I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tính Chất Quang Nano CdSe CdTe 55
Nghiên cứu về cấu trúc nano dị chất, đặc biệt là trên cơ sở các bán dẫn hợp chất A2B6, đang thu hút sự quan tâm lớn nhờ tiềm năng ứng dụng rộng rãi dựa trên sự phát xạ phụ thuộc kích thước. Việc chế tạo các cấu trúc nano dị chất với chất lượng tinh thể cao, hiệu suất quang lượng tử cao, phân bố kích thước hẹp, độ bền và tính ổn định tốt là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng hiện nay. Phương pháp hóa ướt và phun dung dịch đang được ứng dụng rộng rãi để tạo ra các nano tinh thể có hiệu suất huỳnh quang cao, đồng thời linh hoạt trong việc điều khiển kích thước, hình dạng và khả năng thụ động hóa bề mặt. Các nano CdSe/CdTe tetrapod nổi bật với những tính chất quang độc đáo so với các cấu trúc nano dạng cầu truyền thống. Sự tách biệt các hạt tải điện, như điện tử và lỗ trống, giữa lõi và vỏ hoặc giữa lõi và các cánh tay, mang lại những đặc tính quang học thú vị và tiềm năng ứng dụng lớn mà các nano tinh thể dạng cầu không thể có được.
1.1. Ứng Dụng Tiềm Năng của Nano CdSe CdTe Tetrapod 52
Các nano CdSe/CdTe tetrapod loại II có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực quang điện và laser. So với các NC dạng cầu, thì các NC tetrapod có tính chất quang rất thú vị do hình dạng đặc biệt của chúng. Sự tách các hạt tải là điện tử và lỗ trống giữa lõi và vỏ hay lõi và các cánh tay sẽ cho các tính chất quang rất lý thú và tiềm năng ứng dụng mà các NC dạng cầu không có được.
1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Tính Chất Quang 45
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là chế tạo thành công các nano tetrapod loại II CdSe/CdTe và nghiên cứu chi tiết các tính chất quang của chúng. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo các NC CdSe với kích thước khác nhau và CdSe/CdTe có chiều dài cánh tay khác nhau bằng phương pháp hóa học. Khảo sát hình dạng qua ảnh TEM, cấu trúc tinh thể bằng giản đồ nhiễu xạ tia X, nghiên cứu tính chất dao động bằng phổ tán xạ Raman và các tính chất quang với các phép đo hấp thụ, quang huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang.
II. Thách Thức Chế Tạo Nano CdSe CdTe Chất Lượng Cao 58
Một trong những thách thức lớn trong lĩnh vực chế tạo nano tinh thể là làm sao giảm giá thành sản xuất, đảm bảo an toàn và giảm thiểu độc hại. Trong những năm gần đây, CdO và octadecene (ODE) đã được đề xuất làm tiền chất và môi trường phản ứng. Các nghiên cứu về công nghệ chế tạo các cấu trúc nano dị chất với việc sử dụng các chất phản ứng và môi trường phản ứng mới này đang được đẩy mạnh. Các yếu tố như nhiệt độ phản ứng, loại chất tham gia phản ứng và tỉ lệ của chúng, loại ligand và ảnh hưởng của chúng đến quá trình tạo mầm và phát triển nano tinh thể trong dung dịch cần được kiểm soát chặt chẽ. Các vật liệu nano bán dẫn này có tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng, nhưng việc tối ưu hóa quy trình sản xuất là rất quan trọng.
2.1. Vai Trò Của Ligand Trong Quá Trình Tạo Mầm 50
Trong quá trình mầm tinh thể hình thành và phát triển, tương tác van der Waals có thể gây ra sự kết tụ các mầm rất nhanh, dẫn đến việc không kiểm soát được quá trình phát triển tiếp theo của các nano tinh thể. Các ligand như oleate và TOP liên kết hóa học với cả các chất tham gia phản ứng và các nano tinh thể được tạo thành, chống lại lực van der Waals. Có thể bổ sung thêm các ligand trong quá trình tổng hợp để ngăn chặn sự kết tụ các hạt nano tinh thể, mặc dù về nguyên tắc chúng cản trở sự phát triển kích thước của nano tinh thể.
2.2. Ảnh Hưởng Của Nồng Độ Ligand Đến Kích Thước 55
Kết quả khảo sát phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của nano tinh thể CdSe theo thời gian phản ứng của cadmium oleate và TOPSe trong ODE cho thấy phản ứng xảy ra hầu như tức thời. Đỉnh hấp thụ của trạng thái kích thích đầu tiên hẹp dần lại trong quá trình phát triển của nano tinh thể, còn độ rộng bán phổ của dải huỳnh quang giảm dần từ 43 30 nm sau thời gian phản ứng 180 giây. So sánh tại cùng thời gian phản ứng có thể nhận thấy nồng độ OA thấp nhất cho kích thước mầm nhỏ nhất (tại 5 giây), nhưng lại làm tăng kích thước nano tinh thể nhanh nhất.
