Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài............................................................................................. 1
2. Điểm mới của đề tà i......................................................................................2
3. Mục đích nghiên cứu......................................................................................3
4. Nội dung nghiên cứu......................................................................................3
5. Phuơng pháp nghiên cứu................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................... 4
1.1. Chấm luợng tử.............................................................................................4
1.2. Chấm luợng tử silic...................................................................................13
1.2.1. Cấu trúc tinh thể của Silic.................................................................... 13
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử và tính chất quang...................................... 14
1.2.3. Ảnh huởng của cấu trúc hóa học bề mặt đến tính chất quang của chấm
luợng tử silic..................................................................................................... 16
1.2.4. Các tiềm năng ứng dụng của chấm luợng tử Silic............................... 18
1.2.5. Các phuơng pháp tổng họp chấm luợng tử silic ................................. 19
1.3. Phuơng pháp vi nhũ tổng họp hạt nano polystiren............................... 22
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM.......................................................................24
2.1. Tổng họp chấm luợng tử silic từ octyltriclosilic..................................... 24
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ...............................................................................24
2.1.2. Cách tiến hành........................................................................................24
2.2. Tổng họp hạt nano SiQDs-polystiren bằng phuong pháp vi nhũ ........ 25
2.2.1. Hóa chất sử dụng...................................................................................25
2.2.2. Cách tiến hành........................................................................................25
2.3.
Các phuơng pháp nghiên cứu chấm luợng tử silic ............................. 26
2.3.1. Phổ hồng ngoại IR..................................................................................26
2.3.2. Phổ hấp thụ UV-vis................................................................................27
2.3.3. Phổ phát xạ huỳnh quang..................................................................... 28
2.3.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)............................................... 29
2.3.5. Phân tích kích thước hạt keo bằng DLS............................................... 30
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN..................................................... 31
3.1. Tổng họp chấm lượng tử silic từ OTS.................................................... 31
3.1.1. Sự hình thành chấm lượng tử silic....................................................... 31
3.1.2. Cấu trúc của chấm lượng tử silic......................................................... 33
3.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử silic............................................. 34
3.2. Tổng hợp hạt nano SiQDs-Polystiren....................................................35
3.2.1. Sự hình thành của hạt nano....................................................................35
3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ KOH/OA đến kích thước hạt nano SiQDs......... 37
3.3. Sự hình thành, cấu trúc và tính chất quang của hạt SiQDs-PS............. 38
KẾT LUẬN.....................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................43
DANH MỤC CÁC TỪ VIÉT TẮT
AIBN
: Chất tạo gốc tự do
DLS
: Phương pháp xác định phân bố kích thước hạt bằng tán xạ
laze (Laser Scattering Particle Size Distribution Analyze)
Eg
: Độ rộng vùng cam
HR-TEM
: Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
LED
: (light-emitting diodes): Đèn LED
nm
: nanomét
OA
: axit oleic
OTS
: octyltriclosilic
OTS-SiQDs : Chấm lượng tử Silic với nhóm chức bề mặt là octyltriclosilic
PS
: Polystiren
QDs
: Chấm lượng tử
SiQDs
: Chấm lượng tử silic
SiQDs-PS
: Hạt nano cấu trúc lõi vỏ chấm lượng tử Si-Polystiren
TEM
: Kính hiển vi điện tử truyền qua
TOAB
: tetraoctylammonium brom, chất hoạt động bề mặt
YAG
: Yttrium aluminium gamet
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
Bảng 1. Tính chất vật lý của silic ở 300K .......................................................16
Hình 1.1. Cấu trúc năng lượng điện tử của chất bán d ẫ n ................................. 4
Hình 1.2. Các dạng chuyển mức vùng-vùng trong bán d ẫn ............................ 5
Hình 1.3. Sự thay đổi cấu trúc điện tử theo kích thước của bán dẫn................ 8
Hình 1.4. Tính chất hấp thụ và phát xạ quang học của chấm lượng tử ........... 9
Hình 1.5. Sơ đồ trải phẳng một chiều của mạng tinh thể Silic .................... 13
Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể Silic.......................................................................14
Hình 1.7. Cấu trúc điện tử của chấm lượng tử silic.........................................15
Hình 1.8. Anh hưởng của cấu trúc hóa học bề mặt đến sự phân bố của
electron và lỗ trống trong chấm lượng tử silic............................... 17
Hình 1.9. Tổng họp SiQDs theo phương pháp oxi hóa các hỗn họp của Si
và kim loại kiềm ..............................................................................20
Hình 1.10. Tổng họp SiQDs theo phương pháp khử hóa SiCU trong hệ vi
nhũ tương......................................................................................... 22
Hình 1.11. Nhũ tương dầu trong n ư ớ c .......................................................... 23
