Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu phản ứng giữa cu2+ và chấm lượng tử carbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ QUỲNH

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG GIỮA
2+
Cu VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý

HÀ NỘI – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ QUỲNH


NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG GIỮA
2+
Cu VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý

Người hướng dẫn khoa học

TS. MAI XUÂN DŨNG

HÀ NỘI – 2018


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CA: Citric acid
CB: Conduction band/ vùng dẫn
CQDs: Carbon quantum dots/ Chấm lượng tử carbon
Cu/CQDs: Copper with Carbon quantum dots/ hợp chất chấm lượng
tử carbon với ion kim loại copper
N-CQDs: Nitrogen doped Carbon quantum dot/ Chấm lượng tử carbon
pha tạp Nitơ
EDA: Ethylenediamine
Eg: Engery gap/Độ rộng vùng cấm
FT-IR: Fourier transform - infrared spectroscopy/ Phổ hồng ngoại
HOMO: Highest occupied molecular orbital/ obitan phân tử bị chiếm
có năng lượng cao nhất.
LUMO: Lowest unoccupied molecular orbital/ obitan phân tử chưa bị
chiếm có năng lượng thấp nhất.
OLED: Organic Light-emitting diodes/ đi- ốt huỳnh quang hữu cơ
QDs: Quantum dots/Chấm lượng tử
QY: Quantum Yield / hiệu suất lượng tử
QC: Quantum Computing/ Máy tính lượng tử
QD-LED: Quantum dot Light-emitting diodes/ đi- ốt huỳnh quang
lượng tử
VB: Valance band/ vùng hóa trị
UV-vis: ultraviolet - visible absorption spectroscopy / Phổ hấp thụ tử
ngoại – khả kiến
XRD: Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X


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 mã đề tài số: C.2018-18-05 do TS.
Mai Xuân Dũng làm chủ nhiệm đề tài.
Để hoàn thành Khóa luận tốt nghiệp này và để có thể trở thành một
người có khả năng nghiên cứu khoa học, em xin chân thành cảm ơn sự giúp
đỡ củaTS. Mai Xuân Dũng,người thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều
kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộViện Khoa học Vật liệu và Phòng
hỗ trợ nghiên cứu khoa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Khoa Hóa học
trường ĐH KHTN đã nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ em thực hiện phép đo phổ hấp
thụ UV-VIS, phổ hồng ngoại FT-IR….
Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thành viên trong nhóm
N4O ( Nanomaterials For Optoelectronics) đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt
quá trình thực hiện khóa luận này.
Trong quá trình thực hiện khoá luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng
chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót.Vì vậy em rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn để nội dung khóa
luận được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 4 năm 2018
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Quỳnh


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan Khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
của riêng em dưới sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn TS.Mai Xuân Dũng. 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 nào, công
trình nghiên cứu nào của người khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham
khảo.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này!
Hà Nội, tháng 4 năm 2018
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Quỳnh


MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU........................................................................................... 1
1.Lý do chọn đề tài ................................................................................. .1
2.Mục đích nghiên cứu ........................................................................... .1
3.Nội dung nghiên cứu ........................................................................... .1
4.Phương pháp thực hiện ........................................................................ .2
5.Điểm mới của đề tài............................................................................. .2
PHẦN 2: NỘI DUNG ............................................................................. .3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................3
1.1.Giới thiệu về chấm lượng tử ..............................................................3
1.1.1. Khái niệm và cấu trúc của chấm lượng tử .....................................3
1.1.2. Các tính chất của chấm lượng tử...................................................3
1.1.3. Ứng dụng của chấm lượng tử........................................................7
1.2.C hấm lượng tử carbon .................................................................... 11
1.2.1. Khái niệm và cấu trúc................................................................. 11
1.2.2. Ưu điểm của chấm lượng tử Carbon ........................................... 12
1.2.3. Các phương pháp tổng hợp ......................................................... 13
1.2.4. Ứng dụng của chấm lượng tử carbon .......................................... 13
1.2.5. Cơ chế tương tác giữa chấm lượng tử và các ion kim loại chuyển tiếp...
17
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .............................................................. 19
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử carbon (CQDs) ....................................... 19
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ.................................................................... 19
2.1.2. Quy trình tổng hợp dung dịch chấm lượng tử carbon .................. 19
2.2 Phản ứng giữa ion copper (II) và chấm lượng tử carbon .................. 21
2.2.1

.

