5. Điểm mới của đề tài
3.3.Tính chất quang của chấm lƣợng tử carbon
Các đặc tính quang học của CQDs được phân tích bằng quang phổ UV-vis và phổ phát xạ PL. Phổ hấp thụ UV-vis dung dịch trong nước của CQDs thu được với thời gian phản ứng khác nhau và phổ hấp thụ của tiền chất được trình bày trên hình 3.5.
Hình 3.5. a) Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch CQDs trong nước với thời
gian phản ứng khác nhau; b) Phổ hấp thụ của tiền chất và CQDs (P =1200W, t =180s).
Khi kéo dài thời gian phản ứng từ 30s đến 270s thì tính chất hấp thụ của dung dịch chấm lượng tử thu được có sự thay đổi rõ rệt. Với thời gian phản ứng nhỏ hơn 50s, hỗn hợp thu được có phổ hấp thụ tương tự tiền chất. Có thể thấy rằng các tiền chất EDA và CA không hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn 300 nm. Đối với thời gian phản ứng trên 50s, dung dịch CQDs xuất hiện vùng hấp thụ rộng từ 280 – 400 nm. Khi tăng thời gian phản ứng, độ hấp thụ tại 346 nm giảm dần đồng thời xuất hiện đuôi hấp thụ với độ hấp thụ tăng dần ở vùng 400 – 500 nm. Sự thay đổi này chứng tỏ sự hình thành nhóm chức quang học F (ở thời gian phản ứng 0s đến 50s) và ngưng tụ F (thời gian phản ứng trên 50s) để tạo thành CQDs theo cơ chế trình bày ở hình 3.1[9].
Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch CQDs trong nước (P =1200W, t =180s) với nồng độ khác nhau được trình bày trên hình 3.6.
Hình 3.6. Dung dịch CQDs trong nước ở các nồng độ và phổ hấp thụ UV-vis
dung dịch tương ứng.
CQDs cho thấy sự hấp thụ quang học rõ ràng trong vùng UV với đuôi kéo dài đến vùng ánh sáng nhìn thấy. Quan sát bằng mắt thường ta thấy khi nồng độ tăng thì màu sắc của dung dịch CQDs trong nước cũng đậm dần lên từ màu vàng nhạt. Hiện tượng này có thể là do các CQDs với hệ đa vòng liên hợp ở giữa ngưng tụ với nhau theo kiểu than chì (hình 1.6) [7].
Để nghiên cứu tính chất phát xạ của dung dịch CQDs trong nước được kích thích bởi tia đơn sắc có bước sóng khác nhau, phổ phát xạ thu được được trình bày trên hình 3.7.
Hình 3.7. a) Phổ phát xạ PL của CQDs tổng hợp ở điều kiện (P =1200W,
t = 180s) ở các bước sóng kích thích khác nhau; b) Phổ phát xạ PL (λex= 355 nm), ảnh chèn trong hình dung dịch CQDs trong nước dưới đèn UV (365nm)
so với nước cất.
Trong hình 3.7, CQDs thu được có hoạt động PL mạnh, phổ PL dạng đám với khoảng phát xạ từ 400 – 600 nm cực đại tại 475 nm. Sự phụ thuộc của quang phổ phát quang PL của CQDs vào bước sóng kích thích thể hiện trên hình 3.7a. Đỉnh PL chuyển từ 475nm thành 530nm khi bước sóng kích thích thay đổi từ 360nm đến 440nm. Như vây, cường độ phát xạ phụ thuộc vào bước sóng kích thích và đạt cực đại khi kích thích ở 355 nm (hình 3.7b).
Hiệu suất phát xạ lƣợng tử
Khả năng phát xạ huỳnh quang của CQDs đã được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang trong sự so sánh với phổ phát xạ của quinine sulfate. Khả năng phát xạ của các CQDs được đánh giá thông qua hiệu suất lượng tử. Hiệu suất lượng tử được xác định dựa trên tỷ số giữa tích phân phổ phát xạ PL của mẫu nghiên cứu và của dung dịch quinine sulfate với hiệu suất đã biết là 55%. Ở bước sóng 325nm, dung dịch CQDs (t =50s) có độ hấp thụ là 0,123; dung dịch CQDs (t =180s) có độ hấp thụ là 0,107; dung dịch CQDs
(t =300s) có độ hấp thụ là 0,134 và dung dịch quinine sulfate trong H2SO4 (0,05M) có độ hấp thụ là 0,122 được đo phổ huỳnh quang với các điều kiện hoàn toàn giống nhau. Kết quả tính toán được thống kê trên bảng 3.1.
Bảng 3.1. Hiệu suất phát quang của dung dịch CQDs
Thời gian phản ứng (s) 50 180 300
KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, tôi đã tổng hợp thành công được chấm lượng tử carbon (CQDs) từ hỗn hợp citric acid và ethylenediamine bằng phương pháp xử lý nhiệt vi sóng.
1) Cấu trúc: nghiên cứu cấu trúc CQDs bằng HR-TEM và FT-IR cho thấy CQDs có dạng hình cầu, kích thước khoảng 4 nm và có các nhóm chức phân cực nằm trên bề mặt như –OH, –NH, –COOH,…
2) Tính chất vật lý: chấm lượng tử carbon tan tốt trong nước và không tan trong các dung môi kém phân cực như acetone, ethanol, methanol, toluene,…
3) Tính chất quang: CQDs có dải hấp thụ đặc trưng từ 200 – 400 nm và cực đại ở 345 nm. Ở nồng độ cao hơn (>0,5 mg/ml), dung dịch CQDs hấp thụ đáng kể ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
4) Dung dịch CQDs phát xạ dạng đám từ 400 – 600 nm, đỉnh phát xạ ở 475 nm, cường độ phát xạ cực đại khi bị kích thích ở khoảng 360 nm.
Hiệu suất phát xạ huỳnh quang khi kích thích ở 355 nm của CQDs đạt 46,61 % ở thời gian phản ứng là 180s. Sự kết hợp giữa acid và amine trong quá trình tổng hợp làm cho quá trình hình thành CQDs dễ dàng hơn. Một trong những kết luận quan trọng nhất thu được từ nghiên cứu này là phương pháp xử lý nhiệt vi sóng đem lại hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian tổng hợp. Chấm lượng tử tan trong nước có đặc tính dễ tổng hợp, hiệu suất phát xạ cao như kết quả trình bày trong khóa luận này có tiềm năng ứng dụng lớn trong đánh dấu sinh học, cảm biến huỳnh quang và chuyển đổi ánh sáng từ vùng tử ngoại sang vùng khả kiến.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Chu Việt Hà, Trần Anh Đức, Đỗ Thị Duyên, Vũ Thị Kim Liên , Trần Hồng Nhung (2012),“Ứng dụng đánh dấu sinh học của các chấm lượng tử bán dẫn”, tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ, 99(11): 151 – 159. 2. Vũ Thị Hồng Hạnh (2005), “Nghiên cứu chế tạo và các tính chất quang
của các chấm lượng tử bán dẫn pha tạp với cấu trúc lõi/vỏ”, Luận văn thạc sĩ Vật lý, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam.
3. Nguyễn Quang Liêm (2011), “Chấm lượng tử bán dẫn CdSe, CdTe, InP và CuInS2: chế tạo, tính chất quang và ứng dụng”, sách chuyên khảo Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội.
4. Minh Thảo (2014), “Đột phá công nghệ chấm lượng tử”, Tạp chí khoa học và công nghệ, sở khoa học và công nghệ TP.Hồ Chí Minh xuất bản.
Tiếng Anh (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5. R.J. Ellingson, M.C. Beard, J.C. Johnson, P. Yu, O.I. Micic, A.J. Nozik, A. Shabaev and A.L. Efros, Nano Lett., 5 (2005) 865.
6. Jin Zhang, Hong Wang , Yiming Xiao , Ju Tang , Changneng Liang , Fengyan Li , Haiming Dong and Wen Xu.(2017), A Simple Approach for Synthesizing of Fluorescent Carbon Quantum Dots from Tofu Wastewater.
7. L. Haitao, K. Zhenhui, L. Yang, L. Shuit-Tong (2012), Carbon nanodots: synthesis, properties and applications, J. Mater. Chem. vol 22, pp. 24230- 24253.
8. Shi Ying Lim, Wei Shen and Zhiqiang Gao (2014), Carbon quantum dots and their applications, J. Mater. Chem. vol 22, pp. 24230- 24253.
9. Y. Song, S. Zhu, S. Zhang, Y. Fu, L. Wang, X. Zhao, B. Yang. (2015)
Investigation from chemical structure to photoluminescent mechanism: a type of carbon dots from the pyrolysis of citric acid and an amine, J. Mater. Chem. C. 3, pp. 5976-5984.
10. Peng X., Wickkham, Alivisator A. P. (1998), Kinetics of II–VI and III– V colloidal Semiconductor Nanocrystal Growth: “Focusing” of Size, Distributions, J. Am. Chem. Soc. 120, 5343–5344.
11. Xiaohui Wang, Konggang Qu, Bailu Xu, Jinsong Ren and Xiaogang Qu. (2011), Microwave assisted one-step green synthesis of cell-permeable multicolor photoluminescent carbon dots without surface passivation reagents, J. Mater. Chem. 2011, 21, 2445.
12. HT Li, RH Liu, WQ Kông, J. Liu, Y. Liu, L. Chu, X. Zhang, S.-T. Lee và ZH Kang, Nanoscale , 2014, 6 , 867–873.
13. Bera, D., et al., Quantum dots and their multimodal applications: a review. Materials, 2010. 3(4): p. 2260-2345.
14. Chukwuocha, E.O., M.C. Onyeaju, and T.S. Harry, Theoretical studies on the effect of confinement on quantum dots using the brus equation. 2012. 15. Dey, S., et al., The confinement energy of quantum dots. arXiv preprint