Hình 2.1. Sơ đồ tổng họp chấm lượng tử silic từ octyltriclosilic................... 25
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của phép đo phổ huỳnh quang ............................ 28
Hình 3.1. Sự hình thành của chấm lượng tử silic............................................ 31
Hình 3.2. Ảnh TEM của chấm lượng tử silic..................................................33
Hình 3.3. Phổ hồng ngoại FT-IR của chấm lượng tử silic............................ 33
Hình 3.4. Tính chất phổ hấp thụ (màu xanh) và phổ phát xạ huỳnh quang
(màu đỏ) của chấm lượng tử silic ................................................. 34
Hình 3.5. Mô tả quá trình thí nghiệm sự hình thành hệ vi nhũ dầu trong
nước tạo hạt nano polystiren......................................................... 36
Hình 3.6. Phổ hấp thụ u v của hạt nano polystyren trong n ư ớ c................... 40
Hình 3.7. Phân bố kích thước hạt sử dụng DLS ........................................... 37
Hình 3.8. Mô hình SiQDs-PS từ OTS-SiQDs............................................... 39
Hình 3.9. Phổ phát xạ huỳnh quang của SiQDs-PS kích thích ở bước
sóng 320 n m ...................................................................................40
MỞ ĐẦU
1. Lí do chon đề tài
Chấm lượng tử (quantum dots: QDs) là thuật ngữ dùng để chỉ hạt hình
cầu có cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn, có đường kính d đủ nhỏ để làm xuất
hiện các hiệu ứng giam hãm lượng tử. Khác so với bán dẫn rắn, QDs có độ
rộng vùng cấm (energy gap: Eg) tăng tuyến tính vói ì/d, có các trạng thái bị
lượng tử hóa, có số nguyên tử nằm trên bề mặt đáng kể so với tổng số nguyên
tử cấu trúc, và đặc biệt có thể tan trong một số dung môi. Các QDs 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 chuyển hóa
ánh sáng mặt trời thành các cặp điện tử, chuyển đổi ánh sáng năng lượng cao
thành ánh sáng có năng lượng thấp hơn, cảm biến quang học, các linh kiện
quang điện tử, các detector siêu nhậy, trong các linh kiện phát sáng QDs-LED
, trong các ứng dụng y-sinh học như đánh dấu sinh học, các cảm biến sinh học
nano-biosensor. Có thể nói, hiện nay là thời đại của chấm lượng tử vì nó có
rất nhiều ứng dụng nổi bật trong các lĩnh vục kể trên. Có nhiều loại chấm
lượng tử khác nhau và dựa vào sự phân bố của các nguyên tố trong bảng tuần
hoàn người ta chia ra thành: QDs nhóm II-VI (ví dụ như CdX, X = Se,
Te), ni-V
(vỉ
dụ như InP, InAs, GaAs), QDs nhóm IV như: Si,
c,
s,
Ge. Tuy
nhiên, một trong những vấn đề hạn chế ứng dụng các kim loại nặng cho các
sản phẩm thương mại, ừong đó đặc biệt có liên quan tói các sản phẩm liên
quan đến y tế có ứng dụng trên cơ thể con người của các chấm lượng tử
truyền thống là sử dụng các nguyên tố kim loại nặng độc hại như Cd và Pb.
Không giống như các vật liệu truyền thống, bán dẫn silic không độc,
giá rẻ (chiếm phần lớn trong lớp vỏ ừái đất sau oxi), tương thích sinh học cao,
ổn định điện hóa, và là một vật liệu thiết yếu trong ngành công nghiệp điện tử.
SiQDs đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng sinh học vì nó không độc.
1
Các SiQDs mới tổng hợp thường có cấu trúc bề mặt được bao phủ bởi
các liên kết Si-H dễ bị oxi hóa thành các cấu trúc SiOx. Tuy nhiên, khi SiQDs
bị oxi hóa thì chúng mất đi hiệu ứng dam hãm lượng tử (màu sắc phát xạ
không phụ thuộc vào kích thước). Do đó, để thụ động hóa bề mặt và ngăn
chặn quá trình oxi hóa, các liên kết Si-H bề mặt thường được silyl hóa với các
anken để hình thành các liên kết hóa trị Si-C bền vững hơn. Do sự hạn chế về
không gian, các phân tử anken không thể đến và phản ứng hoàn toàn vói tất
cả các nhóm Si-H được. Các nhóm Si-H còn lại sẽ bị oxi hóa dần theo thời
gian và làm cho tính chất quang học của SiQDs thay đổi.
Mặt khác, để ứng dụng SiQDs vào sinh học, SiQDs phải tan vào nước,
trong khi đó SiQDs được bao bọc bởi các nhóm alkyl như octyl, hexadecyl lại
tan trong dầu. Nếu thực hiện phản ứng silyl hóa Si-H với các anken có nhóm
chức phân cực như -NH2 hay -COOH ở cuối mạch thì SiQDs hình thành có
kích thước động học nhỏ (~10 nm) hay tốc độ khếch tán quá nhanh trong cơ
thể sinh vật.
Để có thể đồng thòi tạo ra hạt nano chức năng vừa ổn định quang học,
tan ừong nước và có kích thước lớn hơn, chứng tui quyết định bọc SiQDs với
lớp polyme polystiren (PS) tạo thành hạt nano cấu trúc lõi-vỏ SiQDs-PS.
2. Điểm mói của đề tài
Tổng hợp chấm lượng tử SiQDs ừên cơ sở khử hóa họp chất cơ silic
không sử dụng chất hoạt động bề mặt. Hợp chất cơ silic (octyltriclosilic:
OTS) được dùng như là một nguồn ba chức năng: nguồn silic, nguồn bảo vệ
bề mặt chấm lượng tử, và tạo vi nhũ tương trong dung môi hữu cơ.
SiQDs thu được có các nhóm octyl trên bề mặt tiếp tục được hòa tan
vào styren monome để thực hiện phản ứng polyme hóa sử dụng kỹ thuật vi
nhũ tương (vi nhũ styren trong nước) với axit oleic là chất ổn định cấu trúc.
2
3. Mục đích nghiên cứu
- Tổng hợp chấm lượng tử silic (SiQDs) bằng phương pháp khử hóa
hợp chất cơ slic: OTS.
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng phổ
hấp thụ ƯV-Vis và phổ huỳnh quang (PL: photoluminescence).
- Tổng hợp hạt nano polystiren (PS) bằng phương pháp vi nhũ tương.
- Tổng hợp cấu trúc SiQDs-PS cấu trúc lõi-vỏ. Tính chất quang học.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tài liệu: phương pháp tổng họp, mối quan hệ giữa cấu trúc
hóa học và tính chất hấp thụ, phát xạ của SiQDs.
- Tổng họp chấm lượng tử SiQDs.
- Đặc trưng cấu trúc của chấm lượng tử thu được bằng các phương
pháp phổ hồng ngoại IR, ảnh electron truyền qua TEM.
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng
quang phổ hấp thụ UV-Vis và quang phổ phát xạ PL.
5. Phương pháp nghiền cứu
Thực nghiệm kết họp với lý thuyết mô phỏng.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Chấm lượng tử [2,13,14]
Chấm lượng tử (QDs: quantum dots) là khái niệm chỉ những hạt tinh
thể hình càu của chất bán dẫn, có kích thước đủ nhỏ - thường từ vài đến vài
chục nanomet - để xuất hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử.
