TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2KHOA HÓA HỌC ĐỖ THỊ THU HÒA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI TỔNG HỢP ĐÉN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngà
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
ĐỖ THỊ THU HÒA
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI TỔNG HỢP ĐÉN TÍNH CHẤT QUANG
CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON
KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
ĐỖ THỊ THU HÒA
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI TỔNG HỢP ĐÉN TÍNH CHẤT QUANG
CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON
KHÓA LUẬN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Nguôi hưóng dẫn khoa học
ThS HOÀNG QUANG BẮC
HÀ NỘI - Tháng 5/2019
Trang 3hỗ trợ em thục hiện phép đo phổ hấp thụ UV- vis.
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 quátrình thục hiện đề tài này
Cuối cùng, em xin gửi cảm ơn tới những nguời thân yêu trong gia đình,bạn bè của em- những nguời luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ và là chỗ dụatinh thần cho em trong suốt quá trình học tập và thục hiện đề tài
Nghiên cứu này đuợc tài trợ từ nguồn kinh phí đề tài cấp Bộ, kinh phíKHCN của Truờng ĐHSP Hà Nội 2 cho đề tài mã số B.2018-SP2-13
Trong quá trình thục hiện khóa luận mặc dù đã hết sức cố gắng nhungvẫn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận đuợc những ýkiến đóng góp của thầy, cô giáo và các bạn để nội dung khóa luận đuợc hoànthiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2019
Sinh viên
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi duới sụhuớng dẫn của ThS Hoàng Quang Bắc Các số liệu và kết quả trong khóaluận là chính xác, trung thục và chua đuợc ai công bố trong bất cú công trìnhnghiên cứu nào khác
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm truớc nhà truờng về sụ cam đoannày!
Hà Nội, tháng 5 năm 2019
Sinh viên
Đỗ Thị Thu Hòa
Trang 5FT-IR : íourier transíorm - inírared spectroscopy
uv- vis : ultraviolet- visible absorption spectroscopy
PL : photoluminescence
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 6MỤC LỤC
PHÀN 1 MỞ ĐÀU 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
PHÀN 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
Trang 7CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25
3.1 Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA và TƯRA 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 ƯV- 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 ƯV- vis 32
3.2.2 Phổ kích thích huỳnh quang PL 33
PHÀN 3 KẾT LUẬN 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO 36
Trang 8DANH 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 Ương 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 ương chế tạo pin mặt ười 12
Bảng 2.1 Tên mẫu dung dịch 17
Hình 2.1 Quy ưình tổng hợp chấm lượng carbon từ CA và TƯRA 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 ƯV-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 ưong các dung môi tổng hợp a)Toluene (CyHg), 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
Trang 9Hình 3.5 Phổ phát xạ của CQDs tổng hợp từ CA và TƯRA sử dụngcác dung môi tổng hợp khác nhau a)dung môi C7H8 b)dung môiC2H5OH c) dung môi H2O d) Tại bước sóng kích thích 355nm
30Bảng 3.1 Hiệu suất phát xạ lượng tử (QY) của CQDs trong các dung môitổng hợp khác nhau 31Hình 3.6 a) Phổ hấp thụ ƯV-vis của CQDs trong các dung môi khác nhau
b) Ảnh chụp CQDs hòa tan trong các dung môi lần lượt là CH3CN,
C2H5OH, CHCI3 32Hình 3.7 Phổ phát xạ của CQDs tổng hợp từ CA và TƯRA, dung môiC2H5OH được hòa tan trong các môi trường phân tán khác nhau a)CHCỈ3b) C2H5OH c) CH3CN d)Phổ phát xạ huỳnh quang đặc trưng 33
Trang 10PHÀN 1 MỞ ĐÀU
1 Lí do chọn đề tài.
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội thì các ngành khoa học côngnghệ cũng đang trên đà phát triển không ngừng nhằm tìm ra những điểm mớiphục vụ nhu cầu ngày càng cao của xã hội Bắt kịp xu thế chung đó, ngành vậtliệu nano cũng phát triển rất nhanh chóng, điển hình nhu chấm luợng tử QDs(quantum dots) là nhóm vật liệu nano mới Đuợc phát hiện vào năm 1981nhung chỉ trong vòng hơn 30 năm qua QDs đã đuợc nghiên cứu rộng rãi về đặcđiểm, tính chất và úng dụng Một số loại vật liệu nano đuợc nhắc đến khá nhiềunhu: nano oxit (ZnO, T1O2, S1O2), hạt nano kim loại (Au, Ag), nano carbon(íullerene, grapheme, carbon tule),
Gần đây chấm luợng tủ carbon (CQDs) là loại vật liệu rất thu hút sụ chú
ý của các nhà nghiên cứu Mặc dù mới đuợc biết đến nhung nó đã thể hiện tính
uu việt về đặc tính quang hóa, dễ tổng hợp, hiệu suất phát xạ cao, tan trongnuớc và đặc biệt là ít độc hại Do đó, CQDs đã đuợc nghiên cứu úng dụng trongnhiều lĩnh vục khác nhau nhu vật liệu chuyển đổi quang học trong đèn chiếusáng diode (LEDs), vật liệu đánh dấu huỳnh quang trong phân tích sinh học vànhiều ứng dụng khác [1] Mặc dù vậy, cơ chế phát xạ huỳnh quang của CQDsnhu ảnh huởng của kích thuớc, nhóm chúc bề mặt hay môi truờng phân tán đếntính chất phát xạ của QDs chua đuợc làm sáng tỏ nhu đối với một số CQDs
truyền thống CdSe, PbS, InP Trong đề tài này tôi tập trung “Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi tổng họp 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 môi hòa tan có độphân cực khác nhau như Toluene, Ethanol, H2O Để nghiên cứu ảnh hưởng củamôi trường phân tán đến tính chất hấp thụ và phát xạ của CQDs tôi sử dụng cácphép đo như phổ hấp thụ UV- vis, phổ kích thích huỳnh quang PL
Trang 112 Mục đích nghiên cứu.
- Tổng hợp chấm lượng tử carbon với tiền chất sử dụng là CA và TƯRA bằngphương 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 trườngphân tán tới tính chất hấp thụ ƯV- vis và phát xạ huỳnh quang PL
3 Nội dung nghiên cứu.
- Tổng quan tài liệu: Phương pháp tổng hợp CQDs
- Tổng hợp chấm lượng tử CQDs từ CA và TƯRA bằng phương pháp thủynhiệt truyền thống
- Tìm hiểu về đặc trưng cấu trúc của các CQDs truyền thống, phân tích nhómchức trên bè mặt CQDs thu được bằng phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử tổng hợp được, ảnh hưởngcủa môi trường phân tán đến tính chất quang của chấm lượng tử, sử dụng phổhấp thụ ƯV-vis, phổ phát xạ PL
- 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 dung môi
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của môi trường phân tán đến tính chất hấp thụ vàphát xạ ở trạng thái dung dịch
Trang 12PHẢN 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về chấm lượng tử.
lonsstern laỵerSlipping plane
Buỉk ílưid
Hình 1.1 Cẩu 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 cổ kíchthước nhỏ khoảng 2-10nm với cấu trúc phức tạp và được giới hạn bởi cả 3chiều Khỉ xét về tính chất tinh thề của các loại vật liệu, các hạt nano cố thể cốcấu trúc tỉnh thể hoặc vô định hình Còn khỉ xét trên phương diên tính chất bềmặt thì các hạt nano cố thề mang điện tích hoặc cố các nhốm 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 cùa hạt, do đỏ các hạt nano
có kích thước càng nhỏ thì diên tích bề mặt riêng của chúng càng lớn và kémbền vững về mặt nhiệt động Chính vì vậy các hạt nano thường cỏ xu hướngkeo tụ lại với nhau nhằm tạo thành hạt có kích thước lớn hơn để giảm diện tích
bề mặt riêng giúp tạo lên hệ bền vững hơn về năng lượng Để ngăn quá
Trang 13trình keo tụ đó, người ta đề xuất hai dạng cấu trúc được hướng đến như: một làlàm cho bề mặt hạt tích điện, hai là gắn các nhóm bảo vệ lên bề mặt các hạtnano Trong cấu trúc tích điện, bề mặt hạt nano có cấu trúc dạng lớp kép, trong
đó một lớp ion mang điện tích liên kết bền chặt trên bề mặt hạt nano và lớpkhuếch tán liên kết lỏng lẻo có tác dụng bù trừ điện tích [3] cấu trúc bền củachấm 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:
bị tách ra thành các mức riêng biệt như các mức năng lượng của nguyên tử Do
đó khi kích thước của QDs giảm đến bán kính Bohr của bán dẫn thì điện tử tự
do phía trong QDs thể hiện tính chất giam hãm lượng tử Hiệu ứng giam hãmlượng tử này làm cho năng lượng của các trạng thái trên vùng hóa trị hay vùngdẫn bị giãn rộng ra- bị lượng tử hóa đồng thời độ rộng vùng cấm Eg tăng dầnkhi kích thước của hạt giảm Thật vậy bằng tính toán người ta đã chỉ ra mối liên
hệ giữa bán kính của QDs với năng lượng Eg qua phương trình:
E E- I h \ í 1 1 1 -ì 1 ’ 786g2
Trang 14Với E°g, 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 năng lượngvùng cấm Những chấm lượng tử cố kích thước khác nhau thì sẽ cố khả năngphát ra các bước sóng có màu sắc khác nhau dưới ánh sảng hồng ngoại hoặc tửngoại [6].
Quantum Dot Size and Color
Hình 1.2 Phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước hạt của các chắm lượng tử
Tính hấp thụ ƯV- 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
sáng có bước sóng Ằ thỏa mãn Y > Eg, các electron (•) ở vùng hóa trị sẽ chuyển
lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống (O) trên vùng hóa trị Electron và lỗ trốngkhỉ tồn tại ờ trạng thái kích thích cổ khả năng bền hốa nội vùng bằng cáchtruyền năng lượng dạng photon và di chuyển về các trạng thái biên Ở đỏ, cặpelectron- lỗ trống có thể tái hợp với nhau và giải phóng ra một photon cỗ nănglượng bằng Eg hoặc truyền năng lượng cho vật khác mà không phát
5
Trang 15quang Trong nhiều trường hợp, chấm lượng tử thường xuất hiện các trạng thái
bề mặt, điện tử hoặc lỗ trống có thể di chuyển về trạng thái bề mặt này trướckhi chúng tái hợp lại với nhau và phát xạ ra photon có năng lượng nhỏ hơn Eg
Sự dịch chuyển điện tử được thể hiện trong hình 1.3 phía dưới
Hình 1.3 Sự chuyển dịch điện tử trong quá trình hấp thụ và phát xạ quang
học của chấm lượng tử
Ngoài ra tính chất của chấm lượng tử liên quan chặt chẽ đến môi trường
và điều kiện tổng hợp như dung môi, vật liệu chế tạo, nhiệt độ, thời gian, xúctác,
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 ứng dụngquang học
Trang 16Trong đèn LED (Light - Emitting Diodes)
Do QDs cố hiệu suất lượng tử cao, cố khả năng phát xạ các màu sắc khácnhau, thay đổi trong vùng ánh sáng nhìn thấy, bền với ƯV và đặc biệt là khôngđộc hại Vì thế QDs được dùng để chuyển đồi ánh sáng có bước sóng ngắn phát
ra từ LED chip (ẤLED = 431nm) thành ánh sáng trong vùng nhìn thấy Đặc biệtkhi ta cổ thề điều khiển được kích thước hoặc thành phần hóa học của chấmlượng tử thì ta sẽ điều khiển được màu sắc thay đổi của LEDs Do vậy khi ghépnối QDs kích thước khác nhau thành các tổ hợp hay cố định được bước sóngphoton phát ra có thể cho ra các màu sắc khác nhau cô độ sắc nét cao trên cácmàn hình TV, máy tính và những thiết bị di động Đặc biệt hơn là có thề phát raánh sảng trắng chuẩn nhở trộn lẫn QDs phảt ra ánh sáng đỏ, xanh lả và xanhdương
Hình 1.4 Đèn phất huỳnh quang thay đồi màu sắc
Trong đánh dấu huỳnh quang sinh hoc
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 nhiên cho
Trang 17thấy các chấm lượng tử bán dẫn có đặc tính quang học và điện tử độc đáo như
cỏ thể điều khiển ánh sảng phát xạ nhờ thay đối 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, vói mục đíchnhằm quan sảt, chụp ảnh các cơ quan, tế bào Dưới sự kích thích của tỉa tửngoại, chấm lượng tử cố 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 plasmonỉc 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 đảnh dấu huỳnh quang sinh học
Trong xúc tác quang hóa
