Nghiên cứu chế tạo và đặc tính quang học của vật liệu nano bột và màng ZnSNi
MỤC LỤC
Các chế độ giam giữ trong chấm lượng tử
Chế độ giam giữ yếu
Chế độ giam giữ yếu ứng với trường hợp bán kính chấm lượng tử R là nhỏ nhưng vẫn lớn hơn vài lần so với bán kính Bohr exciton aB (cụ thể là R >. 4aB) Trong trường hợp này xuất hiện sự lượng tử hóa chuyển động của khối tâm. Nếu chú ý rằng hấp thụ photon chỉ có thể tạo ra exciton với mô men động l- ợng bằng zero thì phổ hấp thụ sẽ chứa một số vạch tơng ứng với các trạng thái l = 0.
Chế độ giam giữ mạnh
Tuy nhiên, điện tử và lỗ trống bị giam giữ trong không gian có thể so sánh với kích thước của exciton ở trạng thái cơ bản trong tinh thể vô hạn lý tưởng. 2εR và chú ý đến giới hạn giam giữ mạnh (R < aB), ta thấy tương tác Coulomb không bị triệt tiêu trong chấm lượng tử nhỏ, mà đóng góp của số hạng này vào năng lượng trạng thái cơ bản thậm chí còn lớn hơn trong tinh thể khối. Đây là sự khác nhau cơ bản của chấm lượng tử với tinh thể khối, giếng lượng tử và dây lượng tử, ở các hệ đó năng lượng Coulomb của cặp điện tử - trống tự do bằng không.
Số hạng thứ hai là động năng chứa khối lượng hiệu dụng me và mh của điện tử và lỗ trống. Số hạng thứ ba thể hiện tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống. Số hạng thứ tư liên quan đến không gian giữa điện tử và lỗ trống, và thường nhỏ hơn nhiều so với số hạng thứ hai và thứ ba.
Chế độ giam giữ trung gian
Do đú sự hấp thụ hay phát xạ vùng – vùng trong chấm lợng tử bán dẫn bị lệch về phía sóng ngắn (về phía năng lợng cao) so với bán dẫn khối. Cỏc cụng thức này sẽ được dựng để tớnh kớch thước của các chấm lượng tử từ phổ hấp thụ.
Một số phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn
- Các nano tinh thể chế tạo trong dung dịch hữu cơ và polyme (hay các nano tinh thể chế tạo bằng phương pháp hoá ướt)
Việc tổng hợp các đám nano tinh thể bán dẫn bên trong khung này cung cấp một chuỗi các chấm lượng tử với phân bố kích thước hẹp và do đó thể hiện độ mở rộng bất đồng nhất rất nhỏ của phổ quang học. Đối với phương pháp này, kích thước của mẫu là rất nhỏ (với kích thước cả ba chiều khụng lớn hơn 100 àm) nờn việc ứng dụng cỏc nano tinh thể chế tạo theo phương pháp này là không được rộng rãi. Muốn vậy, người ta thường thêm vào dung dịch lỏng chứa muối kim loại và phức halogel một tác nhân ổn định (hay còn gọi là chất bẫy bề mặt – surfactant- surface acting agent).
Kích thước của các nano tinh thể thu được được khống chế bởi nhiệt độ, tốc độ hỗn hợp của các chất tham gia phản ứng, và quan trọng được quyết định bởi nồng độ của tác nhân ổn định trong dung dịch [5]. Bằng phương pháp này, người ta có thể thay đổi các liên kết xung quanh nano tinh thể, đưa chúng vào các môi trường khác nhau (như tế bào, các bộ cộng hưởng quang học…), hoặc có thể pha loãng để quan sát từng nano tinh thể riêng biệt [5]. Phương pháp thứ hai là phương pháp phân huỷ các hợp chất cơ - kim, nó cho phép tổng hợp các nano tinh thể nhóm II-VI như là CdSe, CdS, CdTe được bao quanh bởi một lớp vỏ bảo vệ vô cơ khác như ZnS, ZnSe, hoặc CdS [5].
Guyot- Sionnest [5], sau đó được hoàn thiện dần và hiện nay có thể chế tạo các chấm lượng tử dạng cầu với độ phân tán kích thước nhỏ hơn 5 % bằng phương pháp này. Để loại bỏ một cách hiệu quả và bền vững các tâm tái hợp không bức xạ tại trạng thái bề mặt, người ta tiến hành bọc 1 hoặc 2 đơn lớp các chất bán dẫn với hằng số mạng tương tự và độ rộng vùng cấm lớn hơn (thường là CdS, ZnS hoặc ZnSe) bằng phương pháp tương tự như phương phỏp đó dựng để chế tạo lừi. Lớp vỏ bọc được chế tạo như vậy sẽ thụ động hoỏ tất cả cỏc liờn kết treo tại bề mặt của lừi và tạo thành một hàng rào thế giữa cỏc hạt tải (cỏc điện tử và cỏc lỗ trống) của lừi và bề mặt bờn ngoài của vỏ, làm giảm ảnh hưởng của môi trường bên ngoài tới các hạt tải trong lừi tinh thể.
Môi trường Micelle đảo là môi trường trong đó có một lượng nước nhỏ ở trong dung dịch hydrocacbon được bao quanh bởi các chất bẫy bề mặt (ở đây là các phân tử có hai nhóm chức: kỵ nớc và a nớc). Trong một giọt micelle, các đuụi kỵ nước của cỏc phõn tử tỏc nhõn bề mặt tập hợp thành lừi trong mụi trường dầu ngăn cách với môi trường nước xung quanh (dầu trong nước – oil in water). Ngược lại, nếu các phân tử tác nhân bề mặt có đầu ưa nước chụm vào trong tạo thành một buồng giam nước và các đuôi kỵ nước nối với các liên kết hydro bên ngoài thì chúng ta có môi trường micelle đảo (nước trong dầu – water.
Các đầu cực của chất bẫy bề mặt được nối thẳng tới bên trong quả cầu chứa nước, trái lại, các đuôi béo của nó thì định hướng tới môi trường hữu cơ không phân cực. Trong luận văn này, các tinh thể nano bán dẫn CdS và CdS/ZnS được chế tạo bằng phương pháp micelle đảo trong dung môi heptane, sử dụng chất bẫy AOT (2ethylhexy - sulfosuccinate, muối disodium).
THỰC NGHIỆM
Phương pháp Micelle đảo chế tạo chấm lượng tử CdS và CdS/ZnS
Sau đó, hai dung dịch này cũng được đổ vào nhau trong điều kiện khuấy trộn mạnh để tạo thành các nano tinh thể CdS (sơ đồ hình 2.1). Ở đây chúng tôi chế tạo các mẫu chấm lượng tử CdS với các tỷ lệ là w. Sau khi đã có các tinh thể nano CdS, chúng tôi bọc thêm một lớp vỏ ZnS bên ngoài các tinh thể nano này để bảo toàn tính chất phát xạ nội tại của chúng.
Các muối này cũng được hoà tan vào nước tạo thành hai dung dịch chứa các ion Zn2+ và S2-.
Các phương pháp quang phổ
Đối với các chất bán dẫn, các phép đo phổ hấp thụ cho phép ta xác định được nhiều thông số của vật liệu như : độ rộng vùng cấm, các liên kết hoá học của tinh thể, các mức năng lượng nằm trong vùng cấm của bán dẫn. Ngoài ra phổ hấp thụ quang học là cách nhanh nhất để xác định sự hình thành các chấm lượng tử vì độ rộng vùng cấm của các chấm lượng tử lớn hơn nhiều so với vật liệu khối. Phổ hấp thụ của các mẫu chấm lượng tử CdS được đo bằng thiết bị quang phổ nhãn hiệu JascoV- 670 của Nhật Bản tại phòng Thí nghiệm Quang học và Quang phổ – khoa Vật Lý – Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên.
Bước sóng đo được điều khiển trong một dải rộng từ 190 ÷ 2700nm được phát ra từ hai đèn, một đèn đơtơri dùng để tạo chùm sóng ngắn, và đèn halogen để tạo chùm sóng dài. Một dải rất hẹp của ánh sáng đơn sắc sẽ đi qua khe ra và được điều biến thay thế nhau giữa kênh reference và kênh mẫu. Các tín hiệu đó được khuếch đại bằng hệ điện tử của phổ kế và tỷ số tín hiệu mẫu – reference được ghi lại trên máy tính.
Hiện tượng huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử khi vật liệu bị kích thích. Nguyên tắc của phép đo phổ huỳnh quang là dùng nguồn sáng kích thích, với năng lượng nhất định phát ra từ đèn làm phổ kích thích phát xạ huỳnh quang của mẫu. Tín hiệu phát xạ huỳnh quang đưa vào hệ đo để xử lý rồi phân tích thành bước sóng của phổ và được vẽ ra trên máy vi tính.
Phổ huỳnh quang của các mẫu chấm lượng tử CdS được ghi bởi hệ đo huỳnh quang nhãn hiệu FS 920 (Edinburgh - Anh) có tại phòng Thí nghiệm Quang học và Quang phổ - Khoa Vật lý - Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Máy đơn sắc thứ nhất tạo nguồn đơn sắc kích thích cho phép thay đổi bước sóng kích thích vào mẫu, máy đơn sắc thứ hai để phân tích tín hiệu phát ra từ mẫu. Tín hiệu huỳnh quang từ mẫu phát ra được phân tích qua máy đơn sắc thứ hai và được thu bởi bộ nhân quang điện, sau đó qua bộ tách sóng tín hiệu chuẩn và cuối cùng là được đưa vào bộ xử lý.
Để đo được tín hiệu huỳnh quang, ta cố định giá trị bước sóng kích thích của máy đơn sắc thứ nhất và quét bước sóng của máy đơn sắc thứ hai. Ảnh chụp hệ đo FS 920 (tại phòng thí nghiệm Quang học và Quang phổ- Khoa Vật lý - Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên) được trình bày trên hình 2.5.
