Nghiên Cứu Quy Trình Chế Tạo Và Tính Chất Quang Của Chấm Lượng Tử Graphene.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

.+ẽ$/81771*+,3
1*ơ1+&1.7+ẽ$+&

1*+,ầ1&848<75ẻ1+&+729ơ7ậ1+&+7
48$1*&$&+0/1*7*5$3+(1(


*9+'3*67675191.+,
697+/ầ71*8<ầ1


SKL007859

Tp. H Chớ Minh, thỏng 20


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
--------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CHẾ TẠO
VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM
LƯỢNG TỬ GRAPHENE
SVTH: Lê Đạt Nguyên

MSSV: 16128055
GVHD: PGS.TS Trần Văn Khải

TP.HCM, tháng 01 năm 2021


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, cho em xin cảm ơn Khoa Cơng nghệ Hóa học và Thực phẩm, thầy cơ của Bộ
mơn Cơng nghệ Hóa học đã tạo điều kiện cho em được thực hiện luận văn tốt nghiệp. Em
xin cảm ơn cơ Nguyễn Thị Mỹ Lệ - cán bộ phịng thí nghiệm đã ln tận tình giúp đỡ, tạo
điều kiện cho em có thể vào phịng thí nghiệm để hồn thành luận văn này.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy – PGS.TS Trần Văn Khải và Ths. Lê Ngọc Long,
người đã tận tâm hướng dẫn, chỉ dạy cho em những kiến thức đối với em thực sự là mới mẻ
để cho em có thể hồn thành được một luận văn hồn chỉnh như ngày hơm nay.
Em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn đồng hành bên em để động viên, giúp
đỡ, chia sẻ những khó khăn mà em gặp trong suốt quá trình học tập.
Dù đã cố gắng hết sức để tìm hiểu nhưng khơng thể nào tránh được những sai sót trong
cách trình bày cũng như là nội dung, nên em mong q thầy cơ góp ý để em có thể rút ra
kinh nghiệm cho bản thân. Từ đây em học hỏi được nhiều hơn để giúp em áp dụng vào
những bài viết tương lai khi ra trường đi làm cũng như nhiều bài khác hơn nữa.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện và hồn thành đề tài. Em kính chúc tất cả quý thầy cô thật
nhiều sức khỏe, hạnh phúc, thành cơng và sẽ cịn thành cơng hơn thế nữa, mến chúc gia
đình và bạn bè em nhiều niềm vui, sức khỏe và bình an!


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn này là do tơi thực hiện, hồn tồn khơng sao chép từ bất
kỳ một tài liệu nào khác, những dữ liệu hoặc hình ảnh từ các tài liệu khác đã được trích dẫn
đầy đủ. Tất cả những số liệu thực nghiệm đều do chính bản thân tơi đo đạc và ghi nhận, do

đó nếu có bất kỳ sự phát hiện nào về hành vi sao chép từ đề tài tương tự, tơi xin chịu trách
nhiệm hồn tồn về luận văn của mình.

Sinh viên thực hiện đề tài

Lê Đạt Nguyên


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………....................
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng
Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Trần Văn Khải

năm 2021

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng

Giáo viên phản biện

năm 2021


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... 2
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 3

MỤC LỤC ............................................................................................................................ 6
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................... 10
DANH MỤC BẢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH .................................................................... 13
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................. 14
TĨM TẮT.............................................................................................................................. i
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................ii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................ 1
1.1. Tình hình hiện tại ....................................................................................................... 1
1.2. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................... 1
1.2.1. Định nghĩa............................................................................................................ 1
1.2.2. Tính chất .............................................................................................................. 2
1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................................. 2
1.2.3.1. Ứng dụng trong y học.................................................................................... 3
1.2.3.2. Ứng dụng trong quang học ............................................................................ 4
1.2.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng ............................................................ 4
1.2.4. Phương pháp chế tạo............................................................................................ 6
1.2.4.1. Xu hướng Top-down ..................................................................................... 6
1.2.4.1.1. Phân tách bằng chất oxi hóa ....................................................................... 6


