Đối với các chấm lượng tử bán dẫn, tính chất quang được khai thác rất nhiều để ứng dụng vào thực tiễn như các diode phát quang LEDs, linh kiện đèn huỳnh quang, pin mặt trời, quang xúc t
TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ
Giới thiệu về vật liệu
Vật liệu cấu trúc nano
Nano xuất phát từ tiếng Latin “νᾶνος”, có nghĩa là rất nhỏ, và trong tiếng Anh là "nano" (ký hiệu là n), là tiền tố biểu thị đơn vị bằng một phần tỷ Trong hệ mét, tiền tố nano được định nghĩa là 10⁻⁹ hoặc 0,000000001, và một nanometter (nm) bằng 10⁻⁹ mét thường được sử dụng để đo chiều dài Độ nhỏ của đơn vị này thể hiện rõ qua các ví dụ đời sống như sợi tóc người dài khoảng 60.000-80.000 nm, còn nguyên tử Hydro có kích thước chỉ khoảng 0,1 nm và không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Vật liệu nano được định nghĩa là những vật liệu có ít nhất một chiều nhỏ hơn 100 nm, khiến chúng khó quan sát bằng mắt thường hoặc bằng các thiết bị hiển vi thông thường Hiện nay, vật liệu nano là kích thước nhỏ nhất mà con người có thể tạo ra, mở ra tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong khoa học và công nghiệp Công nghệ nano ra đời nhằm phục vụ mục đích chế tạo và phát triển các vật liệu nano, được chia thành hai hướng phát triển chính nhằm thúc đẩy sự tiến bộ của lĩnh vực này.
Khoa học nano: các nhà khoa học sẽ nghiên cứu về tính chất vật lý và hóa học của vật liệu ở kích thước nano
Công nghệ nano khác với khoa học nano ở chỗ tập trung vào phát triển và ứng dụng các vật liệu nano vào các sản phẩm công nghệ, nhằm tạo ra các kỹ thuật tiên tiến hơn Các nhà khoa học nghiên cứu sâu về các vật liệu nano để nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của các sản phẩm công nghệ mới, mang lại lợi ích lớn cho các ngành sản xuất và nghiên cứu.
Các nhà khoa học đã phát hiện rằng vật liệu ở kích thước nano có những tính chất khác biệt so với khi ở kích thước lớn Ví dụ, nhôm thường được sử dụng làm vỏ lon hoặc sườn xe nhưng ở kích thước nano, nhôm có thể nổ Đối với vàng, ở kích thước thường, vàng hoàn toàn bất hoạt, nhưng khi thu nhỏ xuống kích thước nano, vàng thay đổi màu sắc từ vàng sang đỏ hoặc tím nhạt.
Kích thước nano gây ảnh hưởng lớn đến các tính chất cơ bản của vật liệu, khi đạt đến giới hạn này, các đặc tính vật lý và hoá học thay đổi đáng kể Cả vật liệu khối và vật liệu nano đều có các tính chất phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của bề mặt vật liệu Bề mặt vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc giữ và liên kết các chất bên trong và bên ngoài, đồng thời góp phần vào chức năng của vật liệu như chất xúc tác.
Trong phản ứng hóa học, số lượng nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò quan trọng, đặc biệt đối với vật liệu nano Khi kích thước vật liệu giảm xuống, số lượng nguyên tử trên bề mặt tăng đáng kể so với vật liệu dạng khối, góp phần nâng cao hiệu quả phản ứng Hình 1.1 và Bảng 1.1 minh họa rõ sự khác biệt về diện tích tiếp xúc của vật liệu theo quy mô giảm, cho thấy khả năng phản ứng của vật liệu nano lớn hơn nhiều so với vật liệu truyền thống.
