Tính chất quan trọng thường được quan tâm nghiên cứu đối với các chấm lượng tử bán dẫn là sự phụ thuộc năng lượng chuyển dời điện tử vào kích thước vật liệu-tức là phần đĩng gĩp của năng lượng giam hãm lượng tử.
Kích thước và tính chất quang (hấp thụ, huỳnh quang) của chấm lượng tử InP, InP/ZnS và In(Zn)P, In(Zn)P/ZnS cĩ thể được điều chỉnh bằng các thơng số cơng nghệ như tỷ lệ In/MA, P/In, nồng độ monomer, thời gian và nhiệt độ phản ứng. Các thơng số cơng nghệ này đã được các tác giả khác cơng bố trong nhiều báo cáo khoa học trên các tạp chí cĩ uy tín [71]. Trong khi thực hiện, chúng tơi đã thử nghiệm và nhận thấy rằng: nhiệt độ phản ứng và thời gian phát triển tinh thể là hai nhân tố quan trọng, cĩ tính quyết định trong việc điều chỉnh kích thước của chấm lượng tử. Do vậy, thơng số cơng nghệ tối ưu đã được cơng bố về tỉ lệ In/MA, P/In và nồng độ monomer đã được sử dụng. Chúng tơi chủ yếu nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng đến kích thước và chất lượng của các chấm lượng tử InP, InP/ZnS và In(Zn)P, In(Zn)P/ZnS.
Trong khi thực hiện hàng loạt thí nghiệm, chúng tơi thấy rằng, tại một nhiệt độ phản ứng xác định, thời gian phát triển tinh thể càng dài cho hạt tinh
thể càng lớn. Hình 4.9 cũng trình bày phổ huỳnh quang của chấm lượng tử In(Zn)P theo thời gian phát triển tinh thể. Cĩ thể thấy thời gian phát triển tinh thể tăng thì đỉnh huỳnh quang dịch về phía sĩng dài tương ứng kích thước hạt tăng. Nguyên nhân của sự mở rộng phân bố kích thước hạt là do quá trình Ostwald [70, 72, 82, 89] làm cho các tinh thể mầm nhỏ phát triển chậm hơn, thậm chí bị tan dần, trong khi đĩ các mầm lớn hơn được ưu tiên phát triển, làm cho phân bố kích thước hạt bị mở rộng ở vùng kích thước lớn. Tuỳ thuộc vào kích thước chấm lượng tử InP mong muốn, nhiệt độ phản ứng của phức chất chứa In với PH3 và thời gian phát triển tinh thể đã được điều chỉnh. Khoảng nhiệt độ phù hợp để chế tạo các chấm lượng tử InP được xác định trong khoảng 230–290 0C.
Hình 4.10 là phổ hấp thụ của chấm lượng tử InP/ZnS khi chế tạo tại nhiệt độ khác nhau (các điều kiện chế tạo cũng như tỉ lệ hợp phần các chất được giữ nguyên).
Hình 4.10. Phổ hấp thụ của chấm lượng tử InP/ZnS tại các nhiệt độ phản ứng khác nhau
Từ Hình 4.10 ta thấy, khi nhiệt độ phản ứng tăng (kích thước hạt tăng) cực đại hấp thụ dịch về phía sĩng dài. Điều này hồn tồn phù hợp với hiệu ứng giam giữ lượng tử trong vùng kích thước chấm lượng tử. Cực đại hấp thụ tại các bước sĩng 468 nm (2,65 eV), 536 nm (2,31 eV), 540 nm (2,29 eV), 600 nm (2.07 eV) tương ứng với nhiệt độ phản ứng lần lượt: 230 0C, 260 0C, 270 0C và 290 0C. Với mẫu chế tạo ở nhiệt độ thấp 230 0C, quan sát thấy đỉnh hấp thụ khơng rõ ràng chứng tỏ phân bố kích thước của các chấm lượng khơng đồng đều (phân bố kích thước rộng) và tồn tại của các trạng thái phân bố dưới bờ vùng cấm, liên quan tới các sai hỏng mạng và các liên kết hở trên bề mặt các chấm lượng tử. Điều này cĩ thể được giải thích do mẫu InP/ZnS chế tạo ở nhiệt độ phản ứng 230 0C thấp hơn nhiều so với nhiệt độ sơi 320 0C của dung mơi octadecene (ODE) làm cho tốc độ phản ứng tạo mầm xảy ra chậm và tốc độ phát triển tinh thể kéo dài, tạo thành các chấm lượng tử với phân bố kích thước rộng do hệ thực hiện quá trình bồi lở Ostwald.
Hình 4.11. Phổ huỳnh quang của chấm lượng tử InP/ZnS kích thích bằng LED 370 nm tại các nhiệt độphản ứng khác nhau
Hình 4.11 là phổ huỳnh quang của InP/ZnS chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau (nhiệt độ phản ứng là 230, 260, 270, và 290 0C). Cĩ thể quan sát rõ hai dải phổ huỳnh quang trên các mẫu, một dải phổ cĩ nguồn gốc từ chuyển dời exciton và một dải ở năng lượng thấp hơn cĩ nguồn gốc từ tái hợp điện tử-lỗ trống tại các trạng thái dưới bờ vùng do khơng hồn hảo mạng tinh thể. Với mẫu chế tạo tại nhiệt độ phản ứng thấp 230 0C, do tồn tại nhiều sai hỏng mạng và các liên kết hở trên bề mặt nên huỳnh quang do khơng hồn hảo mạng tinh thể chiếm ưu thế hơn so với huỳnh quang do chuyển dời exciton. Khi nhiệt độ phản ứng tăng, đỉnh phát xạ dịch chuyển về phía sĩng dài (năng lượng thấp). Đỉnh phát xạ exciton của mẫu InP/ZnS chế tạo ở 230 0C (2,17 eV), ở 260 0C (2,06 eV), ở 270 0C (2,03 eV) và ở 290 0C (1,89 eV), phù hợp với kết quả kích thước hạt tăng theo nhiệt độ phản ứng.
Do PH3 được dẫn rất nhanh vào dung dịch chứa tiền chất của In nên tốc độ tạo mầm tinh thể như nhau và tốc độ phát triển tinh thể như nhau dẫn đến kích thước của các chấm lượng tử InP/ZnS khá đồng đều. Nhiệt độ phản ứng cao dẫn đến tốc độ phản ứng xảy ra nhanh tạo đồng thời nhiều mầm tinh thể nhỏ và tốc độ phát triển tinh thể nhanh, sau một thời gian ngắn các tinh thể nhỏ cĩ thể phát triển tạo ra tinh thể lớn (phân bố kích thước vẫn khá đồng nhất). Ởđây việc sử dụng nhiệt độ cao để gây phản ứng tạo mầm và phát triển tinh thể cĩ thể hạn chế quá trình Ostwald, hạn chế được sự mở rộng phân bố kích thước. Do bước sĩng phát xạ của các chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước tinh thể, nên cĩ thể điều chỉnh kích thước hạt để nhận được bước sĩng phát xạ mong muốn.
Như vậy, nhiệt độ nuơi tinh thể cao là giải pháp thay thế, để điều khiển một cách cĩ hiệu quả vùng kích thước của các chấm lượng tử, cho phép tốc độ phản ứng tạo mầm xảy ra nhanh, đồng thời tốc độ phát triển tinh thể cũng
nhanh hơn. Vì vậy, cĩ thể tạo được các chấm lượng tử cĩ kích thước lớn hơn với phân bố kích thước khơng bị quá phân tán do thời gian nuơi tinh thể.