Cấu trúc năng lượng của điện tử ttong mạng nguyên tử của chất bán
dẫn gồm ba vùng: Vùng hóa trị: Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang
năng lượng, là vùng mà điện tử được lấp đầy.
Vùng dẫn: Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ
linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, chất
sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện
tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức
năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Khoảng cách
giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng
lượng vùng cấm (Eg).
Ạ
Các
mức
Vùng dẫn
chưa
lấp
Vùng cấm
Năng
lượng
Các
mức
đã được
lấp
đầy
Vùng hóa trị
Hỉnh 1.1. Cẩu trúc năng lượng điện tử của chất bán dẫn [14]
4
Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện
hay không dẫn điện. Với Eg là năng lượng vùng cấm:
. Nếu Eg >4 eV thì chất rắn đó là chất cách điện.
. Nếu Eg = 0 eV thì vùng dẫn và vùng hóa trị trộn lẫn với nhau và là
chất dẫn điện: VD Al, F e...
. Nếu 0< Eg Eg)
Ẳ
trong khi phát xạ photon có năng lượng tưomg ứng với Eg của nó.
Dựa vào quá trình kích thích và bền hóa hạt tải như mô tả trên hình 1.4,
và do cùng một chất nhưng những chấm lượng tử có kích thước khác nhau sẽ
phát xạ ra các màu khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hay tử ngoại nên
QDs có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: [1,6, 11]
Trong đèn LED (light-emỉtting dỉodes): QDs được sử dụng thay thế
hỗn hợp oxit kim loại hiếm YAG có tác dụng chuyển hóa ánh sáng năng
lượng cao phát ra từ LED chip ( \ ED«431 nm) thành các màu sắc khác nhau.
hay sử dụng QDs có kích thước khác nhau để chuyển ánh sáng xanh này
thành ánh sáng trắng dùng trong chiếu sáng. Tưcmg tự như vậy, QDs có Eg
nhỏ có thể được sử dụng để chuyển ánh sáng mặt trời thành ánh sáng đỏ có
tác dụng sưởi ấm và kích thích quang hợp của cây trồng. QDs kích thước khác
nhau có thể được tích họp lại với nhau để cho các màu sắc có độ sắc nét cao
trên các màn hình TV thế hệ tiếp theo.
10
Trong các pin mặt trài: QDs được sử dụng để hấp thụ ánh sáng mặt
tròi. Ket quả của quá trình hấp thụ này là QDs tạo ra các cặp electron - lỗ
trống. Nếu các cặp điện tử này bị phân tách và chuyển về các điện cực khác
nhau ta sẽ thu được dòng điện. QDs với kích thước khác nhau có thể được sử
dụng để hấp thụ riêng rẽ từng phân đoạn của quang phổ mặt ười, kể cả vùng
hồng ngoại.
Trong xúc tác quang hóa: QDs có thể được sử dụng để tạo ra các cặp
điện tử - lỗ ưống qua quá trình hấp thụ quang học. Đặc điểm của electíon và
lỗ ưống kích thích là chúng không bền vững, dễ dàng tham gia vào các quá
trình khử hóa (hay oxi hóa đối vói lỗ ưống).
Cảm biến sinh học (biosensors). Cảm biến sinh học là một thiết bị có
khả năng tích họp tác nhân sinh học enzym, chất nền, kháng nguyên, kháng
thể... ưong đàu dò để đo đạc, phát hiện hay phân tích hóa chất. Biosensors
phát hiện các phân tử sinh học quan ưọng qua việc tạo ra các tín hiệu quang
hay tín hiệu điện, từ đó nhận ra chất phân tích. Phàn lớn các biosensors hoạt
động ưên nguyên lý nhận dạng các phân tử, các chuỗi kháng thể, peptides,
protein, ADN được liên kết chặt chẽ với các phân tử đích với tính đặc hiệu
cao. Các chất màu được gắn kết vói các phân tử nhận biết này để tạo ra một
điểm huỳnh quang khi có sự liên kết đặc hiệu.
Biosensors sử dụng các chấm lượng tử có nhiều ưu điểm nổi ưội so vói
loại sử dụng các chất đánh dấu cổ điển. Bề mặt của chấm lượng tử có thể dễ
dàng thay đổi, tạo ra lộ trình đon giản cho sự nhận biết các phân tử. Thêm vào
đó, do kích thước nhỏ nên dễ cho phép đưa chúng vào sử dụng tíong các thiết
bị điện tử hiện nay.
ủng dụng làm chất đánh dấu huỳnh quang các tế bào. ứng dụng phổ
biến nhất của các chấm lượng tử tíong sinh học là đánh dấu huỳnh quang các
tế bào. Các chấm lượng tử được gắn kết với kháng thể đặc hiệu với các cấu
11
trúc đích trong tế bào. Các chấm lượng tử cũng có thể được dùng để theo dõi
sự phát triển của các tế bào trong nuôi cấy tế bào. Khi tế bào được đưa vào
dung dịch chấm lượng tử, các chấm lượng tử bắt đầu xâm nhập vào chúng. Vì
các chấm lượng tử có độ bền quang cao nên có thể quan sát sự phân chia tế
bào ở các tế bào con và tín hiệu huỳnh quang có thể được quan sát trong thòi
gian dài.
ửng dụng để theo dõi tế bào (cell tracking), ứng dụng đáng chú ý của
chấm lượng tử trong đánh dấu tế bào là theo dõi động học tế bào. Thay vì
đánh dấu toàn bộ cấu trúc tế bào thì các phân tử riêng biệt, đơn lẻ cũng có thể
được đánh dấu huỳnh quang bằng chấm lượng tử, do đó có thể theo dõi
chuyển động của protein màng riêng biệt. Việc phát hiện các chuyển động của
tế bào tăng cho phép đánh giá, ước lượng khả năng di căn của các tế bào ưng
thư. Các tế bào khi di căn có thể “ăn” (ingest) các phân tử khác khi chúng di
chuyển tới các phân tử đó, việc để lại phía sau đường dẫn được biết đến như
theo dõi động học thực bào (phagokinetic ừack)... Chúng có thể dễ dàng gắn
trên cơ chất và kích thước của chúng thì không ảnh hưởng đến chuyển động
của tế bào. Trong một số thử nghiệm, người ta đã dùng chấm lượng tử để
phân biệt giữa tế bào ung thư và tế bào không ung thư và chấm lượng tử vẫn
còn phát quang ừong hơn một tuần sau khi được gắn vói tế bào.
