Nghiên cứu chế tạo các vật liệu hiện đại tại trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên

Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về chế tạo một số vật liệu mới trong gần mười năm trở lại đây tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Các vật liệu được nghiên cứu chế tạo là các vật liệu nano quang tử và quang học, bao gồm các chấm lượng tử bán dẫn và tinh thể photonic (tinh thể quang tử).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu chế tạo các vật liệu hiện đại tại trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên Chu Việt Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 169 - 174 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC VẬT LIỆU HIỆN ĐẠI TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Chu Việt Hà*, Đỗ Thùy Chi, Vũ Thị Kim Liên Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về chế tạo một số vật liệu mới trong gần mười năm trở lại đây tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Các vật liệu được nghiên cứu chế tạo là các vật liệu nano quang tử và quang học, bao gồm các chấm lượng tử bán dẫn và tinh thể photonic (tinh thể quang tử). Các chấm lượng tử được nghiên cứu chế tạo chủ yếu dựa trên các chất bán dẫn CdS và CdSe với phổ huỳnh quang trải rộng trong vùng nhìn thấ y tùy thuộc vào kích thước chấm. Các chấm lượng tử chế tạo được có hiệu suất lượng tử tương đối cao và độ bền quang tốt, phù hợp cho ứng dụng đánh dấu sinh học. Tinh thể photonic được chế tạo trên cơ sở các hạt nano cầu SiO2 với các màu phản xạ có thể điều khiển được trong vùng khả kiến tùy thuộc vào kích thước của các hạt cầu SiO2. Phương pháp chế tạo chủ yếu được sử dụng là phương pháp hóa ướt phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm. Từ khóa: Vật liệu nano quang tử, chấm lượng tử, CdS, CdSe, photonic, hạt cầu SiO2. GIỚI THIỆU* Trong vài thập niên gần đây, việc chế tạo và nghiên cứu các vật liệu nano mới và các vật liệu quang tử đang trở thành các mũi nhọn trong nghiên cứu và phát triển khoa học tại nhiều nước trên thế giới. Công nghệ nano đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt của nhiều quốc gia trên thế giới do khả năng ứng dụng đầy triển vọng của vật liệu nano vào khoa học và đời sống. So với chất màu hữu cơ truyền thống và các protein phát quang tự nhiên, các chấm lượng tử bán dẫn có đặc tính quang học và điện tử độc đáo: có thể điều khiển ánh sáng phát xạ nhờ thay đổi kích thước, phổ phát xạ hẹp và đối xứng, độ chói cao, thời gian sống phát quang dài và điểm đặc biệt nhất là độ bền quang cao (gấp vài trăm lần so với chất màu hữu cơ), ít bị tẩy quang, và quang phổ hấp thụ rộng dễ kích thích [1]. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng các chấm lượng tử bán dẫn phân tán trong nước dùng cho mục đích đánh dấu sinh học đã và đang được thực hiện cả trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Các tinh thể nano bán dẫn không pha tạp thuộc nhóm II-VI như: CdS, CdSe,… thu hút * được nhiều quan tâm hơn cả do chúng có vùng cấm thẳng, có phổ hấp thụ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy và một phần nằm trong vùng tử ngoại gần phù hợp với một số lớn nguồn laser dùng trong kĩ thuật thực nghiệm. Để làm tăng hiệu suất huỳnh quang của các tinh thể nano bán dẫn, đồng thời để có thêm các bước sóng phát xạ khác nhau đối với cùng một kích thước của tinh thể nano, các tâm kích hoạt quang học như ion kim loại chuyển tiếp (Mn) hoặc ion đất hiếm đưa thêm vào các tinh thể nano bán dẫn [2-5]. Tuy nhiên, do kích thước nhỏ, tỉ lệ bề mặt trên khối lớn, các trạng thái bề mặt làm giảm hiệu suất phát xạ của các tinh thể nano. Để hạn chế ảnh hưởng này, các tinh thể nano có cấu trúc lõi/vỏ được chế tạo. Cách thường sử dụng là bọc một lớp vỏ là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn hơn quanh lõi các tinh thể nano [5]. Bằng các phương pháp hoá học, các hệ chấm lượng tử như CdSe, CdS… ở dạng huyền phù phân tán trong dung dịch có chất lượng tốt và khả năng phát quang mạnh đã được chế tạo thành công. Mặc dù vậy, những nghiên cứu về công nghệ chế tạo và những ứng dụng của các chấm lượng tử vẫn còn khá nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ để có thể có được các hệ chấm lượng tử có chất lượng. Email: chuvietha@tnu.edu.vn 169 Chu Việt Hà và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Tinh thể photonic là một vật liệu có cấu trúc tuần hoàn về hằng số điện môi mà nó biểu hiện tương tác mạnh với ánh sáng do có chu kỳ tuần hoàn cỡ bước sóng của ánh sáng. Các photon khi chuyển động trong tinh thể sẽ đi qua các vùng có chiết suất cao xen kẽ với các vùng có chiết suất thấp. Đối với một photon, sự tương phản về chiết suất này giống như một thế năng tuần hoàn mà một điện tử bị tác dụng trong tinh thể [6]. Do tính tuần hoàn dẫn đến trong tinh thể photonic cũng xuất hiện một vùng cấm quang: tức là có một dải tần số trong đó các photon không thể truyền qua được cấu trúc này, trong khi nó lại cho phép các bước sóng khác truyền qua tự do. Hiện nay tinh thể photonic đang được đẩy mạnh nghiên cứu cho những ứng dụng to lớn như làm các nguồn phát xạ, các vi mạch quang học, v.v.., các tinh thể photonic được trông đợi như các cấu trúc chủ yếu cho các thiết bị quang điện tử trong tương lai. Với điều kiện của Phòng Thí nghiệm Vật lý Chất rắn và các hệ đo quang học của phòng Thí nghiệm Quang học Quang phổ của Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, các vật liệu nano quang bao gồm các chấm lượng tử trên cơ sở các bán dẫn CdSe và CdS, các tinh thể photonic trên cơ sở các hạt nano cầu SiO2 đã được chế tạo thành công. Từ năm 2005, các hệ chấm lượng tử CdS/ZnS, CdS:Mn/ZnS, CdSe/C ...