Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của nano tinh thể bán dẫn CdS pha tạp Cu

Các nano tinh thể (NC) bán dẫn CdS pha tạp Cu đã được chế tạo thành công bằng phương pháp hóa ướt trong dung môi không liên kết ODE. Hình dạng, cấu trúc tinh thể và các tính chất quang của chúng đã được nghiên cứu thông qua ảnh TEM, phổ nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ, quang huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của nano tinh thể bán dẫn CdS pha tạp Cu Nguyễn Xuân Ca và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 190(14): 31 - 39 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA NANO TINH THỂ BÁN DẪN CdS PHA TẠP Cu Nguyễn Xuân Ca1, Nguyễn Thị Hiền*1, Lê Đắc Duẩn1, Trần Thị Hồng Gấm1, Nguyễn Thị Thảo1, Vũ Thúy Mai1, Vũ Hồng Tuân1, Phạm Minh Tân2 1 Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên 2 TÓM TẮT Các nano tinh thể (NC) bán dẫn CdS pha tạp Cu đã được chế tạo thành công bằng phương pháp hóa ướt trong dung môi không liên kết ODE. Hình dạng, cấu trúc tinh thể và các tính chất quang của chúng đã được nghiên cứu thông qua ảnh TEM, phổ nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ, quang huỳnh quang và thời gian sống huỳnh quang. Kết quả nghiên cứu cho thấy các NC CdS:Cu có hình dạng tựa cầu, phân bố kích thước hẹp và có cấu trúc zinc blende (Zb) khi thay đổi nồng độ tạp chất Cu. Khảo sát theo nồng độ pha tạp Cu cho thấy, khi nồng độ Cu tăng, kích thước hạt không thay đổi, cường độ huỳnh quang tăng khi nồng độ Cu tăng từ 0 đến 10% và giảm khi nồng độ pha tạp Cu lên đến 20%. Sự phụ thuộc của năng lượng vùng cấm, cường độ phát xạ của các NC CdS và CdS:Cu trong khoảng nhiệt độ 15-300K và cơ chế truyền năng lượng giữa mạng nền CdS cho tạp Cu đã được nghiên cứu và giải thích. Kết quả đo đường cong suy giảm huỳnh quang cho thấy các NC CdS:Cu có thời gian sống rất dài (lên đến 585 ns) phù hợp với các ứng dụng trong các lĩnh vực đánh dấu sinh học, khuếch đại quang và quang điện. Từ khoá: Nano tinh thể, bán dẫn, pha tạp, tính chất quang, CdS:Cu ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong những năm gần đây, các nano tinh thể (NC) bán dẫn thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học vì các tính chất quang, điện, cơ học đặc biệt của chúng [1-4]. Các NC bán dẫn thể hiện nhiều tính chất quang học thú vị như hiệu suất lượng tử cao, phổ phát xạ hẹp và bền quang…, do đó chúng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: chế tạo pin mặt trời [5], quang điện [6-8], đánh dấu sinh học [9], laser [10]… Có rất nhiều phương pháp để chế tạo các NC, tuy nhiên, phương pháp hóa ướt được sử dụng nhiều trong việc chế tạo các NC bán dẫn do phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và có thể dễ dàng thay đổi các thông số thực nghiệm. Các tính chất quang của vật liệu nano bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học, kích thước, hình dạng và đặc biệt là sự pha tạp chất. Hiện nay các NC bán dẫn pha tạp kim loại chuyển tiếp (KLCT) như CdSe:Mn [1,2], CdS:Mn [3], CdS:Ni [4], CdSe:Cu [5], * ZnSe:Cu [6], CdS:Cu [7-10] đang được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Khi tiến hành đưa một số tạp chất kim loại có tính chất quang điển hình vào NC bán dẫn sẽ làm thay đổi tính chất quang của NC bán dẫn theo nhiều hướng khác nhau. Các KLCT pha tạp vào NC bán dẫn làm thay đổi tính chất quang của bán dẫn và thay đổi cả tính chất quang vốn có của KLCT, hình thành nên các tính chất quang mới của vật liệu pha tạp. Hơn nữa việc pha tạp các ion kim loại có từ tính sẽ làm cho các NC bán dẫn có đồng thời cả tính chất điện từ và quang. Chính vì vậy, các NC bán dẫn pha tạp KLCT đã và đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Hai KLCT được pha tạp nhiều nhất trong các NC bán dẫn là Mn và Cu. Đối với NC pha tạp Mn, phát xạ tạp chất bị giới hạn trong miền phổ màu vàng - da cam và rất ít phụ thuộc vào các NC nền [2]. Nguyên nhân là do khi hệ chuyển từ trạng thái kích thích 4T1 về trạng thái cơ bản 6A1 của ion Mn2+ gây ra sự phát xạ tạp chất có năng lượng nhỏ hơn so với độ E-mail: hiennt@tnus.edu.vn 31 Nguyễn Xuân Ca và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ rộng vùng cấm của NC nền [1, 3]. Không giống như pha tap Mn, trường hợp pha tạp Cu thì năng lượng phát xạ có thể thay đổi trong một khoảng rộng do sự thay đổi thành phần và kích thước của NC nền. So với các hệ NC bán dẫn pha tạp Mn, việc pha Cu vẫn còn khá mới mẻ. Nguồn gốc của phát xạ Cu trong các NC bán dẫn khác nhau, hiệu suất phát xạ cao của nó, khả năng thay đổi màu sắc phát xạ, độ rộng của phổ phát xạ và một số tính chất khác kèm theo sự pha tạp Cu còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng, thể hiện qua các kết luận trái ngược nhau trong một số công bố gần đây [5, 7, 8]. 190(14): 31 - 39 Chế tạo các nano tinh thể CdS và CdS:Cu Chế tạo các NC CdS và CdS:Cu gồm 2 bước: Bước 1: Tạo các dung dịch tiền chất Dung dịch chứa Cd2+ được tạo thành bằng cách hòa CdO với OA và ODE tại nhiệt độ 280oC khuấy trộn trong 90 phút. Dung dịch chứa S2- được tạo thành bằng cách trộn S trong dung môi ODE tại nhiệt độ 100oC khuấy trộn trong 30 phút. Dung dịch chứa Cu2+ được tạo bằng cách trộn Cu(CH3COO)2.H2O trong TOP và ODE ở nhiệt độ khoảng 1000C khuấy trộn trong 60 phút. Trong bài báo này chúng tôi trình bày kết quả chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của các NC CdS và CdS pha tạp Cu. Các mẫu được chế tạo với thời gian phản ứng từ 1 đến 90 phút và nồng độ Cu thay đổi từ 0,1 đến 20%. Hình thái, cấu trúc của các NC CdS và CdS:Cu được xác định bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Tính chất quang của các NC được nghiên cứu thông qua phổ hấp thụ UV-vis, phổ huỳnh quang (PL) và phổ huỳnh quang phân giải thời gian. Để nghiên cứu sự thay đổi các đặc trưng quang theo nhiệt độ, chúng tôi đã đo phổ huỳnh quang của các mẫu đặc trưng trong khoảng nhiệt độ từ 15-300K. Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm, cường độ phát xạ của các NC CdS và CdS:Cu theo nhiệt độ và cơ chế truyền năng lượng giữa mạng nền CdS cho tạp Cu đã được nghiên cứu và giải thích. Bước 2: Chế tạo các nano tinh thể CdS và CdS:Cu THỰC NGHIỆM Khảo sát các tính chất của NC Hóa chất Để nghiên cứu tính chất quang học, phổ hấp thụ UV-vis của các mẫu được đo trên thiết bị Shimadzu UV-2600. Phổ PL được đo trên thiết bị Varian Cary Eclipse, nguồn sáng kích thích là đèn Xe phát ánh sáng liên tục trong khoảng bước sóng từ 200-900 nm. Phổ PL nhiệt độ thấp được thực hiện trên hệ đo huỳnh quang PL-Nanolog HORIBA Jobin Yvon v ...