Nghiên cứu tính chất quang học của cdte dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau

Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới sự hướng
dẫn tận tình của TS Nguyễn Thanh Bình đã dành cho tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ của Viện Vật lý những người đã luôn
giúp đỡ, khích lệ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Thị Bích về những ý kiến
chuyên môn rất sâu sắc, giúp tôi hoàn thành tốt hơn luận văn.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến cán bộ Đào Duy Thắng, cán bộ Nguyễn
Đình Hoàng, cán bộ Phùng Việt Tiệp và cán bộ Trịnh Đình Huy tại Phòng thí
nghiệm của Viện Vật lý đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình
thực tập của tôi tại Phòng thí nghiệm. Các kết quả đo đạc và nghiên cứu về phổ
huỳnh quang và phổ hấp thụ đã được thực hiện tại đây. Tôi xin gửi lời cảm ơn các
anh chị tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Viện vật liệu đã tạo điều kiện cho phép đo
phổ hấp thụ tại đây.
Khóa luận được thực hiện tại phòng thí nghiệm Quang phổ Laser, Trung
tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý dưới sự hỗ trợ của đề tài “Nghiên cứu vật
liệu nano trong điều kiện vũ trụ” thuộc chương trình KHCN vũ trụ.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2011
Tác giả
Nguyễn Thanh Huyền
MỤC LỤC
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 1
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
LỜI CẢM ƠN 1
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG 1 9
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe 9


Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ nguyên tử giống nhau.
[3] 11


Bảng 1.2. Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm A2B6 [5] 14
Bảng 1.3. Các thông số vùng năng lượng của CdTe 16
 !
"#$%&'()(*+
,-
,-
,-./
CHƯƠNG 2 26
KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 26
01#210134!
3456+
78956:
;<=%1>1-?
@<=%1>A 
!<=%BCDA @
CHƯƠNG 3 37
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 2
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37
E>1-FG#$0%&3H4&0+
E>A FG#$0%&3H4&0
BCDFG#$0%&3H4&0;
KẾT LUẬN 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 46
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 3

Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ
nguyên tử giống nhau
Bảng 1.2. Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm
A2B6 [4]
Bảng 1.3. Ước tính sản lượng các loại vật liệu và thiết bị nano khác nhau
của thế giới trên cơ sở các tổng quan và Tạp chí Hóa học Quốc tế (2003 - 2004 ) và
nghiên cứu thị trường (BCC 2001)
Bảng 1.4. Sản lượng điện do pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới
Bảng 1.5. Số liệu đo phổ hấp thụ tại thời điểm sau chiếu 1 tuần (tại Viện Vật
liệu) và thời điểm sau chiếu 8 tuần (Viện Vật lý).
Bảng 1.6. Số liệu đo phổ hấp thụ tại thời điểm sau chiếu 1 tuần (tại Viện Vật
liệu) và thời điểm sau chiếu 8 tuần (Viện Vật lý).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 4
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (kích thước khoảng
angstron) đến lớn như tế bào động vật (khoảng một vài chục micron) [3]
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với
số lớp nguyên tử khác nhau trong một cấu trúc nano.
Hình 1.3. Sự thay đổi hình thái từ tính thể dạng khối tới chấm lượng tử dẫn
tới cấu trúc vùng năng lượng và hàm mật độ trạng thái của chất bán dẫn cũng thay
đổi theo.
Hình 1.4. Cấu trúc mạng tính thể giả kẽm liên kết tứ diện và đấi xứng lập
phương (a) và cấu trúc vùng Brillouin(b).
Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của CdTe.
Hình 1.6. Huỳnh quang phổ của chấm lượng tử keo CdTe các kích cỡ khác
nhau, tăng khoảng 2-20 nm
Hình 1.7. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của QDs trong quá tình tổng

hợp.
Hình 1.8. Phổ hấp thụ (a) và vị trí đỉnh phổ (b) của mầm và chấm lượng tử
Cdte sau khi xử lí nhiệt độ ở các công suất khác nhau của lò vi sóng.
Hình 1.9. Phổ huỳnh quang (a) và độ bán rộng đỉnh huỳnh quang (b)của
mầm và chấm lượng tử CdTe sau khi xử lý nhiệt ở các công suất khác nhau của lò
vi sóng.
Hình 1.10. Phổ hấp thụ (a) và vị trí các đỉnh phổ (b) của chấm lượng tử
CdTe khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt trong lò vi sóng.
Hình 1.11. Phổ huỳnh quang (a) và độ bán rộng đỉnh phổ (b) của chấm
lượng tử Cdte khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt trong lò vi sóng.
Hình 1.12. Mặt cắt ngang của một tế bào năng lượng mặt trời mỏng CdTe.
Hình 1.13. MW CdTe PV Array, Waldpolenz, Đức.
Hình 2.1. Phổ nhiễu xạ tia x của mẫu CdTe QDs tổng hợp ở 120o sau 5
phút. Trên góc là ảnh TEM phân giải cao
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 5
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Hình 2.2. Các mẫu CdTe được chiếu xạ với các điều kiện khác nhau: Chiếu
xạ proton, chiếu xạ nơtron, không chiếu xạ, chiếu xạ gama, chiếu xạ tia X (từ trái
qua phải) với cùng tỉ lệ nồng độ 1µl:1600µl
Hình 2.3. Hệ đo phổ hấp thụ Cary 5000 (Viện Khoa học Vật liệu)
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ quang học UV-VIS-NIR.
Hình 2.5. Hệ đo phổ huỳnh quang Cary Eclipse
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý của máy phổ kế huỳnh quang
Hình 2.7. Nguyên lý phép đo TCSPC
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hệ đo TCSPC
Hình 3.1. Phổ hấp thụ của CdTe với các điều kiện chiếu xạ khác nhau (ngay
sau chiếu xạ).
Hình 3.2. Phổ huỳnh quang của CdTe với các điều kiện chiếu xạ khác nhau
ở bước sóng kích thích λkt= 488nm (ngay khi chiếu xạ).
Hình 3.3. Phổ huỳnh quang của CdTe với các điều kiện chiếu xạ khác nhau

sau 2 tháng.
Hình 3.4. Phổ huỳnh quang của CdTe trước và sau khi chiếu xạ photon
nhiệt 1 tuần và 8 tuần (2 tháng).
Hình 3.5. Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal
QDs khi chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 1 tuần)
Hình 3.6. Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal
QDs khi chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 8 tuần)
Hình 3.7. Đường cong suy giảm huỳnh quang của mẫu CdTe/CdS colloidal
QDs khi chiếu xạ khác nhau (sau chiếu 1 tuần và sau chiếu 8 tuần).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 6
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng chấm lượng tử QDs là
đề tài thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Trong các hệ chấm
lượng tử thì các chấm lượng tử dựa trên hợp chất A
II
B
VI
được nghiên cứu nhiều hơn
cả. Các vật liệu bán dẫn này có vùng cấm thẳng, phổ hấp thụ nằm trong vùng nhìn
thấy và một phần nằm trong miền tử ngoại gần, có hiệu suất phát xạ lớn, do đó thích
hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế. Chấm lượng tử nhóm A
II
B
VI
như CdS, CdSe,
CdTe có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực đa dạng, ví dụ như trong các linh
kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang điện tử, các detector siêu
nhậy, trong các linh kiện phát sang (QD-LED), trong các ứng dụng y-sinh như hiện
ảnh phân tử và tế bào [8], các cảm biến sinh học nano (nano-biosensor) [9]. Có thể

nói hiện nay là thời đại của chấm lượng tử vì có rất nhiều ứng dụng hứa hẹn và nổi
bật của chấm lượng tử trong các lĩnh vực kể trên.
Đặc tính nổi trội của chấm lượng tử là hiệu ứng giam giữ lượng tử do kích
thước giảm xuống cỡ nm. Hiệu ứng này dẫn đến các hạt tải tích điện bị giam giữ về
mặt không gian, ở bên trong thể tích rất bé của nano tinh thể. Hệ quả là các mức
năng lượng của điện tử và lỗ trống từ chỗ liên tục trong tinh thể khối trở nên gián
đoạn, hấp thụ quang học ở các mức năng lượng này cho phép xác định hình dạng,
kích thước của chấm lượng tử. Do hiệu ứng này, người ta thể sử dụng kích thước
của các chấm lượng tử này để thay đổi, trong một khoảng rộng và chính xác, năng
lượng của các trạng thái điện tử gián đoạn và dịch chuyển quang học. Kết quả là các
nhà khoa học có thể thay đổi phát xạ ánh sang từ các hạt chấm lượng tử này, từ phổ
tử ngoại, nhìn thấy, hồng ngoại gần và tới vùng hồng ngoại giữa. Các hạt chấm
lượng tử này cũng tạo ra nhiều tính chất quang mới như là sự nhân các hạt tải
(carrier multiplication), đơn hạt nhấp nháy (single-particlen blinking) và truyền tín
hiệu phổ.
Chấm lượng tử CdTe có năng lượng vùng cấm 1.52eV có khả năng phát
huỳnh quang trong vùng nhìn thấy với hiệu suất cao. Bước sóng huỳnh quang có thể
thay đổi bằng cách thay đổi kích thước chấm lượng tử. Chấm lượng tử CdTe có thể
chế tạo từ nhiều phương pháp khác nhau, nhiều dạng khác nhau do đó có khả năng
ứng dụng rộng rãi.
Một trong nhưng ứng dụng của chấm lượng tử CdTe được các nhà nghiên
cứu, công nghệ đặc biệt quan tâm là sử dụng làm các linh kiện quang - điện tử. Các
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 7
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
linh kiện quang điện tử sử dụng chấm lượng tử CdTe có kích thước nhỏ, hiệu suất
cao thích hợp sử dụng trong điều kiện vũ trũ. Tuy nhiên trong điều kiện vũ trụ linh
kiện, vật liệu chịu tác động điều kiện rất khắc nghiệt như thay đổi nhiệt độ lớn, ảnh
hưởng trực tiếp các tia vũ trụ như tia α, tia γ tia X… Nhằm đánh giá khả năng sử
dụng vật liệu CdTe QDs trong điều kiện vũ trụ chúng tôi chọn “Nghiên cứu tính
chất quang học của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau” là đề tài luận

