Luận Văn Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS

(Luận văn dài 70 trang)





MỤC LỤC



MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 9

I. Các tính chất đặc biệt của vật liệu nano 12

II. Các cách phân loại vật liệu nano 14

II.1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu . 14

II.1.1. Vật liệu khối 14

II.1.2. Vật liệu nano hai chiều 17

II.1.3. Vật liệu nano một chiều . 21

II.1.4. Vật liệu nano không chiều . 24

II.2. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano .



. 26

III. Các hiệu ứng xảy ra khi vật liệu ở kích thước nano 26

III.1. Hiệu ứng bề mặt 26

III.2. Hiệu ứng kích thước (hiệu ứng giam giữ lượng tử) 28

IV. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 30

IV.1. Phương pháp từ trên xuống 30

IV.2. Phương pháp từ dưới lên . 30

I. Phương pháp hóa ướt (wet etching) . 30

II. Phương pháp cơ học (mechanical) . 31

III. Phương pháp bốc bay 31

IV. Phương pháp hình thành từ pha khí (gase-phase) . 31

V. Tổng quan về vật liệu nano Cadmium Sulphide (CdS) . 32

VI. Các ứng dụng của Cadmium Sulphide . 33

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 37

I. Lý thuyết thực nghiệm . 39

I.1. Lý thuyết Sol-gel 39

I.1.1. Precusor . 39

I.1.2. Sol . 40

I.1.3. Gel . 42

I.1.4. Cơ chế sol - gel 42

I.1.5. Phản ứng thủy phân . 43

I.1.6. Phản ứng ngưng tụ . 44

I.1.7. Phương pháp phủ nhúng 45

I.2. Hệ đo quang phát quang (PL) 46

I.3. Hệ đo UV-Vis . 47

II. Tiến trình thực nghiệm . 47

II.1 Xử lý, rửa dụng cụ và pha chế dung dịch 47

II.1.1 Xử lý và rửa dụng cụ . 47

II.1.2 Pha chế dung dịch Error! Bookmark not defined.

II.2 Kết quả và thảo luận . 49

II.2.1 Khảo sát tính ảnh hưởng của tỉ lệ [Cd2+]/[S2-] đến kích thước hạt . 49

II.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của NaOH đến kích thước hạt 58

II.2.3 Sự truyền hạt tải khi pha TiO2 và ZnO vào dung dịch CdS 62

KẾT LUẬN . 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 69






DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU



Hình 1: Số lượng công trình khoa học và bằng phát minh sáng chế tăng theo cấp

số mũ theo thời gian. . 9

Hình 2: Số lượng công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano cũng tuân

theo quy luật cấp số mũ. 9

Hình 3: Điều kiện biên tuần hoàn (chỉ vẽ đối với trục x) đối với khí electron tự do

trong vật rắn có chiều dài Lx . 15

Hình 4: Electron trong vật rắn khối 3 chiều: 16

Hình 5: Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/

MgO/CoFeB/Ta/Cu/Au được thực hiện trên kính hiển vi điện tử truyền qua

TECNAI T20. . 17

Hình 6: Mô hình “Hạt trong hộp thế” đối với electron tự do chuyển động theo

phương z. . 18

Hình 7: Mô tả Electron trong hệ 2 chiều: . 19

Hình 8: Mô tả vật liệu nano một chiều . 21

Hình 9: 22

Hình 10: Vật rắn không chiều: . 24

Hình 11: Miêu tả hạt nano và đám nano 25

Hình 12: Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang và

điện của vật liệu. . 29

Hình 13: Mô hình cấu trúc của CdS . 32

Hình 14: Sơ đồ cấu trúc đầu dò với màng CdS trong hệ 2 dây làm trễ kép trên đế

Lithium Niobate đặt trong buồng đo. . 34


Hình 15: Năng lượng lối ra của điện cực ủ trong các môi trường khác nhau 35

Hình 16: Đồ thị của lnJsc và Voc của điện cực CdS trong môi trường Argon ở

5000C. . 35

Hình 17: Sơ đồ bên trong của máy ảnh có tấm CdS . 36

Hình 18: Các lọ CdS phát quang dưới ánh sáng tử ngoại . 37

Hình 19: Xác định vùng ung thư ở chuột bằng việc gắn chấm lượng tử với những

kháng thể nhận dạng tế bào. 37

Hình 20: Minh họa các hạt sol trong dung dịch 41

Hình 21: Mô hình hạt Sol 41

Hình 22: Minh họa dạng gel khô, gel khí 42

Hình 23: Tốc độ gel hóa biến đổi theo tỉ lệ nước thủy phân . 44

Hình 24: Phương pháp phủ nhúng . 46

Hình 25: Hệ đo quang phát quang . 46

Hình 26: Máy UV- Vis 530 . 47

Hình 27: Thiết bị rửa siêu âm Jinwoo JAC ultrasonic 1505 . 48

Hình 28: Lò sấy chân không 48

Hình 29: Các mẫu dung dịch CdS pha với các nồng độ khác nhau . 50

Hình 30: Các mẫu CdS phát các màu khác nhau từ đỏ đến xanh. 51

Hình 31: Hình do FESEM của mẫu D52

(có keo) . 52

Hình 32: Hình đo FESEM của mẫu D52 . 53

Hình 33: Các mẫu CdS phát các màu khác nhau từ đỏ đến xanh . 54

Hình 34: Phổ phát quang của mẫu D 54

Hình 35: Phổ phát quang của mẫu F. 55

Hình 36: Phổ phát quang của mẫu D2 0,5 . 56

Hình 37: Phổ hấp thụ của các mẫu D, F, D2 0,5, D52 . 56

Hình 38: Phổ hấp thụ của các mẫu B, C, D, F 58

Hình 39: Phổ hấp thụ của các mẫu khi đã nhỏ 0,03ml dung dịch NaOH 0,6M 59

Hình 40 : Phổ hấp thụ của D62, D62 nhỏ NaOH và nước . 60

Hình 41: Phổ hấp thụ của mẫu D, F, F71 trước và sau khi nhỏ NaOH . 61


Hình 42: Giản đồ vùng năng lượng của CdS và TiO2 . 62

Hình 43: Mô hình biểu diễn electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn . 63

