Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạgamma lên tính chất quang của chấm lượng tử CdSe

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Đình Công

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ GAMMA LÊN TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Đình Công

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỨC XẠ GAMMA LÊN TÍNH CHẤT
QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 60440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH BÌNH

Hà Nội – Năm 2015

Lời cam đoan
Luận văn với tên đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu ảnh
hưởng của bức xạ gamma lên tính chất quang của chấm
lượng tử CdSe" là công trình nghiên cứu của tôi, hoàn thành
dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Bình. Luận văn
không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào của người khác mà
không xin phép, tham khảo và trích dẫn. Kết quả thực nghiệm
trong luận văn cũng không sao chép từ bất kỳ kết quả của ai
khác. Nếu vi phạm hai điều này, tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm trước đơn vị đào tạo và pháp luật.


Lời cảm ơn
Lời cảm ơn đầu tiên cũng là lời cảm ơn đặc biệt tới TS.
Nguyễn Thanh Bình, người đã giao đề tài và hướng dẫn thực
hiện luận văn này. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, tôi
luôn nhận được sự hướng dẫn tận tình và cũng là cơ hội tôi
học hỏi được nhiều kiến thức chuyên môn của thầy cũng như
kinh nghiệm trong cuộc sống.
Lời cảm ơn thứ hai, tôi xin được gửi tới PGS. Nguyễn Xuân
Nghĩa và anh chị trong nhóm nghiên cứu, đã cho phép tôi
được tham gia cùng nhóm nghiên cứu trong quá trình chế tạo,
và có nhiều ý kiến chuyên môn đóng góp giúp cho tôi trong
quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn.
Lời cảm ơn thứ ba, tôi xin được gửi tới TS. Đặng Quang
Thiệu và anh chị tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, thuộc Viện
Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, đã giúp tôi trong quá trình
chiếu bức xạ gamma cho mẫu nghiên cứu, một bức quan

trong của đề tài này.
Lời cảm ơn tiếp theo, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến anh
chị tại Trung tâm Điện tử học Lượng tử, Viện Vật lý, VHLKHVN.
Đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng các hệ đo phân tích
thực hiện trong luận văn này.
Tôi xin được cảm ơn TS. Phạm Đức Khuê, TS. Phan Việt
Cương, Trung tâm Vật lý Hạt nhân, Viện Vật lý, Viện HLKHVN,
đã góp ý về kiến thức chuyên môn Vật lý Hạt nhân, giúp tôi
trong quá trình tính toán liều lượng hấp thụ nghiên cứu thích
hợp.


Tôi xin được gửi tới các thầy cô tại bộ môn Vật lý, trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Lời cảm ơn chân thành
nhất, là nơi tôi được tiếp nhận nền giáo dục Đại học và Cao
học. Đã dạy bảo, truyền đạt cho tôi kiến thức về khoa học tự
nhiên cũng như kinh nghiệm của cuộc sống.
Và cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn từ đáy lòng mình
tới gia đình và bạn bè, đã luôn theo tôi trong ngưỡng cửa cuộc
đời, là chỗ dựa vật chất cũng như tinh thần để tôi đi đến ngày
hôm nay.
Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ từ đề tài Nghiên
cứu cơ bản định hướng ứng dụng mã số: G/07/2012/HĐ-ĐHUD
và là đề tài Hợp tác quốc tế IAEA của Viện Vật lý.
Hà Nội, tháng 12 năm 2015
Học viên :

Nguyễn Đình Công

MỤC LỤC


Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
eV

: Electron volt (1 eV = 1,6.10-19V)

ns

: Nano giây (10-9)

ps

: Pico giây (10-12)

PMT

: Ống nhân quang điện (photonmultiplier tube)

QDs

: Chấm lượng tử (quantum dots)

TCSPC

: Hệ đếm đơn photon tương quan thời gian (Time
Correlated Single Photon Counting)

