Thời gian sống huỳnh quang của các mẫu chiếu xạ bằng các bức xạ khác nhau không có sự thay đổi nhiều (từ 21 đến 22ns) ngoại trừ mẫu chiếu xạ photon hãm có sự thay đổi đáng kể 27ns, kết[r]
Trang 1Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bức xạ năng lượng cao đến các tính chất của chấm lượng tử CdTe định hướng ứng dụng trong
môi trường vũ trụ Phùng Việt Tiệp
Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Bình
Năm bảo vệ: 2011
Abstract: Giới thiệu chung về CdTe, các tính chất chung của CdTe và những ứng
dụng của chúng đối với đời sống Trình bày phương pháp chế tạo mẫu và xử lý mẫu
Kỹ thuật đo phổ hấp thụ Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang Kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang Trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các bức xạ: bức xạ tia X, bức xạ gamma, bức xạ nơtron nhiệt và bức xạ photon hãm lên tính chất quang học của chấm lượng tử CdTe thông qua các phép đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, thời gian sống huỳnh quang của CdTe
Keywords: Công nghệ Nano; Bức xạ năng lượng; Môi trường vũ trụ
Content
LỜI NÓI ĐẦU
Một trong những ứng dụng của chấm lượng tử CdTe được các nhà nghiên cứu, công nghệ đặc biệt quan tâm là sử dụng làm các linh kiện quang - điện tử Các linh kiện quang điện
tử sử dụng chấm lượng tử CdTe có kích thước nhỏ, hiệu suất cao thích hợp sử dụng trong điều kiện vũ trụ Tuy nhiên trong điều kiện vũ trụ, linh kiện, vật liệu chịu tác động điều kiện rất khắc nghiệt như thay đổi nhiệt độ lớn, ảnh hưởng trực tiếp các tia vũ trụ như tia , tia tia X… Nhằm đánh giá khả năng sử dụng vật liệu CdTe QDs trong điều kiện vũ trụ chúng tôi
chọn “Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bức xạ năng lượng cao đến các tính chất của chấm lượng tử CdTe định hướng ứng dụng trong môi trường vũ trụ” là đề tài luận văn
Luận văn ngoài lời mở đầu và kết luận, luận văn gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu chung về CdTe, các tính chất chung của CdTe và những
ứng dụng của chúng đối với đời sống
Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm: Trình bày phương pháp chế tạo mẫu và xử lý mẫu
Kỹ thuật đo phổ hấp thụ Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang Kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang
Chương 3: Kết quả và thảo luận: Trình bày kết quả đo phổ hấp thụ, phổ huỳnh
Trang 2CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe 1.1 Giới thiệu về vật liệu nano
Vật liệu có kích thước cấu trúc nano được hiểu theo nghĩa chung là kích thước các hạt vật liệu nằm trong vùng một vài nano mét đến nhỏ hơn 100 nm
Hình 1.1 Một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (kích thước khoảng angstron) đến lớn
như tế bào động vật (khoảng một vài chục micron) [2]
Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ nguyên tử giống
nhau [2]
Đường
kính
hạt nano
(nm)
Số nguyên
tử nguyên Tỉ số
tử trên
bề mặt (%)
Năng lượng bề mặt (erg/mol)
Tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần (%)
Chẳng hạn, với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là:
và tỉ
số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 14,3% Do vậy, các hiệu ứng hoá–lý, quang phổ liên quan tới trạng thái bề mặt cần được đặc biệt lưu ý khi nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano
Trang 3Hình 1.2 Mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với số lớp
nguyên tử khác nhau trong một cấu trúc nano.[2]
Hình 1.3 Sự thay đổi hình thái từ tinh thể dạng khối tới chấm lượng tử dẫn tới cấu
trúc vùng năng lượng và hàm mật độ trạng thái của chất bán dẫn cũng thay đổi theo
1.2 Tính chất chung của CdTe
1.2.1 Tính chất cấu trúc
Bảng 1.2 Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm A 2 B 6 [4]
Hợp
chất
Loại cấu
trúc tinh
thể
Nhóm đối xứng không gian
Hằng số mạng
a=b
o
Lục giác
5.4000
Lục giác
P63mc(C ) 6v2
4.2700
Lục giác
P63mc(C ) 6v2
5.8350
CdTe Lập phương
Lục giác
P63mc(C ) 6v2
6.4780
ZnSe Lập phương
Lục giác
P63mc(C ) 6v2
5.6670
Trang 4Bảng 1.3 Các thông số vùng năng lượng của CdTe
Thông số Giá Trị Tài liệu tham
khảo
a(Å) at 298 K
Energy gap at 0 K,
Eg (eV)
P L
ER
Electron effective mass,
Heavy hole effective mass,
Light hole effective mass,
Spin-orbit
Hình 1.4 Cấu trúc mạng
tinh thể giả kẽm liên kết tứ
diện và đối xứng lập
phương (a) và cấu trúc vùng
Brillouin(b)
Hình 1.5 Cấu trúc
vùng năng lượng của
CdTe
Trang 51.2.2 Tính chất quang
Hình 1.6 Phổ hấp thụ (trái) và phổ phát xạ (phải) của chấm lượng tử CdTe bọc TGA
xanh ứng với sự giảm dần kích thước trung bình của chấm lượng tử [28-29]
Hình 1.7 Phổ huỳnh quang của chấm lượng
tử keo CdTe các kích cỡ khác nhau, tăng
khoảng 2-20 nm [15]
Hình 1.8 Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang
của QDs trong quá tình tổng hợp
Trang 61.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên tính chất của CdTe
1.2.3.1 Ảnh hưởng của công suất chiếu xạ lên tính chất quang của QDs CdTe
Hình 1.9 Phổ hấp thụ (a) và vị trí đỉnh phổ (b) của mầm và chấm lượng tử CdTe sau
khi xử lí nhiệt độ ở các công suất khác nhau của lò vi sóng [6]
Hình 1.10 Phổ huỳnh quang (a) và độ bán rộng đỉnh huỳnh quang (b)của mầm và
chấm lượng tử CdTe sau khi xử lý nhiệt ở các công suất khác nhau của lò vi sóng.[6]
1.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ chiếu xạ lên tính chất quang của QDs CdTe
Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các mẫu có thời gian chiếu xạ khác nhau với
cùng một công suất 300W được trình bày trên Hình 1.11 và 1.12
Hình 1.11 Phổ hấp thụ (a) và vị trí các đỉnh phổ (b) của chấm lượng tử CdTe khảo sát theo
thời gian xử lý nhiệt trong lò vi sóng [6]
Trang 7Hình 1.12 Phổ huỳnh quang (a) và độ bán rộng đỉnh phổ (b) của chấm lượng tử Cdte
khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt trong lò vi sóng [6]
Bảng 1.4 Ước tính sản lượng các loại vật liệu và thiết bị nano khác nhau của thế giới trên cơ
sở các tổng quan và Tạp chí Hóa học Quốc tế ( 2003 - 2004 ) và nghiên cứu thị trường (BCC
2001) [7]
Sản lượng ước tính ( tấn/năm )
1.3 Ứng dụng nano tinh thể CdTe
Trang 8Hình 1.14 MW CdTe PV Array, Waldpolenz, Đức
Bảng 1.5 Sản lượng điện do pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới [7]
CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Có hai phương thức để tổng hợp vật liệu nano: phương thức ―xuất phát từ bé‖ (bottom–up) và phương thức ―xuất phát từ to‖ (top–down) Phương thức ―xuất phát từ to‖ thường là các phương pháp vật lý được thực hiện bằng cách nghiền tinh thể khối thành các tinh thể có cấu trúc nano, người ta chia nhỏ, ―đẽo gọt‖ một vật thể lớn để tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano có tính chất mong muốn Phương pháp ―xuất phát từ bé‖ thường là các phương pháp hóa học, người ta lắp ghép những hạt có kích thước cỡ nguyên tử, phân tử hoặc cỡ nano mét để tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano và tính chất mong muốn
2.2 Chế tạo mẫu
Các mẫu CdTe sử dụng nghiên cứu trong luận văn này được tổng hợp bằng phương pháp bottom up chế tạo tại viện Khoa học Vật liệu viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Trang 9Hình 2.1 Phổ nhiễu xạ tia x của mẫu CdTe QDs tổng hợp ở 120 o sau 5 phút Trên góc
là ảnh TEM phân giải cao [5]
2.3 Xử lý mẫu
Các mẫu sau khi tổng hợp đƣợc mang đi chiếu xạ bởi các nguồn chiếu xạ khác nhau Chúng tôi sử dụng các nguồn chiếu xạ để xử lý mẫu đó là: phát nơtron, tia-X, bức xạ photon
hãm và tia-Gama Các mẫu này đƣợc xử lý tại Viện Vật lý và tại trung tâm gia tố
Hình 2.2 Các mẫu CdTe được chiếu xạ với các điều kiện khác nhau: Chiếu xạ photon
hãm, chiếu xạ nơtron, không chiếu xạ, chiếu xạ tia gama, chiếu xạ tia X (từ trái qua phải) với cùng tỉ lệ nồng độ 100µl:1600µl
2.4 Kỹ thuật đo phổ hấp thụ
Hình 2.3 Hệ đo phổ hấp thụ Cary 5000 (Viện Khoa học Vật liệu)
Trang 10Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ quang học UV-VIS-NIR
2.5 Kỹ thuật đo phổ huỳnh quang
Phổ huỳnh quang đƣợc ghi nhận bởi hệ đo phổ huỳnh quang Cary Eclipse phân giải
cao ở Viện Vật Lý (hình 2.5) Nguyên tắc hoạt động của phổ kế Cary Eclipse đƣợc cho trên hình 2.5
Hình 2.5 Hệ đo phổ huỳnh quang Cary Eclipse
2.6 Kỹ thuật đo thời gian sống huỳnh quang
Hình 2.7 Nguyên lý phép đo TCSPC
Trang 11Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ đo TCSPC
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phổ hấp thụ của CdTe chịu ảnh hưởng của các điều kiện chiếu xạ khác nhau
Bảng 3.1 Số liệu đo phổ hấp thụ tại thời điểm sau chiếu 1 tuần và thời điểm sau chiếu 8 tuần
ST
T
Kí hiệu mẫu
Tên mẫu
Cường độ tương đối đỉnh hấp thụ (a.u)
Bước sóng đỉnh hấp thụ (nm) Ngay
sau khi chiếu
Sau chiếu
2 tháng
Ngay sau khi chiếu
Sau chiếu 2 tháng
org 100:1
600
Mẫu CdTe chưa xử
lý
100:1
600
Mẫu CdTe chiếu tia
Nơtron
100:1
600
Mẫu CdTe chiếu tia
Gama
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Buoc song(nm)
CdTe - 0 CdTe - N CdTe - G CdTe - P
460 480 500 520 540 560 580 600 620 640
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
0.10
~537
~522
Hình 3.1 Phổ hấp thụ của
CdTe với các điều kiện chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 1 tuần)
Trang 12600 chiếu tia
X
100:1
600
Mẫu CdTe chiếu bức xạ photon
hãm
3.2 Phổ huỳnh quang của CdTe chịu ảnh hưởng của các điều kiện chiếu xạ khác nhau
450 500 550 600 650 700 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Buoc song (nm)
CdTe -0 CdTe - G CdTe - N CdTe - P
~563.5 ~589
Hình 3.2 Phổ huỳnh quang của CdTe với các điều kiện chiếu xạ khác nhau ở bước sóng kích
450 500 550 600 650 700 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Buoc song (nm)
CdTe -0 CdTe - G CdTe - X CdTe - P
~581
~563
Hình 3.3 Phổ huỳnh quang của CdTe với
các điều kiện chiếu xạ khác nhau sau 2 tháng (8 tuần)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
CdTe -0 CdTe - P (ngay sau chieu) CdTe - P (sau 2 thang)
~563~581 ~589
Trang 133.2.2 Phổ huỳnh quang của CdTe chiếu xạ tia Gama theo thời gian
480 500 520 540 560 580 600 620 640 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Buoc song (nm)
CdTe-Org-1 CdTe-G2-16h1608-2 CdTe-G2-sau4h-3 CdTe-G2-sau1ngay-4 1-561.04
2-564.02 3,4,5-562.98
-trong 2 tuần
450 500 550 600 650 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Buoc song (nm)
CdTe-Org CdTe-G2-sau 1 tuan CdTe-G2-sau 4 tuan
Hình 3.6 Phổ huỳnh quang của mẫu CdTe trước khi chiếu xạ và sau khi chiếu xạ tia Gama
(CdTe-G2) 1 tuần, 2 tuần và 4 tuần
480 500 520 540 560 580 600 620 640 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Buoc song (nm)
CdTe-Org(1) CdTe-G1(2) CdTe-G1-sau1ngay(3) CdTe-G1-sau2ngay(4) (1)-561.04
(2)-562.98 (3),(4)-561.94
-trong 1 tuần
Tóm lại, so sánh các phổ huỳnh quang các mẫu CdTe QDs trước và sau khi chiếu xạ chúng
tôi thấy rằng mẫu sau khi chiếu xạ không bị thay đổi về cấu trúc phổ và độ rộng phổ tuy nhiên đỉnh phổ bị dịch về phía bước sóng dài Theo thời gian đỉnh phổ lại hồi phục về vị trí trước khi chiếu xạ Điều này có thể giải thích bởi sự lệch mạng tinh thể do chiếu xạ và theo thời gian mạng tinh thể của CdTe hồi phục về trạng thái cân bằng như trước khi chiếu xạ
Trang 143.3 Thời gian sống của CdTe chịu ảnh hưởng của các điều kiện chiếu xạ khác nhau 3.3.1 Thời gian sống của CdTe chịu ảnh hưởng của các điều kiện chiếu xạ khác nhau
0 50 100 150 200 250 0.01
0.1 1
Thoi gian (ns)
M1_Org.
M1_Gray M1_Nray M1_Xray M1_Photon
Hình 3.8 Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal QDs khi
chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 1 tuần)
Trên đây là hình ảnh đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal QDs khi chiếu xạ khác nhau Thời gian sống huỳnh quang của các mẫu chiếu xạ bằng các bức
xạ khác nhau không có sự thay đổi nhiều (từ 21 đến 22ns) ngoại trừ mẫu chiếu xạ photon hãm
có sự thay đổi đáng kể 27ns, kết quả này phù hợp với kết quả đo huỳnh quang có thể giải thích bởi sự thay đổi tinh thể dưới điều kiện chiếu xạ
0 50 100 150 200 250
0.01
0.1
1
Thoi gian (ns)
Photon X_ray Gamma
0 50 100 150 200 250 0.01
0.1 1
Thoi gian (ns)
M1_Photon1
Thời gian sống huỳnh quang của các mẫu chiếu xạ bằng các bức xạ photon hãm CdTe – P tại hai thời điểm khác nhau không có sự thay đổi nhiều: 27.04ns (sau chiếu 1 tuần) và 26.21ns (sau chiếu 8 tuần)
3.3.2 Thời gian sống của CdTe chịu ảnh hưởng của chiếu xạ Gama theo thời gian
Hình 3.9 Đường cong suy giảm
huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS
colloidal QDs khi chiếu xạ khác
nhau (sau chiếu 8 tuần)
Hình 3.10 Đường cong suy giảm
huỳnh quang của mẫu CdTe - P sau chiếu 1 tuần và sau chiếu 8 tuần
Trang 15Hình 3.11 (a)Đường cong suy giảm phát quang của phát xạ exciton từ chấm lượng tử CdSe
tại 620 nm ± 5 nm, (b) tốc độ phát xạ của exciton phụ thuộc vào tần số phát quang trong chấm lượng tử CdTe[12]
Bảng 3.2: Các giá trị
khớp theo hàm stretched-exponential đường cong suy giảm phát quang của chấm lượng tử CdTe theo bước sóng, mẫu không xử lý và mẫu CdTe chiếu xạ tia Gama
460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 20
22 24 26 28 30 32 34 36
Buocsong nm
CdTe-Org CdTe-gama(0h) CdTe-gama(1ngay)
460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 20
22 24 26 28 30 32 34 36
Buocsong nm
CdTe-gama(7ngay) CdTe-gama(14ngay)
Hình 3.12 Đồ thị sự
phụ thuộc theo bước sóng của thời gian sống chấm lượng tử CdTe không xử lý và CdTe chiếu xạ tia Gama
