Luận văn thạc sĩ về chế tạo và tính chất tinh thể nano PbS pha tạp tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo và tính chất của tinh thể nano pbs pha tạp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Người hướng dẫn: PGS. Lê Văn Vũ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu, Chế Tạo Và Tính Chất Của Tinh Thể Nano PbS Pha Tạp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Danh mục Bảng
• Danh mục hình vẽ, đồ thị
• Danh mục kí hiệu, chữ cái viết tắt
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu có cấu trúc nano
• 1.2. Đặc trưng của vật liệu nano
• 1.3. Sự hấp thụ trong tinh thể
• 1.3.1. Hấp thụ riêng
• 1.3.2. Hấp thụ exciton
• 1.4. Sự giam giữ lượng tử
• 1.5. Tinh thể nano PbS
• 1.5.1. Cấu trúc điện tử của chì sunfua
• 1.5.2. Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể PbS
• 1.5.3. Một số kết quả nghiên cứu về tinh thể nano PbS trên thế giới và trong nước
• 1.5.4. Tính chất quang của ion Mn
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp chế tạo
• 2.1.1. Dụng cụ và hóa chất
• 2.1.2. Phương pháp thực nghiệm
• 2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất tinh thể
• 2.2.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua
• 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét
• 2.2.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X
• 2.2.4. Phổ nhiễu xạ tia X (X ray diffraction - XRD)
• 2.2.5. Quang phổ Raman
• 2.2.6. Phổ hấp thụ quang học UV-vis
• 2.2.7. Phổ phản xạ khuếch tán
• 2.2.8. Phổ huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tinh thể nano PbS
• 3.2. Mẫu chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm
• 3.3. Mẫu chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm
• 3.4. Tinh thể nano PbS:Mn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tinh thể nano PbS pha tạp

Nghiên cứu về tinh thể nano PbS pha tạp đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. PbS, hay chì sulfua, là một trong những vật liệu bán dẫn quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Tinh thể nano PbS có những tính chất quang học đặc biệt, làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại. Việc pha tạp các nguyên tố khác vào PbS có thể cải thiện đáng kể các tính chất này, mở ra nhiều khả năng ứng dụng mới.

1.1. Đặc điểm và cấu trúc của tinh thể nano PbS

Tinh thể nano PbS có cấu trúc lập phương tâm mặt, với bán kính Bohr exciton lớn, cho phép hiệu ứng lượng tử xảy ra. Đặc điểm này làm cho PbS trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong quang học và điện tử. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi kích thước hạt giảm xuống dưới 10 nm, các tính chất quang học của PbS thay đổi rõ rệt.

1.2. Tính chất quang học của tinh thể nano PbS

Tính chất quang học của tinh thể nano PbS rất đa dạng, bao gồm khả năng hấp thụ ánh sáng và phát quang. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi pha tạp với các nguyên tố như Mn, tính chất quang học của PbS có thể được cải thiện, tạo ra các ứng dụng mới trong lĩnh vực cảm biến và quang điện.

II. Thách thức trong nghiên cứu tinh thể nano PbS pha tạp

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu về tinh thể nano PbS pha tạp cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano trong quá trình tổng hợp. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất quang học và điện của vật liệu.

2.1. Khó khăn trong quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp tinh thể nano PbS pha tạp thường gặp khó khăn trong việc duy trì kích thước đồng nhất của các hạt. Các phương pháp tổng hợp như hóa siêu âm và điện hóa siêu âm cần được tối ưu hóa để đạt được kích thước và hình dạng mong muốn.

2.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến tính chất vật liệu

Việc pha tạp các nguyên tố khác vào PbS có thể dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc và tính chất của vật liệu. Điều này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo rằng các tạp chất không làm giảm hiệu suất của tinh thể nano PbS trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp tổng hợp tinh thể nano PbS pha tạp hiệu quả

Để nghiên cứu và phát triển tinh thể nano PbS pha tạp, nhiều phương pháp tổng hợp đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra các hạt nano với kích thước và hình dạng mong muốn mà còn cải thiện đáng kể các tính chất quang học của vật liệu.

