Nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano ZnS Mn bọc phủ PVP và khảo sát phổ phát quang của chúng

Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử


TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN





Phùng Thu Hiền








NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnS:Mn
BỌC PHỦ PVP VÀ KHẢO SÁT PHỔ PHÁT QUANG
CỦA CHÚNG




  2012


Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử


TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



Phùng Thu Hiền






NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ZnS:Mn
BỌC PHỦ PVP VÀ KHẢO SÁT PHỔ PHÁT QUANG
CỦA CHÚNG


Chuyên ngành: Quang hoc
 60.44.11



 











  2012
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
CÁC DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
HÌNH VẼ
Hình 1.1: 
 [1, 7] 3
Hình 1.2: 
Hình 1.3: .
Hình 1.4:  
Hình 1.5: 
[7].7
Hình 1.6: 
           

 9
Hình 1.7 : 
Hình 1.8:  13
Hình 1.9: 
  : vùng hóa
      :
mission -d state 
thái Mn-d 17
Hình 1.10: 
g

2+
.

Hình 1.11:     
g
         
.19
Hình 1.12: 
Hình 1.13: 20
Hình 1.14:   21
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
Hình 1.15:      
2+
, ZnS:Mn
2+
/PVP, ZnS:Mn
2+

SHMP[12] 21
Hình 1.16:            

Hình 1.17:  ích thí      á   ác
nhau 24
Hình 1.18: à 
2+
-

Hình 1.19: 26
Hình 1.20: 
2+
4 mol % 

Hình 1.21: 
2+

phòng[11] 
Hình 2.1: - 
Hình 2.2: 
Hình 2.3: .
Hình 2.4:  
Hình 2.5 : 
Hình 2.6:              
37
Hình 2.7: 
 38
Hình 2.8: 
 
Hình 2.9: 

Hình 2.10:  
Hình 2.11: -
Hình 2.12: -
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
Hình 2.13: S  khi h thu ph phát quang bng máy quang ph cách t 
MS-257 dùng k thu 
Hình 3.1: S

Hình 3.2:  

Hình 3.3:           
m
PVP
52
Hình 3.4:          
PVP
khác
52
Hình 3.5:  

Hình 3.6:  55
Hình 3.7: 
(b) 
Hình 3.8: 

Hình 3.9: 

Hình 3.10:  
 0.2; 0.4; 0.6;  58

Hình 3.11: 
2+
S và các
59
Hình 3.12:         
PVP
= 0, 0.2, 0.4 và
.60
Hình 3.13: 
PVP

Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
Hình 3.14:     
2
       

PVP

Hình 3.15:     
2
       

PVP
= 
Hình 3.16: 
.63
Hình 3.17: 
PVP


 
Hình 3.18: 
 65
Hình 3.19: 
hq
) vào Ln(J
Kt
 
Hình 3.20: 
m
PVP
= 0.4g (b)  67
Hình 3.21: Mn

Hình 3.22
2+


2+


2+

S

Hình 3.23: 

BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 : Các thông   tinh th ca mt s p ch thu nhóm A
2

B
6
[10] 14
Bảng 3.1: 
3
COO)
2
.2H
2
O, Na
2
S
 46
Bảng 3.2: Mn(CH
3
COO)
2
.4H
2
 
tích dung
Mn(CH
3
COO)
2
Mn 8mol% 47
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
Bảng 3.3:              
 nhau 51

Bảng 3.4 : 
 54
Bảng 3.5: 
nhau 62
Bảng 3.6:  :
 66




















Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO ZnS:Mn BỌC PHỦ PVP . 3
 3
1.1.1 Phân loại vật liệu (vật liệu bán dẫn) 3
1.1.2 Hiệu ứng giam cầm lượng tử liên quan tới kích thước hạt 8
1.1.3 Ứng dụng của vật liệu nano 10

 11
1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương hay sphalerite 12
1.2.2 Cấu trúc mạng tinh thể lục giác hay wurzite 13
1.2.3 Ảnh hưởng của các kim loại chuyển tiếp lên tính chất cấu trúc và vùng
năng lượng của ZnS 15
1.3 19
1.3.1. Phổ hấp thụ của ZnS 19
1.3.2 Phổ hấp thụ của ZnS:Mn
2+
20
1.3.3 Phổ hấp thụ của ZnS:Mn
2+
bọc phủ Polymer 21

2+

 22
1.4.1. Phổ phát quang của ZnS 22
1.4.2. Phổ kích thích và phổ phát quang của ZnS:Mn
2+
không bọc phủ

Polymer 23
1.4.3 Sự bọc phủ các hạt nano ZnS:Mn bằng các chất hoạt hóa bề mặt 24
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
ZnS:Mn, ZnS :Mn BỌC PHỦ PVP VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 28
2.1.  28
2.1.1. Phương pháp sol-gel 28
2.1.2. Phương pháp phún xạ cathode 29
2.1.3. Phương pháp gốm 30
2.1.4. Phương pháp đồng kết tủa 30
 32
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
2.2.1 Máy rung siêu âm 32
2.2.2 Máy khuấy từ gia nhiệt 33
2.2.3 Máy quay ly tâm 34
 37
2.3.1 Hệ đo phổ nhiễu xạ tia X (phổ X-ray) 37
2.3.2 Hệ đo phổ tán sắc năng lượng (SEM) 38
2.4.  39
2.4.1. Nguồn kích thích phổ phát quang 39
2.4.2. Hệ thu phổ kích thích và phổ phát quang 42
2.4.3. Hệ thu phổ phát quang bằng máy quang phổ cách tử đa kênh MS-257
dùng kỹ thuật CCD 43
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN 45
     
 45
3.2.               
 48
3.2.1. Giản đồ nhiễu xạ XRD 48
3.2.2. Ảnh TEM 50

3.3.  51
 
 54
3.5.  58
      
thích 62
3.7. 
kích thích. 63
3.8.           :Mn và
ZnS :Mn/PVP 66
 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
LỜI NÓI ĐẦU



g

           -  






Co, Cu.


- 
 
-  
4
T
1
(
4
G)
6
A
1
(
6
S) trong

5

2+
[8]

   ác
    
[3,4]. 

phát quang cao. K           
[5].

  
phát qu  

.
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
Mn  8    
              



- Chƣơng I
- Chƣơng II :Mn

- Chƣơng III


Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU
NANO ZnS:Mn BỌC PHỦ PVP
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano
1.1.1. Phân loại vật liệu (vật liệu bán dẫn)









Hình 1.1: (a) Hệ vật rắn khối ba chiều, (b) Hệ hai chiều (màng nano), (c) Hệ một

chiều (dây nano), (d) Hệ không chiều (hạt nano) [1, 7]


 
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

    
x
, k
y
, k
z
         
không gian k. 

3
3
k
V
a b c L
   
   

   
   
(1.1)



3
ere
4
3
sph
k
V


(1.2)
k

=
*
2
2mE

, m
*



3
33
ere
3
2
3
4
1 1 1 1

3
.2. .2.
2 2 2 8 3
sph
k
k
V
kL
N
V
L



     
  
     
     
(1.3)


3
* 3 * *
2
3
2 2 2 2
2 2 1 2
2
2
dN dN dk m EL m m

EL
dE dk dE
E


  




(1.4)

thái là:

 
3
*
2
3
3
3
22
*
1
2
2
2
3
3 2 2 2 3
12

2
1 2 2
()
2
CC
m
EL
mm
N E E E E E
Lh






    




(1.5)

Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

Hình 1.2: Phổ mật độ trạng thái bán dẫn khối (Hệ 3 chiều)[7] .
 Với vật liệu bán dẫn 2D
             



trên ta có :

2
2
k
V
a b L
  
  

  
  
(1.6)

2
irclec
V


(1.7)


2 2 2
ircle
2
k
2
1 1 1
.2. . .2.

V 2 2 4 2
c
V
k k L
N
L



     
  
     
     
(1.8)


* 2 * * 2
2
22
2
dN dN dk m EL m m L
dE dk dE
E

  


(1.9)


 
*2
*
2
2
22
()
n
mL
m
N E E E
L



  



(1.10)


Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

Hình 1.3: Phổ mật độ trạng thái bán dẫn 2D (Hệ 2 chiều)[7] .
 Với vật liệu bán dẫn 1D

 


k
V
aL


(1.11)

elin
Vk
(1.12)


*
2
*
e
k
2
1
.2. 2
V2
lin
mE
L
V
kL L
N m E
  


   




(1.13)


 
 
1
1
**
2
**
2
1
22
2
2
m E m L
m E m L
dN dN dk
dE dk dE



  

(1.14)



 
 
