Chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi vỏ cdse cds và nghiên cứu tính chất quang phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO Bùi Tấn Phúc CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CÓ CẤU TRÚC LÕI/VỎ CdSe/CdS VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG PHỤ THUỘC VÀO ĐỘ DÀY LỚP VỎ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS Đinh Sơn Thạch Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO Bùi Tấn Phúc CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CÓ CẤU TRÚC LÕI/VỎ CdSe/CdS VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG PHỤ THUỘC VÀO ĐỘ DÀY LỚP VỎ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS Đinh Sơn Thạch Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008 LỜI CÁM ƠN ………   Lời xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Đinh Sơn Thạch, ngƣời thầy hết lòng hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành luận văn Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn đặc biệt tới PGS TS Nguyễn Quang Liêm, ngƣời tận tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tiến trình thực luận văn Tôi xin đƣợc gửi lời cám ơn chân thành tới ThS Ứng Thị Diệu Thúy (Viện Khoa học Vật liệu), ThS Trần Thị Kim Chi (Viện Khoa học Vật liệu), ThS Nguyễn Thị Lệ Huyền (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam sở TP Hồ Chí Minh), KS Nguyễn Thị Kiều Vân (Phòng Thí Nghiệm Công nghệ Nanô), CN Trần Nhân Ái (Phòng Thí Nghiệm Công nghệ Nanô) giúp đỡ nhiều việc chế tạo khảo sát tính chất mẫu sản phẩm chấm lƣợng tử CdSe Tôi xin đƣợc gửi lời cám ơn chân thành tới tập thể lớp cao học nano khóa I, tập thể anh chị em công tác Phòng thí nghiệm Nanô tạo điều kiện, khích lệ động viên suốt trình thực luận văn Nhân dịp này, xin dành tình cảm sâu sắc cha mẹ gia đình, ngƣời giúp đỡ, hỗ trợ động viên nhiều suốt khóa học Tôi biết ơn sâu sắc trợ giúp vật chất tinh thần mà cha mẹ kính yêu dành cho TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2008 Tác giả Bùi Tấn Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết số liệu khảo sát trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả Bùi Tấn Phúc Danh mục chữ viết tắt kí hiệu Các chữ viết tắt 1D 1DES 2DEG 2DES CCD CVD HRTEM LA MBE MOCVD ODMR PL PLD PMT QD QDQW TEM XPS : 1-Dimension (Một Chiều) : 1-Dimensional Electron System (Hệ Điện Tử Một Chiều) : 2-Dimensional Electron Gas (Khí Điện Tử Hai Chiều) : 2-Dimensional Electron System (Hệ Điện Tử Hai Chiều) : Charge Coupled Device (Thiết Bị Ghép Điện Tích) : Chemical Vapor Deposition (Lắng Đọng Hóa Học) : High Resolultion Electron Microscopy (Hiển Vi Điện Tử Truyền Qua Độ Phân Giải Cao) : Laser Ablation (Phân Hủy Bằng Laser) : Molecular Beam Epitaxy (Mọc Ghép Chùm Phân Tử) : MetalOrganic Chemical Vapor Deposition (Lắng Đọng Hóa Học Từ Hợp Chất Cơ Kim) : Optically Detected Magnetic Resonance (Cộng Hƣởng Từ Cảm Quang) : PhotoLuminescence (Quang Phát Quang) : Pulsed Laser Deposition (Lắng Đọng Laser Xung) : PhotoMultiplier Tube (Ống Nhân Quang) : Quantum Dot (Chấm Lƣợng Tử) : Quantum Dot Quantum Well: (giếng lƣợng tử bên chấm lƣợng tử) : Transmission Electron Microscopy: (Kính Hiển Vi Điện Tử Truyền Qua) : Photoelectron Spectroscopy (Phổ Quang Điện Tử) 2 Các kí hiệu λ θ D D(k) h k kF m m* : bƣớc sóng : góc nhiễu xạ : kích thƣớc trung bình hạt : mật độ trạng thái : số Planck (6.626x10-34J.s) : số sóng : số sóng Fermi : khối lƣợng điện tử tự : khối lƣợng điện tử hiệu dụng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 2.1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Trang Các điện tử khối chất rắn ba chiều Mô hình hạt hộp điện tử tự di chuyển dọc theo trục z Các điện