Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe và lõi/vỏ/vỏ loại II/loại I CdTe/CdSe/ZnSe

Các nano tinh thể (NC) lõi/vỏ (C/S) loại-II CdTe/CdSe và lõi/vỏ/vỏ (C/S/S) loại-II/loại-I CdTe/CdSe/ZnSe đã được chế tạo thành công bằng phương pháp hóa ướt trong dung môi không liên kết ODE. Các NC được chế tạo bằng phương pháp mới: Sạch, an toàn và rẻ tiền, không sử dụng tri-n-octylphosphine (TOP) - một hóa chất rất đắt và độc hại.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể lõi/vỏ loại II CdTe/CdSe và lõi/vỏ/vỏ loại II/loại I CdTe/CdSe/ZnSeNguyễn Thị Hiền và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ188(12/2): 9 - 16CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂLÕI/VỎ LOẠI-II CdTe/CdSe VÀ LÕI/VỎ/VỎ LOẠI-II/LOẠI-I CdTe/CdSe/ZnSeNguyễn Thị Hiền, Nguyễn Xuân Ca*Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái NguyênTÓM TẮTCác nano tinh thể (NC) lõi/vỏ (C/S) loại-II CdTe/CdSe và lõi/vỏ/vỏ (C/S/S) loại-II/loại-ICdTe/CdSe/ZnSe đã được chế tạo thành công bằng phương pháp hóa ướt trong dung môi khôngliên kết ODE. Các NC được chế tạo bằng phương pháp mới: sạch, an toàn và rẻ tiền, không sửdụng tri-n-octylphosphine (TOP) - một hóa chất rất đắt và độc hại. Sự hình thành của các cấu trúcC/S CdTe/CdSe và C/S/S CdTe/CdSe/ZnSe được chứng minh thông qua phổ hấp thụ (Abs), quanghuỳnh quang (PL), tán xạ Raman (RS) và chụp ảnh bởi kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).Các NC CdTe/CdSe và CdTe/CdSe/ZnSe có hình dạng tựa cầu, kích thước đồng đều với độ rộngbán phổ (FWHM) nhỏ hơn 48 nm. Các tính chất quang và cấu trúc của các NC được khảo sátthông qua các phép đo phổ Abs, phổ PL và phổ nhiễu xạ tia X (XRD). Các NC CdTe, CdTe/CdSevà CdTe/CdSe/ZnSe chế tạo được đều có cấu trúc lập phương giả kẽm (ZB). Bằng cách cố địnhkích thước lõi CdTe và thay đổi chiều dày lớp vỏ CdSe, phổ PL của các NC C/S CdTe/CdSe có thểtrải rộng từ 684 đến 779 nm với đặc trưng phát xạ loại II. Hiệu suất lượng tử (QY) của các NCCdTe/CdSe lên đến 54% sau khi được bọc thêm lớp vỏ ZnSe. Các NC loại-II CdTe/CdSe và loạiII/loại-I CdTe/CdSe/ZnSe rất có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực phát sáng và quang điện.Từ khóa: nano tinh thể, lõi/vỏ, loại-I, loại-II, tính chất quang.MỞ ĐẦU*Các NC bán dẫn đã và đang thu hút được rấtnhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhàkhoa học trên thế giới do những ứng dụngtiềm năng của chúng trong lĩnh vực quangđiện tử. Chúng có những tính chất rất khácbiệt so với vật liệu khối do hiệu ứng giam giữlượng tử đối với các hạt tải điện và phonon [1,2]. Các NC bán dẫn thường được chia thành 2loại là loại-I và loại-II tùy thuộc vào vị trí cácmức năng lượng thấp nhất của điện tử (e) vàlỗ trống (h) trong các vật liệu bán dẫn thànhphần cấu tạo nên các NC [3]. Trong các NCbán dẫn loại-I kiểu C/S như: CdSe/CdS [4],CdSe/ZnSe [5], CdTe/ZnSe [6], CdS/ZnS[7]..., mức năng lượng thấp nhất của e và hthuộc về một vật liệu, do đó các hạt tải đượctạo ra khi kích thích quang sẽ định xứ trongvật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn(thường là vật liệu lõi). Trong các NC bándẫn loại-II kiểu C/S như: CdTe/CdSe [8],CdTe/CdS [9], CdS/ZnSe [10, 11],ZnTe/ZnSe [12]..., mức năng lượng thấp nhất*Tel: 0985 