Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể hợp kim tetrapod cdse1-xtex.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
VŨ THÚY MAI
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ HỢP KIM
TETRAPOD CdSe1-xTex
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
THÁI NGUYÊN, NĂM
i

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới
TS Phạm Minh Tân và TS Nguyễn Xuân Ca là người đã trực tiếp hướng
dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt quá
trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Xin được cảm ơn sự tạo điều kiện về thiết bị, phòng thí nghiệm của
Khoa Vật lý và Công nghệ trường Đại học Khoa học.
Em xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô giáo của Khoa Vật lý và
Công nghệ trường Đại học Khoa học đã trang bị cho em những tri thức khoa
học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn trường THPT Phủ Thông – Bắc Kạn nơi tôi
đang công tác đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về thời gian và công việc tại
cơ quan, để tôi thực hiện đề tài này.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình
và bạn bè - nguồn động viên quan trọng nhất về mặt tinh thần cũng như vật chất
giúp tôi có điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay.
Xin trân trọng cảm ơn!
Bắc Kạn, ngày 20 tháng 5 năm 2019
Học viên
Vũ Thúy Mai
ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................i
MỤC LỤC....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................ ivi
DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................. vii
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CÁC NANO DỊ CHẤT A2
B6
DẠNG TETRAPOD ...............1
1.1. Một số kết quả nghiên cứu về công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán
dẫn .................................................................................................................3
1.1.1. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn.................................3
1.1.2. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần .........3
1.1.3. Vai trò của ligand............................................................................6
1.1.4. Nhiệt độ phản ứng.........................................................................10
1.1.5. Thời gian phản ứng .......................................................................12
1.1.6. Tỷ lệ các chất tham gia phản ứng..................................................14
1.2. Các tính chất quang của các nano tinh thể dạng tetrapod....................14
1.2.1. Cấu trúc điện tử.............................................................................16
1.2.2. Đặc trưng hấp thụ và phát xạ ........................................................17
1.2.3. Ảnh hưởng của công suất kích thích đến phổ quang huỳnh quang
.................................................................................................................18
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................20
2.1. Chế tạo các nano tinh thể CdSe1-xTex dạng tetrapod ..........................20
2.1.1. Hóa chất dùng trong thí nghiệm bao gồm:....................................20
2.1.2. Hệ chế tạo mẫu..............................................................................20
2.1.3. Quy trình tổng hợp nano tinh thể CdSe1-xTex dạng tetrapod.......20
2.1.4. Làm sạch mẫu................................................................................21
2.2. Các phép đo thực nghiệm.....................................................................21
2.2.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction - XRD) ....................................21
2.2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua.....................................................22

iii

2.2.3. Phổ hấp thụ quang học..................................................................23
2.2.4. Phổ huỳnh quang...........................................................................23
2.2.5. Phổ tán xạ micro – Raman ............................................................25
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................27
3.1. Chế tạo các nano tinh thểCdSe1-xTexvà Ảnh hưởng của thời gian chế tạo
đến sự phát triển của các nano tinh thể CdSe1-xTex dạng tetrapod ............27
3.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ Se/Te đến tính chất quang của các NC CdSe1-xTex
.....................................................................................................................30
3.2.1. Ảnh TEM và phổ dao động của các NC CdSe1-xTex với tỉ lệ x thay
đổi............................................................................................................30
3.2.2. Phổ hấp thụ và quang huỳnh quang của các NC CdSe1-xTex với tỉ lệ
x thay đổi.................................................................................................30
3.2.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe1-xTex với tỉ lệ x thay đổi
.................................................................................................................35
KẾT LUẬN............................................................................................................................................38
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ XUẤT BẢN.....................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................40

iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Góc therta
T Nhiệt độ
Cd Cadmium
Eg Năng lượng vùng cấm
Nm Nano met
N2 Khí Nitơ
PL Huỳnh quang
Zn Kẽm
Abs Hấp thụ
CdO Cadmium Oxide
CdS Cadmi Sunfua
NC Nano tinh thể
ODE Octadecene
TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua
XRD Nhiễu xa tia X
S2- Ion S2-
CdSe Cadmium Selenide
Cd2+ Ion Cd2+
Zn2+ Ion Zn2+
FWHM Độ rộng bán phổ
v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Vị trí đỉnh hấp thụ, đỉnh huỳnh quang, năng lượng vùng cấm và
FWHM của các NC CdSe1-xTex (0 x 1)....................................................35
vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sự thay đổi của độ quá bão hòa như một hàm của thời gian .......... 3
Hình 1.2. Sự phụ thuộc củaG vào kích thước của hạt . ................................ 5
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của tốc độ phát triển hạt theo tỉ số r/r*
. ...................... 5
Hình 1.4. Quá trình thay đổi cấu từ cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe sang cấu trúc
hợp kim ZnCdSe theo nhiệt độ phản ứng . ....................................................... 7
Hình 1.5.Quá trình biến đổi cấu trúc của NC theo nhiệt độ phản ứng(a),sự thay
đổi đỉnh phát xạ theo thời gian ủ nhiệt của ZnCdSe chế tạo tại nhiệt độ 270o
C(b)
. .......................................................................................................................... 8
Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc năng lượng vùng cấm của CdSe, CdTe và CdTe1-xSex
…..9 Hình 1.7. Giản đồ XRD của NC CdSe được chế tạo khi sử dụng cadmium
oleate và ODE-Se . .......................................................................................... 10
Hình 1.8. Giản đồ XRD của NC CdSe được chế tạo khi sử dụng TOP-Se . . 11
Hình 1.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe có cấu trúc ZB tại nhiệt độ
phản ứng khác nhau. ........................................................................................ 12
Hình 1.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe, CdTe và CdTeSe chế tạo
ở các nhiệt độ 180o
C,220o
C, 280o
C. ............................................................... 12
Hình 1.11. Sự phát triển theo thời gian của phổ hấp thụ UV-vis (A) và phổ phát
xạ PL (B) của các NC CdTeSe ở 220 °C với tỷ lệ 5Cd-0.5Te-0.5Se. Vị trí đỉnh
phổ PL và PLQY phụ thuộc vào thời gian ủ nhiệt (C). Ảnh hưởng của thời
gian tới thành phần Te và Se có trong NC CdTeSe ( D)……….......13
Hình 1.12: Phổ PL (a) và ảnh chụp dung dịch chứa các NC CdTeSe khi tỉ lệ x
thay đổi từ 0-1(b) ............................................................................................. 14
Hình 1.13. (a) phổ hấp thụ Abs, (b) phổ phát xạ PL của NC CdSSe với x thay
đổi từ 0÷1. ....................................................................................................... 15
Hình 1.14. Phổ XRD của các NC CdSSe khi tỉ S/Se thay đổi. ...................... 15
Hình 1.15. (a) Sự chuyển pha cấu trúc từ ZB sang WZ là yếu tố quyết định
hình dạng TP của cấu trúc nano CdSe/CdS; (b) Ảnh TEM của TP CdSe/CdS
được chế tạo khi sử dụng hỗn hợp ODPA-PPA theo tỉ lệ khối lượng 93,5/6,5;
vii

và (c) Biểu đồ phụ thuộc hiệu suất tạo thành TP CdSe/CdS vào tỉ lệ khối lượng
của ODPA-PPA...............................................................................................16
Hình 1.16. Các mức năng lượng cơ bản của điện tử và lô trống trong vật liệu
khối CdSe có cấu trúc WZ và ZB. ..................................................................17
Hình 1.17. Phổ hấp thụ và phổ PL của TP CdSe/CdS có đường kính lõi CdSe
~ 4 nm và chiều dài nhánh CdS là 24 nm. ......................................................17
Hình 1.18. (a,b) Sự phụ thuộc phổ PL của hai TP CdSe/CdS có cùng đường
kính lõi CdSe ~ 4 nm và chiều dài các nhánh khác nhau (55 và 28 nm) vào công
suất kích thích; (c) Giản đồ vùng năng lượng và (d) phân bố các hàm sóng điện
tử và lỗ trống. ..................................................................................................18
Hình 2.1. Hệ chế tạo NC CdSe1-xTex.............................................................21
Hình 2.2. Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg...............22
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua.....................23
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của một máy đo phổ hấp thụ UV – vis…………24
Hình 2.5. Cấu hình chi tiết của máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse........25
Hình 2.6. Sơ đồ khối một hệ đo micro Raman…………………………... …26
Hình 3.1. Phổ hấp thụ (A) và PL (B) của các NC CdSe1-xTex theo thời gian
phản ứng..........................................................................................................28
Hình 3.2. Vị trí đỉnh PL và PL FWHM của các NC CdSe1-xTex theo thời gian
phản ứng..........................................................................................................29
Hình 3.3. Ảnh TEM của các NC CdSe1-xTex khi thành phần x thay đổi. .....30
Hình 3.4. Ảnh chụp các NC CdSeTe chế tạo tại các nồng độ x khác nhau. .. 31
Hình 3.5. Phổ tán xạ Raman của các NC CdSe1-xTex khi thành phần x thay đổi
.........................................................................................................................32
Hình 3.6. Phổ hấp thụ của các NC CdSe1-xTex khi thành phần x thay đổi....33
Hình 3.7. Phổ quang huỳnh quang của các NC CdSe1-xTex khi thành phần x
thay đổi............................................................................................................34
Hình 3.8. Phổ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe1-xTex (0 x 1)…………….35
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của năng lượng vùng cấm của các NC CdSe1-xTex theo
tỉ lệ x................................................................................................................37
viii

MỞ ĐẦU
Các nano tinh thể (NC) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưu điểm
của chúng mà bán dẫn khối không có được. Các NC bán dẫn hai thành phần đã
được tập trung nghiên cứu và phát triển từ thế kỷ trước, chúng cho các ứng dụng
rất đa dạng, ví dụ như trong linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh
kiện quang điện tử, trong các linh kiện phát sáng, trong các ứng dụng y-sinh như
đánh dấu và hiện ảnh sinh học... [1],[2]. Tuy nhiên, để thay đổi các tính chất vật
lý và hoá học của các NC bán dẫn hai thành phần bằng cách thay đổi kích thước
hạt có thể gây ra nhiều vấn đề trong quá trình ứng dụng, đặc biệt khi kích thước
hạt nhỏ thì các tính chất của chúng thường không ổn định trong quá trình sử
dụng [3]. Vậy làm thế nào để thay đổi tính chất của các NC mà không cần thay
đổi kích thước của chúng? Một trong các giải pháp để đáp ứng yêu cầu đó là sử
dụng các NC hợp kim, vì tính chất quang của chúng không những phụ thuộc vào
kích thước hạt mà còn phụ thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim, do đó có
thể điều chỉnh tính chất quang của NC hợp kim thông qua điều chỉnh thành phần
hóa học trong khi vẫn duy trì được kích thước của hạt [4],[5]. Trong những năm
gần đây, các NC hợp kim 3 thành phần đang được quan tâm chế tạo và nghiên
cứu nhiều như Zn1-xCdxSe, CdTexSe1-x, ZnSexS1-x, CdSxSe1-x.... [1],[4]. Trong
các NC hợp kim 3 thành phần thì các NC CdSe1-
xTexđược quan tâm nghiên cứu rộng rãi do chúng có khả năng phát quang
trong toàn bộ vùng ánh sáng khả kiến khi thay tỉ lệ các nguyên tố Se và Te
cũng như kích thước của các NC.
Tính chất quang của NC bán dẫn bị chi phối bởi kích thước, hình dạng,
thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán
dẫn đang dần chuyển từ việc chế tạo các đối tượng đơn giản sang cấu trúc nano
phức tạp hơn có kích thước hình dạng bao gồm nhiều vật liệu. NC dạng tetrapod
(TP) trên cơ sở các hợp chất bán dẫn A2B6 là một trong các đối tượng vật liệu
được kỳ vọng cho các mục đích ứng dụng khác nhau. TP bao gồm lõi dạng cầu
có cấu trúc lập phương giả kẽm (ZB) và bốn nhánh có cấu trúc lục giác (WZ) sắp
xếp đối xứng trong không gian. Tùy thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng mà các
hạt tải điện trong TP có thể bị giam giữ ba chiều (3D) trong
1

lõi hoặc 2 chiều (2D) trong các nhánh. Khác với TP đồng chất cấu trúc vùng
năng lượng của TP dị chất không chỉ phụ thuộc vào kích thước của lõi và các
nhánh mà còn phụ thuộc vào các vật liệu bán dẫn được sử dụng và phân bố
của các nguyên tố hóa học.
Với những lý do trên cùng với điều kiện nghiên cứu thực tế, tôi quyết
định lựa chọn đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano
tinh thể hợp kim tetrapod CdSe1-xTex”
Mục tiêu của luận văn:
- Chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần CdSe1-xTex dạng
tetrapod;
- Nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn ba thành
phần CdSe1-xTex chế tạo được.
Nội dung nghiên cứu:
- Chế tạo các NC bán dẫn 3 thành phần CdSe1-xTex khi thay đổi thời
gian chế tạo và tỷ lệ tiền chất Se/Te;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện thực nghiệm đến tính chất
quang của các NC CdSe1-xTex chế tạo được.
Bố cục của luận văn:
Luận văn gồm 38 trang (không kể phần Mở đầu, tài liệu tham khảo).
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Trình bày một cách tổng quan về công nghệ chế tạo và tính
chất quang của các nano dị chất A2
B6
dạng tetrapod.
Chương 2: Trình bày phương pháp chế tạo NC CdSe1-xTex. Giới thiệu
các phương pháp dùng để nghiên cứu kích thước, hình dạng, phân tích cấu
trúc cũng như tính chất quang của các NC CdSe1-xTex.
Chương 3: Trình bày các kết quả thực nghiệm về chế tạo theo thời gian
phản ứng và tỷ lệ các tiền chất tham gia phản ứng của NC CdSe1-xTex. Các
thông số đặc trưng về cấu trúc của NC CdSe1-xTex: Hình dạng và kích thước
được nghiên cứu thông qua ảnh TEM. Pha kết tinh của NC CdSe1-xTex được
nhận dạng nhờ kỹ thuật nhiễu xạ tia X. Thảo luận các kết quả khảo sát tính
chất quang phổ của nano tinh thể CdSe1-xTex dạng tetrapod.
2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH
CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO DỊ CHẤT DẠNG TETRAPOD 1.1.
Một số kết quả nghiên cứu về công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán
dẫn
1.1.1. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn
Các phương pháp chế tạo các nano tinh thể (NC) có thể chia thành hai
hướng: (i) Tiếp cận từ trên xuống (top-down), (ii) tiếp cận từ dưới lên (bottom
up). Đối với các NC bán dẫn, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương
pháp hóa-ướt (wet-chemical) chế tạo các NC huyền phù (colloidal) đây là
phương pháp theo hướng tiếp cận từ dưới lên. Cho đến nay, việc nghiên cứu
chế tạo NC vẫn đang được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước tiếp
tục cải tiến và hoàn thiện.
Động học phát triển NC được chia thành hai giai đoạn: Giai đoạn tạo
mầm và giai đoạn phát triển tinh thể. Trong quá trình tạo mầm, các mầm đã
được tạo ra gần như tức thời, tiếp sau đó là quá trình phát triển tinh thể mà
không có thêm một sự tạo mầm nào. Sự tách ra của hai quá trình tạo mầm và
phát triển tinh thể cho một khả năng điều khiển sự phân bố kích thước. Nếu
quá trình tạo mầm xảy ra trong suốt quá trình chế tạo NC, sự phát triển tinh
thể của các hạt sẽ rất khác nhau, do đó việc điều khiển phân bố kích thước sẽ
rất khó khăn [9]. Năng lượng cần thiết cho sự tạo mầm được chỉ ra trong đồ
thị của La Mer ( hình 1.1).
Hình 1.1. Sự thay đổi của độ quá bão hòa như một hàm của thời gian [10] Trong
đồ thị này, nồng độ monomer (các cation và anion trong dung dịch chưa
tham gia phản ứng tạo mầm và phát triển tinh thể) tăng liên tục theo thời gian.
3

Chú ý rằng sự kết tủa không xảy ra trong giai đoạn I ngay cả trong điều kiện
quá bão hòa (S >1), bởi vì năng lượng cần thiết cho sự tạo mầm là rất cao [10].

Trong giai đoạn II, độ quá bão hòa là đủ cao để vượt qua giá trị tới hạn
Sc, sự tạo mầm xảy ra. Khi tốc độ tiêu thụ monomer do bởi sự tạo mầm và
quá trình phát triển tinh thể vượt quá tốc độ cung cấp monomer, nồng độ
monomer giảm cho đến khi đạt mức ở đó tốc độ tạo mầm (số mầm tạo ra trên
một đơn vị thời gian) bằng 0.

Dưới mức này, hệ thống đi vào quá trình phát triển tinh thể và sự tạo
mầm thực sự chấm dứt, quá trình phát triển tinh thể được duy trì với điều kiện
dung dịch là quá bão hòa.

Năng lượng cần thiết cho sự tạo mầm được viết dưới dạng nhiệt động học :

(1.1)


Trong đóG là năng lượng tự do (Gibbs) để tạo thành một tinh thể hình
cầu bán kính r trong dung dịch với độ bão hòa S, là năng lượng bề mặt trên
một đơn vị diện tích vàGv là năng lượng tự do trên một đơn vị thể tích của
tinh thể đối với sự ngưng tụ của monomer trong dung dịch.Gv=(-
RTlnS)/Vm, Vm là thể tích mol của tinh thể, R là hằng số khí và T là nhiệt độ
tuyệt đối. Năng lượng bề mặt luôn dương,Gv có giá trị âm chừng nào mà
dung dịch còn quá bão hòa (S >1). Do đó, với bất kì một sự kết hợp nào của,
S, T cũng có một giá trị cực đại củaG do sự cạnh tranh giữa các số hạng
năng lượng của khối và bề mặt [11] ( hình 1.2).

Giá trị của r ở đóG đạt giá trị cực đại gọi là bán kính tới hạn r*
, đó là
bán kính nhỏ nhất của một mầm có thể phát triển bền vững trong dung dịch
quá bão hòa [10]. ĐặtG /dr = 0

r*
:
r*

2

2Vm
(1.2)
G RT ln S
v








4
G 4 r 2

4
3 r 3
Gv

Hình 1.2. Sự phụ thuộc củaG vào kích thước của hạt [11].
Sự hội tụ kích thước trong quá trình phát triển tinh thể đã được Peng và
các cộng sự phát triển từ nghiên cứu của Talapin [12] và phát biểu như sau: Ở
một nồng độ monomer xác định tốc độ phát triển phụ thuộc kích thước có thể
mô tả bằng phương trình :
dr 1 1 1 1
 K     (1.3)
dt 
*
 r  r r
Ở đây, K là hằng số tỉ lệ với hằng số khuếch tán của monomer, là độ dày
của lớp khuếch tán, r*
là bán kính tới hạn ở một nồng độ monomer xác định.
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của tốc độ phát triển hạt theo tỉ số r/r*
[13].
Trên Error! Reference source not found.3 là đồ thị của phương trình (
1.3) được vẽ theo sự phụ thuộc hàm với tỉ số r/r*
, trong trường hợp độ dày
khuyếch tán là vô hạn. Trong trường hợp này, với một nồng độ monomer đã
cho bất kỳ, tồn tại một kích thước tới hạn ở trạng thái cân bằng. Các NC có
kích thước nhỏ hơn kích thước tới hạn sẽ có tốc độ phát triển âm (bị phân rã)
trong khi các hạt có kích thước lớn hơn được kết tụ và tốc độ phát triển của
chúng phụ thuộc mạnh vào kích thước [1].
5

Sự hội tụ kích thước sẽ xảy ra khi các NC trong dung dịch có kích thước
lớn hơn rõ ràng kích thước tới hạn. Dưới điều kiện này các hạt có kích thước nhỏ
phát triển nhanh hơn các hạt lớn. Khi nồng độ monomer bị suy giảm do sự phát
triển tinh thể, kích thước tới hạn sẽ lớn hơn kích thước trung bình hiện tại, kết
quả là tốc độ phát triển NC giảm và phân bố kích thước mở rộng do một vài NC
nhỏ bị phân rã do trở nên nhỏ hơn kích thước tới hạn, trong khi đó các hạt lớn
hơn vẫn tiếp tục phát triển, đây là sự phân kỳ của phân bố kích thước.
Các kết quả nghiên cứu của gần đây của Cozzoli và cộng sự đã chứng
minh rằng hình dạng của NC có thể được kiểm soát nhờ vào sự vận dụng
thích hợp của động học phát triển NC [14].
1.1.2. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần
Hiện nay các NC thường được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt sử
dụng kỹ thuật bơm nóng, tức là bơm nhanh dung dịch của một tiền chất vào
môi trường phản ứng chứa tiền chất thứ hai đã được đun nóng đến nhiệt độ
phản ứng. Việc sử dụng kỹ thuật bơm nóng trong công nghệ hóa ướt làm cho
sự tạo mầm tinh thể xảy ra rất nhanh sau khi bơm dung dịch tiền chất vào
bình phản ứng.
Hiện nay, việc nghiên cứu NC hợp kim 3 thành phần còn đang bị hạn
chế, khó khăn lớn nhất trong các nghiên cứu là làm thế nào để tổng hợp được
các NC hợp kim có cấu trúc theo mong muốn đó là phân bố kích thước đồng
đều. Để có được hợp kim có cấu trúc phân bố đồng đều thì tốc độ tăng của hai
thành phần nguyên liệu phải bằng nhau và các điều kiện cần thiết cho sự phát
triển của một thành phần này không ảnh hưởng đến sự phát triển của thành
phần kia. Ngoài ra, cấu trúc và liên kết của hai vật liệu phải tương tự nhau để
cho phép chúng trộn lẫn nhau dễ dàng, nếu không sẽ hình thành cấu trúc khác
nhau, ví dụ cấu trúc lõi/vỏ hoặc cấu trúc hai NC hai thành phần [2]. Dưới đây
trình bày một số kết quả của công nghệ chế tạo các NC tinh thể bán dẫn ba
thành phần:
Trong quá trình tổng hợp các NC CdSe và CdSe/ZnSe, Zhong và các
cộng sự của mình đã phát hiện ra rằng: Ban đầu ở nhiệt độ thấp họ thu được
6

các NC có cấu trúc lõi/vỏ, nhưng khi nhiệt độ tăng cao thì cấu trúc lõi/vỏ
nhanh chóng biến đổi thành cấu trúc hợp kim NC ZnyCd1-ySe [15]. Quá trình
biến đổi từ cấu trúc lõi/vỏ thành cấu trúc hợp kim đã được chứng minh thông
qua việc nghiên cứu sự thay đổi đỉnh phát xạ theo sự thay đổi của nhiệt độ.
Như hình 1.4 chỉ ra rằng cấu trúc lõi/vỏ hình thành ở nhiệt độ dưới 2700
C,
nhưng cấu trúc lõi/vỏ biến đổi rất nhanh thành cấu trúc hợp kim trong khoảng
nhiệt độ từ 2700
C đến 2900
C và điều đó đã được chứng minh thông qua việc
dịch chuyển đỉnh phổ phát xạ về phía bước sóng ngắn và ở nhiệt độ 2700
C
được gọi là “alloying point”.
Hình 1.4. Quá trình thay đổi cấu từ cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe sang cấu trúc
hợp kim ZnCdSe theo nhiệt độ phản ứng [15].
Khi nhiệt độ thấp dưới 2700
C, hình thành cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe
điều đó được thể hiện qua phổ huỳnh quang (PL) của NC dịch chuyển về phía
bước sóng dài (sự dịch đỏ) nhưng do ion Zn2+
vẫn tiếp tục đi vào trong NC,
khi nhiệt độ tăng lên đến 2700
C bắt đầu hình thành hợp kim ZnyCd1-ySe có
cấu trúc phân bố đồng đều phổ PL dịch chuyển về phía bước sóng ngắn (sự
dịch xanh) và tương đối ổn định [2].
Hình 1.5, S.Acharya đã nghiên cứu tính chất động lực học của quá trình
biến đổi này và đã đưa ra kết luận rằng cơ chế hình thành hợp kim liên quan đến
sự phân ly liên kết của các ion Zn2+
và Se2-
và sự khuếch tán của ion Zn2+
7

vào trong mạng nền CdSe [16]. Ở nhiệt độ cao cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe
biến thành cấu trúc hợp kim ZnyCd1-ySe có thể là do quá trình biến đổi nhanh
của các ion khuếch tán. Các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới
cấu trúc lõi/vỏ của các thanh nano ở nhiệt độ 2700
C và đã quan sát được sự
thay đổi đỉnh phát xạ theo thời gian ủ nhiệt.
Hình 1.5.Quá trình biến đổi cấu trúc của NC theo nhiệt độ
phản ứng (a), sự thay đổi đỉnh phát xạ theo thời gian ủ nhiệt
của ZnCdSe chế tạo tại nhiệt độ 2700
C(b) [16].
Sự dịch chuyển đỉnh phổ phát xạ về phía bước sóng ngắn khi thời gian ủ
nhiệt của phản ứng tăng là do có sự sát nhập về độ rộng vùng cấm của ZnSe vỏ
và CdSe lõi. Sự mở rộng ra và nghiêng của phổ phát xạ ở bước sóng ngắn khi
8

thời gian ủ nhiệt tăng là do cấu trúc hỗn loạn khi chuyển từ cấu trúc lõi/vỏ
sang cấu trúc hợp kim.
Các NC CdTe1-xSex thường được chế tạo bằng phương pháp hóa học
trong nước hoặc dung môi ODE. Các tiền chất thường được sử dụng là CdO, Se
và Te và ligand thường được sử dụng là TOP, OA và MPA. Các NC CdTe1-xSex
được chế tạo bằng cách bơm dung dịch chứa các ion Se, Te và chất hoạt động bề
mặt vào dung dịch chứa ion Cd tại nhiệt độ phản ứng. Với cùng một kích thước
thì các NC CdSe1-xTex có độ rộng vùng cấm nằm giữa độ rộng vùng cấm của
các NC CdTe và CdSe như hình 1.6. Độ rộng vùng cấm Eg của các NC CdTe1-
xSex khi thành phần x thay đổi được xác định theo công thức [5]:
Eg(CdTe1-xSex) = xEg(CdSe) + (1 - x) Eg(CdTe) - bx(1 - x) (1.4) Trong
đó b là hằng số không phụ thuộc vào kích thước hạt. Việc chế tạo
các CdSe1-xTex phụ thuộc rất nhiều vào các thông số công nghệ. Nhiệt độ chế
tạo, thời gian phản ứng và tỷ lệ các tiền chất tham gia phản ứng là những yếu
tố quan trọng trong quá trình phát triển của NC.
Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc năng lượng vùng cấm của CdSe, CdTe và CdTe1-xSex [5].
1.1.3. Vai trò của ligand
9

Các công bố trước đây cho thấy cấu trúc tinh thể của NC bị chi phối
bởi kích thước, nhiệt độ phản ứng hoặc đặc tính hóa học của các phân tử hữu
cơ trong dung môi phản ứng.
Giản đồ XRD của các mẫu NC CdSe trình bày trên Hình 1.7 được chế
tạo tại 2300
C trong các hệ phản ứng chứa ODE, OA, có và không có TOP, có
và không có axit bis (2,2,4-trimethylpentyl) phosphinic (TMPPA). Kết quả
nhận được cho thấy cấu trúc WZ của NC CdSe bị chi phối bởi TMPPA, trong
khi đó OA đóng vai trò quyết định tạo ra cấu trúc ZB của NC CdSe. Kết quả
nghiên cứu của Char và các cộng sự cũng cho thấy NC CdSe được chế tạo khi
sử dụng OA thường có cấu trúc ZB do ligand oleate có tác dụng ổn định pha
cấu trúc này [17].
Hình 1.7. Giản đồ XRD của NC CdSe được chế tạo khi sử dụng cadmium
oleate và ODE-Se [17].
Kết quả nghiên cứu của nhóm Sarma lại cho thấy vai trò hoàn toàn
khác của TOP và OA đối với cấu trúc tinh thể của NC CdSe, cụ thể là TOP
có tác dụng ổn định pha cấu trúc ZB (Hình 1.8), trong khi đó OA có tác dụng
ổn định pha cấu trúc WZ [18].
Quan sát thực nghiệm này phù hợp với kết quả tính năng lượng liên kết
của các phân tử TOP và OA trên các mặt tinh thể của cấu trúc ZB và WZ theo
lý thuyết hàm mật độ [18], [19]. Tác dụng ổn định pha cấu trúc WZ của OA.
10

