Nghiên Cứu Các Đặc Trưng Cấu Trúc và Tính Chất Quang của Tinh Thể Nano ZnSe

• Tác giả: Nguyễn Đức Sáng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Minh Thủy
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Đặc Trưng Cấu Trúc Và Tính Chất Quang Của Tinh Thể Nano ZnSe
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ VẬT LIỆU ZnSe
• 1.1. Vật liệu nano
• 1.2. Khái niệm vật liệu nano
• 1.3. Một số hiệu ứng đặc biệt của vật liệu nano
• 1.4. Vật liệu ZnSe
• 1.5. Cấu trúc của ZnSe
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano
• 2.2. Phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano
• 2.3. Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc và vi hình thái
• 2.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.5. Phương pháp phổ tán xạ Raman
• 2.6. Phương pháp ghi ảnh điện tử quét (SEM)
• 2.7. Một số phương pháp nghiên cứu tính chất quang của vật liệu
• 2.8. Phương pháp phổ hấp thụ
• 2.9. Phương pháp phổ huỳnh quang
• 2.10. Chế tạo ZnSe bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.11. Hóa chất - Thiết bị chế tạo
• 2.12. Quy trình chế tạo
• 2.13. Các nội dung nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu cấu trúc và hình thái bề mặt của tinh thể nano ZnSe
• 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Phổ tán xạ Raman của tinh thể nano ZnSe
• 3.4. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của tinh thể nano ZnSe
• 3.5. Tính chất quang của vật liệu nano ZnSe
• 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tính chất quang của vật liệu ZnSe
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tính Chất Quang và Cấu Trúc Nano ZnSe

Vật liệu bán dẫn hợp chất AIIBVI, đặc biệt là kẽm selenua ZnSe, thu hút sự quan tâm lớn nhờ tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đánh dấu huỳnh quang y sinh và linh kiện quang điện tử (diode phát sáng xanh, laser diode). Nano ZnSe dạng bột nổi bật với tính không độc hại, hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong quang điện tử: chế tạo diode phát sáng xanh, laser diode, màn hình màu. ZnSe còn là nền tảng tốt để pha tạp ion kim loại (Ni2+, Cu2+, Mn2+, Pb2+), nâng cao hiệu suất phát quang và điều chỉnh độ rộng vùng cấm. Nhiều phương pháp đã được phát triển để chế tạo nano ZnSe, bao gồm phương pháp thủy nhiệt, dung nhiệt, và lắng đọng pha hơi. Phương pháp thủy nhiệt được ưu tiên do khả năng hạn chế oxi hóa Se2- trong quá trình điều chế. Luận văn này tập trung vào nghiên cứu chi tiết cấu trúc và tính chất quang của tinh thể nano ZnSe được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt.

1.1. Giới Thiệu Vật Liệu Nano ZnSe và Ứng Dụng Tiềm Năng

Kẽm selenide nano (ZnSe) thuộc nhóm bán dẫn AIIBVI, có độ rộng vùng cấm khoảng 2.67 eV, phát quang mạnh. Vật liệu này không độc, có nhiều triển vọng trong quang điện tử, ví dụ như chế tạo diode phát sáng xanh. Bên cạnh đó, vật liệu nano ZnSe là nền tốt để pha tạp, mở rộng khả năng ứng dụng. Luận văn tập trung nghiên cứu chi tiết về cấu trúc và tính chất quang của tinh thể nano ZnSe.

1.2. Lịch Sử Phát Triển và Các Phương Pháp Tổng Hợp Nano ZnSe

Nano ZnSe đã được chế tạo bằng nhiều phương pháp: thủy nhiệt (tạo hạt nano), dung nhiệt (tạo thanh nano), lắng đọng pha hơi (tạo dây nano). Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng vì có thể hạn chế sự oxi hóa của oxi không khí đối với Se2-. Do đó, phương pháp thủy nhiệt là lựa chọn phù hợp để chế tạo vật liệu phát quang ZnSe cấu trúc nano.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Cấu Trúc Tinh Thể và Tính Chất Quang ZnSe

Mặc dù tiềm năng ứng dụng lớn, việc nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc tinh thể của nano ZnSe vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Khó khăn trong việc kiểm soát kích thước và hình thái hạt ảnh hưởng đến hiệu ứng lượng tử và tính chất quang học. Các defect ZnSe và surface states ZnSe có thể làm giảm hiệu suất phát quang. Cần tối ưu hóa phương pháp tổng hợp nano ZnSe để tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao, kích thước đồng đều và cấu trúc nano mong muốn. Nghiên cứu này tập trung giải quyết những thách thức này để nâng cao chất lượng và hiệu quả ứng dụng của vật liệu nano ZnSe.

2.1. Kiểm Soát Kích Thước và Hình Thái Hạt Nano ZnSe

Việc kiểm soát kích thước nano ZnSe và hình thái nano ZnSe là rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang ZnSe. Sự phân bố kích thước không đồng đều và hình dạng không xác định gây khó khăn cho việc nghiên cứu và ứng dụng. Cần nghiên cứu kỹ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành và phát triển kết tinh nano ZnSe để có thể kiểm soát tốt hơn.

2.2. Ảnh Hưởng của Defect và Surface States đến Tính Chất Quang

Defect ZnSe và surface states ZnSe có thể bẫy các electron và lỗ trống, làm giảm hiệu suất phát quang. Cần tìm hiểu cơ chế hình thành các defect này và phát triển các phương pháp để giảm thiểu chúng, ví dụ như doped ZnSe. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của chúng đến tính chất quang học vật liệu nano là rất quan trọng.

2.3. Tối Ưu Phương Pháp Tổng Hợp để Đạt Độ Tinh Khiết Cao

Độ tinh khiết của vật liệu nano ảnh hưởng lớn đến tính chất quang và ứng dụng. Phương pháp tổng hợp nano ZnSe cần được tối ưu để loại bỏ tạp chất và tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao. Nhiệt độ tổng hợp nano ZnSe và các thông số khác cần được kiểm soát chặt chẽ.

III. Phương Pháp Thủy Nhiệt và Nghiên Cứu Cấu Trúc Tinh Thể ZnSe

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp nano ZnSe. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các thông số phản ứng như nhiệt độ, áp suất và thời gian. Cấu trúc tinh thể ZnSe được nghiên cứu bằng phương pháp XRD để xác định pha, kích thước tinh thể và độ tinh khiết. Phương pháp TEM và phương pháp SEM được sử dụng để khảo sát hình thái và kích thước của các hạt nano. Phổ tán xạ Raman cũng được sử dụng để xác định cấu trúc nano và các defect ZnSe trong vật liệu.

3.1. Quy Trình Chế Tạo Nano ZnSe Bằng Phương Pháp Thủy Nhiệt

Quy trình bao gồm chuẩn bị dung dịch tiền chất, phản ứng trong bình thủy nhiệt ở nhiệt độ và áp suất cao, sau đó rửa và sấy khô sản phẩm. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như tỉ lệ mol Zn:Se, nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ tổng hợp nano ZnSe và thời gian phản ứng được nghiên cứu. Các thí nghiệm được lặp lại nhiều lần để có số liệu thống kê chính xác.

3.2. Phân Tích Cấu Trúc Tinh Thể bằng Phương Pháp XRD và TEM

Phương pháp XRD (nhiễu xạ tia X) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể ZnSe, kích thước hạt và độ tinh khiết. Phương pháp TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua) được sử dụng để quan sát trực tiếp hình thái và kích thước của các hạt nano. Dữ liệu XRD và TEM được phân tích cẩn thận để hiểu rõ cấu trúc và hình thái của vật liệu nano ZnSe.

IV. Nghiên Cứu Tính Chất Quang Học Vật Liệu Nano ZnSe UV Vis PL

Tính chất quang ZnSe được nghiên cứu bằng phương pháp UV-Vis và phương pháp PL. Phổ UV-Vis cho phép xác định độ rộng vùng cấm và sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Phổ phát xạ ZnSe (PL) cung cấp thông tin về các mức năng lượng trong vùng cấm và hiệu suất phát quang. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất quang học vật liệu nano như kích thước, hình thái hạt và defect được nghiên cứu chi tiết.