TTL

: Transistor – transistor logic

7


Danh mục các hình vẽ

8


Danh mục các bảng biểu

9


Mở đầu
Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano là một trong những lĩnh vực
thu hút được nhiều nhà khoa học hàng đầu tham gia nghiên cứu.
Bắt đầu từ những năm 1990 đến nay, thành quả thu được hết sức
có ý nghĩa trong các ứng dụng thực tiễn, từng bức thay đổi mọi
mặt của đời sống. Vật liệu nano đáp ứng được các yêu cầu tính
chất cơ bản như vật liệu khối và cũng đáp ứng được các yêu cầu
tính chất khắt khe của vật liệu tiên tiến.
Những ưu điểm của vật liệu nano không chỉ thể hiện qua các
báo cáo trên các tạp chí uy tín mà còn thể hiện trên các ứng dụng
của chúng, như các thiết bị điện tử, thiết bị chiếu sáng (đèn LED),
thông tin quang bằng laser, đánh dấu sinh học, thiết bị chuyển đổi
năng lượng mặt trời (solar cell), cảm biến (sensor), …
Điều kiện môi trường ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng, chất

lượng và tuổi thọ của thiết bị. Với những môi trường làm việc đặc
biệt như lò phản ứng hạt nhân, môi trường vũ trụ ngoài bầu khí
quyển của trái đất . Ở đó có rất nhiều bức xạ mang năng lượng
cao nên không phải vật liều nào cũng có thể làm việc trong môi
trường đó. Việc đánh giá này là rất cần thiết để biết vật liệu bị tác
động như thế nào, ảnh hưởng thay rổi ra làm sao, … để chúng ta
có thể khắc phục và lựa chọn phù hợp vật liệu làm thiết bị.
Tương tác giữa các bức xạ photon ánh sáng mặt trời với năng
lượng chỉ cỡ năng lượng của trạng thái kích thích của điện tử trong
tinh thể và năng lượng này thường bé hơn 10 eV. Những bức xạ có
năng lượng lớn hơn rất nhiều như tia X, tia Alpha, tia gamma, tia
Notron, tia Proton, tia Photon hãm, …cỡ vài mega electron volt đến
vài chục mega electron volt thì chưa được đề cập đến nhiều.
Việc nghiên cứu đánh giá cần phải xem xét ở nhiều mức độ và
khía cạnh, vì vậy bước đầu với điều kiện sẵn có chúng tôi lựa chọn
10


nghiên cứu ảnh hưởng bức xạ gamma tới sự thay đổi tính chất
quang của chấm lượng tử CdSe, một loại vật liệu nano điển hình
mang đặc trưng về tính chất quang học.
Và để so sánh mức độ ảnh hưởng của bức xạ gamma, luận văn
đã nghiên cứu chấm lượng tử CdSe đơn thuần và chấm lượng tử
bọc vỏ CdSe/CdS lõi/vỏ. So sánh ảnh hưởng của bức xạ gamma lên
tính chất hấp thụ, huỳnh quang và thời gian sống điện tử trên các
trạng thái kích thích, với dải liều chiếu xạ từ 1, 3, 5, 7, 10 kGy.
Luận văn được trình bày làm ba phần chính :
Phần 1 - Tổng quan : Giới thiệu về vật liệu nano, tính chất cơ
bản về cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng, tính chất
quang học của vật liệu bán dẫn và vật liệu nano bán dẫn, những