Hình 1.1 Hình minh họa diện tích tiếp xúc của vật liệu khi kích thước giảm [11]
Bảng 1.1 Mô tả kích thước của vật liệu nano [11]
Kích thước mặt phẳng khối lập phương
Số lượng khối lập phương
Diện tích bề mặt toàn phần
Khi thay đổi kích thước của vật liệu, các tính chất của chúng cũng sẽ thay đổi đáng kể Ví dụ, chuyển đổi vật liệu xuống kích thước nano sẽ làm thay đổi màu sắc, ứng dụng trong ngành chiếu sáng Vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn nên lý tưởng để làm chất xúc tác trong các phản ứng hóa học và hấp thụ các chất Trong lĩnh vực y học, nano được sử dụng làm chất thăm dò, giúp chuyển đến đúng vị trí bệnh trong cơ thể, hoặc dùng để lưu trữ năng lượng và trong mỹ phẩm Các vật liệu nano chứa cấu trúc nano thường cứng hơn và bền hơn so với vật liệu không có cấu trúc nano Hiện nay, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào vật liệu nano ở dạng rắn, tiếp theo là dạng lỏng và khí Theo hình dạng, vật liệu nano được phân loại thành ba dạng chính, phản ánh đa dạng cấu trúc và ứng dụng của chúng.
Vật liệu nano không chiều là những loại vật liệu mà cả ba chiều đều có kích thước ở quy mô nano, không có chiều tự do nào cho electron di chuyển Ví dụ điển hình của loại vật liệu này gồm có đám nano và hạt nano, mang lại nhiều ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ mới.
Vật liệu nano một chiều là những loại vật liệu có hai chiều kích thước nano, trong đó điện tử di chuyển tự do trên một chiều Các ví dụ điển hình của vật liệu nano một chiều bao gồm dây nano và ống nano, đem lại nhiều ứng dụng trong công nghệ hàng đầu.
Vật liệu nano hai chiều là các vật liệu có một chiều ở kích thước nanomet và hai chiều còn lại tự do, nổi bật nhất là các lớp màng mỏng hoặc lớp phủ bề mặt Những vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện tử, hoá học và công nghiệp lớp phủ nhằm nâng cao tính chất và hiệu suất cho sản phẩm Màng mỏng nano hai chiều đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện các đặc tính của vật liệu, mang lại nhiều lợi ích trong công nghệ và sản xuất.
Phân loại vật liệu nano phổ biến nhất là dựa trên hình thái của chúng, mặc dù có thể phân chia theo thành phần (đơn pha hay đa pha), đặc tính kết tụ các hạt (agglomeration) hoặc khả năng khuếch tán Trong đó, việc phân loại theo hình thái vật liệu nano được sử dụng rộng rãi hơn cả vì mang lại nhiều ưu điểm trong nghiên cứu và ứng dụng.
Sơ lược về vật liệu bán dẫn
Dựa trên các nghiên cứu về phân loại vật chất trong quá trình dẫn điện, vật liệu được chia thành ba loại chính: vật liệu dẫn điện (kim loại) cho phép dòng điện truyền qua dễ dàng, vật liệu cách điện (như polymer, gốm) không dẫn điện, và vật liệu bán dẫn có khả năng dẫn điện tùy thuộc vào điều kiện cụ thể.
Vật liệu bán dẫn nằm ở giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử hiện đại Chúng có thể là các nguyên tố tinh khiết như silicon hoặc các hợp chất như gallium arsenide, mang lại tính đa dạng trong ứng dụng Quá trình doping, khi thêm một lượng nhỏ tạp chất vào chất bán dẫn tinh khiết, gây ra những thay đổi lớn trong độ dẫn điện của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất của các linh kiện điện tử.
Xét về cấu trúc, một chất bán dẫn đặc trưng được cấu tạo từ các nguyên tử có
Các nguyên tố nằm trong nhóm IV, như silicone (Si) và germanium (Ge), đều có bốn electron lớp ngoài cùng, đặc trưng cho tính chất của vật liệu bán dẫn Ngoài ra, các chất bán dẫn còn bao gồm các hợp chất kết hợp của nhóm III và nhóm V, giúp mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ điện tử.
Vật liệu V, hay còn gọi là hợp chất của nhóm II và nhóm VI trong bảng tuần hoàn hóa học, có đặc điểm nổi bật là đa dạng về tính chất do các nguyên tố tiền chất và phương pháp chế tạo khác nhau Do đó, các loại vật liệu bán dẫn này thể hiện những tính chất vật lý và điện tử khác nhau, phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp công nghệ cao Sự biến đổi về cấu trúc và thành phần hóa học của chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị điện tử và cảm biến hiện đại.