Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ gamma 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
i


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
ii


iii


Lời cam đoan
Luận văn với tên đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu ảnh hưởng của bức
xạgamma 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.

iv


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 xạgamma 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.

v


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

vi

vii


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 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
8


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 xạgamma, 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.

9

KẾT LUẬN

Các kết quả nghiên cứu thu được trình bày trong luận văn nay có thể tóm tắt như
sau:
1. Đã chế tạo được chấm lượng tử CdSe, CdSe/CdS lõi/vỏ kích thước…
2. Quan sát được ảnh hưởng của bức xạ gamma lên tính chất của chấm
lượng tử CdSe, CdSe/CdS lõi/vỏ, cụ thể là:
-

Dịch đỉnh huỳnh quang về phía năng lượng cao theo liều hấp thụ, mẫu CdSe bị

dịch mạnh hơn so với mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ.
-

Suy giảm cường độ huỳnh quang theo liều hấp thụ dobức xạ gammabởi chất

lượng tinh thể xấu đi sau chiếu xạ gamma, và huỳnh quang của mẫu CdSe bị suy
giảm mạnh hơn mẫu CdSe/CdS lõi/vỏ.
-

Thời gian sống của điện tử trên trạng thái kích thích cũng giảm dần theo chiều

tăng liều hấp thụ gamma.
3. Nghiên cứu theo thời gian sau khi chiếu xạ:
-

Chấm lượng tử CdSe và CdSe lõi/vỏ, đỉnh huỳnh quang tiếp tục dịch trong

dung môi toluen theo thời gian sau chiếu xạ gamma.
-

Cường độ huỳnh quang của chấm lượng tử hồi phục một phần theo thời gian,

như là kết quả của hồi phục lệch mạng trong tinh thể. Với liều chiếu xạ là 10 kGy
mẫu CdSe không có khả năng hồi phục.
-

Độ hồi phục của chấm lượng tử CdSe tốt hơn chấm lượng tử CdSe/CdS lõi/vỏ,

do phần lõi CdSe chịu một áp suất gây ra bỏi lớp vỏ CdS làm cho khả năng dao
động và dịch chuyển kém hơn so với CdSe không bọc vỏ.

10


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng việt:
1- Nguyễn Thị Thanh Bình (2013),Bài giảng Quang Bán dẫn,bài giảng tại trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.
2- Trần Thị Kim Chi (2010),Hiệu ứng kích thuớc ảnh huởng lên tính chất quang
của CdS, CdSe và CuInS, Luận án Tiến si Khoa học vật liệu.
3- Nguyễn Đình Công (2013), Nghiên cứu tính quang của vật liệu nano bán dẫn
ZnSe chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, Khóa luận cử nhân.
4- Tạ Đình Cảnh, Nguyễn Thị Thục Hiền (2005), Vật lý bán dẫn, Nhà xuất bản
Đại học Quốc Gia Hà Nội.
5- Nguyễn Thị Dung (2014), Nghiên cứu tính chất quang động học của chấm
lượng tử CdTe, Luận văn Thạc sĩ Vật lý.
6- Nguyễn Trung Kiên (2014), Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của chấm
lượng tử CdS/ZnSe, Luận văn Thạc sĩ Khoa học.
7- Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý Chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia

Hà Nội.
8- Nguyễn thị Minh Thủy(2014), Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của chấm
lượng tử bán dẫn hợp chất ba nguyên tố I-III-VI2, (CuInS2), Luận án tiến sĩ
khoa học vật liệu.
Tài liệu tiếng anh:
9- Girija Gaur, Dmitry Koktysh, Daniel M. Fleetwood, Robert A. Reed, Robert A.
Weller and Sharon M. Weiss(2013),Effects of X-ray and gamma-ray Irradiation
on the Optical Properties of Quantum Dots Immobilized in Porous Silicon,Proc.
of SPIE Vol. 8725, 87252D.
10- Hong-Yeol Kim, Travis Anderson, Michael A. Mastro, Jaime A. Freitas Jr.,
Soohwan Jang, Jennifer Hite, Charles R. Eddy Jr., Jihyun Kim(2011), Optical
and electrical characterization of AlGaN/GaN high electron mobility
transistors irradiated with 5 MeV protons, Journal of Crystal Growth 326 -62–
64.

11


11- Hong-Yeol Kim, Jihyun Kim, F. Ren, and Soohwan Jang (2010),Effect of
neutron irradiation on electrical and optical properties of InGaN/GaN
lightemitting Diodes, Journal of Vacuum Science & Technology B 28, 27.
12- Jingbo Lim, Jian-Bai Xia (200), Exciton states and optical spectra in CdSe
nanocrystallite quantum dots”, Physical Review B, 15 June 2000-I.
13- Karuppasamy

Kandasamy,

Harkesh

B

Singh

(2009),

Synthesis

and

characterization of CdS and CdSe nanoparticles prepared from novel
intramolecularly stabilized single-source precursors, Chem. Sci., Vol. 121, No.
3, May 2009, pp. 293–296.
14- Kenneth J. Klabunde (2001), Nanoscale materials in chemistry, Wiley
interscience.
15- Light Conversion Applications, Polymers 2012, 4, 1-19 (polymers ISSN 20734360).
16- Nguyen Xuan Nghia, Le Ba Hai, Nguyen Thi Luyen, Pham Thu Nga, Nguyen
Thi Thuy Lieu, and Phan The Long (2012),Identification of Optical Transitions
in Colloidal CdSe Nanotetrapods, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 25517-25524.
17- M. Ali, O. Svensk, Z. Zhen, S. Suihkonen, P.T.Torma, H. Lipsanen, M.
Sopanen, K. Hjort, J. Jensen (2009), Educed photoluminescence from
InGaN/GaN multiple quantum well structures following 40 Mev iodine ion
irradiation, Physica B 404 (2009) 4925–4928.
18- Nathan J. Withers, Krishnaprasad Sankar, Brian A. Akins, Tosifa A. Memon,
Tingyi Gu, Jiangjiang Gu, Gennady A. Smolyakov, Melisa R. Greenberg,
imothy J. Boyle, and Marek Osinski (2008),Rapid degradation of CdSe/ ZnS
colloidal quantum dots exposed to gamma irradiation, Appplied Physics letters
93, 173101 _2008.
19- Rohit Khanna, Sang Youn Han, S. J. Pearton, D. Schoenfeld, W. V. Schoenfeld,
and F. Ren (2005), High dose Co-60 gamma irradiation of InGaN quantum well
light-emitting diodes, Applied Physics Letters 87, 212107 (2005).

20- Robert Z. Stodilka, Jeffrey J. L. Carson, Kui Yu, Md. Badruz Zaman,
Chunsheng Li, and Diana Wilkinson (2009), Optical Degradation of CdSe/ZnS

12


Quantum Dots upon gamma-Ray Irradiation, J. Phys. Chem. C 2009, 113,
2580–2585.
21- Stephen J. Pearton, Richard Deis, Fan Ren, Lu Liu, Alexander Y. Polyakov,
Jihyun Kim (2013), Review of r

adiation damage in GaN-based materials

and devices, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 31, No. 5, Sep/Oct 2013.
22- S. Li and G. W. Yang (2010), Phase Transition of II-VI Semiconductor
Nanocrystals, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 15054–15060.
23- Y.L. Li. Y. L. Li, X. J. Wang, S. M. He, B. Zhang, L. X. Sun et al (2012),
Origin of the redshift of the luminescence peak in InGaN light-emitting diodes
exposed to Co-60 γ-ray irradiation, J. Appl. Phys. 112, 123515 (2012).
24- Yu Yang,Wennuan Nan, Yuan Niu, Haiyan Qin,Fan Cui, Runchen Lai,
Wanzhen Lin, and Xiaogang Peng (2012), Crystal Structure Control of ZincBlende CdSe/CdS Core/Shell Nanocrystals: Synthesis and Structure-Dependent
Optical Properties, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19685-19693.
25- Woggon U. (1997), Optical Properties of Semiconductor Quantum dot”,
Springer Tracts in Modern Physics.
26- www.semiconductors.co.uk/
27- Zeger Hens, Richard Karel Capek, Iwan Moreels, Karel Lambert, David De
Muynck, Qiang Zhao, André Van Tomme, Frank Vanhaecke,Optical properties
of zincblende Cadmium Selenide Quantum Dots, J, Phys. Chem. C 2010, 114,
6371-6376.

13