luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo các cấu trúc nano một chiều zns pha tạp mn2 định hướng ứng dụng trong chế tạo đi ốt phát quang

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LÊ THỊ HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC CẤU TRÚC NANO MỘT CHIỀU ZnS PHA TẠP Mn2+ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĐIỐT PHÁT QUANG Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : TS Nguyễn Đức Trung Kiên PGS TS Phạm Thành Huy e LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, kết nghiên cứu riêng hướng dẫn Thầy TS Nguyễn Đức Trung Kiên Thầy PGS.TS Phạm Thành Huy, không trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Học viên Lê Thị Hồng Hải e LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Đức Trung Kiên PGS.TS Phạm Thành Huy người thầy tận tình hướng dẫn, dạy, giúp đỡ hết lòng vật chất lẫn tinh thần cung cấp kiến thức khoa học q giá giúp em hồn thành tốt luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Thầy kiên Thầy Huy người tận tình giúp đỡ, khích lệ em q trình học tập nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học PHENIKAA, Viện AIST trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho em làm thực nghiệm đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Thầy Cô giáo Khoa Vật lí - Trường Đại Học Quy Nhơn tạo điều kiện giúp đỡ em suốt thời gian qua Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, xin cảm ơn chồng anh, bạn bè gần gũi, động viên chia sẻ, giúp tơi khắc phục khó khăn q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày tháng năm 2019 Học viên e DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt aB Bohr exciton radius Bán kính Bohr exciton E Energy Năng lượng Ec Conduction band edge Năng lượng đáy vùng dẫn Energy of exciton Năng lượng exciton Eexc Eg(∞) Bandgap bulk Năng lượng vùng cấm bán of semiconductor Eg(NPs) Bandgap dẫn khối energy of a Năng lượng vùng cấm hạt nanoparticles nano Ep Energy of photon Năng lượng photon Ev Valence band edge Năng lượng đỉnh vùng hóa trị EW Energy of electron in a Năng lượng điện tử potential well giếng F Exciton oscillator strength Lực dao động exciton I (hν) Intensity of luminescence Cường độ huỳnh quang Wave vector Vectơ sóng trục x, y, z Effective mass of electron Khối lượng hiệu dụng Kx, Ky, Kz me điện tử mh Effective mass of hole Khối lượng hiệu dụng lỗ trống e U(0) Overlap factor between Hệ số chồng chập hàm eclectron and hole wave sóng điện tử lỗ trống functions Α Absorption coefficient Hệ số hấp thụ ΔE Transition energy Năng lượng chuyển tiếp λ, λexc, λem Μ Wavelength, Excitation Bước sóng, bước sóng kích and emission Wavelength thích phát xạ Transition dipole moment Môment lưỡng cực chuyển tiếp Ν Frequency Tần số CNT Carbon nano-tubes Ống nano cacbon CRT Cathode ray tube Ông tia catốt CVD Chemical vapor Lắng đọng pha hóa học deposition FESEM Field emission scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ electron microscopy trường GB Green-Blue Xanh lục-Xanh lam GO Green-Orange Xanh lục- Cam HOMO LO LUMO occupied Quỹ đạo phân tử bị chiếm cao Highest molecular orbital Longitude optical Phonon quang dọc Lowest unoccupied Quỹ đạo phân tử không bị molecular orbital e chiếm thấp luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang NBE Near Band Edge emission Phát xạ bờ vùng PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang spectrum CL Cathodoluminescence Phổ huỳnh quang catốt PLE Photoluminescence Phổ kích thích huỳnh quang excitation spectrum RE Rare Earth Đất RT Room temperature Nhiệt độ phòng TEM Transmission electron Hiển vi điện tử truyền qua microscope VLS Vapor-liquid-solid Hơi-lỏng-rắn VS Vapor-solid Hơi-rắn XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang e luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu chiều ZnS 1.1.1 Các cấu trúc nano chiều ZnS 1.1.2 Tính chất quang cấu trúc nano chiều ZnS 10 1.2 Điốt phát quang điốt phát quang có cấu trúc nano 1D ZnS:Mn2+ 17 1.3 Cơ sở lý thuyết 18 1.3.1 Hiệu ứng giam giữ lượng tử 18 1.3.2 Hiệu ứng bề mặt 22 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 25 2.1 Chế tạo cấu trúc chiều ZnS pha tạp Mn2+ 25 2.1.1 Pha tạp Mn2+ vào cấu trúc chiều ZnS 25 2.1.2 Chế tạo cấu trúc chiều ZnS pha tạp Mn cách bốc bay đồng thời ZnS MnCl2 30 2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 31 2.3 Phân tích hình thái bề mặt thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 32 2.4 Phương pháp phân tích thành phần hóa học phổ tán sắc lượng tia X 35 luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang e luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang 2.5 Phương pháp đo phổ huỳnh quang, phổ kích thích huỳnh quang, phổ huỳnh quang nhiệt độ thấp phổ huỳnh quang kích thích laser xung 35 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 Cấu trúc nano chiều ZnS không pha tạp chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt 37 3.2 Các cấu trúc nano chiều ZnS: Mn2+ chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt kết hợp với khuếch tán nhiệt 39 3.2.1 Pha tạp khuếch tán Mn2+ nhiệt độ 300 °C 40 3.2.2 Pha tạp khuếch tán Mn2+ nhiệt độ 400 °C 41 3.2.3 Pha tạp khuếch tán Mn2+ nhiệt độ 500 °C 44 3.2.4 Pha tạp khuếch tán Mn2+ nhiệt độ 600 °C 46 3.2.5 Kết luận cho phương pháp pha tạp khuếch tán dây ZnS 47 3.3 Các cấu trúc nano chiều ZnS:Mn2+ chế tạo phương pháp đồng bốc bay ZnS MnCl2 48 KẾT LUẬN 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang e luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng thống kê công nghệ chế tạo cấu trúc dây/thanh nano ZnS, vùng nhiệt độ phản ứng tài liệu tham khảo tương ứng Bảng Bảng thống kê phương pháp chế tạo cấu trúc nano ZnS dạng đai, băng, nano, nhiệt độ phản ứng tài liệu tham khảo tương ứng 10 Bảng Bảng thống kế số phương pháp thực nghiệm tính chất quang vật liệu theo chế kích thích khác 11 Bảng Bảng tổng hợp số thơng tin tính chất huỳnh quang cấu trúc nano chiều ZnS tài liệu tham khảo tương ứng 15 Bảng Các tính chất huỳnh quang catốt cấu trúc nano ZnS chiều 17 Bảng Mối liên hệ kích thước số nguyên tử bề mặt [70] 23 luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang e luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình khác cấu trúc tinh thể lục giác lập phương: (a, c, e): lục giác; (b, d, f): lập phương Hình 1.2 Một số hình thái điển hình cấu trúc nano ZnS chiều chế tạo [9, 14] Hình 1.3 (a) Ảnh SEM dây nano ZnS chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt bột ZnS đế Si/Au; (b) dây nano mọc theo chế VLS từ nguồn phân tử tiền chất hạt xúc tác vàng;(c d) Ảnh HRTEM dây nano ZnS thang đo 10 nm [29] Hình 1.4 (a b) Ảnh SEM băng nano ZnS chế tạo phương pháp bốc bay có hỗ trợ khí hydro; (c d) ảnh TEM, phổ EDS, ảnh HRTEM băng nano ZnS [30] Hình 1.5 (a) Ảnh SEM (b) phổ PL nanoawls ZnS [46]; (c) Ảnh TEM (d) phổ PL ZnS nanobelts [47] 12 Hình 1.6 (a-d) Ảnh SEM thanh, dây, đai băng nano ZnS hình thành năm vùng nhiệt độ khác nhau, tương ứng; (e) phổ huỳnh quang cấu trúc nano ZnS [28] 13 Hình 1.7 (a) Ảnh TEM HRTEM dây nano ZnS; (b) phổ PL dây nano ZnS đo RT kích thích nguồn laser xung (266 nm) [12]; (c) Ảnh SEM TEM dây nano cặp tuần hoàn ZnS; (d) phổ PL RT bột nano ZnS dây nano cặp tuần hoàn ZnS [48] 14 Hình 1.8 (a) Ảnh SEM (b) Ảnh CL đai nano ZnS (c) Phổ CL; (g) Phổ CL ghi lại từ đai nano ZnS đánh dấu ảnh TEM [31] 16 luan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quangluan.van.thac.si.nghien.cuu.che.tao.cac.cau.truc.nano.mot.chieu.zns.pha.tap.mn2.dinh.huong.ung.dung.trong.che.tao.di.ot.phat.quang e