Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điện (Luận án tiến sĩ)

164 149 0
Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điện (Luận án tiến sĩ)

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điệnNghiên cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng dụng trong quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Lê Xuân Hùng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ CdTeSe VÀ CURCUMIN, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Lê Xuân Hùng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ CdTeSe VÀ CURCUMIN, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN Chuyên ngành: Quang học Mã sỗ: 9440110 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Thu Nga PGS TS Nguyễn Thị Thục Hiền Hà Nội – 2018 i LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Thu Nga PGS.TS Nguyễn Thị Thục Hiền, người thầy nhiệt tình hướng dẫn, định hướng khoa học truyền đạt nhiều kiến thức quý báu, giúp vật chất tinh thần để tơi hồn thành luận án Tơi xin cám ơn Viện Vật lý, Viện Khoa học Vật liệu Học viện Khoa học Công nghệ, thuộc Viện Hàn Lâm KH & CN Việt Nam quan tâm đến tiến độ công việc tạo điều kiện thuân lợi cho học tập nghiên cứu Tôi xin gửi đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Duy Tân, Viện Nghiên cứu phát triển CNC phòng ban chức thuộc ĐH Duy Tân lời cảm ơn trân trọng quan tâm, tạo điều kiện hỗ trợ suốt thời gian học tập, nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Vũ Xuân Quang, Viện trưởng Viện Nghiên cứu Phát triển CNC-ĐH Duy Tân; PGS TS Nguyễn Xuân Nghĩa, Viện Vật lý động viên, góp ý, giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Văn Vũ, Giám đốc Trung tâm Khoa học Vật liệu, thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên; PGS.TS Phạm Duy Long, phòng Vật liệu linh kiện lượng; TS Đào Ngọc Nhiệm, phịng Vật liệu vơ cơ, Viện Khoa học vật liệu; GS Agnès Mtre, TS Laurent Coolen cộng sự, Viện Khoa học Nano Paris (INSP), Đại học Pierre Marie Curie & CNRS, Pháp; giúp thực số phép đo mẫu nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Đức Chính, ThS Phạm Nam Thắng, ThS Hồng Văn Nơng anh, chị phòng Vật liệu ứng dụng quang sợi, phòng Vật liệu vơ đồng nghiệp phịng TN Quang phổ-ĐH Duy Tân giúp đỡ việc thực đề tài Cuối xin dành tình cảm đặc biệt lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân đặc biệt mẹ vợ bạn bè bên, động viên tin tưởng giúp vượt qua khó khăn để thực tốt đề tài luận án Tác giả luận án Lê Xuân Hùng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Thu Nga PGS.TS Nguyễn Thị Thục Hiền Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Lê Xuân Hùng iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ BÁN DẪN, CHẤT MÀU TỰ NHIÊN CURCUMIN VÀ PIN MẶT TRỜI DÙNG CHẤT NHẠY SÁNG 1.1 Các nano tinh thể bán dẫn chấm lượng tử chấm lượng tử hợp kim ba thành phần 1.1.1 Cấu trúc điện tử tính chất quang chấm lượng tử 1.1.1.1 Cấu trúc điện tử QD 1.1.1.2 Chuyển dời quang học QD 14 1.1.1.3 Thời gian sống exciton QD mối liên hệ hiệu suất lượng tử thời gian sống huỳnh quang 15 1.1.1.4 Các phonon tinh thể 17 1.1.2 Chấm lượng tử hợp kim ba thành phần CdTeSe 21 1.1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể QD CdTexSe1-x 21 1.1.2.2 Tính chất quang QD CdTexSe1-x: hiệu ứng optical bowing 23 1.2 Tổng quan chất màu tự nhiên curcumin 26 1.2.1 Giới thiệu curcumin 26 1.2.2 Tính chất hóa học curcuminoid 28 1.2.2.1 Cấu trúc hóa học curcuminoid 28 1.2.2.2 Tính chất hóa học curcuminoid 29 1.2.3 Tính chất quang chất màu tự nhiên curcumin 30 1.2.3.1 Phổ hấp thụ 30 1.2.3.2 Phổ huỳnh quang 31 1.