Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu, tổng hợp chấm lượng tử ZnS Pha tạp Mn nhằm ứng dụng trong nhãn mác




NGUYỄN MAI BẢO THY




NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ
ZnS PHA TẠP Mn NHẰM ỨNG DỤNG TRONG
NHÃN MÁC

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học




PGS.TS.Nguyễn Mạnh Tuấn




Thành phố Hồ Chí Minh - 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Mai Bảo Thy
i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT. v
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm - phân loại 3
1.1.2. Đặc trưng vật liệu nano 3
1.1.2.1. Hiệu ứng kích thước 4
1.1.2.2. Hiệu ứng bề mặt 5
1.1.2.3. Hiệu ứng lượng tử 5
1.2. Đặc trưng của chấm lượng tử
1.2.1. Khái niệm về chấm lượng tử (QDs) 5
1.2.2. Đặc trưng QDs 6
1.2.2.1. Hiệu ứng giam hãm lượng tử 6
1.2.2.2. Khả năng ghép phân tử 6
1.2.2.3. Cường độ hấp thu quang mạnh – tốc độ giảm cấp quang
học thấp 7
1.3. Cấu trúc tinh thể ZnS:
1.3.1. Cấu trúc lập phương giả kẽm 8
1.3.2. Cấu trúc Wurtzite 9
1.4. Tính chất quang
1.4.1. Quá trình phát quang 9
1.4.2. Quá trình kết hợp 11
1.4.3. Những chuyển dời bức xạ 12
1.4.4. Tâm phát quang 17
1.5. Một số ứng dụng của chấm lượng tử
1.5.1. Sơ lược về các hợp chất của Cadimium 19



NGUYỄN MAI BẢO THY




NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP CHẤM LƯỢNG TỬ
ZnS PHA TẠP Mn NHẰM ỨNG DỤNG TRONG
NHÃN MÁC

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học



PGS.TS.Nguyễn Mạnh Tuấn




Thành phố Hồ Chí Minh - 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

Luận văn thạc sỹ Nguyễn Mai Bảo Thy
i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT. v
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm - phân loại 3
1.1.2. Đặc trưng vật liệu nano 3
1.1.2.1. Hiệu ứng kích thước 4
1.1.2.2. Hiệu ứng bề mặt 5
1.1.2.3. Hiệu ứng lượng tử 5
1.2. Đặc trưng của chấm lượng tử
1.2.1. Khái niệm về chấm lượng tử (QDs) 5
1.2.2. Đặc trưng QDs 6
1.2.2.1. Hiệu ứng giam hãm lượng tử 6
1.2.2.2. Khả năng ghép phân tử 6
1.2.2.3. Cường độ hấp thu quang mạnh – tốc độ giảm cấp quang
học thấp 7
1.3. Cấu trúc tinh thể ZnS:
1.3.1. Cấu trúc lập phương giả kẽm 8
1.3.2. Cấu trúc Wurtzite 9
1.4. Tính chất quang
1.4.1. Quá trình phát quang 9
1.4.2. Quá trình kết hợp 11
1.4.3. Những chuyển dời bức xạ 12
1.4.4. Tâm phát quang 17
1.5. Một số ứng dụng của chấm lượng tử
1.5.1. Sơ lược về các hợp chất của Cadimium 19
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Mai Bảo Thy
ii

1.5.2. Ứng dụng chấm lượng tử pha tạp 20
1.5.2.1. Ứng dụng trong tem chống hàng giả 21
1.5.2.2. Ứng dụng trong viễn thông 23
1.5.2.3. Ứng dụng trong sinh học – y học 24
1.5.2.4. Ứng dụng trong vật lý 25
1.6. Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano 26
Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 29
2.1.1. Hóa chất 29
2.1.2. Thiết bị 29
2.1.3. Dụng cụ 29
2.2. Phương pháp chế tạo QDs ZnS pha tạp Mn:
2.2.1. Quá trình tạo hạt 30
2.2.2. Qui trình thí nghiệm chế tạo hạt nano ZnS pha tạp Mn
2.2.2.1. Dung dịch muối tổng hợp mẫu 31
2.2.2.2. Qui trình điều chế pH 31
2.2.2.3. Chế tạo mẫu 32
Chương 3: KẾT QUẢ - PHÂN TÍCH
3.1. Kết quả đo XRD
3.1.1. Kết quả 35
3.1.2. Nhận xét 36
3.1.3. Tính hằng số mạng: theo mẫu 10% 36
3.1.4. Tính kích thước hạt bằng công thức Scherrer 38
3.2. K ết quả đo phổ phát quang 39
3.3. Kết quả đo phổ UV – VIS 42
3.4. Kết quả đo TEM 48
Chương 4: KẾT LUẬN CHUNG
4.1. Những kết quả đạt được 51
4.2. Những hạn chế và hướng phát triển của đề tài
4.2.1. Những hạn chế của đề tài 51
4.2.2. Hướng phát triển của đề tài 52
TÀI LI ỆU THAM KHẢO 53
PHỤ LỤC 55



