Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi tổng hợp đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon (KLTN k41)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2KHOA HÓA HỌC  ĐỖ THỊ THU HÒA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI TỔNG HỢP ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

HÀ NỘI – Tháng 5/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC



ĐỖ THỊ THU HÒA

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG

CỦA DUNG MÔI TỔNG HỢP ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG

CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Người hướng dẫn khoa học

ThS HOÀNG QUANG BẮC

HÀ NỘI – Tháng 5/2019

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới

TS.Mai Xuân Dũng và ThS Hoàng Quang Bắc đã tận tình giúp đỡ và định

hướng cho em có được những tư duy khoa học đúng đắn trong suốt quá trìnhxây dựng và hoàn thiện đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa cùng các thầy cô trongKhoa Hóa học- Trường ĐHSP Hà Nội 2 đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình, giúp

em tích lũy những kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho emtrong suốt quá trình học tập tại trường Em xin cảm ơn các cán bộ Việnnghiên cứu Khoa học và Ứng dụng trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệttình giúp đỡ hỗ trợ em thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV- vis

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thành viên trong nhómN4O (Nanomaterials For Optoelectronics) đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốtquá trình thực hiện đề tài này

Cuối cùng, em xin gửi cảm ơn tới những người thân yêu trong giađình, bạn bè của em- những người luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ và là chỗdựa tinh thần cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Nghiên cứu này được tài trợ từ nguồn kinh phí đề tài cấp Bộ, kinh phíKHCN của Trường ĐHSP Hà Nội 2 cho đề tài mã số B.2018-SP2-13

Trong quá trình thực hiện khóa luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhưngvẫn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp của thầy, cô giáo và các bạn để nội dung khóa luận đượchoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2019

Sinh viên

Đỗ Thị Thu Hòa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sựhướng dẫn của ThS Hoàng Quang Bắc Các số liệu và kết quả trong khóaluận là chính xác, trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ côngtrình nghiên cứu nào khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan

H

S

Đ

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 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

1.2 Giới thiệu về chấm lượng tử carbon 10

1.2.1 Cấu trúc chấm lượng tử carbon 10

1.2.2 Một số tiềm năng ứng dụng của CQDs 12

1.2.3 Phương pháp tổng hợp CQDs 13

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 16

2.1 Tổng hợp chấm lượng tử carbon 16

2.1.1 Hóa chất và dụng cụ 16

2.1.2 Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA và TURA sử dụng các dung môi tổng hợp khác nhau 17

2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi phân tán đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon 18

2.2 Các phương pháp nghiên cứu chấm lượng tử carbon 19

2.2.1 Phổ hồng ngoại 19

2.2.2 Phổ hấp thụ UV-vis 20

2.2.3 Phổ kích thích huỳnh quang 22

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA và TURA có sử dụng các dung môi tổng hợp khác nhau 25

3.1.1 Phổ hồng ngoại IR 26

3.1.2 Phổ hấp thụ UV- vis 28

3.1.3 Phổ kích thích huỳnh quang PL 29

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường phân tán đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon 32

3.2.1 Phổ hấp thụ UV- vis 32

3.2.2 Phổ kích thích huỳnh quang PL 33

PHẦN 3 KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG

Hình 1.1 Cấu trúc bền của chấm lượng tử có kích thước nano 3

Hình 1.2 Phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước hạt của các chấm lượng tử huỳnh quang, các hạt lớn hơn phát ra ở bước sóng dài hơn 5

Hình 1.3 Sự chuyển dịch điện tử trong quá trình hấp thụ và phát xạ quang học của chấm lượng tử 6

Hình 1.4 Đèn phát huỳnh quang thay đổi màu sắc 7

Hình 1.5 Ứng dụng đánh dấu huỳnh quang sinh học 8

Hình 1.6 Cấu trúc chấm lượng tử carbon 10

Hình 1.7 Sự hình thành và cấu trúc của CQDs được tổng hợp từ CA và EDA 11

Hình 1.8 Ứng dụng chấm lượng tử carbon trong chế tạo pin mặt trời 12

Bảng 2.1 Tên mẫu dung dịch 17

Hình 2.1 Quy trình tổng hợp chấm lượng carbon từ CA và TURA 18

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí làm việc của máy đo phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 19

