Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tính chất quang và từ của nano tinh thể bán dẫn CdTeSe pha tạp Ni

Luận văn thạc sĩ phân tích hay chế tạo và nghiên cứu tính chất quang và từ của các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần cdtese, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Vũ Hồng Tuân
• Người hướng dẫn: TS. Phan Thế Long
• 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 và từ của các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần CdTeSe pha tạp Ni
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN BA THÀNH PHẦN
• 1.1. Các dịch chuyển quang trong nano tinh thể bán dẫn
• 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn
• 1.3. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chế tạo các NC CdTe1-xSex với thành phần các nguyên tố phân bố đồng đều
• 3.2. Chế tạo các NC CdTe1-xSex bằng việc bơm nhanh tiền chất Se và Te vào dung dịch chứa Cd tại nhiệt độ phản ứng
• 3.3. Chế tạo các NC CdTe1-xSex bằng việc bơm chậm tiền chất Se và Te vào dung dịch chứa Cd tại nhiệt độ phản ứng
• 3.4. Chế tạo và tính chất quang của các NC CdTe1-xSex pha tạp Ni
• 3.5. Hình thái và cấu trúc của các NC CdTe1-xSex pha tạp Ni
• 3.6. Phổ dao động của các NC CdTe1-xSex pha tạp Ni
• 3.7. Tính chất quang của các NC CdTe1-xSex pha tạp Ni
• 3.8. Tính chất từ của các NC CdTe1-xSex pha tạp Ni
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất quang của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Nghiên cứu về tính chất quang của các nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu nano. Các nano tinh thể này không chỉ có kích thước nhỏ mà còn sở hữu những tính chất quang học đặc biệt, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ quang học và điện tử. Việc pha tạp Ni vào cấu trúc CdTeSe giúp cải thiện đáng kể các tính chất quang, từ đó nâng cao hiệu suất của các thiết bị quang học. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các nano tinh thể mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu mới trong tương lai.

1.1. Tính chất quang của nano tinh thể CdTeSe

Các nano tinh thể CdTeSe có khả năng phát quang mạnh mẽ, với phổ phát xạ rộng và độ ổn định cao. Tính chất quang của chúng phụ thuộc vào kích thước và thành phần hóa học. Việc điều chỉnh tỷ lệ giữa Cd, Te và Se có thể tạo ra các đặc tính quang khác nhau, từ đó ứng dụng trong các thiết bị quang học như đèn LED và cảm biến quang.

1.2. Vai trò của Ni trong nano tinh thể CdTeSe

Pha tạp Ni vào nano tinh thể CdTeSe không chỉ cải thiện tính chất quang mà còn tạo ra các tính chất từ tính độc đáo. Ni có khả năng tạo ra các trạng thái điện tử mới, từ đó làm tăng cường độ phát quang và thời gian sống của trạng thái kích thích. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị quang từ mới.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất từ của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu tính chất từ của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc kiểm soát đồng đều sự phân bố của Ni trong cấu trúc nano. Sự không đồng nhất có thể dẫn đến các tính chất từ không ổn định, ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu. Ngoài ra, việc xác định các cơ chế tương tác giữa Ni và các thành phần khác trong nano tinh thể cũng là một thách thức lớn.

2.1. Vấn đề phân bố Ni trong nano tinh thể

Phân bố không đồng đều của Ni trong nano tinh thể có thể dẫn đến sự biến đổi trong tính chất từ. Việc nghiên cứu các phương pháp chế tạo nhằm đảm bảo sự phân bố đồng đều của Ni là rất cần thiết để tối ưu hóa tính chất từ của vật liệu.

2.2. Tương tác giữa Ni và các thành phần khác

Tương tác giữa Ni và các nguyên tố trong nano tinh thể CdTeSe có thể tạo ra các trạng thái điện tử mới, ảnh hưởng đến tính chất từ. Nghiên cứu này cần được thực hiện để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các nano tinh thể pha tạp Ni.

III. Phương pháp chế tạo nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni hiệu quả

Để chế tạo các nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ đảm bảo chất lượng của nano tinh thể mà còn tối ưu hóa các tính chất quang và từ. Việc lựa chọn phương pháp chế tạo phù hợp là rất quan trọng để đạt được các đặc tính mong muốn của vật liệu.

3.1. Phương pháp tổng hợp hóa học

Phương pháp tổng hợp hóa học cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các nano tinh thể với kích thước và hình dạng đồng đều. Phương pháp này thường sử dụng các dung môi hữu cơ và các tiền chất kim loại để tạo ra nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni.

