Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn (q led)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐINH QUANG CHÍNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DIODE PHÁT QUANG SỬ DỤNG
CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN (Q-LED)

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐINH QUANG CHÍNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DIODE PHÁT QUANG SỬ DỤNG
CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN (Q-LED)
Ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. TRẦN THỊ KIM CHI
2. TS. NGUYỄN XUÂN CA

THÁI NGUYÊN - 2020

i
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới
TS. Trần Thị Kim Chi và TS. Nguyễn Xuân Ca là người đã trực tiếp hướng
dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt
quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Xin được cảm ơn sự tạo điều kiện về thiết bị, phịng thí nghiệm của Phịng
Hiển vi điện tử, Phịng Thí nghiệm Trọng điểm - Viện Khoa học vật liệu.
Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật lí Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã dạy dỗ và trang bị cho e những
tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời
gian qua.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia
đình và bạn bè - nguồn động viên quan trọng nhất về mặt tinh thần cũng như
vật chất giúp tơi có điều kiện học và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 24 tháng 11 năm 2020
Học viên

Đinh Quang Chính


ii
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
MỤC LỤC ......................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED .... 4
1.1. Sự phát triển của chiếu sáng....................................................................... 4
1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED ................................................. 6
1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED. ............................................. 8
1.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Q-LED ........................................... 12
1.5. Tình hình nghiên cứu Q-LED .................................................................. 14
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 14
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 16
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................... 18
2.1. Phương pháp chế tạo ................................................................................ 18
2.1.1. Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin Coating) ...................................... 18
2.1.2. Phương pháp bốc bay nhiệt ................................................................... 19
2.1.3. Phương pháp hóa học chế tạo chấm lượng tử ....................................... 21
2.1.4. Phương pháp phún xạ ............................................................................ 22
2.2. Phương pháp phân tích ............................................................................. 23
2.2.1. Ảnh vi hình thái AFM ........................................................................... 23
2.2.2. Phép đo tính chất điện ........................................................................... 24
2.2.3. Phép đo tính chất quang ........................................................................ 26
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 30
3.1. Điện cực ................................................................................................... 30


iii
3.1.1. Điện cực dương (Anốt): ........................................................................ 31
3.1.2. Điện cực âm (Catốt) .............................................................................. 32
3.2. Các lớp trong Q-LED ............................................................................... 33
3.2.1. Lớp tiêm lỗ trống................................................................................... 33
3.2.2. Lớp truyền lỗ trống ............................................................................... 37
3.2.3. Lớp phát quang...................................................................................... 39
3.2.4. Lớp truyền điện tử ................................................................................. 45

3.3. Hồn thiện qui trình nghiên cứu chế tạo Q-LED qui mơ phịng thí nghiệm.... 46
KẾT LUẬN .................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 50


iv
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GaAs

Gali Arsenua

Alq3

Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium

EL

Emission Layer (Lớp phát quang)

ETL

Electron Transport Layer (Lớp truyền điện tử)

HOMO

Highest Occupied Molecular Orbital (Qũy đạo phân tử điền
đầy cao nhất)

HTL

Hole Transport Layer (Lớp truyền lỗ trống)

LED

Light Emitting Diode (Diode phát quang)

LUMO

Lowest Unoccupied Molecular Orbital (Quỹ đạo phân tử
chưa điền đầy thấp nhất)

OLED

Organic Light Emitting Diode (Diode phát quang hữu cơ)

PEDOT

Polyethylenedioxythiophene

PEDOT:PSS

Poly(3,4- ethylenedioxythiophene):(poly(styrenesulfonate)

PLED

Polymer Light Emitting Diode (Diode phát quang polymer)

PVK

PolyVinyl Karbazone

QLED

Quantum dots Light Emitting Diode (Diode phát quang
chấm lượng tử)

SSL

Solid State Lighting

TPD

N, N’-diphenyl-N, N’-bis(3-methyl phenyl)-1,1’biphenyl4,4’-diamine


v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Cấu trúc dự kiến của Q-LED .......................................................... 30
Bảng 3.2: Kết quả đo độ dày của các mẫu với tốc độ quay 5000 rms ............ 35
Bảng 3.3: Kết quả độ dày của các mẫu với tốc độ 2000 rms .......................... 37
Bảng 3.4: Điện trở mặt sau khi phủ poly TPD................................................ 39


vi
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Lịch sử đèn chiếu sáng ..................................................................... 5
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của LED . ........................................................ 8
Hình 1.3. Cấu tạo của OLED ......................................................................... 10
Hình 1.4. Cấu tạo và mức năng lượng của các lớp trong Q-LED................... 13
Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của Q-LED ................................................... 13