Luận văn thạc sỹ Nguyễn Mai Bảo Thy
iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Độ dài tới hạn của một số vật liệu
Bảng3.1: Kết quả tính toán của các họ mặt phản xạ của mẫu ZnS: Mn 10%
Bảng 3.2: Hằng số mạng của các mẫu
Bảng 3.3: Kết quả tính kích thước hạt của các mẫu
Bảng 3.4 :Kết quả độ hấp thụ - bước sóng của mẫu ZnS:Mn 0%
Bảng 3.5 :Kết quả độ hấp thụ - bước sóng của mẫu ZnS:Mn 5%
Bảng 3.6 :Kết quả độ hấp thụ - bước sóng của mẫu ZnS:Mn 10%
Bảng 3.7: Kết quả độ hấp thụ - bước sóng của mẫu ZnS:Mn 15%





















Luận văn thạc sỹ Nguyễn Mai Bảo Thy
iv


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô phỏng vật liệu khối (3D), màng nano (2D), dây nano (1D)và hạt (0D) nano
Hình 1.2: Phổ hấp thu của thuốc nhuộm hữu cơ và CdSe
Hình 1.3: Cấu trúc lập phương giả kẽm
Hình 1.4: Cấu trúc Wurtzite
Hình 1.5: Những chuyển dời bức xạ
Hình 1.6: Biểu đồ những chuyển dời từ donor đến acceptpor
Hình 1.7: Quá trình kích thích và tâm phát quang
Hình 1.8: Quang phổ hấp thụ : (a) quantum dots ZnS và (b) vật liệu ZnS
Hình 1.9: Tem chống hàng giả dưới các góc nhìn khác nhau
Hình 1.10: Ứng dụng chấm lượng tử trong in bảo mật
Hình 1.11: Chấm lượng tử được gắn với các kháng thể nhận dạng tế bào ung thư
Hình 1.12: Đèn huỳnh quang compact
Hình 1.13: Điôt phát sáng
Hình 2.1: Cân phân tích và máy khuấy từ
Hình 2.2: Máy quay li tâm và máy rung siêu âm
Hình 2.3: Máy sấy chân không
Hình 3.1: Giản đồ XRD của các mẫu ZnS:Mn 0%, 5%, 10%, 15%
Hình 3.2: Giản đồ so sánh các mẫu ZnS với nồng độ Mn khác nhau
Hình 3.3. Đồ thị PL của các mẫu ZnS:Mn 0%, 5%, 10%, 15%
Hình 3.4: Đồ thị PL so sánh cường độ phát quang của các mẫu
Hình 3.5 : Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ Mn theo tỉ số cường độ màu cam so màu
xanh
Hình 3.6: Phổ hâp thu ZnS pha tạp Mn ở các nồng độ khác nhau
Hình 3.7 : Đồ thị sự phụ thuộc (Ah)
2
theo h mẫu ZnS:Mn 0%
Hình 3.8 : Đồ thị sự phụ thuộc (Ah)
2
theo h mẫu ZnS:Mn 5%
Hình 3.9 : Đồ thị sự phụ thuộc (Ah)
2
theo h mẫu ZnS:Mn 10%
Hình 3.10 : Đồ thị sự phụ thuộc (Ah)
2
theo h mẫu ZnS:Mn 15%
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn năng lượng vùng cấm theo nồng độ tạp chất Mn
Hình 3.12: Hình chụp TEM của mẫu ZnS:Mn 0% ở thang đo 50nm và 100nm
Hình 3.13: Hình chụp TEM của mẫu ZnS:Mn 5% ở thang đo 50nm và 100nm
Hình 3.14: Biểu đồ thể hiện sự phân bố kích thước hạt của mẫu ZnS:Mn 0% và ZnS:Mn
5%
Luận văn thạc sỹ Nguyễn Mai Bảo Thy
v






DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT – KÍ HIỆU

 Kí hiệu:
- Eg: độ rộng vùng cấm
- : hằng số điện môi
- E
d
: năng lượng mức donor
- E
a
: năng lượng mức aceptor
 Chữ viết tắt:
- QDs: chấm lượng tử
- DAP: cặp donor – acceptor
- LED: diod phát quang
- XRD: nhiễu xạ tia X
- PL: quang phát quang
- UV – VIS: tử ngoại – khá kiến
- TEM: kính hiển vi điện tử truyền qua


