(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bức xạ năng lượng cao đến các tính chất của chấm lượng tử cdte định hướng ứng dụng trong môi trường vũ trụ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG VIỆT TIỆP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI BỨC XẠ NĂNG LƯỢNG CAO ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdTe ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG VŨ TRỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG VIỆT TIỆP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI BỨC XẠ NĂNG LƯỢNG CAO ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdTe ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG VŨ TRỤ Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện Nanơ Chun ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH BÌNH Hà Nội - 2011 i MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe 1.1 Giới thiệu vật liệu nano 1.2 Tính chất chung CdTe 1.2.1 Tính chất cấu trúc 1.2.2 Tính chất quang .10 1.2.3 Ảnh hưởng điều kiện bên ngồi lên tính chất CdTe 11 1.3 Ứng dụng .14 1.3.1 Ứng dụng vật liệu nano 14 1.3.2 Ứng dụng nano tinh thể CdTe .17 CHƢƠNG 2:KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 19 2.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 19 2.2 Chế tạo mẫu .20 2.3 Xử lý mẫu 21 2.4 Kỹ thuật đo phổ hấp thụ 22 2.5 Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang .25 2.6 Kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang 26 CHƢƠNG 3:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Ảnh hưởng xạ tia X .29 3.1.1 Phổ hấp thụ .29 3.1.2 Phổ huỳnh quang 30 ii 3.2 Ảnh hưởng xạ tia Gamma 31 3.2.1 Phổ hấp thụ 31 3.2.2 Phổ huỳnh quang 32 3.2.3 Thời gian sống .33 3.3 Ảnh hưởng xạ Nơtron nhiệt 38 3.3.1 Phổ hấp thụ 38 3.3.2 Phổ huỳnh quang 39 3.4 Ảnh hưởng xạ photon hãm 40 3.4.1 Phổ hấp thụ 40 3.4.2 Phổ huỳnh quang 41 3.4.3 Thời gian sống .42 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1.Số nguyên tử lượng bề mặt hạt nano cấu tạo từ nguyên tử giống Bảng 1.2.Các thông số mạng tinh thể số hợp chất thuộc nhóm A2B6 Bảng 1.3 Các thơng số vùng lượng CdTe Bảng 1.4.Ước tính sản lượng loại vật liệu thiết bị nano khác giới sở tổng quan Tạp chí Hóa học Quốc tế (2003 - 2004 ) nghiên cứu thị trường (BCC 2001) Bảng 1.5.Sản lượng điện pin mặt trời sản xuất toàn giới Bảng 3.1.Các giá trị khớp theo hàm stretched-exponential đường cong suy giảm phát quang chấm lượng tử CdTe theo bước sóng, mẫu khơng xử lý mẫu CdTe chiếu xạ tia Gamma iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1.Một số thực thể từ nhỏ nguyên tử ( kích thước khoảng angstron) đến lớn tế bào động vật (khoảng vài chục micron) Hình 1.2 Mối quan hệ tỉ số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử với số lớp nguyên tử khác cấu trúc nano Hình 1.3 Sự thay đổi hình thái từ tinh thể dạng khối tới chấm lượng tử dẫn tới cấu trúc vùng lượng hàm mật độ trạng thái chất bán dẫn thay đổi theo Hình 1.4 Cấu trúc mạng tinh thể giả kẽm liên kết tứ diện đối xứng lập phương (a) cấu trúc vùng Brillouin(b) Hình 1.5 Cấu trúc vùng lượng CdTe Hình 1.6 Phổ hấp thụ (trái) phổ phát xạ (phải) chấm lượng tử CdTe bọc TGA (thiolglycolic acid) dung môi H2O Màu sắc chấm lượng tử thay đổi từ đỏ đến xanh ứng với giảm dần kích thước trung bình chấm lượng tử Hình 1.7 Phổ huỳnh quang chấm lượng tử keo CdTe kích cỡ khác nhau, tăng khoảng 2-20 nm Hình 1.8.Phổ hấp thụ phổ huỳnh quang QDs tình tổng hợp Hình 1.9 Phổ hấp thụ (a) vị trí đỉnh phổ (b) mầm chấm lượng tử CdTe sau xử lí nhiệt độ cơng suất khác lị vi sóng Hình 1.10 Phổ huỳnh quang (a) độ bán rộng đỉnh huỳnh quang (b)của mầm chấm lượng tử CdTe sau xử lý nhiệt cơng suất khác lị vi sóng Hình 1.11 Phổ hấp thụ (a) vị trí đỉnh phổ (b) chấm lượng tử CdTe khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt lò vi sóng Hình 1.12 Phổ huỳnh quang (a) độ bán rộng đỉnh phổ (b) chấm lượng tử CdTe khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt lò vi sóng Hình 1.13 Mặt cắt ngang tế bào lượng mặt trời mỏng CdTe Hình 1.14.MW