(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ CdTe CdSe

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––––– TRẦN THỊ HỒNG GẤM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT KÍCH THÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ LÕI/VỎ CdTe/CdSe LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ––––––––––––––––––––––– TRẦN THỊ HỒNG GẤM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG SUẤT KÍCH THÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ LÕI/VỎ CdTe/CdSe Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Ca THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Ca người trực tiếp hướng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp em suốt trình nghiên cứu thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô BGH thầy phòng Đào tạo, đặc biệt Thầy khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên dạy dỗ trang bị cho em tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em suốt thời học tập Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tình yêu thương tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp nguồn động viên quan trọng mặt tinh thần vật chất giúp có điều kiện học tập nghiên cứu khoa học ngày hôm Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 05 năm 2019 Học viên Trần Thị Hồng Gấm Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ CẤU TRÚC LÕI/VỎ LOẠI II 1.1 Sự giam giữ lượng tử hạt tải nano tinh thể 1.2 Phân loại hệ nano có cấu trúc lõi vỏ 1.3 Giới thiệu nano tinh thể bán dẫn loại II 1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đo mẫu 10 1.5 Ảnh hưởng cơng suất kích thích 15 Chương 2: THỰC NGHIỆM 19 2.1.Chế tạo NC CdTe CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ phương pháp hóa ướt 19 2.1.1.Hóa chất dùng thí nghiệm bao gồm 19 2.1.2 Tiến hành thí nghiệm 19 2.2 Khảo sát đặc trưng mẫu 20 2.2.1 Hình dạng, kích thước phân bố kích thước 20 2.2.2 Cấu trúc tinh thể 21 2.2.3 Phổ quang huỳnh quang 22 2.2.4 Hấp thụ quang học 24 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………25 3.1 Chế tạo tính chất quang NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe 25 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn 3.2 Ảnh hưởng cơng suất kích thích lên phổ quang huỳnh quang NC lõi CdTe lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe 30 3.2.1 Sự dịch đỉnh phổ huỳnh quang 30 3.2.2 Cường độ huỳnh quang 35 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đo đến phổ quang huỳnh quang NC lõi CdTe lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe 36 3.3.1 Sự thay đổi lượng phát xạ theo nhiệt độ 38 3.3.2 Sự thay đổi cường độ phát xạ theo nhiệt độ 41 KẾT LUẬN 44 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Vị trí đỉnh huỳnh quang, độ rộng bán phổ hiệu suất lượng tử NC CdTe CdTe/CdSe1-5ML 28 Bảng 3.2 Các thông số làm khớp hàm theo biểu thức Varshni 39 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sự tăng mức lượng lượng tử hóa mở rộng lượng vùng cấm NC so với tinh thể khối Hình 1.2: Phổ hấp thụ phổ PL NC CdTe có kích thước khác Hình 1.3: Năng lượng vùng cấm vị trí đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị số vật liệu khối A2B6 Hình 1.4: Sơ đồ xếp mức lượng hệ nano lõi vỏ khác Hình 1.5: Cấu trúc NC CdTe CdTe/CdSe, chế phát xạ Sơ đồ vùng lượng cấu trúc bán dẫn dị chất loại I, giả loại II loại II Hình 1.6: (a) Phổ PL NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe khoảng nhiệt độ từ 220 - 260 K (b)Phổ PL NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe khoảng nhiệt độ từ 293 - 383 K 12 Hình 1.7: Sự phụ thuộc lượng phát xạ PL FWHM theo nhiệt độ NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe (a); (b); (c) 13 Hình 1.8: Sự thay đổi phổ PL NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe 15 K thay đổi công suất kích thích quang Hình nhỏ bên ảnh hưởng hiệu ứng uốn cong vùng đến cấu trúc vùng lượng loại II 16 Hình 1.9: Sự thay đổi lượng phát xạ theo cơng suất kích thích quang NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe Đồ thị bên trình bày phụ thuộc lượng phát xạ vào cơng suất kích thích quang theo quy luật mũ 1/3 18 Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo NC CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ 20 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua 21 Hình 2.3: Sơ đồ phép đo nhiễu xạ 22 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý máy đo phổ huỳnh quang 23 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý máy đo phổ hấp thụ UV - vis 24 Hình 3.1: Ảnh TEM NC CdTe, CdTe/CdSe 3ML CdTe/CdSe 5ML 25 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X NC CdTe, CdSe, CdTe/CdSe 3ML CdTe/CdSe 5ML 26 Hình 3.3: (a) Phổ Abs PL NC lõi CdTe C/S loại-II CdTe/CdSe15ML, (b) Sơ đồ vùng lượng NC C/S loại-II CdTe/CdSe 27 Hình 3.4: Phổ PL NC (a) CdTe, (b) CdTe/CdSe 2ML, (c) CdTe/CdSe 4ML cơng suất kích thích thay đổi từ 10-4mW đến mW (d) (e) phổ huỳnh quang chuẩn hóa NC CdTe/CdSe 2ML, CdTe/CdSe 4ML tương ứng hai cơng suất kích thích cao thấp 31 Hình 3.5: Sự phụ thuộc lượng phát xạ theo cơng suất kích thích mũ 1/3 33 Hình 3.6: Sơ đồ mơ tả NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe cấu trúc vùng lượng bị uốn cong cơng suất kích thích cao 34 Hình 3.7: Sự phụ thuộc cường độ phát xạ tích phân theo cơng suất kích thích 36 Hình 3.8: Sự phụ thuộc phổ PL mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML nhiệt độ thay đổi từ 15-300 K 38 Hình 3.9: Sự thay đổi lượng phát xạ mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML khoảng nhiệt độ từ 15-300K Đường liền nét hình đường làm khớp với biểu thức Varshni 40 Hình 3.10: Sự thay đổi cường độ phát xạ tích phân mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML khoảng nhiệt độ từ 15-300 K Đường liền nét hình đường làm khớp với biểu thức 42 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Abs Hấp thụ Eg Năng lượng vùng cấm NC Nano tinh thể nm Nano met OA Acid Oleic ODE Octadecene TOP Tri-n-octylphophine PL Huỳnh quang PLQY Hiệu suất lượng tử PLE Phổ kích thích huỳnh quang FWHM Độ rộng bán phổ LTAQ Dập tắt huỳnh quang N2 Khí nitơ T Nhiệt độ TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xa tia X θ Góc therta LO Đỉnh phonon quang dọc CC Hiệu ứng tích điện BB Hiệu ứng uốn cong vùng cấm SF Hiệu ứng làm đầy trạng thái Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Hiện nay, nano tinh thể (NC) loại II thường chế tạo dựa tổ hợp vật liệu bán dẫn khác ZnTe/ZnSe, CdTe/ZnSe, CdTe/CdSe, ZnTe/CdSe, CdS/ZnSe; ZnSe/CdS [1-9]… Trong tổ hợp trên, cấu trúc NC loại II CdTe/CdSe chế tạo nghiên cứu nhiều dễ dàng tách hoàn toàn điện tử lỗ trống vào miền không gian lõi vỏ nó, tương ứng với chế độ định xứ loại II Các NC CdTe/CdSe có bước sóng phát xạ nằm