Nghiên cứu tính chất quang của ZnS pha tạp tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính chất quang của zns pha tạp, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Thanh Bình
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Tính chất quang của ZnS pha tạp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu nano, các hiệu ứng và những ứng dụng
• 1.2. Cấu trúc của ZnS
• 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của ZnS
• 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnS
• 1.2.2.1. Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lập phương giả kẽm
• 1.2.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của mạng wurtzite
• 1.3. Tính chất quang của ZnS và ZnS pha tạp
• 1.3.1. Tổng quan về các cơ chế hấp thụ ánh sáng
• 1.3.2. Một số kết quả nghiên cứu tính hấp thụ của ZnS và ZnS cấu trúc nano pha tạp
• 1.3.3. Tính chất huỳnh quang của bán dẫn
• 1.3.4. Một số kết quả nghiên cứu tính chất huỳnh quang của ZnS cấu trúc nano pha tạp
• 1.4. Một số phương pháp chế tạo
• 1.4.1. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.4.2. Phương pháp Sol-gel
• 1.4.3. Phương pháp hóa học
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp ZnS và ZnS pha tạp Cu bằng phương pháp hóa học
• 2.1.1. Dụng cụ cần thiết
• 2.1.2. Cân khối lượng các chất
• 2.1.3. Các bước tiến hành thí nghiệm
• 2.2. Tổng hợp ZnS và ZnS pha tạp Co bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.2.1. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.2.2. Các bước tiến hành thí nghiệm
• 2.3. Các phép đo khảo sát tính chất của mẫu
• 2.3.1. Phép đo phổ nhiễu xạ tia X
• 2.3.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua
• 2.3.3. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang
• 2.3.4. Phổ hấp thụ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả của mẫu ZnS pha tạp Cu
• 3.1.1. Cấu trúc tinh thể và hình thái học của mẫu ZnS và ZnS pha tạp Cu
• 3.1.2. Tính hấp thụ của ZnS và ZnS pha tạp Cu
• 3.1.3. Tính chất huỳnh quang của ZnS và ZnS pha tạp Cu
• 3.1.4. Khảo sát tính chất huỳnh quang theo thời gian bọc TG
• 3.1.5. Khảo sát tính chất huỳnh quang của mẫu ZnS pha tạp Cu theo nồng độ tạp
• 3.2. Kết quả của mẫu ZnS pha tạp Co
• 3.2.1. Cấu trúc tinh thể và hình thái học của mẫu ZnS pha tạp Co
• 3.2.2. Tính chất hấp thụ của mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co
• 3.2.3. Tính chất huỳnh quang của mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính chất quang của ZnS pha tạp

Tính chất quang của ZnS pha tạp là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong vật liệu bán dẫn. ZnS, một vật liệu bán dẫn II-VI, có nhiều ứng dụng trong công nghệ quang học nhờ vào tính chất quang đặc biệt của nó. Khi pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp như Cu, Co, hay Mn vào cấu trúc của ZnS, tính chất quang của vật liệu này có thể được điều chỉnh một cách đáng kể. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực quang điện và cảm biến quang học.

1.1. Cấu trúc và tính chất của ZnS

ZnS có hai dạng thù hình chính là lập phương giả kẽm và hexagonal wurtzite. Cấu trúc này ảnh hưởng lớn đến tính chất quang của vật liệu. Đặc biệt, độ rộng vùng cấm của ZnS có thể thay đổi tùy thuộc vào kích thước hạt và nồng độ tạp chất. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp có thể làm thay đổi cấu trúc vùng năng lượng, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng của ZnS.

1.2. Ứng dụng của ZnS trong công nghệ quang học

ZnS và tính chất quang của vật liệu pha tạp đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện, màn hình phosphor và cảm biến quang học. Sự điều chỉnh tính chất quang của ZnS thông qua việc pha tạp cho phép phát triển các sản phẩm mới với hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng này.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tính chất quang của ZnS pha tạp

Mặc dù tính chất quang của ZnS đã được nghiên cứu nhiều, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa các tính chất này. Một trong những vấn đề chính là sự không đồng nhất trong cấu trúc của vật liệu khi pha tạp, điều này có thể dẫn đến sự biến đổi không mong muốn trong tính chất quang. Ngoài ra, việc kiểm soát nồng độ tạp chất và điều kiện chế tạo cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.

