Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn (q led)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮTAlq3 Tris8-hydroxyquinolinatoaluminium EL Emission Layer Lớp phát quang ETL Electron Transport Layer Lớp truyền điện tử HOMO Highest Occupied Mole

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới

TS Trần Thị Kim Chi và TS Nguyễn Xuân Ca là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.

Xin được cảm ơn sự tạo điều kiện về thiết bị, phòng thí nghiệm của Phòng

Hiển vi điện tử, Phòng Thí nghiệm Trọng điểm - Viện Khoa học vật liệu.

Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật lí Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã dạy dỗ và trang bị cho e những tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua.

-Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình và bạn bè - nguồn động viên quan trọng nhất về mặt tinh thần cũng như vật chất giúp tôi có điều kiện học và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay.

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 11 năm 2020

Học viên

Đinh Quang Chính

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED

4 1.1 Sự phát triển của chiếu sáng 4

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED 6

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED 8

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Q-LED 12

1.5 Tình hình nghiên cứu Q-LED 14

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 14

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 18

2.1 Phương pháp chế tạo 18

2.1.1 Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin Coating) 18

2.1.2 Phương pháp bốc bay nhiệt 19

2.1.3 Phương pháp hóa học chế tạo chấm lượng tử

21 2.1.4 Phương pháp phún xạ 22

2.2 Phương pháp phân tích 23

2.2.1 Ảnh vi hình thái AFM 23

2.2.2 Phép đo tính chất điện 24

2.2.3 Phép đo tính chất quang 26

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Điện cực 30

3.1.1 Điện cực dương (Anốt): 31

3.1.2 Điện cực âm (Catốt) 32

3.2 Các lớp trong Q-LED 33

3.2.1 Lớp tiêm lỗ trống 33

3.2.2 Lớp truyền lỗ trống 37

3.2.3 Lớp phát quang 39

3.2.4 Lớp truyền điện tử 45

3.3 Hoàn thiện qui trình nghiên cứu chế tạo Q-LED qui mô phòng thí nghiệm 46

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Alq3 Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium

EL Emission Layer (Lớp phát quang)

ETL Electron Transport Layer (Lớp truyền điện tử)

HOMO Highest Occupied Molecular Orbital (Qũy đạo phân tử điền

đầy cao nhất)HTL Hole Transport Layer (Lớp truyền lỗ trống)

LED Light Emitting Diode (Diode phát quang)

LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (Quỹ đạo phân tử

chưa điền đầy thấp nhất)OLED Organic Light Emitting Diode (Diode phát quang hữu cơ)PEDOT Polyethylenedioxythiophene

PEDOT:PSS Poly(3,4- ethylenedioxythiophene):(poly(styrenesulfonate)PLED Polymer Light Emitting Diode (Diode phát quang polymer)

QLED Quantum dots Light Emitting Diode (Diode phát quang

chấm lượng tử)SSL Solid State Lighting

TPD N, N’-diphenyl-N, N’-bis(3-methyl

phenyl)-1,1’biphenyl-4,4’-diamine

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Cấu trúc dự kiến của Q-LED 30

Bảng 3.2: Kết quả đo độ dày của các mẫu với tốc độ quay 5000 rms 35

Bảng 3.3: Kết quả độ dày của các mẫu với tốc độ 2000 rms 37

Bảng 3.4: Điện trở mặt sau khi phủ poly TPD 39

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Lịch sử đèn chiếu sáng 5

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của LED 8

Hình 1.3 Cấu tạo của OLED 10

Hình 1.4 Cấu tạo và mức năng lượng của các lớp trong Q-LED 13

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của Q-LED 13

Hình 2.1 Cấu tạo của máy Spin coating 18

Hình 2.2 Các giai đoạn của phương pháp quay phủ 19

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt 20

Hình 2.4 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe 21

Hình 2.5 Nguyên lý của quá trình phún xạ 22

Hình 2.6 Mô phỏng kính hiển vi lực nguyên tử 24

Hình 2.7 Sơ đồ đo bốn mũi dò 25

Hình 2.8 Sơ đồ khối của hệ đo huỳnh quang 26

Hình 2.9 Hệ đo phổ huỳnh quang phân giải cao 28

Hình 2.10 Máy quang phổ hấp thụ một chùm tia 28

Hình 2.11 Máy quang phổ hấp thụ hai chùm tia 29

Hình 3.1 Tiếp giáp giữa lớp anốt và lớp phun lỗ trống 31

Hình 3.2 Ảnh AFM của đế ITO 32

Hình 3.3 Ảnh AFM của các nồng độ ở 5000 rms 33

Hình 3.4 Độ dày màng của mẫu 2mg/ml 34

Hình 3.5 Độ dày màng của mẫu 2,5 mg/ml 34

Hình 3.6 Độ dày màng của mẫu 4 mg/ml 34

Hình 3.7 Độ dày màng của mẫu 5mg/ml 35

Hình 3.8 Ảnh AFM với các nồng độ khác nhau ở 2000 rms 36

Hình 3.9 Độ dày màng của mẫu 2mg/ml 36

Hình 3.10 Độ dày màng của mẫu 2,5 mg/ml 36

Hình 3.11 Độ dày màng của mẫu 4 mg/ml 37

Hình 3.12 Độ dày màng của mẫu 5 mg/ml 37

Hình 3.13 Giản đồ năng lượng anode - HIL - HTL 38

Hình 3.14 Độ dày của màng poly TPD 39

Hình 3.15 Chế tạo TeO2 (khí màu nâu bốc lên 40

Hình 3.16 Giản đồ nhiễu xạ tia X của TeO2 sau khi chế tạo 40

Hình 3.17 Tạo phức Cd2+/MSA 41

Hình 3.18 Tạo mầm vi tinh thể CdTe 41

Hình 3.19 Dung dịch CdTe ở các điều kiện khác nhau 42

Hình 3.20 Phổ hấp thụ và huỳnh quang của CdTe QDs 43

Hình 3.21: Ảnh huỳnh quang trước khi phủ CdTe 43

Hình 3.22: Ảnh huỳnh quang sau khi phủ CdTe 43

Hình 3.23 Phổ huỳnh quang của chấm lượng tử CdTe theo các lớp 44

Hình 3.24 Giản đồ năng lượng ETL - cathode 45

Hình 3.25 Kết quả đo độ dày màng Alq3 46

Hình 3.26 Ảnh QLED trong phòng thí nghiệm 46

Hình 3.27 Phổ phát xạ điện tử của mẫu Diode phát quang CdTe 47

Hình 3.28 Đường đặc trưng V-A của Diode phát quang sử dụng chấm lượng tử CdTe 47

Năng lượng được xem là vấn đề cốt yếu trong tiến trình phát triển xãhội mà nhân loại phải đối mặt trong thế kỷ XXI này Những năm gần đây, donhu cầu năng lượng lớn cho phát triển kinh tế - xã hội của tất cả các quốc gia,khủng hoảng năng lượng toàn cầu ngày càng trở nên trầm trọng Hiện nay,nhu cầu năng lượng của nước ta là rất lớn, trong đó chiếu sáng chiếm tới 30%tổng điện năng Tuy nhiên, sản lượng điện của các nhà máy không đáp ứngkịp so với nhu cầu sử dụng Một trong những vấn đề lớn đặt ra cho khoa học

kỹ thuật là các dụng cụ thiết bị điện tử phải tốn ít năng lượng “đầu vào”nhưng phải có hiệu quả “đầu ra” ngày càng cao (hiệu suất tăng, kích thướcnhỏ…) để phục vụ hiệu quả cho nhu cầu ngày càng tăng mà vẫn đảm bảo antoàn năng lượng toàn cầu Trong bối cảnh đó, dụng cụ thiết bị phát sáng, hiểnthị không là một ngoại lệ

Có thể nói lịch sử phát triển của ánh sáng là quá trình loài người tìmtòi, phát triển những nguồn sáng mới hiệu quả hơn, phù hợp với con ngườihơn Trước thế kỷ XIX, ba công nghệ chiếu sáng truyền thống của con ngườilà: cháy sáng, chiếu sáng bằng bóng đèn dây tóc và đèn phóng điện huỳnhquang Ba công nghệ truyền thống đã đạt được những tiến bộ đáng kể tronghơn 200 năm qua nhưng hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong chiếu sáng chỉđạt từ 1% đến tối đa 25% Sang cuối thế kỷ XX, công nghệ chiếu sáng thứ tư

ra đời đó là chiếu sáng trạng thái rắn (Solid State Lighting - SSL) SSL là thểloại ánh sáng nhân tạo phát ra từ các linh kiện phát quang làm từ diode phát

quang bán dẫn vô cơ (LED), hữu cơ (OLED), polymer (PLED) hay chấmlượng tử (Q-LED).

Chiếu sáng thể rắn hiện đang là hướng quan tâm nghiên cứu của thếgiới Việc phát triển các nguồn sáng thể rắn tại Việt Nam là rất cần thiết, gópphần giảm thiểu điện năng tiêu thụ và nhiên liệu hóa thạch Việc nghiên cứu

đề tài sẽ góp phần phát triển công nghệ chiếu sáng tại Việt Nam Các chấmlượng tử (QD) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưu điểm của chúng màbán dẫn khối không có được Chấm lượng tử có ưu điểm là có thể thay đổimàu sắc đơn giản bằng cách thay đổi kích thước Chính vì vậy, đề tài nghiêncứu “Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn(Q-LED)” được lựa chọn với mục tiêu nghiên cứu đặc điểm, tính chất của cáclớp cấu tạo nên Q-LED

+ Tạo màng phát quang, lớp truyền dẫn điện tử/lỗ trống bằng phương

pháp quay phủ ly tâm (spin coating).

+ Tạo điện cực bằng phương pháp bốc bay nhiệt (Thermal evaporation).

+ Tạo điện cực bằng phương pháp phún xạ.

+ Chế tạo chấm lượng tử bằng phương pháp hóa học.

 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm 52 trang (bao gồm phần tài liệu tham khảo) Ngoài phần

mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1 Trình bày một cách tổng quan về cấu trúc và nguyên lí hoạtđộng của LED, OLED và Q-LED

Chương 2 Giới thiệu các phương pháp dùng để nghiên cứu kích thước,hình dạng, phân tích cấu trúc cũng như tính chất quang của các Q-LED chếtạo

Chương 3 Trình bày thực nghiệm chế tạo nghiên cứu Q-LED Kết quả

và thảo luận

Trình bày các quy trình, kết quả thực nghiệm về chế tạo Q-LED Cácthông số đặc trưng về cấu trúc các lớp chế tạo như: hình dạng và kích thướcđược nghiên cứu thông qua ảnh AFM Các tính chất quang thông qua phổhấp thụ và phổ huỳnh quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED

1.1 Sự phát triển của chiếu sáng

Ánh sáng là một phần không thể tách rời cuộc sống hàng ngày của loàingười Thời sơ khai khi loài người biết sử dụng được ánh sáng nhờ lửa quacủi khô, sau đó họ làm ra nến, đến khi họ biết sử dụng dầu và lửa để chiếusáng thì đây là đèn chiếu sáng sử dụng chính Sau khi đốt đèn dầu một thờigian thì các nhà nghiên cứu cũng chế tạo ra loại đèn khí Những chiếc đènđiện đầu tiên của loài người xuất hiện từ đầu những năm 40 của thế kỷ 19 Ýtưởng chiếu sáng bằng điện ra đời trên cơ sở phát hiện ra hồ quang điện của

Pê trốp (người Nga), và hiện tượng nung đỏ dây dẫn bằng dòng điện củaDavy (người Anh), đều vào năm 1802 Những chiếc đèn điện đầu tiên đượccon người sử dụng trong thực tế là đèn hồ quang, ra đời vào 1844 và do DzanBernar Fucô (người Pháp) sáng chế Trong đó ông đã dùng điện cực thanquay thay cho điện cực than tĩnh, và nhờ đó kéo dài được thời gian duy trì của

hồ quang đến mức có ý nghĩa thực tế Tuy nhiên đèn hồ quang lại có quangthông lớn, thời gian duy trì ánh sáng ngắn và dễ gây hỏa hoạn vì không gian

hở Sau này sự phát minh ra đèn sợi đốt của Edison đã mở ra trang sử mới của nhân loại Kể từ đó, con người đã phát minh ra đèn huỳnh quang,

đèn huỳnh quang compact, là những sản phẩm tuyệt vời trong lĩnh vực chiếusáng, không chỉ có chất lượng tốt hơn mà còn tiết kiệm rất nhiều chi phí trongsản xuất Nhưng không dừng lại ở đó, tiến theo cuộc cách mạng khoa học loàingười, chúng ta lại đang chuyển mình trong cuộc cách mạng, chuyển hoàntoàn từ chiếu sáng phóng khí sang chiếu sáng rắn, gọi tắt là cuộc cách mạngchiếu sáng LED Hình 1 là hình ảnh mô tả lịch sử chiếu sáng

LED được coi là bước nhảy vọt lớn trong công nghệ, từ analog sang kỹthuật số LED là ánh sáng kỹ thuật số, và những ưu điểm so với ánh sáng

'analog' thông thường rất lớn và mang lại lợi ích lớn cho cả người sử dụng

"công nghệ ánh sáng số" này cũng như cho hành tinh

Thời gian sử dụng lâu dài là lợi ích nổi bật của đèn LED Bóng đènLED có tuổi thọ hoạt động xuất sắc đôi khi lên tới 100.000 giờ

Hình 1.1 Lịch sử đèn chiếu sáng [11]

LED là cách chiếu sáng hiệu quả nhất ngày nay, với hiệu suất nănglượng ước tính khoảng 80% -90% so với ánh sáng truyền thống và bóng đènthông thường Điều này có nghĩa là khoảng 80% năng lượng điện đượcchuyển đổi thành ánh sáng, trong khi đó chỉ 20% bị mất và biến thành cácdạng năng lượng khác như nhiệt Với bóng đèn sợi đốt truyền thống thì ngượclại, chỉ 20% năng lượng chuyển đổi thành ánh sang còn 80% điện bị mất đidưới dạng nhiệt Đèn LED không có hóa chất độc hại trong khi hầu hết cácbóng đèn huỳnh quang thông thường đều có chứa vô số các vật liệu như thủyngân nguy hiểm cho môi trường Các tính năng chiếu sáng bằng đèn LEDkhông có phát xạ tia cực tím Đèn LED chiếu sáng tạo ra ít ánh sáng hồngngoại và không có tia UV Do đó, ánh sáng LED cường độ cao phù hợpkhông chỉ cho hàng hoá và vật liệu nhạy cảm với nhiệt (do LED phát ra nhiệt

ít bức xạ), mà còn để chiếu sáng trong môi trường có các vật hoặc vật liệunhạy cảm UV như trong viện bảo tàng, phòng trưng bày nghệ thuật, các khu

khảo cổ…LED có thể hoạt động tốt trong môi trường ngoài trời, cực lạnhhoặc cực nóng Đối với đèn huỳnh quang, nhiệt độ thấp có thể ảnh hưởng đếnhoạt động và gây ra hỏng hóc nhưng đèn LED thì ngược lại LED được thiết

kế để tập trung ánh sáng của nó và có thể được hướng đến một vị trí cụ thể màkhông cần sử dụng một gương phản chiếu bên ngoài, đạt được hiệu quả ứngdụng cao hơn so với ánh sáng thông thường Các hệ thống chiếu sáng LEDđược thiết kế tốt có thể mang lại hiệu quả hơn vào đúng vị trí mong muốn.Đèn LED tạo ra ánh sáng theo một cách riêng biệt so với các loại đèn khác,hiệu quả chiếu sáng lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang compact và đènsợi đốt Tuy vậy, đèn LED chiếu sáng lại tốn ít năng lượng hơn, không chứacác chất độc hại như chì, thủy ngân Ngoài ra, LED còn dễ dàng tích hợpđược công nghệ điện tử điều khiển có thể thỏa mãn mọi yêu cầu trong quản lývận hành hệ thống chiếu sáng

Với những ưu điểm vượt trội như vậy LED đã được tạo ra và đi vàocuộc sống Từ việc chiếu sáng trong gia đình đến những công ty, nhà máy,chiếu sáng đường đi lại, đèn giao thông rồi đến những thiết bị hiện đại nhưđiện thoại, TV công nghệ mới, có thể nói LED đang góp phần thay đổi thếgiới và đó sẽ là nguồn ánh sáng chính của tương lai

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) làcác diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũnggiống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với mộtkhối bán dẫn loại n Diode là loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điệnchạy qua nó mà không theo chiều ngược lại Cách tạo ra ánh sáng của LED là

sự gặp nhau của các electron trong môi trường chất bán dẫn dựa trên nguyên

lý điện phát quang

Được biết tới những năm đầu của thế kỷ XX, công nghệ LED ngàycàng phát triển, từ những điốt phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắcđến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn, cho hiệu quả chiếu sáng

cao LED là một lớp chuyển tiếp p - n được chế tạo trên bán dẫn có vùng cấmthẳng với cấu trúc p - n tiếp giáp đơn hay dị thể Khi phân cực thuận LEDphát ra ánh sáng Cấu trúc thực của LED được làm từ vật liệu bán dẫn loại nthường là GaAs hoặc GaAs1-xPx, sau đó pha tạp chất tạo một lớp p trên bándẫn loại n này sẽ thu được một lớp chuyển tiếp dị chất LED hoạt động từvùng tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần Trong vùng hồng ngoại gần,nhiều chất bán dẫn 2 thành phần được sử dụng để làm LED vì có hiệu suấtcao do vùng cấm thẳng, ví dụ như GaAs (αgg=0,87 μm), GaSb (1,7 μm), InP(0,92 μm), InAs (3,5 μm), InSb (7,3 μm) Các hợp chất 3 hay bốn thành phần

có vùng cấm thẳng cũng được sử dụng rộng rãi Mặc dù hiệu suất lượng tửcủa nó còn thấp, nhưng các vật liệu này có ưu điểm là có thể điều chỉnh đượcbước sóng bức xạ của chúng bằng cách thay đổi thành phần, ví dụ như