Hóa chất và dụng cụ.................................................................. 21

2.2.2 Chuẩn độ dung dịch copper (II) bằng dung dịch EDTA ................. 21


2.2.3 Dung dịch copper tương tác với dung dịch chấm lượng tử............ 22
2.3. Các phương pháp nghiên cứu phản ứng giữa Cu
carbon

2+

và chấm lượng tử

......................................................................................... . 23

2.3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR................................................................... 23
2.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ UV- vis................................................ 25
2.2.3 Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) ....................................... 27
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................... 29
2+

3.1. Xây dựng đường chuẩn độ của Cu ................................................ 29
3.2. Cấu trúc của CQDs và Cu/CQDs..................................................... 31
2+

3.3. Phản ứng giữa Cu và CQDs .......................................................... 32
3.3.1. Sự dập tắt huỳnh quang................................................................ 32
3.3.2. Sự thay đổi về độ hấp thụ quang học ........................................... 34
3.4. Cấu trúc của mẫu rắn Cu/CQDs ...................................................... 37
PHẦN 3: KẾT LUẬN........................................................................... . 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... . 40


DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU
2+

.......................................29

2+

có nồng độ khác nhau tại

Bảng 3.1. Thể tích EDTA dùng để chuẩn độ Cu

Bảng 3.2. Độ hấp thụ của các dung dịch Cu

816nm................................................................................................30
Hình 1.1. Mô hình cấu trúc chấm lượng tử....................................................... 3
Hình 1.2. Ảnh hưởng của sự giam hãm lượng tử đến cấu trúc và năng
lượngcủa QDs ..................................................................................... 4
Hình 1.3. Ảnh hưởng của kích thước đến QDs đến năng lượng Eg .................. 5
Hình 1.4. Màu sắc phát xạ (trái) và phổ hấp thụ UV-vis (phải) của chấm
lượng tử CdSe có kích thước thay đổi từ 2 đến 8 nm. ........................ 6
Hình 1.5. Sự chuyển dịch điện tử của quá trình hấp thụ và phát xạquang học
của QDs............................................................................................... 7
Hình 1.6. Chuột được tiêm QDs được soi dưới đèn UV.................................. 8
Hình 1.7. a) Pin mặt trời scatt của đại học Toronto thiết kế [13] .................... 9
Hình 1.8. Hình ảnh sử dụng công nghệ QD-LED (trái) cho độ phân giải
vàchất lượng màu tốt hơn phosphor LED (phải) của TV Samsung 10
Hình 1.9. Máy tính điện tử D-Wave (trái) và chíp điện tử (phải)................. 11
Hình 1.10. Mô phỏng cấu trúc 3D (trái) và 2D ( phải)của chấm lượng tử
Carbon............................................................................................... 12
Hình 1.11. Ảnh huỳnh quang in vivo chuột được tiêm CQDs ởcác bước sóng
kích thích khác nhau[23]................................................................... 15
Hình 1.12. Cơ chế quá trình dập tắt tín hiệu huỳnh quang ............................. 17
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp chấm lượng tử carbon chưa qua làm sạch
........................................................................................................... 20


Hình 2.2. Sơ đồ quy trình làm sạch CQD bằng phương phápsolvent- anti
solvent ............................................................................................... 21
Hình 2.3. Hệ thống máy bơm tuần hoàn có đèn UV....................................... 22
Hình 2.4. Sơ đồ quá trình cho ion Cu

2+

tác dụng với CQD............................ 23

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy quang phổ biến đổi Fourier .... 25
Hình 2.6. Sơ đồ hoạt động của máy đo phổ UV- vis ..................................... 26
Hình 2.7. Tia X chiếu vào mẫu vật ................................................................ 28
2+

Hình 3.1. a) Độ hấp thụ của các dung dịch Cu ,b) Đường chuẩn của dung
2+

dịch Cu ........................................................................................... 30
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của CQDs và Cu/CQDs ........................................ 31
Hình 3.3. Sự thay đổi cường độ huỳnh quang khi cho CQDs (trái)và khi cho
2+

CQDs tác dụng với Cu ( phải)........................................................ 33
2+

