Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano bán dẫn đang thúc đẩy mạnh mẽ cuộc cách mạng quang tử học và quang điện tử với thị trường vật liệu chấm lượng tử toàn cầu dự kiến vượt mốc 10 tỷ USD. Trong các cấu trúc chấm lượng tử dị thể, nano tinh thể loại II nổi bật nhờ khả năng phân tách không gian giữa điện tử và lỗ trống qua bề mặt tiếp giáp, mở rộng phổ phát xạ tới vùng cận hồng ngoại từ 700 nm đến 1000 nm. Tuy nhiên, các hệ nano tinh thể loại II thông thường như CdTe/CdSe thường chịu tổn thất hiệu suất lượng tử huỳnh quang nghiêm trọng xuống dưới mức 10% do sự tái hợp không phát xạ tại các bẫy bề mặt và sai hỏng mạng tinh thể tiếp xúc.

Được thực hiện tại Trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên và hoàn thành vào năm 2019, nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: chế tạo và tối ưu hóa tính chất quang của hệ nano tinh thể đa lớp cấu trúc loại I - loại II lõi/vỏ/vỏ CdTe/CdSe/CdS. Mục tiêu cụ thể là thiết lập quy trình tổng hợp hóa ướt ổn định, khảo sát sự biến thiên bước sóng phát xạ trong dải 630 nm đến 783 nm và nâng cao hiệu suất lượng tử từ mức dưới 15% lên trên 31,7% thông qua việc bọc lớp vỏ bảo vệ CdS có độ rộng vùng cấm 2,42 eV.

Ý nghĩa khoa học của đề tài thể hiện ở việc làm sáng tỏ cơ chế truyền điện tích cảm ứng qua lớp tiếp giáp dị chất và tối ưu hóa độ dày lớp vỏ ở mức 2 đơn lớp nhằm hạn chế tác động tiêu cực từ độ sai lệch hằng số mạng 2,7%. Công trình mở ra tiềm năng ứng dụng trực tiếp trong pin mặt trời thế hệ mới với hiệu suất chuyển đổi quang năng mục tiêu tăng 15% đến 20% và các thiết bị khuếch đại laser ngưỡng thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết giam giữ lượng tử và mô hình tạo mầm bùng nổ của LaMer kết hợp cơ chế hội tụ kích thước của Peng. Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn nhóm II-VI dạng zinc-blende với vùng dẫn suy biến bậc 2 và vùng hóa trị suy biến bậc 6 chi phối trực tiếp các chuyển dời quang học 1S(e)-1S3/2(h). Khi kích thước tinh thể giảm xuống dưới bán kính Bohr exciton (đạt 7,3 nm đối với CdTe và 5,6 nm đối với CdSe), các mức năng lượng bị lượng tử hóa rõ rệt.

Mô hình vùng năng lượng so le loại II tại tiếp giáp CdTe/CdSe tạo nên sự định xứ không gian: điện tử tập trung tại vỏ CdSe trong khi lỗ trống bị giam giữ trong lõi CdTe. Khái niệm tích phân che phủ hàm sóng exciton và năng lượng tự do Gibbs giúp xác định bán kính mầm tới hạn nhằm điều khiển quá trình phát triển tinh thể từ kích thước 4,0 nm đến 8,2 nm. Việc bọc thêm lớp vỏ CdS tạo cấu trúc loại II - loại I đóng vai trò như một rào thế bảo vệ, hạn chế bẫy hạt tải không mong muốn trên bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn triển khai phương pháp hóa ướt tổng hợp hệ keo trong môi trường dung môi octadecene với chất hoạt động bề mặt axit oleic ở nhiệt độ phản ứng 250 độ C dưới dòng khí nitơ tinh khiết. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 18 mẫu thực nghiệm độc lập, bao gồm 8 mốc thời gian phát triển lõi CdTe từ 1 phút đến 120 phút, 5 mẫu bọc vỏ CdSe từ 1 đến 5 đơn lớp và 5 mẫu bọc hai lớp vỏ CdTe/CdSe/CdS từ 1 đến 5 đơn lớp. Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích theo biến thiên tham số công nghệ giúp kiểm soát chính xác độ dày đơn lớp trong khoảng 0,3 nm đến 1,5 nm.

