Tải bản đầy đủ

Tính chất quang của ZnS pha tạp

Tính chất quang của ZnS pha tạp
Nguyễn Thị Hoa
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý chất rắn; Mã số: 60 44
07 Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Thị Thanh Bình
Năm bảo vệ: 2012
Abstract: 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. Thực nghiệm, trình bày
phương pháp chế tạo mẫu ZnS và ZnS pha tạp bằng phương pháp hóa học và phương
pháp thủy nhiệt. 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.
Keywords: Vật lý chất rắn; Tính chất quang
Content
MỞ ĐẦU
ZnS là vật liệu bán dẫn II-VI quan trọng, có độ rộng vùng cấm khoảng 3,7 eV, trong đó
vật liệu nano ZnS có nhiều tính chất vật lý và tính chất hóa học đặc biệt mà bán dẫn khối
không có như: độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa học bền vững và
ứng dụng trong kĩ thuật nhiều hơn các vật liệu chacogenide khác như ZnSe... Đặc biệt, khi ion
2+

2+


2+

2+

kim loại chuyển tiếp như: Eu , Cu , Mn , Co ... được pha tạp vào có thể ảnh hưởng đến
cấu trúc và chuyển mức điện tử, do đó có thể điều khiển độ rộng vùng cấm, cũng như điều
khiển được dải phát xạ khác trong vùng nhìn thấy của tinh thể ZnS khi nồng độ tạp và điều
kiện chế tạo mẫu khác nhau. Các vật liệu này có phạm vi ứng dụng rộng, ví dụ như: thiết bị
quang điện, màn hình phosphor, các sensor quang học... Do đó, tính chất quang của chúng
được đặc biệt chú ý. Vì thế chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Tính chất quang của ZnS
pha tạp”
Để chế tạo vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp, có thể dùng rất nhiều phương pháp khác
nhau như: phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, đồng kết tủa, vi huyết tương, bốc bay nhiệt... Ở
đây chúng tôi sử dụng phương pháp hóa học và phương pháp thủy nhiệt để chế tạo các mẫu
trên.
Mục đích của đề tài là chế tạo vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp Cu và ZnS pha tạp Co.
Nghiên cứu tính quang và cấu trúc của vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp với nồng độ tạp chất


thay đổi. Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc của vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp với
thời gian bọc TG (thioglycelrol) khác nhau.
Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương:
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.

2


CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Tổng hợp ZnS và ZnS pha tạp Cu bằng phương pháp hóa học
Zn(CH3COO)2.2H2O 1M

Cu(CH3COO)2.H2O 0,01M

Na2S2O3.5H2O 1M



Dung dịch Zn(CH3COO)2 + Cu(CH3COO)2

Khuấy đều dung dịch 30 phút, 70oC

TG

Dung dịch

Rửa kết tủa bằng máy quay ly tâm

Sấy 28 giờ, 80oC

Mẫu bột ZnS:Cu
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo mẫu ZnS:Cu bẳng phương pháp hóa
học


2.2. Tổng hợp ZnS và ZnS pha tạp Co bằng phƣơng pháp thủy nhiệt
Zn(CH3COO)2.2H2O 1M

Co(CH3COO)2.H2O 0,01M

Na2S2O3.5H2O 1M

Dung dịch Zn(CH3COO)2.2H2O + Co(CH3COO)2

Khuấy đều dung dịch 30 phút, 70oC

TG

Dung dịch

Thủy nhiệt

Lọc rửa kết tủa

Sấy mẫu

Mẫu bột ZnS: Co
Hình 2.2. Sơ đồ quá trình chế tạo mẫu ZnS:Co bằng phương pháp thủy nhiệt


CHƢƠNG 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

(111)

0% Cu
1.5% Cu
2% Cu

900
800
700

(220)

600

cu
on
g
do

(311)