3.2. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp hiệu quả để chế tạo nano tinh thể với cấu trúc đồng nhất. Phương pháp này cho phép điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và thời gian phản ứng, từ đó ảnh hưởng đến tính chất quang và từ của vật liệu.

IV. Kết quả nghiên cứu tính chất quang và từ của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Kết quả nghiên cứu cho thấy các nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni có tính chất quang và từ vượt trội so với các nano tinh thể không pha tạp. Các đặc tính quang như độ phát quang và thời gian sống của trạng thái kích thích được cải thiện đáng kể. Đồng thời, tính chất từ cũng được nâng cao, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ quang từ.

4.1. Đặc tính quang của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Các nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni cho thấy độ phát quang cao và phổ phát xạ rộng. Điều này cho phép chúng được ứng dụng trong các thiết bị quang học như đèn LED và cảm biến quang. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc pha tạp Ni giúp tăng cường độ ổn định quang của vật liệu.

4.2. Đặc tính từ của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Tính chất từ của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni cho thấy sự cải thiện rõ rệt. Các nghiên cứu cho thấy rằng Ni có thể tạo ra các trạng thái từ mới, từ đó làm tăng cường tính chất từ của vật liệu. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị quang từ mới.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Nghiên cứu về nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni đã chỉ ra rằng việc pha tạp Ni có thể cải thiện đáng kể các tính chất quang và từ của vật liệu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để tối ưu hóa các đặc tính này. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo mới và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của các nano tinh thể này.

5.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo mới nhằm tối ưu hóa tính chất quang và từ của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni. Nghiên cứu cũng sẽ mở rộng sang các loại tạp chất khác để tìm ra các vật liệu mới với tính chất vượt trội.

5.2. Ứng dụng thực tiễn của nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni

Các nano tinh thể CdTeSe pha tạp Ni có tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực như công nghệ quang học, điện tử và y học. Việc phát triển các thiết bị dựa trên vật liệu này có thể mang lại nhiều lợi ích cho các ngành công nghiệp khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN BA THÀNH PHẦN 1. Các dịch chuyển quang trong nano tinh thể bán dẫn. Tính chất quang của các NC xuất hiện từ các chuyển dời quang học được phép giữa các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống được quan sát trong hình 1.Các chuyển dời quang học giữa các mức năng lượng lượng tử hóa của điện tử và lỗ trống trong NC bán dẫn [1, 4].

Các trạng thái điện tử được đánh dấu bằng các kí tự để biểu thị các lượng tử momen góc l, kí tự S (l=0); P (l=1); D (l=2). Các trạng thái của điện tử có suy biến bậc 2(2l+1), ba trạng thái thấp nhất của điện tử là 1S, 1P và 1D. Ba trạng thái đầu tiên của là 1S3/2, 1P3/2 và 2S3/2. Chỉ số dưới biểu thị lượng tử mômen góc toàn phần F, F = Lh+J trong đó Lh là mômen góc của hàm bao và J là mômen góc của hàm Bloch của lỗ trống.

Các trạng thái của suy biến bậc (2F+1). Năng lượng của các chuyển dời quang học có thể được xác định từ phổ hấp thụ hoặc phổ kích thích huỳnh quang (PLE) [1]. Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn. Đối với các bán dẫn nhóm II-VI, chẳng hạn như CdSe, CdS, CdTe … có cấu trúc vùng năng lượng là khá phức tạp.

Các chuyển dời nội vùng giữa các mức lượng tử của vùng dẫn và vùng hóa trị parabol được giải thích đơn giản bằng các chuyển dời được 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] phép giữa các mức năng lượng có cùng số lượng tử. Vùng dẫn được xác định bởi các quỹ đạo s của ion kim loại nhóm II, trong khi đó vùng hóa trị có cấu trúc phức tạp hơn, bắt nguồn từ quỹ đạo p của S, Se, Te hoặc các nguyên tố nhóm VI. Vùng dẫn của các cấu trúc giả kẽm (zinc-blende) hoặc wurtzite có thể gần đúng là một parabol suy biến spin bậc 2 ở tâm vùng Brillouin (k = 0), trong khi vùng hóa trị suy biến bậc 6. Cấu trúc vùng của các chất bán dẫn có cấu trúc zinc-blende và wurtzite [5].

trình bày các vùng của bán dẫn khối đối với hai loại cấu trúc tinh thể lập phương và lục giác. Vùng hoá trị suy biến bậc bốn với mômen góc tổng cộng J = 3/2 (mJ = ± 3/2; ± 1/2) và vùng hoá trị suy biến bậc hai với J = 1/2 (mJ = ±1/2) được tạo ra bởi sự kết hợp mômen góc orbital l = 1 và mômen góc spin s = 1/2. Sự tách năng lượng của hai trạng thái này với J = 3/2 và J = 1/2 tại k = 0 (điểm  của vùng Brillouin) là do tương tác spin-orbital. Ba vùng con được định nghĩa là vùng lỗ trống nặng (HH), lỗ trống nhẹ (LH) và vùng spin orbital (SO) tách ra.

Trường hợp của bán dẫn có cấu trúc lục giác, suy biến của các vùng con LH và HH ở k = 0 bị nâng lên do bởi trường tinh thể và sự bất đối xứng của cấu trúc mạng tinh thể [1]. Công nghệ chế tạo các nano tinh thể bán dẫn ba thành phần Hiện nay, việc nghiên cứu NC hợp kim 3 thành phần còn đang bị hạn chế, khó khăn lớn nhất trong các nghiên cứu là làm thế nào để tổng hợp được các NC hợp kim có cấu trúc mong muốn đó là phân bố đồng đều. Để có được hợp kim có cấu trúc phân bố đồng đều thì tốc độ tăng của hai thành phần nguyên liệu phải bằng nhau và các điều kiện cần thiết cho sự phát triển của một thành phần này không ảnh hưởng đến sự phát triển của thành phần kia. Ngoài ra, cấu trúc và liên kết của hai vật liệu phải tương tự nhau để 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] cho phép chúng trộn lẫn nhau dễ dàng, nếu không sẽ hình thành cấu trúc khác nhau, ví dụ cấu trúc lõi/vỏ hoặc cấu trúc hai NC hai thành phần.

Trong quá trình tổng hợp các NC CdSe và CdSe/ZnSe, Zhong và các cộng sự [6] của mình đã phát hiện ra rằng: Ban đầu ở nhiệt độ thấp họ thu được các NC có cấu trúc lõi/vỏ, nhưng khi nhiệt độ tăng cao thì cấu trúc lõi/vỏ nhanh chóng biến đổi thành cấu trúc hợp kim NC ZnyCd1-ySe. Quá trình biến đổi từ cấu trúc lõi/vỏ thành cấu trúc hợp kim đã được chứng minh thông qua việc nghiên cứu sự thay đổi đỉnh phát xạ theo sự thay đổi của nhiệt độ.3 chỉ ra rằng cấu trúc lõi/vỏ hình thành ở nhiệt độ dưới 270oC, nhưng cấu trúc lõi/vỏ biến đổi rất nhanh thành cấu trúc hợp kim trong khoảng nhiệt độ từ 270oC đến 290oC và điều đó đã được chứng minh thông qua việc dịch chuyển đỉnh phổ phát xạ về phía bước sóng ngắn và ở nhiệt độ 270oC được gọi là “alloying point”. Quá trình thay đổi từ cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe sang cấu trúc hợp kim ZnCdSe theo nhiệt độ phản ứng [6] Khi nhiệt độ thấp dưới 270oC, hình thành cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe điều đó được thể hiện qua phổ huỳnh quang (PL) của NC dịch chuyển về phía bước sóng dài (sự dịch đỏ) nhưng do ion Zn2+ vẫn tiếp tục đi vào trong NC, khi nhiệt độ tăng lên đến 270oC bắt đầu hình thành hợp kim ZnyCd1-ySe có cấu trúc phân bố đồng đều phổ PL dịch chuyển về phía bước sóng ngắn (sự dịch xanh) và tương đối ổn định [2, 3]. S Acharya [7], đã nghiên cứu tính chất động lực học của quá trình biến đổi này và đã đưa ra kết luận rằng cơ chế hình thành hợp kim liên quan đến sự phân ly liên kết của các ion Zn2+ và Se2- và sự khuếch tán của ion Zn2+ vào trong mạng nền CdSe.

Ở nhiệt độ cao cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe biến thành cấu trúc hợp kim ZnyCd1-ySe có thể 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] là do quá trình biến đổi nhanh của các ion khuếch tán. Các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới cấu trúc lõi/vỏ của nanorods ở nhiệt độ 270oC và đã quan sát được sự thay đổi đỉnh phát xạ theo thời gian ủ nhiệt. Sự dịch chuyển đỉnh phổ phát xạ về phía bước sóng ngắn khi thời gian ủ nhiệt của phản ứng tăng là do có sự sát nhập về độ rộng vùng cấm của ZnSe vỏ và CdSe lõi. Sự mở rộng ra và nghiêng của phổ phát xạ ở bước sóng ngắn khi thời gian ủ nhiệt tăng là do cấu trúc hỗn loạn khi chuyển từ cấu trúc lõi/vỏ sang cấu trúc hợp kim, hình 1.

Quá trình biến đổi cấu trúc của NC theo nhiệt độ phản ứng(a),sự thay đổi đỉnh phát xạ theo thời gian ủ nhiệt của ZnCdSe chế tạo tại nhiệt độ 270oC(b) [3,7] Zhong và các cộng sự [6] của mình đã tiến hành tổng hợp NC ZnxCd1-xS từ CdO, ZnO, OA và S trong dung môi ODE ở nhiệt độ 300oC.5 chỉ ra quá trình hình thành NC hợp kim ZnxCd1-xS được thể hiện ở phổ PL theo thời gian ủ nhiệt ở nhiệt độ cao, ban đầu phổ rộng và không đối xứng (tương ứng với quá trình biến động trong cấu trúc), sau đó phổ bắt đầu thu hẹp và đối xứng tương ứng với hợp kim có cấu trúc đồng nhất được hình thành. NC có phân bố đồng nhất là do sự khuếch tán nguyên tử trong nội bộ ở nhiệt độ cao và có thể nó làm cho phổ PL thu hẹp lại [2]. Hơn nữa nhiệt độ cao cũng có thể làm giảm các trạng thái bẫy bề mặt. Phát hiện này cũng có thể giải thích được hiện tượng nếu độ rộng bán phổ lớn (thường lớn hơn 50 nm) thì có tâm phát xạ bề mặt mạnh trong điều kiện nhiệt độ phòng, do các nghiên cứu trước đây đã công bố.

Bởi vì ở nhiệt độ thấp sự khuếch tán nguyên tử trong nội bộ không hiệu quả do đó dẫn đến cấu trúc hợp kim phân bố không đồng nhất và độ rộng bán phổ rộng [3]. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Phổ PL của NC Zn0,1Cd0,9S theo thời gian ủ nhiệt [6] Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Zn2+ tới sự hình thành và phát triển của các NC ZnxCd1-xS, Zhong đã tiến hành thay đổi giá trị của x tương ứng là x = 0,1; 0,25; 0,36 và 0,53. Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X chúng ta quan sát thấy có 7 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở các mặt (100), (002), (101), (102), (110), (103) và (112).

Đỉnh nhiễu xạ tia X của NC ZnxCd1-xS tăng dần khi giá trị của x tăng nên. Các đỉnh giản đồ nhiễu xạ tia X dịch chuyển dần sang góc θ lớn hơn khi giá trị của x tăng như trong hình 1. Sự dịch chuyển liên tục của đỉnh phổ có thể loại bỏ khả năng tách mầm của CdS hoặc ZnS trong NC [2].7 chỉ ra rằng hằng số mạng c (đo được từ giản đồ nhiễu xạ tia X) thay đổi gần như tuyến tính với sự thay đổi của số mol Zn, khi số mol Zn tăng tương ứng với x tăng thì thông số mạng c giảm dần. Xu hướng này phù hợp với định luật Vegard và chỉ ra rằng hợp kim này có thành phần phân bố đồng đều.

Bằng phương pháp chế tạo khác Zhong và các cộng sự đã tiến hành tổng hợp NC ZnyCd1-ySe theo hai hướng khác nhau: một là tổng hợp từ hạt nhân ZnSe và hai là tổng hợp từ hạt nhân CdSe. Dưới đây là hình ảnh phổ hấp thụ (Abs) và PL của NC ZnyCd1-ySe tổng hợp theo hai phương án khác nhau. Ta nhận thấy rằng trong cả hai trường hợp đều có sự dịch chuyển Stokes. Tuy nhiên đối với NC ZnyCd1-ySe tổng hợp từ hạt nhân CdSe thì đỉnh phổ Abs và PL dịch chuyển về phía bước sóng ngắn trong khoảng thời gian 120 phút đầu tương ứng với lượng mol Zn trong hợp kim tăng dần.

Quá trình này tiếp tục diễn ra tới 420 phút. Sau 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] đó khi thời gian ủ nhiệt đạt tới 780 phút ta lại quan sát thấy đỉnh Abs và PL dịch chuyển về phía bước sóng dài [3]. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Hình 1. Sự phụ thuộc của hằng NC ZnxCd1-xS theo giá trị x [6].

số mạng vào số mol Zn [6] Hình 1. Phổ Abs và PL của NC ZnyCd1-ySe tổng hợp từ hạt nhân CdSe (a) và hạt nhân ZnSe (b) [6]. Tuy nhiên đối với các NC ZnyCd1-ySe được tổng hợp từ hạt nhân ZnSe thì đỉnh phổ Abs và PL của chúng lại dịch chuyển về phía bước sóng dài theo thời gian phản ứng hình 1.8 (b) và theo thời gian phản ứng tăng dần thì chúng dịch chuyển càng mạnh hơn về phía bước sóng dài.