1

LỜI MỞ ĐẦU

I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
 t khi các nhà bác hc c xác lp các nguyên tc
u tiên v khoa hc, thì các ngành khoa hc c tp trung thành mt môn
duy nht hc.ng ca khoa hc lúc bt gi là các vt th 
Cùng vi thi gian, hiu bit c phc tp
c phân ra theo các ngành khác nhac, vt
lí, hóa hc, sinh h nghiên cu các vt th  c lng
ca khoa hc ng dng hin nay là tích hp l cùng nghiên cng
nh c tic ca nguyên t. Công ngh c u
n mnh m vì có nhiu ng dc ca cuc sng:
 Chng hc s d ch tn t vc
ri có b nh p nhiu ln so vi các loc
n xut các loi LED, laser chng t ng thp và hiu
sut cao
 To ra các loi pin nhân ti phát trin các ngung
sch
 Và vt lic ng dc công ngh sinh hc 
dn truyn các li thuc, hin nh t c ng
dc phòng, thc ph
t ling s d tng hp chng t là hp cht ca
Cadimi ng t ca hp cht m: d tng
hp, giá thành r tuy nhiên chúng lc tính cao và ng xn môi
ng.
c nghiên cu thêm nhiu loi vt li tng hp
chng t, mt trong nhng chc quan tâm hin nay là ZnS. Loi vt liu
i và thân thin vng, bên c
còn có mt s tính chcó vùng cm th rng vùng cm ln
( nhi phòng là 3,68eV), nhi nóng chy ln (2103
o
K). Mt khác khi pha
thêm các kim loi chuyn ti
2+
, Cu
2+
, Eu
3+
i n pha
tp, bc ph polymer thì ta có th  rng vùng cm ca ht nano
 c các di bc x khác nhau theo ý mun.
2

T nh thit b sn có ca Vin Vt Lý Tp. H Chí
Minh, tôi ch  Nghiên cứu, tổng hợp chấm lượng tử ZnS pha tạp Mn
nhằm ứng dụng trong nhãn mác .

II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

 Nghiên cu ch to ht ZnS pha tp Mn vi n khác nhau.
 Nghiên cu tính cht quang ca ht ZnS pha tp Mn
 Kho sát tính cht quang ca ht ZnS pha tp  n t.

III. CẤU TRÚC LUẬN VĂN:
 M u
 Ni dung:
 ng quan.
 c nghim.
 t qu và phân tích.
 ng phát tri tài.
 Ph lc
 Tài liu tham kho















3

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1. Vật liệu nano:
1.1.1. Khái niệm và phân loại:
Vt liu nano là vt lit mt chic nano
mét. Vt lic tp trung nghiên cu hin nay, ch yu là vt liu rn, sau
n cht l vào hình di ta chia thành các loi vt
liu sau:
 Vt liu nano không chiu (c ba chic nano)

 Vt liu nano mt chiu (hai chic nano): ng nano, dây nano
 Vt liu nano hai chiu ( mt chic nano) màng nano











 Nanocomposite: vt lic nano hoc cu trúc ca nó có vt liu
nano không chiu, mt chiu, hai chi

1.1.2. Đặc trưng vật liệu nano:
Tính cht thu hút các nhà nghiên cu bt ngun là c nh ca vt
liu nano (ch l t 1  2 ln), có th so sánh vc ti hn
ca mt s tính cht lý hóa ca vt liu. Vt liu nano mang tính cht chuyn tip
gia tính cht chuyn tip c n ca vt liu khi và tính ch ng t ca
nguyên t. T c nh t hin các hiu c bit ca vt
liu nano:

Hình 1.1:Mô phỏng vật liệu khối (3D), màng nano (2D), dây nano (1D)
và hạt (0D) nano
4

1.1.2.1. Hiệu ứng kích thước:
Mt vt li    i các tính cht vt lý, hóa hc
không i: nhi nóng ch d dn nhit, tính bazo  Tuy
c vt liu gin thang nm thì nhng tính cht này s b thay
i. Hing này gi là hiu c mà vt liu bu
i tính cht gi c ti hn. Ví dn tr ca mt kim loi tuân
nh lut Ohm  y hàng ngày. Nu ta gim kích
c ca kim loi xung nh ng t do trung bình cn t trong
kim long là t n nh lut Ohm không
nn tr ca vt lic nano s tuân theo các quy tc
ng t.
Các nghiên cu cho thy các tính chn, t, quang, hóa hc
ca các vt lic ti hn trong khong t n 100 nm nên
các tính chu có biu hing thú v  vt liu nano so vi các vt
liu khi.

