Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ cdtecdse.doc

Viết thuê đề tài giá rẻ trọn gói - KB Zalo/Tele : 0973.287.149
Luanvanmaster.com – Cần Kham Thảo - Kết bạn Zalo/Tele : 0973.287.149
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
––––––––––––––––––––––––
TRẦN THỊ HỒNG GẤM
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT
KÍCH THÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ LÕI/VỎ
CdTe/CdSe
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
THÁI NGUYÊN -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
–––––––––––––––––––––––
TRẦN THỊ HỒNG GẤM
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT
KÍCH THÍCH VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ LÕI/VỎ
CdTe/CdSe
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Ca
THÁI NGUYÊN -

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới
thầy hướng dẫn: 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.
Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong BGH và các thầy cô
phòng Đào tạo, đặc biệt là các Thầy cô khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa
học - Đại học Thái Nguyên đã dạy dỗ và trang bị cho em những tri thức khoa
học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời học tập.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia
đình, bạn bè, đồng nghiệp là 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!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 05 năm 2019
Học viên
Trần Thị Hồng Gấm

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................i
MỤC LỤC.........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................vii
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG CỦA
CÁC NANO TINH THỂ CẤU TRÚC LÕI/VỎ LOẠI II............................4
1.1. Sự giam giữ lượng tử đối với hạt tải trong các nano tinh thể ....................4
1.2. Phân loại các hệ nano có cấu trúc lõi vỏ....................................................6
1.3. Giới thiệu về nano tinh thể bán dẫn loại II.................................................8
1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đo mẫu ..............................................................10
1.5. Ảnh hưởng của công suất kích thích........................................................15
Chương 2: THỰC NGHIỆM........................................................................19
2.1.Chế tạo các NC CdTe và CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ bằng phương
pháp hóa ướt....................................................................................................19
2.1.1.Hóa chất dùng trong thí nghiệm bao gồm..............................................19
2.1.2. Tiến hành thí nghiệm ............................................................................19
2.2. Khảo sát các đặc trưng của mẫu...............................................................20
2.2.1. Hình dạng, kích thước và phân bố kích thước ......................................20
2.2.2. Cấu trúc tinh thể....................................................................................21
2.2.3. Phổ quang huỳnh quang........................................................................22
2.2.4. Hấp thụ quang học.................................................................................24
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………25
3.1. Chế tạo và tính chất quang của các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe...........25

3.2. Ảnh hưởng của công suất kích thích lên phổ quang huỳnh quang của
các NC lõi CdTe và lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe ................................................30
3.2.1. Sự dịch đỉnh phổ huỳnh quang..............................................................30
3.2.2. Cường độ huỳnh quang.........................................................................35
3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đo đến phổ quang huỳnh quang của các NC
lõi CdTe và lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe .............................................................36
3.3.1. Sự thay đổi năng lượng phát xạ theo nhiệt độ.......................................38
3.3.2. Sự thay đổi cường độ phát xạ theo nhiệt độ..........................................41
KẾT LUẬN ....................................................................................................44
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................45

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Vị trí đỉnh huỳnh quang, độ rộng bán phổ và hiệu suất lượng tử
của các NC CdTe và CdTe/CdSe1-5ML. .....................................28
Bảng 3.2. Các thông số làm khớp hàm theo biểu thức Varshni......................39

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sự tăng các mức năng lượng do sự lượng tử hóa và sự mở rộng
năng lượng vùng cấm của NC so với tinh thể khối.........................5
Hình 1.2: Phổ hấp thụ và phổ PL của các NC CdTe có kích thước khác
nhau .................................................................................................5
Hình 1.3: Năng lượng vùng cấm và các vị trí đáy vùng dẫn và đỉnh vùng
hóa trị của một số vật liệu khối A2B6 .............................................6
Hình 1.4: Sơ đồ sự sắp xếp các mức năng lượng trong các hệ nano lõi vỏ
khác nhau.........................................................................................7
Hình 1.5: Cấu trúc của các NC CdTe và CdTe/CdSe, cơ chế phát xạ và Sơ
đồ vùng năng lượng của cấu trúc bán dẫn dị chất loại I, giả loại
II và loại II.......................................................................................9
Hình 1.6: (a) Phổ PL của NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe trong khoảng nhiệt
độ từ 220 - 260 K. (b)Phổ PL của các NC lõi/vỏ loại II
CdTe/CdSe trong khoảng nhiệt độ từ 293 - 383 K.......................12
Hình 1.7: Sự phụ thuộc của năng lượng phát xạ và PL FWHM theo nhiệt
độ của các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe (a); (b); (c)....................13
Hình 1.8: Sự thay đổi phổ PL của các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe tại 15
K khi thay đổi công suất kích thích quang. Hình nhỏ bên trong
chỉ ra ảnh hưởng của hiệu ứng uốn cong vùng đến cấu trúc vùng
năng lượng loại II..........................................................................16
Hình 1.9: Sự thay đổi năng lượng phát xạ theo công suất kích thích quang
của các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe. Đồ thị bên trong trình bày
sự phụ thuộc năng lượng phát xạ vào công suất kích thích quang
theo quy luật mũ 1/3......................................................................18
Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo các NC CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ..........................20
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua. ....................21
Hình 2.3: Sơ đồ phép đo nhiễu xạ...................................................................22
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của một máy đo phổ huỳnh quang.......................23

