Tải bản đầy đủ

TIỂU LUẬN môn vật LIỆU mới ( nguyễn viết hải)

BỘ LAO ĐỘNG, THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
BỘ LAO ĐỘNG, THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH

Tiểu luận kết thúc học phần:
Tiểu luận kết thúc học phần:

VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ MỚI
VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ MỚI
TRONG CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN
TRONG CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN
(Mã số môn học EEMT-509)
(Mã số môn học EEMT-509)

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
Tên đề tài tiểu luận
Tên đề tài tiểu luận

TÌM HIỂU VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ

(ghi đầy đủ tên đề tài, cỡ chữ 16-18, căn chỉnh sao cho cân
đối với khung bìa)
Người thực hiện
Mã học viên
Người
Lớp thực hiện

họcviên
viênHD
Giảng
Lớp
Giảng viên HD

: Nguyễn Viết Hải
:
::Nguyễn
A
Cao họcVăn
Kỹ thuật
điện
: : PGS. TS Nguyễn Hồng Quảng
: Cao học Kỹ thuật điện ....
: PGS. TS Nguyễn Hồng Quảng

NGHỆ AN, THÁNG 12 NĂM 2017
NGHỆ AN, THÁNG 12 NĂM 2017


BỘ
BỘLAO
LAOĐỘNG,
ĐỘNG,THƯƠNG
THƯƠNGBINH
BINHVÀ
VÀXÃ
XÃHỘI
HỘI
TRƯỜNG
TRƯỜNGĐẠI
ĐẠIHỌC
HỌCSƯ
SƯPHẠM
PHẠMKỸ
KỸTHUẬT
THUẬTVINH
VINH

Tiểu
Tiểu luận
luận kết
kết thúc
thúc học
học phần:
phần:

VẬT
VẬTLIỆU
LIỆUVÀ
VÀCÔNG
CÔNGNGHỆ
NGHỆ MỚI
MỚI
TRONG
TRONGCHẾ
CHẾTẠO
TẠOTHIẾT
THIẾTBỊ
BỊĐIỆN
ĐIỆN
(Mã
(Mãsố
sốmôn
mônhọc
họcEEMT-509)
EEMT-509)

TIỂU
TIỂU LUẬN
LUẬN MÔN
MÔN HỌC
HỌC
Tên
Tên đề
đề tài
tài tiểu
tiểu luận
luận

(ghi đầy đủTÌM
tên đề
tài, cỡ
16-18,LƯỢNG
căn chỉnh
HIỂU
VỀchữ
CHẤM
TỬsao cho cân
đối với khung bìa)

Người
Ngườithực
thựchiện
hiện

Mãhọc
họcviên
viên
Lớp
Lớp
Giảng
Giảng viên
viên HD
HD

::Nguyễn
NguyễnVăn
ViếtA
Hải
::
::Cao
Caohọc
họcKỹ
Kỹthuật
thuậtđiện
điện....
....
:: PGS.
PGS.TS
TS Nguyễn
Nguyễn Hồng
Hồng Quảng
Quảng

NGHỆ
NGHỆAN,
AN,THÁNG
THÁNG12
12NĂM
NĂM2017
2017


I. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lí do chọn đề tài:
Chấm lượng tử là một tinh thể nano được làm từ vật liệu chất bán dẫn mà
kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử. Cụ thể,
exciton của nó được giới hạn trong cả ba chiều không gian. Những tính chất
điện tử của các vật liệu thể hiện đặc tính trung gian giữa những khối lớn chất
bán dẫn và các phân tử rời rạc. Ta có thể xếp tính chất của chúng nằm giữa các
vật liệu bán dẫn khối và các phân tử hay các nguyên tử riêng biệt. Trong vòng
20 năm gần đây, các nghiên cứu mạnh mẽ về chấm lượng tử đã được tiến hành
và đạt được các tiến bộ to lớn trong việc tổng hợp các chấm lượng tử, cũng như
trong việc hiểu biết về các tính chất quang và điện của chúng.
Các nano tinh thể chấm lượng tử bán dẫn là các hạt phát sáng rất bé ở kích
thước nm. Các hạt này đã được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho
các ứng dụng đa dạng, ví dụ như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt
trời, các linh kiện quang điện tử, các detector siêu nhậy, trong các linh kiện phát
sáng QD-LED , trong các ứng dụng y-sinh như hiện ảnh phân tử và tế bào, các
cảm biến sinh học nano nano-biosensor). Có thể nói, hiện nay là thời đại của
chấm lượng tử vì có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn và nổi bật của chấm lượng tử
trong các lĩnh vực kể trên. Đặc tính nổi trội của các chấm lượng tử là hiệu ứng
giam giữ lượng tử do kích thước giảm xuống cỡ nm. Hiệu ứng này dẫn đến việc
các hạt tải tích điện bị giam giữ về mặt không gian, ở bên trong thể tích rất bé
của nano tinh thể. Do hiệu ứng này, các nhà khoa học có thể sử dụng kích thước
của các chấm lượng tử này để thay đổi, trong một khoảng rộng và chính xác,
năng lượng của các trạng thái điện tử gián đoạn và các dịch chuyển quang học.
Kết quả là các nhà khoa học có thể thay đổi phát xạ ánh sáng từ các hạt chấm
lượng tử này, từ vùng phổ tử ngoại, nhìn thấy, hồng ngoại gần và tới vùng phổ
hồng ngoại giữa. Các hạt chấm lượng tử này cũng tạo ra nhiều tính chất quang
mới như là sự nhân các hạt tải carrier multiplication, đơn hạt nhấp nháy singleparticle blinking và truyền tín hiệu phổ.