AlxGa1-xAs phát quang trong dải sóng từ 0,75 đến 0,87μm và In1-xGaxAs1-yPy

phát từ 1,1 đến 1,6 μm Để hoạt động trong vùng tử ngoại và khả kiến, một sốvật liệu có vùng cấm nghiêng cũng được dùng như GaN, GaP, GaAs1-x.Những vật liệu này thường được pha tạp với một số nguyên tử tạp chất thíchhợp, chúng đóng vai trò là những tâm tái hợp để làm tăng tái hợp bức xạ

Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn Trong khối điốt bándẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái cómức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạthành những dạng ánh sáng khác nhau Màu sắc của đèn LED phát ra phụthuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bước sóng của ánh sáng được phát

ra Nguyên lý hoạt động của LED được mô tả trên hình 2 Giống như nhữngđiốt thông thường, đèn LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại p và loại n ghépvới nhau Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do, mang điện tíchdương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do thì các lỗtrống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối plại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là

khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối ntích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bênmặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gầnnhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa.Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức

xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của LED [9].

Ưu điểm của LED là kết cấu gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng, linhhoạt, tính thẩm mỹ cao, sản phẩm đa dạng, phong phú và có thể ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực khác nhau: quảng cáo, trang trí, chiếu sáng nội thất,chiếu sáng nền thiết bị hiển thị Tuy nhiên, vật liệu làm LED thường có chiếtsuất cao và LED thường không bền với thế phân cực ngược và nhiệt độ cao

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED.

Oled là viết tắt của “Organic Light-Emitting Diode” tức là “Diode phátquang hữu cơ” Công nghệ Oled sử dụng các tấm vật liệu làm từ hợp chất hữu

cơ, và các điểm trên tấm nền này sẽ tự động phát sáng khi có dòng điện chạyqua, mang lại khả năng tái tạo hình ảnh rõ nét với độ sáng cao Tuy nhiên,những điểm này sẽ tự động tắt khi không cần sử dụng nên công nghệ này giúptiết kiệm điện năng rất đáng kể

Vật liệu phát quang hữu cơ được bắt đầu nghiên cứu vào thập kỷ 70 khicác nhà nghiên cứu tìm ra độ dẫn của các hệ vật liệu polymer có thể thay đổi

từ chất điện môi thành “kim loại” bằng cách pha tạp hoá học Polymer dẫnđiện đầu tiên - polyacetylen - được chế tạo bởi Shirakawa Bước đột phá trongnghiên cứu về polymer, khi các khám phá tiếp theo do Heeger vàMacDiarmid chỉ ra rằng polymer tăng độ dẫn lên gấp 12 lần bằng cách phatạp oxy hóa Kết quả này đã khiến các nhà khoa học trên cả thế giới quan tâmđến các vật liệu này Việc phát triển các màng mỏng có khả năng phát quangkhi được đặt vào nó một điện áp thuận (hiện tượng điện phát quang hữu cơ)được bắt đầu vào những năm 1980 thông qua các công trình của Tang và VanSlike, họ đã chứng minh được quá trình điện phát quang của các polymer bándẫn bằng cách chế tạo linh kiện diode phát quang hữu cơ hai lớp thông quaphương pháp bốc bay các vật liệu “phân tử” ở nhiệt độ thấp trong chân không.Các linh kiện này bao gồm một lớp truyền lỗ trống diamine nhân thơm và lớpphát quang Alq3 (8-hydroxyquinoline aluminium) Các sản phẩm thương mạiđầu tiên dựa trên các diode phát quang hữu cơ đã được thương mại hoá vàocuối thế kỷ thứ 19

Tương tự như một diode phát quang vô cơ (LED), một diode phátquang hữu cơ (OLED) là một linh kiện bán dẫn thể rắn có độ dày vài trămnanomet (bao gồm nhiều lớp màng mỏng khác nhau) OLED có thể bao gồm

3 lớp cơ bản đó là 2 lớp điện cực và 1 lớp hoạt động (lớp polymer) Để cảithiện hiệu suất của OLED, thường có thêm các lớp truyền điện tử (electrontransport layer - ETL) và truyền lỗ trống (hole transport layer - HTL) kẹp haibên lớp điện phát quang (Electroluminescence layer - EL) Chức năng củaanode là cung cấp các lỗ trống điện tích dương và vật liệu trong suốt dẫn điệnthường sử dụng làm anode là ITO Điện cực cathode cung cấp điện tử cho lớphữu cơ Các hạt tải electron và lỗ trống được phun vào lớp hữu cơ phát quangmỏng, ở trong đó chúng sẽ hình thành các exciton Quá trình phát sáng trong

OLED dựa trên cơ sở phun điện tích dương và điện tích âm từ các điện cựcvào tổ hợp các lớp hữu cơ Kết quả cuối cùng là chúng tự kết hợp để hìnhthành các exciton và có thể tái hợp phát sáng Hình 3 trình bày cấu tạo của 1OLED thông thường với các lớp chi tiết như sau:

Hình 1.3 Cấu tạo của OLED [3].

Tấm đế (substrate): là các tấm nhựa trong suốt hay thủy tinh, trên đó

người ta tạo lớp anode mỏng trong suốt Tấm nền có tác dụng đỡ cho toàn bộcác lớp của OLED

Anode (trong suốt): anode tạo ra các lỗ trống mang điện dương khi có

một dòng điện chạy qua linh kiện Màng trong suốt ITO hayZnO:Al,…thường được sử dụng làm anode

Các lớp hữu cơ: các lớp này được tạo từ các phân tử hữu cơ hay polyme.

Lớp truyền lỗ trống (HTL): lớp này được làm tử các phân tử hữu cơ có

nhiệm vụ truyền lỗ trống từ anode về lớp EL Màng truyền lỗ trống thườngđược sử dụng như: CuPc, PEDOT, PEDOT:PSS, PVK, NBP, TPD,…

Lớp truyền điện tử (ETL): lớp này thường được chế tạo từ các chất hữu

cơ phân tử thấp như Alq3, ETL có nhiệm vụ truyền điện tử từ cathode về EL

Lớp điện phát sáng (EL) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ hoặc

polymer dẫn điện Trong nhiều công trình, các tác giả phân biệt OLED chếtạo từ polymer dẫn bằng từ PLED Điện tử và lỗ trống gặp nhau ở trong lớpnày tạo thành exciton, trong thời gian rất ngắn exciton tan rã (hay cặp hạt tảitái hợp) phát ra ánh sáng Tùy thuộc vào bản chất của lớp EL, OLED có thểphát ra ánh sáng trong vùng tử ngoại hoặc khả kiến

Cathode (có thể trong suốt hoặc không tùy vào loại OLED): cathode sẽ

tạo ra các electron khi có dòng điện chạy qua linh kiện Kim loại thường dùnglàm cathode như: Al, Ag, Ag-Mg, Mg, Ca,…

OLED hoạt động dựa trên cơ sở phun điện tích dương và điện tích âm từcác điện cực vào các lớp hữu cơ, kết quả cuối cùng là chúng hình thành cácexciton và có thể tái hợp phát sáng Màu của sự phát sáng phụ thuộc vào quátrình chọn polymer hoặc các phân tử nhỏ (tạp của lớp phát sáng) thích hợp.Các electron được phun từ vật liệu công thoát thấp, trong khi các lỗ trốngđược phun từ vật liệu có công thoát cao

Công nghệ OLED mang lại hiệu quả cao, với những ưu điểm vượt trội sovới LED như tiết kiệm điện năng, hiệu quả phát sáng cao, tính tự phát, màusắc phong phú, chân thực Hiện nay, OLED cũng được ứng dụng rất nhiềutrong các màn hình hiển thị, chiếu sáng Tuy nhiên, tấm nền Oled rất dễ hỏngkhi gặp nước và chất liệu được sử dụng để sản xuất tấm vật liệu hữu cơ củaOled có tốc độ thoái hóa nhanh theo thời gian và việc thay đổi màu sắc củaOLED không dễ dàng vì mỗi vật liệu polymer dẫn của lớp phát quang sẽ chỉtạo ra một màu sắc tương ứng Để có thể thay đổi được màu sắc của OLED,cần thay đổi các vật liệu phát quang khác nhau và đồng thời phải thay đổi tất

cả cấu trúc các lớp xung quanh

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Q-LED

Các chấm lượng tử (QD) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưuđiểm của chúng mà bán dẫn khối không có được Các QD bán dẫn hai thànhphần đã được tập trung nghiên cứu và phát triển từ thế kỷ trước, chúng chocác ứng dụng rất đa dạng, ví dụ như trong linh kiện chuyển đổi năng lượngmặt trời, các linh kiện quang điện tử, trong các linh kiện phát sáng, trong cácứng dụng y-sinh như đánh dấu sinh học Trong đó, chấm lượng tử - vật liệunano hệ không chiều (0D) đang được quan tâm vì có những hiệu ứng quangthú vị Liên quan tới đặc điểm, tính chất của vật liệu bán dẫn ở vùng kíchthước nano mét, có hai thuật ngữ được sử dụng thường xuyên, mang ý nghĩakhác nhau nhưng rất dễ dùng chung là “tinh thể nanô” và “chấm lượng tử” Vìvậy, cần phân biệt và hiểu rõ ý nghĩa của hai thuật ngữ này Trước hết “tinhthể nanô” chỉ cho thấy là tinh thể có kích thước vùng nanô mét (đến dưới 100nm), chưa thể hiện bất cứ điều gì về tính chất vật lý và hóa của vật liệu Thuậtngữ “vật liệu nanô” còn được sử dụng rộng nghĩa hơn với yếu tố “tinh thể”được bỏ qua - tức là, ngay cả các tập hợp nguyên tử dạng vô định hình hoặcpolymer có kích thước vùng nanô mét cũng được kể đến Trong khi đó, thuậtngữ “chấm lượng tử” có ý nghĩa vật lý cụ thể về cấu trúc vật liệu trong đó xảy

ra hiệu ứng giam hãm lượng tử các hạt tải điện (mà không nói gì về kíchthước của nó) Trong thực tế, vì hiệu ứng giam hãm lượng tử xảy ra khi có ítnhất một chiều kích thước của vật liệu nhỏ so sánh được với bán kính Bohr,

mà bán kính Bohr của đa số vật liệu tinh thể bán dẫn nằm trong vùng nanômét nên mới có sự dùng chung hai thuật ngữ trên một cách tự nhiên Khi quantâm tới hiệu ứng giam hãm lượng tử các hạt tải điện, vật liệu được gọi làchấm lượng tử Các chấm lượng tử thường có kích thước một vài đến một vàichục nanô mét (tùy thuộc vào bản chất vật liệu) Chấm lượng tử có thể thayđổi kích thước, hình dạng, cũng như số điện tử trong đó Chúng hấp thụ ánhsáng rồi nhanh chóng phát xạ với các màu sắc khác nhau tương ứng với các

kích thước khác nhau Với đặc tính nổi bật như vậy, chấm lượng tử chính làgiải pháp thay thế cho polymer dẫn trong diode phát quang, màu sắc củadiode phát quang có thể thay đổi nhờ thay đổi kích thước của chấm lượng tử

mà không cần thay thế các lớp xung quanh

Hình 1.4 Cấu tạo và mức năng lượng của các lớp trong Q-LED [12].