500
400
300
200
100
0
20

30

40

50

60

70

Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X2-củthaetcaác(dmo)ẫu ZnS
pha tạp Cu với nồng độ khác nhau
Từ phổ nhiễu xạ tia X, và so sánh kết quả với thẻ chuẩn ta có kết luận sau:Các đỉnh ZnS
và ZnS pha tạp Cu có vị trí các đỉnh nhiễu xạ trùng nhau và phù hợp với thẻ chuẩn của vật
liệu ZnS. Điều này chứng tỏ mẫu được chế tạo đều kết tinh, và tạp Cu không làm ảnh hưởng
đến cấu trúc tinh thể của ZnS. Trên phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu khác nhau đều xuất hiện
các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với các măt mạng (111), (220), (311). Chứng tỏ các mẫu này đều
có chung một loại cấu trúc lập phương giả kẽm (zinc blende), thuộc nhóm không gian
Td2 − F43m

Bảng 3.1: Các kết quả tính toán được từ phổ nhiễu xạ tia X
Mẫu

Mặt

Bán độ rộng
2θ (độ
phổ FWHM
)

Khoảng cách

Hằng số

Kích thước

giữa các mặt

mạng a

tinh thể L


o

(độ)

mạng dhkl

(A )

( nm)

0%Cu 60'

111

28,86

4,71

3,09

5,35

1,74

--

220

48,19

8,62

1,89

5,34

1,01

--

311

55,36

8,35

1,66

5,50

1,07

111

28,85

2,94

3,09

5,36

2,79

--

220

48,05

3,53

1,89

5,35

2,46

--

311

56,53

4,00

1,63

5,40

2,26

2%Cu 60'

111

28,35

4,29

3,15

5,45

1,91

--

220

47,63

4,04

1,91

5,40

2,15

--

311

55,86

2,67

1,64

5,45

3,37

1,5%Cu
60'

Như vậy, qua các bước tính toán ở trên ta có thể kết luận: mẫu ZnS có cấu trúc lập
o

phương giả kẽm. Hằng số mạng khoảng 5,3 (A ). kích Tạp Cu được pha vào không ảnh
hưởng đến cấu trúc tinh thể ZnS. Và kết quả này phù hợp với tính toán của các nghiên cứu
trước đây [7, 17, 20].
Hình thái học của mẫu ZnS pha tạp Cu bằng phương pháp hóa học
Để khảo sát hình thái học của mẫu ZnS pha tạp được chế tạo bằng phương pháp hóa học,
chúng tôi tiến hành chụp ảnh TEM của mẫu tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung Ương. Ảnh TEM
của các mẫu ZnS pha tạp Cu, với nồng độ tạp 2%, trong đó thời gian bọc TG là 0 phút và 60
phút, được cho ở hình 3.2 và hình 3.3.


Hình 3.3. Ảnh TEM của mẫu ZnS pha tạp Cu, nồng độ tạp Cu là 2%, thời gian bọc TG
là 60 phút
3.1.2. Tính hấp thụ của ZnS và ZnS pha tạp Cu
Do vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp là bán dẫn vùng cấm thẳng nên sự phụ thuộc của
hệ số hấp thụ vào năng lượng ánh sáng chiếu tới tuân theo công thức:

α hν = k(hν − Eg )1/2

(3.4)

trong đó k là hằng số, Eg là năng lượng vùng cấm của bán dẫn. Vì vậy, vẽ đồ thị
hàm
theo năng lượng hv, kéo dài đoạn tuyến tính của đồ thị tới điểm cắt với
(α h ν )
2

đường (α hν ) = 0 ta xác định được độ rộng
vùng cấm
2

Eg [2].


4

0 min
30 min
60 min
90 min
120 min

3

cu
on
g
do
(a
.u

2

1

0

220

240

260

280

300

320

340

360

380

buoc song (nm)

Hình 3.4. Phổ hấp thụ của các mẫu ZnS với thời gian bọc TG khác nhau
Từ hình 3.4 ta thấy đối với các mẫu ZnS bọc TG bờ hấp thụ dịch về phía bước sóng dài
so với mẫu ZnS không bọc TG. Còn đối với các mẫu ZnS bọc TG theo thời gian khác nhau thì
bờ hấp thụ gần như không thay đổi.
Từ các đồ thị hàm
2
(α h ν )

theo năng lượng hv biểu diễn trên hình 3.5. chúng tôi đã xác

định được độ rộng vùng cấm của các mẫu ZnS bọc TG.

