Chấm lượng tử được dựng trong cỏc linh kiện để khuếch đại quang và dẫn súng. Khống chế và điều khiển tập hợp cỏc chấm lượng tử là một mục tiờu lớn để dựng cỏc vật liệu này cho mỏy tớnh lượng tử trong tương lai. Một nhúm cỏc nhà khoa học quốc tế vừa phỏt triển một loại bỏn dẫn mới cú thể khiến mỏy tớnh hoạt động nhanh hơn và hiệu quả hơn với gấp đụi khả năng lưu trữ trung bỡnh của ổ cứng. Chất bỏn dẫn này cú tờn gọi chấm lượng tử từ tớnh.
Những tinh thể siờu nhỏ, nhỏ đến mức chỉ cú thể đo bằng đơn vị phần tỉ một hay nano một, đó được phỏt triển từ 15 năm trước và hiện đang được sử dụng trờn chip mỏy tớnh, pin mặt trời, điốt phỏt quang (LED) và điốt laser. Bỏn dẫn cú chức năng như một bộ phận ngắt, thay đổi hoặc chuyển đổi hành trỡnh của dũng electron trong một mạch điện. Và tương tự, chấm lượng tử cũng cú khả năng cho phộp electron thải ra photon theo lệnh.
1.5.2.3. Ứng dụng trong sinh học và y học:
Trong phõn tớch sinh học hiện đại, cỏc loại thuốc nhuộm hữu cơ đó được sử dụng. Tuy nhiờn, yờu cầu về thuốc nhuộm ngày càng phải linh hoạt hơn và cỏc thuốc nhuộm truyền thống thường khụng thể đỏp ứng sự mong đợi .Cuối cựng, chấm lượng tử đó nhanh chúng đỏp ứng vai trũ, chỳng đó bổ sung vào thuốc nhuộm hữu cơ truyền thống về một số tớnh chất tốt hơn, đú là sự kết hợp giữa hiệu suất lượng tử với thuốc nhuộm huỳnh quang. Ước tớnh rằng cỏc chấm lượng tử phỏt sỏng hơn 20 lần và ổn định hơn 100 lần so với cỏc phương phỏp huỳnh quang
27
truyền thống. Việc sử dụng cỏc chấm lượng tử cho hỡnh ảnh tế bào cú độ nhạy cao đó cú những tiến bộ lớn trong thập kỷ qua. Cỏc chấm lượng tử đó cải thiện đỏng kể tớnh bền vững của ỏnh sỏng. Một ứng dụng khỏc mà lợi dụng tớnh bền quang của chấm lượng tử đầu dũ là theo dừi thời gian thực của cỏc phõn tử và tế bào trong một thời gian dài.
Cỏc nhà nghiờn cứu đó cú thể quan sỏt cỏc chấm lượng tử trong cỏc hạch bạch huyết của chuột trong hơn 4 thỏng. Cỏc chấm lượng tử bỏn dẫn cũng đó được sử dụng cho trong hỡnh ảnh ống nghiệm của cỏc tế bào trước khi dỏn nhón. Khả năng hỡnh ảnh đơn bào di chuyển trong thời gian thực sẽ rất quan trọng đối với một số lĩnh vực nghiờn cứu như: phổi, tỏc dụng ung thư biến thờ̉, tế bào gốc trị liệu…
1.5.2.4. Ứng dụng trong vật lý
Cỏc búng đốn huỳnh quang thụng thường dựa trờn hiện tượng huỳnh quang phỏt ra từ cỏc chấm lượng tử. Bờn trong ống thủy tinh chõn khụng và một phần nhỏ là thủy ngõn. Hiện tượng phúng điện trong ống gõy ra cỏc nguyờn tử thủy ngõn để phỏt ra ỏnh sỏng cực tớm, ống được bao bằng một lớp vật liệu huỳnh quang, được gọi là phosphor, nú hấp thụ tia cực tớm và phỏt ra ỏnh sỏng nhỡn thấy.
Hỡnh 1.11: Chấm lượng tử được gắn với cỏc khỏng thể nhận dạng tế bào ung thư
28
Đốn huỳnh quang chiếu sỏng là tiết kiệm năng lượng hơn so với cỏc ỏnh sỏng đốn sợi đốt. Tuy nhiờn, đốn huỳnh quang truyền thống cú phổ khụng đồng đều cú thể gõy ra màu sắc khỏc nhau khi được chiếu sỏng bởi ỏnh sỏng thớch hợp. Hơi thủy ngõn quang phổ phỏt xạ bị chi phối bởi một dũng UV bước súng ngắn tại 254 nm ( nú cung cấp hầu hết năng lượng cho cỏc chất lõn quang), kốm theo phỏt ra ỏnh sỏng cú thể nhỡn thấy ở 436 nm (màu xanh), 546 nm (màu xanh) và 579 nm ( màu vàng cam).
Cỏc chấm lượng tử được sử dụng như điốt phỏt sỏng cho màn hỡnh và cỏc nguồn ỏnh sỏng khỏc, như "QD-LED" hiển thị, và "QĐ-WLED"(White LED). Trong thỏng sỏu, năm 2006, cỏc nhà nghiờn cứu cụng bố thành cụng trong việc đưa ra một bằng chứng chấm lượng tử hiển thị một phỏt sỏng trong vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy và gần vựng tử ngoại và màu đỏ của quang phổ. Cỏc chấm lượng tử cú giỏ trị cho màn hỡnh, bởi vỡ chỳng phỏt ra ỏnh sỏng trong phõn phối Gaussian rất đặc biệt. Điều này cú thể cho kết quả hiển thị chớnh xỏc hơn làm cho mắt người cú thể cảm nhận màu sắc một cỏch rừ nột nhất.
29
Ngoài ra, kể từ khi phỏt hiện chấm lượng tử cú thể phỏt ra ỏnh sỏng trắng thỡ chất rắn phỏt sỏng sẽ được ứng dụng gần hơn bao giờ hết. Một màu sắc hiển thị tinh thể lỏng (LCD), thường được trang bị duy nhất đốn huỳnh quang được lọc màu sắc để tạo ra điểm ảnh màu đỏ, xanh lỏ cõy, và xanh dương. Hiển thị rằng về bản chất tạo ra ỏnh sỏng đơn sắc cú thể cú hiệu quả hơn, vỡ nhiều ỏnh sỏng tạo ra đập vào mắt hơn.
Gần đõy, cỏc nhà húa học thuộc ĐH Vanderbilf (Mỹ) tỡnh cờ phỏt hiện một cỏch làm cho những chấm lượng tử phỏt ra ỏnh sỏng trắng. Với khỏm phỏ này, trong tương lai gần chấm lượng tử sẽ được sử dụng để làm những điốt phỏt quang thay thế cho búng dõy túc núng sỏng hiện nay. Quantum dots cũng cú thể là vật liệu để sản xuất cỏc cụng tắc quang học. Một chấm lượng tử đơn nhất cú thể hoạt động như một đơn vị điện tử siờu nhỏ, chẳng hạn búng bỏn dẫn để hỡnh thành nờn cơ sở của thiết bị điện tử cỡ nano, với kớch cỡ 1 – 6 nm hàng tỉ chấm lượng tử cú thể nằm gọn trờn một đầu đinh ghim.
1.6. Một số phương phỏp chế tạo vật liệu nano:
Hiện tại cú rất nhiều phương phỏp chế tạo mẫu ZnS dưới dạng khối và màng. Cỏc phương phỏp này được chia làm hai nhúm chớnh: nhúm cỏc phương phỏp vật lớ và nhúm cỏc phương phỏp húa học.
Nhúm cỏc phương phỏp vật lớ bao gồm: bốc bay nhiệt trong chõn khụng,
phỳn xạ cao ỏp cao tần, bay hơi chựm điện tử, epitaxi chựm phõn tử, lắng đọng bằng xung Laser,…. Ưu điểm của nhúm phương phỏp này là chế tạo được mẫu với độ tinh khiết cao, đồng nhất về quang học và mật độ hạt cao. Tuy nhiờn cỏc phương phỏp này đũi hỏi cao về cụng nghệ chế tạo như phải thực hiện trong cỏc mụi trường chõn khụng cựng với cỏc thiết bị phức tạp.
Nhúm cỏc phương phỏp húa học bao gồm: Phương phỏp Sol-gel, nhỳng keo,
phương phỏp phun tĩnh điện, lắng đọng điện húa, phương phỏp đồng kết tủa, phương phỏp cấy ion, phương phỏp húa ướt….Ưu điểm của phương phỏp là dễ ỏp dụng, giỏ thành thấp, cú thể thay đổi dễ dàng nồng độ pha tạp và cú khả năng đưa
30
vào chế tạo hàng loạt. Nhược điểm của phương phỏp này là độ tinh khiết của mẫu khụng cao, phụ thuộc vào mụi trường nờn khụng ổn định.
Trong cỏc phương phỏp trờn, phương phỏp húa ướt (wet chemical method) cú những ưu điểm riờng về mặt cụng nghệ, giỏ thành cũng như triển vọng trong chế
tạo mẫu. Trong luận văn này tụi chế tạo mẫu ZnS:Mn2+ bằng phương phỏp húa ướt.
Sở dĩ tụi chọn phương phỏp này là vỡ nú đơn giản, húa chất dễ mua ớt tốn kộm và nú phự hợp với thiết bị thớ nghiệm hiện cú tại Viện Vật Lý – TP Hồ Chớ Minh. Mặt khỏc với sự hợp tỏc chặt chẽ trong cụng tỏc nghiờn cứu khoa học của cỏn bộ Viện Vật lý và Viện Húa học cũng là điều kiện rất thuận lợi giỳp tụi cú thể tiến hành cỏc thớ nghiệm chế tạo mẫu và chụp mẫu theo phương phỏp này ở phũng thớ nghiệm của cả hai Viện.
Phương phỏp ngưng đọng húa học được kỡm hóm là một kỹ thuật được ứng dụng phổ biến nhất , nú được sử dụng trong những ứng dụng cụng nghiệp bởi giỏ thành vật liệu thụ rẻ, dễ dàng thao tỏc và sản phẩm tạo ra số lượng lớn. Nhiều loại hạt nano ZnS được pha tạp đó được chế tạo bằng phương phỏp này.
Những thụng số của quỏ trỡnh bao gồm: những loại vật liệu thụ, nhiệt độ tương tỏc, pH của dung dịch, tốc độ chuẩn độ và thậm chớ là tốc độ khuấy cú những ảnh hưởng đến những tớnh chất của quỏ trỡnh ngưng đọng cuối cựng, hỡnh dạng hạt và thậm chớ là tớnh hợp thức.
Vật liệu bắt đầu hoặc là oxit hoặc muối; nhiệt độ ngưng đọng cú thể trong vựng từ 0 – 800C; pH từ 2 – 10.3; tốc độ chuẩn độ 0.5–0.8 ml/s; tốc độ khuấy nhanh thỡ tốt cho sự phõn bố hạt. Chẳng hạn, Bol và Meijerink thụng qua muối acetat của kim loại và Na2S trong hợp dung dịch tan (pH = 10.3 ), với sự lóo húa liờn tục tại nhiệt độ phũng. Những điều kiện của Yang chế tạo những hạt nano ZnS đồng pha tạp khỏc với Meijerink cựng cỏc đồng sự của ụng, đú là sử dụng anion
ngưng đọng TAA và pH tương đương tại nhiệt độ 800 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C.
Kỹ thuật vi nhũ tương bao gồm vi nhũ tương W/O (vi hạt đảo ) và vi nhũ tương O/W. Chế tạo những hạt nano của hợp chất chứa lưu huỳnh và kim loại thường bằng phương phỏp những vi hạt đảo, chỳng là những hợp chất ổn định về mặt nhiệt động học của bốn thành phần: tỏc nhõn bề mặt, đồng tỏc nhõn bề mặt, hợp chất hữu cơ và nước. AOT, SDS (sodium dodecyl sulfate), CTAB (cetyltrimesthyl ammonium bromide) thường là những tỏc nhõn bề mặt.
Kết tủa là một sản phẩm để hỡnh thành những hạt nano bằng phương phỏp vi hạt đảo. Trong phương phỏp này, hai vi hạt đảo chứa đựng những tỏc nhõn bề mặt
31
anion và cation được trộn lẫn với nhau. Bởi vỡ mỗi phản ứng diễn ra trong một bể nước ở kớch thước nano một, những hạt nano khụng tan trong nước được hỡnh thành. Nú thường được sử dụng để chế tạo cỏc hợp chất gồm S và kim loại, chẳng hạn như ZnS:Cu2+,ZnS:Mn2+, ZnS:Eu3+được chế tạo bởi Xu cựng cỏc đồng sự và
những hạt nano core-shell ZnS:Mn2+/ZnS được chế tạo bởi Cao cựng cỏc đồng sự.
Phương phỏp húa keo cũng là một phương phỏp quan trọng để chế tạo những hạt nano ZnS pha tạp. Dung mụi cú thể là nước hoặc rượu. Những anion kết tủa thường dựng là từ H2S và keo ZnS pha tạp được chế tạo thỡ khỏ là trong suốt. Những phương phỏp khỏc cũng được sử dụng rộng rói để chế tạo hạt nano ZnS pha tạp.
32
Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Húa chất và dụng cụ thớ nghiệm:
2.1.1. Húa chất:
Kẽm acetate Zn(CH3COO)2.2H2O (Meck)
Manganese acetate Mn(CH3COO)2.4H2O (Japan)
Sodium sulfide Na2S .9H2O (India)
Natri acetat CH3COONa (China)
Axit acetic CH3COOH
Dung mụi: etanol, methanol, nước cất.
2.1.2. Thiết bị:
Becher loại 50ml và 250ml
Ống đong, pipet, bỡnh định mức 100ml, lọ đựng mẫu
Đế thủy tinh
2.1.3. Dụng cụ:
33
34
2.2. Phương phỏp chế tạo QDs ZnS pha tạp Mn: 2.2.1. Quỏ trỡnh tạo hạt : 2.2.1. Quỏ trỡnh tạo hạt :
Để tạo hạt phương phỏp thường sử dụng là phương phỏp ngưng đọng húa học, bởi thao tỏc đơn giản và chất lượng hạt tạo ra cũng đạt yờu cầu. Phương phỏp này cú thể được mụ tả qua những phản ứng trao đổi sau đõy:
Zn(CH3COO)2↔ Zn2+
+ 2CH3COO- Zn2+ +Na2S ↔ ZnS + 2Na+
(2.1)
Zn2+ phản ứng với S2- từ Na2S để hỡnh thành ZnS ngay lập tức tại những giỏ trị pH xỏc định. Từ những phản ứng trờn, ta nhận thấy rằng cõn bằng của phản ứng (2.1) dịch xa về phớa bờn phải do năng lượng Solvat húa cao. Lực xỳc tiến này giỳp cho phản ứng (2.1) hỡnh thành những liờn kết ZnS mạnh. Những hạt ZnS tạo
mầm bằng cỏch tiờu thụ nhiều ion Zn2+ và S2- từ hợp chất, điều này cú thể giải thớch (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cơ bản bằng cỏch sử dụng lý thuyết Ostwald Ripening. Do năng lượng bề mặt của
những hạt này cao, những ion acetate và S2- bỏm quanh những hạt ZnS, vỡ thế gắn
kết những cation Zn2+, Na+ và Mn2+lại với nhau. Zn2+ và Mn2+ phản ứng với S 2- để
hỡnh thành mạng tinh thể, trỏi lại những ion Na+ bao quanh để hỡnh thành lớp Stern
quanh những hạt nano ZnS, gắn kết những ion acetat để hỡnh thành một lớp khuếch tỏn bao quanh những hạt nano này. Bằng cỏch này sự phỏt triển hạt chấm dứt hoàn toàn.
2.2.2. Qui trỡnh thớ nghiệm chế tạo hạt nano ZnS pha tạp Mn:
2.2.2.1.Dung dịch muối tổng hợp mẫu:
Dung dịch 1 [dung dịch Zn(CH3COO)2.2H2O 0,1M ]: cõn
2,19 g Zn(CH3COO)2.2H2O hũa tan vào CH3COOH loóng và định mức vào bỡnh
100ml gồm CH3OH và nước cất tỉ lệ 1:1.
Dung dịch 2 [dung dịch Mn(CH3COO)2.4H2O 0,1M ]: cõn
2,45 g Mn(CH3COO)2.4H2O hũa tan vào CH3COOH loóng và định mức vào bỡnh
100ml gồm CH3OH và nước cất tỉ lệ 1:1.
Dung dịch 3[ dung dịch Na2S.9H2O 0,1M ]: cõn 2,4 g
Na2S.9H2O, sau đú hũa tan trong bỡnh định mức 100 ml nước cất.
