50000 CuIn(10%Zn)S2/ Diesel kt= 470 nm 15K 30K 50K 70K 85K 100K 130K 170K 210K 250K 300K 0 1 6 1 8 2 0 Năng lợng (eV) 2 2
Hỡnh 4 19 Phổ huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ của cỏc
chấm lượng tử CIZS trong khoảng từ 15 – 300K
Một kết quả đỏng lưu ý nữa khi nghiờn cứu tớnh chất huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ là năng lượng chuyển dời phỏt quang nhỏ dần khi nhiệt độ tăng, giống như biểu hiện trong vật liệu khối Nguồn gốc của sự giảm năng lượng này trong khoảng nhiệt độ một vài chục K đến nhiệt độ phũng được
nghiờn cứu và đỏnh giỏ định lượng, với sự đúng gúp (i) khoảng 80% từ cỏc vi trường (microfield) hỡnh thành do dao động mạng và (ii) khoảng 20% từ sự gión nở nhiệt làm tăng hằng số mạng [116] Như vậy, cho dự trong một chấm lượng tử hỡnh thành chỉ từ một tập hợp của hàng nghỡn nguyờn tử, vẫn cú thể xảy ra cỏc dao động mạng dẫn tới cỏc vi trường tỏn xạ hạt tải là suy giảm năng lượng, giống như cỏc trường hợp trong tinh thể khối
2 001 95 1 95 1 90 1 85 1 80 1 75 CIZS kt nm 1 70 0 50 100 150 200 Nhiệt độ (K)250 300
Hỡnh 4 20 Vị trớ đỉnh phổ huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ của hai thành
phần phổ trong chấm lượng tử bỏn dẫn CIZS Cỏc chấm là số liệu từ phõn tớch phổ huỳnh quang thành hai thành phần dạng Gauss và đường liền nột là
khớp với biểu thức Varshni
Để nghiờn cứu rừ hơn về huỳnh quang của chấm lượng tử CIZS theo nhiệt độ, chỳng tụi phõn tớch phổ huỳnh quang thành hai thành phần phổ bằng kỹ thuật làm khớp theo hàm Gauss Qua đú nhận được cỏc giỏ trị đỉnh phổ và tỉ lệ cường độ tương ứng của hai dải phổ cú diễn biến theo nhiệt độ như trỡnh bày trờn Hỡnh 4 20 và Hỡnh 4 21 Hỡnh 4 20 cho thấy diễn biến vị
trớ đỉnh phổ theo nhiệt độ của cả hai dải (dải huỳnh quang cú đỉnh ở ~1,95 eV và ~1,74 eV) giống nhau, và giống như sự hẹp vựng cấm của tinh thể CIS
Mức độ và quy luật giảm năng lượng vựng cấm của một tinh thể theo
nhiệt độ được khớp theo biểu thức Varshni E (T ) E (0) TT 2 , trong đú
E(T) và E(0) là năng lượng vựng cấm hoặc năng lượng chuyển dời/tỏi hợp
phỏt quang tại nhiệt độ T và tại 0 K; α, β là cỏc hệ số Varshni Theo tài liệu [34], β là nhiệt độ Debye của bỏn dẫn tại 0 K Phương trỡnh này đưa vào sự thay đổi của cả hai đại lượng là thụng số mạng và nhiệt độ phụ thuộc vào tương tỏc điện tử mạng
Biểu thức Varshni khởi nguồn là cho tinh thể vụ hạn nhưng đó được sử dụng cho bỏn dẫn khối và cỏc chấm lượng tử [21], cho thấy sự thay đổi năng lượng vựng cấm theo nhiệt độ Trong trường hợp chuyển dời/tỏi hợp điện tử- lỗ trống tạo huỳnh quang cú sự tham gia của hạt tải điện ở vựng dẫn hoặc vựng húa trị, hoặc từ một mức tạp nụng (đụno hoặc axộpto), cụng thức Varshni vẫn cú thể được ỏp dụng Với cỏc chấm lượng tử CIS, dải huỳnh quang quan sỏt được cú bản chất là do tỏi hợp của điện tử từ vựng dẫn hoặc từ mức đụno nụng (nỳt khuyết lưu huỳnh VS, cú năng lượng ~36 meV dưới đỏy vựng dẫn - Hỡnh 4 8) với lỗ trống trờn cỏc axộpto sõu (vớ dụ, nỳt khuyết đồng VCu, cú năng lượng > 100 meV trờn đỉnh vựng húa trị), nờn cũng dịch theo nhiệt độ theo cụng thức Varshni [122] Kết quả từ tớnh toỏn làm khớp cỏc giỏ trị thực nghiệm và biểu thức Varshni cho thấy kết quả phự hợp với tinh thể CIS (hệ số ~ - 2 10-4 eV K-1, nhiệt độ Debye 264 K [9]); trong khi giỏ trị E(0) khỏc nhau đỏng kể so với vật liệu khối CIS (1,53 eV), cho thấy hiệu ứng giam giữ lượng tử; cụ thể dải huỳnh quang ~1,95 eV cú đỉnh phổ ~1,976 eV tại 0 K và cỏc giỏ trị α1 = 2,4 10-4 eV/K, β1 = 260 K; dải huỳnhh quang
�������� ����
~1,74 eV cú đỉnh phổ ~1,745 eV tại 0 K và cỏc giỏ trị α2 = 2 10-4 eV/K,
β2 = 290 K
Cũng trờn cơ sở phõn tớch phổ huỳnh quang thành hai thành phần phổ trờn bằng kỹ thuật làm khớp với phõn bố cường độ phổ theo hàm Gauss, tất cả phổ huỳnh quang đo ở cỏc nhiệt độ trong khoảng từ 15 K đến 300 K đó được tỏch thành hai thành phần, tớnh tớch phõn diện tớch từng thành phần phổ Kết quả trỡnh bày trờn hỡnh 4 21 là cường độ tớch phõn của hai thành phần phổ huỳnh quang của chấm lượng tử bỏn dẫn CIZS diễn biến theo nhiệt độ trong khoảng từ 15 – 300K Cú thể thấy trong khoảng từ 15 – 300 K, cường độ huỳnh quang tăng lờn đỏng kể khi nhiệt độ giảm Cả hai thành phần phổ đều cú biểu hiện của quỏ trỡnh tỏi hợp điện tử-lỗ trống ở trạng thỏi
đụno-axộpto CIZS kt=470 nm 10000 1,9 eV 1,7 eV 5000 0 0 50 100 150 200 250 300 Nhiệt độ (K)
Hỡnh 4 21 Cường độ tớch phõn của hai thành phần phổ huỳnh
quang của chấm lượng tử bỏn dẫn CIZS phụ thuộc nhiệt độ