bài tập lớn vật lí 2 chấm lượng tử

G ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VẬT LÝ A2 ĐỀ TÀI chấm lượng tử và ứng dụng LỚP L03 THÀNH VIÊN THỰC HIỆN Nhóm 10 MSSV HỌ TÊN 2113900 HỒ THỊ THÙY LINH 2110328 ĐINH HOÀNG LONG 2013639 PHAN THỊ MỸ LINH 2110338 TRẦN LÂM PHI LONG GVHD LÝ ANH TÚ LÊ QUỐC KHẢI MỤC LỤC A GIỚI THIỆU B NỘI DUNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 1 Khái niệm 1 2 Cấu trúc của chấm lượng tử a) Cấu trúc và mật độ trạng thái b) Cấu trúc bề mặt c) Cấu trúc nhiều vỏ.

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN VẬT LÝ A2

G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LỚP L03

THÀNH VIÊN THỰC HIỆN: Nhóm 10

GVHD: LÝ ANH TÚ

LÊ QUỐC KHẢI

ĐỀ TÀI: CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ ỨNG DỤNG

2

MỤC LỤC

A GIỚI THIỆU

B NỘI DUNG

1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Khái niệm

1.2 Cấu trúc của chấm lượng tử

a) Cấu trúc và mật độ trạng thái

b) Cấu trúc bề mặt

c) Cấu trúc nhiều vỏ

1.3 Hiệu ứng trong chấm lượng tử

a) Hiệu ứng giam giữ lượng tử

b) Hiệu ứng xấp xỉ khối lượng (EMA) c) Tính chất phát quang

2 ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ

a) LED chấm lượng tử

b) Đánh dấu sinh học

c) Đóng ngắt quang học

d) Máy tính lượng tử dùng chấm lượng tử e) Pin mặt trời

C KẾT LUẬN

D LỜI CẢM ƠN 3

A GIỚI THIỆU

Trong xu thế phát triển về khoa học kỹ thuật và công nghệ thì con người luôn hướng đến sự tinh vi trong thiết kế, … và không ngừng tìm kiếm, chế tạo

ra những vật liệu mới hội tụ những tính năng đáp ứng được nhu cầu phát triển không ngừng trong lĩnh vực vật liệu mới Chấm lượng tử là một đơn cử cho lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano có tính năng siêu việt 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 Thuật ngữ “ chấm lượng tử” được ra đời vào năm 1988 Ngày nay, chấm lượng tử càng được quan tâm nhiều hơn trong việc phát triển kỹ thuật và công nghệ mới đầy sáng tạo nhờ những tính chất đặc biệt của chấm lượng tử mà chúng em sẽ đề cập trong bài báo này Tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử được mở ra cho nhiều lĩnh vực như trong kỹ thuật điện tử, tế bào năng lượng mặt trời, kỹ thuật chụp ảnh y học, chấm lượng tử cũng có thể trở thành một Qbit trong điện toán lượng tử Và gần đây, chấm lượng tử đã được thương mại hoá trong một số sản phẩm có sử dụng chúng của các công ty điện tử nổi tiếng như Apple, Sony

4

B NỘI DUNG

1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 KHÁI NIỆM

Chấm lượng tử là một tinh thể bán dẫn cỡ một vài nano mét, cùng một chất

nhưng những chấm lượng tử có kích thước khác nhau thì sẽ phát ra các bước sóng có màu sắc khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại

Chúng được gọi là chấm lượng tử vì nó có kích thước rất bé cỡ vài

nanomet( nm) Chấm lượng tử có thể tạo ra từ vật liệu bán dẫn, kim loại hoặc polyme Hoạt động của điện tử trong một chấm như vậy là rất khác thường vì điện tử xem như bị nhốt trong một không gian khá chật hẹp Các mức năng lượng của nó không sít nhau thành dải như ở chất rắn mà bị tách ra thành các mức riêng biệt như các mức năng lượng của nguyên tử Vì vậy mà người ta gọi

là chấm lượng tử hay tạm gọi là nguyên tử nhân tạo

Năm 1988, giáo sư vật lý Mark A Reed (Đại học Yale) mới đặt tên cho những tinh thể bé xíu này là CLT (Quantum Dots) bởi kích thước quá nhỏ khiến chúng chịu ảnh hưởng của định luật lượng tử Nghĩa là, mỗi CLT 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 CLT liên quan chặt chẽ với nhau Đây cũng là chìa khóa mở ra

những ứng dụng tuyệt vời cho loại vật liệu nano này (CLT: chấm lượng tử)

Dưới đây là hình ảnh minh hoạ một chấm lượng tử được làm từ chất bán dẫn có kích thước từ 2 – 10 nm

Hình 1: Chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn có kích thước 2 – 10nm.

1.2 CẤU TRÚC CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ

5

Trong quá trình chế tạo người ta cần chú ý tới mục đích của việc ứng dụng chấm lượng tử vào thực tế 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 nm 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.

6

a 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 2 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

7

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)

b 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:

(1) nm= 4n2/3 (1) n m là số nguyên tử trên bề mặt

n là tổng số nguyên tử trong chấm lượng tử.

(2) (2) Với r 0 là bán kính nguyên 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,

8

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

c 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

1.3 HIỆU ỨNG TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ

a Hiệu ứng giam giữ lượng tử

Sự giam giữ lượng tử thường tạo ra sự mở rộng vùng cấm với sự giảm về mặt kích thước của chấm lượng tử Vùng cấm trong một vật liệu là năng lượng

để tạo ra một electron và lỗ trống tại trạng thái nghỉ ở một khoảng cách đủ xa tránh khỏi sự tương tác Coulomb của chúng Nếu một hạt tải đến gần một hạt khác, chúng có thể hình thành một cặp electron – lỗ trống, nghĩa là một

excition, có năng lượng khoảng vài eV thấp hơn vùng cấm Excition này giống như nguyên tử Hydro Khối lượng của một lỗ trống quá nhỏ so với proton, nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả của phương trình sóng Schrodinger Khoảng cách giữa

9

electron và lỗ trống được gọi là bán kính Bohr excition (rB) Nếu me và mh là khối lượng của electron và lỗ trống, thì bán kính r sẽ được xác định bằng công thức:

Nếu bán kính R của chấm lượng tử xấp xỉ rB, hoặc nhỏ hơn rB thì chuyển động của electron và lỗ trống sẽ bị giới hạn bởi kích thước của chấm lượng tử nó tạo

ra sự phát quang và sự tăng năng lượng chuyển tiếp excition và có dịch chuyển xanh (blue shift) trong vùng cấm của chấm lượng tử Bán kính Bohr excition là giá trị ngưỡng, và hiệu ứng giam giữ trở nên quan trọng khi bán kính của chấm lượng tử nhỏ hơn Đối với chấm lượng tử nhỏ, năng lượng liên kết exciton và năng lượng lên kết exciton – exciton lớn hơn nhiều trong vật liệu khối Đối với vật liệu có ε tương đối cao hoặc me và mh nhỏ thì rB lớn hơn Hai tiếp cận về mặt

lý thuyết được dùng để tiên đoán tính chất của exciton, đặc biệt mô hình xấp xỉ khối lượng (EMA) và sự kết hợp tuyến tính của thuyết orbital nguyên tử

(LCAO)

b 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:

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:

Trong đó µ là khối lượng rút gọn (reduced mass) của cặp electron-lỗ trống và là năng lượng Rydberg

Phần đầu tiên của phương trình này 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, sự chuyển tiếp exciton đầu tiên tăng khi bán kính của chấm lượng tử giảm Tuy nhiên, mô

10

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

c 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 ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ TRONG CÔNG

NGHỆ VÀ KỸ THUẬT

a LED chấm lượng tử

Một ứng dụng khác là ứng dụng các chấm lượng tử vào các Diot phát quang Sau nhiều năm nghiên cứu, các kết quả gần đây cho thấy rằng hoàn toàn

có khả năng tăng cường hơn nữa hiệu suất phát quang của LED để đưa vào thương mại hóa Tuy nhiên đã từ lâu, các LED chấm lượng tử phải dùng một lớp hữu cơ truyền dẫn điện tử và lỗ trống giống như các LED hữu cơ Nguyên nhân là vì kỹ thuật phát xạ ánh sáng hầu hết là dựa trên nguyên tắc truyền năng lượng từ sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong huỳnh quang hữu cơ từ các chấm lượng tử Các chấm lượng tử vì thế hoạt động giống photpho hơn là trực tiếp đóng vai trò thu giữ và truyền dẫn các hạt tải Tất nhiên rằng, lớp hoạt động (lớp chấm lượng tử) phải rất mỏng, khoảng gấp hai monolayer, điều này khó có khả năng thực hiện ở lớp tái hợp của LED hữu cơ Một điều thuận lợi là thiết bị LED chấm lượng tử này không cần quá trình tiêm thêm điện tử và lỗ trống Đó

là một may mắn lớn vì quá trình tiêm điện tử và lỗ trống vào vùng tích cực trong LED thông thường khó hơn nhiều và cho đến bây giờ thì vai trò của các chấm lượng tử CdSe phát quang ở vùng ánh sáng nhìn thấy là không thể thay đổi được Thêm vào đó, để tiêm trực tiếp điện tử và lỗ trống vào các LED vô cơ, vốn cần phải cấp dòng cao hơn Do vậy, việc tiêm trực tiếp điện tử và lỗ trống thực hiện bằng sự tái hợp bức xạ chỉ có thể thành công trong các pin điện hóa và được dùng để tạo ra các thiết bị quang điện hóa Đối với các thiết bị yêu cầu dòng thấp hơn, các chấm lượng tử huyền phù giống như là vật liệu điện cực

11