CdTe PV Array, Waldpolenz, Đức Hình 2.1 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu CdTe QDs tổng hợp 120o sau phút Trên góc ảnh TEM phân giải cao v Hình 2.2 Các mẫu CdTe chiếu xạ với điều kiện khác nhau: Chiếu xạ photon hãm, chiếu xạ Nơtron nhiệt, không chiếu xạ, chiếu xạ Gamma, chiếu xạ tia X (từ trái qua phải) với tỉ lệ nồng độ 100µl:1600µl Hình 2.3 Hệ đo phổ hấp thụ Cary 5000 (Viện Khoa học Vật liệu) Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ đo hấp thụ quang học UV-VIS-NIR Hình 2.5 Hệ đo phổ huỳnh quang Cary Eclipse Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý máy phổ kế huỳnh quang Hình 2.7 Nguyên lý phép đo TCSPC Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ đo TCSPC Hình 3.1 Phổ hấp thụ CdTe chiếu xạ tia X Hình 3.2 Phổ huỳnh quang CdTe chiếu xạ tia X Hình 3.3 Phổ hấp thụ CdTe chiếu xạ tia Gamma Hình 3.4 Phổ huỳnh quang CdTe chiếu xạ tia Gamma Hình 3.5 (a)Đường cong suy giảm phát quang phát xạ exciton từ chấm lượng tử CdSe 620 nm ± nm (đường màu xám) đường khớp singleexponential (màu đỏ) (giá trị   0.99 khớp theo stretched-exponential, gần với 1), hình góc tương ứng vẽ theo thang log cường độ phát quang; (b) tốc độ phát xạ exciton phụ thuộc vào tần số phát quang chấm lượng tử CdTe [12] Hình 3.6 Đồ thị phụ thuộc theo bước sóng thời gian sống chấm lượng tử CdTe không xử lý CdTe chiếu xạ tia Gamma Hình 3.7 Các trạng thái exciton sáng ( 0U , 1U , 1L ); trạng thái exciton tối ( L , 2 ) trạng thái bề mặt trap ( Trap ) Sự phát xạ exciton sáng ứng với trình 1, 3, Hình 3.8 Phổ hấp thụ CdTe chiếu xạ Nơtron nhiệt Hình 3.9 Phổ huỳnh quang CdTe chiếu xạ Nơtron nhiệt Hình 3.10 Phổ hấp thụ CdTe chiếu xạ photon hãm Hình 3.11 Phổ huỳnh quang CdTe chiếu xạ photon hãm Hình 3.12 Đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm Hình 3.13 Đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe - P sau chiếu tuần sau chiếu tuần LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây, nghiên cứu chế tạo ứng dụng chấm lượng tử QDs đề tài thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới Trong hệ chấm lượng tử chấm lượng tử dựa hợp chất A2B6 nghiên cứu nhiều Các vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng, phổ hấp thụ nằm vùng nhìn thấy phần nằm miền tử ngoại gần, có hiệu suất phát xạ lớn, thích hợp với nhiều ứng dụng thực tế Chấm lượng tử nhóm A2B6 CdS, CdSe, CdTe có tiềm ứng dụng lĩnh vực đa dạng, ví dụ linh kiện chuyển đổi lượng mặt trời, linh kiện quang điện tử, detector siêu nhậy, linh kiện phát sáng (QD-LED), ứng dụng y-sinh ảnh phân tử tế bào [18], cảm biến sinh học nano (nano-biosensor) [25] Có thể nói thời đại chấm lượng tử có nhiều ứng dụng hứa hẹn bật chấm lượng tử lĩnh vực kể Việc cố gắng tập trung vào chấm lượng tử nano Stranski-Krastanow cho thấy độ chịu đựng xạ cao hiệu ứng giam giữ lượng tử chiều chí cho thấy cường độ huỳnh quang tăng lên [16] chất lượng laser diode tăng sau có lượng đáng kể proton [22] Từ độ chịu đựng xạ cao từ vũ trụ lợi tiềm khác để sử dụng nano tinh thể làm cảm biến sinh học ứng dụng vũ trụ Đặc tính trội chấm lượng tử hiệu ứng giam giữ lượng tử kích thước giảm xuống cỡ nm Hiệu ứng dẫn đến hạt tải tích điện bị giam giữ mặt khơng gian, bên thể tích bé nano tinh thể Hệ mức lượng điện tử lỗ trống từ chỗ liên tục tinh thể khối trở nên gián đoạn, hấp thụ quang học mức lượng cho phép xác định hình dạng, kích thước chấm lượng tử Do hiệu ứng này, người ta sử dụng kích thước chấm lượng tử để thay đổi khoảng rộng xác, lượng trạng thái điện tử gián đoạn dịch chuyển quang học Kết nhà khoa học thay đổi phát xạ ánh sáng từ hạt chấm lượng tử này, từ phổ tử ngoại, nhìn thấy, hồng ngoại gần tới vùng hồng ngoại Các hạt chấm lượng tử tạo nhiều tính chất quang nhân hạt tải (carrier multiplication), đơn hạt nhấp nháy (single-particlen blinking) truyền tín hiệu phổ [10] Một ứng dụng chấm lượng tử CdTe nhà nghiên cứu, công nghệ đặc biệt quan tâm sử dụng làm linh kiện quang - điện tử Các linh kiện quang điện tử sử dụng chấm lượng tử CdTe