Phổ hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử cdsetio2 luận văn thạc sỹ vật lý

1 LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy giáo, phó giáo sư, tiến sĩ Nguyễn Hồng Quảng. Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy - người đã đặt vấn đề, tận tình chỉ bảo và dìu dắt em trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý trường Đại học Vinh đã truyền thụ những kiến thức bổ ích cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và trong quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ Phòng Đào tạo Sau đại học của Nhà trường đã tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành các thủ tục theo quy định, giúp đỡ chúng tôi kết thúc khóa học với kết quả tốt đẹp. Xin cảm ơn tập thể lớp Quang học 18 tại Đại học Sài gòn đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện và bảo vệ luận văn. Tinh thần đoàn kết giúp đỡ nhau của các thành viên trong tập thể Quang học 18 tại ĐH Sài gòn đã giúp mỗi chúng tôi vượt qua mọi khó khăn, thử thách trong cuộc sống để hoàn thành khóa học. Cuối cùng, tôi dành những tình cảm biết ơn chân thành nhất cho gia đình tôi, đặc biệt là chồng, con và ba mẹ tôi vì đã động viên tôi rất nhiều trong quá trình học tập, giúp đỡ tôi vượt qua mọi thử thách để có ngày hôm nay. Chân thành cảm ơn tất cả! Tp.HCM, tháng 9 năm 2012 Tác giả Nguyễn Thị Hồng Phụng 2 MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Danh mục các bảng biểu và hình vẽ Mở đầu .1 Chương 1. Tổng quan về quang phổ hấp thụ và quang phổ phát xạ 1.1.Tổng quan về quang phổ .3 1.2. Quang phổ hấp thụ .7 1.3. Quang phổ phát xạ .16 Chương 2. Ứng dụng phổ hấp thụ và phát xạ trong nghiên cứu vật liệu nano CdSe/TiO 2 2.1. Giới thiệu về hợp chất CdSe/TiO 2 .28 2.2. Phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu nano CdSe/TiO 2 36 2.3. Ứng dụng của vật liệu nano CdSe/TiO 2 41 Kết luận .50 Tài liệu tham khảo .51 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Độ rộng tự nhiên của một số vạch phổ hấp thụ 9 Bảng 1.2: Độ rộng kép của một số vạch phổ hấp thụ 10 Bảng 1.3: Độ nhạy của các nguyên tố theo phép đo AAS 13 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối của máy quang phổ .6 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ lăng kính 7 Hình 1.3: Độ rộng của vạch phổ phát xạ và hấp thụ .9 Hình 1.4: Cấu trúc của vạch phổ hấp thụ 11 Hình 1.5: Nửa độ rộng của vạch phổ hấp thụ và phát xạ 12 Hình 1.6: Quan hệ giữa cường độ vạch phổ và nồng độ C .21 Hình 1.7: Sự phụ thuộc của cường độ vạch phổ vào nhiệt độ trung tâm plasma .22 Hình 2.1: Sự thay đổi màu sắc của hạt nano vàng ở các kích thước khác nhau .29 Hình 2.2: Sự thay đổi màu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt .30 Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe từ tiền chất CdO 33 Hình 2.4: (a) Máy in lụa; (b) Khung in lụa; và (c) Máy in lụa ở chế độ làm việc .34 Hình 2.5: Phổ hấp thụ của CdSe (A) và của CdSe/TiO 2 (B) ở các thời gian ngâm khác nhau. 36 Hình 2.6: Phổ hấp thụ của màng phim OTE TiO 2 liên kết với CdSe sử dụng chất liên kết là MPA. Hình a: Phổ hấp thụ của TiO 2 , hình b,c,d,e: Phổ hấp thụ của CdSe/TiO 2 khi TiO 2 có các kích thước khác nhau 0,2µm, 0,5µm, 1µm và 2µm 38 Hình 2.7: Phổ hấp thụ và phát xạ của CdSe - MPA và CdSe-MPA- TiO 2 khi kích thích ở 387nm 39 Hình 2.8: Phổ quang phát quang (PL) của mẫu CdSe/TiO 2 khi nung ở những nhiệt độ khác nhau trong chân không .40 Hình 2.9: Phổ phát xạ của chấm lượng tử CdSe và của CdSe/TiO 2 khi kích thước của chấm lượng tử CdSe là 2,6 nm và 3,7 nm 41 Hình 2.10: Mô hình liên kết giữa CdSe và TiO 2 (a), và sự chuyển dịch điện tử từ CdSe sang TiO 2 (b) .46 Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời QDSSC .47 Hình 2.12: Đường đặc trưng V-A của OTE/TiO 2 và OTE/TiO 2 /MPA/CdSe 48 Hình 2.13: So sánh mật độ dòng quang điện và hiệu suất quang điện ứng với các mẫu khác nhau 49 MỞ ĐẦU Chúng ta đều biết rằng cấu trúc vật liệu đóng vai trò quan trọng quyết định tính chất của chúng. Để biết được cấu trúc vật liệu, phương pháp phân tích quang phổ là một trong những phương pháp được sử dụng khá phổ biến. Đặc biệt, hiện nay, với sự phát triển của vật lý học, các thiết bị quang phổ hiện đại ra đời có thể phân tích được cấu trúc vật liệu, giúp ta xác định cả về định tính cũng như thành phần định lượng của vật liệu, từ đó góp phần định hướng ứng dụng của vật liệu đó trong kỹ thuật và đời sống. Trong những năm gần đây, vật liệu nano được quan tâm nhiều bởi nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm nghiên cứu ở các phòng thí nghiệm trên quốc tế vả cả ở trong nước. Lý do mà các vật liệu nano nhận được sự quan tâm đặc biệt đó là chúng có nhiều tính chất lý – hóa độc đáo mà các vật liệu vĩ mô có cùng thành phần với chúng không có được. Một trong những nhóm vật liệu được chú ý là các chấm lượng tử (quantum dots), trong đó đặc biệt là chấm lượng tử CdSe có pha tạp TiO 2 (CdSe/TiO 2 ) bởi tiềm năng ứng dụng to lớn của chúng trong quang học như pin mặt trời, chất xúc tác quang, kỹ thuật đánh dấu tế bào, v.v . Đối với các loại vật liệu này, việc xác định tính chất của chúng hiện nay thường dựa trên phương pháp phân tích quang phổ (hấp thụ, phát xạ). Việc tìm hiểu về quang phổ nói chung, phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu nano CdSe/TiO 2 nói riêng góp phần nâng cao hiểu biết về ứng dụng của phép phân tích quang học trong nghiên cứu về vật liệu nano là nhu cầu cấp thiết. Đó là lý do chúng tôi chọn đề tài “Phổ hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử CdSe/TiO 2 ” cho luận văn thạc sĩ của mình với mong muốn được góp phần bổ sung kiến thức về vai trò của quang phổ học đối với việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các vật liệu nano nói chung, của các vật liệu nano lai CdSe/TiO 2 nói riêng. Đề tài sẽ tập trung tìm hiểu về quang phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu nano CdSe pha tạp TiO 2 , khảo sát mối liên hệ giữa kích thước, cấu trúc vi mô với đặc trưng quang phổ của chúng (như hình dạng phổ, vị trí đỉnh phổ, sự chuyển dịch phổ, độ rộng bán phổ và cường độ đỉnh phổ) để từ đó xác định các tính chất của vật liệu và định hướng ứng dụng của vật liệu được khảo sát. Về bố cục, ngoài các phần mở đầu và kết luận, nội dung của Luận văn được trình bày trong hai chương. Chương 1: Tổng quan về quang phổ hấp thụ và quang phổ phát xạ, trình bày về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy quang phổ, các đặc điểm của phổ hấp thụ và phát xạ và ứng dụng của quang phổ trong phân tích cấu trúc vật liệu; Chương 2: Ứng dụng phổ hấp thụ và phát xạ trong nghiên cứu vật liệu nano CdSe/TiO2, tìm hiểu những kết quả mới nhất của các nhóm nghiên cứu trên thế giới về quang phổ hấp thụ và phát xạ của vật liệu nano CdSe/TiO 2 cũng như khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu này trong pin mặt trời thế hệ mới. Phần kết luận tóm tắt những kết quả đạt được của đề tài. Phần Tài liệu tham khảo liệt kê các công trình khoa học được trích dẫn trong luận văn. Mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng tìm kiếm, phân tích, tổng hợp các nguồn tài liệu khoa học mới nhất, luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả luận văn rất mong nhận đựơc các ý kiến đóng góp, phê bình về hình thức cũng như nội dung trình bày của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUANG PHỔ HẤP THỤ VÀ QUANG PHỔ PHÁT XẠ 1.1. Tổng quan về quang phổ 1.1.1. Tương tác giữa ánh sáng và vật chất Khi ánh sáng đi tới bề mặt của một vật không trong suốt, một phần ánh sáng thâm nhập vào bên trong vật liệu và bị hấp thụ. Phần ánh sáng còn lại được phản chiếu từ bề mặt có thể phản xạ, khúc xạ hoặc truyền qua. Cái mà ta quan sát được chính là ánh sáng phản chiếu này. Phần ánh sáng được phản chiếu từ bề mặt phụ thuộc vào bước sóng, cường độ và bản chất của chúng. Ngoài các vật ta thấy được do ánh sáng phản xạ từ chúng, ta còn có thể nhìn thấy một số vật do ánh sáng phát ra từ chúng. Ví dụ, cục than đang cháy phát ra một phần quan trọng ánh sáng của nó trong phổ khả kiến; ta có thể nhìn thấy nó trong một buồng tối. Các vật khác trong phòng, ở những nhiệt độ thấp hơn nhiều, cũng phát xạ nhưng với một cường độ rất nhỏ không đáng kể trong phần phổ khả kiến. Như vậy tất cả các vật đều phát ra bức xạ điện từ với cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ của bề mặt. Chỉ ở các nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng rất nhiều, bề mặt vật mới phát ra một lượng bức xạ trong phổ khả kiến đủ để ta có thể dễ dàng quan sát được. Người ta gọi dạng bức xạ phát ra do tác dụng nhiệt là bức xạ nhiệt, nó là dạng bức xạ phổ biến nhất. Khi vật phát ra bức xạ, năng lượng của giảm và nhiệt độ được bù lại bằng phần năng lượng mà vật nhận được do hấp thụ thì nhiệt độ của vật sẽ không đổi, bức xạ nhiệt của vật cũng không đổi và được gọi là bức xạ nhiệt cân bằng. 1.1.2. Khái niệm quang phổ Quang phổ là hình ảnh ta thu được khi có một chùm ánh sáng chiếu tới vật. Nó là một công cụ rất mạnh mẽ để biết được những tính cơ bản của mẫu bằng cách xác định vị trí, cường độ và đặc tính về phổ bằng các bước sóng và số lượng các vạch phổ được hấp thụ hoặc phát xạ bởi mẫu đó. Tóm lại, quang phổ là một bức tranh mà nhờ đó ta biết được cấu trúc và các tính chất của vật. 1.1.3. Phép phân tích quang phổ Phương pháp phân tích quang phổ: là phương pháp phân tích quang học dựa trên việc nghiên cứu sự tương tác của bức xạ ánh sáng trên chất khảo sát hoặc sự hấp thụ các bức xạ dưới một tác động hóa lý nào đó. Phân tích quang phổ là tên gọi chung cho một hệ các phương pháp phân tích quang học dựa trên cơ sở ứng dụng những tính chất quang học của nguyên tử, ion, phân tử và nhóm phân tử 1.1.4. Các đặc trưng của quang phổ Tính chất các vạch phổ cho ta biết đó là phổ liên tục hay phổ vạch. Vị trí các vạch phổ cho ta biết cấu trúc của vật chất. Cường độ các vạch phổ cho ta biết thành phần phần trăm các chất có trong mẫu đo. 1.1.5. Máy quang phổ Máy quang phổ là thiết bị dùng để thu, phân li và ghi lại phổ của một vùng phổ quang học nhất định. Vùng phổ này là một dải phổ của vật mẫu nghiên cứu từ sóng ngắn đến sóng dài. Tùy theo bộ phận dùng để phân tích ánh sáng trong máy dựa theo hiện tượng vật lí nào (khúc xạ hay nhiễu xạ) mà người ta thường chia chúng thành hai loại. + Máy quang phổ lăng kính: Đó là những máy quang phổ mà hệ tán sắc của chúng được chế tạo từ 1 hay 2 hoặc 3 lăng kính. Sự phân li ánh sáng ở đây dựa theo hiện tượng khúc xạ của ánh sáng qua hai môi trường có chiết suất khác nhau (không khí và thủy tinh hay không khí và thạch anh). + Máy quang phổ cách tử: Là những máy quang phổ mà hệ tán sắc là một cách tử phẳng hay lõm phản xạ. Bản chất của sự tán sắc ánh sáng ở đây là sự nhiễu xạ của tia sáng qua các khe hẹp. 1.1.6. Nguyên tắc cấu tạo Tuy có 2 loại máy quang phổ khác nhau, nhưng về nguyên tắc cấu tạo thì đều như nhau, đều gồm 3 phần chính. Đó là hệ trực chuẩn, hệ phân li và hệ hội tụ chùm sáng • Hệ trực chuẩn và phần đầu của máy quang phổ: gồm một hay một hệ thống thấu kính ghép với nhau hay hệ gương hội tụ và một khe hẹp (khe vào của chùm sáng và có thể điều chỉnh được) đặt ở tiêu cự của hệ thấu kính này. Hệ trực chuẩn có nhiệm vụ nhận và tạo ra chùm sáng song song để hướng vào hệ tán sắc để phân li thành phổ. • Hệ tán sắc: là một hệ thống lăng kính hay một tấm cách tử. Hệ này có nhiệm vụ phân li (tán sắc) chùm sáng đa sắc thành hệ thống các tia đơn sắc, tức là phân li một nguồn sáng phức tạp nhiều bước sóng khác nhau thành một dải phổ của chúng theo từng sóng riêng biệt lệch đi những góc khác nhau. Nếu hệ tán sắc được chế tạo bằng lăng kính thì chúng ta có máy quang phổ lăng kính. Và ngược lại, nếu hệ tán sắc là cách tử ta có máy quang phổ cách tử. Trong máy lăng kính, tia sóng ngắn sẽ bị lệch nhiều, sóng dài lệch ít, còn trong máy cách tử thì ngược lại. • Hệ buồng ảnh: là một hệ thống thấu kính hay một hệ gương hội tụ và một mặt phẳng tiêu của các chùm sáng. Hệ này có nhiệm vụ hội tụ các tia sáng có cùng bước sóng sau khi đi qua hệ phân li lại với nhau tạo ra ảnh của khe máy trên mặt phẳng tiêu. Đó chính là các vạch phổ. Thêm vào đó là một số bộ phận phụ khác để máy quang phổ có thể hoạt động được chính xác, dễ dàng và có hiệu quả cao hơn. Ví dụ như: - Hệ thống gương hay thấu kính chiếu sáng khe máy.