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ hấp thụ UV-vis 21

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ phát xạ huỳnh quang PL 23

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả cơ chế hình thành CQDs 25

Hình 3.2.CQDs được pha loãng trong các dung môi tổng hợp a)Toluene (C7H8), b)Ethanol (C2H5OH), c)nước cất 2 lần dưới đèn UV (355nm) 26

Hình 3.3 Phổ hồng ngoại của chấm lượng tử carbon tổng hợp từ CA và TURA sử dụng các dung môi tổng hợp khác nhau 27

Hình 3.4 a) Cơ chế mô tả tính chất hấp thụ và phát xạ của CQDs, b)Phổ hấp thụ UV-vis của CQDs tổng hợp từ CA và TURA sử dụng các dung môi tổng hợp khác nhau 28

Hình 3.5 Phổ phát xạ của CQDs tổng hợp từ CA và TURA sử dụng các

30

Bảng 3.1 Hiệu suất phát xạ lượng tử (QY) của CQDs trong các dung

môi tổng hợp khác nhau 31Hình 3.6 a) Phổ hấp thụ UV-vis của CQDs trong các dung môi khác

nhau b) Ảnh chụp CQDs hòa tan trong các dung môi lần lượt

là CH3CN, C2H5OH, CHCl3 32Hình 3.7 Phổ phát xạ của CQDs tổng hợp từ CA và TURA, dung môi

quang đặc trưng 33

1 Lí do chọn đề tài.

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội thì các ngành khoa họccông nghệ cũng đang trên đà phát triển không ngừng nhằm tìm ra những điểmmới phục vụ nhu cầu ngày càng cao của xã hội Bắt kịp xu thế chung đó,ngành vật liệu nano cũng phát triển rất nhanh chóng, điển hình như chấmlượng tử QDs (quantum dots) là nhóm vật liệu nano mới Được phát hiện vàonăm 1981 nhưng chỉ trong vòng hơn 30 năm qua QDs đã được nghiên cứurộng rãi về đặc điểm, tính chất và ứng dụng Một số loại vật liệu nano được

Ag), nano carbon (fullerene, grapheme, carbon tule),…

Gần đây chấm lượng tử carbon (CQDs) là loại vật liệu rất thu hút sựchú ý của các nhà nghiên cứu Mặc dù mới được biết đến nhưng nó đã thểhiện tính ưu việt về đặc tính quang hóa, dễ tổng hợp, hiệu suất phát xạ cao,tan trong nước và đặc biệt là ít độc hại Do đó, CQDs đã được nghiên cứu ứngdụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như vật liệu chuyển đổi quang học trongđèn chiếu sáng diode (LEDs), vật liệu đánh dấu huỳnh quang trong phân tíchsinh học và nhiều ứng dụng khác [1] Mặc dù vậy, cơ chế phát xạ huỳnhquang của CQDs như ảnh hưởng của kích thước, nhóm chức bề mặt hay môitrường phân tán đến tính chất phát xạ của QDs chưa được làm sáng tỏ như đốivới một số CQDs truyền thống CdSe, PbS, InP Trong đề tài này tôi tập trung

“Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi tổng hợp đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon” Bằng phương pháp thủy nhiệt truyền thống, với tiền

chất sử dụng là CA và TURA, tôi tiến hành tổng hợp CQDs trong các dung

cứu ảnh hưởng của môi trường phân tán đến tính chất hấp thụ và phát xạ củaCQDs tôi sử dụng các phép đo như phổ hấp thụ UV- vis, phổ kích thíchhuỳnh quang PL

2 Mục đích nghiên cứu.

- Tổng hợp chấm lượng tử carbon với tiền chất sử dụng là CA và TURAbằng

phương pháp thủy nhiệt

- Phân tích các nhóm chức trên bề mặt CQDs bằng phổ hồng ngoại

IR

- Nghiên cứu tính chất quang của CQDs thu được, ảnh hưởng của môi

trường phân tán tới tính chất hấp thụ UV- vis và phát xạ huỳnh quang PL

3 Nội dung nghiên cứu.

- Tổng quan tài liệu: Phương pháp tổng hợp

- Tính hiệu suất phát xạ của CQDs được tổng hợp trong các dung môi khácnhau

4 Phương pháp nghiên cứu.

- Thực nghiệm kết hợp với lí thuyết mô phỏng

- Trước tiên, tôi nghiên cứu tổng hợp CQDs, phân tích đặc trưng cấu trúcCQDs thu được bằng phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR, đo tính chất quang(phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang PL), xác định và phân tích tính chấtquang của chấm lượng tử thu được trong môi trường phân tán khác nhau

5 Điểm mới của đề tài.