tử hệ hai chiều Chất rắn chiều Chất rắn không chiều Các hạt mang điện tự chất rắn có mối quan hệ tán sắc parabôn (E(k) ~ k2) Sự phụ thuộc kích thƣớc lƣợng vùng cấm Eg(d) chấm lƣợng tử dạng keo CdSe có đƣờng kính d Các dạng chấm lƣợng tử khác Phổ hấp thu phát xạ dung dịch CdS dạng keo Phổ hấp thu dung dịch keo CdSe thời điểm 1993 (“tổng hợp TOP-TOPO”) Dữ liệu tán xạ tia X góc hẹp từ hạt CdSe 4.2nm chƣa bọc vỏ Các biểu đồ kích thƣớc họ hạt nano tinh thể CdSe Biểu đồ nano cấu trúc dị thể giếng kép Phổ hấp thu nano cấu trúc dị thể giếng kép khác Sơ đồ chế tạo chấm lƣợng tử CdSe phƣơng pháp sử dụng dung môi nhiệt độ sôi cao Hòa tan CdO hỗn hợp TOPO + HDA + DDPA Phun dung dịch TOPSe vào dung dịch chứa Cd Sản phẩm QD CdSe Sự phát quang QD CdSe chế tạo nhiệt độ 2500C – 3000C, thời gian – phút Sơ đồ chế tạo chấm lƣợng tử lõi/vỏ CdSe/CdS Sơ đồ chế tạo chấm lƣợng tử core/double shell CdSe/CdS/ZnS 11 13 14 17 19 24 26 33 34 39 39 42 44 44 45 45 46 47 22 Hình 3.8 23 24 25 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 26 Hình 4.4 27 Hình 4.5 28 Hình 4.6 29 Hình 4.7 30 Hình 4.8 31 Hình 4.9 32 Hình 4.10 33 Hình 4.11 34 Hình 4.12 35 Hình 4.13 36 Hình 4.14 Sự phát quang QD CdSe chế tạo nhiệt độ 2500C 2700C thời điểm phút phút sau phản ứng tạo mầm 49 Hiện tƣợng nhiễu xạ xảy mặt tinh thể 50 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua 52 Kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20 Khoa Vật lý Thiên văn, Đại học Glasgow 54 Biểu đồ mức lƣợng biểu diễn trạng thái tín hiệu Raman Bề dày đƣờng thẳng tỉ lệ sơ với cƣờng độ tín hiệu chuyển dời khác 56 Máy đo phổ quang phát quang mẫu sản phẩm QD CdSe Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 59 Phổ quang phát quang QD CdSe chế tạo 250 C, thời gian lấy mẫu phút 59 Phổ quang phát quang QD CdSe rửa bình cầu, chế tạo 2500C, thời gian lấy mẫu phút 60 Phổ quang phát quang QD CdSe chế tạo 2700C, thời gian lấy mẫu phút 61 Phổ hấp thu UV – Vis QD CdSe chế tạo 2500C, thời gian lấy mẫu phút 62 Phổ hấp thu UV – Vis QD CdSe chế tạo 2700C, thời gian lấy mẫu phút 63 Đƣờng cong kích thƣớc QD CdSe thể mối quan hệ đỉnh phổ hấp thu kích thƣớc hạt 65 Phổ tán xạ Raman mẫu QD CdSe (1phút, 250 C) đo Phòng Thí Nghiệm Nano, TP Hồ Chí Minh 66 Phổ tán xạ Raman mẫu QD CdSe (5phút, 270 C) đo Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 67 Phổ tán xạ Raman mẫu QD CdSe (1phút, 250 C) đo Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 67 MỤC LỤC Lời cám ơn Lời cam đoan Danh mục từ viết tắt kí hiệu Danh mục hình vẽ Mục lục MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƢỢNG TỬ 1.1 Chấm lƣợng tử 1.1.1 Hệ ba chiều (khối tinh thể) 1.1.2 Hệ hai chiều (màng nano tinh thể) 1.1.3 Hệ chiều (dây lƣợng tử) 1.1.4 Hê không chiều (chấm lƣợng tử) 1.2 Các mức lƣợng chấm lƣợng tử 1.3 Các loại chấm lƣợng tử 1.3.1 Chấm lƣợng tử chế tạo theo phƣơng pháp quang khắc 1.3.2 Chấm lƣợng tử chế tạo theo phƣơng pháp tự mọc ghép 1.3.3 Chấm lƣợng tử dạng keo chế tạo phƣơng pháp hóa học CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤM LƢỢNG TỬ BÁN DẪN II – IV 2.1 Lịch sử phát triển 2.2 Chế tạo chấm lƣợng tử từ hợp chất TOPO/TOP 2.3 Chế tạo chấm lƣợng tử lõi vỏ 2.4 Chế tạo chấm lƣợng đa lớp có cấu trúc giếng lƣợng tử CHƢƠNG 3: CHẾ TẠO CHẤM LƢỢNG TỬ CÓ CẤU TRÚC LÕI VỎ CdSe/CdS THEO PHƢƠNG PHÁP HÓA SẠCH 3.1 Các quy trình chế tạo chấm lƣợng tử lõi vỏ CdSe/CdS 3.1.1 Quy trình chế tạo chấm lƣợng tử CdSe 3.1.2 Quá trình thực nghiệm chế tạo QD CdSe từ CdO 3.1.3 Bọc vỏ cho QD CdSe để tạo thành chấm lƣợng tử lõi/vỏ CdSe/CdS 3.1.4 Bọc vỏ cho QD lõi vỏ CdSe/CdS để tạo thành chấm lƣợng tử lõi hai vỏ CdSe/CdS/ZnS 3.2 Quy trình chế tạo chấm lƣợng tử CdSe tác