ZnS ZnS/TG
200

150

(

α

h

100

50

0

4.27 eV
3.8

3.9

4.0

4.1

4.2

4.3

4.48 eV
4.4

4.5

4.6

nang luong (eV)

Hình 3.5. Đồ thị sự phụ thuộc của (αhν) theo hν đối với mẫu ZnS không bọc TG và ZnS
2

có bọc TG
Giá trị độ rộng vùng cấm của ZnS là 4,48 eV và độ rộng vùng cấm của ZnS bọc TG là
4,27 eV. Năng lượng vùng cấm của mẫu bọc TG lớn hơn mẫu không bọc TG là 0,21 eV.
Năng lượng vùng cấm của các hạt nano tinh thể ZnS dịch về phía năng lượng cao so với năng


lượng vùng cấm là 3,7 eV của bán dẫn khối ZnS. Sự dịch chuyển này là do hiệu ứng kích
thước lượng tử [4], phù hợp với quy luật:
2

=

E
E
g nano

g
khoi

2



*


1
 
+
π 2−

2er
*
m
 e

1


1 1,786e


0,248
*
4
πε
m
εr

h 
0

*

3

e

me
mh

(3.5)

m + m 2ε 
*

*

e

*
Trong đó, đối với ZnS, me*
,
0
0 mh = 0,23m
= 0,34m , ε = 8,76 , m
tử tự do [9].

0

2

2

h

là khối lượng của điện

Cũng như đối với các mẫu ZnS, phổ hấp thụ của các mẫu ZnS pha tạp Cu, đã được khảo
sát theo thời gian bọc TG và theo nồng độ tạp chất.

5

4

cu
on
g
do
(a
.u

0 phút
30 phút
60 phút

3

2

1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

buoc sóng (nm)

Hình 3.6. Phổ hấp thụ của mẫu ZnS pha tạp Cu với nồng độ Cu 1,5%
và thời gian bọc TG thay đổi
Trên hình 3.6 là phổ hấp thụ của mẫu ZnS pha tạp Cu với nồng độ Cu 1,5% và thời gian
bọc TG thay đổi. Có thể nhận thấy rằng với cùng một nồng độ tạp Cu, bờ hấp thụ của mẫu có
bọc TG dịch về phía sóng dài so với mẫu không bọc và thời gian bọc vỏ không làm ảnh
hưởng đến tính chất hấp thụ của mẫu.
Độ rộng vùng cấm của các mẫu ZnS pha 1,5% tạp Cu được xác định từ các đồ thị trên
hình 3.7. Kêt quả cho thấy độ rộng vùng cấm của tất cả các mẫu đều lớn hơn độ rộng vùng
cấm của bán dẫn khối 3,7 eV. Giá trị độ rộng vùng cấm của mẫu không bọc TG là 4,41 eV,
của các mẫu bọc TG đều là 4,1 eV. Như vậy, năng lượng vùng cấm của mẫu không bọc TG
lớn hơn so với mẫu có bọc TG một khoảng là ∆Eg= 0,31 eV.


200

0 phut
30 phut
60 phut

150

(
100
α

h
50

0

4,41 eV

4 eV
3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4.0

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

na n2g l uo n g ( eV )

Hình 3.7. Đồ thị sự phụ thuộc của hàm (αhν )
tạp 1,5% Cu

t h e o h ν đối với mẫu ZnS pha

với thời gian bọc TG thay đổi

250

0% Cu
1.5% Cu
2.5% Cu

200

(
α

150

h
100

50

0

3.72 eV
3.4

3.6

3.8

4.26 eV

4.00 eV
4.0

4.2

4.4

nang luong (eV)

Hình 3.9. Đồ thị sự phụ thuộc của (αhν)2 theo hν của các mẫu
ZnS:Cu/TG với nồng độ tạp khác nhau
3.1.3. Tính chất huỳnh quang của ZnS và ZnS pha tạp Cu
3.1.3.1. Khảo sát tính chất huỳnh quang theo thời gian bọc TG
Để xét ảnh hưởng của thời gian bọc TG lên tính chất huỳnh quang của ZnS, phổ huỳnh
quang của các mẫu được đo tại bước sóng 402 nm và biểu diễn trên hình 3.11.


