LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới cô giáo T.S Vũ Thị Kim Liên và cô
giáo Th.S Chu Việt Hà đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi
cho em trong suốt quá trình thực hiện khoá luận.
Em gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Vật Lý
trường Đại Học Sư Phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em
hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn gia đình và những người bạn cùng làm thực nghiệm đã
động viên giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm khoá luận.
Thái Nguyên ,tháng 5 năm 2009
Sinh viên
Nguyễn Văn Ngọc 1

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 3
Chương 1: TỔNG QUAN 6
1.1 Giới thiệu về chấm lượng tử bán dẫn....................................... 6
1.1.1
Vµi nÐt vÒ chÊt b¸n dÉn..............................................................
6
1.1.2 Các hệ bán dẫn thấp chiều......................................................
6
1.1.3 Các chấm lượng tử bán dẫn (hay nano tinh thể bán dẫn)........ 7
1.1.4 Các mức năng lượng của điện tử trong chấm lượng tử bán
dẫn..............................................................................................
8
1.1.5 Các chế độ giam giữ trong chấm lượng tử............................... 11

3.2 Phổ huỳnh quang của các tinh thể nano CdS và CdS/ZnS.... 39
KẾT LUẬN
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
2
Các công trình công bố liên quan đến khoá luận 47
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, những nghiên cứu về các hệ vật lý bán dẫn
thấp chiều đã không ngừng phát triển và thu được nhiều thành tựu đáng kể.
Trong các hệ bán dẫn thấp chiều, tính chất quang của lớp vật liệu này khác với
bán dẫn khối do hiệu ứng giam giữ các hạt tải điện dẫn đến phản ứng khác biệt
của hệ điện tử trong các cấu trúc lượng tử đối với các kích thích bên ngoài. Có
thể nói hệ bán dẫn thấp chiều là một trạng thái độc đáo của vật liệu, nó cho phép
chế tạo rất nhiều loại sản phẩm với những tích chất hoàn toàn mới rất cấn thiết
cho những nghành công nghệ cao. Lớp vật liệu này hiện đang là đối tượng
nghiên cứu của rất nhiều các công trình khoa học.
Các hệ bán dẫn thấp chiều là những hệ có kích thước theo một hai hoặc
cả ba chiều có thể so sánh với bước sóng De Broglie của các kích thích cơ bản
trong tinh thể. Trong các hệ này, các điện tử, lỗ trống hay các exciton chịu ảnh
hưởng của sự giam giữ lượng tử khi chuyển động của chúng bị giới hạn dọc theo
chiều giam giữ dẫn đến các phản ứng khác biệt của điện tử so với trong bán dẫn
khối.
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

CdS và CdS/ZnS chế tạo trong AOT ” được thực hiện nhằm đóng góp vào sự
hoàn thiện quy trình chế tạo các nano tinh thể bán dẫn với chất lượng được cải
thiện nhằm hướng tới những ứng dụng cụ thể của vật liệu này.
Mục tiêu nghiên cứu
1/ Nghiên cứu chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn CdS và CdS/ZnS bằng
phương pháp Micelle đảo.
2/ Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất bẫy bề mặt và thời gian tạo
tinh thể lên kích thước của chấm lượng tử CdS.
3/ Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp vỏ lên các tính chất quang của các chấm
lượng tử, từ đó hướng tới việc chế tạo các hệ lượng tử này có chất lượng.
4
Nội dung nghiên cứu
1/ Tìm hiểu lý thuyết về các chấm lượng tử bán dẫn.
2/ Chế tạo các nano tinh thể CdS, CdS/ZnS bằng phương pháp Micelle
đảo.
3/ Nghiên cứu tính chất quang của các tinh thể nano bán dẫn đã chế tạo
thông qua các phép đo phổ hấp thụ và phổ quang huỳnh quang.
Phương pháp nghiên cứu
1/ Tổng hợp và xử lý tài liệu.
2/ Thực nghiệm chế tạo mẫu.
3/ Thực nghiệm đo phổ.
5
Chng 1
TNG QUAN
1.1. Gii thiu v chm lng t bỏn dn.
1.1.1. Vài nét về chất bán dẫn.
Chất rắn đợc chia làm ba loại tuỳ thuộc vào tính dẫn điện của nó, đó là:
Chất dẫn điện (hay kim loại) có độ dẫn điện
6 5 -1 -1
= 10 10 cm

