Luận án tiến sĩ vật lý: Khám phá tính chất quang học của tinh thể nano InP qua phương pháp hóa ...

Luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu tính chất quang của hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt và hóa siêu âm, ứng dụng tiềm năng trong công nghệ.

• Tác giả: Hồ Minh Trung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất quang của tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa ướt và hóa siêu âm
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ nano
• 1.2. Những hiệu ứng xảy ra trên cấu trúc nano
• 1.3. Hiệu ứng kích thước lượng tử
• 1.4. Hiệu ứng bề mặt
• 1.5. Tính chất của vật liệu có cấu trúc nano
• 1.6. Vật liệu nano InP và một số kết quả nghiên cứu tính chất quang đã công bố trên thế giới
• 1.7. Các phương pháp chế tạo vật liệu
• 1.7.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical)
• 1.7.2. Phương pháp hóa siêu âm (sonochemical)
• 1.7.3. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.7.4. Phương pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao
• 1.7.5. Phương pháp ăn mòn laze
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT NANO In VÀ InP
• 2.1. Chế tạo hạt tinh thể nano In
• 2.2. Chế tạo hạt tinh thể nano InP
• 2.2.1. Chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa ướt
• 2.2.2. Chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa siêu âm
• 2.3. Quy trình rửa, thu nhận mẫu
• 2.4. Xử lý bề mặt hạt nano InP trong dung dịch HF
• 2.5. Các phương pháp và kỹ thuật khảo sát tính chất hạt nano InP
• 2.5.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – transmission electron microscope)
• 2.5.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM - scanning electron microscope)
• 2.5.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX hay EDS: energy-dispersive x-ray spectroscopy)
• 2.5.4. Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)
• 2.5.5. Phổ tán xạ Raman
• 2.5.6. Phổ hấp thụ UV-vis. Phổ hồng ngoại Fourier (FTIR)
• 2.5.7. Phổ phản xạ khuếch tán
• 2.5.8. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO In VÀ InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA ƯỚT
• 3.1. Tính chất của hạt nano In chế tạo bằng phương pháp hóa ướt
• 3.2. Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái
• 3.3. Phổ hấp thụ UV-vis
• 3.4. Tính chất của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt
• 3.5. Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái
• 3.6. Tính chất quang của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM
• 4.1. Tính chất cấu trúc của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm
• 4.2. Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái
• 4.3. Phổ hồng ngoại FTIR
• 4.4. Tính chất quang của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm
• 4.5. Phổ hấp thụ UV-vis. Phổ phản xạ khuếch tán
• 4.6. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang
• 4.7. Một vài nhận xét về hai phương pháp chế tạo hạt tinh thể nano InP đã sử dụng trong luận án
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tinh thể nano InP và tính chất quang

Tinh thể nano InP là một vật liệu bán dẫn quan trọng trong lĩnh vực quang điện tử, đặc biệt là trong vùng quang phổ xanh và hồng ngoại gần. Tính chất quang của tinh thể nano InP được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng phát quang hiệu quả và ứng dụng trong các linh kiện quang điện tử. Các phương pháp chế tạo như phương pháp hóa ướt và phương pháp hóa siêu âm đã được sử dụng để tạo ra các tinh thể nano InP với kích thước và hình thái khác nhau. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các tính chất quang của tinh thể nano InP, bao gồm phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang, nhằm hiểu rõ hơn về cơ chế phát quang và ứng dụng tiềm năng của chúng.

1.1. Công nghệ nano và vật liệu bán dẫn

Công nghệ nano đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc chế tạo các vật liệu có tính chất đặc biệt. Vật liệu bán dẫn như InP, khi được chế tạo ở kích thước nano, thể hiện các hiệu ứng lượng tử như hiệu ứng kích thước lượng tử và hiệu ứng bề mặt, làm thay đổi đáng kể các tính chất quang và điện của chúng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tinh thể nano InP có thể được sử dụng trong các ứng dụng như pin mặt trời, cảm biến quang và các thiết bị quang điện tử khác.

1.2. Phương pháp chế tạo tinh thể nano InP

Hai phương pháp chính được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp hóa ướt và phương pháp hóa siêu âm. Phương pháp hóa ướt sử dụng các phản ứng hóa học trong dung dịch để tạo ra các tinh thể nano, trong khi phương pháp hóa siêu âm sử dụng sóng siêu âm để tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều hơn. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm riêng và được sử dụng để tạo ra các tinh thể nano InP với các tính chất quang khác nhau.