3.1. Phương pháp hóa siêu âm

Phương pháp hóa siêu âm là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để tổng hợp tinh thể nano PbS. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của các hạt nano, đồng thời cải thiện tính chất quang học của vật liệu.

3.2. Phương pháp điện hóa siêu âm

Phương pháp điện hóa siêu âm cũng được sử dụng để tổng hợp tinh thể nano PbS. Kỹ thuật này giúp tạo ra các hạt nano với độ tinh khiết cao và tính chất quang học tốt, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ quang điện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tinh thể nano PbS pha tạp

Các tinh thể nano PbS pha tạp có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như quang điện, cảm biến và y học. Những tính chất quang học đặc biệt của chúng cho phép sử dụng trong các thiết bị quang học tiên tiến.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ quang điện

Tinh thể nano PbS được sử dụng trong các thiết bị quang điện như pin mặt trời và diode phát quang. Tính chất quang học của chúng cho phép chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng một cách hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong cảm biến sinh học

Các tinh thể nano PbS pha tạp cũng được nghiên cứu cho các ứng dụng trong cảm biến sinh học. Chúng có khả năng phát hiện các chất sinh học với độ nhạy cao, mở ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực y học và sinh học.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu tinh thể nano PbS pha tạp

Nghiên cứu về tinh thể nano PbS pha tạp đang mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Những tiến bộ trong công nghệ tổng hợp và hiểu biết về tính chất của vật liệu sẽ giúp phát triển các ứng dụng mới và cải thiện hiệu suất của các thiết bị hiện có.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp và khám phá thêm các ứng dụng mới cho tinh thể nano PbS. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng cạnh tranh của vật liệu trong thị trường công nghệ cao.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của tinh thể nano PbS pha tạp có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng và công nghệ sinh học. Các ứng dụng mới sẽ thúc đẩy sự phát triển bền vững và hiệu quả hơn trong sản xuất và tiêu thụ năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học nano phát triển mạnh mẽ, vật liệu nano bán dẫn ngày càng thu hút sự quan tâm do các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt khi kích thước hạt giảm xuống thang nanomet. Tinh thể nano PbS (chì sunfua) nổi bật với vùng cấm hẹp 0,41 eV ở dạng khối và bán kính Bohr exciton lớn khoảng 18 nm, cho phép hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh mẽ xuất hiện ở kích thước hạt tương đối lớn. Nghiên cứu về chế tạo và tính chất của tinh thể nano PbS và PbS pha tạp Mn nhằm mục tiêu điều khiển kích thước, hình dạng và tính chất quang học của vật liệu, phục vụ cho các ứng dụng trong pin mặt trời, sensor hồng ngoại, sensor điện hóa và các thiết bị quang điện tử.

Luận văn tập trung nghiên cứu hai phần chính: (1) Chế tạo và khảo sát tính chất của tinh thể nano PbS bằng các phương pháp điện hóa siêu âm và hóa siêu âm; (2) Chế tạo và nghiên cứu tính chất của tinh thể nano PbS pha tạp Mn bằng phương pháp thủy nhiệt. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2010-2012. Các kết quả thu được góp phần làm rõ cơ chế hình thành, cấu trúc tinh thể, cũng như ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo đến tính chất quang học và cấu trúc của vật liệu nano PbS và PbS:Mn, từ đó mở ra hướng ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn nano tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý bán dẫn nano, bao gồm:

