Luận Văn Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học của hạt nano silicon

(Luận văn hoàn chỉnh, đầy đủ mọi chi tiết, dài 70 trang)


Mục lục


Lời cảm ơn . i

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu viết tắt vi

Danh mục các hình và bảng vii

Lời giới thiệu 1

A. Tổng quan: . 3

I. Giới thiệu chung về hạt nano: . 3

I.1. Định nghĩa hạt nano 3

I.2. Sự hình thành cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu . 4

I.3. Hiện tượng giam giữ lượng tử . 6

I.4. Hạt nano kim loại 11



I.4.1. Cấu trúc hình học và sự sắp xếp các nguyên tử trong

chùm hạt 11

I.4.2. Cấu trúc vùng năng lượng của hạt nano kim loại .13

I.4.3. Dãy số cấu trúc trong kim loại 15

I.5. Hạt nano bán dẫn . 17

I.5.1. Cấu trúc hình học và dãy số cấu trúc 17

I.5.2. Cấu trúc vùng năng lượng . 17

I.5.3. Tính chất quang . 18

I.5.4. Sự rã quang học . 20

I.6. Các phương pháp chế tạo hạt nano 21

I.7. Các ứng dụng của hạt nano . 22

II. Nano silicon 22

II.1. Nguyên tố silicon 22



II.2. Màng Porous Silicon . 23

II.2.1. Tính chất quang của màng 23

II.2.2. Tính dính ướt của màng 24

II.2.3. Tính nhạy khí 24

II.2.4. Điều chế 26

II.2.5. Các đặc trưng của màng porous silicon 29

II.3. Hạt nano Silicon 30

II.3.1. Mô phỏng cấu trúc hạt nano silicon 30

II.3.2. Sự thay đổi độ rộng vùng cấm từ vật liệu khối silicon xuống hạt

nano silicon . 32

II.3.3. Tính chất quang . 33

II.3.3.1. Sự phụ thuộc của bước sóng vào kích thước hạt . 33

II.3.3.2. Sự ảnh hưởng của dung môi đến sự phát quang của dung dịch chứa

hạt nano silicon 34

II.3.4. Điều chế hạt nano silicon thô và quy trình ăn mòn hạt . 36



II.3.4.1. Phương pháp lắng đọng khí silane (SiH4) .36

II.3.4.2. Phương pháp điện phân hóa học . 37

II.3.5. Các đặc trưng của hạt nano silicon . 38

II.3.5.1. Phổ quang phát quang 38

II.3.5.2. Phổ FTIR . 38

II.3.5.3. Ảnh HR TEM 39



II.3.6. Các ứng dụng của hạt nano silicon . 39

II.3.6.1. Điện tử . 39

II.3.6.2. Sinh y 40

B. Thực nghiệm 41

I. Vật liệu 41

I.1. Dụng cụ và thiết bị . 41

I.1.1. Dụng cụ 41

I.1.2. Thiết bị chế tạo và đo đạc . 41

I.2. Hóa chất 45

II. Quy trình thực nghiệm, kết quả và thảo luận . 45

II.1. Tạo hạt silicon thô 45

II.1.1. Quy trình chế tạo hạt silicon thô . 46

II.1.2. Thực nghiệm chế tạo hạt silicon thô bằng phương pháp điện

phân hóa học . 47

II.1.3. Kết quả và thảo luận 49

II.2. Ăn mòn hạt silicon . 50

II.2.1. Sơ đồ các cách ăn mòn hạt silicon . 50

II.2.2. Phương pháp ăn mòn hạt không sử dụng chất oxy hóa . 51

II.2.3. Phương pháp ăn mòn hạt có sử dụng chất oxy hóa 61

II.3. Quá trình tẩy rửa axit . 63

II.4. Lưu trữ . 64

II.5. Ứng dụng hạt nano silicon . 66

III. Kết luận . 67

IV. Hướng phát triển đề tài . 68

Tài liệu tham khảo . 69



Lời giới thiệu

Cho đến thời điểm hiện tại vật liệu silicon đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới,

có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. Vì vậy mà đã có rất nhiều nghiên cứu

về loại vật liệu này trên cả phương diện lý thuyết lẫn thực nghiệm. Nhu cầu của con

người về các thiết bị tích hợp và di động ngày càng cao đã và đang thúc đẩy quá trình

thu nhỏ lại của các thiết bị điện tử nói chung và các thiết bị làm từ silicon nói riêng.

Chính quá trình này đã thúc đẩy con người lao vào những nghiên cứu các tính chất của

vật liệu silicon ở kích thước ngày càng nhỏ. Đặc biệt trong vài thập niên gần đây nhiều

nhà nghiên cứu và sản xuất các cấu trúc silicon với kích thước nano (các chùm nguyên

tử có kích thước nano hay các cấu trúc nano bán 1 chiều - sợi nano, ống nano .) mà tại

đó vật liệu xuất hiện thêm nhiều tính chất vật lý và hóa học quan trọng.

Tính chất phát quang của vật liệu này lần đầu tiên được khám phá trong dạng

silicon xốp (porous silicon). Từ đó rất nhiều các nghiên cứu đã tập trung vào các hạt

nano cũng như các sợi nano nhằm tìm hiểu cách lí giải nguồn gốc của sự phát quang

này, cùng với nó là hàng loạt các ứng dụng từ đó cũng ra đời.

Một ứng dụng tiêu biểu của hạt nano silicon là làm tăng hiệu suất và kéo dài tuổi

thọ của pin mặt trời. Tập thể các nhà nghiên cứu và chế tạo mà dẫn đầu là nhà vật lý học

người Mỹ Munir Neyfeh đã giúp tăng hiệu suất của pin lên 60% trong vùng tử ngoại và

3% trong vùng ánh sáng khả kiến của hiệu suất trước đó khi tích hợp hạt nano silicon

phát quang màu xanh dương (kích thước hạt khoảng 1nm) vào pin. Khi áp dụng hạt

nano silicon phát quang màu đỏ (kích thước hạt khoảng 2.85nm) vào pin cũng làm tăng

hiệu suất của pin lên 67% trong vùng tử ngoại và 10% trong vùng khả kiến của hiệu

suất trước đó.

Các ứng dụng của hạt nano silicon vào các thiết bị điện phát quang cũng đã mang

lại nhiều kết quả đáng khích lệ.

Với những ưu thế vượt trội về tính phát quang cũng như tính ít độc, hạt nano

silicon được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong y sinh như: làm vật liệu theo dõi

huỳnh quang, làm thuốc tiêu diệt các loại vi khuẩn có hại, chuẩn đoán bệnh ung thư .

Ý thức được khả năng ứng dụng của hạt nano silicon, chúng tôi đã tiến hành

nghiên cứu chế tạo hạt nano silicon nhằm phục vụ cho các đề tài ứng dụng khác.