Vật liệu để chế tạo mẫu là QD- CdSe và hạt PMMA. QD-CdSe được chế tạo ở viện khoa học vật liệu có phủ lớp vỏ bọc TOPO và được hòa tan trong dung môi toluen (5mg trong 2.5 ml dung môi toluen). QD-CdSe có vùng dẫn (CB) và vùng hóa trị(VB) là -3,5 eV đến -3,71 eV và -5,49 eV đến -5,81 eV CdSe là một chất bán dẫn vùng cấm thẳng ở dạng khối có độ rộng vùng cấm là 1,738 eV. [11]
Chấm lượng tử nc-CdSe được bọc lớp TOPO (ligand). Trước khi pha tạp với PMMA chấm lượng tử được ly tâm nhằm loại bỏ lớp TOPO và hòa tan trong dung môi toluene.
Tổ hợp nc-CdSe/PMMA được pha trộn the 3 tỉ lệ cho trước theo phần trăm thể tích. Ba tỉ lệ 5%, 10% và 15% được chọn cho quá trình pha tạp. Để phân tán chấm lượng tử đồng đều trong PMMA, quá trình pha tạp được thực hiện ở nhiệt độ phòng kết hợp trộn rung siêu âm (ultrasonic mixture)
Màng CdSe/PMMA được tạo ra trên đế thủy tinh bằng phương pháp quay phủ ly tâm (spin-coating). Đầu tiên đế thủy tinh được cắt nhỏ theo kích thước 15 x 15mm và được rửa sạch bằng nước rửa kính, rung siêu âm lần lượt với dung dịch C2H5OH, aceton, nước cất mỗi lần 15 phút, rồi sấy khô trong tủ sấy ở 700C.
100 mg PMMA được hòa tan trong 2ml dung môi toluene bằng rung siêu âm. Hỗn hợp dung dịch được pha trộn trong 3 lọ thủy tinh sạch với các tỷ lệ CdSe/PMMA là 5%; 10%; và 15% theo thể tích. Nano tinh thể được phân tán trong dung dịch bằng khuấy từ trong 1h và tiếp theo rung siêu âm trong 6h.
Sau khi tạo ra hỗn hợp dung dịch CdSe/PMMA chúng tôi đã tiến hành tạo mẫu bằng phương pháp quay phủ ly tâm với tốc độ 800v/s trên đế thủy tinh. Mẫu được ủ nhiệt chân không ở nhiệt độ 700c trong 4h. Và được đem đi tiến hành đo đạc bằng các phương pháp thực nghiệm
3.3 Phân bố chấm lƣợng tử CdSe nc-PMMA trong PMMA polymer
Để hiểu rõ về cấu trúc bề mặt của vật liệu tổ hợp đang nghiên cứu, mẫu được chụp ảnh bề mặt trên máy FE-SE model Hitachi, Japan. Khảo sát ảnh SEM của mẫu màng tổ hợp CdSe/PMMA với độ phân giải thấp 5 micron và độ phân giải cao hơn 300nm cho thấy trên hình 3.2:
Hình 3.2 Ảnh FE-SEM của màng tổ hợp CdSe/PMMA
Chúng ta thấy rằng các chấm lượng tử nc-CdSe đã được phân tán trong nền PMMA. Các chấm lượng tử nc-CdSe được bao bọc trong PMMA chưa được đồng đều lắm do khả năng bám dính trên đế thủy tinh là không được tốt và trong quá trình quay phủ thì lượng dung dịch văng ra ngoài lớn. Tuy nhiên với sự phân bố các hạt CdSe trong màng tổ hợp và màng được tạo ra trong hình cho thấy màng tổ hợp này có thể dùng để khảo sát được các tính chất khác của vật liệu cho những ứng dụng thiết thực.
