Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, vật liệu nanô được xem là vật liệu của thế kỷ 21 và rất được chú ý đến do có các tính chất hóa học và vật lý vượt trội so với những vật liệu thông thường với đặc tính diện tích bề mặt rất lớn. Trong số những vật liệu nanô đó, CdS nanô đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu do có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật và công nghệ.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA VẬT LÍ - KTCN BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO CdS NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN MINH VƯƠNG LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, vật liệu nanô xem vật liệu kỷ 21 ý đến có tính chất hóa học vật lý vượt trội so với vật liệu thông thường với đặc tính diện tích bề mặt lớn Trong số vật liệu nanơ đó, CdS nanơ thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực khoa học kĩ thuật công nghệ Ứng dụng vật lý, chấm lượng tử hướng tới để sản xuất linh kiện điện tử diode phát quang (LEDs), laser chấm lượng tử có hiệu suất cao dịng ngưỡng thấp Ngồi cơng nghệ nano cịn nhiều ứng dụng quan trọng nhiều ngành nghề khác y tế, an ninh quốc phòng, thực phẩm, v.v… Với lý trên, chọn đề tài: “ Nghiên cứu bán dẫn cấu trúc nano CdS” với mục tiêu cho thấy tính chất vật lí, phương pháp chế tạo nano CdS ứng dụng NỘI DUNG NGHIÊN CỨU + Cấu trúc bán dẫn CdS Khảo sát đặc trưng, tính chất hình dạng, kích thước CdS nano + Các phương pháp chế tạo CdS nano Những ứng dụng thành tựu đạt vật liệu nano CdS Bài SEMINAR gồm chương: Chương Tổng quan vật liệu nano Chương 2.Cấu trúc mạng tinh thể vật liệu CdS Chương Phương pháp chế tạo nano CdS Chương Tính chất quang vật liệu nano CdS Chương Ứng dụng thành tựu nano CdS CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO - Định nghĩa vật liệu nano - Phân loại vật liệu nano - Đặc trưng vật liệu nano: + Hiệu ứng lượng tử + Hiệu ứng bề mặt + Hiệu ứng kích thước CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO I Định nghĩa phân loại vật liệu nano Định nghĩa Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nanomet (nm) Phân loại * Theo trạng thái: trạng thái rắn, lỏng khí * Theo hình dáng vật liệu: + Vật liệu nano không chiều: vật liệu ba chiều có kích thước nanomet Ví dụ: đám nano, hạt nano… + Vật liệu nano chiều: vật liệu hai chiều có kích thước nanomet Ví dụ: ống nano, dây nano… + Vật liệu nano hai chiều: vật liệu chiều có kích thước nanomet Ví dụ: màng nano… Ngồi cịn có vật liệu nanocomposit Ví dụ: nanocomposit bạc/ silica, bạc/uretan… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO II Đặc trưng vật liệu nano Một đặc điểm quan trọng vật liệu nano kích thước hạt vơ nhỏ bé Do vậy, hầu hết nguyên tử "phơi" bề mặt bị che chắn không đáng kể xuất hiệu ứng Hiệu ứng lượng tử Do kích thước vật liệu nhỏ, hệ có ngun tử nên tính chất lượng tử thể rõ Điều làm xuất vật liệu nano tượng lượng tử kỳ thú thay đổi tính chất điện tính chất quang phi tuyến vật liệu, hiệu ứng đường ngầm Hiệu ứng bề mặt Nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với nguyên tử bên Vì thế, hiệu ứng có liên quan đến bề mặt như: khả hấp phụ, độ hoạt động bề mặt CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO Hiệu ứng kích thước Khi giảm kích thước vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ 100 nm) đại lượng lý, hóa khơng cịn bất biến nữa, ngược lại chúng thay đổi theo kích thước Hiện tượng gọi hiệu ứng kích thước Kích thước mà đó, vật liệu bắt đầu có thay đổi tính chất gọi kích thước tới hạn Các nghiên cứu cho thấy tính chất điện, từ, quang, hóa học vật liệu có kích thước tới hạn khoảng từ nm đến 100 nm CHƯƠNG CẤU TRÚC MẠNG TINH THỂ CỦA CdS * CdS: vùng cấm rộng, có chuyển dời thẳng, hiệu suất phát quang cao, phổ hấp thụ vùng nhìn thấy * CdS có dạng cấu trúc là: cấu trúc lập phương giả kẽm cấu trúc lục giác Wurtzite Cấu trúc lập phương giả kẽm Trong ô sở có phân tử CdS có tọa độ: 4S: (0,0,0); (0,1/2,1/2); (1/2,0,1/2); (1/2;1/2.0) Cd: (1/4, 1/4, 1/4), (1/4, 3/4, 3/4); (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4) Mỗi nguyên tử Cd (S) bao bọc nguyên tử S (Cd) đỉnh tứ diện với khoảng cách √3 a/4 CHƯƠNG CẤU TRÚC MẠNG TINH THỂ CỦA CdS Mỗi nguyên tử S (Cd) bao bọc 12 nguyên tử lại, chúng lân cận bậc hai nằm khoảng cách √2 a/2 ( với a = 5,820 A0 ) → CdS có tính dị hướng Cấu trúc Wurtzite Trong ô sở có phân tử CdS, tọa độ nguyên tử sau: 2S: (0,0,0); (1/3,2/3,1/2) 2Cd: (0, 0, u), (1/3, 2/3, ½ + u) u ~ 3/8 Mỗi nguyên tử Cd liên kết với nguyên tử S nằm đỉnh tứ diện gần Hình 1.2: Mơ hình cấu trúc Wurtzite CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CdS •Phương pháp chung chế tạo vật liệu nano •Phương pháp chế tạo CdS: - chế tạo đơn tinh thể CdS từ đa tinh thể CdS - CdS nghiền lượng cao → chấm lượng tử CdS - chế độ ủ nhiệt cho sản phẩm - ảnh nhiễu xạ phổ tán xạ sản phẩm CHƯƠNG TÍNH CHẤT QUANG CỦA TINH THỂ NANO CdS Để giải thích phổ phát xạ tinh thể nano CdS ta sử dụng mơ hình sau: Nguồn gốc phát xạ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống tự hay cặp điện tử lỗ trống liên kết với bẫy sâu bẫy nơng hình thành bề mặt Với tinh thể nano CdS chế tạo được, huỳnh quang vùng sóng ngắn ~465 nm trạng thái bẫy liên quan đến trạng thái bề mặt CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS *Với tính chất quang học, CdS kích thước xác định phát ánh sáng có màu sắc riêng biệt chiếu tia cực tím Kích thước CdS lớn tạo ánh sáng có bước sóng dài (ánh sáng đỏ) Có kích thước nhỏ phát ánh sáng có bước sóng ngắn (ánh sáng xanh) Màu sắc ánh sáng thay đổi tương ứng với kích thước CdS Như vậy, cách thay đổi kích thước CdS, tạo sắc độ quang phổ ánh sáng với độ khiết mà loại vật liệu đạt *CdS loại tinh thể nano nhân tạo nên dễ kiểm sốt kích thước để đạt tính chất xác mong muốn Với khả độc đáo kích cỡ siêu nhỏ cho phép hàng tỷ CdS nằm gọn đầu đinh, công nghệ nhanh chóng cải tiến hàng loạt ứng dụng trở nên nhỏ, gọn, tiết kiệm hiệu Trong bật ứng dụng quang học CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS CdS mang đến cho hệ hình TV, máy tính thiết bị di động lợi ích quan trọng Với cơng nghệ hình chấm lượng tử, ánh sáng chiếu