2.1. Sự không đồng nhất trong cấu trúc vật liệu

Sự không đồng nhất trong cấu trúc của ZnS pha tạp có thể gây ra sự phân bố không đồng đều của các ion tạp chất, dẫn đến sự biến đổi trong tính chất quang. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kiểm soát quá trình tổng hợp là rất quan trọng để đạt được cấu trúc đồng nhất.

2.2. Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất đến tính chất quang

Nồng độ tạp chất là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất quang của ZnS. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ tạp chất quá cao có thể dẫn đến sự suy giảm tính chất phát quang, trong khi nồng độ quá thấp có thể không đủ để tạo ra hiệu ứng mong muốn.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất quang của ZnS pha tạp

Để nghiên cứu tính chất quang của ZnS pha tạp, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp sol-gel. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của vật liệu cuối cùng.

3.1. Phương pháp hóa học trong tổng hợp ZnS

Phương pháp hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp ZnS pha tạp. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các mẫu ZnS với tính chất quang mong muốn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh pH và nhiệt độ trong quá trình tổng hợp có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất quang của vật liệu.

3.2. Phương pháp thủy nhiệt trong nghiên cứu ZnS

Phương pháp thủy nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi trong việc tổng hợp ZnS pha tạp. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt ZnS với kích thước nhỏ và đồng nhất, từ đó cải thiện tính chất quang. Nghiên cứu cho thấy rằng điều kiện áp suất và thời gian phản ứng là những yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa.

IV. Kết quả nghiên cứu tính chất quang của ZnS pha tạp

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tính chất quang của ZnS có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc pha tạp. Các mẫu ZnS pha tạp Cu và Co đã cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong phổ hấp thụ và phát quang. Điều này cho thấy rằng việc pha tạp không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc mà còn đến các tính chất quang của vật liệu.

4.1. Phổ hấp thụ của ZnS pha tạp

Phổ hấp thụ của các mẫu ZnS pha tạp cho thấy sự dịch chuyển của đỉnh hấp thụ, cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc vùng năng lượng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ tạp chất có thể điều chỉnh được độ rộng vùng cấm của ZnS, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng.

4.2. Tính chất phát quang của ZnS pha tạp

Tính chất phát quang của ZnS pha tạp cũng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các mẫu ZnS pha tạp Cu cho thấy sự phát quang mạnh mẽ hơn so với mẫu không pha tạp. Điều này cho thấy rằng việc pha tạp có thể tạo ra các trạng thái điện tử mới, từ đó cải thiện khả năng phát quang của vật liệu.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tính chất quang của ZnS pha tạp

Nghiên cứu về tính chất quang của ZnS pha tạp đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn. Các kết quả cho thấy rằng việc pha tạp có thể cải thiện đáng kể tính chất quang của ZnS, từ đó tạo ra nhiều ứng dụng mới trong công nghệ quang học. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với nhiều phương pháp tổng hợp mới và các ứng dụng tiềm năng.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực ZnS

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp để đạt được các mẫu ZnS pha tạp với tính chất quang tốt nhất. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ion tạp chất mới cũng có thể mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới.

5.2. Ứng dụng tiềm năng của ZnS pha tạp trong công nghệ

ZnS pha tạp có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cảm biến quang học, thiết bị phát quang và các linh kiện quang điện tử. Sự phát triển của các ứng dụng này sẽ phụ thuộc vào việc cải thiện tính chất quang của ZnS thông qua các nghiên cứu tiếp theo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano ZnS (kẽm sunfua) là một trong những bán dẫn II-VI quan trọng với nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, không có ở dạng khối. Đặc biệt, khi pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp như Cu²⁺, Co²⁺, ZnS có thể điều chỉnh được độ rộng vùng cấm và dải phát xạ trong vùng nhìn thấy, mở rộng ứng dụng trong thiết bị quang điện, màn hình phosphor và cảm biến quang học. Theo ước tính, kích thước hạt nano ZnS ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học, với hiệu ứng giam giữ lượng tử làm tăng độ rộng vùng cấm lên đến khoảng 0,5 eV so với bán dẫn khối. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp Cu, Co bằng phương pháp hóa học và thủy nhiệt, khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tạp và thời gian bọc thioglycelrol (TG) đến cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2010-2012. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế điều khiển tính chất quang của ZnS pha tạp, từ đó phát triển vật liệu bán dẫn nano ứng dụng trong công nghệ quang học và điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc tinh thể ZnS: ZnS tồn tại chủ yếu ở hai dạng thù hình là lập phương giả kẽm (zinc blende) và hexagonal wurtzite, trong đó nguyên tử Zn và S liên kết theo cấu trúc tứ diện đều. Cấu trúc tinh thể ảnh hưởng trực tiếp đến vùng năng lượng và tính chất quang học của vật liệu.

• Cấu trúc vùng năng lượng: ZnS có vùng cấm thẳng, với các trạng thái điện tử tại vùng hóa trị và vùng dẫn được mô tả qua các mức năng lượng suy biến do tương tác spin-quỹ đạo. Sự khác biệt giữa mạng lập phương và mạng lục giác tạo ra sự phân tách các mức năng lượng, ảnh hưởng đến hấp thụ và phát xạ quang.

• Hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng kích thước: Ở kích thước nano, hiệu ứng lượng tử làm tăng độ rộng vùng cấm khi kích thước hạt giảm, đồng thời hiệu ứng bề mặt làm tăng khả năng hấp thụ và hoạt động bề mặt của vật liệu.

• Cơ chế hấp thụ ánh sáng: Bao gồm hấp thụ cơ bản (chuyển mức điện tử vùng-vùng), hấp thụ do hạt dẫn tự do, hấp thụ do tạp chất, hấp thụ exciton và hấp thụ plasma. Các cơ chế này giải thích phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của ZnS và ZnS pha tạp.

• Tính chất huỳnh quang: Phân loại thành huỳnh quang phân tử, huỳnh quang giả bền và huỳnh quang tái hợp, với các cơ chế tái hợp bức xạ khác nhau trong bán dẫn. Tính chất huỳnh quang phụ thuộc vào nồng độ tạp, kích thước hạt và điều kiện chế tạo.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu ZnS và ZnS pha tạp Cu, Co được tổng hợp bằng phương pháp hóa học và thủy nhiệt tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.

• Phương pháp tổng hợp:

  • Phương pháp hóa học: Kết tủa các ion kim loại trong dung dịch với sự kiểm soát kích thước hạt bằng thioglycelrol (TG). Nồng độ tạp Cu được điều chỉnh từ 0% đến 2,5%.
  • Phương pháp thủy nhiệt: Tổng hợp ZnS pha tạp Co với nồng độ từ 0% đến 1%, thời gian ủ 24 giờ ở 200°C, kết hợp với bọc TG từ 0 đến 120 phút.

• Phương pháp phân tích:

  • Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và hằng số mạng.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để khảo sát hình thái học và kích thước hạt.
  • Phổ huỳnh quang (PL) và phổ huỳnh quang kích thích (PLE) để nghiên cứu tính chất phát quang.
  • Phổ hấp thụ UV-VIS để xác định bờ hấp thụ và độ rộng vùng cấm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi nhóm mẫu gồm ít nhất 3 mẫu với các nồng độ tạp và thời gian bọc TG khác nhau, đảm bảo tính đại diện và so sánh được ảnh hưởng của từng yếu tố.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích mẫu trong vòng 12 tháng, từ khâu tổng hợp đến đo đạc và xử lý dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể ổn định: Phổ XRD cho thấy các mẫu ZnS và ZnS pha tạp Cu giữ cấu trúc lập phương giả kẽm với các đỉnh (111), (220), (311) rõ ràng. Hằng số mạng tinh thể dao động quanh 5,3 Å, không thay đổi đáng kể khi tăng nồng độ tạp Cu đến 2%. Kích thước tinh thể tính theo công thức Debye-Scherrer thay đổi từ khoảng 1,7 nm đến 3,4 nm tùy theo nồng độ tạp và thời gian bọc TG.

2. Ảnh hưởng của nồng độ tạp đến tính chất quang:

   • Với ZnS:Cu, phổ hấp thụ dịch chuyển về bước sóng ngắn khoảng 0,5 eV so với ZnS khối, thể hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử rõ rệt.
   • Cường độ huỳnh quang tăng khi nồng độ Cu tăng đến 1,5%, sau đó giảm nhẹ do hiệu ứng dập tắt phát quang.
   • Đối với ZnS:Co, cường độ huỳnh quang tăng khi nồng độ Co từ 0,02% đến 0,4%, nhưng giảm mạnh khi vượt quá 0,4%, với mức dập tắt lên đến 96% ở nồng độ cao.

3. Ảnh hưởng của thời gian bọc TG: Thời gian bọc TG từ 0 đến 60 phút làm tăng kích thước hạt và thay đổi phổ hấp thụ, với bờ hấp thụ dịch chuyển về bước sóng ngắn khi tăng thời gian bọc. Cường độ huỳnh quang cũng tăng theo thời gian bọc TG, cho thấy TG giúp ổn định bề mặt hạt và giảm các trạng thái bẫy không mong muốn.

4. Hình thái học: Ảnh TEM cho thấy các hạt ZnS:Cu có kích thước trung bình khoảng 3-4 nm, phân bố đồng đều, không có sự kết tụ lớn. Thời gian bọc TG kéo dài giúp hạt có hình thái tròn đều và kích thước ổn định hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cấu trúc tinh thể ổn định cho thấy ion Cu²⁺ và Co²⁺ được pha tạp thành công vào mạng tinh thể ZnS mà không làm biến đổi cấu trúc cơ bản, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Hiệu ứng giam giữ lượng tử được thể hiện rõ qua sự dịch chuyển bờ hấp thụ và đỉnh huỳnh quang về bước sóng ngắn, tương ứng với kích thước hạt nano nhỏ bé.

Sự thay đổi cường độ huỳnh quang theo nồng độ tạp phản ánh cân bằng giữa việc tạo ra các trung tâm phát quang mới và sự dập tắt do quá tải tạp chất hoặc tạo ra các trạng thái bẫy không phát quang. Thời gian bọc TG ảnh hưởng tích cực đến tính chất quang bằng cách bảo vệ bề mặt hạt, giảm các trạng thái bẫy và tăng cường phát quang.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang với các đường cong thể hiện sự dịch chuyển đỉnh và thay đổi cường độ theo nồng độ tạp và thời gian bọc TG. Bảng tổng hợp kích thước hạt và hằng số mạng tinh thể cũng giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với mô hình khối lượng hiệu dụng của Brus và các báo cáo về ZnS pha tạp Cu, Co, khẳng định tính khả thi của phương pháp tổng hợp và điều chỉnh tính chất quang bằng cách kiểm soát nồng độ tạp và bọc TG.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nồng độ tạp: Khuyến nghị duy trì nồng độ Cu trong khoảng 1-1,5% và Co dưới 0,4% để đạt hiệu suất huỳnh quang tối ưu, tránh hiện tượng dập tắt phát quang. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Kiểm soát thời gian bọc TG: Áp dụng thời gian bọc TG từ 30 đến 60 phút để ổn định kích thước hạt và tăng cường tính chất quang, giảm trạng thái bẫy bề mặt. Thời gian thực hiện: 1-3 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm tổng hợp.

3. Phát triển quy trình tổng hợp thủy nhiệt kết hợp hóa học: Kết hợp ưu điểm của hai phương pháp để nâng cao chất lượng mẫu, kiểm soát kích thước hạt và đồng nhất pha tạp. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: trung tâm nghiên cứu vật liệu.

4. Ứng dụng trong thiết bị quang điện và cảm biến: Khuyến nghị thử nghiệm các mẫu ZnS pha tạp trong thiết bị thực tế như màn hình phosphor, cảm biến quang học để đánh giá hiệu suất và độ bền. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm ứng dụng công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu bán dẫn nano: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc và tính chất quang của ZnS pha tạp, hỗ trợ phát triển vật liệu mới.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị quang điện: Thông tin về điều chỉnh vùng cấm và phát quang giúp thiết kế linh kiện hiệu quả hơn.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu: Tài liệu tham khảo thực nghiệm và lý thuyết phong phú, phương pháp tổng hợp mẫu cụ thể.

4. Doanh nghiệp công nghệ vật liệu và thiết bị quang học: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm mới dựa trên vật liệu ZnS nano pha tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn ZnS làm vật liệu nghiên cứu?
   ZnS là bán dẫn II-VI có vùng cấm rộng, tính chất quang học đa dạng và dễ điều chỉnh bằng pha tạp, phù hợp cho ứng dụng quang điện và cảm biến.

2. Phương pháp tổng hợp nào hiệu quả nhất cho ZnS pha tạp?
   Phương pháp hóa học và thủy nhiệt đều hiệu quả, trong đó thủy nhiệt giúp kiểm soát kích thước hạt tốt hơn, còn hóa học đơn giản và dễ thực hiện ở nhiệt độ phòng.

3. Nồng độ tạp ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang?
   Nồng độ tạp vừa phải làm tăng cường độ huỳnh quang, nhưng quá cao gây dập tắt do tạo ra các trạng thái bẫy không phát quang.

4. Vai trò của thioglycelrol (TG) trong tổng hợp?
   TG giúp bọc bề mặt hạt, kiểm soát kích thước và giảm các trạng thái bẫy, từ đó cải thiện tính chất quang của vật liệu.

5. Kích thước hạt nano ảnh hưởng ra sao đến vùng cấm?
   Kích thước hạt nhỏ làm tăng độ rộng vùng cấm do hiệu ứng giam giữ lượng tử, dẫn đến dịch chuyển phổ hấp thụ và phát quang về bước sóng ngắn.

Kết luận

• Vật liệu nano ZnS pha tạp Cu và Co được tổng hợp thành công bằng phương pháp hóa học và thủy nhiệt với cấu trúc tinh thể lập phương giả kẽm ổn định.
• Nồng độ tạp và thời gian bọc TG ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước hạt, vùng cấm và tính chất huỳnh quang của vật liệu.
• Hiệu ứng giam giữ lượng tử làm tăng độ rộng vùng cấm lên đến khoảng 0,5 eV so với ZnS khối.
• Cường độ huỳnh quang tối ưu đạt được ở nồng độ tạp Cu khoảng 1,5% và Co dưới 0,4%, thời gian bọc TG từ 30 đến 60 phút.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu bán dẫn nano điều chỉnh được tính chất quang, ứng dụng trong thiết bị quang điện và cảm biến hiện đại.

Tiếp theo, đề xuất triển khai thử nghiệm ứng dụng thực tế và tối ưu quy trình tổng hợp để nâng cao hiệu suất vật liệu. Độc giả và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả này để phát triển các sản phẩm công nghệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan, trình bày về cấu trúc tinh thể, tính chất quang của vật liệu ZnS và ZnS pha tạp, cuối cùng là các phần phương pháp chế tạo. Chương 2: Thực nghiệm, trình bày phương pháp chế tạo mẫu ZnS và ZnS pha tạp bằng phương pháp hóa học và phương pháp thủy nhiệt. Chương 3: Kết quả và thảo luận, trình bày những kết quả thưc nghiệm đã đạt được và những phân tích đánh giá về cấu trúc tinh thể, tính chất quang. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Vật liệu nano, các hiệu ứng và những ứng dụng [6] 1. Vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: Vật liệu nano không chiều: là vật liệu trong đó chuyển động của các điện tử, lỗ trống và exciton bị cấm trong cả ba chiều, nó còn được gọi là chấm lượng tử. Các chấm lượng tử là những hệ có kích thước theo cả ba chiều có thể so sánh với bước sóng De Broilie của các hạt cơ bản trong tinh thể.

Hiệu ứng lượng tử xảy ra với chấm lượng tử là độ rộng vùng cấm của bán dẫn tăng dần khi kích thước của chấm lượng tử giảm. Ngoài ra, ở chấm lượng tử còn có sự thay đổi dạng của cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố lại trạng thái ở lân cận vùng hóa trị và đáy vùng dẫn. Vật liệu nano một chiều còn được gọi là dây lượng tử: là vật liệu chuyển động của điện tử cấm theo hai chiều (hai chiều cầm tù). Ví dụ: dây nano, ống nano.

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó chuyển động của điện tử bị cấm theo một chiều. Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc nó bao gồm các cấu trúc nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn mà tại đó nhiều tính chất hóa lí của vật liệu bắt đầu thay đổi. Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để trở thành kích thước tới hạn đối với một số tính chất của chúng.

Tính chất của vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Các hiệu ứng Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thuớc.

Vật chất khi ở kích thước nano có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dạng khối không thể thấy đuợc. Kích thước hạt nhỏ bé 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 lượng tử: đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử, vì thế 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 hầm,… Có thể lấy ví dụ về chấm lượng tử, được viết tắt là QD (quantum dots). Một QD là một hạt vật chất có kích thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó theo một cách hữu ích nào đó. Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của những điện tử và lỗ trống trong vật chất (một lỗ trống hình thành do sự vắng mặt của một điện tử; một lỗ trống hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng lượng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi. Khi ta kích thích một QD, QD càng nhỏ thì năng lượng và cường độ phát sáng của nó càng tăng.

Vì vậy, QD có thể mở ra cho hàng loạt những áp dụng kỹ thuật mới. 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… Tuy nhiên, các đại lượng vật lý và hóa học này chỉ là bất biến nếu vật ở dạng khối. Khi kích thước của vật liệu xuống đến thang nm thì các tính chất vật lý, hóa học sẽ thay đổi. Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi tính chất 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] được gọi là kích thước tới hạn.

Lúc đó, các tính chất của vật liệu phải tuân theo quy tắc lượng tử. Hiệu ứng bề mặt: Ở vật liệu nano, đa số các nguyên tử đều nằm trên bề mặt của hạt. Nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong. Vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp thụ, hoạt động bề mặt… của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu khối.

Điều này đã mở ra những ứng dụng tuyệt vời cho lĩnh vực quang xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học đang nghiên cứu. Mối quan hệ này mở đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử, mà còn bởi sự điều chỉnh kích thuớc và hình dạng. Ứng dụng Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những linh kiện thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể đuợc lắp ráp trong những linh kiện quang điện tử.

Những vi cấu trúc này là một trạng thái đặc biệt của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói. Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau.

Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng lượng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ. Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tiềm ẩn 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đuờng cho sự tiếp cận với những hệ phi tuyến phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micrômét.

Như trên đã nói, vật liệu nano chỉ có tính chất thú vị khi kích thước của nó so sánh được với các độ dài tới hạn của vật liệu là đối tượng ta nghiên cứu. Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước của nano so sánh được với kích thước của tế bào (10 - 100 nm), virus (20 - 450 nm), protein (5 - 50 nm), gen (2 nm rộng và 10 -100 nm chiều dài). Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus. Ứng dụng của vật liệu từ nano trong sinh học thì có rất nhiều như: tách tế bào, dẫn truyền thuốc, tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement).

Vật liệu nano dùng trong các trường hợp này là các hạt nano. Cấu trúc của ZnS 1. Cấu trúc tinh thể của ZnS [2] ZnS thường kết tinh ở hai dạng thù hình chính: Lập phương giả kẽm (Zinc blende) và hexagonal wurtzite, trong đó các nguyên tử Zn và S được sắp xếp theo cấu trúc tứ diện đều. Trong cấu trúc giả kẽm, nhóm không gian lập phương tương ứng là Td2  F 43m.

Trong một ô cơ bản có hai phân tử ZnS được biểu diễn ở hình (1. Tọa độ không gian của các nguyên tử như sau: 4S: (0,0,0); (0,1/2,1/2); (1/2,0,1/2); (1/2,1/2,0) 4Zn: (1/4,1/4,1/4); (1/4, 3/4, 3/4); (3/4, 3/4, 3/4) 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Cấu trúc lập phương giả kẽm (zinc blende)[2] Trong cấu trúc hexagonal wurtzite, nhóm đối xứng không gian tương ứng là C64v  P63mc. Trong một ô cơ bản có hai phân tử Zn và S được biểu diễn ở hình (1.2) tọa độ các nguyên tử đó như sau: 2Zn: (0,0,0); (1/3, 2/3, 1/2) 3 S: (0, 0, 4); (1/3, 2/3, 1/2 +u), trong đó u  8 Hình 1.

Cấu trúc hexagonal wurtzite [2] Mỗi nguyên tử Zn liên kết với bốn nguyên tử S, nằm trên bốn đỉnh của một tứ diện gần đều. Khoảng cách từ Zn đến bốn nguyên tử một khoảng u, còn ba khoảng 1 khác bằng:  1 a 2  c 2 (u  1 )2  2.  3 2  6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thông thường, dạng hexagonal wurtzite hình thành ở nhiệt độ cao, còn dạng giả kẽm lập phương ở nhiệt độ thấp hơn, nhiệt độ chuyển từ giả kẽm sang wurtzite xảy ra ở 1020 oC 1. Cấu trúc vùng năng lƣợng của ZnS 1.

Cấu trúc vùng năng lƣợng của mạng lập phƣơng giả kẽm [4] Sử dụng một số phương pháp giả thế, phương pháp sóng phẳng trực giao người ta đã tính toán được cấu trúc vùng năng lượng của ZnS. Đây là hợp chất có vùng cấm thẳng.