công nghệ chế tạo và tính chất quang của các chấm lượng tử bán dẫn cds

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BỘ MÔN VẬT LÝ  TIỂU LUẬN CHUYÊN ĐỀ Đề tài: “Công nghệ chế tạo và tính chất quang của các chấm lượng tử bán dẫn CdS” Nhóm SV thực hiện: Nguyễn Văn Huy Phạm Trung Kiên Lê Hồng Phong Nguyễn Thế Anh Lớp: CN Vật Lý K6 GV hướng dẫn: 1. Th.s Nguyễn Xuân Ca 2. Th.s Lê Tiến Hà 3. Th.s Nguyễn Thị Luyến Thái Nguyên tháng 9/2011 LỜI CÁM ƠN Đầu tiên nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các quý thầy cô: Th.s Nguyễn Xuân Ca, Th.s Vũ Thị Luyến, Th.s Lê Tiến Hà, trong bộ môn Vật Lý trường ĐH Khoa Học, đã tâm huyết truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu và cung cấp tài liệu cần thiết cho nhóm chúng em thực hiện tiểu luận nghiên cứu này. Qua bài tiểu luận đã giúp chúng em tiếp thu được rất nhiều kinh nghiệm, kiến thức bổ ích và lí thú ứng dụng vào thực tiễn , tạo nền cơ sở cho bản thân mỗi sinh viên trong công việc sau này. Bên cạnh đó nhóm sinh viên thực hiện xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên trong lớp CN Vật Lý K6 đã có nhiều giúp đỡ , đóng góp cho nhóm SV trong quá trình hoàn thành tiểu luận. Xin chân thành cảm ơn! 2 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Các nano tinh thể bán dẫn (hay các chấm lượng tử) do kích thước rất nhỏ bé của chúng từ (1–20 nano mét (nm)),thể hiện các tính chất điện từ và quang học rất riêng biệt. Trong những năm gần đây các nghiên cứu mạnh mẽ về chấm lượng tử đã được tiến hành và đạt được các tiến bộ to lớn trong việc tổng hợp các chấm lượng tử, cũng như trong việc hiểu biết về các tính chất quang và điện của chúng. Về mặt công nghệ chế tạo vật liệu tinh thể nano, đã có những tổng kết rất có ý nghĩa, so sánh đánh giá về ưu điểm/hạn chế của từng loại phương pháp. Với phương pháp “xuất phát từ bé” (bottom–up), có thể kể một số công nghệ điển hình cho phép chế tạo các tinh thể nano/các chấm lượng tử bán dẫn đạt chất lượng cao như phương pháp dùng dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao, phương pháp chế tạo trong môi trường nước,Trong các phương pháp này, các chất hoạt động bề mặt đã được sử dụng một cách hợp lý với các tiền chất thành phần để có thể điều khiển kích thước và hình dạng của các tinh thể nano/chấm lượng tử bán dẫn. Với phương pháp “xuất phát từ to” (to down), ví dụ phương pháp nghiền cơ năng lượng cao, có thể 3 dễ dàng chế tạo lượng lớn vật liệu nano với những ưu việt của nó, phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Kích thước và hình dạng của các tinh thể nano/chấm lượng tử bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng năng lượng và thời gian nghiền cơ. Ở Việt Nam, trong thời gian gần đây, những nghiên cứu về chấm lượng tử bán dẫn nhóm A II B VI đã và đang thu hút sự quan tâm của một số cơ sở nghiên cứu. Chúng tôi lựa chọn thực hiện đề tài nghiên cứu “Công nghệ chế tạo và tính chất quang của các chấm lượng tử bán dẫn CdS” làm đề tài tiểu luận nghiên cứu với ba nội dung cụ thể sau: 1. Khái quát chung lý thuyết về công nghệ nano/chấm lượng tử CdS. 2. Nghiên cứu công nghệ chế tạo chấm lượng tử CdS (bằng phương pháp nghiền cơ năng lượng cao đi từ vật liệu khối). 