Đặc tính điện tử của một chấm lượng tử có liên quan chặt chẽ với kích
thước và hình dạng của nó. Ví dụ, các khe hở năng lượng (band gap) trong một
chấm lượng tử mà xác định phạm vi tần số của ánh sáng phát ra tỉ lệ nghịch với
độ rộng của nó. Trong các ứng dụng thuốc nhuộm huỳnh quang tần số của ánh
sáng phát ra tăng khi kích thước của các chấm lượng tử giảm. Do đó, màu sắc
của ánh sáng phát ra thay đổi từ màu đỏ sang màu xanh khi kích thước của các
chấm lượng tử được làm nhỏ hơn. Điều này cho phép các trạng thái kích thích
và phát xạ của chấm lượng tử được điều chỉnh cao. Vì kích thước của một chấm
lượng tử có thể được thiết kế khi chế tạo nó, tính chất dẫn điện của nó có thể
được kiểm soát cẩn thận. Chấm lượng tử có nhiều kích cỡ khác nhau, chẳng hạn
hư màng nano gradien đa lớp (Gradient multilayer nanofilm), có thể được tạo ra
để thực hiện một loạt tính chất phát xạ mong muốn.
Không giống như các đơn phân tử khác, các hạt chấm lượng tử chế tạo ra
có thể được biến đổi bề mặt, để có các tính chất hay chức năng cần thiết, cho các
ứng dụng khác nhau.
Chính vì vậy em đã chon đề tài là “Tìm hiểu về chấm lượng tử”. Đây là
đề tài về một loại vật liệu mới, liên quan đến nhiều lĩnh vực, nhưng với nội dung
giới hạn của tiểu luận em chỉ tìm hiểu về lịch sử ra đời, đặc điểm cấu trúc và
phạm vi ứng dụng của chấm lượng tử.
2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu:
Đọc các tài liệu liên quan đến chấm lượng tử trên mạng internet.
3. Dự kiến kết quả thu được khi thực hiện đề tài.
Sau khi thực hiện đề tài này giúp em hiểu rõ được đặc điểm cấu trúc và
phạm vi ứng dụng của chấm lượng tử.

II. NỘI DUNG ĐỀ TÀI


Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài
1.1: Lịch sử ra đời và phát triển của chấm lượng tử
- Chấm lượng tử là một đơn cử cho lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano có tính
năng vượt trội được chế tạo từ những tinh thể bán dẫn. Chấm lượng tử được phát
hiện đầu tiên vào năm 1981 do Alexay Ekimov (nhà khoa học người Nga) phát
hiện chúng trong ma trận thuỷ tinh, sau đó Louis – E. Brus phát hiện chúng
trong dung dịch keo năm 1985.
- Năm 1988, giáo sư vật lý Mark A. Reed (Đại học Yale) mới đặt tên cho
những tinh thể bé xíu này là “chấm lượng tử” (Quantum Dots) bởi kích thước
quá nhỏ khiến chúng chịu ảnh hưởng của định luật lượng tử. Nghĩa là, mỗi chấm
lượng tử ở kích thước và cấu trúc nhất định sẽ mang đặc tính cụ thể, và việc
thêm hoặc bớt dù chỉ một nguyên tử trong cấu trúc cũng làm thay đổi tính chất
của chấm. Như vậy, tính chất và kích thước của chấm lượng tử liên quan chặt
chẽ với nhau. Đây cũng là chìa khóa mở ra những ứng dụng tuyệt vời cho loại
vật liệu nano này.
- Năm 2005, Việt Nam bắt đầu nghiên cứu và chế tạo chấm lượng tử. Các
nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu phối hợp với Viện Khoa học Công
nghệ Việt Nam và một số chuyên gia từ Pháp, Nhật, Hàn Quốc thực hiện trong
đó có PGS.TS Phạm Thu Nga. Cụ thể là nhóm đã tạo ra các chấm lượng tử CdSe
(Cadimi selenua) kích cỡ 3,2-3,7nm và CdS (Cadimi sulfua) với kích cỡ 2,63,2nm. Theo PGS.TS Phạm Thu Nga, một thành viên của nhóm, để làm những
chấm này, họ đã dùng phương pháp hoá học nhằm phục vụ trong lĩnh vực y tế và
nông nghiệp. Phương pháp hoá học là một công cụ rất mạnh, rẻ tiền để chế tạo
những chấm lượng tử có kích thước mong muốn.


Hình 1: Các lọ CLT do Viện Khoa học Vật liệu chế tạo, dùng để đánh dấu
tế bào ung thư hoặc phát hiện thuốc trừ sâu ở nồng độ cực thấp. Ảnh: Báo
Điện tử Đại biểu Nhân dân.
- Năm 2009, nhóm tác giả Pan và các cộng sự đã công bố kết quả chế tạo
chấm lượng tử CIZS bằng nhiệt phân các tiền chất Zn, Cu và In trong đó có sự
có mặt của axit oleic, dodecanethiol và điều chỉnh độ rộng vùng cấm của CIZS
trong phạm vi rộng bao gồm gần như toàn bộ vùng khả kiến bằng cách thay đổi
tỉ lệ của Zn đưa vào CIS.
- Năm 2011, nhóm tác giả Wensheng Yang đã báo cáo kết quả chế tạo
chấm lượng tử hợp chất CIZS bằng phương pháp phun nóng trong dung môi
ODE và đạt hiệu suất tới 70% mà không cần bọc vỏ.
- Năm 2012, nhóm Sakthi Kumar đã nghiên cứu chế tạo chấm lượng tử
CuAlS2 và thử nghiệm làm chất đánh dấu huỳnh quang trong các tế bào
- Năm 2013, Bingbo Zhang và các cộng sự đã chế tạo chấm lượng tử
CIZS và sử dụng trực tiếp cho đánh dấu huỳnh quang trên chuột sống mà không
cần xử lý bề mặt bằng cách sử dụng các phối tử ưa nước và dung môi không
phân cực polyethylene glycol để phát quang mạnh trong vùng phổ xanh lam
(vào cỡ 420 – 480nm).
- Năm 2013 các nhà hóa học thuộc ĐH Vanderbilf (Mỹ) tình cờ phát hiện
một cách làm cho những chấm lượng tử phát ra ánh sáng trắng. Với khám phá
này chấm lượng tử sẽ được sử dụng để làm những đi-ốt phát quang (Led).
- Chấm lượng tử được thương mại hóa đầu tiên trong một sản phẩm sử
dụng chúng là dòng Sony XBR X900A của TV màn hình phẳng được tung ra
vào năm 2013
- Năm 2014, Nguyễn T Minh Thuỷ chế tạo chấm lượng tử CIS bằng
phương pháp hoá ở nhiệt độ cao trong dung môi diesel và phương pháp thuỷ
nhiệt trong dung môi nước.
1.2: Đặc điểm cấu trúc và phạm vi ứng ứng dụng của chấm lượng tử.
Thường cấu trúc của chấm lượng tử là cấu trúc lõi – vỏ. Lớp vật liệu dùng
làm vỏ được lựa chọn thường phải có cấu trúc tinh thể tương tự với vật liệu lõi,


nhưng có năng lượng vùng cấm lớn hơn của chấm lượng tử lõi. Hạt tải trong
chấm lượng tử lõi sẽ chịu sự giam giữ lượng tử của lớp vỏ. Ngoài ra lớp vỏ bọc
còn có tác dụng thụ động hoá các liên kết hở tại bề mặt của lõi và tạo thành một
hàng rào thế năng giam giữ các hạt tải điện của lõi.
Chấm lượng tử có kích thước và số lượng nguyên tử rất khác với vật liệu
khối, dải năng lượng của vật liệu khối gần như liên tục vì số nguyên tử cấu
thành nó rất lớn. Tuy nhiên, nếu ta thu hẹp kích thước của hạt vật liệu khối đến
kích thước nanomet và số lượng nguyên tử đến một giá trị từ 100 đến 10.000
nguyên tử thì dải năng lượng đặc trưng cho tính khối bị biến mất thay vào đó là
sự hình thành những mức năng lượng riêng biệt khi vật chất tiến về thứ nguyên
nanomet. Ta có thể gọi đây là sự lượng tử hoá năng lượng trong một không gian
cực nhỏ. Quang phổ của nó sẽ cho đường phổ quang hẹp, riêng biệt. Đó là lý do
tại sao chấm lượng tử được gọi là nguyên tử nhân tạo. Điểm quan trọng của
chấm lượng tử với kích thước hạt dưới 30nm là sự khác biệt lớn về sự hấp thụ
quang, năng lượng excition và sự tái hợp cặp electron – lỗ trống. Vì tính chất
của chấm lượng tử phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước, hình dáng, độ tinh
khiết và sự hình thành tinh thể, nên cần phải có sự quản lý đầy đủ và thích hợp
trong suốt quá trình tạo nên chấm lượng tử. Sự phụ thuộc vào kích thước bắt
nguồn từ hai yếu tố: (1) sự thay đổi tỷ lệ nguyên tử bề mặt so với tổng nguyên tử
của chấm, (2) hiệu ứng giam giữ lượng tử. Ngoài ra, chấm lượng tử của cùng
một vật liệu có thể phát xạ nhiều màu sắc khác nhau khi ta thay đổi kích thước
của chúng.


