Luận văn Thạc sĩ Khoa học vật chất: Chế tạo, nghiên cứu các tính chất quang của các chấm lượng tử CdZnSe (S)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM VĂN DUY CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VÀ CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdZnSe (S) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên, năm 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM VĂN DUY CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VÀ CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdZnSe (S) Ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Hồng Hạnh Thái Nguyên, năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Vũ Thị Hồng Hạnh Các số liệu kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Văn Duy i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Vật lý tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tơi q trình nghiên cứu đề tài Với kính trọng lịng biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS Vũ Thị Hồng Hạnh, giảng viên khoa Vật Lý – Đại học Sư Phạm Thái Nguyên tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ chúng tơi hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học Tôi xin cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Xuân Nghĩa, NCS Hoàng Thị Lan Hương – Viện khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tơi q trình chế tạo mẫu thực phép đo quang Tôi xin cảm ơn anh chị, em, bạn nhóm nghiên cứu đề tài giúp đỡ em suốt thời gian nghiên cứu đề tài Chúng xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý – Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành đề tài Dù thân cố gắng hạn chế kiến thức chuyên ngành nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, bạn để đề tài hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng, ……năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Văn Duy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi LỜI NÓI ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Tính chất quang vật liệu nano 1.2.1 Tính chất hấp thụ 1.2.2 Tính chất phát quang 1.3 Chấm lượng tử 11 1.3.1 Chấm lượng tử bán dẫn 11 1.3.2 Chấm lượng tử hợp kim 12 1.4 Các phương pháp chế tạo nano tinh thể 15 1.4.1 Các phương pháp vật lý 16 1.4.2 Các phương pháp hóa học 19 Chương THỰC NGHIỆM 23 2.1 Chế tạo mẫu CdZnS 23 2.1.1 Thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử CdZnS 23 2.1.2 Chế tạo chấm lượng tử CdZnS 24 iii 2.2 Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu tính chất vật liệu 25 2.2.3 Phân tích huỳnh quang tia X 28 2.2.4 Hấp thụ quang 28 2.2.5 Quang huỳnh quang 31 2.2.6 Thời gian sống huỳnh quang 33 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Hình dạng cấu trúc chấm lượng tử CdxZn1-xS 34 3.1.1 Ảnh TEM 34 3.1.2 Thành phần cấu trúc chấm lượng tử Cdx Zn1-x S 36 3.2 Tính chất quang 38 3.2.1 Phổ hấp thụ 38 3.2.2 Phổ huỳnh quang 44 3.2.3 Thời gian sống huỳnh quang 47 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ S Lưu huỳnh Cd Cadimi Eg Năng lượng vùng cấm nm