chấm lượng tử bán dẫn cdse, cdte, inp và cuins2 chế tạo, tính chất quang và ứng dụng

5 Lời giới thiệu Tôi vui mừng giới thiệu với giới vật lý và khoa học vật liệu Việt Nam, nhất là các bạn trẻ, cuốn sách chuyên khảo này của PGS. TS. Nguyễn Quang Liêm về một số loại chấm lượng tử hợp chất bán dẫn đã được chế tạo và ứng dụng ở Việt Nam, và có triển vọng sẽ được ứng dụng rộng rãi. Là một chuyên gia liên tục nhiều năm nghiên cứu về các chấm lượng tử bán dẫn CdSe, CdTe, InP và CuInS 2 , đã công bố hàng loạt bài báo về các chấm lượng tử này trên các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín, như chúng ta thấy ngay khi đọc danh mục các tài liệu tham khảo ở cuối mỗi Chương, tác giả đã chọn lọc để giới thiệu với bạn đọc những kết quả nghiên cứu chính của các tác giả nước ngoài và trong nước về các chấm lượng tử nói trên. Cuốn sách chắc chắn sẽ giúp bạn đọc rút ngắn thời gian sưu tập các kết quả đã được công bố trước khi bắt đầu đề tài nghiên cứu để tránh lặp lại những công việc đã có người khác làm xong từ trước, một điều rất cần thiết đối với mọi nhà nghiên cứu. Một phần nội dung khoa học phong phú của cuốn sách là những kết quả nghiên cứu có giá trị khoa học cao của chính tác giả. Song cuốn sách chuyên khảo này không chỉ tổng kết các kết quả nghiên cứu các vấn đề khoa học về chấm lượng tử ở nước ngoài và trong nước. Là người trực tiếp lãnh đạo một tập thể khoa học đã dày công nghiên cứu trong nhiều năm liền để tìm ra quy trình chế tạo các loại chấm lượng tử nói trên, tác giả còn giới thiệu với bạn đọc về công nghệ chế tạo do chính tác giả tìm ra, một nội dung mà bạn đọc khó có thể tìm được trong các bài báo hoặc báo cáo khoa học ở các hội nghị. Do đó cuốn sách còn có giá trị sư phạm đáng kể. Gần đây tác giả lại được trao nhiệm vụ chủ trì thực hiện một nhiệm vụ nghiên cứu cấp Nhà nước quy mô lớn về ứng dụng chấm lượng tử trong nông nghiệp và y học, thực hiện trong 3 năm. Việc hoàn thành nhiệm vụ này sẽ mở ra một hướng mới trong việc triển khai ứng dụng rộng rãi chấm lượng tử trong khoa học về sự sống ở nước ta. Những ý tưởng chính về mục tiêu và phương pháp nghiên cứu ứng dụng cũng được tác giả giới thiệu trong sách. Nguyễn Quang Liêm 6 Nói tóm lại, sách chuyên khảo này không chỉ là một tài liệu tổng kết các kết quả nghiên cứu có giá trị nhất trong và ngoài nước về một số loại chấm lượng tử bán dẫn, và trình bày những khâu chính của công nghệ chế tạo các loại chấm lượng tử đó, mà còn giới thiệu triển vọng ứng dụng các chấm lượng tử trong khoa học và công nghệ. Tôi tin rằng việc xuất bản sách chuyên khảo này sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển khoa học và công nghệ nanô nước ta trong những năm tới. Hà Nội, tháng 5 năm 2011 Viện sĩ Nguyễn Văn Hiệu Chủ tịch Hội đồng khoa học ngành Khoa học vật liệu Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam 7 Lời nói đầu Cuối tháng 12 năm 1959, tại cuộc họp thường niên của Hội Vật lý Mỹ tổ chức tại Caltech (California Institute of Technology), nhà vật lý Mỹ Richard Feynman (sau đó, năm 1965 Ông được Giải Nobel Vật lý) đã có bài phát biểu rất quan trọng “There is Plenty of Room at the Bottom” tiên đoán về những kết quả kỳ diệu của công nghệ nanô. Tuy nhiên, chỉ từ những năm cuối 1980, với sự phát triển của công nghệ và kỹ thuật hiển vi điện tử với phân giải đủ cao, con người mới có công cụ để có thể nghiên cứu và chủ động chế tạo vật liệu nanô và triển khai các ứng dụng chúng. Hệ quả tự nhiên là nhiều đặc tính hấp dẫn của vật liệu nanô (gọi chính xác hơn là vật liệu có kích thước nanô mét) được phát hiện, công bố, làm cho thuật ngữ “vật liệu nanô” trở nên khá quen thuộc với mọi người, kể cả trong môi trường nghiên cứu cũng như trong đời sống tiêu dùng hàng ngày. Ở Việt Nam, tại Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 2 tổ chức tại Đồ Sơn, Hải Phòng, năm 1997, Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu lần đầu tiên đã kêu gọi các nhà vật lý hưởng ứng triển khai các nghiên cứu vật lý nanô. Đây thực sự là một mốc quan trọng, khởi nguồn của chương trình khoa học công nghệ nanô của nước nhà, thúc đẩy các nghiên cứu khoa học công nghệ nanô được triển khai tại nhiều cơ sở nghiên cứu trong cả nước. Vật liệu nanô có các bản chất khác nhau như kim loại, bán dẫn, điện môi, với đặc điểm “nanô” về kích thước của 1 chiều, 2 chiều hay cả 3 chiều. Cuốn sách chuyên khảo này viết về vật liệu bán dẫn CdSe, CdTe, InP và CuInS 2 có hiệu ứng giam hãm lượng tử các hạt tải điện ở cả 3 chiều (các chấm lượng tử), trình bày khá chi tiết về các phương pháp chế tạo vật liệu nanô, tính chất quang và triển vọng ứng dụng chúng trong chiếu sáng rắn/hiển thị và trong đánh dấu huỳnh quang nông-sinh-y. Một trong những mục đích của cuốn sách là cung cấp tài liệu cho những người quan tâm có thể tự thực hiện l ại việc chế tạo bằng phương pháp hoá các chấm lượng tử bán dẫn CdSe, CdTe, InP và CuInS 2 chất lượng tốt nếu có nhu cầu, khả thi trong điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Mục đích thực tế nữa là nhắm tới đối tượng đọc là các cán bộ nghiên cứu trẻ, nên Nguyễn Quang Liêm 8 cuốn sách được viết với những diễn giải/tiếp cận các quá trình vật lý một cách chi tiết, khá trực quan và định lượng. Cuốn sách chủ yếu trình bày những kết quả thí nghiệm, thảo luận khoa học của chính tập thể tác giả đã thực hiện trong những năm gần đây. Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp (Peter Reiss, Đỗ Xuân Thành, Trần Kim Anh, Phạm Thu Nga, Trần Hồng Nhung, Tống Kim Thuần, Đinh Duy Kháng), các NCS (Ứng Thị Diệu Thuý, Trần Thị Kim Chi, Lê Quang Phương, Phạm Thị Thuỷ, Nguyễn Thị Minh Thuỷ) các HVCH (Phạm Song Toàn, Trịnh Đức Thiện, Trần Thị Thương Huyền) đã đóng góp, hợp tác trong các nghiên cứu; xin trân trọng cảm ơn Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu đã quan tâm động viên và liên tục hỗ trợ, giúp đỡ; và xin cảm ơn Bộ Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Khoa học vật liệu đã hỗ trợ kinh phí và tạo nhiều điều kiện thuận lợi để thực hiện các đề tài nghiên cứu liên quan; xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Giám đốc Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ Trần Văn Sắc và các cán bộ biên tập để cuốn sách được ra mắt bạn đọc. Dù đã tự nhắc bản thân phải rất cẩn thận trong khi viết, nhưng chắc chắn không khỏi còn có lỗi, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các chuyên gia, đồng nghiệp và bạn đọc để có thể chỉnh sửa, bổ sung hoàn thiện cuốn sách, làm cho nó thực sự trở thành tài liệu hữu ích. Hà Nội, 12/2010 Nguyễn Quang Liêm 9 MỤC LỤC Trang Lời giới thiệu 5 Lời nói đầu 7 Mục lục 9 Mở đầu 13 Chương I. CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN, TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 31 I.1. Tổng quan về chấm lượng tử bán dẫn 31 I.1.1. Một số hiệu ứng đặc biệt của vật liệu nanô 31 I.1.2. Một số loại chấm lượng tử bán dẫn 40 I.2. Tính chất quang của chấm lượng tử bán dẫn 46 I.3. Một số phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn 49 I.3.1. Phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn lõi 54 I.3.2. Phương pháp chế tạo lớp vỏ cho chấm lượng tử bán dẫn lõi 59 Chương II. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN CdSe, CdZnSe LÕI/ CdS HOẶC ZnS VỎ 73 II.1. Chế tạo chấm lượng tử CdSe và CdZnSe trong TOPO/HDA II.1.1. Chấm lượng tử CdSe chế tạo từ hợp chất cơ-kim II.1.2. Chế tạo các chấm lượng tử CdSe từ CdO II.1.3. Chế tạo chấm lượng tử Cd 1-x Zn x Se 73 75 76 82 II.2. Chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ: CdSe/CdS, CdSe/ZnS và CdZnSe/ZnS II.2.1. Chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ CdSe/CdS II.2.2. Chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnS 84 84 85 Nguyễn Quang Liêm 10 II.2.3. Chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe II.2.4. Chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ/vỏ CdSe/CdS/ZnS và CdSe/ZnSe/ZnS II.2.5. Chế tạo chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ Cd 1-x Zn x Se/ZnS 86 87 87 II.3. Chế tạo chấm lượng tử CdSe và CdSe/ZnS trong diesel 88 Chương III. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN CdTe, CdSe và CdTe(Se)/CdS CẤU TRÚC LÕI/VỎ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 95 III.1. Chế tạo chấm lượng tử CdTe với ligand MPA 96 III.2. Chế tạo lượng lớn (g/mẻ) chấm lượng tử CdTe với ligand MPA 100 III.3. Chế tạo chấm lượng tử CdTe với ligand MSA 101 III.4. Chế tạo lớp vỏ CdS cho chấm lượng tử CdTe 106 III.5. Chế tạo chấm lượng tử CdSe trong môi trường nước 107 Chương IV. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ InP và InP/ZnS CẤU TRÚC LÕI/VỎ 111 IV.1. Chế tạo tinh thể nanô InP từ P 4 111 IV.2. Chế tạo chấm lượng tử InP và InP/ZnS sử dụng khí PH 3 114 IV.3. Chế tạo chấm lượng tử In(Zn)P và In(Zn)P/ZnS với tác dụng của Zn 116 Chương V. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CuInS 2 125 V.1. Chế tạo chấm lượng tử CuInS 2 trong dung môi ODE 125 V.2. Chế tạo chấm lượng tử CuInS 2 trong dung môi diesel 126 V.3. Chế tạo lớp vỏ ZnS cho chấm lượng tử CuInS 2 129 11 Chương VI. VI HÌNH THÁI, CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ 133 VI.1. Một số kết quả nghiên cứu tính chất của chấm lượng tử CdSe 133 VI.1.1. Nghiên cứu vi hình thái và cấu trúc tinh thể CdSe 133 VI.1.2. Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử CdSe/TOPO/ HDA 136 VI.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử CdSe/OA trong diesel 150 VI.1.4. Tính chất quang của chấm lượng tử CdSe/MPA 151 VI.2. Một số kết quả nghiên cứu tính chất của chấm lượng tử CdTe 152 VI.2.1. Cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử CdTe 152 VI.2.2. Tính chất quang của chấm lượng tử CdTe tan trong nước 155 VI.3. Một số kết quả nghiên cứu tính chất của chấm lượng tử InP và hợp chất In(Zn)P/ZnS 166 VI.3.1. Vi hình thái và cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử InP 166 VI.3.2. Tính chất quang của chấm lượng tử InP và In(Zn)P 168 VI.4. Một số kết quả nghiên cứu tính chất của chấm lượng tử CuInS 2 184 VI.4.1. Vi hình thái và cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử CuInS 2 184 VI.4.2. Tính chất quang của chấm lượng tử CuInS 2 186 Chương VII. ỨNG DỤNG CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN 205 VII.1. Ứng dụng của chấm lượng tử bán dẫn trong chiếu sáng rắn 205 VII.1.1. Cấu trúc của linh kiện chiếu sáng rắn 205 Nguyễn Quang Liêm 12 VII.1.2. LED trắng trên cơ sở LED 460 nm và chấm lượng tử huỳnh quang 580 nm 212 VII.2. Ứng dụng của chấm lượng tử trong pin mặt trời lai hữu cơ-vô cơ 218 VII.3. Ứng dụng của chấm lượng tử trong đánh dấu huỳnh quang 219 VII.3.1. Nguyên lý và phân loại 219 VII.3.2. Một số ví dụ ứng dụng 221 PHỤ LỤC 239 P1. Trang thiết bị chính để chế tạo lượng g/mẻ các chấm lượng tử bán dẫn CdSe và CdTe 239 P2. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái và cấu trúc 240 P2.1. Phương pháp nghiên cứu vi hình thái 240 P2.2. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc 242 P3. Phương pháp quang phổ 247 P3.1. Phương pháp phổ hấp thụ 247 P3.2. Phương pháp phổ huỳnh quang 253 P3.3. Phương pháp kích thích huỳnh quang 258 P4. Màu sắc và định lượng thông số màu 259 P4.1. Khái niệm màu 259 P4.2. Các hàm phù hợp màu CIE (Color Matching Function) 259 P4.3. Biểu đồ màu (Chromaticity diagram) 262 P4.4. Nhiệt độ màu của một nguồn sáng 263 P4.5. Chỉ số hoàn trả màu (Color Rendering Index) 264 P5. Bảng các tên hoá chất viết tắt 265 13 [...]... khiển vùng phổ hấp thụ và huỳnh quang theo mong muốn bằng cách kiểm soát các điều kiện công nghệ chế tạo chấm lượng tử bán dẫn để đạt được kích thước xác định Hình I.6 Các mức năng lượng của điện tử và lỗ trống trong một chấm lượng tử bán dẫn [3] Hình I.7 Xác suất chuyển dời điện tử trong chấm lượng tử bán dẫn [9] Các mức năng lượng của điện tử và lỗ trống trong một chấm lượng tử bán dẫn được biểu diễn... I CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN, TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG 51 VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Diễn biến (evolution) của một chấm lượng tử bán dẫn trong dung môi phụ thuộc vào một số yếu tố sau: nồng độ và kích thước của các mầm vi tinh thể, nồng độ của các monome chất thành phần (ví dụ Cd và Se trong trường hợp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn CdSe), bản chất của các phân tử ligand, nhiệt độ và độ pH (nếu như chế tạo chấm lượng. .. điện tử tự do trong các hệ bán dẫn khối 3D, giếng lượng tử 2D, dây lượng tử 1D và chấm lượng tử 0D [7] Chương I CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN, TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG 37 VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO Trong chế độ giam giữ mạnh (bán kính của hạt: a . loại chấm lượng tử bán dẫn 40 I.2. Tính chất quang của chấm lượng tử bán dẫn 46 I.3. Một số phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn 49 I.3.1. Phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn lõi. CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ InP và InP/ ZnS CẤU TRÚC LÕI/VỎ 111 IV.1. Chế tạo tinh thể nanô InP từ P 4 111 IV.2. Chế tạo chấm lượng tử InP và InP/ ZnS sử dụng khí PH 3 114 IV.3. Chế tạo chấm lượng. tính chất của chấm lượng tử InP và hợp chất In(Zn)P/ZnS 166 VI.3.1. Vi hình thái và cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử InP 166 VI.3.2. Tính chất quang của chấm lượng tử InP và In(Zn)P 168