1.2.4.1.2. Thủy nhiệt/thủy dung mơi .......................................................................... 7
1.2.4.1.3. Quy trình tổng hợp với sự hỗ trợ của sóng điện từ và sóng siêu âm.......... 8
1.2.4.2 Xu hướng Bottom-up .................................................................................... 9
1.2.4.2.1 Tổng hợp có kiểm sốt ................................................................................ 9
1.2.4.2.2 Carbon hóa ................................................................................................ 10
1.2.5. Cơ chế cắt nhỏ tấm graphene oxide thành chấm lượng tử graphene ................. 11
1.2.6 Thách thức đối với chấm lượng tử graphene ...................................................... 12
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................... 14
2.1. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 14
2.1.1. Thiết lập số thí nghiệm ...................................................................................... 15

2.2. Thực nghiệm ............................................................................................................ 15
2.2.1. Hóa chất ............................................................................................................. 15
2.2.2. Dụng cụ .............................................................................................................. 17
2.2.3. Thiết bị ............................................................................................................... 19
2.2.3.1. Cân vi lượng ................................................................................................ 19
2.2.3.2. Máy khuấy từ gia nhiệt ................................................................................ 19
2.2.3.3. Máy siêu âm ................................................................................................ 20
2.2.3.4. Bình thủy nhiệt ............................................................................................ 20
2.2.3.5. Tủ sấy .......................................................................................................... 21
2.2.3.6. Máy đo pH ................................................................................................... 21
2.2.3.7. Máy ly tâm................................................................................................... 22
2.2.4.

Quy trình tổng hợp ......................................................................................... 23


2.2.4.1. Quy trình tổng hợp GO ............................................................................... 23
2.2.4.2. Quy trình chế tạo chấm lượng tử graphene ................................................. 24
2.2.5. Phương pháp phân tích vật liệu ......................................................................... 25
2.2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................ 25
2.2.5.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X – ray
Spectrometry) ........................................................................................................... 26
2.2.5.3. Phổ Raman (Raman spectroscopy) ............................................................. 27
2.2.5.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) ......................................................... 28
2.2.5.5. Phương pháp phổ phát quang (PL) .............................................................. 29
2.2.5.6. Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis Absorption Spectroscopy)......... 30
2.2.5.7. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ......................................... 31
2.2.5.8. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ............................................................. 32
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................................................................ 33
3.1. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt đến cấu trúc và tính chất quang của chấm lượng

tử graphene ...................................................................................................................... 33
3.1.1. Kết quả XRD ..................................................................................................... 33
3.1.2. Kết quả Raman .................................................................................................. 36
3.1.3. Kết quả FTIR ..................................................................................................... 39
3.1.4. Kết quả EDS ...................................................................................................... 41
3.1.5. Kết quả AFM ..................................................................................................... 42
3.1.6. Kết quả TEM ..................................................................................................... 43
3.1.7. Kết quả UV-vis .................................................................................................. 45
3.1.8. Kết quả PL ......................................................................................................... 46


3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt đến cấu trúc và tính chất quang của chấm lượng
tử graphene ...................................................................................................................... 48
3.2.1. Kết quả XRD ..................................................................................................... 48
3.2.2. Kết quả Raman .................................................................................................. 50
3.2.3. Kết quả FTIR ..................................................................................................... 52
3.2.4. Kết quả UV-vis .................................................................................................. 53
3.2.5. Kết quả PL ......................................................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 58


DANH MỤC HÌNH
Chương 1
Hình 1.1 Minh họa chấm lượng tử graphene [3] .................................................................. 2
Hình 1.2 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene [1] ........................................................... 3
Hình 1.3 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene để làm chất mang thuốc [5] ................... 4
Hình 1.4 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene để làm cảm biến khí [6] ......................... 4
Hình 1.5 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene để làm tế bào quang điện[9] .................. 5
Hình 1.6 Hai xu hướng tổng hợp chấm lượng tử graphene [1] ............................................ 6

Hình 1.7 Ví dụ minh họa phương pháp phân tách bằng chất oxy hóa [10].......................... 7
Hình 1.8 Ví dụ minh họa phương pháp thủy nhiệt [12] ....................................................... 8
Hình 1.9 Ví dụ minh học tổng hợp GQDs với sự hỗ trợ của sóng điện từ [13] ................... 9
Hình 1.10 Ví dụ minh họa phương pháp tổng hợp có kiềm sốt [14] ................................ 10
Hình 1.11 Ví dụ minh họa phương pháp carbon hóa [15].................................................. 10
Hình 1.12 Minh họa cơ chế cắt nhỏ tấm GO thành chấm lượng tử graphene [16] ............ 12
Hình 1.13 Một số thách thức đối với chấm lượng tử graphene [1] .................................... 13
Chương 2
Hình 2.1 Cân vi lượng ........................................................................................................ 19
Hình 2.2 Cân vi lượng ........................................................................................................ 19
Hình 2.3 Máy siêu âm ........................................................................................................ 20
Hình 2.4 Bình thủy nhiệt .................................................................................................... 20


Hình 2.5 Tủ sấy .................................................................................................................. 21
Hình 2.6 Máy đo pH ........................................................................................................... 21
Hình 2.7 Máy ly tâm ........................................................................................................... 22
Hình 2.8 Quy trình tổng hợp GO ........................................................................................ 23
Hình 2.9 Quy trình chế tạo chấm lượng tử graphene ......................................................... 24
Hình 2.10 Minh họa nhiễu xạ tia X [17] ............................................................................ 25
Hình 2.11 Máy đo XRD [18] .............................................................................................. 26
Hình 2.12 Máy đo EDS [20]............................................................................................... 27
Hình 2. 13 Máy đo Raman [21] .......................................................................................... 28
Hình 2.14 Máy đo FTIR [22] ............................................................................................. 29
Hình 2.15 Máy đo Pl [23] ................................................................................................... 30
Hình 2.16 Máy đo Uv-vis [24] ........................................................................................... 31
Hình 2.17 Máy đo TEM [25] .............................................................................................. 31
Hình 2.18 Máy đo AFM [27] ............................................................................................. 32
Chương 3
Hình 3.1 Kết quả XRD của GO .......................................................................................... 33

Hình 3.2 Kết quả XRD theo thời gian thủy nhiệt ............................................................... 34
Hình 3.3 Kết quả Raman của GO ....................................................................................... 36
Hình 3. 4 Kết quả Raman theo thời gian thủy nhiệt ........................................................... 37
Hình 3.5 Kết quả FTIR theo thời gian thủy nhiệt............................................................... 39


Hình 3.6 Phổ FTIR của GO ................................................................................................ 40
Hình 3.7 Kết quả thành phần nguyên tố của mẫu ở chế độ 170oC, 1h ............................... 41
Hình 3.8 Kết quả kính hiển vi lực nguyên tử của mẫu ở chế độ 170oC, 1 giờ ................... 42
Hình 3.9 Kết quả HR-TEM và phân bố kích thước chấm của mẫu ở chế độ ..................... 43
Hình 3.10 Kết quả UV-vis theo thời gian thủy nhiệt ......................................................... 45
Hình 3.11 Kết quả PL theo thời gian thủy nhiệt (kết quả được phân tích bằng phương pháp
fit peak trong phần mềm origin) ......................................................................................... 46
Hình 3.12 Kết quả XRD theo nhiệt độ thủy nhiệt .............................................................. 48
Hình 3.13 Kết quả Raman theo nhiệt độ thủy nhiệt ........................................................... 50
Hình 3.14 Kết quả FTIR theo nhiệt độ thủy nhiệt .............................................................. 52
Hình 3.15 Kết quả UV-vis theo nhiệt độ thủy nhiệt ........................................................... 53
Hình 3.16 Kết quả PL theo nhiệt độ thủy nhiệt (bước sóng kích thích bẳng 325 nm)....... 54
Hình 3.17 Chấm lượng tử graphene khi chưa kích thích bằng tia UV 365nm................... 56
Hình 3.18 Chấm lượng tử graphene khi kích thích bằng tia UV 365 nm ......................... 56
Hình 3.19 Minh họa cơ chế phát xạ.................................................................................... 56


DANH MỤC BẢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH
Chương 1
Bảng 1.1 Ưu và nhược điểm của 5 phương pháp ............................................................... 11
Chương 2
Bảng 2.1 Bảng thực nghiệm ............................................................................................... 15
Bảng 2.2 Danh mục hóa chất thí nghiệm ........................................................................... 15
Bảng 2.3 Danh mục dụng cụ thí nghiệm ............................................................................ 17

