Luận văn Thạc sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu đo đạc đặc trưng phát xạ của đơn hạt quantum dots

Đề tài có cáu trúc gồm 3 trình bày tổng quan về chấm lượng tử, cơ chế đặc trưng và phát xạ, phương pháp quang phổ đo đạc đơn hạt nano, đo đạc phát quang từ các đơn hạt chấm lượng tử và hiệu ứng chống bó. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Hồ Đăng Thành NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC ĐẶC TRƯNG PHÁT XẠ CỦA ĐƠN HẠT QUANTUM DOTS LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hồ Đăng Thành NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC ĐẶC TRƯNG PHÁT XẠ CỦA ĐƠN HẠT QUANTUM DOTS Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đinh Văn Trung Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn công trình nghiên cứu tơi, hồn thành hướng dẫn PGS TS Đinh Văn Trung Bản luận văn không chép từ tài liệu người khác mà không xin phép tham khảo trích dẫn Kết thực luận văn không chép từ kết khác Nếu vi phạm hai điều này, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo pháp luật Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Học viên Hồ Đăng Thành LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên, xin gửi tới thầy hướng dẫn mình, PGS TS Đinh Văn Trung, người giao đề tài luận văn trực tiếp hướng dẫn tơi Trong suốt q trình thực luận văn, tơi ln ln nhận hướng dẫn tận tình có điều kiện học hỏi từ kiến thức sâu rộng thầy Tôi xin cảm ơn hộ trợ đề tài khoa học công nghệ cấp Viện Hàn Lâm KHCN Việt Nam VAT.01.04/18-19 Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô, anh chị bạn công tác học tập Viện Vật lý Những người giữ cảm mến kính trọng đặc biệt Tơi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Thanh Bảo giúp cho tơi làm thí nghiệm đo quang phổ hấp hụ phát xạ chấm lượng tử Với tình cảm ấm áp, tơi xin gửi tới gia đình Nơi ln chổ dựa nguồn động lực lớn Cũng này, xin gửi lời cảm ơn tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp trường THPT Nguyễn Trãi, bạn lớp cao học vật lí chất rắn khố K2017B, người đồng chí thân u ln ln chia sẽ, giúp đỡ sống, học tập lao động Xin kính chúc tất người sức khoẻ, bình an thắng lợi MỤC LỤC PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ, CƠ CHẾ VÀ ĐẶC TRƯNG PHÁT XẠ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ 1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT XẠ CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ 11 1.2.1 Nguyên lý kỹ thuật TCSPC 12 1.2.2 Các khối chức kỹ thuật TCSPC 15 1.3 HIỆU ỨNG CHỐNG BÓ- ANTIBUNCHING 24 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ ĐO ĐẠC ĐƠN HẠT NANO 25 2.1 HỆ ĐO QUANG PHỔ ĐƠN HẠT NANO 25 2.1.1 Hệ quang học 26 2.2 THIẾT BỊ ĐO QUANG PHỔ HẤP THỤ VÀ PHÁT XẠ CHẤM LƯỢNG TỬ 27 CHƯƠNG ĐO ĐẠC ẢNH PHÁT QUANG TỪ CÁC ĐƠN HẠT CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ HIỆU ỨNG CHỐNG BÓ 32 3.1 ĐO ĐẠC PHÁT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ 32 3.2 ĐO ĐẠC HIỆU ỨNG CHỐNG BÓ 33 3.3 ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ ĐO ĐẠC 34 KẾT LUẬN 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ps: pico giây (10-12 giây) ns: nano giây (10-9 giây) nm: nano mét (10-9 mét) TCSPC: time-correlated single photon counting (đếm đơn photon tương quan thời gian) CFD: constant fraction discriminator (tách tín hiệu phần khơng đổi) TDC: time to digital converter (chuyển đổi thời gian số) PMT: photonmultiplier tube (ống nhân quang điện) MCP-PMT: microchannel plate photomultiplier tube (ống nhân quang vi kênh) TTL: transistor-transistor logic ECL: emitter-coupled logic DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào kích thước hạt Hình 1.2 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 1.3 (a) Phổ hấp thụ hạt nano vàng dạng cầu rỗng (hollow gold nanosphere - HGN) với đường kính và độ dày khác (b) Màu sắc dung dịch hạt nano vàng thay đổi ứng với thay đổi đường kính và độ dày hạt (hai lọ bên trái hạt vàng dạng cầu đặc) Hình 1.4 Hàm mật đợ trạng thái chất bán dẫn khối (3D), giếng lượng tử (2D), dây lượng tử (1D) chấm lượng tử (0D) 10 Hình 1.5 Cấu trúc vùng lượng của: (a) bán dẫn khối (b) chấm lượng tử 11 Hình 1.6 So sánh phép đo quang phổ huỳnh quang trạng thái dừng (trái) quang phổ phân giải thời gian (phải) 12 Hình 1.7 Nguyên lý tổng quát kỉ thuật TCSPC: một photon tín hiệu ghi nhận tại chu kỳ xung kích thích, nhớ vào cợt thời gian (bin time), dựng lại biểu đồ tín hiệu theo thời gian (histogram) cho profile cường đợ 13 Hình 1.8 Sơ đồ tổng quát hệ TCSPC 14 Hình 1.9 (a) mD phát xung nhỏ 70 ps (FWHP) tại 370 nm với tần số lặp lại lên đến 40 MHz, (b) Các bước sóng cho phép từ LDs LEDs phát xung 16 Hình 1.10 Nguyên lý chức của: (a) PMT, (b) MCP - PMT 17 Hình 1.11 Đáp ứng điện tử đơn xung tín hiệu 17 Hình 1.12 Hai phương pháp tách tín hiệu 19 (trigger theo sườn trước xung - leading edge CFD) 19 Hình 1.13 Xung tín hiệu mợt phần làm yếu một phần làm trễ đảo ngược, xung tín hiệu tổng hai thành phần 20 Hình 1.14 Đo thời gian mợt chuỗi bợ trễ tích cực 21 Hình 1.15 Sử dụng mợt dao đợng vịng ổn định PPL cho phép đo thời gian 22 Hình 1.16 Hệ quang học thu tán sắc tín hiệu ánh sáng 23 Hình: 2.1 Sơ đồ quang học hệ đo đơn hạt nano/đơn phân tử tích hợp thiết bị dịch chuyển đợ xác nano-mét cấu hình giao thoa kế HanBurry Brown-Twiss cho phép đo hàm tương quan G2( ) hiệu ứng antibunching 25 Hình: 2.2 Máy đo quang phổ hấp thụ 27 Hình 2.3 Máy đo quang phổ phát xạ 28 Hình 2.4 Máy tính thu cho hình ảnh quang phổ hấp thụ 28 Hình 2.5 Máy tính máy quang phổ 29 Hình 2.6 Máy đo đặc trưng phát xạ quantum dot 29 Hình 2.7 Thấu kính 30 Hình 2.8 Máy đo hiệu ứng antinbunching 30 Hình 2.9 Máy đo quang phổ chấm lượng tử 31 Hình 3.1 Quang phổ phát xạ quantum dots CdTe/CdS 32 Hình 3.2 Quang phổ hấp thụ quantum dots CdTe/CdS 32 Hình 3.3 Hàm tương quan G2 (τ) phân tử chất màu Rhodamine B 33 Hình 3.4 Hàm tương quan G(2)(τ) chấm lượng tử CdTe 34 PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Công nghệ nano mở ứng dụng to lớn hầu hết ngành khoa học tự nhiên thực tiễn Một khía cạnh hấp dẫn hữu ích vật liệu nano tính chất quang chúng Các ứng dụng dựa tính chất quang học vật liệu nano bao gồm đầu thu quang học, laser, cảm biến, ảnh, hiển thị, tế bào lượng mặt trời, quang xúc tác, quang hóa điện tử (photoelectrocheistry), y sinh, mã hóa thơng tin lượng tử, Sự phụ thuộc tính chất quang vào kích thước, hình dáng, tính chất bề mặt, kiểu cấu trúc nano đặc điểm quan trọng vật liệu nano Điển hình vật liệu bán dẫn thấp chiều như: giếng lượng tử (quantum wellsQWRs), dây lượng tử (quantum wires-QWRs), chấm lượng tử (quantum dots – QDs) hay hạt nano kim loại như: hạt nano vàng (gold nanopaticles – GNPs), hạt nano bạc (silver nanoparticles-SNPs), … Cũng giới, nhà khoa học Việt Nam quan tâm đầu tư vào nghiên cứu vật liệu Một phương pháp để tổng hợp loại vật liệu nói phương pháp hóa học Tại Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, chấm lượng tử CdTe, CdSe hạt nano vàng tổng hợp dạng keo (colloidal), phân tán tốt dung môi bọc chất hoạt động bề mặt phù hợp Các phương pháp quang phổ sử dụng rộng rãi việc nghiên cứu tính chất quang học vật liệu khác bao gồm vật liệu nano Những phương pháp thường dựa phép đo hấp thụ, tán xạ phát xạ ánh sáng có chứa thơng tin tính chất vật liệu Những phổ kế thường sử dụng phân tích quang phổ như: phổ kế hấp thụ (UV-vis), kế quang phát quang (photoluminescence-PL), kế hấp thụ hồng ngoại (IR), tán xạ Raman, tán xạ động học, hệ đo quang phổ phân giải thời gian Những phương pháp cung cấp thơng tin khác tính chất vật liệu Một phương pháp quang phổ quan trọng hàng đầu quang phổ phân giải thời gian Các phép đo quang phổ phân giải thời gian sử dụng rộng rãi, cho ta nhiều thông tin so với liệu từ quang phổ trạng thái dừng Phép đo thời gian sống phát quang qua phương pháp quang phổ phân giải thời gian có ý nghĩa quan trọng nghiên cứu số trình động học trạng thái kích thích vật liệu Có hai phương pháp đo huỳnh quang phân giải thời gian phương pháp đo miền tần số phương pháp đo miền thời gian Kỉ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian ki thuật phổ biến phương pháp đo miền thời gian Tại Việt Nam, phép đo thời gian sống phát quang thực hệ đo phát triển Viện Khoa học Vật liệu Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý Tuy nhiên hệ đo dựa kỉ thuật đo tương tự, kỉ thuật đơn giản cho độ phân giải không cao Do đó, phép đo thời gian sống phát quang thường thực phịng thí nghiệm liên kết nước Xuất phát từ thực tiễn nghiên cứu nước Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý, trung tâm nghiên cứu quang phổ hàng đầu Việt Nam Đó nhu cầu sử dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian nghiên cứu quang phổ, nghiên cứu quang phổ vật liệu nano Chúng nghiên cứu, thiết kế xây dựng thành công hệ đo thời gian sống phát quang kỉ thuật đếm đơn photon tương quang thời gian (timecorrelated single photon counting-TCSPC) với độ phân giải 300 pico giây Với đối tượng nghiên cứu vật liệu nano, lựa chọn vật liệu chấm lượng tử CdTe/CdS hạt nano vàng Chúng sử dụng hệ TCSPC đo thời gian sống exciton chấm lượng tử CdTe/CdS bước sóng phát xạ nồng độ khác dung môi NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Chương Tổng quan chấm lượng tử, chế đặc trưng phát xạ  Chương Phương pháp quang phổ đo đạc đơn hạt nano  Chương Đo đạc phát quang từ đơn hạt chấm lượng tử hiệu ứng chống bó ... Thành NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC ĐẶC TRƯNG PHÁT XẠ CỦA ĐƠN HẠT QUANTUM DOTS Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đinh Văn Trung... NGHIÊN CỨU  Chương Tổng quan chấm lượng tử, chế đặc trưng phát xạ  Chương Phương pháp quang phổ đo đạc đơn hạt nano  Chương Đo đạc phát quang từ đơn hạt chấm lượng tử hiệu ứng chống bó PHẦN NỘI... Viện Vật lý, trung tâm nghiên cứu quang phổ hàng đầu Việt Nam Đó nhu cầu sử dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian nghiên cứu quang phổ, nghiên cứu quang phổ vật liệu nano Chúng nghiên cứu,