VẬT LIỆU BÁN DẪN BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO CdS

Ngày nay, vật liệu nanô được xem là vật liệu của thế kỷ 21 và rất được chú ý đến do có các tính chất hóa học và vật lý vượt trội so với những vật liệu thông thường với đặc tính diện tích bề mặt rất lớn. Trong số những vật liệu nanô đó, CdS nanô đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu do có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật và công nghệ.

Trang 1

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN MINH VƯƠNG BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO CdS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA VẬT LÍ - KTCN

Trang 2

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ứng dụng trong vật lý, các chấm lượng tử được hướng tới để sản xuất các linh kiện điện tử như các diode phát quang (LEDs), laser chấm lượng tử có hiệu suất cao hơn và dòng ngưỡng thấp

Ngày nay, vật liệu nanô được xem là vật liệu của thế kỷ 21 và rất được chú ý đến do có các tính chất hóa học và vật lý vượt trội so với những vật liệu thông thường với đặc tính diện tích bề mặt rất lớn Trong số những vật liệu nanô đó, CdS nanô đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu do có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật và công nghệ

Ngoài ra công nghệ nano còn nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều ngành nghề khác như y tế, an ninh quốc phòng, thực phẩm, v.v…

Với lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu bán dẫn cấu trúc nano CdS” với mục tiêu cho thấy các tính chất vật lí, các phương pháp chế tạo nano CdS hiện nay cũng như những ứng dụng của nó

Trang 3

+ Cấu trúc của bán dẫn CdS.

Khảo sát đặc trưng, tính chất và hình dạng, kích thước của CdS nano.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Bài SEMINAR gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về vật liệu nano

Chương 2.Cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu CdS Chương 3 Phương pháp chế tạo nano CdS

Chương 4 Tính chất quang của vật liệu nano CdS

Chương 5 Ứng dụng và thành tựu của nano CdS

+ Các phương pháp chế tạo CdS nano.

Những ứng dụng và thành tựu đạt được hiện nay đối với vật liệu nano CdS

Trang 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO

- Định nghĩa vật liệu nano

- Phân loại vật liệu nano

- Đặc trưng của vật liệu nano:

+ Hiệu ứng lượng tử

+ Hiệu ứng bề mặt

+ Hiệu ứng kích thước

Trang 5

Ngoài ra còn có vật liệu nanocomposit

Ví dụ: nanocomposit bạc/ silica, bạc/uretan…

I Định nghĩa và phân loại vật liệu nano

1 Định nghĩa

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất 1 chiều có kích thước nanomet (nm).

Trang 6

II Đặc trưng của vật liệu nano

Một đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô cùng nhỏ bé Do vậy, hầu hết các nguyên tử đều được "phơi" ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể khi đó xuất hiện các hiệu ứng

2 Hiệu ứng bề mặt

Nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các

nguyên tử bên trong Vì thế, các hiệu ứng có liên quan đến

bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt

1 Hiệu ứng lượng tử

Do kích thước của vật liệu rất nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các

tính chất lượng tử thể hiện rõ Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử kỳ thú như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm

Trang 7

3 Hiệu ứng kích thước

Khi giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano

(nhỏ hơn 100 nm) thì các đại lượng lý, hóa không còn

là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích

thước Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước

Kích thước mà ở đó, vật liệu bắt đầu có sự thay đổi

tính chất được gọi là kích thước tới hạn.

Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang,

hóa học của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm.

Trang 8

* CdS: vùng cấm rộng, có chuyển dời thẳng, hiệu suất phát quang

cao, phổ hấp thụ trong vùng nhìn thấy

* CdS có dạng cấu trúc chính là: cấu trúc lập phương giả kẽm và

cấu trúc lục giác Wurtzite

1 Cấu trúc lập phương giả kẽm CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG TINH THỂ CỦA CdS

Trong ô cơ sở có 4 phân tử CdS có tọa độ:

4S: (0,0,0); (0,1/2,1/2); (1/2,0,1/2); (1/2;1/2.0)

4 Cd: (1/4, 1/4, 1/4), (1/4, 3/4, 3/4); (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4)

Mỗi nguyên tử Cd (S) được bao bọc bởi 4 nguyên tử S (Cd) ở 4 đỉnh của

tứ diện đều với khoảng cách √3 a/4

Trang 9

Mỗi nguyên tử S (Cd) còn được bao bọc bởi 12 nguyên tử còn lại, chúng ở lân cận bậc hai nằm trên khoảng cách √2 a/2 ( với a = 5,820 A0 ) → CdS

có tính dị hướng

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC MẠNG TINH THỂ CỦA CdS

2 Cấu trúc Wurtzite

Trong một ô cơ sở có 2 phân tử CdS, tọa

độ các nguyên tử như sau:

2S: (0,0,0); (1/3,2/3,1/2)

2Cd: (0, 0, u), (1/3, 2/3, ½ + u) u ~ 3/8Mỗi nguyên tử Cd liên kết với 4 nguyên

tử S nằm trên 4 đỉnh của tứ diện gần đều

Hình 1.2: Mô hình cấu

trúc Wurtzite

Trang 10

•Phương pháp chung chế tạo vật liệu nano

•Phương pháp chế tạo CdS:

- chế tạo đơn tinh thể CdS từ đa tinh thể CdS

- CdS được nghiền cơ năng lượng cao → chấm lượng

Trang 11

1 Phương pháp chế tạo vật liệu có kích thước nanomet

Gồm 2 PP:

+ PP “ xuất phát từ bé” (bottom – up)

+ PP “ xuất phát từ to” (top – down)

Trong đó, PP “ xuất phát từ to” bằng nghiền cơ năng lượng cao

có ưu điểm:

+ dễ thực hiện

+ chế tạo lượng lớn vật liệu

+ sản phẩm thu được ở các kích thước trải dài từ vùng micromet đến vùng nanomet tùy vào năng lượng nghiền

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CdS

Chọn PP này để chế tạo chấm lượng tử CdS

Trang 12

2.b Nuôi đơn tinh thể CdS

* Đa tinh thể CdS đã chế tạo được sử dụng để tiến hành nuôi đơn tinh thể

* Cụ thể: Cho 30g đa tinh thể CdS vào thuyền thạch anh ở nhiệt

độ 1050 độ C, quan sát thấy đơn tinh thể CdS mọc lên.

2.a Chế tạo đa tinh thể CdS

B1: Cho Cd vào thuyền Graphit nung tại 550 độ C

Cho S vào thuyền thạch anh nung tại 250 độ C

B2: Hai thuyền này đặt vào lò nung, điều chỉnh sao cho lượng

Cd và S cân bằng với nhau

Mỗi lần làm mẫu dùng 140g S và 160g Cd thu khoảng 200g

đa tinh thể CdS

B3: Ta thu được sản phẩm là đa tinh thể CdS

2 Phương pháp chế tạo chấm lượng tử CdS

Vật liệu: CdS đơn tinh thể khối chất lượng cao

Trang 13

* Đơn tinh thể CdS thu được có dạng bản mỏng, có màu vàng nhạt.

Trang 15

Trang 16

2.e Ảnh nhiễu xạ và phổ tán xạ của sản phẩm

Trang 17

Hình 3.9a: mẫu CdS chưa nghiền có cấu trúc lục giác.

Hình 3.9b: Các chấm nhiễu xạ mở rộng và độ rộng tăng dần

(hình 3.9c)

Hình 3.9c: Xuất hiện thêm vòng nhiễu xạ (111) → chuyển pha cấu

trúc từ lục giác sang lập phương→ phổ dao động mạng phức tạp

→ thể hiện tính chất quang học quang phổ đặc biệt của CdS nano

Trang 18

+ Cần khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ ion Cl- có trong dung dịch ban đầu đến kết quả sản phẩm thu được.

+ Phối hợp với các đơn vị liên quan để đưa ra sản phẩm thương mại hoàn chỉnh là bình lọc nước diệt khuẩn

Hình 3.10 Phổ tán xạ được đặc trưng bởi ba khối trong khoảng

90-110, 200-250 và 300-370 (1/cm) cộng với một đỉnh khoảng 600 (1/cm) → cấu trúc CdS khá phức tạp.

Trang 19

Hình 3.11:

Khi tăng thời gian nghiền mẫu (kích thước giảm) →chuyển pha cấu trúc từ lục

giác sang lập phương

Trang 20

Hình 3.12: Cho hai vai hấp thụ: một vai hấp thụ khoảng 510nm và một vai hấp thụ khác tại 360nm

+ Vai hấp thụ 510nm gần như không thay đổi theo thời gian nghiền mẫu

+ Vai hấp thụ 360nm là hệ quả của hiệu ứng kích thước mở rộng khe năng lượng của các hạt tinh thể cỡ nano mét.

