Danh mục các hình vẽHình 1.1: Chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn có kích thước 2 – 10nmHình 1.2: Hình trên biểu diễn 16 màu sắc phát xạ từ nhỏ xanh đến lớn đỏ của chấm lượng tử CdSe được
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2
LỚP L07 NHÓM 7
ĐỀ TÀI 15:CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ ỨNG DỤNG
GVHD Lý thuyết: Thầy Nguyễn Minh Châu Bài tập: Cô Nguyễn Thị Minh Hương Danh sách thành viên: Nguyễn Mai Anh – 1910766 Nguyễn Hồng Xuân – 2015129 Nguyễn Hương Nhi – 2010489
Nguyễn Đăng Khoa – 2013504 Nguyễn Nhật Quang - 2014246TP.HCM, 2020
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2
LỚP L07 NHÓM 7
ĐỀ TÀI 15:CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ ỨNG DỤNG
GVHD Lý thuyết: Thầy Nguyễn Minh Châu
Bài tập: Cô Nguyễn Thị Minh Hương Danh sách thành viên: Nguyễn Mai Anh – 1910766
Nguyễn Hồng Xuân – 2015129 Nguyễn Hương Nhi – 2010489 Nguyễn Đăng Khoa - 2013504 Nguyễn Nhật Quang - 2014246TP.HCM, 2020
Lời cảm ơn
Nhóm 7 chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Minh Châu đãtrực tiếp giảng dạy cho chúng em bộ môn Vật lý 2, giúp chúng em có thể tiếp thu đượcnhiều kiến thức bổ ích và hoàn thiện được bài tiểu luận về " Chấm lượng tử"
Trang 3Đồng thời chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn vì thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảochúng em trong các tiết học trên lớp Tuy nhiên, do giới hạn kiến thức và khả năng lí luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế Vì vậy mặc dù đã cố gắng hoàn thành đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏinhững thiếu sót Chính vì thế chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cũng như các bạn để đề tài của nhóm em được hoàn thiện hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
3 Ứng dụng của chấm lượng tử
Trang 43.1 Điốt phát quang hiệu xuất cao 10
3.2 Pin quang hóa (Pin mặt trời) 13
3.3 Một số ứng dụng đánh dấu sinh học 15
3.3.1 Ứng dụng để theo dõi tế bào (cell tracking) 16
3.3.2Ứng dụng trong dẫn truyền thuốc và chữa bệnh 19
3.4 Chế tạo thiết bị phát quang 19
3.5 Phốt pho hồng ngoại 20
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Trang 5Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn có kích thước 2 – 10nm
Hình 1.2: Hình trên biểu diễn 16 màu sắc phát xạ từ nhỏ (xanh) đến lớn (đỏ) của
chấm lượng tử CdSe được kích thích bởi đèn tử ngoại gần; kích thước chấm lượng tử
có thể từ 1 đến 10 nm, hình dưới biểu diễn phổ phát quang của vài chấm lượng tử CdSe
Hình 2.1 Các vùng năng lượng chính.
Hình 2.2 Hàm mật đô A trạng thái trong chất bán dẫn khối (3D), giếng lượng tử (2D),
dây lượng tử (1D) và chấm lượng tử (0D)
Hình2.3 Màu sắc của chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước
Hình2.4 Màu sắc chấm lượng tụ phụ thuộc vật liệu chế tạo
Hình2.5Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với kích thước khác nhau
và lớp bên ngoài khác nhau Với sự chiếu sáng của đèn tử ngoại, năng lượng huỳnh quanh tăng dần từ trái sang phải và kích thước chấm lượng tử giảm dần
Hình 2.6 Phổ phát xạ của các chấm lượng tử kích thước khác nhau Kích thước giảm
từ trái sang phải Màu xanh da trời là CdSe có kích thước 4.6nm tới 2.1nm Màu xanh
lá là InP từ 4.6 tới 3nm, và màu đỏ là InAs từ 6 tới 2.
Hình 3.1 Mô hình LED chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS phát quang với hiệu suất Hình 3.2 Cấu tạo tivi QLED cao.
Hình 3.3 Hình ảnh minh họa
Hình 3.4 Mô tả tế bào được đánh dấu bằng QDs (a – QDs được gắn trên các thụ thể
của tế bào) Khi tế bào phân chia, có thể quan sát được các tế bào con (b)
Hình 3.5 Các chấm lượng tử đã giúp xác định vận tốc và hướng dịch chuyển, sự liên
kết của kháng thể với kháng nguyên HER2 trên màng tế bào, và sự di chuyển vào khu vực xung quanh nhân tế bào (perinuclear)
Hình 3.6: Hình ảnh về các hạt nano này khi chúng di chuyển trong mạch máu tới các
khối u của những con chuột thí nghiệm.
Trang 7Nội dung 1.Giới thiệu chung về chấm lượngtử
Trong xu thế phát triển về khoa học kỹ thuật và công nghệ thì con người luônhướng đến sự tinh vi trong thiết kế, … và không ngừng tìm kiếm, chế tạo ra những vậtliệu mới hội tụ những tính năng đáp ứng được nhu cầu phát triển không ngừng tronglĩnh vực vật liệu mới Chấm lượng tử là một đơn cử cho lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano
có tính năng siêu việt được chế tạo từ những tinh thể bán dẫn Chấm lượng tử đượcphát hiện đầu tiên vào năm 1981 do Alexay Ekimov ( nhà khoa học người Nga) pháthiện chúng trong ma trận thuỷ tinh, sau đó Louis – E Brus phát hiện chúng trong dungdịch keo năm 1985 Thuật ngữ “ chấm lượng tử” được ra đời vào năm 1988 Ngày nay,chấm lượng tử càng được quan tâm nhiều hơn trong việc phát triển kỹ thuật và côngnghệ mới đầy ang tạo nhờ những tính chất đặc biệt của chấm lượng tử Tiềm năng ứngdụng của chấm lượng tử được mở ra cho nhiều lĩnh vực như trong kỹ thuật điện tử, tếbào năng lượng mặt trời, kỹ thuật chụp ảnh y học, chấm lượng tử cũng có thể trở thànhmột Qbit trong điện toán lượng tử
Chấm lượng tử ( Quantum dots-Qd) là một tinh thể bán dẫn bao gồm các nguyên
tử của các nguyên tố nhóm II-VI ( Cd, Zn, Se , Te) hoặc III-V ( In, P, As) trong bảng
hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học được làm từ vật liệu chất bán dẫnmà kíchthước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử Cấu trúc của chấmlượng tử là cấu trúc lõi – vỏ Lớp vật liệu dùng làm vỏ được lựa chọn thường phải cócấu trúc tinh thể tương tự với vật liệu lõi, nhưng có năng lượng vùng cấm lớn hơn củachấm lượng tử lõi Hạt tải trong chấm lượng tử lõi sẽ chịu sự giam giữ lượng tử củalớp vỏ Ngoài ra lớp vỏ bọc còn có tác dụng thụ động hoá các liên kết hở tại bề mặtcủa lõi và tạo thành một hàng rào thế năng giam giữ các hạt tải điện của lõi.Chấm
1
Trang 8lượng tử giam giữ mạnh các điện tử, lỗ trống và các cặp điện tử - lỗ trống (còn gọi làcác exciton) theo cả ba chiều trong một khoảng cỡ bước sóng de Broglie của các điện
tử Sự giam giữ này dẫn tới các mức năng lượng của hệ bị lượng tử hoá, giống như phổnăng lượng gián đoạn của một nguyên tử Chính vì lí do này mà các chấm lượng tửcòn được gọi là các “nguyên tử nhân tạo”
Hình 1.1: Chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn có kích thước 2 – 10nm
Chấm lượng tử có khả năng hấp thụ ánh sáng trong một phạm vi rộng và phát sángtrong một phạm vi hẹp của bước sóng, tức là mỗi chấm lượng tử phát ra có một màusắc khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại,cụ thể tùy thuộc vào kích thướchạt nhân của nó
2
Trang 9Hình 1.2: Hình trên biểu diễn 16 màu sắc phát xạ từ nhỏ (xanh) đến lớn (đỏ) của chấm lượng tử CdSe được kích thích bởi đèn tử ngoại gần; kích thước chấm lượng tử
có thể từ 1 đến 10 nm, hình dưới biểu diễn phổ phát quang của vài chấm lượng tử
3
Trang 10sẽ linh động ( như các điện tử tự do) và điện từ ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa
là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tạ trên vùng dẫn Tính dẫn điện tăngkhi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng
+ Vùng cấm ( Forbidden band): là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không cómức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫn phatạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm ( mức pha tạp) Khoảng cáchgiữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùngcấm ( Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điệnhoặc không dẫn điện
Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở độ không tuyệt đối(0K), mức Ferminằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóatrị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhậnđược năng lượng nhiệt nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấmnên điện tử vẫn ở vùng hóa trị Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tửnhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và
4
Trang 12Khi kích thước của chấm lượng tử thay đổi sẽ kéo theo cấu trúc vùng năng lượngthay đổi và khoảng cách giữa các mức năng lượng cũng thay đổi tương ứng Do nănglượng vùng cấm quyết định bước ang phát xạ photon, bởi vậy có thể kiểm soát bướcsóng phát xạ qua kích thước của chấm lượng tử Phổ hấp thụ rộng của các chấm lượng
tử cho phép ta sử dụng một sóng nhưng có thể kích thích cùng lúc các chấm lượng tửkích thước khác nhau Khi bị kích thích chấm lượng tử có thể phát xạ ánh sóng khảkiến với bước sóng không chỉ phụ thuộc vào kích thước của chấm Khả năng kiểm soátchính xác kích thước của chấm cho phép nhà sản xuất xác định bước sóng của photonphát xạ, từ đó xác định màu sắc của ánh sáng phát ra Chấm lượng tử càng bé thì ánhsáng càng gần màu xanh, ngược lại nếu chấm lượng tử càng lớn thì ánh sáng càng gầnmàu đỏ Chấm lượng tử cũng có thể được điều chỉnh để phát ra bức xạ ngoài vùng khảkiến, chẳng hạn như bức xạ hồng ngoại hoặc tử ngoại
Hình2.3 Màu sắc của chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước
Ngoài ra phổ huỳnh quang của QD còn phụ thuộc vào vật liệu chế tạo QD
Trang 13Hình2.4 Màu sắc chấm lượng tụ phụ thuộc vật liệu chế tạo
Dưới đây là ảnh màu phát xạ của các chấm lượng tử bán dẫn CdSe với các kích thước khác nhau Chúng cho thấy ảnh hưởng của kích thước các chấm lượng tử vàcủa lớp vỏ bọc tới màu phát xạ của chúng Các chấm lượng tử CdSe này hoàn toàn dùng được trong các ứng dụng sinh học
Hình2.5Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với kích thước khác nhau
và lớp bên ngoài khác nhau Với sự chiếu sáng của đèn tử ngoại, năng lượng huỳnh quanh tăng dần từ trái sang phải và kích thước chấm lượng tử giảm dần
7
Trang 14Trong bán dẫn tinh thể, hàm sóng điện tử của chấm lượng tử kéo dài qua hằng sốmang Tương tự với phân tử, chấm lượng tử có cả phổ năng lượng lượng tử hoá và mật
độ lượng tử của các trạng thái điện tử gần với cạnh của vùng cấm
Các chấm lượng có thể được tổng hợp với lớp vỏ dày hoặc mỏng như các chấm lượng
tử CdSe với lớp vỏ CdS Chiều dày lớp vỏ có mối quan hệ trực tiếp tới thời gian sống
và cường độ bức xạ
Hình 2.6 Phổ phát xạ của các chấm lượng tử kích thước khác nhau Kích thước giảm
từ trái sang phải Màu xanh da trời là CdSe có kích thước 4.6nm tới 2.1nm Màu xanh
lá là InP từ 4.6 tới 3nm, và màu đỏ là InAs từ 6 tới 2.
8
Trang 153 Ứng dụng của chấm lượng tử
Các chấm lượng tử có đặc tính quang học và điện tử độc đáo: có thể điều khiểnánh sáng phát xạ nhờ thay đổi kích thước, phổ phát xạ hẹp và đối xứng, độ chói cao,thời gian sống phát quang dài và điểm đặc biệt nhất là độ bền quang cao, ít bị tẩyquang và quang phổ hấp thụ rộng dễ kích thích đồng thời nhiều màu sắc huỳnh quang.Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các ứng dụng cho các chấm lượng tử trong tranzito, các tế bào năng lượng mặt trời, đèn Led, laser diot , làm chất huỳnh quang đánh dấutrong sinhhọc
3.1.Điốt phát quang hiệu suấtcao
Trước hết là xuất phát từ sự cần thiết trong thực tế là mong muốn chế tạo đượccác thiết bị phát quang LED cho hiệu suất cao, độ đơn sắc cao và phổ phát quanghẹp và sau đó là, dựa trên lý thuyết mà người ta chế tạo ra LED chấm lượng tử (QDs– LED) với mô hình như sau:
Hình 3.1 Mô hình LED chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS phát quang với hiệu suất cao.
Ở đây các nano tinh thể CdSe có lớp vỏ bọc hoàn toàn có thể dùng đểchế tạo raDiode phát quang chấm lượng tử bằng phương pháp spin- coating từng đơn lớp Cácnano tinh thể cấu trúc CdSe/ZnSe/ZnS được phântán đều trong một dung môi,bằng quá trình spin- coating, các đơn lớp này trải đều trên một lớp đế có khả năng
9
Trang 16truyền dẫn lỗ trống HTL Kết quả là thu được các lớp chấm lượng tử chất lượng caovới độ dày có thể thay đổi được rất đơn giản từ nồng độ dung dịch nhỏ trực tiếp lên đếHTL và tốc độ spin-coating Về mặt lý thuyết, phổ phát xạ của các LED chấm lượng
tử tạo ra bằng phương pháp này là rất hẹp, chỉ cỡ khoảng 30 nm, điện huỳnh quang
từ các QDs-LEDnày thì gần như không thể cho ra phát xạ ở các thiết bị LED hữu cơcho dù điện áp có thay đổi thế nào đi nữa Không những vậy, hiệu suất lượng tử ngoạicủa QDs- LED có thể tăng khoảng0.8% tại độ sáng 100 cd/m Như vậy hiệu suất2quang học của QDs-LED sẽ vượtxa so với các chất bán dẫn hữu cơ khác
Chấm lượng tử còn mang đến sự đột phá về công nghệ cho các thế hệ màn hìnhtivi, máy tính, điện thoại di động Các màn hình thế hệ trước như LCD, màu sắc khá bịgiới hạn, bởi hình ảnh chiếu ang nhờ đèn nền Nhưng đối với công nghệ chấm lượng
tử thì ánh sáng được chiếu qua màng mỏng tinh thể nano có thể được điều chỉnh bướcsóng phát ra, màu sắc tạo ra sẽ rất phong phú, độ phân giải vượt trội Số lượng màusắc khá giới hạn bởi tạo thành chỉ từ ba màu chính: đỏ, xanh dương và xanh lá Hìnhảnh chiếu sáng nhờ đèn nền Nhưng với công nghệ màn hình chấm lượng tử, ánh angchiếu qua màng mỏng tinh thể nano có thể tạo ra màu sắc bất kỳ Kích thước vàkhoảng cách giữa các hạt nhỏ nên hiệu quả truyền dẫn cao Nhờ đó thiết bị hoạt độngnhanh hơn, bền hơn và tốn ít năng lượng (yếu tố cực kỳ quan trọng với các thiết bị diđộng dùng pin) Cuối cùng, kích thước nano mang lại độ phân giải cao Do đó, thế hệmàn hình chấm lượng tử này tái tạo hình ảnh đẹp, chính xác và sống động gấp nhiềulần so với màn hình tinh thể lỏng
Ví dụ: Tivi QLED (viết tắt của Quantum Dot LEDs ) được phát triển dựa trên công nghệ màn hình tivi LED, kết hợp với chất liệu kim loại chấm lượng tử Quantum Dot, giúp mang đến trải nghiệm màu sắc tuyệt hảo cho người sử dụng
10
Trang 17Hình 3.2 Cấu tạo tivi QLED
Nguyên lý hoạt động
Tivi QLED hoạt động bằng cách đặt 1 lớp chấm lượng từ phía trước lớp đèn nềnLED.Lớp chấm lượng tử được cấu thành bởi các hạt siêu nhỏ có kích thước đườngkĩnh cỡ 2-10 nm, các chấm này được sử dụng trong hiển thị hình ảnh bởi khả năng chomàu sắc khác nhau tùy kích thước của các chấm Bởi vì các chấm này có thể tự phát racác màu sắc riêng, do đó màu sắc hiển thị có thể được tái tạo lại một cách chi tiếthơn Ưu điểm nổi trội của tivi màn hình QLED : Độ sáng vượt trội, màu sắc chính xác
hơn.Các chấm lượng tử trên màn hình QLED tăng độ sáng vượt trội từ 1.500 đến
11
Trang 182.000 nit (đơn vị đo độ sáng) gần gấp đôi so với tivi thông thường Nhờ đó, người
dùng có thể dễ dàng cảm nhận được sự khác biệt rõ rệt giữa các cấp độ màu sắc từ màu đỏ đến màu cam, từ xanh đậm đến xanh nhạt
Hình 3.3 Hình ảnh minh họa
3.2 Pin quang hóa (Pin mặt trời)
Với tình trạng giá cả nhiên liệu ngày một tăng vànỗilolắng vềsự ấm dần lên củatrái đất như hiện nay thì pin mặt trời có một ý nghĩa đặcbiệt quan trọng và khảnăng ứng dụng của các chấm lượng tử trong biến đổi năng lượng mặt trời là rất lớn
Sự thật là các thiết bị biến đổi năng lượng mặt trời chế tạo từ chấm lượng tử đã vàđang được rất nhiều tổ chức khoa học nghiên cứu và phát triển Cũng dễ hiểu rằng,các chấm lượng tử bán dẫn có cơ sở vững chắc để có thể chế tạo ra những lớp màngmỏng làm pin mặt trời Và việc chế tạo pin mặt trời đòi hỏi hỏi khả năng biến đổi,giữ và phân ly điện tích, để có thể mang lại lợi ích lớn nhất từ chấm lượng tử.Chấmlượng tử được ứng dụng nhiều trong việc nâng cao hiệu suất chuyển hóa của các tấmpin mặt trời
Các nhà nghiên cứu của trường đại học Minnesota và Texas đã tạo ra được cáctinh thể nano có nền là các chất bán dẫn cho phép tránh được sự rò rỉ electron mang
12
Trang 19nhiều năng lượng Các tế bào quang điện được làm từ các vật liệu bán dẫn do chúng cónhững đặc tính riêng Khi một photon có bước sóng tốt sẽ gặp một proton tương tự,proton này giải phóng một electron và với nhiều electron như vậy được giải phóng sẽ
là nguồn gốc của dòng điện Tuy nhiên số lượng các electron được giải phóng này lạitiêu hao dưới dạng nhiệt thay vì tham gia vào dòng điện chung Công trình của các nhànghiên cứu trên đã chỉ ra rằng các tinh thể nano có cơ sở là các vật liệu bán dẫn có thể
“làm chậm” các electron “quá nóng” hay electron mang năng lượng Các tinh thể nanođược gọi là các “chấm lượng tử” (quantum dots), có khả năng tăng hiệu quả của các tếbào quang điện
Các kết quả nghiên cứu thực tế đã chứng tỏ điều đó Ngoài việc hấp thu cácelectron năng lượng, các chấm lượng tử còn cho phép truyền chúng tới một loại vậtliệu hấp thu như dioxit titan thường được sử dụng trong các tế bào quang điện tiên tiếnhiện nay Các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời Công nghệ chấm lượng tử cònhứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi của các tế bào pin mặt trời.Thay cho tấm silicon ép giữa lớp kính như loại pin truyền thống, pin mặt trời chấmlượng tử sử dụng màng mỏng các tinh thể nano bán dẫn để hấp thụ ánh sáng Nhờ kếthợp nhiều kích cỡ tinh thể nano, pin mặt trời chấm lượng tử dễ dàng hấp thu toàn bộphổ phát xạ của mặt trời, giúp cắt giảm chi phí và độ phức tạp khi sản xuất pin mặttrời Hiệu quả trên lý thuyết có thể đạt 66% so với mức chưa đến 20% nếu dùng vậtliệu truyền thống Sử dụng màng tinh thể nano, đặc biệt là chấm lượng tửđang trởthành hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm giá thành và thúc đẩy sử dụng nguồnnăng lượng mặt trời
3.3.Một số ứng dụng đánh dấu sinhhọc
Ứng dụng phổ biến nhất của các chấm lượng tử trong sinh học là đánh dấu huỳnhquangcác tế bào Các chấm lượng tử được gắn kết với kháng thể đặc hiệu với các cấutrúc đích trong tế bào Hình 4a mô tả các thụ thể tế bào (màu đen) được đánh dấu bởicác chấm lượng tử đã được thay đổi các ligand tương thích với các thụ thể này Cácchấm lượng tử cũng có thể được dùng để theo dõi sự phát triển của các tế bào trong
13