Những năm gàn đây, quá trinh quang xúc tác đã có những bước nhảy vọtlớn trong ngành khoa học công nghệ Quá trình hấp thụ quang học QDs tạo racác cặp điện tử- lỗ trống Electron ở trạng thái kích thích có năng lượng cao,luôn có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp, do đỏ cỏ tính khử
Trang 18hóa 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 như cácCQDs kích thước nhỏ hơn (1-4 nm) là chất xúc tác quang học cho quá trình oxyhóa chọn lọc của rượu với benzaldehyde với hiệu suất chuyển đổi cao CácCQDs kích thước lớn hơn (5-10 nm) có thể được sử dụng làm chất xúc tác axit
để xúc tác cho các biến đổi hữu cơ trong môi trường nước dưới ánh sáng khảkiến [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 11- VI: Loại chấm lượng
tử này có nguồn gốc từ các thành phần của phân nhóm II (Zn, Cd) và nhóm VI(O, s, Se, Te) trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Các vậtliệu bán dẫn II -VI có thể được tìm thấy trong các ứng dụng khác nhau như điện
tử, quang học, y- sinh học Đặc biệt là các đặc tính huỳnh quang nổi bật của cácchấm lượng tử loại này được đề xuất cho các ứng dụng trong các lĩnh vực phátquang, các màn hình LED, điện thoại, Tuy nhiên các vật trong nhóm này đềuchứa Cd là một nguyên tố rất độc hại khi tích tụ trong cơ thể người với hàmlượng dù rất nhỏ Do đó việc triển khai ứng dụng của chấm lượng phát quangchứa Cd bị hạn chế, đặc biệt với việc sử dụng để đánh dấu huỳnh quang trongcác đối tượng y-sinh [11]
Chẩm lượng tử bắt nguồn từ các chất bản 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 vượt trội,đặc biệt về xử lý dữ liệu quang học Một số kết quả nghiên cứu rất gần đây trên
hệ vật liệu CuInS2 cấu trúc nano cho thấy ngoài ứng dụng đã rõ ràng là làm vậtliệu biến đổi quang- điện trong pin mặt trời, nó còn có triển vọng làm vật liệuphát quang trong vùng phổ vàng cam - đỏ với hiệu suất huỳnh quang cao Tuynhiên, In lại là một nguyên tố đắt đỏ, phần nào làm giảm tiềm năng ứng dụngcủa chúng [11]
Trang 19Để 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 khử tiềnchất Chấm lượng tử Silic bị hạn chế về các kỹ thuật tổng hợp, biến đổi màuphát quang và quan trọng là kém bền trong không khí nên việc triển khai ứngdụng chấm lượng tử Silic luôn đòi hỏi nhiều kĩ thuật khắt khe Riêng có chấmlượng tử carbon, với những đặc tính không gây độc, tổng hợp đơn giản, hiệusuất lượng tử lớn, đặc biệt là có khả năng tan tốt trong nước, Chính những đặctính quan trọng này cho phép chấm lượng tử carbon hứa hẹn những tiềm năngứng dụng to lớn trong thời đại khoa học công nghệ hiện nay Mặc dù cơ chếphát xạ huỳnh quang của CQDs như ảnh hưởng của kích thước, nhóm chức bềmặt hay môi trường phân tán đến tính chất phát xạ của CQDs chưa được làmsáng tỏ như đối với các CQDs truyền thống (CdSe, PbS, InP) nhưng trong thờigian tới chắn chắn sẽ được nghiên cứu và trình bày rõ ràng [12]
