Nghiên cứu tổng quan về chấm lượng tử cdse và tính hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử

A – MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ nano tinh thể bán dẫn được phát triển đầu tiên vào những năm
1980 trong các phòng thí nghiệm của Louis Brus tại Bell Laboratories và của
Alexander Efros và Alexei I. Ekimov, ở Viện Công nghệ Vật lý A.F. Ioffe ở St.
Peterburg [1]. Thuật ngữ “chấm lượng tử” đã được Mark A. Reed đưa ra đầu
tiên vào năm 1988 [2], trong đó bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang,
mà các exciton của chúng bị giam giữ trong cả ba chiều không gian, đây là sự
giam giữ lượng tử. Các electron và lỗ trống bị giam giữ một cách nghiêm ngặt
khi bán kính của chấm lượng tử nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton, kích thước
điển hình cỡ từ 2 – 20 nm.
Các chấm lượng tử do kích thước rất nhỏ bé của chúng từ 2 – 20nm nên
đã thể hiện các tính chất điện tử và quang học thú vị. Trong vòng 20 năm gần
đây, các nghiên cứu mạnh mẽ về chấm lượng tử đã được tiến hành và đạt được
các tiến bộ to lớn trong việc tổng hợp các chấm lượng tử, cũng như trong việc
hiểu biết về các tính chất quang và điện của chúng [3]. Các nano tinh thể chấm
lượng tử bán dẫn là các hạt phát sáng rất bé ở kích thước nm. Các hạt này đã
được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho các ứng dụng đa dạng, ví
dụ như trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng mặt trời, các linh kiện quang
điện tử, trong các linh kiện phát sáng, trong các ứng dụng y – sinh như hiện ảnh
phân tử và tế bào các cảm biến sinh học nano (nano – biosensor) [4]. 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.
Đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano là các vật liệu có kích thước cỡ
nanomet, trong đó CdSe là chấm lượng tử được nghiên cứu nhiều do phổ phát xạ
của chúng nằm trong vùng phổ nhìn thấy. Các chấm lượng tử CdSe là một trong
các loại vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất ở trong và ngoài nước vì khả năng
ứng dụng đa dạng của chúng [7], hiệu ứng giam giữ lượng tử và tính chất huỳnh
quang thay đổi phụ thuộc vào kích thước của chúng có thể quan sát thấy một
1

cách rõ ràng [8]. Các chấm lượng tử CdSe chất lượng cao có nhiều triển vọng
ứng dụng trong y – sinh và nông nghiệp. Vật liệu nano gồm các hệ vật liệu thấp
chiều (hai chiều, một chiều và không chiều). Tính chất quang của các vật liệu
này khác với vật liệu khối do hiệu ứng giam giữ các hạt tải dẫn đến các phản
ứng khác biệt của hệ điện tử trong cấu trúc lượng tử đối với các kích thích bên
ngoài. Sự giam giữ còn làm thay đổi mật độ trạng thái của hạt.
Ở Việt Nam, năm 2005, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học vật liệu
phối hợp với Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng một số chuyên gia
Pháp, Nhật và Hàn Quốc đã tạo ra các chấm lượng tử CdSe (Cadimi Selenua)
kích thước cỡ 3,2 – 3,7 nm. Chấm lượng tử này khi được ứng dụng trong các
thiết bị quang điện tử, chúng thường được đặt trong các trường ngoài như điện
trường, từ trường. Khi đó, các chấm lượng tử sẽ hấp thụ photon và phát ra bức
xạ điện từ. Chính vì thế, bài toán khảo sát phản ứng của chấm lượng tử dưới tác
dụng của trường ngoài là rất quan trọng và được quan tâm nghiên cứu, nhằm
đóng góp vào những bước phát triển ứng dụng chấm lượng tử trong công nghệ
hiện đại.
Chính vì những ứng dụng kì diệu như vậy đã thúc đẩy tôi nghiên cứu về
lĩnh vực này. Tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng quan về chấm lượng tử CdSe
và tính hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử” để
bước đầu tiếp cận với vật liệu mới này và chuẩn bị cho các nghiên cứu sâu hơn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu những vấn đề cơ bản liên quan đến chấm
lượng tử CdSe: công nghệ chế tạo, sự giam giữ lượng tử, tính chất quang, ứng
dụng và tìm biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình bán
dẫn chấm lượng tử.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, những nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về các hệ bán dẫn thấp chiều.
- Nghiên cứu tính chất của hệ hạt tải trong chấm lượng tử CdSe.

2


- Nghiên cứu công nghệ chế tạo và ứng dụng của chấm lượng tử CdSe
trong công nghệ và đời sống.
- Nghiên cứu tính toán sự hấp thụ quang – từ của hai photon trong mô hình
chấm lượng tử.
4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
5. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu những vấn đề tổng quan, tính chất của chấm lượng tử CdSe,
tính toán hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình bán dẫn chấm lượng tử.
6. Cấu trúc của đề tài
Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, phần nội dung
chính của đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết về bán dẫn chấm lượng tử CdSe.
Chương 2: Tính chất của hệ tải hạt trong chấm lượng tử CdSe.
Chương 3: Biểu thức giải tích của hệ số hấp thụ quang – từ trong mô hình
bán dẫn chấm lượng tử.

3


B – NỘI DUNG
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ BÁN DẪN CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
1.1. Khái niệm các giả hạt
Các electron trong vùng dẫn của tinh thể có thể được mô tả như các hạt có
1

điện tích – 𝑒, spin , khối lượng 𝑚𝑒∗ và chuẩn xung lượng, với định luật bảo toàn
2

riêng. Có thể thấy, trong các thông số trên, chỉ điện tích và spin là không thay
đổi giá trị khi xét trong chân không và trong tinh thể. Do đó, khi nói về các
electron trong vùng dẫn, ta hiểu đó là các hạt mà tính chất của chúng là do tương
tác trong một hệ nhiều hạt bao gồm một số rất lớn các hạt nhân dương và các
electron âm. Đó là cách tiếp cận thông thường trong lý thuyết về các hệ nhiều
hạt, thay việc nghiên cứu một số rất lớn các hạt tương tác bởi một số nhỏ các giả
hạt không tương tác. Các giả hạt này được mô tả như là các kích thích cơ bản
của hệ gồm các hạt thực. Theo cách tiếp cận này, electron trong vùng dẫn là một
kích thích cơ bản của hệ trong tinh thể. Một kích thích cơ bản nữa là lỗ trống, là
một giả hạt trong vùng hóa trị. Khi một electron ở vùng hóa trị dịch chuyển lên
vùng dẫn, thì tại vùng hóa trị biến thành một lỗ trống – là chổ thiếu electron.
1

Các lỗ trống được đặc trưng bởi điện tích +𝑒, spin , khối lượng hiệu dụng
2

𝑚ℎ∗ và một chuẩn xung lượng thích hợp.
Sử dụng các khái niệm về kích thích cơ bản, có thể xem trạng thái cơ bản
của tinh thể là một trạng thái chân không, không tồn tại electron trong vùng dẫn
và cũng không tồn tại lỗ trống trong vùng hóa trị và trạng thái bị kích thích đầu
tiên, một electron trong vùng dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa trị chính là sự
tạo thành của cặp electron - lỗ trống (cặp 𝑒 – ℎ). Khi xung lượng photon là nhỏ
không đáng kể, sự dịch chuyển là thẳng. Quá trình ngược lại, đó là quá trình
dịch chuyển bức xạ xuống dưới, tương đương với sự hủy của cặp 𝑒 − ℎ và tạo
ra một photon. Các quá trình và các khái niệm này cũng giống như trong chân
không, các electron và pozitron. Sự khác biệt duy nhất là khối lượng pozitron

4


đúng bằng khối lượng electron, trong khi trong tinh thể, khối lượng hiệu dụng
𝑚ℎ∗ thường lớn hơn khối lượng hiệu dụng của electron 𝑚𝑒∗ .
Các electron và lỗ trống được mô tả bởi thông kê Fermi – Dirac với hàm
phân bố:
𝑓(𝐸) =

1
𝐸−𝐸𝐹
𝑒 𝑘𝑇 +1

,

(1.1)

trong đó 𝐸𝐹 là thế năng hóa học và được gọi là năng lượng Fermi, 𝑘 là hằng số
Boltzmann, 𝑇 là nhiệt độ tuyệt đối.
Năng lượng vùng cấm tương ứng với năng lượng tối thiểu tạo ra một cặp
hạt mang điện tự do, đó là electron và lỗ trống. Cách mô tả bằng các electron và
lỗ trống không tương tác như là các kích thích cơ bản tương ứng được gọi là bức
tranh một hạt.
Trong thực tế, các electron và lỗ trống đều là các hạt tích điện nên có
tương tác với nhau thông qua thế Coulomb và tạo nên một giả hạt đặc biệt tương
ứng với trạng thái liên kết kiểu nguyên tử của cặp electron - lỗ trống và được gọi
là exciton.
1.2. Các cấu trúc thấp chiều
Cấu trúc có độ dày các lớp bán dẫn kế tiếp nhau cỡ nanomet được gọi là
cấu trúc nano. Bằng các kĩ thuật tinh vi trong việc nuôi tinh thể, người ta đã tạo

ra các cấu trúc nano có kích thước theo một chiều, hai chiều và không chiều có
thể nhỏ hơn bước sóng De Broglie của các kích thích cơ bản trong tinh thể hay
bán kính Bohr của exciton, những cấu trúc này được gọi chung là các cấu trúc
thấp chiều.
Trường hợp 3D (vật liệu khối): Khối tinh thể là một chất rắn 3 chiều. Nếu
bỏ qua tương tác giữa các electron thì mô hình này được gọi là mô hình electron
tự do 3 chiều, phổ năng lượng electron là liên tục và electron chuyển động gần
như tự do.
Nếu kích thước của hệ bị hạn chế một chiều, chúng ta có hệ hai chiều (hệ
2D) hay giếng lượng tử, các electron có thể di chuyển tự do trong mặt phẳng 𝑥
và 𝑦, nhưng không thể di chuyển tự do theo phương 𝑧, trong hệ hai chiều phổ
5


năng lượng bị gián đoạn theo chiều bị giới hạn; nếu bị hạn chế hai chiều chúng
ta có hệ một chiều (hệ 1D) hay dây lượng tử, electron bị giới hạn theo hai chiều
nó sẽ chuyển động tự do dọc theo chiều dài của dây và phổ năng lượng gián
đoạn theo hai chiều trong không gian; nếu bị hạn chế cả ba chiều chúng ta có hệ
không chiều (hệ 0D) hay chấm lượng tử, khi các electron bị giới hạn theo cả ba
chiều trong không gian và hoàn toàn không thể chuyển động tự do, vì thế chỉ tồn
tại các trạng thái gián đoạn trong không gian. Phổ năng lượng từ liên tục chuyển
sang thành tách mức năng lượng, các mức này bị gián đoạn theo cả ba chiều
trong không gian.
Như vậy, chấm lượng tử là các tinh thể nano bán dẫn, có kích thước từ
vài nm tới vài chục nm, thường có dạng hình cầu. Chấm lượng tử giam giữ
mạnh các electron, lỗ trống theo cả ba chiều trong một khoảng cỡ bước sóng De
Broglie của các electron. Sự giam giữ này dẫn tới các mức năng lượng của hệ bị
lượng tử hoá, giống như phổ năng lượng gián đoạn của một nguyên tử.
Trong vật liệu khối, hạt tải có ba bậc tự do, nhưng khi kích thước của hệ
bị giới hạn như trên thì hạt tải chỉ chuyển động tự do theo hai chiều (hệ 2D)

hoặc một chiều (hệ 1D) và đặc biệt đối với hệ không chiều (hệ 0D) hạt bị giam
giữ theo mọi phương. Đặc điểm này tạo cho các hệ thấp chiều những tính chất
khác thường mà ở bán dẫn khối không thể có được. Hai sự khác biệt có thể nhận
thấy giữa các hệ thấp chiều so với vật liệu khối là có sự phân bố lại mật độ trạng
thái và có sự biến đổi năng lượng của hạt tải.
Về mặt năng lượng, trong các hệ thấp chiều, hạt tải có thêm năng lượng
giam giữ do chuyển động bị giới hạn so với hệ ba chiều. Cụ thể, với hệ hai chiều
có kích thước bị giới hạn dọc theo trục 𝑧 là lz thì năng lượng lượng tử hoá theo
trục 𝑧 là:
𝐸𝑛𝑧 =

ℏ2 𝜋 2
∗ 𝑙2
2𝑚𝑒,ℎ
𝑧

𝑛𝑧2 ,

(1.2)

với 𝑛𝑧 là các số nguyên, 𝑛𝑧 = 1,2,3, …
Hệ một chiều, có thêm kích thước ly bị giới hạn dọc theo trục 𝑦 thì năng
lượng lượng tử hoá chuyển động hạt tải trong trường hợp này:
6


𝐸𝑛𝑦,𝑧 =

ℏ2 𝜋 2
∗

2𝑚𝑒,ℎ

2
𝑛𝑦

𝑛𝑧2

𝑦

𝑙𝑧2

( 𝑙2 +

).

(1.3)

Vì có thêm năng lượng lượng tử hoá được cho bởi (1.2) và (1.3) nên phổ
năng lượng của hệ 2D và 1D tách thành các dải con liên tục.
Còn riêng với hệ 0D, hệ này có các tính chất khác hẳn so với hệ 3D. Mật
độ trạng thái là rời rạc (Hình 1.1c). Phổ năng lượng là tập hợp các mức rời rạc
giống với các mức năng lượng trong nguyên tử. Các tính chất này là nguyên
nhân làm xuất hiện các hiệu ứng đặc biệt mà chỉ ở chấm lượng tử mới có.