2.0x10

7

402 nm

cu
on
g
do

1.5x10

7

1.0x10

7

5.0x10

6

huynh quang
kich thich huynh quang

509 nm

0.0

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

buoc song

Hình 3.10. Phổ huỳnh quang được kích thích tại bước sóng λexc= 402 nm và phổ
kích thích huỳnh quang tại bước sóng đỉnh phát xạ λem= 509 nm của mẫu ZnS

0 min
30 min
60 min
90 min
120 min

6

5x10

cu
on
g
do
(p
cs
)

6

4x10

6

3x10

6

2x10

6

1x10

0

450

500

550

600

650

700

750

800

buoc song (nm)

Hình 3.11. Phổ huỳnh quang của các mẫu ZnS, thời gian bọc TG khác nhau, kích thích ở
bước sóng 402 nm
Từ phổ huỳnh quang của vật liệu nano ZnS:Cu với tỉ lệ tạp Cu là 0%, ta có nhận xét sau:
Với các mẫu có thời gian bọc TG từ 0 phút đến 60 phút thì cường độ đỉnh tăng. Thời gian bọc
TG 60 phút phát quang mạnh nhất. Nhưng với mẫu thời gian bọc TG 90 phút đến 120 phút thì
cường độ phát quang giảm. Và nếu tăng thời gian bọc thì phổ huỳnh quang bị dập tắt dần. Khi
thời gian bọc TG tăng dần thì đỉnh huỳnh quang dịch về phía bước sóng dài. Các mẫu bọc TG
từ 0 đến 60 phút thì đỉnh huỳnh quang tăng từ 482 nm đến 509 nm. Các mẫu bọc TG trong 90
phút và 120 phút thì đỉnh huỳnh quang tại 495 nm


Tiếp theo chúng tôi khảo tính chất huỳnh quang theo thời gian bọc TG của mẫu ZnS pha
tạp Cu, với nồng độ tạp Cu là 1,5%

5

5x10

4x10

362 nm

huynh quang kich thich
huynh quang

5

cu
on
g 3x105
do
(c
ps
5
2x10
)

1x10

571 nm

5

0
300

400

500

600

700

buoc song (nm)

Hình 3.12. Phổ huỳnh quang với λexc=362 và phổ huỳnh quang kích
thích
tương ứng của mẫu ZnS pha tạp Cu 1,5% thời gian bọc TG là 30 phút
Từ hình 3.12 có thể nhận thấy rằng trong phổ huỳnh quang của mẫu ZnS pha tạp Cu
ngoài đỉnh tại 450 nm đặc trưng cho tái hợp cặp donor - acceptor như đã phân tích ở trên còn
xuất hiện thêm đỉnh 571 nm và một gờ ở 660 nm. Đỉnh 571 nm là huỳnh quang do tạp chất
Cu gây nên. Phổ kích thích huỳnh quang tại bước sóng 571 nm có đỉnh tại 362 nm, nên bước
sóng kích thích huỳnh quang 362 nm này sẽ được chọn để khảo sát tính chất quang của mẫu
ZnS pha tạp Cu.


cu
on
g
do
(p
cs

9x10

5

8x10

5

7x10

5

6x10

5

582 nm
0 phút
30 phút
60 phút

5

5x10

5

4x10

571 nm

4
5
6
n
m

5

3x10

5

2x10

5

1x10

4
5
3

491 nm

n
m
4
4
4
n
m
0
400

450
550
650

500
600

b

Hình 3.13. Phổ huỳnh quang với bước
sóng kích
thích 362 nm
của mẫu ZnS
pha tạp Cu
với thời gian
bọc TG khác
nhau
Trên hình 3.13 là phổ huỳnh quang
của các mẫu ZnS pha tạp Cu, nồng độ tạp
Cu là 1,5% với thời gian bọc TG thay đổi.
Có thể nhận thấy rằng khi thời gian bọc TG
của mẫu tăng từ 0 đến 60 phút thì cường
độ huỳnh quang tăng. Mẫu có thời gian bọc
TG là 60 phút có cường độ huỳnh quang


mạnh nhất.

