ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thế Kiên

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA
HỢP CHẤT BÁN DẪN VÙNG CẤM RỘNG
CÓ CẤU TRÚC NANOMÉT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thế Kiên

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA
HỢP CHẤT BÁN DẪN VÙNG CẤM RỘNG
CÓ CẤU TRÚC NANOMÉT

Ngành:
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học


1.5.3

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Các phương pháp tổng hợp cấu trúc một chiều
Nuôi dây nano nhờ dung dịch
Tổng hợp dây nano nhờ pha hơi
Một số phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu
Phương pháp nhiễu xạ tia X
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Phép đo phổ huỳnh quang

CHƯƠNG 3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Sự giam giữ lượng tử
Giếng lượng tử
Dây lượng tử
Năng lượng giam giữ
Mật độ trạng thái
Cơ chế tái hợp
Liên kết điện tử - lỗ trống (exciton)

10
10
11
14
14
15
16
17
18
19
21
21
21
23
25
25
26
27
29
29
29
31
33
33
35
38


3.2.4. Phổ phân tích thành phần mẫu (EDS)
3.2.5 Kết quả đo huỳnh quang

chúng đang là tiêu điểm của nhiều nghiên cứu. Các cấu trúc một chiều như dây nano
(nanowires), băng nano (nanobelts), ống nano (nanotubes) ... đã được tổng hợp thành
công bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Vật liệu bán dẫn ZnO được chú trọng nghiên cứu vì có nhiều đặc tính vượt trội như
độ rộng vùng cấm lớn (3,37 eV tại nhiệt độ phòng), năng lượng liên kết exciton lớn (60
mV), chuyển mức thẳng, độ dẫn cao, hiệu suất lượng tử lớn có thể đạt tới gần 100%, ...
Vật liệu này có thể được tổng hợp từ các nguồn vật liệu rẻ tiền bằng phương pháp đơn
giản. Vì vậy vật liệu nano ZnO được nghiên cứu cho các thiết bị quang điện bước sóng
ngắn như Điốt phát quang, Laser, Photođiot, ... Với những ưu điển trên, trong luận văn


này, chúng tôi tổng hợp cấu trúc một chiều vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng ZnO ở nhiệt
độ thấp và nghiên cứu một số tính chất của nó.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận văn này tập
trung vào các nội dung được chia thành ba chương như sau:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Khi chúng ta nghiên cứu tính chất của điện tử trong các cấu trúc bán dẫn mà chuyển
động của điện tử bị giới hạn trong những vùng không gian hẹp có kích thước khoảng vài
trăm Å, cụ thể hơn là khi kích thước đặc trưng của vùng không gian đó cỡ độ dài bước
sóng De Broglie của điện tử, một hiệu ứng mới xuất hiện gọi là hiệu ứng kích thước
lượng tử. Trong các hệ kích thước lượng tử này, các tính chất vật lý của điện tử có sự
thay đổi. Ở đây, các hiệu ứng kích thước lượng tử bắt đầu có hiệu lực, trước hết thông
qua việc biến đổi đặc trưng cơ bản nhất của điện tử là phổ năng lượng. Phổ năng lượng
ứng với chuyển động dọc theo hướng tọa độ giới hạn trở thành gián đoạn.

tăng


E 

p z 2
2m 



2
.
2m z 2

1.3

Để quan sát được các hiệu ứng giam giữ lượng tử thì năng lượng giam giữ của
chúng phải lớn hơn động năng chuyển động nhiệt trong hướng z

k T
2
E 
 B .

2
2
2m z

1.4


m

1.7 

Do khoảng cách giữa các mức năng lượng của hiệu ứng giam giữ lượng tử tỷ lệ với
2
1 z  nên từ các biểu thức (1.5), (1.6) và (1.7) chúng ta có thể rút ra kết luận: điều kiện

để quan sát được hiệu ứng kích thước lượng tử là kích thước z nhỏ, nhiệt độ đủ thấp và
độ linh động hạt dẫn cao [1], cụ thể là:
a. Điều kiện thứ nhất
Trong các quan sát thực nghiệm, để có thể nhận biết được hiệu ứng lượng tử hoá
năng lượng do giảm kích thước theo hướng giam giữ thì sự tách mức năng lượng giữa các
mức lân cận E  En1  En phải đủ lớn. Nó cần phải lớn hơn nhiều năng lượng chuyển
động nhiệt của điện tử điện kBT/2, tức là thỏa mãn điều kiện (1.4)


Nếu không thỏa mãn điều kiện (1.4) thì khả năng hai mức En1 , En bị chiếm đầy bởi
điện tử là như nhau và sự chuyển dời điện tử giữa hai mức đó sẽ khó khăn trong việc
quan sát hiệu ứng lượng tử.
b. Điều kiện thứ hai
Nếu khí điện tử là suy biến và có mức Fermi là EF (hoá thế ở T = 0 K) thì điều kiện
thứ hai là vị trí mức Fermi nằm trong khoảng khe của hai vùng con thấp nhất (hình 1.1)

1.8

E2  EF  E1.

Trong trường hợp ngược lại khi EF  En1  En , hiệu ứng lượng tử do giảm kích
thước về nguyên tắc vẫn quan sát thấy nhưng biên độ rất bé.


En1  En 







e
.
m*u

1.9

Điều kiện (1.9) yêu cầu bước nhảy tự do trung bình l của điện tử (hoặc còn gọi là
quãng đường tự do trung bình) cần lớn hơn nhiều độ dày của màng z ( l  z ), điều
này có thể thấy ngay nếu sử dụng (1.3) cho vế trái của (1.9). Điều kiện trên có nghĩa là
điện tử sau khi bị tán xạ và sau nhiều lần tán xạ giữa hai mặt của màng mới bị tán xạ tiếp
bởi các chuẩn hạt.
Từ (1.5) và (1.6) ta thấy đối với điện tử nặng (m* lớn) sẽ gặp khó khăn trong khi
quan sát các hiệu ứng kích thước lượng tử. Thông thường, để quan sát các hiệu ứng giam
giữ lượng tử ta thường phải làm lạnh vật đến nhiệt độ thấp. Sự tán xạ của các điện tử dẫn
đến sự bất định về năng lượng của chúng một giá trị tỷ lệ   . Mặt khác, khoảng cách
giữa các mức năng lượng do hiệu ứng kích thước lượng tử có độ lớn cỡ năng lượng giam
giữ E . Để quan sát được các mức năng lượng riêng rẽ này, E phải lớn hơn   . Nếu 
khá nhỏ thì các mức năng lượng do hiệu ứng giam giữ lượng tử tạo nên sẽ khó có thể
phân biệt được, do đó quãng đường tự do trung bình của điện tử phải lớn hơn z .
Đối với màng mỏng, ngoài các điều kiện trên, để có thể quan sát được hiệu ứng kích
thước còn cần điều kiện là bề mặt màng mỏng phải có chất lượng cao. Điều kiện này đảm

Đào Trần Cao (2004), Cơ sở vật lý chất rắn, trang 225- 226, Nxb ĐHQGHN.
Bạch Thành Công (2007), Bài giảng Vật lý hệ thấp chiều.
Nguyễn Thị Thục Hiền (2005), Bài giảng Bán dẫn hệ thấp chiều.
Phùng Hồ (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, NxbKHKT, Hà Nội.
Nguyễn Văn Hùng (1999), Giáo trình lý thuyết chất rắn, NxbĐHQGHN, 1999.
Phan Văn Tường (1998), Giáo trình vật liệu vô cơ.

Tiếng Anh
9. V. Butkhuzi et.al (2000), J. Lumines, 90(2000)223
10. S. V. Gaponenko (1998), Optical properties of semiconductor nanocrystal,
Cambridge University Press, pp. 84-152.
11. D. Haln et.al (1995), Phys, Cond. Matter, 311.
12. J. D. Holmes, K. D. Johnston, R. C. Doty and BA. Kergel (2000), Science 287,
1471.
13. A. P. Levitt (ed.) (1970) Whisker Technology, Wiley - InterScience, New York.
14. Ü. Özgür, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke (2005), Applied physics reviews, Virginia
Commonwealth University, Richmond, Virginia 23284-3072.
15. C. R. Martin (1994), Science 266, 1961.
16. C. M. Mo. et.al (1998), J. Appl. Phys, Vol 83, No 18, p 4389 - 4391.
17. J. F. Muth et.al (19990, J. Appl. Phys, Vol 85, No 11, p 7884 - 7887.
18. Ilan Shalish, Henryk Temkin and Venkatesh Narayanamurti (2004), Size-dependent
surface luminescence in ZnO nanowires, Physical review B 69, 245401.
19. C. N. R. Rao, F. L. Deepak, Gautam Gundiah and A. Govindaraj (2003), Inorganic
nanowires, Progess in Soilid State Chemistry.
20. K. Vanheusden et.al (1996), J. Appl. Phys, Vol 79, No 10, p 7983- 7990.
21. Youngjo Tak and Kijung Yong (2005), J. Appl. Phys.
22. J. J. Trentler, K. M. Hickman, S. C. Geol, A. M. Viano, P. C. Gibbons and E. Buhro
(1997), Science 270, 1791.
23. C. G. Wu and T. Bein (1994), Science 266, 1031.