3. Nội dung nghiên cứu
3.2.1. Tính chất hấp thụ và quang huỳnh quang
Hình 3.8 biểu diễn phổ Abs và PL của các NC lõi CdTe và loại-II C/S CdTe/CdSe khi lớp vỏ CdSe thay đổi từ 1-5 đơn lớp (ML). Phổ Abs của lõi CdTe quan sát thấy một đỉnh hấp thụ rất rõ ở bước sóng 605 nm, đỉnh hấp thụ này chính là đỉnh hấp thụ exciton với năng lượng thấp nhất 1S(e)-1S3/2(h) của lõi CdTe. Khi 1-5 lớp vỏ CdSe phát triển trên lõi CdTe ta nhận thấy phổ hấp thụ bị mở rộng và được nâng lên phía bước sóng dài (mũi tên màu đỏ) ở khoảng bước sóng từ 635-676 nm tùy thuộc vào chiều dày lớp vỏ. Sự xuất hiện của đuôi hấp thụ kiểu này cũng đã được quan sát thấy trong các cấu trúc nano loại II như ZnTe/ZnSe, CdS/ZnSe, CdTe/CdS..., và được giải thích như sau: độ chênh lệch giữa năng lượng vùng dẫn của các chất bán dẫn CdTe, CdSe cấu thành nên các NC loại-II CdTe/CdSe sẽ tạo ra nhiều trạng thái cho điện tử trong lõi CdTe. Tương tự, độ chênh của năng lượng trong vùng hóa trị cũng tạo ra nhiều trạng thái cho lỗ trống trong vỏ CdSe. Vì vậy, các exciton gián tiếp được
tạo ra trong không gian giữa vùng hóa trị của các NC CdSe và vùng dẫn của các NC CdTe sẽ có nhiều giá trị năng lượng khác nhau trong không gian k [39], tạo nên đuôi hấp thụ trong phổ Abs như quan sát.
Hình 3.8. (a) Phổ Abs và PL của các NC lõi CdTe và lõi/vỏ loại-II
CdTe/CdSe1-5ML, (b) Độ rộng bán phổ tại một nửa cực đại của đỉnh PL và vị trí đỉnh PL theo chiều dày lớp vỏ CdSe.
Phổ PL của các NC CdTe xuất hiện hai đỉnh phát xạ. Đỉnh phát xạ phía năng lượng cao ( tại 630 nm) và PL FWHM hẹp hơn (khoảng 28 nm) là phát xạ do tái hợp exciton (tái hợp vùng - vùng), còn đỉnh phát xạ phía năng lượng thấp hơn và PL FWHM lớn hơn (tại 825 nm) được quy cho phát xạ bởi các trạng thái bề mặt. Khi 1, 2 lớp vỏ CdSe phát triển trên lõi CdTe, phổ PL của các NC CdTe/CdSe có phát xạ bề mặt giảm đáng kể chứng tỏ lớp vỏ CdSe đã thụ động hóa tốt các sai hỏng và các liên kết treo trên bề mặt các NC CdTe, tuy nhiên nếu lớp vỏ CdSe dày quá 3,4,5 đơn lớp thì phát xạ bề mặt lại tăng do ứng suất lõi-vỏ làm xuất hiện sai hỏng mạng. Đỉnh PL của các NC CdTe/CdSe dịch mạnh về phía bước sóng dài từ 700 nm đến 783 nm, đồng thời FWHM được mở rộng từ 42 nm đến 50 nm khi các NC CdTe/CdSe có bề dày lớp vỏ tăng từ
1-5ML. Đỉnh PL của các NC CdTe/CdSe dịch mạnh về phía bước sóng dài so với lõi CdTe do độ rộng vùng cấm giảm: chính là sự tái hợp giữa điện tử ở lõi CdTe và lỗ trống ở vỏ CdSe, chuyển mức 1Se(CdTe)-1Sh(CdSe). Với lớp vỏ CdSe càng dày thì đỉnh PL của các NC CdTe/CdSe càng dịch về phía bước sóng dài do khoảng cách từ đáy vùng dẫn của CdSe đến đỉnh vùng hóa trị của CdTe giảm. Trong khi đó, PL FWHM của các NC CdTe/CdSe với các lớp vỏ dày tăng là do sự mở rộng của phân bố kích thước và tăng cường đặc tính loại II.
Bảng 3.1. Vị trí đỉnh huỳnh quang, độ rộng bán phổ và hiệu suất lượng tử của các NC CdTe, CdTe/CdSe1-5ML
Mẫu Đỉnh PL (nm) FWHM (nm) QY (%) CdTe 630 27 38,7 CdTe/CdSe1ML 700 42 25,6 CdTe/CdSe2ML 730 45 31,7 CdTe/CdSe3ML 752 48 27,2 CdTe/CdSe4ML 769 49 19.5 CdTe/CdSe5ML 783 50 14,1
Hiệu suất lượng tử huỳnh quang (PL QY) của các NC CdTe và CdTe/CdSe khi thay đổi chiều dày các lớp vỏ CdSe được tính toán và cho bởi Bảng 3.1. Khi một lớp vỏ CdSe phát triển trên lõi CdTe thì PL QY của các NC CdTe/CdSe1ML (25,6%) giảm mạnh so với PL QY của các NC lõi CdTe (38,7%). PL QY giảm được giải thích do tái hợp phát xạ trong các NC loại-II CdTe/CdSe là tái hợp gián tiếp thông qua lớp tiếp giáp lõi/vỏ, vì vậy các exciton bị bắt bởi các sai hỏng bề mặt lõi/vỏ. Các NC CdTe/CdSe có PL QY lớn nhất đạt 31,7 % khi lớp vỏ CdSe có bề dày 2ML, tương tự như các kết quả khác đã được công bố với các NC CdTe/CdSe và CdS/ZnSe. Khi tiếp tục tăng độ dày lớp vỏ CdSe lên 3-5ML, PL QY của các NC CdTe/CdSe giảm dần từ 27,2 % đến 14,1 %. Có hai nguyên nhân chính gây nên sự giảm PL QY: i) Sai lệch
hằng số mạng tinh thể giữa hai vật liệu CdTe và CdSe gây ra ứng suất trong cấu trúc CdTe/CdSe. Ứng suất càng lớn khi lớp vỏ càng dày, chính ứng suất này gây nên các sai mạng tinh thể tạo ra các tâm dập tắt huỳnh quang. ii) Lớp vỏ CdSe càng dày thì sự tách không gian của điện tử và lỗ trống giữa lõi và vỏ càng lớn làm giảm xác suất tái hợp.