Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới sự hướng
dẫn tận tình của TS Nguyễn Thanh Bình đã dành cho tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ của Viện Vật lý những người đã luôn
giúp đỡ, khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thị Bích về những ý kiến
chuyên môn rất sâu sắc, giúp tôi hoàn thành tốt hơn luận văn.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến cán bộ Đào Duy Thắng, cán bộ Nguyễn
Đình Hoàng, cán bộ Phùng Việt Tiệp và cán bộ Trịnh Đình Huy tại Phòng thí
nghiệm của Viện Vật lý đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình
thực tập của tôi tại Phòng thí nghiệm. Các kết quả đo đạc và nghiên cứu về phổ
huỳnh quang và phổ hấp thụ đã được thực hiện tại đây. Tôi xin gửi lời cảm ơn các
anh chị tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Viện vật liệu đã tạo điều kiện cho phép đo
phổ hấp thụ tại đây.
Khóa luận được thực hiện tại phòng thí nghiệm Quang phổ Laser, Trung
tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý dưới sự hỗ trợ của đề tài “Nghiên cứu vật
liệu nano trong điều kiện vũ trụ” thuộc chương trình KHCN vũ trụ.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2011
Tác giả
Nguyễn Thanh Huyền
MỤC LỤC
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 1
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
LỜI CẢM ƠN 1
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG 1 9
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe 9

Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ
nguyên tử giống nhau
Bảng 1.2. Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm
A2B6 [4]
Bảng 1.3. 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)
Bảng 1.4. Sản lượng điện do pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới
Bảng 1.5. Số liệu đo phổ hấp thụ tại thời điểm sau chiếu 1 tuần (tại Viện Vật
liệu) và thời điểm sau chiếu 8 tuần (Viện Vật lý).
Bảng 1.6. Số liệu đo phổ hấp thụ tại thời điểm sau chiếu 1 tuần (tại Viện Vật
liệu) và thời điểm sau chiếu 8 tuần (Viện Vật lý).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 4
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
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) [3]
Hình 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.
Hình 1.3. Sự thay đổi hình thái từ tính 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.
Hình 1.4. Cấu trúc mạng tính thể giả kẽm liên kết tứ diện và đấi xứng lập
phương (a) và cấu trúc vùng Brillouin(b).
Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của CdTe.
Hình 1.6. Huỳnh quang phổ của chấm lượng tử keo CdTe các kích cỡ khác
nhau, tăng khoảng 2-20 nm
Hình 1.7. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của QDs trong quá tình tổng

sau 2 tháng.
Hình 3.4. Phổ huỳnh quang của CdTe trước và sau khi chiếu xạ photon
nhiệt 1 tuần và 8 tuần (2 tháng).
Hình 3.5. Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal
QDs khi chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 1 tuần)
Hình 3.6. Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal
QDs khi chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 8 tuần)
Hình 3.7. Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal
QDs khi chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 1 tuần và sau chiếu 8 tuần).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 6
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chấm lượng tử QDs là
đề tài thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Trong các hệ chấm
lượng tử thì các chấm lượng tử dựa trên hợp chất A
II
B
VI
được nghiên cứu nhiều hơn
cả. Các vật liệu bán dẫn này có vùng cấm thẳng, phổ hấp thụ nằm trong vùng nhìn
thấy và một phần nằm trong miền tử ngoại gần, có hiệu suất phát xạ lớn, do đó thích
hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế. Chấm lượng tử nhóm A
II
B
VI
như CdS, CdSe,
CdTe có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực đa dạng, ví dụ như trong các linh
kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang điện tử, các detector siêu
nhậy, trong các linh kiện phát sang (QD-LED), trong các ứng dụng y-sinh như hiện
ảnh phân tử và tế bào [8], các cảm biến sinh học nano (nano-biosensor) [9]. Có thể

văn.
Khóa luận ngoài lời nói đầu và kết luận luận văn gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về nano tinh thể CdTe: giới thiệu về vật liệu nano,
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 vật liệu
nano. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy đo phổ hấp thụ, máy đo phổ huỳnh
quang và thời gian sống của các mẫu dưới các bức xạ khác nhau.
Chương 3: Kết quả và thảo luận: trình bày kết quả đo phổ hấp thụ, phổ
huỳnh quang, thời gian sống của CdTe chịu ảnh hưởng của các điều kiện chiếu xạ
khác nhau; biện luận kết quả thực nghiệm.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 8
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe
1.1 Giới thiệu về vật liệu nano
Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh
cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công
trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến
khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu
tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 .
Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nano
giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà chúng ta
dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét. Nói một cách rõ hơn là
vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm
việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy
không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái niệm
vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano
(nanoscience ) và công nghệ nano (nanotechnology ). Theo viện hàn lâm hoàng gia
Anh: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can
thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử.