Hình 1.1. Mật độ các trạng thái electron của giếng lượng tử (a), dây lượng tử
(b), chấm lượng tử (c).
Theo lý thuyết vùng năng lượng hạt tải tăng lên do giam giữ đồng nghĩa
với việc đáy vùng dẫn dịch chuyển lên phía trên và đỉnh vùng hoá trị dịch
chuyển xuống phía dưới, do đó làm tăng độ rộng vùng cấm hiệu dụng. Vì thế,
trong các hệ thấp chiều, các dịch chuyển quang học được phép của hạt tải có thể

được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước của hệ.
1.3. Chấm lượng tử CdSe
Các vật liệu và công nghệ nano đã phát triển rất mạnh trong những thập
niên vừa qua. Tính chất quan trọng thú vị của các vật liệu này là sự thay đổi các
tính chất vật lý và hóa học xảy ra khi kích thứớc của chúng giảm dần tới rất nhỏ.
Các nano tinh thể bán dẫn có tính chất đặc biệt, khi kích thước của nano tinh thể
là đủ nhỏ thì các tính chất quang và điện cơ bản của các chất bán dẫn thay đổi so
7


với vật liệu dạng khối, thông qua hiệu ứng cơ lượng tử. Bản chất của sự thay đổi
này, còn được gọi là sự giam giữ lượng tử, xảy ra khi chiều của tinh thể trở nên
nhỏ, đến mức các hạt tải bị kích thích quang nhận thấy chạm được các bờ biên.
Nhỏ trong trường hợp này được xác định là so với kích thước đặc trưng của một
cặp electron – lỗ trống liên kết, hay còn gọi là exciton liên kết trong vật liệu bán
dẫn. Giá trị này được gọi là bán kính Bohr của exciton.
Các chấm lượng tử CdSe là các hạt vật liệu bán dẫn rất nhỏ được phân tán
trong một dung dịch chất lỏng tạo thành dạng lơ lửng huyền phù. Các chấm
lượng tử nhỏ nhất chứa khoảng vài trăm nguyên tử, trong khi các hạt lớn nhất
chứa hàng chục nghìn nguyên tử. Để ổn định và cải thiện các tính chất quang,
các chấm lượng tử CdSe thường được bọc một cách đồng tâm, bằng một vật liệu
có độ rộng dải cấm lớn hơn như ZnS, ZnSe hay CdS.
Mặc dù các chấm lượng tử có được bọc lớp vỏ như trên hay không, thì tất
cả các chấm lượng tử huyền phù đều được bao quanh bằng các chất hữu cơ liên
kết bề mặt, hoặc các nhóm chất khác, tùy thuộc vào môi trường nước hay hữu cơ
chế tạo ra chúng, hay làm biến đổi bề mặt chúng và chức năng hóa bề mặt
chúng. Các chất hữu cơ liên kết bề mặt này làm thụ động hóa bề mặt của chấm
lượng tử và làm cho chúng phân tán và tan vào trong dung môi đã cho, hay là
tan trong nước. Các phosphine hay phosphine oxide mạch dài điển hình như
trioctylphosphine (TOP) được dùng để bám vào các chấm lượng tử, các amine

chuỗi dài và ete cũng thường được sử dụng.
Tùy theo điều kiện chế tạo, các chấm lượng tử sẽ có kích thước và hình
dáng khác nhau. Ảnh hưởng của hình dáng nano tinh thể tới tính chất điện tử và
tính chất bề mặt theo chiều giam giữ tăng dần giếng lượng tử, dây lượng tử tới
chấm lượng tử. Các hình dáng khác nhau của các nano tinh thể cũng sẽ làm cho
tỷ lệ các nguyên tử trên bề mặt của chúng là khác nhau và thay đổi độ rộng dải
cấm cũng khác nhau.
Một dãy rộng các vật liệu bán dẫn đã được chế tạo ra ở dạng nano tinh
thể, bao gồm Si và Ge, các hợp chất III – V (GaAs, GaP, InP), các hợp chất
nhóm II – VI (CdSe, CdS, ZnSe, CdTe, PbS và các hợp kim của chúng) và các
8


hợp chất nhóm I – VII (CuCl, CuBr, AgBr). Hơn nữa, công nghệ ngày nay có
thể cho phép kiểm soát kích thước, hình dáng và bề mặt của các tinh thể bán
dẫn. CdSe là một tinh thể bán dẫn loại II – VI, được hình thành từ một nguyên tố
của cột II (Cd) của bảng tuần hoàn Mendeleev và một nguyên tố của cột VI (Se),
với năng lượng vùng cấm 𝐸𝑔 = 1.8𝑒𝑉.
1.4. Công nghệ chế tạo
Phương pháp chung để tổng hợp các chấm lượng tử CdSe là nhiệt phân
các hợp chất ban đầu (tiền chất) tại nhiệt độ cao trong dung môi có nhiệt độ sôi
cao gồm hỗn hợp TOPO (Trioctylphosphine oxide) và HAD (Hexadecylamine).
Phương pháp chế tạo chấm lượng tử TOP/TOPO được thực hiện lần đầu tiên
vào năm 1993 [10]. Ví dụ cho thấy thành công cao của phương pháp tổng hợp
này là sử dụng các chất dimethyl cadmium và trioctylphosphine selenide được
tiêm vào hỗn hợp dung môi TOPO và TOP [5]. Các phương pháp gần đây phát
triển hơn cho các kết quả tốt khi sử dụng các tiền chất ít độc hại và hoạt hóa như
cadmium acetate (𝐶𝑑(𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂)2 ) và các dung môi khác như HDA hay dioctyl
ether [5]. Phương pháp này đã thu được nhiều kết quả thành công vì tính hữu
dụng của nó, khả năng tái sản xuất nhiều lần và đặc biệt là chất lượng của các

tinh thể được chế tạo rất tinh khiết và các hạt đồng dạng với nhau. Ngay sau khi
chế tạo thành công chấm lượng tử bằng phương pháp tổng hợp TOP/TOPO,
nhiều phòng thí nghiệm lớn đã tiến hành những nghiên cứu sâu về tính chất
quang của tinh thể CdSe được tổng hợp bằng phương pháp này.
Phương pháp bọc các chấm lượng tử huyền phù được sử dụng bằng cách
tiêm rất chậm các tiền chất vô cơ, từng giọt vào chấm lượng tử lõi ở nhiệt độ cao
trong dung môi có nhiệt độ sôi cao [5]. Mặc dù có sự sai lệch mạng
(~ 12%) của ZnS đối với CdSe, việc bọc thêm một lớp vỏ dày (từ một vài tới
cỡ hàng chục đơn lớp, độ dày một đơn lớp vỏ được lấy theo hằng số mạng.
Các chấm lượng tử còn được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng trong
môi trường chân không (phương pháp Stranski-Krastanow) [6]. Trong trường
hợp này, sự sai lệch mạng giữa vật liệu lắng đọng và vật liệu đế ảnh hưởng đáng
kể lên các tính chất của vật liệu lắng đọng. Phương pháp này thường tạo ra các
9


tinh thể kích thước nanomet hình kim tự tháp bị dẹt đầu, nhưng có khi đường
kính lên tới cả 100 nm, và sự phân bố kích thước của chúng không thể được
kiểm soát. Cũng vì chúng lớn hơn đáng kể so với chấm lượng tử huyền phù, các
hiệu ứng giam giữ lượng tử của chúng thường ít biểu hiện rõ.

10


CHƯƠNG II
TÍNH CHẤT CỦA HỆ TẢI HẠT TRONG CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
2.1. Cấu trúc điện tử cơ bản
Sự phụ thuộc của tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn vào kích
thước đã được phát hiện ra một cách độc lập từ cách đây 30 năm trong hai loại
vật liệu khác nhau: trong các thủy tinh pha các chấm lượng tử bán dẫn và trong

các dung dịch huyền phù chứa các chấm lượng tử. Cả hai nghiên cứu này đều
chỉ ra rằng màu sắc của các chấm lượng tử phụ thuộc mạnh vào kích thước của
chúng.
Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang phụ thuộc vào kích thước, được xác định
bởi hiệu ứng kích thước lượng tử, hiệu ứng này làm thay đổi một cách cơ bản
toàn bộ phổ năng lượng của các giả hạt bị giam giữ theo cả ba chiều. Cả hai tính
chất quang tuyến và quang phi tuyến của các hạt chấm lượng tử là kết quả của
các chuyển dời giữa các mức electron và lỗ trống bị lượng tử hóa do kích thước.
Trong một chấm lượng tử hình cầu, được bao xung quanh bởi hàng rào thế năng
cao vô hạn, năng lượng của các mức lượng tử phụ thuộc kích thước của electron
và lỗ trống được xác định bởi số lượng tử mômen góc hay gọi là số lượng tử quỹ
đạo 𝑙, có thể được viết trong gần đúng trong hàm parabol là:
𝑒,ℎ
𝐸𝑙,𝑛
=

2
ℏ2 𝜒𝑙,𝑛
∗ 𝑎2
2𝑚𝑒,ℎ

,

(2.1)

trong đó 𝑚𝑒∗ và 𝑚ℎ∗ là khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống, 𝑎 là bán
kính tinh thể chấm lượng tử, 𝜒𝑙,𝑛 là hàm Bessel cầu bậc thứ 𝑛 của 𝑙.
Năng lượng của các mức lượng tử phụ thuộc vào kích thước thấp nhất của
electron và lỗ trống, tăng khi kích thước của nano tinh thể giảm. Trong các chấm
lượng tử CdSe sự thay đổi độ rộng dải cấm có thể đạt tới 1.2eV. Bằng cách thay

đổi kích thước chấm lượng tử, chúng ta có thể thay đổi năng lượng dải cấm của
vật liệu này từ 1.7eV tới giá trị 𝐸𝑔 của bán dẫn khối là khoảng 3eV, bao phủ
toàn bộ dải ánh sáng nhìn thấy của phổ quang học.

11


Tuy nhiên, tương tác Coulomb giữa các electron và lỗ trống được tạo ra
do kích thích quang tác động mạnh mẽ tới phổ quang học. Tương tác này phải
luôn được tính đến bởi vì cả hai hạt này đều bị giam giữ trong cùng một thể tích
tinh thể nhỏ. Năng lượng Coulomb của tương tác electron và lỗ trống là cỡ

𝑒2
𝜀𝑎

,

với 𝜀 là hằng số điện môi của bán dẫn. Vì năng lượng lượng tử hóa tăng theo sự
giảm kích thước cỡ

1

1

𝑎

𝑎

, trong đó năng lượng Coulomb chỉ tăng với , nên nó trở
2

thành một sự hiệu chỉnh nhỏ đối với các năng lượng lượng tử hóa của các
electron và lỗ trống trong các tinh thể nhỏ và làm giảm các năng lượng chuyển
dời một lượng tương đối nhỏ. Trong các chấm lượng tử lớn, tương tác Coulomb
là quan trọng hơn các năng lượng lượng tử hóa của các electron và lỗ trống.
Phân tích lý thuyết cho thấy rằng, các tính chất quang của chấm lượng tử phụ
thuộc mạnh vào tỷ số của bán kính của chấm lượng tử (𝑎) với bán kính Bohr của
exciton bán dẫn khối, 𝑎𝐵 =

ℏ2 𝜀
𝜇𝑒 2

, với 𝜇 là khối lượng rút gọn của exciton. Khi

phân tích số liệu thực nghiệm cần xem xét đến ba chế độ giam giữ khác nhau:
𝑎 ≫ 𝑎𝐵 , 𝑎~𝑎𝐵 𝑣à 𝑎 ≪ 𝑎𝐵 .
Tiếp theo ta sẽ xét 3 trường hợp giam giữ: chế độ giam giữ mạnh, chế độ
giam giữ yếu và chế độ giam giữ trung gian. Hiệu ứng giam giữ lượng tử thể
hiện khác nhau trong mỗi chế độ giam giữ. Ta tìm hiểu từng trường hợp cụ thể:
2.1.1. Chế độ giam giữ yếu
Chế độ giam giữ yếu tương ứng với trường hợp khi bán kính chấm lượng
tử 𝑎 là nhỏ nhưng vẫn lớn hơn so với bán kính Bohr:
𝑎𝐵 =

𝜀ℏ2
𝜇𝑒 2

=𝜀

𝑚0

𝜇

× 0.53Å.

(2.2)

Trong trường hợp này, xảy ra sự lượng tử hóa chuyển động khối tâm của
exciton. Năng lượng của exciton trong trường giam giữ yếu có biểu thức:
𝐸𝑛𝑚𝑙 = 𝐸𝑔 −

𝑅𝑦 ∗
𝑛2

12

+

2
ℏ2 𝜒𝑚𝑙

2𝑀𝑎2

,

(2.3)


với nghiệm của hàm cầu Bessel 𝜒𝑚𝑙 , 𝐸𝑔 là năng lượng vùng cấm, 𝑀 là khối
lượng dịch chuyển của exciton 𝑀 = 𝑚𝑒∗ + 𝑚ℎ∗ , 𝑅𝑦 ∗ là năng lượng Rydberg
exciton được tính bằng biểu thức:

𝑅𝑦 ∗ =

𝑒2

=

2𝜀𝑎𝐵

𝜇 1
𝑚0 𝜀 2

× 13.6𝑒𝑉.

