Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ GAMMA LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Đình Công

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ GAMMA LÊN TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Đình Công

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ GAMMA LÊN TÍNH CHẤT

QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 60440104

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH BÌNH

Hà Nội – Năm 2015


Mở đầu
Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano là một trong những lĩnh vực
thu hút được nhiều nhà khoa học hàng đầu tham gia nghiên cứu.
Bắt đầu từ những năm 1990 đến nay, thành quả thu được hết sức
có ý nghĩa trong các ứng dụng thực tiễn, từng bức thay đổi mọi
mặt của đời sống. Vật liệu nano đáp ứng được các yêu cầu tính
chất cơ bản như vật liệu khối và cũng đáp ứng được các yêu cầu
tính chất khắt khe của vật liệu tiên tiến.
Những ưu điểm của vật liệu nano không chỉ thể hiện qua các
báo cáo trên các tạp chí uy tín mà còn thể hiện trên các ứng dụng
của chúng, như các thiết bị điện tử, thiết bị chiếu sáng (đèn LED),
thông tin quang bằng laser, đánh dấu sinh học, thiết bị chuyển đổi
năng lượng mặt trời (solar cell), cảm biến (sensor), …
Điều kiện môi trường ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng, chất
lượng và tuổi thọ của thiết bị. Với những môi trường làm việc đặc
biệt như lò phản ứng hạt nhân, môi trường vũ trụ ngoài bầu khí
quyển của trái đất . Ở đó có rất nhiều bức xạ mang năng lượng
cao nên không phải vật liều nào cũng có thể làm việc trong môi
trường đó. Việc đánh giá này là rất cần thiết để biết vật liệu bị tác
động như thế nào, ảnh hưởng thay rổi ra làm sao, … để chúng ta
có thể khắc phục và lựa chọn phù hợp vật liệu làm thiết bị.
Tương tác giữa các bức xạ photon ánh sáng mặt trời với năng
lượng chỉ cỡ năng lượng của trạng thái kích thích của điện tử trong
tinh thể và năng lượng này thường bé hơn 10 eV. Những bức xạ có
năng lượng lớn hơn rất nhiều như tia X, tia Alpha, tia gamma, tia
Notron, tia Proton, tia Photon hãm, …cỡ vài mega electron volt đến
vài chục mega electron volt thì chưa được đề cập đến nhiều.
Việc nghiên cứu đánh giá cần phải xem xét ở nhiều mức độ và

khía cạnh, vì vậy bước đầu với điều kiện sẵn có chúng tôi lựa chọn
3


nghiên cứu ảnh hưởng bức xạ gamma tới sự thay đổi tính chất
quang của chấm lượng tử CdSe, một loại vật liệu nano điển hình
mang đặc trưng về tính chất quang học.
Và để so sánh mức độ ảnh hưởng của bức xạ gamma, luận văn
đã nghiên cứu chấm lượng tử CdSe đơn thuần và chấm lượng tử
bọc vỏ CdSe/CdS lõi/vỏ. So sánh ảnh hưởng của bức xạ gamma lên
tính chất hấp thụ, huỳnh quang và thời gian sống điện tử trên các
trạng thái kích thích, với dải liều chiếu xạ từ 1, 3, 5, 7, 10 kGy.
Luận văn được trình bày làm ba phần chính :
Phần 1 - Tổng quan : Giới thiệu về vật liệu nano, tính chất cơ
bản về cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng, tính chất
quang học của vật liệu bán dẫn và vật liệu nano bán dẫn, những
yếu tố ảnh hưởng của trường ngoài như nhiệt độ, áp suất, điện
trường và từ trường lên tính chất của vật liệu bán dẫn, tổng quan
các kết quả công bố quốc tế về ảnh hưởng của bức xạ năng lượng
cao lên tính chất quang của vật liệu bán dẫn.
Phần 2- Thực nghiệm: Phương pháp chế tạo, quá trình chiếu
bức xạ gamma, và các phương pháp phân tích thực hiện trong luận
văn.
Phần 3- Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả thu được
của mẫu trước khi chiếu xạ và mẫu sau khi chiếu xạ gamma, so
sánh mức độ ảnh hưởng của mẫu CdSe với mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ.
Với kết quả thu được luận văn tập trung thảo luận đến các hiệu
ứng thu được: Hiệu ứng dịch đỉnh hấp thụ và huỳnh quang của
chấm lượng tử sau khi chiếu bức xạ gamma, ảnh hưởng của thời
gian lên tính chất của chấm lượng tử như dịch đỉnh hấp thụ và
huỳnh quang về phía năng lượng cao theo thời gian và hiệu ứng
phục hồi cường độ huỳnh quang theo thời gian của chấm lượng tử
sau khi chiếu xạ gamma.
4