có kích thước nhỏ, hiệu suất cao thích hợp sử dụng điều kiện vũ trụ Tuy nhiên điều kiện vũ trụ, linh kiện, vật liệu chịu tác động điều kiện khắc nghiệt thay đổi nhiệt độ lớn, ảnh hưởng trực tiếp tia vũ trụ tia , tia , tia X… Nhằm đánh giá khả sử dụng vật liệu CdTe QDs điều kiện vũ trụ chọn “Nghiên cứu ảnh hưởng loại xạ lượng cao đến tính chất chấm lượng tử CdTe định hướng ứng dụng môi trường vũ trụ” đề tài luận văn Luận văn lời mở đầu phần kết luận, luận văn gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu chung CdTe, tính chất chung CdTe ứng dụng chúng đời sống Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm: Trình bày phương pháp chế tạo mẫu xử lý mẫu Kỹ thuật đo phổ hấp thụ Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang Kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang Chương 3: Kết thảo luận: Trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng xạ: xạ tia X, xạ gamma, xạ nơtron nhiệt xạ photon hãm lên tính chất quang học chấm lượng tử CdTe thông qua phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang CdTe Phần kết luận: Tổng hợp kết mà luận văn đạt CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe 1.1 Giới thiệu vật liệu nano Vật liệu nano (nano materials) lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động thời gian gần Điều thể số cơng trình khoa học, số phát minh sáng chế, số công ty có liên quan đến khoa học, cơng nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Con số ước tính số tiền đầu tư vào lĩnh vực lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 Khi ta nói đến nano nói đến phần tỷ đó, ví dụ, nano giây khoảng thời gian phần tỷ giây Cịn nano mà dùng có nghĩa nano mét, phần tỷ mét Nói cách rõ vật liệu chất rắn có kích thước nm yếu tố quan trọng mà làm việc vật liệu trạng thái rắn Vật liệu nano thuật ngữ phổ biến, khơng phải có khái niệm rõ ràng thuật ngữ Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, cần biết hai khái niệm có liên quan khoa học nano (nanoscience ) công nghệ nano (nanotechnology ) Theo viện hàn lâm hoàng gia Anh: Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Công nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị, hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước quy mô nano mét Vật liệu nano đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải khoảng rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để có số dễ hình dung, ta có cầu có bán kính bóng bàn thể tích đủ để làm nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, ta xếp hạt thành hàng dài độ dài chúng ngàn lần chu vi trái đất Tính chất thú vị vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước chúng nhỏ bé so sánh với kích thước tới hạn nhiều tính chất hóa lí vật liệu Chỉ vấn đề kích thước thơi khơng có đáng nói, điều đáng nói kích thước vật liệu nano đủ nhỏ để so sánh với kích thước tới hạn số tính chất Vật liệu nano nằm tính chất lượng tử nguyên tử tính chất khối vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn tính chất nhỏ so với độ lớn vật liệu, vật liệu nano điều khơng nên tính chất khác lạ nguyên nhân 34 chúng tơi sử dụng có kích thước khơng đồng nhất, nên phổ phát xạ có dạng liên tục với độ bán rộng phổ lớn (48 nm) Chúng khảo sát thời gian sống trung bình chấm lượng tử CdTe toàn vùng phổ phát xạ, từ 480 nm đến 620 nm nồng độ 3.3×10-4 M Dữ liệu đo thời gian sống trung bình Chấm lượng tử khớp theo dạng hàm stretched-exponential cho Bảng 3.1 Bảng 3.1.Các giá trị khớp theo hàm stretched-exponential đường cong suy giảm phát quang chấm lượng tử CdTe theo bước sóng, mẫu khơng xử lý mẫu CdTe chiếu xạ tia Gamma CdTe-org CdTe-Gamma λ CdTe-org 0h 480 21.32 490 7ngay 14ngay 30 23.40 24h (1ngay) 23.22 22.65 21.45 21.40 24.02 26.91 26.29 26.01 25.60 24.54 500 28.62 30.10 29.64 29.47 29.21 28.67 510 28.38 30.60 30.39 30.34 30.26 29.58 520 29.11 30.89 30.92 30.94 30.70 29.92 530 30.45 31.44 31.39 30.90 30.77 30.82 540 31.09 31.99 31.37 31.12 31.13 31.18 550 31.13 31.93 31.20 31.11 31.31 31.33 560 31.15 