4. Các ứng dụng của vật liệu bán dẫn CdS và vật liệu nano bán dẫn từ
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo đến sự phát triển của các nano tinh
Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày về quy trình chế tạo các NC CdS và CdS:Mn, cũng như các tính chất quang của chúng.
3.1. Chế tạo các nano tinh thể lõi CdS
Quy trình chế tạo các NC CdS:Mn cũng tương tự như chế tạo các NC CdS. Vì vậy đầu tiên chúng tôi nghiên cứu các điều kiện công nghệ để chế tạo các NC CdS. Với mục đích chế tạo các NC CdS có chất lượng tinh thể tốt, đồng đều và có hình dạng cầu, chúng tôi lựa chọn nồng độ tiền chất [Cd2+] = 0.1M, [S2-] =0,05M và nồng độ OA thấp, [OA] =0,05M dựa trên kết quả của các tài liệu nghiên cứu trước.
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo đến sự phát triển của các nano tinh thể CdS thể CdS
Nhiệt độ chế tạo là một nhân tố quan trọng, quyết định đến sự hình thành, hình dạng, kích thước và tốc độ phát triển của các NC. Nếu nhiệt độ phản ứng quá thấp thì các NC CdS sẽ không được tạo thành còn nhiệt độ cao quá thì các NC CdS sẽ phát triển quá nhanh dẫn đến hình dạng không đồng nhất và phân bố kích thước bị mở rộng. Hình 3.1 biểu diễn phổ hấp thụ và PL của các NC CdS được chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau từ 160-280oC. Tại mỗi nhiệt độ chế tạo, thời gian phản ứng được diễn ra trong 15 phút còn mọi thông số công nghệ khác được giữ không thay đổi.
Hình 3.1 cho thấy khi nhiệt độ chế tạo thấp 160oC thì các NC CdS đã không được tạo thành thể hiện ở việc không quan sát thấy đỉnh phát xạ hay hấp thụ của các NC CdS. Phổ phát xạ và hấp thụ của các NC CdS gần như là một đường thẳng, đó chỉ là tín hiệu huỳnh quang và hấp thụ của dung dịch toluen. Kết quả này có thể giải thích là ở nhiệt độ thấp hoạt tính hóa học của các ion [Cd2+] và [S2-] chưa đủ mạnh để chúng kết hợp với nhau, nghĩa là trong hệ phản ứng ODE và OA, các NC CdS không thể được tạo thành tại nhiệt độ thấp hơn và bằng 160oC. Khi nhiệt độ cao hơn từ 180-280oC ta có thể quan sát thấy
rõ ràng đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang của các NC CdS, chứng tỏ các NC CdS đã được hình thành. Có thể nhận thấy đỉnh hấp thụ của các NC CdS khá nhọn chứng tỏ các NC có phân bố kích thước hẹp. Khi nhiệt độ chế tạo càng lớn thì đỉnh hấp thụ và huỳnh quang của các NC CdS càng dịch nhiều về phía bước sóng dài chứng tỏ kích thước của các NC tăng. Đỉnh hấp thụ của các NC CdS thay đổi từ 392-436 nm khi nhiệt độ chế tạo thay đổi từ 190-280oC. Các đỉnh hấp thụ này dịch về phía bước sóng ngắn nhiều so với đỉnh hấp thụ của bán dẫn khối CdS (khoảng 505 nm) do hiệu ứng giam giữ lượng tử do kích thước nm của các NC CdS. Kích thước (d) của các NC CdS có liên quan trực tiếp đến đỉnh hấp thụ () và được xác định theo công thức [27]:
) 1 . 3 ( 29 , 13 ) 2352 , 9 ( ) 10 . 9557 , 1 ( ) 10 . 6521 , 6 ( 8 4 4 2 d
Sử dụng công thức trên, kích thước của các NC CdS chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau được xác định thay đổi trong khoảng từ 2.8-4.4 nm, Hình 3.1a, khi tăng nhiệt độ chế tạo, đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang (Hình 3.1b) của các NC CdS dịch dần về phía bước sóng dài chứng tỏ kích thước của các NC tăng dần và độ rộng vùng cấm của chúng giảm.
Hình 3.1. (a) Phổ hấp thụ và (b) Phổ PL của các NC CdS được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 15 phút.
Sự thay đổi kích thước hạt và độ rộng bán phổ huỳnh quang (PL FWHM) khi nhiệt độ chế tạo thay đổi từ 190-280oC có thể quan sát trong Hình 3.2, có thể nhận thấy khi nhiệt độ chế tạo tăng thì kích thước của các NC tăng do tốc độ phản ứng nhanh hơn. Tuy nhiên PL FWHM giảm khi nhiệt độ tăng từ 190-250oC, đạt cực tiểu khoảng 26 nm tại 250oC sau đó tăng khi nhiệt độ tiếp tục tăng cao hơn. Thông thường khi nhiệt độ chế tạo cao thì các NC có PL FWHM hẹp hơn. Kết quả này là do các NC được chế tạo tại nhiệt độ cao có thời gian tạo mầm nhanh hơn, các mầm tinh thể được tạo ra gần như đồng thời vì vậy các NC này được phát triển gần như cùng một lúc nên kích thước của các NC đồng đều hơn dẫn đến PL FWHM có phân bố hẹp [7,8]. Tuy nhiên khi nhiệt độ chế tạo quá cao thì tốc độ phát triển của các NC quá nhanh, dẫn đến quá trình phân kỳ kích thước làm PL FWHM bị mở rộng. Với mục đích chế tạo các NC CdS và CdS:Mn có kích thước đồng đều, dựa trên kết quả trong hình 3.2, chúng tôi lựa chọn nhiệt độ chế tạo các NC CdS và CdS:Mn là 250oC.