II. Khảo sát tính chất quang của tinh thể nano InP

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các tính chất quang của tinh thể nano InP được chế tạo bằng phương pháp hóa ướt và phương pháp hóa siêu âm. Các kỹ thuật phân tích như phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang được sử dụng để đánh giá các tính chất quang của tinh thể nano InP. Kết quả cho thấy rằng các tinh thể nano InP có khả năng phát quang mạnh trong vùng quang phổ xanh và hồng ngoại gần, điều này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quang điện tử.

2.1. Phổ hấp thụ UV vis của tinh thể nano InP

Phổ hấp thụ UV-vis được sử dụng để xác định độ rộng vùng cấm của tinh thể nano InP. Kết quả cho thấy rằng độ rộng vùng cấm của tinh thể nano InP thay đổi theo kích thước hạt, phù hợp với hiệu ứng kích thước lượng tử. Điều này cho thấy rằng tính chất quang của tinh thể nano InP có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước hạt.

2.2. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang

Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang được sử dụng để nghiên cứu cơ chế phát quang của tinh thể nano InP. Kết quả cho thấy rằng các tinh thể nano InP có khả năng phát quang mạnh trong vùng quang phổ xanh và hồng ngoại gần, điều này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quang điện tử. Ngoài ra, việc xử lý bề mặt bằng dung dịch HF đã làm tăng cường độ huỳnh quang của tinh thể nano InP.

III. So sánh hai phương pháp chế tạo tinh thể nano InP

Nghiên cứu này cũng so sánh hiệu quả của phương pháp hóa ướt và phương pháp hóa siêu âm trong việc chế tạo tinh thể nano InP. Kết quả cho thấy rằng phương pháp hóa siêu âm tạo ra các tinh thể nano với kích thước đồng đều hơn và có tính chất quang ổn định hơn so với phương pháp hóa ướt. Tuy nhiên, phương pháp hóa ướt lại có ưu điểm về chi phí thấp và dễ dàng thực hiện hơn. Cả hai phương pháp đều có tiềm năng ứng dụng trong việc chế tạo các vật liệu quang điện tử hiệu suất cao.

3.1. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hóa ướt

Phương pháp hóa ướt có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng thực hiện. Tuy nhiên, các tinh thể nano được tạo ra bằng phương pháp này thường có kích thước không đồng đều và tính chất quang không ổn định. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các ứng dụng quang điện tử.