338855, Email: canx@tnus.edu.vncủa e và h thuộc hai vật liệu bán dẫn C/S khácnhau. Vì vậy khi kích thích quang, e và h bịtách vào các miền không gian khác nhau giữalõi và vỏ của các NC. Chính tính chất thú vịnày làm cho các NC bán dẫn loại-II có nhiềutriển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực quangđiện [3, 10], khuếch đại quang [13] và laser[14, 15]. Mặc dù có nhiều tiềm năng ứngdụng như vậy nhưng các NC bán dẫn loại-IIthường có QY thấp do sự tách không gian củae và h giữa lõi và vỏ [16, 17]. Hơn nữa việcchế tạo các NC bán dẫn CdS, CdTe, CdSe cósử dụng tiền chất Cd là một nguyên tố độchại, thêm vào đó S, Se hay Te thường sử dụngligand TOP [4, 6, 11], đây là một hóa chất rấtđắt tiền và có độc tính cao với người chế tạovà môi trường, không phù hợp cho các ứngdụng trong sinh học.Để giải quyết những khó khăn trên, trongnghiên cứu này chúng tôi bọc thêm lớp vỏZnSe tạo nên cấu trúc C/S/S loại-II/loại-ICdTe/CdSe/ZnSe (Hình 1) để tăng cườnghiệu suất lượng tử huỳnh quang (PL QY) củacác NC CdTe/CdSe. Việc bọc bên ngoài lớpvỏ ZnSe sẽ giảm thiểu tính độc hại của các9Nguyễn Thị Hiền và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆNC CdTe/CdSe do độc tính của nguyên tốkim loại nặng Cd. Với lớp vỏ ZnSe có chiềudày thích hợp, PL QY của các NCCdTe/CdSe đã được cải thiện đáng kể, tăng từ37% đến 54%. Các NC CdTe/CdSe có đỉnhphổ phát xạ thay đổi trong vùng ánh sángnhìn thấy và hồng ngoại gần khi cố định kíchthước lõi CdTe và thay đổi chiều dày lớp vỏCdSe. Với việc loại bỏ được ligand TOPtrong quá trình chế tạo, bọc vỏ ZnSe và PLQY cao, các NC CdTe/CdSe/ZnSe có thể coilà vật liệu an toàn hơn cho nhiều ứng dụng,đặc biệt là trong lĩnh vực phát sáng và đánhdấu sinh học...THỰC NGHIỆMHóa chấtCác hóa chất của Aldrich dùng để chế tạo cácNC bao gồm: bột CdO (99,99%), bột S(99,98%), 1-octadecene (ODE, 90%), axitoleic (OA, 90%), bột Se (99,99%), bột Te(99,99%) và bột ZnO (99,99%). Các hóa chấtdùng để làm sạch và phân tán các NC làisopropanol (98%) và toluene (97%) đượcmua từ công ty ChemChina của Trung Quốc.Chế tạo các nano tinh thể CdTeHòa 128 mg CdO với 50 ml ODE và 1 mlOA, khuấy trộn hỗn hợp trên ở nhiệt độ200oC trong thời gian 1 giờ. Khi dung dịchphản ứng có màu vàng chanh thì ta thu được188(12/2): 9 - 16dung dịch 1 chứa các ion Cd2+. Hòa 128 mgTe trong 10 ml ODE, khuấy trộn hỗn hợp trênở nhiệt độ 200oC trong thời gian 5 giờ, saukhi Te tan hết ta thu được dung dịch 2 có màuxanh đen, chứa các ion Te2-. Bơm nhanh dungdịch 2 vào dung dịch 1 tại nhiệt độ phản ứng280oC trong điều kiện khuấy trộn và giữ phảnứng trong thời gian 10 phút, ta thu được dungdịch chứa các NC CdTe. Các NC CdTe đượcli tâm làm sạch để loại bỏ các tiền chất Cd2+và Te2- không phản ứng hết để chuẩn bị chocông việc bọc vỏ CdSe.Bọc vỏ CdSe cho các NC lõi CdTeDung dịch chứa các ion Se2- được chế tạobằng cách hòa 79 mg Se trong 10 ml ODE ởnhiệt độ 200oC và khuấy trộn (Máy khuấy từVelp ARE, 1200 vòng/phút) trong thời gian 4giờ để Se tan hết. Hai dung dịch chứa các ionCd2+ và Se2- được bơm chậm vào bình phảnứng chứa các NC CdTe tại nhiệt độ 250oC, tathu được dung dịch chứa các NC loại-IICdTe/CdSe. Chiều dày của một lớp vỏ (ML)CdSe sẽ được tính phụ thuộc vào lượng tiềnchất Cd2+ và Se2- ...