Luận văn thạc sĩ: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang các hạt nano bán dẫn AIIBVI

Luận văn thạc sĩ môi trường phân tích hay chế tạo và nghiên cứu tính chất quang các hạt nano bán dẫn aiibvi trên cơ sở các nguyên tố cd, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Lê Quang Huy
• Người hướng dẫn: TS. Lê Tiến Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Các Hạt Nano Bán Dẫn AIIBVI Trên Cơ Sở Các Nguyên Tố Cd, Zn, S Và Se Trong Môi Trường Nước
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Nội dung nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HẠT NANO BÁN DẪN
• 1.1. Các mức năng lượng của hạt tải trong hạt nano bán dẫn hay chấm lượng tử
• 1.2. Sự giam giữ lượng tử
• 1.3. Các mức năng lượng của hạt tải trong các hạt nano bán dẫn
• 1.4. Các tính chất quang lý của các hạt nano bán dẫn
• 1.5. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử
• 1.6. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử
• 1.7. Thời gian sống phát quang, hiệu suất lượng tử và độ bền quang của các chấm lượng tử
• 1.8. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano bán dẫn
• 1.8.1. Phương pháp sol-gel
• 1.8.2. Nano tinh thể trong zeolite, màng thủy tinh, bán dẫn composite
• 1.8.3. Các nano tinh thể chế tạo trong dung dịch hữu cơ và polyme
• 1.8.4. Chế tạo các hạt nano bán dẫn phân tán trong môi trường nước
• 1.9. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái và tính chất của các hạt nano bán dẫn
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thực nghiệm chế tạo các mẫu hạt nano bán dẫn trong môi trường nước/citrate
• 2.2. Chế tạo các chấm lượng tử CdSe/CdS
• 2.3. Chế tạo các chấm lượng tử CdS/ZnS
• 2.4. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và kích thước các hạt nano đã chế tạo
• 2.4.1. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.4.2. Phổ tán xạ Raman
• 2.4.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất quang
• 2.4.3.1. Phép đo phổ hấp thụ
• 2.4.3.2. Phép đo phổ huỳnh quang
• 2.4.3.3. Phép đo thời gian sống huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo và tính chất của các hạt nano CdSe/CdS
• 3.1.1. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và cấu trúc của các hạt nano CdSe/CdS
• 3.1.2. Phổ hấp thụ của các hạt nano bán dẫn CdSe/CdS và đánh giá kích thước của các hạt qua phổ hấp thụ
• 3.1.3. Phổ huỳnh quang của các hạt nano bán dẫn CdSe và CdSe/CdS
• 3.1.4. Thời gian sống phát quang của hạt tải trong các hạt nano bán dẫn CdSe/CdS
• 3.1.5. Đánh giá hình thái của các hạt nano thông qua phổ phân cực và bất đẳng hướng huỳnh quang
• 3.2. Kết quả chế tạo và tính chất của các hạt nano CdS/ZnS
• 3.2.1. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và giản đồ nhiễu xạ tia X của các hạt nano CdS/ZnS
• 3.2.2. Tính chất quang của các hạt nano CdS/ZnS
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hạt nano bán dẫn AIIBVI từ Cd Zn S và Se

Hạt nano bán dẫn AIIBVI, bao gồm các thành phần như CdS, ZnSe, và các hợp chất khác, đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu quang học. Những hạt này có khả năng phát xạ ánh sáng huỳnh quang mạnh mẽ, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh học và quang học. Việc nghiên cứu tính chất quang của chúng không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động mà còn tạo ra các sản phẩm mới với hiệu suất cao.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của hạt nano bán dẫn

Hạt nano bán dẫn có kích thước nhỏ, thường dưới 100 nm, cho phép chúng có các tính chất quang học độc đáo. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến sinh học, đánh dấu huỳnh quang và trong các thiết bị quang điện.

1.2. Tính chất quang học của hạt nano AIIBVI

Tính chất quang học của hạt nano AIIBVI phụ thuộc vào kích thước và thành phần hóa học. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh kích thước hạt có thể thay đổi màu sắc phát xạ, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

II. Thách thức trong nghiên cứu hạt nano bán dẫn trong nước

Mặc dù hạt nano bán dẫn có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và phát triển chúng trong nước gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm không ổn định và thiếu hụt nguồn nguyên liệu chất lượng cao là những rào cản lớn.

2.1. Chi phí sản xuất và nguồn nguyên liệu

Chi phí sản xuất hạt nano bán dẫn thường cao do yêu cầu về nguyên liệu và thiết bị. Việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu chất lượng cao và giá cả hợp lý là một thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu.

2.2. Chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất

Chất lượng của hạt nano bán dẫn phụ thuộc vào quy trình sản xuất. Các phương pháp chế tạo hiện tại cần được cải tiến để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao nhất về tính chất quang học.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano bán dẫn AIIBVI hiệu quả

Để chế tạo hạt nano bán dẫn AIIBVI, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu. Các phương pháp này không chỉ ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của hạt mà còn đến tính chất quang học của chúng.

3.1. Phương pháp sol gel trong chế tạo hạt nano

Phương pháp sol-gel là một trong những kỹ thuật phổ biến để chế tạo hạt nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt, từ đó cải thiện tính chất quang học.

3.2. Kỹ thuật hóa học ướt trong sản xuất hạt nano

Kỹ thuật hóa học ướt giúp tạo ra hạt nano với độ đồng đều cao. Phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất các hạt nano CdS và ZnSe với tính chất quang học tốt.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hạt nano

Nghiên cứu về hạt nano bán dẫn AIIBVI đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các hạt nano này không chỉ có tính chất quang học vượt trội mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y sinh và công nghệ thông tin.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Hạt nano bán dẫn được sử dụng làm chất đánh dấu huỳnh quang trong các nghiên cứu sinh học. Chúng giúp theo dõi các quá trình sinh học một cách chính xác và hiệu quả.

4.2. Tiềm năng trong công nghệ quang điện

Hạt nano AIIBVI có thể được ứng dụng trong các thiết bị quang điện, giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời. Điều này mở ra cơ hội mới cho việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu hạt nano

Nghiên cứu về hạt nano bán dẫn AIIBVI từ Cd, Zn, S và Se trong nước đang trên đà phát triển. Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo và nghiên cứu, hạt nano này hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong tương lai.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước cần được đẩy mạnh để phát triển công nghệ chế tạo hạt nano. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm chi phí sản xuất.