yếu tố ảnh hưởng của trường ngoài như nhiệt độ, áp suất, điện
trường và từ trường lên tính chất của vật liệu bán dẫn, tổng quan
các kết quả công bố quốc tế về ảnh hưởng của bức xạ năng lượng
cao lên tính chất quang của vật liệu bán dẫn.
Phần 2- Thực nghiệm: Phương pháp chế tạo, quá trình chiếu
bức xạ gamma, và các phương pháp phân tích thực hiện trong luận
văn.
Phần 3- Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả thu được
của mẫu trước khi chiếu xạ và mẫu sau khi chiếu xạ gamma, so
sánh mức độ ảnh hưởng của mẫu CdSe với mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ.
Với kết quả thu được luận văn tập trung thảo luận đến các hiệu
ứng thu được: Hiệu ứng dịch đỉnh hấp thụ và huỳnh quang của
chấm lượng tử sau khi chiếu bức xạ gamma, ảnh hưởng của thời
gian lên tính chất của chấm lượng tử như dịch đỉnh hấp thụ và
huỳnh quang về phía năng lượng cao theo thời gian và hiệu ứng
phục hồi cường độ huỳnh quang theo thời gian của chấm lượng tử
sau khi chiếu xạ gamma.
11


12


Chương 1- TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu bán dẫn và cấu trúc nano

Từ cuối thế kỷ XX đến nay, chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ
của khoa học kỹ thuật và đặc biệt là vật liệu nano. Các nghiên cứu
chỉ ra rằng khi vật liệu ở kích thước nano, những tính chất của
chúng trở nên ưu việt hơn và có nhiều tính chất mới mà chỉ có vật

liệu nano mới có. Khi ở dạng vật liệu khối (3D) tính chất của vật
liệu hầu như không thay đổi phụ thuộc vào hình dạng tồn tại của
vật liệu. Khi ở dạng nano, bước sóng của điện tử có thể so sánh với
bước sóng De Broglie của hạt, khi đó điện tử bị giới hạn về chuyển
động cũng như truyền sóng, gây ra hiệu tượng hạt bị giam giữ dẫn
đến bị lượng tử hóa hàm sóng và năng lượng. Tùy vào chiều giam
giữ mà vật liệu nano được chia ra là vật liệu một giam giữ chiều
(2D - giếng lượng tử), vật liệu hai chiều giam giữ (1D - dây lượng
tử), và vật liệu ba chiều giam giữ (0D - chấm lượng tử) (2).
Vật liệu 3D là vật liệu không giới hạn về kích thước, có phổ
năng lượng điện tử liên tục và chuyển động của điện tử gần như tự
do. Đại diện là vật liệu bán dẫn khối.
Vật liệu 2D là vật liệu có giới hạn về kích thước một chiều. Ở
loại vật liệu này chuyển động của điện tử bị giới hạn theo một
chiều có kích thước cỡ bước sóng De Broglie, trong khi chuyển
động điện tử gần như tự do theo hai chiều còn lại. Phổ năng lượng
bị lượng tử theo chiều bị giới hạn. Điển hình là giếng lượng tử, siêu
mạng, màng mỏng nano bán dẫn.
Vật liệu 1D là vật liệu có giới hạn kích thước hai chiều. Ở loại
vật liệu này, điện tử bị giới hạn kích thước hai chiều nên chỉ có
chuyển động tự do dọc theo chiều còn lại. Các loại vật liệu điển
hình của vật liệu này là dây lượng tử, ống nano bán dẫn, cột nano
bán dẫn.
13


Vật liệu 0D là vật liệu bị giới hạn kích thước ở cả ba chiều. ở
trường hợp này phổ năng lượng hình thành các mức năng lượng
gián đoạn theo cả ba chiều trong không gian. Loại vật liệu tiêu
biểu nhất là chấm lượng tử.

Hình 1.1. Sự giam giữ lượng tử dẫn đến sự thay đổi cấu trúc năng
lượng và độ rộng vùng cấm từ vật liệu khối 3D sang vật liệu nano
2D, 1D và 0D.
1.2. Tính chất hấp thụ

Đặc trưng của tính chất hấp thụ thể hiện qua hệ số hấp thụ α
của vật liệu, và tuân theo định lý Lamber Beer:
α=

1 (1 − R ) I T 1
ln
d
IT 2

(1.1)

Trong đó: - d là độ dày ánh sáng kích thích truyền qua
- R hệ số phản xạ của vật liệu
- IT1 là cường độ ánh sáng tới
- IT2 là cường độ ánh sáng truyền qua
Quá trình hấp thụ ánh sáng của các điện tử trên các trạng thái
cơ bản lên các trạng thái kích thích vì vậy mà cấu trúc vùng năng
14


lượng quyết định tính đối xứng của hàm sóng tại điểm


k0

trong

vùng Brillioun(1,4,7).

(b)

(a)

Hình 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng và các trạng thái kích thích
của điện tử. 1 - chuyển mức vùng-vùng (thẳng); 1a - chuyển mức
vùng vùng (nghiêng); 2 - điện tử trong vùng dẫn; 2a - lỗ trống
trong vùng hoá trị; 2b, 2c, 2d - lỗ trống trong vùng con cho phép;
3 - điện tử lên vùng dẫn từ tạp donor; 3b - lỗ trống lên tạp donor;
3a - lỗ trống lên tạp acceptor; 3c - điện tử lên vùng dẫn từ tạp
acceptor; 4 - điện tử chuyển giữa các mức tạp chất(2).
Trong hình 1.2 chỉ ra một số chuyển dời trong hấp thụ quang,
tùy thuộc tính đối xứng và nguồn gốc của các mức năng lượng mà
được phân ra thành các cơ chế như sau(2):
-Hấp thụ cơ bản 1, 1a: liên quan đến trạng thái năng lượng được

phép, trong hấp thụ cơ bản có hai dạng hấp thụ. Hấp thụ chuyển
mức thẳng: là hấp thụ liên quan đến chuyển dời điện tử giữa hai
mức năng lượng sao cho giá trị chuẩn xung lượng

15


P0

hay véc tơ


sóng


k0 = 0

. Và hấp thụ nghiêng: cực tiểu và cực đại vùng hóa trị


k0 ≠ 0

không nằm tại một điểm của vùng Brillioun hay
.
-Hấp thụ liên quan các chuyển dời điện tử và lỗ trống trong cùng một
vùng, chuyển dời của điện tử lên các trạng thái năng lượng cao
hơn trong vùng dẫn và của lỗ trống trong vùng hóa trị, 2, 2a, 2b,
2c, và 2d.
-Hấp thụ liên quan đến chuyển dời mức tạp chất donor và acceptor
của điện tử và lõ trống, 3, 3a, 3b và 3c.
-Điện tử chuyển giữa các mức tạp chất acceptor lên donor (4).
-Chuyển dời liên quan đến các trạng thái exiton, liên kết giữa điện tử
và lỗ trống, 5 và 5a.
Mối liên hệ giữa độ rộng vùng cấm và hệ số hấp thụ được tính
toán bằng lý thuyết với biểu thức như sau:
Với hấp thụ cơ bản chuyển mức thẳng được phép:

α(hν ) =

A(hν − E g )

1
2

hν

(1.2)

Với hấp thụ cơ bản chuyển mức thẳng bị cấm:
α (hν ) = A′(hν − E g )

3
2

(1.3)

Tron đó A và A’ là các hằng số.
Dựa vào biểu thức 1.2 và 1.3 có thể tính được độ rộng vùng cấm
của chất bán dẫn dựa vào hệ số hấp thụ α:

16


(a)

(b)

a

Hình 1.3. Xác đinh độ rộng vùng cấm Eg dựa vào hệ số hấp thụ α
theo loại chuyển mức, (a) chuyển mức thẳng phụ thuộc theo α2 và
(b) chuyển mức nghiên phụ thuộc theo α3/2 .
1.3. Tính chất phát quang

Dưới tác dụng của trường ngoài, thì ánh sáng phát ra từ vật đó
có thể có các đặc trưng khác nhau, ánh sáng đó có thể là ánh sáng
phát quang của vật, ánh sáng tán xạ, ánh sáng phản xạ từ bề mặt
của vật hay ánh sáng do vật cháy phát ra. Hiện tượng phát quang
có những đặc điểm riêng:
-Hiện tượng phát quang là hiện tượng phát ánh sáng lạnh không phải

do vật được đốt cháy sáng.
-Muốn phát quang được vật chất phải ở trạng thái không cân bằng
nhiệt động.
- Bước sóng của ánh sáng phát ra khác bước sóng của ánh sáng kích
thích.
-Thời gian phát quang lớn hơn chu kỳ dao động của ánh sáng.

Để phân loại các loại phát quang, người ta dựa vào thời gian sống
của điện tử trên các trạng thái kích thích.
17


-Nếu thời gian sống τ nhỏ hơn 10-1 s thì sự phát quang được gọi là

huỳnh quang. Cũng có thể hiểu rằng huỳnh quang là sự phát
quang trong thời gian mẫu bị kích thích.
-Nếu sự phát quang kéo dài sau khi đã ngừng kích thích, thời gian
sống τ vào khoảng từ 10-1 s đến 1 tháng thì sự phát quang được gọi

là lân quang.
Vật liệu bán dẫn thường là phát huỳnh quang. Để hiểu hơn về
cơ chế phát quang, cần xét đến các cơ chế tái hợp cặp điện tử - lỗ
trống:
Một số cơ chế phát quang điển hình của vật liệu bán dẫn (2):
-Tái hợp vùng vùng: Tương tự như cơ chế hấp thụ có hai cơ chế con là

tái hợp chuyển mức thẳng và tái hợp chuyển mức nghiêng.
-Tái hợp exciton: Các mức năng lượng của exciton tương tự như các
mức năng lượng của nguyên tử H, nhưng giữa chúng tồn tại các
điểm khác biệt. Exciton chỉ tồn tại trạng thái năng lượng với n = 1
trong một thời gian ngắn. Exciton có thể chuyển động được trong
tinh thể. Khi bức xạ một lượng tử ánh sáng, exciton sẽ biến mất.
Có ba loại tái hợp exciton là tái hợp exciton tự do, tái hợp exciton
liên kết, và tái hợp exciton phân tử.
-Tái hợp bức xạ với chuyển mức giữa vùng và mức tạp chất: có ba loại
chuyển mức tâm nông, chuyển mức tâm sâu, và chuyển mức vùng
tâm sâu.
-Tái hợp bức xạ là quá trình ngược với hấp thụ trong bán dẫn. Điểm
khác nhau quan trọng giữa hấp thụ và bức xạ là phổ hấp thụ rộng,
còn phổ bức xạ hẹp. Phổ hấp thụ rộng vì tất cả các trạng thái
trong tinh thể đều có thể tham gia vào quá trình hấp thụ. Quá
trình tái hợp bức xạ chỉ liên quan đến một dải hẹp các trạng thái
điện tử và một dải hẹp các trạng thái các lỗ trống, nên phổ tái hợp
bức xạ hẹp. Điều kiện để có tái hợp bức xạ là mẫu bán dẫn phải ở
trong trạng thái không cân bằng nhiệt động. Đặc trưng phát quang

18

của vật liệu bán dẫn là hệ số xác suất tái hợp bức xạ B và thời gian
sống τ của điện tử.

Hình 1.4. Các cơ chế tái hợp cặp điển tử lỗ trống cơ
bản(1,7).
Trên bảng 1.1 thể một số thông số đặc trưng quang của vật
liệu bán dẫn, giá trị cột cuối bảng là giá trị thời gian sống xác định
bằng thực nghiệm τ(µs). Từ bảng 1.1 có thể nhận thấy: Thời gian
sống của các hạt tải không cân bằng trong trường hợp tái hợp bức
xạ có xu hướng giảm khi độ rộng vùng cấm giảm. Đối với những
bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ, giá trị τ thực nghiệm gần với
giá trị τi tính toán. Đối với những bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn,
giá trị τ thực nghiệm khác nhiều so với giá trị τi tính toán. Nguyên
nhân của sự sai khác này được cho là đối với những bán dẫn có độ
rộng vùng cấm lớn, xác suất của các chuyển mức không bức xạ
cao(1,4,7).

Bảng 1.1. Các thông số về xác suất tái hợp bức xạ B và thời gian
sống τ của các hạt tải điện không cân bằng(1).

19


1.4. Tính chất chung của chấm lượng tử CdSe

Khi ở kích thước nano, tính chất của chấm lượng tử thể hiện rõ
ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước hạt và hiệu ứng tăng diện tích
bề mặt. Điều này làm thay đổi tính chất Vật lý của vật liệu như
tính chất cơ, nhiệt, điện, và quang. Chủ yếu tăng cường và ưu việt
các tính chất của vật liệu.

1.4.1. Cấu trúc tinh thể

Cadmium Selenide là hợp chất vô cơ với công thức CdSe, có
các dạng cấu trúc tinh thể chính là zincblende hoặc wurtzite.
Trong tự nhiên CdSe tồn tại chủ yếu dạng cấu trúc wurtzite. Trong
phòng thí nghiệm, tùy vào điều kiện và hóa chất sử dụng trong
quá trình chế tạo mà chúng ta thu được các dạng thù hình khác
nhau.
Cấu chúc zincblende được xác đinh với ô cơ sở gồm có các
nguyên tử được xác định bằng ba véc tơ cơ sở (0, ½, ½ ); ( ½, 0, ½
20


); ( ½, ½, 0 ) và nguyên tử Se được xác định bằng một véc tơ cở sơ
( ¼, ¼, ¼). Nhóm đối xứng không gian của nó là

F 43m (3)

. Ở dạng

khối hằng số mạng a = 6.08 Å và độ rộng vùng cấm Eg = 1.74
eV(26).

Hình 1.5. Cấu trúc zincblende của CdSe, nguyên tử Cd ở ở 8 đỉnh
và ở tâm của 6 mặt của hình lập phương, nguyên tử Se ở tại vị trí
có tọa độ ( ¼, ¼, ¼) so với vị trí của nguyên tử Cd.
Cấu trúc wurtzite như hình 1.6 trong một ô cơ bản có hai
nguyên tử Cd có tọa độ (0 0 0) và (1/3 2/3 1/2), hai nguyên tử Se
tại các tọa độ (0 0 u) và (1/3 2/3 1/2+u) trong đó u ≈ 3/8, nhóm
không gian tương ứng là P63mc(3). Ở dạng khối hằng số mạng

a0=0.43 nm và c0=0.702 nm(26).

Hình 1.6. Cấu trúc Wurtzite của tinh thể bán dẫn CdSe(3)

21


1.4.2. Cấu trúc vùng năng lượng

Hình 1.7 là đồ thị cấu trúc vùng năng lượng trong bán dẫn khối
của zincblende và wurtzite. Giống nhau giữa các mức năng lượng ở

k

=0 trong vùng dẫn. Việc chiếm giữ bên trong là do tương tác spin

quỹ đạo, vùng hóa trị phân biệt theo tổng mômen động lượng J,
tương ứng với mômen quay quỹ đạo và mômen quay spin. Khi mà
cặp mômen quỹ đạo L với mômen spin là 1/2, có thể nhận được dải
hóa trị với tổng động lượng J= 3/2 (J z=±3/2, ± 1/2) hoặc J=1/2
(Jz=±1/2). Tại k=0 (Ґ tâm vùng Brillouin) hai dải J=3/2 và J=1/2 bị
tách bởi cặp spin quỹ đạo năng lượng ΔSO . Trong hình (a) có 3
trạng thái năng lượng ở vùng hóa trị với cấu trúc zincblende là lỗ
trống nặng (HH), lỗ trống nhẹ (LH), và tách spin quỹ đạo (split-off,
SO). Vùng HH và LH bị suy biến tại điểm Ґ. Trong vùng hóa trị bán
dẫn khối wurtzite hình (b), có ba mức năng lượng kí hiệu A, B và C.
Dải A cao hơi dải B do sự tách trong trường tinh thể. Báo cáo cho
thấy việc tách trường tinh thể có vai trò quan trọng trong nhóm
trạng thái lỗ trống của nano tinh thể chấm lượng tử (QDs) (12,22).

22


Hình 1.7. Cấu trúc vùng năng lượng điện tử,(a) cấu trúc vùng
năng lượng tương ứng zincblende và (b) cấu trúc vùng năng lượng
của cấu trúc tinh thể wurtzite(12).
Bằng lý thuyết nhiễu loạn, Jingbo Lim và Jian-Bai Xia (12) đã tính
toán trên hệ chấm lượng tử cấu trúc wurtzite, đưa ra một số các
kết luận sau: hằng số mạng với cấu trúc wurtzite (hexagonal)
a=4.3 Å, c=7.02 Å. Tách mức spin quỹ đạo ΔSO=40 meV.

23


1.4.3. Tính chất quang của chấm lượng tử CdSe

Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử CdSe đã có rất
nhiều báo cáo công bố quốc tế, các nghiên cứu tập trung đi sâu
vào ảnh hưởng bởi hiệu ứng kích thước, ảnh hưởng bởi hóa chất
phản ứng tổng hợp, pha tạp, … Ngoài ra, Các nghiên cứu tăng tính
chất ưu việt cũng được quan tâm nhiều như bọc vỏ cho các chấm
lượng tử.
Ảnh hưởng bởi hiệu ứng kích thước đã là quen thuộc với các
nhà nghiên cứu bởi sự hiện hữu với các bằng chứng rõ ràng trong
các kết quả đo. Bằng việc thay đổi kích thước của các chấm lượng
tử đến kích thước nano mét (<100 nm) cũng đồng nghĩa với thay
đổi độ rộng vùng cấm và cấu trúc vùng năng lượng thay đổi, tính
chất quang học của các chấm lượng tử cũng thay đổi theo. Vị trí
đỉnh hấp thụ và đỉnh bức xạ huỳnh quang dịch về bước sóng ngắn
(năng lượng cao) khi giảm kích thước của các chấm lượng tử (2,8).

2
 π 2  n x2 n y n z2 
+
+
2m  L2x L2y L2z 
n x = 1,2,3,..., n y = 1,2,3,..., n z = 1,2,3,...

E nx n y n z =

(1.4)

Với việc giảm kích thước của các hạt nano tinh thể tương ứng
với tăng độ rộng vùng cấm từ độ rộng vùng cấm ở dạng khối Eg >
Eg(khối)= 1.74 eV(26). Đỉnh hấp thụ và đỉnh huỳnh quang dịch sang
bước sóng ngắn (năng lượng cao) khi giảm kích thước hạt như hình
1.8 đã chỉ ra. Từ phải sang trái kích thước hạt nano tinh thể CdSe
tương ứng là 2.1, 2.4, 2.8, 3.1, 3.6 và 4.6 nm (13).


Hình 1.8. Bờ vùng hấp thụ và đỉnh huỳnh quang dịch về phía
năng lượng cao (bước sóng ngắn) khi giảm kích thước hạt tinh thể
nano CdSe(15).
1.4.4. Tính chất quang của chấm lượng tử CdSe/CdS lõi/vỏ
Chất lượng chấm lượng tử nano tinh thể bán dẫn phát quang
được đánh giá bằng hiệu suất lượng tử, nhưng có nhiều nguyên
nhân làm giảm hiệu suất lượng tử như: Tinh thể không hoàn hảo có
lệch mạng, hỏng mạng; Tạp chất bẩn trong quá trình chế tạo; Các
nút mạng treo ở bề mặt hạt nano; Các liên kết với các hợp chất
hữu cơ ở bề mặt không loại bỏ được bằng quay li tâm. Những ảnh
hưởng đó gây ra các tâm tái hợp không phát làm giảm cường độ

huỳnh quang, ảnh hưởng đến chất lượng, hiệu suất lượng tử (2,8).