Các phương pháp phân tích thực nghiệm được lựa chọn dựa trên tính chính xác cao và khả năng bổ trợ lẫn nhau:

  • Phổ hấp thụ quang học UV-Vis từ 190 nm đến 1100 nm và phổ quang huỳnh quang kích thích bằng laser 355 nm được chọn để theo dõi sự chuyển dịch vùng cấm và chất lượng quang học.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua xác định hình thái và đường kính hạt thực tế.
  • Nhiễu xạ tia X khẳng định pha lập phương zinc-blende và độ hoàn hảo tinh thể.
  • Phổ tán xạ micro-Raman với laser 325 nm phát hiện các dao động phonon quang dọc 1LO tại 160 cm-1, 203 cm-1 và 300 cm-1.
  • Phổ huỳnh quang phân giải thời gian sử dụng kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian với nguồn diode 405 nm xác định thời gian sống hạt tải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, quá trình tổng hợp lõi CdTe tại 250 độ C trong 5 phút đạt độ đồng nhất tối ưu với đỉnh phát xạ tại 630 nm, độ rộng bán phổ hẹp 27 nm và hiệu suất lượng tử đạt 38,7%. Trong 60 phút đầu, kích thước hạt tăng trưởng nhanh chóng trước khi tốc độ phát triển chậm lại và chuyển sang quá trình tái kết tinh làm mở rộng độ rộng bán phổ lên trên 42 nm.

Thứ hai, việc bọc lớp vỏ CdSe từ 1 đến 5 đơn lớp khiến đỉnh huỳnh quang dịch đỏ liên tục từ 630 nm lên 783 nm, tức mở rộng dải phát xạ thêm 153 nm (tương đương mức dịch chuyển bước sóng 24,3%). Hiệu suất lượng tử đạt cực đại ở mức 31,7% tại độ dày vỏ 2 đơn lớp, cao hơn 2,24 lần so với mức 14,1% khi bọc 5 đơn lớp.

Thứ ba, sự hình thành cấu trúc ba lớp CdTe/CdSe(2 đơn lớp)/CdS(2 đơn lớp) làm tăng kích thước hạt từ 4,0 nm của lõi đơn lên 8,2 nm. Đỉnh huỳnh quang tiếp tục dịch đỏ thêm 14 nm về phía bước sóng dài, trong khi giản đồ nhiễu xạ tia X khẳng định cấu trúc zinc-blende ổn định mà không phát sinh tạp pha tinh thể.

Thảo luận kết quả

Sự dịch chuyển đỏ của phổ phát quang cùng sự xuất hiện đuôi hấp thụ kéo dài tại dải 635 nm đến 676 nm là bằng chứng rõ ràng cho chuyển dời exciton loại II gián tiếp qua bề mặt tiếp giáp. Dữ liệu thực nghiệm này được thể hiện rõ nét qua bảng so sánh tham số quang phổ và các đồ thị suy giảm huỳnh quang phân rã đa hàm e mũ. Khi độ dày vỏ CdSe vượt quá 2 đơn lớp, hiệu suất lượng tử giảm từ 31,7% xuống 14,1% do hai nguyên nhân chính: ứng suất mạng sinh ra từ độ chênh lệch hằng số mạng 2,7% tạo các bẫy tái hợp không bức xạ, và khoảng cách phân tách điện tích quá lớn làm giảm tích phân che phủ hàm sóng.

Lớp vỏ ngoài cùng CdS với năng lượng vùng cấm 2,42 eV đóng vai trò rào cản năng lượng thụ động hóa bề mặt, loại bỏ các liên kết treo và hạn chế hiện tượng nhấp nháy huỳnh quang. Thời gian sống huỳnh quang của hệ nano đa lớp kéo dài đáng kể so với lõi CdTe ban đầu, xác nhận tốc độ tái hợp bức xạ chậm đặc trưng của hạt tải bị phân tách không gian, hoàn toàn phù hợp với các mô hình lý thuyết lượng tử hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, chuẩn hóa quy trình công nghệ phát triển lớp vỏ nano CdSe ở độ dày chính xác 2 đơn lớp kết hợp lớp vỏ bảo vệ CdS 2 đơn lớp nhằm duy trì hiệu suất lượng tử phát quang trên 35% và độ rộng bán phổ dưới 45 nm; do các nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu thực hiện trong quý 1 và quý 2 năm tới.

Hai là, tối ưu hóa các chất hoạt động bề mặt bằng cách nghiên cứu thay thế ligand truyền thống bằng các hợp chất hữu cơ thân thiện môi trường, giúp hạ giá thành sản xuất vật liệu keo từ 25% đến 30% trong thời gian 9 tháng; do các phòng thí nghiệm vật liệu tiên tiến chủ trì.

Ba là, ứng dụng hệ nano tinh thể lõi/vỏ/vỏ CdTe/CdSe/CdS vào lớp chuyển hóa quang năng của pin mặt trời màng mỏng để mở rộng khả năng hấp thụ quang phổ tới 783 nm, hướng tới mục tiêu gia tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể thêm 2,5% đến 3,5% trong lộ trình 12 tháng; do các viện nghiên cứu năng lượng phối hợp cùng doanh nghiệp sản xuất linh kiện quang điện.

Bốn là, triển khai chế tạo các đầu dò huỳnh quang y sinh phát xạ trong cửa sổ cận hồng ngoại từ 700 nm đến 800 nm để nâng cao độ sâu xuyên thấu mô sinh học và cải thiện độ nhạy phân tích hình ảnh thêm 40% trong thời gian 18 tháng; do các viện nghiên cứu công nghệ sinh học và quang y học đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Quang học, Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu: Tài liệu cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm chuẩn xác về phổ hấp thụ, phổ phát xạ, tán xạ Raman và huỳnh quang phân giải thời gian phục vụ công tác giảng dạy chuyên đề chấm lượng tử.

Kỹ sư phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp quang điện tử và pin quang điện: Ứng dụng mô hình phân tách hạt tải loại II để thiết kế các thế hệ cảm biến quang, tế bào quang điện và diode phát quang cận hồng ngoại hiệu suất cao.

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Nano: Nắm vững quy trình tổng hợp hóa ướt keo, kỹ thuật phân tích đạo hàm bậc hai phổ hấp thụ và phương pháp xử lý số liệu đường cong suy giảm huỳnh quang.

Chuyên gia nghiên cứu thiết bị y sinh: Khai thác đặc tính phát quang bền vững và bước sóng điều chỉnh linh hoạt trong vùng 700 nm đến 783 nm để phát triển các chất đánh dấu sinh học phục vụ chẩn đoán hình ảnh không xâm lấn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nano tinh thể loại II CdTe/CdSe có bước sóng phát xạ dịch mạnh về vùng cận hồng ngoại? Cấu trúc vùng năng lượng so le giữa CdTe và CdSe khiến đáy vùng dẫn của lõi CdTe cao hơn đáy vùng dẫn của vỏ CdSe, đồng thời đỉnh vùng hóa trị của CdTe cũng cao hơn của CdSe. Quá trình tái hợp quang diễn ra giữa điện tử ở vỏ và lỗ trống ở lõi có năng lượng nhỏ hơn độ rộng vùng cấm của từng chất riêng biệt, dịch chuyển bước sóng phát xạ từ 630 nm lên 783 nm.