 
1
**
2
1
**
2
*
1
2
1
2
2
2
()
n
m E m L
m E m
m
N E E E
L




   




(1.15)
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

Hình 1.4: Phổ mật độ trạng thái bán dẫn 1D ( Hệ 1 chiều ) [7].
 Với vật liệu bán dẫn 0D



(k
x
, k
y
, k
z
). Chúng ta có 

   
0
2
n
N E E E


(1.16)

Hình 1.5: Phổ mật độ trạng thái bán dẫn 0D

(Hệ không chiều hay chấm lượng tử) [7].
-






Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử





 



Bán kính 

2
2 * *
11
eh
a
e m m








(1.17)
 
*
0.34
ee
mm
     
*
0.23
he
mm
 


.
1.1.2 Hiệu ứng giam cầm lượng tử liên quan tới kích thước hạt




 


               



Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

Hình 1.6: Sự so sánh các mức năng lượng trong vật liệu khối, vật liệu nano và
phân tử [15].HOMO:trạng thái điện tử cơ bản, LUMO:trạng thái điện tử kích thích




 Khi bán kính ht r < 2a
B
, ta có ch  giam gi mn t và l
trng b giam gi mc ln t-l trng
vn quan trng.
 Khi r

4a
B
ta có ch  giam gi yu.
 Khi 2a
B


r

4a
B
ta có ch  giam gi trung gian.







Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
1.1.3 . Ứng dụng của vật liệu nano



              




 












               
-- n trên tinh



                 

Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử




phú [2].
1.2. Cấu trúc của vật liệu nano và ảnh hƣởng của Mn lên tính chất cấu trúc
vùng năng lƣợng của ZnS

2
B
6



                

2+

2
p
6
d
10

và S
2-

2
p
6


2-

4s
1
p
3

2+

1
p
3
[3].
  
  

 


o

o


o
C thì

o

o
C thì ZnS hoàn

o



c                

Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

m
1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể lập phương hay sphalerite





Hình 1.7 : Cấu trúc sphalerite của tinh thể ZnS [3]
       
2
43
d

T F m
   

2
B
6



3
4
a



2
2
a


Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
 









4
1
,
4
1
,
4
1

 
 
0,0,0
;






2
1
,
2
1
,1
;







2
1
,0,
2
1
;






0,
2
1
,
2
1

 






4

1
,
4
1
,
4
1
;






4
3
,
4
3
,
4
1
;






4

3
,
4
1
,
4
3
;






4
1
,
4
3
,
4
3
.
1.2.2. Cấu trúc mạng tinh thể lục giác hay wurzite
   





Hình 1.8: Cấu trúc wurtzire của tinh thể ZnS [10]
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
         ác là -    

2
B
6


cách [a
2
/3+c
2
(u-1/2)
2
]
1/2



 

2
/3+c
2
/4]
1/2



1/2+u) .
Bảng 1 : Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm A
2
B
6
[10]







gian

a=b (A
o
)
c (A
o
)
u (A
o
)
c/a
ZnS


F
4

3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
4
6v
C
)
5.4000
3.8200
6.2340

1.6360
ZnO


F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(

4
6v
C
)
4.2700
3.2495
5.2059
0.3450
1.6020
CdS


F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
4
6v
C
)
5.8350
4.1360
6.7134

1.6230
CdTe


F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
4
6v
C
)
6.4780
4.5700
7.4370

1.6270
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử
ZnSe


F
4

3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
4
6v
C
)
5.6670
4.0100
6.5400

1.6310

1.2.3. Ảnh hưởng của các kim loại chuyển tiếp lên tính chất cấu trúc và vùng
năng lượng của ZnS
     
  
   
   

ti
- d) [3].
               -d
R.B.Bylsma, W.M.Bec

j
.( ). .S
tt j
j
H x J r R S

  

(1.18)
x 

0


S 
S
j

j
J(r-R
j
)

 
Phùng Thu Hiền Luận văn Thạc sĩ
Bộ môn Quang – Lượng tử

*
22
2

2
42
e
e
q
m
x J eqc
ES
q
  

(1.19)

*
22
2
2
42
p
v
q
m
x J eqv
ES
q
  

(1.20)

e

*
, m
p
*


           

e
E
và

E


2 2 2 2
22
22
42
g e v e p
qq
x S J eqc J eqv
E E E m m
qq




       


(1.21)
   
x 

                




-ion



     

- - 

2+