(2.4)

Có thể thấy rằng, exciton trong chấm lượng tử được đặc trưng bởi số
lượng tử 𝑛 mô tả các trạng thái bên trong của exciton xuất hiện do tương tác
Coulomb giữa lỗ trống và electron và bởi hai số thêm vào là 𝑚 và 𝑙 mô tả các
trạng thái liên quan đến chuyển động của khối tâm khi có mặt hàng rào thế bên
ngoài.
Năng lượng ở trạng thái thấp nhất (𝑛 = 1, 𝑚 = 0, 𝑙 = 0), giá trị
𝜒00 = 𝜋. Từ (2.3) ta có biểu thức:
𝐸100 = 𝐸𝑔 − 𝑅𝑦 ∗ +

𝜋 2 ℏ2
2𝑀𝑎2

.

(2.5)

Hay:
𝐸100 = 𝐸𝑔 − 𝑅𝑦 ∗ [1 −

𝜇

𝜋𝑎𝐵 2

(
𝑀

𝑎

) ],

(2.6)

trong đó, 𝜇 là khối lượng rút gọn của exciton theo phương trình:
1
𝜇

=

1
𝑚𝑒∗

+

1
∗

𝑚ℎ

.

(2.7)

Dựa vào phương trình (2.5) và (2.6), cộng hưởng exciton đầu tiên dịch về
phía năng lượng cao một khoảng:
∆𝐸100 =

𝜇

𝜋𝑎𝐵 2

(
𝑀

𝑎

) 𝑅𝑦 ∗ .

(2.8)

Trong trường hợp 𝑎 ≫ 𝑎𝐵 , năng lượng liên kết của một exciton lớn hơn
năng lượng lượng tử của cả electron, lỗ trống và phổ quang học của các chấm
lượng tử được xác định bởi sự giam giữ lượng tử của khối tâm exciton.

13

Khi có tính đến sự hấp thụ photon có thể tạo ra một exciton có mômen
xung lượng bằng không thì phổ hấp thụ sẽ bao gồm một số vạch tương ứng các
trạng thái với 𝑙 = 0. Do đó, phổ hấp thụ có thể nhận được xuất phát từ phương
trình (2.3) với 𝜒𝑚0 = 𝜋𝑚:
𝑅𝑦 ∗

𝐸𝑚𝑛 = 𝐸𝑔 −

𝑛2

+

𝜋 2 ℏ2
2𝑀𝑎2

𝑚2 .

(2.9)

Electron tự do và lỗ trống có phổ năng lượng là:
𝑒
𝐸𝑚𝑙
= 𝐸𝑔 +

ℎ
𝐸𝑚𝑙
=

2
ℏ2 𝜒𝑚𝑙

2𝑚𝑒 𝑎2

2
ℏ2 𝜒𝑚𝑙

2𝑚ℎ 𝑎2

,

(2.10)

.

(2.11)

Trường hợp này gọi là giam giữ lượng tử yếu và có thể quan sát được
trong các tinh thể có kích thước đủ lớn.
2.1.2. Chế độ giam giữ mạnh
Giới hạn giam giữ mạnh tương ứng với điều kiện: 𝑎 ≪ 𝑎𝐵 . Có nghĩa là
electron và lỗ trống bị giam giữ không có trạng thái liên kết tương ứng với
exciton, và có giá trị khá lớn so với giá trị của 𝑅𝑦 ∗ . Trong trường hợp này,
chuyển động không tương quan của electron và lỗ trống có thể được coi là phép
gần đúng bậc một và tương tác Coulomb có thể bỏ qua. Khi đó, mỗi hạt có phổ
năng lượng được đưa ra bởi công thức (2.10) và (2.11).
Các định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng dẫn đến các dịch
chuyển quang học, những dịch chuyển giữa các trạng thái của electron và lỗ
trống có cùng số lượng tử chính và số lượng tử quỹ đạo. Do đó, phổ hấp thụ quy
về một tập hợp các dải rời rạc có các đỉnh tại các giá trị năng lượng:
𝐸𝑛𝑙 = 𝐸𝑔 +

ℏ2
2𝑀𝑎2

2
𝜒𝑛𝑙
.

(2.12)

Với suy luận này, các chấm lượng tử trong giới hạn giam giữ mạnh đôi
khi được gọi là các nguyên tử nhân tạo hoặc siêu nguyên tử khi các chấm lượng
tử có phổ quang học rời rạc và phổ quang học này được điều chỉnh bằng cách
14


thay đổi kích thước chấm lượng tử (tức là số các nguyên tử), trong khi nguyên tử
thực có phổ rời rạc được quy định bằng số lượng các nucleon.
Tuy nhiên, một electron và một lỗ trống bị giam giữ trong không gian có
thể so sánh với kích thước của exciton ở trạng thái cơ bản trong các tinh thể lí
tưởng. Do đó, sự nghiên cứu độc lập chuyển động của electron và lỗ trống là
không hợp lí và phải tính đến toán tử Hamiltonian hai hạt với các số hạng là
động năng, năng lượng coulomb và thế giam giữ:
𝐻=−

ℏ2
2𝑚𝑒

∇2𝑒 −

ℏ2
2𝑚ℎ

∇2ℎ −

𝑒2
𝜀|𝑟𝑒 −𝑟ℎ |

+ 𝑈(𝑟),

(2.13)

được nghiên cứu bởi Brus, sự xuất hiện của thế năng 𝑈(𝑟) không cho phép
nghiên cứu độc lập chuyển động của khối tâm và chuyển động của hạt với khối
lượng rút gọn. Một số tác giả đã nghiên cứu vấn đề này bằng phương pháp biến
phân như Brus 1986, Kayanuma 1986và Schmidt and Weller 1986 họ nhận thấy
rằng năng lượng của cặp electron – lỗ trống ở trạng thái cơ bản (1𝑠1𝑠) có thể
được biểu diễn trong công thức:
𝐸1𝑠1𝑠 = 𝐸𝑔 +
trong đó số hạng tỷ lệ với

𝑒2
𝜀𝑎

𝜋 2 ℏ2

𝑒2

2𝑀𝑎

𝜀𝑎

− 1.786 ,
2

(2.14)

mô tả tương tác Coulomb hiệu dụng của cặp lỗ

trống và electron. So sánh số hạng này với năng lượng Rydberg của exciton
𝑅𝑦 ∗ =

𝑒2
2𝜀𝑎

và giới hạn giam giữ mạnh 𝑎 ≪ 𝑎𝐵 , có thể thấy rằng trong các chấm

lượng tử tương tác Coulomb không bị triệt tiêu. Hơn nữa, sự đóng góp của số
hạng này vào năng lượng ở trạng thái cơ bản thậm chí còn lớn hơn trong tinh thể
khối. Đây là sự khác biệt chủ yếu của các chấm lượng tử so với tinh thể, giếng
lượng tử và dây lượng tử, ở đó năng lượng Coulomb của cặp electron – lỗ trống
tự do bằng không. Do đó, kích thích cơ bản trong chấm lượng tử có thể được gọi
là exciton. Năng lượng exciton lệch khỏi năng lượng của bán dẫn khối trong giới
hạn giam mạnh có thể được tính:
𝑎𝐵 2

𝑎

∗

𝑎

2

𝐸𝑒𝑥𝑐 − 𝐸𝑔 = ( ) 𝑅𝑦 [𝐴1 + 𝐴2 + ( ) 𝐴3 + ⋯ ],
𝑎
𝑎
𝑎
𝐵

15

𝐵

(2.15)


với thông số

𝑎
𝑎𝐵

≪ 1, hệ số đầu tiên 𝐴1 cho các trạng thái khác nhau được mô tả

bằng nghiệm của hàm cầu Bessel. Hệ số thứ hai 𝐴2 tương ứng với giới hạn
Coulomb trong phương trình (1.3). Hệ số 𝐴3 cho trạng thái cơ bản được tìm thấy
là − 0.248.
Phương trình (2.15) là một hàm biểu diễn độ dịch của đỉnh hấp thụ do
giam giữ lượng tử dưới dạng không phụ thuộc vào các thông số vật liệu nếu
năng lượng được tính theo đơn vị 𝑅𝑦 ∗ và độ dài được đo theo đơn vị 𝑎𝐵 .

Có một số trường hợp nữa cho lời giải phương trình Schrodinger với thế
giam giữ tương ứng với tỉ số rất lớn của khối lượng lỗ trống và electron, tức là:
𝑚ℎ ≫ 𝑚𝑒 ; 𝜇 ≈ 𝑚𝑒 ; 𝑎ℎ ≪ 𝑎𝑒 ; 𝑎𝑒 + 𝑎ℎ = 𝑎𝐵 ≫ 𝑎ℎ ,

(2.16)

với
𝑎𝑒 =

𝜀ℏ2

𝜀ℏ2

𝑚𝑒 𝑒

𝑚ℎ 𝑒 2

; 𝑎ℎ =
2

;

(2.17)

là bán kính Bohr của electron và lỗ trống. Trong trường hợp:
𝑎ℎ ≪ 𝑎 ≪ 𝑎𝑒 , 𝑎𝐵 ,

(2.18)

lỗ trống có thể coi như không dịch chuyển và định xứ tại tâm của chấm. Giả

thuyết này là giống như phép gần đúng Born – Oppenheimer và trạng thái
electron – lỗ trống tương ứng trong chấm lượng tử bán dẫn được gọi là exciton.
Trong mô hình này, các trạng thái năng lượng và quang phổ hấp thụ được xác
định chủ yếu bởi sự lượng tử hóa chuyển động của electron. Tuy nhiên, do
tương tác Coulomb giữa electron và lỗ trống, mỗi mức electron bị tách thành
nhiều mức con. Vị trí của đỉnh hấp thụ cực đại đầu tiên có thể được mô tả bởi
biểu thức:
𝑎

2

2𝑎

𝐸𝑙 = 𝐸𝑔 + 8 ( ) 𝑅𝑦 ∗ 𝑒𝑥𝑝 (− ).
𝑎
𝑎
𝐵

𝐵

(2.19)

Lý thuyết khác để giải quyết vấn đề này đã được đề cập đến bởi
W.Jaskolski (1996). Nếu tính đến sự lượng tử hóa chuyển động khối tâm exciton
16


hoặc lượng tử hóa chuyển động của lỗ trống và electron thì sẽ không đưa đến
một hiệu ứng vật lý cơ bản hay sự gián đoạn khi kích thước chấm vào khoảng
𝑎 = 𝑎𝐵 . Sự có mặt của hiệu ứng kích thước lượng tử về chế độ giam yếu và

mạnh là rất hữu ích, vì nó cung cấp cách giải quyết trực quan và các khuynh
hướng dựa trên cơ sở của cơ học lượng tử cơ bản và các khái niệm đã trình bày
cho tinh thể vĩ mô, nó phù hợp khi áp dụng để nghiên cứu các tính chất của tinh
thể nano. Trên thực tế, sự phát triển các thuộc tính của chấm lượng tử đã được
chứng minh thành công trong khuôn khổ của phép gần đúng khối lượng hiệu
dụng nhờ ý nghĩa của các nghiệm của phương trình Schrodinger và Hamilton.
Bài toán này đã được thực hiện bởi một số tác giả.
Các phép tính có thể dự đoán các kết quả một cách trực quan trong phạm
vi của chế độ giam giữ mạnh và chế độ giam giữ yếu.
2.1.3. Chế độ giam giữ trung gian
Chế độ giam giữ trung gian xảy ra trong bán dẫn với các giá trị rất khác
nhau trong khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống trong dải kích thước
trung gian 𝑎𝑒 > 𝑎 > 𝑎ℎ với 𝑎𝑒 và 𝑎ℎ tương ứng là bán kính Bohr của electron
và lỗ trống.
Trong trường hợp này, lỗ trống chuyển động trong thế năng trung bình và
được định xứ ở tâm của chấm lượng tử. Phạm vi chuyển động của lỗ trống xung
quanh tâm tinh thể nhỏ hơn rất nhiều so với bán kính của chấm lượng tử và sự
phụ thuộc kích thước của trạng thái exciton cơ bản có thể được mô tả như một
hạt định xứ tại tâm của chấm lượng tử.
2.2. Các tính chất của chấm lượng tử CdSe
Chấm lượng tử là loại tinh thể nano rất nhỏ. Bề rộng mỗi chấm khoảng
2 − 10 nm (1/1000 độ dày sợi tóc) cấu thành từ hàng trăm hoặc hàng ngàn
nguyên tử. Kích thước chấm lượng tử xác định bởi số lượng nguyên tử bên trong
tinh thể. Số lượng các electron của chấm lượng tử có thể điều khiển chính xác.
Chấm lượng tử có thể chỉ có một electron tới hàng ngàn electron. Các chấm
lượng tử thể hiện các tính chất quang và điện do hiện tượng giam giữ lượng tử
gây ra.
17

2.2.1. Tính chất quang
Vào thập niên 1980, nhà vật lý người Nga Alexey I. Ekimov và giáo sư
hóa học Louis E. Brus tìm ra chấm lượng tử trong lúc tiến hành những nghiên
cứu về vật liệu nano. Khi quan sát một số tinh thể nano làm từ vật liệu bán dẫn,
ông nhận thấy, mỗi lần kích thước tinh thể nano thay đổi thì bước sóng của ánh
sáng do chúng hấp thụ hoặc phát ra cũng thay đổi theo. Chẳng hạn, với tính chất
quang học, chấm lượng tử ở kích thước xác định sẽ phát ra ánh sáng có màu sắc
riêng biệt khi được chiếu tia cực tím. Kích thước chấm lượng tử CdSe càng lớn
càng tạo ra ánh sáng có bước sóng dài (ánh sáng đỏ). Chấm lượng tử kích thước
nhỏ hơn sẽ phát ánh sáng có bước sóng ngắn hơn (ánh sáng xanh). Màu sắc ánh
sáng thay đổi tương ứng với kích thước của chấm lượng tử. Như vậy, bằng cách
thay đổi tuần tự kích thước chấm lượng tử, ta có thể tạo ra mọi sắc độ trong
quang phổ ánh sáng với độ thuần khiết mà hiếm loại vật liệu nào đạt được.
Năm 1988, giáo sư vật lý Mark A. Reed (Đại học Yale) mới đặt tên cho
những tinh thể bé xíu này là chấm lượng tử (Quantum Dots) bởi kích thước quá
nhỏ khiến chúng chịu ảnh hưởng của quy luật lượng tử. Nghĩa là, mỗi chấm
lượng tử ở kích thước và cấu trúc nhất định sẽ mang đặc tính cụ thể và việc thêm
hoặc bớt dù chỉ một nguyên tử trong cấu trúc cũng làm thay đổi tính chất của
chấm lượng tử. Như vậy, tính chất và kích thước của chấm lượng tử liên quan
chặt chẽ với nhau. Đây cũng là chìa khóa mở ra những ứng dụng tuyệt vời cho
loại vật liệu nano này.
Phổ quang học đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu các
hạt bán dẫn chấm lượng tử. Hiệu ứng giam giữ lượng tử được thể hiện một cách
rõ ràng qua sự dịch chuyển về phía xanh da trời (blue shift) của bờ hấp thụ theo
sự giảm kích thước hạt. Do sự giam giữ electron và lỗ trống trong một hạt nano,
năng lượng liên kết và lực dao động tử có thể tăng do sự che phủ không gian
giữa hàm sóng của electron và lỗ trống tăng lên.
Ta biết rằng phổ quang học là công cụ thực nghiệm quan trọng nhất để
xác nhận cấu trúc electron. Phổ hấp thụ quang học và huỳnh quang được dùng
để nghiên cứu các mức năng lượng tại biên dải. Thời gian sống của đơn exciton

18


của chấm lượng tử được quan sát thấy dài hơn nhiều thời gian sống của đơn
exciton trong CdSe khối, thời gian sống của đơn exciton trong CdSe khối là từ
200 𝑝𝑠 đến ~ 3 𝑛𝑠, phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ kích thích.
Ảnh hưởng của kích thước lên phổ hấp thụ của chấm lượng tử CdSe:
So với bờ hấp thụ của bán dẫn CdSe khối ở nhiệt độ phòng là 𝜆 = 716𝑛𝑚,
tương ứng 𝐸𝑔 = 1.73𝑒𝑉 thì phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe đều dịch
về phía bước sóng ngắn hơn. Vị trí đỉnh hấp thụ thứ nhất phụ thuộc vào độ rộng
của vùng cấm và do đó phụ thuộc kích thước của hạt. Chấm lượng tử có kích
thước càng nhỏ thì độ dịch chuyển đỉnh hấp thụ thứ nhất về phía bước sóng ngắn
càng lớn. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe có đỉnh hấp thụ được phân
biệt khá rõ ràng.

Hình 2.1. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe có kích thước khác nhau
Ảnh hưởng của kích thước lên phổ huỳnh quang của chấm lượng tử CdSe:
Phổ huỳnh quang của chấm lượng tử CdSe có kích thước khác nhau từ 2.8 nm
đến 5 nm đo ở nhiệt độ phòng cho thấy sự dịch chuyển phổ huỳnh quang của
chấm lượng tử CdSe giống như phổ hấp thụ. Kích thước của chấm lượng tử càng
nhỏ thì phổ huỳnh quang càng dịch về phía bước sóng ngắn. Phổ huỳnh quang
của chấm lượng tử có kích thước nhỏ gồm một dải phát xạ hẹp có cường độ lớn,
ở phía bước sóng ngắn, đặc trưng cho quá trình tái hợp phát xạ của electron – lỗ
trống và một dải phát xạ rộng có cường độ yếu hơn ở phía bước sóng dài, liên
quan đến trạng thái bề mặt. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử có kích
19


thước lớn hơn từ 4 nm đến 5 nm chỉ gồm một dải phát xạ hẹp tương ứng với
phát xạ của electron và lỗ trống.

Hình 2.2. Phổ huỳnh quang của các chấm lượng tử có kích thước khác nhau.
2.2.2. Các dịch chuyển trong nội vùng mới
Các dịch chuyển này tương ứng với sự đẩy các electron từ mức này lên
mức khác trong vùng dẫn hoặc đẩy lỗ trống từ một mức này tới một mức khác
trong vùng hoá trị, trong bán dẫn khối thì đây chính là sự hấp thụ hạt tải tự do.
Chúng phụ thuộc sự có mặt của hạt tải tự do (các electron trong vùng dẫn hoặc
các lỗ trống trong vùng hoá trị) như là kết quả của việc pha tạp hoặc là kết quả
của việc điện tích được đưa vào nhờ điện trường.

Hình 2.3. Các dịch chuyển quang học của chấm lượng tử CdSe

20


2.2.3. Hiệu ứng Stark giam giữ lượng tử
Hiệu ứng xuất hiện do việc áp đặt một điện trường lên các mức năng
lượng thì được gọi là hiệu ứng Stark. Các cấu trúc giam giữ lượng tử cũng biểu
hiện sự thay đổi rất rõ ràng trong phổ quang học khi sử dụng điện trường dọc
theo hướng giam giữ. Điện trường cũng có thể làm trộn lẫn các trạng thái bị
lượng tử hoá khác nhau và dẫn đến sự phân bố lại lực dao động tử giữa các trạng
thái kích thích được phép.
Nguyên nhân chính của các hiện tượng này là do có sự thay đổi lớn trong
phổ hấp thụ quang học tương ứng với các dịch chuyển exciton, dọc theo điện
trường cùng với hướng giam giữ. Hiệu ứng này cũng được gọi là hấp thụ
electron – lỗ trống, dẫn đến sự thay đổi trong sự lan truyền ánh sáng do điện
trường đặt vào. Các linh kiện giếng lượng tử sử dụng các nguyên tắc này để làm
các điều biến quang – điện.
2.2.4. Sự tăng lực dao động tử
Cường độ dải hấp thụ UV-Vis là hàm của năng lượng dịch chuyển và bình

phương của lực dao động tử. Trong bán dẫn khối, electron và lỗ trống được liên
kết với nhau bằng lực hút Coulomb với năng lượng liên kết cỡ vài chục meV.
Lực dao động tử đối với exciton liên kết được cho bởi công thức:
𝑓=

2𝑚
ℏ2

∆𝐸|𝜇|2 |𝑈(0)|2

(2.20)

trong đó 𝑚 là khối lượng electron, ∆𝐸 là năng lượng dịch chuyển, 𝜇 là mômen
lưỡng cực dịch chuyển, |𝑈(0)|2 là xác suất tìm thấy electron và lỗ trống tại cùng
một vị trí (phần che phủ).
Vì sự giam giữ electron và lỗ trống trong một vùng nhỏ, năng lượng liên
kết và lực dao động tử tăng do sự che phủ không gian giữa hàm sóng của
electron và lỗ trống tăng. Đối với chấm lượng tử, mật độ các trạng thái có các
giá trị tại các mức năng lượng gián đoạn (được lượng tử hoá), nó làm tăng lực
dao động tử dưới điều kiện giam giữ. Hiệu ứng này hoàn toàn đáng kể đối với
sợi lượng tử và chấm lượng tử.

21


2.3. Một số ứng dụng của chấm lượng tử CdSe
Hiện nay các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu các loại chấm
lượng tử là những hợp chất thuộc nhóm II - VI như CdSe, ZnSe, CdTe,
CdSe/CdS, CdSe/ZnS… bởi chúng có phổ kích thích rộng, phổ phát xạ hẹp, hiệu
suất huỳnh quang cao và có tính chất quang ổn định. Nhờ những tính chất ưu

việt do hiệu ứng giam giữ lượng tử mang lại như tăng tính chất điện, tăng khả
năng xúc tác quang hóa, thay đổi các tính chất phát quang nên hiện nay chấm
lượng tử đang được nghiên cứu chế tạo các thiết bị phát quang như QDs – LED
phát ánh sáng xanh lá cây và ánh sáng đỏ,... Các chấm lượng tử còn có nhiều
triển vọng ứng dụng như trong các linh kiện dẫn sóng chứa các chấm lượng tử
trong vùng hồng ngoại, các LED chấm lượng tử, Laser chấm lượng tử, làm chất
huỳnh quang đánh dấu trong sinh học [11]. Với khả năng độc đáo và kích cỡ
siêu nhỏ cho phép hàng tỷ chấm lượng tử có thể nằm gọn trên một đầu đinh,
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.
2.3.1. Điốt phát quang hiệu suất cao
Xuất phát từ sự cần thiết trong thực tế mong muốn chế tạo các thiết bị
phát quang LED cho hiệu suất cao, độ đơn sắc cao và phổ phát quang hẹp và sau
đó là dựa trên lý thuyết mà người ta chế tạo ra LED chấm lượng tử (QDs –
LED).

Hình 2.4. LED chấm lượng tử (QDs – LED)
22


Ở đây các nano tinh thể CdSe có lớp vỏ bọc hoàn toàn có thể dùng để chế
tạo ra Diode phát quang chấm lượng tử. Các nano tinh thể cấu trúc
CdSe/ZnSe/ZnS được phân tán đều trong một dung môi (lơ lửng dạng huyền
phù) các đơn lớp này trải đều trên một lớp đế có khả năng truyền dẫn lỗ trống
HTL (hole-transport layer). Kết quả là thu được các lớp chấm lượng tử chất
lượng cao với độ dày có thể thay đổi được rất đơn giản từ nồng độ dung dịch
nhỏ trực tiếp lên đế HTL. Về mặt lý thuyết, phổ phát xạ của các LED chấm
lượng tử tạo ra bằng phương pháp này là rất hẹp, chỉ cỡ khoảng 30 nm. Như vậy
hiệu suất quang học của QDs – LED sẽ vượt xa so với các chất bán dẫn hữu cơ
khác.

2.3.2. Pin mặt trời hiệu suất cao
Công nghệ chấm lượng tử còn hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu quả hấp thu
và chuyển đổi của các tế bào pin 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.

Hình 2.5. Pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử do ĐH Toronto chế tạo.
Hiệu quả trên lý thuyết có thể đạt 66% so với mức chưa đến 20% nếu
dùng vật liệu truyền thống. Sử dụng màng tinh thể nano, đặc biệt là chấm lượng
23


tử đang trở thành hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm giá thành và thúc
đẩy sử dụng nguồn năng lượng mặt trời [9].
2.3.3. Cảm biến quang học vượt trội
Cảm biến huỳnh quang sinh học và điều trị ung thư là những ứng dụng
đang được quan tâm của chấm lượng tử trong lĩnh vực y tế. Kích thước nhỏ giúp
tinh thể lưu thông khắp nơi trong cơ thể và phát sáng dưới tác dụng của tia cực
tím. Nhờ đó các chuyên gia quan sát được quá trình hấp thụ vật chất ở da và nội
tạng, nghiên cứu sự tích tụ hóa chất có trong các sản phẩm thương mại như bao
bì, mỹ phẩm,…lên cơ thể. So với thuốc nhuộm 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 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.

Hình 2.6. Chuột được tiêm chấm lượng tử phát sáng dưới ánh đèn

tia cực tím.
2.3.4. Máy tính lượng tử dùng chấm lượng tử
Chấm lượng tử là một trong những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho thế hệ
máy tính lượng tử tương lai. Máy tính lượng tử sử dụng các chấm lượng tử thay
cho bóng bán dẫn (transistor) trong máy tính thường, giúp lưu trữ và xử lý thông
tin nhanh hơn hàng triệu lần. Bản chất lượng tử của các tinh thể nano còn hỗ trợ
24


bảo mật thông tin an toàn tuyệt đối. Chỉ một tác động nhỏ như chép trộm dữ liệu
cũng làm thay đổi trạng thái thông tin khiến dễ dàng

phát hiện.

Có thể nói, nhạy cảm với tác động của môi trường là điểm mạnh nhưng cũng
là nhược điểm gây phức tạp hóa việc lưu trữ thông tin dưới dạng lượng tử.
2.3.5 PMMA polyme
PMMA (Poly Methyl Meth Acrylate) là một loại nhựa acrylic được chế
tạo chủ yếu từ MMA (Methyl Meth Acrylate) monome. Ngày nay PMMA
thường được chế tạo bằng phường pháp đồng – trùng hợp. Thông thường,
PMMA được sản xuất bằng quá trình trùng hợp metyl metacrylat (MMA). Cho
đến nay, phương pháp duy nhất để sản xuất tiền chất của MMA –
2hydroxyisobutyrat (2 – HIBA) là một quy trình hóa học thuần túy dựa trên
nguyên liệu hóa dầu. Hiện nay, các nhà hóa học trên toàn cầu đang tìm kiếm các
quy trình sinh học thích hợp cho phép sử dụng nguyên liệu có thể tái tạo để tổng
hợp MMA.
Với dải sóng truyền qua từ 240nm đến khoảng 1600nm, và khả năng
truyền qua của PMMA khá cao cho nên chấm lượng CdSe có ảnh hưởng đáng
kể dến tính chất hấp thụ cũng như tính chất phát quang của vật liệu tổ hợp
CdSe/PMMA (poly – methyl methacrylate pha tạp với chấm lượng tử CdSe).

Với sự phân bố kích thước hẹp của chấm lượng tử kết quả đo được cho thấy
cường độ đỉnh huỳnh quang được tăng 2.5 lần, bước sóng đỉnh màu xanh
chuyển động (∼25 nm) trong CdSe/PMMA. Tạo ra các ứng dụng tiềm năng bao
gồm các bộ khuếch đại sợi quang dải rộng hoặc các thiết bị quang tử khác trong
tương lai do tính linh hoạt cao, trọng lượng thấp và chi phí thấp.

25