Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu chung về CdTe, các tính chất chung của CdTe và những ứng dụng của chúng đối với đời sống. Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm: Trình bày phương pháp chế tạo mẫu và xử lý mẫu. Kỹ thuật đo phổ hấp thụ. Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang.
Kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang. Chương 3: Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các bức xạ: bức xạ tia X, bức xạ gamma, bức xạ nơtron nhiệt và bức xạ photon hãm lên tính chất quang học của chấm lượng tử CdTe thông qua các phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang của CdTe. Phần kết luận: Tổng hợp các kết quả mà luận văn đã đạt được. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe 1.1 Giới thiệu về vật liệu nano Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây.
Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004. Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét.
Nói một cách rõ hơn là vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano (nanoscience ) và công nghệ nano (nanotechnology ). Theo viện hàn lâm hoàng gia Anh: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử.
Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét. Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.
Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 Chúng ta hãy lấy một ví dụ: Vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô men khác. Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác.
Chính vì ý nghĩa khoa học cơ bản cũng như triển vọng ứng dụng to lớn nên các nghiên cứu khoa học–công nghệ, nghiên cứu ứng dụng vật liệu có cấu trúc nano đang được thực hiện tại nhiều phòng thí nghiệm tiên tiến trên thế giới. Vật liệu có kích thước cấu trúc nano được hiểu theo nghĩa chung là kích thước các hạt vật liệu nằm trong vùng một vài nano mét đến nhỏ hơn 100 nm. Một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (kích thước khoảng angstron) đến lớn như tế bào động vật (khoảng một vài chục micron) [2] Để có thể hình dung, so sánh về vật liệu có kích thước nano mét, Hình 1.1 trình bày một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (atom, kích thước khoảng angstron) đến lớn như tế bào động vật (animal cell, khoảng vài chục micron), và vùng kích thước của vật liệu có cấu trúc nano/chấm lượng tử đang được quan tâm (NCs/QDs, vùng một vài đến một vài chục nano mét cũng là vùng kích thước của các protein). Với kích thước nhỏ như vậy, số nguyên tử phân bố trên bề mặt trở nên rất đáng kể so với số nguyên tử nằm bên trong hạt.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano cấu tạo từ các nguyên tử giống nhau và Hình 1.2 biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với số lớp nguyên tử khác nhau trong một cấu trúc nano.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ nguyên tử giống nhau [2] Đƣờng kính Số nguyên Tỉ số nguyên Năng lƣợng Tỉ số năng hạt nano tử tử trên bề bề mặt lƣợng bề (erg/mol) mặt trên (nm) mặt (%) năng lƣợng toàn phần (%) 10 30.000 40 8,16×1011 14,3 2 250 80 2,04×1011 35,3 1 3 90 9,23×1011 82,2 Chẳng hạn, với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là: 4000 nguyên tử với tỉ số nguyên tử trên bề mặt là 40%, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 14,3%. Do vậy, các hiệu ứng hoá–lý, quang phổ liên quan tới trạng thái bề mặt cần được đặc biệt lưu ý khi nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano. Mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với số lớp nguyên tử khác nhau trong một cấu trúc nano [2] TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 Khi kích thước của vật liệu giảm xuống cỡ nano mét, có hai hiện tượng đặc biệt xảy ra: Thứ nhất, tỷ số giữa số nguyên tử nằm trên bề mặt và số nguyên tử trong cả hạt nano trở nên rất lớn.
Mặt khác, năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ, thể hiện qua nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ chuyển pha cấu trúc của các hạt nano thấp hơn nhiều so vật liệu khối tương ứng (thí dụ với TiO2, nhiệt độ chuyển pha từ cấu trúc anatase sang cấu trúc rutile khoảng 4000 C khi vật liệu có kích thước nano và khoảng 12000 C khi vật liệu ở dạng khối). Bên cạnh đó, cấu trúc tinh thể của hạt và hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử bị ảnh hưởng đáng kể bởi số nguyên tử trên bề mặt, dẫn đến vật liệu ở cấu trúc nano có nhiều tính chất mới lạ so với vật liệu khối và hứa hẹn mang lại những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống. Thứ hai, khi kích thước của hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton trong vật liệu khối thì xuất hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effects), trong đó các trạng thái điện tử cũng như các trạng thái dao động trong hạt nano 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.
Chính hai tính chất liên quan đến kích thước nano mét của vật liệu trên đã làm cho các cấu trúc nano trở thành đối tượng của nghiên cứu cơ bản, cũng như nghiên cứu ứng dụng. Các tính chất của các cấu trúc nano có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ nano mét của chúng.Sự thay đổi hình thái từ tinh thể dạng khối tới chấm lượng tử dẫn tới cấu trúc vùng năng lượng và hàm mật độ trạng thái của chất bán dẫn cũng thay đổi theo. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Tính chất chung của CdTe CdTe có độ rộng vùng cấm 1.52 eV có khả năng phát huỳnh quang trong vùng nhìn thấy.
Bước sóng huỳnh quang có thể thay đổi nhờ hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các chấm lượng tử có kích thước khác nhau.1 Tính chất cấu trúc Tinh thể CdTe thường có cấu trúc lập phương giả kẽm (cubic zincblende). Cấu trúc này được mô tả như cặp các mặt đan xen vào nhau ở tâm mặt lập phương. Nguyên tử Cd hình thành một mạng con và nguyên tử Te hình thành một mạng con khác. Đặc điểm quan trọng của sắp xếp mạng zinblende kiểu này là sự thiếu trục đối xứng kết quả tinh thể CdTe có tính phân cực cao trừ hướng không phân cực [110].
Ví dụ khi nuôi tinh thể thì hướng [111] sẽ phát triển mạnh hơn. Ở nhiệt độ phòng hằng số mạng của CdTe lớn nhất trong họ bán dẫn A2B6. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hằng số mạng của CdTe thay đổi từ 6.488 Å tùy thuộc vào điều kiện chế tạo hay xử lý mẫu. Từ phổ nhiễu xạ tia X có thể tính được hằng số mạng và hệ số dãn nở nhiệt của CdTe theo phương trình sau: a(T ) = 6.2) Trong đó: a(T) là hằng số mạng, β(T ) là hệ số giãn nở nhiệt.
Liên kết trong CdTe được đặc trưng bởi liên kết trung gian giữa liên kết ion và liên kết hóa trị trong đó liên kết ion chiếm khoảng 72%.