vùng nhìn thấy thay đổi khoảng rộng (500750 nm) thay đổi kích thước lõi chiều dày lớp vỏ Các tính chất phù hợp để ứng dụng cấu trúc lĩnh vực quang điện, laser đánh dấu sinh học [1,5,7] Theo lý thuyết độ rộng vùng cấm NC bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ diễn giống bán dẫn khối Tính chất quang phụ thuộc nhiệt độ NC loại II bị chi phối không thay đổi độ rộng vùng cấm khác vật liệu bán dẫn thành phần mà chất lượng cấu trúc ứng suất hệ số giãn nở nhiệt khác vật liệu lõi vỏ [2] Trong thực tế, việc chế tạo NC lõi/vỏ loại II hồn hảo lớp vỏ khơng có sai hỏng điều khơng dễ dàng Chất lượng không cao NC lõi/vỏ loại II khảo sát dẫn tới dập tắt huỳnh quang nhanh so với lõi kích hoạt nhiệt tâm tái hợp không phát xạ [7,8] Bên cạnh đó, hệ số giãn nở nhiệt khác vật liệu lõi vỏ gây ứng suất khác NC loại II phụ thuộc vào nhiệt độ, gây nên phụ thuộc vào nhiệt độ phức tạp độ rộng vùng cấm NC loại II [6, 9] Độ lớn ứng suất phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ lớp đệm lõi vỏ Rất kết khác phụ thuộc tính chất quang theo nhiệt độ NC loại II nói có liên quan đến vấn đề [27] Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn vị trí đỉnh PL tuyến tính với bậc ba cơng suất kích thích Do đỉnh phát xạ dịch phía lượng cao lên đến 23 meV với NC CdTe/CdSe 2ML, 56 meV NC CdTe/CdSe 4ML tỉ lệ với cơng suất kích thích mũ 1/3, nên kết luận nguyên nhân tượng gây hiệu ứng uốn cong vùng lượng Hiện tượng giải thích sau: Với xếp vùng lượng kiểu bậc thang NC loại II, xác suất tái hợp điện tử lỗ trống giảm, điều khiến hạt tải điện tập trung nhiều bề mặt lõi/vỏ cơng suất kích thích mẫu tăng Sự tách khơng gian hạt tải bị kích thích quang gây điện trường nội hướng từ lõi sang vỏ, tác dụng điện trường vùng dẫn vùng hóa trị hai vật liệu lõi/vỏ bị uốn cong làm thay đổi che phủ hàm sóng điện tử lỗ trống, hình 3.6 Kết độ rộng vùng cấm (khoảng cách vùng dẫn vùng hóa trị lõi vỏ) tăng lên, tăng cơng suất kích thích làm tăng thêm độ dốc giam giữ, làm tăng lượng giam giữ lượng tử, kết làm phổ huỳnh quang dịch xanh [28] Hình 3.6: Sơ đồ mơ tả NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe cấu trúc vùng lượng bị uốn cong cơng suất kích thích cao Hình 3.6 cho thấy kết đo từ thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu lý thuyết Đây chứng thực nghiệm quan trọng để xác định cấu trúc NC chế tạo cấu trúc NC loại II Có Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn thể dễ dàng quan sát thấy hệ số góc đường thẳng phụ thuộc với NC CdTe/CdSe4ML lớn NC CdTe/CdSe2ML, chứng tỏ tượng uốn cong vùng cấm xảy mạnh tách không gian điện tử lỗ trống lớn 3.2.2 Cường độ huỳnh quang Hình 3.7 biểu diễn phụ thuộc cường độ phát xạ tích phân vào cơng suất kích thích quang mẫu CdTe, CdTe/CdSe2ML CdTe/CdSe4ML Sự phụ thuộc cường độ phát xạ tích phân theo cơng suất  kích thích mơ tả biểu thức: I PL  nP , n tỉ lệ với hiệu suất phát xạ, số mũ  phụ thuộc vào chế tái hợp phát xạ khác [25]  =1-2 tái hợp exciton nhận giá trị nhỏ chế tái hợp tạp chất Như biết, tinh thể thực khơng hồn hảo Sự khơng hồn hảo vị trí nút khuyết, trạng thái tạp chất, lệch mạng,… tồn tinh thể Các loại khơng hồn hảo tinh thể hút exciton exciton định vị vị trí sai hỏng trở thành exciton liên kết Số lượng exciton liên kết tỉ lệ thuận với nồng độ điện tử lỗ trống sai hỏng tạo phụ thuộc tuyến tính cường độ phát xạ vào cơng suất