Hình 44: Mô tả sự tái hợp của e - h dẫn đến phát xạ λ 63

Hình 45: Mô tả sự chuyển dời điện tử từ CdS sang mức Ec của TiO2 . 64

Hình 46: Hình phát quang của các một mẫu CdS trước và sau khi nhỏ TiO2 64

Hình 47: Phổ phát quang của hạt CdS . 65

Hình 48: Phổ phát quang của hạt ZnO . 65

Hình 49: Hình chụp phát quang khi pha ZnO vào CdS 65

Hình 50: Phổ phát quang khi pha ZnO vào CdS 66



Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu . 13

Bảng 2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu . 27

Bảng 3: Các thông số cơ bản của CdS . 33

Bảng 4: Các loại precursor thường gặp trong phương pháp sol-gel . 40

Bảng 5: Nồng độ của [Cd2+] và [S2+] trong các mẫu B, C, D, F . 49

Bảng 6: Nồng độ của [Cd2+] và [S2+] trong các mẫu D, F , F71, D52, D62 51

Bảng 7: Nồng độ Cd2+ và S 2+ trong các mẫu D52, D, F2,5 0,25, D2 0,5, F . 53

Bảng 8: Các thông số bước sóng, Eg, kích thước hạt của các mẫu F, D2 0,5, D52 . 57

Bảng 9: Các thông số bước sóng, Eg, kích thước hạt của các mẫu B, C, D, F . 59

Bảng 10: Các thông số bước sóng, Eg kích thước hạt của các mẫu B’, C’, D’, F’ . 60

Bảng 11: Các thông số bước sóng, Eg, kích thước hạt của các mẫu D62, D62 có cho

thêm NaOH . 61

Bảng 12: Các thông số bước sóng, Eg, kích thước hạt của các mẫu D62, D’62, F’71,

F71 . 62






MỞ ĐẦU



Hàng ngàn năm trước, kể từ khi các nhà bác học cổ đại Hy Lạp đặt nền móng

cho các nguyên tắc đầu tiên về khoa học. Lúc bấy giờ các môn khoa học chưa

được tách biệt như bây giờ mà tập trung thành một môn khoa học, triết học. Cũng

trong khoảng thời gian này các nhà bác học được xem như các nhà thông thái biết

mọi thứ. Và đối tượng nghiên cứu lúc bấy giờ là các sự vật vĩ mô.

Cùng với thời gian, hiểu biết của con người cũng tăng theo, độ phức tạp bắt

đầu tăng, khoa học được phân ra thành toán học, vật lý, hóa học, sinh học, .

Con người không dừng lại ở các kích thước vĩ mô nữa mà bắt đầu nghiên cứu

các kích thước nhỏ hơn micromet. Và các môn khoa học một lần nữa tích hợp lại

với nhau khi nghiên cứu các vật thể ở cấp độ nanomet. Điều này có thể thấy được

thông qua các tạp chí khoa học nổi tiếng có liên quan. Ví dụ các tạp chí nổi tiếng

về vật lý như Physical Review, có số đầu tiên năm 1901, hoặc tạp chí hóa học

Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ năm 1879, đó là các

tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các công trình nghiên cứu khoa học được quan tâm

nhiều trong thế kỉ trước. Trong thời gian này xuất hiện một loạt các tạp chí không

theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành khác nhau như tạp chí

uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp chí Nanotoday có số đầu tiên

từ năm 2003. Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa học đang phân chia lại theo

chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về trước. Luận văn này sẽ giới

thiệu sơ lược về đối tượng của khoa học và công nghệ siêu nhỏ, là vật liệu nano.

Năm 1959 nhà vật lý Richard Feynman đã đặt nền móng cho công nghệ nano.

Ông đã khám phá khả năng của vật liệu tự điều khiển ở thang đo nguyên tử và

phân tử. Mãi sau đó, công nghệ nano không được sử dụng cho đến năm 1974, khi

nhà nghiên cứu Norio Taniguchi, đại học Tokyo Nhật Bản. Ông đã sử dụng nó để

tạo ra vật liệu ở giai nanomet. Điều này rất có lợi cho các công ty trong việc chế

tạo các thiết bị điện tử trên chip silicon. Những năm 1970, hãng máy tính IBM,

Mỹ đã xây dựng kỹ thuật quang khắc chùm tia electron để tạo cấu trúc nano có

kích thước vào cỡ 40-70 nm.

Khi kích cỡ của vật liệu càng nhỏ (100 nm ~ 0,2 nm) thì vật liệu sẽ có những

đặc tính khác biệt hay tăng cường so với vật liệu khi nó có kích cỡ lớn hơn. Hai lí

do đáng quan tâm đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lượng tử (sẽ được trình bày

trong phần III.2 sau). Khi kích cỡ hạt giảm xuống khoảng 10nm, kích thước này là

một bước ngoặc quan trọng, nó là nguyên nhân chủ yếu làm thay đổi các đặc tính

quang, từ, điện của vật liệu.