Phổ tãn xạ Raman của ác tinh thể nano bán dẫn CdS pha tạp M

Để nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước lượng tử đến tương tác điện tử - phonon trong các chấm lượng tử CdS:Mn, chúng tôi tiến hành đo phổ tán xạ Raman. Đây là một trong những phương pháp hữu hiệu cung cấp những thông tin về thành phần của mẫu, cấu trúc và các trạng thái dao động điện tử trong các hệ bị giam giữ mà không cần phá huỷ mẫu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phổ tãn xạ Raman của ác tinh thể nano bán dẫn CdS pha tạp MT¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44) Tập 2/N¨m 2007Phổ tán xạ Raman của các tinh thể nano bán dẫn CdS pha tạp MnChu Việt Hà - Vũ Thị Kim Liên (Trường ĐH Sư phạm - ĐH Thái Nguyên)Nguyễn Xuân Nghĩa ( Viện Khoa học Vật liệu - Viện KH&CN Việt Nam)Lê Tiến Hà (Trường Đại học Mỏ Địa chất)1. Giới thiệuTrong những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano đang thu hút được sự quan tâmnghiên cứu đặc biệt do khả năng ứng dụng nhiều triển vọng của vật liệu nano vào đời sống. Cácvật liệu kích thước nano có những tính chất rất mới so với vật liệu khối, chúng chiếm một vị trírất quan trọng trong lĩnh vực quang tử. Do hiệu ứng giam giữ lượng tử, các tính chất quang củacác tinh thể nanocó thể được điều khiển thông qua kích thước và thành phần hoá học của chúng. Cáctinh thể nano bán dẫn đang được nghiên cứu cho các ứng dụng trong dán nhãn sinh học và hiện ảnhtế bào, cho các dụng cụ quang điện và quang học như các mạch chuyển đổi hoàn toàn bằng quang,pin mặt trời, các diode phát sáng, và các nguồn laser, các sensor sinh học và sensor khí [1].Các tinh thể nano bán dẫn (hay các chấm lượng tử bán dẫn) phổ biến nhất dựa trên vậtliệu AIIBVI. Trong số đó, các tinh thể nano Cadmium Sunfua (CdS) và Cadmium Selenua (CdSe)là các hệ chấm lượng tử điển hình được dùng để nghiên cứu hiệu ứng giam giữ lượng tử tronggiới hạn giam giữ mạnh, mà trong đó các hiệu ứng về kích thước lượng tử thể hiện rõ nét. Đồngthời hiện nay người ta đang tìm cách đưa các tâm quang học vào nano tinh thể nền nhằm nângcao hiệu suất phát xạ của chúng, các hệ này được gọi là các chấm lượng tử pha tạp. Các tâmquang học được chọn là các ion kim loại chuyển tiếp trong đó có Mn, có bước sóng phát xạ nằmtrong vùng nhìn thấy. Lần đầu tiên, tại phòng Thí nghiệm Quang học và Quang phổ - Khoa Vậtlý, Đại học Sư phạm Thái Nguyên, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo thành công các tinh thể nanobán dẫn CdS và CdS pha tạp Mn (CdS:Mn) bằng phương pháp hoá học. Để nghiên cứu ảnhhưởng của hiệu ứng kích thước lượng tử đến tương tác điện tử - phonon trong các chấm lượngtử CdS:Mn, chúng tôi tiến hành đo phổ tán xạ Raman. Đây là một trong những phương pháphữu hiệu cung cấp những thông tin về thành phần của mẫu, cấu trúc và các trạng thái dao độngđiện tử trong các hệ bị giam giữ mà không cần phá huỷ mẫu [2, 3].2. Thực nghiệmCác tinh thể nano bán dẫn CdS:Mn được chế tạo bằng phương pháp keo hoá học từ các muốicủa cadmium, lưu huỳnh và Mn (Cd(CH3COO)2.2H2O, C2H5NS và Mn(CH3COO)2.2H2O). Chấtbẫy bề mặt sử dụng để khống chế kích thước của các tinh thể nano CdS được dùng là 3mercaptopropyltrimethoxysilane (MPS) cùng với dung môi là methanol.Các tinh thể nano CdS được tiến hành đo phổ tán xạ Micro - Raman bằng máy quangphổ Micro - Raman LABRAM - 1B của hãng Jobin - Yvon (Pháp) có tại viện Khoa học Vậtliệu, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam, với nguồn sáng kích thích là Laser He - Ne,với cấu hình tán xạ ngược. Từ phổ tán xạ Raman, có thể quan sát thấy các mode dao động đặctrưng cho tinh thể tương ứng, và từ sự mở rộng vạch phổ và sự dịch đỉnh của vạch phổ daođộng, kích thước của các tinh thể nano cũng có thể được ước tính.38T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(44) Tập 2/N¨m 20073. Kết quả và thảo luậnCác tinh thể nano bán dẫn CdS;Mn chế tạo là các đám tinh thể nano phân tán trong dungmôi methanol. Đối với các tinh thể nano, tương ứng với sự giảm kích thước là phổ hấp thụ dịchvề phía sóng xanh (về phía năng lượng cao) và đỉnh phổ Raman LO dịch về phía số sóng thấphơn. Trước khi nghiên cứu hiệu ứng kích thước lượng tử trong các mẫu tinh thể nano CdS:Mnqua phổ tán xạ Raman, chúng tôi tính toán kích thước của các hạt nano này qua phổ hấp thụ củachúng. Hình 1 trình bày phổ hấp thụ của các tinh thể nano CdS, hình 2 trình bày phổ hấp thụ củacác nano tinh thể CdS pha tạp Mn với các nồng độ khác nhau được đo ở nhiệt độ phòng. Trênphổ hấp thụ quan sát thấy một đỉnh tại bước sóng ~ 377 nm đối với các nano tinh thể CdS và ở369 đến 370 nm đối với các nano tinh thể CdS pha tạp Mn với các nồng độ khác nhau. Các đỉnhnày là dịch chuyển hấp thụ cơ bản của điện tử từ trạng thái cơ bản tới trạng thái kích thích đầutiên 1S3/2 - 1Se của bán dẫn CdS nền. Có thể thấy đỉnh hấp thụ của các tinh thể nano bị dịch vềphía sóng ngắn khá nhiều so với bờ hấp thụ của bán dẫn CdS khối (CdS khối có độ rộng vùngcấm là 2.5 eV tương ứng với bước sóng 500 nm [6]). Đây là bằng chứng của hiệu ứng kíchthước lượng tử mà ta sẽ thấy qua phổ tán xạ Raman. Dựa vào phổ hấp thụ và nhờ công thức củaEffros, Brus và Kayanuma [4] chúng tôi tính toán được kích thước trung bình của các tinh thểnano CdS cỡ 3,5 nm và của các nano tinh thể CdS:Mn cỡ 3.1 nm . Có thể thấy sự pha tạp Mnlàm hạn chế quá trình mọc của các nano tinh thể CdS.0.63773Absorbance (a.u.)0.5§é hÊp thô (®.v.t.y.)(1) - Cd 0.8 Mn0. 2S(2) - Cd 0.7 Mn0. 3S(3) - Cd 0.6 Mn0. 4S40.40.30.2CdS khèi500 nm (2.5 ...