kích thích với γ < Sự thay đổi độ dốc phụ thuộc cường độ phát xạ vào cơng suất kích thích giải thích độ bão hòa sai hỏng Đối với NC CdTe/CdSe sai hỏng trạng thái khuyết Cd, Te Se Với NC CdTe, thay đổi cơng suất kích thích, vị trí đỉnh PL khơng thay đổi thể đặc trưng phát xạ loại I, cường độ phát xạ tích phân tăng tuyến tính với hệ số góc  = tăng cơng suất kích thích phản ánh chất tái hợp exciton tiêu biểu Tuy nhiên công suất kích thích cao (khoảng mW) có lệch nhỏ khỏi quan hệ tuyến tính tái hợp Auger Hiện tượng thường quan sát hệ NC khác Đối với mẫu CdTe/CdSe 2ML cường độ phát xạ tích phân tăng tuyến tính với hệ số góc  = 0.81, chứng tỏ tái Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn hợp phát xạ khơng đơn tái hợp exciton mà có đóng góp tái hợp biexciton tách hạt tải NC loại II Hệ số  nhỏ tái hợp exciton gián tiếp nên phần lượng tái hợp truyền cho dao động mạng tinh thể (phonon) Với NC CdTe/CdSe 2ML, cường độ phát xạ phụ thuộc tuyến tính với cơng suất kích thích với hệ số  = 0.75 khoảng cơng suất kích thích nhỏ, phản ánh chất tái hợp exciton đóng vai trò chủ yếu Tuy nhiên tiếp tục tăng cơng suất kích thích lệnh khỏi quan hệ tuyến tính mẫu CdTe/CdSe 4ML xảy công suất khoảng mW Sự lệch khỏi quan hệ tuyến tính phản ánh chất tái hợp phát xạ khác tái hợp phát xạ exciton [19], nguyên nhân tượng giảm tái hợp Auger Hình 3.7: Sự phụ thuộc cường độ phát xạ tích phân theo cơng suất kích thích 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đo đến phổ quang huỳnh quang NC lõi CdTe lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh lên tính chất quang NC bán dẫn Sự tăng nhiệt độ thường làm giảm cường độ PL, làm dịch đỉnh phát xạ phía lượng thấp làm tăng độ rộng bán phổ (FWHM) Hệ mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML dùng để đo phổ PL theo nhiệt độ làm phủ lên kính mỏng phương pháp phủ quay sau sấy khơ, mẫu đo dạng màng rắn Công suất sử dụng đo thấp 0.05 mW vết laser che không chiếu vào mẫu thời gian chờ nhiệt độ ổn định để tránh tượng làm nóng mẫu Trong suốt q trình đo, vị trí điểm đo điều chỉnh lại cũ sau lần thay đổi nhiệt độ Với bán dẫn khối hay NC nói chung, tăng nhiệt độ vị trí đỉnh huỳnh quang dịch phía lượng thấp, cường độ huỳnh quang giảm xuống PL FWHM tăng lên Tuy nhiên, nguyên nhân làm thay đổi đặc trưng quang phổ NC theo nhiệt độ khác nhau, phụ thuộc tính chất quang chúng vào nhiệt độ cần khảo sát mối liên quan với mẫu đo cụ thể Hình 3.8 phổ PL mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML thay đổi nhiệt độ đo từ 15-300 K Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.8: Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML nhiệt độ thay đổi từ 15-300 K 3.3.1 Sự thay đổi lượng phát xạ theo nhiệt độ Theo nghiên cứu lý thuyết, độ rộng vùng cấm NC bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ giống bán dẫn khối Sự thay đổi độ rộng vùng cấm theo nhiệt độ bán dẫn khối thường giải thích liên quan đến Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn dãn nở nhiệt mạng tinh thể tương tác exciton-phonon Tuy nhiên, mức độ đóng góp hai nguyên nhân khác khoảng nhiệt độ cụ thể, phụ thuộc vào chất lượng đặc trưng khác mẫu Hình 3.9 trình bày thay đổi lượng phát xạ theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, độ rộng vùng cấm lõi CdTe giảm theo quy luật thông thường với mẫu CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML thay đổi độ rộng vùng cấm không đơn điệu Hiện tượng lượng vùng cấm tăng nhiệt độ tăng với mẫu CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML xảy tương ứng với khoảng nhiệt độ từ 210-300 K 180-300 K Chúng tiến hành làm khớp số liệu thực nghiệm mẫu CdTe CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML (trong khoảng lượng vùng cấm giảm nhiệt độ tăng) với biểu thức Varshni để xác định hệ số cần quan tâm Từ kết Hình 3.9 nhận thấy đường làm khớp số liệu thực nghiệm với mơ hình lý thuyết trùng Giá trị thông số làm khớp: E0 -năng lượng vùng cấm K, α - hệ số nhiệt độ, β - nhiệt độ Debye cho bảng 3.2 Các giá trị thu từ bảng 3.2 cho thấy kết thu trùng khớp với giá trị thu từ công bố trước [23-25], chứng tỏ khoảng lượng vùng cấm giảm nhiệt độ tăng thay đổi lượng phát xạ theo nhiệt độ mẫu liên quan đến dãn nở nhiệt mạng tinh thể tương tác exciton-phonon Bảng 3.2 Các thông số làm khớp hàm theo biểu thức Varshni Mẫu Eg(0) (eV) α (meV.K-1) β (K) 2,1 0,34 156 CdTe/CdSe 2ML 1,79 0,23 114 CdTe/CdSe 4ML 1,63 0,19 97 CdTe Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.9: Sự thay đổi lượng phát xạ mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML khoảng nhiệt độ từ 15-300 K Đường liền nét hình đường làm khớp với biểu thức Varshni Kết quan sát hình 3.9 cho thấy thay đổi lượng vùng cấm theo nhiệt độ lớn với NC lõi CdTe giảm dần với mẫu CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML thể qua giá trị hệ số nhiệt độ α Kết chứng tỏ độ rộng vùng cấm NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe không nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ với lõi CdTe, kết phù hợp với kết công bố Chon thay đổi lượng vùng cấm theo nhiệt độ NC CdTe CdTe/ CdSe [22] Tính chất phụ thuộc với thay đổi nhiệt độ phổ PL NC CdTe/CdSe mở nhiều ứng dụng tiềm cho thiết bị quang điện sử dụng cấu trúc - thiết bị có yêu cầu ổn định nhiệt cao phổ phát xạ chúng Kết hình 3.9 cho thấy khoảng nhiệt độ từ 210-300 K với NC CdTe/CdSe 2ML từ 180-300 K với NC CdTe/CdSe 4ML độ rộng vùng cấm NC lại tăng nhiệt độ tăng, tượng thú vị không tuân theo quy luật thông thường Hiện tượng độ rộng vùng cấm Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn tăng nhiệt độ tăng quan sát thấy số cấu trúc dạng hợp kim, giếng lượng tử InAs/AlAsSb hay NC loại II CdTe/CdSe [18, 24, 25] Hiện tượng bất thường giải thích dựa đóng góp trạng thái exciton định xứ hình thành thăng giáng kích thích nhiệt Tuy nhiên công bố trên, không quan sát thấy tượng cường độ huỳnh quang tăng theo nhiệt độ, xảy đồng thời với thay đổi bất thường lượng vùng cấm nghiên cứu chúng tơi Vì nguyên nhân tượng này, theo liên quan đến dung mơi mà chúng tơi sử dụng, cách thức tiến hành làm mẫu nghiên cứu Để giải thích rõ tượng kết hợp với nghiên cứu thay đổi cường độ phát xạ theo nhiệt độ, trình bày 3.3.2 Sự thay đổi cường độ phát xạ theo nhiệt độ Hình 3.10 biểu diễn thay đổi cường độ phát xạ theo nhiệt độ mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML Với mẫu CdTe toàn vùng nhiệt độ đo, mẫu CdTe/CdSe 2ML khoảng 15-210 K, mẫu CdTe/CdSe 4ML khoảng 15-180 K nhận thấy cường độ phát xạ giảm nhiệt độ tăng theo quy luật thơng thường giải thích việc kích hoạt tâm tái hợp không phát xạ [22] Với mẫu CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML quan sát thấy cường độ phát xạ tăng nhiệt