- Tổng hợp chấm lượng tử carbon với nhiều loại dung môi tổng hợp khácnhau, thu được CQDs lưỡng cực có khả năng tan tốt trong nhiều loại dungmôi

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường phân tán đến tính chất hấp thụ vàphát xạ ở trạng thái dung dịch

PHẦN 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về chấm lượng tử.

Hình 1.1 Cấu trúc bền của chấm lượng tử có kích thước nano

Chấm lượng tử (QDs: quantum dots) là một thuật ngữ chỉ nhóm vật liệunano được làm từ vật liệu chất bán dẫn, kim loại hoặc polymer, nó có kíchthước nhỏ khoảng 2-10nm với cấu trúc phức tạp và được giới hạn bởi cả 3chiều Khi xét về tính chất tinh thể của các loại vật liệu, các hạt nano có thể

có cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình Còn khi xét trên phương diện tính chất

bề mặt thì các hạt nano có thể mang điện tích hoặc có các nhóm chức bề mặt

[2].

Đối với những hạt nano có kích thước nhỏ (cỡ nanomet) thì số nguyên tử

có trên bề mặt là đáng kể so với tổng số nguyên tử của hạt, do đó các hạt nano

có kích thước càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng của chúng càng lớn và kémbền vững về mặt nhiệt động Chính vì vậy các hạt nano thường có xu hướngkeo tụ lại với nhau nhằm tạo thành hạt có kích thước lớn hơn để giảm diệntích bề mặt riêng giúp tạo lên hệ bền vững hơn về năng lượng Để ngăn quá

2  1

4

trình keo tụ đó, người ta đề xuất hai dạng cấu trúc được hướng đến như: một

là làm cho bề mặt hạt tích điện, hai là gắn các nhóm bảo vệ lên bề mặt cáchạt nano Trong cấu trúc tích điện, bề mặt hạt nano có cấu trúc dạng lớpkép, trong đó một lớp ion mang điện tích liên kết bền chặt trên bề mặt hạt

trúc bền của chấm lượng tử có kích thước nano được đề xuất như hình 1.1

Ngoài cấu trúc hóa học bề mặt thì kích thước cũng là một yếu tố quantrọng quyết định đến tính chất quang học như tính hấp thụ, phát xạ của CQDs,hơn thế kích thước ảnh hưởng hưởng đến tiềm năng ứng dụng của hạt nano.Kích thước của chấm lượng tử thường tương đương và đặc trưng bởi bán kínhBohr chính là khoảng cách giữa các electron và lỗ trống, được tính theo côngthức:

  1 

của chất bán dẫn rắn đang xét, khối lượng electron và khối lượng lỗ trống Từđây ta có thể thấy rằng tùy thuộc vào bản chất vật liệu mà kích thước củaQDs sẽ khác nhau Ngoài ra các mức năng lượng của QDs không sít nhauthành dải mà bị tách ra thành các mức riêng biệt như các mức năng lượngcủa nguyên tử Do đó khi kích thước của QDs giảm đến bán kính Bohr củabán dẫn thì điện tử tự do phía trong QDs thể hiện tính chất giam hãm lượng

tử Hiệu ứng giam hãm lượng tử này làm cho năng lượng của các trạng tháitrên vùng hóa trị hay vùng dẫn bị giãn rộng ra– bị lượng tử hóa đồng thời độ

toán người ta đã chỉ ra mối liên hệ giữa bán kính của QDs với năng lượng

Với Eog, R, h, me*, mh*, e lần lượt là độ rộng vùng cấm, bán kính QDs,hằng số Plank, khối lượng electron, khối lượng lỗ trống rút gọn và điện tíchnguyên tố Từ đây ta thấy bán kính chấm lượng tử tỉ lệ nghịch với nănglượng vùng cấm Những chấm lượng tử có kích thước khác nhau thì sẽ cókhả năng phát ra các bước sóng có màu sắc khác nhau dưới ánh sáng hồngngoại hoặc tử ngoại [6].

Hình 1.2 Phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước hạt của các chấm lượng tử

Tính hấp thụ UV- vis và phát xạ quang học PL là một trong những tínhchất quang quan trọng nhất của chấm lượng tử Khi QDs bị kích thích bởi ánh

lỗ trống khi tồn tại ở trạng thái kích thích có khả năng bền hóa nội vùng bằngcách truyền năng lượng dạng photon và di chuyển về các trạng thái biên Ở

đó, cặp electron- lỗ trống có thể tái hợp với nhau và giải phóng ra một photon

quang Trong nhiều trường hợp, chấm lượng tử thường xuất hiện các trạngthái bề mặt, điện tử hoặc lỗ trống có thể di chuyển về trạng thái bề mặt nàytrước khi chúng tái hợp lại với nhau và phát xạ ra photon có năng lượng nhỏ

Với tính ưu việt về đặc tính quang - điện tử như có khả năng hấp thụ vàphát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy của QDs, kết hợp với kích thước siêunhỏ của chúng cho phép hàng tỷ QDs có thể nằm gọn trong các thiết bị, chínhcông nghệ này đã nhanh chóng cải tiến hàng loạt các ứng dụng trở nên nhỏ,gọn, tiết kiệm mà đem lại hiệu quả cao Trong đó nổi bật nhất là các ứngdụng quang học

o n g đ è n LED ( L i g h t - E m i t t i n g D i o d e s )

Do QDs có hiệu suất lượng tử cao, có khả năng phát xạ các màu sắckhác nhau, thay đổi trong vùng ánh sáng nhìn thấy, bền với UV và đặc biệt làkhông độc hại Vì thế QDs được dùng để chuyển đổi ánh sáng có bước sóng

thấy Đặc biệt khi ta có thể điều khiển được kích thước hoặc thành phần hóahọc của chấm lượng tử thì ta sẽ điều khiển được màu sắc thay đổi của LEDs

Do vậy khi ghép nối QDs kích thước khác nhau thành các tổ hợp hay cố địnhđược bước sóng photon phát ra có thể cho ra các màu sắc khác nhau có độ sắcnét cao trên các màn hình TV, máy tính và những thiết bị di động Đặc biệthơn là có thể phát ra ánh sáng trắng chuẩn nhờ trộn lẫn QDs phát ra ánh sáng

đỏ, xanh lá và xanh dương

Hình 1.4 Đèn phát huỳnh quang thay đổi màu sắc

T r o n g đ á n h d ấ u hu ỳ n h q u a n g s i n h h ọ c

Do đặc tính không độc, nên vào năm 1998 nhà khoa học người Anh đãđưa chấm lưởng tử ứng dụng vào việc đánh dấu huỳnh quang sinh học Khi sosánh với chất màu hữu cơ truyền thống và các protein phát quang tự nhiêncho

thấy các chấm lượng tử bán dẫn có đặc tính quang học và điện tử độc đáo như

có thể điều khiển ánh sáng phát xạ nhờ thay đổi kích thước, thời gian phátquang dài và điểm đặc biệt nhất là độ bền quang cao (gấp vài trăm lần so vớichất màu hữu cơ) Nhờ vào đặc tính này, nhiều nước trên thế giới đã sử dụngchấm lượng tử để tiêm vào cơ thể động vật như chuột, thỏ,… với mục đíchnhằm quan sát, chụp ảnh các cơ quan, tế bào… Dưới sự kích thích của tia tửngoại, chấm lượng tử có khả năng phát quang trong tế bào, nhờ đó nó giúp taphân biệt phân tử ta muốn quan sát với các phân tử xung quanh Các nhà khoahọc đã tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmonic của hạt nano vàng tạo ra bộcảm ứng sinh học và sự phát huỳnh quang trong việc trị liệu ung thư, giúp y sĩđịnh vị khối u ung thư, gia tăng sự chính xác cho quá trình phẫu thuật Ứngdụng này đã mang lại nhiều lợi ích giúp phát triển ngành y sinh

Hình 1.5 Ứng dụng QDs trong đánh dấu huỳnh quang sinh học

Tr

o n g x ú c t ác q u a n g h ó a

Những năm gần đây, quá trình quang xúc tác đã có những bước nhảyvọt lớn trong ngành khoa học công nghệ Quá trình hấp thụ quang học QDstạo ra các cặp điện tử- lỗ trống Electron ở trạng thái kích thích có năng lượngcao, luôn có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp, do đó cótính khử tốt Còn lỗ trống ở vùng hóa trị có năng lượng thấp, do đó có tính oxi

hóa mạnh Do đó, chấm lượng tử đã và đang được nghiên cứu là một loại xúctác quang hóa tiềm năng đặc biệt trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ Ví dụ nhưcác CQDs kích thước nhỏ hơn (1-4 nm) là chất xúc tác quang học cho quátrình oxy hóa chọn lọc của rượu với benzaldehyde với hiệu suất chuyển đổicao Các CQDs kích thước lớn hơn (5-10 nm) có thể được sử dụng làm chấtxúc tác axit để xúc tác cho các biến đổi hữu cơ trong môi trường nước dướiánh sáng khả kiến [7].