3.4 Phổ FT-IR
Phổ FITR được dùng để xác định sự thay đổi do tương tác giữa PMMA và chấm lượng tử. Đối với PMMA đỉnh C-H được quan sát tại 2924 và 2853 cm. Đỉnh 1729 được gắn với gốc cabonyl (C-O). Đỉnh 1149 là liên kết P=O. Các đỉnh 1387 và 1451 đã thể hiện được sự có mặt của lớp vỏ bọc TOPO của CdSe trong tổ hợp màng.
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2853 2924 1729 1451 1539 1149 990 751 1387 Wavelength (cm )-1 % T ra nsm it ta n ce
Hình 3.3. Phổ FTIR của màng tổ hợp CdSe/PMMA
3.5 Phép đo I-V
Để thực hiện phép đo I-V chúng tôi tiến hành tạo 1 linh kiện có cấu trúc đơn giản bao gồm 2 điện cực trên dưới và kẹp giữa là vật liệu tổ hợp CdSe/PMMA. Trong đó điện cực dương là ITO, và điện cực âm là nhôm. Cực dương ITO được ăn mòn tạo hai dải điện cực bề rộng 3mm. Sau đó ITO được trải 1 lớp màng tổ hợp CdSe/PMMA bằng phương pháp Spincoatting Quá trình xử lý nhiệt các màng tạo thành được tiến hành trong chân không (khoảng 10-3 torr) ở nhiệt độ 120oC trong thời gian 30 phút. Linh kiện được hoàn thành bởi phương pháp bốc bay nhiệt chân không tạo ra 2 điện cực nhôm ở phía trên vuông góc với 2 dải ITO.
AL
CdSe/PMMA ITO
Mẫu được tiến hành phép đo I-V và cho kết quả ở hình 3.6 U(V) I(mA) 0.00 0.05 1.00 1.50 2.00 2.50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
Hình 3.5 Đường đặc trưng I-V của màng tổ hợp
Từ kết quả phổ I-V được thể hiện trên hình 3.6, ta thấy các linh kiện đã chế tạo có đặc trưng I-V giống như đặc trưng I-V của một diode vô cơ thông thường: nghĩa là khi cấp điện áp nguồn từ giá trị thấp tăng dần lên giá trị cao thì linh kiện này có dòng dẫn tăng lên. Ban đầu với điện thế thấp bắt đầu có dòng dẫn nhưng còn rất nhỏ, nhưng khi nguồn cấp tăng đến giá trị thế mở dòng thì dòng dẫn tăng mạnh và gần như tuyến tính với các giá trị điện áp lớn
Từ hình 3.6 ta nhận thấy rằng đường đặc trưng I-V của linh kiện thể hiện điện thế mở (điện áp làm việc) khá cao. Tuy nhiên mật độ dòng trong quá trình làm việc của linh kiện không được cao lắm điều này phản ánh sự hạn chế của màng CdSe/PMMA làm lớp tiếp xúc điện cực dương
3.6 Phổ hấp thụ của chấm lƣợng tử và vật liệu tổ hợp nano
Phổ hấp thụ của vật liệu tổ hợp CdSe/PMMA được đo bởi máy Absorption Spectrometer (V-570, UV/Vis/Nir, Jasco, Japan), với khoảng bước sóng 200 – 1100 nm, bước quét 1nm. Dựa vào kết quả phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu màng CdSe cho ta thấy một đỉnh hấp thụ rõ rệt của CdSe ở bước sóng 610nm và một bờ vai có đỉnh tại 585nm.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 500 550 600 650 700 750 Wavelegth (nm) A b so rb a n ce ( a .u ) CdSe nc-QD Hình 3.6 Phổ hấp thụ của màng CdSe
Từ phổ hấp thụ của các chấm lượng tử nc-CdSe, đường kính của các chấm lượng tử được tính toán theo công thức [22]:
D = 1.6122 x 10-9λ4
– 2.6575 x 10-6λ3
+ 1.6242 x 10-6λ2 – 0.4277 λ + 41.57 1.7 Trong đó λ là bước sóng của đỉnh hấp thụ
Đây là công thức được đưa ra năm 2003 bởi Yu và các đồng nghiệp. Công thức trên là phương pháp bán thực nghiệm để xác định kích thước hạt và nồng độ của chấm lượng tử trên cơ sở xây dựng đường cong thực nghiệm biểu diễn mối liên hệ giữa kích thước của chấm lượng tử với đỉnh hấp thụ từ đó suy ra hàm số cho mối liên hệ giữa đường kính của chấm lượng tử với bước sóng tại đỉnh hấp thụ Đường kính của nano tinh thể CdSe trong luận văn tính toán theo phổ hấp thụ xấp sỉ khoảng 5nm.
Khi pha trộn chấm lượng tử nc-CdSe trong nền polyme PMMA theo các tỉ lệ cho trước. Qua các khảo sát nghiên cứu và tham khảo tài liệu, tỉ lệ của chấm lượng tử và PMMA (CdSe/PMMA) theo thể tích là 5%, 10% và 15%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
0 0.05 0.1 0.15 0.2 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) A b so rb an ce (A .U .) 5% CdSe 10%CdSe 15% CdSe Hình 3.7 Phổ hấp thụ của màng CdSe/PMMA
Trên hình 4.5 là phổ hấp thụ của tổ màng CdSe/PMMA với các tỷ lệ CdSe 5%; 10%, và 15% theo tỉ lệ thể tích dung dịch. Ta thấy sự có mặt của các PMMA trong tổ hợp màng đã làm cho cường độ hấp thụ giảm xuống so với độ hấp thụ của chấm lượng tử. Điều này có thể giải thích mật độ phân bố của chấm lượng tử nc-CdSe trong tổ hợp nc-CdSe/PMMA nhỏ hơn nhiều so với phân bố của nó trong dung dịch toluene hay đã trải màng (CdSe film). Mặt khác tại bước sóng tại 610 nm truyền qua PMMA đến 93% nên sự suy giảm cường độ hấp thụ là suy giảm mật độ chấm lượng tử nc-CdSe trên một đơn vị diện tích và ảnh hưởng độ dầy của màng tổ hợp [19]. Tuy nhiên không có sự dịch đỉnh hấp thụ của chấm lượng tử nc-CdSe trong màng tổ hợp nc-CdSe/PMMA. Điều này khẳng định rằng sự pha tạp của chấm lượng tử trong polyme chỉ tạo sự phân tán ngẫu nhiên, phân bố tương đối đồng đều và không có liên kết hóa học giữa bề mặt của chấm lượng tử nc-CdSe và bề mặt của polyme PMMA.
3.7 Kết quả đo huỳnh quang Wavelength (nm) Wavelength (nm) Intensity (a.u) 550 600 650 700 750 100 200 300 400 500 600 0 CdSe
Hình 3.8 Phổ huỳnh quang của Cdse
Phổ huỳnh quang (PL) được đo trên máy Fluorescence Spectrophotometer hiệu Cary Eclipse (USA), dải bước sóng kích thích là 325nm, dải sóng phát quang 360 – 1100 nm, tốc độ quét là 600 nm/min, nguồn laser kích thích He-Cd. Từ phổ huỳnh quang của vật liệu tổ hợp nc-CdSe/PMMA tương ứng với nồng độ chấm lượng tử nc-CdSe là 5%, 10% và 15% theo thể tích ta thấy có sự dập tắt cường độ phổ huỳnh quang . Sự dập tắt huỳnh quang của tổ hợp đó là do nhường điện tử và truyền năng lượng [17]. Tuy nhiên hiệu ứng truyền năng lượng từ PMMA (donor) sang chấm lượng tử nc-CdSe (acceptor) không xảy ra trong tổ hợp nc-CdSe/PMMA do phổ hấp thụ của polyme PMMA trong dải sóng 500 - 700nm phần lớn truyền qua (transperent 93%) nên không có overlap của phổ hấp thụ của PMMA đối với phổ quang huỳnh quang của nc-CdSe với đỉnh phát xạ tại 614 nm (hình 3.9). Điều này chứng tỏ rằng sự dập tắt phát xạ huỳnh quang của nc-CdSe là do trao đổi của lớp bọc TOPO với lớp polyme PMMA.
Wavelength (nm) Inte nsit y (a .u) 550 550 550 550 20 40 0 60 80 100 CdSe/PMMA(5%) CdSe/PMMA(10%) CdSe/PMMA(15%)
Hình 3.9 Phổ huỳnh quang màng tổ hợp CdSe/PMMA
Điều này có thể giải thích là do sự thay đổi của lớp bọc TOPO liên kết với lớp polyme PMMA đã dẫn đến sự kết nối tốt hơn của hệ điện tử của chuỗi polyme PMMA và các chấm lượng tử. Kết quả là sự truyền điện tích hay sự phân ly điện tích giữa nc-CdSe và PMMA trở nên dễ dàng và làm suy giảm phát xạ huỳnh quang của nc-CdSe và thay đổi trạng thái bề mặt của cả hai thành phần PMMA và nc-CdSe [15].
Mặt khác ta còn thấy sự dịch đỉnh phổ phát xạ quang huỳnh quang sang bước sóng ngắn hơn (blue-shift) của vật liệu tổ hợp nc-CdSe/PMMA từ 616 nm đến 613 nm và 611nm tương ứng nồng độ của chấm lượng nc-CdSe tăng từ 5%, lên 10% và 15% so với đỉnh phổ phát xạ của nc-CdSe. Điều này có thể được giải thích khi chiếu nguồn laze kích thích lớp PMMA nền bị phân hủy dẫn đến sự thay đổi tương tác bề mặt của chấm lượng tử, sự phân ly do quang hóa của quá trình tái kết hợp không phát xạ của các điện tích xảy ra tại lớp bề mặt của chấm lượng tử [7]. Kết quả quá trình quang hóa làm giảm kích thước của chấm lượng tử dẫn đến hiện tượng dịch đỉnh huỳnh quang sang bước sóng ngắn hơn (blueshift).
Từ kết quả phân tích huỳnh quang cho thấy vật liệu tổ hợp nano nc-CdSe/ PMMA có thể dùng làm vật liệu phát quang và dẫn quang (plastic optical fiber) ở các bước sóng nhất định tùy thuộc vào kích thước và nồng độ của chấm lượng tử pha tạp nhẹ hơn, hiệu suất cao hơn so với các vật liệu sợi quang truyền thống.
3.9 Phép đo điện quang
Trong thực nghiệm này chúng tôi tiến hành phủ 1 lớp màng tổ hợp CdSe/PMMA lên một đèn LED chip InGaN blue phát ánh sáng xanh. Sau khi sấy khô và tiến hành đo phép đo huỳnh quang
Nhìn vào kết quả phép đo thu được trên đồ thị hình 3.11 dưới đây chúng ta có thể dễ dàng nhận ra có 2 đỉnh thu được trong đó đỉnh ở bước sóng 460nm chính là đỉnh phát xạ của điện huỳnh quang của LED vô cơ.
Indensity (a.u) Wavelength (nm) 700 600 500 400 300
Hình 3.10 Phổ phát quang của đèn led phủ vật liệu tổ hợp
Ở bước sóng 624nm (ánh sáng đỏ) cũng xuất hiện 1 đỉnh có cường độ nhỏ hơn điều này chứng tỏ xuất hiện sự phát xạ của tổ hợp nc-CdSe/PMMA khi bị kích thích ở bước sóng 460nm và cho ra ánh sáng màu đỏ. Điều này chứng tỏ chúng ta sẽ thay đổi được màu của ánh sáng tùy thuộc vào kích thước của chấm lượng tử. Tùy theo kích thước của chấm lượng tử ta có thể thu được ánh sáng màu khác nhau như màu xanh lá cây, màu vàng, đỏ... từ một nguồn kích thích nhất định (ví dụ bước sóng 460nm màu xanh) và chính điều này sẽ giúp chúng ta nghiên cứu khả năng dẫn quang của vật liệu. Khi chúng ta chọn bước sóng thích hợp, kích thước và chấm lượng tử thích hợp chúng ta có thể tạo ra 1 vật liệu dẫn 1 loại ánh sáng màu có bước sóng nhất định (hình 3.9). Hoặc nếu như chúng ta có thể cho thêm YaGCe vào tổ hợp màng với tỷ lệ thích hợp thì tổ hợp sẽ tạo ra ánh sáng vàng, xanh đỏ. Tổ hợp 3 màu ánh sáng này sẽ cho chúng ta ánh sáng trắng. Trong thực tế hiện nay đèn led phát ánh sáng trắng có tiềm năng ứng dụng rất lớn ở các nước phát triển và các nước đang phát triển. Ngoài việc sử dụng để chiếu sáng trong bóng đèn ôtô, phòng lạnh, phòng mổ.. nó còn được dùng để
chiếu sáng công cộng, nhà ở.. mang lại hiệu quả chiếu sáng cao, tuổi thọ dài và tiết kiệm năng lượng.
