Luận văn: Nghiên cứu tổng hợp, khảo sát tính chất vật lý và tiềm năng ứng dụng của Quantum Dots

• Tác giả: Nguyễn Văn A
• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Văn D
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Chấm lượng tử: Tổng hợp, Tính chất và Ứng dụng tiềm năng
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ
• 1.1.1. Chấm lượng tử là gì?
• 1.1.2. Một số hiệu ứng đặc biệt của chấm lượng tử
• 1.1.2.1. Hiệu ứng bề mặt
• 1.1.2.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử (hiệu ứng kích thước)
• 1.1.2.3. Hiệu ứng thụ động hóa bề mặt và dịch chuyển Stark
• 1.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử
• 1.1.4. Truyền năng lượng và truyền điện tích giữa các chấm lượng tử bán dẫn
• 1.1.4.1. Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang
• 1.1.5. Tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử
• 1.1.5.1. LED chấm lượng tử (QLED)
• 1.1.5.2. Đánh dấu sinh học
• 1.1.5.3. Đóng ngắt quang học
• 1.1.5.4. Màn hình sống động nhờ chấm lượng tử
• 1.1.5.5. Các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO LaF3:Ce3+ VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CdSeS
• 1.2.1. Vật liệu phát quang
• 1.2.1.1. Vật liệu phát quang là gì?
• 1.2.1.2. Cơ chế phát quang của vật liệu phát quang
• 1.2.1.3. Vật liệu LaF3
• 1.2.1.4. Cấu hình điện tử của ion Ce3+
• 1.2.1.5. Đặc điểm của mức năng lượng 4f
• 1.2.1.6. Các chuyển dời điện tích của trạng thái 4f
• 1.2.1.7. Các đặc điểm huỳnh quang của tinh thể LaF3 pha tạp ion Ce3+
• 1.2.1.8. Chấm lượng tử CdSeS
• 1.3. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. HÓA CHẤT, NGUYÊN VẬT LIỆU
• 1.3.2. Dụng cụ thực nghiệm
• 1.3.2.1. Các thiết bị để tạo ra các phản ứng hóa học
• 1.3.3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO LaF3:Ce3+/CdSeS
• 1.3.3.1. Phương pháp chế tạo vật liệu nano
• 1.3.3.2. Phương pháp phun nóng sử dụng dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi cao để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano và chấm lượng tử bán dẫn
• 1.3.3.3. Phương pháp đồng kết tủa
• 1.3.3.4. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.3.4. CÁC THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO LaF3:Ce3+/CdSeS
• 1.3.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 1.3.4.2. Kính hiển vi điện tử xuyên qua
• 1.3.4.3. Phép đo phổ huỳnh quang
• 1.3.4.4. Phép đo phổ kích thích huỳnh quang
• 1.4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.4.1. KẾT QUẢ TỔNG HỢP
• 1.4.1.1. Kết quả tổng hợp LaF3:Ce3+ trong dung dịch DMSO
• 1.4.1.2. Chế tạo các hạt nano LaF3:Ce3+ trong dung dịch DMSO
• 1.4.1.3. Cấu trúc tinh thể của mẫu LaF3:Ce3+
• 1.4.1.4. Hình thái học của mẫu LaF3:Ce3+
• 1.4.1.5. Kết quả tổng hợp chấm lượng tử CdSeS
• 1.4.1.6. Hình thái học của chấm lượng tử CdSeS
• 1.4.1.7. Kết quả tổng hợp vật liệu nano LaF3:Ce3+/CdSeS
• 1.4.1.8. Tổng hợp vật liệu nano LaF3:Ce3+/CdSeS
• 1.4.1.9. Chế tạo LaF3:Ce3+/CdSeS trong PMMA
• 1.4.1.10. Hình thái học của vật liệu nano LaF3:Ce3+/CdSeS
• 1.4.2. KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG HỌC
• 1.4.2.1. Tính chất quang của vật liệu nano LaF3:Ce3+ trong DMSO
• 1.4.2.2. Tính chất quang của chấm lượng tử CdSeS
• 1.4.2.3. Phát xạ của vật liệu hỗn hợp nano LaF3:Ce3+/CdSeS trong PMMA
• 1.4.2.4. Cường độ phát xạ của hỗn hợp nano LaF3:Ce3+/CdSeS so với chấm lượng tử CdSeS khi kích thích bởi tia X
• 1.4.3. TƯƠNG LAI VÀ CÁC ỨNG DỤNG TIỀM NĂNG CỦA VẬT LIỆU NANO LaF3:Ce3+/CdSeS
• 1.4.3.1. Kỹ thuật chế tạo
• 1.4.3.2. Ứng dụng sinh học
• 2. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về chấm lượng tử

Chấm lượng tử là một loại tinh thể bán dẫn có kích thước nano, thường từ 2 nm đến 10 nm. Kích thước nhỏ này dẫn đến các tính chất quang học độc đáo, như khả năng phát xạ ánh sáng với bước sóng có thể điều chỉnh. Khi kích thước của chấm lượng tử thay đổi, các mức năng lượng cũng thay đổi, tạo ra hiệu ứng lượng tử hóa. Điều này cho phép kiểm soát bước sóng phát xạ, từ đó tạo ra màu sắc ánh sáng phát ra. Chấm lượng tử có thể được tạo ra từ nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm kim loại và polyme. Tính chất quang học của chúng phụ thuộc vào kích thước và thành phần hóa học, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ quang điện và sinh học.

1.1. Hiệu ứng bề mặt

Khi kích thước của vật liệu giảm xuống cấp độ nano, tỷ lệ nguyên tử trên bề mặt tăng lên đáng kể. Điều này dẫn đến sự gia tăng hiệu ứng bề mặt, ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của vật liệu. Hiệu ứng bề mặt có thể làm thay đổi tính chất quang học và điện của chấm lượng tử, tạo ra những đặc tính mới mà không thể có ở vật liệu khối. Sự thay đổi này không chỉ quan trọng trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn, như trong cảm biến và thiết bị quang học.

1.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử

Hiệu ứng giam giữ lượng tử xảy ra khi kích thước của chấm lượng tử tương đương với độ dài đặc trưng của các tính chất vật liệu. Khi đó, các mức năng lượng trở nên gián đoạn, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong các tính chất điện và quang. Hiệu ứng này cho phép các chấm lượng tử thể hiện các đặc tính quang học độc đáo, như khả năng phát xạ ánh sáng với bước sóng khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang học và điện tử.

II. Tính chất quang học của chấm lượng tử

Tính chất quang học của chấm lượng tử phụ thuộc mạnh vào kích thước và thành phần hóa học. Khi kích thước giảm, bề rộng vùng cấm mở rộng, dẫn đến sự dịch chuyển bước sóng phát xạ về phía ánh sáng tím. Ngược lại, khi kích thước tăng, bước sóng phát xạ dịch chuyển về phía ánh sáng đỏ. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh màu sắc phát ra từ chấm lượng tử bằng cách thay đổi kích thước hoặc thành phần hóa học. Tính chất này rất quan trọng trong các ứng dụng như LED, cảm biến quang học và thiết bị y tế.

2.1. Phát xạ huỳnh quang

Phát xạ huỳnh quang của chấm lượng tử là một trong những tính chất nổi bật nhất. Khi bị kích thích bởi ánh sáng, chấm lượng tử có thể phát ra ánh sáng với bước sóng cụ thể, phụ thuộc vào kích thước và thành phần của chúng. Thời gian sống phát xạ dài giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng tại các bước sóng ngắn hơn, mở rộng phổ hấp thụ. Điều này làm cho chấm lượng tử trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong chẩn đoán y tế và công nghệ quang học.

2.2. Ứng dụng trong công nghệ

Chấm lượng tử có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghệ sinh học đến điện tử. Chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị LED, cảm biến quang học, và các hệ thống hình ảnh y tế. Khả năng phát xạ ánh sáng mạnh và ổn định của chấm lượng tử giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị này, đồng thời giảm thiểu các vấn đề liên quan đến độ bền và độ ổn định của các chất liệu truyền thống.

III. Ứng dụng tiềm năng của chấm lượng tử

Chấm lượng tử đang được nghiên cứu và phát triển cho nhiều ứng dụng tiềm năng trong y học và công nghệ. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện sớm tế bào ung thư, dẫn thuốc đến các tế bào mục tiêu, và trong các hệ thống hình ảnh y tế. Khả năng phát xạ ánh sáng mạnh và chính xác của chấm lượng tử giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp chẩn đoán hiện tại. Ngoài ra, chấm lượng tử còn có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghệ nano và vật liệu mới.

3.1. Ứng dụng trong y học

Trong y học, chấm lượng tử có thể được sử dụng để phát hiện sớm các bệnh lý, đặc biệt là ung thư. Chúng có khả năng phát xạ ánh sáng dưới tác động của tia cực tím hoặc tia X, cho phép quan sát các tế bào và mô một cách chi tiết. Việc sử dụng chấm lượng tử trong chẩn đoán y tế có thể giúp cải thiện độ chính xác và giảm thiểu tác dụng phụ so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Ứng dụng trong công nghệ nano

Chấm lượng tử cũng có tiềm năng lớn trong công nghệ nano, nơi chúng có thể được sử dụng để phát triển các vật liệu mới với các tính chất quang học và điện đặc biệt. Việc kết hợp chấm lượng tử với các vật liệu nano khác có thể tạo ra các sản phẩm với hiệu suất cao hơn, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong điện tử, quang học và năng lượng.