Bảng 1.1 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

Tính chất
Thông số
Độ dài tới
hạn (nm)
Tính ch
nh x
1  1000
Biên ht
1  10
Bán kính khng nt v
1  100
Sai hng mm
0,1  10
  mt
1  10
Tính chn
n t
10  100
ng t 
hi
1  100
Hiu ng ngm
1  10
Tính cht t
 
10  100
ng tán x spin
1  100
Tính siêu dn
 dài liên kt cp Cooper
0,1-100
 thm thu Meiner
1  100
Tính cht
Ging t
1  100
5

quang
 dài suy gim
10  100
 sâu b mt kim loi
10  100



1.1.2.2. Hiệu ứng bề mặt:
i vi vt liu khi ch có m s ít nguyên t n m
 thì nc che ch  vt liu
nano, ht c các nguyên t u nm trên b mt. Vì vy,  vt liu nano
mi nguyên t th hin tt c các tính cht cng ngoài.
T t hic tính ni tri v tính chn, t

1.1.2.3. Hiệu ứng lượng tử:
i vi các vt liu ng t c trung bình
hóa cho tt c các nguyên t b qua s khác bit ca tng nguyên
t mà ch n giá tr trung bình ca chúng. Còn  vt lic
vt liu nh và s ng nguyên t ít nên tính chng t th hin rõ và không
th b qua. i các tính chn, quang, tinh cht quang
phi tuya vt liu.

1.2. Đặc trưng cơ bản của chấm lượng tử (QDs):
1.2.1. Khái niệm về QDs:
QDs là mt cht bán dn có ba chiu b giam gic nh
n mc thêm vào hay bt ra mt nguyên t c tính cht
ca vt liu theo mt cách hó. Nói mn, QDs là cht bn
dn mà tính cht cn t có liên h mt thit vc và hình dng
ca các tinh th riêng bic tinh th càng nh  rng vùng cm càng
ln t t hin s chênh lch ln ginh vùng hóa tr.
, chúng có tính cht chuyn tip gia tính cht ca vt liêu khi và
ca các phân t. Các nhà khoa hc nghiên cu  s dng QDs trong các transistor,
pin mt tri, led và các diod laser. QDs  dng y hoc vì có nh

 ng t 
 ng hp th và phát x có th u chc bc
6

 Ca s kích thích rnh phát x thu hp
 c tính thp
QDs c phân loi theo nguyên t hay theo hp cht. Vt liu hp cht
có th c phân loi theo các ct trong bng tun hoàn, ví d:
 Nhóm IB-
 Nhóm IIB-
 Nhóm IIIB-VB (GaN, GaP, GaAs, InN, InN, InSb )
 Nhóm IVB-

1.2.2. Đặc trưng QDs:
Trong h bán dn các electron khác nhau có mng khác nhau
và nm i gn nhau, có th nói các mng này tr nên liên tc to
thành m khác nhau v ng gia chúng. Nguyên
nhân quan trng nht v s liên tc ca các mng trong cht bán dn
chính là s nh và không bii ca  rng vùng cm.
i vi QDs, các mng trong h tách bit nhau, bt kì mt s
thêm vào hay tr bt mt nguyên t hay mt electron trong h u dn ti
 rng vùng cm. Vì vic thêm vào hay bt ra mt nguyên t hay mt electron
không khó nên vii  rng vùng cm ca vt liu có th thc hic.
 rng vùng cm ca các QDs ng lso vi các bán dn khi nhiu ln.

1.2.2.1. Hiệu ứng giam hãm lượng tử:



h thích
QDs 
.  (
)  , 




 



 




7

1.2.2.2.Khả năng ghép phân tử:
 các thành phn cu to cu có s tham gia ca
nguyên t chuyn tip, nên kh  a h
QDs. Khi ta tng hp QDs btinh th QDs to thành
 ng cao và có kh  khác qua liên kt kiu kim
loi vi nhóm chi t.
Nhng nhóm ch
oxide, phosphonic acid, carboxylic acid hay các lou có th to liên
kt phc cht tt vi các nguyên t kim loi cu thành QDs. Bng s liên kt hp lí
trên b mt, QDs có th c khuch tán hay hoà tan vào các dung môi hay trn
chung vcho phép ta có th i tính cht quang
n ca h QDs.
 các nhà nghiên cng ti QDs lõi - v, lp
v to ra theo tùy m dng, tùy tính cht mun phát trin  yu
là bo v nhân QDs và u sung t. Lp v ng là mt
l vi lp v này QDs c  p th quang hc, làm cho vt
liu m thiu kh p ca electron và l trng.
Có th gii thích tác dng ca lp v vô  lên nhân QDs
u ch là h nhân QDs,  trên b mt s có các electron t do, ngoài ra
còn có các khuyt tt tinh th, có th làm gim hiu sung t. Nu ta ph lên
b mt mt lp v  mt s ng liên kt, ngoài ra
các ng ca khuyt tt tinh th c trung hoà.

1.2.2.3.Cường độ hấp thụ quang mạnh - tốc độ giảm cấp quang học
thấp:
So sánh ph hp thu ca CdSe và thuc nhum h  
(fluorescein isothiocyanate)







 hp th
 hp th
8













Ta nhn thy vùng h    hunh quang ca
i xnh nhvì vy kh p th  ca
QDs không b nhiu lon. Ph hp th c rn vùng t ngai,
v ln, trong khi  thuc nhum h gim .
Nhìn vào din tích vùng xen ph gia hai ph, ta thy tuy tng
ph ca thuc nhum hr nhau ít, trong khi  QDs ta thy
  hp, và xen ph nhau nhiu   kh  p th và phát hunh
quang ca QDs t i thuc nhum h u ph cho bên
ngoài QDs mt lp v  S thì  hp th m    hunh
 gim cp quang hc thì thuc nhum hu
t kém bn so vi QDs.
Tuy nhiên, ta không th  thay th thuc nhum trong
tòan b các ng dng sinh hc, vì nhiu yu tu t n
ng hc ca QDs có
 ng vi mc và thành phn cu trúc thì
QDs có mt  rng vùng cm nh. Nu ta tng hp ra QDs có  
cao thì các s p th s b nhiu lon ng
dc.





Hình 1.2: Phổ hấp thu của thuốc nhuộm hữu cơ và
CdSe
c sóng
c sóng
9

1.3. Cấu trúc tinh thể của ZnS:
ZnS có hai dng cu trúc: l km và cu trúc Wurtzite. ZnS tn
ti trong t i cu trúc lgi km, rt ít  cu trúc Wurtzite.

1.3.1. Cấu trúc lập phương giả kẽm:
i xng không gian: T2d F43m (216).
- Cu trúc tinh th c mô t bi:
 Mng Bravais: Lt F.
 : gm 2 nguyên t  (0,0,0 ) và (1/4,1/4,1/4 ).
 v cha 8 nguyên t (4 phân t ZnS ).











Mi nguyên t c bao bc bi 4 nguyên t S Zn)  nh ca
t diu vi khong cách

3
4
,vi a = 5.410A
o
là hng s mng. Mi nguyên t S
c bao bc bi 12 nguyên t còn li, chúng  lân cn bc hai nm trên
khong cách

2
2
  nm  nh ca lc giác trên cùng mt
phu, 6 nguyên t còn li t gm 3 nguyên t  mt
cao   mt phng tht phng k trên. Các lnh
ng theo tr có cu trúc l km có tính d
ng. Các hp chu trúc tinh th theo kiu l km:








Hình 1.3: Cấu trúc lập phương giả kẽm
10

1.3.2. Cấu trúc Wurtzite:
 i x    ng vi cu trúc này là C
46V

P
63mc
 u trúc bn  nhi cao ( nhi chuyn t cu trúc lp
 km sang cu trúc Wurtzite  1020
o
n 1150
o
C ).
Trong m có 2 phân t ZnS vi t:
- 2S: (0,0,0); 
1
3
,
2
3
,
1
2

- 2Zn: (0,0,u); 
1
3
,
2
3
,
1
2
+ 










Mi nguyên t Zn liên kt vi 4 nguyên t S  bnh ca t din.
Khong cách t nguyên t n 4 nguyên t S là (u.c), khong cách gia các
nguyên t S là

1
3

2
+ 
2

1
2

2
    
o
, c = 6.62A
o
. Có th coi
mng lc giác Wurtzite là hai mng lc giác lng vào nhau: mng lc giác th nht
cha các nguyên t S và mng lc giác th 2 cha các nguyên t Zn. Mng lc giác
th t theo trc z so vi mng lc giác th nht mn 
3
8
. Xung quanh


               

1
3

2
+
1
4

2
.

1.4. Tính chất quang:
1.4.1. Quá trình phát quang:
Hình 1.4: Cấu trúc Wurtzite
11

Mc quan trng ca các chng t là màu sc
ca chúng. Trong khi các vt liu to ra mt ch ng t   
ng ni ti c c gii hn ca tinh th ng t là rt
quan trng  mng gn vùng cng t có cùng vt
lic khác nhau, có th phát ra ánh sáng các màu khác nhau,
u ng giam cng t .
Các chm lng thp phát ra quang ph hunh quang màu
c li các chm nh ng  phát x ánh sáng màu xanh. Màu
sc này liên quan trc tip ti các mng ca chng t. Nói v s
ng, vùng cng ca ánh sáng hunh quang t l
nghch vc ca các chng t. Các chng t ln có m
ng nhiu u này cho phép các chng t hp
th photon có ch nm g 
Các bài báo g nano và trong các tu cho
thy hình dng ca du chng t có th là mt yu t màu s
thông tin kh hin thi gian sng ca hunh
 nh bc ca các chng t. Chm ln có nhiu
mng gp electron - l trng có th b gi li. Vì vy
cp electron - l trng  các chm ng t ln có thi gian s
Gii bt k cht bán dn tinh th nào, mt chng t có
 n t m rng mng tinh th    t phân t, mt
chng t có c ph ng và m ng t ca các trn t
nm gn mép vùng cng. Hunh quang là s phát x ánh sáng ca mt
cht hp th ánh sáng hoc các bc x n t c sóng khác nhau. Trong hu
hng hp phng thi
các bc x hp th. Tuy nhiên, khi hp th bc x n t  cao, có th
cho mn t hp th p th có th phát ra bc x
c sóng ngc x hp th. Hu ht các cht phát x hunh quang xy
ra khi hp th bc x nm trong vùng t ngoi ca quang ph nên ánh sáng phát ra
nm trong khu vc nhìn thc. Hunh quang có nhiu ng dng thc t, bao
gm: khoáng vt hc, cm bin hóa hc, ghi nhãn hunh quang, thuc nhum, máy
dò sinh hc và ph bin nhnh quang.
Hunh quang xy ra khi mt qu n t ca mt phân t, nguyên
t hoc cu trúc nano mun tr v trn ca nó bng cách phát ra mt
12

photon ánh sáng sau khi nó c kích thích lên trng t i mt
s long:
Quá trình kích thích:
0 kt 1
S hv S

Phát x hunh quang:
10px
S S hv
+ nhit
 
hv
ng photon vi h là hng s 
v
là tn s
ánh sáng.Trng thái S
0
c gi là trn ca các phân t hunh quang
và S
1
là trng thái kích thích bc 1. Các phân t c kích thích thông qua hp th
ánh sáng hoc thông qua mt quá trình khác (ví d n phm ca mt phn
ng) có th truy phân t nhy cm ln th i
sang trng thái kích thích c phát hunh quang. Quá trình này
c s dng trong  to ra màu sc khác nhau.

1.4.2. Quá trình kết hợp
Trong nhng cht bán dn, nhiu loi kích thích khác nhau
(chng hn bc x photon hon t ) to ra nhng ht t
cân bng nhit. S kt hp ca nhng cn t - l trng hi phc li trng thái
cân bng tâm kt hp vi nhng mng trong vùng cc
phân bit ra là bc x hay không bc x, ph thuc vào quá trình kt hp mà kt
qu là s phát x ra photon hay không. Mt trong nhng ng dng quan trng ca
nhng cht bán dng quá trình kt
hnh. Khi mà bán dc cung cp bi mt d
nh, nó s phát ra photon nhi  c x nhit, nó ph thuc vào
ngung kích thích vt liu phát quang.
Quá trình phát quang có th      
(kích thích bn phát quang (kích thích bng cách áp vào mng
c kích thích bi nhng tia cathode hoc nhng
n t ng ). Trong bán dc mô t mt cách tng
quát s kt hp bc x ca nhng cn t - l trn s chuyn
di gia nhng trng thái trong vùng dn hoc vùng hóa tr và nhng mc trong
vùng cng do tp cht donor hoc acceptor chng hn.
Trong nhng cht bán dn, có nhng giá tr thích hp ca vùng
c ng, s phát x ca photon xut hin trong vùng ánh sáng nhìn thy
c ca quang ph n t (gia 0.4 và 0.7

ng 3.1eV  1.8 eV).
u này làm cho bán dn rt là hp dn trong nhng ng dn
13

tc hi m nh nhc
 nhng tính chn t ca cht bán dn. Trong nhng cht
bán dn, s phát quang do s chuyn di nhng trn t gia nhng trng
ng t ng khác bit v mi l
mt vài eV. Quang ph phát quang có th chia thành : s phát x do bn cht bên
trong (s phát x cnh hon ), s phát x do yu t 
hot hóa). Phát quang bn cht do s kt hp ca nhn t và l trng
t bên này sang bên kia ca vùng cng (chng hn nó là thuc v bn
cht ca vt liu ). Ti nhi ng, phát quang bn cht xut hit
vùng nh  ng v   nh ca nó t  ng photon là
pg
hE


. Vì th, bi trong vùng cng (chng hn do nhi
hoc n pha tp ) có th quan sát b
p
h

.
Trong bán dn có vùng cm trc tip (chng h
nhng chuyn di (trc tip) hng t bên này sang bên kia ca cc tiu
vùng cng, gia trng thái có xác xuy nht, cc tiu ca vùng
dn và trng thái có xác sut trng nht, ci ca vùng hóa tr. S kt hp bc
x gia nh n t và l tr   i có kh    i dng
nhng chuyn di. Trong nhng bán dn có vùng cm xiên (chng hn Si, GaP),
bi vì s kt hp ca nhng cn t - l trng yêu cu s tham gia ca ht
ngoài (chng ht ca quá trình này thì thn di
trc tip. Vì th, s phát x n trong bán dn xiên thì yc bit khi so sánh
do khuyt tt hoc pha tp.Trong c bán dn chuyn di trc tip và gián tip,
quang phát phát x ph thuc vào s hin din ca nhng loi tp chn
cht bên ngoài.

1.4.3. Những chuyển dời bức xạ
Mt bi n mô t nhng chuyn di bc x dn s
phát x trong nhng bán dn chng nhng tp cht. Nhng tính chn
ca nhng chuyn dc mô t 





14






n di ni vùng, mn t c
kích thích lên trên cnh vùng dn t t nhy xung và tin ti cân bng nhit vi
mng tinh th. Quá trình nhit hóa s d n s phát x  c h tr
phonon, gi có s phát x n di
liên vùng, s kt hp trc tip gin t trong vùng dn và l trng trong vùng
hóa tr dn kt qu là s phát x cng
pg
hE


; s chuyn
di này to ra s phát x ni. Mc dù, s kt hp này xut hin t nhng trng thái
tin dng theo nhng cnh hp th, thì s phân b nhit ca nhng ht ti
trong nhng trng thái này s dn, mt cách tng quát, là mt quang ph phát
x rng.Trong quá trình 3 là s hy exciton có th c quan sát ti nhi thp.
C exciton t do và exciton liên kt vi mt tp cht có th tri qua nhng chuyn
dng hp nhng exciton liên kt, mt trong s nhng ht tn
nh v ti mt cái tâm mà   h tr kh o toàn momen trong sut
chuyn dc bit quan tri vi nhng vt liu có vùng cm xiên
).
Nhng chuyn dc kí hiu vi kí t: s kt hp
nhng exciton t c kí hiu là X, s kt hp ca nhng exciton liên k ti mt
donor trung hòa kí hiu là D
0
X, ti mt acceptor trung hòa là A
0
X, và ca nhng
exciton liên kt da theo nhng mc tp cht b ion hóa là D
+
X, A
-
X. Nhng quá
trình t 4  6 do nhng chuyn di mà bu và kt thúc ti nhng trng thánh
x ca nhng tp cht (chng hn donor, acceptor ) trong vùng cm. Quá trình 4
th hin chuyn di t n l trng t c kí hiu bng D
0
h, quá trình 5
th hin chuyn di t n t t n trng thái acceptor, quá trình 6 là mô hình
kt hp cp donor  acceptor (DAP).
Nhng quá trình này gii thích cho hu ht nhng quá trình áp
dng trong mt vùng rng nhng vt liu bán dn phát quang. Nhng chuyn di
 thông qua nhng mc donor và acceptor sâu có th t hi
ng ca nhng chuyn dng hp này thì nh  chuyn di t
c bit quan tri vi các bán
Hình 1.5: Biểu đồ những chuyển dời bức xạ

15

dn có vùng cm rng, chng hn s chuyn di liên h vi nhng mc sâu s dn
n s phát x nhng photon trong vùng ánh sáng nhìn thy c và vùng hng
ngoi gn.
Chng hn trong nhng trng thái m n t  nh x cao
trong không gian, nói cách khác hàm sóng ca nó ch m ri vi nhng
n t lân cn gn nhu s bnh v v , s bnh v
i ln theo nguyên lý bt nh Heisenberg
2
xp  

. Vì th, do p =
k.

, ta có th vit k
2
(2 )x
nh rng ca mt mc sâu m rng
ra vi mt vùng rng nhng giá tr k. Vì th, s chuyn di trc tip t mt mc
tp cht ti mt vùng rng nhng trc m rc cho phép mà
không có s tham gia cc bii vi nhng
bán dn có vùng cm xiên.
Chuyn di 7 th hin quá trình kích thích và tái kích thích bc
x ca mt tp cht vi nhng lp v bên trong không hoàn chnh, chng h
nht him hoc nhng kim loi chuyn tip. S kt hp cn t - l
tr xut hin thông qua nhng quá trình không bc x. Nhng quá
trình kt hp không bc x bao gm:
 S phát x ng hn s chuyi trc ting ca
n t thành nhi
 Hiu ng Auger (s chuyn ti ng ca m n t bng cách
 hp th bi mn t khác, nó chuyn lên trng thái có mc
n, ti phát x n t t vt liu
hong ca nó thông qua quá trình phát x phonon ), và s kt
hp do nhng trng thái và khuyt tt b mt.
Vì th ta có th phân bic quá trình kt hp bc x và không
bc x trong bán dn. Quá trình bc x bao gm nhc mô t 
trên: s kt hn t - l trng t n vùng khác, s kt hp nhng
exciton t do, s kt hp DAP, s kt hp ca nhng exciton liên kt ti nhng tâm
nông và nhng bn t. Quá trình không bc x bao gm s kt h
phonon ti nhng tâm nm sâu, kt hp Auger, kt hp  b mt, và kt hp ti
nhng khuyt tt khác nhau (chng hn lch mng ). Ti nhng ch nc
chú ý rng, nhng khuyt tt mng có th to ra nhng mnh x trong vùng
c  ng. Nhng lch mng có th to ra c nhng mc nông do nhng
ng bin di và nhng mc sâu liên quan ti nhng liên kt dangling.
16

t vùng rng nhng khuyt tm thuc v bn cht (chng hn
nhng l khuyt và s phc tp ca chúng vi nhng nguyên t tp ch
th hin di to ra nhng mnh x trong vùng cng
ca nhng bán dn hp kim chng hchú ý rng trong nhng
bán dn pha tp suy bi pha tt quá giá tr ng
hàm sóng ca nhng trng thái nông bu chng lp, trong nhng bán dn này
nhng mng m rng. Chng ht vùng
 ga vùng hóa tr có th trùng lp vi nhng trng thái ca vùng
hóa tr, vùng cng hp này ph thuc vào m pha tp,
ng photon ca s phát x thuc v bn cht s ph thuc vào m
pha tp.
Nhng loi tp cht và khuyt tt khác nhau có  ng ch
yu lên c tính cht và thit b bán dn. Nhng tp ch
mt cách thn tr to ra nhng vt liu và nhng thit b vi nhng tính cht
mong mun. Chng h dn t ca bán dn có th i r
mt hàm ca pha tp loi n và p. Vì th, hiu qu chính ca nhng tp cht (c
donor và acceptoru khin c d ln c dn t. Chúng ta
gi s nhng nguyên t tp cht trong bán dn ng khuyt tm nu
chúng có ng xn s dng vt liu hoc thit bu nhng tp
chc kt hp cht ch trong nhng vt li u khi dn hoc
tính chng donor, acceptor và nhng tâm
kt hp.
Trong mt vài loi tp cht cho thy xut hin nhng mc sâu
trong vùng cm bán dn. Ngoài nhng mc to ra bi nhng tp cht, còn
có nhng khuyt tt m cho thy hin lên nhng trng thái
liên kt trong vùng cng ca bán dn. Nhng trng thái này là do nhng
khuyt tt (chng hng khuyt tt l khuyt, xen k và thay th trong s
tp ca chúng, s lch mng, khuyt tt xp chng, biên ht, hoc phn kt ta ) thì
nh v sâu m bán dnh x ng tâm sâu
  ng by hiu qu u khin thi gian
sng ca ht ti. Nhìn chung, nhng khuyt tc m rng chng hch
mng và biên ht thì có ng xn nhng ng dng làm thit b, mc dù
trong mt s ng hp nhng khuyt tt này có th hu ích trong vic thu nhng
tp cht và nhng khuyt tt t nhng vùng hong ca thit b.
17

Nhng thông tin v nhng vùng phát quang rc quan sát
ti nhi cao (nhi trên nhi nit lngi khó gii thích. Ti nhit
 thp (nhi Heli lng ), s m rng do nhic gin mc ti thiu, và
quang ph phát quang tr 
nhng tâm phát quang. S phát x vùng cng gn (chng h
phát x cnh ) ti nhi ca Heli lc tách thành nhng
phát x, ph thuc vào exciton, nhng chuyn di nhng ht ti t n donor, và
mô hình phonon ca chúng hoc nhng ng DAP.
Có hai kiu mt mnh, nhng exciton gn
nh x (chng hn exciton Frenkel ) và nhng exciton liên kt yu vi hàm
sóng tri rng ra nhiu khong cách ni phân t (chng hn nhng exciton
WannierMott ). Kiu sau thng xut hin trong vt liu vi hng s n môi
cao. Nhng mng có th c mô t giu thc cho hydro:

2
B
ng
E
EE
n

(1.1)
Vi:  ng t chính, và E
B
ng liên kt
exciton
*4
B
22
E
2
r
me



vi
**
*
**
()
eh
r
eh
mm
m
mm


là khng hiu dc quy
i

là hng s n môi.
Nhng exciton Frenkel và WannierMott là hai mô hình gii hn khác
nhau  m phân tách cp và s phân tách trung gian gia nhn t và l
tr y ra. Chú ý rng, ti và th ng nhi 
lng, nhng exciton có th phân tách t cng tha s
phát x vùng cng. Trong nhng mô hình phonon thì dãy nhng
c phân tách nhau b  ng phonon


. Bt k  nào cho thy
nhng phát x sc nét có th theo cùng vi nhng mô hình này.Trong quang
ph hunh quang, dãy nhng có th xut hi ng hp
này, m n t b bt bi mt donor kt hp vi mt l trng b bt bi mt
ng qu ca s phát x kt hp donor  acceptor ph thuc vào
s phân tách cp:

2
( ) ( )
g A D
e
h r E E E
r


   

(1.2)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×