Chấm lượng tử bán dẫn

Tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn

Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép em gửi đến Thầy giáo, Thạc sĩ Ngô Hải Đăng, người hướng dẫn khoa học lời cảm ơn sâu sắc nhất Thầy không chỉ truyền đạt kiến thức kinh nghiệm mà còn tận tình giúp đỡ với tất cả tinh thần, trách nhiệm, để em hoàn thành tốt tiểu luận tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Khoa Học Vật Liệu, Bộ môn Vật liệu Nano và Màng mỏng, Trung tâm quản lý KTX 135B Trần Hưng Đạo và phòng đào tạo Đại Học của Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp

Từ tận đáy lòng, con muốn nói lời cảm ơn đến Bố, Mẹ, Anh Chị Chính sự ủng hộ, động viên của mọi người trong gia đình là động lực để con vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và thực hiện tiểu luận tốt nghiệp

Và cuối cùng, mình xin cảm ơn sự cổ vũ, sự giúp đỡ của các bạn trong lớp

10 MM, các bạn đã giúp đỡ mình suốt 4 năm học Đại Học và hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên thực hiện

Trang 2

Mục Lục

Mở đầu

Trong những năm gần đây, vật liệu nano đã và đang trở thành đối tượng nghiên cứu sôi động do những tính chất đặc biệt Trong đó, hai tính chất đáng quan tâm xuất hiện do cấu trúc nano là số nguyên tử trên bề mặt hạt vật liệu chiếm tỉ lệ lớn so với số nguyên tử phân bố trong vật liệu ( hạt tính thể có kích thước 1 nm chỉ chứa ~ 30 nguyên tử với hầu hết các nguyên tử nằm trên bề mặt; kích thước 4 nm chứa 4000 nguyên tử chỉ với 40% số nguyên tử nằm trên bề mặt, kích thước 10 nm chứa khoảng

30000 nguyên tử với 20% nằm trên bề mặt) và hiệu ứng giam hãm hạt tải điện khi kíchthước hạt vật liệu nhỏ so sánh được với bán kính Borh của exciton Liên quan tới đặc điểm, tính chất của vật liệu bán dẫn ở kích thước nano, có hai thuật ngữ thường được sử dụng thường xuyên, mang ý nghĩa khác nhau nhưng rất dễ dùng chung là “tinh thể nano” và “ chấm lượng tử” Cần phân biệt, hiểu rõ ý nghĩa của hai thuật ngữ này Trước hết, “tinh thể nano” chỉ cho thấy là tinh thể có kích thước vùng nano mét (dưới 100nm), chưa thể hiện bất cứ điều gì về tính chất vật lý và hóa học của vật liệu Thuật ngữ “vật liệu nano” còn được sử dụng rộng nghĩa hơn với yếu tố “tinh thể” được bỏ qua- tức là, ngay cả các tập hợp nguyên tử thành dạng vô định hình hoặc polymer có kích thước vùng nano mét cũng được kể đến Trong khi thuật ngữ “chấm lượng tử” có ý nghĩa vật lý cụ thể về cấu trúc vật liệu trong đó xảy ra hiệu ứng giam hãm lượng tử các hạt tải điện ( mà không nói điều gì về kích thước của nó) Trong thực tế, vì hiệu ứng giam hãm lượng tử xảy ra khi có ít nhất là một chiều kích thước của vật liệu so sánh được với bán kính Bohr, mà bán kính Bohr của đa số vật liệu tinh thể bán dẫn nằm trong vùng nano mét, nên mới có sự dùng chung hai thuật ngữ trên một cách tự nhiên ( thử hình dung bán kính Bohr của exciton của một vật liệu tinh thể nào đó lớn

Trang 3

hơn vào khoảng vài milimet, thì ở kích thước này đã có thể gọi vật liệu tinh thể ấy là chấm lượng tử, nhưng không thể gọi là tinh thể nano được.