giả luận văn thực sở thực tập thí nghiệm CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VI HÌNH THÁI VÀ TÍNH 4 10 12 13 17 18 20 22 24 24 30 32 35 40 40 40 41 45 47 48 CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƢỢNG TỬ CdSe 4.1 Các phƣơng pháp phân tích 4.1.1 Xác định cấu trúc phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 4.1.2 Phƣơng pháp phân tích dùng kính hiển vi điện tử truyền qua 4.1.3 Phƣơng pháp quang phát quang 4.1.4 Phƣơng pháp phổ tán xạ Raman 4.2 Các kết khảo sát mẫu QD CdSe chế tạo đƣợc 4.2.1 Các kết khảo sát phổ quang phát quang 4.2.2 Các kết khảo sát phổ hấp thu UV – Vis 4.2.3 Tính kích thƣớc hạt dựa vào phổ hấp thu 4.2.4 Các kết khảo sát phổ tán xạ Raman 50 50 50 51 54 55 58 58 62 63 65 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Viện Khoa học Vật liệu (2006), Báo cáo nghiệm thu đề tài khoa học công nghệ cấp viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 2005 – 2006, Hà Nội Nguyễn Văn Hiệu, Trần Bá Chữ, Phạm Văn Hội, Nguyễn Đại Hƣng, Nguyễn Ngọc Long, Vũ Xuân Quang (2007), Những tiến quang học, quang tử, quang phổ ứng dụng, tr 208–218, NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Hiệu, Nguyễn Bá Ân (2003), Cơ sở lý thuyết vật lý lượng tử, NXB Đại Học quốc gia Hà Nội Nguyễn Vũ (2006), Chế tạo nghiên cứu tính chất quang học vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm, Luận án Tiến sĩ khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội Vũ Đình Cự Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử, NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh B O Dabbousi, J Rodriguez-Viejo, F V Mikulec, J R Heine, H Mattoussi, R Ober, K F Jensen, and M G Bawendi (1997), (CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites, J Phys Chem B 1997, 101, pp 9463-9475 Emory M Chan, Richard A Mathies, and A Paul Alivisatos, Size-Controlled Growth of CdSe Nanocrystals in Microfluidic Reactors, Nano letters 2003 Vol 3, No 2, pp 199-201 Gunter Schmid, (2004), Nanoparticles: From Theory to Application, ISBN: 3527-30507-6, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim, pp – 328 Jo'el Bleuse, Sophie Carayon, Peter Reiss, (2003), “Nanophysique et emiconducteurs”, Optical properties of core/multishell CdSe/Zn(S,Se) nanocrystals, Departement de Recherche Fondamentale sur la Mati ere Condensee, 17 rue des Martyrs, F-38054 Grenoble, CEDEX 9, France 10 Lianhua Qu and Xiaogang Peng (2001), Control of Photoluminescence Properties of CdSe Nanocrystals in Growth, Department of Chemistry and Biochemistry, UniVersity of Arkansas, USA 11 Lianhua Qu, Z Adam Peng, and Xiaogang Peng (2001), Alternative Routes toward High Quality CdSe Nanocrystals, Nano letters 2001 Vol 1, No pp 333-337 12 Liang-shi Li, Jiangtao Hu, Weidong Yang, and A Paul Alivisatos, Band Gap Variation of Size- and Shape-Controlled Colloidal CdSe Quantum Rods, Nano letters 2001 Vol 1, No pp 349-351 13 M C Schlamp, Xiaogang Peng, and A P Alivisatosa (1997), Improved efficiencies in light emitting diodes made with CdSe/CdS core/shell type nanocrystals and a semiconducting polymer, Department of Chemistry, University of California, Berkeley, and Molecular Design Institute, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, California 94720, 1997, American Institute of Physics [S0021-8979(97)01223-1] 14 P Reiss, S Carayon, J Bleuse, A Pron, (2003), Low polydispersity core/shell nanocrystals of CdSe/ZnSe and CdSe/ZnSe/ZnS type: preparation and optical studies, Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée, Service des Interfaces et des Matériaux Moléculaires et Macromoléculaires/Laboratoire Physique des Métaux