Hình 2.1. Cấu tạo của máy Spin coating ......................................................... 18
Hình 2.2. Các giai đoạn của phương pháp quay phủ. ..................................... 19
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt .................................................. 20
Hình 2.4. Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe . ............................................... 21
Hình 2.5. Nguyên lý của quá trình phún xạ. ................................................... 22
Hình 2.6. Mơ phỏng kính hiển vi lực nguyên tử ............................................ 24
Hình 2.7. Sơ đồ đo bốn mũi dị ....................................................................... 25
Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ đo huỳnh quang ................................................. 26
Hình 2.9. Hệ đo phổ huỳnh quang phân giải cao ........................................... 28
Hình 2.10. Máy quang phổ hấp thụ một chùm tia ......................................... 28
Hình 2.11. Máy quang phổ hấp thụ hai chùm tia ............................................ 29
Hình 3.1. Tiếp giáp giữa lớp anốt và lớp phun lỗ trống ................................. 31
Hình 3.2. Ảnh AFM của đế ITO ..................................................................... 32
Hình 3.3. Ảnh AFM của các nồng độ ở 5000 rms .......................................... 33
Hình 3.4. Độ dày màng của mẫu 2mg/ml ....................................................... 34
Hình 3.5. Độ dày màng của mẫu 2,5 mg/ml ................................................... 34
Hình 3.6. Độ dày màng của mẫu 4 mg/ml ...................................................... 34
Hình 3.7. Độ dày màng của mẫu 5mg/ml ....................................................... 35
Hình 3.8. Ảnh AFM với các nồng độ khác nhau ở 2000 rms ......................... 36
Hình 3.9. Độ dày màng của mẫu 2mg/ml ....................................................... 36
Hình 3.10. Độ dày màng của mẫu 2,5 mg/ml ................................................. 36


vii
Hình 3.11. Độ dày màng của mẫu 4 mg/ml .................................................... 37
Hình 3.12. Độ dày màng của mẫu 5 mg/ml .................................................... 37
Hình 3.13. Giản đồ năng lượng anode - HIL - HTL ....................................... 38
Hình 3.14. Độ dày của màng poly TPD .......................................................... 39
Hình 3.15. Chế tạo TeO2 (khí màu nâu bốc lên .............................................. 40
Hình 3.16. Giản đồ nhiễu xạ tia X của TeO2 sau khi chế tạo ......................... 40

Hình 3.17. Tạo phức Cd2+/MSA ..................................................................... 41
Hình 3.18. Tạo mầm vi tinh thể CdTe ............................................................ 41
Hình 3.19. Dung dịch CdTe ở các điều kiện khác nhau ................................. 42
Hình 3.20. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của CdTe QDs ................................ 43
Hình 3.21: Ảnh huỳnh quang trước khi phủ CdTe ......................................... 43
Hình 3.22: Ảnh huỳnh quang sau khi phủ CdTe ............................................ 43
Hình 3.23. Phổ huỳnh quang của chấm lượng tử CdTe theo các lớp ............. 44
Hình 3.24. Giản đồ năng lượng ETL - cathode............................................... 45
Hình 3.25. Kết quả đo độ dày màng Alq3 ...................................................... 46
Hình 3.26. Ảnh QLED trong phịng thí nghiệm ............................................. 46
Hình 3.27. Phổ phát xạ điện tử của mẫu Diode phát quang CdTe .................. 47
Hình 3.28. Đường đặc trưng V-A của Diode phát quang sử dụng chấm
lượng tử CdTe ................................................................................................. 47


1
MỞ ĐẦU
Hiện nay Khoa học và Công nghệ nano đang là hướng nghiên cứu được
nhiều quốc gia quan tâm. Các sản phẩm mà Công nghệ nano đã và đang tạo ra
có rất nhiều tính năng mới và ứng dụng hữu ích cho đời sống xã hội, y tế, dân
sinh và an ninh quốc phòng. Ở nước ta lĩnh vực Khoa học và Công nghệ nano
tuy mới được đầu tư nghiên cứu và triển khai nhưng đã đạt được nhiều kết
quả khả quan, nhất là tại các trường đại học, các viện nghiên cứu.
Năng lượng được xem là vấn đề cốt yếu trong tiến trình phát triển xã
hội mà nhân loại phải đối mặt trong thế kỷ XXI này. Những năm gần đây, do
nhu cầu năng lượng lớn cho phát triển kinh tế - xã hội của tất cả các quốc gia,
khủng hoảng năng lượng toàn cầu ngày càng trở nên trầm trọng. Hiện nay,
nhu cầu năng lượng của nước ta là rất lớn, trong đó chiếu sáng chiếm tới 30%
tổng điện năng. Tuy nhiên, sản lượng điện của các nhà máy không đáp ứng
kịp so với nhu cầu sử dụng. Một trong những vấn đề lớn đặt ra cho khoa học

kỹ thuật là các dụng cụ thiết bị điện tử phải tốn ít năng lượng “đầu vào”
nhưng phải có hiệu quả “đầu ra” ngày càng cao (hiệu suất tăng, kích thước
nhỏ…) để phục vụ hiệu quả cho nhu cầu ngày càng tăng mà vẫn đảm bảo an
toàn năng lượng toàn cầu. Trong bối cảnh đó, dụng cụ thiết bị phát sáng, hiển
thị khơng là một ngoại lệ.
Có thể nói lịch sử phát triển của ánh sáng là q trình lồi người tìm
tịi, phát triển những nguồn sáng mới hiệu quả hơn, phù hợp với con người
hơn. Trước thế kỷ XIX, ba công nghệ chiếu sáng truyền thống của con người
là: cháy sáng, chiếu sáng bằng bóng đèn dây tóc và đèn phóng điện huỳnh
quang. Ba cơng nghệ truyền thống đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong
hơn 200 năm qua nhưng hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong chiếu sáng chỉ
đạt từ 1% đến tối đa 25%. Sang cuối thế kỷ XX, công nghệ chiếu sáng thứ tư
ra đời đó là chiếu sáng trạng thái rắn (Solid State Lighting - SSL). SSL là thể
loại ánh sáng nhân tạo phát ra từ các linh kiện phát quang làm từ diode phát


