3. Nội dung nghiên cứu
1.6. Chế tạo các nano tinh thể lõi/vỏ/vỏ
Những loại QD được nghiên cứu rộng rãi hiện nay phần lớn là những hợp chất thuộc nhóm AIIBVI như: CdSe, ZnS, CdTe, CdS… do chúng có phổ hấp thụ, phổ kích thích huỳnh quang rộng, phổ phát xạ hẹp, hiệu suất huỳnh quang cao và có tính bền dưới sự chiếu sáng liên tục và dài. Dưới dạng tinh thể khối, CdSe có độ rộng vùng cấm (tương ứng với bước sóng phát xạ cỡ ~ 712 nm), bán kính Bohr exciton của CdSe là 5,6 nm. Đối với CdTe, ta có các giá trị sau: tương ứng với bước sóng phát xạ ~ 861 nm, bán kính Bohr exciton của CdTe là 7,3 nm. Khi giảm kích thước hạt tới kích cỡ nano mét, các mức năng lượng của điện tử và lỗ trống trở nên gián đoạn, năng lượng của photon phát xạ tăng lên, bước sóng phát xạ sẽ dịch chuyển về phía các bước sóng ngắn hơn so với bán dẫn khối, phổ phát xạ của chúng nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Năng lượn g Vùng dẫn Vùng hóa trị Sai khác hằng số mạng V ỏ V ỏ L õi
Hình 1.12. Cấu trúc vùng năng lượng và sai khác hằng số mạng giữa CdTe,
CdSe và CdS. [33].
Các liên kết treo trên bề mặt của nano tinh thể tạo thành các trạng thái bẫy, làm ảnh hưởng tới sự huỳnh quang và ảnh hưởng tới hiệu suất lượng tử của nó. Do đó, khi các trạng thái bề mặt được thụ động hóa trở nên ổn định thì khả năng phát xạ của QD cũng trở nên tốt hơn. Một phương pháp để ổn định bề mặt của QD là bọc thêm vào một hoặc hai lớp chất bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Các chất bán dẫn được chọn để làm vỏ bọc phải thỏa mãn các điều kiện sau: Độ rộng vùng cấm lớn hơn độ rộng vùng cấm của lõi để các hạt tải bị giam giữ ở lại trong lõi của nano tinh thể và hằng số mạng phải gần với hằng số mạng của lõi để cho lớp vỏ được nuôi trên lõi không bị quá thay đổi tại lớp tiếp giáp giữa hai chất.
Khi bọc QD bằng một lớp vỏ ngoài thì nếu kỹ thuật bọc không tốt, ta có thể gây ra các khuyết tật tại mặt biên tiếp giáp của hai pha tinh thể, các khuyết tật cũng có thể được gây ra khi cấu trúc tinh thể và hằng số mạng khác nhau quá lớn. Ví dụ như giữa hằng số mạng giữa CdSe và ZnS: hằng số mạng của CdSe và ZnS chênh lệch nhau cỡ 12%. Như vậy, tại mặt phân cách giữa lõi CdSe và vỏ ZnS có thể xuất hiện một ứng suất nào đó. Ứng suất này ảnh hưởng tới các tính chất hấp thụ và phát xạ của các chấm lượng tử CdSe. Tác dụng của lớp đệm ZnSe là làm giảm sự chênh lệch hằng số mạng giữa lớp lõi và lớp vỏ, từ đó làm giảm ứng suất tại các vùng tiếp giáp giữa lớp lõi và lớp vỏ, kết quả là làm giảm được các khuyết tật bề mặt chấm lượng tử do ứng suất gây nên, và sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất huỳnh quang. Các nghiên cứu cho thấy, để đạt được mục tiêu trên, chỉ cần lớp đệm 1,5 - 2 đơn lớp (ML) với độ dày khoảng 0,6 nm - 0,8 nm là đủ. Việc nuôi các lớp vỏ dày lên các nano tinh thể có thể làm giảm một cách đáng kể hiệu ứng nhấp nháy huỳnh quang và làm giảm hiện tượng bạc màu, mất màu của các QD. Hơn nữa, hiện tượng ion hoá QD sẽ không xảy ra, hàng rào lớp vỏ dày bao quanh lõi nano tinh thể sẽ giới hạn các
hạt tải bị bẫy bắt trên bề mặt và việc thêm một lớp vỏ của chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn hơn (như ZnS bọc lên trên CdSe) có thể làm tăng hiệu suất lượng tử và cải thiện độ bền của chúng. Trong luận văn này, để tăng cường hiệu suất lượng tử của các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe, chúng tôi sử dụng lớp vỏ bọc CdS tạo nên các NC có cấu trúc lõi/vỏ/vỏ. Việc lựa chọn lớp vỏ CdS để bọc là do CdS có độ rộng vùng cấm lớn hơn cả CdTe và CdSe, hơn nữa sai khác hằng số mạng giữa CdSe và CdS là nhỏ.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM