Chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ CdSe/Cds và nghiên cứu tính chất quang phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ
Chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ CdSe/Cds và nghiên cứu tính chất quang phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ
Xem bên trong

Chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ CdSe/Cds và nghiên cứu tính chất quang phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ

72 tr. + CD-ROM
Tổng quan về chấm lượng tử, các mức năng lượng và các loại chấm lượng tử. Nêu các phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn II – IV, cụ thể đã chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe bằng phương pháp hóa sạch trong dung môi nhiệt độ sôi cao. Khảo sát, đánh giá đặc tính của chấm lượng tử bằng các phương pháp quang phổ phát quang, quang phổ hấp thu và quang phổ tán xạ Raman. Qua đó, xác định sự tương ứng giữa phổ với cấu trúc tinh thể nano, tính đồng nhất trong phân bố kích thước hạt nano dựa trên phân tích cấu trúc vi hình thái và tính chất quang của chấm lượng tử CdSe
Luận văn ThS. Vật liệu và linh kiện nanô — Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2008
Electronic Resources

0.00

Tải về miễn phí bản đầy đủ PDF luận văn tại Link bản đầy đủ 1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

Bùi Tấn Phúc

CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CÓ CẤU TRÚC LÕI/VỎ
CdSe/CdS VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG PHỤ
THUỘC VÀO ĐỘ DÀY LỚP VỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2008

Bùi Tấn Phúc

CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CÓ CẤU TRÚC LÕI/VỎ
CdSe/CdS VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG PHỤ
THUỘC VÀO ĐỘ DÀY LỚP VỎ

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
TS. Đinh Sơn Thạch

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ
CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO

MỤC LỤC

Lời cám ơn
Lời cam đoan
Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu
Danh mục các hình vẽ
Mục lục
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ 4
1.1. Chấm lượng tử 4
1.1.1. Hệ ba chiều (khối tinh thể) 4
1.1.2. Hệ hai chiều (màng nano tinh thể) 7
1.1.3. Hệ một chiều (dây lượng tử) 10
1.1.4. Hê không chiều (chấm lượng tử) 12
1.2. Các mức năng lượng của chấm lượng tử 13
1.3. Các loại chấm lượng tử 17
1.3.1. Chấm lượng tử chế tạo theo phương pháp quang khắc 18
1.3.2. Chấm lượng tử chế tạo theo phương pháp tự mọc ghép 20
1.3.3. Chấm lượng tử dạng keo chế tạo bằng phương pháp hóa học 22
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ
BÁN DẪN II – IV 24
2.1. Lịch sử phát triển 24
2.2. Chế tạo chấm lượng tử từ hợp chất TOPO/TOP 30
2.3. Chế tạo chấm lượng tử lõi vỏ 32
2.4. Chế tạo chấm lượng đa lớp có cấu trúc giếng lượng tử 35
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CÓ CẤU TRÚC LÕI
VỎ CdSe/CdS THEO PHƯƠNG PHÁP HÓA SẠCH 40
3.1. Các quy trình chế tạo chấm lượng tử lõi vỏ CdSe/CdS 40
3.1.1. Quy trình chế tạo chấm lượng tử CdSe 40
3.1.2. Quá trình thực nghiệm chế tạo QD CdSe từ CdO 41
3.1.3. Bọc vỏ cho QD CdSe để tạo thành chấm lượng tử lõi/vỏ
CdSe/CdS 45
3.1.4. Bọc vỏ cho QD lõi vỏ CdSe/CdS để tạo thành chấm lượng tử
một lõi hai vỏ CdSe/CdS/ZnS 47
3.2. Quy trình chế tạo chấm lượng tử CdSe do tác giả luận văn thực hiện
tại cơ sở thực tập thí nghiệm 48
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VI HÌNH THÁI VÀ TÍNH
CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe 50
4.1. Các phương pháp phân tích 50
4.1.1. Xác định cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 50
4.1.2. Phương pháp phân tích dùng kính hiển vi điện tử truyền qua 51
4.1.3. Phương pháp quang phát quang 54
4.1.4. Phương pháp phổ tán xạ Raman 55
4.2. Các kết quả khảo sát của các mẫu QD CdSe chế tạo được 58
4.2.1. Các kết quả khảo sát phổ quang phát quang 58
4.2.2. Các kết quả khảo sát phổ hấp thu UV – Vis 62
4.2.3. Tính kích thước hạt dựa vào phổ hấp thu 63
4.2.4. Các kết quả khảo sát phổ tán xạ Raman 65