• Hiệu ứng lượng tử: Khi kích thước hạt nhỏ hơn bán kính Bohr exciton, các trạng thái electron và lỗ trống bị lượng tử hóa, làm thay đổi mật độ trạng thái và tính chất quang điện của vật liệu.
• Hiệu ứng bề mặt: Tỷ lệ nguyên tử bề mặt lớn dẫn đến các đặc tính vật lý khác biệt so với vật liệu khối, ảnh hưởng đến tính ổn định và phản ứng hóa học.
• Cấu trúc vùng năng lượng của PbS: PbS có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc), vùng cấm hẹp, chuyển mức thẳng tại điểm L trong vùng Brillouin, ảnh hưởng đến phổ hấp thụ và phát quang.
• Tính chất quang của ion Mn: Pha tạp Mn vào PbS làm tăng hiệu ứng giam giữ lượng tử và cải thiện hiệu suất phát quang, dựa trên các chuyển dời quang học đặc trưng của ion Mn2+.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số hấp thụ photon, bán kính Bohr exciton, phổ hấp thụ UV-Vis, phổ huỳnh quang, phổ Raman, và các kỹ thuật phân tích cấu trúc như XRD, TEM, FESEM, EDS.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu tinh thể nano PbS và PbS:Mn được chế tạo trong phòng thí nghiệm bằng các phương pháp điện hóa siêu âm, hóa siêu âm và thủy nhiệt. Các tiền chất chính gồm Pb(CH3COO)2, CH3CSNH2, và Mangan acetate. Chất hoạt động bề mặt sử dụng là CTAB (dương) và SDS (âm).
• Phương pháp phân tích:
  • Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt được khảo sát bằng nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM, HRTEM), kính hiển vi điện tử quét (FESEM, SEM).
  • Thành phần nguyên tố phân tích bằng phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).
  • Tính chất quang học được đo bằng phổ hấp thụ UV-Vis, phổ huỳnh quang, phổ Raman và phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo và khảo sát mẫu kéo dài từ 2010 đến 2012, với các bước điều chỉnh thông số chế tạo như thời gian siêu âm, cường độ dòng điện, nồng độ chất hoạt động bề mặt để đánh giá ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu PbS và PbS:Mn với kích thước hạt từ 5 nm đến 200 nm, được lựa chọn dựa trên phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt:

   • Mẫu PbS chế tạo bằng phương pháp điện hóa siêu âm có cấu trúc lập phương tâm mặt với kích thước tinh thể khoảng 6 nm (tính theo Debye-Scherrer). Ảnh TEM cho thấy hạt nano hình cầu 5-6 nm kết đám thành cụm 30-50 nm.
   • Mẫu PbS chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm có kích thước tinh thể khoảng 15-20 nm, dạng hạt và thanh nano với tỉ số hình dạng 5-7, độ đồng đều cao.
   • Mẫu PbS:Mn pha tạp cho thấy cấu trúc tinh thể ổn định, kích thước hạt đồng đều, thành phần Mn phân bố đều trong mạng tinh thể.

2. Ảnh hưởng của thời gian chế tạo và cường độ dòng điện đến độ rộng vùng cấm (Eg):

   • Độ rộng vùng cấm Eg giảm từ khoảng 3,67 eV xuống còn khoảng 3,15 eV khi tăng thời gian siêu âm từ 10 đến 180 phút, chứng tỏ hiệu ứng kích thước lượng tử rõ rệt.
   • Khi tăng cường độ dòng điện từ 3 mA lên 9 mA, Eg giảm từ 3,45 eV xuống 3,30 eV, cho thấy kích thước hạt tăng theo cường độ dòng điện.

3. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt:

   • Sử dụng CTAB làm chất hoạt động bề mặt, Eg tăng theo khối lượng CTAB, đạt bão hòa ở khoảng 160 mg với Eg ~3,3 eV.
   • So sánh giữa CTAB và SDS (chất hoạt động bề mặt âm), mẫu sử dụng SDS có Eg lớn hơn (3,39 eV so với 2,77 eV của CTAB), cho thấy SDS tạo lớp bao bọc hiệu quả hơn, dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn.

4. Tính chất quang học và phổ huỳnh quang:

   • Phổ huỳnh quang của PbS:Mn thể hiện đỉnh phát quang đặc trưng do chuyển dời quang học của ion Mn2+ ở vùng bước sóng 580-590 nm.
   • Cường độ huỳnh quang giảm khi kích thước hạt tăng, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hiệu ứng lượng tử và pha tạp Mn.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy phương pháp điện hóa siêu âm và hóa siêu âm là hiệu quả trong việc điều khiển kích thước và hình thái của tinh thể nano PbS. Sự giảm độ rộng vùng cấm Eg khi tăng thời gian siêu âm và cường độ dòng điện phản ánh rõ hiệu ứng kích thước lượng tử, phù hợp với lý thuyết về giam giữ lượng tử trong vật liệu bán dẫn nano.

Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt khác nhau ảnh hưởng đáng kể đến kích thước hạt và tính chất quang học của mẫu. SDS với đầu phân cực âm tạo lớp bao bọc tốt hơn, hạn chế sự kết đám hạt, dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn và Eg lớn hơn so với CTAB.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả về kích thước hạt và độ rộng vùng cấm của PbS nano tương đồng với các báo cáo về chế tạo bằng phương pháp vi sóng và hóa siêu âm. Sự pha tạp Mn làm tăng hiệu ứng giam giữ lượng tử và cải thiện hiệu suất phát quang, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử và sensor.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phụ thuộc Eg theo thời gian siêu âm, cường độ dòng điện, và khối lượng chất hoạt động bề mặt, cùng với ảnh TEM, HRTEM minh họa cấu trúc và hình thái học của các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo:
   • Tăng cường kiểm soát thời gian và cường độ dòng điện trong phương pháp điện hóa siêu âm để đạt kích thước hạt đồng đều và tính chất quang học ổn định trong vòng 60-120 phút.
2. Lựa chọn chất hoạt động bề mặt phù hợp:
   • Ưu tiên sử dụng SDS hoặc kết hợp SDS và CTAB để kiểm soát kích thước hạt nhỏ và tăng hiệu suất phát quang, áp dụng trong vòng 3-6 tháng nghiên cứu tiếp theo.
3. Phát triển vật liệu PbS pha tạp Mn:
   • Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của nồng độ Mn đến tính chất từ và quang học, nhằm ứng dụng trong sensor và thiết bị quang điện, thực hiện trong 1-2 năm.
4. Mở rộng ứng dụng thực tiễn:
   • Thử nghiệm tích hợp tinh thể nano PbS và PbS:Mn vào pin mặt trời, diode phát quang và sensor sinh học, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong 2-3 năm tới.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa các nhà nghiên cứu vật liệu, kỹ sư công nghệ và các đơn vị ứng dụng để phát huy tối đa tiềm năng của vật liệu nano PbS trong công nghiệp và y sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và bán dẫn:
   • Nắm bắt các phương pháp chế tạo và phân tích tinh thể nano PbS, PbS:Mn, phục vụ phát triển vật liệu mới.
2. Kỹ sư công nghệ vật liệu và thiết bị quang điện:
   • Áp dụng kết quả để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị như pin mặt trời, diode phát quang, sensor hồng ngoại.
3. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý, Hóa học vật liệu:
   • Học tập kỹ thuật chế tạo, phân tích cấu trúc và tính chất quang học của vật liệu nano.
4. Doanh nghiệp công nghệ cao và y sinh:
   • Tìm hiểu tiềm năng ứng dụng vật liệu nano PbS trong các sản phẩm công nghệ, sensor sinh học và y học.

Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu, số liệu thực nghiệm cụ thể và phương pháp phân tích hiện đại, giúp các đối tượng trên phát triển nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Tinh thể nano PbS có đặc điểm gì nổi bật so với vật liệu khối?
   Tinh thể nano PbS có vùng cấm hẹp 0,41 eV và bán kính Bohr exciton lớn (~18 nm), cho phép hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh, làm thay đổi tính chất quang và điện so với vật liệu khối.