Hình 2: Hình trên biểu diễn 16 màu sắc phát xạ từ nhỏ (xanh) đến lớn (đỏ) của
chấm lượng tử CdSe được kích thích bởi đèn tử ngoại gần; kích thước chấm
lượng tử có thể từ 1 đến 10 nm, hình dưới biểu diễn phổ phát quang của vài
chấm lượng tử CdSe.
1.2.1 Kích thước và mật độ trạng thái
Một đặc tính duy nhất của chấm lượng tử là sự giam giữ lượng tử, nó làm
thay đổi mật độ trạng thái gần rìa dãy (band – edges). Biểu đồ mật độ trạng thái
như một hàm năng lượng được biểu diễn trong hình 3 cho thấy rằng các chấm
lượng tử nằm giữa nguyên tử rời rạc và vật liệu khối liên tục. Hiệu ứng giam giữ
lượng tử xảy ra khi kích thước đủ nhỏ để khoảng cách mức năng lượng của 1
nano tinh thể vượt giá trị kT (trong đó k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ). Sự
khác biệt năng lượng > kT hạn chế sự linh động của electron và lỗ trống trong
tinh thể. Trong một số tính chất thể hiện sự phụ thuộc của vào kích thước của
chấm lượng tử, có 2 tính chất đặc biệt quan trọng. Thứ nhất là dịch chuyển xanh
của năng lượng vùng cấm (blue shift of band-gap energy) khi đường kính của
hạt nano nhỏ hơn một giá trị đặc biệt phụ thuộc vào loại bán dẫn. Nó được gọi là
hiệu ứng giam giữ. Hiệu ứng này tạo ra sự thay đổi giữa giếng năng lượng
(energy gap) và kích thước của chấm lượng tử. Năng lượng vùng cấm phụ thuộc
vào cấu tạo và kích thước của chất bán dẫn. Tính chất quan trọng thứ hai là quan
sát các trạng thái năng lượng tách biệt do một lượng nhỏ các nguyên tử trong


chấm lượng tử so với vật liệu khối. Điều này dẫn đến trạng thái năng lượng của
mỗi mức năng lượng biểu diễn theo hàm sóng giống nguyên tử hơn. Vì hàm
Schrodinger của chấm lượng tử rất giống với hàm sóng của các electron chuyển
động quanh hạt nhân ( giải thích vì sao chấm lượng tử được gọi là nguyên tử
nhân tạo) và có đỉnh nhọn phát xạ giống như nguyên tử. Khoảng cách mức năng
lượng phổ biến của chấm lượng tử dao động từ 10 – 100 MeV.

Hình 3: Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi của mật độ trạng thái với sự thay
đổi số lượng nguyên tử trong vật liệu (MO: molecular orbital; HOMO: highest
occupied MO; LUMO: lowest unoccupied MO; AO: automic orbital)
1.2.2 Cấu trúc bề mặt
Tỷ lệ nguyên tử trên bề mặt so với nguyên tử trong chấm lượng tử có liên
quan đến kích thước của chấm, kích thước của chấm càng nhỏ thì tỉ lệ này sẽ
tăng. Số nguyên tử trên bề mặt và tỉ lệ nguyên tử trên bề mặt so với tổng số
nguyên tử trong chấm được xác định như sau:
nm = 4n 2/3

(1)

với nm là số nguyên tử trên bề mặt

n là tổng số nguyên tử trong chấm lượng tử
f =

nm
r
=4 0
n
r

(2)

với ro là bán kính nguyên tử

r là bán kính của chấm lượng tử


Từ biểu thức (2) cho thấy kích thước của chấm giảm thì f tăng lên và xấp
sĩ gần bằng 1 lúc này hầu như 100% nguyên tử đều ở trên bề mặt; nếu kích
thước của chấm nhỏ hơn 1nm thì có tập hợp ít nhất vài chục nguyên tử. Khi kích
thước chấm giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, các
trạng thái điện lượng tử liên quan đến bề mặt (gọi là trạng thái bề mặt) có ảnh
hưởng quan trọng đến tính chất quang của chấm lượng tử. Ví dụ, khoảng 15%
nguyên tử trong chấm lượng CdS 5 nm ở trên bề mặt. Tỷ lệ bề mặt này có thể
tăng cường hoặc giảm tốc độ truyền các hạt mang điện phát quang do mật độ bề
mặt cao. Trạng thái bề mặt của chấm lượng tử có thể ảnh hưởng đến sự hấp thụ
quang (kích thích thích quang phát quang – PLE), hiệu suất lượng tử, cường độ
phát quang. Nhìn chung, trạng thái bề mặt xuất hiện từ liên kết sai hỏng
(unsatisfied) tại bề mặt hồi phục và bị ảnh hưởng bởi các thành phần hoá học
(nonstoichiometry) và các lỗ hổng. Năng lượng trạng thái bề mặt nằm trong
vùng cấm của chấm lượng tử. Vì thế, chúng có thể bẫy các hạt mang điện
(electron và lỗ trống) và hoạt động như chất khử (electron) và chất oxi hóa (lỗ
trống). Các phản ứng điện hóa hoặc hoạt động tại bề mặt có thể ảnh hưởng đặc
biệt đến tính dẫn điện và tính chất quang của chấm lượng tử. Sự thụ động hóa bề
mặt của chấm lượng tử có thể giam giữ hạt tải bên trong lõi và tăng cường tính
chất quang của chấm lượng tử. Nhưng bề mặt thụ động này hoạt động như chất
cách điện cũng như rào cản của sự dẫn điện.
1.2.3 Cấu trúc nhiều vỏ
Chấm lượng tử hai vỏ được nghiên cứu để tăng cường tính chất quang. Sự
khác biệt và sự lệch mạng trong vùng cấm rất quan trọng đối với tính chất của
lõi/vỏ của chấm lượng tử. Vùng cấm và biên hấp thụ hoàn toàn (band offset) của
vật liệu lõi và vỏ cũng quan trọng đối với sự chiếm đóng hạt tải điện từ lõi đến
trạng thái bề mặt của vỏ. Trong trường hợp CdSe/CdS, sự lệch mạng là nhỏ,
biên hấp thụ hoàn toàn cũng nhỏ. Đối với chấm lượng tử CdSe/ZnS, sự lệch
mạng là lớn, biên hấp thụ hoàn toàn cũng lớn. Những điểm mạnh của cả hai vật
liệu vỏ sẽ được tổng hợp trong chấm lượng tử có cấu trúc hai vỏ lõi/vỏ/vỏ


CdSe/CdS/ZnS. Trong cấu trúc nano hai vỏ, trạng thái căng của mạng (lattice
strain) tại bề mặt tiếp giáp bị giảm xuống trong khi biên hấp thụ hoàn toàn vẫn
rộng.
Chương 2: Hiệu ứng trong chấm lượng tử.
2.1: Hiệu ứng giam giữ lượng tử trong chất bán dẫn.
Trong một chất bán dẫn tinh thể có đường kính nhỏ hơn kích thước của nó
exciton Bohr bán kính, các exciton được ép, dẫn đến giam giữ lượng tử. Các
mức năng lượng sau đó có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng hạt trong
hộp mô hình trong đó năng lượng của các quốc gia khác nhau phụ thuộc vào độ
dài của hộp. Chấm lượng tử được cho là trong "chế độ giam điện tử yếu 'nếu bán
kính của nó là vào thứ tự của các exciton Bohr bán kính; chấm lượng tử được
cho là trong "chế độ giam mạnh mẽ 'nếu họ bán kính nhỏ hơn bán kính Bohr
exciton. Nếu kích thước của các chấm lượng tử nhỏ đủ các hiệu ứng lượng tử
thống trị confinement (thông thường dưới 10 nm), các tính chất điện tử và quang
học được đánh giá cao, tập trung nghiên cứu nhiều và ứng dụng vào nhiều lĩnh
vực.

Tách các mức năng lượng cho các chấm lượng tử
nhỏ do hiệu ứng giam giữ lượng tử. Trục ngang là bán kính, hoặc kích thước,
của các chấm lượng tử và b * là bán kính Bohr Exciton.
Huỳnh quang xảy ra khi một electron bị kích thích thư giãn với các trạng
thái cơ bản và kết hợp với các lỗ. Trong một mô hình đơn giản, năng lượng của
các photon phát ra có thể được hiểu là tổng số năng lượng khe hở giữa các mức
độ bị chiếm đóng và mức độ năng lượng còn trống, các nguồn năng lượng giam


của lỗ và các electron bị kích thích, và năng lượng ràng buộc của exciton (cặp
electron-lỗ trống):

2.1.1: Band gap energy
Các khe hở có thể trở nên lớn hơn trong chế độ giam mạnh mà kích thước
của chấm lượng tử nhỏ hơn bán kính Bohr Exciton một b * như các mức năng
lượng tách ra.

nơi mộtb là bán kính Bohr=0.053 nm,m là khối lượng, μ là khối lượng giảm, và
εr là hằng số điện môi kích thước phụ thuộc (Hằng số điện môi). Điều này dẫn
đến sự gia tăng trong tổng năng lượng phát thải (tổng của các mức năng lượng
trong khoảng cách vùng nhỏ hơn ở chế độ giam mạnh là lớn hơn so với mức
năng lượng trong các khoảng trống của ban nhạc mức ban đầu trong chế độ
giam yếu) và các khí thải ở các bước sóng khác nhau; đó chính xác là những gì
xảy ra trong ánh mặt trời, nơi các hiệu ứng lượng tử giam là hoàn toàn chiếm
ưu thế và các mức năng lượng tách ra đến mức độ mà phổ năng lượng gần như
liên tục, do đó phát ra ánh sáng trắng.