KẾT LUẬN 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Danh mục các chữ viết tắt và kí hiệu

1. Các chữ viết tắt

1D : 1-Dimension (Một Chiều).
1DES : 1-Dimensional Electron System (Hệ Điện Tử Một Chiều).
2DEG : 2-Dimensional Electron Gas (Khí Điện Tử Hai Chiều).
2DES : 2-Dimensional Electron System (Hệ Điện Tử Hai Chiều).
CCD : Charge Coupled Device (Thiết Bị Ghép Điện Tích).
CVD : Chemical Vapor Deposition (Lắng Đọng Hóa Học).
HRTEM : High Resolultion Electron Microscopy (Hiển Vi Điện Tử Truyền
Qua Độ Phân Giải Cao).
LA : Laser Ablation (Phân Hủy Bằng Laser).
MBE : Molecular Beam Epitaxy (Mọc Ghép Chùm Phân Tử).
MOCVD : MetalOrganic Chemical Vapor Deposition (Lắng Đọng Hóa Học
Từ Hợp Chất Cơ Kim).
ODMR : Optically Detected Magnetic Resonance (Cộng Hưởng Từ Cảm
Quang).
PL : PhotoLuminescence (Quang Phát Quang).
PLD : Pulsed Laser Deposition (Lắng Đọng Laser Xung).
PMT : PhotoMultiplier Tube (Ống Nhân Quang).
QD : Quantum Dot (Chấm Lượng Tử).
QDQW : Quantum Dot Quantum Well: (giếng lượng tử bên trong chấm
lượng tử).
TEM : Transmission Electron Microscopy: (Kính Hiển Vi Điện Tử
Truyền Qua).
XPS : Photoelectron Spectroscopy (Phổ Quang Điện Tử).

2. Các kí hiệu

λ : bước sóng.
θ : là góc nhiễu xạ.
D : là kích thước trung bình của các hạt.
D(k) : mật độ trạng thái.
h : hằng số Planck (6.626×10
-34
J.s).
k : số sóng.
kF : số sóng Fermi.
m : khối lượng điện tử tự do.
m* : khối lượng điện tử hiệu dụng.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
1 Hình 1.1 Các điện tử trong khối chất rắn ba chiều. 6
2 Hình 1.2 Mô hình hạt trong hộp đối với một điện tử tự do
di chuyển dọc theo trục z 7
3 Hình 1.3 Các điện tử trong một hệ hai chiều 8
4 Hình 1.4 Chất rắn một chiều 11
5 Hình 1.5 Chất rắn không chiều 13
6 Hình 1.6 Các hạt mang điện tự do trong chất rắn có mối quan
hệ tán sắc parabôn (E(k) ~ k
2
) 14
7 Hình 1.7 Sự phụ thuộc kích thước của năng lượng vùng cấm
Eg(d) đối với các chấm lượng tử dạng keo CdSe có
đường kính d 17
8 Hình 1.8 Các dạng chấm lượng tử khác nhau 19

9 Hình 2.1 Phổ hấp thu và phát xạ của một dung dịch CdS dạng
keo 24
10 Hình 2.2 Phổ hấp thu của các dung dịch keo CdSe trong thời
điểm 1993 (“tổng hợp TOP-TOPO”) 26
11 Hình 2.3 Dữ liệu tán xạ tia X góc hẹp từ các hạt CdSe 4.2nm
chưa bọc vỏ 33
12 Hình 2.4 Các biểu đồ kích thước của một họ hạt nano tinh thể
CdSe 34
13 Hình 2.5 Biểu đồ của các nano cấu trúc dị thể giếng kép 39
14 Hình 2.6 Phổ hấp thu của 8 nano cấu trúc dị thể giếng kép
khác nhau 39