2. Phương pháp điện hóa siêu âm có ưu điểm gì trong chế tạo PbS nano?
   Phương pháp này tạo ra điều kiện nhiệt độ và áp suất cao cục bộ nhờ sóng siêu âm, giúp hình thành hạt nano đồng đều, kích thước nhỏ (~6 nm) và cấu trúc tinh thể tốt trong thời gian ngắn.

3. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến kích thước hạt như thế nào?
   Chất hoạt động bề mặt như SDS (âm) tạo lớp bao bọc hiệu quả hơn CTAB (dương), giúp hạn chế kết đám, dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn và độ rộng vùng cấm lớn hơn.

4. Pha tạp Mn vào PbS có tác dụng gì?
   Pha tạp Mn làm tăng hiệu ứng giam giữ lượng tử, cải thiện hiệu suất phát quang và có thể điều chỉnh tính chất từ của vật liệu, mở rộng ứng dụng trong sensor và thiết bị quang điện.

5. Làm thế nào để xác định độ rộng vùng cấm Eg của tinh thể nano PbS?
   Độ rộng vùng cấm được xác định bằng cách vẽ đồ thị phụ thuộc của (αhν)² theo năng lượng photon hν từ phổ hấp thụ UV-Vis, giao điểm với trục năng lượng cho giá trị Eg.

Kết luận

• Tinh thể nano PbS và PbS:Mn được chế tạo thành công bằng các phương pháp điện hóa siêu âm, hóa siêu âm và thủy nhiệt với kích thước hạt từ 5 đến 20 nm, cấu trúc lập phương tâm mặt ổn định.
• Độ rộng vùng cấm Eg phụ thuộc rõ rệt vào thời gian chế tạo, cường độ dòng điện và loại chất hoạt động bề mặt, phản ánh hiệu ứng kích thước lượng tử.
• Pha tạp Mn vào PbS làm tăng hiệu ứng giam giữ lượng tử và cải thiện tính chất quang học, mở rộng tiềm năng ứng dụng.
• Các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, TEM, FESEM, EDS, phổ UV-Vis, huỳnh quang và Raman được áp dụng hiệu quả để khảo sát cấu trúc và tính chất vật liệu.
• Tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo và ứng dụng thực tiễn vật liệu nano PbS và PbS:Mn trong các thiết bị quang điện tử và sensor là hướng phát triển quan trọng trong 3-5 năm tới.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển ứng dụng vật liệu nano PbS, đồng thời mở rộng nghiên cứu pha tạp và điều khiển tính chất vật liệu để nâng cao hiệu suất và đa dạng hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tổng quan lý thuyết về tinh thể nano nói chung và tinh thể bán dẫn PbS và PbS pha tạp.  Chương 2: THỰC NGHIỆM Các phương pháp kỹ thuật được sử dụng để chế tạo và khảo sát tính chất, hình thái học và cấu trúc của tinh thể nano PbS và PbS pha tạp.  Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát và phân tích các kết quả thu được từ các phép đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh nhiễu xạ điện tử, ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM, HRTEM), phổ tán sắc năng lượng (EDS), phổ hấp thụ quang học (UV-vis, Carry 5000), phổ huỳnh quang, Phổ kế hồng ngoại FTIR và phổ Raman. Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN *** 1. VẬT LIỆU CÓ CẤU TRÚC NANO 1. ĐỊNH NGHĨA Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất 1 chiều có kích thước nanomet. Theo hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: - Vật liêu nano không chiều: là vật liệu cả 3 chiều đều có kích thước nano mét.

Ví dụ: đám nano, hạt nano… - Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nanomet. Ví dụ: ống nano, dây nano… - Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nanomet. Ví dụ: màng nano… 1. ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU NANO Khi vật liệu giảm kích thước xuống nano mét, tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt và số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều.

Thí dụ, đối với một hạt nano hình cầu bán kính R cấu tạo từ các nguyên tử có kích thước trung bình a, tỷ số này bằng [4]: Nmặtngoài 3a ≈ (1.1) N R Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều nằm trên bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ…. Kích thước hạt nhỏ là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước.

 Hiệu ứng bề mặt Diện tích bề mặt lớn là một lợi thế khi chúng được ứng dụng để hấp phụ khí hoặc ứng dụng trong các phản ứng xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác. Mặt khác, năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ, kết quả là các hạt nano nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của các vật liệu khối tương ứng. TIEU LUAN MOI download : [e-mail]  Hiệu ứng lượng tử Đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1µm3 vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử), các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử, vì thế mà ta có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét các giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu rất nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua.

Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử kỳ thú như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm.  Hiệu ứng kích thước Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lý, hóa học không đổi như độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit.Tuy nhiên, khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hơn 100 nm) thì các đại lượng lý, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước. Đặc biệt, khi kích thước hạt nhỏ hơn bán kính Bohr exciton thì còn xảy ra hiệu ứng kích thước lượng tử (quantum size effects). Trong đó, các trạng thái electron cũng như trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử hóa, quyết định tính chất vật lý và hóa học nói chung của cấu trúc đó [3, 4].

SỰ HẤP THỤ TRONG TINH THỂ Trong tinh thể tồn tại nhiều cơ chế hấp thụ khác nhau như hấp thụ riêng, exciton, hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do, hấp thụ tạp chất, hấp thụ phonon, hấp thụ plasma. Ở đây chúng ta chỉ xét tới hai cơ chế cơ bản sau: 1. HẤP THỤ RIÊNG Khi hấp thụ photon, 1 điện tử của vùng hóa trị được kích thích lên vùng dẫn, thì hấp thụ đó được gọi là hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản [4]. Để hiện tượng này xảy ra, photon phải có năng lượng lớn hơn vùng cấm, hiện tượng này để lại một lỗ trống ở vùng hóa trị Hình 1.

Cơ chế hấp thụ vùng vùng Trên quan điểm photon mang tính chất hạt, chuyển động trong môi trường bán dẫn, hệ số hấp thụ α được tính như sau: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2) lφ c Trong đó: lφ: quãng đường tự do trung bình của photon n: chỉ số khúc xạ của vật liệu bán dẫn g(hν) : xác suất hấp thu photon trong một đơn vị thời gian hν: năng lượng photon Xác suất hấp thụ photon g(hν) có năng lượng trong khoảng hν ÷ hν + d(hν) tỷ lệ với xác suất chuyển mức W( )= W(hν), số trạng thái điện tử gần vùng hóa trị trong khoảng năng lượng |dE| [1].3) Ta xét dạng phổ hấp thụ trong bán dẫn vùng cấm thẳng. Giả sử các trạng thái trong vùng hóa trị bị lấp đầy electron và trong vùng dẫn các mức đều trống. Xét hấp thụ vùng – vùng. Mặt năng lượng vùng dẫn và vùng hóa trị có dạng E’ = Ec + (1.5) Trong đó: : khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống.

Áp dụng bảo toàn năng lượng E’ = E + hν (1.6) k2ħ2 k2ħ2 hν = E’ – E = Ec – Ev + ( ) = Eg + (1.7) 2 2m* Từ công thức (1.7), rút ra các đại lượng thay thế vào biểu thức (1.4), ta có hệ số hấp thụ photon trong chuyển mức thẳng là: (2m* )3/2 n α.8)  2 h3 c Đối với chuyển mức thẳng được phép, ta có xác suất chuyển mức điện tử là hằng số W (hν) = const = W ( [3]. HẤP THỤ EXCITON Các phổ hấp thụ thường thể hiện một cấu trúc khi năng lượng của photon tới thấp hơn độ rộng vùng cấm của tinh thể. Cấu trúc này được giải thích bởi sự hấp thụ một photon và sinh ra một cặp điện tử lỗ trống bởi một quá trình chuyển thẳng hay TIEU LUAN MOI download : [e-mail] chuyển nghiêng. Điện tử và lỗ trống tương tác với nhau bởi lực Coulomb và tạo thành trạng thái liên kết exciton.