2.1.2: Confinement energy
Các thực thể exciton có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng hạt trong
hộp. Các electron và lỗ có thể được xem như là hydrogen trong các mô hình
Bohr với các hạt nhân hydro thay thế bằng các lỗ của điện tích dương và khối
lượng electron tiêu cực. Sau đó, các mức năng lượng của các exciton có thể
được biểu diễn như là giải pháp cho các hạt trong một hộp ở tầng trệt (n = 1) với
khối lượng thay thế bằng trọng lượng giảm. Vì vậy, bằng cách thay đổi kích
thước của các chấm lượng tử, năng lượng giam của exciton có thể được kiểm
soát.
2.1.3: Bound exciton energy
Có thu hút Coulomb giữa các electron mang điện tích âm và lỗ mang điện
tích dương. Năng lượng tiêu cực liên quan đến việc thu hút tỉ lệ với năng lượng
Rydberg và tỉ lệ nghịch với bình phương của hằng số điện môi kích thước phụ
thuộc vào của chất bán dẫn. Khi kích thước của tinh thể bán dẫn nhỏ hơn bán
kính Exciton Bohr, sự tương tác Coulomb phải được sửa đổi để phù hợp với
tình hình.
Do đó, tổng các nguồn năng lượng có thể được biểu diễn như là:

nơi μ là khối lượng giảm, một là bán kính me là khối lượng electron tự do, mh là
khối lượng lỗ, vàεr là hằng số điện môi kích thước phụ thuộc.
Mặc dù các phương trình trên được rút ra bằng cách sử dụng các giả định đơn
giản hóa, các tác động là rõ ràng; năng lượng của các chấm lượng tử phụ thuộc
vào kích thước của chúng do ảnh hưởng confinement lượng tử, trong đó chiếm


ưu thế dưới kích thước quan trọng dẫn đến sự thay đổi trong các tính chất quang
học. Hiệu ứng này giam giữ lượng tử trên chấm lượng tử đã được thực nghiệm
kiểm chứng và là một tính năng chủ yếu của nhiều cấu trúc điện tử hiện đại.
Bên cạnh đó giam trong cả ba chiều (tức là, một chấm lượng tử), chất bán
dẫn lượng tử giới hạn khác bao gồm:
- Dây lượng tử, trong đó giới hạn điện tử hoặc lỗ trong hai chiều không gian
và cho phép tuyên truyền miễn phí ở một phần ba.
- Giếng lượng tử, trong đó giới hạn điện tử hoặc lỗ trong một chiều và cho
phép tuyên truyền tự do trong không gian hai chiều.
2.2 Mô hình xấp xỉ khối lượng (EMA)
Mô hình này được sử rộng rãi nhất để dự đoán sự giam giữ lượng tử. Mô
hình giả định một hạt trong giếng thế với hàng rào thế vô hạn tại biên hạt. Mối
quan hệ giữa năng lượng (E) và vector sóng (k) được cho bởi biểu thức sau:
E=

h2 k 2
(4)
2 m*

Trong mô hình này, mối quan hệ được giả định để giữ một electron hay lỗ
trống trong chất bán dẫn, vì thế dãy năng lượng có dạng parabol gần biên vùng
(band-edge). Độ biến thiên năng lượng ∆Eg bởi sự giam giữ exciton trong chấm
lượng tử có bán kính R được biểu diễn như công thức sau:
h2π 2 1,8e2 h2π 2  1
1  1, 78e 2
*
∆Eg =

=
+
− 0, 248 ERy
(5)
÷−
2
2 
2µ R
εR
2 R  me mh 
εR

Trong đó µ là khối lượng rút gọn (reduced mass) của cặp electron-lỗ trống
và E*Ry là năng lượng Rydberg.
Phần đầu tiên của phương trình (5) biểu diễn mối quan hệ giữa năng lượng
giam giữ hạt trong giếng hay năng lượng giam giữ với bán kính của chấm lượng
tử (R), trong khi đó phần thứ hai thể hiện năng lượng tương tác Coulomb phụ
thuộc R-1. Năng lượng Rydberg độc lập với kích thước và thường không đáng
kể, ngoại trừ chất bán dẫn có hằng số điện môi nhỏ. Theo công thức (5), sự
chuyển tiếp exciton đầu tiên tăng khi bán kính của chấm lượng tử giảm. Tuy


nhiên, mô hình xấp xỉ khối lượng này không thích hợp với các chấm lượng tử
kích thước nhỏ bởi vì mối liên hệ E-k không còn xấp xỉ như parabol.
2.3 Tính chất phát quang
Sau khi bị kích thích bởi năng lượng bên ngoài, ví dụ photon cho hiện
tượng quang phát quang, trường điện cho điện phát quang, ... electron và lỗ
trống có năng lượng cao do sự chuyển năng lượng electron từ trạng thái cơ bản
sang trạng thái kích thích. Những năng lượng này có liên quan với sự hấp thụ
quang được xác định trực tiếp bởi cấu trúc điện của vật liệu. Electron và lỗ trống
kích thích có thể hình thành một exciton. Electron có thể kết hợp lại với lỗ trống
và trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, cuối cùng đạt trạng thái cơ bản. Năng
lượng phát ra từ sự tái hợp và sự hồi phục có thể là dạng phát xạ (phát ra
photon) hoặc không phát xạ (phát ra phonon hoặc electron Auger).
2.4: Một số ứng dụng của chấm lượng tử.
2.4.1 LED chấm lượng tử
Những Led thế hệ cũ làm bằng chất bán dẫn truyền thống có nhiều hạn
chế trong việc phát sáng như khó điều chỉnh bước sóng mà mỗi vật liệu bán dẫn
phát ra. Còn chấm lượng tử có thể được điều chỉnh để phát ra bất kì các bước
sóng nằm trong vùng khả kiến và hồng ngoại. Những khả năng điện phát quang
độc nhất này của chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước của chấm từ 2 đến 10
nm. Tại kích thước này, cơ học lượng tử cho phép vật liệu bán dẫn có những đặc
điểm mới, kích thước nhỏ mang lại tính linh hoạt lạ thường về hình dạng, cho
phép chấm hoạt động dễ dàng trong chất nền, tấm, màng, dung dịch, keo, mực.
Và đặc biệt khi ta điều khiển kích thước của chấm thì có thể điều khiển được
màu sắc của chúng. Định hình trước kích thước của chấm sẽ cố định được bước
sóng photon phát ra có màu sắc thích hợp, thậm chí màu sắc không xuất hiện
một cách ngẫu nhiên. Đặc biệt hơn là chấm có thể phát ra ánh sáng trắng chuẩn
nhờ trộn lẫn chấm phát ra ánh sáng đỏ, xanh lá và xanh dương.


Hình 5: Đèn phát huỳnh quang màu xanh (trái) và màu trắng (phải)
được chế tạo tại Sandia National Laboratories (Mỹ).
(Nguồn: http://www.physlink.com/News/071403QuantumDotLED.cfm)
2.4.2 Đánh dấu sinh học
Chấm lượng tử thực chất là tinh thể bán dẫn có đường kích một vài
nanomet. Cùng một loại vật liệu nhưng những chấm lượng tử có kích thước khác
nhau sẽ phát xạ ra các màu khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại.
Lợi dụng tính chất này, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng chấm lượng tử
để đánh dấu hàng hoá, chứng từ hoặc tiền giấy nhằm chống làm giả, tiêm chấm
lượng tử vào cơ thể động vật để quan sát, chụp ảnh các cơ quan, tế bào... Ngoài
ra, chấm lượng tử còn có tiềm năng được sử dụng để dò ung thư, đưa thuốc tới
tế bào ung thư...
Cảm biến huỳnh quang học và điều trị ung thư, là một ứng dụng ưu việt
của chấm lượng tử đang được quan tâm trong lĩnh vực y tế. Kích thước nhỏ giúp
tinh thể lưu thông khắp nơi trong cơ thể và phát sáng dưới tác dụng của tia cực
tím. Nhờ đó các chuyên gia quan sát được quá trình hấp thụ vật chất ở da và nội
tạng; nghiên cứu sự tích tụ hóa chất có trong các sản phẩm thương mại như bao
bì, mỹ phẩm, thực phẩm … lên cơ thể sống. So với thuốc nhuộm hữu cơ đang
được sử dụng trong các ứng dụng y sinh hiện tại, cảm biến chấm lượng tử cho
hiệu quả vượt trội bởi phát sáng tốt hơn, lâu hơn và nhiều màu sắc hơn. Dựa trên
các nghiên cứu này còn có thể thiết kế chấm lượng tử mang thuốc chống ung thư


với liều chính xác tác động vào tế bào cụ thể, làm giảm tác dụng phụ không
mong muốn của phương pháp hóa trị truyền thống.

