Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng tử Cacbon pha tạp kim loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ TUYẾN

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
CHẤM LƯỢNG TỬ CACBON
PHA TẠP KIM LOẠI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Lý
Người hướng dẫn khoa học

TS. MAI XUÂN DŨNG

HÀ NỘI – 2017


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS.
Mai Xuân Dũng, thầy đã định hướng cho em có được những tư duy khoa học
đúng đắn, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho em trong suốt quá
trình xây dựng và hoàn thiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng điểm
Quốc gia về vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học Vật liệu và phòng hỗ
trợ nghiên cứu khoa học trường ĐHSPHN2, Khoa Hóa học Trường ĐH
KHTN đã nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ em thực hiện phép đo phổ hấp thụ UVVIS, phổ phát xạ huỳnh quang, phổ hồng ngoại FT-IR, phổ hấp thụ nguyên tử
AAS….
Nhân dịp này, em xin được cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hóa học Trường ĐHSP Hà Nội 2, các thầy cô trong khoa, đặc biệt là các thầy cô trong
tổ Hóa lí - Công nghệ môi trường đã giảng dạy, chỉ bảo tận tình, giúp em có

những bài học bổ ích và tích lũy những kiến thức quý báu để hoàn thành khóa
luận và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ, động
viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2017
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Tuyến


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Mai Xuân Dũng. Các số liệu và kết quả trong khóa luận là
chính xác, trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên
cứu nào khác.

Hà Nội, tháng 5 năm 2017
SINH VIÊN

Nguyễn Thị Tuyến


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
EDTA

: Ethylenediamine tetraacetic acid disodium salt

QDs

: Chấm lượng tử

C-QDs

: Chấm lượng tử Cacbon

nm

: nanomet

Eg

: Độ rộng vùng cấm

FT-IR

: Fourier transform - infrared spectroscopy

UV-vis

: ultraviolet - visible absorption spectroscopy

AAS

: Atomic Absorption Spectrophotometric

PL

: photoluminescence

CQD

: chấm lượng tử Cacbon tổng hợp từ ethylenediamine
tetraacetic acid disodium salt

CQD+M

: Chấm lượng tử Cacbon tổng hợp từ ethylenediamine
tetraacetic acid disodium salt sau đó pha tạp ion kim loại M.

M-CQD

: Chấm lượng tử Cacbon tổng hợp từ phức tạo bởi EDTA
và kim loại M.


MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài. ...................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu. ................................................................................ 2
3. Nội dung nghiên cứu. ................................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 3
5. Điểm mới của đề tài. ................................................................................ 3
PHẦN 2. NỘI DUNG ...................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 4
1.1. Giới thiệu về chấm lượng tử. ................................................................. 4
1.2. Chấm lượng tử Cacbon. ....................................................................... 12
1.2.1. Cấu trúc chấm lượng tử Cacbon. .................................................. 12
1.2.2. Ưu điểm của C-QDs. ..................................................................... 13

1.2.3. Tiềm năng ứng dụng của C-QDs. ................................................. 14
1.2.4. Phương pháp tổng hợp C-QDs. ..................................................... 18
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................... 20
2.1. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon......................................................... 20
2.1.1. Hóa chất và dụng cụ ...................................................................... 20
2.1.2. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ EDTA (CQD) thủy nhiệt ở
các nhiệt độ khác nhau. ........................................................................... 20
2.1.3. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ EDTA bằng phương pháp
thủy nhiệt trong thời gian khác nhau....................................................... 21


2.1.4. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ hỗn hợp EDTA và phức của
EDTA với Mn (MnY 2-) ở các tỉ lệ khác nhau bằng phương pháp thủy
nhiệt. ........................................................................................................ 22
2.1.5. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ phức của EDTA với kim loại
M (M = Mn, Cu, Pb, Eu) bằng phương pháp thủy nhiệt......................... 23
2.1.6. Pha tạp kim loại M (M= Mn, Cu, Pb, Eu) vào chấm lượng tử
Cacbon tổng hợp từ EDTA. .................................................................... 23
2.2. Các phương pháp nghiên cứu chấm lượng tử Cacbon. ........................ 23
2.2.1. Phổ hồng ngoại.............................................................................. 23
2.2.2. Phổ hấp thụ UV-vis. ...................................................................... 25
2.2.3. Phổ kích thích huỳnh quang. ......................................................... 27
2.2.4. Phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Atomic Absorption Spectrometer). 28
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 31
3.1. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ EDTA. ....................................... 31
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ. ............................................................... 31
3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian. .............................................................. 33
3.2. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ hỗn hợp của EDTA và phức của
EDTA với Mn. ............................................................................................ 35
3.3. Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon pha tạp kim loại từ phức EDTA-M

(M= Mn, Cu, Pb, Eu). ................................................................................. 36
3.2. Ảnh hưởng của phương thức pha tạp kim loại..................................... 40
PHẦN 3. KẾT LUẬN .................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 44


DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Sự thay đổi cấu trúc điện tử của chấm lượng tử theo kích thước. . 4
Hình 1.2. Sự chuyển dịch điện tử trong quá trình hấp thụ và phát xạ quang
học của chấm lượng tử. ................................................................... 5
Hình 1.3. Màn hình sử dụng công nghệ chấm lượng tử. ................................ 7
Hình 1.4. Chấm lượng tử ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời...................... 8
Hình 1.5. Cơ chế hoạt động của pin mặt trời. ................................................ 9
Hình 1.6. Dung dịch chấm lượng tử CdSe có kích thước tăng dần từ trái qua
phải dưới ánh sáng UV ................................................................. 10
Hình 1.7. Chấm lượng tử Cacbon................................................................. 13
Hình 1.8. Ứng dụng chấm lượng tử Cacbon để phát hiện ion Hg2+ [7]. ...... 17
Hình 1.9. Ứng dụng chấm lượng tử Cacbon để phát hiện ion Cu2+. ............ 17
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử Cacbon từ EDTA bằng phương
pháp thủy nhiệt.............................................................................. 21
Hình 2.2. Sơ đồ xử lí chất rắn thu thu được khi thủy nhiệt EDTA trong 6h,
14h ở 275oC. ................................................................................. 22
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí làm việc của máy đo phổ kế hồng ngoại biến đổi
Fourier (FT-IR). ............................................................................ 24
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ hấp thụ UV-vis. ................................. 26
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ phát xạ huỳnh quang PL.................... 28
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống máy phổ hấp thụ nguyên tử AAS. ....................... 29


Hình 2.7. Phổ hồng ngoại của chấm lượng tử Cacbon tổng hợp từ EDTA ở

các nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau................................................. 31
Hình 2.8. Sơ đồ hình thành chấm lượng tử Cacbon từ EDTA. .................... 32
Hình 2.9. a) phổ hấp thụ UV-vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang (kích thích
ở 325 nm) của C-QDs tổng hợp từ EDTA ở các nhiệt độ thủy nhiệt
khác nhau. ..................................................................................... 33
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của C-QDs tổng hợp từ EDTA trong thời gian
thủy nhiệt khác nhau. .................................................................... 34
Hình 3.2. a) phổ hấp thụ UV-vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang (kích thích
ở 325 nm) của C-QDs tổng hợp từ EDTA ở các thời gian thủy
nhiệt khác nhau. ............................................................................ 35
Hình 3.3. a) phổ hấp thụ UV-vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang (kích thích
ở 325 nm) của C-QDs tổng hợp từ hỗn hợp EDTA và MnY2- ở các
tỉ lệ mol khác nhau. ....................................................................... 36
Hình 3.4. Phổ hấp thụ UV-vis của chấm lượng tử Cacbon tổng hợp từ phức
của a) EDTA-Mn. b) EDTA-Cu. c, EDTA-Pb. d) EDTA-Eu. ..... 37
Hình 3.5. Phổ hồng ngoại của CQD, Mn-CQD và Eu-CQD. ...................... 38
Hình 3.6. Phổ phát xạ huỳnh quang của CQD và M-CQD (M=Mn, Cu, Pb,
Eu). ................................................................................................ 39
Bảng 3.7. Hàm lượng ion kim loại trước và sau khi thủy nhiệt. .................. 39
Hình 3.8. a) phổ hấp thụ UV-Vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang của chấm
lượng tử Cacbon pha tạp kim loại Mn .......................................... 40
Hình 3.9. a) phổ hấp thụ UV-Vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang của chấm
lượng tử Cacbon pha tạp kim loại Cu ........................................... 40


Hình 4.1. a) phổ hấp thụ UV-Vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang của chấm
lượng tử Cacbon pha tạp kim loại Pb ........................................... 41
Hình 4.2. a) phổ hấp thụ UV-Vis và b) phổ phát xạ huỳnh quang của chấm
lượng tử Cacbon pha tạp kim loại Eu ........................................... 41
Bảng 4.3. Hiệu suất lượng tử của CQD, M-CQD và CQD+M .................... 42

PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài.
Chấm lượng tử QDs (quantum dots) là nhóm vật liệu mà không gian
chuyển động tự do của các hạt tải điện (electron hoặc lỗ trống) bên trong nó bị
giới hạn, thường tới bán kính Bohr của vật liệu. Các tính chất quang - điện tử
của QDs phụ thuộc vào kích thước của nó do hiệu ứng giam hãm lượng tử
gây ra. Các tính chất này đã và đang được khai thác trong các ứng dụng quang
điện tử và sinh học phân tử hiện đại như LEDs (light-emitting diodes), pin
mặt trời, ghi nhớ điện tử, đánh dấu sinh học và nghiên cứu động học phân tử
thuốc. Cho đến nay, hầu hết các tính chất, tiềm năng ứng dụng của QDs được
mô tả trên cơ sở CdX và PbX (X=S, Se, Te), tuy nhiên các QDs này có chứa
kim loại Cd và Pb rất độc hại làm hạn chế các tiềm năng ứng dụng xa hơn
trong thực tế của chúng. Do đó, nghiên cứu trong lĩnh vực QDs đang tập trung
tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng tính chất quang học và tiềm năng ứng dụng
của các loại QDs ít độc hại hơn. Theo xu hướng này phải kể tới QDs của InP,
Si, Ge và gần đây nhất là C.
Chấm lượng tử Cacbon (C-QDs), mặc dù mới được biết đến nhưng nó
đã thể hiện được những ưu điểm như dễ tổng hợp, hiệu suất phát xạ cao, tan
trong nước, và đặc biệt là ít độc hại. Tuy nhiên, các báo cáo về C-QDs tổng
hợp khác nhau cho thấy chủ yếu C-QDs phát xạ ánh sáng xanh, với vùng phát
xạ dao động từ 400-550 nm. Tìm kiếm các C-QDs có phổ phát xạ khác nhau
trong vùng nhìn thấy có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng khả năng
phát xạ của C-QDs như trong LEDs, phân tích sinh học tế bào, hay cảm biến
quang học.
Đưa các dị tố kim loại chuyển tiếp M vào cấu trúc của C-QDs, ở đó M
và C-QDs liên kết phối trí với nhau, được kỳ vọng thay đổi cấu trúc điện tử
của QDs thu được. Mặc dù tương tác giữa kim loại chuyển tiếp và phối tử là

1


các phân tử hữu cơ nhỏ đã được nghiên cứu khá đầy đủ, ảnh hưởng của kim
loại đến sự hình thành và tính chất quang của C-QDs vẫn chưa được làm sáng
tỏ. Từ những xem xét trên đây về xu hướng điều khiển màu sắc phát xạ của
C-QDs, trong đề tài này tôi đã lựa chọn “Nghiên cứu tổng hợp chấm lượng
tử Cacbon pha tạp kim loại”.
2. Mục đích nghiên cứu.
- Nghiên cứu điều kiện tối ưu (thời gian, nhiệt độ) tổng hợp C-QDs từ
EDTA bằng phương pháp thủy nhiệt.
- Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon pha tạp kim loại (M-CQD, với M=
Mn, Cu, Pb, Eu) từ phức của M và EDTA bằng phương pháp thủy nhiệt.
- Nghiên cứu tính chất quang của C-QDs thu được, ảnh hưởng của dị tố
kim loại tới sự hình thành C-QDs, tính chất hấp thụ và phát xạ huỳnh quang
PL (photoluminescence). Phân tích hàm lượng kim loại bằng phổ hấp thụ
nguyên tử AAS. Phân tích các nhóm chức trên C-QDs bằng phổ hồng ngoại
FT-IR.
3. Nội dung nghiên cứu.
- Tổng quan tài liệu: Phương pháp tổng hợp C-QDs.
- Tổng hợp chấm lượng tử C-QDs từ EDTA, C-QDs pha tạp kim loại từ
phức của kim loại M với EDTA bằng phương pháp thủy nhiệt.
- Đặc trưng cấu trúc, phân tích nhóm chức trên C-QDs thu được bằng
phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR.
- Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử thu được, ảnh hưởng
của dị tố kim loại tới sự hình thành C-QDs, sử dụng phổ hấp thụ UV-vis, phổ
phát xạ PL.
- Phân tích hàm lượng kim loại để nghiên cứu về tương tác giữa C-QDs
với kim loại M sử dụng phổ hấp thụ nguyên tử AAS.

2


4. Phương pháp nghiên cứu.
Thực nghiệm kết hợp với lí thuyết mô phỏng.
Trước tiên, tôi nghiên cứu điều kiện tổng hợp CQDs, tổng hợp CQDs
và M-CQDs, đo tính chất quang (đo phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang
PL), đưa ra giải thích tính chất quang của chấm lượng tử thu được.
5. Điểm mới của đề tài.
- Tổng hợp chấm lượng tử Cacbon pha tạp kim loại.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dị tố kim loại tới cấu trúc và tính chất
quang của chấm lượng tử thu được.

3


PHẦN 2. NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Năng lượng

1.1. Giới thiệu về chấm lượng tử.
Vùng
dẫn

Eg
Vùng
hóa trị
Bán dẫn
khối

QD I

QD II

QD III

Kích thước giảm

Hình 1.1. Sự thay đổi cấu trúc điện tử của chấm lượng tử theo kích thước.
Chấm lượng tử (QDs: quantum dots) là một thuật ngữ chỉ nhóm vật liệu
nano hình cầu có kích thước khoảng từ 2-10 nm; điện tử tự do bên trong nó
thể hiện tính chất giam hãm lượng tử: các trạng thái năng lượng bị lượng tử
hóa. Đường kính QDs của một vật liệu bán dẫn thường tương đương và đặc
trưng bởi bán kính Bohr (khoảng cách tương tác giữa electron- lỗ trống trong
tinh thể bán dẫn). Từ công thức tính bán kính Bohr [rB = ε.ħ2/(e2.µ*)] cho thấy
tùy thuộc vào bản chất vật liệu (hằng số điện môi ε và khối lượng rút gọn µ*
thay đổi) thì QDs sẽ có các kích thước khác nhau.
Khi kích thước của QDs tương đương với bán kính Bohr sẽ xuất hiện
hiệu ứng giam giữ lượng tử, qua đó các trạng thái điện tử bị lượng tử hóa
đồng thời độ rộng vùng cấm Eg tăng dần khi kích thước của hạt giảm. Kích
thước chấm lượng tử đóng vai trò quyết định tới màu sắc phát xạ của QDs.
QDs lớn hơn sẽ phát xạ ánh sáng đỏ hơn, tức là năng lượng thấp hơn và

4


ngược lại. Nói cách khác, năng lượng vùng cấm Eg (năng lượng Eg xác định
năng lượng và màu sắc) tỉ lệ nghịch với kích thước của QDs.
Một trong những tính chất quang - điện tử quan trọng nhất của chấm

lượng tử đó là tính hấp thụ và phát xạ quang học. Chấm lượng tử có khả năng
hấp thụ những ánh sáng có bước sóng 𝜆 thỏa mãn

ℎ𝑐
𝜆

≥ Eg. Khi bị kích thích

bởi ánh sáng có năng lượng thích hợp, electron () ở vùng hóa trị chuyển lên
vùng dẫn và để lại một lỗ trống () trên vùng hóa trị. Electron và lỗ trống ở
trạng thái kích thích sẽ bền hóa nội vùng bằng cách truyền năng lượng dạng
photon và chuyển về các trạng thái biên (trạng thái được mô tả bởi nét gạch
ngang đậm). Ở trạng thái biên, cặp điện tử - lỗ trống có thể tái hợp với nhau
và giải phóng ra một photon có năng lượng bằng Eg hoặc truyền năng lượng
cho vật khác mà không phát quang. Trong hầu hết các trường hợp, chấm
lượng tử thường có các trạng thái bề mặt (trạng thái có năng lượng nằm trong
vùng cấm, sinh ra từ các khuyết tật bề mặt hay dị tố O, N, S), điện tử hoặc lỗ
trống có thể di chuyển về trạng thái này trước khi tái hợp với nhau và phát xạ
ra photon có năng lượng nhỏ hơn Eg.

Eg

Hình 1.2. Sự chuyển dịch điện tử trong quá trình hấp thụ và phát xạ quang
học của chấm lượng tử.

5


Như mô tả trên Hình 1.2 ở trên, ta có thể hình dung về tính chất quang
của chấm lượng như sau: điện tử ta xét ở hình vẽ chỉ hấp thụ ánh sáng xanh

lục, không hấp thụ ánh sáng đỏ. Sau khi hấp thụ năng lượng từ ánh sáng thích
hợp, electron chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống ở
vùng hóa trị. Ở trạng thái kích thích, electron và lỗ trống không bền, nhanh
chóng bị mất năng lượng cho các dao động tinh thể hay cho các nhóm chức bề
mặt chấm lượng tử. Chúng bền hóa nội vùng bằng cách truyền năng lượng
dưới dạng photon (biểu diễn bằng mũi tên cong liền nhau) và chuyển về các
trạng thái biên tương ứng. Đối với electron ở vùng dẫn thì trạng thái biên là
trạng thái năng lượng thấp nhất của vùng dẫn, còn với lỗ trống thì đó là trạng
thái năng lượng cao nhất của vùng hóa trị. Quá trình này gọi là quá trình bền
hóa nội vùng. Ở trạng thái biên, cặp điện tử - lỗ trống này có thể tái hợp với
nhau theo ba con đường. Một, là sự tái hợp phát xạ (biểu diễn bằng mũi tên
đứt đoạn màu đen hướng từ trên xuống) trong đó quá trình tái hợp phát xạ ra
photon có năng lượng bằng Eg của QD. Như vậy thì QDs có thể hấp thụ
photon năng lượng lớn hơn hoặc bằng Eg trong khi chỉ phát xạ photon có năng
lượng bằng Eg của nó. Hai, là sự tái hợp phát xạ bề mặt (biểu diễn bằng mũi
tên đứt đoạn màu xanh hướng từ trên xuống) xảy ra khi chấm lượng tử có các
trạng thái bề mặt, từ trạng thái biên, điện tử hoặc lỗ trống có thể tiếp tục tiếp
tục di chuyển về trạng thái này trước khi tái hợp và phát xạ ra photon có năng
lượng nhỏ hơn Eg. Ba, là sự tái hợp không phát xạ (biểu diễn bằng mũi tên đứt
đoạn màu đỏ hướng từ trên xuống), ở đây năng lượng được truyền cho vật thể
khác mà không có sự phát xạ photon.
Chấm lượng tử có khả năng hình thành nhiều hơn một cặp điện tử - lỗ
trống bằng cách kích thích chấm lượng tử bởi một photon năng lượng cao.
Đối với các bán dẫn rắn, khả năng này là không đáng kể. Tuy nhiên đối với
chấm lượng tử, do sự chênh lệch năng lượng giữa các mức trên cùng vùng

6


(vùng dẫn hay vùng hóa trị) là lớn hơn nhiều so với năng lượng nhiệt kBT (kB

là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối), năng lượng giải phóng ra trong
quá trình bền hóa nội vùng có thể đủ để kích thích electron tiếp theo từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn [1].
Với đặc tính quang-điện tử độc đáo và kích cỡ siêu nhỏ cho phép hàng
tỷ QDs có thể nằm gọn trên các thiết bị, công nghệ này nhanh chóng cải tiến
hàng loạt ứng dụng trở nên nhỏ, gọn, tiết kiệm và hiệu quả. Trong đó nổi bật
nhất là các ứng dụng quang học. Chính vì vậy, ứng dụng của QDs đang được
khai thác trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
Trong LED (light-emitting diodes): chấm lượng tử có hiệu suất lượng
tử cao được dùng để chuyển đổi ánh sáng có bước sóng ngắn phát ra từ LED
chip (𝜆LED = 431nm) thành ánh sáng trong vùng nhìn thấy. Thay đổi kích
thước hoặc thành phần hóa học của chấm lượng tử sẽ thay đổi màu sắc của
LEDs, do vậy khi ghép nối QDs kích thước khác nhau thành các tổ hợp có thể
cho ra các màu sắc có độ sắc nét cao trên các màn hình TV, máy tính và
những thiết bị di động.

Hình 1.3. Màn hình sử dụng công nghệ chấm lượng tử.

7


Trên màn hình LCD (Liquid crystal display: màn hình tinh thể lỏng)
điển hình, số lượng màu sắc khá giới hạn bởi tạo thành từ ba màu chính: đỏ,
xanh dương và xanh lá. Hình ảnh chiếu sáng nhờ đèn nền. Với công nghệ màn
hình chấm lượng tử QLED, ánh sáng chiếu qua màng mỏng tinh thể nano có
thể tạo ra màu sắc bất kì. Kích thước và khoảng cách giữa các hạt nhỏ nên
hiệu quả truyền dẫn cao, nhờ đó thiết bị hoạt động nhanh hơn, bền hơn và tốn
ít năng lượng hơn. Kích thước nano mang lại độ phân giải cao. Do đó thế hệ
màn hình QLED này tái tạo hình ảnh đẹp, sắc nét và sống động gấp nhiều lần
so với màn hình LCD.

Trong pin mặt trời: QDs hấp thụ ánh sáng, tạo ra các cặp điện tử - lỗ
trống, nếu các cặp điện tử này bị phân tách và chuyển về các điện cực khác
nhau ta sẽ thu được dòng điện. QDs có kích thước khác nhau có thể được sử
dụng để hấp thụ riêng rẽ từng phân đoạn của quang phổ mặt trời, kể cả vùng
hồng ngoại.

Hình 1.4. Chấm lượng tử ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời.

8


Hình 1.5. Cơ chế hoạt động của pin mặt trời.
Việc chế tạo pin mặt trời đòi hỏi khả năng biến đổi, giữ và phân li điện
tích để có thể mang lại lợi ích lớn nhất. Công nghệ chấm lượng tử hứa hẹn cải
thiện đáng kể hiệu quả hấp thu và chuyển đổi của các tế bào pin mặt trời nên
được ứng dụng nhiều trong việc nâng cao hiệu suất của các tấm pin mặt trời.
Trong đánh dấu huỳnh quang sinh học: Một trong những ứng dụng
của các chấm lưởng tử là đánh dấu huỳnh quang, bắt đầu được đưa vào năm
1998. Người ta chỉ ra rằng chấm lượng tử có khả năng ổn định quang hơn hẳn
các chất màu hữu cơ truyền thống, phát xạ huỳnh quang hẹp hơn nhiều và cho
một dải phổ hấp thụ liên tục. Các chấm lượng tử này lại có thể phát huỳnh
quang ở vùng hồng ngoại gần, vùng trong suốt nhất đối với các phân tử máu,
mà nếu là các phân tử hữu cơ thì huỳnh quang bị yếu đi rất nhiều. Bên cạnh
đó, chúng ta biết rằng việc theo dõi các phân tử sinh học bằng phương pháp
huỳnh quang đã có từ lâu, nhưng thực hiện bằng các chất màu hữu cơ thực tế
là rất khó khăn và thiếu hiệu quả. Các chất màu hữu cơ có phổ phát xạ rộng,
chỉ cho phép dùng một loại chất và bám theo được một loại phân tử. Nếu
chúng ta cố gắng dùng nhiều chất màu để đồng thời theo dõi nhiều diễn biến
một lúc thì càng trở nên khó khăn vì khó có thể phân biệt các màu hỗn hợp
mà vốn dĩ có phổ phát xạ rất rộng. Còn nếu như dùng tổ hợp các chấm lượng

9


tử, theo kiểu đánh dấu mã vạch, có thể đánh dấu được rất nhiều đối tượng
cùng một lúc. Ví dụ như khi dùng ba hạt nano phát xạ ở ba màu xanh, vàng và
đỏ thì có thể tổ hợp thành từng nhóm mã vạch như: xanh-vàng-đỏ, xanh-xanhđỏ, vàng- vàng-đỏ...
Trong xúc tác quang hóa: quá trình hấp thụ quang học QDs tạo ra các
cặp điện tử lỗ trống. Electron ở trạng thái kích thích có năng lượng cao, luôn
có xu hướng chuyển về các trạng thái năng lượng thấp, do đó có tính khử tốt.
Còn lỗ trống ở vùng hóa trị có năng lượng thấp, do đó có tính oxi hóa mạnh.
Do đó, chấm lượng tử đã và đang được nghiên cứu là một loại xúc tác quang
hóa tiềm năng.
Với những tiềm năng ứng dụng có ý nghĩa và quan trọng như trên,
nhiều loại chấm lượng tử đã và đang được quan tâm nghiên cứu. Chấm lượng
tử bán dẫn hợp chất II-VI như CdSe và CdTe có cấu trúc lõi/vỏ như
CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdTe/CdS được nghiên cứu mạnh mẽ trong
khoảng 2 thập kỷ do có hiệu suất phát quang cao và có triển vọng ứng dụng
trong các lĩnh vực quang – điện tử, đánh dấu huỳnh quang quang y – sinh.

Hình 1.6. Dung dịch chấm lượng tử CdSe có kích thước tăng dần từ trái qua
phải dưới ánh sáng UV

10


Các nghiên cứu tính chất đã được quan tâm thực hiện để làm sáng tỏ
các quá trình quang – điện trong các hệ bán dẫn II-VI làm cơ sở cho việc triển
khai ứng dụng. Tuy nhiên, các hệ vật liệu này đều chứa Cd là nguyên tố độc
hại khi tích tụ trong cơ thể người. Vì vậy, các lĩnh vực ứng dụng của các

chấm lượng tử phát quang chứa Cd bị hạn chế, đặc biệt là những nghi ngại khi
sử dụng để đánh dấu huỳnh quang trong các đối tượng y-sinh. Nhằm tìm kiếm
vật liệu không chứa Cd nhưng có thể phát quang hiệu suất cao trong vùng phổ
khả kiến với đỉnh phổ điều chỉnh được theo yêu cầu và kích thước vật liệu
trrong vùng nanomet (để có thể sử dụng trong đánh dấu huỳnh quang trên đối
tượng y-sinh), một số phòng thí nghiệm thế giới đang tích cực nghiên cứu
những hệ bán dẫn khác nhau. Gần đây, đã có một số công bố về hệ chấm
lượng tử bán dẫn ZnSe, là loại vật liệu cùng họ hợp chất II-VI nhưng đã thay
Zn cho Cd. Chấm lượng tử bán dẫn ZnSe có thể phát huỳnh quang với hiệu
suất cao khoảng 44%. Tuy nhiên, vật liệu bán dẫn khối ZnSe có năng lượng
vùng cấm khoảng 2.6 eV, khi có hiệu ứng giam giữ lượng tử thì các chấm
lượng tử ZnSe phát quang ở vùng tím- cực tím (với kích thước hạt khoảng 3-6
nm, chấm lượng tử bán dẫn ZnSe phát quang với đỉnh phổ trong khoảng 400440 nm), không thuận lợi cho những ứng dụng có yêu cầu vật liệu phát quang
trong vùng khả kiến. Vật liệu bán dẫn hợp chất III-V như InP cũng được quan
tâm nghiên cứu chế tạo với mục đích làm vật liệu phát quang hiệu suất cao
không chứa Cd. Tuy nhiên, để chế tạo được chấm lượng tử InP có chất lượng
tinh thể cao, thường phải sử dụng tiền chất chứa P như P(TMS)3,
tris[trimethylsilyl]phosphine, là một hóa chất cực độc và rất dễ cháy, rất đắt,
và thời gian phát triển tinh thể InP cũng thường kéo dài (vài giờ đến vài
ngày). Một số phương pháp chế tạo tinh thể InP kích thước nanomet đơn giản
hơn, sử dụng hóa chất rẻ và thời gian phát triển tinh thể ngắn hơn đã được
nghiên cứu, cho kết quả khả quan về chất lượng tinh thể nhưng có sự sai lệch

11


kích thước (phân bố kích thước) lớn. Mặt khác In lại là một nguyên tố đắt đỏ
nên phần nào hạn chế tiềm năng ứng dụng của nó.
Để triển khai ứng dụng rộng rãi chấm lượng tử, đặc biệt là ứng dụng
trong sinh học, chấm lượng tử Si, Ge hay C luôn được ưu tiên sử dụng. Việc

tổng hợp chấm lượng tử Ge thường đòi hỏi nhiệt độ cao, hoặc sử dụng nhiều
hóa chất cho quá trình oxi hóa hay khử tiền chất. Chấm lượng tử Silic thu hút
được sự quan tâm vì gần gũi với cấu trúc cốt lõi của các thiết bị điện tử. Tuy
nhiên bị hạn chế về các kỹ thuật tổng hợp, biến đổi màu phát quang, kém bền
trong không khí nên việc triển khai ứng dụng chấm lượng tử Silic luôn đòi hỏi
nhiều kĩ thuật khắt khe. Riêng có chấm lượng tử Cacbon, với những đặc tính
không độc hại, dễ tổng hợp, hiệu suất lượng tử lớn, đặc biệt là tan trong nướcmột dung môi thân thiện với môi trường và con người. Những đặc tính quan
trọng này cho phép chấm lượng tử Cacbon hứa hẹn những tiềm năng ứng
dụng to lớn. Tuy nhiên thì cấu trúc và cơ chế phát quang của chấm lượng tử
Cacbon vẫn còn chưa có những nghiên cứu đầy đủ như đối với các hệ chấm
lượng tử II-VI hay III-V.
1.2. Chấm lượng tử Cacbon.
1.2.1. Cấu trúc chấm lượng tử Cacbon.
So với các hệ lượng tử khác thì cấu trúc hóa học, cấu trúc điện tử cũng
như tính chất quang - điện tử của các chấm lượng tử Cacbon C-QDs (Carbon
quantum dots) vẫn chưa thực sự được mô tả rõ ràng, đầy đủ.

12


Hình 1.7. Chấm lượng tử Cacbon.
Các công trình nghiên cứu về C-QDs chấp nhận rộng rãi rằng cấu trúc
C-QDs là hệ gồm nhiều hệ đa vòng thơm liên hợp (poliaromatic) kích thước
khác nhau, liên kết với nhau bằng các oligome –CH-CH-. Khả năng tan trong
dung môi do các nhóm chức trên bề mặt quyết định. Thực tế khả năng tan
trong nước của C-QDs được quyết định bởi các nhóm chức phân cực có trên
bề mặt như NH2, COOH, OH, SH... Tính chất quang của C-QDs phụ thuộc
vào các yếu tố cơ bản như kích thước và thành phần của các hệ liên hợp, khả
năng tương tác giữa các hệ liên hợp, thành phần và trạng thái hóa học của các
dị tố O, N, S.

1.2.2. Ưu điểm của C-QDs.
Các hệ lượng tử II - VI hay III-V đã được nghiên cứu khá hoàn thiện
làm cơ sở để triển khai các ứng dụng. Tuy nhiên một hạn chế làm giảm khả
năng áp dụng của hệ II-VI đó chính là nó chứa nguyên tố độc hại Cd, còn hệ
III –V điển hình là InP thì khó khăn về tổng hợp do In là nguyên tố đắt, quy
trình tổng hợp khắt khe. Để mở rộng lĩnh vực ứng dụng, đặc biệt là trong ysinh thì vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm các loại chấm lượng tử có hiệu suất
lượng tử lớn, không độc hại và có khả năng thương mại hóa. Với những yêu
cầu này thì chấm lượng tử Si, Ge và C luôn ưu tiên được sử dụng. Trong đó,
chấm lượng tử Si kém bền trong không khí, quy trình tổng hợp hạn chế, còn
13


tổng hợp chấm lượng tử Ge đòi hỏi nhiệt độ cao. Với đặc tính ưu việt đó là
không độc hại, dễ tổng hợp từ nhiều nguồn nguyên liệu đơn giản và tan trong
nước- một dung môi thân thiện với môi trường thì C-QDs nhanh chóng thu
hút được sự đặc biệt quan tâm từ các nhà nghiên cứu về QDs.
1.2.3. Tiềm năng ứng dụng của C-QDs.
Với những đặc tính riêng biệt nêu ở trên đó là không độc hại, dễ tổng
hợp, tan trong nước C-QDs hứa hẹn một tiềm năng ứng dụng lớn vô cùng
rộng rãi, đặc biệt là trong đánh dấu sinh học, xúc tác quang hóa, ...
Trong chế tạo pin mặt trời
Trước tình trạng giá cả nhiên liệu ngày một tăng, nỗi lo lắng về tình
trạng ô nhiễm môi trường, về ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính tới cuộc sống
của con người thì nhu cầu tìm kiếm và sử dụng một nguồn nhiên liệu sạch là
hết sức cần thiết. Và pin mặt trời được chế tạo đóng góp một ý nghĩa đặc biệt
quan trọng để giải quyết vấn đề năng lượng này. Với những nỗ lực nghiên
cứu để nâng cao hiệu suất chuyển hóa, giảm kích thước các tấm pin mặt trời,
tăng hiệu quả thương mại hóa thì chấm lượng tử hiện đã và đang được dùng
để chế tạo các thiết bị biến đổi năng lượng mặt trời. Chấm lượng tử có lợi thế
là có độ rộng vùng cấm có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi

kích cỡ của các hạt nano, và do đó chúng có thể dễ dàng hấp thụ các phần
khác nhau của quang phổ mặt trời. Thay cho tấm silicon ép giữa lớp kính như
loại pin truyền thống, pin mặt trời chấm lượng tử sử dụng màng mỏng các
tinh thể nano bán dẫn để hấp thụ ánh sáng. Nhờ kết hợp nhiều kích cỡ tinh thể
nano, pin mặt trời chấm lượng tử dễ dàng hấp thu toàn bộ phổ phát xạ của mặt
trời, giúp cắt giảm chi phí và độ phức tạp khi sản xuất pin mặt trời. Ngoài
việc hấp thụ các electron năng lượng, các chấm lượng tử còn cho phép truyền
chúng tới một loại vật liệu hấp thu như đioxit titan thường được sử dụng trong
các tế bào quang điện tiên tiến hiện nay. Quá trình truyền này chỉ diễn ra

14


trong thời gian dưới 50 femto giây (10-15 giây) và có rất ít các electron bị mất
đi dưới dạng nhiệt. Nhờ vậy sẽ giúp nâng cao hiệu suất chuyển hóa năng
lượng của pin mặt trời.
Trong y sinh
Với một ưu điểm vượt trội là không độc hại, kích thước nhỏ cỡ
nanomet, chấm lượng tử Cacbon nhanh chóng được nghiên cứu thử nghiệm
và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh thay thế cho các chất màu hữu cơ truyền
thống. Đặc biệt, C-QDs có khả năng tan trong nước, tính nhạy và độ chọn lọc
cao đối với các chất phân tích mục tiêu, độc tính thấp, khả năng tương thích
sinh học thuận lợi và khả năng quang học tốt, có thể gắn chấm lượng tử
Cacbon với nhiều yếu tố sinh học để thực hiện việc theo dõi và nghiên cứu
các đối tượng. Chấm lượng tử có thể gắn với nhiều yếu tố sinh học để thực
hiện việc theo dõi và nghiên cứu các đối tượng. Khi các hạt nano bán dẫn
được đính vào phân tử dược phẩm thì có thể quan sát được đường đi của dược
phẩm đó nhờ quan sát màu sắc ánh sáng khi chiếu tia hồng ngoại vào những
nơi cần theo dõi. Hoặc người ta đính các hạt nano vào kháng thể (antibody)
xem kháng thể bám vào Protein nào của tế bào ung thư, để xem hóa chất

truyền thông tin như thế nào ở tế bào thần kinh... So với chất màu hữu cơ
đang được sử dụng trong các ứng dụng y sinh hiện tại, cảm biến chấm lượng
tử cho hiệu quả vượt trội bởi phát sáng tốt hơn, lâu hơn và nhiều màu sắc hơn.
Dựa trên các nghiên cứu này còn có thể thiết kế chấm lượng tử Cacbon mang
thuốc chống ung thư với liều chính xác nhắm vào tế bào cụ thể, làm giảm tác
dụng phụ không mong muốn của phương pháp hóa trị truyền thống.
Phát hiện ion kim loại
Việc phát hiện ion muối có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các
phương pháp phân tích bao gồm phổ hấp thụ/phát xạ nguyên tử (AAS/AES),
phổ khối lượng (ICP-MS), cảm ứng ngẫu lực plasma (inductively coupled

15


plasma) và phát hiện quang phổ bằng thuốc nhuộm hữu cơ. Các phương pháp
vừa nêu đòi hỏi một đầu dò phát hiện huỳnh quang tổng hợp khó, dụng cụ
tinh vi, do đó giới hạn ứng dụng của chúng. Do đó phương pháp tiếp cận
thuận tiện và không tốn kém cho sự phát hiện nhạy và có chọn lọc của ion
muối với thao tác nhanh và dễ dàng là nhu cầu ngày càng tăng. Nhờ một số
lợi thế như độ nhạy cao, phân tích nhanh, không phá hủy mẫu hoặc ít gây tổn
hại tới tế bào, C-QDs có thể được dùng để phát hiện ion kim loại, xét nghiệm
ADN, protein,... Thực tế, thì C-QDs đã được thử nghiệm để phát hiện Hg2+một nguyên tố độc hại đối với con người và môi trường. Như đã trình bày ở
trên, sự phát quang của các C-QDs phát sinh từ sự tái hợp bức xạ của cặp điện
tử- lỗ trống. Mặt khác, Hg2+ có thể dập tắt sự phát quang của C-QDs bởi nó
khiến cặp điện tử - lỗ trống tái hợp không bức xạ qua ảnh hưởng của quá trình
chuyển hướng electron. Ban đầu các C-QDs tự do cho thấy khả năng phát
quang mạnh trong dung dịch nước. Tuy nhiên, sự phát quang của C-QDs bị
dập tắt đáng kể khi có mặt Hg2+ thông qua quá trình chuyển hướng eletron.
Trong khi đó, sự tương tác mạnh mẽ của tác nhân đối kháng (biothiols) tới
Hg2+ bằng cách hình thành liên kết Hg2+-S, Hg2+ đã được loại bỏ khỏi bề mặt

C-QDs vì vậy mà sự phát quang của C-QDs lại được phục hồi. Do đó bằng
cách lợi dụng việc quan sát sự thay đổi phát quang, một cảm biến huỳnh
quang có thể được chế tạo dễ dàng, cho phép phát hiện Hg2+ và tác nhân đối
kháng rất nhạy. [6]

16