độ tăng tương ứng với khoảng nhiệt độ từ 210-300 K 180-300 K Kết bất thường gọi chống dập tắt huỳnh quang nhiệt độ (LTAQ) Kết tương tự quan sát với NC CdSe khoảng nhiệt độ từ 220-260 K hay cấu trúc CdTe/CdSe khoảng nhiệt độ từ 293-383 K [23] Với NC CdSe phân tán hỗn hợp chất hữa TOPO-HADTOP chế tượng LTAQ giải thích chuyển pha lớp hữu bao phủ bề mặt NC Trường hợp với cấu trúc NC CdTe/CdSe tượng LTAQ giải thích chế hồi phục và/hoặc cấu trúc lại bề mặt NC liên quan đến chất hoạt động bề mặt Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.10: Sự thay đổi cường độ phát xạ tích phân mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML khoảng nhiệt độ từ 15-300 K Đường liền nét hình đường làm khớp với biểu thức Các cách giải thích khơng phù hợp trường hợp mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML chế tạo dung môi ODE chất hoạt động bề mặt OA TOP, tượng LTAQ có ngun nhân nghiên cứu phải quan sát thấy tượng LTAQ tất mẫu Như biết, phụ thuộc nhiệt độ cường độ phát xạ PL bị chi phối vài chế hồi phục hạt tải kích thích quang tái hợp phát xạ, tán xạ Auger không phát xạ, truyền lượng Forster NC có kích thước khác nhau, giải phóng nhiệt hạt tải khỏi NC, bẫy hạt tải trạng thái sai hỏng/bề mặt Làm khớp số liệu thực nghiệm (Hình 3.10) với biểu thức Arrhenius, xác định lượng kích hoạt Ea liên quan đến q trình phân hủy exciton NC CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML 38 meV, 27 meV Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn 19 meV Kết cho thấy giá trị lượng kích hoạt Ea tỉ lệ nghịch với đặc trưng loại-II giảm tương tác Culong điện tử lỗ trống Quan sát Hình 3.10 nhận thấy khoảng nhiệt độ xảy tượng LTAQ với mẫu CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML phụ thuộc lượng phát xạ theo nhiệt độ xảy tượng bất thường Vì vậy, tượng LTAQ tăng lượng vùng cấm nhiệt độ tăng với mẫu liên quan đến thay đổi ứng suất lõi/vỏ nhiệt độ thay đổi Như biết, cường độ phát xạ tích phân NC phụ thuộc vào chất lượng tinh thể, hay cụ thể xếp trật tự nguyên tử vị trí mạng tinh thể Các mẫu đo dạng bột rắn, khoảng cách nguyên tử gần nên chúng tương tác mạnh với Sự tương tác mạnh làm chúng lệnh khỏi vị trí mạng tinh thể, kích hoạt trạng thái bẫy hạt tải làm giảm cường độ PL Quá trình hồi phục quang xảy nhiệt độ 210-300 K NC CdTe/CdSe 2ML 180-300 K NC CdTe/CdSe 4ML giãn nở nhiệt mạng tinh thể nguyên tử trở nên linh động làm cho nguyên tử trở vị trí chúng mạng tinh thể Tuy nhiên, tiếp tục tăng nhiệt độ lên, nguyên tử lại bị lệch khỏi vị trí lại kích hoạt tâm dập tắt PL làm giảm cường độ PL theo quy luật chung vật liệu bán dẫn Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN Các nội dung kết thu luận văn: Chế tạo thành công NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe dạng cầu với cấu trúc zincblende Bằng cách thay đổi chiều dày lớp vỏ từ 1-5 đơn lớp giữ cố định kích thước lõi, đỉnh phổ huỳnh quang NC CdTe/CdSe thay đổi từ 684 đến 779 nm Ảnh hưởng công suất kích thích đến phổ quang huỳnh quang NC CdTe CdTe/CdSe khảo sát Kết cho thấy với NC CdTe/CdSe, cơng suất kích thích thấp (dưới mW) tái hợp phát xạ exciton đóng vai trò chủ yếu, nhiên cơng suất kích thích cao xuất chế tái hợp khác (như biexciton) giảm tái hợp Auger Sự dịch xanh đỉnh phát xạ lên đến 23 meV NC CdTe/CdSe 2ML 56 meV NC CdTe/CdSe 4ML thay đổi công suất kích thích cao hệ hiệu