Hình 3.4. Mô tả cơ chế dập tắt huỳnh quang của CQDs với Cu .................. 34
Hình 3.5. a) Phổ hấp thụ khi cho Cu2+ phản ứng với CQDs ở điều kiện
thường ở các thời gian khác nhau ..................................................... 35
b) Phổ hấp thụ khi cho Cu2+ phản ứng với CQDs chiếu UV ở các
thời gian khác nhau. .......................................................................... 35
Hình 3.6. Phổ hấp thụ của các dung dịch các dung dịch CQDs,(Cu/CQDs +
2+

2+

2+

NH3), [Cu(NH3)4] , Cu và (Cu + CQDs)................................... 36
Hình 3.7. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu chất rắn Cu/CQDs.............................. 37


PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

1


Chấm lượng tử carbon (CQDs) là các hạt nano có kích thước nhỏ hơn
10nm.Chỉ trong một thời gian ngắn được phát hiện từ năm 2004 nhưng chấm
lượng tử carbon đãbộc lộ nhiều ưu việt bởi các tính chất lí thú của nó. CQDs
sở hữu độ ổn định cao trong dung dịch nước, thể hiện tính huỳnh quang
mạnh,tính độc thấp, khả năng tương thích sinh học tốt[1-4]. Chínhvì các tính
chất này, CQDs trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn thay thế các vật liệu chấm
lượng tử bán dẫn chứa các kim loại nặng. Do đó, chấm lượng tử carbon đang
được nghiên cứu rộng rãi ở nhiều khía cạnh khác nhau từ tổng hợp, nghiên
cứu cấu trúc, đến thay đổi tính chất quang và triển khai ứng dụng.
Một trong những ứng dụng của CQDs đó là sử dụng làm cảm biến hóa
học. Khi có mặt các ion kim loại, độ mạnh của các tín hiệu huỳnh quang giảm
đi rõ rệt. Vai trò của CQDs như một đầu dò để phát hiện các kim loại như
+

2+

3+

2+

n+

Ag , Hg , Fe , Co …Tuy nhiên các cơ chế về phản ứng giữa M (với M là
các ion kim loại). Nhằm tìm hiểu rõ hơn về phản ứng giữa các ion kim loại
chuyển tiếp với CQDs tôi lựa chọn đề tài
2+

“Nghiên cứu phản ứng giữa Cu và chấm lượng tử carbon”
2. Mục đích nghiên cứu
 Nghiên cứu tương tác giữa châm lượng tử carbon với ion kim loại
nặng điển hình ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích UV .
 Đánh giá khả năng xử lí ion kim loại Cu

2+

bằng chấm lượng tử

carbon.
 Nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm và tính chất của Cu/CQDs thông qua
phổ UV-vis, phổ IR, XRD.
3. Nội dung nghiên cứu

2


 Tổng hợp CQDs acid citric và ethylenediamine bằng phương pháp
thủy nhiệt .
 Đặc trưng cấu trúc và tính chất quang học của chấm lượng tử thu
được bằng các phổ hấp thụ UV-vis, phổ hồng ngoại (IR).
2+

 Theo dõi sự thay đổi của nồng độ Cu

và CQDs theo thời gian bằng

phương pháp phổ hấp thụ UV- vis.
 Nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, tính chất quang học của các sản
2+

phẩm của phản ứng giữa Cu

và CQDs thông qua phổ hồng ngoại IR, phổ

nhiễu xạ tai X( XRD).
4. Phương pháp thực hiện
 Thực nghiệm kết hợp lí thuyết mô phỏng
 Các phương pháp đặc trưng như phổ hồng ngoại IR, phổ hấp thụ tử
ngoại khả kiến UV-Vis, phổ nhiễu xạ tia X.
5. Điểm mới của đề tài
 CQDs được tổng hợp từ CA và EDA ( theo tỉ lệ 1:2) có thể sử dụng
để phát hiện và xử lí ion kim loại copper.
2+

 Sản phẩm của Cu tác dụng với CQDs cho một chất rắn có cấu trúc
tinh thể, cấu trúc này hoàn toàn mới lạ và chưa được biết đến trước đó.

3


PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về chấm lượng tử
1.1.1. Khái niệm và cấu trúc của chấm lượng tử
Khi các hạt tải điện bị giam giữ trong cả không gian ba chiều thì được
gọi là “chấm lượng tử”. Chấm lượng tử (quantum dots) là khái niệm chỉ các
họ vật liệu có kích thước rất nhỏ (2-10 nm), có từ vài trăm đến vài nghìn
nguyên tử, nằm trong khoảng giữa phân tử và bán dẫn rắn[5-8].

Hình 1.1. Mô hình cấu trúc chấm lượng tử
1.1.2. Các tính chất của chấm lượng tử
a. Hiệu ứng giam hãm lượng tử
Khi kích thước của QDs xấp xỉ với bán kính Borh thì trong hệ sẽ xuất
hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử. Khi đó,các hạt tải điện bị giam trong khối
này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyểnđộng trong một hộp thế
một chiều. Trong trường hợp này, khi điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị
(VB) lên vùng dẫn (CB) thì năng lượng vùng cấm Egsẽ là nghiệm của phương
trình Schrodinger, kết quả là những chuyển dời của hạt tải điện giữa hai mức
năng lượng gián đoạn nói trên sẽ gây ra quang phổ vạch.

4


5


Mật độ trạng thá

3D

1D

2D

0D

Năng lượng
Hình 1.2.Ảnh hưởng của sự giam hãm lượng tử đến cấu trúc và năng
lượngcủa QDs
Bán kính của chấm lượng tử được tính theo công thức sau:

(1)
rB  22  1 1


e  m m

h 
e
Trong (1), ,  , me , mh lần lượt là hằng số Plank rút gọn, hằng số điện
môi của bán dẫn rắn đang xem xét, khối lượng electron và khối lượng lỗ
trống. Từ công thức (1) có thể thấy rằng tùy thuộc vào bản chất vật liệu mà
kích thước của QDs sẽ khác nhau. Bằng tính toán người ta đã chỉ ra mối liên
hệ của năng lượng Eg với bán kính của chấm lượng tử qua phương trình (2)
o

E E 
g

g

h2  1
 1,
2
786e
1

2  * 
* 
8R e m h m o 4  R

(2)

o

Trong đó R, Eg , h, me* , m*h , e lần lượt là bán kính QDs, độ rộng vùng
cấm, hằng số Plank, khối lượng electron, khối lượng lỗ trống rút gọn và điện
tích nguyên tố.
Từ (2) có thể thấy rằng bán kính của QDs tỉ lệ nghịch với năng lượng
vùng cấm.

6


Kích thước QDs lớn dần
Hình 1.3. Ảnh hưởng của kích thước đến QDs đến năng lượng Eg
b. Tính chất quang học
Một hệ quả của hiệu ứng giam hãm lượng tử của QDs đó là tính chất
quang học của

chúng sẽ thay đổi khi kích thước hạt thay đổi[9,10]. Ảnh

hưởng của kích thước đến tính chất quang học của chấm lượng tử được thể
hiện rõ nhất trên phổ hấp thụ và phát xạ. Nhóm nghiên cứu Bawendi, MIT,
USA đã trình bày sự ảnh hưởng của kích thước đến phổ hấp thụ và màu sắc
phát xạ của CdSe QDs (hình 1.4)



Dung dịch CdSe dưới đèn UV

Phổ hấp thụ UV-vis

λ (nm)

Hình 1.4. Màu sắc phát xạ (trái) và phổ hấp thụ UV-vis (phải) của chấmlượng tử
CdSe có kích thước thay đổi từ 2 đến 8 nm.

Tính chất hấp thụ và phát xạ là những thuộc tính quang điện tử quan
trọng nhất của QDs.Nếu QDs được kích thích bởi một photon ánh sáng có tần
số sóng thỏa mãn

≥ Eg ( với h là hằng số Plank, c là vận tốc ánh sáng) thì sẽ

xảy quá trình hấp thụ ánh sáng. Trong quá trình hấp thụ, electron () sẽ
chuyển từ VB lên CB, để lại trên VB một lỗ trống (). Tuy nhiên, các
electron ở trạng thái có mức năng lượng cao không bền và nhanh chóng
chuyển về các trạng thái có mức năng lượng thấp hơn. Vì vật liệu luôn có xu
hướng quay về trạng thái bền cơ bản nên electron và lỗ trống sẽ tái kết hợp
với nhau và giải phóng ra một photon có năng lượng đúng bằng hc/λ[6].Do
các QDs thường có các trạng thái bề mặt nên trong quá trình phát xạ, năng
lượng photon giải phóng thường nhỏ hơn năng lượng hấp thụ, thậm chí còn có
thể nhỏ hơn Eg. [5].Quá trình hấp thụ và phát xạ được mô tả trên hình 1.5


Hình 1.5.Sự chuyển dịch điện tử của quá trình hấp thụ và phát xạ
quang học của QDs
So với các thuốc nhuộm huỳnh quang hữu cơ phổ biến chấm lượng tử
có nhiều đặc tính quang học độc đáo chẳng hạn QY cao, cường độ tín hiệu
mạnh, khả năng phát quang ổn định… Nhờ những tính chất quang điện tử lí
thú này, chấm lượng tử trở thành vật liệu tiềm năng có khả năng ứng dụng cao
trong nhiều lĩnh vực của đời sống.
1.1.3. Ứng dụng của chấm lượng tử
 Trong lĩnh vực y sinh
QDs có bề mặt phân tử có khả năng liên kết với một vài phân tử sinh
học, cùng với đó là những đặc tính huỳnh quang nên QDs đã được sử dụng
trong một số lĩnh vực y sinh ví dụ như chuẩn đoán ung thư, ghi nhãn tế bào,
cảm biến sinh học, dược phẩm, làm chất đánh dấu hiện ảnh phân tử và tế bào
cả intro và in vivo...[7,8,11]
QDs có thể được sử dụng để phát hiện các mục tiêu sinh học, nó đã
được dùng để ghi lại hình ảnh, tiến độ phát triển của các tế bào ung thư nhờ
vào khả năng phân tán tốt trong nước, chống thấm quang và chụp quang
cao,gắn kết được với các đối tượng sinh học như ADN, protein, mô cơ... Gần


đây chitosan được nhúng QDs đã được sử dụng để làm giảm độc tính và theo
dõi sự phát triển của tế bào ung thư trong cơ thể chuột[8,11,12].

Hình 1.6. Chuột được tiêm QDs được soi dưới đèn UV
Nhờ vào bề mặt có cấu trúc dễ dàng thay đổi, có khả năng liên kết với
các tế bào, kích thước siêu nhỏ dễ đưa vào các thiết bị điện tử QDs được sử
dụng làm một cảm biến sinh học để phát hiện ra những thay đổi trong các
phân tử sinh học thông qua việc truyền phát tín hiệu quang hay tín hiệu điện.
Chính vì thế, QDs đã được dùng để phát hiện ra dư lượng thuốc trừ sâu, phát
hiện vi rút H5N1 hay một vài loại bệnh khác [12].
 Trong pin mặt trời
Pin mặt trời chấm lượng tử là một tế bào tế bào mặt trời sử dụng chấm
lượng tử là vật liệu quang điện hấp thụ. Pin scatt năng lượng mặt trời lần đầu
tiên được chế tạo bởi tập đoàn Sergant đại học Toronto (Canada)[13].


Hình 1.7. a) Pin mặt trời scatt của đại học Toronto thiết kế [13]
b) Sự chuyển đổi quang học trong pin mặt trời chấm lượng tử [14]
Trong các thế hệ pin mặt trời, pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử
carbon được coi là một bước đột phá trong quá trình chuyển đổi năng lượng.
Hiệu quả pin mặt trời được cải thiện đáng kể thông qua sự kết hợp của cấu
trúc nano và các tính chất lượng tử của nó. Pin mặt trời sử dụng một dải các
trạng thái electron bên trong vùng bandgap để tạo ra sự chuyển đổi quang
học. Khoảng cách bandgap có thể thay đổi khi điều chỉnh kích thước QDs
[14]. Khi được chiếu ánh sáng kích thích có năng lượng lớn hơn hoặc bằng
năng lượng bandgap, các elctron trong VB của QDs sẽ bị kích thích lên CB,
để lại trên VB một lỗ trống, hệ electron – lỗ trống tạo ra một exciton. Nếu mà
các electron này không tái tổ hợp với các lỗ trống mà chuyển dần về các phía
của các điện cực ta sẽ thu được dòng điện. Hệ pin mặt trời sử dụng chấm
lượng tử. Một trong những dòng pin mặt trời chấm lượng tử được sử dụng
nhiều đó là InAs/GeAs[15].
 Trong LED ( Light-emitting diodes)
QDs có khả năng hấp thụ ánh sáng năng lượng cao và có thể phát xạ ra
các ánh sáng có năng lượng thấp hơn nên bằng việc sử dụng độc lập hoặc hỗn


hợp các QDs có kích thước khác nhau ta có thể cho màu sắc phát xạ tùy ý.
Do đó, QDs được sử dụng làm vật liệu chuyển đổi quang học nhằm mang lại
các màu sắc như ý muốn với độ sắc nét cao trong TV, máy tính, các thiết bị di
động, máy ảnh kĩ thuật số...Đi -ốt sử dụng chấm lượng tử được đại diện cho
thế hệ phát sáng công nghệ sau OLED (Organic Light-emitting diodes). So
với các đi- ốt phát quang thế hệ trước đó QD-LED nổi bật với các ưu điểm
như độ sáng cao, hiệu quả, chất lượng ánh sáng và màu sắc tốt,tuổi thọ dài,
tính linh hoạt cao, chi phí sản xất thấp... Nhà sản xuất công nghệ hiển thị
chấm lượng tử đầu tiên là SONY năm 2013. Bên cạnh sử dụng QD-LED như
một loại vật liệu chuyển quang, QD-LED còn được ứng dụng trong lĩnh vực y
tế như một phương pháp trị liệu bằng ánh sáng hữu hiệu các bệnh về da ( vảy
nến, eczema, ung thư da..)[16]

Hình 1.8. Hình ảnh sử dụng công nghệ QD-LED (trái) cho độ phân giải
vàchất lượng màu tốt hơn phosphor LED (phải) của TV Samsung [17].
 Trong máy tính lượng tử ( Quantum computing)
Chấm lượng tử từ khi được biết đến đã mở đường cho rất nhiều ngành
công nghệ hiện đại, cùng với đó là sự ra đời của một nền công nghiệp máy
tính mới đó là máy tính lượng tử - một ứng cử viên hứa hẹn cho thế hệ siêu
máy tính tương lai.


Hình 1.9. Máy tính điện tử D-Wave (trái) và chíp điện tử (phải)
QC là những cỗ máy cực kì mạnh mẽ có cách tiếp cận mới để xử lí
thông tin. Các mô hình tính toán được dựa trên các định luật cơ học lượng
tử[18]. Nhờ sự song song lượng tử và khả năng chồng chất, vướng víu của
nhiều trạng thái mà máy tính lượng tử có thể giải quyết, tính toán dựa trên các
dữ liệu có sẵn nhanh hơn nhiều so với các máy tính cổ điển. Đơn vị cơ bản
của máy tính lượng tử là qubit (tương tự bit trong máy tính cổ điển [18,19].
Qubit có thể là các photon, hạt nhân, electron được tìm thấy trong hệ bán dẫn
kích cỡ nano. Máy tính lượng tử là một công cụ tính toán siêu việt được ứng
dụng trong, kinh tế, thông tin liên lạc, khí tượng thủy văn, giao thông vận tải,
khoa học vũ trụ... và mở ra kỉ nguyên của trí tuệ nhân tạo.
1.2. Chấm lượng tử carbon
1.2.1. Khái niệm và cấu trúc
Chấm lượng tử carbon được hiểu là các hạt nano có chứa nguyên tố
Carbon kích thước từ 2-10nm, có đặc tính huỳnh quang, có QY cao ( có thể
đạt đến 80%), có tiềm năng ứng dụng trong sinh học, cảm biến, LED, dược
phẩm, quang điện [2,20-23]. Mặc dù vậy các tính chất của CQDs khó nắm
bắt, chưa được giải thích rõ ràng, các lí thuyết về chấm lượng tử carbon vẫn
đang là một ẩn số cần được giải mã. Vì lẽ đó các nghiên cứu về CQDs đang
được các nhà khoa học tích cực triển khai để làm rõ về cấu trúc,các tính chất
quang- điện tử cũng như là ứng dụng của CQDs trong thực tiễn. CQDs được


tổng hợp từ rất nhiều nguồn khác nhau có thể từ nguồn thực phẩm giàu
carbon, các hợp chất hữu cơ, graphene hay than chì nên cho đến nay vẫn chưa
có một cấu trúc cụ thể nào. Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu đều chỉ ra rằng
CQDs gồm hai hợp phần. Phần lõi chứa nhiều hệ đa vòng liên hợp
(Carbongenic) liên kết với nhau bằng các liên kết oligome -CH-CH- , đây là
2

3

vùng chứa các miền lai hóa sp , sp , các dạng lai hóavô định hình;còn phần vỏ
là các nhóm chức bề mặt có thể là Flourophore hay các nhóm –COOH, -NH2,
-SH, -C=O… hoặc một vài nhóm chức khác [2,5,20].

Hình 1.10.Mô phỏng cấu trúc 3D (trái) và 2D ( phải)
của chấm lượng tử Carbon
1.2.2. Ưu điểm của chấm lượng tử Carbon
Xu hướng nghiên cứu về chấm lượng tử ngày nay hướng đến các chấm
lượng tử có nhiều tiềm năng ứng dụng. Tuy nhiên các hệ QDs được biết đến
đã bộc lộ nhiều hạn chế, các vật liệu chứa Cd, Pb có tính độc cao gây ảnh
hưởng đến sức khỏe người sử dụng, hệ QDs InP chi phí đắt đỏ, còn dòng QDs
Si điều kiện tổng hợp khắt khe ( không có không khí). Điều đó làm cản trở
những ứng dụng thực tiễn của chúng.Trong những năm gần đây lĩnh vực
nghiên cứu về CQDs đang bùng nổ lên với hàng loạt các báo cáo, trích dẫn


nghiên cứu về chúng. Có được sự thu hút như vậy là bởi CQDs đang như một
ngôi sao sáng cho ngành vật liệu nano. Với các đặc tính như khả năng phát
quang tốt, tính chất quang học có thể điều chỉnh nhờ vào việc thay đổi kích
thước, độ ổn định cao,khả năng tương thích sinh học cao mà lại ít độc hại
cùng với đó là khả năng tan trong nước tuyệt vời... ưu việt hơn so với các
dòng chấm lượng tử đã được biết đến[1-4,20-25]. Chính vì những tính chất
này CQDs trở thành một ứng viên đầy hứa hẹn thay thế các chấm lượng tử
bán dẫn chứa kim loại nặng tiền thân.
1.2.3. Các phương pháp tổng hợp
Hiện nay các CQDs chủ yếu đuuợc tổng hợp từ hai phương pháp từ
dưới lên (bottom-up) và từ trên xuống (top-down).
Phương pháp từ dưới lên thường là các phương pháp tổng hợp liên
quan đến các phản ứng hóa học phức tạp, dưới tác dụng của nhiệt độ cao và
áp suất các phân tử có xu hướng trùng hợp hoặc carbon hóa tạo thành các
phân tử lớn hơn. Các phương pháp tổng hợp từ dưới lên như thủy nhiệt, sử
dụng lò vi sóng, solvothermal, huyết tương.Nguồn tổng hợp thường hay được
sử dụng đó là các hợp chất hữu cơ, thực phẩm, các hợp chất thiên nhiên…
Khác với phương pháp từ dưới lên phương pháp từ trên xuống sẽ phân
tán các phân tử có kích thước lớn từ các nguồn giàu carbon như graphene,
than chì, than hoạt tính, flulerene thành các hệ phân tử có kích thước nhỏ hơn
bằng các phương pháp như laser, điện hóa carbon, vật lí, kĩ thuật…
Trong nghiên cứu này tôi lựa chọn tổng hợp chấm lượng tử Carbon
bằng phương pháp thủy nhiệt bởi các ưu điểm của nó như chi phí sản xuất
thấp, thân thiện với môi trường, quy trình đơn giản, mang lại hiệu quả cao
đồng thời phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất của phòng thí nghiệm.
1.2.4. Ứng dụng của chấm lượng tử carbon
 Trong pin mặt trời
Bài toán về năng lượng đang là một vấn đề nhức nhối mang tính chất
toàn cầu khi mà các nguồn khí thiên nhiên,dầu mỏ và hóa thạch đang dần cạn


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×