Hình 3.11 Đèn led được phủ màng CdSe/PMMA
KẾT LUẬN
Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo và khảo sát các tính chất của màng tổ hợp nano CdSe/PMMA.
Qua phép đo SEM chúng ta thấy được sự phân tán của nc-CdSe trong nền PMMA khi tạo vật liệu tổ hợp CdSe/PMMA.
Khảo sát được phổ hấp thụ của tổ hợp CdSe/PMMA theo các tỷ lệ khác nhau. Không có sự dịch đỉnh hấp thụ của chấm lượng tử nc-CdSe trong màng tổ hợp nc-CdSe/PMMA. Điều này khẳng định rằng sự pha tạp của chấm lượng tử trong polyme chỉ tạo sự phân tán ngẫu nhiên, phân bố tương đối đồng đều và không có liên kết hóa học giữa bề mặt của chấm lượng tử nc-CdSe và bề mặt của polyme PMMA.
Sự suy giảm huỳnh quang của màng tổ hợp với huỳnh quang của chấm lượng tử. Sự suy giảm này do hiện tượng truyền điện tử, sự truyền điện tử gây ra bởi sự trao đổi giữa lớp bọc TOPO với lớp polyme PMMA.
Có sự dịch đỉnh phổ huỳnh quang sang bước sóng ngắn hơn của vật liệu tổ hợp nc-CdSe/PMMA từ 616 nm đến 613 nm và 611nm tương ứng nồng độ của chấm lượng nc-CdSe giảm từ 15%, xuống 10% và 5% so với đỉnh phổ phát xạ của nc-CdSe.
Vật liệu tổ hợp phát ánh sáng đỏ (bước sóng 624nm) với nguồn kích ánh sáng xanh ở bước sóng 460nm điều này sẽ giúp cho việc chế tạo các vật liệu tổ hợp chứa chấm lượng có thể phát xạ các màu khác nhau như vàng, đỏ.. với bước sóng kích thích nhất định.
Đặc trưng I-V của linh kiện ITO/CdSe/PMMA/Al thể hiện đặc tính của điốt với điện áp mở khoảng 2.25V.
Với các tính chất ưu việt của chấm lượng tử hướng nghiên cứu tiếp theo của khoa luận là tiếp tục nghiên cứu tổ hợp các tổ hợp màng nano CdSe/PMMA với các tỉ lệ khác nữa để tìm ra tỉ lệ tối ưu cho việc ứng dụng tính chất quang của vật liệu tổ hợp trong việc chế tạo các vật liệu dẫn quang và chế tạo các linh kiện OLED…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[2] Đào Trần Cao (2007), Cơ sở vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007).
[3] Nguyễn Hữu Đình, Đỗ Đình Rãng (2009), Hóa học hữu cơ, NXB Giáo Dục Việt Nam.
[4] Trương Văn Tân (2008), Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất bản trẻ.
Tiếng Anh
[5] A.Henglein, Ber. Bunsenges(1982), Phys. Chem, pp. 86, 301.