31.92 31.77 31.42 31.67 31.58 570 31.49 32.00 31.79 31.75 31.82 31.65 580 32.15 32.96 32.56 32.49 32.26 32.22 590 32.59 33.45 32.95 32.78 32.46 32.32 600 32.96 33.81 33.35 33.31 32.97 33.09 610 33.81 34.33 34.21 34.12 34.02 33.73 620 33.93 35.25 34.93 34.53 34.54 34.50 35 36 CdTe- CdTe- G(0h) CdTe- G(1ngay) 34 Thoi gian song (ns) 32 30 (a) 28 26 24 22 20 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 580 600 620 640 Buoc song (nm) 36 CdTe- G(7ngay) CdTe- G(14ngay) CdTe- G(30ngay) 34 Thoi gian song (ns) 32 30 (b) 28 26 24 22 20 460 480 500 520 540 560 Buoc song (nm) Hình 3.6 Đồ thị phụ thuộc theo bước sóng thời gian sống chấm lượng tử CdTe không xử lý CdTe chiếu xạ tia Gamma Hình 3.6 biểu diễn thời gian sống chấm lượng tử CdTe phụ thuộc theo bước sóng Hình a) màu đen biểu diễn thời gian sống theo bước sóng phát xạ mẫu CdTe khơng chiếu xạ (CdTe- 0), màu đỏ biểu diễn thời gian sống theo bước sóng phát xạ mẫu CdTe chiếu xạ tia gamma sau chiếu (CdTe- G(0h)) màu xanh biểu diễn thời gian sống theo bước sóng mẫu CdTe chiếu xạ tia gamma sau ngày(CdTe- G(1ngay)) Hình b) màu đen biểu diễn thời gian sống 36 theo bước sóng mẫu CdTe chiếu xạ tia gamma sau ngày(CdTe- G(7ngay)), màu đỏ biểu diễn thời gian sống theo bước sóng mẫu CdTe chiếu xạ tia gamma sau 14 ngày(CdTe- G(14ngay)) màu xanh biểu diễn thời gian sống theo bước sóng mẫu CdTe chiếu xạ tia gamma sau 30 ngày(CdTe- G(30ngay)) Nhìn vào đồ thị ta thấy mẫu CdTe chiếu xạ tia Gamma thời gian sống tăng lên Δ= ns có xu hướng quay lại vị trí mẫu không chiếu xạ Thời gian sống phát quang giải thích theo q trình động học hình 3.7 0U 1U 0L 1L 2 Trap G Hình 3.7 Các trạng thái exciton sáng ( 0U , 1U , 1L ); trạng thái exciton tối ( L , 2 ) trạng thái bề mặt trap ( Trap ) Sự phát xạ exciton sáng ứng với trình 1, 3, Giả sử chấm lượng tử CdTe có cấu trúc exciton biên vùng cho hình 3.7 Kết khảo sát thời gian sống exciton chấm lượng tử theo bước sóng phát xạ giải thích dựa trình động học exciton chấm lượng tử CdTe.[14] Với mẫu CdTe chiếu xạ tia Gamma, thời gian sống trung bình exciton khảo sát bước sóng 480 nm 23.40ns (ngay sau chiếu xạ) tăng ns so với thời gian sống trung bình exciton mẫu CdTe khơng chiếu xạ Tại bước sóng 490 nm, thời gian sống mẫu chiếu xạ 26.91 ns, mẫu không chiếu xạ 24.02 ns Tương tự bước sóng lớn hơn, ta thu thời gian sống trung bình exciton tăng dần Như vậy, thời gian sống trung bình exciton tăng dần theo bước sóng phát xạ (tương đương theo tăng dần kích thước chấm lượng tử) Ta 37 thấy rõ điều đồ thị hình 3.6 Giải thích cho tăng dần thời gian sống trung bình mẫu sau chiếu xạ, kích thích chùm Gamma lượng cao vào chấm lượng tử làm liên kết Cd-Te cấu trúc mạng tinh thể CdTe thay đổi, làm cho gián đoạn mức lượng chấm lượng tử giảm dần, khoảng cách mức lượng exciton giảm dần, điều làm cho thời gian sống phát quang trung bình exciton tăng dần Đường cong suy giảm phát quang exciton có dạng multiexponential phức tạp Do hỗn hợp chấm lượng tử có kích thước hình dạng khơng đồng nhất, phát xạ bước sóng đóng góp nhiều chấm lượng tử, kết hợp với trình động học khác truyền lượng va chạm theo chế Förster làm cho đường cong suy giảm phát quang chấm lượng tử tăng không đồng đều.[29] Kết luận: Sau chiếu xạ tia Gamma phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang mẫu CdTe QDs chiếu xạ không chiếu xạ không bị thay đổi dạng nhiên đỉnh phổ bị dịch phía bước sóng dài có độ dịch đỉnh Δ= nm Điều giải thích mẫu chiếu xạ số nút mạng tinh thể bị lệch khỏi vị trí cân tạo nên sai hỏng mạng tinh thể làm thay đổi mức lượng CdTe Sau chiếu xạ, theo thời gian đỉnh phổ huỳnh quang CdTe QDs có xu hướng dịch vị trí cũ trước chiếu xạ Điều nói lên hồi phục mạng tinh thể CdTe QDs Các kết đo thời gian sống huỳnh quang cho thấy mẫu sau chiếu xạ thời gian sống huỳnh quang bị thay đổi nhiên thay đổi không nhiều Δ= ns phép đo thời gian sống xác định tập hợp CdTe QDs có kích thước khác 38 3.3 Ảnh hƣởng xạ Nơtron nhiệt 3.3.1 Phổ hấp thụ 0.10 CdTe- CdTe- N Cuong chuan hoa 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 Buoc song (nm) Hình 3.8 Phổ hấp thụ CdTe chiếu xạ Nơtron nhiệt Hình 3.8.biểu diễn phổ hấp thụ mẫu CdTe chiếu xạ Nơtron nhiệt phổ hấp thụ mẫu không chiếu xạ Đường màu đen biểu diễn phổ hấp thụ mẫu CdTe không chiếu xạ (CdTe- 0) đường màu đỏ biểu diễn phổ hấp thụ mẫu CdTe chiếu xạ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be- phát nơtron (CdTe- N) Phổ hấp thụ mẫu chiếu xạ mẫu khơng chiếu xạ gần trùng khít Đỉnh hấp thụ mẫu CdTe- N có bước sóng 522 nm, không thay đổi so với mẫu không chiếu xạ Ta thấy tác động chùm Nơtron nhiệt, phổ hấp thụ mẫu CdTe chiếu xạ không thay đổi so với phổ hấp thụ mẫu không chiếu xạ Điều nói lên cường độ chùm Nơtron nhiệt lớn gấp lần cường độ chùm Gamma chùm Nơtron nhiệt không làm ảnh hưởng đến cấu trúc chấm lượng tử CdTe 39 3.3.2 Phổ huỳnh quang CdTe- CdTe- N CdTe- N sau2thang Cuong chuan hoa 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Buoc song (nm) Hình 3.9.Phổ huỳnh quang CdTe chiếu xạ Nơtron nhiệt Hình 3.9 biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ nguồn nơtron đồng vị Pu-Be- phát nơtron phổ huỳnh quang mẫu không chiếu xạ Đường màu đỏ biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe sau chiếu xạ (CdTeN) có bước sóng đỉnh 563 nm Đường màu xanh da trời biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ Nơtron sau tháng (CdTe- N sau2thang) có bước sóng đỉnh 561 nm Đường màu đen biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe không chiếu xạ (CdTe- 0) có bước sóng đỉnh 561 nm Ta thấy mẫu CdTe sau chiếu xạ Nơtron nhiệt đỉnh huỳnh quang dịch phía bước sóng dài so với mẫu khơng chiếu xạ, độ dịch bước sóng đỉnh Δ = nm Sau tháng đỉnh huỳnh quang mẫu chiếu xạ dịch vị trí đỉnh huỳnh quang mẫu ban đầu Kết luận: Đối với mẫu CdTe chiếu xạ Nơtron nhiệt, ta thấy phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang mẫu chiếu xạ mẫu khơng chiếu xạ có dạng phổ (không thay đổi cấu trúc phổ) Đỉnh huỳnh quang mẫu sau chiếu xạ dịch Δ = nm Tuy cường độ chùm Nơtron chưa đủ lớn để làm thay đổi cấu trúc chấm lượng tử CdTe 40 3.4 Ảnh hƣởng xạ photon hãm 3.4.1 Phổ hấp thụ 0.10 CdTe- CdTe- P Cuong chuan hoa 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 Buoc song (nm) Hình 3.10 Phổ hấp thụ CdTe chiếu xạ photon hãm Hình 3.10 biểu diễn phổ hấp thụ mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm phổ hấp thụ mẫu không chiếu xạ Đường màu đen biểu diễn phổ hấp thụ mẫu CdTe không chiếu xạ (CdTe- 0) đường màu đỏ biểu diễn phổ hấp thụ mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm (CdTe- P) Đỉnh hấp thụ mẫu CdTe- P có bước sóng 537 nm Đỉnh hấp thụ mẫu CdTe- P dịch so với vị trí đỉnh hấp thụ mẫu không chiếu xạ Δ = 15 nm Sau tháng đo lại phổ hấp thụ mẫu CdTe- P, bước sóng đỉnh 530 nm Có dịch đỉnh phổ phía bước sóng ngắn, độ dịch đỉnh Δ = nm Với mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm, đỉnh phổ hấp thụ dịch phía bước sóng dài, nói lên tương tác chùm photon hãm lên cấu trúc chấm lượng tử CdTe Tuy nhiên theo thời gian đỉnh phổ hấp thụ mẫu CdTe chiếu xạ có xu hướng dịch vị trí cân (vị trí đỉnh phổ hấp thụ mẫu CdTe không chiếu xạ) 41 3.4.2 Phổ huỳnh quang CdTe- CdTe- P CdTe- P sau2thang CdTe- P sau4thang Cuong chuan hoa 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Buoc song (nm) Hình 3.11.Phổ huỳnh quang CdTe chiếu xạ photon hãm Hình 3.11 biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm Màu đỏ biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe sau chiếu xạ xạ photon hãm (CdTe- P) có bước sóng đỉnh 589 nm Màu xanh da trời biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm sau tháng (CdTe- P sau thang) có bước sóng đỉnh 581 nm Màu xanh lục biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm sau tháng có bước sóng đỉnh 578 nm Màu đen biểu diễn phổ huỳnh quang mẫu CdTe không chiếu xạ (CdTe- 0) có bước sóng đỉnh 561 nm Phổ huỳnh quang cho thấy mẫu CdTe QDs trước sau chiếu xạ có dạng phổ (khơng thay đổi cấu trúc phổ), độ rộng phổ mẫu khác kích thích với bước sóng khơng đổi, nhiên đỉnh bị dịch phía bước sóng dài Đỉnh phổ huỳnh quang mẫu CdTe sau chiếu xạ dịch 28 nm so với trước chiếu xạ mẫu chiếu xạ để sau tháng đỉnh huỳnh quang dịch 17 nm so với trước chiếu xạ Sự dịch đỉnh phổ huỳnh quang phổ hấp thụ phía bước sóng dài (năng lượng thấp) chấm lưởng tử CdTe sau chiếu xạ tương tự việc dịch đỉnh phổ phát xạ thường quan sát thấy chấm lượng tử vật liệu nano bán dẫn nói chung kích thước chấm lượng tử tăng giảm lượng vùng cấm Tuy nhiên trường hợp không cho việc dịch đỉnh phổ gây thay đổi kích thước chấm lượng tử mà chiếu xạ mạng tinh thể CdTe bị thay đổi, số nút mạng bị lệch khỏi vị trí cân kéo theo cấu trúc vùng lượng bị thay đổi, sau chiếu xạ, theo thời gian nút mạng có 42 xu hướng hồi phục vị trí cân đỉnh phổ huỳnh quang hồi phục vị trí cũ 3.4.3 Thời gian sống Phép đo thời gian sống huỳnh quang cung cấp nhiều thông tin vật liệu, cho phép nghiên cứu q trình động học hạt tải, q trình sinh hóa, hóa học hay trình trao đổi lượng Biết thời gian sống huỳnh quang có xác định chế độ làm việc vật liệu linh kiện sử dụng vật liệu Cuong chuan hoa CdTe- CdTe- P 0.1 0.01 50 100 150 200 250 Thoi gian (ns) Hình 3.12 Đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm Trên hình ảnh đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm Đường màu đỏ biểu diễn đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm Đường màu đen biểu diễn đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe khơng chiếu xạ Nhìn vào đường cong suy giảm huỳnh quang ta dễ dàng thấy có nhiều thời gian sống huỳnh quang mẫu QDs CdTe Điều giải thích mẫu CdTe tập hợp QDs có kích thước khác nhau, QDs có kích thước khác cho thời gian sống khác Ở ta xác định xác thời gian sống huỳnh quang chấm lượng tử mà xác định thời gian sống huỳnh quang trung bình mẫu CdTe QDs Thời gian sống huỳnh quang mẫu không chiếu xạ 21 ns Mẫu CdTe chiếu xạ photon hãm có thay đổi đáng kể 27 ns, kết phù hợp với kết đo huỳnh quang giải thích thay đổi tinh thể điều kiện chiếu xạ 43 Mẫu chiếu xạ sau thời gian đo lại thời gian sống huỳnh quang (Hình 3.13) Kết cho thấy khơng có thay đổi nhiều thời gian sống huỳnh quang xác định thời gian sống huỳnh quang trung bình tập hợp hạt CdTe QDs có kích thước khác Cụ thể, thời gian sống huỳnh quang mẫu chiếu xạ photon hãm sau tháng có thay đổi 26 ns Cuong chuan hoa CdTe- P1 CdTe- P2 0.1 0.01 50 100 150 Thoi gian (ns) 200 250 Hình 3.13 Đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe - P sau chiếu tuần sau chiếu tuần Trên Hình 3.13 đường cong suy giảm huỳnh quang mẫu CdTe –P sau chiếu tuần sau chiếu tuần Trong đó, mẫu CdTe –P1 mẫu sau chiếu xạ tuần (màu đen), CdTe- P2 mẫu sau chiếu xạ tuần (màu đỏ) Thời gian sống huỳnh quang mẫu chiếu xạ xạ photon hãm CdTe – P hai thời điểm khác khơng có thay đổi nhiều: 27 ns (sau chiếu tuần) 26 ns (sau chiếu tuần) Kết luận: Sau chiếu xạ photon hãm phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang mẫu CdTe QDs không bị thay đổi dạng nhiên đỉnh phổ bị dịch phía bước sóng dài Mẫu chiếu xạ photon hãm có độ dịch đỉnh lớn (28 nm sau chiếu) Thời gian sống huỳnh quang thay đổi Δ= ns sau chiếu xạ Điều nói lên với cường độ xạ photon hãm làm cho mạng tinh thể mẫu CdTe bị căng (strain) Theo thời gian đỉnh phổ huỳnh quang CdTe QDs có xu hướng dịch vị trí cũ trước chiếu xạ Đã có hồi phục mạng tinh thể CdTe QDs theo thời gian 44 KẾT LUẬN Các chấm lượng tử CdTe sau chế tạo nồng độ 3.3x10-4 Mol/l đưa vào chiếu xạ nguồn chiếu xạ khác nhau:  Bức xạ tia X ( lượng 0.0595MeV)  Bức xạ tia Gamma (năng lượng trung bình 1MeV)  Nơtron nhiệt (thơng lượng 106/s; lượng trung bình ~4MeV)  Bức xạ photon hãm (năng lượng cực đại 60MeV) nghiên cứu tính chất quang CdTe thơng qua phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang thời gian sống huỳnh quang Các kết thu cho thấy rằng: - Với thời gian chiếu xạ tuần, mẫu bị chiếu xạ từ nguồn xạ tia X, xạ Gamma, xạ nơtron nhiệt tính chất quang chấm lượng tử CdTe không thay đổi nhiều, đỉnh hấp thụ đỉnh phát xạ exciton khơng thay đổi bị dịch Điều giải thích lượng xạ tia X, xạ Gamma, xạ nơtron nhiệt chưa đủ lớn làm ảnh hưởng tới cấu trúc tinh thể chấm lượng tử thời gian chiếu xạ tuần chưa đủ dài ảnh hưởng tới cấu trúc mạng tinh thể CdTe khơng làm - thay đổi tính chất quang Với thời gian chiếu xạ 80 phút mẫu chiếu xạ photon hãm đỉnh hấp thụ exciton CdTe dịch tương đối lớn so với trước chiếu xạ (537 so với 522 nm trước chiếu xạ) Sau chiếu xạ đỉnh phổ hấp thụ có xu hướng dịch vị trí trước chiếu xạ Kết tương tự quan sát thấy phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdTe Trước chiếu xạ đỉnh phổ huỳnh quang chấm lượng tử CdTe 561 nm, sau chiếu xạ photon hãm đỉnh phổ huỳnh quang CdTe 589 nm Điều giải thích chiếu - xạ photon làm thay đổi cấu trúc chấm lượng tử, số nút mạng Cd-Te lệch khỏi vị trí cân làm thay đổi tính chất quang Tuy nhiên theo thời gian nút mạng có xu hướng hồi phục trạng thái ban đầu Các kết phép đo thời gian sống huỳnh quang cho thấy có thay đổi đáng kể thời gian sống huỳnh quang CdTe trước sau chiếu xạ xạ photon hãm Tuy nhiên kết thời gian sống huỳnh quang trung bình tất tập hợp chấm lượng tử có kích thước khác Để có hiểu biết kỹ ảnh hưởng chiếu xạ cần thiết phải nghiên cứu chấm lượng tử riêng biệt 45 Để có nghiêu cứu sâu ảnh hưởng xạ tới tính chất quang chấm lượng tử cần phải kết hợp nghiên cứu mơ hình lý thuyết (simulation) với nghiên cứu thực nghiệm để tính tốn liều lượng, thời gian xạ ảnh hưởng tới cấu trúc chấm lượng tử trước tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Do hạn chế thời gian nên luận văn số vấn đề trình bày chắn cịn thiếu sót Trong thời gian tới tiếp tục nghiên cứu 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt PGS.TS Phạm Văn Bền, 2002, Bài giảng huỳnh quang, Trường đại học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Trịnh Thị Kim Chi, 2010, “Hiệu ứng kích thước ảnh hưởng lên tính chất quang CdS, CdSe CuInS2”, luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu, Viện khoa học công nghệ Việt Nam, Hà Nội Trịnh Đình Huy, “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thành công hệ máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse”,luận văn thạc sỹ vật lý, quang học K15, Viện Vật lý Vũ Thị Thắm, ―Chế tạo, nghiên cứu khảo sát số tính chất quang vật liệu nano ZnS:Mn‖, luận văn thạc sĩ khoa học vật lý, ĐHKHTN – ĐHQGHN, Hà Nội Ứng Thị Diệu Thúy, Phạm Song Toàn, Nguyễn Quang Liêm, Trần Thị Kim Chi, Đinh Duy Khang, Nguyễn Quang Liêm; 2010; ―CdTe quantum dots for an application in the life sciences‖, Nanosci Nanotechnol (2010) 045009 (5pp) Dương Anh Tuấn, Trịnh Đức Thiện, Nguyễn Văn Hùng Phạm Văn Vĩnh, 2009, “Ảnh hưởng việc chiếu xạ sóng Viba lị vi sóng lên tính chất quang chấm lượng tử CdTe nước”, Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội 7.http://hoahoctvu.forumvi.com/search?search_author=langthang&show_re sults=posts Tiếng Anh M Cardona, K L Shaklee, and F H Pollak, Phys Rev 154 (1967) 696 9.Patrick Ted-Khong Chin ―Luminescent Properties of Semiconductor Nanocrystals‖ Eindhoven University of Technology 10 B O Dabbousi et al., "(CdSe)ZnS Core-Shell quantum dots: synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites", J Phys Chem B Vol 101, p 9463 (1997) 11 C de Mello Donegá, M Bode, A Meijerin (2006), Phys Rev B 74, 085320 12 A F van Driel, G Allan, C Delerue, P Lodahl, W L Vos, and D Vanmaekelbergh (2005), Phys Rev Lett.95, 236804 47 13.Drummen G P C (2010), "Quantum Dots—From Synthesis to Applications in Biomedicine and Life Sciences", International Journal of Molecular Sciences 11, pp 154-163 14 Al L Efros and M Rosen (1996), Phys Rev B 54, 4843 15.http://en.wikipedia.org/wiki/Cadmium_telluride 16 R Leon, G M Swift, et.al ,"Changes in Luminescence Emission Induced by Proton Irradiation: InGaAs/GaAs Quantum Wells and Quantum Dots", Appl Phys Lett 76, 2071 (2000) 17 N Magnea, J L Pautrat, Properties of narrow gap semiconductors, London: Phys 71 (1992) 4523 18.Mahto S K., Park C., Yoon T H., Rhee S W (2010), "Assessment of cytocompatibility of surface-modified CdSe/ZnSe quantum dots for BALB/3T3 fibroblast cells", Toxicology in Vitro 24, pp 1070-1077 19 A L Mears and R A Stradling, Solid State Commun (1969) 1267 20 D de Nobel, Philips Res Rept 14 (1959) 430 21 K Oettinger, D M Hofmann, A L Efros, B K Meyer, M Salk, and K W Benz, J Appl 22 P G Piva, R D Goldberg, I V Mitchell, D Labrie, R Leon, S Charbonneau, Z R Wasilewski, and S Fafard, "Enhanced degradation resistance of quantum dot lasers to radiation damage", Appl Phys Lett 77, 624 (2000) 23 R Romestain and C Weisbuch, Phys Rev Letters 45 (1980) 2067 24.M Saraf, A Sashchiuk and E Lifshitz, (2009) 012024, “Energy Transfer among CdTe tetrapod nanocrystals”, IOP Conf Series: Materials Science and Engineering 25 Smith A M., Mohs A M., Nie S (2009), "Tuning the optical and electronic properties of colloidal nanocrystals by lattice strain", Nature Nanotechnology 4, pp 56-63 26.S P Tobin and et al, J Electron Mater (1995) 697 ISPEC (1994) 339 27 M G Williams, R D Tomlinson, and M J Hampshire, Solid State Commun (2003) 1831 28 A Wolcott, D Gerion, M Visconte, J Sun, A Schwartzberg, S.W Chen and J.Z Zhang (2006), J Phys Chem B 110, 5779 29 Jin Zhong Zhang (2009), Optical properties and spectroscopy of nanomaterials, World Scientific Publishing Co Pte Ltd., Singapore 48 Các cơng trình cơng bố có liên quan đến luận văn: Phùng Việt Tiệp, Phạm Đức Kh, Nguyễn Đình Hồng, Nguyễn Thị Thanh Bảo, Đào Duy Thắng, Nguyễn Thanh Bình Vũ Thị Bích, ―Ảnh hưởng chùm xạ Photon hãm lên tính chất quang chấm lượng tử CdTe dung dịch nước‖, Kỷ yếu hội nghị Vật lý chất rắn khoa học vật liệu tồn quốc lần thứ 7,TP Hồ Chí Minh tháng 9/2011 (Sẽ xuất tháng 3/2012) Đào Duy Thắng, Phùng Việt Tiệp, Nguyễn Đình Hồng, Nguyễn Thị Thanh Bảo, Vũ Thị Bích, Nguyễn Thanh Bình, Đinh Văn Trung, ―Thời gian sống trung bình exciton biên vùng từ chấm lượng tử CdTe CdSe dạng keo nhiệt độ phòng‖, Kỷ yếu hội nghị Vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 7,TP Hồ Chí Minh tháng 9/2011 (Sẽ xuất tháng 3/2012) Các cơng trình khác: Nguyen Dinh Hoang, Nguyen Thanh Binh, Nguyen Trong Nghia, Do Quoc Khanh, Dao Duy Thang, Phung Viet Tiep, Nguyen Dai Hung (2008), ―Two-photon fluorescence spectroscopy of biomedical fluorophores using passively mode-locked Nd:YVO4 laser excitation‖, Proc of 5th National Conference on Optics and Spectroscopy, pp 772-776 Nguyen Trong Nghia, Do Quoc Khanh, Dao Duy Thang, Phung Viet Tiep, A S Grabtchikov, V.A Orlovich and Nguyen Dai Hung (2009), ―Diode-pumped Nd: doped lasers passively q-switched with a Cr4+: YAG crystal or a semiconductor saturable absorber mirror‖, Proc of The 5th Asian Symposium on Intense Laser Science (ASILS-5), pp 270-276 Dao Duy Thang, Nguyen Dinh Hoang, Phung Viet Tiep, Nguyen Thanh Binh and Dinh Van Trung (2010), ―Development of a time-correlated single photon counting system for fluorescence life-time measurements‖, Proc of the First Academic Conference on Natural Science for Master and Phd Students from Cambodia – Laos – Vietnam, pp 351-356 Dinh-V-Trung, Dao Duy Thang, Nguyen Dinh Hoang, Phung Viet Tiep (2010), ―A compact picosecond diode laser: Design and characterization‖, Proc of The 6th International Conference on Photonics and Applications, pp 113-116 ... HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG VIỆT TIỆP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI BỨC XẠ NĂNG LƯỢNG CAO ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdTe ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG VŨ TRỤ Chuyên... khả sử dụng vật liệu CdTe QDs điều kiện vũ trụ chọn ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng loại xạ lượng cao đến tính chất chấm lượng tử CdTe định hướng ứng dụng môi trường vũ trụ? ?? đề tài luận văn Luận văn lời... năm gần đây, nghiên cứu chế tạo ứng dụng chấm lượng tử QDs đề tài thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới Trong hệ chấm lượng tử chấm lượng tử dựa hợp chất A2B6 nghiên cứu nhiều Các vật liệu