Nghiên cứu tính chất quang của cấu trúc một chiều zns chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN NGHĨA NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC MỘT CHIỀU ZnS CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN NGHĨA NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC MỘT CHIỀU ZnS CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN DUY HÙNG TS NGUYỄN DUY CƯỜNG Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Duy Hùng Tiến sĩ Nguyễn Duy Cường Các kết nghiên cứu luận án trung thực, xác, khách quan chưa cơng bố tác giả Tập thể hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nghĩa TS Nguyễn Duy Hùng TS Nguyễn Duy Cường i LỜI CẢM ƠN Dân tộc ta có câu “Khơng thầy đố mày làm nên” Lời đầu tiên, từ đáy lịng em xin chân thành cảm ơn tập thể hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Duy Hùng Tiến sĩ Nguyễn Duy Cường, người thầy bên hỗ trợ em suốt bốn năm nhà AIST yêu dấu Tiến sỹ Nguyễn Duy Hùng người định hướng đường khoa học cho em, theo sát q trình học tập, thí nghiệm, cung cấp cho em kiến thức khoa học hổng, đặt u cầu khắt khe ln khuyến khích em sáng tạo, tìm khoa học Tiến sỹ Nguyễn Duy Cường trang bị cho em kiến thức phương pháp nghiên cứu, kĩ trình bày vấn đề khoa học Các thầy gương sáng cho em học hỏi tác phong khoa học, kiến thức chuyên ngành, nhiệt huyết nghiêm túc công việc Em bày tỏ biết ơn đến tất thầy cô Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dạy dỗ giúp đỡ em suốt thời gian học tập Viện Đặc biệt, em bày tỏ kính yêu cảm ơn đến PGS.TS Phạm Thành Huy, thầy người em gặp Viện người trao cho em hội để vào nhóm nghiên cứu TS Nguyễn Duy Hùng Để có kết nghiên cứu này, không kể đến giúp đỡ tạo điều kiện tối đa quan nơi em công tác Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi, Phòng Tổ chức cán bộ, Phòng Tài vụ, Ban chủ nhiệm khoa Năng lượng toàn thể anh chị em đồng nghiệp môn Vật lý hỗ trợ em vật chất tinh thần, tạo điều kiện cho em xếp công việc hài hòa giảng dạy nghiên cứu, giúp em có đủ thời gian để hồn thành luận án Nếu khơng có hậu phương vững thật khó có chiến thắng vẻ vang Xin cảm ơn gia đình nội ngoại hai bên động viên em suốt thời gian nghiên cứu Đặc biệt, hy sinh thầm lặng người bạn phịng Nguyễn Thị Huyền Anh Người ta nói đằng sau thành công người đàn ông có bóng dáng người phụ nữ, câu nói thật Cảm ơn Huyền Anh hai Nguyễn Nguyên Phong Nguyễn Nguyên Thăng, người vừa điểm tựa, vừa chất xúc tác cho nỗ lực phấn đấu em sống Sẽ không trọn vẹn thiếu lời cảm ơn gửi tới bạn bè anh chị em đồng môn Em xin bày tỏ biết ơn đến Tiến sĩ Đỗ Quang Trung, người anh trước, vô tư, nhiệt tình, cho em động tác thí nghiệm ngày đầu bỡ ngỡ Anh người thầy ii thứ ba hướng dẫn em bước đường nghiên cứu khoa học Xin cảm ơn anh chị em nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên Viện AIST đồng hành em bước đường nghiên cứu, cho em giây phút ấm cúng năm tháng quên Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè Viện ln động viên em suốt q trình học tập, nghiên cứu sống Em xin bày tỏ biết ơn đến Đề án Đào tạo giảng viên có trình độ tiến sĩ cho trường đại học, cao đẳng giai đoạn 2010 – 2020 (Đề án 911) Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) hỗ trợ tài cho em cơng bố khoa học Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Văn Nghĩa iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đề tài Những đóng góp luận án Bố cục luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CẤU TRÚC THẤP CHIỀU ZnS 1.1 Giới thiệu chung vật liệu ZnS 1.2 Các phương pháp chế tạo cấu trúc thấp chiều ZnS 1.2.1 Các phương pháp hóa học 1.2.2 Các phương pháp vật lý 10 1.2.3 Cơ chế mọc cấu trúc thấp chiều chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt 11 1.3 Tính chất quang cấu trúc thấp chiều ZnS 14 1.3.1 Phát xạ vùng - vùng cấu trúc thấp chiều ZnS 14 1.3.2 Các phát xạ vùng nhìn thấy cấu trúc thấp chiều ZnS 16 1.4 Tính chất quang cấu trúc nano lai hóa ZnS với ZnO 19 1.5 Tính chất quang cấu trúc thấp chiều ZnS pha tạp kim loại chuyển tiếp 21 1.6 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU 27 iv 2.1 Phương pháp bốc bay nhiệt 27 2.2 Phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL) phổ kích thích huỳnh quang (PLE) 29 2.3 Phương pháp đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 29 2.4 Phương pháp đo phổ tán xạ Raman 31 2.5 Phương pháp chụp ảnh nhờ kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 32 2.6 Phương pháp chụp ảnh nhờ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 32 2.7 Phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 33 2.8 Phổ quang điện tử tia X (XPS) 33 2.9 Kết luận chương 35 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CẤU TRÚC THẤP CHIỀU ZnS 36 3.1 Đặt vấn đề 36 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng lớp SiO2 đế silic lên hình thái, thành phần, cấu trúc tính chất huỳnh quang ZnS 37 3.2.1 Các thơng số thí nghiệm 37 3.2.2 Hình thái thành phần cấu trúc ZnS chế tạo đế Si đế Si/SiO2 38 3.2.3 Nghiên cứu pha đai micro mọc đế Si Si/SiO2 40 3.2.4 Tính chất quang đai ZnS chế tạo đế Si Si/SiO2 42 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đế khoảng cách bốc bay lên hình thái, cấu trúc tính chất quang cấu trúc thấp chiều ZnS 47 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ bốc bay vị trí đặt đế lên tính chất huỳnh quang cấu trúc ZnS 52 3.5 Ảnh hưởng thời gian bốc bay lên tính chất huỳnh quang cấu trúc ZnS 54 3.6 Khảo sát cấu trúc dạng đai dây ZnS cho phát xạ mạnh chuyển mức vùngvùng 55 3.7 Kết luận chương 60 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU SỰ TĂNG CƯỜNG HUỲNH QUANG VÀ PHÁT XẠ LAZE CỦA CẤU TRÚC DỊ THỂ ZnS-ZnO 62 v 4.1 Đặt vấn đề 62 4.2 Các thơng số thí nghiệm 63 4.3 Pha đai ZnS-ZnO chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt 63 4.4 Hình thái thành phần đai ZnS - ZnO 65 4.5 Liên kết nguyên tố đai ZnS-ZnO 67 4.6 Tính chất quang đai micro ZnS-ZnO 68 4.7 Kết luận chương 72 CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ION Mn2+ VÀ Cu2+ LÊN CÁC PHÁT QUANG DO SAI HỎNG TRONG MẠNG NỀN ZnS 73 5.1 Đặt vấn đề 73 5.2 Các thơng số thí nghiệm 74 5.3 Hình thái thành phần cấu trúc ZnS:Mn ZnS:Cu 74 5.4 Pha thành phần đai micro ZnS không pha tạp pha tạp Mn Cu 77 5.5 Ảnh hưởng Mn2+ Cu2+ lên tính chất quang đai micro ZnS 78 5.6 Kết luận chương 82 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 99 vi DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT TT KÍ HIỆU TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT VLS Vapor - Liquid – Solid Hơi-lỏng-rắn VS Vapor – Solid Hơi-rắn CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng hóa học MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Lắng đọng hóa học hữu kim Deposition loại FESEM Field Emission Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường HRTEM High-resolution Transmission Kính hiển vi điện tử truyền qua độ Electron Microscopy phân giải cao EDS Energy DispersiveX-ray Spectroscopy Phổ tán sắc lượng tia X XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X PL Photoluminescence Spectrum Phổ huỳnh quang 10 PLE Photoluminescence Excitation Spectrum Phổ kích thích huỳnh quang 11 XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy Phổ kế quang điện tử tia X 12 TO Transverse Optical Quang ngang 13 LO Longitude Optical Quang dọc 14 TA Transverse Acoustic Âm ngang 15 LA Longitudinal Acoustic Âm dọc 16 SAED Selected Area Electron Diffraction vii Nhiễu xạ điện tử vùng lựa chọn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng thống kê cấu trúc nano thấp chiều ZnS chế tạo phương pháp hóa học, vùng nhiệt độ chế tạo tài liệu tham khảo tương ứng Bảng 1.2 Bảng thống kê số phương pháp vật lý để chế tạo cấu trúc nano ZnS thấp chiều, vùng nhiệt độ chế tạo tài liệu tham khảo tương ứng 10 Bảng 1.3 Liệt kê phát xạ vùng nhìn thấy số nhóm nghiên cứu giải thích nguồn gốc gây nên phát xạ 17 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ hình khác cấu trúc tinh thể lục giác lập phương: (a,c,e): lục giác; (b,d,f): lập phương [158] Hình 1.2 Cấu trúc vùng lượng ZnS (mức Fermi đặt 0) [68] Hình 1.3 Một số hình thái điển hình cấu trúc nano ZnS thấp chiều chế tạo: (a) ống nano, (b) nano, (c) dây nano, (d) đai hay băng nano, (e) cáp nano [44] Hình 1.4 Quá trình mọc tinh thể Si theo chế hơi-lỏng-rắn: a) Điều kiện ban đầu: Giọt hợp kim Au-Si lỏng hình thành đế silic; b) Tinh thể Si mọc với giọt chất lỏng đầu [133] 12 Hình 1.5 Các trình xảy mọc xúc tác: (a) hạt xúc tác đáy dây nano, (b) hạt xúc tác đỉnh dây nano, (c) mọc đa nhánh, (d) mọc đơn nhánh [72] 13 Hình 1.6 Phổ huỳnh quang catốt cấu trúc nano ZnS chế tạo phương pháp hóa ướt: a) băng nano; b) dây nano; c) ống nano [87] 15 Hình 1.7 Phổ huỳnh quang dây nano ZnS chế tạo phương pháp a) bốc bay nhiệt [47] b) chuyển pha áp suất thấp [91] 15 Hình 1.8 Phổ PL dây nano ZnS đo nhiệt độ phòng kích thích nguồn laze xung (266 nm) [143] 16 Hình 1.9 (a) Ảnh SEM (b) phổ PL cấu trúc nano dạng dùi ZnS [161]; (c) ảnh TEM (d) phổ PL đai nano ZnS [168] 17 Hình 1.10 (a) Phổ huỳnh quang dây nano lõi-vỏ ZnO/ZnS [123]; (b) Phổ huỳnh quang băng nano hai mặt ZnS/ZnO [38]; (c) Phổ huỳnh quang catốt đai nano ZnS/ZnO hai trục song song [148]; (d) Phổ huỳnh quang dây nano ZnO phủ ZnS [84] 20 Hình 1.11 (a) Phổ huỳnh quang dây nano ZnO ZnO phủ MgO [149]; (b) phổ huỳnh quang đai nano lai hóa ZnO/ZnS [150] 21 viii ... tài ? ?Nghiên cứu tính chất quang cấu trúc chiều ZnS chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt? ?? Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ZnS cấu trúc thấp chiều phương pháp bốc bay nhiệt. .. lên cấu trúc, thành phần, pha tính chất quang cấu trúc thấp chiều ZnS chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt - Khảo sát tính chất quang cấu trúc dị thể ZnS- ZnO vai trò ZnS việc tăng cường huỳnh quang. .. phát quang mạng ZnS Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu tác giả lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Trong đó: + Chế tạo vật liệu phương pháp bốc bay nhiệt + Nghiên cứu hình thái phương