Cấu tạo và hoạt động, Q-LED cũng tương tự như OLED (hình 1.4), baogồm 6 lớp: 2 cực anode và cathode, các lớp tiêm lỗ trống; truyền lỗ trống;truyền điện tử; lớp phát quang

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của Q-LED[10].

Về nguyên lý hoạt động của Q-LED được trình bày trên hình 1.5.Nguồn điện cung cấp dòng điện cho Q-LED Một dòng các electron chạy từ

cathode qua các lớp hữu cơ tới anode Cathode sẽ truyền các electron cho lớpcác phân tử hữu cơ phát quang Anode sẽ lấy các electron từ lớp phân tử hữu

cơ dẫn (điều này giống với việc truyền các lỗ trống mang điện dương cho lớpdẫn)

Tại biên giữa lớp phát quang và lớp dẫn, các electron gặp các lỗ trống.Khi một electron gặp một lỗ trống, nó sẽ tái hợp với lỗ trống và sự tái hợp này

sẽ tạo ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng, Q-LED phát ra ánhsáng Màu của ánh sáng phụ thuộc vào kiểu phân tử hữu cơ của lớp phátquang Cường độ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào dòng điện cung cấp Dòngđiện càng lớn, ánh sáng càng mạnh nhưng không vượt quá giá trị hoạt độngcủa Q-LED

1.5 Tình hình nghiên cứu Q-LED

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Kể từ khi diode phát quang sử dụng chấm lượng tử (QLED) lần đầutiên được công bố năm 1994, các nghiên cứu về QLED đã thu hút rất nhiều sựquan tâm do QLED hứa hẹn tiêu tốn ít điện năng, đa dạng trong ứng dụng:màn hình tivi, điện thoại, đồng hồ thông minh… và giá thành rẻ hơn so vớiLED đang được sử dụng Một số nhóm đã tăng khả năng hoạt động củaQLED bằng cách tăng hiệu suất lượng tử huỳnh quang lớp phát quang sửdụng chấm lượng tử cũng như là giảm khả năng tái hợp điện tử tại mặt tiếpxúc Mặc dù các chấm lượng tử phát quang tốt trong dung dịch nhưng khiđược trải thành màng có thể tạo sai hỏng, tại các vị trí sai hỏng này, các điện

tử và lỗ trống bị bắt lại làm giảm khả năng phát quang Cấu trúc lõi/vỏ hayviệc chức năng hóa bề mặt chấm lượng tử được chứng minh là một giải pháphiệu quả để khắc phục điều này Bên cạnh đó nhiều nhóm nghiên cứu đi theohướng phát triển các lớp khác nhau trong cấu trúc của diode phát quang bằngcách thêm vào lớp vô cơ hay lớp dị thể vô/hữu cơ, khi lớp màng chấm lượng

tử bị kẹp giữa lớp truyền dẫn lỗ trống và lớp truyền điện tử, sự truyền điệntích được tăng cường Kết quả là hiệu suất lượng tử ngoài của QLED tăng từ

0,1% ban đầu lên 20,5%, tương đương với các diode phát quang sử dụng hợpchất hữu cơ thương mại.

Dưới đây là kết quả của một số nhóm nghiên cứu đã đạt được khi chế

tạo QLED Nhóm của Yixing Yang [19] đã chế tạo “Thiết bị phát sáng có hiệu

suất cao dựa trên các chấm lượng tử với cấu trúc nanô phù hợp” Báo cáo chothấy nhóm đã chế tạo được một loạt các thiết bị phát sáng lượng tử xanhdương, xanh lá cây và đỏ, tất cả đều có hiệu suất lượng tử bên ngoài cao hơn10% Nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc nano của các chấm lượng tử, đặc biệt làthành phần của lớp vỏ trung gian được phân loại và độ dày lớp vỏ bên ngoàiđóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu xuất của thiết bị QLED

do ảnh hưởng của nó đối với việc vận chuyển và tái kết hợp Nhóm đã chế tạođược các thiết bị có dòng cực đại và hiệu suất lượng tử ngoài là 63 cd/A và14,5% đối với QLED xanh lá; 15 cd/A và 12% với thiết bị màu đỏ; 4,4 cd/A

và 10,7% với thiết bị màu xanh dương Tất cả đều được duy trì tốt trong mộtloạt các độ chói từ 102 đến 104 cd/ Các thiết bị xanh và đỏ có thời gian

sống tương ứng là 90.000 và 300.000 giờ Nhóm của Shaojjan Hel [17]

nghiên cứu về “Hiệu quả của diode phát quang sử dụng chấm lượng tử sửdụng molybden ôxít như lớp đệm cực dương” Báo cáo cho thấy diode phátquang chấm lượng tử được đặc trưng bởi màu sắc tinh khiết và bão hòa vớiđường truyền hẹp Tối ưu hóa giao diện thiết bị là một cách hiệu quả để đạtđược hiệu suất cao và ổn định Nhóm đã sử dụng giải pháp xử lý ôxitmolybden (MoOx) làm lớp đệm cực dương trên ITO để tạo ra hiệu quả củaQLED Sử dụng MoOx làm lớp đệm cực dương cung cấp tín hiệu QLED cótiếp xúc Ohmic tốt và điện trở truyền tải nhỏ Độ sáng của thiết bị gần nhưđộc lập với độ dày của lớp tráng cực dương MoOx Nhóm đã chế tạo đượcthiết bị có độ sáng cực đại và hiệu suất sáng là 5230 cd/m2 và 0,67 cd/A chophát xạ màu vàng ở 580 nm và 7842 cd/m2 và 1,49 cd/A cho phát xạ màu đỏ

ở bước sóng 610 nm Nhóm của Soonil Lee [18] đã nghiên cứu về “Ứng dụng

của các lớp kim loại xử lý giải pháp như các lớp truyền tải điện cho QLED sửdụng chấm lượng tử CdSe/ZnS” Nhóm đã chế tạo và mô tả các thiết bị phátsáng lượng tử bao gồm một lớp phát xạ CdSe/ZnS, một lớp vận chuyển lỗtrống NiO và một lớp vận chuyển điện tử ZnO Cả hai lớp NiO loại p và ZnOloại n đều được chế tạo bởi phương pháp sol-gel Sự kết hợp khác nhau củacác lớp vận chuyển lỗ trống và điện tử đã dẫn đến những thay đổi về hiệu quả.Ngoài việc kiểm soát các nồng độ tương ứng của lỗ trống và điện tử trong cấutrúc thiết bi đa lớp, xác định độ sáng và hiệu quả của QLED, việc sử dụng cáclớp ôxit kim loại thì thuận lợi cho sự ổn định lâu dài của QLED vì chúng ổnđịnh trong không khí, có thể ngăn chặn sự xâm nhập của hơi nước và oxytrong không khí xung quanh đến lớp QDs Hơn nữa, sự hấp dẫn của các lớpôxit kim loại do chi phí thấp Kết quả nhóm đạt được là hiệu suất phát sángcủa thiết bị 0,47 cd/A tương ứng độ sáng 2222 cd/m2 Nhóm Fei Chen [13] đã

nghiên cứu “Diode phát quang dựa trên châm lượng tử với lớp pha tạp nanovàng” Báo cáo cho thấy hiệu suất phát xạ của QLED được tăng cường bằngcách sử dụng PEDOT:PSS pha tạp nano vàng Bằng cách thay đổi nồng độ vàkích thước của Au, hiệu suất lượng tử cực đại là 8,2% và hiệu quả là 29,1cd/A Hiệu suất được cải thiện có thể do sự gia tăng đáng kể tỷ lệ tiêm lỗtrống khi pha tạp Au

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong hơn một năm qua, một số vấn đề khoa học liên quan đã đượcthảo luận và triển khai hợp tác nghiên cứu giữa các phòng phí nghiệm Trong

đó, hướng photonics đã được các phòng thí nghiệm triển khai các nghiên cứuhoàn thiện công nghệ chế tạo chấm lượng tử (QD) bán dẫn huỳnh quang trongvùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần, có cấu trúc lõi/vỏ và cấu trúc lượng tửloại I và loại II (CdTe/CdS, CdSe/ZnS,…), chuẩn bị cho những nghiên cứu vềlinh kiện quang điện tử tiên tiến Bên cạnh những thử nghiệm ứng dụng làmchất đánh dấu huỳnh quang kích thước nanô, một trong các định hướng ứng

dụng triển vọng của chấm lượng tử bán dẫn huỳnh quang gần đây được quantâm là làm chất phát quang vùng phổ khác nhau trong cấu trúc của diode phátquang (QLED).

Thực tế, ở trong nước đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo một sốloại chấm lượng tử huỳnh quang chất lượng cao Ví dụ, nhóm của PGS PhạmThu Nga đã chế tạo chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/ZnSe, CdZnSe/ZnS,…), PGSNguyễn Xuân Nghĩa (CdSe/ZnS,…) ở Viện Khoa học vật liệu thuộc ViệnHàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; nhóm của PGS Lê Văn Vũ (InP/ZnS,….) ở Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên; nhóm do GS Nguyễn QuangLiêm lãnh đạo đã nhiều năm triển khai nghiên cứu về công nghệ chế tạonhiều loại chấm lượng tử bán dẫn (CdTe/CdS, CdSe/ZnSe, InP/ZnS,…), vềcác quá trình quang điện tử/tính chất quang của các chấm lượng tử bándẫn Gần đây, đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo một số loại diode phátquang mà tiêu biểu là nhóm của GS Nguyễn Năng Định, thuộc Trường Đạihọc Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Nhóm đã có rất nhiều công trìnhcông bố liên quan đến nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng hợp chấthữu cơ làm chất phát quang vùng phổ khác nhau Việc sử dụng chấm lượng tửlàm chất phát quang trong cấu trúc của diode phát quang hiện nay vẫn là vấn

đề mới đang được tập trung nghiên cứu [1]

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Chương 2 của luận văn sẽ trình bày các phương pháp nghiên cứu vàphương pháp phân tích mẫu

2.1 Phương pháp chế tạo

2.1.1 Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin Coating)

Spin coating là phương pháp sử dụng lực quay ly tâm để phủ màng nênmàng có độ đồng đều cao nhờ lực ly tâm cân bằng với lực do độ nhớt củadung dịch Dung dịch sol được nhỏ giọt lên đế và cho đế quay Dưới tác dụngcủa lực ly tâm, dung dịch sẽ lan đều trên đế và tạo thành màng mỏng

Hình 2.1 Cấu tạo của máy Spin coating

Quy trình thực hành: Đế được đặt trên một bề mặt phẳng quay quanhmột trục vuông góc với mặt đất Dung dịch được đưa lên đế và tiến hành quay(ly tâm), tán mỏng màng và bay hơi dung dịch dư.

Quá trình quay phủ gồm 3 giai đoạn xảy ra liên tiếp (hình 2.2)

Hình 2.2 Các giai đoạn của phương pháp quay phủ.

Giai đoạn 1: Dung dịch được nhỏ giọt lên đế Lượng dung dịch sử dụng

thường nhiều hơn lượng dung dịch cần thiết hình thành màng

Giai đoạn 2: Đế được gia tốc đến vận tốc quay cần thiết Một phần dung dịch

bị văng ra khỏi đế Độ nhớt dung dịch quyết định độ dày của màng Đế quayvới vận tốc không đổi, dung dịch tiếp tục chảy lan trên đế dưới tác dụng của

độ nhớt và lực ly tâm

Giai đoạn 3: Sự bay hơi dung môi quyết định độ dày màng Đế tiếp tục quay

với vận tốc không đổi nhưng dòng chảy nhớt không đáng kể

Quay phủ là phương pháp tạo màng khá đơn giản và ít tốn kém, màngđược tạo khá đồng nhất và có độ dày tương đối lớn

2.1.2 Phương pháp bốc bay nhiệt

Bốc bay nhiệt (Thermal evaporation) hoặc bốc bay nhiệt trong chânkhông là kỹ thuật tạo màng mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trongmôi trường chân không cao và ngưng tụ trên đế Kỹ thuật này đôi khi cònđược thực hiện trong chân không nhưng dùng ít hơn

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt [7].

Nguyên lý của hệ bốc bay nhiệt (hình 8): Bộ phận chính của các thiết bịbốc bay nhiệt là một buồng chân không được hút chân không cao (cỡ 10-5 -

10-6

Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử) Người tadùng một thuyền điện trở (thường làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tươngtác với vật liệu, ví dụ vonfram, bạch kim, Tantan,…) đốt nóng chảy các vậtliệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi Vật liệu bay hơi sẽngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên Đôi khi đế còn được đốtnóng (tùy theo mục đích tạo màng tinh thể hay vô định hình…) để điều khiểncác quá trình lắng đọng của vật liệu trên màng Chiều dày của màng thườngđược xác định trực tiếp trong quá trình chế tạo bằng biến tử thạch anh Khimàng bay hơi sẽ bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động củabiến tử sẽ tỉ lệ với chiều dày của màng bám vào biến tử

Ưu điểm, nhược điểm và những cải tiến gần đây:

Ưu điểm: phương pháp bốc bay nhiệt có ưu điểm là đơn giản và dễ tạo

màng hợp chất vì khi làm bay hơi vật liệu thì tất cả hợp chất hoặc hợp kim sẽ

bị bay hơi do đó màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần của vật liệunguồn (đặc biệt là các hợp kim)

Nhược điểm: không thể tạo màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều

dày của phương pháp rất kém do tốc độ bay hơi khó điều khiển Đồng thời,việc chế tạo các màng đa lớp là rất khó khăn với phương pháp này

Gần đây người ta cải tiến phương pháp này như sử dụng chùm điện tử

để bốc bay, cải tiến thường bao quanh nguồn đốt, Tuy nhiên tỷ lệ sử dụngphương pháp bốc bay nhiệt trong kỹ thuật màng mỏng đang ngày càng ít

2.1.3 Phương pháp hóa học chế tạo chấm lượng tử

Công nghệ chế tạo chấm lượng tử với hóa chất rẻ tiền và thân thiện vớimôi trường như diesel làm dung môi phản ứng và axit oleic (OA) làm ligand

để thay thế các hóa chất đắt tiền như TOPO, HAD, TOP,…thường được sửdụng chế tạo các nano tinh thể bán dẫn II-VI và III-V Việc sử dụng diesellàm dung môi phản ứng để chế tạo chấm lượng tử CdSe giúp hạ giá thành sảnphẩm và việc tạo ra phản ứng sinh ra các chấm lượng tử CdSe ở gần nhiệt độsôi của diesel có những thuận lợi cho động học phản ứng Diesel là một trongnhững ứng cử viên tốt để chế tạo các chấm lượng tử trong môi trường khôngkhí, có thể điểu khiển tốc độ phản ứng tạo mầm tinh thể cũng như quá trìnhphát triển tinh thể Các chấm lượng tử CdSe được chế tạo theo sơ đồ trình bàytrong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe [5]

Hỗn hợp của 6 mmol Se và 20 ml diesel được đưa vào bình cầu 3 cổ códung tích 250ml, đun nóng hỗn hợp ở 2100C cho đến khi bột Se tan hoàn

toàn tạo thành dung dịch trong suốt nâu màu vàng Dung dịch được giữ ởnhiệt độ này và phun 30ml dung dịch Cd2+ 0,4M và khuấy mạnh, khi đó nhiệt

độ trong bình phản ứng giảm xuống ~ 1950C Sau 5 phút phản ứng, nhiệt độtăng lên và ổn định ở 2100C Sự phát triển tinh thể, kích thước và phân bố kíchthước của các chấm lượng tử CdSe được điều khiển theo thời gian phản ứng

2.1.4 Phương pháp phún xạ

Phún xạ là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền độngnăng bằng cách dùng các ion khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắnphá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử nàybay về phía đế và lắng đọng trên đế

Hình 2.5 Nguyên lý của quá trình phún xạ[7].

Khác với phương pháp bốc bay nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu

bị bay hơi do đốt nóng mà thực chất quá trình phún xạ là quá trình truyềnđộng năng Vật liệu nguồn được tạo thành dạng các tấm bia (target) và đượcđặt tại điện cực (thường là cathode) trong buồng hút chân không cao và bơmkhí hiếm với áp suất thấp (5.10-4 Pa) Dưới tác dụng của điện trường, cácnguyên tử khí hiếm bị oxy hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia với tốc

độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho các nguyên tử vật liệu tại

bề mặt bia Các nguyên tử được truyền động năng sẽ bay về phía đế và lắng

đọng trên đế Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ Nhưvậy, cơ chế của quá trình phún xạ là va chạm và trao đổi xung lượng.

Ưu điểm và hạn chế của phún xạ:

- Dễ dàng tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt

- Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên tử lắng đọngtrên màng có động năng khá cao

- Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp thức gần với củabia, có độ dày chính xác hơn nhiều so với phương pháp bốc bay nhiệt

- Do các chất có hiệu suất phún xạ khác nhau nên việc khống chế thànhphần với bia tổ hợp trở nên phức tạp Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với

độ chính xác cao của phương pháp phún xạ là không cao Hơn nữa, không thểtạo ra màng đơn tinh thể

2.2 Phương pháp phân tích

2.2.1 Ảnh vi hình thái AFM

Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope, AFM) là mộtthiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xácđịnh lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu,

có thể quan sát ở độ phân giải nanomet AFM thuộc nhóm kính hiển vi quétđầu dò hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt (hình 2.6)

Bộ phận chính của AFM là một mũi nhọn được gắn trên một cần rung(cantilever) Mũi nhọn thường được làm bằng Si hoặc SiN và kích thước củađầu mũi nhọn là một nguyên tử Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, sẽxuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tửtại đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm rung thanh cantilever Lực này phụthuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu Dao động củathanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua bề mặtcủa thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia laser

và được detector ghi lại Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung