Tải bản đầy đủ

Tổng hợp vật liệu phát quang từ một số sản phẩm có nguồn gốc thực vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐHSP HÀ NỘI 2
======

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG TỪ
MỘT SỐ SẢN PHẨM CÓ NGUỒN GỐC
THỰC VẬT

Sinh viên thực hiện : Lê Thị Hằng
Ngành học

: Hóa Vô Cơ

Hà Nội - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐHSP HÀ NỘI 2
======


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG TỪ
MỘT SỐ SẢN PHẨM CÓ NGUỒN GỐC
THỰC VẬT

Sinh viên thực hiện: Lê Thị Hằng
Ngành học: Hóa Vô Cơ
Cán bộ hướng dẫn

Th.S. Hoàng Quang Bắc

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ từ nguồn kinh phí Khoa học công nghệ của trường Đại
học Sư phạm Hà Nội 2 cho đề tài mã số: C.2017-18-05 do Th.S. Hoàng Quang Bắc
làm chủ nhiệm đề tài. Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được sự
giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
Trước tiên, em xin gửi tới Ths. Hoàng Quang Bắc – người trực tiếp định hướng và
giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Em chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Mai Xuân Dũng đã giúp đỡ em trong quá trình
em làm thực nghiệm và tiến hành một số phép đo cho các số liệu sử dụng trong đề
tài.

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và là chỗ
dựa tinh thần cho em trong suốt thời gian qua.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của ThS. Hoàng Quang Bắc. Các số liệu và kết quả trong khóa
luận là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Đề tài không có sự sao chép tài liệu hay công trình nghiên cứu nào của người
khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo. Tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này.

Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Lê Thị Hằng


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

QDs: Chấm lượng tử (quantum dots)
CQDs: Chấm lượng tử Cacbon (carbon quantum dots)
nm: nano met
Eg: Độ rộng vùng cấm (energy gap)
LED: Diot phát xạ ánh sáng (light-emitting diodes)
FT-IR: Phổ hồng ngoại (Fourier transform - infrared spectroscopy)
UV-Vis: Phổ tử ngoại – khả kiến (ultra violet - visible absorption
spectroscopy)
PL: Phổ kích thích huỳnh quang (photoluminescence spectroscopy)
ADN: Deoxyribo nucleic acid
QY: hiệu suất lượng tử (quantum yield)


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài............................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu..................................................................................... 1
3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
5. Điểm mới của đề tài ...................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................. 3
1.1. Chấm lượng tử............................................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm ................................................................................................ 3
1.1.2.Cấu trúc, tính chất cơ bản của chấm lượng tử ......................................... 3
1.1.3. Những ứng dụng của chấm lượng tử ...................................................... 8
1.1.4. Những loại chấm lượng tử phổ biến ..................................................... 13
1.1.5. Xu hướng nghiên cứu chấm lượng tử trong khoá luận ......................... 14
1.2. Chấm lượng tử carbon.............................................................................. 15
1.2.1. Mô tả cấu trúc........................................................................................ 15
1.2.2. Tính chất của chấm lượng tử carbon..................................................... 16
1.2.3. Một số tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử carbon ....................... 17
1.2.4. Phương pháp tổng hợp CQDs ............................................................... 21
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... 24
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử carbon.............................................................. 24
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ.............................................................................. 24
2.1.2.Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ đậu tương ...................................... 24


2.1.3. Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ nước chanh................................... 25
2.1.4. Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ hỗn hợp đậu tương và nước chanh.
......................................................................................................................... 25
2.2. Các phương pháp nghiên cứu chấm lượng tử Carbon ............................. 25
2.2.1. Phổ hồng ngoại IR................................................................................. 25
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-VIS ............................................................................. 27
2.2.3. Phổ phát xạ huỳnh quang ...................................................................... 29
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 32
3.1. Sự hình thành chấm lượng tử carbon ....................................................... 32
3.2. Cấu trúc của chấm lượng tử carbon ......................................................... 34
3.3. Tính chất quang của chấm lượng tử carbon............................................. 36
3.3.1. Tính chất hấp thụ ánh sáng ................................................................... 36
3.3.2. Tính chất phát xạ huỳnh quang ............................................................. 38
3.3.3. Hiệu suất phát xạ lượng tử .................................................................... 39
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN............................................................................... 42
PHẦN 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................... 43


DANH MỤC HÌNH, BẢNG
Hình 1. Cấu trúc vật lý của chấm lượng tử. ...................................................... 4
Hình 2. Màu sắc phát xạ của cùng một dung dịch QDs với kích thước khác
nhau dưới đèn UV ............................................................................................. 6
Hình 3. Màn hình Q-LED TV sử dụng chấm lượng tử làm chất ...................... 9
phát quang ......................................................................................................... 9
Hình 4. Cấu trúc chấm lượng tử carbon.......................................................... 15
Hình 5 : Công nghệ chấm lượng tử trong đèn LED........................................ 18
Hình 6. Chuột được tiêm CLT phát sáng dưới ánh đèn tia cực tím................ 19
Hình 7. Một sơ đồ minh họa phát hiện nucleic acid huỳnh quang dựa trên
CQDs ............................................................................................................... 21
Hình 8: Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử carbon từ chanh và đậu tương.......... 24
Hình 9. Sơ đồ khối cấu trúc máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier..... 26
Hình 10. Sơ đồ máy đo phổ UV-Vis............................................................... 27
Hình 11. Sơ đồ nguyên lý của phép đo phổ huỳnh quang .............................. 30
Hình 12. Sơ đồ thể hiên sự hình thành C-QDs từ axit thios - alicylic và EDA
tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. ......................................................... 32
Hình 13: Dung dịch chấm lượng tử của đậu tương, chanh, và hôn hợp đỗ
tương với chanh qua thời gian......................................................................... 34
Hình 14: Sự phát xạ ánh sáng của chấm lượng tử carbon khi chiếu............... 34
tia UV .............................................................................................................. 34
Hình 15: Phổ hồng ngoại IR của 3 mẫu chanh, đậu tương, hỗn hợp chanh và
đậu tương tại thời gian tối ưu .......................................................................... 35
Bảng 1. Tần số dao động của các nhóm chức đặc trưng trong phổ IR .......... 36
Hình 16. Phổ hấp thụ UV-Vis của CQDs từ 3 mẫu theo thời gian................. 37
Hình 17. Phổ phát xạ của dung dịch chấm lượng tử từ 3 mẫu ở thời gian tối
ưu..................................................................................................................... 38


Hình 18. Biểu đồ phổ phát xạ các mẫu ttối ưu tại bước sóng 325nm............. 39
(0.3, 3-3) .......................................................................................................... 39
Bảng 2. Hiệu suất phát xạ lượng tử của các dung dịch CQDs........................ 41


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Chấm lượng tử được phát hiện đầu tiên năm 1981 bởi nhà vật lý người
Nga Alexay I. Ekimov. Các chấm lượng tử là các hạt rất nhỏ, có kích thước
cỡ nanomet. Nhiều loại chấm lượng tử sẽ phát ra ánh sáng với các tần số khác
nhau nếu chúng được kích thích bởi điện hoặc ánh sáng. Chúng mang đặc tính
trung gian giữa các chất bán dẫn lớn và những phân tử rời rạc. Các tính chất
quang điện của chúng thay đổi theo kích cỡ và hình dạng. Chấm lượng tử đã
và đang trở thành chủ đề chính trong công nghệ nano bởi đặc tính phát xạ
huỳnh quang mạnh và có thể điều chỉnh được, là ứng dụng tiềm năng trong
hầu hết các lĩnh vực: sinh học, thiết bị quang học: đèn LED, Pin mặt trời, xúc
tác và cảm quan…[8]
Bên cạnh các vật liệu nano carbon đã được nghiên cứu khá đầy đủ như:
carbon nanotube, graphene, và fullerences… thì chấm lượng tử carbon
(CQDs) là vật liệu mới được nghiên cứu gần đây. Là một loại vật liệu mới, có
nhiều tính chất quang và điện đáng chú ý như: độ ổn định cao, tính dẫn điện
tốt và đặc biệt là độc tính thấp, thân thiện với môi trường [8].
CQDs dễ dàng được sản xuất từ hầu hết các nguồn carbon như rau củ
quả, nước ngọt, hóa chất, thậm chí là từ chất thải thực phẩm dùng trong công
nghiệp. Do mang tính tự nhiên, được tổng hợp đơn giản từ nguồn carbon
phong phú và rẻ tiền nên CQDs đang trở thành mục tiêu hàng đầu, mũi nhọn
của ngành vật liệu nano. Từ những phân tích trên, trong đề tài này, tôi lựa
chọn đề tài “Tổng hợp vật liệu phát quang từ một số sản phẩm có nguồn gốc
thực vật”, cụ thể là từ đậu tương và nước chanh.
2. Mục đích nghiên cứu