Với nhiều ứng dụng hay và có ý nghĩa quan trọng như đã trình bày phíatrên mà rất nhiều loại chấm lượng tử đã và đang được quan tâm nghiên cứunhư:

Chấm lượng tử bắt nguồn từ các chất bán dẫn II– VI: Loại chấm

lượng tử này có nguồn gốc từ các thành phần của phân nhóm II (Zn, Cd) vànhóm VI (O, S, Se, Te) trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học.Các vật liệu bán dẫn II –VI có thể được tìm thấy trong các ứng dụng khácnhau như điện tử, quang học, y- sinh học Đặc biệt là các đặc tính huỳnhquang nổi bật của các chấm lượng tử loại này được đề xuất cho các ứng dụngtrong các lĩnh vực phát quang, các màn hình LED, điện thoại,…Tuy nhiên cácvật trong nhóm này đều chứa Cd là một nguyên tố rất độc hại khi tích tụ trong

cơ thể người với hàm lượng dù rất nhỏ Do đó việc triển khai ứng dụng củachấm lượng phát quang chứa Cd bị hạn chế, đặc biệt với việc sử dụng để đánhdấu huỳnh quang trong các đối tượng y–sinh [11]

Chấm lượng tử bắt nguồn từ các chất bán dẫn III– V: bắt nguồn từ

các thành phần của phân nhóm III (B, Al, Ga, In) và phân nhóm V (N, P, As,

Sb, Bi) Trong lĩnh vực chất bán dẫn III – V thì GaAs cho thấy hiệu suất vượttrội, đặc biệt về xử lý dữ liệu quang học Một số kết quả nghiên cứu rất gần

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 huỳnhquang cao Tuy nhiên, In lại là một nguyên tố đắt đỏ, phần nào làm giảm tiềmnăng ứng dụng của chúng [11]

Để triển khai ứng dụng rộng rãi chấm lượng tử, đặc biệt là ứng dụngtrong sinh học, chấm lượng tử Ge, Si hay C luôn được ưu tiên sử dụng do tínhkhông độc của chúng Tuy nhiên việc tổng hợp chấm lượng tử Ge thường đòihỏi nhiệt độ cao hoặc sử dụng nhiều hóa chất cho quá trình oxi hóa hay khửtiền chất Chấm lượng tử Silic bị hạn chế về các kỹ thuật tổng hợp, biến đổimàu phát quang và quan trọng là kém bền trong không khí nên việc triển khaiứng dụng chấm lượng tử Silic luôn đòi hỏi nhiều kĩ thuật khắt khe Riêng cóchấm lượng tử carbon, với những đặc tính không gây độc, tổng hợp đơn giản,hiệu suất lượng tử lớn, đặc biệt là có khả năng tan tốt trong nước, Chínhnhững đặc tính quan trọng này cho phép chấm lượng tử carbon hứa hẹnnhững tiềm năng ứng dụng to lớn trong thời đại khoa học công nghệ hiện nay.Mặc dù cơ chế phát xạ huỳnh quang của CQDs như ảnh hưởng của kíchthước, nhóm chức bề mặt hay môi trường phân tán đến tính chất phát xạ củaCQDs chưa được làm sáng tỏ như đối với các CQDs truyền thống (CdSe,PbS, InP) nhưng trong thời gian tới chắn chắn sẽ được nghiên cứu và trìnhbày rõ ràng [12]

1.2 Chấm lượng tử carbon.

1.2.1 Cấu trúc chấm lượng tử carbon.

Hình 1.6 Cấu trúc chấm lượng tử carbon

Chấm lượng tử carbon (CQDs) là vật liệu nano carbon đang thu hútđược sự quan tâm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như vật liệuchuyển đổi quang học trong đèn LEDs và vật liệu đánh dấu huỳnh quangtrong phân tích sinh học [1]…nhờ vào những đặc tính như dễ tổng hợp, khôngđộc hại và có khả năng phát xạ trong vùng nhìn thấy Vì vậy, CQDs đã được

đề xuất làm vật liệu huỳnh quang cho các thiết bị quang học và quang điệntiên tiến Chấm lượng tử carbon có kích thước nhỏ (2 - 10 nm) với các đặctính hấp dẫn bao gồm tính ổn định cao, khả năng dẫn điện tốt, tan tốt trongnước và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời [3]

Qua các công trình nghiên cứu về CQDs các nhà nghiên cứu đã đề xuấtcấu trúc của chấm lượng tử gồm 3 thành phần: (1) lõi gồm một hoặc nhiều hệ

đa vòng liên hợp PAHs (polyaromatic hydrocarbons) chính nó quyết định đến

sự chuyển dịch electron trong CQDs (2) các nhóm chức quang hoạt F(fluorophore) ảnh hưởng đến tính chất quang của CQDs và (3) các nhómchức hữu cơ đơn giản như mạch hydrocarbon no, -OH, -COOH, -CONH- hay-NH- chính là các phân tử chuỗi dài nó ảnh hưởng đến tính tan bề mặt củaCQDs Ngoài ra tính chất quang điển hình của CQDs như tính hấp thụ UV-vis và phát xạ quang học PL còn phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như kíchthước PAHs và nhóm chức quanh học F, khả năng tương tác giữa các hệ liênhợp và các nhóm chức F Ngoài ra trong những nghiên cứu gần đây còncho thấy, tính chất quang của CQDs phụ thuộc vào sự tương tác củaCQDs với môi

trường xung quanh,…

HO

1.2.2 Một số tiềm năng ứng dụng của CQDs.

Với những đặc tính riêng biệt như thân thiệt với môi trường, tổng hợpđơn giản, khả năng tan tốt trong nước thì CQDs hứa hẹn đem lại những ứngdụng lớn trong nhiều các lĩnh vực khác nhau như trong chế tạo pin mặt trời,ứng dụng theo dõi tế bào, đánh dấu sinh học, xúc tác quang hóa,

Tr

o n g c h ế t ạ o p i n m ặt t r ờ i

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong khi các nguồntài nguyên ngày càng cạn kiệt thì việc tận dụng năng lượng tự nhiên như ánhsáng mặt trời là rất cần thiết Ngành công nghệ chấm lượng tử đã giúp cảithiện đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điệnnăng trong khi chi phí sản xuất thấp hơn so với các tinh thể bán dẫn thôngthường Ứng dụng này của chấm lượng tử đem lại hiệu suất cao, vượt trội hơntất cả vật liệu được biết đến từ trước đến nay (hiệu suất của pin mặt trờisilicon trên thương trường chỉ đạt 15%) [9] Sử dụng màng tinh thể nano, đặcbiệt là chấm lượng tử đang trở thành hướng nghiên cứu quan trọng nhằmgiảm giá thành và thúc đẩy sử dụng nguồn năng lượng mặt trời [4]

Hình 1.8 Ứng dụng chấm lượng tử carbon trong chế tạo pin mặt trời

T r o n g đ á n h d ấ u hu ỳ n h q u a n g s i n h h ọ c

Đánh dấu huỳnh quang là ứng dụng phổ biến nhất của CQDs trong sinhhọc CQDs là các hạt nano huỳnh quang có thể được tổng hợp nhanh chóngbằng phương pháp đơn giản, chi phí thấp và không thể hiện bất kỳ dấu hiệu

ngộ độc nào ở động vật Do đó, CQDs được sử dụng cho các nghiên cứu in

vivo Điều này được minh họa khi nghiên cứu độc tính ở chuột, chuột được

tiêm CQDs và thử nghiệm trong bốn tuần Kết luận rằng chức năng nội tạnghầu như không bị ảnh hưởng Người ta biết rằng các CQDs được thải trừnhanh chóng khỏi cơ thể khi tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp và tiêm dưới da Thêmvào đó, độ tương phản huỳnh quang đã chứng tỏ CQDs hoạt động như chấtquang hóa hiệu quả [10]