Hình 1.8. Giản đồ XRD của NC CdSe được chế tạo khi sử dụng TOP-Se [18].
1.1.4. Nhiệt độ phản ứng
Nhiệt độ phản ứng là thông số ảnh hưởng mạnh nhất đến kích thước và
phân bố kích thước của các NC. Sự tăng nhiệt độ phản ứng làm tăng mạnh
không chỉ số lượng mầm tinh thể mà cả tốc độ phát triển kích thước của
chúng [20]. Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh lên tính chất quang của NC bán dẫn.
Sự tăng nhiệt độ thường làm giảm cường độ huỳnh quang, làm dịch đỉnh phát
xạ về phía năng lượng thấp và làm tăng độ rộng bán phổ (FWHM).
Đối với vật liệu bán dẫn CdSe dạng khối thì cấu trúc WZ là pha bền về
mặt nhiệt động học. Do đó, các mầm NC CdSe có cấu trúc WZ thường được
tạo thành như đối với vật liệu khối. Tuy nhiên, sự tạo thành NC CdSe có cấu
trúc giả bền ZB cũng đã nhận được trong thực tế. Nói chung, việc tổng hợp tại
nhiệt độ thấp thường tạo ra cấu trúc ZB, trong khi đó nhiệt độ phản ứng cao
sinh ra cấu trúc WZ.
Trên Hình 1.9 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe chế
tạo tại các nhiệt độ phản ứng khác nhau 60, 100, 150, 200, 220, 2400
C. Các
nghiên cứu trước đây về sự phát triển của NC phụ thuộc vào nhiệt độ đã chỉ
ra rằng ở nhiệt độ phản ứng cao kích thước của NC lớn hơn và phát triển
nhanh hơn (biểu thị qua vị trí của đỉnh hấp thụ thứ nhất). Quá trình phân kì
kích thước cũng diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ phản ứng cao hơn.
11

2 (độ) 2 (độ)
Hình 1.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe có cấu trúc ZB tại nhiệt
độ phản ứng khác nhau[ 20].
Nhiệt độ phản ứng cũng ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc tinh thể. Đối với
các NC ZnCdSe đã quan sát thấy sự chuyển pha từ cấu trúc cubic (khi nhiệt
độ nhỏ hơn 2400
C) sang cấu trúc wurite (khi nhiệt độ lớn hơn 2400
C). Tuy
nhiên với các NC CdTeSe đã không quan sát thấy hiện tượng này khi nhiệt độ
chế tạo thay đổi từ 1800
C-2800
C, tại mọi nhiệt độ chế tạo các NC CdTeSe
đều có cấu trúc cubic, hình 1.10
Hình 1.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdSe, CdTe và CdTeSe chế
tạo ở các nhiệt độ 1800
C,2200
C, 2800
C [21].
1.1.5. Thời gian phản ứng
Với các NC hợp kim CdTeSe, do hoạt tính hóa học khác nhau giữa các
ion Se và Te nên khi thời gian phản ứng tăng, tốc độ khuếch tán khác nhau
giữa các ion Se và Te cũng ảnh hưởng nhiều đến tính chất quang của chúng.
12

Thông thường khi thời gian phản ứng kéo dài thì đỉnh hấp thụ và đỉnh
phát xạ dịch chuyển về phía bước sóng dài do sự phát triển của các NC, dẫn
đến độ rộng vùng cấm giảm. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các NC
CdTeSe khi thời gian chế tạo thay đổi được biểu diễn trên hình 1.11.
Hình 1.11. Sự phát triển theo thời gian của phổ hấp thụ UV-vis
(A) và phổ phát xạ PL (B) của các NC CdTeSe ở 2200
C với tỷ lệ
5Cd-0.5Te-0.5Se. Vị trí đỉnh phổ PL và PLQY phụ thuộc vào
thời gian ủ nhiệt (C). Ảnh hưởng của thời gian tới thành phần
Te và Se có trong NC CdTeSe( D)[21].
Trong thời gian 30 phút, đỉnh phổ hấp thụ và phát xạ của các NC
CdTeSe dịch đỏ khoảng 42nm (từ 660nm đến 720nm) do sự lớn lên của các
NC và sự khuếch tán của các ion Te và Se vào mạng tinh thể. Độ rộng bán
phổ PL của các NC CdTeSe tăng khi thời gian chế tạo tăng được giải thích
do phân bố thành phần trong các NC hợp kim bên cạnh nguyên nhân kích

13

thước hạt không đồng đều. Thời gian ủ nhiệt cũng ảnh hưởng đến thành
phần Te và Se có trong mẫu, hình 1.11 (D) cho thấy ở thời gian đầu thành
phần Te có trong mẫu là 64%, Se là 36% chứng tỏ Te phản ứng với Cd
nhanh hơn so với Se. Vì vậy các NC CdTeSe được chế tạo ở thời gian ngắn
sẽ giàu làm lượng Te hơn. Theo thời gian phản ứng các NC CdTeSe có hàm
lượng Se tăng dần và hàm lượng Te giảm dần, các NC CdTeSe được chế
tạo ở thời gian dài hơn 30 phút sẽ có thành phần các nguyên tố Te và Se
phân bố đồng đều.
1.1.6. Tỷ lệ các chất tham gia phản ứng
Thành phần Te và Se cũng là yếu tố chính ảnh hưởng đến các thuộc
tính quang của CdTe1-x Sex. Bằng cách thay đổi tỉ lệ Te/Se thì phổ phát xạ
của NC CdTe1-x Sex có thể thay đổi trong một khoảng rộng mà không cần
thay đổi kích thước hạt. Kết quả là đối với các NC hợp kim CdTeSe nếu thay
đổi cả kích thước và tỉ lệ Te/Se thì đỉnh phát xạ của chúng có thể bao phủ toàn
bộ vùng ánh sáng nhìn thấy và một phần vùng hồng ngoại gần, điều này là
không thể thực hiện được với các NC hai thành phần.
Hình 1.12: Phổ PL (a) và ảnh chụp dung dịch chứa các NC CdTeSe khi tỉ lệ x
thay đổi từ 0-1(b) [5]
Đỉnh phổ PL của các NC CdTeSe khi tỉ lệ x thay đổi từ 0-1 dịch chuyển
mạnh từ 529 đến 689 nm tương ứng với màu phát xạ thay đổi từ xanh đến đỏ.
Đỉnh PL của các NC CdTeSe nằm giữa đỉnh PL của các NC CdTe và CdSe là do
độ rộng vùng cấm của các NC CdTeSe nằm giữa độ rộng vùng cấm của CdTe
(Ekhối =1,4 eV) và CdSe (Ekhối =1,7 eV). 14

Ảnh hưởng của tỉ lệ tiền chất S/Se tham gia phản ứng: Khi thay đổi tỉ lệ
S/Se sẽ ảnh hưởng mạnh đến tính chất quang, hình dạng, kích thước và cấu
trúc tinh thể của NC CdSSe
Hình 1.13. (a) phổ hấp thụ Abs, (b) phổ phát xạ PL của NC CdSSe.
với x thay đổi từ 0÷1[22].
Trong hình 1.13 a đỉnh phổ PL của NC CdSSe nằm giữa CdS và CdSe
(từ 380nm đến 530nm) chứng tỏ các NC hợp kim CdSSe đã hình thành. Khi x
tăng (nồng độ S tăng) đỉnh phổ dịch về phía bước sóng dài cho thấy số
nguyên tử S khuếch tán vào mạng tinh thể NC nhiều hơn.
Hình 1.14 là phổ XRD của các NC CdSe1-xSx với tỷ lệ khác nhau của
Se/S sau 40 giờ. Rõ ràng khi tỉ lệ x tăng thì các đỉnh nhiễu xạ của các NC
CdSe1-xSx dịch dần về phía các đỉnh nhiễu xạ của CdS phù hợp với hằng số
mạng giảm.
Hình 1.14. Phổ XRD của các NC CdSSe khi tỉ S/Se thay đổi [23].
15

1.2. Các tính chất quang của các nano tinh thể dạng tetrapod
1.2.1. Cấu trúc điện tử
Không chỉ nhóm chức của phân tử ligand mà cả độ dài các chuỗi alkyl
của nó cũng ảnh hưởng mạnh đến sự cân bằng giữa các pha cấu trúc ZB và
WZ của NC CdSe [24].
Hình 1.15. (a) Sự chuyển pha cấu trúc từ ZB sang WZ là yếu tố quyết định
hình dạng TP của cấu trúc nano CdSe/CdS; (b) Ảnh TEM của TP CdSe/CdS
được chế tạo khi sử dụng hỗn hợp ODPA-PPA theo tỉ lệ khối lượng 93,5/6,5;
và (c) Biểu đồ phụ thuộc hiệu suất tạo thành TP CdSe/CdS vào tỉ lệ khối
lượng của ODPA-PPA.
Các axit phosphonic với chuỗi alkyl ngắn ổn định tốt hơn các bề mặt
của NC như được minh họa trên Hình 1.15.
CdSe là vật liệu bán dẫn thuộc nhóm A2B6. Sai lệch hằng số mạng tinh
thể của CdSe là 3,8 % [25]. CdSe có vùng cấm thẳng. Độ rộng vùng cấm của vật
liệu khối CdSe bằng 1,75 eV [26] đối với cấu trúc ZB, bằng 1,8 eV [27] đối với
cấu trúc WZ. Bán kính Bohr của exciton trong vật liệu khối CdSe là 5,4 nm.
Hình 1.16 minh họa trường hợp của vật liệu khối CdSe có cấu trúc ZB
và WZ [23]. Bằng cách tổ hợp các vật liệu bán dẫn khác nhau trong cùng một
NC có thể tạo ra cấu trúc nano bán dẫn dị chất.
16

Hình 1.16. Các mức năng lượng cơ bản của điện tử và lô trống trong vật liệu
khối CdSe có cấu trúc WZ và ZB [26].
TP bao gồm lõi dạng cầu có cấu trúc ZB và bốn nhánh có cấu trúc WZ
có thể là cấu trúc nano loại I, loại II hoặc giả loại II phụ thuộc vào kích thước
của lõi và các nhánh. Đồng thời số chiều giam giữ không gian đối với các hạt
tải trong lõi và trong các nhánh của TP là khác nhau (3D và 2D). Vì vậy các
đặc trưng quang phổ của TP biểu hiện khá đa dạng.
1.2.2. Đặc trưng hấp thụ và phát xạ
Tương tự như TP đồng chất, các TP dị chất CdSe/CdS có thể là cấu trúc
nano loại I [20] hoặc giả loại II [28], [29] phụ thuộc vào kích thước lõi CdSe,
đường kính nhánh CdS và ứng suất tại bề mặt tiếp giáp lõi/nhánh [30]. Do độ
cao của hàng rào thế đối với lỗ trống đủ lớn (~ 0,5 eV) nên lỗ trống bị giam giữ
trong lõi CdSe. Hệ quả là phổ huỳnh quang dừng của TP CdSe/CdS loại I hoặc
giả loại II thường chỉ có một đỉnh duy nhất như được trình bày trên Hình 1.17.
Hình 1.17. Phổ hấp thụ và phổ PL của TP CdSe/CdS có đường kính lõi CdSe
~ 4 nm và chiều dài nhánh CdS là 24 nm
[25]. 17

Tuy nhiên phổ PL với cấu trúc hai đỉnh đã nhận được đối với các TP
CdSe/CdS có kích thước lớn hơn (Hình 1.18). Sự giảm tái hợp Auger trong
TP CdSe/CdS có thể tích lớn và sự làm đầy các trạng thái không gian được
cho là nguyên nhân xuất hiện đỉnh phát xạ thứ hai tại năng lượng cao [31].
Hình 1.18. (a,b) Sự phụ thuộc phổ PL của hai TP CdSe/CdS có cùng đường
kính lõi CdSe ~ 4 nm và chiều dài các nhánh khác nhau (55 và 28 nm) vào
công suất kích thích; (c) Giản đồ vùng năng lượng và (d) phân bố các hàm
sóng điện tử và lỗ trống [31].
1.2.3. Ảnh hưởng của công suất kích thích đến phổ quang huỳnh quang
Sự tái chuẩn hóa vùng cấm
Sự tái chuẩn hóa vùng cấm là hệ quả của tương tác Coulomb giữa các
hạt tải được kích thích quang mạnh. Năng lượng của các điện tử và lỗ trống
trong vùng dẫn và vùng hóa trị bị giảm do hiệu ứng trao đổi giữa các hạt có
spin bằng nhau và hiệu ứng tương quan Coulomb đối với tất cả các hạt. Trạng
thái plasma điện tử-lỗ trống làm xuất hiện các năng lượng tương tác Coulomb
hút các điện tích trái dấu và đẩy các điện tích cùng dấu. Nếu các điện tử và lỗ
trống phân bố hoàn toàn ngẫu nhiên trong mẫu thì các năng lượng Coulomb
hút và đẩy triệt tiêu nhau. Trong trường hợp này thì độ rộng vùng cấm không
thay đổi mặc dù mật độ cặp điện tử-lỗ trống tăng lên trong trạng thái plasma.
Nhưng trên thực tế thì các hạt tải không phân bố ngẫu nhiên.
18