đó nồng độ tạp Cu thay đổi từ 0 đến 1%,
thời gian bọc TG là 30 phút.
3.1.3.2. Khảo
sát tính
chất
huỳnh
quang
của
mẫu
ZnS
pha
tạp Cu
theo
nồng
độ tạp

Mẫu không
bọc TG phát
huỳnh
quang

dải

rộng từ 444
nm cho đến
491

nm.

Khi

thời

gian

bọc

TG tăng lên
cực

đại

Đối
với

huỳnh

trường

quang dịch

hợp này

về

phía

chúng

sóng

dài.

tôi

Dải

phổ

dụng

rộng

của

bước

mẫu không

sóng

bọc TG trở

kích

nên rõ nét

thích

thành

hai

huỳnh

đỉnh

453

quang

sử

nm, 571 nm

362 nm

và 456 nm,

để

582

nm

nghiên

tương

ứng

cứu tính

với

mẫu

chất

bọc

TG

huỳnh

trong

thời

quang

gian

30

của

các

phút và 60

mẫu ZnS

phút.

Các

pha

đỉnh

phía

Cu trong

tạp


4x10

3x10

6

0% Cu
0.5% Cu
1.5% Cu
2% Cu
2.5% Cu

6

cu
on
6
2x10
g
do
(p
cs
) 1x106

0
400

450

500

550

600

650

buoc song (nm)

Hình 3.14. Phổ huỳnh quang của ZnS pha tạp Cu thời gian bọc TG là 60 phút, kích thích
ở bước sóng 362 nm
Từ phổ các huỳnh quang trên hình 3.14 có thể thấy rằng khi nồng độ tạp tăng lên thì
đỉnh huỳnh quang dịch về phía bước sóng dài. Trong phổ huỳnh quang của mẫu ZnS không
pha tạp xuất hiện đỉnh 445 nm và một gờ ở vị trí 482 nm. Cường độ huỳnh quang tại vị trí
482 nm này tăng lên thành đỉnh đối với mẫu ZnS:Cu 0,5%. Khi nồng độ tạp Cu thay đổi từ
1,5% đến 2,5% thì phổ phát xạ có đỉnh tại 445 nm và các đỉnh xung quanh vị trí 571 nm.
Các đỉnh xung quanh vị trí 571 nm có thể do tạp Cu gây ra. Mẫu ZnS:Cu với nồng độ tạp
Cu 2%, thời gian bọc TG là 60 phút thì có khả năng phát quang mạnh nhất.


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

1300

0 % Co
1 % Co

1200
1100
1000
900
800

cu 700
on
g 600
do 500
400
300
200
100
0
10

20

30

40

50

60

70

2 theta (do)

Hình 3.18. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu ZnS và ZnS pha tạp
Co với nồng độ tạp là 1%
Từ phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co 1% thấy rằng: tinh thể tạo
thành có cấu trúc mạng lục giác wurtzite. Các cực đại nhiễu xạ xuất hiện tương ứng với vị trí
o

o

o

góc 2θ lần lượt là: 28,62 , 47,72 , 56,62 . Từ đó, chúng tôi có thể tính được kích thước tinh
thể và hằng số mạng của ZnS và ZnS pha tạp Co tương tự như hệ mẫu ZnS pha tạp Cu trong
bảng dưới đây:
Bảng 3.2: Các kết quả tính toán được từ phổ nhiễu xạ tia X
Vị trí đỉnh

FWHM

dhkl

A

L

(độ)

(độ)

(Å)

(Å)

(nm)

111

28,62

0,72

3,12

5,40

11.45

220

47,72

0,77

1,90

5,39

11,25

311

56,63

0,67

1,62

5,39

13,38

111

28,65

0,70

3,11

5,40

11,70

220

47,74

0,76

1,90

5,38

11,40

311

56,64

0,73

1,62

5,39

12,33

Mẫu

Mặt

0% Co

1% Co


3.2.2. Tính chất hấp thụ của mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co
Để nghiên cứu tính hấp thụ của vật liệu ZnS pha tạp Co chúng tôi tiến hành đo phổ hấp
thụ của các mẫu trên, sau đó tính năng lượng vùng cấm của mẫu này tương tự như đối với
ZnS pha tạp Cu.