ứng uốn cong vùng cấm Phổ quang huỳnh quang NC CdTe, CdTe/CdSe 2ML CdTe/CdSe 4ML khảo sát khoảng nhiệt độ từ 15-300 K Kết nghiên cứu cho thấy hệ số dãn nở nhiệt khác lõi vỏ nguyên nhân gây nên tượng chống dập tắt huỳnh quang nhiệt độ tăng lượng vùng cấm nhiệt độ tăng NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO I TÀI LIỆU TIẾNG ANH S Jin, J Zhang, R D Schaller, T Rajh, and G P Wiederrecht; Ultrafast Charge Separation from Highly Reductive ZnTe/CdSe Type II Quantum Dots; J Phys Chem Lett 3, 2052−2058, 2012 B Klaus, N S Kyra, K Nicholas, A S Trevor, and P Mulvaney; Electronic Structure Engineering in ZnSe/CdS Type-II Nanoparticles by Interface Alloying; J Phys Chem C 118, 13276−13284, 2014 A Jamshidi, C Yuan, V Chmyrov, J Widengren, L Sun, and H Agren; Efficiency Enhanced Colloidal Mn-Doped Type II Core/Shell ZnSe/CdS Quantum Dot Sensitized Hybrid Solar Cells; J Nanomater., Article ID 921903, 2015 A Nemchinov, M Kirsanova, N N Hewa-Kasakarage and M Zamkov; Synthesis and Characterization of Type II ZnSe/CdS Core/Shell Nanocrystals; J Phys Chem C 112, 9301-9307, 2008 G Morello, A Fiore, R Mastria, A Falqui, A Genovese, A Creti, M Lomascolo, I R Franchini, L Manna, F D Sala, R Cingolani, and M D Giorgi; Temperature and Size Dependence of the Optical Properties of Tetrapod-Shaped Colloidal Nanocrystals Exhibiting Type-II Transitions; J Phys Chem C, 115, 18094-18104, 2011 S Kaniyankandy, S Rawalekar and H N Ghosh; Charge carrier cascade in Type II CdSe-CdTe graded core-shell interface; J Mater C, 1, 27552763, 2013 C H Wang, T T Chen, K W Tan, Y F Chen, C T Cheng and P T Chou; Photoluminescence properties of CdTe∕CdSe core-shell type-II quantum dots; J Appl Phys 99, 123521, 2006 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn R Seguin, S Rodt, A Strittmatter, L Reimann, T Bartel, A Hoffmann, D Bimberg, E Hahn and D Gerthsen; Multi-excitonic complexes in single InGaN quantum dots; Appl Phys Lett, 84, 4023, 2004 N X Ca, N.Q Bau, T.L Phan, V.T.K Lien, N.T.T Lieu, N.X Nghia; Temperature-dependent photoluminescent and Raman studies on type-II CdS/ZnSe core/shell and CdS/CdZnS-ZnCdSe/ZnSe core/intermediate/shell nanoparticles; J Alloys and Compounds, 697, 401408, 2017 10 A AL Salman, Ph.D Thesis, Lausanne, EPFL; Spectroscopy and Kinetic Studies of Electron-Hole Recombination in CdSe Nanoparticles: Effect of Size, Shape, and Lattice Structure; chapter 1, 2007 11 A K Arona, M Rajalakshmi, T R Ravindran; “Phonon Confinement in Nanostructured Materials”; Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, X, pp 1-13, 2003 12 Ung Thi Dieu Thuy, Pham Song Toan, Tran Thi Kim Chi, Dinh Duy Khang and Nguyen Quang Liem; CdTe quantum dots for an application in the life sciences; Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol, 1, 045009- 045014, 2010 13 S S Lo, T Mirkovic, C H Chuang, C Burda, and G D Scholes; “Emergent Properties Resulting from Type-II Band Alignment in Semiconductor Nanoheterostructures”; Adv Mater 23, 180-197, 2011 14 W William Yu, Lianhua Qu, Wenzhuo Guo, and Xiaogang Peng; Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals; Chem Mater, 15, 2854-2860, 2003 15 W K Bae, K Char, H Hur, S Lee; Single-Step Synthesis of Quantum Dots with Chemical Composition Gradients; Chem Mater, 20, 531- 539, 2008 16 Celso de Mello Donega; Synthesis and properties of colloidal heteronanocrystals; Chem Soc Rev, 40, 1512-1546, 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn 17 N X Ca, N T Hien, N T Luyen, V T K Lien, L D Thanh, P V Do, N Q Bau, T T Pham; Photoluminescence properties of CdTe/CdTeSe/CdSe core/alloyed/shell type-II quantum dots; J Alloy Comp 787 823-830, 2019 18 P J Simmonds, R B Laghumavarapu, M Sun, A D Lin, C J Reyner, B L Liang, and D L Huffaker; Structural and optical properties of InAs/AlAsSb quantum dots with GaAs(Sb) cladding layers; Appl Phys Lett, 100, 243108, 2012 19 Chi-Hung Chuang, L.Tennyson Doane, S Lo Shun, D.Gregory Scholes, and Clemens Burda; Measuring Electron and Hole Transfer in Core/Shell Nanoheterostructures; Acs Nano, 5, 6016-6024, 2011 20 A Mews, A Eychmuăller, M Giersig, D Schooss, H Weller; Quantumdot quantum well CdS/HgS/CdS: Theory and experiment; J Phys, 49, 17072, 1994 21 N X Ca, N Q Bau, T L Phan, V T K Lien, N T T Lieu, N X Nghia; Temperature-dependent photoluminescent and Raman studies on type-II CdS/ZnSe core/shell and CdS/CdZnS-ZnCdSe/ZnSe core/intermediate/shell nanoparticles; J Alloy Comp 697 401-408, 2017 22 B Chon, J Bang, J Park, C Jeong, J H Choi, J -B Lee, T Joo, S Kim; “Unique Temperature Dependence and Blinking Behavior of CdTe/CdSe (Core/Shell) Type-II Quantum Dots”; J Phys Chem C 115, 436-442, 2011 23 P T K Chin , C D M Donega , S S Bavel , S C J Meskers , N A J M Sommerdijk , and R A J Janssen; “Highly Luminescent CdTe/CdSe Colloidal Heteronanocrystals with Temperature-Dependent Emission Color”; J Am Chem Soc 129, 14880-14886, 2007 24 C H Wang, T T Chen, K W Tan, Y F Chen, C T Cheng and P T Chou; “Photoluminescence properties of CdTe∕CdSe core-shell type-II quantum dots”; J Appl Phys 99, 123521, 2006 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn 25 A M Saad, M M Bakr, I M Azzouz, T H Maram and A Kana; “Effect of temperature and pumping power on the photoluminescence properties of type-II CdTe/CdSe core-shell QDs”; Appl Surf Scien 257, 8634-8639, 2011 II TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 26 Lê Bá Hải, Luận án tiến sĩ, Chế tạo nghiên cứu tính chất quang chấm lượng tử bán dẫn CdSe, CdSe/CdS, Viện Khoa học Vật liệu, 2010 27 Nguyễn Xuân Ca, Luận án tiến sĩ, Chế tạo nghiên cứu tính chất quang nano tinh thể lõi/vỏ loại II CdS/ZnSe, Học viện khoa học Công nghệ Việt Nam, 2016 28 Nguyễn Trung Kiên, luận văn thạc sỹ, Chế tạo nghiên cứu tính chất quang chấm lượng tử CdS/ZnSe, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội, 2014 29 Lê Thị Hoa, lun thc s, Chế tạo nghiên cứu tính chất quang cấu trúc nano dị chất loại II CdTe/CdSe, Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên, 2018 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn ... tài nghiên cứu là: “ Nghiên cứu ảnh hưởng cơng suất kích thích nhiệt độ đến tính chất quang nano tinh thể lõi/ vỏ CdTe/ CdSe ” Mục đích nghiên cứu - Chế tạo thành công NC lõi/ vỏ CdTe/ CdSe - Nghiên. .. THỊ HỒNG GẤM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT KÍCH THÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ LÕI/VỎ CdTe/ CdSe Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ... - Nghiên cứu ảnh hưởng cơng suất kích thích nhiệt độ đến tính chất quang huỳnh quang chúng Nội dung nghiên cứu - Chế tạo NC lõi/ vỏ CdTe/ CdSe với kích thước lõi CdTe, chiều dày lớp vỏ CdSe khác