Hình 6: Chuột được tiêm CLT phát sáng dưới ánh đèn tia cực tím. Ảnh: Warren
Chan.
2.4.3 Đóng ngắt quang học
Chấm lượng tử cũng có thể là vật liệu để sản xuất các công tắc quang học.
Một chấm lượng tử đơn nhất có thể hoạt động như một đơn vị điện tử siêu nhỏ,
chẳng hạn bóng bán dẫn, để hình thành nên cơ sở của thiết bị điện tử cỡ nano.
Với kích cỡ 1- 6nm, hàng tỷ chấm lượng tử có thể nằm gọn trên một đầu đinh
ghim.
2.4.4 Máy tính lượng tử dùng chấm lượng tử
Chấm lượng tử mang đến sự đột phá về công nghệ cho các thế hệ màn
hình ti vi, máy tính, điện thoại di động. Các màn hình thế hệ trước như LCD,
màu sắc khá bị giới hạn bởi hình ảnh chiếu sáng nhờ đèn nền. Nhưng đối với
công nghệ chấm lượng tử thì ánh sáng được chiếu qua màng mỏng tinh thể nano
có thể điều chỉnh bước sóng phát ra, màu sắc tạo ra sẽ rất phong phú, độ phân
giải vượt trội. Sony là thương hiệu đầu tiên thương mại hoá công nghệ chấm
lượng tử trên sản phẩm ti vi và máy tính xách tay vào năm 2013. Sau một năm,
Apple đã ứng dụng công nghệ chấm lượng tử của công ty Nanosys trên màn
hình iphone, việc sử dụng chấm lượng tử bán dẫn đã cách mạng hoá công nghệ
màn hình cảm ứng. Bên cạnh đó, năm 2015 một số nhãn hiệu như Samsung, LG,
TCL cũng chạy đua công nghệ sử dụng chấm lượng tử cho dòng sản phẩm ti vi
LCD.


2.4.5: Thiết bị quang điện
Các chấm lượng tử có thể làm tăng hiệu quả và giảm chi phí của silicon điển
hình hiện nay của các tế bào quang điện. Theo một bằng chứng thực nghiệm từ
năm 2004, các chấm lượng tử của selenua chì có thể sản xuất nhiều hơn một
exciton từ một photon năng lượng cao thông qua các quá trình của nhân chuyên
chở hay nhiều thế hệ exciton (MEG). Điều này khá cao so với các tế bào quang
điện ngày nay mà chỉ có thể quản lý một exciton mỗi photon năng lượng cao,
với các hãng năng lượng động học cao mất đi năng lượng của họ như là nhiệt.
Chấm lượng tử quang điện theo lý thuyết có giá rẻ hơn để sản xuất, vì chúng có
thể được thực hiện "sử dụng các phản ứng hóa học đơn giản."
1.5.6: Photodetector devices
Quantum dot tách sóng quang (QDPs) có thể được chế tạo hoặc thông qua
giải pháp xử lý hoặc từ các chất bán dẫn đơn tinh thể thông thường QDPs đơn
tinh thể bán dẫn thường được loại trừ từ tích hợp với thiết bị điện tử hữu cơ linh
hoạt do sự không tương thích của họ tăng trưởng điều kiện với các cửa sổ trình
theo yêu cầu của các chất bán dẫn hữu cơ. Mặt khác, QDPs giải pháp xử lý có
thể dễ dàng tích hợp với một loạt gần như vô hạn của chất nền, và cũng xử lý
sau trên mạch tích hợp khác. Như keo QDPs có tiềm năng ứng dụng trong giám
sát, thị giác máy, kiểm tra công nghiệp, quang phổ, và hình ảnh y sinh học
huỳnh quang.
1.5.6: Ứng dụng trong hệ thoongs cơ điện

Nanomotor

Nanomotor inside of a Patch Clamp head


2.5: Kết luận
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhằm
đáp ứng cho nhu cầu ngày đa dạng về mọi mặt con người đã tạo ra được các loại
vật liệu tiên tiến, thông minh. Trong đó chấm lượng tử được xem là vật liệu đặc
biệt được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polymer. Nhờ các tính chất
quan trọng của chấm lượng tử mà nó có nhiều ứng dụng trong thực tế. Việc
nghiên cứu và chế tạo chấm lượng tử đang là một lĩnh vực rất nóng mà các nhà
khoa học trong nước và ngoài nước quan tâm nhằm đưa ra những ứng dụng hữu
ích nâng cao giá trị cuộc sống của chúng ta.


1.
2.

3.

4.

III. TÀI LIỆU THAM KHẢO
https://vi.wikipedia.org/wiki/Chấm_lượng_tử
Chấm lượng tử và một ứng dụng trong kỹ thuật & công nghệ. Tác giả:
(Nguyễn Thị Huỳnh Nga). TPHCM ngày 21-11-2016. Trên website
http://.violet.vn
Vũ Đức Chinh. Nghiên cứu chế tạo tính chất quang của chấm lượng tử
CdSe với cấu trúc lõi/vỏ và định hướng ứng dụng, luận án tiến sĩ khoa học
vật liệu, Hà Nội ngày 11- 6-2013, trên website luanvan.net.vn
Chu Việt Hà và Đtg, Ứng dụng đánh dấu sinh học của các chấm lượng tử
bán dẫn, tạp chí Khoa học và công nghệ, 99(11): 151 – 159

5.

Nguyễn Thị Minh Thuỷ, Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của chấm
lượng tử bán dẫn hợp chất ba nguyên tố I – III – VI 2 (CuInS2), luận án tiến
sĩ, Hà nội, 2014



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×