Nano met N2 Khí Nitơ HQ Huỳnh quang OA Acid Oleic Zn Kẽm Abs Hấp thụ 10 CdO Cadimi Oxit 11 CdS Cadimi Sunfua 12 NC Nano tinh thể 13 ODE Octadecene 14 TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua 15 XRD Nhiễu xạ tia X 16 HDA Hexadecylamine 17 ZnS Zins Sulfide 18 S2- Ion S2- 19 CdSe Cadmium Selenide 20 Cd2+ Ion Cd2+ 21 Zn2+ Ion Zn2+ 22 EDS Tán sắc lượng 23 CLT Chấm lượng tử 24 PLQY Hiệu suất lượng tử 25 ZnSt2 Zinc Stearate iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Hằng số mạng c a chấm lượng tử CdxZn1-xS .38 Bảng 3.2 Các số thu việc làm khớp đường cong suy giảm huỳnh quang CLT .50 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình robot nano ứng dụng y học Các hạt nano có đặc tính sinh học xem robot nano giúp truyền thuốc, tiêu hủy tế bào ung thư[8] Hình 1.2 Mơ tả mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang chấm lượng tử CdSe [5] Hình 1.3 Phổ hấp thụ (a) huỳnh quang (b) chấm lượng tử CdSe với kích thước khác [5] 10 Hình 1.4 Mơ hình chấm lượng tử với cấu trúc vỏ lõi phổ huỳnh quang tương ứng với kích thước tăng dần chúng [12] 11 Hình 1.5 Ảnh Fe SEM chấm lượng tử CdZnS với thành phần Cd 0,2; 0,4; 0,6 0,8% Cd0,8Zn0,2S (a), Cd0,6Zn0,4S (b), Cd0,4Zn0,6S (c) Cd0,2Zn0,8S(d) [13] 14 Hình 1.6 Ảnh mẫu CLT ba thành phần CdZnSe/ZnSeS x ML, x = 0, 2, 4, 6,(a), CdZnSe/ZnSe1-ySy ML (y = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8) (b), phát xạ ánh sáng có bước sóng 380 nm [3] 15 Hình 1.7 (a) Máy nghiền SPEX 8000, (b) Cối nghiền bi nghiền [2] 17 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý thiết bị EBL [27] 18 Hình 1.9 Quá trình tổng hợp TiO2 ZnO phương pháp Sol-Gel [2] 19 Hình 1.10 Sơ đồ chế tạo phương pháp phân huỷ tiền chất kim [2] 21 Hình 2.1 Hình ảnh hệ chế tạo chấm lượng tử CdxZn1-xS 24 Hình 2.2 a) Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua, b) Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 1010 đặt Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương 25 Hình 2.3 Hiện tượng tia X nhiễu xạ mặt mạng 27 Hình 2.4 Nguyên lý tượng huỳnh quang tia X 28 Hình 2.5 : Ảnh chụp hệ máy quang phổ UV-visible-Nir Absorption Spectrophotometer (nhãn hiệu Cary 5000, Varian) 29 vi Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang thông thường 32 Hình 2.7 Hệ đo huỳnh quang nhãn hiệu FS 920 32 Hình 3.1 Ảnh TEM nano tinh thể Cd0.5Zn0.5S với tỷ lệ Cd:Zn = 1:1, chế tạo nhiệt độ 280oC 34 Hình 3.2 Ảnh TEM nano tinh thể: (a) Cd0.28Zn0.72S; (b) Cd0.71Zn0.29S 35 Hình 3.3 Phổ tán sắc lượng(EDS) chấm lượng tử Cd0,57Zn0,43S (a) Cd0,71Zn0,29S (b) 36 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ZnS CdZnS với tỷ lệ Zn/Cd khác nhau: 0,9/0,1 ; 0,72/0,28 37 Hình 3.5 Phổ hấp thụ chấm lượng tử CdZnS chế tạo thời gian phút với tỉ lệ Cd:Zn= 0,7: 0,3 chế tạo nhiệt độ 280oC, mẫu phân tán Toluene đo nhiệt độ phòng 39 Hình 3.6 Phổ hấp thụ chấm lượng tử Cd0.7Zn0.3S chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác từ phút đến 10h 40 Hình 3.7 Phổ hấp thụ chấm lượng tử Cd0.5Zn0.5S chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác từ phút đến 8h 41 Hình 3.8 Phổ hấp thụ chấm lượng tử Cd0,85Zn0,15S chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác từ phút đến 10h (a) từ phút đến 4h 41 Hình 3.9 Phổ hấp thụ chấm lượng tử hợp kim phụ thuộc vào thành phần cấu tạo (a) đường biểu diễn phụ thuộc độ rộng vùng cấm CLT hợp kim vào thành phần cấu tạo (b) 43 Hình 3.10 Phổ huỳnh quang chấm lượng tử Cd0,7Zn0,3S chế tạo nhiệt độ 280oC thời gian phút, đo nhiệt độ phịng, bước sóng kích thích 370 nm 44 Hình 3.11 Phổ HQ (a) phổ HQ chuẩn hóa CLT CdZnS với tỉ lệ Cd:Zn = 0,7 : 0,3 chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian lấy mẫu khác 45 vii Tai lieu Luan van Luan an Do an Bên cạnh việc khảo sát phụ thuộc độ rộng vùng cấm CLT CdZnS vào thời gian chế tạo, khảo sát phụ thuộc độ rộng vùng cấm CLT hợp kim CdZnS vào thành phần cấu tạo hợp kim Để khảo sát ảnh hưởng thành phần cấu tạo lên độ rộng vùng cấm CLT hợp kim, giữ nguyên nhiệt độ chế tạo khảo sát mẫu theo thời gian chế tạo (từ phút đến 10 giờ) Chúng thay đổi tỷ lệ Cd: Zn từ 1:0, đến 0:1 Hình 3.8 3.9 trình bày phổ hấp thụ CLT Cd0.5Zn0.5S Cd0,85Zn0,15S chế tạo 280oC theo thời gian nuôi mẫu khác 0.06 hap thu (d.v.t.y) 0.05 5min 15min 30min 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 300 400 500 600 700 buoc song (nm) Hình 3.7 Phổ hấp thụ chấm lượng tử Cd0.5Zn0.5S chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác từ phút đến 8h Cd0.85Zn0.15S 1.0 1.4 5min 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10h 0.6 5min 15min 30min 1h 2h 3h 4h 1.2 Do hap thu (d.v.t.y) Do hap thu (d.v.t.y) 0.8 0.4 0.2 470 1.0 0.8 0.6 0.4 463 0.2 0.0 400 500 600 700 0.0 Buoc song (nm)) 400 500 600 700 Buoc song (nm) (a) (b) Hình 3.8 Phổ hấp thụ chấm lượng tử Cd0,85Zn0,15S chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian chế tạo mẫu khác từ phút đến 10h (a) từ phút đến 4h 41 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Từ phổ hấp thụ mẫu CLT CdZnS với tỷ lệ Cd:Zn khác nhau, khẳng định dịch phổ hấp thụ phía bước sóng dài (năng lượng thấp) thời gian chế tạo mẫu tăng quan sát thấy tất mẫu khảo sát Sự dịch đỏ phổ hấp thụ quy cho giảm độ rộng vùng cấm hiệu dụng CLT hợp kim kích thước hạt tăng thời gian nuôi mẫu tăng Bên cạnh phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào kích thước hạt, chúng tơi cịn quan sát thấy thay đổi độ rộng vùng cấm hiệu dụng CLT hợp kim thành phần hợp kim thay đổi Cụ thể, tỷ lệ Cd/Zn tăng lên, quan sát thấy dịch phổ hấp thụ phía bước sóng dài, chứng tỏ độ rộng vùng cấm CLT hợp kim giảm Đây kết thú vị cho thấy độ rộng vùng cấm CLT hợp kim phụ thuộc vào thành phần cấu tạo hợp kim Và tỷ lệ bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ hợp kim tăng (EgCdS=2,48 eV, EgZnS=3,8 eV) độ rộng vùng cấm hợp kim giảm Hợp kim hai chất bán dẫn kích thước nm tạo loại vật liệu có tính chất đặc trưng, phụ thuộc vào thành phần giam giữ kích thước lượng tử Như vậy, thay kiểm sốt kích thước CLT, việc chế tạo