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của một máy đo phổ hấp thụ UV - vis.................24
Hình 3.1: Ảnh TEM của các NC CdTe, CdTe/CdSe 3ML và CdTe/CdSe
5ML...............................................................................................25
Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các NC CdTe, CdSe, CdTe/CdSe 3ML
và CdTe/CdSe 5ML ......................................................................26
Hình 3.3: (a) Phổ Abs và PL của các NC lõi CdTe và C/S loại-II CdTe/CdSe1-
5ML, (b) Sơ đồ vùng năng lượng của các NC C/S loại-II
CdTe/CdSe ....................................................................................27
Hình 3.4: Phổ PL của các NC (a) CdTe, (b) CdTe/CdSe 2ML, (c) CdTe/CdSe
4ML khi công suất kích thích thay đổi từ 10-4
mW đến 5 mW. (d)
và (e) là phổ huỳnh quang đã chuẩn hóa của các NC CdTe/CdSe
2ML, CdTe/CdSe 4ML tương ứng tại hai công suất kích thích cao
nhất và thấp nhất. ..........................................................................31
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của năng lượng phát xạ theo công suất kích thích
mũ 1/3............................................................................................33
Hình 3.6: Sơ đồ mô tả các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe và cấu trúc vùng
năng lượng bị uốn cong tại công suất kích thích cao....................34
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của cường độ phát xạ tích phân theo công suất kích
thích...............................................................................................36
Hình 3.8: Sự phụ thuộc phổ PL của các mẫu CdTe, CdTe/CdSe 2ML và
CdTe/CdSe 4ML khi nhiệt độ thay đổi từ 15-300 K ....................38
Hình 3.9: Sự thay đổi năng lượng phát xạ của các mẫu CdTe, CdTe/CdSe
2ML và CdTe/CdSe 4ML trong khoảng nhiệt độ từ 15-300K.
Đường liền nét trong hình là đường làm khớp với biểu thức
Varshni ..........................................................................................40
Hình 3.10: Sự thay đổi của cường độ phát xạ tích phân của các mẫu CdTe,
CdTe/CdSe 2ML và CdTe/CdSe 4ML trong khoảng nhiệt độ từ
15-300 K. Đường liền nét trong hình là đường làm khớp với
biểu thức........................................................................................42

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Abs
Eg
NC
nm
OA
ODE
TOP
PL
PLQY
PLE
FWHM
LTAQ
Hấp thụ
Năng lượng vùng cấm
Nano tinh thể
Nano met
Acid Oleic
Octadecene
Tri-n-octylphophine
Huỳnh quang
Hiệu suất lượng tử
Phổ kích thích huỳnh quang
Độ rộng bán phổ
Dập tắt huỳnh quang
N2
T
TEM
XRD
θ
LO
CC
BB
SF
Khí nitơ
Nhiệt độ
Hiển vi điện tử truyền qua
Nhiễu xa tia X
Góc therta
Đỉnh phonon quang dọc
Hiệu ứng tích điện
Hiệu ứng uốn cong vùng cấm
Hiệu ứng làm đầy trạng thái

MỞ ĐẦU
Hiện nay, các nano tinh thể (NC) loại II thường được chế tạo dựa trên
tổ hợp các vật liệu bán dẫn khác nhau như ZnTe/ZnSe, CdTe/ZnSe,
CdTe/CdSe, ZnTe/CdSe, CdS/ZnSe; ZnSe/CdS [1-9]… Trong các tổ hợp trên,
cấu trúc NC loại II CdTe/CdSe được chế tạo và nghiên cứu nhiều hơn cả do
dễ dàng tách hoàn toàn điện tử và lỗ trống vào các miền không gian giữa lõi
và vỏ của nó, tương ứng với chế độ định xứ loại II. Các NC CdTe/CdSe có
bước sóng phát xạ nằm trong vùng nhìn thấy và có thể thay đổi trong một
khoảng rất rộng (500-750 nm) khi thay đổi kích thước lõi và chiều dày lớp vỏ.
Các tính chất trên rất phù hợp để ứng dụng cấu trúc này trong các lĩnh vực
quang điện, laser và đánh dấu sinh học [1,5,7].
Theo lý thuyết thì độ rộng vùng cấm của các NC bán dẫn thay đổi theo
nhiệt độ cũng diễn ra giống như đối với bán dẫn khối. Tính chất quang phụ
thuộc nhiệt độ của các NC loại II bị chi phối không chỉ bởi sự thay đổi độ
rộng vùng cấm khác nhau của các vật liệu bán dẫn thành phần mà còn bởi
chất lượng của cấu trúc và ứng suất do các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của
vật liệu lõi và vỏ [2]. Trong thực tế, việc chế tạo các NC lõi/vỏ loại II hoàn
hảo và lớp vỏ không có sai hỏng là điều không dễ dàng. Chất lượng không
cao của các NC lõi/vỏ loại II được khảo sát có thể dẫn tới sự dập tắt huỳnh
quang nhanh hơn so với lõi do sự kích hoạt nhiệt các tâm tái hợp không phát
xạ [7,8]. Bên cạnh đó, các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của vật liệu lõi và vỏ
gây ra ứng suất khác nhau trong các NC loại II trong sự phụ thuộc vào nhiệt
độ, và do đó gây nên sự phụ thuộc vào nhiệt độ phức tạp của độ rộng vùng
cấm của các NC loại II [6, 9]. Độ lớn của ứng suất sẽ phụ thuộc cả vào độ dày
của lớp vỏ và lớp đệm giữa lõi và vỏ. Rất có thể các kết quả khác nhau về sự
phụ thuộc tính chất quang theo nhiệt độ của các NC loại II như đã nói ở trên
có liên quan đến các vấn đề này [27].

Như đã nói ở trên, hệ vật liệu CdTe và CdSe rất phù hợp để chế tạo các
NC loại II do chúng có thể tách hoàn toàn được điện tử và lỗ trống giữa lõi và
vỏ. Tuy nhiên, do sự sắp xếp các vùng năng lượng đặc trưng nên các tính chất
quang của cấu trúc nano lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe không giống với tính chất
quang của các vật liệu thành phần. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các tính chất
quang của cấu trúc nano lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe sẽ cung cấp các thông tin về
quá trình hồi phục exciton và tương tác exciton-phonon. Đồng thời, khả năng
ứng dụng các cấu trúc này để chế tạo linh kiện có thể được đánh giá thông qua
sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số cần thiết [27].
Hiện tượng dịch xanh của đỉnh PL (hiệu ứng uốn cong vùng cấm) của
các NC loại II khi tăng công suất kích thích có phải chỉ do hiệu ứng BB hay
không cho đến nay vẫn chưa được giải quyết thấu đáo do còn phụ thuộc vào
cấu trúc và chất lượng mẫu. Việc nghiên cứu cấu trúc NC lõi/vỏ CdTe/CdSe
với bề dày lớp vỏ thay đổi sẽ cho thấy bức tranh rõ ràng về ảnh hưởng của
ứng suất và vai trò của lớp vỏ đến các tính chất quang phổ phụ thuộc nhiệt độ
và hiệu ứng uốn cong vùng năng lượng trong các NC loại II. Chính vì các lý
do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu là: “ Nghiên cứu ảnh hưởng
của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano
tinh thể lõi/vỏ CdTe/CdSe ”
Mục đích nghiên cứu
- Chế tạo thành công các NC lõi/vỏ CdTe/CdSe
- Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính
chất quang huỳnh quang của chúng
Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo các NC lõi/vỏ CdTe/CdSe với kích thước lõi CdTe, chiều dày
lớp vỏ CdSe khác nhau bằng phương pháp hóa học