1.2 Chấm lượng tử carbon.
1.2.1 Cấu trúc chấm lượng tử carbon.
Hình 1.6 Cẩu trúc chấm lượng tử carbon
Trang 20Chấm lượng tử carbon (CQDs) là vật liệu nano carbon đang thu hút được
sự quan tâm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như vật liệu chuyển đổiquang học trong đèn LEDs và vật liệu đánh dấu huỳnh quang trong phân tíchsinh học [1] nhờ vào những đặc tính như dễ tổng hợp, không độc hại và cókhả năng phát xạ trong vùng nhìn thấy Vì vậy, CQDs đã được đề xuất làm vậtliệu huỳnh quang cho các thiết bị quang học và quang điện tiên tiến Chấmlượng tử carbon có kích thước nhỏ (2-10 nm) với các đặc tính hấp dẫn bao gồmtính ổn định cao, khả năng dẫn điện tốt, tan tốt trong nước và khả năng tươngthích 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(Auorophore) ảnh hưởng đến tính chất quang của CQDs và (3) các nhóm chứchữu 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 của CQDs.Ngoài ra tính chất quang điển hình của CQDs như tính hấp thụ ƯV- vis và phát
xạ quang học PL còn phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố như kích thước PAHs
và nhóm chức quanh học F, khả năng tương tác giữa các hệ liên hợp và cácnhóm chức F Ngoài ra trong những nghiên cứu gần đây còn cho thấy, tính chấtquang của CQDs phụ thuộc vào sự tương tác của CQDs với môi trường xungquanh,
Hình 1.7 Sự hình thành và cẩu trúc của CQDs được tống hợp từ CA và EDA.
Trang 211.2.2 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 ười, ứngdụng theo dõi tế bào, đánh dấu sinh học, xúc tác quang hóa,
Trong chế tao pin măt trời
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong khi các nguồn tàinguyên ngày càng cạn kiệt thì việc tận dụng năng lượng tự nhiên như ánh sángmặt ười là rất cần thiết Ngành công nghệ chấm lượng tử đã giúp cải thiện đáng
kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ưongkhi chi phí sản xuất thấp hơn so với các tinh thể bán dẫn thông thường, ứngdụng này của chấm lượng tử đem lại hiệu suất cao, vượt trội hơn tất cả vật liệuđược biết đến từ trước đến nay (hiệu suất của pin mặt trời Silicon trên thươngưuờng chỉ đạt 15%) [9] Sử dụng màng tinh thể nano, đặc biệt là chấm lượng tửđang ưở thành hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm giá thành và thúc đẩy
sử dụng nguồn năng lượng mặt ười [4]
Hình 1.8 ửng dụng chấm lượng tử carbon trong chế tạo pin mặt trời
Trong đánh dấu huỳnh quang sinh hoc
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 chóng
Trang 22ngộ 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 Ket luận rằng chức năng nội tạng hầu nhưkhông bị ảnh hưởng Người ta biết rằng các CQDs được thải trừ nhanh chóngkhỏi cơ thể khi tiêm tĩnh mạch, tiêm bắp và tiêm dưới da Thêm vào đó, độtương phản huỳnh quang đã chứng tỏ CQDs hoạt động như chất quang hóa hiệuquả [10]
Thuốc nano
Chấm lượng tử carbon cũng hấp dẫn trong việc tổng hợp thuốc nano vìchúng không có bất kì dấu hiệu ngộ độc nào ở động vật và do đó có thể được sửdụng nghiên cứu in vivo Người ta đã thử độc tính trên chuột bằng cách tiêmCQDs vào tĩnh mạch chuột và theo dõi nó trong bốn tuần Ket quả là nội tạng
và chức năng hầu như không bị ảnh hưởng Ket quả còn chỉ ra CQDs khônghạn chế hoạt động của thrombin và không dẫn đến hiện tượng đông máu CQDscòn có thể được sử dụng trong điều trị các khối u CQDs có tác dụng ức chế caotrên các tế bào ung thư do CQDs có khả năng tạo ra nhiều loại oxi phản ứnghơn, khiến chúng trở thành chất kích thích có triển vọng CQDs được bài tiếtnhanh 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 Rấtnhiều các phương pháp tống hợp, các nguồn nguyên liệu khác nhau đã được cácnhà khoa học nghiên cứu và áp dụng tiến hành tổng hợp CQDs Khi nhìn nhậntheo cách tiếp cận nguồn nguyên liệu để tạo ra CQDs thì các phương pháp tổnghợp chấm lượng tử carbon có thể được phân làm hai nhóm chính: hướng tiếpcận 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 lớn tạo
ra các chấm lượng tử có kích thước nano Một số các phương pháp được ápdụng như: phương pháp oxi hóa điện hóa, phóng điện huỳnh quang, công