15 Hình 3.1 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe bằng phương
pháp sử dụng dung môi nhiệt độ sôi cao. 42
16 Hình 3.2 Hòa tan CdO trong hỗn hợp TOPO + HDA + DDPA 44
17 Hình 3.3 Phun dung dịch TOPSe vào dung dịch chứa Cd 44
18 Hình 3.4 Sản phẩm QD CdSe 45
19 Hình 3.5 Sự phát quang của các QD CdSe chế tạo ở các
nhiệt độ 250
0
C – 300
0
C, thời gian 1 – 5 phút 45
20 Hình 3.6 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử lõi/vỏ CdSe/CdS 46
21 Hình 3.7 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử core/double shell
CdSe/CdS/ZnS 47
22 Hình 3.8 Sự phát quang của các QD CdSe chế tạo ở các nhiệt
độ 250
0
C và 270
0
C ở thời điểm 1 phút và 5 phút
sau phản ứng tạo mầm 49
23 Hình 4.1 Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra trên các mặt tinh thể 50
24 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua 52
25 Hình 4.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20 ở Khoa
Vật lý và Thiên văn, Đại học Glasgow 54
26 Hình 4.4 Biểu đồ mức năng lượng biểu diễn các trạng thái trong
tín hiệu Raman. Bề dày của các đường thẳng tỉ lệ sơ bộ
với cường độ của các tín hiệu chuyển dời khác nhau 56
27 Hình 4.5 Máy đo phổ quang phát quang của mẫu sản phẩm QD
CdSe tại Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 59
28 Hình 4.6 Phổ quang phát quang của QD CdSe chế tạo ở 250
0
C,
thời gian lấy mẫu 1 phút 59
29 Hình 4.7 Phổ quang phát quang của QD CdSe rửa bình cầu,
chế tạo ở 250
0
C, thời gian lấy mẫu 1 phút 60
30 Hình 4.8 Phổ quang phát quang của QD CdSe chế tạo
ở 270
0
C, thời gian lấy mẫu 5 phút 61
31 Hình 4.9 Phổ hấp thu UV – Vis của QD CdSe chế tạo ở
250
0
C, thời gian lấy mẫu 1 phút 62
32 Hình 4.10 Phổ hấp thu UV – Vis của QD CdSe chế tạo ở
270
0
C, thời gian lấy mẫu 5 phút 63
33 Hình 4.11 Đường cong kích thước của QD CdSe thể hiện mối
quan hệ giữa đỉnh phổ hấp thu và kích thước hạt 65
34 Hình 4.12 Phổ tán xạ Raman của mẫu QD CdSe (1phút, 250
0
C)
đo ở Phòng Thí Nghiệm Nano, TP. Hồ Chí Minh 66
35 Hình 4.13 Phổ tán xạ Raman của mẫu QD CdSe (5phút, 270
0
C)
đo ở Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 67
36 Hình 4.14 Phổ tán xạ Raman của mẫu QD CdSe (1phút, 250
0
C)
đo ở Viện Khoa học Vật liệu, Hà Nội 67