Gần đây, những nghiên cứu về grapheme cho thấy vật liệu này có thể là chấm lượng tử ở bất kì kích thước nào, do bán kính Bohr lớn vô hạn Như vậy, kích thước nano mét chỉ cho thấy đặc điểm liên quan tới kích thước, rõ nhất là tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích khối lớn Thuật ngữ “vật liệu nano” vì vậy nên được sử dụng khi đề cập tới những nghiên cứu hoặc ứng dụng liên quan tới trạng thái bề mặt của vật liệu Mặt khác, những nghiên cứu hoặc ứng dụng tính chất vật liệu liên quan tới hệ hạt tải điện bị giam hãm – hiệu ứng giam hãm lượng tử- thì cần chú ý đến kích thước của bán kính Bohr của exciton tương ứng và nên sử dụng thuật ngữ “ chấm lượng tử”

Chương I Giới thiệu

1.1 Đại cương về chấm lượng tư

Chấm lượng tử là vật liệu bán đẫn có kích thước rất nhỏ, dao động từ vài trăm tới vài ngàn nguyên tử Đường kính của một chấm lượng tử khoảng từ 2 ~ 10 nm, các nguyên tử ở kích thước này còn giữ một vài tính chất của vật liệu khối, đồng thời có các tính chất của cấu trúc nguyên tử và phân tử Trong chất bán dẫn, các chấm lượng tử tồn tại hai tính chất đó là tính chất điện và tính chất quang Trong chất bán dẫn tồn tại độ rộng vùng cấm lớn là rào cản giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn, độ rộng hay hẹp của rào cản này phụ thuộc vào các thành phần hình thành nên vật liệu Không giống như phần đa các chất bán dẫn, độ rộng vùng cấm của chấm lượng tử còn phụ thuộc vào kích thước của nó Chấm lượng tử có kích thước càng nhỏ thì mức năng lượng nó phát ra càng lớn và ngược lại, điều đó khiến chúng ta có thể điều chỉnh các bước sóng bằng cách điều chỉnh kích thước của hạt, như dưới hình vẽ ta có thể thấy được rằng khi hạt càng nhỏ thì màu sắc của nó dần tiến về màu sắc của vùng có bước sóng ánh sáng màu xanh, còn kích thước hạt lớn thì màu sắc của nó tiến về vùng có chứa bước sóng ánh sáng màu đỏ (Hình 1)

Trang 4

Hình 1: màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào kích thước hạt

1.2 Các ứng dụng của chấm lượng tư

Chấm lượng tử được tìm thấy trong nhiều ứng dụng cần sử dụng năng lượng lớn, có tính ổn định với ánh sáng huỳnh quang phát xạ có thể điều chỉnh Các ứng dụng chính của chấm lượng tử đó là trong việc tăng hiệu suất chiếu sáng, quang điện và Đánh dấu trong sinh học

1.2.1 Ánh sáng

Năng lượng ánh sáng chiếm 25% trong tổng số năng lượng được sử dụngtại Mỹ, do đó việc đưa năng lượng ánh sáng vào sử dụng có hiệu quả hơn là mộtvấn đề chiến lược , hết sức quan trọng trong quá trình tìm kiếm và cải thiện nguồn năng lượng tại Mỹ Ánh sáng đã có từng bước phát triển lớn mạnh, từ những phát minh như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang cho tới những ánh sáng có công suất hiệu quả như đèn LED Trong suốt quá trình thay đổi và phát triển này, ánh sáng đã trở thành nguồn năng lượng hết sức quan trọng trong khoa học và đời sống con người

Trang 5

Hình 2.

Việc ứng dụng chấm lượng tử trong việc cải thiện năng lượng và chất lượng của ánh sáng là phù hợp Một số ứng dụng cải tiến của chấm lượng tử đó là sự kết hợp với các chất bán dẫ vô cơ trong việc tạo ra ánh sáng, chẳng hạn như là GaAs hoặc InGaN hoặc được thay thế hay bổ sung vào đó Polymer dẫn điện sử dụng trong việc chế tạo bóng đèn LED màng mỏng, ví dụ như LED vô

cơ Đèn LED hữu cơ được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, chủ yếu được làm từ các nhóm bán dẫn III-V hoặc II-V , trong đó có sự phát triển của lớp epytaxy trong cấu trúc mạng liên kết Miền tạo ra ánh sáng của diode phát sáng hữu cơ là miềntiếp giáp giữa lớp P và lớp N, hình thành nên diode Các miền tiếp giáp P-N được chế tạo bằng cách pha các vật liệu bán dẫn mang điện tích dương hoặc là điện tích âm Bán dẫn loại N dư điện tử, trong đó thì bán dẫn loại P thì có lỗ trống hoặc thiếu hụt điện tử, khi hai loại bán dẫn này áp vào nhau, chúng có xu hướng chuyển tiếp điện tử giữa hai mặt giao nhau khi chúng được áp vào một điện áp phù hợp, lúc đó chúng được cung cấp năng lượng, vượt ra khỏi hàng ràothế năng và độ rộng vùng cấm, lúc đó electron và lỗ trống kết hợp với nhau tạo

ra ánh sáng (hình) Đó chính là việc tái tổ hợp các bức xạ cần thiết trên độ rộng vùng cấm của một loại bán dẫn Chất bán dẫn gián tiếp có độ rộng vùng cấm, như là Si, Ge không thể sử dụng cho đèn LED, bởi vì khi xảy ra sự tái tổ hợp giữa điện tử và lỗ trống không tạo nên bức xạ, thay vì tạo ra ánh sáng như chúng

Trang 6

ta mong muốn thì chúng làm tiêu hao năng lượng như mất mát do nhiệt và dao động mạng.

Hình 3

Độ rộng vùng cấm của một chất bán dẫn là thành phần quan trọng chủ yếu tạo nên cấu tạo của một chất bán dẫn, có thể hiểu là bước sóng ánh sáng củamột đèn LED phát ra tỉ lệ nghịch với năng lượng của độ rộng vung cấm Ví dụ đèn LED có độ rộng vùng cấm lớn thì tạo nên ánh sáng màu tím (UV) hoặc ánh sáng màu xanh, trong khi đó, đèn LED có độ rộng vùng cấm nhở thì tạo ra ánh sáng màu đỏ hoặc hồng ngoại Vì lý do đó, rất khó để chế tạo và điều chỉnh màusắc của đèn LED khi sử dụng diode Do những yêu cầu như vậy, ta sử dụng chấm lượng tử trong cấu tạo của đèn LED mang lại nhiều hứa hẹn trong việc chế tạo ra đèn LED có ánh sáng và năng lượng hiệu quả, có khả năng điều chỉnhđược

Để chế tạo ra ánh sáng trắng từ đèn LED, thông thường người ta sử dụng đèn LED mà xanh hoặc tím được sử dụng kết hợp với photpho vàng, chẳng hạn như Ce:YAG Photpho vàng không hiệu quả trong chuyển đổi ánh sáng, màu sắc của đèn LED trắng được tạo từ chất lân quang có xu hướng tập trung ánh sáng có cường độ cao ở màu xanh, cường độ thấp ở màu vàng và màu đỏ Khi chúng tat hay thế lân quang bằng các chấm lượng tử cho phép chúng ta đều chỉnh quang phổ trong dãy màu sắc, tạo ra ánh sáng trắng có ánh sáng dễ chịu hơn (hình 4)

Trang 7

Chỉ số truyền màu sắc(CRI) là thước đo chính xác của một nguồn sáng tạo bởi ánh sáng mặt trời, đèn LED được sử dụng trong chiếu sáng màn hình tinh thể lỏng (LCD) có thể được tăng thêm cường độ sáng nhờ sử dụng chấm lượng tử trong cấu trúc đèn LED, thay đổi đó trong sản xuất màn hình LCD giúp màn hình hiển thị tốt hơn về chất lượng và màu sắc thật hơn.

Chấm lượng tử cũng có thể hết hợp trong cấu trúc đèn LED hữu cơ, đèn LED hữu cơ được hình thành bằng cách tạo ra một dị thể giữa hai polymer dẫn, kết quả là tạo ra một sự khác biệt trong cấu trúc và chức năng Khi áp vào một dòng điện vào điểm nối này, ánh sáng được tạo ra và hoạt động giống như một bán dẫn vô cơ Bằng cách sử dụng polymers, việc tạo ra ánh sáng có thể được chế tạo trên một nền chất linh hoạt và đa dạng hơn

Chấm lượng tử được áp điện xảy ra hiện tượng phát quang, có nghĩa là khi điện áp được áp vào chấm lượng tử, nó sẽ phát ra ánh sáng tương tự như đènLED Sau nhiều phương pháp được sử dụng để cái tiến thì chấm lượng tử còn được phủ lên một lớp màng mỏng, tạo ra một lớp màng mỏng chứa chấm lượng tử và được sử dụng để chế tạo nên đèn LED chấm lượng tử (QLED) Sử dụng tạo nên một loại đèn LED màng mỏng chấm lượng tử có thể tạo ra các ánh sángcó màu sắc như mình mong muốn

Hình 4

Trang 8

1.2.1 Năng lượng mặt trời và hiệu ứng quang điện

Từ khi phát hiện ra chấm lượng tử có khả năng hấp thụ tất cả các bước sóng có năng lượng cao hơn năng lượng vùng cấm và chuyển đổi cái bước sóng đó thành ánh sáng có màu sắc đơn sắc, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng để tăng miền của bước sóng trong hấp thụ quang điện, tăng hiệu quả của quá trình tạo ra ánh sáng (hình 5) Một vài phương pháp tiếp cận khác nhau trong ứng dụng tính năng này (Hình 6)

Pin quang điện hữu cơ (OPVs) là một ngành công nghiệp đang phát triển,quá trình phát triển và chức năng của nó giống như là OLED, nhưng trong QLEDs, chấm lượng tử có thể thay thế hoặc sử dụng trong cấu trúc của các phân tử hữu cơ trong màng mỏng, trong các lớp của pin mặt trời Một số

phương pháp sử dụng chấm lượng tử để tạo ra năng lượng từ mặt trời, trong đó có sử dụng trong pin mặt trời thuốc nhuộm cảm biến với hạt nano TiO2

Trang 9

Hình 5 So sánh các quang phổ với các bước sóng tinh thể nano có thể hấp thụ

ánh sáng một cách hiệu quả

Hình 6 (a) Pin vô cơ, (b) Pin hữu cơ, (c) Pin thuốc nhuộm

1.2.2 Đánh dấu trong sinh học

Một trong những lĩnh vực chính của việc nghiên cứu và thương mại hóa của chấm lượng tử là việc đánh dấu trong sinh học Chấm lượng tử có kích thước tương đương với một phân tử protein, do đó cho phép ta đưa chấm lượng tử vào trong các tế bào trong pin mặt trời thuốc nhuộm huỳnh quang Trong cấu trúc hầu hết của thuốc nhuộm huỳnh quang đều dựa trên các phân tử hữu cơ Cóhai vấn đề quan trọng trong việc xử lý chấm lượng tử đó là quá trình hấp thụ và phát xạ của huỳnh quang thuốc nhuộm hữu cơ khi được gắn cấu trúc phân tử của các nhóm, do đó việc xác định quá trình kích thích và phát hiện ra các bước sóng cụ thể rất quan trọng Không giống như fluorophores hữu cơ, chấm lượng tử có thể hấp thụ một khoảng rộng trong vùng phổ và phát xạ đối xứng, quang phổ hẹp (hình 7)

Trang 10

Hình 7 Hấp thụ và phổ hỳnh quang chấm lượng tử so với thuốc nhuộm hữu cơ

Đặc điểm này của chấm lượng tử có lợi thế hơn so với florophore hữu cơ,bởi vì khi có bước sóng kích thích mọi nơi trong một vùng rộng lớn, nó tránh được sự kích thích của đế, cũng như tách biệt rõ ràng giữa kích thích và phát xạ.(hình 8)

Trang 11

Hinh 8 Chấm lượng tử thay đổi cho nhiều màu sắc cho chúng ta dễ dàng phân biệt để

ghi nhãn huỳnh quang với một nguồn kích thích

Ngoài bước sóng thuộc vùng kích thích, florophone hữu cơ có tính chất suy giảm theo thời gian trong quá trình kích thích, quá trình này được gọi là quá trình tẩy trắng hình ảnh Điều đặc biệt của chấm lượng tử đó là không bị tẩy trắng, với sự kích thích trong một thời gian dài cho phép hình ảnh lâu hơn

