ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN CHÚC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA
CÁC NANÔ TINH THỂ BÁN DẪN CdSe/ZnS VỚI
CẤU TRÚC LÕI/VỎ (CORE/SHELL)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2005


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN CHÚC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA
CÁC NANÔ TINH THỂ BÁN DẪN CdSe/ZnS VỚI
CẤU TRÚC LÕI/VỎ (CORE/SHELL)
Ngành: Khoa học và Công nghệ nanô
Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM THU NGA

Hà Nội - 2005

các chấm lượng tử trở nên rất hấp dẫn hơn so với các phân tử hữu cơ trong các ứng
dụng quang điện tử và dán nhãn huỳnh quang sinh học. Các chấm lượng tử không
những chỉ bền hơn đối với sự oxy hóa bằng các photon (photooxidation) so với các
phân tử hữu cơ, mà vạch huỳnh quang của chúng cũng hẹp hơn. Các tính chất quang
học theo kích thước của chúng, độc lập với các tính chất hóa học, ví dụ như có mầu
phát xạ bão hòa và ổn định, đã làm cho các chấm lượng tử bán dẫn đặc biệt thú vị
để làm các vật liệu hoạt tính (active) trong các linh kiện phát sáng quantum dots
(QDs-LED) có cấu trúc hữu cơ/vô cơ diện tích rộng. Cho tới nay, các QDs-LED
phát ánh sáng xanh lá cây (green) và đỏ hiệu quả đã được thực hiện với các nanô
tinh thể cấu trúc lõi-vỏ (core/shell) CdSe/ZnS, nhưng các QDs-LEDs phát ánh sáng
mầu xanh da trời (blue) thì vẫn còn chưa được xác định rõ [18]. Phổ phát xạ mầu
xanh da trời lý tưởng của một LED cho ứng dụng màn ảnh phẳng sẽ phải có phổ với
độ bán rộng hẹp và bước sóng phát xạ với các tọa độ mầu của nó trên giản đồ mầu
của ủy ban quốc tế về chiếu sáng (CIE), sẽ phải có bước sóng cỡ 460 - 480 nm. Các
chấm lượng tử CdS/ZnS có thể được chế tạo, với phân bố kích thước hẹp, để có thể
thể phát ra ánh sáng trong vùng bước sóng này, là các chấm phát màu xanh da trời
lý tưởng cho các ứng dụng display [18]. Như vậy, có thể nói việc nghiên cứu chế
tạo và các tính chất quang của các chấm lượng tử với cấu trúc lõi/vỏ của các chất


bán dẫn loại này là cần thiết, cho nhiều ứng dụng khác nhau. Về mặt lý thuyết, độ
rộng năng lượng vùng cấm (Eg) được mở rộng ra khi kích thước hạt giảm dần tới cỡ
nm và tới bán kính Bohr exciton của chất bán dẫn khối, dẫn tới việc dịch chuyển
đỉnh phổ hấp thụ về phía bước sóng xanh (blue). Hiện tượng giam giữ lượng tử
đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng các hạt nanô tinh thể bán dẫn trong các
linh kiện phát quang sử dụng chấm lượng tử (QD-LED), các sensor sử dụng trong
y-sinh học. Ứng dụng đầu tiên trong công nghệ sinh học là làm các chất đánh dấu
sinh học và hiện ảnh các tế bào (cellular imaging) [27] như trong ảnh của hình 1.1.
Khi các hạt nanô bán dẫn được đính vào phân tử dược phẩm, thì có thể theo dõi
được đường đi của dược phẩm đó, nhờ quan sát màu sắc ánh sáng phát ra khi chiếu

dưới kích thích của đèn LED có bước sóng 400 nm [22].

Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo ra các vật liệu nanô đang phát triển mạnh trên
thế giới, và đã bắt đầu ở Việt nam, vì các tính chất mới của các vật liệu bán dẫn kích
thước nanô có thể ứng dụng vào cuộc sống. Trong nội dung nghiên cứu của bản
luận văn này, các nanô tinh thể bán dẫn CdSe/ZnS là đối tượng nghiên cứu chính, từ
phương pháp chế tạo cho tới các tính chất phát quang của chúng. Có hai loại
phương pháp chính để tổng hợp ra các vật liệu nanô tinh thể CdSe/ZnS, đó là
phương pháp vật lý và hóa học. Chúng tôi đã lựa chọn phương pháp hóa học, cụ thể
là bằng phương pháp micelle đảo, để tổng hợp các nanô tinh thể bán dẫn CdSe/ZnS,
vì phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm. Khi bán kính của các hạt nanô tinh


thể nhỏ hơn bán kính Borh exciton (aB) của vật liệu khối, khả năng phát xạ liên
quan đến các trạng thái bề mặt của các nanô tinh thể là rất lớn. Vì vậy, để hạn chế
quá trình phát quang do các trạng thái bề mặt và làm tăng hiệu suất phát quang, thì
việc làm thụ động hoá bề mặt các hạt nanô tinh thể, bằng cách bọc nó bởi một lớp
vỏ của một chất bán dẫn khác, có độ rộng vùng cấm lớn hơn rất cần thiết. Với
những lý do trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo, tính
chất quang của các nanô tinh thể bán dẫn CdSe/ZnS với cấu trúc lõi/vỏ
(core/shell)”. Mục tiêu của đề tài là:
1. Nghiên cứu chế tạo các nanô tinh thể bán dẫn CdSe và CdSe/ZnS cấu trúc lõi
vỏ với phân bố kích thước hẹp.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng giam giữ lượng tử lên các tính chất
quang của các nanô tinh thể bán dẫn chế tạo được, ở chế độ giam giữ mạnh.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp vỏ lên các tính chất quang của các nanô tinh
thể bán dẫn với cấu trúc lõi/vỏ.
Nội dung của bản luận văn tốt nghiệp, ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu
tham khảo, như cấu trúc thông lệ, bao gồm ba chương: chương 1 trình bầy về phần
tổng quan lý thuyết về hệ bán dẫn thấp chiều, chương 2 trình bầy về phần thực

 m* 
3 D      2 
 

2E
2

(1.1)


Ở đây, m* là khối lượng hiệu dụng của điện tử, E là năng lượng của trạng thái điện
tử.
Ngược lại, đối với giếng lượng tử, sự giới hạn điện tử trong một chiều khiến cho
năng lượng là tổng của các trạng thái lượng tử hoá đi kèm với sự giam giữ:
2

k2
n  * 2
2m L

(1.2)

Ở đây,  n là mức năng lượng thứ n, L là độ rộng của giếng thế năng.
Mật độ trạng thái trong giếng lượng tử liên quan với năng lượng này và được cho
bởi:

m*
2 D     2    E   n 
2 n


trạng thái từ tinh thể bán dẫn khối tới giếng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử.


Mức năng lượng và mật độ trạng thái trong hệ một chiều chịu thêm một giam giữ
của một điện tử. Khi đó, năng lượng toàn phần là tổng của các mức năng lượng gián
đoạn theo hai chiều bị giam giữ và liên tục theo chiều dài của dây. Điều này dẫn đến
mật độ trạng thái của hệ một chiều có dạng:
1/ 2

 2m* 
1D      2 2 
  


nx , n y



1
 E  n ,n
 E  n ,n
x

x

y



(1.4)

mở rộng đồng nhất và bất đồng nhất. Do tỷ lệ lớn giữa thể tích và diện tích bề mặt
của các nguyên tử của các chấm lượng tử, nên các chấm lượng tử còn biểu lộ các
hiện tượng liên quan đến bề mặt.
Các chấm lượng tử thường được miêu tả theo ngôn ngữ của mức độ giam giữ.
Chế độ giam giữ mạnh được xác định cho trường hợp khi kích thước của chấm
lượng nhỏ hơn bán kính Bohr exciton (aB). Khi này, sự phân chia năng lượng giữa


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Quang Báu, Đỗ Quốc Hùng, Vũ Văn Hùng, Lê Tuấn (2004), Lý thuyết
bán dẫn, tr. 259 - 261.
2. Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng
phân tử nguyên tử, tr. 85 - 86, 193 - 195.
3. Phan Hồng Khôi (2005), Vật liệu bán dẫn cấu trúc nano, Bài giảng cho học viên
cao học nano ĐHCN - ĐHQGHN.
4. Vũ Thị Kim Liên (2003), Nghiên cứu các đặc trưng quang phổ của một số ion
đất hiếm và các nano tinh thể CdS trong mạng nền tinh thể Silica, Luận án tiến sĩ
vật lí.
5. Phạm Thu Nga (2005), Vật liệu quang tử cấu trúc nano, Bài giảng cho học viên
cao học nano ĐHCN - ĐHQGHN.
Tiếng Anh
6. Alivisatos A.P., Harris T.D., Caroroll P.J., Steigerwald M.L and Brus L. E.
(1989), “Electron - vibration coupling in semiconductor clusters studied by resonace
Raman spectroscopy”, J. Chem. Phys., 90, pp. 3463 - 3467.
7. Tanaka A., Onari S., and Arai T. (1992), Phys. Rev. B, 45, pp. 6587 - 6592.
8. Dabbousi B. O., Rodriguez - Viejo J., Mikulee F. V., Heine J. R., Mattoussi H.,
Ober R., Jensen K. F., and Bawendi M. G. (1997), J. Phys. Chem. B, 101, pp. 9463
- 9475.
9. Murphy C. J. (2002), Analytical Chemistry, pp. 520 - 526.

Department of Chemistry.
28. Hwang Y.-N., Park S.-H.et.al. (1999), Phys. Rev. B, 59, pp.7285 - 7288.
29. Hwang Y. -N., Shin S., Park H. L., Park S.-H., Kim U., Jeong H. S., Shin E. -J.,
and Kim D. (1996), Phys. Rev. B, 54, pp. 15120 - 15124.