Vì sao độ dày lớp vỏ CdSe ở mức 2 đơn lớp cho hiệu suất lượng tử cao nhất? Ở độ dày 2 đơn lớp, lớp vỏ CdSe đã đủ để thụ động hóa bề mặt lõi CdTe giúp giảm bẫy sai hỏng mà chưa gây ra ứng suất mạng quá lớn, đạt hiệu suất lượng tử 31,7%. Khi tăng lên 5 đơn lớp, độ sai lệch hằng số mạng 2,7% tích tụ ứng suất tạo nhiều tâm dập tắt quang làm hiệu suất giảm còn 14,1%.

Lớp vỏ ngoài cùng CdS đóng vai trò gì trong cấu trúc lõi/vỏ/vỏ? CdS có độ rộng vùng cấm 2,42 eV lớn hơn cả CdTe và CdSe, đóng vai trò rào thế thế năng cô lập hạt tải khỏi môi trường ngoài. Lớp vỏ này bảo vệ bề mặt hạt, giảm thiểu hiện tượng oxy hóa quang hóa, tăng độ bền huỳnh quang và dịch đỏ nhẹ phổ phát xạ thêm 14 nm mà không làm biến dạng mạng tinh thể.

Phương pháp nào giúp nhận biết chính xác cấu trúc ba lớp CdTe/CdSe/CdS? Nghiên cứu kết hợp ảnh hiển vi điện tử truyền qua cho thấy kích thước hạt tăng từ 4,0 nm lên 8,2 nm và phổ tán xạ micro-Raman ghi nhận đồng thời ba đỉnh phonon quang dọc 1LO đặc trưng: 160 cm-1 của CdTe, 203 cm-1 của CdSe và 300 cm-1 của CdS, chứng minh sự hiện diện của cả ba pha vật liệu.

Cấu trúc nano tinh thể này có ưu thế gì trong chế tạo pin mặt trời? Sự phân tách không gian giữa điện tử và lỗ trống giúp giảm xác suất tái hợp bức xạ sớm, kéo dài thời gian sống của hạt tải điện. Điều này tạo điều kiện thuận lợi để tách và thu gom các cặp điện tử - lỗ trống thành dòng điện hữu ích trước khi chúng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.

Kết luận

  • Chế tạo thành công hệ nano tinh thể lõi CdTe, lõi/vỏ CdTe/CdSe và lõi/vỏ/vỏ CdTe/CdSe/CdS bằng phương pháp hóa ướt keo ở nhiệt độ 250 độ C trong môi trường dung môi octadecene.
  • Kích thước tinh thể tăng trưởng có quy luật từ 4,0 nm đối với lõi CdTe, đạt 5,8 nm khi bọc vỏ CdSe và đạt 8,2 nm khi bọc thêm vỏ CdS, giữ vững pha cấu trúc lập phương zinc-blende.
  • Điều khiển bước sóng phát quang dịch chuyển linh hoạt từ vùng khả kiến 630 nm đến vùng cận hồng ngoại 783 nm thông qua việc thay đổi độ dày lớp vỏ từ 1 đến 5 đơn lớp.
  • Tối ưu hóa hiệu suất lượng tử phát quang đạt đỉnh 31,7% tại độ dày vỏ CdSe 2 đơn lớp và gia tăng độ bền quang hóa nhờ lớp bảo vệ ngoài cùng CdS.
  • Xác định rõ cơ chế chuyển điện tích loại II thông qua ba đỉnh tán xạ micro-Raman tại 160 cm-1, 203 cm-1, 300 cm-1 và phổ huỳnh quang phân giải thời gian thực.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu chấm lượng tử đa lớp có khả năng phát xạ dải rộng và hiệu suất cao, cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu quang tử học tiếp theo. Trong lộ trình từ 6 đến 12 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là tích hợp vật liệu vào các màng mỏng quang điện thực tế. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối chuyển giao công nghệ để đưa cấu trúc chấm lượng tử tiên tiến này vào ứng dụng thương mại.