văn.
Khóa luận ngoài lời nói đầu và kết luận luận văn gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về nano tinh thể CdTe: giới thiệu về vật liệu nano,
các tính chất chung của CdTe và những ứng dụng của chúng đối với đời sống.
Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm: trình bày phương pháp chế tạo vật liệu
nano. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy đo phổ hấp thụ, máy đo phổ huỳnh
quang và thời gian sống của các mẫu dưới các bức xạ khác nhau.
Chương 3: Kết quả và thảo luận: trình bày kết quả đo phổ hấp thụ, phổ
huỳnh quang, thời gian sống của CdTe chịu ảnh hưởng của các điều kiện chiếu xạ
khác nhau; biện luận kết quả thực nghiệm.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 8
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ CdTe
1.1 Giới thiệu về vật liệu nano
Vật liệu nano (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh
cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công
trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến
khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số tiền đầu
tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 .
Khi ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ, một nano
giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà chúng ta
dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét. Nói một cách rõ hơn là
vật liệu chất rắn có kích thước nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm
việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy
không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái niệm
vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano
(nanoscience ) và công nghệ nano (nanotechnology ). Theo viện hàn lâm hoàng gia
Anh: Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can
thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử.

Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng
các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên
quy mô nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ
nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một
khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta
có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều
hạt nano có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp
nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.
Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ
bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu.
Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước
của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 9
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối
của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ
lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính
chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này.
Chúng ta hãy lấy một ví dụ: Vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô
men, trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau
nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô
men khác. Giữa hai đô men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men. Độ
dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100
nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì
sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các
nguyên tư ở đô men này tac động lên nguyên tử ở đô men khác.
Chính vì ý nghĩa khoa học cơ bản cũng như triển vọng ứng dụng to lớn nên
các nghiên cứu khoa học–công nghệ, nghiên cứu ứng dụng vật liệu có cấu trúc nano
đang được thực hiện tại nhiều phòng thí nghiệm tiên tiến trên thế giới. Vật liệu có

kích thước cấu trúc nano được hiểu theo nghĩa chung là kích thước các hạt vật liệu
nằm trong vùng một vài nano mét đến nhỏ hơn 100 nm.
Hình 1.1. Một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (kích thước khoảng
angstron) đến lớn như tế bào động vật (khoảng một vài chục micron) [3]
Để có thể hình dung, so sánh về vật liệu có kích thước nano mét, Hình 1.1
trình bày một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (atom, kích thước khoảng angstron)
đến lớn như tế bào động vật (animal cell, khoảng vài chục micron), và vùng kích
thước của vật liệu có cấu trúc nano/chấm lượng tử đang được quan tâm (NCs/QDs,
vùng một vài đến một vài chục nano mét cũng là vùng kích thước của các protein).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 10
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Với kích thước nhỏ như vậy, số nguyên tử phân bố trên bề mặt trở nên rất
đáng kể so với số nguyên tử nằm bên trong hạt. Bảng 1.1 cho biết một số giá trị
điển hình của hạt nano cấu tạo từ các nguyên tử giống nhau và Hình 1.2 biểu diễn
mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với số lớp nguyên tử
khác nhau trong một cấu trúc nano.
Bảng 1.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano cấu tạo từ nguyên
tử giống nhau. [3]
Đường kính
hạt nano
(nm)
Số nguyên
tử
Tỉ số nguyên
tử trên bề
mặt (%)
Năng lượng
bề mặt
(erg/mol)
Tỉ số năng

lượng bề
mặt trên
năng lượng
toàn phần
(%)
10 30.000 20 4,08×10
11
7,6
5 4.000 40 8,16×10
11
14,3
2 250 80 2,04×10
11
35,3
1 3 90 9,23×10
11
82,2
Chẳng hạn, với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó
chứa là: 4000 nguyên tử với tỉ số nguyên tử trên bề mặt là 40%, năng lượng bề mặt
là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 14,3%. Do
vậy, các hiệu ứng hoá–lý, quang phổ liên quan tới trạng thái bề mặt cần được đặc
biệt lưu ý khi nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 11
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với
số lớp nguyên tử khác nhau trong một cấu trúc nano.[3]
Khi kích thước của vật liệu giảm xuống cỡ nano mét, có hai hiện tượng đặc
biệt xảy ra:
Thứ nhất, tỷ số giữa số nguyên tử nằm trên bề mặt và số nguyên tử trong cả
hạt nano trở nên rất lớn. Mặt khác, năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị

hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ, thể hiện
qua nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ chuyển pha cấu trúc của các hạt nano thấp
hơn nhiều so vật liệu khối tương ứng (thí dụ với TiO
2
, nhiệt độ chuyển pha từ cấu
trúc anatase sang cấu trúc rutile khoảng 400
0
C khi vật liệu có kích thước nano và
khoảng 1200
0
C khi vật liệu ở dạng khối). Bên cạnh đó, cấu trúc tinh thể của hạt và
hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử bị ảnh hưởng đáng kể bởi số nguyên tử
trên bề mặt, dẫn đến vật liệu ở cấu trúc nano có nhiều tính chất mới lạ so với vật
liệu khối và hứa hẹn mang lại những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống.
Thứ hai, khi kích thước của hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton
trong vật liệu khối thì xuất hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement
effects), trong đó các trạng thái điện tử cũng như các trạng thái dao động trong hạt
nano bị lượng tử hoá. Các trạng thái bị lượng tử hoá trong cấu trúc nano sẽ quyết
định tính chất điện và quang nói riêng, tính chất vật lý và hoá học nói chung của cấu
trúc đó.
Chính hai tính chất liên quan đến kích thước nano mét của vật liệu trên đã
làm cho các cấu trúc nano trở thành đối tượng của nghiên cứu cơ bản, cũng như
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 12
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
nghiên cứu ứng dụng. Các tính chất của các cấu trúc nano có thể thay đổi được bằng
cách điều chỉnh hình dạng và kích thước cỡ nano mét của chúng.
Hình 1.3. Sự thay đổi hình thái từ tính thể dạng khối tới chấm lượng tử dẫn
tới cấu trúc vùng năng lượng và hàm mật độ trạng thái của chất bán dẫn cũng thay
đổi theo.
1.2. Tính chất chung của CdTe

CdTe có độ rộng vùng cấm 1.52 eV có khả năng phát huỳnh quang trong
vùng nhìn thấy. Bước sóng huỳnh quang có thể thay đổi nhờ hiệu ứng giam cầm
lượng tử trong các chấm lượng tử có kích thước khác nhau.
1.2.1 Tính chất cấu trúc
Tinh thể CdTe thường có cấu trúc lập phương giả kẽm (cubic zincblende).
Cấu trúc này được mô tả như cặp các mặt đan xen vào nhau ở tâm mặt lập phương.
Nguyên tử Cd hình thành một mạng con và nguyên tử Te hình thành một mạng con
khác mạng con khác. Đặc điểm quan trong của sắp xếp mạng zinblende kiểu nàu là
sự thiếu trục đối xứng kết quả tinh thể CdTe có tính phân cực cao trừ hướng không
phân cực [110]. Ví dụ khi nuôi tinh thể thì hướng [111] sẽ phát triển mạnh hơn.
Ở nhiệt độ phòng hằng số mạng của CdTe lớn nhất trong họ bán dẫn A2B6.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy hằng số mạng của CdTe thay đổi từ 6.480 Å tới
6.488 Å từ thuộc vào điều kiện chế tạo hay xử lý mẫu. Từ phổ nhiễu xạ tia X có thể
tình các định được hằng số mạng và hệ số dãn nở nhiệt của CdTe theo phương trình
sau:
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 13
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
a(T ) = 6.4802 + 31.94 ×10
-6
T + 31.94 ×10
-9
T
2
+ 31.94 ×10
-12
T
3
, (1.1)
β (T ) = 4.932 ×10
-6

+ 1.165 ×10
-9
T + 1.428 ×10
-12
T 2 , (1.2)
Trong đó: a(T) là hằng số mạng β (T ) là hệ số giãn nở nhiệt.
Liên kết trong CdTe được đặc trưng bởi liên kết trung gian giữa liên kết ion
và liên kết hóa trị trong đó liên kết ion chiếm khoảng 72%.
Vùng Brillouin của cấu trúc Zinblende có dạng bát diện cụt có 14 mặt, 6 mặt
theo hướng [100] và 8 mặt theo hướng [111]. Tâm vùng được đánh dấu bằng điểm
Γ hướng [111] và [100] được gọi là hướng L hướng Δ tương ứng.
Các thông số mạng tinh thể của CdTe và một số chất thuộc nhóm A2B6 được
cho trên bảng 1.2:
Bảng 1.2. Các thông số mạng tinh thể của một số hợp chất thuộc nhóm A2B6 [5]
Hợp
chất
Loại cấu
trúc tinh
thể
Nhóm đối
xứng không
gian
Hằng số mạng
a=b (A
o
) c (A
o
) u(A
o
) c/a

ZnS
Lập phương
Lục giác
F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
2
6v
C
)
5.4000
3.8200
6.2340 1.6360
ZnO
Lập phương
Lục giác
F
4
3m(
2
d
T
)

P6
3
mc(
2
6v
C
)
4.2700
3.2495
5.2059 0.3450 1.6020
CdS
Lập phương
Lục giác
F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
2
6v
C
)
5.8350
4.1360
6.7134 1.6230

CdTe
Lập phương
Lục giác
F
4
3m(
2
d
T
)
P6
3
mc(
2
6v
C
)
6.4780
4.5700
7.4370 1.6270
ZnSe
Lập phương
Lục giác
F
4
3m(
2
d
T
)

P6
3
mc(
2
6v
C
)
5.6670
4.0100
6.5400 1.6310
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 14
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Hình 1.4. Cấu trúc mạng tính thể giả kẽm liên kết tứ diện và đối xứng lập
phương (a) và cấu trúc vùng Brillouin(b).
Cấu trúc vùng năng lượng.
Cấu trúc vùng năng lượng của CdTe được cho trên hình 1.5. CdTe đặc trưng
bởi cấu trúc vùng thẳng với cực tiểu của vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị nằm ở
tâm vùng Brillouin (hay điểm Γ). Vùng hóa trị được chia làm ba phân vùng, hai
phân vùng trong đó suy biến tại k=0. Phân vùng thứ nhất chứa các lỗ trống nặng
(hh), phân vùng thứ hai chứa các lỗ trống nhẹ (lh), phân vùng thú ba chứa các trạng
thái sin quỹ đạo trong đó tương tác giữa vùng dẫn và vùng hóa trị qua k.p không
khụ thuộc vào k. Các thông số năng lượng của CdTe cho trong bảng 1.3.
Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của CdTe.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 15
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Bảng 1.3. Các thông số vùng năng lượng của CdTe.
Thông số Giá Trị Tài liệu tham khảo
Lattice constant, a (Å) at 298
K
6.4802 [12]

Energy gap at 0 K, g E (eV)
PL
ER
1.622 [13]
1.605, 1.6058 [14, 15]
1.606 [16]
Electron effective mass, 0
m* m
0.0963 ±0.0008 [17]
Heavy hole effective mass, 0
m* m hh
0.81 ±0.05 [18]
Light hole effective mass, 0
m* m ll
0.12 ±0.02 [19]
Spin-orbit splittering, 0 Δ (eV)
0.91 [20]
CdTe là 1 hợp chất được kết tinh từ cadmium Cd và tellurium Tl. Nó được sử
dụng trong cửa sổ quang học hồng ngoại (infrared optical window) và nguyên liệu
pin năng lượng mặt trời.
Công thức phân tử CdTe. Khối lượng phân tử 240,01 g.mol
-1
. Mật độ 5,85
g/cm
3
. Điểm nóng chảy 1092 ° C. Nhiệt độ sôi 1130 ° C. Độ hòa tan trong các dung
môi khác không hòa tan dải khoảng cách 1,44 eV (300 K,). Chiết suất (nD) 2,67 (
10 μm).
1.2.2 Tính chất quang
Tính chất quang học của các

chấm lượng tử CdTe phụ thuộc vào
phương pháp chế tạo, kích thước chấm
lượng tử. Trên hình 1.6 là phổ huỳnh
quang của chấm lượng tử với kích
thước từ 2 dến 20nm. Ta thấy rằng
đỉnh phổ huỳnh thay đổi từ 500 đến
800 nm khác nhau được chế tạo bằng
phương pháp hóa học.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 16
Hình 1.6. Huỳnh quang phổ của chấm
lượng tử keo CdTe các kích cỡ khác nhau,
tăng khoảng 2-20 nm [7]
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Trên Hình 1.7 cho thấy phổ hấp thụ
và phổ huỳnh quang của chấm lượng tử
CdTe chế tạo bằng phương pháp hóa trộn
(TOP) và (DDA) ở 147°C. Theo thời gian
kích thước của chấm lượng tử tăng lên do
đó đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang của
CdTe bị dịch về phía bước sóng dài. Càng
về sau sự dịch đỉnh này chậm dần và cuối
cùng là bão hòa.
1.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài
lên tính chất của CdTe
Cách nghiên cứu cho thấy rằng chấm
lượng tử CdTe thay đổi tính chất dưới tác
dụng của điều kiện chiếu xạ khác nhau.
Hình 1.7 cho thấy phổ hấp thụ của QDs
CdTe thay đổi khi chiếu xạ với các công
suất khác nhau. Mẫu sau khi xử lý chiếu xạ

có đỉnh phổ hấp thụ dịch chuyển rõ rệt về
phía bước sóng dài so với mẫu chưa xử lý
chiếu xạ. Sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ của
QDs CdTe về phía bước sóng dài tương ứng
với kích thước QDs của các mẫu tăng lên
khi công suất chiếu xạ tăng.
1.2.3.1 Ảnh hưởng của công suất chiếu xạ lên tính chất quang của
QDs CdTe
Phổ hấp thụ (Hình 1.8a) cho thấy mẫu đã qua xử lý chiếu xạ có đỉnh phổ hấp
thụ dịch chuyển rõ rệt về phía bước sóng dài so với mẫu chưa xử lý chiếu xạ. Sự
dịch chuyển của các đỉnh hấp thụ về phía bước sóng dài tăng tương ứng với công
suất chiếu xạ của các mẫu. Sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ của QDs CdTe về phía
bước sóng dài tương ứng với kích thước QDs của các mẫu tăng lên khi công suất
chiếu xạ tăng. Điều này được giải thích như sau: khi công suất chiếu xạ tăng lên, tốc
độ gia nhiệt cho mẫu tăng tương ứng, các mầm tinh thể tăng động năng, tốc độ
chuyển động tăng nên xác suất va chạm giữa các vi mầm tinh thể tăng lên. Quá
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 17
Hình 1.7. Phổ hấp thụ và phổ huỳnh
quang của QDs trong quá tình tổng
hợp. [20]
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
trình hình thành QDs CdTe xảy ra trong môi trường nước dưới tác động của sóng
viba là quá trình kết tụ của các vi mầm tinh thể tạo thành hạt có kích thước lớn hơn.
Cùng một thời gian chiếu xạ, kích thước QDs tăng theo công suất chiếu xạ. Các
chấm lượng tử có kích thước tương ứng bán kính Bohr xảy ra hiệu ứng kích thước
lượng tử và độ rộng vùng cấm hiệu dụng giảm khi kích thước hạt tăng lên. Vì vậy
các mẫu chiếu xạ công suất lớn hơn kích thước hạt lớn hơn và đỉnh phổ hấp thụ
dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn. Sự dịch chuyển đỉnh phổ hấp thụ theo công
suất chiếu xạ được thể hiện trên Hình 1.8b.
Hình 1.8. Phổ hấp thụ (a) và vị trí đỉnh phổ (b) của mầm và chấm lượng tử

Cdte sau khi xử lí nhiệt độ ở các công suất khác nhau của lò vi sóng. [3]
Hình 1.9. Phổ huỳnh quang (a) và độ bán rộng đỉnh huỳnh quang (b)của
mầm và chấm lượng tử CdTe sau khi xử lý nhiệt ở các công suất khác nhau của lò
vi sóng.[3]
Phổ huỳnh quang (Hình 1.9a) cho thấy, các mẫu qua xử lý chiếu xạ trong lò
vi sóng có cường độ huỳnh quang lớn hơn rất nhiều so với cường độ huỳnh quang
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 18
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
của dung dịch chứa các vi mầm tinh thể ban đầu. Điều này thể hiện QDs CdTe chỉ
được hình thành khi các vi mầm tinh thể được liên kết với nhau nhờ quá trình xử lý
nhiệt thông qua việc chiếu xạ sóng vi ba trong lò vi sóng. So sánh phổ huỳnh quang
của các mẫu được chiếu xạ với công suất khác nhau chúng ta nhận thấy rằng cường
độ huỳnh quang giảm khi công suất chiếu xạ tăng. Mẫu có công suất chiếu xạ thấp
(300W) tốc độ gia nhiệt thấp, quá trình phát triển chấm lượng tử chậm nên sự kết
tinh của tinh thể hoàn hảo hơn, do đó cường độ huỳnh quang mạnh hơn. Tương ứng
với phổ hấp thụ (Hình 1.8), đỉnh phổ huỳnh quang của các mẫu cũng dịch chuyển
về phía bước sóng dài khi công suất chiếu xạ tăng lên.
Độ rộng đỉnh phổ huỳnh quang của các mẫu chiếu xạ ở công suất khác nhau
được trình bày trên Hình 1.9b. Quan sát Hình 1.9b có thể thấy rằng, mẫuchiếu xạ ở
công suất nhỏ (300W) có độ rộng đỉnh huỳnh quang hẹp hơn, nghĩa là kích thước
QDs trong mẫu đồng đều, khi công suất chiếu xạ tăng lên sự đồng đều về kích
thước lại giảm xuống thể hiện ở độ rộng đỉnh huỳnh quang mở rộng hơn. Từ kết
quả trên cho thấy để thu được QDs có độ đồng đều về kích thước hạt thì công suất
chiếu xạ phải nhỏ tức là tốc độ gia nhiệt chậm.
1.2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ chiếu xạ lên tính chất quang của
QDs CdTe
Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các mẫu có thời gian chiếu xạ khác
nhau với cùng một công suất 300W được trình bày trên Hình 1.10 và 1.11.
Hình 1.10. Phổ hấp thụ (a) và vị trí các đỉnh phổ (b) của chấm lượng tử
CdTe khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt trong lò vi sóng. [3]

SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 19
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Hình 1.11. Phổ huỳnh quang (a) và độ bán rộng đỉnh phổ (b) của chấm
lượng tử Cdte khảo sát theo thời gian xử lý nhiệt trong lò vi sóng. [3]
Phân tích các hình cho thấy, thời gian xử lý nhiệt càng tăng, vị trí đỉnh hấp
thụ exciton và đỉnh huỳnh quang càng dịch về phía bước sóng dài tương ứng với
kích thước trung bình của QDs trong mẫu tăng theo thời gian chiếu xạ sóng viba
trong lò vi sóng. Tuy nhiên, tốc độ phát triển kích thước hạt trung bình không tăng
tuyến tính theo thời gian. Kích thước hạt từ mầm vi tinh thể ban đầu tăng nhanh
theo thời gian chiếu xạ trong khoảng 100 phút đầu, sau đó tăng chậm dần và tiến
đến bão hòa với thời gian trên 360 phút. Hiện tượng này được giải thích là ban đầu
tốc độ phát triển hạt tỉ lệ với nồng độ các vi tinh thể trong dung dịch. Khi thời gian
xử lý nhiệt tăng, các hạt có kích thước lớn hơn phát triển, nồng độ các vi tinh thể
trong dung dịch giảm nên tốc độ phát triển kích thước hạt giảm. Bán kính hạt tăng
lên, mật độ nguyên tử hoạt động giảm, quá trình vận chuyển khối giảm dẫn đến kích
thước hạt dần đến bão hòa tương ứng với thời gian chiếu xạ dài. Với hệ mẫu trên,
thời gian chiếu xạ kéo dài đến khoảng 360 - 480 phút thì kích thước trung bình của
hạt tăng không đáng kể. Sự dịch chuyển đỉnh phổ huỳnh quang về phía bước sóng
dài theo thời gian chiếu xạ (Hình 1.11a) cũng diễn ra tượng tự phổ hấp thụ (Hình
1.10a). Độ rộng của phổ huỳnh quang theo thời gian chiếu xạ trình bày trên Hình
1.11b. Từ hình cho thấy, sự đơn phân tán về kích thước giảm khi thời gian chiếu xạ
tăng lên tương ứng thời gian xử lí nhiệt càng lâu thì độ đồng đều về kích thước càng
giảm. Kết quả này phù hợp với các công bố của các nhóm nghiên cứu trước.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 20
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
1.3 Ứng dụng
1.3.1 Ứng dụng vật liệu nano
Vật liệu nano có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn, ống
nano cacbon, dây nano silic đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các linh kiện
điện tử, cũng như các chuyển mạch quang Các vật liệu gốm trên cơ sở tinh thể

nano Si
3
N
4
, SiC có độ cứng siêu cao, ít bị mài mòn, được dùng trong cơ khí để
chế tạo mũi khoan, dao cắt gọt, các ổ bi Vật liệu TiO
2
anatase với kích thước cỡ
nano mét cho thấy chúng là một chất xúc tác quang điện hóa mạnh, mở ra một khả
năng ứng dụng làm vật liệu xúc tác, làm sạch môi trường: kính được phủ hạt tinh
thể nano TiO
2
sẽ không dính ướt; các loại sơn có pha hạt nano TiO
2
sẽ có độ bám
dính rất cao, làm cho lớp sơn bền lâu và không bám bụi Các hạt nano từ: Fe
2
O
3
,
Fe
3
O
4
được sử dụng để đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh
hưởng đến các tế bào bình thường.
Các hạt kim loại có cấu trúc nano cũng là một hướng tiếp cận trong các
nghiên cứu khoa học–công nghệ nano. Ở đây, tính chất hấp thụ cộng hưởng
plasmon bề mặt liên quan tới hệ điện tử tự do đặc biệt có ý nghĩa quan trọng. Gần
đây, hai loại hạt nano kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều là vàng (Au) và bạc

(Ag). Vàng kích thước nano (khoảng một vài chục nm) có plasmon bề mặt cộng
hưởng ở khoảng 530 nm. Quá trình biến đổi photon–plasmon–photon (vùng phổ
cộng hưởng ~530 nm) cho phép tiếp cận trực tiếp lĩnh vực nano–photonics, tận
dụng được các ưu thế "nhanh" của quang tử (photonics) và "kích thước nano" của
điện tử. Plasmon bề mặt trong các hạt vàng còn được sử dụng để truyền năng lượng
ánh sáng cho các tế bào, protein được đánh dấu riêng, nhằm có được sự đốt nóng
chọn lọc trong điều trị định vị các mô ung thư. Các hạt nano bán dẫn (CdS, CdSe,
CuInS
2
) được sử dụng trong đánh dấu sinh học, phát hiện các phân tử DNA, phát
hiện ung thư, virút hay các ứng dụng trong pin mặt trời, chiếu sáng rắn [2].
Bảng 1.4. Ước tính sản lượng các loại vật liệu và thiết bị nano khác nhau
của thế giới trên cơ sở các tổng quan và Tạp chí Hóa học Quốc tế ( 2003 - 2004 )
và nghiên cứu thị trường (BCC 2001). [6]
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 21
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Sản lượng ước tính ( tấn/năm )
1.3.2 Ứng dụng nano tinh thể CdTe
Pin năng lượng mặt trời: CdTe là nguyên liệu có ứng dụng cao trong quá
trình làm màng mỏng hợp kim mặt trời. Màng mỏng CdTe cung cấp 1 hiệu quả chi
phí thiết kế pin năng lượng mặt trời, nhưng ít hiệu quả hơn silic đa tinh thể.
Một môđun CdTe của 10% ánh sáng điện chuyển đổi hiệu quả có thể cung
cấp khoảng 100W hiệu suất trong điều kiện ánh sáng tiêu chuẩn, do đó, trung bình
7g/100W = 70g/kW năng lượng điện được sử dụng.
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 22
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Ở Mỹ, tính trung bình nguồn năng lượng mặt trời sử dụng tại 1 vùng, như
Kansas, trong 1m
2
, 10% hiệu suất hiệu quả của môđun CdTe chứa 7g Cd cung cấp

khoảng 5400 kWh trên cả mức mong đợi cho nhu cầu của cuộc sống trong vòng 30
năm. Số lượng đó vào khoảng 770 kWh/g Cd, hoặc 0,001 g/kWh. (số lượng này
chứa trong môđun và không phát xạ. Cd hoàn toàn có thể tái chế.)
Hình 1.12. Mặt cắt ngang của một tế bào năng lượng mặt trời mỏng CdTe.
[6]

Hình 1.13. MW CdTe PV Array, Waldpolenz, Đức. [7]
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 23
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
Bảng 1.5. Sản lượng điện do pin mặt trời được sản xuất trên toàn thế giới.
[7]
Ta nhận thấy rằng, sản lượng pin mặt trời trên cơ sở silic đơn tinh thể và đa
tinh thể chiếm thị trường nhiều nhất và thị trường đang giảm mặc dù sản lượng vẫn
tăng. Trong khi đó các pin mặt trời màng mỏng, CdTe có sản lượng ngày càng
nhiều sở dĩ như vậy là chi phí sản xuất ra pin mặt trời màng mỏng rẻ hơn so với pin
mặt trời silic tinh thể. [6]
Ngoài ra CdTe còn có nhiều ứng dụng phổ biến trong cuộc sống như:
Máy dò: CdTe có thể được pha trộn với thủy ngân để tạo ra máy dò tia hồng
ngoại (HgCdTe). CdTe trộn với 1 lượng nhỏ kẽm tạo ra ở thể rắn tia X tạo ra máy
dò tia gamma (ZnCdTe).
CdTe còn được sử dụng như 1 nguyên liệu hồng ngoại quang học cho của
sổ quang học và thấu kính nhưng ứng dụng của nó rất ít và bị hạn chế bởi tính độc
hại của nó. Một dạng sơ khai của CdTe từ IR được biết đến dưới cái tên là Irtran –
6 nhưng nay không dùng nữa.
CdTe cũng được dùng máy biến điệu điện quang học. Nó có hệ số điện
quang học lớn nhất của đường ảnh hưởng điện quang học giữa mức II – VI tinh thể
hợp kim (
12
10 /m V
−

).
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 24
Nghiên cứu tính chất quang của CdTe dưới tác dụng của các bức xạ khác nhau
CdTe cùng với clo được dùng như 1 máy dò bức xạ cho tia X, tia gamma,
các hạt beta và alpha. CdTe có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng cho phép tạo ra máy
dò tìm có ứng dụng rộng rãi trong quang phổ hạt nhân. Những tính chất này tạo ra
nhưng CdTe cao hơn để thực hiện thiết bị dò tia X và tia gamma với hiệu suất cao
có số nguyên tử lớn, điện tử lớn và tính di động cao cỡ 1100
2
cm
/V.s, do đó nó là
giải pháp hiệu quả cho quang phổ học. [6]
SVTH: Nguyễn Thanh Huyền 25