1

MỞ ĐẦU

Lịch sử loài người đã trải qua ba cuộc cách mạng công nghiệp. Đầu tiên
là cuộc cách mạng công nghiệp nặng bắt đầu từ việc phát minh ra máy hơi nước,
thứ hai là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin liên lạc bắt đầu bằng việc phát
minh ra máy điện thoại mà đỉnh điểm của nó là công nghệ thông tin và internet,
cuộc cách mạng thứ ba là về quang học và quang tử bắt đầu bằng việc phát minh
ra laser. Hiện nay, thế giới bước vào cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, đó
là cộng nghệ nano. Khoa học và công nghệ nano là một khoa học mới, hiện đại,
liên ngành, là nhịp cầu nối các lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học, điện tử viễn
thông. Các vật liệu, linh kiện và các hệ thống thiết bị có các đặc tính mới, nổi
trội và điều khiển được nhờ vào kích cỡ nano mét. Quang tử học nano là ngành
khoa học nghiên cứu tương tác của ánh sáng với vật chất có kích thước nanomet,
là đối tượng hấp dẫn cho các nhà hóa học, vật lý, vật liệu và cả các nhà nghiên
cứu ứng dụng vì tuy mới phát triển nhưng nhiều thành tựu của khoa học và công
nghệ nano trên thê giới đã nhanh chóng được ứng dụng để sản xuất ra những sản
phẩm nhỏ hơn, nhanh hơn rẻ hơn. Trong đó, vật lý nano giữ vai trò tiên phong,
hóa học nano đang được hình thành và đi vào cuộc sống với yêu cầu đầu tư thấp
hơn nhiều so với vật lý nano. Ngoài ra, công nghệ nano và công nghệ đi từ cơ sở
với kích thước rất bé cũng đạt được những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực lưu
trữ dữ liệu, tăng tốc độ xử lý. Đầu năm 2000, tổng thống Hoa Kì Bill Clinton nỗ
lực khởi động và đầu tư kinh phí gần 500 triệu đô la cho chương trình quốc gia
về công nghệ nano, với chương trình này chính phủ Mỹ hy vọng tiết kiệm được
nhiều năng lượng và giảm tác động xấu đến môi trường do việc sử dụng năng
lượng quá mức. Nhiều bằng phát minh mang tính đột phá và các sản phẩm
thương mại đã xuất hiện ở châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc,.. trong đó
phải kể đến sự góp mặt của vật liệu quang phát quang.
Tên gọi nano có ý nghĩa là hướng nghiên cứu này liên quan đến các vật
thể, cấu trúc có kích thước khoảng 1 đến 100nm. Trong công nghệ nano, các
nguyên tử, phân tử được sắp xếp thành các cấu trúc vật lý có kích thước đặc
trưng cỡ nanomet. Một nanomet có giá trị bằng một phần tỉ mét (1nm = 10
-9
m).
Cho đến nay đã có rất nhiều công trình công bố về khoa học, công nghệ và vật
liệu nano trên thế giới. Vật liệu có kích cỡ nano rất đa dạng, phong phú như các
hạt nano, các thanh nano, ống nano, dây nano, tấm nano hay màng nano.
2
Khi kích thước giảm xuống kích cỡ nanomet, các vật liệu xuất hiện
nhiều tính chất mới so với các vật liệu bình thường như: tính chất từ, tính chất
điện, tính chất cơ học, hoạt tính xúc tác, tính chất quang học,…
Ở Việt Nam, tại hội nghị Vật lý chất rắn lần II năm 1997, GS. VS.
Nguyễn Văn Hiệu đã kêu gọi các hội viên Hội Vật lý Việt Nam hãy bắt tay vào
nghiên cứu vật liệu nano. Năm 2004, theo kiến nghị của Hội đồng Khoa học Tự
nhiên, Bộ Khoa học Công nghệ đã mở hướng nghiên cứu trọng điểm về Khoa
học và Công nghệ Nano trong chương trình nghiên cứu cơ bản về Khoa học Tự
nhiên. Có thể nói, Khoa học và Công nghệ Nano đang tạo ra một cơ hội mới cho
sự phát triển ngành công nghiệp Công Nghệ Nano ở nước ta.
Cho đến nay, những nghiên cứu về chế tạo và khảo sát tính chất của
chấm lượng tử bán dẫn nói chung và QD CdSe nói riêng rất sôi động. Trong đó
nổi bật nhất có các công trình công bố của Peter Reiss (Pháp), Xiaogang Peng
tại Đại Học Arkansas Hoa Kỳ. Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS. TS
Nguyễn Quang Liêm tại Viện Khoa học Vật liệu về QD CdSe cũng đã đạt được
những kết quả nổi bật. QD CdSe có rất nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực
quang tử và y sinh học. Chính vì vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận văn là:
“Chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ CdSe/CdS và nghiên cứu tính
chất quang phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ”. Đề tài được thực hiện tại hai nơi:
Phòng Thí Nghiệm Nano, Thành Phố Hồ Chí Minh và Viện Khoa học Vật liệu,
Hà Nội.
Mục tiêu của đề tài là: Chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe bằng
phương pháp hóa sạch trong dung môi nhiệt độ sôi cao. Đồng thời, khảo sát các
đánh giá đặc tính của chấm lượng tử bằng các phương pháp quang phổ phát
quang, quang phổ hấp thu và quang phổ tán xạ Raman. Thông qua đó, xác định
sự tương ứng giữa phổ với cấu trúc tinh thể nano, tính đồng nhất trong phân bố
kích thước hạt nano.
Phương pháp nghiên cứu: thực nghiệm chế tạo chấm lượng tử CdSe
bằng phương pháp hóa sạch trong dung môi nhiệt độ sôi cao, máy đo phổ quang
phát quang và phổ tán xạ Raman tại Viện Khoa học Vật liệu, máy đo phổ hấp
thu UV – Vis và phổ tán xạ Raman tại Phòng Thí Nghiệm Nano.
Luận văn gồm 69 trang bao gồm mở đầu, 4 chương và phần kết luận, tài
liệu tham khảo tiếng Việt và tiếng Anh được cập nhật đến năm 2007.
Phần mở đầu nêu tầm quan trọng của khoa học và công nghệ nano, lý do
chọn đề tài luận văn, mục tiêu của đề tài và phương pháp nghiên cứu.
Chương 1 tổng quan về chấm lượng tử.
Chương 2 các phương pháp chế tạo chấm lượng tử bán dẫn II – IV.
3
Chương 3 chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi vỏ CdSe/CdS theo phương pháp
hóa sạch.
Chương 4 phân tích cấu trúc vi hình thái và tính chất quang của chấm lượng tử
CdSe.
Cuối cùng là phần kết luận, 18 tài liệu tham khảo.

4
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ

1.1. Chấm lượng tử

Vật liệu có kích thước nằm trong vùng giới hạn từ một vài nm đến nhỏ
hơn 100nm được gọi là vật liệu có cấu trúc nano. Một cụm có vài nguyên tử
không được coi là cấu trúc nano vì tính chất của cấu trúc này phụ thuộc rất nhiều
vào số lượng nguyên tử chính xác có trong cụm. Một đám nguyên tử lớn hơn có
cấu trúc tinh thể xác định và có tính chất không còn quá phụ thuộc vào số lượng
nguyên tử có trong đám thì mới gọi nó là cấu trúc nano. Đám nguyên tử có cấu
trúc tinh thể xác định này gọi là chấm lượng tử. Chấm lượng tử hay còn gọi là
hạt tinh thể là một nano tinh thể, và là vật liệu có cấu trúc nano. Chấm lượng tử
đang được quan tâm hiện nay có kích thước từ vài nm đến hàng chục nm. Với
kích thước nhỏ như vậy, số nguyên tử phân bố trên bề mặt trở nên rất đáng kể so
với số nguyên tử nằm bên trong hạt. Ví dụ cụ thể, chấm lượng tử kích thước
1nm chỉ chứa khoảng 30 nguyên tử với 99% số nguyên tử nằm trên bề mặt,
chấm lượng tử kích thước 4nm chứa khoảng 4000 nguyên tử với 40% số nguyên
tử nằm trên bề mặt, kích thước 10nm chứa khoảng 30000 nguyên tử với 20% số
nguyên tử nằm trên bề mặt.
Để sử dụng cơ học lượng tử nghiên cứu chấm lượng tử, tôi bắt đầu từ
khối tinh thể kích thước lớn, rồi giới hạn từng chiều một để có được màng nano,
dây lượng tử và chấm lượng tử.

1.1.1. Hệ ba chiều (khối tinh thể)

Khối tinh thể là một chất rắn ba chiều, xét khối tinh thể rắn dx, dy, dz có N
điện tử. Nếu bỏ qua tương tác giữa các điện tử cũng như giữa thế điện tử với thế
tinh thể, thì mô hình này được gọi là mô hình khí điện tử tự do ba chiều [8].
Mô hình khí điện tử tự do là mô hình đơn giản hóa khi không tính đến
tương tác điện tử – điện tử, điện tử – tinh thể, nhưng các biểu thức và các kết
luận có được từ tính toán cơ học lượng tử lại không có sai khác gì nhiều so với
mô hình hệ thống thực. Trong nhiều trường hợp, để đảm bảo tính chính xác của
mô hình khí điện tử, người ta thay thế khối lượng điện tử tự do m bằng khối
lượng hiệu dụng m*. Trong mô hình khí điện tử tự do, mỗi điện tử trong chất rắn
di chuyển với vận tốc:
5
),,( zyx vvvv 

Năng lượng của một điện tử chỉ có thành phần động năng:
)(
2
1
2
1 2222
zyx vvvmvmE 

Theo nguyên lý loại trừ Pauli, mỗi quỹ đạo điện tử chỉ có tối đa hai điện tử có
spin trái dấu (ms = +½ và ms = – ½). Trong vật lý chất rắn, để mô tả trạng thái
của hạt, người ta thường sử dụng véc tơ sóng ),,( zyx kkkk 

thay vì véc tơ vận
tốc. Giá trị tuyệt đối || kk

 là số sóng. Véc tơ sóng k

tỉ lệ trực tiếp với mô men
tuyến tính p

và vì thế cũng tỉ lệ tuyến tính với vận tốc v

của điện tử. Theo De
Broglie, số sóng có quan hệ với bước sóng λ của điện tử như sau:

2
||  kk

Bước sóng λ của điện tử di chuyển trong chất rắn có giá trị phổ biến cỡ chục nm,
nhỏ hơn kích thước của chất rắn rất nhiều. Thực tế, bước sóng phụ thuộc vào
mật độ điện tử, bước sóng của các điện tử trong kim loại có giá trị phổ biến cỡ
10nm, trong bán dẫn cỡ 10nm đến 1μm.
Số lượng trạng thái trên một đơn vị khoảng cách giữa hai số sóng gọi là
mật độ trạng thái, kí hiệu là D3d(k). Ví dụ, D3d(k)Δk là số lượng điện tử trong
chất rắn trên khoảng cách giữa hai số sóng k và k + Δk. Nếu biết được mật độ
trạng thái trong chất rắn, chúng ta có thể tính được tổng số lượng điện tử có số
sóng nhỏ hơn một giá trị kmax nào đó. Kết quả thu được kí hiệu là:

max
0
3max .)()(
k
d dkkDkN
Khi chất rắn ở trạng thái cơ bản (ground state, 0
0
K), tất cả các điện tử đều có số
sóng k ≤ kF, với kF là số sóng Fermi. Trong một khối chất rắn, các trạng thái
phân bố đồng đều trong không gian k

, nên số lượng trạng thái giữa k và k + Δk
tỉ lệ với k
2
Δk (hình 1.1). Khi Δk → 0, ta có:
2
3
)(
)( k
dk
kdN
kD d 
Thay vì biết mật độ trạng thái trong một khoảng số sóng nào đó, chúng ta nên
biết một thông số có ích hơn: số lượng điện tử có năng lượng trong khoảng E và
E + ΔE. Ta có E tỉ lệ với v
2
, mà v tỉ lệ tuyến tính với k, nên E(k) tỉ lệ với k
2
, và vì
thế Ek  . Cuối cùng, ta có:
EdE
dk 1

Ta suy ra mật độ trạng thái của khí điện tử ba chiều:
6
E
E
E
dE
dk
dk
kdN
dE
EdN
ED d 
1)()(
)(3
Biểu thức trên cho một kết luận đơn giản để mô tả vật liệu khối và được vẽ dưới
dạng biểu đồ trong hình 1.1. Các trạng thái có thể tìm thấy điện tử thì gần như
liên tục.

Hình 1.1. Các điện tử trong khối chất rắn ba chiều [8]. (a) Chất rắn này có
thể được mô hình hóa thành một tinh thể vô hạn dọc theo cả ba chiều x, y, z.
(b) Giả thiết về điều kiện biên tuần hoàn làm cho nghiệm của phương trình
Schrodinger của các điện tử tự do có dạng sóng đứng. Các số sóng tương
ứng (kx, ky, kz) được phân bố tuần hoàn trong không gian đảo k. Mỗi một
chấm chỉ ra trong hình đại diện cho một trạng thái điện tử (kx, ky, kz). Mỗi
một trạng thái trong không gian k chỉ có thể bị chiếm chỗ bởi hai điện tử.
Trong một khối chất rắn, khoảng cách Δkx,y,z giữa các trạng thái điện tử riêng
lẻ là rất bé, và vì thế các trạng thái phân bố một cách gần như liên tục trong
không gian k. Một khối cầu bán kính kF chứa tất cả các trạng thái có k = (kx
2

+ ky
2
+ kz
2
)
1/2
< kF. Trong trạng thái cơ bản, ở 0 0 K, tất cả các trạng thái có k < kF đều bị hai điện tử chiếm chỗ, còn các trạng thái khác thì rỗng. Vì các trạng thái phân bố đồng đều trong không gian k, nên số trạng thái trong một đơn vị thể tích nào đó sẽ tỉ lệ với k 3 . (c) Quan hệ tán sắc đối với các điện tử trong khối chất rắn ba chiều. Năng lượng của các điện tử tự do tỉ lệ với bình 7 phương số sóng, thể hiện trên đồ thị là một parabôn. Đối với khối chất rắn, các trạng thái được phép phân bố gần như liên tục và khoảng cách giữa hai trạng thái kế cận (các điểm trên đồ thị) trong không gian k là rất bé. (d) Mật độ trạng thái D3d của các điện tử tự do trong một hệ ba chiều. Các mức năng lượng được phép phân bố gần như liên tục, mật độ trạng thái tỉ lệ với căn bậc hai của năng lượng E 1/2 . 1.1.2. Hệ hai chiều (màng nano tinh thể) Màng nano tinh thể là chất rắn hai chiều, có kích thước theo phương x, y dx dy lớn, có bề dày dz chỉ cỡ vài nm. Các điện tử vẫn có thể di chuyển tự do trong mặt phẳng x – y, nhưng không thể di chuyển tự do theo phương z. Hệ hai chiều này còn có tên gọi là khí điện tử hai chiều (2DEG: 2–Dimensional Electron Gas) [8]. Khi một chiều nào đó của chất rắn có kích thước bé hơn bước sóng De Broglie của hạt mang điện tự do, thì cần phải có thêm năng lượng để giam cầm, chống lại sự chuyển động của các hạt dọc theo phương này. Lúc đó, sự di chuyển của điện tử dọc theo phương này sẽ trở nên lượng tử hóa như được chỉ ra ở hình 1.2. Không có điện tử nào thoát ra khỏi chất rắn được. Theo phương z, sự di chuyển của điện tử bị giam cầm trong một cái hộp. Hiện tượng này được mô tả bằng toán học bởi một giếng thế cao vô hạn có biên z = ± ½ dz. Hình 1.2. Mô hình hạt trong hộp đối với một điện tử tự do di chuyển dọc theo trục z. Sự di chuyển của các điện tử theo phương z bị giam cầm trong hộp có bề dày d: vì các điện tử không thể thoát khỏi chất rắn (hộp), nên thế năng V(x) bằng không trong phạm vi chất rắn, nhưng bằng vô cùng ở các biên. Mật độ xác suất |ψ(z)| 2 là xác suất để một điện tử nằm ở vị trí x trong

Tác giả

Bùi Tấn Phúc

Nhà xuất bản

ĐHCN

Năm xuất bản

2008

Người hướng dẫn

Đinh Sơn Thạch

Định danh

V_L0_01736

Kiểu

text

Định dạng

text/pdf

Chủ đề

Chấm lượng tử,Công nghệ nanô,Khoa học vật liệu,Vật liệu Nanô

Nhà xuất bản

Khoa vật lý kỹ thuật và công nghệ nano,

Trường đại học Công nghệ

Các đánh giá

Hiện chưa có đánh giá cho sản phẩm.

Hãy là người đầu tiên đánh giá “Chế tạo chấm lượng tử có cấu trúc lõi/vỏ CdSe/Cds và nghiên cứu tính chất quang phụ thuộc vào độ dày lớp vỏ”

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *