Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 LÔ THỊ HỒNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT QUANG VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN Cd1-xDyxS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Trang 2 LÔ THỊ HỒNG CHẾ TẠ
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÔ THỊ HỒNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT QUANG VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN Cd1-xDyxS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT THÁI NGUYÊN - 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÔ THỊ HỒNG CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT QUANG VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN Cd1-xDyxS Ngành: Quang học Mã số: 84 40 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Phạm Minh Tân 2 TS Nguyễn Văn Khiển THÁI NGUYÊN - 2023 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Minh Tân và TS Nguyễn Văn Khiển, những người Thầy trực tiếp hướng dẫn, định hướng và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập hoàn thiện luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Phòng Đào tạo, trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực hiện luận văn Cuối cùng, tôi xin gửi lời biết ơn Ban Giám hiệu Trường THPT Quảng Uyên, Cao Bằng, đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, động viên giúp đỡ để tôi hoàn thành khóa học thạc sĩ Tôi xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 02 tháng 10 năm 2023 Học viên Lô Thị Hồng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu .3 3 Phạm vi nghiên cứu .3 4 Phương pháp nghiên cứu .3 5 Đối tượng nghiên cứu 3 6 Nội dung nghiên cứu .3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VÀ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN 4 1.1 Tổng quan về các nguyên tố đất hiếm 4 1.1.1 Giới thiệu sơ lược về các nguyên tố đất hiếm 4 1.1.2 Đặc điểm quang phổ của các ion đất hiếm hóa trị ba 5 1.1.3 Các mức năng lượng trong ion RE3+ 6 1.1.4 Đặc điểm quang phổ của ion Dy3+ 7 1.2 Tính chất quang của các chấm lượng tử bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm 8 1.2.1 Cấu trúc electron và tính chất cơ bản của các nguyên tố đất hiếm 8 1.2.2 Giới thiệu về các chấm lượng tử bán dẫn .11 1.2.3 Cấu trúc vùng năng lượng của các chấm lượng tử bán dẫn 13 1.2.4 Các dịch chuyển quang học trong các chấm lượng tử bán dẫn 14 1.2.5 Công nghệ chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn 15 1.2.6 Giới thiệu về chấm lượng tử bán dẫn pha tạp đất hiếm 19 1.2.7 Khảo sát quá trình truyền năng lượng trong vật liệu phát quang .20 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 22 2.1 Chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn Cd1-xDyxS 22 iii 2.2 Các phương pháp khảo sát đặc trưng của vật liệu 23 2.2.1 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 23 2.2.2 Nhiễu xạ tia X 24 2.2.3 Phương pháp phổ quang huỳnh quang và kích thích huỳnh quang 26 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Phân tích cấu trúc, hình thái và thành phần .29 3.2 Tính chất quang của các chấm lượng tử Cd1-xDyxS 33 3.2.1 Phổ hấp thụ .33 3.2.2 Phổ kích thích của các QD Cd1-xDyxS 36 3.2.3 Phổ quang phát quang của các QD Cd1-xDyxS .37 3.2.4 Truyền năng lượng trong các QD Cd1-xDyxS 39 KẾT LUẬN .45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT QD Chấm lượng tử QDs Các chấm lượng tử RE-QDs Chấm lượng tử bán dẫn phát quang chứa ion đất hiếm RE Đất hiếm TM Kim loại chuyển tiếp HH Vùng lỗ trống nặng LH Vùng lỗ trống nhẹ SO Vùng quỹ đạo spin ET Hiệu suất truyền năng lượng Abs Hấp thụ Eg Năng lượng vùng cấm NC Nano tinh thể nm Nano met ms Mili giây kV Kilo vôn OA Oleic Acid ODE Octadecene TOP Tri-n-octylphosphine PL Huỳnh quang SA Acid Stearic T Nhiệt độ TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xa tia X θ Góc therta FWHM Độ rộng bán phổ v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Cấu hình của điện tử và các đặc trưng lượng tử của các ion đất hiếm 4 Bảng 3.1: Thông số cấu trúc của các chấm lượng tử Cd1-xDyxS (x= 0-0,04) 30 Bảng 3.2: Nồng độ nguyên tử và khối lượng của Cd, S và Dy trong một số mẫu điển hình 33 Bảng 3.3 Thời gian sống thực nghiệm (τexp), xác suất truyền năng lượng (WCR), hiệu suất lượng tử (η), tham số truyền năng lượng (Q), khoảng cách tới hạn (R0) và tham số tương tác vi mô (CDA) trong các CdS:Dy3+ 44 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ minh họa sự tách các mức năng lượng của ion Dy3+ dưới tác dụng của trường tinh thể [15] 7 Hình 1.2 Một số tính chất và thông số vật lý của Dy [28] 8 Hình 1.3 Mối quan hệ giữa mật độ trạng thái vào năng lượng của các loại vật liệu [20] .12 Hình 1.4 Sơ đồ biểu diễn các vùng năng lượng từ các quỹ đạo nguyên tử Khi khoảng cách giữa các mức năng lượng giảm đi thì số nguyên tử tăng lên [20] 12 Hình 1.5 Cấu trúc vùng năng lượng của các chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể kiểu zinc-blende và wurtzite [21] 14 Hình 1.6 Các chuyển dời quang học được phép giữa các mức năng lượng đã bị lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong các QD bán dẫn [21] 15 Hình 1.7 Sự thay đổi của độ quá bão hòa như một hàm của thời gian [26] 16 Hình 1.8 Đồ thị sự phụ thuộc của G vào kích thước của hạt [26] 18 Hình 1.9 (A) Ảnh mô tả giai đoạn hình thành mầm và giai đoạn phát triển cho việc chế tạo các NC phân bố kích thước hẹp trong khuôn khổ của mô hình La Mer (B) Bộ dụng cụ tổng hợp đơn giản được sử dụng trongviệc chế tạo mẫu NC phân bố kích thước hẹp [26] 18 Hình 1.10 Sự phụ thuộc của tốc độ phát triển hạt theo tỉ số r/r* 19 Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo các nano tinh thể CdS và CdS pha tạp Dy 23 Hình 2.2 (a) Sơ đồ của TEM, (b) Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 1010 đặt tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương 23 Hình 2.3 Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg 25 Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ UV-Vis hai chùm tia 27 Hình 2.5 Máy đo phổ hấp thụ UV–Vis V770 của hãng Jasco (Nhật Bản) 28 Hình 3.1 Phổ XRD của các chấm lượng tử Cd1-xDyxS (x= 0-0,04) (cấu trúc WZ – thẻ JCPDS 41-1049) .31 Hình 3.2 Ảnh TEM của các chấm lượng tử: (a) CdS, (b) Cd0,99Dy0,01S, (c) Cd0,96Dy0,04S 31 vii Hình 3.3 Phổ EDX của các chấm lượng tử: (a) CdS, (b) Cd0,99Dy0,01S, (c) Cd0,96Dy0,04S 32 Hình 3.4 Phổ hấp thụ của các QD Cd1-xDyxS (x = 0-0,04) trong vùng UV và Vis 34 Hình 3.5 Phổ hấp thụ của các QD Cd1-xDyxS (x = 0-0,04) trong vùng IR và Vis 35 Hình 3.6 Phổ kích thích của các QD Cd0,99Dy0,01S ở bước sóng phát xạ 575 nm 36 Hình 3.7 Phổ phát xạ của các QD Cd1-xDyxS (x = 0-0,04) .37 Hình 3.8 Sơ đồ sắp xếp dải của các QD Cd1-xDyxS và sơ đồ quá trình truyền năng lượng từ mạng nền CdS sang ion Dy3+ 40 Hình 3.9 Hình minh họa một số hồi phục chéo giữa các ion Dy3+ trong các QD Cd1- xDyxS .40 Hình 3.10 Đường cong phân rã của mức Dy3+:4F9 và sự phù hợp của chúng với mô hình Inokuti-Hyrayama 43 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Trong những năm gần đây, vật liệu nano đóng góp rất nhiều ứng dụng trong khoa học cũng như trong đời sống, chúng được quan tâm rất nhiều trong nghiên cứu chế tạo của các nhà khoa học trong nước và trên trên thế giới Trong đó, vật liệu nano bán dẫn đang có một vị trí rất quan trọng, những vật liệu nano dựa trên hợp chất theo công thức AIIBVI được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cả Những vật liệu nano bán dẫn loại này có phổ hấp thụ nằm trong vùng nhìn thấy và có một phần nằm trong vùng tử ngoại, độ đồng nhất về kích thước cao, chỉ sai lệch ~ 5 - 10%, chất lượng tinh thể rất tốt, hiệu suất phát xạ lớn (đạt tới từ 50 đến 80%), do vậy vật liệu nano bán dẫn rất thích hợp trong nhiều ứng dụng thực tế [1,2] Công nghệ nano là công nghệ chế tạo, khảo sát các tính chất quang, điện và từ của vật liệu có kích thước nano mét [1-3] Các vật liệu có kích thước nano thường được gọi là nano tinh thể (NC) hoặc chấm lượng tử (QD), chúng có những tính chất vật lý rất đặc biệt mà vật liệu khối cùng loại không có Các chấm lượng tử bán dẫn đã có nhiều ứng dụng nổi bật trong các lĩnh vực như: điện tử, quang học, công nghệ thông tin, năng lượng Các phương pháp đánh dấu nhằm phát hiện sớm các phân tử sinh học, chế tạo và dẫn thuốc hướng đích để điều trị bệnh đã phát triển mạnh mẽ, góp phần hình thành ngành sinh y học nano hiện đại Các QD bán dẫn trở thành nền tảng phát triển các công nghệ và công cụ kiểu mới trong cả ba lĩnh vực chuẩn đoán, điều trị và nghiên cứu khoa học sự sống Các QD bán dẫn phát quang đã có những ứng dụng nổi trội trong lĩnh vực chiếu sáng, các thiết bị LED và Q-LED [4-6] Các QD bán dẫn có thể ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế, kĩ thuật khác nhau, do chúng có hiệu suất phát quang cao, rất bền, phổ phát quang phụ thuộc mạnh vào kích thước và bề mặt vật liệu Một số vật liệu phát quang điển hình là các chấm lượng tử CdS, CdTe hay CdSe Tuy nhiên, do thành