5.2. Hướng đi mới cho ứng dụng hạt nano

Hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng hạt nano bán dẫn sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các lĩnh vực như y sinh, công nghệ thông tin và năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ QUANG HUY CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO BÁN DẪN AIIBVI TRÊN CƠ SỞ CÁC NGUYÊN TỐ Cd, Zn, S VÀ Se TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ QUANG HUY CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CÁC HẠT NANO BÁN DẪN AIIBVI TRÊN CƠ SỞ CÁC NGUYÊN TỐ Cd, Zn, S VÀ Se TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ TIẾN HÀ THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ ii thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành là nhờ công lao rất lớn của thầy hướng dẫn tôi là TS. Lê Tiến Hà và cô giáo PGS. Chu Việt Hà Đầu tiên, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Lê Tiến Hà và PGS. Chu Việt Hà là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm về cả kiến thức và vật chất để tôi hoàn thành quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu và các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý và Công Nghệ– Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã trang bị cho tôi những tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cúu. Tôi xin cảm ơn các em Ngô Văn Hoàng, Nguyễn Ngọc Lê cùng làm thực nghiệm đã động viên giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm đề tài. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới gia đình, họ hàng và người thân của tôi, những người đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ vật chất. Tôi không biết nói gì hơn ngoài lời cảm ơn sâu sắc, chân thành tới những người thân yêu nhất của tôi. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2019 Học viên Lê Quang Huy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang các hạt nano bán dẫn AIIBVI trên cơ sở các nguyên tố Cd, Zn, S, và Se trong môi trường nước” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Tiến Hà. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Nếu phát hiện có bất kì sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 11 năm 2019 Học viên Lê Quang Huy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC MỞ ĐẦU . Lý do chọn đề tài . Mục tiêu nghiên cứu . Phạm vi nghiên cứu . Phương pháp nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu . 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HẠT NANO BÁN DẪN . Các mức năng lượng của hạt tải trong hạt nano bán dẫn hay chấm lượng tử . Sự giam giữ lượng tử . Các mức năng lượng của hạt tải trong các hạt nano bán dẫn . Các tính chất quang lý của các hạt nano bán dẫn . Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử . Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử .Thời gian sống phát quang, hiệu suất lượng tử và độ bền quang của các chấm lượng tử . Một số phương pháp chế tạo các hạt nano bán dẫn . Phương pháp sol- gel . Nano tinh thể trong zeolite, màng thủy tinh, bán dẫn composite. Các nano tinh thể chế tạo trong dung dịch hữu cơ và polyme . Chế tạo các hạt nano bán dẫn phân tán trong môi trường nước . Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc hình thái và tính chất của các hạt nano bán dẫn . 23 Chương 2: THỰC NGHIỆM . Thực nghiệm chế tạo các mẫu hạt nano bán dẫn trong môi trường nước/citrate . Chế tạo các chấm lượng tử CdSe/CdS . Chế tạo các chấm lượng tử CdS/ZnS . Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và kích thước các hạt nano đã chế tạo . Hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phổ tán xạ Raman. Các phương pháp nghiên cứu tính chất quang . 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phép đo phổ hấp thụ. Phép đo phổ huỳnh quang . Phép đo thời gian sống huỳnh quang . 40 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Kết quả chế tạo và tính chất của các hạt nano CdSe/CdS . Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và cấu trúc của các hạt nano CdSe/CdS . Phổ hấp thụ của các hạt nano bán dẫn CdSe/CdS và đánh giá kích thước của các hạt qua phổ hấp thụ . Phổ huỳnh quang của các hạt nano bán dẫn CdSe và CdSe/CdS. Thời gian sống phát quang của hạt tải trong các hạt nano bán dẫn CdSe/CdS . Đánh giá hình thái của các hạt nano thông qua phổ phân cực và bất đẳng hướng huỳnh quang . Kết quả chế tạo và tính chất của các hạt nano CdS/ZnS . Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và giản đồ nhiễu xạ tia X của các hạt nano CdS/ZnS . Tính chất quang của các hạt nano CdS/ZnS . 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua HR TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao SEM Kính hiển vi điện tử quét FESEM Kính hiển vi điện tử quét trường AFM Kính hiển vi lực nguyên tử FEG Súng phát trường TCSPC Đếm đơn phô tôn tương quan thời gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC BẢNG Bảng 2. Lượng chất chuẩn bị dung dịch đệm Tris-HCL . Lượng hóa chất tương ứng chế tạo các hạt nano CdSe/CdS theo tỷ lệ w . Lượng cân hóa chất để chế tạo các chấm lượng tử CdS/ZnS. Bán kính lõi CdSe của các hạt nano CdSe/CdS với các tỉ lệ w khác nhau . Bán kính lõi CdSe theo thời gian nuôi mẫu.49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Biểu diễn vùng bước sóng phát quang của các hạt nano bán dẫn có kích thước khác nhau được làm từ một số vật liệu. Mỗi vạch biểu diễn khoảng vùng phát quang nhận được từ với kích thước nhỏ nhất (bên trái) đến lớn nhất bên phải (cận phải) của vật liệu nêu tên . Exciton trong bán dẫn . Mô tả hộp thế cầu có bờ thế vô hạn . Các chuyển dời quang cho phép giữa các trạng thái của điện tử và lỗ trống được lượng tử hóa trong trường hợp khử suy biến . Các chuyển dời quang được phép trong chấm lượng tử bán dẫn theo mô hình cặp điện tử - lỗ trống . Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdS, CdSe và CdTe ở cùng kích thước ~3 nm . Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe với các kích thước khác nhau từ 1,2 nm (12 Å) đến 11,5 nm (115 Å) . Minh họa sự phát xạ của các chấm lượng tử CdSe phụ thuộc vào kích thước hạt . Hạt nano bán dẫn có cấu trúc lõi - vỏ và minh họa cấu trúc vùng năng lượng trong hạt nano bán dẫn cấu trúc lõi - vỏ . Mô hình chấm lượng tử cho các ứng dụng đánh dấu sinh học . Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS chế tạo trực tiếp trong môi trường nước sử dụng citrate để điều khiển kích thước . Phân tử Trirodium Citrate . Mô hình chấm lượng tử mong muốn chế tạo trong môi trường nước/citrate .3 Sơ đồ chế tạo hạt nano CdSe trong nước . Sơ đồ chế tạo các hạt nano CdSe/CdS trong nước . Sơ đồ quy trình chế tạo các hạt nano CdS/ZnS . Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . Cấu trúc nguồn phát điện tử trong TEM . Cấu trúc cắt ngang của thấu kính . Sơ đồ đo quang phổ hệ đo Raman . Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis . Sơ đồ khối của phép đo quang huỳnh quang. Cấu hình chi tiết của một máy phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse .39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian . Cường độ huỳnh quang phân giải theo thời gian sử dụng TCSPC . Ảnh các mẫu hạt nano CdSe /CdS dưới ánh sáng của đèn tử ngoại . Ảnh TEM các hạt nano CdSe/CdS . Phổ tán xạ micro Raman của các hạt nano CdSe/CdS . Phổ hấp thụ của các hạt nano CdSe và CdSe/CdS với cùng một kích thước lõi CdSe được chế tạo với tỷ lệ w = 1 . Phổ hấp thụ của các hạt nano CdSe/CdS với tỷ lệ w khác nhau . Đồ thị sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm và bán kính của các hạt nano CdSe vào nồng độ chất bẫy citrate . Phổ hấp thụ của các hạt nano CdSe được chế tạo với tỷ lệ w = 1 với thời gian khuấy mẫu khác nhau . Phổ huỳnh quang của các hạt nano CdSe và CdSe/CdS với cùng một kích thước lõi CdSe được chế tạo với tỷ lệ w = 1 . Minh họa cấu trúc lõi/vỏ của các hạt nnao CdSe/CdS đã chế tạo . Mô tả sự giam giữ lượng tử đối với các hệ hạt nano cấu trúc lõi/vỏ . Sự mô tả lượng tử của các mức năng lượng của một hạt nano trước và sau khi bị giam giữ trong một vỏ lượng tử . Đường suy giảm huỳnh quang của các hạt nano CdSe/CdS và chất màu Cy3 dưới bước sóng kích thích của laser tử ngoại 405 nm. Phổ huỳnh quang của các hạt nano CdSe/CdS theo các hướng song song và vuông góc với vector điện trường của ánh sáng kích thích . Cường độ huỳnh quang các hạt nano CdSe/CdS theo các hướng khác nhau so với hướng của ánh sáng kích thích, laser He-Cd, phân cực thẳng đứng.