III. Phương Pháp Chế Tạo Nano CdSe CdTe Dạng Tetrapod 59
Để chế tạo các nano tinh thể có kích thước mong muốn với phân bố kích thước hẹp, cần điều khiển khả năng phản ứng của monomer để đảm bảo sự thăng bằng cần thiết giữa quá trình tạo mầm và phát triển kích thước hạt. Một qui trình công nghệ tốt phải bắt đầu với giai đoạn tạo mầm nhanh và ngắn, và tiếp theo bởi giai đoạn phát triển đơn thuần của kích thước hạt (không có sự tạo mầm trong giai đoạn này). Tốc độ phát triển kích thước của nano tinh thể ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất quang huỳnh quang. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ sự tăng chậm kích thước hạt trong quá trình tổng hợp làm giảm độ mấp mô và các sai hỏng bề mặt, và do đó làm tăng đáng kể hiệu suất huỳnh quang của nano tinh thể.
3.1. Kiểm Soát Tỉ Lệ Chất Tham Gia Phản Ứng 53
Kết quả khảo sát sự thay đổi phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ của các nano tinh thể được tổng hợp với tỉ lệ khác nhau của các chất tham gia phản ứng đã cho thấy ảnh hưởng lớn của tỉ lệ này đến kích thước và phân bố kích thước của nano tinh thể tại các thời gian phản ứng khác nhau. Nói chung, nếu tốc độ phát triển kích thước của nano tinh thể thấp thì chúng sẽ có dạng gần như hình cầu.
3.2. Ảnh Hưởng Của Nồng Độ Monomer Đến Hình Dạng 51
Các nano tinh thể không có dạng cầu có thể được tạo thành khi thay đổi điều kiện phản ứng. Khi đó, tốc độ phát triển của các facet trên bề mặt tinh thể khác nhau sẽ trở nên khác nhau. Đối với các nano tinh thể có tính dị hướng cấu trúc tinh thể mạnh như wurtzite thì các nano tinh thể dạng que có thể tạo ra bằng cách tăng nồng độ chất phản ứng, và tốc độ phát triển kích thước sẽ nhanh hơn dọc theo trục c.
IV. Nghiên Cứu Tính Chất Quang Học Nano CdSe CdTe 52
Các nguyên tử bề mặt với các mối liên kết treo và/hoặc các vị trí khuyết tại bề mặt có thể là các tâm tái hợp không bức xạ, làm giảm hiệu suất huỳnh quang của nano tinh thể. Vì vậy, rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào vấn đề thụ động hóa bề mặt nano tinh thể bằng các chất hữu cơ hoặc vô cơ, như khảo sát tính chất hóa học của các chất tham gia phản ứng, nồng độ của chúng, môi trường phản ứng, cũng như nhiệt độ chế tạo để nhận được bề mặt có chất lượng tốt. Thực nghiệm cho thấy các nano tinh thể CdSe không được thụ động hóa bề mặt có hiệu suất quang lượng tử khá thấp ( 10%).
4.1. Thụ Động Hóa Bề Mặt Nano Tinh Thể 48
Mặc dù việc thụ động hóa bề mặt các nano tinh thể bằng chất hữu cơ cho hiệu suất lượng tử rất cao (85%) nhưng độ ổn định quang của chúng trong điều kiện môi trường lại khá thấp. Lớp vỏ bọc hữu cơ khá linh động nên nước và oxy có thể thâm nhập vào bề mặt của nano tinh thể. Có thể tăng độ ổn định quang (và hiệu suất lượng tử) bằng cách tạo lớp vỏ bọc vô cơ có độ rộng vùng cấm lớn hơn bên ngoài bề mặt nano tinh thể.
4.2. Cấu Trúc Lõi Vỏ CdSe ZnS Ổn Định Nhất 50
CdSe/ZnS là cấu trúc nano lõi/vỏ được công bố đầu tiên và hiện nay vẫn là cấu trúc ổn định nhất. Tuy nhiên, sai lệch hằng số mạng tinh thể khá lớn giữa CdSe và ZnS (~ 12%) gây ra ứng suất tại bề mặt tiếp giáp lõi/vỏ. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ chế tạo và độ dày lớp ZnS ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất quang lượng tử của cấu trúc CdSe/ZnS.
V. Ứng Dụng Thực Tế Nano CdSe CdTe Trong Tương Lai 57
Các nano CdSe/CdTe tetrapod loại II có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quang điện, laser, và y sinh học. Khả năng điều khiển bước sóng phát xạ, thời gian sống phát xạ và khuếch đại quang trong chế độ exciton mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các thiết bị và công nghệ mới. Nghiên cứu sâu hơn về tính chất quang học và khả năng điều chỉnh cấu trúc của các vật liệu nano bán dẫn này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa các ứng dụng tiềm năng này.
5.1. Tiềm Năng Trong Các Thiết Bị Quang Điện 49
Các NC loại II rất có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực quang điện và laser. Vì những lý do này mà các cấu trúc nano loại II đang được quan tâm cả về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Trong các NC loại II như CdTe/CdSe, CdS/ZnSe, ZnTe/ZnSe, CdSe/CdTe, ZnSe/CdTe thì các NC CdSe/CdTe được nghiên cứu và chế tạo nhiều hơn cả do chúng phát xạ nằm hoàn toàn trong vùng ánh sáng nhìn thấy khi thay đổi kích thước lõi và chiều dày vỏ.
5.2. Phát Triển Các Ứng Dụng Y Sinh Học 45
Chính khả năng điều khiển chính xác kích thước, hình dạng và bề mặt của các nano tinh thể đã mở ra triển vọng ứng dụng các vật liệu mới này để chế tạo các diode phát quang, các laser ngưỡng thấp, pin mặt trời, các khuếch đại quang dùng trong viễn thông và đánh dấu huỳnh quang trong y sinh học.
