỗ trống nhẹ (LH) và vùng SO được tách ra do tương tác spin – orbital. Các vùng con HH và LH bị suy biến tại điểm Г của vùng Brillouin. Trong cấu trúc tinh thể Wz, ba vùng hóa trị được kí hiệu là A, B và C. Vùng A và B được tách ra do trường tinh thể [46]. Các NC có độ rộng vùng cấm quang (Eg) khác nhau khi có cấu trúc tinh thể khác nhau (Zb hay Wz). Eg của NC có cấu trúc Zb nhỏ hơn Eg của NC có cấu trúc Wz, đối với NC CdS có cấu trúc tinh thể kiểu Zb độ rộng vùng cấm là 2,53 eV, và 2,57 eV khi có cấu trúc Wz [7]. Độ rộng vùng cấm quang của NC bán dẫn 3 thành CdSSe có giá trị nằm giữa độ rộng vùng cấm quang của NC CdS và CdSe nên tính chất quang của nó phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể bán dẫn hai thành phần. Khi kích thước của tinh thể bán dẫn giảm xuống cỡ xấp xỉ bán kính Bohr của exciton (aB) thì sẽ xảy ra sự giam giữ lượng tử đối với các hạt tải. Khi đó các trạng thái điện tử (hoặc lỗ trống) trong NC bị lượng tử hóa, làm thay đổi các tính chất điện và quang của tinh thể bán dẫn. Một hệ quả quan trọng của hiệu ứng giam giữ lượng tử là sự mở rộng vùng cấm khi kích thước NC giảm. Trong mô hình hố thế năng cao vô hạn và phép tính gần đúng parabol, các mức năng lượng bị lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống được xác định bởi biểu thức sau [8]: 2 l2,n E e,h l , nconfinement  (1.1) 2me,h r 2 trong đó l là số lượng tử momen góc, r là bán kính của NC (giả thiết NC là hình cầu), me,h là khối lượng hiệu dụng tương ứng của điện tử và lỗ trống, l,n là nghiệm thứ n của hàm Bessel cầu. Từ biểu thức (1.1) có thể thấy rằng các mức năng lượng tăng khi kích thước NC giảm, và do đó gây ra sự mở rộng của độ rộng vùng cấm. Khi kích thước của tinh thể bán dẫn giảm xuống cỡ xấp xỉ bán kính Bohr của exciton (aB) thì sẽ xảy ra sự giam giữ lượng tử đối với các hạt tải. Khi 5
đó các trạng thái điện tử (hoặc lỗ trống) trong NC bị lượng tử hóa, làm thay đổi các tính chất điện và quang của tinh thể bán dẫn. Về thực nghiệm, có thể quan sát sự mở rộng vùng cấm từ phổ hấp thụ của NC khi năng lượng của đỉnh hấp thụ exciton thứ nhất được xem gần đúng như Eg của NC. Trên hình 1.2 trình bày phổ hấp thụ và PL của các NC CdS tại thời gian phản ứng khác nhau. Hình 1.2. Phổ hấp thụ và PL của NC CdS theo thời gian phản ứng.[ 9] Một hệ quả khác của hiệu ứng giam giữ lượng tử là làm tăng mức độ che phủ hàm sóng của điện tử và lỗ trống, do đó làm tăng tốc độ tái hợp phát xạ. Ngoài ra, tính chất quang của các NC phụ thuộc mạnh vào mức độ giam giữ các hạt tải. Phụ thuộc vào kích thước, mức độ giam giữ các hạt tải có thể là yếu (r >> aB), vừa phải (r  aB), hoặc mạnh (r
Trong đó EgA và EgB là năng lượng vùng cấm của NC bán dẫn hai thành phần EgC là Eg của NC hợp kim và b là hệ số nhạy quang miêu tả mức độ phi tuyến. Sử dụng phương trình (1.2) để biểu diễn Eg của NC CdS1-xSextheo thành phần x: Eg(CdS1-xSex) =xEg(CdSe) + (1 - x) Eg(CdS) - bx(1 - x) (1.3) Sự phụ thuộc của Eg vào kích thước hạt cũng được biểu diễn bởi phương trình: a c Eg  d   Eg      (1.4) d d2 Trong đó: d là đường kính của NC tinh thể a và c là các thông số thực nghiệm. Thay thế phương trình (1.4) vào phương trình (1.3) ta tìm được sự phụ thuộc của năng lượng vùng cấm của các NC hợp kim vào kích thước và thành phần:  a c  Eg  x, d   x  Eg  CdS ,    1  12    d d  (1.5)  a c  (1  x)  Eg  CdSe,    2  12   b(d) x(1  x)  d d  1.3. Tính chất quang của nano tinh thể bán dẫn ba thành phần Các NC bán dẫn có tính chất thực sự khác biệt so với bán dẫn khối do hiệu ứng giam giữ lượng tử đối với hạt tải điện và phonon. Vì vậy có thể thay đổi tính chất quang của các NC bán dẫn thông qua thay đổi thành phần hóa học, kích thước và hình dạng của chúng. Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất quang của bán dẫn 3 thành phần: Khi nghiên cứu về bán dẫn 3 thành phần ZnxCd1-xS, các tác giả [45] thấy rằng khi thay đổi tỉ lệ Zn:Cd đã làm thay đổi kích thước và hình dạng của NC, từ đó làm thay đổi tính chất quang của NC ZnxCd1-xS 7
