Chế tạo nghiên cứu ảnh hưởng của bọc phủ polymer và ủ quang học lên tính chất quang của các hạt nano ZnS pha tạp Mn Cu

Chế tạo nghiên cứu ảnh hưởng của bọc phủ polymer và ủ quang học lên tính chất quang của các hạt nano ZnS pha tạp Mn Cu Chế tạo nghiên cứu ảnh hưởng của bọc phủ polymer và ủ quang học lên tính chất quang của các hạt nano ZnS pha tạp Mn Cu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ Đặng Văn Thái CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỌC PHỦ POLYMER VÀ Ủ QUANG HỌC LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS PHA TẠP Mn, Cu LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2018 Lời cam đoan Tơi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng Các kết luận án trung thực, trích dẫn tài liệu tham khảo rõ ràng, không chép sử dụng từ cơng trình mà tác giả khác cơng bố Tác giả luận án Đặng Văn Thái Lời cảm ơn Trải qua trình học tập, nghiên cứu nghiêm túc giúp đỡ từ nhiều phía, tơi vui mừng hạnh phúc hồn thành luận án Trước tiên, xin chân thành cảm ơn Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán công tác Bộ môn Quang lượng tử - Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn học viên, nghiên cứu sinh cộng tác học tập Bộ môn Quang lượng tử - Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Đặc biệt, vô biết ơn xin dành lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới Thầy giáo: PGS.TS Trần Minh Thi, PGS.TS Phạm Văn Bền Các thầy dùng trí tuệ, tâm huyết để dạy dỗ hướng dẫn tơi hồn thành luận án Cuối cùng, xin cảm ơn để tài Nafosted mã số103-02.2017-28 hỗ trợ kinh phí cho hoạt động nghiên cứu luận án Hà Nội, ngày tháng Tác giả Đặng Văn Thái năm 2018 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị 10 MỞ ĐẦU 19 Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu ĐƯỢC BỌC PHỦ POLYMER VÀ Ủ QUANG HỌC 25 1.1 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU NANO BÁN DẪN .25 1.1.1 Phân loại vật liệu nano bán dẫn 25 1.1.2 Đặc trưng vật liệu nano 26 1.1.2.1 Sự lượng tử hóa kích thước .26 1.1.2.2 Hiệu ứng bề mặt 28 1.1.3 Ứng dụng vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp Mn, Cu 29 1.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu 31 1.2.1 Phương pháp đồng kết tủa 31 1.2.2 Phương pháp thủy nhiệt .34 1.3 BỌC PHỦ CÁC HẠT NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu BẰNG PVP VÀ PVA 37 1.3.1 Polymer phân loại 37 1.3.2 PVP, PVA vai trị hoạt hóa bề mặt chúng 37 1.3.3 Các loại chuyển dời điện tử PVP PVA 40 1.3.4 Phương pháp bọc phủ hạt nano ZnS:Mn, ZnS:Cu PVP PVA 42 1.4 CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu .47 1.4.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu nano ZnS 47 1.4.2 Cấu trúc vùng lượng ZnS .48 1.4.3 Ảnh hưởng Mn, Cu lên cấu trúc tinh thể vùng lượng ZnS.50 1.5.TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn BỌC PHỦ PVP, PVA 51 1.5.1 Tính chất quang hạt nano ZnS:Mn bọc phủ PVP 52 1.5.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Mn bọc phủ PVA 52 1.6.TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Cu BỌC PHỦ PVP, PVA 55 1.6.1 Tính chất quang hạt nano ZnS:Cu bọc phủ PVP 55 1.6.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Cu bọc phủ PVA 56 1.7 TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu ĐƯỢC Ủ BẰNG BỨC XẠ QUANG HỌC .58 1.7.1 Ủ quang học hạt nano 58 1.7.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Mn ủ xạ quang học 60 1.7.3 Tính chất quang hạt nano ZnS:Cu ủ xạ quang học 61 Kết luận chương 1: 61 Chương THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC HẠT NANO ZnS:M/POLYMER VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .63 2.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO CÁC HẠT NANO ZnS:M/POLYMER BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA 63 2.1.1 Quy trình chế tạo hạt nano ZnS:M/polymer bọc phủ từ đầu 64 2.1.2 Quy trình chế tạo hạt nano ZnS:M/polymer bọc phủ sau .67 2.2 QUY TRÌNH CHẾ TẠO CÁC HẠT NANO ZnS:Mn BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT 69 2.3 Ủ QUANG HỌC CÁC HẠT NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu 71 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI HỌC 72 2.4.1 Nhiễu xạ kế tia X 72 2.4.2 Kính hiển vi điển tử quét .73 2.4.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM-1010 73 2.4.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL - JEM 2100 73 2.5 CÁC THIẾT BỊ PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƯỢNG VÀ PHỔ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI 74 2.5.1 Hệ phân tích nhiệt trọng lượng 74 2.5.2 Hệ đo phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR 75 2.6 CÁC THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG 75 2.6.1 Hệ đo phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis .75 2.6.2 Hệ đo phổ phát quang MS-257 Spectra Pro 2500i 76 2.6.2.1 Hệ đo phổ phát quang MS-257 76 2.6.2.2 Hệ đo phổ phát quang Spectra Pro 2500i .78 2.6.3 Hệ đo phổ phát quang kích thích phát quang 79 Kết luận chương 2: 80 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA PVP, PVA LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn 81 3.1 TÍNH CHẤT QUANG CỦA PVP VÀ PVA 81 3.1.1 Tính chất quang PVP 81 3.1.1.1 Đặc trưng cấu trúc PVP 81 3.1.1.2 Tính chất quang PVP .84 3.1.2 Tính chất quang PVA 85 3.1.2.1 Đặc trưng cấu trúc PVA 85 3.1.2.2 Tính chất quang PVA 86 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA PVP LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn 87 3.2.1 Đặc trưng cấu trúc hạt nano ZnS:Mn/PVP .87 3.2.1.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Mn/PVP 87 3.2.1.2 Phổ nhiệt trọng lượng phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR hạt nano ZnS:Mn/PVP 91 3.2.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Mn/PVP 98 3.2.2.1 Phổ hấp thụ hạt nano ZnS:Mn/PVP .98 3.2.2.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Mn/PVP 99 3.2.2.3 Phổ kích thích phát quang hạt nano ZnS:Mn/PVP 100 3.2.2.4 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Mn/PVP theo bước sóng kích thích 102 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA PVA LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn .106 3.3.1 Đặc trưng cấu trúc hạt nano ZnS:Mn/PVA 106 3.3.1.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Mn/PVA 106 3.3.1.2 Phổ nhiệt trọng lượng hấp thụ hồng ngoại FT-IR hạt nano ZnS:Mn/PVA 108 3.3.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Mn/PVA 109 3.3.2.1 Phổ hấp thụ hạt nano ZnS:Mn/PVA 109 3.3.2.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Mn/PVA .110 3.3.2.3 Phổ kích thích phát quang hạt nano ZnS:Mn/PVA .111 3.3.2.4 Phổ phát quang hạt nano PT-ZnS:Mn/PVA theo bước sóng kích thích 112 3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC HẠT LÊN MỘT SỐ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn, ZnS:Mn BỌC PHỦ PVP 115 3.4.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Mn, ZnS:Mn bọc phủ PVP .115 3.4.2 Ảnh hưởng kích thước hạt lên số tính chất quang hạt nano ZnS:Mn, ZnS:Mn/PVP 116 3.4.3 Ảnh hưởng kích thước hạt lên cường độ trường tinh thể hạt nano ZnS:Mn bọc phủ PVP 118 Kết luận chương 3: 119 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA PVP, PVA LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Cu 121 4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA PVP LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Cu 121 4.1.1 Đặc trưng cấu trúc hạt nano ZnS:Cu/PVP 121 4.1.1.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Cu/PVP .121 4.1.1.2 Phổ nhiệt trọng lượng phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR hạt nano ZnS:Cu/PVP 125 4.1.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Cu/PVP 131 4.1.2.1 Phổ hấp thụ hạt nano ZnS:Cu/PVP .131 4.1.2.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Cu/PVP 131 4.1.2.3 Phổ kích thích phát quang hạt nano ZnS:Cu/PVP 134 4.1.2.4 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Cu/PVP theo bước sóng kích thích 135 4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA PVA LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Cu 137 4.2.1 Đặc trưng cấu trúc hạt nano ZnS:Cu/PVA 137 4.2.1.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Cu/PVA 137 4.2.1.2 Phổ nhiệt trọng lượng phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR hạt nano ZnS:Cu/PVA 139 4.2.2 Tính chất quang hạt nano ZnS:Cu/PVA .140 4.2.2.1 Phổ hấp thụ hạt nano ZnS:Cu/PVA .140 4.2.2.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Cu/PVA 141 Kết luận chương 4: 144 Chương ẢNH HƯỞNG CỦA Ủ QUANG HỌC LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn, ZnS:Cu/PVP 145 5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA Ủ QUANG HỌC LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Mn 145 5.1.1 Ảnh hưởng ủ quang học lên phổ phát quang hạt nano ZnS:MnTN.Na2S2O3 145 5.1.1.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:MnTN.Na2S2O3 ủ xạ quang học 145 5.1.1.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Mn-TN.Na2S2O3 ủ xạ quang học .146 5.1.2 Ảnh hưởng ủ quang học lên phổ phát quang hạt nano ZnS:MnTN.TGA .151 5.1.2.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Mn-TN.TGA ủ xạ quang học 151 5.1.2.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Mn-TN.TGA ủ xạ quang học 152 5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA Ủ QUANG HỌC LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS:Cu/PVP 158 5.2.1 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS:Cu/PVP ủ xạ quang học 158 5.2.2 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Cu/PVP ủ xạ quang học .159 5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT BỨC XẠ Ủ LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA ZnS:Mn VÀ ZnS:Cu/PVP 162 5.3.1 Ảnh hưởng công suất xạ ủ lên phổ phát quang ZnS:Mn .162 5.3.2 Ảnh hưởng công suất xạ ủ lên phổ phát quang hạt nano ZnS:Cu/PVP 164 Kết luận chương 5: 168 KẾT LUẬN .170 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO .174 PHỤ LỤC 191 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Các ký hiệu khối lượng, thời gian, mức trạng thái lượng Ký hiệu Chú giải CMn Phần trăm số mol Mn Zn hạt nano ZnS:Mn CCu Phần trăm số mol Cu Zn hạt nano ZnS:Cu 4 Khối lượng polymer PVP bọc phủ m PVA Khối lượng polymer PVA bọc phủ mth Khối lượng polymer bọc phủ tới hạn tth Thời gian ủ quang học tới hạn Eg Năng lượng vùng cấm EC Năng lượng đáy vùng dẫn EV Năng lượng đỉnh vùng hóa trị So(n) Trạng êlectron quỹ đạo n >C=O T1(π*) Trạng kích thích bội ba êlectron quỹ đạo π >C=O m PVP A1(6S) Trạng thái ion Mn2+ trường tinh thể ZnS:Mn T2(4D), 4E(4D) E(4G) - 4A1(4G) Các trạng thái kích thích ion Mn2+ tinh thể ZnS:Mn T1(4G), 4T2(4G) t2, e Các trạng thái ion Cu2+ tinh thể ZnS:Cu VS Nút khuyết S VZn Nút khuyết Zn IZn Kẽm điền kẽ IS Lưu huỳnh điền kẽ CB Vùng dẫn VB Vùng hóa trị ... ẢNH HƯỞNG CỦA Ủ QUANG HỌC LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS: Mn, ZnS: Cu/ PVP 145 5.1 ẢNH HƯỞNG CỦA Ủ QUANG HỌC LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS: Mn 145 5.1.1 Ảnh hưởng. .. ZnS: Cu bọc phủ PVP 55 1.6.2 Tính chất quang hạt nano ZnS: Cu bọc phủ PVA 56 1.7 TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS: Mn, ZnS: Cu ĐƯỢC Ủ BẰNG BỨC XẠ QUANG HỌC .58 1.7.1 Ủ quang học hạt. .. ZnS: Mn bọc phủ PVP 52 1.5.2 Tính chất quang hạt nano ZnS: Mn bọc phủ PVA 52 1.6.TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO ZnS: Cu BỌC PHỦ PVP, PVA 55 1.6.1 Tính chất quang hạt nano ZnS: Cu