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) [3]
Để có thể hình dung, so sánh về vật liệu có kích thước nano mét, Hình 1.1
trình bày một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (atom, kích thước khoảng angstron)
đến lớn như tế bào động vật (animal cell, khoảng vài chục micron), và vùng kích
thước của vật liệu có cấu trúc nano/chấm lượng tử đang được quan tâm (NCs/QDs,
vùng một vài đến một vài chục nano mét cũng là vùng kích thước của các protein).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 10
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Với kích thước nhỏ như vậy, số nguyên tử phân bố trên bề mặt trở nên rất
đáng kể so với số nguyên tử nằm bên trong hạt. Bảng 1.1 cho biết một số giá trị
điển hình của hạt nano cấu tạo từ các nguyên tử giống nhau và Hình 1.2 biểu diễn
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.
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ nguyên
tử giống nhau. [3]
Đường kính
hạt nano
(nm)
Số nguyên
tử
Tỉ số nguyên
tử trên bề
mặt (%)
Năng lượng
bề mặt
(erg/mol)
Tỉ số năng

hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ, thể hiện
qua nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ chuyển pha cấu trúc của các hạt nano thấp
hơn nhiều so vật liệu khối tương ứng (thí dụ với TiO
2
, nhiệt độ chuyển pha từ cấu
trúc anatase sang cấu trúc rutile khoảng 400
0
C khi vật liệu có kích thước nano và
khoảng 1200
0
C khi vật liệu ở dạng khối). Bên cạnh đó, cấu trúc tinh thể của hạt và
hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử bị ảnh hưởng đáng kể bởi số nguyên tử
trên bề mặt, dẫn đến vật liệu ở cấu trúc nano có nhiều tính chất mới lạ so với vật
liệu khối và hứa hẹn mang lại những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống.
Thứ hai, khi kích thước của hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton
trong vật liệu khối thì xuất hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement
effects), trong đó các trạng thái điện tử cũng như các trạng thái dao động trong hạt
nano bị lượng tử hoá. Các trạng thái bị lượng tử hoá trong cấu trúc nano sẽ quyết
định tính chất điện và quang nói riêng, tính chất vật lý và hoá học nói chung của cấu
trúc đó.
Chính hai tính chất liên quan đến kích thước nano mét của vật liệu trên đã
làm cho các cấu trúc nano trở thành đối tượng của nghiên cứu cơ bản, cũng như
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 12
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
nghiên cứu ứng dụng. Các tính chất của các cấu trúc nano có thể thay đổi được bằng
cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ nano mét của chúng.
Hình 1.3. Sự thay đổi hình thái từ tính 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

+ 1.165 ×10
-9
T + 1.428 ×10
-12
T 2 , (1.2)
Trong đó: a(T) là hằng số mạng β (T ) là hệ số giãn nở nhiệt.
Liên kết trong CdTe được đặc trưng bởi liên kết trung gian giữa liên kết ion
và liên kết hóa trị trong đó liên kết ion chiếm khoảng 72%.
Vùng Brillouin của cấu trúc Zinblende có dạng bát diện cụt có 14 mặt, 6 mặt
theo hướng [100] và 8 mặt theo hướng [111]. Tâm vùng được đánh dấu bằng điểm
Γ hướng [111] và [100] được gọi là hướng L hướng Δ tương ứng.
Các thông số mạng tinh thể của CdTe và một số chất thuộc nhóm A2B6 được
cho trên bảng 1.2:
Bảng 1.2. Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm A2B6 [5]
Hợp
chất
Loại cấu
trúc tinh
thể
Nhóm đối
xứng không
gian
Hằng số mạng
a=b (A
o
) c (A
o
) u(A
o
) c/a

P6
3
mc(
2
6v
C
)
4.2700
3.2495
5.2059 0.3450 1.6020
CdS
Lập phương
Lục giác
F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
2
6v
C
)
5.8350
4.1360
6.7134 1.6230

P6
3
mc(
2
6v
C
)
5.6670
4.0100
6.5400 1.6310
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 14
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Hình 1.4. Cấu trúc mạng tính thể giả kẽm liên kết tứ diện và đối xứng lập
phương (a) và cấu trúc vùng Brillouin(b).
Cấu trúc vùng năng lượng.
Cấu trúc vùng năng lượng của CdTe được cho trên hình 1.5. CdTe đặc trưng
bởi cấu trúc vùng thẳng với cực tiểu của vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị nằm ở
tâm vùng Brillouin (hay điểm Γ). Vùng hóa trị được chia làm ba phân vùng, hai
phân vùng trong đó suy biến tại k=0. Phân vùng thứ nhất chứa các lỗ trống nặng
(hh), phân vùng thứ hai chứa các lỗ trống nhẹ (lh), phân vùng thú ba chứa các trạng
thái sin quỹ đạo trong đó tương tác giữa vùng dẫn và vùng hóa trị qua k.p không
khụ thuộc vào k. Các thông số năng lượng của CdTe cho trong bảng 1.3.
Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của CdTe.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 15
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Bảng 1.3. Các thông số vùng năng lượng của CdTe.
Thông số Giá Trị Tài liệu tham khảo
Lattice constant, a (Å) at 298
K
6.4802 [12]

chấm lượng tử CdTe phụ thuộc vào
phương pháp chế tạo, kích thước chấm
lượng tử. Trên hình 1.6 là phổ huỳnh
quang của chấm lượng tử với kích
thước từ 2 dến 20nm. Ta thấy rằng
đỉnh phổ huỳnh thay đổi từ 500 đến
800 nm khác nhau được chế tạo bằng
phương pháp hóa học.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 16
Hình 1.6. Huỳnh quang phổ của chấm
lượng tử keo CdTe các kích cỡ khác nhau,
tăng khoảng 2-20 nm [7]
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Trên Hình 1.7 cho thấy phổ hấp thụ
và phổ huỳnh quang của chấm lượng tử
CdTe chế tạo bằng phương pháp hóa trộn
(TOP) và (DDA) ở 147°C. Theo thời gian
kích thước của chấm lượng tử tăng lên do
đó đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang của
CdTe bị dịch về phía bước sóng dài. Càng
về sau sự dịch đỉnh này chậm dần và cuối
cùng là bão hòa.
1.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài
lên tính chất của CdTe
Cách nghiên cứu cho thấy rằng chấm
lượng tử CdTe thay đổi tính chất dưới tác
dụng của điều kiện chiếu xạ khác nhau.
Hình 1.7 cho thấy phổ hấp thụ của QDs
CdTe thay đổi khi chiếu xạ với các công
suất khác nhau. Mẫu sau khi xử lý chiếu xạ

Cdte sau khi xử lí nhiệt độ ở các công suất khác nhau của lò vi sóng. [3]
Hình 1.9. 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.[3]
Phổ huỳnh quang (Hình 1.9a) cho thấy, các mẫu qua xử lý chiếu xạ trong lò
vi sóng có cường độ huỳnh quang lớn hơn rất nhiều so với cường độ huỳnh quang
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 18
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
của dung dịch chứa các vi mầm tinh thể ban đầu. Điều này thể hiện QDs CdTe chỉ
được hình thành khi các vi mầm tinh thể được liên kết với nhau nhờ quá trình xử lý
nhiệt thông qua việc chiếu xạ sóng vi ba trong lò vi sóng. So sánh phổ huỳnh quang
của các mẫu được chiếu xạ với công suất khác nhau chúng ta nhận thấy rằng cường
độ huỳnh quang giảm khi công suất chiếu xạ tăng. Mẫu có công suất chiếu xạ thấp
(300W) tốc độ gia nhiệt thấp, quá trình phát triển chấm lượng tử chậm nên sự kết
tinh của tinh thể hoàn hảo hơn, do đó cường độ huỳnh quang mạnh hơn. Tương ứng
với phổ hấp thụ (Hình 1.8), đỉnh phổ huỳnh quang của các mẫu cũng dịch chuyển
về phía bước sóng dài khi công suất chiếu xạ tăng lên.
Độ rộng đỉnh phổ huỳnh quang của các mẫu chiếu xạ ở công suất khác nhau
được trình bày trên Hình 1.9b. Quan sát Hình 1.9b có thể thấy rằng, mẫuchiếu xạ ở
công suất nhỏ (300W) có độ rộng đỉnh huỳnh quang hẹp hơn, nghĩa là kích thước
QDs trong mẫu đồng đều, khi công suất chiếu xạ tăng lên sự đồng đều về kích
thước lại giảm xuống thể hiện ở độ rộng đỉnh huỳnh quang mở rộng hơn. Từ kết
quả trên cho thấy để thu được QDs có độ đồng đều về kích thước hạt thì công suất
chiếu xạ phải nhỏ tức là tốc độ gia nhiệt chậm.
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 1.10 và 1.11.
Hình 1.10. 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. [3]

nano Si
3
N
4
, SiC có độ cứng siêu cao, ít bị mài mòn, được dùng trong cơ khí để
chế tạo mũi khoan, dao cắt gọt, các ổ bi Vật liệu TiO
2
anatase với kích thước cỡ
nano mét cho thấy chúng là một chất xúc tác quang điện hóa mạnh, mở ra một khả
năng ứng dụng làm vật liệu xúc tác, làm sạch môi trường: kính được phủ hạt tinh
thể nano TiO
2
sẽ không dính ướt; các loại sơn có pha hạt nano TiO
2
sẽ có độ bám
dính rất cao, làm cho lớp sơn bền lâu và không bám bụi Các hạt nano từ: Fe
2
O
3
,
Fe
3
O
4
được sử dụng để đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh
hưởng đến các tế bào bình thường.
Các hạt kim loại có cấu trúc nano cũng là một hướng tiếp cận trong các
nghiên cứu khoa học–công nghệ nano. Ở đây, tính chất hấp thụ cộng hưởng
plasmon bề mặt liên quan tới hệ điện tử tự do đặc biệt có ý nghĩa quan trọng. Gần
đây, hai loại hạt nano kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều là vàng (Au) và bạc

khoảng 5400 kWh trên cả mức mong đợi cho nhu cầu của cuộc sống trong vòng 30
năm. Số lượng đó vào khoảng 770 kWh/g Cd, hoặc 0,001 g/kWh. (số lượng này
chứa trong môđun và không phát xạ. Cd hoàn toàn có thể tái chế.)
Hình 1.12. Mặt cắt ngang của một tế bào năng lượng mặt trời mỏng CdTe.
[6]

Hình 1.13. MW CdTe PV Array, Waldpolenz, Đức. [7]
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 23
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Bảng 1.5. Sản lượng điện do pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới.
[7]
Ta nhận thấy rằng, sản lượng pin mặt trời trên cơ sở silic đơn tinh thể và đa
tinh thể chiếm thị trường nhiều nhất và thị trường đang giảm mặc dù sản lượng vẫn
tăng. Trong khi đó các pin mặt trời màng mỏng, CdTe có sản lượng ngày càng
nhiều sở dĩ như vậy là chi phí sản xuất ra pin mặt trời màng mỏng rẻ hơn so với pin
mặt trời silic tinh thể. [6]
Ngoài ra CdTe còn có nhiều ứng dụng phổ biến trong cuộc sống như:
Máy dò: CdTe có thể được pha trộn với thủy ngân để tạo ra máy dò tia hồng
ngoại (HgCdTe). CdTe trộn với 1 lượng nhỏ kẽm tạo ra ở thể rắn tia X tạo ra máy
dò tia gamma (ZnCdTe).
CdTe còn được sử dụng như 1 nguyên liệu hồng ngoại quang học cho của
sổ quang học và thấu kính nhưng ứng dụng của nó rất ít và bị hạn chế bởi tính độc
hại của nó. Một dạng sơ khai của CdTe từ IR được biết đến dưới cái tên là Irtran –
6 nhưng nay không dùng nữa.
CdTe cũng được dùng máy biến điệu điện quang học. Nó có hệ số điện
quang học lớn nhất của đường ảnh hưởng điện quang học giữa mức II – VI tinh thể
hợp kim (
12
10 /m V
−