5

0%
0,5%
1%

4

cu
on
g
do
(a
.u

3

2

1

0
200

300

400

500

600

700

800

nang luong (eV)

Hình 3.19. Phổ hấp thụ của các mẫu ZnS:Co bọc TG trong 30 phút
với nồng độ tạp Co lần lượt là 0%, 0,5%, 1%
Từ phổ hấp thụ trên hình 3.19 chúng tôi có thể tính được năng lượng vùng cấm của các
2

mẫu bằng việc vẽ đồ thị sự phụ thuộc của (αhν) theo (hν) chúng ta có thể tính được năng
lượng vùng cấm như các đồ thị dưới đây:

150

100

(
α

h
50

3,78 eV
0
1.5

2.0

2.5

3.0

nang luong (eV)

3.5

4.0

4.5


Hình 3.22. Đồ thị sự phụ thuộc của (αhν)2 theo (hν), của mẫu ZnS với nồng độ tạp Co là
1% bọc TG trong 30 phút
Như vậy, ta có thể thấy rằng năng lượng vùng cấm của các mẫu ZnS pha tạp Co khoảng
3,75 eV, giá trị này lớn hơn so với bán dẫn khối khoảng 0,5 eV. Điều này có thể do hiệu ứng
kích thước lượng tử.
3.2.3. Tính chất huỳnh quang của mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co
Chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ tạp và thời gian bọc TG lên tính chất
huỳnh quang của vật liệu nano ZnS pha tạp Co. Đầu tiên giống với hệ mẫu ZnS pha tạp Cu,
chúng tôi cũng xét ảnh hưởng của thời gian bọc TG lên tính chất huỳnh quang của ZnS. Dưới
đây phổ huỳnh quang của ZnS với thời gian bọc TG thay đổi.

5x10

5

4x10

5

421 nm
0 phút
5 phút
120 phút

cu
on 3x105
g
do
(p
cs 2x105
)
1x10

5

0
350

400

450

500

550

600

buoc song (nm)

Hình 3.23. Phổ huỳnh quang của các mẫu ZnS với thời gian bọc TG thay đổi với bước
sóng kích thích 296 nm
Từ đồ thị ta thấy đối với mẫu ZnS không pha tạp có đặc điểm như sau: xuất hiện đỉnh
huỳnh quang ở vị trí 421 nm, thời gian bọc TG tăng 0 phút đến 120 phút thì cường độ huỳnh
quang tăng.


422 nm

60000

0% Co
50000

cu
on
g
do
(p
cs

1% Co

40000

30000

20000

10000

0
300

350

400

450

500

550

buoc song (nm)

Hình 3.24. Phổ huỳnh quang của mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co với nồng độ tạp 1%, bọc
TG trong 120 phút, kích thích ở bước sóng 296 nm

cu
on
g
do
(p
cs
)

4.0x10

4

3.5x10

4

3.0x10

4

2.5x10

4

0%
0,5%
1%

435 nm
415 nm

415 nm

4

2.0x10

4

1.5x10

4

1.0x10

3

5.0x10

0.0
300

350

400

450

500

550

buoc song (nm)

Hình 3.25. Phổ huỳnh quang của mẫu ZnS pha tạp Co với nồng độ tạp lần lượt là 0%,
0,5%, và 1%, không bọc TG, kích thích ở bước sóng 276 nm
Từ đồ thị trên ta thấy xuất hiện các đỉnh ở các vị trí 422 nm, 415 nm, 435 nm. khi nồng
độ tạp tăng từ 0 đến 1% thì cường độ huỳnh quang giảm. Cũng thấy đỉnh ở vị trí 490 nm đối
với mẫu ZnS pha tạp Co 1% như hình vẽ dưới đây:


cu
on
g
do
(p
cs
)