3.2. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hóa siêu âm

Phương pháp hóa siêu âm tạo ra các tinh thể nano với kích thước đồng đều hơn và có tính chất quang ổn định hơn. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và chi phí cao hơn so với phương pháp hóa ướt. Mặc dù vậy, phương pháp này vẫn được ưa chuộng trong các nghiên cứu yêu cầu độ chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan toàn bộ công trình này hoàn toàn do chính tác giả đã dày công nghiên cứu tỷ mỉ trong 6 năm qua từ năm 2008 đến năm 2014 dưới sự chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Long và thầy PGS.TS Trương Kim Hiếu, các kết quả thực nghiệm hoàn toàn trung thực, chính xác không sao chép của bất kỳ tác giả nào, các công trình đã công bố đều do tác giả là tác giả chính. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thành phố Hồ Chí Minh 2014 Tác giả Hồ Minh Trung i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và những lời tri ân chân thành và sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn thầy PGS. Nguyễn Ngọc Long và thầy PGS. Trương Kim Hiếu những người thầy bao năm qua đã luôn tận tâm truyền thụ cho tôi những kinh nghiệm quý báu, những kiến thức quan trọng làm nền tảng cho việc hoàn thành luận án, đã không ngại khó khăn, tận tụy chỉnh sửa từng chi tiết giúp tôi có thể hoàn thành luận án và đã luôn động viên tôi vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất. Tôi cũng xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PGS. Lê Văn Vũ Giám đốc Trung tâm Khoa học vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong suốt thời gian qua đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành luận án, đã giúp cho tôi có được những kết quả đo đạt chính xác nhất và nhanh nhất. Cho tôi được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.Trần Tuấn, thầy GS. Lê Khắc Bình, thầy PGS. Lê Văn Hiếu Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy đã luôn động viên, chỉ dẫn, giúp tôi có thêm nghị lực để vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất. Xin được gửi những lời cảm ơn đến TS. Lê Vũ Tuấn Hùng Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, chị Trần Thị Phượng Giang chuyên viên Phòng Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian qua đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. Trong thời gian qua tôi cũng xin cảm ơn: Ths. Nguyễn Duy Thiện, Ths. Sái Công Doanh, Ths. Nguyễn Quang Hòa, TS Phạm Nguyên Hải cùng các Thầy, Cô của Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. ii Tôi cũng xin cảm ơn dự án "Tăng cường năng lực nghiên cứu và đào tạo lĩnh vực Khoa học, Công nghệ nano và Ứng dụng trong Y, Dược, Thực phẩm, Sinh học, Bảo vệ môi trường và thích ứng biến đổi khí hậu theo hướng phát triển bền vững" của ĐHQG Hà Nội đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tôi hoàn thành luận án này. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . vii DANH MỤC CÁC BẢNG .viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . ix MỞ ĐẦU . 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . Công nghệ nano . Những hiệu ứng xảy ra trên cấu trúc nano . Hiệu ứng kích thước lượng tử . Hiệu ứng bề mặt . Tính chất của vật liệu có cấu trúc nano . Vật liệu nano InP và một số kết quả nghiên cứu tính chất quang đã công bố trên thế giới . Các phương pháp chế tạo vật liệu . Phương pháp hóa ướt (wet chemical) . Phương pháp hóa siêu âm (sonochemical) . Phương pháp thủy nhiệt . Phương pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao . Phương pháp ăn mòn laze . 31 CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT NANO In VÀ InP . Chế tạo hạt tinh thể nano In . Chế tạo hạt tinh thể nano InP . Chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa ướt . Chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa siêu âm . Quy trình rửa, thu nhận mẫu . Xử lý bề mặt hạt nano InP trong dung dịch HF . Các phương pháp và kỹ thuật khảo sát tính chất hạt nano InP . Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – transmission electron microscope). Kính hiển vi điện tử quét (SEM - scanning electron microscope) . Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX hay EDS: energy-dispersive x-ray spectroscopy) . Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) . Phổ tán xạ Raman . Phổ hấp thụ UV-vis. Phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) . Phổ phản xạ khuếch tán . Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang . 57 CHƯƠNG 3: CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO In VÀ InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA ƯỚT . Tính chất của hạt nano In chế tạo bằng phương pháp hóa ướt . Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái . Phổ hấp thụ UV-vis. Tính chất của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt . Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái . Tính chất quang của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt . 80 CHƯƠNG 4: CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM . Tính chất cấu trúc của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm . Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái . Phổ hồng ngoại FTIR . Tính chất quang của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm . Phổ hấp thụ UV-vis. Phổ phản xạ khuếch tán . Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang . Một vài nhận xét về hai phương pháp chế tạo hạt tinh thể nano InP đã sử dụng trong luận án . 125 v DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN . 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 129 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CRT Cathod ray tube (Ống tia catot, ống tia âm cực) CTAB Cetyl trimethylammonium bromide. EDX Energy-dispersive x-ray spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X) FESEM Field emission scaning electron microscopy (Hiển vi điện tử quét phát xạ trường) FTIR Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) HRTEM High-Resolution Transmission Electron Microscopy (Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao) InP Indium phosphide LO Longitudinal-optical mode (Mode dao động quang dọc) NCs Nanocrystals (Tinh thể nano) PL Photoluminescence spectrum (Phổ huỳnh quang) PLE Photoluminescence excitation spectrum (Phổ kích thích huỳnh quang) PVP Polyvinylpyrrolidone QD Quantum dot (Chấm lượng tử) SAED Selected Area Electron Diffraction (Nhiễu xạ electron vùng chọn lọc) SEM Scanning electron microscope (Hiển vi điện tử quét) TEM Transmission Electron Microscope (Hiển vi điện tử truyền qua) TO Transverse-optical mode (Mode dao động quang ngang) TOP Trioctyl phosphine TOPO Trioctylphosphineoxide UV-vis Ultraviolet-visible spectroscopy (Phổ tử ngoại-khả kiến) XRD X-ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Một số thông số vật lý của bán dẫn InP tại nhiệt độ phòng (300K) [6] . Điều kiện chế tạo các mẫu In khác nhau. Bảng các giá trị của 1/dhkl và (h2 + k2+l2)1/2 . Kích thước hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt . Bảng các giá trị của 1/dhkl và (h2 + k2+l2)1/2 . Kích thước trung bình của hạt nano InP theo các mặt nhiễu xạ. Kích thước hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm……………………………………………………………………………………113 Bảng 4. So sánh hai phương pháp chế tạo: hóa ướt và hóa siêu âm . 122 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 0. Độ rộng vùng cấm của các vật liệu bán dẫn [75]. Sự phụ thuộc của hàm mật độ trạng thái của electron vào năng lượng đối với (a) vật liệu khối, (b) giếng lượng tử, (c) dây lượng tử và (d) chấm lượng tử [81]. Vùng năng lượng của bán dẫn khối và các mức năng lượng gián đoạn của tinh thể nano [51]. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chấm lượng tử ZnSe với kích thước khác nhau [13]. Cấu trúc mạng tinh thể InP [6, 80]. Cấu trúc vùng năng lượng của InP [45]. Ảnh TEM phân giải cao của hạt keo chấm lượng tử InP [63]. Phổ nhiễu xạ tia X của hạt keo chấm lượng tử InP với kích thước khác nhau [64]. Phổ hấp thụ UV-vis của các hạt nano InP được chế tạo trong 2 h ở nhiệt độ 120 oC và 160 oC [50]. Phổ hấp thụ UV-vis của hạt nano InP [87]. Phổ hấp thụ UV-vis của mẫu hạt nano InP ngay sau khi chế tạo (đường đậm) và của các mẫu hạt nano sau khi được tách riêng với các kích thước khác nhau từ 3,4 nm đến 6,0 nm [67]. Phổ huỳnh quang kích thích tại 300 nm của các hạt nano InP chế tạo từ bột In và TOP [49]. Phổ huỳnh quang của các hạt nano InP phân tán trong DMF [50]. a) Cường độ phổ huỳnh quang tăng mạnh sau khi xử lý trong dung dịch chứa HF kết hợp với chiếu sáng, b) Cường độ huỳnh quang tăng, khi tỷ số nồng độ ban đầu HF:InP tăng. Các số trong hình là tỷ số phân tử HF và hạt nano InP [84]. Cường độ huỳnh quang tăng, khi khoảng thời gian xử lý trong dung dịch HF tăng [90]. Phổ huỳnh quang của hạt nano lõi InP và hạt nano cấu trúc lõi/vỏ InP/ZnS [57]. Ảnh hiển vi đồng tiêu của (a) tế bào ung thư tụy dòng MiaPaCa được đánh dấu bởi chấm lượng tử InP/ZnS có gắn kháng thể anti-PSCA, (b) tế bào ung thư tụy dòng XPA3 được đánh dấu bởi chấm lượng tử InP/ZnS có gắn kháng thể anticlaudin 4. Màu đỏ là màu của bức xạ do chấm lượng tử InP/ZnS phát ra [70]. Sự hình thành và phát triển bọt bởi sóng siêu âm truyền trong dung dịch [59]. Sơ đồ dụng cụ thí nghiệm hóa siêu âm. Quá trình hóa siêu âm chế tạo hạt nano InP. Nồi hấp dùng để chế tạo mẫu theo phương pháp thủy nhiệt. Sự phụ thuộc áp suất hơi vào nhiệt độ trong điều kiện đẳng tích (Các đường biểu diễn áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ khi nồi hấp đựng một lượng dung dịch ứng với 10, 20,…, 90% thể tích nồi) [99]. Sơ đồ chế tạo hạt nano In. Sơ đồ chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa ướt. Dung dịch đổi màu từ trắng đục sang vàng và nâu đen sau 10 phút. Sơ đồ chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa siêu âm. Hệ hóa siêu âm tại Trung tâm Khoa học vật liệu, Khoa Vật lý, Trường Đại học KHTN Hà Nội. Dung dịch đổi màu từ vàng nhạt sang nâu đen sau 10 phút. So sánh (a) kính hiển vi quang học và (b) kính hiển vi điện tử truyền qua. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM 1010, Nhật Bản. Nguyên lý tán xạ điện tử trên vật chất.