- Nghiên cứu tính chất quang huỳnh quang của mẫu khi công suất kích
thích của laser thay đổi từ 10-4
mW - 5 mW
- Nghiên cứu tính chất quang huỳnh quang khi nhiệt độ đo mẫu thay đổi
từ 15 -300 K

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG CỦA CÁC NANO
TINH THỂ CẤU TRÚC LÕI/VỎ LOẠI II
1.1. Sự giam giữ lượng tử đối với hạt tải trong các nano tinh thể
Khi kích thước của tinh thể chất rắn giảm xuống cỡ nano mét, có hai
hiệu ứng đặc biệt xảy ra:
Hiệu ứng bề mặt: xảy ra khi tỉ số nguyên tử trên bề mặt và số nguyên tử
tổng cộng của các nano tinh thể (NC) là khá lớn. Trong bất kỳ vật liệu nào, số
nguyên tử bề mặt có đóng góp nhất định đến năng lượng bề mặt và số nguyên
tử bề mặt cũng gây ra sự thay đổi lớn trong tính chất nhiệt động học của các
NC, chẳng hạn như sự giảm của nhiệt độ nóng chảy của NC [26].
Hiệu ứng giam giữ lượng tử: khi kích thước của các tinh thể bán dẫn
giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton thì có thể xảy ra sự giam giữ
lượng tử của các hạt tải, trong đó các trạng thái electron (lỗ trống) trong NC bị
lượng tử hoá. Các trạng thái bị lượng tử hoá trong cấu trúc nano sẽ quyết định
tính chất điện và quang nói riêng, tính chất vật lý và hoá học nói chung của
cấu trúc đó. Một hệ quả quan trọng của sự giam giữ lượng tử là sự mở rộng
của vùng cấm khi kích thước NC giảm. Trong các NC bao quanh bởi một hố
thế vô hạn, những mức năng lượng lượng tử kích thước của điện tử và lỗ
trống có thể được viết trong gần đúng parabol như sau [10]
El
e
,,nh 
2
l
2
,n
(1.1)
2m r2
confinement
e ,h
trong đó l là số lượng tử momen góc, r là bán kính của NC (giả thiết là hình
cầu) , me,h là khối lượng hiệu dụng tương ứng của điện tử và lỗ trống,l,n là
nghiệm thứ n của hàm Bessel cầu. Rõ ràng từ công thức (1.1), các mức năng
lượng lượng tử hóa tăng khi kích thước NC giảm và do đó gây ra sự mở rộng
của năng lượng vùng cấm. Hình 1 mô tả sự tách các mức năng lượng trong

vùng hóa trị và vùng dẫn đồng thời với sự mở rộng vùng cấm của NC so với
tinh thể khối.
Hình 1.1: Sự tăng các mức năng lượng do sự lượng tử hóa và sự mở rộng năng
lượng vùng cấm của NC so với tinh thể khối [11].
Sự mở rộng của năng lượng vùng cấm được chứng minh bằng thực
nghiệm từ phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang (PL) của NC (năng lượng của
đỉnh hấp thụ thứ nhất có thể được xem là năng lượng của vùng cấm).
Cường
độ
(đvtv)
Cường
độ
(đvtv)
Cường
độ
(đvtv)
Bước sóng Bước sóng Bước sóng
Hình 1.2: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các NC CdTe có
kích thước khác nhau [12]
Trên Hình 1.2 là phổ hấp thụ và phổ PL của các NC CdTe với những kích
thước và phát xạ ở các màu sắc khác nhau. Kích thước nhỏ nhất ứng với bước
sóng ngắn nhất của đỉnh phổ hấp thụ (hay PL), có nghĩa là năng lượng vùng cấm
lớn nhất. Một hệ quả khác của sự giam giữ lượng tử là khả năng che phủ của
hàm sóng giữa giữa điện tử và lỗ trống tăng, do đó làm tăng tốc độ tái

kết hợp bức xạ. Ngoài ra, sự phân tích lý thuyết cho thấy rằng tính chất quang
của các NC phụ thuộc mạnh vào tỉ số giữa bán kính NC và bán kính Bohr
exciton aB. Theo tỉ số này, sự giam giữ của nano tinh thể được chia thành ba
chế độ được trình bày như sau: (i) Chế độ giam giữ yếu (r >> aB), (ii) chế độ
giam giữ trung gian (r aB) và (iii) chế độ giam giữ mạnh (r << aB). Trong
phạm vi của luận văn này chúng tôi chỉ khảo sát các NC trong chế độ giam
giữ mạnh [26, 29].
1.2. Phân loại các hệ nano có cấu trúc lõi vỏ
Phụ thuộc vào độ rộng vùng năng lượng và vị trí tương đối mức năng
lượng điện tử của các chất bán dẫn có liên quan mà lớp vỏ có thể có những
chức năng khác nhau trong nano tinh thể bán dẫn. Hình 1.3 đã cho ta cái nhìn
tổng quan về việc sắp xếp vùng năng lượng của vật liệu khối được dùng để
chế tạo nên các nano tinh thể.
Hình 1.3: Năng lượng vùng cấm và các vị trí đáy vùng dẫn và đỉnh
vùng hóa trị của một số vật liệu khối A2B6 [13]
Có thể phân chia các hợp chất bán dẫn chủ yếu thành 2 loại chính là: loại I
và loại II (Hình 1.4). Trong trường hợp loại I thì độ rộng khe năng lượng của vỏ
lớn hơn của lõi, vì thế nên cả điện tử và lỗ trống đều bị giam giữ trong lõi.
Trường hợp loại II thì khe năng lượng của lõi và vỏ bị lệch nhau (so le nhau),