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động thông số ảnh hưởng đến hiệu suất pin mặt trời 32 1.3.1 Giới thiệu chung pin mặt trời dùng chất nhạy sáng (sensitizer solar cell) 32 1.3.2 Cấu tạo pin mặt trời dùng chất nhạy sáng 35 1.3.3 Các thông số pin 37 1.3.3.1 Hiệu suất chuyển đổi photon thành dòng điện 37 1.3.3.2 Đặc trưng mật độ dòng - điện áp (J-V) 38 iv CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 41 2.1 Chế tạo chấm lượng tử CdTeSe cấu trúc lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe (ZnTe) 41 2.1.1 Chế tạo chấm lượng tử CdTeSe 43 2.1.1.1 Chế tạo CdTeSe với tỉ lệ mol chất ban đầu Cd:(Te: Se) khác 43 2.1.1.2 Chế tạo QD CdTeSe nhiệt độ khác 46 2.1.1.3 Chế tạo QD CdTexSe1-x với lượng Te(x) thay đổi (x = 0; 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1) 46 2.1.2 Bọc chấm lượng tử CdTeSe lớp vỏ ZnSe ZnTe 47 2.1.2.1 Bọc QD CdTeSe với lớp vỏ ZnSe 47 2.1.2.2 Các QD CdTeSe bọc vỏ ZnTe 49 2.1.3 Biến đổi bề mặt chấm lượng tử với axít mercaptopropionic (MPA) 49 2.2 Chế tạo curcumin từ củ nghệ vàng Việt Nam 53 2.3 Các phương pháp vật lý sử dụng nghiên cứu 54 2.3.1 Nghiên cứu hình thái học cấu trúc 54 2.3.1.1 Xác định hình dáng phân bố kích thước kính hiển vi điện tử truyền qua kính hiển vi điện tử quét 54 2.3.1.2 Xác định pha tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X 56 2.3.2 Các phương pháp nghiên cứu tính chất dao động tính chất quang 57 2.3.2.1 Phương pháp ghi phổ tán xạ Raman nhiệt độ phòng nhiệt độ khác (300K- 84K) 57 2.3.2.2 Phổ hấp thụ quang học 60 2.3.2.3 Phổ quang huỳnh quang nhiệt độ phòng nhiệt độ khác (300K - 84K) 61 2.3.2.4 Phép đo hiệu suất lượng tử QD 62 2.3.2.5 Phép đo huỳnh quang phân giải theo thời gian xác định thời gian sống QD 63 2.4 Chế tạo linh kiện pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử chất màu curcumin làm chất nhạy sáng 64 2.4.1 Chế tạo linh kiện 65 2.4.1.1 Chế tạo điện cực anốt – quang 65 2.4.1.2 Chế tạo điện cực đối chất điện ly lỏng 68 2.4.1.3 Lắng đọng chất nhạy sáng màng xốp oxít 69 2.4.1.4 Lắp ráp, tạo thành linh kiện 70 2.4.2 Phép đo thông số linh kiện pin mặt trời 71 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN VỀ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdTeSe CẤU TRÚC LÕI VÀ LÕI/VỎ 73 v 3.1 Ảnh hưởng tỷ lệ chất ban đầu đến tính chất chấm lượng tử CdTeSe 73 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ni đến tính chất chấm lượng tử 77 3.2.1 Hình thái học cấu trúc tinh thể 77 3.2.2 Các phổ hấp thụ huỳnh quang 81 3.2.3 Phổ tán xạ Raman huỳnh quang chấm lượng tử CdTeSe đo nhiệt độ khác từ 300K xuống 84K 84 3.3 Ảnh hưởng thành phần lên tính chất chấm lượng tử CdTexSe1-x 87 3.3.