Synthétiques, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble cedex 9, France 15 Peter Reiss, Sophie Carayon, Joel Bleuse (2003), Large fluorescence quantum yield and low size dispersion from CdSe/ZnSe core/shell nanocrystal, Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée, France, Physica E 17 (2003) 95 – 96 16 Peter Reiss, Joe1l Bleuse, and Adam Pron, Highly Luminescent CdSe/ZnSe Core/Shell Nanocrystals of Low Size Dispersion, Nano letters 2002 Vol 2, No pp 781-784 17 W William Yu, Lianhua Qu, Wenzhuo Guo, and Xiaogang Peng (2003), Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals, Chem Mater 2003, 15, pp 2854-2860 18 Z Adam Peng and Xiaogang Peng (2000), Formation of High-Quality CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor, J Am Chem Soc 2001, 123, pp 183-184 [...]... và Công nghệ Việt Nam 2005 – 2006, Hà Nội 2 Nguyễn Văn Hiệu, Trần Bá Chữ, Phạm Văn Hội, Nguyễn Đại Hƣng, Nguyễn Ngọc Long, Vũ Xuân Quang (2007), Những tiến bộ trong quang học, quang tử, quang phổ và ứng dụng, tr 208–218, NXB Khoa học kỹ thuật 3 Nguyễn Văn Hiệu, Nguyễn Bá Ân (2003), Cơ sở lý thuyết của vật lý lượng tử, NXB Đại Học quốc gia Hà Nội 4 Nguyễn Vũ (2006), Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang. .. made with CdSe/ CdS core/shell type nanocrystals and a semiconducting polymer, Department of Chemistry, University of California, Berkeley, and Molecular Design Institute, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, California 94720, 1997, American Institute of Physics [S0021-8979(97)01223-1] 14 P Reiss, S Carayon, J Bleuse, A Pron, (2003), Low polydispersity core/shell nanocrystals of CdSe/ ZnSe and CdSe/ ZnSe/ZnS... Properties of CdSe Nanocrystals in Growth, Department of Chemistry and Biochemistry, UniVersity of Arkansas, USA 11 Lianhua Qu, Z Adam Peng, and Xiaogang Peng (2001), Alternative Routes toward High Quality CdSe Nanocrystals, Nano letters 2001 Vol 1, No 6 pp 333-337 12 Liang-shi Li, Jiangtao Hu, Weidong Yang, and A Paul Alivisatos, Band Gap Variation of Size- and Shape-Controlled Colloidal CdSe Quantum... quang học của vật liệu nano phát quang chứa ion đất hiếm, Luận án Tiến sĩ khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 5 Vũ Đình Cự và Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử, NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh 6 B O Dabbousi, J Rodriguez-Viejo, F V Mikulec, J R Heine, H Mattoussi, R Ober, K F Jensen, and M G Bawendi (1997), (CdSe) ZnS Core-Shell Quantum Dots:... William Yu, Lianhua Qu, Wenzhuo Guo, and Xiaogang Peng (2003), Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals, Chem Mater 2003, 15, pp 2854-2860 18 Z Adam Peng and Xiaogang Peng (2000), Formation of High-Quality CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals Using CdO as Precursor, J Am Chem Soc 2001, 123, pp 183-184 ... Reiss, Sophie Carayon, Joel Bleuse (2003), Large fluorescence quantum yield and low size dispersion from CdSe/ ZnSe core/shell nanocrystal, Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée, France, Physica E 17 (2003) 95 – 96 16 Peter Reiss, Joe1l Bleuse, and Adam Pron, Highly Luminescent CdSe/ ZnSe Core/Shell Nanocrystals of Low Size Dispersion, Nano letters 2002 Vol 2, No 7 pp 781-784 17... Size-Controlled Growth of CdSe Nanocrystals in Microfluidic Reactors, Nano letters 2003 Vol 3, No 2, pp 199-201 8 Gunter Schmid, (2004), Nanoparticles: From Theory to Application, ISBN: 3527-30507-6, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim, pp 1 – 328 9 Jo'el Bleuse, Sophie Carayon, Peter Reiss, (2003), “Nanophysique et emiconducteurs”, Optical properties of core/multishell CdSe/ Zn(S,Se) nanocrystals,