2
quang bán dẫn vô cơ (LED), hữu cơ (OLED), polymer (PLED) hay chấm
lượng tử (Q-LED).
Chiếu sáng thể rắn hiện đang là hướng quan tâm nghiên cứu của thế
giới. Việc phát triển các nguồn sáng thể rắn tại Việt Nam là rất cần thiết, góp
phần giảm thiểu điện năng tiêu thụ và nhiên liệu hóa thạch. Việc nghiên cứu
đề tài sẽ góp phần phát triển cơng nghệ chiếu sáng tại Việt Nam. Các chấm
lượng tử (QD) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưu điểm của chúng mà
bán dẫn khối khơng có được. Chấm lượng tử có ưu điểm là có thể thay đổi
màu sắc đơn giản bằng cách thay đổi kích thước. Chính vì vậy, đề tài nghiên
cứu “Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn
(Q-LED)” được lựa chọn với mục tiêu nghiên cứu đặc điểm, tính chất của các
lớp cấu tạo nên Q-LED.
 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng cơng nghệ chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử
bán dẫn.
 Phương pháp chế tạo và phân tích
- Phương pháp chế tạo:
+ Tạo màng phát quang, lớp truyền dẫn điện tử/lỗ trống bằng phương
pháp quay phủ ly tâm (spin coating).
+ Tạo điện cực bằng phương pháp bốc bay nhiệt (Thermal
evaporation).
+ Tạo điện cực bằng phương pháp phún xạ.
+ Chế tạo chấm lượng tử bằng phương pháp hóa học.
- Phương pháp phân tích:
+ Xác định vi hình thái bề mặt, độ gồ ghề của bề mặt bằng kính hiển vi
lực nguyên tử.
+ Xác định độ dẫn bằng phép đo tính chất điện.
+ Xác định phổ phát quang/phổ hấp thụ của vật liệu chấm lượng tử chế
tạo được bằng phương pháp phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ.


3
 Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 52 trang (bao gồm phần tài liệu tham khảo). Ngoài phần
mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1. Trình bày một cách tổng quan về cấu trúc và nguyên lí hoạt
động của LED, OLED và Q-LED.
Chương 2. Giới thiệu các phương pháp dùng để nghiên cứu kích thước,
hình dạng, phân tích cấu trúc cũng như tính chất quang của các Q-LED chế tạo.
Chương 3. Trình bày thực nghiệm chế tạo nghiên cứu Q-LED. Kết quả
và thảo luận.
Trình bày các quy trình, kết quả thực nghiệm về chế tạo Q-LED. Các
thông số đặc trưng về cấu trúc các lớp chế tạo như: hình dạng và kích thước

được nghiên cứu thơng qua ảnh AFM . Các tính chất quang thơng qua phổ
hấp thụ và phổ huỳnh quang.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED
1.1. Sự phát triển của chiếu sáng
Ánh sáng là một phần không thể tách rời cuộc sống hàng ngày của loài
người. Thời sơ khai khi loài người biết sử dụng được ánh sáng nhờ lửa qua
củi khơ, sau đó họ làm ra nến, đến khi họ biết sử dụng dầu và lửa để chiếu
sáng thì đây là đèn chiếu sáng sử dụng chính. Sau khi đốt đèn dầu một thời
gian thì các nhà nghiên cứu cũng chế tạo ra loại đèn khí. Những chiếc đèn
điện đầu tiên của loài người xuất hiện từ đầu những năm 40 của thế kỷ 19. Ý
tưởng chiếu sáng bằng điện ra đời trên cơ sở phát hiện ra hồ quang điện của
Pê trốp (người Nga), và hiện tượng nung đỏ dây dẫn bằng dòng điện của
Davy (người Anh), đều vào năm 1802. Những chiếc đèn điện đầu tiên được
con người sử dụng trong thực tế là đèn hồ quang, ra đời vào 1844 và do Dzan
Bernar Fucơ (người Pháp) sáng chế. Trong đó ơng đã dùng điện cực than
quay thay cho điện cực than tĩnh, và nhờ đó kéo dài được thời gian duy trì của
hồ quang đến mức có ý nghĩa thực tế. Tuy nhiên đèn hồ quang lại có quang
thơng lớn, thời gian duy trì ánh sáng ngắn và dễ gây hỏa hoạn vì không gian
hở. Sau này sự phát minh ra đèn sợi đốt của Edison đã mở ra trang sử
mới của nhân loại. Kể từ đó, con người đã phát minh ra đèn huỳnh quang,
đèn huỳnh quang compact, là những sản phẩm tuyệt vời trong lĩnh vực chiếu
sáng, khơng chỉ có chất lượng tốt hơn mà còn tiết kiệm rất nhiều chi phí trong
sản xuất. Nhưng khơng dừng lại ở đó, tiến theo cuộc cách mạng khoa học loài
người, chúng ta lại đang chuyển mình trong cuộc cách mạng, chuyển hồn
tồn từ chiếu sáng phóng khí sang chiếu sáng rắn, gọi tắt là cuộc cách mạng
chiếu sáng LED. Hình 1 là hình ảnh mô tả lịch sử chiếu sáng.

LED được coi là bước nhảy vọt lớn trong công nghệ, từ analog sang kỹ
thuật số. LED là ánh sáng kỹ thuật số, và những ưu điểm so với ánh sáng


5
'analog' thơng thường rất lớn và mang lại lợi ích lớn cho cả người sử dụng
"công nghệ ánh sáng số" này cũng như cho hành tinh.
Thời gian sử dụng lâu dài là lợi ích nổi bật của đèn LED. Bóng đèn
LED có tuổi thọ hoạt động xuất sắc đơi khi lên tới 100.000 giờ.

Hình 1.1. Lịch sử đèn chiếu sáng [11]
LED là cách chiếu sáng hiệu quả nhất ngày nay, với hiệu suất năng
lượng ước tính khoảng 80% -90% so với ánh sáng truyền thống và bóng đèn
thơng thường. Điều này có nghĩa là khoảng 80% năng lượng điện được
chuyển đổi thành ánh sáng, trong khi đó chỉ 20% bị mất và biến thành các
dạng năng lượng khác như nhiệt. Với bóng đèn sợi đốt truyền thống thì ngược
lại, chỉ 20% năng lượng chuyển đổi thành ánh sang còn 80% điện bị mất đi
dưới dạng nhiệt. Đèn LED khơng có hóa chất độc hại trong khi hầu hết các
bóng đèn huỳnh quang thơng thường đều có chứa vơ số các vật liệu như thủy
ngân nguy hiểm cho môi trường. Các tính năng chiếu sáng bằng đèn LED
khơng có phát xạ tia cực tím. Đèn LED chiếu sáng tạo ra ít ánh sáng hồng
ngoại và khơng có tia UV. Do đó, ánh sáng LED cường độ cao phù hợp
không chỉ cho hàng hoá và vật liệu nhạy cảm với nhiệt (do LED phát ra nhiệt
ít bức xạ), mà cịn để chiếu sáng trong mơi trường có các vật hoặc vật liệu
nhạy cảm UV như trong viện bảo tàng, phòng trưng bày nghệ thuật, các khu


6
khảo cổ…LED có thể hoạt động tốt trong mơi trường ngồi trời, cực lạnh
hoặc cực nóng. Đối với đèn huỳnh quang, nhiệt độ thấp có thể ảnh hưởng đến

hoạt động và gây ra hỏng hóc nhưng đèn LED thì ngược lại. LED được thiết
kế để tập trung ánh sáng của nó và có thể được hướng đến một vị trí cụ thể mà
không cần sử dụng một gương phản chiếu bên ngoài, đạt được hiệu quả ứng
dụng cao hơn so với ánh sáng thông thường. Các hệ thống chiếu sáng LED
được thiết kế tốt có thể mang lại hiệu quả hơn vào đúng vị trí mong muốn.
Đèn LED tạo ra ánh sáng theo một cách riêng biệt so với các loại đèn khác,
hiệu quả chiếu sáng lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang compact và đèn
sợi đốt. Tuy vậy, đèn LED chiếu sáng lại tốn ít năng lượng hơn, khơng chứa
các chất độc hại như chì, thủy ngân. Ngồi ra, LED cịn dễ dàng tích hợp
được cơng nghệ điện tử điều khiển có thể thỏa mãn mọi yêu cầu trong quản lý
vận hành hệ thống chiếu sáng.
Với những ưu điểm vượt trội như vậy LED đã được tạo ra và đi vào
cuộc sống. Từ việc chiếu sáng trong gia đình đến những cơng ty, nhà máy,
chiếu sáng đường đi lại, đèn giao thông rồi đến những thiết bị hiện đại như
điện thoại, TV cơng nghệ mới, có thể nói LED đang góp phần thay đổi thế
giới và đó sẽ là nguồn ánh sáng chính của tương lai.
1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là
các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng
giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một
khối bán dẫn loại n. Diode là loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dịng điện
chạy qua nó mà không theo chiều ngược lại. Cách tạo ra ánh sáng của LED là
sự gặp nhau của các electron trong môi trường chất bán dẫn dựa trên nguyên
lý điện phát quang.
Được biết tới những năm đầu của thế kỷ XX, công nghệ LED ngày
càng phát triển, từ những điốt phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc
đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn, cho hiệu quả chiếu sáng


7

cao. LED là một lớp chuyển tiếp p - n được chế tạo trên bán dẫn có vùng cấm
thẳng với cấu trúc p - n tiếp giáp đơn hay dị thể. Khi phân cực thuận LED
phát ra ánh sáng. Cấu trúc thực của LED được làm từ vật liệu bán dẫn loại n
thường là GaAs hoặc GaAs1-xPx, sau đó pha tạp chất tạo một lớp p trên bán
dẫn loại n này sẽ thu được một lớp chuyển tiếp dị chất. LED hoạt động từ
vùng tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần. Trong vùng hồng ngoại gần,
nhiều chất bán dẫn 2 thành phần được sử dụng để làm LED vì có hiệu suất
cao do vùng cấm thẳng, ví dụ như GaAs (αg=0,87 μm), GaSb (1,7 μm), InP
(0,92 μm), InAs (3,5 μm), InSb (7,3 μm). Các hợp chất 3 hay bốn thành phần
có vùng cấm thẳng cũng được sử dụng rộng rãi. Mặc dù hiệu suất lượng tử
của nó cịn thấp, nhưng các vật liệu này có ưu điểm là có thể điều chỉnh được
bước sóng bức xạ của chúng bằng cách thay đổi thành phần, ví dụ như
AlxGa1-xAs phát quang trong dải sóng từ 0,75 đến 0,87μm và In1-xGaxAs1-yPy
phát từ 1,1 đến 1,6 μm. Để hoạt động trong vùng tử ngoại và khả kiến, một số
vật liệu có vùng cấm nghiêng cũng được dùng như GaN, GaP, GaAs1-x.
Những vật liệu này thường được pha tạp với một số nguyên tử tạp chất thích
hợp, chúng đóng vai trị là những tâm tái hợp để làm tăng tái hợp bức xạ.
Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán
dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có
mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ
thành những dạng ánh sáng khác nhau. Màu sắc của đèn LED phát ra phụ
thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bước sóng của ánh sáng được phát
ra. Nguyên lý hoạt động của LED được mơ tả trên hình 2. Giống như những
điốt thông thường, đèn LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại p và loại n ghép
với nhau. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do, mang điện tích
dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do thì các lỗ
trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p
lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là

8
khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n
tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên
mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần
nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các ngun tử trung hịa.
Q trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức
xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Hình 1.2. Ngun lý hoạt động của LED [9].
Ưu điểm của LED là kết cấu gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng, linh
hoạt, tính thẩm mỹ cao, sản phẩm đa dạng, phong phú và có thể ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau: quảng cáo, trang trí, chiếu sáng nội thất,
chiếu sáng nền thiết bị hiển thị. Tuy nhiên, vật liệu làm LED thường có chiết
suất cao và LED thường khơng bền với thế phân cực ngược và nhiệt độ cao.
1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED.
Oled là viết tắt của “Organic Light-Emitting Diode” tức là “Diode phát
quang hữu cơ”. Công nghệ Oled sử dụng các tấm vật liệu làm từ hợp chất hữu
cơ, và các điểm trên tấm nền này sẽ tự động phát sáng khi có dịng điện chạy
qua, mang lại khả năng tái tạo hình ảnh rõ nét với độ sáng cao. Tuy nhiên,
những điểm này sẽ tự động tắt khi không cần sử dụng nên công nghệ này giúp
tiết kiệm điện năng rất đáng kể.


9
Vật liệu phát quang hữu cơ được bắt đầu nghiên cứu vào thập kỷ 70 khi
các nhà nghiên cứu tìm ra độ dẫn của các hệ vật liệu polymer có thể thay đổi
từ chất điện môi thành “kim loại” bằng cách pha tạp hoá học. Polymer dẫn
điện đầu tiên - polyacetylen - được chế tạo bởi Shirakawa. Bước đột phá trong
nghiên cứu về polymer, khi các khám phá tiếp theo do Heeger và
MacDiarmid chỉ ra rằng polymer tăng độ dẫn lên gấp 12 lần bằng cách pha

tạp oxy hóa. Kết quả này đã khiến các nhà khoa học trên cả thế giới quan tâm
đến các vật liệu này. Việc phát triển các màng mỏng có khả năng phát quang
khi được đặt vào nó một điện áp thuận (hiện tượng điện phát quang hữu cơ)
được bắt đầu vào những năm 1980 thơng qua các cơng trình của Tang và Van
Slike, họ đã chứng minh được quá trình điện phát quang của các polymer bán
dẫn bằng cách chế tạo linh kiện diode phát quang hữu cơ hai lớp thông qua
phương pháp bốc bay các vật liệu “phân tử” ở nhiệt độ thấp trong chân không.
Các linh kiện này bao gồm một lớp truyền lỗ trống diamine nhân thơm và lớp
phát quang Alq3 (8-hydroxyquinoline aluminium). Các sản phẩm thương mại
đầu tiên dựa trên các diode phát quang hữu cơ đã được thương mại hoá vào
cuối thế kỷ thứ 19.
Tương tự như một diode phát quang vô cơ (LED), một diode phát
quang hữu cơ (OLED) là một linh kiện bán dẫn thể rắn có độ dày vài trăm
nanomet (bao gồm nhiều lớp màng mỏng khác nhau). OLED có thể bao gồm
3 lớp cơ bản đó là 2 lớp điện cực và 1 lớp hoạt động (lớp polymer). Để cải
thiện hiệu suất của OLED, thường có thêm các lớp truyền điện tử (electron
transport layer - ETL) và truyền lỗ trống (hole transport layer - HTL) kẹp hai
bên lớp điện phát quang (Electroluminescence layer - EL). Chức năng của
anode là cung cấp các lỗ trống điện tích dương và vật liệu trong suốt dẫn điện
thường sử dụng làm anode là ITO. Điện cực cathode cung cấp điện tử cho lớp
hữu cơ. Các hạt tải electron và lỗ trống được phun vào lớp hữu cơ phát quang
mỏng, ở trong đó chúng sẽ hình thành các exciton. Q trình phát sáng trong


10
OLED dựa trên cơ sở phun điện tích dương và điện tích âm từ các điện cực
vào tổ hợp các lớp hữu cơ. Kết quả cuối cùng là chúng tự kết hợp để hình
thành các exciton và có thể tái hợp phát sáng. Hình 3 trình bày cấu tạo của 1
OLED thơng thường với các lớp chi tiết như sau:

Hình 1.3. Cấu tạo của OLED [3].
Tấm đế (substrate): là các tấm nhựa trong suốt hay thủy tinh, trên đó
người ta tạo lớp anode mỏng trong suốt. Tấm nền có tác dụng đỡ cho toàn bộ
các lớp của OLED.
Anode (trong suốt): anode tạo ra các lỗ trống mang điện dương khi có
một dịng điện chạy qua linh kiện. Màng trong suốt ITO hay
ZnO:Al,…thường được sử dụng làm anode.
Các lớp hữu cơ: các lớp này được tạo từ các phân tử hữu cơ hay polyme.
Lớp truyền lỗ trống (HTL): lớp này được làm tử các phân tử hữu cơ có
nhiệm vụ truyền lỗ trống từ anode về lớp EL. Màng truyền lỗ trống thường
được sử dụng như: CuPc, PEDOT, PEDOT:PSS, PVK, NBP, TPD,…
Lớp truyền điện tử (ETL): lớp này thường được chế tạo từ các chất hữu
cơ phân tử thấp như Alq3, ETL có nhiệm vụ truyền điện tử từ cathode về EL.


11
Lớp điện phát sáng (EL) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ hoặc
polymer dẫn điện. Trong nhiều cơng trình, các tác giả phân biệt OLED chế
tạo từ polymer dẫn bằng từ PLED. Điện tử và lỗ trống gặp nhau ở trong lớp
này tạo thành exciton, trong thời gian rất ngắn exciton tan rã (hay cặp hạt tải
tái hợp) phát ra ánh sáng. Tùy thuộc vào bản chất của lớp EL, OLED có thể
phát ra ánh sáng trong vùng tử ngoại hoặc khả kiến.
Cathode (có thể trong suốt hoặc không tùy vào loại OLED): cathode sẽ
tạo ra các electron khi có dịng điện chạy qua linh kiện. Kim loại thường dùng
làm cathode như: Al, Ag, Ag-Mg, Mg, Ca,…
OLED hoạt động dựa trên cơ sở phun điện tích dương và điện tích âm từ
các điện cực vào các lớp hữu cơ, kết quả cuối cùng là chúng hình thành các
exciton và có thể tái hợp phát sáng. Màu của sự phát sáng phụ thuộc vào quá
trình chọn polymer hoặc các phân tử nhỏ (tạp của lớp phát sáng) thích hợp.
Các electron được phun từ vật liệu cơng thốt thấp, trong khi các lỗ trống

được phun từ vật liệu có cơng thốt cao.
Cơng nghệ OLED mang lại hiệu quả cao, với những ưu điểm vượt trội so
với LED như tiết kiệm điện năng, hiệu quả phát sáng cao, tính tự phát, màu
sắc phong phú, chân thực. Hiện nay, OLED cũng được ứng dụng rất nhiều
trong các màn hình hiển thị, chiếu sáng. Tuy nhiên, tấm nền Oled rất dễ hỏng
khi gặp nước và chất liệu được sử dụng để sản xuất tấm vật liệu hữu cơ của
Oled có tốc độ thối hóa nhanh theo thời gian và việc thay đổi màu sắc của
OLED khơng dễ dàng vì mỗi vật liệu polymer dẫn của lớp phát quang sẽ chỉ
tạo ra một màu sắc tương ứng. Để có thể thay đổi được màu sắc của OLED,
cần thay đổi các vật liệu phát quang khác nhau và đồng thời phải thay đổi tất
cả cấu trúc các lớp xung quanh.


12
1.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Q-LED
Các chấm lượng tử (QD) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưu
điểm của chúng mà bán dẫn khối khơng có được. Các QD bán dẫn hai thành
phần đã được tập trung nghiên cứu và phát triển từ thế kỷ trước, chúng cho
các ứng dụng rất đa dạng, ví dụ như trong 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 đánh dấu sinh học... Trong đó, chấm lượng tử - vật liệu
nano hệ khơng chiều (0D) đang được quan tâm vì có những hiệu ứng quang
thú vị. Liên quan tới đặc điểm, tính chất của vật liệu bán dẫn ở vùng kích
thước nano mét, có hai thuật ngữ được sử dụng thường xuyên, mang ý nghĩa
khác nhau nhưng rất dễ dùng chung là “tinh thể nanơ” và “chấm lượng tử”. Vì
vậy, cần phân biệt và hiểu rõ ý nghĩa của hai thuật ngữ này. Trước hết “tinh
thể nanô” chỉ cho thấy là tinh thể có kích thước vùng nanơ mét (đến dưới 100
nm), chưa thể hiện bất cứ điều gì về tính chất vật lý và hóa của vật liệu. Thuật
ngữ “vật liệu nanơ” cịn được sử dụng rộng nghĩa hơn với yếu tố “tinh thể”
được bỏ qua - tức là, ngay cả các tập hợp ngun tử dạng vơ định hình hoặc

polymer có kích thước vùng nanơ mét cũng được kể đến. Trong khi đó, thuật
ngữ “chấm lượng tử” có ý nghĩa vật lý cụ thể về cấu trúc vật liệu trong đó xảy
ra hiệu ứng giam hãm lượng tử các hạt tải điện (mà khơng nói gì về kích
thước của nó). Trong thực tế, vì hiệu ứng giam hãm lượng tử xảy ra khi có ít
nhất một chiều kích thước của vật liệu nhỏ so sánh được với bán kính Bohr,
mà bán kính Bohr của đa số vật liệu tinh thể bán dẫn nằm trong vùng nanơ
mét nên mới có sự dùng chung hai thuật ngữ trên một cách tự nhiên. Khi quan
tâm tới hiệu ứng giam hãm lượng tử các hạt tải điện, vật liệu được gọi là
chấm lượng tử. Các chấm lượng tử thường có kích thước một vài đến một vài
chục nanô mét (tùy thuộc vào bản chất vật liệu). Chấm lượng tử có thể thay
đổi kích thước, hình dạng, cũng như số điện tử trong đó. Chúng hấp thụ ánh
sáng rồi nhanh chóng phát xạ với các màu sắc khác nhau tương ứng với các


13
kích thước khác nhau. Với đặc tính nổi bật như vậy, chấm lượng tử chính là
giải pháp thay thế cho polymer dẫn trong diode phát quang, màu sắc của
diode phát quang có thể thay đổi nhờ thay đổi kích thước của chấm lượng tử
mà không cần thay thế các lớp xung quanh.

Hình 1.4. Cấu tạo và mức năng lượng của các lớp trong Q-LED [12].
Cấu tạo và hoạt động, Q-LED cũng tương tự như OLED (hình 1.4), bao
gồm 6 lớp: 2 cực anode và cathode, các lớp tiêm lỗ trống; truyền lỗ trống;
truyền điện tử; lớp phát quang.

Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của Q-LED[10].
Về nguyên lý hoạt động của Q-LED được trình bày trên hình 1.5.
Nguồn điện cung cấp dòng điện cho Q-LED. Một dòng các electron chạy từ

14
cathode qua các lớp hữu cơ tới anode. Cathode sẽ truyền các electron cho lớp
các phân tử hữu cơ phát quang. Anode sẽ lấy các electron từ lớp phân tử hữu cơ
dẫn (điều này giống với việc truyền các lỗ trống mang điện dương cho lớp dẫn).
Tại biên giữa lớp phát quang và lớp dẫn, các electron gặp các lỗ trống.
Khi một electron gặp một lỗ trống, nó sẽ tái hợp với lỗ trống và sự tái hợp này
sẽ tạo ra một năng lượng dưới dạng photon ánh sáng, Q-LED phát ra ánh
sáng. Màu của ánh sáng phụ thuộc vào kiểu phân tử hữu cơ của lớp phát
quang. Cường độ ánh sáng phát ra phụ thuộc vào dòng điện cung cấp. Dịng
điện càng lớn, ánh sáng càng mạnh nhưng khơng vượt quá giá trị hoạt động
của Q-LED.
1.5. Tình hình nghiên cứu Q-LED
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Kể từ khi diode phát quang sử dụng chấm lượng tử (QLED) lần đầu
tiên được công bố năm 1994, các nghiên cứu về QLED đã thu hút rất nhiều sự
quan tâm do QLED hứa hẹn tiêu tốn ít điện năng, đa dạng trong ứng dụng:
màn hình tivi, điện thoại, đồng hồ thơng minh… và giá thành rẻ hơn so với
LED đang được sử dụng. Một số nhóm đã tăng khả năng hoạt động của
QLED bằng cách tăng hiệu suất lượng tử huỳnh quang lớp phát quang sử
dụng chấm lượng tử cũng như là giảm khả năng tái hợp điện tử tại mặt tiếp
xúc. Mặc dù các chấm lượng tử phát quang tốt trong dung dịch nhưng khi
được trải thành màng có thể tạo sai hỏng, tại các vị trí sai hỏng này, các điện
tử và lỗ trống bị bắt lại làm giảm khả năng phát quang. Cấu trúc lõi/vỏ hay
việc chức năng hóa bề mặt chấm lượng tử được chứng minh là một giải pháp
hiệu quả để khắc phục điều này. Bên cạnh đó nhiều nhóm nghiên cứu đi theo
hướng phát triển các lớp khác nhau trong cấu trúc của diode phát quang bằng
cách thêm vào lớp vô cơ hay lớp dị thể vô/hữu cơ, khi lớp màng chấm lượng
tử bị kẹp giữa lớp truyền dẫn lỗ trống và lớp truyền điện tử, sự truyền điện
tích được tăng cường. Kết quả là hiệu suất lượng tử ngoài của QLED tăng từ

15
0,1% ban đầu lên 20,5%, tương đương với các diode phát quang sử dụng hợp
chất hữu cơ thương mại.
Dưới đây là kết quả của một số nhóm nghiên cứu đã đạt được khi chế
tạo QLED. Nhóm của Yixing Yang [19] đã chế tạo “Thiết bị phát sáng có hiệu
suất cao dựa trên các chấm lượng tử với cấu trúc nanô phù hợp”. Báo cáo cho
thấy nhóm đã chế tạo được một loạt các thiết bị phát sáng lượng tử xanh
dương, xanh lá cây và đỏ, tất cả đều có hiệu suất lượng tử bên ngoài cao hơn
10%. Nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc nano của các chấm lượng tử, đặc biệt là
thành phần của lớp vỏ trung gian được phân loại và độ dày lớp vỏ bên ngồi
đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu xuất của thiết bị QLED
do ảnh hưởng của nó đối với việc vận chuyển và tái kết hợp. Nhóm đã chế tạo
được các thiết bị có dịng cực đại và hiệu suất lượng tử ngoài là 63 cd/A và
14,5% đối với QLED xanh lá; 15 cd/A và 12% với thiết bị màu đỏ; 4,4 cd/A
và 10,7% với thiết bị màu xanh dương. Tất cả đều được duy trì tốt trong một
loạt các độ chói từ 102 đến 104 cd/

. Các thiết bị xanh và đỏ có thời gian

sống tương ứng là 90.000 và 300.000 giờ. Nhóm của Shaojjan Hel [17]
nghiên cứu về “Hiệu quả của diode phát quang sử dụng chấm lượng tử sử
dụng molybden ơxít như lớp đệm cực dương”. Báo cáo cho thấy diode phát
quang chấm lượng tử được đặc trưng bởi màu sắc tinh khiết và bão hòa với
đường truyền hẹp. Tối ưu hóa giao diện thiết bị là một cách hiệu quả để đạt
được hiệu suất cao và ổn định. Nhóm đã sử dụng giải pháp xử lý ôxit
molybden (MoOx) làm lớp đệm cực dương trên ITO để tạo ra hiệu quả của
QLED. Sử dụng MoOx làm lớp đệm cực dương cung cấp tín hiệu QLED có
tiếp xúc Ohmic tốt và điện trở truyền tải nhỏ. Độ sáng của thiết bị gần như
độc lập với độ dày của lớp tráng cực dương MoOx. Nhóm đã chế tạo được

thiết bị có độ sáng cực đại và hiệu suất sáng là 5230 cd/m2 và 0,67 cd/A cho
phát xạ màu vàng ở 580 nm và 7842 cd/m2 và 1,49 cd/A cho phát xạ màu đỏ
ở bước sóng 610 nm. Nhóm của Soonil Lee [18] đã nghiên cứu về “Ứng dụng


16
của các lớp kim loại xử lý giải pháp như các lớp truyền tải điện cho QLED sử
dụng chấm lượng tử CdSe/ZnS”. Nhóm đã chế tạo và mơ tả các thiết bị phát
sáng lượng tử bao gồm một lớp phát xạ CdSe/ZnS, một lớp vận chuyển lỗ
trống NiO và một lớp vận chuyển điện tử ZnO. Cả hai lớp NiO loại p và ZnO
loại n đều được chế tạo bởi phương pháp sol-gel. Sự kết hợp khác nhau của
các lớp vận chuyển lỗ trống và điện tử đã dẫn đến những thay đổi về hiệu quả.
Ngồi việc kiểm sốt các nồng độ tương ứng của lỗ trống và điện tử trong cấu
trúc thiết bi đa lớp, xác định độ sáng và hiệu quả của QLED, việc sử dụng các
lớp ôxit kim loại thì thuận lợi cho sự ổn định lâu dài của QLED vì chúng ổn
định trong khơng khí, có thể ngăn chặn sự xâm nhập của hơi nước và oxy
trong khơng khí xung quanh đến lớp QDs. Hơn nữa, sự hấp dẫn của các lớp
ôxit kim loại do chi phí thấp. Kết quả nhóm đạt được là hiệu suất phát sáng
của thiết bị 0,47 cd/A tương ứng độ sáng 2222 cd/m2. Nhóm Fei Chen [13] đã
nghiên cứu “Diode phát quang dựa trên châm lượng tử với lớp pha tạp nano
vàng”. Báo cáo cho thấy hiệu suất phát xạ của QLED được tăng cường bằng
cách sử dụng PEDOT:PSS pha tạp nano vàng. Bằng cách thay đổi nồng độ và
kích thước của Au, hiệu suất lượng tử cực đại là 8,2% và hiệu quả là 29,1
cd/A. Hiệu suất được cải thiện có thể do sự gia tăng đáng kể tỷ lệ tiêm lỗ
trống khi pha tạp Au.
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong hơn một năm qua, một số vấn đề khoa học liên quan đã được
thảo luận và triển khai hợp tác nghiên cứu giữa các phịng phí nghiệm. Trong
đó, hướng photonics đã được các phịng thí nghiệm triển khai các nghiên cứu
hồn thiện cơng nghệ chế tạo chấm lượng tử (QD) bán dẫn huỳnh quang trong

vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần, có cấu trúc lõi/vỏ và cấu trúc lượng tử
loại I và loại II (CdTe/CdS, CdSe/ZnS,…), chuẩn bị cho những nghiên cứu về
linh kiện quang điện tử tiên tiến. Bên cạnh những thử nghiệm ứng dụng làm
chất đánh dấu huỳnh quang kích thước nanơ, một trong các định hướng ứng