Nguyên lý loại trừ Pauli là hệ quả của tương tác trao đổi các fermion đồng
nhất. Theo đó sự tồn tại của hai điện tử có spin song song tại cùng một vị trí
trong không gian thực là bị cấm. Năng lượng trao đổi làm tăng khoảng cách
trung bình giữa các điện tử có spin song song, và do đó làm giảm tổng năng
lượng Coulomb đẩy. Hoàn cảnh tương tự cũng xảy ra đối với các lỗ trống. Năng
lượng của hệ các cặp điện tử-lỗ trống cũng sẽ bị giảm nếu như các điện tử và lỗ
trống không phân bố một cách ngẫu nhiên đối với nhau và xác suất tìm thấy một
điện tử trong miền lân cận của một lỗ trống là cao hơn so với xác suất tìm thấy
một lỗ trống khác. Hiệu ứng tương quan không phụ thuộc vào spin.
Trong trường hợp tái chuẩn hóa vùng cấm thì ảnh hưởng của nồng độ
hạt tải đến năng lượng vùng cấm có thể được mô tả bằng biểu thức [32]:
(1.5)
Trong đó Eg(n) là năng lượng vùng cấm, Eg(0) là năng lượng vùng cấm
của vật liệu trong chế độ kích thích thấp, n là nồng độ hạt tải, C là hệ số chuẩn
hóa vùng cấm và phụ thuộc vào vật liệu.
Trong một số trường hợp thì kết quả khảo sát ảnh hưởng của công suất
kích thích quang lại cho thấy sự dịch nhỏ của phổ huỳnh quang về phía năng
lượng cao. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự bù trừ của hai hiệu ứng.
Hiệu ứng thứ nhất là sự tái chuẩn hóa vùng cấm làm dịch năng lượng phát xạ
exciton về phía năng lượng thấp. Hiệu ứng thứ hai là sự giảm năng lượng liên
kết của exciton do sự chắn năng lượng Coulomb. Bản chất của hiện tượng
chắn tương tác Coulomb là giảm phạm vi tác dụng thế Coulomb của một điện
tích khi có mặt các điện tích khác. Hiện tượng chắn này xảy ra đối với các hạt
tải trong cùng một vùng cũng như giữa các điện tử và lỗ trống trong các vùng
khác nhau. Hệ quả của hiệu ứng chắn Coulomb là làm tăng bán kính của
exciton, và do đó làm giảm mức độ che phủ các hàm sóng điện tử và lỗ trống.
19
( ) = (0) − . 1/3

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
Chương 2 của luận văn sẽ trình bày quy trình thực nghiệm chế tạo NC
CdSe1-xTex bằng phương pháp hóa ướt và các phương pháp khảo sát đặc
trưng của chúng.
2.1. Chế tạo các nano tinh thể CdSe1-xTex dạng tetrapod
2.1.1. Hóa chất dùng trong thí nghiệm bao gồm:
- Bột cadmi oxit (CdO),Selen (Se), Tellurium (Te);
- Oleic acid - OA (C18H34O2);
- 1-octadecene - ODE (C17H34-CH2);
- Tri-n-octylphosphine - TOP ((C8H17)3P);
- Toluene, isopropanol.
các hóa chất trên được mua từ hãng Aldrich.
Các hóa chất dùng để làm sạch và phân tán NC gồm có: Ethanol,
Methanol, Isopropanol và Toluene được mua từ các công ty của Trung Quốc.
2.1.2. Hệ chế tạo mẫu
Hệ chế tạo mẫu NC CdSe1-xTex bao gồm: bình thủy tinh chịu nhiệt ba
cổ có dung tích 250 ml, máy khuấy từ gia nhiệt và hệ cung cấp khí N2 siêu
sạch như được trình bày trên Hình 2.1.
20

Hình 2.1. Hệ chế tạo NC CdSe1-xTex gồm đường dẫn khí vào, đường dẫn khí
ra, bình ba cổ, máy khuấy từ gia nhiệt, nhiệt kế, hệ ủ nhiệt.
2.1.3. Quy trình tổng hợp nano tinh thể CdSe1-xTex dạng tetrapod
- Tạo các dung dịch tiền chất: Các dung dịch tiền chất được tạo thành
trong môi trường có sục khí N2. Cụ thể:
+ Dung dịch chứa Cd2+
được tạo thành bằng cách hòa tan CdO trong
dung dịch OA và ODE tại nhiệt độ 2500
C.
+ Dung dịch chứa Te2-
và Se2-
được tạo thành bằng cách hòa tan một
lượng bột Te và Se trong dung dịch TOP và ODE tại nhiệt độ 1000
C.
- Chế tạo NCs CdSe1-xTex:
Sau khi tạo được các dung dịch tiền chất, các NC CdSe1-xTex với hình
dạng tựa cầu được chế tạo bằng cách bơm nhanh một dung dịch chứa các ion
Se2-
và Te2-
vào dung dịch chứa Cd2+
tại nhiệt độ 2500
C.
2.1.4. Làm sạch mẫu
Ngoài NC CdSe1-xTex, các mẫu dung dịch nhận được sau phản ứng còn
chứa ODE, ligand, các tiền chất chưa phản ứng hết và các sản phẩm phụ của
phản ứng. Vì vậy, cần phải làm sạch bề mặt các NC CdSe1-xTex. Các mẫu
dung dịch sau phản ứng được trộn với Isopropanol theo tỷ lệ
Isopropanol/dung dịch mẫu là 4/1, và sau đó được ly tâm với tốc độ 15000
vòng/phút, trong thời gian 3 phút. Các NC CdTeSe nặng hơn sẽ lắng xuống
dưới, các tiền chất, ligand chưa phản ứng hết sẽ được loại bỏ.
Một phần mẫu CdSe1-xTex ở dạng bột được làm khô để đo giản đồ
nhiễu xạ tia X (XRD), phần còn lại được phân tán trong Toluene để chụp ảnh
hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và khảo sát các đặc trưng hấp thụ quang và
quang PL của NC CdSe1-xTex.
2.2. Các phép đo thực nghiệm
2.2.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction - XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng rất phổ biến để xác định, phân
tích cấu trúc tinh thể và khảo sát độ sạch pha của vật liệu. XRD là hiện tượng
chùm tia X bị nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của vật rắn do tính tuần hoàn của
21

cấu trúc tinh thể. Khi chiếu chùm tia X vào tinh thể thì các nguyên tử trở
thành tâm phát sóng thứ cấp. Do sự giao thoa của các sóng thứ cấp, biên độ
của các sóng đồng pha sẽ được tăng cường trong khi đó các sóng ngược pha
sẽ triệt tiêu nhau, tạo nên ảnh nhiễu xạ với các đỉnh cực đại và cực tiểu. Điều
kiện nhiễu xạ được xác định từ phương trình Bragg (Hình 2.2):
2d hkl sin n (2.1)
Trong đó d là khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng tinh thể, n=
1,2,3… là số bậc phản xạ, là góc tới và là bước sóng của tia X.
Hình 2.2. Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg
Phép đo XRD của các NC được thực hiện trên thiết bị SIEMENS D-
5005 tại trung tâm Khoa học Vật liệu trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà
Nội. Pha tinh thể của một mẫu được xác định bằng cách so sánh số lượng, vị
trí và cường độ của các vạch nhiễu xạ đo được với thẻ chuẩn JCPDS – ICDD
có trong thư viện số liệu tinh thể.
Các NC CdSe1-xTex trong luận văn được chế tạo bằng phương pháp
hóa học trong dung môi ODE, vì thế để đo XRD của các NC tinh thể này thì
ta cần chuyển chúng thành dạng bột. Các NC tinh thể CdSe1-xTex sẽ được ly
tâm làm sạch, sau đó được lấy ra sấy khô và được ép chặt trên đế thủy tinh.
Nói chung, tín hiệu XRD của NC là yếu, vì vậy khi đo cần một tốc độ quét
chậm.
2.2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua
TEM là một thiết bị hữu ích trong việc nghiên cứu hình dạng, kích
thước thực và sự phân bố của các NC thông qua việc chụp ảnh các NC.
22

Nguyên tắc hoạt động của TEM là nhờ vào sự truyền qua mẫu (rất mỏng)
của một chùm điện tử. Khi chùm điện tử truyền qua mẫu, tương tác với mẫu và
một ảnh được tạo ra từ tương tác đó. Ảnh được khuếch đại nhờ các thấu kính
điện tử và hội tụ trên một thiết bị thu ảnh như màn huỳnh quang, phim quang
học, hay có thể ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Độ tương phản trên ảnh
TEM chủ yếu phụ thuộc vào khả năng tán xạ điện tử của vật liệu.
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Các ảnh TEM nhận được trên thiết bị JEM1010 (JEOL) của Viện Vệ
sinh Dịch tễ Trung ương. Các mẫu chụp TEM được chuẩn bị bằng cách nhỏ
dung dịch chứa các NC (NC phân tán trong toluene) với nồng độ rất thấp lên
một lưới đồng phủ carbon và sau đó để dung môi bay hơi. Các lưới đồng đã
chuẩn bị được sấy khô trong chân không khoảng một giờ trước khi đo. Mục
đích của việc chuẩn bị mẫu chứa các NC với nồng độ rất thấp để tránh sự kết
đám và có thể quan sát rõ hình dạng và kích thước của chúng.
2.2.3. Phổ hấp thụ quang học
Phổ hấp thụ quang học sẽ cung cấp các thông tin về quá trình hấp thụ xảy ra
tương ứng với các dịch chuyển quang học từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái
kích thích. Từ vị trí đỉnh hấp thụ exciton thứ nhất sẽ giúp xác định đường kính
của các chấm lượng tử thông qua phương pháp khối lượng hiệu dụng hoặc sử
23

dụng công thức thực nghiệm của Yu, ... Để phân tích định lượng, người ta
thường sử dụng đại lượng năng suất hấp thụ (A) được định nghĩa như sau:
A log I cd (2.1)
I0
trong đó I0 và I lần lượt là cường độ của chùm ánh sáng tới và chùm ánh sáng
truyền qua, là hệ số hấp thụ phân tử, c và d lần lượt là nồng độ của mẫu và
bề rộng của mẫu.
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của một máy đo phổ hấp thụ UV – vis.
Phổ hấp thụ quang học sử dụng trong luận văn được đo trên hệ máy
quang phổ UV-visible, Jasco V-770 spectrometer (Varian) tại Khoa Vật lý và
Công nghệ - Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên. Khoảng phổ
làm việc của thiết bị từ 190 nm đến 2700 nm với độ lặp lại ± 0,1 nm.
2.2.4. Phổ huỳnh quang
Phổ PL là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu. Phổ PL cung cấp các
thông tin về các đặc trưng phát xạ của NC như bước sóng phát xạ, độ đơn sắc
của ánh sáng phát xạ, các tâm phát xạ và sự phân bố kích thước hạt. Trong luận
văn này, phổ PL của các CdSe1-xTex được đo trên thiết bị Varian Cary Eclipse
đặt tại Viện Vật lý, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phổ
kế huỳnh quang này sử dụng nguồn sáng kích thích là đèn Xe phát ánh sáng liên
tục trong khoảng bước sóng từ 200 – 900 nm. Phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse
sử dụng đầu thu là ống nhân quang điện (PMT) với độ nhạy cao.
24

Các mẫu đo PL nhiệt độ phòng thường được chuẩn bị là mẫu lỏng, mẫu
được phân tán trong dung môi toluene sau khi đã li tâm làm sạch. Để tránh
hiện tượng dập tắt huỳnh quang do nồng độ thì các mẫu khi đo phổ PL cần có
nồng độ thấp. Các đặc trưng của phổ huỳnh quang như vị trí đỉnh phát xạ, PL
FWHM và cường độ phát xạ tích phân được xác định khi làm khớp phổ thực
nghiệm với hàm hỗn hợp Gauss-Lorentz đối xứng hoặc bất đối xứng (phụ
thuộc vào dạng phổ là đối xứng hay bất đối xứng).
Hình 2.5.Cấu hình chi tiết của máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse
Khi khảo sát phổ PL theo nhiệt độ, ta có thể biết thêm các thông tin về
quá trình tán xạ hạt tải với các phonon âm học và quang học, các sai hỏng
mạng cũng như ảnh hưởng của bề mặt tiếp giáp lõi/vỏ lên tính chất quang của
các NC. Ngoài ra phổ PL theo nhiệt độ còn cho ta biết sự thay đổi độ rộng khe
năng lượng hoặc ứng suất lõi/vỏ của các NC theo nhiệt độ. Nghiên cứu phổ
PL nhiệt độ thấp cho các thông tin về cường độ tương tác exciton - phonon,
năng lượng kích thích nhiệt và các ứng suất do bởi sự khác nhau của hệ số
giãn nở nhiệt của các NC lõi/vỏ. Hơn nữa, PL nhiệt độ thấp là phương pháp
rất tốt để đánh giá các tạp chất và sai hỏng trong các NC bán dẫn.
2.2.5. Phổ tán xạ micro – Raman
Do đặc điểm cường độ vạch Raman rất yếu nên muốn thu được phổ tán
xạ Raman là công việc rất khó. Ngoài yêu cầu nguồn sáng kích thích tốt còn
25

phải có cách bố trí sơ đồ thí nghiệm một cách hợp lý, tối ưu để tăng cường độ
ánh sáng tán xạ và tập trung ánh sáng tán xạ vào khe máy.
Thiết bị dùng để nghiên cứu phổ Raman thường được biết đến là máy Quang
phổ kế Raman – Laser:
Hình 2.6. Sơ đồ khối một hệ đo micro Raman
Trên hình 2.6 mô tả cấu tạo khối của một hệ đo micro Raman. Chùm
laser -> mở rộng chùm -> sau đó phản xạ từ gương điều hướng đến phin lọc
Notch 1. Sau khi phản xạ từ NF1 và gương điều hướng, chùm sáng được hội
tụ tới kích thước micro và đập vào mẫu. Ánh sáng phản xạ và tán xạ trở lại đi
từ mẫu quay lại máy quang phổ để đến NF1 một lần nữa. NF1 sẽ lại loại bỏ đi
ánh sáng tán xạ Rayleigh (trùng bước sóng chùm sáng tới). Phần còn lại của
chùm phản xạ lại sau đó đi qua NF2, cái mà sẽ loại bỏ hoàn toàn ánh sáng tán
xạ Rayleigh còn sót lại. Ánh sáng còn lại sau đó đi qua các thấu kính và
gương để đến cách tử nhiễu xạ sau đó đến CCD.
Các phép đo phổ micro - Raman của các mẫu chế tạo trong luận văn được
tiến hành trên thiết bị đo phổ LabRam - 1B (Horroba Jobon - Yvon) sử dụng
laser Ar với bước sóng kích thích 488nm đặt tại Viện Khoa Học Vật liệu -
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
26

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể hợp kim tetrapod cdse1-xtex.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể hợp kim tetrapod cdse1-xtex.doc

Similar to Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể hợp kim tetrapod cdse1-xtex.doc (20)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể hợp kim tetrapod cdse1-xtex.doc