Để chấm lượng tử chụp được hình ảnh sinh học chúng ta cần xem xét các giới hạn của chấm lượng tử trong chụp hình ảnh sinh học Đầu tiên, ta biết hầu hết các chấm lượng tử hoạt động đều dựa trên các cấu trúc của các hợp chất kim loại nặng như CdSe và TdTe, có thể thầm thấu vào các mô của các hợp kim này Để khắc phục vấn đề này, ta thực hiện phủ một lớp kim loại bên ngoài lớp kim loại nặng như ZnS, chất này khi được phủ lên được xem như một rào cản, ngăn chấm lượng tử thẩm thấu vào trong Thứ hai, hầu hết chấm lượng tử chỉ ổn định được trong các dung môi hữu cơ đã được xử lý, để khắc phục vấn đề này ta thực hiện phủ một lớp vỏ polymer hoặc là một mixen để cho chúng có thể hòa tan vào trong dung môi; khi đó các biotags có thể được gắn vào các gốc của polymer Tuy nhiên, sau khi các lớp phủ và hoạt hóa, đường kính của một chấm lượng tử có kích thước sẽ lớn hơn so với đường kính thực của nó, dẫn tới việc hạn chế khả năng hoạt động của chấm lượng tử (hình 9)

Trang 12

Hình 9 Minh họa chấm lượng tử có vỏ

Tuy nhiên các chấm lượng tử cho nhiều hứa hẹn trong tương lai trong việc đánh dấu sinh học, đặc biệt trong các ứng dụng cho nhiều hình ảnh rõ nét và chất lượng Bảng dưới đây cho chúng ta thấy ưu điểm và nhược điểm của chấm lượng tử so với màu nhạy quang hữu cơ truyền thống

Chương 2: Tổng quan về công nghệ chế tạo chấm lượng tư

Trang 13

2.1 Nguyên tắc hoạt động của chấm lượng tư

2.1.1 Bán dẫn

Để hiểu rõ chấm lượng tử, đầu tiên chúng ta đi tìm hiểu về các vật liệu chế tạo

ra nó Bán dẫn là một loại vật liệu có tính chất điện đặc biệt Trong kim loại hay trong các dây dẫn khác, vùng dẫn và vùng hóa trị chồng chéo lên nhau, do đó không tạo ra hàng rào năng lượng giữa hai vùng này, dẫn tới việc ở đây không có xảy ra sự kích thích electron từ vùng dẫn sang vùng hóa trị Còn trong vật liệu cách điện, một hàng rào thế năng lớn ngăn cản các electron từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, về cơ bản thì nó ngăn cản khả năng dẫ điện của vật liệu Trong bán dẫn, vùng dẫn điện nằm trung gian giữa vùng dẫn điện và vùng cách điện.( hình 10) Thông thường, độ rộng vùng cấm củakim loại, bán dẫn và chất cách điện có giá trị 0,1 eV, từ 0,5 đến 3,5 eV, và lớn hơn 4 eV

Hình 10 Dải năng lượng (a) Kim Loại, (b) Bán dẫn, (c) chất cách điện

2.1.2 Sự giam hãm lượng tử

Chấm lượng tử có độ rộng vùng cấm có thể thay đổi theo điều kiện, gọi là giamgiữ lượng tử Để hiểu hiện tượng giam hãm lượng tử, chúng ta cần nhìn vào vùng phâncách năng lượng trong các các nguyên tử và phạm vi hoạt động của vùng cấm trongmột phạm vi rộng lớn Theo lý thuyết, sự tách các mức năng lượng được thực hiện bởisố chiều của chấm bán dẫn Như đã giải thích ở trên, khi kích thước của vật liệu đượcgiảm từ vật liệu khối đến vật liệu nano thì mật độ trạng thái cũng bị thay đổi từ liên tục

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	3,02 MB