CdTe-org
CdTe- Gama-16h16
0811-480
CdTe- Gama-16h17
0811-480
CdTe- Gama-16h18
0811-480
CdTe- Gama-16h19
0811-480
CdTe- Gama-16h24
0811-480
CdTe-org
(1ngay )
y
30 ngay
908
23.216
89
22.653
64
21.445
24
21.404
37
64
26.90
76
26.294
04
26.010
77
25.596
5
24.538
48
78
30.10
217
29.639
81
29.466
5
29.214
92
28.672
4
18
30.60
035
30.392
15
30.343
16
30.255
25
68
30.89
42
30.920
15
30.942
6
30.704
75
29.923
77
89
31.44
081
31.393
84
30.903
16
30.767
71
30.823
68
42
31.99
557
31.369
55
31.121
42
31.127
08
31.180
3
14
31.92
931
31.203
04
31.107
15
31.311
41
31.334
84
48
31.91
584
31.765
61
31.419
27
31.667
71
31.580
2
48
31.99
596
31.788
76
31.747
73
31.815
68
31.645
33
21
32.96
375
32.559
93
32.489
41
32.259
67
32.223
71
35
33.45
3
32.947
59
32.784
92
32.455
45
32.218
83
27
33.80
997
33.351
47
33.305
38
32.968
58
33.088
69
3
34.32
601
34.205
67
34.121
29
34.023
05
33.732
6
89
35.25
302
34.933
07
34.530
16
34.540
81
34.798
58
Trang 16KẾT LUẬN Sau khi tiến hành thí nghiệm kết quả như sau:
- Thực hiện chiếu xạ tại các mẫu CdTe QDs dưới các điều kiện chiếu xạ khác nhau:
Bức xạ nơtron nhiệt
Bức xạ tia X
Bức xạ gamma
Bức xạ photon hãm
- Các mẫu sau khi chiếu xạ được nghiên cứu bằng phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang
Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng:
Sau khi chiếu xạ phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang của mẫu CdTe QDs đều không
bị thay đổi dạng tuy nhiên đỉnh phổ bị dịch về phía bước sóng dài Các mẫu chiếu xạ photon hãm có độ dịch đỉnh lớn nhất (25nm sau khi chiếu) Điều này
có thể giải thích rằng mẫu khi chiếu xạ mạng tinh thể của nó bị căng (strain) Các kết quả đo thời gian sống huỳnh quang cũng cho thấy mẫu sau khi chiếu
xạ thời gian sống huỳnh quang cũng bị thay đổi tuy nhiên sự thay đổi này không nhiều ngoại trừ mẫu chiếu xạ bằng photon hãm vì trong phép đo này thời gian sống xác định được là của tập hợp các CdTe QDs có kích thước khác nhau
Sau khi chiếu xạ, theo thời gian đỉnh phổ huỳnh quang của CdTe QDs có xu hướng dịch về vị trí cũ như trước khi chiều xạ Điều này nói nên sự hồi phục mạng tinh thể CdTe QDs theo thời gian
References
Tiếng Việt:
[1] PGS.TS Phạm Văn Bền, 2002, Bài giảng huỳnh quang, Trường đại học khoa học tự
nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội
[2] Trịnh Thị Kim Chi, 2010, “Hiệu ứng kích thước ảnh hưởng lên tính chất quang của CdS,
Hà Nội
[3] Trịnh Đình Huy, “Nghiên cứu ứng dụng và điều khiển thành công hệ máy phổ kế huỳnh quang Cary Eclipse”,luận văn thạc sỹ vật lý, quang học K15, Viện Vật lý
[4] Vũ Thị Thắm, ―Chế tạo, nghiên cứu và khảo sát một số tính chất quang của vật liệu nano ZnS:Mn‖, luận văn thạc sĩ khoa học vật lý, ĐHKHTN – ĐHQGHN, Hà Nội
[5] Ứng Thị Diệu Thúy, Phạm Song Toàn, Nguyễn Quang Liêm, Trần Thị Kim Chi, Đinh Duy
Khang, và Nguyễn Quang Liêm; 2010; ―CdTe quantum dots for an application in the life sciences‖, Nanosci Nanotechnol 1 (2010) 045009 (5pp)
[6] Dương Anh Tuấn, Trịnh Đức Thiện, Nguyễn Văn Hùng và Phạm Văn Vĩnh, 2009, “Ảnh hưởng của việc chiếu xạ sóng Viba trong lò vi sóng lên tính chất quang của chấm lượng tử CdTe trong nước”, Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6, khoa
Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội