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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Chuyên ngành: Quang học
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Năm 2012

MỤC LỤC Chỉ 1 file duy nhất)


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
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
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
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




DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. QDs CdSe/ZnS. Kích thước hạt tinh thể QDs giảm dần tương ứng với dải phổ chạy từ màu Đỏ tới gần trong suốt
Hình 1.2. Sự giam giữ lượng tử dẫn tới sự thay đổi các mức năng lượng và phổ mật độ trạng thái thay đổi từ vật liệu bán dẫn khối tới giếng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử 12
Hình 1.3. Phổ mật độ trạng thái bán dẫn khối . 13
Hình 1.4. Phổ mật độ trạng thái bán dẫn 2D 14
Hình 1.5. Phổ mật độ trạng thái bán dẫn 1D 14
Hình 1.6. Cấu trúc QDs và phổ mật độ trạng thái. . 15
Hình 1.7. Sự so sánh các năng lượng của phân tử nano bán dẫn và vật liệu khối 16
Hình 1.8. Phổ huỳnh quang phát xạ của dung dịch QDs CdTe ở nhiều kích thước
khác nhau từ 2 tới 20 nm từ trái qua phải. . 17
Hình 1.9. Phổ hấp thụ và huỳnh quang phát xạ của các loại QDs CdSe/ZnS , CdTe và CdTe/CdSe . 18
Hình 2.1. Sự tăng các mức năng lượng lượng tử hóa và sự dịch xanh (blue shift)
của năng lượng vùng cấm của tinh thể nano so với vật liệu khối. . 21
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ đo PL . 24
Hình 2.3.Các cơ chế phát xạ ánh sáng data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie3" alt="" title="Frown ">a) Quá trình phục hồi của điện tử từ trạng
thái kích thích về trạng thái cơ bản (quá trình tái hợp bức xạ );(b) Quá
trình bức xạ do các nguyên tử tạp chất hoặc do các khuyết tật của mạng tinh thể. 25
Hình 2.4.Thiết bị đo phổ PL tại trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp.HCM. 25
Hình 2.5. Sơ đồ chuyển mức năng lượng và các bước chuyển năng lượng trong phổ điện tử . . 26
Hình 2.6.Các mode dao động của tinh thể. 27
Hình 2.7.Nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể. 28
Hình 2.8. Mô hình đo nhiễu xạ tia X. 29
Hình 3.1. Sơ đồ khối chương trình mô phỏng phổ PL của QDs CdSe. . 32
Hình 3.2. Giao diện chương trình mô phỏng phổ PL của QDs CdSe . 33
Hình 3.3. Dùng hợp chất hữu cơ thiol làm tác nhân ngăn chặn bề mặt. 35
Hình 3.4. Sơ đồ qui trình tổng hợp QDs CdSe. . 36
Hình 3.5. Phổ UV-Vis và phổ PL (thực nghiệm và mô phỏng) của dung dịch nano CdSe chế tạo theo phương pháp Colloide. . 38
Hình 3.6. Các cơ chế phát quang. 39
Hình 3.7. Ảnh TEM của mẫu bột nano CdSe chế tạo theo phương pháp Colloide 41
Hình 3.8. Phổ Raman của màng TiO2 – CdSe nung ở các nhiệt độ khác nhau . 42
Hình 3.9. (a) Giao diện mô phỏng phổ PL của màng TiO2 – CdSe.(b) Phổ UV-Vis và phổ PL (thực nghiệm và mô phỏng) của màng TiO2 –
CdSe44
Hình 3.10. Ảnh TEM của mẫu bột nano CdSe. 45
Hình 3.11. (a) Giao diện mô phỏng phổ PL của màng TiO2 – CdSe.
(b) Phổ UV -Vis và phổ PL (thực nghiệm và mô phỏng) của màng TiO2 – CdSe. . 47
Hình 3.12. Phổ XRD của màng TiO2 – CdSe nung ở 3000 C. 48
Hình 3.13. Phổ PL (thực nghiệm và mô phỏng) của màng TiO2 – CdSe chế tạo tại nhiệt độ phòng và được nung ở 4000 C. 50
Hình 3.14. Phổ UV-Vis của màng TiO2 – CdSe nung ở nhiệt độ 600C, 2000C và 3000 C trong môi trường chân không. . 51






[B]MỞ ĐẦU[/B]


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.