ửng dụng trong dẫn truyền thuốc và chữa bệnh: Một trong những ứng
dụng quan trọng của các chấm lượng tử đang phát triển hiện nay là theo dõi quá
trình phân phối thuốc, bởi nó có khả năng làm rõ quá trình vật lý và hóa học
của thuốc trong cơ thể (pharmacokinetics), tác dụng của thuốc lên cơ thể
(pharmacodynamics) và cung cấp các nguyên lý của kỹ thuật vận chuyển
thuốc. Việc theo dõi các phân tử thuốc hay các phân tử mang thuốc không
xâm nhập trong các tổ chức sống đòi hỏi các kỹ thuật hiện ảnh chuyên dụng.
So sánh với các cách hiện ảnh truyền thống như chụp cộng hưởng từ
12
(MRI), chụp positron cắt lớp (PET) thì phương pháp dùng QDs cho hình ảnh
quang học với độ nhạy cao, cho kết quả định lượng, khả năng ghép kênh cao
hơn, giảm chi phí và rút ngắn thời gian trong việc phát triển các loại thuốc mới.
Các ứng dụng hiện nay của chấm lượng tử trong vận chuyển thuốc tập trung
vào 2 hướng chính: là phân tử mang thuốc, đánh dấu trong điều trị bệnh hay là
chất đánh dấu trong các phân tử mang thuốc.
Ngoài ra, vì QDs có thể được xem như các nguyên tử nhân tạo, chúng
là các đơn vị cấu trúc tuyệt vời để xây dựng các vật liệu nano khác nhau cho
nhiều ứng dụng ừong quang, điện tử và quang - điện...
1.2. Chấm lưọng tử sỉlic
1.2.1. Cấu trúc tỉnh thể của Sỉlic [15]
Cấu tạo nguyên tử của Si là có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài.
Giữa các nguyên tử Silic có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết
với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron chung với nhau.
(Hình 1.5).
\_/
\ _ l _
\ J
S i - __
0
( )
( )
( L
0
_.-isỆ_
l~ \
•\
9
r \
-y
Hình 1.5. Sơ đô trải phăng một chiêu của mạng tinh thế Silic [15]
13
cấu trúc tinh thể của Silic trong mạng không gian ba chiều là mạng
tinh thể lập phưcmg trong đó mỗi nguyên tử Silic liên kết với các nguyên tử
gần nhất tạo các hình tứ diện. Đây là cấu trúc tương tự như kim cương. Silic
là 1 nguyên tố rất phổ biến và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán
dẫn vì cấu trúc của nó được sắp xếp 1 cách trật tự, liên tục, ổn định, cấu trúc
được thể hiện trong hình 1 .6 .
Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể Silic[15]
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử và tính chất quang [4]
Bên cạnh hiệu ứng giam hãm lượng tử như trình bày trên phần 1.1 với
các bán dẫn có cấu trúc nano, chấm lượng tử silic (SiQDs) còn có một đặc
điểm khác biệt, thú vị, và quan trọng đối với tính chất quang của chúng. Thực
nghiệm đã chứng minh rằng, cấu trúc điện tử của SiQDs tương tự như bán
dẫn silic rắn ngoại trừ các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa. cấu trúc
điện tử của một SiQDs được mô tả trên hình 1.7.
14
Hình 1.7. Cấu trúc điện tử của chẩm lượng tử sỉlỉc.
Hình 1.7. mô tả giản đồ năng lượng (E) và xung lượng (k) của chấm
lượng tử Si, vói vùng cấm gián tiếp, khoảng cách giữa vùng hóa trị và vùng dẫn
là Eg, điểm thấp nhất của vùng dẫn (Xi) và điểm cao nhất của vùng hóa trị ( ) .
Có thể thấy rằng, điểm thấp nhất của vùng dẫn (Xi) và điểm cao nhất của
vùng hóa trị ( r 25) nằm ở hai vị trí có momen động lượng khác nhau - bán dẫn có
tính chất này gọi là bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (indữect bandgap
semiconductors). Để đảm bảo động lượng được bảo toàn, quá trình kích thích
electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏi ánh sáng có năng lượng gàn bang Eg
đòi hỏi tham gia của một hạt thứ ba - phonon - có vai trò bổ khuyết động lượng.
Tương tự như vậy, quá trình phát xạ tương ứng vói sự dịch chuyển của electron
từ Xi đến r 25cũng đòi hỏi sự tham gia của phonon. Hai quá trình hấp thụ và phát
xạ ánh sáng có năng lượng gần bằng Eg đòi hỏi sự tham gia của ba hạt: electron,
photon và phonon như vậy có xác suất rất thấp. Trên thực tế, khả năng hấp thụ
và phát xạ ánh sáng có năng lượng gần Eg của silic là không đáng kể.
15
Tuy nhiên, theo nguyên lý bất định Heisenberg, khi kích thước của tinh
thể silic trở nên nhỏ hơn (như đối với SiQDs), vị trí của electron sẽ trở nên
xác định hơn (electron chỉ có thể ở trong SiQDs), thì độ bất định về momen
động lượng sẽ lớn hơn. Điều này có nghĩa là yêu cầu về bảo toàn động lượng
khi electron chuyển trạng thái sẽ giảm bớt, hay trở nên lỏng lẻo hơn. Như vậy,
trong SiQDs electron chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn hay ngược lại
tương ứng với quá trình hấp thụ hay phát xạ photon xảy ra với xác suất cao
hơn so với silic rắn. Tính chất cơ bản của các chấm lượng tử silic được thể
hiện trong Bảng 1.
Thông số mạng tinh thể ở 300 K
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài............................................................................................. 1
2. Điểm mới của đề tà i......................................................................................2
3. Mục đích nghiên cứu......................................................................................3
4. Nội dung nghiên cứu......................................................................................3
5. Phuơng pháp nghiên cứu................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................... 4
1.1. Chấm luợng tử.............................................................................................4
1.2. Chấm luợng tử silic...................................................................................13
1.2.1. Cấu trúc tinh thể của Silic.................................................................... 13
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử và tính chất quang...................................... 14
1.2.3. Ảnh huởng của cấu trúc hóa học bề mặt đến tính chất quang của chấm
luợng tử silic..................................................................................................... 16
1.2.4. Các tiềm năng ứng dụng của chấm luợng tử Silic............................... 18
1.2.5. Các phuơng pháp tổng họp chấm luợng tử silic ................................. 19
1.3. Phuơng pháp vi nhũ tổng họp hạt nano polystiren............................... 22
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM.......................................................................24
2.1. Tổng họp chấm luợng tử silic từ octyltriclosilic..................................... 24
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ...............................................................................24
2.1.2. Cách tiến hành........................................................................................24
2.2. Tổng họp hạt nano SiQDs-polystiren bằng phuong pháp vi nhũ ........ 25
2.2.1. Hóa chất sử dụng...................................................................................25
2.2.2. Cách tiến hành........................................................................................25
2.3.
Các phuơng pháp nghiên cứu chấm luợng tử silic ............................. 26
2.3.1. Phổ hồng ngoại IR..................................................................................26
2.3.2. Phổ hấp thụ UV-vis................................................................................27
2.3.3. Phổ phát xạ huỳnh quang..................................................................... 28
2.3.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)............................................... 29
2.3.5. Phân tích kích thước hạt keo bằng DLS............................................... 30
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN..................................................... 31
3.1. Tổng họp chấm lượng tử silic từ OTS.................................................... 31
3.1.1. Sự hình thành chấm lượng tử silic....................................................... 31
3.1.2. Cấu trúc của chấm lượng tử silic......................................................... 33
3.1.3. Tính chất quang của chấm lượng tử silic............................................. 34
3.2. Tổng hợp hạt nano SiQDs-Polystiren....................................................35
3.2.1. Sự hình thành của hạt nano....................................................................35
3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ KOH/OA đến kích thước hạt nano SiQDs......... 37
3.3. Sự hình thành, cấu trúc và tính chất quang của hạt SiQDs-PS............. 38
KẾT LUẬN.....................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................43
DANH MỤC CÁC TỪ VIÉT TẮT
AIBN
: Chất tạo gốc tự do
DLS
: Phương pháp xác định phân bố kích thước hạt bằng tán xạ
laze (Laser Scattering Particle Size Distribution Analyze)
Eg
: Độ rộng vùng cam
HR-TEM
: Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
LED
: (light-emitting diodes): Đèn LED
nm
: nanomét
OA
: axit oleic
OTS
: octyltriclosilic
OTS-SiQDs : Chấm lượng tử Silic với nhóm chức bề mặt là octyltriclosilic
PS
: Polystiren
QDs
: Chấm lượng tử
SiQDs
: Chấm lượng tử silic
SiQDs-PS
: Hạt nano cấu trúc lõi vỏ chấm lượng tử Si-Polystiren
TEM
: Kính hiển vi điện tử truyền qua
TOAB
: tetraoctylammonium brom, chất hoạt động bề mặt
YAG
: Yttrium aluminium gamet
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
Bảng 1. Tính chất vật lý của silic ở 300K .......................................................16
Hình 1.1. Cấu trúc năng lượng điện tử của chất bán d ẫ n ................................. 4
Hình 1.2. Các dạng chuyển mức vùng-vùng trong bán d ẫn ............................ 5
Hình 1.3. Sự thay đổi cấu trúc điện tử theo kích thước của bán dẫn................ 8
Hình 1.4. Tính chất hấp thụ và phát xạ quang học của chấm lượng tử ........... 9
Hình 1.5. Sơ đồ trải phẳng một chiều của mạng tinh thể Silic .................... 13
Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể Silic.......................................................................14
Hình 1.7. Cấu trúc điện tử của chấm lượng tử silic.........................................15
Hình 1.8. Anh hưởng của cấu trúc hóa học bề mặt đến sự phân bố của
electron và lỗ trống trong chấm lượng tử silic............................... 17
Hình 1.9. Tổng họp SiQDs theo phương pháp oxi hóa các hỗn họp của Si
và kim loại kiềm ..............................................................................20
Hình 1.10. Tổng họp SiQDs theo phương pháp khử hóa SiCU trong hệ vi
nhũ tương......................................................................................... 22
Hình 1.11. Nhũ tương dầu trong n ư ớ c .......................................................... 23
Hình 2.1. Sơ đồ tổng họp chấm lượng tử silic từ octyltriclosilic................... 25
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của phép đo phổ huỳnh quang ............................ 28
Hình 3.1. Sự hình thành của chấm lượng tử silic............................................ 31
Hình 3.2. Ảnh TEM của chấm lượng tử silic..................................................33
Hình 3.3. Phổ hồng ngoại FT-IR của chấm lượng tử silic............................ 33
Hình 3.4. Tính chất phổ hấp thụ (màu xanh) và phổ phát xạ huỳnh quang
(màu đỏ) của chấm lượng tử silic ................................................. 34
Hình 3.5. Mô tả quá trình thí nghiệm sự hình thành hệ vi nhũ dầu trong
nước tạo hạt nano polystiren......................................................... 36
Hình 3.6. Phổ hấp thụ u v của hạt nano polystyren trong n ư ớ c................... 40
Hình 3.7. Phân bố kích thước hạt sử dụng DLS ........................................... 37
Hình 3.8. Mô hình SiQDs-PS từ OTS-SiQDs............................................... 39
Hình 3.9. Phổ phát xạ huỳnh quang của SiQDs-PS kích thích ở bước
sóng 320 n m ...................................................................................40
MỞ ĐẦU
1. Lí do chon đề tài
Chấm lượng tử (quantum dots: QDs) là thuật ngữ dùng để chỉ hạt hình
cầu có cấu trúc tinh thể của chất bán dẫn, có đường kính d đủ nhỏ để làm xuất
hiện các hiệu ứng giam hãm lượng tử. Khác so với bán dẫn rắn, QDs có độ
rộng vùng cấm (energy gap: Eg) tăng tuyến tính vói ì/d, có các trạng thái bị
lượng tử hóa, có số nguyên tử nằm trên bề mặt đáng kể so với tổng số nguyên
tử cấu trúc, và đặc biệt có thể tan trong một số dung môi. Các QDs 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 chuyển hóa
ánh sáng mặt trời thành các cặp điện tử, chuyển đổi ánh sáng năng lượng cao
thành ánh sáng có năng lượng thấp hơn, cảm biến quang học, các linh kiện
quang điện tử, các detector siêu nhậy, trong các linh kiện phát sáng QDs-LED
, trong các ứng dụng y-sinh học như đánh dấu sinh học, các cảm biến sinh học
nano-biosensor. Có thể nói, hiện nay là thời đại của chấm lượng tử vì nó có
rất nhiều ứng dụng nổi bật trong các lĩnh vục kể trên. Có nhiều loại chấm
lượng tử khác nhau và dựa vào sự phân bố của các nguyên tố trong bảng tuần
hoàn người ta chia ra thành: QDs nhóm II-VI (ví dụ như CdX, X = Se,
Te), ni-V
(vỉ
dụ như InP, InAs, GaAs), QDs nhóm IV như: Si,
c,
s,
Ge. Tuy
nhiên, một trong những vấn đề hạn chế ứng dụng các kim loại nặng cho các
sản phẩm thương mại, ừong đó đặc biệt có liên quan tói các sản phẩm liên
quan đến y tế có ứng dụng trên cơ thể con người của các chấm lượng tử
truyền thống là sử dụng các nguyên tố kim loại nặng độc hại như Cd và Pb.
Không giống như các vật liệu truyền thống, bán dẫn silic không độc,
giá rẻ (chiếm phần lớn trong lớp vỏ ừái đất sau oxi), tương thích sinh học cao,
ổn định điện hóa, và là một vật liệu thiết yếu trong ngành công nghiệp điện tử.
SiQDs đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng sinh học vì nó không độc.
1
Các SiQDs mới tổng hợp thường có cấu trúc bề mặt được bao phủ bởi
các liên kết Si-H dễ bị oxi hóa thành các cấu trúc SiOx. Tuy nhiên, khi SiQDs
bị oxi hóa thì chúng mất đi hiệu ứng dam hãm lượng tử (màu sắc phát xạ
không phụ thuộc vào kích thước). Do đó, để thụ động hóa bề mặt và ngăn
chặn quá trình oxi hóa, các liên kết Si-H bề mặt thường được silyl hóa với các
anken để hình thành các liên kết hóa trị Si-C bền vững hơn. Do sự hạn chế về
không gian, các phân tử anken không thể đến và phản ứng hoàn toàn vói tất
cả các nhóm Si-H được. Các nhóm Si-H còn lại sẽ bị oxi hóa dần theo thời
gian và làm cho tính chất quang học của SiQDs thay đổi.
Mặt khác, để ứng dụng SiQDs vào sinh học, SiQDs phải tan vào nước,
trong khi đó SiQDs được bao bọc bởi các nhóm alkyl như octyl, hexadecyl lại
tan trong dầu. Nếu thực hiện phản ứng silyl hóa Si-H với các anken có nhóm
chức phân cực như -NH2 hay -COOH ở cuối mạch thì SiQDs hình thành có
kích thước động học nhỏ (~10 nm) hay tốc độ khếch tán quá nhanh trong cơ
thể sinh vật.
Để có thể đồng thòi tạo ra hạt nano chức năng vừa ổn định quang học,
tan ừong nước và có kích thước lớn hơn, chứng tui quyết định bọc SiQDs với
lớp polyme polystiren (PS) tạo thành hạt nano cấu trúc lõi-vỏ SiQDs-PS.
2. Điểm mói của đề tài
Tổng hợp chấm lượng tử SiQDs ừên cơ sở khử hóa họp chất cơ silic
không sử dụng chất hoạt động bề mặt. Hợp chất cơ silic (octyltriclosilic:
OTS) được dùng như là một nguồn ba chức năng: nguồn silic, nguồn bảo vệ
bề mặt chấm lượng tử, và tạo vi nhũ tương trong dung môi hữu cơ.
SiQDs thu được có các nhóm octyl trên bề mặt tiếp tục được hòa tan
vào styren monome để thực hiện phản ứng polyme hóa sử dụng kỹ thuật vi
nhũ tương (vi nhũ styren trong nước) với axit oleic là chất ổn định cấu trúc.
2
3. Mục đích nghiên cứu
- Tổng hợp chấm lượng tử silic (SiQDs) bằng phương pháp khử hóa
hợp chất cơ slic: OTS.
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng phổ
hấp thụ ƯV-Vis và phổ huỳnh quang (PL: photoluminescence).
- Tổng hợp hạt nano polystiren (PS) bằng phương pháp vi nhũ tương.
- Tổng hợp cấu trúc SiQDs-PS cấu trúc lõi-vỏ. Tính chất quang học.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tài liệu: phương pháp tổng họp, mối quan hệ giữa cấu trúc
hóa học và tính chất hấp thụ, phát xạ của SiQDs.
- Tổng họp chấm lượng tử SiQDs.
- Đặc trưng cấu trúc của chấm lượng tử thu được bằng các phương
pháp phổ hồng ngoại IR, ảnh electron truyền qua TEM.
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được sử dụng
quang phổ hấp thụ UV-Vis và quang phổ phát xạ PL.
5. Phương pháp nghiền cứu
Thực nghiệm kết họp với lý thuyết mô phỏng.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Chấm lượng tử [2,13,14]
Chấm lượng tử (QDs: quantum dots) là khái niệm chỉ những hạt tinh
thể hình càu của chất bán dẫn, có kích thước đủ nhỏ - thường từ vài đến vài
chục nanomet - để xuất hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử.
Cấu trúc năng lượng của điện tử ttong mạng nguyên tử của chất bán
dẫn gồm ba vùng: Vùng hóa trị: Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang
năng lượng, là vùng mà điện tử được lấp đầy.
Vùng dẫn: Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ
linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, chất
sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện
tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm: Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức
năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Khoảng cách
giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng
lượng vùng cấm (Eg).
Ạ
Các
mức
Vùng dẫn
chưa
lấp
Vùng cấm
Năng
lượng
Các
mức
đã được
lấp
đầy
Vùng hóa trị
Hỉnh 1.1. Cẩu trúc năng lượng điện tử của chất bán dẫn [14]
4
Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện
hay không dẫn điện. Với Eg là năng lượng vùng cấm:
. Nếu Eg >4 eV thì chất rắn đó là chất cách điện.
. Nếu Eg = 0 eV thì vùng dẫn và vùng hóa trị trộn lẫn với nhau và là
chất dẫn điện: VD Al, F e...
. Nếu 0< Eg Eg)
Ẳ
trong khi phát xạ photon có năng lượng tưomg ứng với Eg của nó.
Dựa vào quá trình kích thích và bền hóa hạt tải như mô tả trên hình 1.4,
và do cùng một chất nhưng những chấm lượng tử có kích thước khác nhau sẽ
phát xạ ra các màu khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hay tử ngoại nên
QDs có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: [1,6, 11]
Trong đèn LED (light-emỉtting dỉodes): QDs được sử dụng thay thế
hỗn hợp oxit kim loại hiếm YAG có tác dụng chuyển hóa ánh sáng năng
lượng cao phát ra từ LED chip ( \ ED«431 nm) thành các màu sắc khác nhau.
hay sử dụng QDs có kích thước khác nhau để chuyển ánh sáng xanh này
thành ánh sáng trắng dùng trong chiếu sáng. Tưcmg tự như vậy, QDs có Eg
nhỏ có thể được sử dụng để chuyển ánh sáng mặt trời thành ánh sáng đỏ có
tác dụng sưởi ấm và kích thích quang hợp của cây trồng. QDs kích thước khác
nhau có thể được tích họp lại với nhau để cho các màu sắc có độ sắc nét cao
trên các màn hình TV thế hệ tiếp theo.
10
Trong các pin mặt trài: QDs được sử dụng để hấp thụ ánh sáng mặt
tròi. Ket quả của quá trình hấp thụ này là QDs tạo ra các cặp electron - lỗ
trống. Nếu các cặp điện tử này bị phân tách và chuyển về các điện cực khác
nhau ta sẽ thu được dòng điện. QDs với kích thước khác nhau có thể được sử
dụng để hấp thụ riêng rẽ từng phân đoạn của quang phổ mặt ười, kể cả vùng
hồng ngoại.
Trong xúc tác quang hóa: QDs có thể được sử dụng để tạo ra các cặp
điện tử - lỗ ưống qua quá trình hấp thụ quang học. Đặc điểm của electíon và
lỗ ưống kích thích là chúng không bền vững, dễ dàng tham gia vào các quá
trình khử hóa (hay oxi hóa đối vói lỗ ưống).
Cảm biến sinh học (biosensors). Cảm biến sinh học là một thiết bị có
khả năng tích họp tác nhân sinh học enzym, chất nền, kháng nguyên, kháng
thể... ưong đàu dò để đo đạc, phát hiện hay phân tích hóa chất. Biosensors
phát hiện các phân tử sinh học quan ưọng qua việc tạo ra các tín hiệu quang
hay tín hiệu điện, từ đó nhận ra chất phân tích. Phàn lớn các biosensors hoạt
động ưên nguyên lý nhận dạng các phân tử, các chuỗi kháng thể, peptides,
protein, ADN được liên kết chặt chẽ với các phân tử đích với tính đặc hiệu
cao. Các chất màu được gắn kết vói các phân tử nhận biết này để tạo ra một
điểm huỳnh quang khi có sự liên kết đặc hiệu.
Biosensors sử dụng các chấm lượng tử có nhiều ưu điểm nổi ưội so vói
loại sử dụng các chất đánh dấu cổ điển. Bề mặt của chấm lượng tử có thể dễ
dàng thay đổi, tạo ra lộ trình đon giản cho sự nhận biết các phân tử. Thêm vào
đó, do kích thước nhỏ nên dễ cho phép đưa chúng vào sử dụng tíong các thiết
bị điện tử hiện nay.
ủng dụng làm chất đánh dấu huỳnh quang các tế bào. ứng dụng phổ
biến nhất của các chấm lượng tử tíong sinh học là đánh dấu huỳnh quang các
tế bào. Các chấm lượng tử được gắn kết với kháng thể đặc hiệu với các cấu
11
trúc đích trong tế bào. Các chấm lượng tử cũng có thể được dùng để theo dõi
sự phát triển của các tế bào trong nuôi cấy tế bào. Khi tế bào được đưa vào
dung dịch chấm lượng tử, các chấm lượng tử bắt đầu xâm nhập vào chúng. Vì
các chấm lượng tử có độ bền quang cao nên có thể quan sát sự phân chia tế
bào ở các tế bào con và tín hiệu huỳnh quang có thể được quan sát trong thòi
gian dài.
ửng dụng để theo dõi tế bào (cell tracking), ứng dụng đáng chú ý của
chấm lượng tử trong đánh dấu tế bào là theo dõi động học tế bào. Thay vì
đánh dấu toàn bộ cấu trúc tế bào thì các phân tử riêng biệt, đơn lẻ cũng có thể
được đánh dấu huỳnh quang bằng chấm lượng tử, do đó có thể theo dõi
chuyển động của protein màng riêng biệt. Việc phát hiện các chuyển động của
tế bào tăng cho phép đánh giá, ước lượng khả năng di căn của các tế bào ưng
thư. Các tế bào khi di căn có thể “ăn” (ingest) các phân tử khác khi chúng di
chuyển tới các phân tử đó, việc để lại phía sau đường dẫn được biết đến như
theo dõi động học thực bào (phagokinetic ừack)... Chúng có thể dễ dàng gắn
trên cơ chất và kích thước của chúng thì không ảnh hưởng đến chuyển động
của tế bào. Trong một số thử nghiệm, người ta đã dùng chấm lượng tử để
phân biệt giữa tế bào ung thư và tế bào không ung thư và chấm lượng tử vẫn
còn phát quang ừong hơn một tuần sau khi được gắn vói tế bào.
ửng dụng trong dẫn truyền thuốc và chữa bệnh: Một trong những ứng
dụng quan trọng của các chấm lượng tử đang phát triển hiện nay là theo dõi quá
trình phân phối thuốc, bởi nó có khả năng làm rõ quá trình vật lý và hóa học
của thuốc trong cơ thể (pharmacokinetics), tác dụng của thuốc lên cơ thể
(pharmacodynamics) và cung cấp các nguyên lý của kỹ thuật vận chuyển
thuốc. Việc theo dõi các phân tử thuốc hay các phân tử mang thuốc không
xâm nhập trong các tổ chức sống đòi hỏi các kỹ thuật hiện ảnh chuyên dụng.
So sánh với các cách hiện ảnh truyền thống như chụp cộng hưởng từ
12
(MRI), chụp positron cắt lớp (PET) thì phương pháp dùng QDs cho hình ảnh
quang học với độ nhạy cao, cho kết quả định lượng, khả năng ghép kênh cao
hơn, giảm chi phí và rút ngắn thời gian trong việc phát triển các loại thuốc mới.
Các ứng dụng hiện nay của chấm lượng tử trong vận chuyển thuốc tập trung
vào 2 hướng chính: là phân tử mang thuốc, đánh dấu trong điều trị bệnh hay là
chất đánh dấu trong các phân tử mang thuốc.
Ngoài ra, vì QDs có thể được xem như các nguyên tử nhân tạo, chúng
là các đơn vị cấu trúc tuyệt vời để xây dựng các vật liệu nano khác nhau cho
nhiều ứng dụng ừong quang, điện tử và quang - điện...
1.2. Chấm lưọng tử sỉlic
1.2.1. Cấu trúc tỉnh thể của Sỉlic [15]
Cấu tạo nguyên tử của Si là có 4 electron hóa trị ở trên phân lớp ngoài.
Giữa các nguyên tử Silic có sự liên kết đồng hóa trị, mỗi nguyên tử liên kết
với 4 nguyên tử xung quanh bằng cách trao đổi electron chung với nhau.
(Hình 1.5).
\_/
\ _ l _
\ J
S i - __
0
( )
( )
( L
0
_.-isỆ_
l~ \
•\
9
r \
-y
Hình 1.5. Sơ đô trải phăng một chiêu của mạng tinh thế Silic [15]
13
cấu trúc tinh thể của Silic trong mạng không gian ba chiều là mạng
tinh thể lập phưcmg trong đó mỗi nguyên tử Silic liên kết với các nguyên tử
gần nhất tạo các hình tứ diện. Đây là cấu trúc tương tự như kim cương. Silic
là 1 nguyên tố rất phổ biến và thường được sử dụng làm nguyên liệu chất bán
dẫn vì cấu trúc của nó được sắp xếp 1 cách trật tự, liên tục, ổn định, cấu trúc
được thể hiện trong hình 1 .6 .
Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể Silic[15]
1.2.2. Đặc điểm cấu trúc điện tử và tính chất quang [4]
Bên cạnh hiệu ứng giam hãm lượng tử như trình bày trên phần 1.1 với
các bán dẫn có cấu trúc nano, chấm lượng tử silic (SiQDs) còn có một đặc
điểm khác biệt, thú vị, và quan trọng đối với tính chất quang của chúng. Thực
nghiệm đã chứng minh rằng, cấu trúc điện tử của SiQDs tương tự như bán
dẫn silic rắn ngoại trừ các trạng thái năng lượng bị lượng tử hóa. cấu trúc
điện tử của một SiQDs được mô tả trên hình 1.7.
14
Hình 1.7. Cấu trúc điện tử của chẩm lượng tử sỉlỉc.
Hình 1.7. mô tả giản đồ năng lượng (E) và xung lượng (k) của chấm
lượng tử Si, vói vùng cấm gián tiếp, khoảng cách giữa vùng hóa trị và vùng dẫn
là Eg, điểm thấp nhất của vùng dẫn (Xi) và điểm cao nhất của vùng hóa trị ( ) .
Có thể thấy rằng, điểm thấp nhất của vùng dẫn (Xi) và điểm cao nhất của
vùng hóa trị ( r 25) nằm ở hai vị trí có momen động lượng khác nhau - bán dẫn có
tính chất này gọi là bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (indữect bandgap
semiconductors). Để đảm bảo động lượng được bảo toàn, quá trình kích thích
electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn bỏi ánh sáng có năng lượng gàn bang Eg
đòi hỏi tham gia của một hạt thứ ba - phonon - có vai trò bổ khuyết động lượng.
Tương tự như vậy, quá trình phát xạ tương ứng vói sự dịch chuyển của electron
từ Xi đến r 25cũng đòi hỏi sự tham gia của phonon. Hai quá trình hấp thụ và phát
xạ ánh sáng có năng lượng gần bằng Eg đòi hỏi sự tham gia của ba hạt: electron,
photon và phonon như vậy có xác suất rất thấp. Trên thực tế, khả năng hấp thụ
và phát xạ ánh sáng có năng lượng gần Eg của silic là không đáng kể.
15
Tuy nhiên, theo nguyên lý bất định Heisenberg, khi kích thước của tinh
thể silic trở nên nhỏ hơn (như đối với SiQDs), vị trí của electron sẽ trở nên
xác định hơn (electron chỉ có thể ở trong SiQDs), thì độ bất định về momen
động lượng sẽ lớn hơn. Điều này có nghĩa là yêu cầu về bảo toàn động lượng
khi electron chuyển trạng thái sẽ giảm bớt, hay trở nên lỏng lẻo hơn. Như vậy,
trong SiQDs electron chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn hay ngược lại
tương ứng với quá trình hấp thụ hay phát xạ photon xảy ra với xác suất cao
hơn so với silic rắn. Tính chất cơ bản của các chấm lượng tử silic được thể
hiện trong Bảng 1.
Thông số mạng tinh thể ở 300 K
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links