5


Chương 1- TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu bán dẫn và cấu trúc nano

Từ cuối thế kỷ XX đến nay, chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ
của khoa học kỹ thuật và đặc biệt là vật liệu nano. Các nghiên cứu
chỉ ra rằng khi vật liệu ở kích thước nano, những tính chất của
chúng trở nên ưu việt hơn và có nhiều tính chất mới mà chỉ có vật
liệu nano mới có. Khi ở dạng vật liệu khối (3D) tính chất của vật
liệu hầu như không thay đổi phụ thuộc vào hình dạng tồn tại của
vật liệu. Khi ở dạng nano, bước sóng của điện tử có thể so sánh với
bước sóng De Broglie của hạt, khi đó điện tử bị giới hạn về chuyển
động cũng như truyền sóng, gây ra hiệu tượng hạt bị giam giữ dẫn
đến bị lượng tử hóa hàm sóng và năng lượng. Tùy vào chiều giam
giữ mà vật liệu nano được chia ra là vật liệu một giam giữ chiều
(2D - giếng lượng tử), vật liệu hai chiều giam giữ (1D - dây lượng
tử), và vật liệu ba chiều giam giữ (0D - chấm lượng tử) (2).

Hình 1.1. Sự giam giữ lượng tử dẫn đến sự thay đổi cấu trúc năng
lượng và độ rộng vùng cấm từ vật liệu khối 3D sang vật liệu nano
2D, 1D và 0D.
1.2. Tính chất hấp thụ

6


Quá trình hấp thụ ánh sáng của các điện tử trên các trạng thái
cơ bản lên các trạng thái kích thích vì vậy mà cấu trúc vùng năng

lượng quyết định tính đối xứng của hàm sóng tại điểm


k0

trong

vùng Brillioun(1,4,7).

(b)

(a)

Hình 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng và các trạng thái kích thích
của điện tử. 1 - chuyển mức vùng-vùng (thẳng); 1a - chuyển mức
vùng vùng (nghiêng); 2 - điện tử trong vùng dẫn; 2a - lỗ trống
trong vùng hoá trị; 2b, 2c, 2d - lỗ trống trong vùng con cho phép;
3 - điện tử lên vùng dẫn từ tạp donor; 3b - lỗ trống lên tạp donor;
3a - lỗ trống lên tạp acceptor; 3c - điện tử lên vùng dẫn từ tạp
acceptor; 4 - điện tử chuyển giữa các mức tạp chất(2).
1.3. Tính chất phát quang

Một số cơ chế phát quang điển hình của vật liệu bán dẫn (2):
-Tái hợp vùng vùng: Tương tự như cơ chế hấp thụ có hai cơ chế con là

tái hợp chuyển mức thẳng và tái hợp chuyển mức nghiêng.
-Tái hợp exciton: Các mức năng lượng của exciton tương tự như các
mức năng lượng của nguyên tử H, nhưng giữa chúng tồn tại các
điểm khác biệt. Exciton chỉ tồn tại trạng thái năng lượng với n = 1
7


trong một thời gian ngắn. Exciton có thể chuyển động được trong
tinh thể. Khi bức xạ một lượng tử ánh sáng, exciton sẽ biến mất.
Có ba loại tái hợp exciton là tái hợp exciton tự do, tái hợp exciton
liên kết, và tái hợp exciton phân tử.

-Tái hợp bức xạ với chuyển mức giữa vùng và mức tạp chất: có ba loại

chuyển mức tâm nông, chuyển mức tâm sâu, và chuyển mức vùng
tâm sâu.
-Tái hợp bức xạ là quá trình ngược với hấp thụ trong bán dẫn. Điểm

khác nhau quan trọng giữa hấp thụ và bức xạ là phổ hấp thụ rộng,
còn phổ bức xạ hẹp. Phổ hấp thụ rộng vì tất cả các trạng thái
trong tinh thể đều có thể tham gia vào quá trình hấp thụ. Quá
trình tái hợp bức xạ chỉ liên quan đến một dải hẹp các trạng thái
điện tử và một dải hẹp các trạng thái các lỗ trống, nên phổ tái hợp
bức xạ hẹp. Điều kiện để có tái hợp bức xạ là mẫu bán dẫn phải ở
trong trạng thái không cân bằng nhiệt động. Đặc trưng phát quang
của vật liệu bán dẫn là hệ số xác suất tái hợp bức xạ B và thời gian
sống τ của điện tử.

Hình 1.4. Các cơ chế tái hợp cặp điển tử lỗ trống cơ
bản(1,7).

8


Chương 2 –KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp chế tạo
 Phương pháp hóa ướt

Phương pháp hóa ướt, là phương pháp đơn giản để tạo được các hạt nano có
kích thước bé. Bằng nhiệt độ cao phản ứng tạo thành các nano tinh thể từ dung môi
hòa tan chứa các ion là các tiền chất của vật liệu nano. Các chất bột ZnO, CdO được
hòa tan trong phản ứng với olelamin acid (OA) trong dung môi ODE ở nhiệt độ cao
tạo thành muối OA-X, và các tiền chất O, S, Se, Te được hòa tan trong dung môi
octadecene (OED) ở nhiệt độ cao. Có thể sử dụng các hợp chất hoạt động bề mặt
như: tri-n-ocytlphosphine oxide

(TOPO),

n-trioctylphosphine (TOP), sodium

dodecyl sulfate (SDS), cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), … Và điều
khiển nhiệt độ để thu được các sản phẩm với hình dạng khác nhau như: hình cầu,
tam giác, dạng thanh, cầu ba nhánh, … thêm vào đó các sản phẩm ZnO, CdO, có
thể cũng được hình thành trong quá trình chế tạo(6).
2.2. Chiếu xạ gamma
Nguồn chiếu xạ được sử dụng là 60Co, hoạt độ nguồn tại thời điểm chiếu là
122.53 kCi, năng lượng mỗi bức xạ gamma cỡ 1.33 MeV. Được thực hiện tại Trung
Tâm Chiếu Xạ Hà Nội, thuộc Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam.
Liều hấp thụ L được định nghĩa là năng lượng Jun (Joules) truyền cho vật trên
mỗi đơn vị khối lượng kilôgam (kilogram) đơn vị kí hiệu kGy. Trong luận văn này
chúng tôi khảo sát với dải liều hấp thụ là: 1 kGy, 3 kGy, 5 kGy, 7 kGy, và 10 kGy.
2.3.

Phương pháp phân tích

2.3.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được trình
bày trên hình 2.2. Thiết bị TEM thường được sử dụng để khảo sát hình dạng, kích
thước của vật rắn có kích thước nhỏ và thậm chí vi cấu trúc của chúng khi sử dụng
thiết bị có độ phân giải cao (HR-TEM). Thiết bị này sử dụng chùm tia điện tử có
năng lượng cao và các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng
9


triệu lần). Ảnh TEM có thể được hiển thị trên màn huỳnh quang, phim quang học,
hay có thể ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Độ tương phản trên ảnh TEM
chủ yếu phụ thuộc vào khả năng tán xạ điện tử của vật liệu.

Hình 2.2. (a) Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua;
(b) Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM 1010 tại Viện Vệ sinh Dịch
tễ Trung ương
2.3.2. Phương pháp đo hấp thụ
Hai đại lượng I0 và I đo được bằng thực nghiệm. Ví dụ về cách đo: với mẫu có
thể phân tán trong dung môi, người ta thường sử dụng hai cu– vét giống nhau, có độ
dày chứa mẫu xác định để dễ tính hệ số hấp thụ trong tích số α.d trên (thường chọn
loại dày 0,1 cm, 0,5 cm hoặc 1 cm). Một cu–vét chứa chỉ dung môi, gọi là cuvét so
sánh, dùng để xác định I0; cu– vét khác chứa vật liệu cần đo phổ hấp thụ (được phân
tán trong dung môi giống cu–vét so sánh) được dùng để xác định I trong cùng điều
kiện đo với I0. Sau khi xác định được các đại lượng I0 và I, có thể tính logarit cơ số e
tương ứng để xác định.
2.3.3. Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang
Phổ huỳnh quang được ghi nhận bởi hệ đo phổ huỳnh quang Cary Eclipse
phân giải cao ở Trung tâm Điên tử học Lượng tử, thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm
10


Khoa học và Công nghệ Việt Nam (hình 2.4). Nguyên tắc hoạt động của phổ kế
Cary Eclipse được cho trên hình 2.5.

Hình 2.4 Hệ đo phổ huỳnh quang Cary Eclipse
Nguyên lý hoạt động của hệ đo: nguồn kích thích của Cary
Eclipse là đèn Xenon flash xung có thể phát bước sóng thừ 200nm
đến 900nm, tần số lặp lại 80Hz, công suất xung 75KW. Nguồn sáng
từ đền Xenon đi qua một hệ cách tử để chọn bước sóng kích thích.
Ánh sáng đơn sắc này được đưa vào buồng mẫu và hội tụ trên mẫu
đo. Tín hiệu huỳnh quang phát ra từ mẫu được hội tụ lên lối vào
của máy hệ cách tử thứ hai và thu nhận ở lối ra bằng đầu thu
quang điện. Một phần của ánh sáng kích thích được trích ra đưa
vào đầu thu quang điện thứ hai để đồng bộ với tín hiệu thu.
2.3.4. Hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian-TCSPC
 Nguyên lý hoặt động

Phép đo TCSPC dựa trên cơ sở thu các photon đơn của mỗi chu
kỳ tín hiệu ánh sáng huỳnh quang. Ví dụ như trên Hình 2.7, mẫu
được kích thích bởi laser xung cực ngắn có tần số lặp lại cố định
(hàng chục MHz). Vì tín hiệu huỳnh quang yếu do đó tín hiệu từ
detector hiển thị trên dao động ký là những xung photon ngẫu
nhiên trải dài trên trục thời gian, nhiều chu kỳ tín hiệu không có
11


xung photon nào, có chu kỳ tín hiệu có nhiều hơn một xung
photon. Các photon tín hiệu được đếm và thời gian xuất hiện
photon được ghi lại. Sau rất nhiều chu kỳ tín hiệu, một số lớn các
photon được thu và phân bố của các photon theo thời gian trong
chu kỳ tín hiệu được xây dựng. Đây chính là phân bố xác suất của
photon và cũng là biểu diễn dạng sóng của xung quang học (5).

Hình 2.6. Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật TCSPC: một photon
tín hiệu được ghi nhận tại mỗi chu kỳ xung kích thích, nhớ vào các
cột thời gian (bin time), dựng lại biểu đồ tín hiệu theo thời gian
(histogram) sẽ cho frofile cường độ

12


Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp chấm lượng tử CdSe và chấm lượng tử
CdSe/CdS lõi/vỏ
 Tổng hợp chấm lượng tử CdSe

Dung dịch của [Cd] được gia nhiệt lên nhiệt độ 280 oC có khuấy từ trong môi
trường khí N2, sau đó tiêm nhanh dung dịch [Se] vào bình phản ứng, dung dịch hỗn
hợp nhanh chóng chuyển màu từ vàng của dung dịch sang màu đỏ rồi đỏ đậm. Để
thu được hạt kích thước 3-4 nm thời gian phản ứng 1 phút. Sau đó tắt bếp và nhấc
bình phản ứng ra khỏi bếp và để hạ xuống nhiệt độ phòng. Như vậy là đã xong tổng
hợp chấm lượng tử CdSe có cấu trúc zincblende với kích thước 3-4 nm dạng hình
cầu(16), một phần CdSe được sử dụng làm lõi cho quá trình chế tạo chấm lượng tử hệ
CdSe/CdS lõi/vỏ. Kết quả về hình thái và kích thước chấm lượng tử được trình bày
trong phần sau.

Hình 3.1. Hệ chế tạo CdSe, 1- bếp gia nhiệt có khuấy từ, 2- nồi
đựng cát truyền nhiệt, 3- bình ba cổ diễn ra phản ứng, 4- ống dẫn
khí Nitơ, 5- nhiệt kế thủy ngân, 6- xylanh bơm tiền chất phản ứng.

13


3.2. Ảnh vi hình thái của chấm lượng tử
Kết quả chụp ảnh vi hình thái TEM của mẫu CdSe và mẫu
CdSe/CdS lõi/vỏ, hình 3.1 cho thấy chấm lượng tử tổng hợp có
dạng tựa cầu, phân tán tốt trong môi trường dung môi toluen,
không bị kết đám, kích thước hạt < 10 nm. Kích thước hạt chính
xác của chấm lượng tử sẽ được trình bày trong phầm phổ hấp thụ
và huỳnh quang.

(b)

(a)

Hình 3.3. Ảnh vi hình thái TEM của mẩu (a) CdSe và (b) mẫu
CdSe/CdS
Về cấu trúc của chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS đã được
nghiên cứu nhiều bởi nhóm nghiên cứu PGS. Nguyễn Xuân Nghĩa,
kết quả chỉ ra rằng khi mà không sử dụng các chất hoặt hóa bề
mặt TOP, TOPO,… thì chỉ thu được cấu trúc Zincblende dù được
chế tạo ở nhiệt độ cao hay nhiệt độ thấp (16). Trong luận văn này chỉ
thừa nhận về cấu trúc thu được là Zincblende mà không khảo sát
lại nữa. Các tính toán trong luận văn cũng áp dụng đối với cấu trúc
tinh thể Zincblende.

14


3.3. Tính chất quang của chấm lượng tử trước khi chiếu xạ
gamma
3.3.1. Phổ hấp thụ và huỳnh quang
Sau khi chế tạo hai mẫu lõi CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ được khảo sát tính chất
bằng hệ đo huỳnh quang và hấp thụ hồng ngoại khả kiến. Phổ hấp thụ của CdSe và
CdSe/CdS lõi/vỏ có 2 đỉnh hấp thụ tại 2.092 eV và 2.249 eV với CdSe; 2.022 eV và
2.159 eV với CdSe/CdS lõi/vỏ. Giá trị năng lượng vùng cấm quang tương ứng với
đỉnh hấp thụ thứ nhất của phổ hấp thụ. Đỉnh phát huỳnh quang tại 2.065 eV với
chấm lượng tử CdSe và tại 2.003 eV với chấm lượng tử CdSe/CdS lõi/vỏ.

Hình 3.4. Phổ huỳnh quang (nét đứt) và phổ hấp thụ của mẫu
chấm lượng tử CdSe và chấm lượng tử CdSe/CdS lõi/vỏ.
Kết quả thu được trên bảng 3.1, với chấm lượng tử CdSe kích thước là 3.9 nm
độ rộng vùng cấm quang là 2.092 eV, với mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS lõi/vỏ kích
thước là 4.4 nm độ rộng vùng cấm quang là 2.022 eV.
Bảng 3.1. Các thông số vật lý của mẫu chấm lượng tử CdSe (lõi)
và CdSe/CdS (lõi/vỏ)
15


Mẫu

Ecq (eV)

EPL (đỉnh HQ)
(eV)

Kích thước hạt
D (nm)

Độ dịch Stock
(eV)

CdSe

2.092

2.065

3.9 nm

0.027

CdSe/CdS

2.022

2.003

4.4 nm

0.020

Như vậy kích thước hạt sau khi bọc vỏ đã tăng lên 0.5 nm, và độ rộng vùng
cấm quang Ecq cũng giảm theo hiệu ứng kích thước. Giá trị của độ dịch Stock cũng
giảm khi kích thước hạt tăng, điều này phù hợp với lý thuyết.
3.4. Ảnh hưởng của bức xạ gamma lên tính chất quang của chấm lượng tử
3.4.1. Hiệu ứng dịch đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang
Kết quả từ phép đo hấp thụ và huỳnh quang nhận được, thể
hiện đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang đã thay đổi sau khi chấm
lượng tử chiếu xạ gamma. Đỉnh hấp thụ và huỳnh quang dịch về
phía năng lượng cao, độ dịch tăng dần theo chiều tăng của liều
chiếu. Có thể thấy kết quả này tương tự như việc chế tạo chấm
lượng tử với các kích thước khác nhau, khi đó độ rộng vùng cấm
quang cũng thay đổi theo hiệu ứng kích thước.

16


Hình 3.5. Phổ hấp thụ - huỳnh quang của mẫu lõi CdSe (a), Đỉnh
phổ huỳnh quang dịch về phía năng lượng cao theo liều hấp thụ
gamma (b).

Hình 3.6. Phổ hấp thụ - huỳnh quang của mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ
(a), Đỉnh phổ huỳnh quang dịch về phía năng lượng cao theo liều
hấp thụ gamma (b).
Bảng 3.2. Năng lượng đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang của mẫu
CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ với các liều chiếu gamma từ 0-10 kGy.
Liều
chiếu
L
(kGy)

Đỉnh
hấp
thụ của
CdSe
(eV)

0kGy
1kGy
3kGy
5kGy
7kGy
10kGy

2.092
2.113
2.148
2.196
2.229
2.299

Đỉnh
huỳnh
quang
của
CdSe
(eV)
2.064
2.078
2.102
2.133
2.156
2.232

Độ dịch
Stock
(eV)

Đỉnh hấp
thụ của
CdSe/Cd
S (eV)

0.028
0.035
0.046
0.063
0.073
0.067

2.022
2.028
2.037
2.049
2.054
2.064

17

Đỉnh
huỳnh
quang
của
CdSe/CdS
(eV)
2.003
2.007
2.012
2.019
2.022
2.029

Độ dịch
Stock
(eV)

0.019
0.021
0.025
0.030
0.032
0.035


Hình 3.7. Năng lượng hấp thụ và đỉnh huỳnh quang dịch về năng
lượng cao như là hàm của liều hấp thụ gamma.
3.4.2. Suy giảm cường độ huỳnh quang theo liều hấp thụ
gamma
Với kết quả thu được có thể thấy với liều hấp thụ gamma càng lớn độ suy
giảm cường độ huỳnh quang càng lớn (hình 3.8).

Hình 3.8. Cường độ huỳnh quang suy giảm theo liều hấp thụ
gamma, (a) mẫu lõi CdSe và (b) mẫu lõi/vỏ CdSe/CdS
18


Ngoài những hạt photon gamma làm bóc các phân tử bên ngoài hạt nano dẫn
đến thu nhỏ kích thước, những hạt photon gamma cũng có thể đi vào bên trong hạt
tác động lên các nguyên tử bên trong hạt nano tinh thể, với trường thế và áp suất
bên trong, những nguyên tử bị tác động bởi hạt gamma nhận năng lượng và dịch
chuyển ra khỏi vị trí cân bằng trong trường thế mạng tinh thể, điều này dẫn đến chất
lượng tinh thể giảm, nên cường độ huỳnh quang cũng suy giảm theo.

Hình 3.9. Tích phân diện tích cường độ huỳnh quang chuẩn hóa
suy giảm theo liều hấp thụ gamma của hai loạt mẫu lõi CdSe và
CdSe/CdS lõi/vỏ sau khi chiếu xạ gamma
3.4.3. Ảnh hưởng bức xạ gamma tới thời gian sống huỳnh quang của điện tử
Khảo sát thời gian sống huỳnh quang của các mẫu CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ
được thực hiện tại hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian tại Viện Vật lý, Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả được chỉ ra trong hình 3.10.

19


Hình 3.10. Huỳnh quang phân giải thời gian của chấm lượng tử
mẫu CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ so sánh với các liều chiếu xạ gamma
khác nhau.
Bảng 3.3. Thời gian sống trung bình của các mẫu CdSe



CdSe/CdS lõi/vỏ sau khi chiếu xạ gamma.
Liều chiếu xạ
0 kGy
1 kGy
3 kGy
5 kGy
7 kGy
10 kGy

τtb (CdSe) (ns)
13.2
12.2
11.5
8.7
6.6
1.8

τtb (CdSe/CdS) (ns)
17.1
16.1
9.8
5.0
3.2
2.8

Bảng 3.3 cho thấy thời gian sống huỳnh quang trên các trạng thái kích thích
có xu hướng giảm khi liều chiếu tăng, điều này là phù hợp khi mà kích thước hạt
giảm thì sự xen phủ hàm sóng của điện tử và lỗ trống tăng lên, dẫn đến xắc suất tái
hợp điện tử và lỗ trống tăng, làm cho thời gian sống trung bình của điện tử giảm.

20


3.5. Ảnh hưởng của thời gian lên tính chất quang của chấm lượng tử sau chiếu
bức xạ gamma
3.5.1. Hiện tượng dịch đỉnh huỳnh quang về phía năng lượng cao của chấm
lượng tử theo thời gian sau khi chiếu xạ gamma
Mẫu sau khi chiếu xạ gamma với cùng điều kiện bảo quản, trong dung môi
môi toluene, các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ sau khi chiếu xạ gamma,
đỉnh huỳnh quang dịch về phía năng lượng cao theo thời gian, liều hấp thụ càng lớn
tốc độ dịch càng nhanh như là hàm của liều hấp thụ L.

Hình 3.11. Đỉnh huỳnh quang của chấm lượng tử sau khi chiếu xạ
gamma tiếp tục dịch về phía năng lượng cao theo thời gian. (a)
chấm lượng tử CdSe và (b) chấm lượng tử CdSe/CdS lõi/vỏ.
Hiện tượng có thể giải thích như các hạt tan dần trong dung môi toluen,
nhưng nếu không chiếu bức xạ gamma thì tốc độ dịch rất chậm, cần thời gian rất dài
mới nhận thấy sự thay đổi(16). Với mẫu chiếu xạ gamma, ngoài ảnh hưởng làm bứt
các phân tử ở phía ngoài hạt nano, bức xạ gamma làm yếu đi liên kết giữa các
nguyên tử, phân tử lớp ngoài, tạo thuận lợi cho việc tan vào dung môi so với mẫu
không chiếu bức xạ gamma. Nhưng càng vào bên trong ảnh hưởng bởi bức xạ
gamma càng yếu nên tốc độ tan giảm dần, dẫn đến tốc độ dịch đỉnh huỳnh quang
chậm dần.
21


3.5.2. Hiện tượng hồi phục cường độ huỳnh quang của
chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ theo thời gian sau
khi chiếu xạ gamma
So sánh cường độ huỳnh quang của chấm lượng tử sau chi
chiếu xạ gamma theo thời gian, kết quả nhận được là cường độ
huỳnh quang tăng dần theo thời gian. Cường độ huỳnh quang sau
ngày đầu chiếu xạ tăng rõ rệt, những ngày sau tăng chậm dần và
có xu hướng bão hòa.

Hình 3.12. Mẫu chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ cùng liều
chiếu là 5kGy, cường độ huỳnh quang phục hồi một phần theo thời
gian sau khi chiếu xạ.

22


Hình 3.13. So sánh tốc độ hồi phục cường độ huỳnh quang theo
thời gian giữa hai loại chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS, liều hấp
thụ 1kGy và liều hấp thụ 3 kGy.
Với chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS lõi/vỏ không chiếu xạ gamma, cường
độ huỳnh quang theo thời gian gần như không đổi.
Bảng 3.4. Phần trăm diện tích cường độ đỉnh huỳnh quang của
mẫu CdSe lõi hồi phục theo thời gian sau chiếu xạ, so sánh với
mẫu trước khi chiếu xạ.
Thời
gian
(ngày)

Phần trăm diện tích cường độ đỉnh huỳnh quang phục hồi (%)
Mẫu 1kGy

Mẫu 3kGy

Mẫu 5kGy

Mẫu 7kGy

0

44.8

11.4

2.2

1.1

1

63.3

24.3

5.3

2.8

2

71.7

26.9

6.1

3.2

3

78.6

28.2

6.9

3.6

6

83

29.7

7.9

3.7

10

83.3

30.7

8

3.8

15

86.1

31.4

8.1

3.9

Bảng 3.5. Phần trăm diện tích cường độ đỉnh huỳnh quang của
mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ hồi phục theo thời gian sau chiếu xạ, so sánh
với mẫu trước khi chiếu xạ.
23


Phần trăm diện tích cường độ đỉnh Huỳnh quang phục hồi (%)
Thời gian
(ngày)
Mẫu 1 kGy Mẫu 3 kGy Mẫu 5 kGy Mẫu 7 kGy Mẫu 10 kGy
0

71.8

31

14.9

7.1

3.3

1

83.3

34.7

19.3

10.7

8.3

2

85

36.5

20.2

11.1

8.7

3

91.2

37.1

21.1

11.2

9.6

6

92.1

36.6

21.6

11.5

11.6

10

90.3

37.2

21.6

11.7

12.2

15

91.7

38.5

21.8

12.1

13.3

-Ảnh hưởng của bức xạ gamma lên các nguyên tử trong tinh thể, làm

cho một số nguyên tử lệch khỏi nút mạng, dẫn đến giảm chất
lượng tinh thể và giảm cường độ huỳnh quang. Dưới tác động của
dao động mạng trong tinh thể ở nhiệt độ phòng, và trong giới hạn
đàn hồi của mạng tinh thể, theo thời gian một phần nguyên tử bị
dịch khỏi vị trí nút mạng dần trở lại ví trí cũ trước khi chiếu xạ
gamma, dẫn đến hồi phục một phần chất lượng tinh thể và tăng
trở lại cường độ huỳnh quang.
-Với liều chiếu gamma thấp, độ lệch mạng của nguyên tử khỏi vị trí
cân bằng thấp, với liều chiếu xạ càng cao độ lệch mạng càng lớn.
Khi độ lệch mạng vượt qua một giới hạn nào đó thì nó không thể tự
hồi phúc về trạng thái ban đầu lúc đo cấu trúc tính thể bị thay đổi
do đó tính chất huỳnh quang cũng bị thay đổi theo (ở đây là hiện
tượng dập tắt huỳnh quang ở liều chiếu xạ 10 kGy)
-Việc tồn lại lớp vỏ CdS bao bọc bên ngoài sinh ra một áp suất lên lõi
CdSe bên trong, điều này dẫn đến hệ số đàn hồi C của các nguyên
tử Cd với Se tăng lên tương tự như lò xo tăng độ cứng của nó, nên
biên độ dao động mạng tinh thể của lõi CdSe trong cấu trúc lõi/vỏ
cũng bé hơn CdSe đơn thuần khi ở cùng nhiệt độ, điều này dẫn
đến khả năng hồi phục của mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ kém hơn mẫu
CdSe.
24


-Với liều hấp thụ lớn làm cho các nguyên vượt qua giới hạn hồi phục

để có thể hồi phục như mẫu chiếu 10 kGy vào chấm lượng tử
CdSe, mẫu chấm lượng tử bị dập tắt cường độ huỳnh quang và
không còn khả năng hồi phục.

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×