ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
––––––––––––––––––––

PHÙNG VĂN VỮNG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG
CỦA CÁC HẠT NANO TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC/CITRATE
TRÊN CƠ SỞ CÁC CHẤT BÁN DẪN CdSe VÀ CdS

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Chu Việt Hà

Thái Nguyên- Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số và tài liệu trích dẫn có
nguồn gốc rõ ràng. Kết quả trong luận văn chưa được công bố trong bất cứ công trình nghiên
cứu khoa học nào khác, nếu có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2017
Tác giả luận văn

Phùng Văn Vững

Xác nhận

Xác nhận

Lời cam đoan .......................................................................................................... i
Lời cảm ơn............................................................................................................. ii
Mục lục ................................................................................................................. iii
Danh mục bảng..................................................................................................... iv
Danh mục hình ...................................................................................................... v
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lí do chọn đề tài ..........................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................5
3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 5
4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................5
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẪN ĐỀ LIÊN QUAN .............6
1.1. Các mức năng lượng của hạt tải trong hạt nano chấm lượng tử ............................... 7
1.1.1. Sự giam giữ lượng tử ............................................................................................. 7
1.1.2. Các mức năng lượng của hạt tải trong chấm lượng tử ..........................................9
1.2. Các tính chất quang lý của các hạt nano chấm lượng tử ........................................13
1.2.1. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử .....................................................................13
1.2.2. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử ............................................................ 14
1.2.3. Thời gian sống phát quang, hiệu suất lượng tử và độ bền quang của các chấm
lượng tử ........................................................................................................................15
1.2.4. Sự nhấp nháy của các chấm lượng tử ..................................................................16
1.3. Độ độc hại của các chấm lượng tử ........................................................................17
1.4. Một số phương pháp chế tạo các hạt nano bán dẫn ..............................................18
1.4.1 Phương pháp sol- gel ............................................................................................ 18
1.4.2. Nano tinh thể trong zeolite, màng thủy tinh, bán dẫn composite. .........................19
1.4.3. Các nano tinh thể chế tạo trong dung dịch hữu cơ và polyme (hay các nano tinh
thể chế tạo bằng phương pháp hóa ướt)..........................................................................19
1.4.4. Chế tạo các hạt nano bán dẫn phân tán trong môi trường nước ............................ 22
Chương 2. THỰC NGHIỆM ......................................................................................25
2.1. Thực nghiệm chế tạo các mẫu hạt nano bán dẫn trong môi trường nước/citrate ...26


Bảng 3.2. Bán kính lõi CdSe của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các tỉ lệ w khác
nhau ............................................................................................................................ 41
Bảng 3.3. Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các tỉ lệ w khác
nhau ............................................................................................................................ 46
Bảng 3.4. Bán kính lõi CdS của các chấm lượng tử CdS/ZnS với các tỉ lệ w khác nhau........ 51

iv
v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Exciton trong bán dẫn [23] ............................................................................... 8
Hình 1.2. Mô tả hộp thế cầu có bờ thế vô hạn .................................................................. 9
Hình 1.3. Các chuyển dời quang cho phép giữa các trạng thái của điện tử và lỗ trống
được lượng tử hóa trong trường hợp khử suy biến [2, 5] ............................................... 13
Hình 1.4. Các chuyển dời quang được phép trong chấm lượng tử bán dẫn theo mô
hình cặp điện tử - lỗ trống [2, 5] ..................................................................................... 13
Hình 1.5. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdS, CdSe và CdTe ở cùng kích thước
~3 nm [6]. ....................................................................................................................... 14
Hình 1.6. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe với các kích thước khác nhau từ
1,2 nm (12 Å) đến 11,5 nm (115 Å) [6]. ........................................................................ 14
Hình 1.7. Minh họa sự phát xạ của các chấm lượng tử CdSe phụ thuộc vào kích thước
hạt[21]. ............................................................................................................................ 15
Hình 1.8. Chấm lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ và minh họa cấu trúc vùng năng lượng
trong chấm lượng tử cấu trúc lõi- vỏ .............................................................................. 16
Hình 1.9. Sơ đồ minh họa 1 Micelle.............................................................................. 22
Hình 1.10. Mô hình chấm lượng tử cho các ứng dụng đánh dấu sinh học [24] ............. 23
Hình 1.11. Giản đồ trình bày các phương pháp chung để thay đổi bề mặt chấm lượng tử
được bảo vệ bởi các phân tử TOPO [25] ......................................................................... 24
Hình 1.12. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS chế tạo

Hình 3.7. Đồ thị sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm và bán kính của các hạt nano
CdSe vào nồng độ chất bẫy citrate ................................................................................. 42
Hình 3.8. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS với cùng một
lõi CdSe được chế tạo với tỷ lệ w = 1 ............................................................................ 43
Hình 3.9. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe và CdSe/CdS với cùng một
lõi CdSe được chế tạo với tỷ lệ w = 2 ............................................................................ 43
Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của các hạt nano CdSe được chế tạo với tỷ lệ w = 1 và
thời gian nuôi mẫu khác nhau......................................................................................... 44
Hình 3.11. Phổ huỳnh quang chuẩn hóa của các hạt nano CdSe được chế tạo với tỷ lệ
w = 1 và thời gian nuôi mẫu khác nhau .......................................................................... 44
Hình 3.12. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các tỷ lệ w là 1;
1,5; 2; 2.5; 3 và 5 dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng ........................ 45
Hình 3.13. Phổ huỳnh quang chuẩn hóa của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các tỷ
lệ w là 1; 1,5; 2; 2.5; 3 và 5 dưới bước sóng kích thích 480 nm ở nhiệt độ phòng ........ 46
Hình 3.14. Đồ thị sự phụ thuộc của bước sóng của cực đại phát xạ huỳnh quang và
bán kính của các hạt nano CdSe vào nồng độ chất bẫy citrate ....................................... 47
Hình 3.15. Phổ huỳnh quang của các hạt nano CdSe/CdS được chế tạo với tỷ lệ w = 1,
thời gian nuôi lõi CdSe là 9 giờ và thời gian nuôi vỏ CdS khác nhau ........................... 47
Hình 3.16. Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào thời gian chiếu ánh sáng kích
thích của các hạt nano CdSe/CdS ................................................................................... 48
Hình 3.17. Ảnh chụp các mẫu dung dịch chấm lượng tử CdSe/CdS dưới ánh sáng đèn
tử ngoại phát xạ các màu xanh tương ứng với w=2 và w=5 .......................................... 49
Hình 3.18. Ảnh TEM của một mẫu chấm lượng tử CdS/ZnS w = 5 .............................. 49
Hình 3.19. Phổ hấp thụ của hạt nano CdS/ZnS được chế tạo với tỉ lệ w=2 ................... 50
Hình 3.20. Phổ hấp thụ của hạt nano CdS/ZnS được chế tạo với tỉ lệ w=5 ................... 50

vii


Hình 3.21. Phổ hấp thụ của các hạt nano CdS được chế tạo với tỉ lệ w=2 .................... 52

Các chấm lượng tử đang được sử dụng và nghiên cứu làm chất đánh dấu
huỳnh quang chủ yếu dựa trên cơ sở các chất bán dẫn CdS, CdSe, hoặc CdTe…[1223] vì huỳnh quang của các chất này nằm trong vùng nhìn thấy. Việc sử dụng các
chấm lượng tử thương phẩm ở nước ta vẫn có nhiều khó khăn do giá thành cao,
hoặc do khâu bảo quản trong khi vận chuyển nên các chấm lượng tử được nhập về
thường có chất lượng không tốt. Do đó, việc chế tạo và nghiên cứu các tính chất
quang của các hạt nano chấm lượng tử cho ứng dụng đánh dấu huỳnh quang ở Việt
nam vẫn rất cần thiết.
Các phương pháp chế tạo các chấm lượng tử phổ biến trên thế giới hiện nay
là các phương pháp hóa học thường sử dụng tiền chất hữu cơ – kim loại có độ độc
hại cao, và đòi hỏi phải tiêu tốn một khoản chi phí cao cho hoá chất, điều kiện và

1


các dụng cụ chế tạo đòi hỏi khắt khe. Mặt khác, chấm lượng tử có bản chất vô cơ, vì
vậy muốn sử dụng chúng làm chất đánh dấu sinh học thì phải phân tán được chúng
trong môi trường nước và tạo được lớp tương thích sinh học trên bề mặt. Để phân
tán lại các chấm lượng tử vào môi trường nước bằng cách thay đổi các nhóm chức
trên bề mặt thì cần thêm hẳn một quy trình phức tạp và các thuốc thử đắt tiền, thế
nên, việc nghiên cứu chế tạo chấm lượng tử phân tán trong nước vẫn đang tiếp tục
được nghiên cứu.
Tất cả các phương thức thay đổi bề mặt chấm lượng tử làm tăng cường khả
năng tương thích của chúng với các xét nghiệm sinh học cần phải được tiếp tục để nâng
cao hơn nữa khả năng ứng dụng của chấm lượng tử trong khoa học sự sống và sinh
học. Độc tính của chấm lượng tử cũng là một vấn đề cần được giải quyết [14] để có thể
ứng dụng chấm lượng tử rộng rãi trong y sinh mặc dù đây không phải là vấn đề lớn
trong cảm biến sinh học được thực hiện trong ống nghiệm.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo các chấm lượng tử bắt đầu từ khoảng
năm 1997. Các chấm lượng tử ban đầu được chế tạo bằng phương pháp sol-gel là
các vi tinh thể bán dẫn CdS (cadmium sunfide) phân tán trong thủy tinh SiO2. Cùng

hữu cơ – kim loại trong điều kiện chân không hoặc khí trơ. Đi tiên phong chế tạo các
chấm lượng tử CdSe bằng phương pháp phân huỷ hợp chất tiền chất cơ – kim ở Việt
Nam vẫn là nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Phạm Thu Nga. Các tiền chất cơ – kim (ở
đây là TOP-Se và TOP-Cd) trong môi trường của một chất hữu cơ có khối lượng
phân tử lớn và nhiệt độ sôi cao (ở đây chọn là TOPO- HDA), được sử dụng để chế
tạo các chấm lượng tử CdSe. Các hạt nano chấm lượng tử thu được bằng cách này chỉ
có thể phân tán trong dung dịch hữu cơ không phân cực như toluene. Để phân tán
chấm lượng tử trong nước, người ta phải thực hiện việc trao đổi các nhóm chức trên
bề mặt chấm lượng tử, là quá trình đòi hỏi thời gian và hoá chất đắt tiền và có thể làm
giảm hiệu suất huỳnh quang. các hoá chất như TOP, TOPO và HAD thường đắt tiền
và rất độc hại, làm việc đưa đến ứng dụng của loại vật liệu này là khó khăn. Nhóm
nghiên cứu của GS.TS. Nguyễn Quang Liêm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm
KH & CN VN là nhóm nghiên cứu đầu tiên ở nước ta chế tạo thành công các chấm
lượng tử CdTe và CdSe phân tán trong nước bằng cách chế tạo chúng trong môi
trường hữu cơ ở nhiệt độ cao (TOP/DDA – trioctylphosphine/ dodecylamine), sau đó
được chuyển sang môi trường nước bằng cách sử dụng mercaptopropionic acid
(MPA) hoặc methanesulfonic acid (MSA). Các chấm lượng tử sau khi được phân tán
vào nước đã được ứng dụng trong nghiên cứu đánh dấu huỳnh quang trong sinh học.
Tuy nhiên, phương pháp chế tạo trên vẫn đòi hỏi một quy trình cồng kềnh tốn kém
với nhiều công đoạn; hơn nữa các hóa chất sử dụng là TOP, TOPO, HAD, DDA,
MPA, MSA là các hóa chất rất độc hại. Do đó, quy trình chế tạo các chấm lượng tử
phân tán trong môi trường nước làm chất đánh dấu huỳnh quang với tiêu chí xanh và

3


sạch, ít độc hại vẫn đang được nhiều nhà khoa học trong nước và quốc tế quan tâm
nghiên cứu để hướng tới ứng dụng của vật liệu này.
Một cách tiếp cận để có được các chấm lượng tử phục vụ cho các ứng dụng
đánh dấu sinh học là chế tạo chúng trực tiếp trong môi trường nước. Trên thế giới



có khả năng ứng dụng trong các môi trường sinh học khác nhau. Do đó đề tài luận
văn đặt mục tiêu chế tạo các chấm lượng tử trên cơ sở các chất bán dẫn CdSe và
CdS phân tán trong nước và có độ ổn định quang cao bằng cách phát triển phương
pháp của Deng; với tên đề tài luận văn được chọn là: “Chế tạo và nghiên cứu tính
chất quang của các hạt nano trong môi trường nước/citrate trên cơ sở các chất
bán dẫn CdSe và CdS”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Chế tạo được các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS và CdS/ZnS phân tán
trong môi trường nước/citate với các điều kiện chế tạo khác nhau thích hợp làm các
chất đánh dấu huỳnh quang.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp và nghiên cứu tài liệu
- Thực nghiệm chế tạo mẫu và đo phổ quang học
- Phân tích các dữ liệu thực nghiệm
4. Nội dung nghiên cứu
i/ Chế tạo các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS và CdS/ZnS phân tán trong môi
trường nước/citrate với các nồng độ chất bẫy citrtrate khác nhau:
- Chế tạo các chấm lượng tử CdSe và CdS trong nước sử dụng citrate.
- Thụ động hóa bề mặt các chấm lượng tử CdSe và CdS nhằm nâng cao hiệu
suất phát xạ bằng cách bọc lớp vỏ vô cơ CdS và ZnS (cũng trong môi trường
citrate) để tạo ra các chấm lươ ̣ng tử CdSe/CdS và CdS/ZnS
- Các hệ mẫu được chế tạo với sự thay đổi nồng độ chất bẫy citrate dùng cho
chế tạo lõi CdSe và CdS.
ii/ Nghiên cứu tính chất của các chấm lượng tử đã chế tạo bao gồm khảo sát các
đặc điểm của chúng:
- Nghiên cứu kích thước, cấu trúc hình thái, sự phân tán của các hạt nano
bằng phương pháp TEM (hiển vi điện tử truyền qua)
- Nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử bao gồm hấ p thu ̣,

hữu cơ. So với các chất màu hữu cơ, các chấm lượng tử có hiệu suất lượng tử tương
tự nhưng hệ số dập tắt lớn hơn. Ngoài ra, bằng cách sử dụng các chấm lượng tử
khác nhau người ta có thể đánh dấu huỳnh quang trong khoảng rộng từ vùng khả
kiến đến vùng hồng ngoại gần. Các chấm lượng tử sử dụng trong đánh dấu sinh học
thường dựa trên cơ sở CdSe và CdTe vì phổ phát xạ của chúng nằm trong vùng nhìn
thấy tùy thuộc vào kích thước.[15]. Ngoài ra các chấm lượng tử CdS cũng được
quan tâm nghiên cứu cho các ứng dụng trong các dụng cụ quang và điện.

6


1.1. Các mức năng lượng của hạt tải trong hạt nano chấm lượng tử
1.1.1. Sự giam giữ lượng tử
Để tìm hiểu về các mức năng lượng của hạt tải trong các hạt nano chấm lượng
tử, trước hết chúng ta xét sự giam giữ lượng tử đối với các hạt tải trong các hệ bán
dẫn kích thước nano mét. Sự giam giữ lượng tử xảy ra khi kích thước của vật liệu
so sánh được với bước sóng de Broglie tương ứng của một điện tử hoặc lỗ trống và
bán kính Bohr exciton của bán dẫn đó. Bước sóng de Broglie của điện tử và lỗ trống
trong chất bán dẫn và bán kính Bohr exciton của cặp điện tử - lỗ trống được hiểu
tương tự như bước sóng de Broglie và bán kính Bohr của điện tử trong nguyên tử.
Bán kính Bohr của một điện tử chính là bán kính quỹ đạo tương ứng với mức
năng lượng thấp nhất của điện tử và được xác định theo công thức:

4πε oh 2
ao =
mq 2

(1.1)

trong đó hằng số điện môi o = 8,85  10-12 F/m, hằng số Planck  = 1,054  10-34


trong đó p là xung lượng, m là khối lượng, v là vận tốc của hạt, h = 2 là hằng số
Planck. Từ đây ta có vận tốc của điện tử là :
nh
n
v=
=
2 mr
mr
Thay vào phương trình (1.2) ta có:

7


n 2h 2
q2
=
mr
4πε o
r=

hay:

4πε o n 2h 2
mq 2

Với n = 1, ta có r = ao là bán kính Bohr tương ứng với công thức (1.1).
Trường hợp điện tử hay hạt mang điện không ở trong chân không mà trong
môi trường có hằng số điện , ta có bán kính Bohr sẽ là:


Hình 1.1. Exciton trong bán dẫn [22]

Trong chấm lượng tử, các hạt tải điện là điện tử, lỗ trống hay các exciton bị giam
giữ trong cả ba chiều và hệ này được mô tả như một giếng thế 3 chiều vô hạn: thế năng
bằng không tại mọi nơi trong giếng thế và bằng vô cùng tại thành của giếng.

8


1.1.2. Các mức năng lượng của hạt tải trong chấm lượng tử
Mô hình thông dụng nhất để tính toán các mức năng lượng của hạt tải trong
chấm lượng tử là chấm lượng tử có dạng hình hộp chữ nhật hoặc hình cầu.
Đối với chấm lượng tử có dạng hình hộp 3 cạnh Lx ,Ly ,Lz. Trong phép gần
đúng khối lượng hiệu dụng, các mức năng lượng của hạt tải có khối lượng m*
chuyển động trong chấm lượng tử tương đương với bài toán hạt chuyển động trong
một giếng thế năng với kích thước Lx, Ly và Lz phụ thuộc vào ba số lượng tử l, m, n
và được xác định bởi biểu thức sau [2]:

En,l,m 

π2h 2  l2
m2
n 2 
+
+
L2y
L2z 
2m*  L2x

(1.6)


2 =

1  2 
1  
 
1
2
r
+
sinθ
+
r 2 r  r  r 2sinθ θ 
θ  r 2sin 2θ φ2

(1.8)

Từ phương trình (1.7), nhân cả hai vế với đại lượng 2mr2 ta có:

-h 2 r 22 ψ = 2mr 2 Eψ
Thay biểu thức của toán tử Laplace vào phương trình (1.8) ta có:

-h 2

  2 ψ 
r
- 2mr 2 Eψ 

r  r 


Do đó phương trình (1.7) trở thành:

-h 2

  2 ψ 
r
- 2mr 2 Eψ + Lˆ 2 ψ = 0


r  r 

Ta biết phương trình trị riêng của toán tử bình phương mômen xung lượng
là:

Lˆ 2 ψ = h 2l(l + 1)ψ

  2 ψ 
2
2
r
 - 2mr Eψ + h l(l + 1)ψ = 0
r  r 

nên có:

-h 2

hay:

  2 ψ   2mE 2


trong đó n là số lượng tử chính, l là số lượng tử quỹ đạo và ma là số lượng tử từ.
Hàm Ylm(, ) được gọi là hàm cầu và hàm un, l(r) thoả mãn phương trình:

h 2 d2u 
h2
+
V
+
l
l
+
1



 u = Eu
2m dr 2
2m



Số lượng tử từ m xác định thành phần theo trục z của mômen xung lượng L
là Lz = m; trong đó m = 0,  1,  2, …  l.
Với trường hợp hạt chuyển động trong hộp thế cầu bán kính a này (hay các
chấm lượng tử hình cầu bán kính a), các mức năng lượng phụ thuộc vào hai số
lượng tử l và m:

10



 μ  πa B 2 
E1s1s = Eg  R 1  
 
 M  a  
*
y

(1.11)

Trong đó M là tổng khối lượng và µ là khối lượng rút gọn của điện tử và lỗ
trống,

là năng lượng Rydberg exciton. Như vậy, so với bán dẫn khối thì cộng

hưởng exciton đầu tiên bị dịch về phía năng lượng cao một lượng:
2

ΔE1s1s
là nhỏ so với

μ  πa B  *
=

 Ry
M a 

(1.12)

do a >>

+ V r
e
h
*
*
i 2m
i 2m
ε
r

r
e
h
e
h

(1.14)

Sự có mặt của thế năng V(r) không cho phép nghiên cứu độc lập chuyển động
khối tâm và chuyển động của hạt với khối lượng rút gọn. Dựa vào phương pháp gần
đúng biến thiên người ta tìm thấy năng lượng rút gọn. Dựa vào phương pháp gần
đúng biến thiên người ta tìm thấy năng lượng ở trạng thái cơ bản (1s1s) của cặp
điện tử - lỗ trống có thể biểu diễn dưới dạng (công thức Kayanuma) [2, 14]:

E1s1s  Eg 

h 2 π2
e2

1.786


12


được phép trong chấm lượng tử bán dẫn khi tính đến tương tác Coulomb giữa điện
tử và lỗ trống được trình bày trên hình 1.4.

Hình 1.3. Các chuyển dời quang cho phép
giữa các trạng thái của điện tử và lỗ trống
được lượng tử hóa trong trường hợp khử
suy biến [13]

Hình 1.4. Các chuyển dời quang được phép
trong chấm lượng tử bán dẫn theo mô hình
cặp điện tử - lỗ trống [13]

Các công (1.11), (1.15), (1.16) cho thấy sự giam giữ lượng tử làm cho độ rộng
vùng cấm hiệu dụng của chấm lượng tử được mở rộng so với độ rộng vùng cấm của
bán dẫn khối; hơn nữa, các chấm lượng tử có kích thước càng bé thì độ rộng vùng
cấm hiệu dụng càng được mở rộng. Các công thức này được sử dụng để đánh giá
kích thước của các chấm lượng tử theo các chế độ giam giữ khác nhau.
1.2. Các tính chất quang lý của các hạt nano chấm lượng tử
1.2.1. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử
Các chấm lượng tử có phổ hấp thụ liên tục và rộng tương tự như của vật liệu
bán dẫn khối với một số đỉnh. Phổ hấp thụ kéo dài từ vùng tử ngoại tới một bước
sóng giới hạn trong vùng nhìn thấy, tương ứng với dịch chuyển cơ bản, được gọi là
bờ hấp thụ (cũng có thể là đỉnh hấp thụ thứ nhất). Các chấm lượng tử không hấp thụ
ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của đỉnh hấp thụ thứ nhất. Do sự phụ
thuộc của các mức năng lượng điện tử - lỗ trống vào kích thước và thành phần hóa
học của chấm lượng tử nên bước sóng tương ứng với đỉnh hấp thụ thứ nhất cũng

trong vật liệu hấp thụ năng lượng chuyển lên trạng thái kích thích và khi điện tử trở
về trạng thái cơ bản nó phát ra photon ánh sáng. Đối với kích thích bằng quang ta
có phổ quang huỳnh quang. Với một chất bán dẫn, điện tử sau khi nhận năng lượng
sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và khi hồi phục về trạng thái cơ bản của nó,
sự phát quang sẽ xảy ra.

14


Giống như vật liệu khối, phổ huỳnh quang của chấm lượng tử cũng phụ thuộc vào
độ rộng vùng cấm. Nhưng nó khác so với vật liệu khối ở chỗ, chấm lượng tử với cùng
một loại vật liệu thì phát ra nhiều màu sắc huỳnh quang khác nhau tương ứng với các
kích thước hạt khác nhau. Do hiệu ứng giam giữ lượng tử, khi kích thước chấm lượng
tử càng nhỏ thì hiệu ứng giam giữ càng mạnh, dẫn tới độ vùng cấm hiệu dụng càng
tăng.Vì vậy phát xạ huỳnh quang càng dịch về phía bước sóng ngắn (hình 1.7).

Hình 1.7. Minh họa sự phát xạ của các chấm lượng tử CdSe phụ thuộc vào kích thước hạt[7].

1.2.3. Thời gian sống phát quang, hiệu suất lượng tử và độ bền quang của các
chấm lượng tử
Thời gian sống phát quang của của các chuyển dời exciton ở chấm lượng tử rất
dài (khoảng vài trục đến hằng trăm nano giây) so với exciton trong vật liệu khối
(thường chỉ khoảng hằng trăm picô giây đến dưới nano giây). Các kết quả về nghiên
cứu động học hạt tải của các chấm lượng tử cho thấy thời gian sống phát quang của
chấm lượng tử cũng lớn hơn thời gian sống huỳnh quang của các chất màu hữu cơ.
Đây là hệ quả của sự giam giữ lượng tử của hạt tải điện, làm giảm xác suất tái hợp phát
quang. Mặt khác nếu xét theo bức tranh hạt thì tương tác của một photon trong vùng
khả kiến (có kích thước tương ứng với bước sóng chính của bó sóng ánh sáng đó, trong
khoảng 380 – 720 nm) với một chấm lượng tử bán dẫn (có kích thước vài nano mét) là
rất yếu. Nếu như có chấm lượng tử bán dẫn có kích thước hàng trăm nano mét sẽ cho

Hiện tượng huỳnh quang nhấp nháy (blinking), tức là nếu quan sát huỳnh
quang của một chấm lượng tử đơn dưới kính hiển vi huỳnh quang thì thấy lúc chấm
lượng tử phát quang, lúc tắt, giống như ngôi sao nhấp nháy trên bầu trời đêm. Hiện

16