qua màng mỏng tinh thể nano tạo màu sắc Kích thước khoảng cách hạt nhỏ nên hiệu truyền dẫn cao Nhờ thiết bị hoạt động nhanh hơn, bền tốn lượng Cuối cùng, kích thước nano mang lại độ phân giải cao Do đó, hệ hình chấm lượng tử tái tạo hình ảnh đẹp, xác sống động gấp nhiều lần so với hình tinh thể lỏng CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Pin mặt trời hiệu suất cao Công nghệ chấm lượng tử (CLT) cải thiện đáng kể hiệu hấp thu chuyển đổi pin mặt trời + Thay silicon ép lớp kính (pin truyền thống) màng mỏng tinh thể nano bán dẫn để hấp thụ ánh sáng + Nhờ kết hợp nhiều kích cỡ tinh thể nano, pin mặt trời CLT dễ dàng hấp thu toàn phổ phát xạ mặt trời, giúp cắt giảm chi phí độ phức tạp sản xuất pin mặt trời Hiệu lý thuyết đạt 66% so với mức chưa đến 20% dùng vật liệu truyền thống Sử dụng màng tinh thể nano, đặc biệt CLT trở thành hướng nghiên cứu quan trọng nhằm giảm giá thành thúc đẩy sử dụng nguồn lượng mặt trời Pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử Đại học Toronto chế tạo CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Cảm biến quang học vượt trội Cảm biến huỳnh quang sinh học điều trị ung thư ứng dụng quan tâm CLT lĩnh vực y tế + Kích thước nhỏ giúp tinh thể lưu thông khắp nơi thể phát sáng tác dụng tia cực tím Nhờ chuyên gia quan sát trình hấp thụ vật chất da nội tạng, nghiên cứu tích tụ hóa chất có sản phẩm thương mại bao bì, mỹ phẩm,… lên thể + So với thuốc nhuộm hữu sử dụng ứng dụng y sinh tại, cảm biến CLT cho hiệu vượt trội phát sáng tốt hơn, lâu nhiều màu sắc Dựa nghiên cứu cịn thiết kế CLT mang thuốc chống ung thư với liều xác nhắm vào tế bào cụ thể, làm giảm tác dụng phụ khơng mong muốn phương pháp hóa trị truyền thống. CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Chuột tiêm chấm lượng tử phát sáng ánh đèn tia cực tím CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Máy tính lượng tử dùng chấm lượng tử + CLT “ứng cử viên” đầy hứa hẹn cho hệ máy tính lượng tử tương lai Máy tính lượng tử sử dụng CLT thay cho bóng bán dẫn (transistor) máy tính thường, giúp lưu trữ xử lý thông tin nhanh hàng triệu lần + Bản chất “lượng tử” của tinh thể nano cịn hỗ trợ bảo mật thơng tin an tồn tuyệt đối Chỉ tác động nhỏ chép trộm liệu làm thay đổi trạng thái thông tin khiến ta dễ dàng phát CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Một số ứng dụng khác Cùng chất chấm lượng tử có kích thước khác phát xạ màu khác ánh sáng hồng ngoại tử ngoại Lợi dụng tính chất này, nhiều nước giới sử dụng chấm lượng tử để đánh dấu hàng hoá, chứng từ tiền giấy nhằm chống làm giả, tiêm chấm lượng tử vào thể động vật để quan sát, chụp ảnh quan, tế bào Ngồi ra, chấm lượng tử cịn có tiềm sử dụng để dò ung thư, đưa thuốc tới tế bào ung thư, v.v… CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Các lọ CLT Viện Khoa học Vật liệu chế tạo, dùng để đánh dấu tế bào ung thư phát thuốc trừ sâu nồng độ cực thấp Dưới ánh sáng tử ngoại, thấy rõ chấm lượng tử phát màu sắc khác đồng tiền euro CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Các chuyên gia thuộc Trường Y