T

hu ốc n a n o

Chấm lượng tử carbon cũng hấp dẫn trong việc tổng hợp thuốc nano

vì chúng không có bất kì dấu hiệu ngộ độc nào ở động vật và do đó có thểđược sử dụng nghiên cứu in vivo Người ta đã thử độc tính trên chuột bằngcách tiêm CQDs vào tĩnh mạch chuột và theo dõi nó trong bốn tuần Kết quả

là nội tạng và chức năng hầu như không bị ảnh hưởng Kết quả còn chỉ raCQDs không hạn chế hoạt động của thrombin và không dẫn đến hiện tượngđông máu CQDs còn có thể được sử dụng trong điều trị các khối u CQDs cótác dụng ức chế cao trên các tế bào ung thư do CQDs có khả năng tạo ra nhiềuloại oxi phản ứng hơn, khiến chúng trở thành chất kích thích có triển vọng.CQDs được bài tiết nhanh chóng ra khỏi cơ thể [5]

1.2.3 Phương pháp tổng hợp CQDs.

Trong những năm gần đây, CQDs đã được nghiên cứu khá chặt chẽ.Rất nhiều các phương pháp tổng hợp, các nguồn nguyên liệu khác nhau đãđược các nhà khoa học nghiên cứu và áp dụng tiến hành tổng hợp CQDs Khinhìn nhận theo cách tiếp cận nguồn nguyên liệu để tạo ra CQDs thì cácphương pháp tổng hợp chấm lượng tử carbon có thể được phân làm hai nhómchính: hướng tiếp cận từ trên xuống và hướng tiếp cận từ dưới lên

Hướng tiếp cận từ trên xuống (top-down)

Trong phương pháp này sử dụng kỹ thuật đi từ vật liệu lớn đến vật liệunhỏ hơn cụ thể là: tiến hành các kỹ thuật nhằm phá vỡ cấu trúc phân tử lớntạo ra các chấm lượng tử có kích thước nano Một số các phương pháp được

áp dụng như: phương pháp oxi hóa điện hóa, phóng điện huỳnh quang, công

nghệ bốc bay laser Ưu điểm của phương pháp này là dễ tạo ra các màngmỏng cấu trúc nano có độ sạch và chất lượng tinh thể cao Tuy nhiên đối vớiphương pháp này thường yêu cầu thiết bị phức tạp với kinh phí khá lớn,chính vì vậy mà nó không phù hợp với hoàn cảnh thực tế của các nước đangphát triển, đặc biệt là khó có thể thực hiện được ở Việt Nam [2] Chính vì thế

mà phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế

Hướng tiếp cận từ dưới lên (bottum-up)

Ngược lại so với hướng tiếp cận từ trên xuống, đối với phương phápnày, người ta sử dụng các phân tử nhỏ làm tiền chất qua quá trình chế tạo thuđược CQDs là phân tử lớn hơn thông qua phản ứng hóa học được xảy ra.Phương pháp này bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu như: gia nhiệt,đốt cháy, thủy nhiệt,…Với việc sử dụng các thiết bị tổng hợp như lò vi sóng,máy thủy nhiệt, máy siêu âm,… Cùng với một số các kỹ thuật được thực hiệntrong phương pháp này như sol – gel, đồng kết tủa,… Xét về mặt nguyên lí,nguyên lí chung của các phương pháp này đều dựa trên việc hình thành cáchạt nano từ các nguyên tử nhỏ hay các ion Dưới tác động của các yếu tố nhưnhiệt độ và áp suất, các nguyên tử hay ion sẽ kết hợp với nhau tạo thành cáchạt có kích thước nano Phương pháp này có ưu điểm là quy trình tổng hợpđơn giản, các hạt được tạo ra có kích thước nhỏ và đồng đều, giúp nâng caohiệu quả kinh tế vì trang thiết bị phục vụ cho phương pháp này rất đơn giản.Tuy nhiên, phương pháp này có có những hạn chế nhất định khi có yêu cầuđiều chế một lượng lớn vật liệu nano sẽ rất khó khăn và tốn kém [12]

Theo cách thức thực hiện các phương pháp tổng hợp chấm lượng tửcarbon được phân thành hai nhóm: phương pháp hóa học và phương pháp vật

lí Với phương pháp hóa học bao gồm: phương pháp điện hóa, thủy nhiệtnhiệt vi sóng, Phương pháp vật lí gồm phóng điện hồ quang, laser Sauđây, tôi xin trình bày một số phương pháp tổng hợp thông dụng:

Phương pháp tổng hợp điện hóa (Electrochemical)

Phương pháp điện hóa là phương pháp điều chế CQDs sử dụng số lượnglớn tiền chất khác nhau Ở phương pháp này, hai tấm Pt được sử dụng làm