Thạc Sĩ Ứng dụng phổ Quang phát quang nghiên cứu vật liệu nano bán dẫn (chấm lượng tử)

MỞ ĐẦU

Công nghệ vật liệu nano là một trong những lãnh vực nghiên cứu rất mới, nó chỉ được phát hiện vào cuối thế kỷ 20 và đến thời điểm hiện nay nó đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới tập trung nghiên cứu.
Vào năm 1984, nhóm nghiên cứu của Brus (J. Chem Phys 80(9) -1984) là nhóm đầu tiên đã chế tạo ra nano bán dẫn CdS và dùng lý thuyết cơ học lượng tử để kiểm chứng thực nghiệm. Cho đến thời điểm hiện nay QDs đã được nhiều nơi trên thế giới nghiên cứu và khả năng ứng dụng của nó là cực kỳ lớn, đặc biệt trong nhiệt điện, pin năng lượng mặt trời, diode phát quang, Laser và truyền thông tin, y sinh.
Như ta đã biết, tính chất quang của vật liệu nano phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt. Theo đó, để nghiên cứu vật liệu nano, một số phương pháp nghiên cứu đã ra đời như phép đo phổ UV-Vis, phép đo phổ XRD, , các phép chụp ảnh vi hình thái như SEM, TEM, , mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng của nó. Chẳng hạn như: với phép đo UV-Vis và phép đo XRD, ta biết được kích thước hạt nhưng không tìm được sự phân bố kích thước hạt; với phép chụp ảnh SEM, TEM, ta biết được cả kích thước lẫn sự phân bố kích thước hạt nhưng phương pháp này đòi hỏi phải có quá trình xử lí mẫu phức tạp, ngoài ra nó còn phá hủy mẫu .
Với những nhược điểm đó chúng tôi thấy rằng việc nghiên cứu tính chất quang điện của vật liệu nano qua phương pháp phổ PL nhằm hiểu biết cơ chế QDs và khả năng ứng dụng của QDs là thực sự cần thiết và nó cũng đã được nhiều nơi trên thế giới nghiên cứu. Ta biết rằng, khi kích thước QDs nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt với tổng số nguyên tử sẽ tăng lên đáng kể, vì vậy phổ PL là một công cụ để khảo sát những trạng thái bề mặt và hiệu ứng giam giữ lượng tử của QDs rất hữu hiệu. Do đó trong luận văn này, với tên đề tài:”Ứng dụng phổ Quang phát quang nghiên cứu vật liệu nano bán dẫn (chấm lượng tử)”chúng tôi nghiên cứu ứng dụng phổ PL nhằm xác định kích thước hạt, sự phân bố kích thước hạt, đồng thời nghiên cứu tính chất quang của QDs CdSe. Sở dĩ chúng tôi chọn vật liệu CdSe làm đối tượng nghiên cứu chính cho đề tài do CdSe có độ rộng vùng cấm ở dạng vật liệu khối là 1.74eV (~720 nm) tương ứng trong vùng ánh sáng khả kiến nên dễ dàng khảo sát tính chất quang của QDs bằng các phương pháp quang phổ. Mặt khác, vật liệu khối CdSe có bán kính Bohr khá lớn là 5.4 nm, đây là ưu điểm cho việc tổng hợp hạt nano có hiệu ứng giam giữ lượng tử.
Mục tiêu đề tài bao gồm:
ã Tổng quan về vật liệu nano bán dẫn.
ã Sử dụng mẫu lý thuyết khối lượng hiệu dụng để xác định kích thước hạt của QDs CdSe.
ã Sử dụng lý thuyết và nguyên tắc phổ PL, hàm phân bố mật độ hạt để xác định sự phân bố kích thước hạt của QDs CdSe.
ã Trình bày hệ đo thực nghiệm phổ Quang phát quang tại Bộ môn.
ã Từ kết quả và thảo luận phương pháp Quang phát quang nghiên cứu tính chất quang của QDs CdSe .
ã So sánh kết quả trên với các phương pháp khác như UV-Vis, Raman, XRD, TEM.

MỤC LỤC
MỤC LỤC . 1
LỜI CẢM ƠN . 3
DANH MỤC HÌNH 4
DANH MỤC BẢNG VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7
MỞ ĐẦU . 8
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO BÁN DẪN . 10
1.1. Khái niệm . 10
1.2. Lý thuyết về QDs . 11
1.2.1. Tổng quan về nano bán dẫn . 11
1.2.2. Phổ mật độ trạng thái đặc trưng của các loại vật liệu bán dẫn . 12
1.2.2.1. Vật liệu bán dẫn khối 12
1.2.2.2. Vật liệu bán dẫn 2D 13
1.2.2.3. Vật liệu bán dẫn 1D 14
1.2.2.4. Vật liệu bán dẫn 0D 15
1.3. Sự phụ thuộc vào kích thước của các tính chất quang ở QDs . 17
CHƯƠNG II : CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HẠT,SỰ
PHÂN BỐ KÍCH THƯỚC HẠT VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA
VẬT LIỆU NANO . 19
2.1. Các cơ sở lý thuyết . 19
2.1.1. Mẫu lý thuyết khối lượng hiệu dụng dùng để xác định kích thước hạt . 19
2.1.2. Lý thuyết về phổ PL, hàm phân bố kích thước hạt 21
2.2. Các phương pháp nghiên cứu . 23
2.2.1. Hệ thực nghiệm hệ đo phổ PL . 23
2.2.1.1. Nguyên tắc phát quang 23
2.2.1.2. Các cơ chế phát quang 24
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý GVHD : TS. Lâm Quang Vinh
HVTH :Đào Thị Phương Tâm
2
2.2.2. Phép đo phổ UV-Vis 26
2.2.3. Phép đo phổ Raman . 27
2.2.4. Phép đo phổ XRD 28
2.2.5. Phép ghi ảnh vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29
CHƯƠNG III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 30
3.1. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng phổ PL . 30
3.2. Thực nghiệm chế tạo 34
3.2.1. Phương pháp Colloide 34
3.2.2. Chế tạo dung dịch QDs CdSe 35
3.2.2.1. Hóa chất và dụng cụ 35
3.2.2.2. Qui trình tổng hợp . 35
3.2.3. Tạo mẫu bột CdSe 36
3.2.4. Chế tạo màng TiO2 – CdSe 37
3.3. Mô phỏng và phân tích phổ thực nghiệm Quang phát quang 38
3.3.1. Ứng dụng phổ PL xác định kích thước, sự ảnh hưởng trạng thái bề mặt của
hạt CdSe QDs trong dung dịch 38
3.3.2. Ứng dụng phổ PL xác định kích thước hạt, sự phân bố kích thước hạt nano
CdSe và nghiên cứu tính chất quang của màng TiO2 - CdSe 42
3.3.2.1. Màng TiO2 – CdSe chế tạo tại nhiệt độ phòng . 43
3.3.2.2. Màng TiO2 – CdSe được nung tại 3000 C . 46
3.3.2.3. So sánh tính chất quang của màng TiO2 –CdSe chế tạo tại nhiệt độ
phòng và được nung tại 3000 C . 50
CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN . 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 54
PHỤ LỤC 58