Hình 1.3. Ảnh TEM của các NC: (a) Zn0.72Cd0.28S; (b) Zn0.54Cd0.46S; (c) Zn0.51Cd0.49S; (d) Zn0.Cd0.57S; (e) Zn0.29Cd0.71S; (f) Zn0.09Cd0.91S tại thời gian phản ứng 8 giờ. [45] Từ hình 1.3 ta thấy các NC đều có kích thước tăng dần và đồng thời hình dạng của NC cũng thay đổi từ dạng cầu sang dạng thanh khi hàm lượng Cd trong hợp kim tăng lên. Hình 1.4. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các NC ZnxCd1-xS khác nhau: (a) Zn0.Cd0.57S; (b) Zn0.51Cd0.49S; (c) Zn0.54Cd0.46S; (d) Zn0.72Cd0.28S. [45] Trong hình 1.4 ta thấy độ rộng vùng cấm nằm trong khoảng giữa độ rộng vùng cấm của ZnS (3,7eV) và độ rộng vùng cấm của CdS (2,5eV) [13], điều này chứng tỏ ZnxCd1-xS đã được hình thành[14] và khi tỉ lệ Zn:Cd tăng thì độ rộng vùng cấn tăng lên tiến gần đến độ rộng vùng cấm của ZnS. 8
Cường độ (đvty) Cường độ (đvty) Góc 2𝜃(độ) Góc 2𝜃(độ) Hình 1.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC ZnxCd1-xS với các tỷ lệ Zn:Cd khác nhau tại thời gian phát triển tinh thể là 8 giờ. [45] Hình 1.5 cho thấy khi tỷ lệ Zn:Cd giảm có sự thay đổi cấu trúc tinh thể từ Wz khi 0.72 < x ≤ 0 (hình 1.5b) sang cấu trúc tinh thể Zb ( với 0.72 ≤ x ≤ 1) (hình 1.5a), và vị trí các đỉnh nhiễu xạ của các họ mặt dịch về phía góc 2θ nhỏ hơn, thể hiện sự tăng hàm lượng của ion Cd2+ trong NC. Cả hai loại cấu trúc tinh thể này đều thuộc mô hình quả cấu xếp chặt, sự chuyển từ cấu trúc Zb sang cấu trúc Wz chỉ liên quan đến sự thay đổi tính đối xứng[45] Ảnh hưởng của của nhiệt độ phản ứng đến tính chất quang của bán dẫn 3 thành phần: Nhiệt độ chế tạo đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đến sự phân bố của các nguyên tố hóa học trong NC [14], [15]. Ouyang và các cộng sự [16] khi tổng hợp NC ZnxCd1-xS bằng phương pháp một bước (Noninjection One-Pot Approach) tại nhiệt độ từ 2200C đến 2600C đã nhận được các NC ZnxCd1-xS có phân bố hóa học thay đổi theo bán kính hạt. Cũng bằng phương pháp một bước Kui Yu và các cộng sự khi tổng hợp NC ZnSeS từ nhiệt độ từ 800C đến 3000C đều nhận được các NC ZnSeS có phân bố các nguyên tố hóa học thay đổi theo bán kính [17]. Yang và các cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới cấu trúc lõi/vỏ của nanorods CdSe/ZnSe ở nhiệt độ 2700C và đã quan sát được sự thay đổi đỉnh phát xạ theo thời gian phản ứng [18]. 9
Một số công bố khác cũng cho thấy cấu trúc tinh thể bị chi phối mạnh bởi nhiệt độ [19], [20], và đặc tính hóa học của các phân tử hữu cơ được sử dụng để chế tạo NC [21], [22]. Leach và các cộng sự khi chế tạo hợp kim CuInS2 nhận thấy nhiệt độ chế tạo ảnh hưởng đến sự thay đổi cấu trúc tinh thể, khi nhiệt độ 1150C các NC có cấu trúc tinh thể kiểu Zb, nhưng khi nhiệt độ tăng từ 1150C đến 1350C các NC có cấu trúc tinh thể kiểu Wz [20]. Marray và các cộng sự khi chế tạo NC CdS, CdSe, CdTe cũng nhận thấy rằng tại nhiệt độ cao, kích thước lớn của các NC và liên kết lỏng lẻo của ligan với bề mặt của NC có thể là nguyên nhân dẫn đến sự tạo thành các NC có cấu trúc Wz, trong khi đó cấu trúc Zb kém bền hơn về nhiệt động học thường nhận được khi chế tạo tại nhiệt độ thấp ( ≤ 2400C) [19, 48]. Zhong và các cộng sự [14] của mình, trong quá trình tổng hợp các NC CdSe và CdSe/ZnSe, đã phát hiện ra rằng: Ban đầu ở nhiệt độ thấp họ thu được các NC có cấu trúc lõi/vỏ, nhưng khi nhiệt độ tăng cao thì cấu trúc lõi/vỏ nhanh chóng biến đổi thành cấu trúc hợp kim NC ZnxCd1-xSe. Quá trình biến đổi từ cấu trúc lõi/vỏ thành cấu trúc hợp kim đã được chứng minh thông qua việc nghiên cứu sự thay đổi đỉnh phát xạ theo sự thay đổi của nhiệt độ. Hình 1.6: Quá trình thay đổi cấu từ cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe sang cấu trúc hợp kim ZnCdSe theo nhiệt độ phản ứng [14] 10