CHƯƠNG 4 TÍNH CHẤT QUANG CỦA TINH THỂ NANO CdS

Trang 21

Kết quả : Với thời gian nghiền 2,5 giờ hạt kích thước lớn là chủ yếu nên trên phổ hấp thụ chúng ta chỉ thấy một vai nhỏ hấp thụ bước sóng nhỏ hơn 360nm.

Khi thời gian nghiền tăng lên 6 giờ cường độ hấp thụ tại bước sóng 360m tăng lên rõ rệt.

Ngoài ra chúng ta nhận thấy hấp thụ 360nm của mẫu nghiền 6 giờ không sắc mà mở rộng về phía bước sóng ngắn Đây là hệ quả của sự mở rộng phân bố hạt về phía kích thước nhỏ của mẫu tinh thể nano CdS thu được bằng nghiền cơ năng lượng cao.

Trang 22

Hình 3.13:Hai dải phát xạ:

* dải có năng lượng cao hơn ( đỉnh ~ 465nm )

* dải rộng hơn tại năng lượng thấp hơn ( đỉnh ~ 530nm )

Thời gian nghiền khác nhau cho phổ huỳnh quang với tỷ lệ hai dải này khác nhau: khi thời gian nghiền tăng lên cường độ đỉnh 465nm tăng lên đồng thời cường độ dải 530nm giảm

Trang 23

Bảng 3.4: Biểu diễn vị trí đỉnh phổ phát quang và độ bán rộng

Phổ huỳnh quang bao gồm một đỉnh chính tại 511 nm và một vai nhỏ tại 525 nm Sau 2,5h nghiền thì đỉnh chính biến mất, đỉnh thứ hai mở rộng và dịch chuyển về 529,3nm Nếu sau 6h thì nó càng mở rộng và dịch chuyển về 536nm.

Trang 24

Để giải thích phổ phát xạ của tinh thể nano CdS ta sử dụng mô hình sau:

Nguồn gốc phát xạ là do tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống tự do hay của cặp điện tử lỗ trống liên kết với bẫy sâu hoặc bẫy nông hình thành trên bề mặt

Với tinh thể nano CdS chế tạo được, huỳnh quang vùng sóng ngắn

~465 nm là do trạng thái bẫy liên quan đến các trạng thái bề mặt.

Trang 25

* Với tính chất quang học, CdS ở kích thước xác định sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc riêng biệt khi được chiếu tia cực tím Kích thước

CdS càng lớn càng tạo ra ánh sáng có bước sóng dài (ánh sáng đỏ)

Có kích thước nhỏ hơn sẽ phát ánh sáng có bước sóng ngắn hơn (ánh sáng xanh) Màu sắc ánh sáng thay đổi tương ứng với kích thước của CdS Như vậy, bằng cách thay đổi kích thước CdS , có thể tạo ra mọi sắc độ trong quang phổ ánh sáng với độ thuần khiết mà hiếm loại vật liệu nào đạt được.

*CdS là loại tinh thể nano nhân tạo nên

dễ kiểm soát kích thước để đạt tính chất

chính xác như mong muốn.

Với khả năng độc đáo và kích cỡ siêu

nhỏ cho phép hàng tỷ CdS có thể nằm

gọn trên một đầu đinh, công nghệ này

nhanh chóng cải tiến hàng loạt ứng dụng

trở nên nhỏ, gọn, tiết kiệm và hiệu quả

Trong đó nổi bật nhất là các ứng dụng

quang học

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS

Trang 26

1 CdS mang đến cho thế hệ màn hình TV, máy tính và các thiết bị di

động những lợi ích quan trọng

Với công nghệ màn hình chấm lượng tử, ánh sáng chiếu qua màng

mỏng tinh thể nano có thể tạo ra màu sắc bất kỳ 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 Cuối cùng, kích thước nano mang lại độ phân giải cao Do đó, thế

hệ màn hình chấm lượng tử này tái tạo hình ảnh đẹp, chính xác và sống động gấp nhiều lần so với màn hình tinh thể lỏng.

Trang 27

2 Pin mặt trời hiệu suất cao

Công nghệ chấm lượng tử (CLT) còn cải thiện

đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi của các

tấm pin mặt trời

+ Thay tấm silicon ép giữa lớp kính (pin truyền

thống) bằng màng mỏng các tinh thể nano bán

dẫn để hấp thụ ánh sáng

+ Nhờ kết hợp nhiều kích cỡ tinh thể nano, pin

mặt trời CLT dễ dàng hấp thu toàn bộ phổ phát

xạ của mặt trời, giúp cắt giảm chi phí và độ phức

tạp khi sản xuất pin mặt trời Hiệu quả trên lý

thuyết có thể đạt 66% so với mức chưa đến 20%

nếu dùng vật liệu truyền thống Sử dụng màng

tinh thể nano, đặc biệt là CLT đang trở thành

hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm giá

thành và thúc đẩy sử dụng nguồn năng lượng mặt

trời.

Pin mặt trời sử dụng chấm lượng

tử do Đại học Toronto chế tạo.

Trang 28

3. Cảm biến quang học vượt trội

Cảm biến huỳnh quang sinh học và điều trị ung thư là những ứng dụng đang được quan tâm của CLT 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,… lên cơ thể

+ So với thuốc nhuộm hữu cơ đang được sử dụng trong các ứng dụng y sinh hiện tại, cảm biến CLT 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 CLT mang thuốc chống ung thư với liều chính xác nhắm vào tế bào cụ thể, làm giảm tác dụng phụ không mong muốn của phương pháp hóa trị truyền thống.

Trang 29

Chuột được tiêm chấm lượng tử phát sáng dưới ánh đèn tia cực

tím

Trang 30

4 Máy tính lượng tử dùng chấm lượng tử

+ CLT là một trong những “ứng cử viên” đầy hứa hẹn cho thế

hệ máy tính lượng tử tương lai Máy tính lượng tử sử dụng các CLT thay cho bóng bán dẫn (transistor) trong máy tính thường,

giúp lưu trữ và xử lý thông tin nhanh hơn hàng triệu lần

+ Bản chất “lượng tử” của các tinh thể nano còn hỗ trợ bảo mật thông tin an toàn tuyệt đối Chỉ một tác động nhỏ như chép trộm dữ liệu cũng làm thay đổi trạng thái thông tin khiến ta dễ dàng phát hiện

Trang 31

5 Một số ứng dụng khác

Cùng một chất 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

tiền giấy nhằm chống làm giả, tiêm chấm lượng tử vào cơ thể

đưa thuốc tới tế bào ung thư, v.v…

Trang 32

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.

Dưới ánh sáng tử ngoại,

có thể thấy rõ các chấm lượng tử phát ra những màu sắc khác nhau trên đồng tiền euro

Trang 33

Các chuyên gia thuộc Trường Y Emory đã thành công trong việc gắn chấm lượng tử với những kháng thể nhận dạng những tế bào ung thư nhất định Sau đó họ dùng các chấm này để xác định các vùng ung thư ở chuột

Trang 34

Các nhà khoa học thuộc ĐH Carnegie Mellon (Mỹ) đã tiêm chấm lượng tử vào cơ thể động vật Những tinh thể này tuần hoàn nhiều giờ

và cung cấp những tín hiệu huỳnh quang trong ít nhất 8 tháng - khoảng thời gian phát quang dài nhất của chấm lượng tử trong cơ thể sống Công nghệ này giúp nghiên cứu động vật trong một thời gian dài

Trang 35

Như vậy, các chấm lượng tử nói chung và chấm lượng tử CdS nói riêng có rất nhiều ứng dụng quan trọng và đem lại nhiều ích lợi cho con người

Song bên cạnh đó để chế tạo và ứng dụng một cách thành công nhất chấm lượng tử thì cần phải có công nghệ tiên tiến, đội ngũ nhà nghiên cứu đủ trình độ và nhiệt huyết để thực hiện Hiện nay các thiết bị, máy móc dùng trong chế tạo chấm lượng tử còn khá đắt, quy trình chế tạo phức tạp, tốn kém; dẫn đến giá thành của các sản phẩm ứng dụng của công nghệ chấm lượng tử không phải là rẻ nên chưa được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày.

Trong tương lai gần thì công nghệ chế tạo chấm lượng tử

và các ứng dụng của nó chắc chắn sẽ phát triển vượt bậc và được áp dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực nhằm phục vụ cho con người và toàn xã hội

Định dạng
Số trang	38
Dung lượng	2,33 MB