4.0x10

6

3.5x10

6

3.0x10

6

2.5x10

6

2.0x10

6

1.5x10

6

1.0x10

6

5.0x10

5

490 nm

0.0
400

450

500

550

600

650

700

buoc song (nm)

Hình 3.26. Phổ huỳnh quang của mẫu ZnS với nồng độ tạp Co là 1%,
kích thích ở bước sóng 379 nm

+ 50000

50000

0,5% Co
1 % Co

684 nm
cu
on
g
do
(p
cs
)
690 nm

0
640

660

680

700

720

0
740

buoc song (nm)

Hình 3.28. Phổ huỳnh quang của các mẫu ZnS pha tạp Co với nồng độ tạp Co là 0,5%
và 1%, kích thích ở bước sóng 539 nm
Ta thấy rằng, hai đỉnh 684 nm và 690 nm không thấy xuất hiện ở mẫu ZnS và mẫu ZnS
pha tạp Cu. Điều đó chứng tỏ rằng đỉnh này có thể do Co gây ra với chuyển mức trong nội bộ
2+

tâm Co trong mạng nền ZnS.



KẾT LUẬN
1. Đã thành công trong việc chế tạo các mẫu ZnS và ZnS pha tạp Cu bọc TG bằng
phương pháp hóa học tại nhiệt độ phòng.
- Các hạt ZnS:Cu/TG có kích thước thay đổi từ 1,01- 3,34 nm.
- Đối với mẫu ZnS pha tạp Cu khi nồng độ tạp Cu tăng thì bờ hấp thụ dịch về phía bước sóng
dài. Giá trị năng lượng vùng cấm của các mẫu ZnS:Cu/TG 0%, 1,5%, 2,5% lần lượt là: 4,26
eV, 4 eV, 3,72 eV. Các giá trị này đều lớn hơn năng lượng vùng cấm của ZnS khối (3,7 eV).
- Bờ hấp thụ của các mẫu ZnS và ZnS:Cu đều dịch về phía sóng dài khi được bọc TG Thời
gian bọc TG khác nhau thì năng lượng vùng cấm gần như không thay đổi.
- Huỳnh quang của các mẫu ZnS không pha tạp có đỉnh miền 450 nm ứng với cơ chế tái hợp
cặp donor - acceptor.
- Huỳnh quang của các mẫu ZnS pha tạp Cu có đỉnh miền 570 nm ứng với cơ chế tái hợp
vùng - tạp chất.
- Cường độ huỳnh quang tăng khi thời gian bọc TG thay đổi từ 0 đến 60 phút và khi nồng
độ tạp chất tăng từ 0 đến 2%.
2. Đã chế tạo được các mẫu ZnS và ZnS pha tạp Co bằng phương pháp thủy nhiệt với chế độ
o

ủ thủy nhiệt 200 C trong 24 giờ.
- Các hạt nano tinh thể ZnS:Co có cấu trúc mạng lục giác wurtzite tuy nhiên pha tinh thể của
ZnO có xuất hiện trong các mẫu.
- Năng lượng vùng cấm của mẫu ZnS pha tạp Co được xác định vào khoảng 3,75 eV.
- Các mẫu ZnS:Co phát huỳnh quang ở dải 420 ÷ 435 nm khi nồng độ tạp Co thay đổi từ 0 đến
2%. Dải huỳnh quang này liên quan đến các trạng thái bề mặt hạt nano. Ngoài ra đỉnh 690
nm cũng quan sát được trong các mẫu ZnS:Co. Đỉnh này có thể liên quan đến chuyển
2+

mức trong nội bộ tâm Co trong mạng nền ZnS.

References
Tài liệu tiếng Việt
1. Lê Thị Thanh Bình, (1996), Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của màng mỏng bán
dẫn dung dịch rắn A2B6, Luận án Phó Tiến Sĩ Khoa học Toán - Lý, Hà Nội.
2. Phùng Hồ, Phan Quốc Phô, (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, NXB Khoa học và Kỹ thuật,
tr 311 - 348, tr 459 - 464.


3. Phan Văn Tường, (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học Quốc
gia Hà Nội, tr 58 - 62.
4. Hoàng Anh Tuấn (2009), Nghiên cứu và chế tạo một số tính chất quang của vật liệu nano
bột và màng ZnS:Ni, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
5. http://e mlab-nihe.blogspot.com- Trần Quang Huy, Nguyễn Thanh Thủy, khái quát về vi điện
tử trong nghiên cứu.
6. http://vi.wikipedia.org/wiki- Công nghệ nano
Tài liệu tiếng Anh
a

a

a

b

b

7. Carley Corrado, Morgan Hawker, Grant Livingston, Scott Medling, Frank Bridges and
*a

Jin Z. Zhang , ”Enhenced Cu emission in ZnS:Cu,Cl/ZnS core-shell nanocrystals”,
Nanoscale, 2(2010), 1213-1221.
8. Jeong-mi Hwang, Mi-Ok Oh, I1 Kim, Jin-kooklee, Chang-sik Ha (2005), ”Prepairation and
characterization of ZnS based nano-crystalline perticles for polymer light- emitting diodes”,
ScienceDirect, Current Applied Physics 5 (2005) 31-34.
9. Landolt - Bornstein (1987), Numerical data and functional relationships on science
technology, Springer - Verlag, Berlin, New York
10.

*

Li Zhang, DeZhi Qin , Guang Yui Yang, QiuXia Zhang (2012),”In vestigation on

synthesis and optical properties of ZnS:Co nanocrystals by using hydrothermal method”,
Chalcogenide letters,vol.9, No.3, p93-98.
11.

Lun Ma and Wei Chen (2010),” ZnS:Cu,Co water-soluble afterglow nanoparticles:

synthesis, luminescence and potential applications”, Nanotechnology, (21) 385604.
12.

P. Peka, HJ Schulz, Physica B, vol 193, issue 1, (1994), 57-65.

13.

P.Kumbhakar , R.Sarkar and A.K. Mitra (2010), “Synthesis and optical properties of

*

L - cystine capped ZnS:Co Nanoparticles” NSTI- Nanotech 2010, ISBN 978-1-4398-3401-5
Vol. 1, 2010, pp. 530-533.
14.

Ping Yang, Mengkai Lua, Guangjun Zhoub, DuoRong Yuana, Dong Xua (2001),
2+

“Photoluminescence characteristics of ZnS nanocrystallites co-doped with Co2+ and Cu ”,
Inorganic Chemistry Communication, Volume 4, Issue 12, Page 734-737.
15.

S.J.Xua

and

S.J.Chua,

B.Lin,

L.M.Gan,

Ctt.chen,

and

G.Q.Xu,(1998),

“Luminescence characteristics of imparities - activated ZnS nanocrystals prepared in micro
emulsion with hydrothermal treatment", Applied physics letters, vol.73, 478 - 480 (đỉnh 507
nm).


16.

1

2

1

Tri Tuan Nguyen , Xuan Anh Trinh , Le Hung Nguyen and Thanh Huy Pham

2

(2011), “Photonuminescence characteristics of as- synthesized and annealed ZnS:Cu,Al
crystals”, Advances In Natural Science and Technology, 2(2011) 035008 (4pp), p.1-4.
17.

W.Q.Peng,

G.WCong,

S.C.Qu,

Z.G.

Wang

(2006),

“Synthesis

and

photonuminescence of ZnS:Cu nanoparticles”, ScienceDirect, Optical materials 29 (2006),
313-317.
18.

Yang Xu, Shou Hong, Shen Bin, Zhang Ling (2010), “Synthesis and

optoelectrochemical properties of ZnS:Co Semiconductor quantum dots”, Actas Phys.-chem,
26(1), 244-248.
19.

1

1*

Yang Xu , Zhou Hong Shen Pin , Zhang Ling (2010), “Synthesis and

optoelectrochemical properties of ZnS:Co Semiconductor Quantum dots, acta phys – chim”,
26(1), 244 - 248.
20.

Zhang Yun-hui, Li Lei (2002), “Prepairation and Optical properities of copper-

Doped ZnS Nanoparticles”, Transactions of Tianjin University, vol. 8 No. 3 2002, p. 153-155.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×