vì thế khi kích thích thì điện tử và lỗ trống bị tách vào các miền không gian
khác nhau, định xứ ở lõi hoặc vỏ của nano tinh thể.
Trong nano tinh thể loại I, lớp vỏ có tác dụng thụ động hóa bề mặt các NC
và cải thiện tính chất quang của chúng [14,15]. Ngoài ra nó còn có tác dụng bảo
vệ lõi khỏi các tác động của môi trường xung quanh, tăng cường sự ổn định
quang. Đồng thời, sự lớn lên của lớp vỏ làm giảm số lượng liên kết treo ở bề
mặt, chính các liên kết treo này kích hoạt các trạng thái bẫy đối với điện tử và
làm giảm hiệu suất lượng tử. Một trong những nghiên cứu đầu tiên là cấu trúc
nano tinh thể CdSe/ZnS. Chính lớp vỏ ZnS làm cải thiện đáng kể hiệu suất
huỳnh quang và tính ổn định quang. Lớp vỏ ZnS làm đỉnh huỳnh quang và hấp
thụ dịch đỏ khoảng 5-10nm. Sự dịch đỏ này có thể giải thích là do các hiệu ứng
giam giữ lượng tử, giam giữ điện tử và các ứng suất bên trong. Ngoài ra để tăng
cường tính bền quang và nâng cao hiệu suất lượng tử với vật liệu này người ta lại
tiến hành bọc thêm một lớp vỏ thứ hai có độ rộng vùng cấm lớn hơn cả lõi và vỏ
như với các cấu trúc CdSe/CdS/ZnS và CdSe/ZnSe/ZnS.
Hình 1.4: Sơ đồ sự sắp xếp các mức năng lượng trong các hệ
nano lõi vỏ khác nhau [16]
Trong hệ kiểu II thì khi lớp vỏ lớn lên đã quan sát thấy sự dịch đỏ đáng kể
trong phổ phát xạ của các nano tinh thể. Sự so le khe năng lượng của lõi và vỏ
dẫn đến khe năng lượng hiệu dụng nhỏ hơn khe năng lượng của các vật liệu

cấu thành nên lõi và vỏ [17]. Vật liệu này hiện đang rất được quan tâm do khả
năng điều chỉnh chiều dày lớp vỏ và do đó có thể thay đổi được bước sóng
phát xạ, điều này là rất khó có thể thực hiện được với các vật liệu kiểu khác.
Các nano tinh thể loại II có thể cho các phát xạ ở vùng hồng ngoại gần khi sử
dụng một số vật liệu như CdTe/CdSe hoặc CdSe/ZnTe. Ngược lại với cấu trúc
loại I, thời gian phân rã huỳnh quang của các nano tinh thể loại II là rất lâu do
mức độ phủ hàm sóng của điện tử và lỗ trống là thấp. Một trong những hạt tải
mang điện (điện tử hoặc lỗ trống) được định xứ ở vỏ, các nano tinh thể lõi vỏ
loại II cũng có thể được tăng cường hiệu suất phát xạ và tính bền quang như
loại I nhờ một lớp vỏ thích hợp nữa bên ngoài. Các nano tinh thể lõi vỏ loại I
và II đều là các đối tượng nghiên cứu của lí thuyết nhằm có một cái nhìn sâu
sắc hơn nữa về cấu trúc điện tử của chúng [18, 27].
1.3. Giới thiệu về nano tinh thể bán dẫn loại II
Công nghệ hóa keo hiện đại ngày nay cho phép chế tạo các nano tinh
thể bán dẫn với độ chính xác tới từng nguyên tử và có thể thay đổi cả thành
phần và hình dạng. Các vật liệu tổ hợp khác nhau trong một NC cũng có thể
tạo ra các cấu trúc dị chất khác nhau như các nano tinh thể lõi/vỏ hoặc các
tetrapod và nanorod nhiều thành phần [1,7]. Việc sử dụng các cấu trúc dị chất
đã mở ra hướng phát triển mới so với công nghệ bán dẫn truyền thống, đặc
biệt là trong các trường hợp như giếng lượng tử epitaxial và siêu mạng [8, 9].
Cấu trúc bán dẫn dị chất thường được chia thành 2 loại là loại I và loại
II tùy thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị của các
vật liệu cấu tạo nên cấu trúc dị chất. Trong cấu trúc loại I, cả vùng dẫn và vùng
hóa trị của chất bán dẫn này (hình 1.5a) đều định xứ trong khe năng lượng của
chất bán dẫn khác (hình 1.5a). Trong trường hợp này, cặp electron-lỗ trống
(e-h) kích thích gần mặt phân cách có xu hướng định xứ trong chất bán dẫn 1
và đó chính là trạng thái có năng lượng thấp nhất cho cả e và h. Trong trường
hợp kiểu II, trạng thái năng lượng thấp nhất cho cả e và h là ở trong các chất

bán dẫn khác nhau, vì vậy sự thay đổi năng lượng tại mặt phân cách có xu
hướng tách điện tử và lỗ trống ra các phần khác nhau của lớp chuyển tiếp dị
chất [20, 27].
Hình 1.5: Cấu trúc của các NC CdTe và CdTe/CdSe, cơ chế phát xạ và Sơ đồ
vùng năng lượng của cấu trúc bán dẫn dị chất loại I, giả loại II và loại II [19]
Trong trường hợp của cấu trúc nano keo, các nano tinh thể dị chất lõi/vỏ loại I
được tạo nên bởi vật liệu vỏ là chất bán dẫn có khe năng lượng rộng được
sử dụng để giam giữ cả điện tử và lỗ trống trong lõi, vật liệu lõi là chất bán dẫn
có khe năng lượng bé hơn. Điều này cho phép làm giảm tương tác của cặp điện
tử - lỗ trống (exciton) định xứ ở lõi với các bẫy bề mặt, và làm tăng đáng kể hiệu
suất phát xạ lượng tử (QY) của các nano tinh thể. Trong khi đó, cấu trúc nano
lõi/vỏ loại II được tạo thành bằng cách kết hợp hai vật liệu bán dẫn thích hợp có
sai lệch hằng số mạng tinh thể nhỏ. Khác với các cấu trúc nano loại I, sự sắp xếp
các vùng năng lượng của hai vật liệu bán dẫn trong cấu trúc nano loại II sẽ tách
các hạt tải vào các miền không gian khác nhau. Do đó, có thể điều khiển bước
sóng phát xạ, thời gian sống phát xạ của cả đơn và đa exciton.

Xa hơn nữa, việc tách không gian giữa điện tích âm và dương tạo ra cho cấu trúc
này có những ứng dụng trong công nghệ quang điện. Hơn nữa, vì năng lượng
chuyển dời quang trong cấu trúc nano loại II nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của các
vật liệu bán dẫn thành phần nên có thể nhận được các bước sóng phát xạ trong
vùng hồng ngoại ngay cả khi kết hợp các chất bán dẫn vùng cấm rộng đã được
biết trước [7,9]. Điều này là không thể thực hiện được đối với các nano tinh thể
loại I. Cuối cùng, một ứng dụng quan trọng của cấu trúc kiểu II là trong công
nghệ laser. Do bản chất multiexciton của khuếch đại quang trong các NC, nên
việc thực hiện chế độ phát laser là rất khó khăn do sự tái hợp Auger không phát
xạ rất nhanh của multiexciton, dẫn đến thời gian sống ngắn của khuếch đại
quang [10]. Phương pháp giải quyết cơ bản nhất vấn đề tái hợp Auger là phát
triển các cấu trúc để nhận được sự phát laser trong chế độ exciton, khi đó sự tái
hợp Auger là không tích cực. Trong trường hợp các NC loại II, có thể nhận được
sự khuếch đại quang trong chế độ exciton ngưỡng thấp [11], và do đó tránh được
các khó khăn liên quan với sự tái hợp Auger.
Vì những lý do trên nên các cấu trúc nano loại II đang được quan tâm
đặc biệt cả về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng.
1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đo mẫu
Nhiệt độ mẫu ảnh hưởng mạnh lên tính chất phát xạ của các NC bán dẫn.
Khi nhiệt độ mẫu tăng, hiệu ứng nhiệt sẽ gây ra các hệ quả sau đối với phổ PL:
(i) cường độ phát xạ giảm, (ii) đỉnh phát xạ dịch về phía năng lượng thấp
(dịch đỏ) và (iii) độ rộng phổ bị mở rộng hơn [27].
Cường độ phát xạ phụ thuộc nhiệt độ của phổ PL có thể được biểu diễn
bằng biểu thức Arrhennius [21, 22]:
IT
I0
(1.2)

Ea k BT

1 Ce

trong đó I0 là cường độ ở 0 K, C là hệ số liên quan đến thời gian sống của bức
xạ, Ea là năng lượng kích hoạt nhiệt của tâm phát xạ, kB là hằng số Boltzmann.
Sự thay đổi đỉnh PL theo nhiệt độ được qui cho ảnh hưởng của sự giãn
nở mạng tinh thể và tương tác điện tử-phonon. Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra
rằng các ảnh hưởng này có thể được mô tả bằng biểu thức Varshni [22]:
Eg (T ) Eg (0)
T 2
(1.3)
(T)
trong đó Eg(T) là năng lượng vùng cấm ở T (K), Eg (0) là năng lượng vùng
cấm ở 0 (K), là hệ số nhiệt độ, giá trị gần đúng với nhiệt độ DebyeD của
vật liệu. Tuy nhiên biểu thức Varshni mô tả sự phụ thuộc của năng lượng
vùng cấm vào nhiệt độ với giả thiết độ dịch Stokes không phụ thuộc vào nhiệt
độ. Trong những năm gần đây sự thay đổi năng lượng phát xạ theo nhiệt độ
còn được quy cho tương tác điện tử - phonon. Dựa trên cơ chế tương tác này,
O’ Donnell đã đề xuất biểu thức về sự phụ thuộc năng lượng vùng cấm theo
nhiệt độ như sau [23] :
Eg (T ) Eg (0)
2S.
(1.4)
exp
  

1
 

k
B
T

với S là thừa số Huang - Rhys thể hiện độ lớn tương tác exciton-phonon, là
năng lượng phonon.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của PL FWHM thường được xác định bởi tương
tác exciton-phonon âm và tương tác exciton-phonon quang dọc (LO) và được
mô tả bằng biểu thức sau [23]:
 TinhT LOeE
LO
/ k
B
T
11
(1.5)
trong đó(T) là PL FWHM ở nhiệt độ T (K),int là sự mở rộng không đồng
nhất không phụ thuộc nhiệt độ. Hai số hạng cuối biểu thị sự mở rộng đồng nhất
do các tương tác exciton-phonon, là hệ số tương tác exciton-phonon âm,LO
biểu thị hệ số tương tác exciton-phonon LO, ELO là năng lượng phonon LO.

Do sự sắp xếp các vùng năng lượng đặc trưng nên các tính chất quang phụ
thuộc nhiệt độ của các NC dị chất loại II không giống với tính chất quang của
các vật liệu thành phần. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các tính chất quang của các
NC loại II sẽ cung cấp các thông tin về quá trình hồi phục exciton và tương tác
exciton-phonon. Đồng thời, khả năng ứng dụng các NC loại II để chế tạo linh
kiện có thể được đánh giá thông qua sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số cần
thiết. Tuy nhiên, sự phụ thuộc nhiệt độ của các tính chất quang của các NC loại
II chưa được hiểu biết đầy đủ và vẫn còn nhiều kết quả khác nhau.
Hình 1.6: (a) Phổ huỳnh quang của NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe
trong khoảng nhiệt độ từ 220 - 260 K [25]. (b)Phổ PL của các
NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe trong khoảng nhiệt độ từ 293 - 383
K [23]
Đối với sự thay đổi cường độ phát xạ theo nhiệt độ của các NC lõi/vỏ loại
II CdTe/CdSe, trong khi Chin và các cộng sự quan sát thấy sự thay đổi bình
thường (Hình 1.6(a)) thì Saad [25] và các cộng sự lại quan sát thấy sự thay đổi
bất thường - hiện tượng chống dập tắt huỳnh quang theo nhiệt độ (LTAQ), Hình
1.6(b). Sự hồi phục (hoặc cấu trúc lại) bề mặt có tính thuận nghịch và liên quan
với chất hoạt động bề mặt đã được đề xuất để giải thích hiện tượng bất thường
này. Tuy nhiên, cơ chế của LTAQ đã không được phân tích và chỉ ra cụ thể.
Đối với sự thay đổi năng lượng phát xạ và PL FWHM theo nhiệt độ của
các NC loại II CdTe/CdSe, trong khi Chin [23] quan sát thấy sự thay đổi bình
thường, Hình 1.6(a) và Hình 1.6(b) thì Wang [24] lại quan sát thấy dáng điệu
khác thường của đường cong năng lượng phát xạ và PL FWHM, Hình 1.6(c).

Như thấy trong Hình 1.21(c), năng lượng đỉnh huỳnh quang phụ thuộc không
tuyến tính vào nhiệt độ. Vị trí đỉnh huỳnh quang dịch đỏ khi nhiệt độ thay đổi
từ 15 đến 160 K và dịch xanh khi nhiệt độ từ 160 đến 300 K.
Hình 1.7: Sự phụ thuộc của năng lượng phát xạ và PL FWHM
theo nhiệt độ của các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe (a), (b)[22];
(c)[24]
Các kết quả tương tự cũng đã nhận được đối với sự phụ thuộc nhiệt độ của
PL FWHM. Theo nghiên cứu này, hiện tượng dịch đỏ của phổ huỳnh quang quan
sát được cho là do sự chuyển điện tích quang và sự hồi phục liên tiếp về các
trạng thái năng lượng thấp. Khi nhiệt độ trên 160K, sự dịch xanh lớn có thể giải
thích do sự kích thích bởi nhiệt độ trong đó các hạt tải hấp thụ năng lượng nhiệt,
phân rã từ các trạng thái exciton và nhảy về trạng thái thấp hơn trong

vùng dẫn. Hình 1.7(c) cho thấy PL FWHM tăng sau đó giảm khi nhiệt độ thay
đổi từ 15 đến 300 K. Điểm cực trị khoảng 200 K cũng giống như đối với năng
lượng đỉnh phát xạ. Các tác giả đã cho rằng sự tăng của PL FWHM tại nhiệt
độ thấp là do kết quả của sự mở rộng bởi nhiệt độ, trong khi sự giảm tại nhiệt
độ cao là do các hạt tải đều tập trung ở trạng thái cơ bản và phát ra các photon
với cùng một năng lượng [27].
Chin và các cộng sự đã chỉ ra rằng các NC loại II CdTe/CdSe nhạy hơn
đối với sự dập tắt huỳnh quang do nhiệt, có sự thay đổi độ rộng vùng cấm nhỏ
hơn và độ rộng dải PL mở rộng hơn so với NC CdTe. Độ rộng vùng năng
lượng của các NC CdTe/CdSe có vỏ dày thay đổi theo nhiệt độ ít hơn các NC
CdTe/CdSe có vỏ mỏng. Trong khi đó nghiên cứu của Saad [25] cũng đối với
các NC loại II CdTe/CdSe lại không cho các kết quả tương tự.
Theo lý thuyết thì độ rộng vùng cấm của các NC bán dẫn thay đổi theo
nhiệt độ cũng diễn ra giống như đối với bán dẫn khối nhưng để giải thích sự phụ
thuộc nhiệt độ độc đáo của NC bán dẫn như trên Hình 1.7(c) là hoàn toàn không
đơn giản. Tính chất quang phụ thuộc nhiệt độ của các NC loại II bị chi phối
không chỉ bởi sự thay đổi độ rộng vùng cấm khác nhau của các vật liệu bán dẫn
thành phần mà còn bởi chất lượng của cấu trúc và ứng suất do các hệ số giãn nở
nhiệt khác nhau của vật liệu lõi và vỏ. Trong thực tế, việc tạo ra bề mặt tiếp xúc
lõi/vỏ hoàn hảo và lớp vỏ không có sai hỏng là không dễ dàng. Chất lượng
không cao của các NC lõi/vỏ được khảo sát có thể dẫn tới sự dập tắt huỳnh
quang nhanh hơn so với lõi do sự kích hoạt nhiệt các tâm tái hợp không phát xạ.
Bên cạnh đó, các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của vật liệu lõi và vỏ gây ra ứng
suất khác nhau trong các NC loại II trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ, và do đó
đóng góp sự thay đổi bổ sung vào sự phụ thuộc nhiệt độ của độ rộng vùng cấm
của các NC loại II. Độ lớn của ứng suất sẽ phụ thuộc cả vào độ dày của lớp vỏ và
chất lượng lớp tiếp giáp. Rất có thể các kết quả khác nhau

về sự phụ thuộc tính chất quang theo nhiệt độ của các NC loại II như đã nói ở
trên có liên quan đến các vấn đề này.
1.5. Ảnh hưởng của công suất kích thích
Đỉnh huỳnh quang của các NC loại II thường bị dịch về phía năng lượng
cao (dịch xanh) khi tăng công suất kích thích quang. Sự dịch xanh của đỉnh PL
đối với các NC loại II khi tăng công suất kích thích chịu ảnh hưởng của ba hiệu
ứng: i) hiệu ứng làm đầy trạng thái - state filling (SF) [24], ii) hiệu ứng tích điện
dung - capacitive charging (CC) [14] và iii) hiệu ứng uốn cong vùng cấm - band
bending (BB) [25]. Cả ba hiệu ứng trên đều được tạo ra do hệ quả của sự tách
không gian điện tử - lỗ trống giữa lõi và vỏ trong các NC loại II [27].
i) Hiệu ứng SF gây ra sự dịch xanh của đỉnh PL khi tăng công suất kích
thích thường được sử dụng để giải thích đối với các NC nhiều thành phần do bề
mặt tiếp giáp lõi/vỏ gồ ghề hoặc thăng giáng của thế hợp kim. Nguyên nhân của
hiệu ứng này là do ở chế độ kích thích cao, các hạt tải sẽ tái hợp không kịp dẫn
đến các trạng thái có năng lượng thấp bị lấp đầy, khi đó các hạt tải sẽ phải nhảy
lên các trạng thái có năng lượng cao hơn gây ra sự dịch xanh của đỉnh phát xạ.
Hiệu ứng này thường chỉ gây ra sự dịch xanh nhỏ, cỡ vài meV.
ii) Trong các NC loại II, do điện tử và lỗ trống bị tách không gian vì vậy
lực tương tác đẩy giữa các điện tích cùng dấu (điện tử - điện tử hoặc lỗ trống -
lỗ trống) là lớn hơn rất nhiều lực tương tác hút giữa điện tử - lỗ trống. Chính lực
tương tác đẩy này làm tăng năng lượng giam giữ lượng tử, kết quả đỉnh PL dịch
xanh là nguyên nhân của hiệu ứng CC. Hiệu ứng CC xem xét các NC như các tụ
điện vi mô với năng lượng tích điệnECC được xác định bởi biểu thức:
ECC
e2
d
với d là khoảng cách giữa điện tử - lỗ trống và A là diện tích
2 A 0 r
mặt ngoài của các NC [22]Vì vậy năng lượng tích điện tổng cộngECC nh ,
với nh là mật độ lỗ trống. Đối với bán dẫn khối thì:
dne

dnh
bne nh , với ne
dt dt

là mật độ điện tử và b là hệ số tái hợp. Trong bán dẫn tinh khiết ne = nh , vì thế I

= bn2
, với n là mật độ điện tử hoặc lỗ trống. Kết quả cuối cùng, sự phụ thuộc
của năng lượng phát xạ theo công suất kích thích được biểu diễn bằng biểu


thức: ~ I 1/ 2
(hoặc ) [25], trong đóECC là sự thay đổi
năng lượng do



hiệu ứng CC, I và P là cường độ phát xạ tích phân và công suất kích thích [27].





















Hình 1.8: Sự thay đổi phổ huỳnh quang của các NC lõi/vỏ loại II
CdTe/CdSe tại 15 K khi thay đổi công suất kích thích quang. Hình
nhỏ bên trong chỉ ra ảnh hưởng của hiệu ứng uốn cong vùng đến
cấu trúc vùng năng lượng loại II [24]

iii) Hiệu ứng BB là hệ quả của việc uốn cong vùng năng lượng của các
NC loại II. Sự tách các hạt tải được sinh ra do kích thích quang vào các miền
không gian khác nhau của các NC lõi/vỏ loại II. Khi công suất kích thích cao,
các hạt tải sẽ tập trung rất nhiều tại bề mặt tiếp giáp tạo ra điện trường nội tại, và
gây ra sự uốn cong vùng dẫn và vùng hóa trị của các vật liệu bán dẫn thành phần
tại bề mặt tiếp giáp lõi/vỏ gây nên sự dịch xanh của đỉnh phát xạ, Hình 1.8.
Với các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe, vị trí gần bề mặt tiếp giáp lõi/vỏ
trong vật liệu CdTe bị uốn cong xuống dưới, ngược lại vị trí gần bề mặt tiếp giáp
lõi/vỏ trong vật liệu CdSe lại bị uốn cong lên trên, Hình 1.8. Sự uốn cong các
vùng năng lượng sẽ bẫy các điện tử và lỗ trống tập trung gần bề mặt tiếp giáp
P1/ 2
ECC



lõi/vỏ. Sự tăng công suất kích thích quang sẽ làm tăng dần thế giam giữ các
hạt tải. Hệ quả là sự lượng tử hóa năng lượng tăng lên và gây ra sự dịch đỉnh
phát xạ của các NC loại II về phía năng lượng cao.
Để nghiên cứu hiệu ứng BB về mặt định lượng, xét sự thay đổi của mật
độ hạt tải do kích thích quang. Mật độ điện tử ne và mật độ lỗ trống nh được
tạo ra trong lớp tiếp giáp mỏng bởi chùm ánh sáng với cường độ I liên hệ với
nhau theo công thức [24]:
n
e
n
h  ne
2

(L d)
I (1.6)

Trong đó α là hệ số hấp thụ, L là chiều dày của lớp vỏ, d là đường kính của
lõi và γ là hệ số tái hợp phát xạ. Các hạt tải định xứ mạnh gần lớp tiếp giáp
hình thành một điện tích bề mặt, vì vậy nó gây nên một điện trường có độ lớn:
 2.ene  I1/2 (1.7)
0
Phương trình Schrodinger của điện tử trong điện trường ε hướng theo trục Ox
có dạng [14]:

2
d 2
 (x)
 e..x (x) En (x) , với x>0 (1.8)
2m dx2
Giải phương trình trên với điều kiện biên ( x0) 0 , tìm được các giá trị năng
 21/3
 3.e. 1 2/3
lượng: E n    (n ) với n = 1,2,3… (1.9)
 
2m  2 4 
Từ phương trình 1.7 và 1.8 suy ra năng lượng giam giữ lượng tử tỉ lệ
tuyến tính với căn bậc ba của công suất kích thích, En ~ I 1/ 3
(hoặc ). Nhiều
nghiên cứu đã cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, có thể
quan sát trên Hình 1.9.
P1/ 3

Hình 1.9: Sự thay đổi năng lượng phát xạ theo công suất kích thích quang của
các NC lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe. Đồ thị bên trong trình bày sự phụ thuộc năng
lượng phát xạ vào công suất kích thích quang theo quy luật mũ 1/3 [24]
Trong ba dấu hiệu nhận biết đặc trưng loại II trên, theo chúng tôi dấu
hiệu đỉnh phổ PL dịch xanh khi tăng công suất chiếu sáng là dấu hiệu quan
trọng nhất và thuộc về bản chất vật lý của các NC loại II, giúp nhận biết chính
xác một cấu trúc NC chế tạo được có phải là cấu trúc NC loại II hay không.
Đây cũng là dấu hiệu chính được chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu của
mình để nhận biết cấu trúc NC CdS/ZnSe chế tạo được có phải là cấu trúc NC
loại II hay không. Hai dấu hiệu đầu là phổ PL dịch đỏ mạnh đồng thời chân
phổ hấp thụ nâng lên và thời gian sống tăng khi lớp vỏ phát triển trên lõi sẽ là
các dấu hiệu nhận biết bổ sung do chúng có thể phụ thuộc vào chất lượng mẫu
và điều kiện chế tạo. Các kết luận này dựa trên các kết quả nghiên cứu của
chúng tôi và sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương 3.