Emory thành công việc gắn chấm lượng tử với kháng thể nhận dạng tế bào ung thư định Sau họ dùng chấm để xác định vùng ung thư chuột CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Các nhà khoa học thuộc ĐH Carnegie Mellon (Mỹ) tiêm chấm lượng tử vào thể động vật Những tinh thể tuần hoàn nhiều cung cấp tín hiệu huỳnh quang tháng khoảng thời gian phát quang dài chấm lượng tử thể sống Công nghệ giúp nghiên cứu động vật thời gian dài CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA TINH THỂ NANO CdS Như vậy, chấm lượng tử nói chung chấm lượng tử CdS nói riêng có nhiều ứng dụng quan trọng đem lại nhiều ích lợi cho người Song bên cạnh để chế tạo ứng dụng cách thành cơng chấm lượng tử cần phải có cơng nghệ tiên tiến, đội ngũ nhà nghiên cứu đủ trình độ nhiệt huyết để thực Hiện thiết bị, máy móc dùng chế tạo chấm lượng tử cịn đắt, quy trình chế tạo phức tạp, tốn kém; dẫn đến giá thành sản phẩm ứng dụng công nghệ chấm lượng tử rẻ nên chưa sử dụng rộng rãi đời sống ngày Trong tương lai gần cơng nghệ chế tạo chấm lượng tử ứng dụng chắn phát triển vượt bậc áp dụng rộng rãi lĩnh vực nhằm phục vụ cho người toàn xã hội KẾT LUẬN Qua Seminar cho ta thấy cấu trúc mạng tinh thể vật liệu CdS, tính chất quang chấm lượng tử CdS phương pháp chế tạo Đặc biệt, ứng dụng thành tựu đạt chấm lượng tử lĩnh vực đời sống xã hội Bên cạnh cịn cho ta thấy triển vọng tầm quan trọng lâu dài chấm lượng tử khoa học công nghệ Việt Nam toàn giới Song với hạn chế định kiến thức khoa học, phương pháp nghiên cứu mặt thời gian Đồng thời, Seminar nhóm chúng tơi chủ yếu nghiên cứu nhiều mặt lí thuyết chấm lượng tử CdS chưa sâu vào thực nghiệm chế tạo mẫu CdS nên Seminar nhiều thiếu sót hạn chế Mong đóng góp thầy bạn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Minh Vương, (2008), "Nghiên cứu chế tạo số tính chất quang vật liệu nano ZnS:Mn không bọc phủ bọc phủ polymer“, Luận văn Thạc sĩ khoa học Vật lí, Hà Nội [2] Trần Thị Kim Chi, (2010), ” Hiệu ứng kích thước ảnh hưởng lên tính chất quang CdS, CdSe CulnS2”, Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu, Hà Nội [3] Phạm Trung Kiên, Lê Hồng Phong, Nguyễn Thế Anh, Nguyễn Văn Huy, (2011), “ Công nghệ chế tạo tính chất quang chấm lượng tử CdS”, Tiểu luận Vật lí, Thái Ngun LỜI CẢM ƠN Nhóm 6: Trần Thị Phương Nguyễn Thị Ý Nhi Trần Thị Bích Nhạn Hồ Thị Kim Son Nguyễn Ngọc Sâm XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý THEO DÕI BÀI SEMINAR ... tạo nano CdS Chương Tính chất quang vật liệu nano CdS Chương Ứng dụng thành tựu nano CdS CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO - Định nghĩa vật liệu nano - Phân loại vật liệu nano - Đặc trưng vật liệu. .. + Vật liệu nano chiều: vật liệu hai chiều có kích thước nanomet Ví dụ: ống nano, dây nano? ?? + Vật liệu nano hai chiều: vật liệu chiều có kích thước nanomet Ví dụ: màng nano? ?? Ngồi cịn có vật liệu. .. thước CdS nano + Các phương pháp chế tạo CdS nano Những ứng dụng thành tựu đạt vật liệu nano CdS Bài SEMINAR gồm chương: Chương Tổng quan vật liệu nano Chương 2 .Cấu trúc mạng tinh thể vật liệu CdS