4.1. Đo Phổ Hấp Thụ UV Vis để Xác Định Độ Rộng Vùng Cấm

Phương pháp UV-Vis được sử dụng để đo phổ hấp thụ ZnSe. Dựa vào phổ hấp thụ, có thể xác định được độ rộng vùng cấm của vật liệu và hiệu ứng lượng tử (blue shift) khi kích thước hạt giảm. Phân tích phổ UV-Vis giúp hiểu rõ sự tương tác giữa ánh sáng và vật liệu nano ZnSe.

4.2. Phân Tích Phổ Phát Xạ PL để Đánh Giá Hiệu Suất Phát Quang

Phương pháp PL (phát quang) được sử dụng để đo phổ phát xạ ZnSe. Phổ PL cho biết các mức năng lượng trong vùng cấm và hiệu suất phát quang của vật liệu. Ảnh hưởng kích thước nano ZnSe và ảnh hưởng hình thái nano ZnSe đến tính chất quang ZnSe cũng được nghiên cứu thông qua phổ PL.

4.3. Khảo Sát Ảnh Hưởng của Các Yếu Tố Công Nghệ Đến Quang Tính

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ tiền chất Zn:Se, nồng độ NaOH, nhiệt độ thủy nhiệt và thời gian thủy nhiệt đến tính chất quang ZnSe. Xác định các thông số tối ưu để đạt được vật liệu nano ZnSe với hiệu suất phát quang cao và khe năng lượng ZnSe mong muốn.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Tiềm Năng Vật Liệu Nano ZnSe

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp nano ZnSe bằng phương pháp thủy nhiệt. Kết quả phân tích XRD, TEM và SEM cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể tốt và kích thước nano đồng đều. Tính chất quang của vật liệu được cải thiện đáng kể thông qua tối ưu hóa các thông số phản ứng. Ứng dụng nano ZnSe tiềm năng trong các lĩnh vực như diode phát sáng, cảm biến quang và tế bào quang điện được thảo luận.

5.1. Phân Tích Chi Tiết Kết Quả XRD TEM và SEM về Cấu Trúc

Dữ liệu XRD được sử dụng để xác định pha tinh thể, kích thước hạt và độ tinh khiết. Hình ảnh TEM và SEM cung cấp thông tin về hình thái và sự phân bố của các hạt nano. Các kết quả này được so sánh với các nghiên cứu trước đó để đánh giá chất lượng của vật liệu tổng hợp.

5.2. Đánh Giá Cải Thiện Tính Chất Quang và Hiệu Suất Phát Quang

Kết quả phổ UV-Vis và PL được phân tích để đánh giá tính chất quang ZnSe và hiệu suất phát quang của vật liệu. Sự thay đổi trong phổ hấp thụ và phát xạ được liên hệ với các yếu tố như kích thước hạt và defect. So sánh kết quả với các nghiên cứu khác để đánh giá những cải tiến.

5.3. Thảo Luận Ứng Dụng Nano ZnSe trong Các Lĩnh Vực Mới

Thảo luận về tiềm năng ứng dụng nano ZnSe trong các lĩnh vực như diode phát sáng, cảm biến quang, tế bào quang điện, và y sinh. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để phát triển các ứng dụng này, đặc biệt trong việc band gap engineering ZnSe.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Nano ZnSe

Luận văn đã trình bày thành công quá trình nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc tinh thể của nano ZnSe được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Các kết quả thu được cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển vật liệu nano ZnSe với các tính chất ưu việt cho nhiều ứng dụng khác nhau. Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào việc kiểm soát chặt chẽ hơn kích thước và hình thái hạt, giảm thiểu defect và pha tạp vật liệu để nâng cao hiệu suất phát quang.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Chính và Đóng Góp Mới của Luận Văn

Tóm tắt những kết quả quan trọng nhất của luận văn, bao gồm quy trình tổng hợp nano ZnSe thành công, đặc điểm cấu trúc tinh thể ZnSe và tính chất quang ZnSe của vật liệu. Nêu bật những đóng góp mới so với các nghiên cứu trước đó.

6.2. Định Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Nano ZnSe trong Tương Lai

Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để cải thiện tính chất quang và mở rộng ứng dụng nano ZnSe. Tập trung vào việc pha tạp, kiểm soát defect và phát triển các kỹ thuật chế tạo tiên tiến hơn. Tìm kiếm các ứng dụng nano ZnSe mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và y học.