Thế năng tương tác Coulomb được tạo bởi: e2 Vc = - (1.10) 4 o r re  h Trong đó εr là hằng số điện môi của bán dẫn đang xét re-h là khoảng cách giữa điện tử và lỗ trống. Các mức exciton Tương tác này làm giảm năng lượng của cặp điện tử lỗ trống một lượng bằng [4, 13]. Những photon phát ra một năng lượng hν = Eg – Ta sẽ định nghĩa bán kính Bohr exciton ax. Với nguyên tử hydro, năng lượng liên kết E0 và bán kính Bohr a0 được cho bởi: me e4 E0   2 2  13, 6eV 8 0 h (1.12)  me e2 Ở đây, chỉ tính đến khối lượng của điện tử, vì khối lượng rút gọn của cả proton và electron cũng bằng khối lượng của mp (khối lượng của proton lớn hơn rất nhiều so với khối lượng điện tử).

Với exciton, khối lượng hiệu dụng của lỗ trống và điện tử cùng bậc với nhau. Vì thế mà phải tính đến khối lượng rút gọn : 1 1 1   * (1.13)  * me mh Hơn nữa, khi tính đến cả hằng số điện môi của bán dẫn đang nghiên cứu, sẽ có những trạng thái liên quan đến hệ điện tử - lỗ trống mà với các trạng thái đó, năng lượng toàn phần thấp hơn cực tiểu của vùng dẫn. Các mức năng lượng của exciton: μe4 1 μ 1 EX(n) = - 2 2.14) 8(ε0εr) h n meεr2 n2 0 Khoảng cách từ mức năng lượng của trạng thái cơ bản (n=1) đến đáy của vùng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] dẫn gọi là năng lượng liên kết exction. Bán kính Borh exciton:  0 r h 2 me r ax   a (1.15)  e2  0 Các trạng thái khi n = 2, 3, 4…tương ứng với các trạng thái kích thích của exciton.

SỰ GIAM GIỮ LƢỢNG TỬ Chuyển động của các điện tử và lỗ trống trong tinh thể giới hạn ít nhất theo một hay nhiều chiều, bị lượng tử hóa. Điều kiện để có lượng tử hóa là các hạt tải điện chuyển động trên một khoảng cách L nhỏ hơn bước sóng De Broglie : h λB = (1.16) 2m*E Trong đó: E là năng lượng của hạt mang điện.3 minh họa sự lượng tử hóa của các điện tử lỗ trống khi chuyển động trong một khoảng không gian bị giới hạn. Các vùng năng lượng trong bán dẫn khối bị tách ra thành các mức năng lương trong chấm lượng tử. Cấu trúc vùng năng lượng trong bán dẫn khối và trong chấm lượng tử Sự giam giữ không những làm gián đoạn các mức năng lượng mà còn làm thay đổi mật độ trạng thái theo các mức năng lượng.4 minh họa mật độ trạng thái của tinh thể bị giam giữ theo cả 3 chiều.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Sự giam giữ lượng tử theo cả 3 chiều và mật độ trạng thái. Trong phép gần đúng khối lượng hiệu dụng, những mức năng lượng của một hạt tải điện có khối lượng hiệu dụng m* chuyển động trong một hộp lượng tử 3 chiều Lx, Ly, Lz, phụ thuộc vào 3 số lượng tử l, m,n: (1. TINH THỂ NANO PbS 1.

CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ CỦA CHÌ SULFUA Cấu trúc của PbS được minh họa trên hình 1. Mạng Bravais của tinh thể nano PbS là lập phương tâm mặt [2], gốc mạng gồm một nguyên tử Pb và một nguyên tử S được phân biệt bởi một nửa đường chéo của hình lập phương.