1


- Tổng hợp chấm lượng tử carbon (CQDs) bằng phương pháp lò vi
sóng.
- Nghiên cứu tính chất quang của CQDs bằng phổ hấp thụ UV-VIS và
phổ phát xạ huỳnh quang PL.
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tài liệu: phương pháp tổng hợp CQDs.
- Tổng hợp CQDs bằng phương pháp lò vi sóng.
- Đặc trưng cấu trúc của chấm lượng tử thu được bằng các phương
pháp phổ hồng ngoại IR.
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng
quang phổ hấp thụ UV-VIS và quang phổ phát xạ PL.
4. Phương pháp nghiên cứu
Thực nghiệm kết hợp với lý thuyết mô phỏng.
Trước tiên, chúng tôi tổng hợp CQDs, đo tính chất quang và đưa ra mô
hình lý thuyết giải thích tính chất quang của chấm lượng tử thu được.
5. Điểm mới của đề tài
Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ thực phẩm dễ kiếm và rẻ tiền

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Chấm lượng tử
1.1.1. Khái niệm
Năm 1981, giáo sư vật lý Mark A. Reed (Đại học Yale) mới đặt tên cho
những hạt bán dẫn bé xíu, có kích thước cỡ nanomet là chấm lượng tử
(Quantum Dots). Chúng nhỏ đến mức có đặc tính quang học và điện tử khác
xa so với các hạt lớn hơn. Chấm lượng tử có thể tạo ra từ vật liệu bán dẫn,
kim loại hoặc polymer[]. Trong một QDs có thể chứa từ hàng trăm đến hàng
ngàn nguyên tử tùy thuộc vào kích thước của nó. Đường kính QDs của một
bán dẫn tương đương với đặc trưng bán kính Bohr (là khoảng cách tương tác
giữa electron và lỗ trống bên trong mạng lưới tinh thể của bán dẫn) của bán
dẫn đó. Bán kính Bohr (aB) phụ thuộc vào khối lượng tương đối của electron
*

*

(me ), lỗ trống (mh ) và hằng số điện môi  theo phương trình dưới đây:

Trong đó:
o

ao=0.529A là bán kính obitan 1S của hydro.
Ví dụ, bán kính Bohr của một số bán dẫn quan trọng như: ZnO (2,2
nm), CdS (3,1 nm), CdSe (6,1 nm), CdTe (6,5 nm), PbS (18 nm), PbSe (46
nm), InP (15 nm), InAs (34 nm), Si (4,3 nm), Ge (24,3 nm) [1].
1.1.2.Cấu trúc, tính chất cơ bản của chấm lượng tử


Đặc tính điện tử của một chấm lượng tử có liên quan mật thiết với kích
thước và hình dạng của nó. Chấm lượng tử chỉ nhỏ khoảng 1/10.000 chiều
rộng của một sợi tóc của con người và được mô tả gần như hình vẽ dưới đây:

Hình 1. Cấu trúc vật lý của chấm lượng tử.
QDs thường có cấu trúc dạng 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 phải
có năng lượng vùng cấm lớn hơn năng lượng vùng cấm của phần lõi. Hạt tải
trong lõi sẽ chịu sự giam giữ lượng tử của lớp vỏ. Ngoài ra, lớp vỏ bọc còn có
tác dụng làm 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. Ví dụ người ta đã chọn
ZnS làm vỏ bọc cho chấm lượng tử CuInS2 [12].
QDs 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
nm và số lượng nguyên tử trong khoảng 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 nm. Chúng
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 và riêng biệt. Đây là lý
do tại sao QDs được gọi là nguyên tử nhân tạo. Điểm quan trọng của QDs với
kích thước hạt dưới 30 nm là sự khác biệt lớn về khả năng hấp thụ quang,
năng lượng excition và sự tái hợp cặp electron – lỗ trống. Bởi tính chất của
QDs 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 QDs. Sự phụ thuộc vào kích thước bắt nguồn từ hai yếu tố:
một là sự thay đổi tỷ lệ nguyên tử bề mặt so với tổng nguyên tử của chấm
lượng tử, hai là hiệu ứng giam giữ lượng tử. Ngoài ra, QDs của cùng một vật
liệu có thể phát xạ nhiều màu sắc khác nhau khi chúng ta thay đổi kích thước
của chúng [1].
Tính chất quang học của chấm lượng tử
Các đặc tính quang học của QDs xuất hiện do hiệu ứng giam giữ lượng
tử. Khi một photon có đủ năng lượng của một QDs tức có năng lượng lớn hơn
hoặc bằng khoảng cách vùng cấm (Eg), nó có thể kích thích một electron từ
dải hóa trị tới dải dẫn và để lại một lỗ trống ở vị trí của nó. Hệ cặp eletron - lỗ
(còn gọi là exciton) là hiện tượng khá phổ biến trong vật liệu bán dẫn. Tuy
nhiên, trong một QDs, kích thước trung bình của exciton nhỏ hơn kích thước
của QDs, tạo ra hiệu ứng giam hãm lượng tử. Dựa vào mô hình bài toán “hạt
2

trong giếng thế” có thể dự đoán lý thuyết rằng Eg tỷ lệ với 1/R , với R là kích
thước của QDs. QDs ở kích thước xác định sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc
riêng biệt khi được chiếu tia cực tím (UV). Màu sắc ánh sáng thay đổi tương
ứng với kích thước của QDs. Đây là lý do mà các QDs từ cùng một vật liệu
nhưng kích thước khác nhau có thể phát ra ánh sáng với màu sắc khác nhau
[3]. Các QDs kích cỡ lớn sẽ phát ra ánh sáng màu đỏ ( tức có năng lượng
thấp) còn QDs nhỏ phát ra ánh sáng xanh (có năng lượng cao hơn) do bước
sóng phụ thuộc vào năng lượng theo phương trình:


Bằng cách thay đổi tuần tự kích thước QDs, có thể tạo ra mọi sắc độ
trong quang phổ ánh sáng với độ thuần khiết mà hiếm loại vật liệu nào đạt
được. Sau đây là sự thay đổi màu sắc của QDs ở các kích thước tăng dần từ
trái qua phải:

Hình 2. Màu sắc phát xạ của cùng một dung dịch QDs với kích thước
khác nhau dưới đèn UV
Tính tan của chấm lượng tử:
Hai chất có thể tan tốt vào nhau nếu chúng có bản chất giống nhau. Ví
dụ: các chất phân cực sẽ tan tốt trong dung môi phân cực và ngược lại. Để xác
định xem chúng có giống nhau hay không, người ta dựa và các thông

số

Hansen (Hansen solubility parameters). Tức là QDs có khả năng dễ tan vào
dung môi nào đó (tính tan) được quyết định bởi các thông số tan Hansen của
nó.


Sử dụng các tham số hòa tan Hansen để dự đoán liệu một vật liệu sẽ
hoà tan trong một chất khác (dung môi) như thế nào. Cụ thể, mỗi phân tử
được cho ba tham số Hansen và mỗi điểm đều được đo bằng MPa
Năng lượng từ lực phân tán giữa các phân tử

0.5

:

.

Năng lượng từ lực liên phân tử lưỡng cực giữa các phân tử là
Năng lượng từ các liên kết hidro giữa các phân tử là

.

.

Ba tham số này được coi như các tọa độ cho một điểm trong ba chiều
(hay còn gọi là không gian Hansen). Nếu hai phân tử nằm càng gần nhau
trong không gian ba chiều này thì càng dễ hòa tan vào nhau. Để xác định xem
các thông số của hai phân tử (thường là dung môi và polymer) nằm trong
phạm vi, người ta gắn cho chất bị hòa tan giá trị được gọi là bán kính tương
tác (R 0). Để tính toán khoảng cách (Ra) giữa các tham số Hansen trong không
gian Hansen, ta dung công thức sau:

Các tham số này được tra tại bảng tham số Hansen. Kết hợp với bán
kính tương tác cho phép sự khác biệt năng lượng tương đối (RED) của hệ
thống:
RED = Ra/Ro
Nếu RED <1: các phân tử giống nhau và dung dịch sẽ tan hoàn toàn
Nếu RED = 1: dung dịch tan một phần trong dung môi
Nếu RED> 1: dung dịch sẽ không tan trong dung môi
Tóm lại, độ tan của chấm lượng tử phụ thuộc vào thành phần của QDs.
Ví dụ, nếu chấm lượng tử có nhiều nhóm chức như -COOH thì nó có thể tan


vào các dung môi có các thông số Hansen (khả năng hình thành liên kết hidro
và tính chất phân cực) cao [7].
1.1.3. Những ứng dụng của chấm lượng tử
Việc nghiên cứu và chế tạo chấm lượng tử đang là một lĩnh vực rất hot 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.
Trong đèn LED
Có một số phương pháp được đề xuất cho việc sử dụng QDs để cải
thiện diode phát sáng (LED) thiết kế, bao gồm cả "Quantum Dot Light
Emitting Diode" (QĐ-LED) và "Quantum Dot White Light Emitting Diode"
(QĐ-WLED) hiển thị. Vì các QDs tự nhiên sản xuất ánh sáng đơn sắc, chúng
có thể có hiệu quả hơn các nguồn ánh sáng mà phải được lọc màu. QĐ-LED
có thể được chế tạo trên một chất nền silicon, cho phép chúng được tích hợp
vào silicon dựa trên tiêu chuẩn mạch tích hợp hoặc các hệ thống vi cơ điện tử.
Các QDs có giá trị cho màn hình, vì chúng phát ra ánh sáng trong rất cụ thể
phân phối Gaussian tạo ra một màn hình hiển thị với màu sắc rõ ràng chính
xác hơn. Một màu thông thường màn hình tinh thể lỏng (LCD) thường được
backlit bằng đèn huỳnh quang (CCFL) hoặc đèn LED trắng thông thường có
màu lọc để sản xuất pixel đỏ, xanh lá cây hay màu xanh. Một cải tiến được sử
dụng một màu xanh-Emitting LED làm nguồn ánh sáng và chuyển đổi một
phần của ánh sáng phát ra ánh sáng tinh khiết màu xanh lá cây và màu đỏ
của các QDs thích hợp được đặt ở phía trước của đèn LED màu xanh. Đây là
loại ánh sáng trắng như đèn nền của một màn hình LCD, cho phép các gam
màu tốt nhất với chi phí thấp hơn so với sự kết hợp RGB LED sử dụng ba đèn
LED [8].


Với công nghệ màn hình QDs, ánh sáng chiếu qua màng mỏng tinh thể
nano có thể tạo ra màu sắc bất kỳ tùy thích. Do có kích thước và khoảng cách
giữa các hạt nhỏ nên hiệu quả truyền dẫn cao. Nhờ đó thiết bị hoạt động
nhanh hơn, bền hơn và tốn ít năng lượng (đây là yếu tố vô cùng quan trọng
với các thiết bị di động dùng pin). Do kích thước nano mang lại độ phân giải
cao, thế hệ màn hình QDs này tái tạo hình ảnh đẹp, chính xác và sống động
gấp nhiều lần so với màn hình tinh thể lỏng [8].

Hình 3. Màn hình Q-LED TV sử dụng chấm lượng tử làm chất
phát quang
Bộ tách sóng
Các bộ tách sóng quang lượng tử có thể được sản xuất từ các chất bán
dẫn đơn tinh thể truyền thống hoặc xử lý theo các giải pháp khác nhau. Giải
pháp xử lý bộ tách sóng là lý tưởng cho sự tích hợp của một số chất nền và để


sử dụng trong mạch tích hợp. Những bộ này sử dụng trong tầm nhìn, giám sát,
máy quang phổ và kiểm tra công nghiệp [1].
Tế bào quang điện
Bởi phổ hấp thụ có thể điều chỉnh được và hệ số phân hủy cao của QDs
khiến chúng có sức hút đối với các công nghệ thu ánh sang như quang điện.
Các QDs có thể làm tăng hiệu quả và giảm bớt chi phí của các tế bào quang
điện silicon điển hình ngày nay. Bằng chứng thực nghiệm là từ năm 2004, các
QDs của selenua chì có thể tạo ra nhiều hơn một exciton từ một photon có
năng lượng cao thông qua quá trình nhân đôi hoặc tạo ra nhiều exciton. So với
các tế bào quang điện ngày nay chỉ có thể quản lý một exciton trên một
photon mang năng lượng cao thì nó tỏ ra ưu việt hơn hẳn. Về mặt lý thuyết,
quang điện tử lượng tử tương đối rẻ để sản xuất vì chúng được tạo ra bằng các
phản ứng hóa học đơn giản. Các tế bào năng lượng mặt trời từ QDs tỏ ra có
hiệu quả hơn nhiều so với các pin mặt trời silicon của chúng. Hiệu quả hoạt
động cũng được cải thiện rõ rệt bằng cách sử dụng các QDs. Trong tế bào
năng lượng mặt trời nối tiếp silicon p-n truyền thống, khi một photon có năng
lượng nhỏ hơn dải băng silicon chạm vào tế bào đó, nó được truyền đi và
không đóng góp vào công suất đầu ra. Điều này dẫn đến sự cân bằng trong
thiết kế: nếu dòng điện cao hơn, các electron có năng lượng thấp hơn (tức
điện áp thấp hơn) và ngược lại. Các QDs có thể mang lại sự gia tăng đáng kể
về hiệu quả bằng cách sử dụng chấm có kích thước khác nhau trên cùng dải.
Khi tăng số lượng các dải lên vô cùng, hiệu quả giới hạn nhiệt động lực học
lên tới 86% [1].
Trong pin mặt trời
QDs cũng được sử dụng trong tế bào năng lượng mặt trời lai giữa vô cơ
và hữu cơ. Những tế bào mặt trời này hấp dẫn do chế tạo chi phí thấp và hiệu


quả tương đối cao. Sự kết hợp với các oxit kim loại chẳng hạn như vật liệu
nano ZnO, TiO2 và Nb2O5 vào quang điện hữu cơ đã được thương mại hóa
bằng cách sử dụng chế biến cuộn hoàn toàn. Và kết quả thu được thực nghiệm
là trong tế bào mặt trời lai nano đạt hiệu suất chuyển đổi 13,2% [1].
Ứng dụng sinh học
Các QDs mới nhất có tiềm năng lớn để sử dụng trong các ứng dụng
phân tích sinh học. Chúng được sử dụng trộng rãi để nghiên cứu các quá trình
nội bào, nhắm mục tiêu khối u, quan sát in vivo về buôn bán tế bào, chẩn
đoán và chụp ảnh tế bào với độ phân giải cao. Các QDs đã tỏ ra là vượt trội
hơn nhiều so với thuốc thử hữu cơ thông thường do năng suất lượng tử cao,
khả năng quang phổ và phát xạ có thể điều chỉnh của chúng. Do tính chất này
mà chúng trở lên lý tưởng khi sử dụng trong hình ảnh tế bào siêu nhạy. Các
chấm lượng tử có thể nhắm mục tiêu các tế bào hoặc protein cụ thể bằng cách
sử dụng peptide, kháng thể hay phối tử, và sau đó quan sát thấy protein hoặc
hoạt động của tế bào. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các QDs tốt hơn
nhiều trong việc cung cấp công cụ den siRNA để nhắm mục tiêu các tế bào so
với phương pháp trị liệu hiện sử dụng. Các nghiên cứu gần đây đã mở đường
cho ý tưởng thêm các hạt có hoạt tính nhẹ vào kháng sinh đê chống lại các vấ
đề ngày càng tăng của các bệnh nhiễm trùng kháng thuốc. Các loại hóa chất
được tạo ra sau khi ánh sang chiếu vào QDs có thể được sửa đổi bằng cách
thay đổi kích thước. Nhờ cách này, người ta đã phát triển các kháng sinh có
QDs thành một enzyme superoxide. Chúng làm cho vi khuẩn dễ bị tổn thương
hơn so với kháng sinh mà trước đây nó đã miễn dịch. Nghiên cứu này vô cùng
quan trọng và có tiềm năng trong tươi lai, với số lượng các bệnh nhiễm trùng
kháng thuốc liên tục tăng lên [4].
Trong máy tính


Các QDs đã mở đường cho các siêu máy tính được gọi là máy tính
lượng tử. Các máy tính lượng tử này hoạt động và lưu trữ thông tin bằng cách
sử dụng các bit lượng tử hoặc “qubit”, có thể tồn tại ở hai trạng thái – cả trong
và ngoài cùng một lúc. Hiện tượng đáng chú ý này cho phép tốc độ xử lý
thông tin và dung lượng bộ nhớ cho cả hai được cải thiện rất nhiều khi đem so
sánh với các máy tính thông thường. QDs mang đến sự đột phá mới trong
công nghệ cho các thế hệ màn hình ti vi, máy tính, điện thoại di động. Các
màn hình thế hệ trước như LCD có 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 với 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 năm 2013. Ngay một năm sau, 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, vào năm 2015 một số nhãn hiệu như Samsung, LG, TCL cũng đã
chạy đua công nghệ sử dụng chấm lượng tử cho dòng sản phẩm ti vi LCD [4].
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- 6 nm, hàng tỷ chấm lượng tử có thể nằm gọn trên một
đầu đinh ghim [4].


1.1.4. Những loại chấm lượng tử phổ biến
Như chúng ta đã biết, hiện nay ngành công nghiệp vật liệu rất rộng rãi
và cũng có nhiều nghiên cứu tổng hợp được đa dạng các loại QDs, ví dụ:
CdX, PbX (với X là O, S, Se, Te), CuInS2, ZnS, Si…. Trong đó, CdS được
quan tâm nhiều do độ rộng vùng cấm của khối bán dẫn (2,4 eV) tương ứng
vùng ánh sáng nhìn thấy. Về mặt ứng dụng, hiệu suất lượng tử cao cùng với
khả năng có thể điều chỉnh các đặc trưng quang học theo kích thước cho phép
sử dụng hiệu quả loại vật liệu này như là phần tử đánh dấu sinh học hay vật
liệu phát quang trong chiếu sáng rắn. Mặt khác, năng lượng liên kết exciton
của CdS nhỏ (29 mV) tương ứng với bán kính Bohr exciton (aB = 2,8 nm)
nên trong thực tế, CdS cùng với CdSe là các hệ QDs điển hình được dùng để
nghiên cứu hiệu ứng giam giữ lượng tử mà trong đó hiệu ứng kích thước thể
hiện khá rõ nét. QDs CdSe được nghiên cứu mạnh mẽ và một số kết quả
nghiên cứu đã làm sáng tỏ các quá trình quang – điện tạo cơ sở cho việc triển
khai ứng dụng. Tuy nhiên, các hệ vật liệu này đều chứa Cd, một nguyên tố
được xem là độc hại khi tích tụ trong cơ thể con người. Vì vậy, các lĩnh vực
ứng dụng QDs phát quang chứa Cd bị hạn chế, đặc biệt là đối với việc sử
dụng để đánh dấu huỳnh quang trong các đối tượng y – sinh. Tương tự, QDs
PbX cũng chứa nguyên tố Pb rất độc hại [6].
Vật liệu bán dẫn từ hợp chất 3 nguyên tố loại Cu(In/Ga)(Se/S)2 (cấu
trúc gồm các nguyên tố nhóm I, nhóm III và nhóm VI) có cấu trúc tinh thể
tương đối gần với hợp chất bán dẫn II–VI. Cụ thể, CuInS2 có cấu trúc mạng
tinh thể lập phương giả kẽm giống như ZnS, với sự thay thế lần lượt Cu và In
vào vị trí của Zn. Tinh thể CuInSe2 (CuInS) có vùng cấm thẳng, độ rộng năng
lượng vùng cấm ~ 1,1 (1,5) eV, được quan tâm nghiên cứu chế tạo dạng màng
mỏng để ứng dụng làm pin mặt trời. Do CuIn(S, Se)2 có khả năng chống chịu
các tia vũ trụ nên được ứng dụng đặc biệt trong các hệ thống thiết bị đặt trong


vũ trụ. Pin mặt trời với hiệu suất 18,8% đã được chế tạo trên cơ sở màng
mỏng Cu(In,Ga)Se2. Một số kết quả nghiên cứu rất gần đây trên hệ vật liệu
CuInS2 cấu trúc nano cho thấy: ngoài ứng dụng đã rõ ràng là làm vật liệu biến
đổi quang – điện trong pin mặt trời, nó còn có triển vọng làm vật liệu phát
quang trong vùng phổ vàng cam – đỏ với hiệu suất huỳnh quang vô cùng cao.
Tuy nhiên, In lại là một nguyên tố đắt đỏ, bởi vậy phần nào đã làm giảm tiềm
năng ứng dụng của chúng [6].
QDs Silicon thu hút được rất nhiều quan tâm do khả năng phát xạ ánh
sáng ổn định của Si-QDs (đã được quan sát thấy ở các dải phổ: xanh, xanh,
cam, đỏ và hồng ngoại). Những dải PL này được cho là do sự tái tổ hợp của
exciton trong Si QDs. Chúng có nhiều ứng dụng trong điện tử lượng tử như
các điốt phát quang Si QDs, các pin mặt trời song song và phổ biến nhất với
cấu trúc của thiết bị điện tử. Tuy nhiên, do hạn chế về các kỹ thuật tổng hợp,
biến đổi màu phát quang, kém bền trong không khí nên việc triển khai ứng
dụng Si-QDs luôn đòi hỏi nhiều kỹ thuật khắt khe. Si-QDs thường đòi hỏi
nhiệt độ cao, hoặc sử dụng nhiều hóa chất cho quá trình oxi hóa hay khử hóa
tiền chất [6].
1.1.5. Xu hướng nghiên cứu chấm lượng tử trong khoá luận
Từ các ưu nhược điểm của một vài loại QDs đã được nêu ở trên chúng
tôi muốn nghiên cứu về chấm lượng tử carbon (CQDs). Trong một số năm trở
lại đây, CQDs thu hút được rất nhiều quan tâm vì chúng thể hiện nhiều đặc
tính như dễ tổng hợp, hiệu suất lượng tử lớn, không độc hại và nhất là tan
trong nước. Đặc biệt là chúng có hiệu suất phát quang tương đối cao, phổ hấp
thụ trong vùng nhìn thấy và không tốn kém. Những tính chất này giúp cho
CQDs có tiềm năng to lớn ứng dụng trong đánh dấu sinh học, chế tạo cảm
biến quang học, ứng dụng trong pin mặt trời… Việc tổng hợp CQDs khá là dễ


dàng và có thể từ nhiều nguồn như: đồ uống, thực phẩm, hoá chất,… Việc
tổng hợp CQDs từ hóa chất tinh khiết có ưu điểm về độ lặp lại, về độ đồng
đều kích thước hay tính chất hóa học bề mặt nhưng về tính chất hóa – lý, việc
sử dụng các nguyên liệu hóa học hay dung môi hữu cơ trong các quá trình
tổng hợp này có hạn chế lớn về môi trường và không an toàn sinh học. Tổng
hợp các vật liệu nano từ các nguồn sinh học, có khả năng tái tạo và có khả
năng tự phân hủy sinh học sau khi sử dụng có ý nghĩa to lớn trong xu hướng
tổng hợp hóa học xanh.
Trong khoá luận này, tôi đề cập tới việc nghiên cứu CQDs, về cấu trúc,
tính chất, ứng dụng, tổng hợp và khảo sát sự phát quang của CQDs từ một số
loại thực phẩm. Cụ thể, tôi nghiên cứu về CQDs tổng hợp từ 2 loại thực phẩm
quen thuộc trong đời sống hằng ngày là đậu tương và nước chanh.
1.2. Chấm lượng tử carbon
1.2.1. Mô tả cấu trúc

Hình 4. Cấu trúc chấm lượng tử carbon
Các chấm lượng tử dựa trên carbon bao gồm chấm lượng tử grapheme
(QGDs) và chấm lượng tử carbon là một lớp vật liệu nano carbon mới với


kích thước dưới 10 nm. Chấm lượng tử carbon (CQDs) lần đầu tiên được phát
hiện bởi Xu et al. năm 2004 trong quá trình thanh lọc các ống nano cacbon
đơn vách. Phát hiện này là mở đầu cho các nghiên cứu để khai thác các tính
chất huỳnh quang của CQDs. Nhiều tiến bộ đã đạt được trong quá trình tổng
hợp, tính chất và ứng dụng của CQDs [3].
Carbon thường là một vật liệu màu đen, và nói chung nó được coi là có
độ hòa tan thấp trong nước. Người ta quan tâm vào carbon dựa trên chấm
lượng tử vì độ hòa tan tốt và phát quang mạnh. So sánh với các QDs bán dẫn
truyền thống và thuốc nhuộm hữu cơ, CQDs vượt trội về độ hòa tan cao (dung
dịch nước), rất trơ về mặt hóa học, sự thay đổi bề mặt và khả năng chống chịu
cao photobleaching. Đặc tính sinh học cao của CQDs, chẳng hạn như độc tính
thấp và khả năng tương thích sinh học tốt tạo cho chúng các ứng dụng tiềm
năng trong sinh trắc học, bộ cảm biến sinh học và phân tử sinh học, phân phối
thuốc.
Tính đến nay, thực nghiệm và mô hình lý thuyết mô tả cấu trúc hóa học,
cấu trúc điện tử, cơ chế các quá trình quang - điện tử trong CQDs vẫn còn chưa
thực sự đầy đủ so với các hệ lượng tử khác. Cấu trúc được chấp nhận rộng rãi
của CQDs là gồm nhiều hệ đa vòng thơm liên hợp - nối với nhau bởi
các
mạch hydrocacbon no.
1.2.2. Tính chất của chấm lượng tử carbon
CQDs có đầy đủ tính chất của một QDs thông thường như đã được đề
cập ở phần 1.1.2. CQDs cũng có tính chất độc đáo chúng ta quan tâm là tính
tan và tính chất quang học.Tính tan trong nước của CQDs được quyết định
bởi các nhóm phân cực có trên bề mặt như: NH2, COOH, OH, SH, v.v. Tính
chất quang học của CQDs phụ thuộc vào những yếu tố cơ bản như kích thước
và thành phần của các hệ liên hợp có trong nó, khả năng tương tác giữa các hệ


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×