4. Các ứng dụng của vật liệu bán dẫn CdS và vật liệu nano bán dẫn từ
3.3. Tính chất từ
Tính chất từ của các NC CdS:Mn 0-10% tại nhiệt độ phòng được khảo sát bằng phép đo đường cong từ trễ M(H). Các NC CdS không pha tạp thể hiện tính sắt từ yếu (FM) phù hợp với các sai hỏng mạng, như trong trường hợp các cấu trúc nano d0-oxit sắt từ. Sự pha tạp Mn trong các NC CdS làm thay đổi mạnh trật tự FM. Điều này phản ánh trật tự FM thay đổi trong các NC CdS liên quan đến các tạp Mn. Các moment từ đạt đến trạng thái bão hòa khi H> 8 kOe. Đồ thị M(H) biểu diễn trong Hình 3.13 cho thấy tồn tại đồng thời 2 pha sắt từ yếu (FM) và nghịch từ (DM) trong các NC CdS:Mn. Tính chất nghịch từ trở nên rõ hơn khi H > 8 kOe. Từ tính của các NC CdS:Mn được giải thích dựa trên tương tác trao đổi giữa các ion Mn2+ và mạng nền. Lớp vỏ 3d của Mn được lấp đầy 1 nửa có thể đóng góp vào liên kết sp3 và thay thế vị trí của ion Cd, điều này sẽ phát sinh spin cục bộ trong II–VI DMS. Mn trong các hợp chất II – VI có hóa trị hai, điều này dẫn đến cấu hình spin cao d5, đặc trưng bởi S=5/2 và g=2. P. Ahmad và cộng sự [33] giải thích sự tồn tại của pha sắt từ yếu trong các NCs CdS:Mn có được là do sự giảm đáng kể nồng độ lỗ trống của chất bán dẫn. Kết quả quan sát trên Hình 3.13 cho thấy khi nồng độ Mn tăng đến 5% thì tính sắt từ của các mẫu CdS:Mn tăng thể hiện ở độ từ hóa bão hòa tăng, sau đó tính sắt từ giảm khi nồng độ Mn tiếp tục tăng. Tính sắt từ trong các chất bán dẫn có cấu trúc nano pha tạp kim loại chuyển tiếp (TM) đã được giải thích dựa trên tương tác trao đổi giữa các spin định xứ của các ion TM và các hạt tải tự do (tương tác sp-d) với sự có mặt của các khuyết tật bên trong mẫu [32]. Với các NC CdS:Mn tính sắt từ được tạo ra từ tương tác trao đổi FM thông qua các khuyết tật giữa các ion Mn2+. Những tương tác này trở nên mạnh nhất khi nồng độ Mn nhỏ hơn 5%. Khi nhiều ion Mn2+ được đưa vào các NC sẽ kích thích các tương tác siêu trao đổi chống FM giữa chúng, làm giảm độ từ hóa bão hòa như quan sát trong Hình 3.13. Hiện tượng tương tự cũng được tìm
thấy trong các NC CdS pha tạp Mn với hàm lượng Mn cao [1, 34]. Tính chất thú vị này mở ra khả năng kiểm soát các thuộc tính quang học và từ tính của các NC CdS:Mn bằng cách điều chỉnh nồng độ Mn hợp lý, làm cho chúng phù hợp hơn cho các ứng dụng quang- điện từ.
KẾT LUẬN
Các NC bán dẫn CdS:Mn đã được chế tạo thành công bằng phương pháp hóa ướt với các tiền chất thân thiện hơn với môi trường và giá thành rẻ. Sự pha tạp thành công Mn vào NC CdS đã được chứng minh thông qua phổ quang huỳnh quang và giản đồ nhiễu xạ tia X. Phổ hấp thụ của các NC CdS:Mn dịch về phía bước sóng dài khi tăng nồng độ Mn chứng tỏ kích thước hạt tăng. Phổ huỳnh quang xuất hiện hai đỉnh phát xạ của nền và tạp. Các đỉnh nhiễu xạ của các NC CdS:Mn dịch nhẹ về phía góc 2θ lớn hơn chứng minh có sự thay thế của ion Mn2+ cho các ion Cd2+. Khi nồng độ Mn tăng, cường độ đỉnh phát xạ của CdS giảm dần do sự truyền năng lượng từ nền sang tạp và tăng cường sai hỏng mạng tinh thể. Tuy nhiên cường độ của phát xạ tạp Mn tăng dần khi nồng độ Mn tăng từ 1-7% sau đó giảm phù hợp với sự thay thế nhiều hơn của các ion Cd2+ bởi các ion Mn2+ và sự truyền năng lượng xảy ra giữa các ion Mn2+. Dữ liệu từ VSM cho thấy tồn tại đồng thời 2 pha sắt từ yếu (FM) và nghịch từ (DM) trong các NC CdS:Mn. Tính sắt từ yếu trong các mẫu được giải thích dựa trên tương tác trao đổi giữa các spin định xứ của các ion Mn2+ và các hạt tải tự do (tương tác sp-d) với sự có mặt của các khuyết tật bên trong mẫu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. G. Kyazym-zade, M. A. Jafarov, E. F. Nasirov, C. A. Jahangirova, R. S. Jafarli,Semiconductors, 51, 454–457 (2017).
[2] M. Abdullah, A. Mossawi, Superlattices and Microstructures,102, 407-416 (2017).
[3] P. S. Maiti, L. Houben, and M. B. Sadan, J. Phys. Chem. C, 119, 10734–10739 (2015).
[4] Z. Han, L. Ren, L. Chen, M. Luo, H. Pan, C. Li, J. Chen, Journal of Alloys and Compounds, 699, 216-221 (2017).
[5] A. K. Chawla, S. Singhal, S. Nagar, H. O. Gupta, and R. Chandra, Journal of Applied Physics, 108, 123519 (2010).
[6] J. U. Kim, M. H. Lee and H. Yang, Nanotechnology,19, 465605 (2008).
[7] S. K. Verma, R.Verma, N. Li, D. Xiong, S. Tian, W. Xiang, Z. Zhang, Y. Xie, X. Zhao, Solar Energy Materials & Solar Cells, 157, 161–170 (2016).
[8] P. Reiss, M. Protie, L. Li, Small, 5, 154-168 (2009).
[9] O. Madelung, “Semiconductors”, Data Handbook, Springer-Verlag, Berlin (2004).
[10] Luận án TS Nguyễn Ngọc Hải – Học viện KHCN (2015). [11] V. I. Klimov “Nanocrystal quantum dots”, CRC Press (2004). [12] Luận án TS Lê Xuân Hùng – Học viện KHCN (2018)
[13] G. Konstantatos, Colloidal Quantum Dot Optoelectronics and Photovoltaics, Cambridge University Press, New York (2013).
[14] Salman A. AL, Ph. D. Thesis, Lausanne, EPFL, chapter 1 (2007).
[15] J. W. Liu, Y. Zhang, C.W. Ge, Y.L. Jin, S.L. Hu, N. Gu, Chinese Chemical Letters, 20, 977-980 (2009).
[16] C. Barglik-Chory, C. Remenyi, C. Dem, M. Schmitt, W. Kiefer, C. Gould, C. Rüster, G. Schmidt, D. Hofmann, D. Pfisterer, G. Müller. Phys. Chem. Chem. Phys, 5, 1639-1643 (2003).
[17] P. Vishwakarma, M. Ramrakhiani, P. Singh, D. Bisen, The Open Nanoscience Journal, 5, 34-40 (2011).
[18] W. Chen, Z. Wang, Z. Lin, L. Lin, Journal of Applied Physics, 82, 3111-3115 (1997).
[19] A. Gadalla, M. Almokhtar, A. N.aboelkhier, Chalcogenide Letters, 15, 207- 218 (2018).
[20] S. Salimian, S. Farjami Shayesteh, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 25, 2009-2014 (2018).
[21] P. Sudhagar, R. Sathyamoorthy, S. Chandramohan, S. Senthilarasu, S. H. Lee,
Materials Letters, 62, 2430-2433 (2008).
[22] W. Steckelmacher, Giorgio Bertotti, Academic Press Ltd., San Diego, USA, ISBN 0-12-093270-9 (1999).
[23] C.N.R. Rao, P.J. Thomas, G. Kulkarni, Synthesis, Properties and Applications, ISBN 978-3-540-68752-8 , 95, 1-182 (2007).
[24] J. Ziegler, S. Xu, E. Kucur, F. Meister, M. Batentschuk, F. Gindele, T. Nann,
Advanced Materials, 20, 4068-4073 (2008).
[25] W. J. M. de Jonge, H. J. M. Swagten, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 100, 322-345 (1991).
[26] I. Abood, A.A. Gadalla, M.M. Elokr, Journal of Nanotechnology and Materials Science,4, 1-8 (2017).
[27] W. W. Yu, L. Qu, W. Guo, X. Peng, Chem. Mater, 15, 2854-2860 (2003). [28] W. Luan, H. Yang, S. T. Tu, Z. Wang, Nanotechnology, 18, 175603-175608
(2007).
[29] S. F. Wuister, F. V. Driel, A. Meijerink, Phys. Chem. Chem. Phys, 5, 1253– 1258 (2003).
[30] A. Bakhsh, I. Hussain, A. Maqsood, S. Wu, J. Lumin.179, 574–580 (2016). [31] R. Sethi, P. K. Sharma, A. C. Pandey, L. Kumar, Chem. Phys. Lett.495, 63–68
(2010).
[32] J. Zheng, S. Cao, L. Wang, F. Gao, RSC Adv,4, 30948–30952 (2014).
[33] M. Ahmad, J. Zhao, D. Yu, L. Hu, New Journal of Physics, 1, 568-576 (2015). [34] X. Liu, Q. Zhang, G. Xing, Q. Xiong, T. C. Sum, J. Phys. Chem. C,117,