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học QD CdTexSe1-x 87 3.3.2 Tính chất quang QD hợp kim CdTexSe1-x 91 3.4 Ảnh hưởng chiều dày lớp vỏ đến tính chất chấm lượng tử cấu trúc lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe (ZnTe) 94 3.4.1 Các chấm lượng tử lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe 96 3.4.2 Các chấm lượng tử lõi/vỏ CdTeSe/ZnTe 101 3.4.3 Thời gian sống phát xạ exciton chấm lượng tử lõi/vỏ tượng nhấp nháy huỳnh quang đơn chấm 104 3.4.3.1 Thời gian sống phát xạ exciton QD 104 3.4.3.2 Tính chất nhấp nháy huỳnh quang đơn chấm CdTeSe/ZnSe 2ML 107 3.5 Tính chất quang chấm lượng tử biến đổi bề mặt 109 3.6 Kết đo thông số pin mặt trời thử nghiệm chế tạo dùng chấm lượng tử làm chất nhạy sáng 112 3.6.1 Ảnh hưởng khoảng cách hai điển cực lên thông số pin 112 3.6.2 Kết đo thông số pin thành phần Te QD CdTeSe thay đổi 114 3.6.3 Pin mặt trời dùng chất nhạy sáng QD lõi / vỏ 115 CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CHẤT MÀU TỰ NHIÊN CURCUMIN 119 4.1 Nghiên cứu nhận dạng pha kết tinh tinh thể curcumin 120 4.2 Nghiên cứu phổ dao động phân tử curcumin phổ Raman 123 4.3 Nghiên cứu tính chất hấp thụ huỳnh quang chất màu curcumin tự nhiên 127 4.4 Kết đo thông số pin mặt trời dùng curcumin làm chất nhạy sáng 131 KẾT LUẬN 136 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần củ ngệ vàng 26 Bảng 3.1 Thông số phổ huỳnh quang QD chế tạo theo nhiệt độ khác môi trường ODE-OA 82 Bảng 3.2 Thông số phổ huỳnh quang QD có thành phần Te thay đổi 92 Bảng 3.3 Thông số phổ huỳnh quang QD lõi CdTeSe lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe nML (với n =1, 2, 4, ML) 99 Bảng 3.4 Thông số phổ huỳnh quang QD lõi CdTeSe lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe nML (với n =1, 2, 4, ML) 103 Bảng 3.5 Thời gian sống exciton dựa việc làm khớp đường cong suy giảm thời gian mẫu QD lõi CdTeSe lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe có chiều dày lớp vỏ thay đổi 105 Bảng 3.6 Thời gian sống excton dựa việc làm khớp đường cong suy giảm thời gian mẫu QD lõi CdTeSe lõi/vỏ CdTeSe/ZnTe có chiều dày lớp vỏ thay đổi 106 Bảng 3.7 Bảng thông số đặc trưng pin mặt trời với khoảng cách hai điện cực thay đổi 113 Bảng 3.8 Bảng thông số đặc trưng pin mặt trời sử dụng QD với thành phần Te thay đổi 114 Bảng 3.9 Các thông số đặc trưng pin mặt trời với QD lõi/vỏ khác 116 Bảng 4.1 Bảng giá trị dhkl tính từ giản đồ XRD bột curcumin chế tạo so với thẻ chuẩn JPDS 09-816 120 Bảng 4.2 Hàm lượng thành phần curcumin có mẫu N1, N2, N3, N5 phân tích phương pháp HPLC/MS 121 Bảng 4.3 Tần số dao động thực nghiệm curcumin vùng 900-1700 cm-1 125 Bảng 4.4 Các thông số đặc trưng pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng curcumin với nồng độ thay đổi 132 vii DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ minh họa hình thành vùng lượng từ quỹ đạo nguyên tử cho nguyên tố giả định M Khi số nguyên tử tăng lên, khoảng cách mức lượng giảm Trong tinh thể vĩ mô, chứa ~1023 nguyên tử, khoảng cách mức lượng đủ nhỏ mà coi dải lượng liên tục Hình 1.2 a) Các nghiệm hàm sóng (x) tốn hạt hộp 1D b) Sơ đồ lượng tử hóa mức lượng nano tinh thể bán dẫn, với tăng độ rộng vùng cấm kích thước hạt giảm 11 Hình 1.3 Sơ đồ mức lượng phụ thuộc kích thước chuyển dời hấp thụ quang học phép QD 14 Hình 1.4 Sơ đồ mạng tinh thể điều hịa mơ tả ngun tử (đường trịn màu đỏ) nối lị xo Hình trên: tất nguyên tử nằm vị trí cân chúng, với khoảng cách phân chia a Hình dưới: nguyên tử bị tác động khỏi vị trí cân bằng số lực nén lò xo kéo giãn Khoảng cách dịch chuyển từ vị trí cân nguyên tử thứ n u(na)17 Hình 1.5 Sơ đồ mô tả chuỗi 1D với hai đơn vị nguyên tử lo xo khác 18 Hình 1.6 a) Mối quan hệ tán sắc chuỗi 1D sở nguyên tử, với mode âm tần số thấp mode quang tần số cao b) Sơ đồ mô tả mode quang ngang (phía trên) âm ngang (phía dưới) sở nguyên tử 19 Hình 1.7 Bên trái: vùng Brillouin thứ cho tinh thể lập phương giả kẽm, ứng với đối xứng điểm Bên phải: Đường cong tán sắc phonon tính tốn cho zbCdSe, đưa phonon quang phonon âm, khác phonon ngang dọc 20 Hình 1.8 (a) Giản đồ pha CdTe-CdSe, (b) sơ đồ ô sở cấu trúc lập phương (zb) hoạt tính quang, (c) sơ đồ ô sở cấu trúc lục giác (wz) không hoạt tính quang 21 Hình 1.9 Bước sóng đỉnh hấp thụ thứ QD CdTexSe1-x hàm đường kính D QD (tính theo angstrom), giá trị thành phần x khác 24 Hình 1.10 Một số lồi nghệ đặc trưng 26 Hình 1.11 Cấu trúc thành phần curcuminoid 27 Hình 1.12 Các đồng phân curcumin: (1) s-cis-diketone, (2) s-trans-diketone, (3) enol 28 viii Hình 1.13 Phổ hấp thụ thành phần curcumin 30 Hình 1.14 Phổ khích thích huỳnh quang curcumin (1) di-O-acetylated (7) methanol .30 Hình 1.15 Cấu tạo pin mặt trời dụng chất nhạy sáng 35 Hình 1.16 Sơ đồ mức lượng vật liệu cấu tạo nên pin mặt trời QDSSC 36 Hình 1.17 Đường đặc trưng J-V QDSSC 38 Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo QD CdTeSe môi trường ODE-OA 44 Hình 2.2 Ảnh quy trình chế tạo QD (a, b, c), ảnh QD chiếu đèn tử ngoại: QD nhiệt độ chế tạo thay đổi (d), QD thay đổi thành phần Te (e) 45 Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo QD lõi / vỏ môi trường ODE 48 Hình 2.4 Cấu trúc phân tử MPA 50 Hình 2.5 Sơ đồ biến đổi bề mặt QD 51 Hình 2.6 Sơ đồ tách chiết Curcumin từ củ nghệ vàng 53 Hình 2.7 Một sóng điện từ tới với tần số cho tương tác với mẫu phân tử Một mode dao động mẫu với tần số vib điều biến (điều chỉnh) tần số laser, dạng sóng bị điều biến thành phần tần số dịch chuyển đỏ) + vib 0, - vib (tán xạ Stockes, (tán xạ anti-Stockes, dịch chuyển xanh blue) 58 Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian 63 Hình 2.9 Sơ đồ chế tạo pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng 64 Hình 2.10 Ảnh bề mặt màng TiO2 với độ phóng đại 35 lần (a),50000 lần (b) ảnh mặt cắt màng TiO2 lần phủ (c), lần phủ (d) chụp ảnh SEM 65 Hình 2.11 Ảnh mặt cắt màng MWCNT – TiO2 điện cực đối 67 Hình 2.12 Một số hình ảnh linh kiện pin mặt trời: a) ảnh điện cực quang sau ngâm điện cực chất nhạy sáng, b) ảnh điện cực đối sau phủ lớp MWCNT, c) linh kiên pin mặt trời dùng chất nhạy sáng QD sau lắp ghép, d) linh kiện pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng chất màu tự nhiên curcumin sau lắp ghép 69 Hình 2.13 Mơ hình mạch tương tương diốt pin mặt trời 70 Hình 3.1 Ảnh chụp mẫu QD hợp kim CdTeSe chế tạo theo hai tỷ lệ chất ban đầu khác nhau: ánh sáng thường (a) ánh sáng đèn tử ngoại (b) 73 Hình 3.2 Phổ Raman QD CdTeSe với tỷ lệ mol ban đầu khác 74 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Lê Xuân Hùng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ CdTeSe VÀ CURCUMIN,. .. MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ BÁN DẪN, CHẤT MÀU TỰ NHIÊN CURCUMIN VÀ PIN MẶT TRỜI DÙNG CHẤT NHẠY SÁNG 1.1 Các nano tinh thể bán. .. dùng chất nhạy sáng QD lõi / vỏ 115 CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CHẤT MÀU TỰ NHIÊN CURCUMIN 119 4.1 Nghiên cứu nhận dạng pha kết tinh tinh thể curcumin 120 4.2 Nghiên cứu

Ngày đăng: 27/02/2019, 08:48

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan