A – MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm
1980 trong các phòng thí nghiệm của Louis Brus tại Bell Laboratories và của
Alexander Efros và Alexei I. Ekimov, ở Viện Công nghệ Vật lý A.F. Ioffe ở St.
Peterburg [1]. Thuật ngữ “chấm lượng tử” đã được Mark A. Reed đưa ra đầu
tiên vào năm 1988 [2], trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang,
mà các exciton của chúng bị giam giữ trong cả ba chiều không gian, đây là sự
giam giữ lượng tử. Các electron và lỗ trống bị giam giữ một cách nghiêm ngặt
khi bán kính của chấm lượng tử nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton, kích thước
điển hình cỡ từ 2 – 20 nm.
Các chấm lượng tử do kích thước rất nhỏ bé của chúng từ 2 – 20nm nên
đã thể hiện các tính chất điện tử và quang học thú vị. Trong vòng 20 năm gần
đây, các nghiên cứu mạnh mẽ về chấm lượng tử đã được tiến hành và đạt được
các tiến bộ to lớn trong việc tổng hợp các chấm lượng tử, cũng như trong việc
hiểu biết về các tính chất quang và điện của chúng [3]. Các nano tinh thể chấm
lượng tử bán dẫn là các hạt phát sáng rất bé ở kích thước nm. Các hạt này đã
được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho các ứng dụng đa dạng, ví
dụ như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang
điện tử, trong các linh kiện phát sáng, trong các ứng dụng y – sinh như hiện ảnh
phân tử và tế bào các cảm biến sinh học nano (nano – biosensor) [4]. Có thể nói,
hiện nay là thời đại của chấm lượng tử vì có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn và nổi
bật của chấm lượng tử trong các lĩnh vực kể trên.
Đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano là các vật liệu có kích thước cỡ
nanomet, trong đó CdSe là chấm lượng tử được nghiên cứu nhiều do phổ phát xạ
của chúng nằm trong vùng phổ nhìn thấy. Các chấm lượng tử CdSe là một trong
các loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất ở trong và ngoài nước vì khả năng
ứng dụng đa dạng của chúng [7], hiệu ứng giam giữ lượng tử và tính chất huỳnh
quang thay đổi phụ thuộc vào kích thước của chúng có thể quan sát thấy một
1


2


- Nghiên cứu công nghệ chế tạo và ứng dụng của chấm lượng tử CdSe
trong công nghệ và đời sống.
- Nghiên cứu tính toán sự hấp thụ quang – từ của hai photon trong mô hình
chấm lượng tử.
4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
5. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu những vấn đề tổng quan, tính chất của chấm lượng tử CdSe,
tính toán hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử.
6. Cấu trúc của đề tài
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, phần nội dung
chính của đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết về bán dẫn chấm lượng tử CdSe.
Chương 2: Tính chất của hệ tải hạt trong chấm lượng tử CdSe.
Chương 3: Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình
bán dẫn chấm lượng tử.

3


B – NỘI DUNG
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ BÁN DẪN CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
1.1. Khái niệm các giả hạt
Các electron trong vùng dẫn của tinh thể có thể được mô tả như các hạt có
1


4


đúng bằng khối lượng electron, trong khi trong tinh thể, khối lượng hiệu dụng
𝑚ℎ∗ thường lớn hơn khối lượng hiệu dụng của electron 𝑚𝑒∗ .
Các electron và lỗ trống được mô tả bởi thông kê Fermi – Dirac với hàm
phân bố:
𝑓(𝐸) =

1
𝐸−𝐸𝐹
𝑒 𝑘𝑇 +1

,

(1.1)

trong đó 𝐸𝐹 là thế năng hóa học và được gọi là năng lượng Fermi, 𝑘 là hằng số
Boltzmann, 𝑇 là nhiệt độ tuyệt đối.
Năng lượng vùng cấm tương ứng với năng lượng tối thiểu tạo ra một cặp
hạt mang điện tự do, đó là electron và lỗ trống. Cách mô tả bằng các electron và
lỗ trống không tương tác như là các kích thích cơ bản tương ứng được gọi là bức
tranh một hạt.
Trong thực tế, các electron và lỗ trống đều là các hạt tích điện nên có
tương tác với nhau thông qua thế Coulomb và tạo nên một giả hạt đặc biệt tương
ứng với trạng thái liên kết kiểu nguyên tử của cặp electron - lỗ trống và được gọi
là exciton.
1.2. Các cấu trúc thấp chiều
Cấu trúc có độ dày các lớp bán dẫn kế tiếp nhau cỡ nanomet được gọi là
cấu trúc nano. Bằng các kĩ thuật tinh vi trong việc nuôi tinh thể, người ta đã tạo

hoặc một chiều (hệ 1D) và đặc biệt đối với hệ không chiều (hệ 0D) hạt bị giam
giữ theo mọi phương. Đặc điểm này tạo cho các hệ thấp chiều những tính chất
khác thường mà ở bán dẫn khối không thể có được. Hai sự khác biệt có thể nhận
thấy giữa các hệ thấp chiều so với vật liệu khối là có sự phân bố lại mật độ trạng
thái và có sự biến đổi năng lượng của hạt tải.
Về mặt năng lượng, trong các hệ thấp chiều, hạt tải có thêm năng lượng
giam giữ do chuyển động bị giới hạn so với hệ ba chiều. Cụ thể, với hệ hai chiều
có kích thước bị giới hạn dọc theo trục 𝑧 là lz thì năng lượng lượng tử hoá theo
trục 𝑧 là:
𝐸𝑛𝑧 =

ℏ2 𝜋 2
∗ 𝑙2
2𝑚𝑒,ℎ
𝑧

𝑛𝑧2 ,

(1.2)

với 𝑛𝑧 là các số nguyên, 𝑛𝑧 = 1,2,3, …
Hệ một chiều, có thêm kích thước ly bị giới hạn dọc theo trục 𝑦 thì năng
lượng lượng tử hoá chuyển động hạt tải trong trường hợp này:
6


𝐸𝑛𝑦,𝑧 =

ℏ2 𝜋 2
∗

được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước của hệ.
1.3. Chấm lượng tử CdSe
Các vật liệu và công nghệ nano đã phát triển rất mạnh trong những thập
niên vừa qua. Tính chất quan trọng thú vị của các vật liệu này là sự thay đổi các
tính chất vật lý và hóa học xảy ra khi kích thứớc của chúng giảm dần tới rất nhỏ.
Các nano tinh thể bán dẫn có tính chất đặc biệt, khi kích thước của nano tinh thể
là đủ nhỏ thì các tính chất quang và điện cơ bản của các chất bán dẫn thay đổi so
7


với vật liệu dạng khối, thông qua hiệu ứng cơ lượng tử. Bản chất của sự thay đổi
này, còn được gọi là sự giam giữ lượng tử, xảy ra khi chiều của tinh thể trở nên
nhỏ, đến mức các hạt tải bị kích thích quang nhận thấy chạm được các bờ biên.
Nhỏ trong trường hợp này được xác định là so với kích thước đặc trưng của một
cặp electron – lỗ trống liên kết, hay còn gọi là exciton liên kết trong vật liệu bán
dẫn. Giá trị này được gọi là bán kính Bohr của exciton.
Các chấm lượng tử CdSe là các hạt vật liệu bán dẫn rất nhỏ được phân tán
trong một dung dịch chất lỏng tạo thành dạng lơ lửng huyền phù. Các chấm
lượng tử nhỏ nhất chứa khoảng vài trăm nguyên tử, trong khi các hạt lớn nhất
chứa hàng chục nghìn nguyên tử. Để ổn định và cải thiện các tính chất quang,
các chấm lượng tử CdSe thường được bọc một cách đồng tâm, bằng một vật liệu
có độ rộng dải cấm lớn hơn như ZnS, ZnSe hay CdS.
Mặc dù các chấm lượng tử có được bọc lớp vỏ như trên hay không, thì tất
cả các chấm lượng tử huyền phù đều được bao quanh bằng các chất hữu cơ liên
kết bề mặt, hoặc các nhóm chất khác, tùy thuộc vào môi trường nước hay hữu cơ
chế tạo ra chúng, hay làm biến đổi bề mặt chúng và chức năng hóa bề mặt
chúng. Các chất hữu cơ liên kết bề mặt này làm thụ động hóa bề mặt của chấm
lượng tử và làm cho chúng phân tán và tan vào trong dung môi đã cho, hay là
tan trong nước. Các phosphine hay phosphine oxide mạch dài điển hình như
trioctylphosphine (TOP) được dùng để bám vào các chấm lượng tử, các amine

tinh thể được chế tạo rất tinh khiết và các hạt đồng dạng với nhau. Ngay sau khi
chế tạo thành công chấm lượng tử bằng phương pháp tổng hợp TOP/TOPO,
nhiều phòng thí nghiệm lớn đã tiến hành những nghiên cứu sâu về tính chất
quang của tinh thể CdSe được tổng hợp bằng phương pháp này.
Phương pháp bọc các chấm lượng tử huyền phù được sử dụng bằng cách
tiêm rất chậm các tiền chất vô cơ, từng giọt vào chấm lượng tử lõi ở nhiệt độ cao
trong dung môi có nhiệt độ sôi cao [5]. Mặc dù có sự sai lệch mạng
(~ 12%) của ZnS đối với CdSe, việc bọc thêm một lớp vỏ dày (từ một vài tới
cỡ hàng chục đơn lớp, độ dày một đơn lớp vỏ được lấy theo hằng số mạng.
Các chấm lượng tử còn được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng trong
môi trường chân không (phương pháp Stranski-Krastanow) [6]. Trong trường
hợp này, sự sai lệch mạng giữa vật liệu lắng đọng và vật liệu đế ảnh hưởng đáng
kể lên các tính chất của vật liệu lắng đọng. Phương pháp này thường tạo ra các
9


tinh thể kích thước nanomet hình kim tự tháp bị dẹt đầu, nhưng có khi đường
kính lên tới cả 100 nm, và sự phân bố kích thước của chúng không thể được
kiểm soát. Cũng vì chúng lớn hơn đáng kể so với chấm lượng tử huyền phù, các
hiệu ứng giam giữ lượng tử của chúng thường ít biểu hiện rõ.

10


Khóa luận đủ ở file: Khóa luận full