Chương 2
THỰC NGHIỆM
2.1.Chế tạo các NC CdTe và CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ bằng phương
pháp hóa ướt
2.1.1.Hóa chất dùng trong thí nghiệm bao gồm
- Bột cadmi oxit (CdO), Tellurium (Te), Selenium (Se).
- Oleic acid - OA (C18H34O2).
- 1- octadecene - ODE ( C17H34-CH2 ).
- Toluen, isopropanol.
2.1.2. Tiến hành thí nghiệm
- 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 250 0
C trong thời gian 2 giờ.
+ Dung dịch chứa Te2-
và Se2-
được tạo thành bằng cách hòa tan một
lượng bột Te và Se trong dung dịch ODE tại nhiệt độ 180 0
C trong thời gian 4
giờ.
- Chế tạo NC CdTe:
Sau khi tạo được các dung dịch tiền chất, các chấm lượng tử CdTe với
hình dạng tựa cầu được chế tạo theo tỷ lệ mol Cd:Te = 2:1 bằng cách bơm
nhanh dung dịch chứa Te2-
vào dung dịch chứa Cd2+
tại nhiệt độ 250 0
C. Để
làm sạch lõi CdTe, đảm bảo không còn các ion dư của phản ứng, dung dịch
chứa các NC CdTe được li tâm và phân tán trong toluen, bảo quản trong bóng
tối để tiến hành bọc vỏ sau.
- Chế tạo NC CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ:
Để chế tạo NC CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ, đầu tiên bơm nhanh lõi CdTe
vào dung dịch ODE chứa trong một bình 3 cổ kín tại nhiệt độ cho trước và sục
khí N2. Sau đó tiến hành bơm nhanh đồng thời hai dung dịch chứa Cd2+
và Se2-

vào bình. Tùy theo lượng dung dịch tiền chất chứa Cd2+
và Se2-
mà chúng tôi
sẽ thu được dung dịch chứa các NC CdTe/CdSe có cấu trúc lõi/vỏ với các
chiều dày lớp vỏ khác nhau theo quy ước là 1 ML, 2 ML, 3 ML...
ODE
CdTe
Dung dịch Dung dịch
chứa Cd2+
chứa Se2-
CdTe/CdSe
Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo các NC CdTe/CdSe cấu trúc lõi/vỏ
2.2. Khảo sát các đặc trưng của mẫu
Để khảo sát tính chất quang phổ của các NC CdTe, CdTe/CdSe trong
luận văn, chúng tôi sử dụng các phép đo như: Chụp ảnh TEM, giản đồ nhiễu
xạ tia X, phổ hấp thụ và PL. Để đảm bảo chất lượng tốt của các mẫu chế tạo
tránh sự thay đổi các tính chất quang theo thời gian, các phép đo đặc trưng
quang được thực hiện ngay sau khi chế tạo mẫu.
2.2.1. Hình dạng, kích thước và phân bố kích thước
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. Sơ đồ nguyên
lý của TEM được trình bày trên hình 2.2. Các ảnh TEM nhận được trên thiết bị
JEM 2100 (JEOL) của Viện Khoa học Vật liệu. 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.
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua.
2.2.2. Cấu trúc tinh thể
Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng
để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu... XRD là một kỹ thuật quan trọng để
nghiên cứu cấu trúc của các NC. Phép đo XRD của các NC được thực hiện
trên thiết bị SIEMENS D-5000 tại viện Khoa học Vật liệu - viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam với vạch Kα của Cu là λ = 1.514(Å). 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 CdTe, CdTe/CdSe trong luận án 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 CdTe và
CdTe/CdSe 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.

Hình 2.3: Sơ đồ phép đo nhiễu xạ
2.2.3. Phổ quang 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 NC CdTe và CdTe/CdSe 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.
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).
Sơ đồ khối của một hệ đo phổ huỳnh quang được trình bày trên hình 2.4.

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của một máy đo phổ huỳnh quang
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.
Phổ PL nhiệt độ thấp và PL nhiệt độ phòng khi thay đổi công suất kích
thích được thực hiện trên hệ đo huỳnh quang phân giải cao thuộc phòng thí
nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, độ phân giải 0,02 nm nhờ máy
đơn sắc iHR550 với khe ra (cách tử 1800 vạch/mm), đầu thu CCD Synnapse
làm lạnh đến 10 K nhờ hệ khí He chu trình kín, đảm bảo ghép nối phù hợp với
máy đơn sắc, với độ chính xác 0,2 nm. Công suất kích thích thay đổi từ 10-4
-
5mW nhờ sử dụng kính lọc.
Để đo phổ PL theo nhiệt độ, các NC được làm sạch bằng phương pháp ly
tâm, phân tán lại trong toluene rồi phủ lên lam kính theo phương pháp phủ
quay (spin coating) sau đó để khô tự nhiên. Để khai thác thông tin từ sự thay

đổi cường độ huỳnh quang theo nhiệt độ thì vị trí điểm đo luôn được chỉnh về
vị trí vết laser tại mỗi nhiệt độ đo phổ.
2.2.4. 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 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 (2.6)
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 2.5: 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
trường Đại học Khoa học Thái Nguyên. Khoảng phổ làm việc của thiết bị từ
190 nm đến 2700 nm với độ lặp lại ± 0,1 nm.

Chương 3.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ cdtecdse.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ cdtecdse.doc

Similar to Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ cdtecdse.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)

Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất kích thích và nhiệt độ đến tính chất quang của các nano tinh thể lõi vỏ cdtecdse.doc