3.Nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử CdS. Tiểu luận chủ yếu được nghiên cứu bằng lý thuyết. Do lượng kiến thức liên quan con mới và sự hiểu biết còn hạn chế nên bài tiểu luận của nhóm không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được đóng góp của các quý thầy cô và các bạn./ 4 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ NANO/CHẤM LƯỢNG TỬ CdS 1.1. Chấm lượng tử là gì? Là những hệ 0D có thể giam được điện tử, tạo ra các mức năng lượng gián đoạn như trong nguyên tử, vì thế còn được gọi là nguyên tử nhân tạo. 1.2. Các hệ lượng tử 1.2.1. Hệ ba chiều (Vật liệu khối) Xét một vật rắn ba chiều với kích thước tương ứng L x , L y , L z , chứa N điện tử tự do với giả thiết trong gần đúng bậc một là tương tác giữa các điện tử với nhau và tương tác giữa điện tử với trường thế tinh thể có thể bỏ qua. Chuyển động của các điện tử được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng λ rất nhỏ hơn kích thước của vật liệu. Hình 1.1. (a) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng theo hàm parabol; (b) Mật độ trạng thái tính theo năng lượng đối với điện tử tự do. 5 Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng k theo hàm parabol; các trạng thái phân bố gần như liên tục (được biểu thị bằng các điểm trên Hình 1.5a) và mật độ trạng thái phân bố liên tục và tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng (hình 1.3b): 1.2.2. Hệ hai chiều (giếng lượng tử) Xét một vật rắn có kích thước rất lớn theo các phương x và y, nhưng kích thước (chiều dày) của nó theo phương z (Lz) chỉ vào cỡ vài nano mét. Như vậy, các điện tử có thể vẫn chuyển động hoàn toàn tự do trong mặt phẳng x y  , nhưng chuyển động của chúng theo phương z sẽ bị giới hạn. Hệ như thế tạo thành hệ điện tử hai chiều. Khi kích thước của vật rắn theo phương z giảm xuống vào cỡ vài nano mét (nghĩa là cùng bậc độ lớn với bước sóng De Broglie của hạt tải điện), thì hạt tải điện tự do trong cấu trúc này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong giếng thế V(z), với V(z) = 0 bên trong giếng và Vz = ∞ tại các mặt biên z = ± L z /2. Vì không một điện tử nào có thể ra khỏi vật rắn theo phương z, nên có thể nói điện tử bị giam trong giếng thế. Nghiệm của phương trình Schrödinger đối với điện tử trong giếng thế V(z) là các sóng dừng bị giam trong giếng thế. Như vậy, có thể thấy năng lượng ứng với hai hàm sóng riêng biệt, nói chung, là khác nhau và không liên tục. Điều đó có nghĩa là năng lượng của hạt không thể nhận giá trị tùy ý, mà chỉ nhận các giá trị gián đoạn. Năng lượng của hạt có dạng: 6 Các điện tử vẫn có thể chuyển động tự do dọc theo các phương x và y, năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào, k x , k y theo hàm parabol; các trạng thái (được biểu thị bằng các điểm trên hình 1.6a) phân bố gần như liên tục. Trong khi đó, chuyển động của các điện tử theo phương z bị giới hạn, các điện tử bị giam giữ trong “hộp”. Chỉ có một số nhất định các trạng thái lượng tử hoá theo phương z ( n z = 1, 2, ) là được phép. 7 Hình 1.2. (a) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng , k x , k y theo hàm parabol; năng lượng của điện tử chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn ứng với n z = 1, 2, (theo phương z ). (b) Mật độ trạng thái g 2d (E) hệ hai chiều. Mật độ trạng thái theo năng lượng có dạng: Như vậy, mật độ trạng thái trong vật rắn hai chiều rất khác với trường hợp ba chiều: trong vật rắn hai chiều mật độ trạng thái đối với một trạng thái k z cho trước không phụ thuộc vào năng lượng và có dạng hàm bậc thang (hình 1.4b). Tính chất lượng tử nêu trên của điện tử trong vật rắn hai chiều chính là nguồn gốc của rất nhiều hiệu ứng vật lý quan trọng trong cấu trúc này. 1.2.3. Hệ một chiều (Dây lượng tử) Xét trường hợp trong đó kích thước của vật rắn theo phương y cũng co lại còn vài nano mét. Khi đó, các điện tử chỉ có thể chuyển động tự do theo phương x , còn chuyển động của chúng theo các phương y và z bị giới hạn bởi các mặt biên của vật. Một hệ như thế được gọi là dây lượng tử. 8 Hình 1.3. (a) Trong phạm vi một đường, phân bố trạng thái là liên tục, vì ∆k x  0 . Tuy nhiên, sự phân bố các đường lại có tính gián đoạn, bởi vì dọc theo các trục k y và k z chỉ tồn tại các giá trị năng lượng gián đoạn. (b) Mật độ trạng thái g 1d (E) trong phạm vi một đường dọc theo trục k x tỷ lệ với E -1/2 . Mỗi đường hypecbol trên hình tương ứng với một trạng thái ( k y , k z ) riêng biệt. Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ theo một chiều và chiếm các trạng thái lượng tử hoá ở hai chiều còn lại. Phân bố các trạng thái, cũng như phân bố các mức năng lượng tương ứng, theo phương song song với trục k x là liên tục ( ∆k x  0, Hình 1.5a). Trong khi đó, chuyển động của các điện tử dọc theo hai phương còn lại (phương y và phương z) bị giới hạn và các trạng thái của chúng có thể tìm được bằng cách giải phương trình Schrödinger sử dụng mô hình “hạt trong hộp thế”. Kết quả là các trạng thái k y và k z bị lượng tử hoá, nhận các giá trị gián đoạn (Hình 1.5b). 1.2.4. Hệ không chiều (Chấm lượng tử) Khi các hạt tải điện và các trạng thái kích thích bị giam giữ trong cả ba chiều thì hệ được gọi là một “chấm lượng tử”. Trong một chấm 9 lượng tử, chuyển động của các điện tử bị giới hạn trong cả ba chiều, vì thế trong không gian k chỉ tồn tại các trạng thái gián đoạn ( k x , k y , k z ). Mỗi một trạng thái trong không gian k có thể được biểu diễn bằng một điểm (Hình 1.6b). Như vậy, chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là được phép (Hình 1.6c). Các mức năng lượng này có thể được biểu diễn như các đỉnh δ (delta) trong hàm phân bố một chiều đối với mật độ trạng thái g 0d (E) như đã chỉ ra trên Hình 1.6d. Hình 1.4. (a) Vật rắn bị co lại trong cả ba chiều. (b) Vì hiệu ứng giam giữ, tất cả các trạng thái đều là gián đoạn và được biểu diễn bằng các điểm trong không gian k ba chiều. (c) Chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là đươc phép. (d) Mật độ trạng thái g 0d (E) dọc theo một chiều. Khi có sự giam giữ lượng tử, sẽ có sự trộn lẫn giữa các trạng thái của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ, hàm sóng của lỗ trống bây giờ là tổ hợp tuyến tính của các hàm sóng ứng với các trạng thái khác nhau trong vùng hóa trị. Lúc này trạng thái của lỗ trống được đặc trưng bởi số lượng tử là tổng mômen góc F = L + J với mF = –F, –F + 1…., F. Trong đó L là mômen quỹ đạo hàm bao quanh χ nl thu được từ bài toán giam giữ lượng tử. 10 [...]... biểu diễn các dịch chuyển quang các mức năng lượng được lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong NC bán dẫn Tính chất quang của các tinh thể nano xuất hiện từ các dịch chuyển quang được phép giữa các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị và trong vùng dẫn 11 Hình 1.5 Các dịch chuyển quang các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong NC bán dẫn 1.3 Lịch... thực tế Bởi vì các lớp vỏ bán dẫn có tính ổn định cao, có cấu trúc mạng tinh thể phù hợp với chấm lượng tử lõi Với các lớp vỏ bán dẫn có năng lượng vùng cấm lớn hơn của chấm lượng tử lõi, hạt tải trong chấm lượng tử lõi (điện tử và lỗ trống) sẽ chịu sự giam giữ lượng tử của lớp vỏ Ngoài ra, lớp vỏ bọc còn có tác dụng thụ động hoá các liên kết hở 15 (dangling bonds) tại bề mặt của lõi và tạo thành một... (giếng lượng tử) , hệ một chiều (dây lượng tử) và hệ không chiều (chấm lượng tử) CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN CdS Vật liệu kích thước nano mét (chấm lượng tử) có thể chế tạo bằng hai phương pháp “xuất phát từ bé” (bottom–up) và “xuất phát từ to” (top– down) Mỗi phương pháp đều có những thuận lợi và khó khăn của nó Phương pháp “xuất phát từ to” (top–down) bằng nghiền cơ năng lượng. .. lược về cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn (có cấu trúc tinh thể lập phương và lục giác), các mức năng lượng của điện tử, lỗ trống trong chấm lượng tử và các chuyển dời quang tương ứng Ở đây, tính chất bán dẫn liên quan trực tiếp đến độ rộng vùng cấm (của vật liệu khối tương ứng) trong khoảng vài trăm meV đến vài eV, tương ứng với chuyển dời quang trong vùng phổ khả kiến đến tử ngoại khi kích thước... tính chất của vật liệu (các thông số khác giữ nguyên) Vật liệu xuất phát để chế tạo mẫu nghiên cứu là CdS đơn tinh thể khối chất 23 lượng cao Một lượng CdS tinh thể được nghiền cơ năng lượng cao với các thời gian khác nhau 1; 2,5 giờ và 6 giờ Kết quả thu được là bột CdS với kích thước nano mét 2.2.1 Ảnh hưởng của thời gian nghiền cơ năng lượng cao đến kích thước của vật liệu chấm lượng tử CdS Một lượng. .. cơ năng lượng cao 2.1 Chế tạo đơn tinh thể CdS từ đa tinh thể CdS Vật liệu ban đầu được dùng để nghiền cơ năng lượng cao là CdS đơn tinh thể khối chất lượng cao Mẫu CdS đơn tinh thể này đã được chế tạo 19 bằng phương pháp thăng hoa Việc chế tạo đơn tinh thể CdS được mô tả một cách tóm tắt như sau: Đầu tiên, CdS đa tinh thể được chế tạo bằng cách cho Cd vào thuyền graphit nung tại 550 0C, cho S vào thuyền... 100 nm Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm đầu 1980 trong các phòng thí nghiệm của Louis Brus tại Bell Laboratories và của Alexander Efros và Alexei I Ekimov, ở Viện Công nghệ Vật lý A.F Ioffe ở St Peterburg Thuật ngữ - chấm lượng tử đã được Mark A Reed đưa ra đầu tiên vào năm 1988[16], trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang, mà các exciton của chúng... dụng để chế tạo vật liệu CdS có các ưu điểm dễ thực hiện, có thể chế tạo một lượng lớn vật liệu; sản phẩm thu nhận được có thể ở các kích thước trải dài từ vùng micro mét đến vùng nano mét tùy thuộc vào năng lượng nghiền Với một năng lượng nghiền xác định, phân bố kích thước hạt sẽ phụ thuộc vào thời gian nghiền Đầu tiên chúng ta tiến hành chế tạo đơn tinh thể CdS rồi chế tạo hấm lượng tử CdS từ các đơn... giữa bề mặt các hạt nano với môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đáng kể tới tính chất của hạt Sự không hoàn hảo của bề mặt các hạt có thể tác động như các bẫy điện tử hoặc lỗ trống dưới kích thích quang và làm biến đổi các tính chất quang của các hạt Trong rất nhiều trường hợp, các trạng thái bề mặt trở thành kênh tiêu tán năng lượng không phát quang, làm giảm hiệu suất huỳnh quang của vật liệu... xuất hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử Trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử trong vùng dẫn (và các lỗ trống trong vùng hoá trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể Do lưỡng tính sóng–hạt, chuyển 17 động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nano mét Nếu kích thước của khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt . (giếng lượng tử) , hệ một chiều (dây lượng tử) và hệ không chiều (chấm lượng tử) . CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN CdS Vật liệu kích thước nano mét (chấm lượng tử) có thể chế tạo. phép giữa các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong vùng hóa trị và trong vùng dẫn. 11 Hình 1.5. Các dịch chuyển quang các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống. biểu diễn các dịch chuyển quang các mức năng lượng được lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong NC bán dẫn. Tính chất quang của các tinh thể nano xuất hiện từ các dịch chuyển quang được