, , và nhiều hợp chất
hữu cơ khác. ở đây, chúng tôi nghiên cứu vật liệu bán dẫn nhóm A
II
B
VI
, cụ thể là
CdS.
1.1.2. Cỏc h bỏn dn thp chiu.
Cỏc h bỏn dn thp chiu l cỏc h bỏn dn cú kớch thc theo mt, hai,
ba chiu cú th so sỏnh c vi bc súng De Broglie ca cỏc kớch thớch c
bn trong tinh th. Trong cỏc h ny cỏc ht nh in t, l trng v exciton s
chu s giam gi dc theo cỏc trc giam gi. ng thi, khi kớch thc ca h
so sỏnh c vi bc súng De Broglie ca cỏc kớch thớch c bn, thỡ nghim
6
của phương trình Schrodinger cho thấy số chiều đóng một vai trò quan trọng
trong phổ năng lượng của hệ. Số chiều này có thể chia làm bốn truờng hợp :
• Hệ ba chiều (3D) hay bán dẫn khối: Phổ năng lượng điện tử liên tục, các
hạt tải chuyển động gần như tự do.
• Hệ hai chiều (2D) hay giếng lượng tử: Các hạt tải bị giới hạn theo một
chiều trong khi chúng tự do theo hai chiều còn lại. Phổ năng lượng bị gián
đoạn theo chiều bị giới hạn.
• Hệ một chiều (1D) hay dây lượng tử: Các hạt tải bị giới hạn theo hai
chiều, chúng chuyển động tự do dọc theo chiều dài của dây. Phổ năng
lượng bị gián đoạn theo hai chiều trong không gian.
• Hệ không chiều (0D) hay các chấm lượng tử: Các hạt bị giới hạn theo cả 3
chiều trong không gian và không thể chuyển động tự do. Các mức năng
lượng bị gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian.
1.1.3. Các chấm lượng tử bán dẫn (hay nano tinh thể bán dẫn).
Chấm lượng tử là một hạt nhỏ, kích thước cỡ nm (10
-9

2
-ψ + V r ψ = Eψ
2m
∇
r
h
(1.1)
trong đó:
( )
0 khi r < R
V r =
khi r R


∞ ≥

r
với R là bán kính hình cầu. Hạt chuyển động trong hộp thế cầu thì thế năng của
nó bằng 0, ta có phương trình (1.1) trở thành:
2
2
-
ψ = Eψ
2m
∇
h
(1.2)
Xét trong hệ toạ độ cầu (r, θ, ϕ), toán tử Laplace được biểu diễn theo công
thức:
2

phng trỡnh:
( )
2 2 2
2
d u
- + V + l l + 1 u = Eu
2m dr 2m
h h
(1.5)
Ht chuyn ng trong hp th cu nờn cỏc giỏ tr nng lng c biu
din theo cụng thc:
E
nl
=
2 2
nl
2

2mR
h
(1.6)
trong ú
nl
l cỏc nghim ca hm cu Bessel. Cỏc trng thỏi ng vi cỏc giỏ
tr l khỏc nhau c kớ hiu l trng thỏi s, p, d, f, g Khi l = 0 thỡ
nl
nhn cỏc

Tuy nhiên trong chấm lợng tử bán dẫn, điện tử vẫn còn chịu ảnh hởng của trờng
9
tinh thể, do ú chúng ta cn phi kt hp vi bài toán chuyển động của điện tử
trong trờng tinh thể.
i vi bi toỏn chuyn ng ca in t trong trng tinh th ta coi ú l
bi toỏn ca ht chuyn ng trong trng th tun hon: U(x) = U(x + a), a l
hng s mng trong tinh th. Hm súng ca in t l hm Bloch (l hm súng
phng b bin iu theo chu k ca hm th nng). Ph nng lng v ng
cong tỏn sc khỏc vi trng hp ht t do. Ton b cỏc giỏ tr ca vộc t súng k
tn ti gia cỏc khong tng ng:
-/a < k< /a; /a < k< 3/a; 3/a < k< 5/a;. (1.8)
vi rng mi khong l 2/a. Mi khong ny cha tp cỏc giỏ tr ca
vect súng k, c gi l vựng Brillouin. ng cong tỏn sc cú cỏc im giỏn
on ti:
k
n
= n/a, n = 1, 2, 3, . (1.9)
Tại giá trị k này hàm sóng là sóng đứng, đó là kết quả của sự phản xạ nhiều
lần từ cấu trúc tuần hoàn của tinh thể. Với mỗi giỏ tr k
n
, tồn tại 2 sóng đứng với
thế năng khác nhau. Điều này dẫn đến sự xuất hiện năng lợng vùng cấm mà xen
giữa nó không tồn tại sóng lan truyền.
Khi coi điện tử chuyển động trong tinh thể gần đúng nh điện tử chuyển
động tự do nhng với khối lợng hiệu dụng m
*
, giải phơng trình Schrửdinger ta tìm
đợc biểu thức nng lng là:
E(k) =
)k(m2

2m
∇
∑
h
-
2
2
h
*
i
h
2m
∇
∑
h
+
2
e h
e
ε r - r
(1.12)
Tương tự nguyên tử Hydro, exciton được đặc trưng bởi bán kính Bohr
exciton a
B
. Năng lượng Rydberg exciton được xác định như sau:
2 4
*
y
2
B

(1.14)
1.1.5.Các chế độ giam giữ trong chấm lượng tử .
Đối với các chấm lượng tử, ta giả thiết các điện tử và lỗ trống có khối
lượng hiệu dụng đẳng hướng, tùy thuộc vào tỉ lệ giữa bán kính R của chấm
lượng tử và bán kính Bohr a
B
exciton, ta sẽ xét 3 trường hợp giam giữ, đó là chế
độ giam giữ mạnh và chế độ giam giữ yếu, và chế độ giam giữ trung gian. Hiệu
ứng giam giữ lượng tử thể hiện khác nhau trong mỗi chế độ giam giữ khác nhau.
Ta đi tìm hiểu từng trường hợp cụ thể.
1.1.5.1. Chế độ giam giữ yếu.
Chế độ giam giữ yếu ứng với trường hợp bán kính chấm lượng tử R là
nhỏ nhưng vẫn lớn hơn vài lần so với bán kính Bohr exciton a
B
(cụ thể là R >
4a
B
) Trong trường hợp này xuất hiện sự lượng tử hóa chuyển động của khối tâm.
11
Xut phỏt t nh lut tỏn sc (1.14) v thay giỏ tr ng nng ca exciton vo,
ta cú nng lng ca exciton trong trng hp giam gi yu cú dng sau:
*
2 2
y
ml
nml g
2 2
R

E = E - +

y
R
2
B
a
1-
M R

(1.17)
Nh vậy, cộng hởng exciton đầu tiên dịch về phía năng lợng cao một giá trị là:
1s1s
E
=
2
*
B
y
a

R
M R

m
2
(1.15)
Điện tử và lỗ trống tự do có phổ năng lợng là:
e
ml
E
= E
g
+
2 2
ml
2
e

2m R
h
(1.16)
12
(1.11)
h
ml
E
=
2 2
ml
2
h

2m R

(1.19)
cng nh hn ỏng k so vi
*
y
R
.
1.1.5.2. Ch giam gi mnh.
Gii hn giam gi mnh tng ng vi iu kin R < a
B
. iu ú cú
ngha l in t v l trng b giam gi khụng cú trng thỏi liờn kt tng ng
vi exciton kiu hydro v ng nng im khụng ca in t v l trng ln hn
ỏng k giỏ tr
*
y
R
do giam gi. Trong trng hp ny, chuyn ng khụng
tng quan ca in t v l trng cú th c xem nh phộp gn ỳng bc 1 v
tng tỏc Coulomb cú th b qua. Khi ú, mi ht cú ph nng lng c cho
bi phng trỡnh (1.16). Cỏc nh lut bo ton nng lng v xung lng a
n kt qu trong cỏc quy tc chn lc l cỏc dch chuyn quang hc c phộp,
l cỏc dch chuyn gia cỏc trng thỏi ca cp in t v l trng cú cựng cỏc s
lng t chớnh v s lng t qu o. Do ú ph hp th quay v mt tp hp
ca cỏc di ri rc cú cỏc nh ti cỏc giỏ tr nng lng:
2
nl
2

2m
∇
h
+
2
e h
e
ε r - r
+ V(r) (1.21)
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 ở trạng thái cơ bản
(1s1s) của cặp điện tử - lỗ trống có thể biểu diễn dưới dạng [9]:
E
1s1s
= E
g
+
2 2
2
π
2μR
h
- 1,786
2
e
εR
(1.22)
trong đó số hạng tỉ lệ với
2



+
π
he
2
22
m
1
m
1
a2
2
- 1,786
2
e
εR
(1.23)
14
(1.17)
Khi khai trin lch gia nng lng ca cp in t - l trng v rng
vựng cm ca bỏn dn E
g
di dng chui, Schmit v Weller v Kaynuma
(1986) ó tỡm ra biu thc nng lng ca ca nh hp th th nht l [16]:

2 2 * * *
B B
1s1s g y y y
a a

B
. Trong trờng hợp này ta có nng lng ca in t ln
hn rt nhiu so vi tng tỏc Coulomb gia in t v l trng, nhng nng
lng ca l trng li nh hn nhiu so vi tng tỏc ny. Trong trng hp ny
khối lợng của điện tử là nhỏ hơn nhiều so với khối lợng của lỗ trống (m
e
/m
h
<< 1),
cho nờn iện tử bị lợng tử hoá bởi thế giam giữ và lỗ trống có thể coi nh không
dịch chuyển mà định xứ tại tâm của chấm lợng tử.
Với chế độ giam giữ trung gian, các trạng thái năng lợng và phổ hấp thụ của
chấm đợc xác định chủ yếu bởi sự lợng tử hoá chuyển động của điện tử. Tuy nhiên
do tơng tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống, mỗi mức điện tử bị tách thành vài
mức con. Vị trí cực đại hấp thụ đầu tiên của chấm có thể đợc mô tả bởi biểu thức
[11]:
15
2
*
1s1s g y
B B
R 2R
E E 8 E exp
a a

= +
(1.36)

16
nhiệt độ cao và có các lỗ xốp kích thước nanomet, sau đó các nano tinh thể được
đưa vào các lỗ xốp này. So với thuỷ tinh chế tạo theo lối cổ truyền, thuỷ tinh
xốp có thể chứa vật liệu bán dẫn với mật độ rất cao [1]. Các nano tinh thể chế
tạo theo phương pháp này có ít các sai hỏng do kết tủa ở nhiệt độ thấp. Tuy
nhiên, kỹ thuật sol-gel trong giai đoạn hiện nay đang gặp phải một số vấn đề bất
cập trong việc khống chế kích thước và tạo phân bố kích thước hẹp. Phổ quang
học của các nano tinh thể trong thuỷ tinh xốp thường bị mở rộng, trước tiên là
do phân bố kích thước rộng. Do đó việc nghiên cứu để tìm ra sự khống chế kích
thước của các chấm lượng tử là rất quan trọng [1].
1.2.2. Nano tinh thể trong zeolite.[1]
Zeolite là vật liệu Al-O-Si kết tinh với các khung được sắp xếp đều đặn có
kích thước cỡ 1 nm. Việc tổng hợp các đám nano tinh thể bán dẫn bên trong
khung này cung cấp một chuỗi các chấm lượng tử với phân bố kích thước hẹp và
do đó thể hiện độ mở rộng bất đồng nhất rất nhỏ của phổ quang học. Một số
nano tinh thể đã được chế tạo trong zeolite như CdS, PbI
2
. Tuy nhiên mạng nền
zeolite không cung cấp bất kỳ một khả năng nào để thay đổi kích thước của các
nano tinh thể. Kích thước của các nano tinh thể được quy định bởi kích thước
của khung. Đối với phương pháp này, kích thước của mẫu là rất nhỏ (với kích
thước cả ba chiều không lớn hơn 100 µm) nên việc ứng dụng các nano tinh thể
chế tạo theo phương pháp này là không được rộng rãi.
1.2.3. Màng thuỷ tinh, bán dẫn composite. [1]
Màng thuỷ tinh, bán dẫn composite dùng để đưa các tinh thể nano Si và
Ge phân tán vào trong nền SiO
2
. Phương pháp được dựa trên tần số vô tuyến của
manheton phẳng khi thổi Si hoặc Ge trong khí hydro hoặc khí argon vào đế silic
với màng mỏng oxyde silic tự nhiên. Màng mỏng oxyde silic lại được giữ trên

2+
+ S
2-
) (CdS)
N
Việc tổng hợp thờng đợc tiến hành qua hai bớc [1]. Thứ nhất, muối Cadimi
hoặc các chất tơng tự (CdCl
2
, Cd(OCOCH
3
, Cd(NO
3
)
2
) đợc hoà tan vào các dung
môi hữu cơ. Thứ hai, các ion mang điện tích âm nh S
2-
, Se
2-
sẽ đợc thêm vào nhờ
các hợp chất H
2
S, H
2
Se, Na
2
S,
Đối với các hạt tải là các ion nhóm VI, tác nhân phản ứng cơ kim cho thấy
rất hữu ích [1]. Đối với các hợp chất hydro, chất phản ứng cơ kim là ổn định hơn
và hoà tan đợc trong các dung môi hữu cơ. Hơn nữa chúng cũng có thể đóng góp