Chương 3
Bảng 3.1 Khoảng cách giữa các mặt tinh thể theo thời gian thủy nhiệt ............................. 35
Bảng 3.2 Phần trăm nguyên tố theo khối lượng và theo nguyên tử ................................... 41
Bảng 3.3 Bước sóng phát xạ và năng lượng tương ứng theo thời gian thủy nhiệt ............. 47
Bảng 3.4 Tổng hợp giá trị khoảng cách giữa các mặt theo nhiệt độ thủy nhiệt ................. 49
Bảng 3.5 Bước sóng phát xạ và năng lượng tương ứng theo nhiệt độ thủy nhiệt .............. 55
Chương 2
Phương trình 2.1 ................................................................................................................. 26
Phương trình 2.2 ................................................................................................................. 30
Chương 3
Phương trình 3.1 ................................................................................................................. 44
Phương trình 3.2 [40] ......................................................................................................... 47


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

XRD

X- Ray Diffraction

FT-IR

Fourier-Transform Infrared Spectroscopy

HR-TEM

High-Resolution Transmission Electron
Microscopy

EDS

Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy

AFM

Atomic Force Microscopy

UV-vis

Utraviolet-visible spectroscopy

PL

Photoluminescence

GO

Graphene Oxide

GQDs

Graphene Quantum Dots

DOX

Doxorubicin


TĨM TẮT
Đề tài luận văn “Nghiên cứu quy trình chế tạo và tính chất quang của chấm lượng tử

graphene” được thực hiện tại phịng thí nghiệm của bộ mơn vật liệu kim loại và hợp kim
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh và phịng thí nghiệm Hóa phân tích Đại
học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh từ 04/04/2020 đến 01/01/2021. Vật liệu
được gửi đi phân tích ở Đại học Bách khoa, Viện Cơng nghệ Nano và Viện Khoa học
vật liệu Thành phố Hồ Chí Minh.
Trước hết, tôi khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt bằng cách cố định các thông
số khác như là nhiệt độ thủy nhiệt, nồng độ tiền chất, tốc độ khuấy. Sau đó, đem mẫu đi
phân tích cấu trúc và tính chất, chọn ra mốc thời gian có tính chất phát quang tốt nhất
và thời gian ngắn nhất trong các mẫu. Sau đó, cố định mốc thời gian, giữ nguyên nồng
độ tiền chất và tốc độ khuấy ban đầu, và thay đổi nhiệt độ theo mục tiêu đề ra.
Đối với vật liệu chấm lượng tử graphene cần phải phân tích cấu trúc tinh thể, nhóm
chức, thành phần hóa, số lớp, kích thước và hình dạng, bước sóng hấp thụ và bước sóng
phát xạ của vật liệu này.

I


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Mặc dù là vật liệu mới, nhưng chấm lượng tử graphene có tiềm năng phát triển rất lớn.
Hiện tại, ở Việt Nam chưa có nhiều bài báo nghiện cứu về lĩnh vực này. Ngoài ra, quy
trình tổng hợp vật liệu này bằng phương pháp thủy nhiệt khơng địi hỏi thiết bị hiện đại,
tốn kém nên hồn tồn có thể tổng hợp chấm lượng tử graphene tại phịng thí nghiệm
tại Việt Nam. Đó là hai lý do giải thích tại sao tơi lại chọn đề tài này để nghiên cứu.
Mục tiêu
1. Thiết lập quy trình tổng hợp chấm lượng tử graphene
2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt đến cấu trúc và tính chất
quang của chấm lượng tử graphene
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: chấm lượng tử graphene.

 Phạm vi nghiên cứu: ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt đến cấu trúc
và tính chất quang của chấm lượng tử graphene
Phương pháp nghiên cứu
 Cố định nồng độ graphene oxide là 0,5 mg/ml. Cố định tỉ lệ thể tích NH3 và H2O2
lần lượt là 0,5 ml và 3 ml. Các thông số này không thay đổi trong suốt quá trình
khảo sát. Dựa vào tham khảo tài liệu cũng như thực nghiệm để chọn ra các giá trị
cụ thể của các thông số trên.
 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt: Giữ nguyên nhiệt độ phản ứng là
170oC và thay đổi thời gian thủy nhiệt lần lượt là 1 giờ, 1 giờ 30 phút, 2 giờ, 2
giờ 30 phút (nhiệt độ cố định là 170oC, được tham khảo trong bài báo của tác giả
Rebing Tian và các cộng sự).
 Khảo sát ảnh hượng của nhiệt độ thủy nhiệt: Từ kết quả đo phổ phát quang, chọn
ra mẫu tốt nhất (mẫu có số bước sóng phát quang ít nhất). Sau đó giữ ngun thời
gian khảo sát mẫu này, và thay đổi thời gian thủy nhiệt lần lượt là 160oC, 170oC,
II


180oC, và 190oC.
 Ngoài ra, sử dụng các phương pháp để phân tích cấu trúc, và tính chất vật liệu
như: Phương pháp nhiễu xạ tia X dùng để xác định vật liệu tinh thể hay vơ định
hình, phương pháp Raman dùng để xác định định khuyết tật trên vật liệu, phương
pháp phổ FTIR dùng để xác định nhóm chức có trong vật liệu, phương pháp EDS
dùng để xác định thành phần hóa học của vật liệu, phương pháp AFM dùng để
xác định số lớp graphene, phương pháp TEM dùng để xác định kích thước và
hình dạng vật liệu, phương pháp UV-vis dùng để xác định bước sóng hấp thu của
vật liệu, phương pháp PL dùng để xác định bước sóng phát xạ.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học: Cung cấp thông tin về thơng số quy trình, cấu trúc và tính chất
của chấm lượng tử graphene để góp phần tìm ra giải pháp khắc phục những hạn
chế của vật liệu này.

 Ý nghĩa thực tiễn: Có thể sử dụng phương pháp chế tạo này để sản xuất chấm
lượng tử graphene ở quy mô vừa và nhỏ.
Cấu trúc luận văn
Luận văn chia thành các phần như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

III


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tình hình hiện tại
Chấm lượng tử graphene đã được nghiện cứu trong những năm gần đây bởi nhiều tính
chất độc đáo và ứng dụng tiềm năng. Chấm lượng tử graphene là một loại chấm carbon
mới, vật liệu này có tính chất vật lý và hóa học bền nhờ vào tính chất trơ của ngun tố
carbon. Ngồi ra, chấm lượng tử graphene cịn thân thiện với mơi trường, độ độc thấp
và độ tương thích về mặt sinh học. Với những ưu điểm trên nên chấm lượng tử graphene
đang thu hút các nhà khoa học nghiên cứu, tiềm hiểu về nó. Ngày nay, có nhiều phương
pháp để tổng hợp chấm lượng tử graphene như thủy nhiệt/thủy dung môi, sử dụng chất
oxi hóa mạnh, tổng hợp có kiểm sốt, carbon hóa,...Bên cạnh đó, việc sử dụng các
phương pháp phân tích hiện đại giúp các nhà khoa học hiểu rõ cấu trúc, liên kết hóa học,
cũng như tính chất quang, điện,...của vật liệu này. Để góp phần cải thiện và mở rộng
tính chất của chấm lượng tử graphene nhiều nguyên tố đã được pha tạp vào như: K, N,
S, Cl, F,...Đối với vấn đề kiểm sốt hình dạng và kích thước, các thơng số quy trình ảnh
hưởng bao gồm nồng độ, thời gian, nhiệt độ, pH,... đã và đang được nghiên cứu. Chấm
lượng tử graphene được ứng dụng trong lĩnh vực màng sinh học, thiết bị cảm nhận

quang-điện, xúc tác phát quang, và pin lithium,... Mặc dù, được liên tục cải thiện về tính
chất nhưng chấm lượng tử graphene vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế [1].
Việc sở hữu những tính chất đặc biệt, cũng như tồn tại nhiều khuyết điểm cần được cải
thiện là những yếu tố góp phần giúp chấm lượng tử graphene trở thành vật liệu của tương
lai.
1.2. Cơ sở lý thuyết
1.2.1. Định nghĩa
Về hình dạng bên ngồi, đây là vật liệu 0-D nên kích thước theo ba chiều khơng gian
đều nhỏ hơn 100 nm.Ngồi ra, số lớp của vật liệu này thường nhỏ hơn 10 lớp và chứa
mạng lưới tinh thể graphite bên trong cấu trúc [2]. Về mặt thành phần hóa học, chấm
lượng tử graphene lý tưởng chỉ chứa nguyên tố carbon, nhưng trong thực tế vật liệu này
còn chứa cả nguyên tử hidro, oxy do được tổng hợp theo con đường hóa học[3].

1


Hình 1.1 Minh họa chấm lượng tử graphene [3]

1.2.2. Tính chất
Chấm lượng tử graphene có nhiều tính chất độc đáo như khả năng phát quang, ít độc,
độ phân tán tốt, độ tương thích về mặt sinh học và tính trơ. Một vài đặc tính này tốt hơn
so với vật liệu bán dẫn truyền thống, vì vậy chấm lương tử có nhiều ứng dụng trong việc
chế tạo tế bào quang điện, cảm biến photon, màng sinh học, tác chất phát quang, chất
mang,... [1]
1.2.3. Ứng dụng
Những ưu điểm của chấm lượng tử graphene (và chấm lượng tử graphene được chức
hóa) được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Hình 1.2, cho ta thấy được ứng dụng tiềm
năng của chấm lương tử graphene trong nhiều lĩnh vực như: y học, quang học, và năng
lượng,... chính điều đó góp phần nâng cao cuộc sống của con người. Trong luận văn này
tơi sẽ trình bày ứng dụng của vật liệu này trong 3 lĩnh vực đó là y học, quang học, và

năng lượng.

2


Hình 1.2 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene [1]

1.2.3.1. Ứng dụng trong y học
Dựa trên tính tương thích về mặt sinh học, ít độc và thể hiện được một số khả năng tốt
nên chấm lượng tử graphene đang được ứng dụng vào lĩnh vực sinh học. Đồng thời, vật
liệu này đang trên con đường thay thế vật liệu truyền thống. Một trong những ứng dụng
nổi bật là khả năng làm “chất mang” để vận chuyển thuốc giúp tăng hiệu quả của q
trình điều trị.
Có rất nhiều bài báo cho thấy chấm lượng tử graphene và vật liệu trên nền graphene
được khai thác làm chất mang để vận chuyển thuốc giúp tăng hiệu quả của quá trình vận
chuyển hoặc quá trình điều trị [4]. So sánh với graphene, chấm lượng tử graphene có
diện tích bề mặt riêng lớn và có thể kết hợp với nhiều hợp chất khác. Ví dụ, cơng bố của
Lannazo cho thấy có thể sử dụng chấm lượng tử graphene để vận chuyển DOX đến tế
bào ung thư [5].

3


Hình 1.3 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene để làm chất mang thuốc [5]

1.2.3.2. Ứng dụng trong quang học
Những tính chất quang học đăc biệt của chấm lượng tử graphene như sự đảo ngược
photon, khả năng phát quang ổn định, có thể thay đổi năng lượng vùng cấm bằng thay
đổi kích thước và hình dạng chấm,..Ứng dụng nổi bật phải kể đến là thiết bị cảm biến
khí/photon. Thiết bị này đóng vai trị quan trọng trong nền qn sự quốc phịng. Ví dụ,

hợp chất composite giữa chấm lượng tử graphene với dây silic đã được ứng dụng làm
thiết bị cảm nhận photon. [6]

Hình 1.4 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene để làm cảm biến khí [6]

1.2.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng

4


Sự bùng nổ dân số, cũng như cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên buộc nhân loại phải
tìm kiếm một nguồn năng lượng mới và bền vững cho tương lai ngay từ bây giờ. Vì
carbon là nguồn nguyên liệu dồi dào nên đối tượng này được xem như là ứng viên tiềm
năng để giải quyết vấn đề trên. Năng lượng mặt trời tuy sạch, có thể tái tạo và chuyển
đổi thành các dạng năng lượng khác để phục vụ cuộc sống, nhưng năng lượng này chỉ
có sẵn vào ban ngày. Vì thế, chế tạo thiết bị lưu trữ năng lượng mặt trời trở thành yêu
cầu cấp bách cho ngành năng lượng tái tạo. Một trong ứng dụng nổi bất của chấm lượng
tử graphene trong lĩnh vực năng lượng là để chế tạo tế bào quang điện.
Tế bào quang điện là vật liệu giúp biến đổi quang năng thành điện năng, từ đó cung cấp
nguồn năng lượng sạch. Những đặc điểm độc đáo của chấm lượng tử graphene giúp cải
thiện một số tính chất của tế bào quang điện. Ví dụ, vật liệu composite giữa chấm lượng
tử graphene và silic dẫn đầu trong lĩnh vực tế bào quang điện, bởi hiệu suất chuyển hóa
năng lượng lên đến 16,55% [7]. Bên cạnh đó, vật liệu composite giữa chấm lượng tử
graphene và vật liệu vô cơ như ZnO [8], TiO2 [9] cũng được cơng bố; hiệu suất chuyển
hóa năng lượng khi tối ưu hóa thiết bị lần lượt là 12,6%, 7,19%.

Hình 1.5 Ứng dụng của chấm lượng tử graphene để làm tế bào quang điện[9]

Đó là một số ứng dụng của chấm lượng tử graphene. Tuy nhiên để có thể áp dụng được
ở quy mơ cơng nghiệp thì cần tìm ra phương pháp chế tạo hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Sau đây là một số phương pháp chế tạo chấm lượng tử graphene.

5


1.2.4. Phương pháp chế tạo
Dựa vào tiền chất tổng hợp, phương pháp chế tạo chấm lượng tử graphene được chia
thành hai xu hướng chính là Top-down và Bottom-up. Hình 1.6, minh họa cho hai xu
hướng trên. Đối với xu hướng thứ nhất, người ta sử dụng những vật liệu có kích thước
lớn như graphene, graphene oxide, ống nano carbon,...Cịn đối với xu hướng thứ hai,
tiền chất chủ yếu là các phân tử nhỏ chứa nhân thơm.

Hình 1.6 Hai xu hướng tổng hợp chấm lượng tử graphene [1]
1.2.4.1. Xu hướng Top-down
1.2.4.1.1. Phân tách bằng chất oxi hóa
Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để cắt vật liệu thành những chấm nhỏ.
Trong phương pháp này liên kết C-C/C=C trong vịng có gắn các nhóm chức như expoxy
hoặc nhóm hydroxyl sẽ bị bẻ gãy bởi các chất oxi hóa mạnh như H2SO4, HNO3. Ví dụ,
các tấm graphene oxide bị xé nhỏ thành các chấm lượng tử graphene trong nghiên cứu
của Shen. Sản phẩm sau đó được xử lý bằng chất ức chế bề mặt và khử bằng hydrazine
hydrate. Cuối cùng sản phẩm thu được là những chấm lượng tử graphene có kích thước
từ 5-9 nm. Vật liệu này phát quang màu xanh dương khi ta kích thích bằng bước sóng
365 nm. Ngồi ra, có thể thu được màu xanh lục bằng cách kích thích bằng bước sóng

6


980 nm. Điều này chứng tỏ chấm lượng tử graphene được tổng hợp bằng phương bằng
phương pháp này có khả năng đảo ngược photon. [10]

Hình 1.7 Ví dụ minh họa phương pháp phân tách bằng chất oxy hóa [10]
1.2.4.1.2. Thủy nhiệt/thủy dung môi
Phương pháp này giúp ta tổng hợp chấm lượng tử graphene một cách đơn giản và tiết
kiệm thời gian. Vật liệu carbon sẽ bị cắt thành từng mảnh nhỏ dưới điều kiện nhiệt độ
và áp suất cao. Tuy nhiên vật liệu carbon cần được xử lý bằng phương pháp hóa học
trước khi phản ứng chính xảy ra [11]. Ví dụ, chấm lương tử graphene được chế tạo từ
tiền chất graphene oxide thông qua phương pháp thủy nhiệt bởi Pan. Đầu tiên, graphene
oxide được trộn với H2SO4/ HNO3 để phản ứng oxi hóa xảy ra. Sau đó hỗn hợp được
thủy nhiệt trong môi trường kiềm trong thời gian 17 giờ. Cuối cùng, thu được chấm
lượng tử graphene có kích thước hạt từ 5-13 nm [12].

7