CLT ba thành phần cách tiếp cận để thay đổi độ rộng vùng cấm chúng, NC hợp kim ZnxCd1-xS có độ rộng vùng cấm nằm khoảng độ rộng vùng cấm NC ZnS CdS Độ rộng vùng cấm bán dẫn khối ZnxCd1-xS xác định theo công thức sau: [27] CdS xCd1 x S E gZn.bulk  xEgZnS bulk  1  x E g bulk  bx1  x  (3.3) Đối với CLT hợp kim ba thành phần CdxZn1-xS, độ rộng vùng cấm cịn biến đổi theo kích thước d tương tự theo thành phần x, tức giam giữ lượng tử phụ thuộc kích thước cần bổ sung vào phép toán xác định độ rộng vùng cấm 42 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Theo [11] độ rộng vùng cấm bán dẫn khối CdxZn1-xS phụ thuộc vào thành phần theo công thức sau: E gbulk  2,5  0,59 x  0,61x (3.8) 1.8 (a) 1.6 (b) 1.4 Do hap thu (d.v.t.y) 1.2 1.0 CdS 0.8 0.7:0.3 0.6 0.5:0.5 0.4 0.3:0.7 0.2 0.2:0.8 0.0 -0.2 ZnS -0.4 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Nang luong (eV) Hình 3.9 Phổ hấp thụ chấm lượng tử hợp kim phụ thuộc vào thành phần cấu tạo (a) đường biểu diễn phụ thuộc độ rộng vùng cấm CLT hợp kim vào thành phần cấu tạo (b) Từ phổ hấp thụ, tính độ rộng vùng cấm CLT mà chế tạo phụ thuộc thành phần cấu tạo hợp kim, kết cho thấy đường biểu diễn thực nghiệm phụ thuộc độ rộng vùng cấm CLT vào thành phần x đường cong lý thuyết bán dẫn khối CdxZn1-xS gần trùng nhau, các CLT chế độ giam giữ lượng tử yếu 43 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an 3.2.2 Phổ huỳnh quang 472 Do huynh quang ( d.v.t.y) 25000 mins 20000 15000 10000 5000 715 400 500 600 700 800 900 Buoc song (nm) Hình 3.10 Phổ huỳnh quang chấm lượng tử Cd0,7Zn0,3S chế tạo nhiệt độ 280oC thời gian phút, đo nhiệt độ phòng, bước sóng kích thích 370 nm Hình 3.11 trình bày phổ huỳnh quang CLT Cd0,7Zn0,3S chế tạo nhiệt độ 280oC thời gian phút, đo nhiệt độ phịng, bước sóng kích thích 370 nm Các nano tinh thể phân tán dung môi toluen với tỷ lệ phù hợp Tỷ lệ tính tốn phù hợp với loạt mẫu chế tạo Đây tỷ lệ đảm bảo nano tinh thể phân tán toluen khơng q lỗng khơng đậm đặc (để tránh truyền lượng nano tinh thể chúng gần dung dịch) Từ phổ huỳnh quang (hình 3.11), quan sát thấy hai dải phát xạ: dải hẹp phía bước sóng ngắn (năng lượng cao) dải phát xạ rộng phía bước sóng dài (năng lượng thấp) Hai dải phát xạ phổ huỳnh quang CLT CdxZn1-xS giải thích sau: kích thích điện tử với lượng tối thiểu độ rộng vùng cấm Eg chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại lỗ trống vùng hóa trị Cặp điện tử lỗ trống tạo thành exciton Khi điện tử từ trạng thái kích thích trở trạng thái bản, trình tái hợp vùng – vùng 44 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an (tái hợp trực tiếp) xảy quan sát thấy dải phát xạ Tuy nhiên, điện tử bị bắt giữ trạng thái bẫy bề mặt trước xảy tái hợp trực tiếp gây tái hợp qua mức bề mặt không phát xạ phát xạ bề mặt Các trạng thái bẫy sai hỏng cấu trúc vật liệu, sai hỏng nút mạng, liên kết thừa bề mặt tinh thể Trong phổ huỳnh quang hình 3.11, dải phát xạ thứ hẹp (độ rộng bán phổ 20 nm), có cường độ lớn vùng bước sóng ngắn, có đỉnh phát xạ 472 nm, quy cho dải phát xạ tương ứng với trình chuyển dời tái hợp phát xạ cặp điện tử - lỗ trống từ mức 1Se tới mức lỗ trống 1Sh3/2, chuyển dời exciton Bên cạnh đó, phổ huỳnh quang chúng tơi quan sát thấy đám phát xạ rộng với cường độ yếu vùng bước sóng dài, có cực đại 715 nm Dải phát xạ quy cho phát xạ liên quan tới trạng thái bề mặt/sai hỏng CLT hợp kim Do khác bán kính ion Cd2+ Zn2+, nên tạo thành hợp kim xuất sai hỏng mạng tinh thể kích thước nhỏ CLT nên xuất trạng thái liên quan đến bề mặt mins 15 mins 30 mins 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10 h 20000 15000 10000 473 1.0 Huynh quang chuan hoa Do huynh quang (d.v.t.y) 25000 5000 mins 15 mins 1h 4h 10 h 0.8 484 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 800 300 900 400 500 600 700 Buoc song (nm) Buoc song (nm) (a) (b) 800 900 1000 Hình 3.11 Phổ HQ (a) phổ HQ chuẩn hóa CLT CdZnS với tỉ lệ Cd:Zn = 0,7 : 0,3 chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian lấy mẫu khác 45 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Khi thay đổi thời gian chế tạo, quan sát thấy hai dải phát xạ phổ huỳnh quang CLT CdxZn1-xS tương ứng với dịch chuyển exciton (1Se-1Sh3/2) phát xạ tương ứng với trạng thái bề mặt Sự dịch nhẹ dải phát xạ phía bước sóng dài phổ huỳnh quang thời gian ni mẫu tăng (hình 3.12, 3.13) dẫn đến kích thước hạt tăng phù hợp với dịch đỏ quan sát thấy phổ hấp thụ Độ rộng bán phổ dải phát xạ phía bước sóng ngắn mẫu tăng nhẹ thời gian ni mẫu tăng có giá trị nằm khoảng từ 22 nm đến 30 nm Độ rộng bán phổ nhỏ cho thấy độ đơn sắc phát xạ exciton CLT hợp kim 35000 mins 15 mins 30 mins 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10 h 25000 20000 Huynh quang chuan hoa Do huynh quang (d.v.t.y) 30000 476 1.0 15000 10000 mins 15 mins 4h 10 h 487 0.8 0.6 0.4 0.2 5000 0.0 400 400 500 600 700 800 900 500 600 700 800 900 1000 Buoc song (nm) Buoc song (nm) (b) (a) Hình 3.12 Phổ HQ (a) phổ HQ chuẩn hóa chấm lượng tử CdZnS với tỉ lệ Cd:Zn = 0,85:0,15 chế tạo nhiệt độ 280oC với thời gian lấy mẫu khác Từ phổ huỳnh quang CLT CdxZn1-xS (hình 3.12 3.13) nhận thấy cường độ phát xạ liên quan đến trạng thái bề mặt/ sai hỏng CLT tăng dần lên thời gian chế tạo mẫu tăng tỷ lệ cường độ phát xạ exciton phát xạ bề mặt phụ thuộc vào hàm lượng Cd CLT Lý hàm lượng Cd CLT tăng xuất khuyết tật cục làm thay đổi cấu trúc CLT từ lập phương giả kẽm sang lục giác quan sát từ 46 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an giản đồ nhiễu xạ tia X nguyên nhân khác Vấn đề nhóm nghiên cứu chúng tơi tiếp tục tìm hiểu đề tài Khi tỷ lệ Cd/Zn tăng, phổ huỳnh quang CLT hợp kim cho thấy dịch phía bước sóng dài dải phát xạ tương ứng với dịch chuyển exciton (hình 3.12, 3.13, 3.14) Sự dịch chuyển chứng chứng tỏ CLT hợp kim CdxZn1-xS hình thành chúng có độ rộng vùng cấm nằm khoảng độ rộng vùng cấm ZnS (3,7ev) độ rộng vùng cấm CdS (2,48 eV) Vi tri cuc dai huynh quang (nm) 485 480 475 470 465 460 Cd:Zn = 0.7:0.3 Cd:Zn = 0.85:0.15 455 450 m 15m30m 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10h Thoi gian che tao mau Hình 3.13 Vị trí đỉnh huỳnh quang CLT Cd0,7Zn0,3S Cd0,85Zn0,15S thay đổi theo thời gian chế tạo mẫu 3.2.3 Thời gian sống huỳnh quang Thời gian sống trạng thái kích thích (thời gian sống huỳnh quang) nano tinh thể tính chất quang học cịn chưa hiểu rõ Động học q trình tắt dần huỳnh quang tập hợp CLT dạng huyền phù khác với chất mầu hữu truyền thống Sự khác biệt [7] i) Thời gian sống dài (hàng chục ns nhiệt độ phòng tới ms nhiệt độ thấp), so với thời gian tắt dần ngắn bán dẫn khối (200 ps tới vài ns tùy theo nhiệt độ cơng suất kích thích), 47 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an ii) chất mầu hữu hầu hết thể động học tắt dần huỳnh quang theo hàm e mũ đơn (single exponential), tập hợp CLT biểu tắt dần huỳnh quang theo nhiều hàm mũ (multi-exponential) Hơn nữa, mức độ lệch khỏi hàm mũ đơn thời gian sống khác từ mẫu đến mẫu khác, dẫn đến kết phép đo thời gian sống khác tập hợp CLT Thời gian sống phát xạ exiton định che phủ hàm sóng trạng thái đỉnh vùng hóa trị đáy vùng dẫn có giá trị khoảng đến vài chục ns, trạng thái bề mặt có thời gian sống phát xạ khoảng vài ns nhỏ thời gian sống phát xạ tạp vào khoảng vài trăm ns lớn Để khảo sát thời gian sống phát xạ CLT hợp kim CdxZn1-xS, tiến hành đo huỳnh quang tắt dần mẫu nhiệt độ phịng Hình 3.15 trình bày đường cong suy giảm huỳnh quang CLT Cd0,5Zn0,5S phân tích cực đại dải phát xạ exciton (a) phân tích cực đại dải phát xạ tương ứng với sai hỏng/bề mặt (b) Đường liền nét màu đỏ đường làm khớp số liệu thực nghiệm với phương trình 1 (a) Cuong chuan hoa (d.v.t.y) Cuong chuan hoa (d.v.t.y) 0.1 y = 0,003 + 0,03e(-t/13,0) + 1,2e(-t/1,5) 0.01 50 100 150 200 50 100 150 200 (b) y = 0,004 + 0,02e(-t/39,5) + 0,12e(-t/5,3) 0.1 0.01 0.1 0.01 50 100 150 200 t (ns) t (ns) Hình 3.14 Đường cong suy giảm huỳnh quang CLT Zn0,5Cd0,5S đo nhiệt độ phịng, kích thích xung xạ 370 nm: (a)phân tích cực đại dải phát xạ exciton (b) phân tích cực đại dải phát xạ tương ứng với sai hỏng/bề mặt 48 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Nhìn chung, đường cong suy giảm huỳnh quang không tuân theo hàm mũ đơn mà tắt dần phát xạ tuân theo nhiều hàm mũ, phần theo hàm mũ đặc trưng cho trình phục hồi định xảy CLT sau nhận xung kích thích Theo Fisher có ba cách giải thích dạng nhiều hàm mũ đường cong huỳnh quang tắt dần tập hợp CLT: i) CLT tập hợp có thời gian sống theo hàm mũ đơn riêng nó, phân bố thời gian sống tập hợp dẫn đến tắt dần theo dạng nhiều hàm mũ tập hợp; ii) tắt dần huỳnh quang trình phức tạp vốn có CLT, động học tắt dần hạt có dạng nhiều hàm mũ; iii) tắt dần huỳnh quang CLT thời điểm hàm đơn mũ, thăng giáng theo thời gian, tắt dần huỳnh quang trung bình theo thời gian CLT hay tập hợp CLT có dạng nhiều hàm mũ Có thể fit đường cong suy giảm huỳnh quang theo biểu thức (3.9): I(t)= A1exp(-t/τ1)+ A2exp(-t/τ2) (3.9) τ1 τ2 hai số thời gian, A1 A2 hai biên độ ứng với hai thời gian τ1 τ2 Thời gian sống phát xạ trung bình tính theo cơng thức: n n i 1 i 1    Ai i2 /  Ai i (3.10) Kết fit hàm đường cong suy giảm huỳnh quang CLT thu giá trị thời gian phân rã τ1, τ2 Thành phần thời gian phân rã ngắn τ1 quy cho việc kích hoạt quang trạng thái exciton 1S(e)-1S3/2(h), cịn thành phần dài τ2 tương ứng gán cho việc hạt tải điện bị bẫy trạng thái bề mặt 49 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Bảng 3.2 Các số thu việc làm khớp đường cong suy giảm huỳnh quang CLT τ1 (ns) τ2 (ns)  (ns) PHE 13,0 1,5 3,5 PLE 39,5 5,3 20,8 Mẫu Zn0,5Cd0,5S Thời gian sống phát xạ trung bình đỉnh phát xạ PHE (phát xạ exciton) PLE (phát xạ liên quan đến trạng thái sai hỏng/bề mặt) CLT Cd0,5Zn0,5S vào khoảng 3,5 ns, 20,8 ns 50 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an KẾT LUẬN Luận văn đạt mục đích đề với kết thu sau: Đã chế tạo nghiên cứu, phân tích tính chất hấp thụ phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdxZn1-xS với x thay đổi từ đến Thời gian lấy mẫu từ phút đến 10 Đã khảo sát hình thái nghiên cứu cấu trúc chấm lượng tử CdZnS chế tạo thông qua nghiên cứu : TEM, nhiễu xạ tia X, EDS Kết cho thấy CLT có kích thước trung bình cỡ – 10 nm mẫu CLT Cd0.5Zn0.5S, với CLT Cd0.3 Zn0.7S, kích thước trung bình hạt cỡ nm, cịn với mẫu CLT Cd0.7Zn0.3S, kích thước trung bình hạt cỡ nm Biên hạt rõ ràng, hình dạng tựa cầu Phổ EDS chứng thực nghiệm chứng tỏ hợp kim CdZnS hình thành Đã nghiên cứu tính chất quang CLT chế tạo được: - Từ phổ hấp thụ, chúng tơi ước tính độ rộng vùng cấm NCs mà chế tạo phụ thuộc thành phần cấu tạo hợp kim, kết cho thấy đường biểu diễn thực nghiệm phụ thuộc độ rộng vùng cấm CLT vào thành phần x đường cong lý thuyết bán dẫn khối CdxZn1-xS gần trùng nhau, các CLT chế độ giam giữ lượng tử yếu - Độ rộng vùng cấm hiệu dụng hợp kim giảm tỷ lệ Cd:Zn tăng quan sát phổ hấp thụ phổ huỳnh quang chúng - Phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdxZn1-xS quan sát thấy hai dải phát xạ: dải hẹp phía bước sóng ngắn (năng lượng cao) quy cho dải phát xạ tương ứng với trình chuyển dời tái hợp phát xạ cặp điện tử - lỗ trống từ mức 1Se tới mức lỗ trống 1Sh3/2, chuyển dời exciton dải phát xạ rộng phía bước sóng dài (năng lượng thấp) dải phát xạ quy cho phát xạ liên quan tới trạng thái bề mặt/sai hỏng CLT hợp kim 51 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an - Từ đường cong huỳnh quang tắt dần CLT thu giá trị thời gian tắt dần τ1, τ2 Thành phần τ1 cho thời gian sống phát xạ exciton có giá trị trung bình cỡ 3,5 ns, thành phần τ2 cho thời gian sống phát xạ liên quan đến trạng thái bẫy/ sai hỏng/ bề mặt có giá trị trung bình cỡ 20,8ns 52 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Bùi An Đông (2007), Mô ba chiều chấm lượng tử bán dẫn sử dụng Matlab, Luận văn thạc sĩ vật lý, Đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [2] Dương Thị Hà (2011), Chế tạo tính chất quang chấm lượng tử bán dẫn CdSe/ZnS CdSe/ZnSe/ZnS, khóa luận tốt nghiệp đại học, Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên [3] Nguyễn Ngọc Hải (2014), “Nghiên cứu chế tạo tính chất chấm lượng tử bán dẫn cấu trúc nhiều lớp CdSe/ZnSe/ZnS, chức hóa bề mặt nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến huỳnh quang xác định số loại thuốc trừ sâu” - Luận án tiến sĩ, Viện Khoa Học Vật Liệu, Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam [4] Vũ Thị Hồng Hạnh (2005), “nghiên cứu chế tạo tính chất quang chấm lượng tử bán dẫn pha tạp với cấu trúc lõi/vỏ” - Luận văn thạc sĩ Vật lý, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam [5] Vũ Thị Hồng Hạnh (2011), “Nghiên cứu chế tạo tính chất chấm lượng tử CdSe, CdSe/ZnS CdSe/ZnSe/ZnS” - Luận án tiến sĩ, Viện Vật Lý, Hà Nội [6] Nguyễn Quốc Khánh (2012), Chế tạo khảo sát tính chất quang vật liệu tổ hợp nano CdSe/PMMA, Luận văn thạc sĩ vật liệu linh kiện nano, Đại họcCông nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [7] Nguyễn Đức Khoáng (2016) “Nghiên cứu chế tạo dây ZnO vật liệu ZnO-CaOCl4 nhằm ứng dụng cho cảm biến khí” - Luận án tiến sĩ, ĐHBK Hà Nội [8] La Vũ Thùy Linh,”Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật”- NXB Khoa học ứng dụng, (số năm 2010) trang 49 53 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an [9] Trần Anh Quang (2015), Nghiên cứu quy trình cơng nghệ quang khắc phịng sử dụng chế tạo linh kiện kích thước micro, Luận văn thạc sĩ vật liệu linh kiện nano, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội [10] Đỗ Thị Như Quỳnh, Trần Thị Thoa Vượng (2016), “Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang chấm lượng tử CdZnS”, Đề tài NCKH Sinh viên, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên [11] Hoàng Kim Sinh, Nguyễn Thị Thanh Bình (2015), “Tìm hiểu tính chất vật lý chấm lượng tử ZnS pha tạp”, Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên, Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên [12] Nguyễn Thị Minh Thủy (2014), “Nghiên cứu chế tạo tính chất quang chấm lượng tử bán dẫn hợp chất ba nguyên tố I – III - VI2 (CuInS2)”, Luận án tiến sĩ, Viện Khoa Học Vật Liệu Tài liệu nước [13] A John Petera and Chang Woo Leea “Electronic and optical properties of CdS/CdZnS nanocrystals” Korea, India (Received 17 November 2011; revised manuscript received April 2012 pp 1-5 [14] Chaudhery Mustansar Hussain, Boris Kharisov (2016), Advanced Environmental Analysis: Applications of Nanomaterials, Volume 2, Royal Society of Chemistry, pp 183 [15] Clemens Burda, Xiaobo Chen, Radha Narayanan, and Mostafa A ElSayed (2005), “Chemistry and Properties of Nanocrystals of Different Shapes”, Chem Rev., 105 (4), pp 1025–1102 [16] Gerhard Holzapfel, Ellen Kuhl (2012), Computer Models in Biomechanics: Nano to Macr, Stanford University, California, USA, pp [17] Hoang Thi Lan Huong, Nguyen Huyen Trang,Vu Thi Hong Hanh, Nguyen Thi Thu Trang, Nguyen Thi Thuy Lieu, Nguyen Xuan Nghia, Study of composition dependent structural and optical properties of alloyed Cu:ZnxCd1-xS nanocrysatls –Da Nang 2005 54 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn