CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5. Tính chất quang chấm lượng tử
1.5.1. Khái niệm chung
Thực tế, để sử dụng hiệu quả và thích hợp nguyên vật liệu, cần phải nghiên cứu các tính chất cơ, hóa, quang, nhiệt, điện..., khác nhau của từng loại vật liệu thích hợp bằng các kỹ thuật phân tích thích hợp. Có nhiều biểu hiện khác nhau về tính chất quang của vật liệu, tuy nhiên, có thể xem biểu hiện chính là các q trình tương tác, phản ứng, chuyển hóa năng lượng cung cấp/ kích thích phản ứng cho vật liệu có yếu tố ánh sáng hoặc sóng điện từ trong đó.
Các chấm lượng tử bán dẫn có những tính chất quang đặc biệt so với vật liệu bán dẫn khối. Những tính chất này là kết quả cuả sự giam hãm lượng tử các hạt tải điện (hay giam giữ của hàm sóng điện tử và lỗ trống) và ảnh hưởng của các trạng thái bề mặt.
Khả năng điều khiển các tính chất quang của các chấm lượng tử (thơng qua kích thước) làm chúng có một vị trí quan trọng trong khoa học vật liệu và các lĩnh vực như vật lý, hóa học, y sinh học,...
50
Hình 1.6: Mới quan hệ giữa kích thước với màu sắc chấm lượng tử.
1.5.2. Chấm lượng tử phát quang
Khoa học và Công nghệ nano đánh dấu bước phát triển lịch sử của khoa học và công nghệ trên thế giới, trong thời gian qua đã đạt những thành tựu to lớn góp phần thay đổi khơng chỉ khoa học cơng nghệ mà còn cả trong lĩnh vực kinh tế xã hội. Sự phát triển như vũ bão của nền kinh tế luôn đặt ra các yêu cầu bức thiết đối với khoa học công nghệ về giải pháp về năng lượng vật liệu và thiết bị với hiệu quả vượt trội và tính năng đột phá [27]. Trong bối cảnh đó, cơng nghệ nano ra đời và đã phần nào giải quyết được các vấn để cấp thiết, và việc ứng dụng công nghệ nano vào các ngành khoa học và cuộc sống ngày càng được quan tâm phát triển. Các nhu cầu về điện năng, năng lượng mới, sức khỏe và môi trường tạo tiền đề cho các ứng dụng của khoa học và công nghệ nano [28].
Chấm lượng tử là một tinh thể nano được làm từ vật liệu chấn bán dẫn mà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử. Chấm lượng tử thường có kích thước từ vài nm đến vài chục nm. Nó giam giữ mạnh các điện tử, lỗ trống và các cặp điện tử-lỗ trống (các exciton) trong một khoảng cỡ bước sóng De Broglie của các điện tử theo cả ba chiều không gian [29]. Sự giam giữ này dẫn tới các mức năng lượng của hệ bị lượng tử hoá, giống như phổ năng lượng gián đoạn của một ngun tử. Chính vì lí do này mà các chấm lượng tử cịn được gọi là các “nguyên tử nhân tạo”. Thuật ngữ "chấm lượng tử" được đặt ra bởi Mark Reed [30].
51
Hình 1.7: Cấu trúc của một chấm lượng tử (nguồn: Nanoco Industrie).
Đặc tính của chấm lượng tử phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng và kích thước hạt. Đặc biệt ta có thể thấy được rằng, khi kích thước hạt giảm đi thì vùng cấm của chấm lượng tử tăng dần, dẫn đến màu sắc của ánh sáng phát ra thay đổi từ đỏ sang xanh. Vì kích thước của một chấm lượng tử có thể được thiết kế khi chế tạo nó, tính chất dẫn điện của nó có thể được kiểm sốt cẩn thận. Chấm lượng tử có nhiều kích thước khác nhau, tùy vào tính chất phát xạ mong muốn mà ta tạo ra chấm lượng tử tương ứng. Một số ưu điểm nổi trội về quang học của chấm lượng tử: cường độ phát quang mạnh, ổn định hơn chất màu truyền thống và có thể phát quang liên tục nhiều giờ sau khi bị kích thích [31]. Bên cạnh đó, nhiều tinh thể nano bán dẫn có phổ hấp thụ rộng và cũng nhiều tinh thể có phổ hấp thu hẹp nên rất thuận lợi trong việc ứng dụng. Với độ phát sáng, độ nhạy quang, độ chính xác cùng thời gian sống dài khi phát quang mà chấm lượng tử có sự thu hút đặc biệt mạnh mẽ với các nhà khoa học [31].
Gần đây, một loại vật liệu nano phát quang trở thành đối tượng tâm điểm của nghiên cứu cơ bản và ứng dụng là vật liệu nano phát quang. Loại vật liệu này khá thu hút được sự quan tâm nghiên cứu phát triển nhằm triển khai các ứng dụng trong in bảo mật, công nghệ lượng tử ánh sáng, hiển thị hình ảnh, đánh dấu y sinh học,…
Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm 80 của thế kỷ XIX, trong phịng thí nghiệm của Luis Brus tại Bell Laboratories và của Alexander Efros cùng với Alexei I.Ekimov ở Viện Công Nghệ vật lý A.F. Ioffe ở St.Peterburg. Thuật ngữ “chấm lượng tử” được Mark A.Reed đưa ra đầu tiên vào năm 1988. Trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang, mà các exciton của chúng bị giam giữ một cách nghiêm ngặt khi bán kinh của hạt nhỏ hơn bán kính Borh của electron [32].
Lõi
52
Hình 1.8: Vật liệu nano phát quang dưới ánh đèn UV.
Chấm lượng tử bán dẫn được quan tâm đặc biệt là do hiệu ứng giam giữ lượng tử thể hiện rất rõ và phụ thuộc nhiều vào kích thước của hạt nano. Hiệu ứng lượng tử thể hiện trong các chấm lượng tử là sự mở rộng vùng cấm của chất bán dẫn tăng dần lên khi kích thước của hạt giảm đi và quan sát được qua sự dịch chuyển về phía các bước sóng xanh (Blue) trong phổ hấp thụ. Sự thay đổi dạng cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố lại trạng thái ở lân cận đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn, mà biểu hiện rõ nhất của hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh là các vùng năng lượng liên tục sẽ trở thành các mức gián đoạn. Không giống như các đơn nguyên tử hay phân tử khác, các hạt chấm lượng tử khi chế tạo có thể tùy biến lớp bề mặt của hạt để có các tính chất hay chức năng cần thiết cho các ứng dụng khác nhau [33].