TỔNG QUAN Lí THUYẾT VỀ CÁC CHẤM LƢỢNG TỬ CdSe 1.1 Gi i thiệu về cỏc chấm lƣợng tử hu ền phự
1.2.Cấu trỳc điện tử cơ ản của cỏc chấm lƣợng tử
Phần này trỡnh bày một số lý thuyết cơ bản cần thiết, dựng để giải thớch cỏc tớnh chất quang thu đƣợc từ việc nghiờn cứu cỏc chấm lƣợng tử chế tạo trong bản luận ỏn này, dựa trờn tài liệu của A.L. Efros và M. Rosen [28]. Toàn bộ cỏc tớnh chất quang của chấm lƣợng tử phụ thuộc một cỏch mạnh mẽ vào kớch thƣớc của chỳng. Chỳng tụi sẽ trỡnh bày cỏc tớnh chất điện tử nội tại the intrinsic electronic properties của cỏc chấm lƣợng tử, chỳng sẽ c ảnh hƣởng tới sự hấp thụ quang học và HQ trong cỏc chấm lƣợng tử này. Phần tiếp sau là miờu tả lý thuyết về cấu trỳc điện tử của cỏc chấm lƣợng tử.
Sự phụ thuộc của tớnh chất quang của cỏc nano tinh thể bỏn dẫn vào kớch thƣớc đó đƣợc phỏt hiện ra một cỏch độc lập từ cỏch đõy 30 n m trong hai loại vật liệu khỏc nhau: trong cỏc thủy tinh pha cỏc chấm lƣợng tử bỏn dẫn và trong cỏc dung
dịch huyền phự chứa cỏc chấm lƣợng tử. Cả hai nghiờn cứu này đều chỉ ra r ng màu sắc của cỏc chấm lƣợng tử phụ thuộc mạnh vào kớch thƣớc của chỳng. Kớch thƣớc của cỏc tinh thể nano - là cỏc hạt nhõn của pha mới - đƣợc điều khiển bởi sự khuếch tỏn của cỏc nguyờn tử ho c cỏc ion vào hạt nhõn đang lớn dần lờn và bởi độ quỏ bóo hoà. Phõn bố kớch thƣớc cuối cựng của chấm lƣợng tử đƣợc xỏc định bởi độ dài của khoảng thời gian của quỏ trỡnh phõn chia pha và đƣợc cố định vào lỳc quỏ trỡnh này bị dừng lại.
Phổ hấp thụ và phỏt xạ HQ phụ thuộc vào kớch thƣớc, đƣợc xỏc định bởi hiệu ứng kớch thƣớc lƣợng tử, hiệu ứng này làm thay đổi một cỏch cơ bản toàn bộ phổ n ng lƣợng của cỏc giả hạt bị giam giữ theo cả ba chiều. Cả hai tớnh chất quang tuyến tớnh và quang phi tuyến của cỏc hạt chấm lƣợng tử nh là kết quả của cỏc chuyển dời giữa cỏc mức điện tử và lỗ trống bị lƣợng tử h a do kớch thƣớc. Trong một chấm lƣợng tử hỡnh cầu, đƣợc bao xung quanh bởi hàng rào thế n ng cao vụ hạn, n ng lƣợng của cỏc mức lƣợng tử phụ thuộc kớch thƣớc củađiện tử và lỗ trống đƣợc xỏc định bởi số lƣợng tử mụmen g c hay gọi là số lƣợng tử qu đạo l, c thể đƣợc viết trong gần đỳng parabol là:
2* * , 2 , 2 , , 2m a E h e n l h e n l ) 1 . 1 (
Với me* và mh* là khối lƣợng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống, a là bỏn kớnh tinh thể, l,n là hàm Bessel cầu bậc thứ n của l: jl(l,n)0 bốn hàm Bessel cầu thấp nhất là 0,0 ,1,0 4.49,2,0 5.76&0,1 2 . N ng lƣợng của cỏc mức lƣợng tử phụ thuộc kớch thƣớc thấp nhất của điện tử và lỗ trống t ng khi kớch thƣớc của nano tinh thể giảm, và bởi vậy, n ng lƣợng tổng cộng của cỏc chuyển dời quang biờn dải t ng. Vớ dụ, trong cỏc chấm lƣợng tử CdSe, sự dịch chuyển của độ rộng dải cấm này c thể đạt tới 1,2 eV. B ng cỏch thay đổi kớch thƣớc chấm lƣợng tử, chỳng ta c thể thay đổi n ng lƣợng dải cấm của vật liệu này từ 1.7 eV giỏ trị Eg của bỏn dẫn khối lờn tới 3 eV, bao phủ toàn bộ dải ỏnh sỏng nhỡn thấy của phổ quang học [28].
Tuy nhiờn, tƣơng tỏc Coulomb giữa cỏc điện tử và lỗ trống đƣợc tạo ra do kớch thớch quang tỏc động mạnh mẽ tới phổ quang học. Tƣơng tỏc này phải luụn đƣợc tớnh đến bởi vỡ cả hai hạt này đều bị giam giữ trong cựng một thể tớch tinh thể nh . N ng lƣợng Coulomb của tƣơng tỏc điện tử và lỗ trống là c e2
/a, với là h ng số điện mụi của bỏn dẫn. Vỡ n ng lƣợng lƣợng tử h a t ng theo sự giảm kớch thƣớc c 1/a2 , trong đ n ng lƣợng Coulomb chỉ t ng với 1 a, nờn n trở thành một sự hiệu chỉnh nh đối với cỏc n ng lƣợng lƣợng tử h a của cỏc điện tử và lỗ trống trong cỏc tinh thể nh , và làm giảm cỏc n ng lƣợng chuyển dời chỉ bởi một lƣợng tƣơng đối nh . M t khỏc, trong cỏc chấm lƣợng tử lớn, tƣơng tỏc Coulomb là quan trọng hơn cỏc n ng lƣợng lƣợng tử h a của cỏc điện tử và lỗ trống. Phõn tớch lý thuyết cho thấy r ng, cỏc tớnh chất quang của chấm lƣợng tử phụ thuộc mạnh vào t số của bỏn kớnh của chấm lƣợng tử (a với bỏn kớnh Borh của exciton bỏn dẫn khối,
22 2 e k aB
, với à là khối lƣợng rỳt gọn của exciton [28]. Khi phõn tớch số liệu thực
nghiệm, ta cần xem xột đến ba chế độ giam giữ khỏc nhau:
a >> aB, a ~ aB và a << aB.