35 2.2.2.2.Qui trỡnh điều chế pH: Ta cú: pKa(CH3COOH)= 4,76 o log axit o o 5 4, 76 log 1, 74 axit axit a baz pH pK baz baz
Lấy axit = 1M bazo1, 74
Cõn 14,268 g CH3COONa hũa tan trong 100 ml nước cất
cho vào becher 250 ml, khuấy đều cho muối tan hết.
Dựng ống đong nhỏ đong 5,7 ml CH3COOH và cho vào bỡnh
định mức 100ml nước cất.
Hũa tan CH3COOH vào trong CH3COONa, khuấy đều, ta
thu được dung dịch đệm cú nồng độ pH = 5
Lưu ý : Tựy theo ta chọn nồng độ pH bằng bao nhiờu mà pha tỉ lệ thớch hợp.
2.2.2.3.Chế tạo mẫu:
Bước 1: Đối với dung dịch 1: Định mức 50ml nước cất và
50ml metanol vào ống đong 100ml và hũa tan CH3COOH loóng vào muối
Zn(CH3COO)2.2H2O, sau đú định mức vào bỡnh 100ml.
Bước 2: Đối với dung dịch 2: Định mức 50ml nước cất và
50ml metanol vào ống đong 100ml và hũa tan CH3COOH loóng vào muối (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mn(CH3COO)2.4H2O, sau đú định mức vào bỡnh 100ml.
Tựy theo mẫu cú nồng độ tạp chất bao nhiờu mà ta chọn tỉ lệ thớch hợp.
Trong luận văn này tụi khảo sỏt sự ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Mn đến tớnh chất quang của hạt ZnS nờn tụi chọn 4 trường hợp là: ZnS: Mn 0%, ZnS:Mn 5%, ZnS:Mn 10%, ZnS:Mn 15%.
Bước 3: Hũa tan Na2S.9H2O vào bỡnh định mức 100ml nước cất, dung dịch cú màu xanh, đo pH =13.5 bằng giấy thử. Nhỏ dung dịch đệm đó
điều chế pH vào bỡnh Na2S cho đến khi pH = 5.
36
Chế tạo mẫu ZnS pha tạp Mn theo tỉ lệ số mol dd2 dd1
n
n nhưng
do dung dịch 1 và dung dịch 2 cú cựng nồng độ nờn ta cú ZnS:Mn 5% tớnh theo thể tớch dd2
dd1
v
v = 5%
Cho 100ml dung dịch 1 và 5ml dung dịch 2 vào bỡnh định mức 1 lớt và trộn đều bằng mỏy khuấy từ ở nhiệt độ phũng khoảng 10 phỳt với tỉ lệ thớch hợp nhằm tạo ra vật liệu Zn:Mn 5%.
Lặp lại tương tự cỏc bước đối với mẫu ZnS:Mn 0%, ZnS: Mn 10%, ZnS:Mn 15%.
Sau đú nhỏ từng giọt dung dịch Na2S đó điều chỉnh pH = 5 vào
dung dịch trờn, ngay từ khi giọt đầu tiờn Na2S nhỏ vào hỗn hợp bắt đầu xuất hiện
kết tủa trắng, duy trỡ thờm thời gian khuấy từ là 20 phỳt kể từ lỳc bắt đầu nhỏ dung
dịch 3 vào. Kết quả thu được kết tủa trắng. Dung dịch cú mựi của khớ H2S. Khi đú
dung dịch xảy ra phản ứng:
Zn(CH3COO)2 + Na2S → ZnS↓ + 2CH3COONa
Mn(CH3COO)2 + Na2S → MnS↓ + 2CH3COONa
Bước 5: Quay ly tõm và rửa kết tủa
Tỏch kết tủa bằng cỏch cho toàn bộ dung dịch vào cỏc ống nghiệm, đặt cỏc ống nghiệm này vào mỏy quay ly tõm với tốc độ 200 rmp trong 10 phỳt. Sau khi quay ly tõm, đem rửa 2 lần bằng metanol và nước cất, kết quả thu được kết tủa sạch.
Bước 6: Xử lý nhiệt
Kết tủa được sấy khụ ở nhiệt độ 600C bằng tủ sấy chõn khụng trong thời gian 24h. Sản phẩm thu được ở dạng bột màu nõu
37
Qui trỡnh chế tạo mẫu theo sơ đồ sau
Xử lý nhiệt mẫu
Kết tủa sấy ở 600 C trong 24h bằng tủ sấy chõn khụng. Sản phẩm thu được dưới dạng bột màu nõu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});