Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 4 4 1 Giới thiệu Như đã thảo luận trong Chương 3, các cấu trúc nano trong đó các hạt tải điện (electron và lỗ trống) được giới hạn trong các vùng có kích thước nanomet ở cả ba chiều được gọi là.
Machine Translated by Google Chương Chấm lượng tử bán dẫn 4.1 Giới thiệu Như thảo luận Chương 3, cấu trúc nano hạt tải điện (electron lỗ trống) giới hạn vùng có kích thước nanomet ba chiều gọi chấm lượng tử Mặc dù giam cầm thực chất bán dẫn kim loại gốm, thuật ngữ chấm lượng tử thường dành riêng cho hạt bán dẫn Một hạt nano chất bán dẫn, có kích thước vài nm, bao phủ lớp chất bán dẫn có khoảng cách dải cao hơn, ví dụ chấm lượng tử Những cấu trúc chế tạo hóa chất keo, in thạch cách tăng trưởng epiticular Trong trường hợp đầu tiên, chấm lượng tử đứng tự hai trường hợp sau, chấm lượng tử chế tạo thành mảng đế Trong phần này, thảo luận chi tiết chấm lượng tử bán dẫn chúng lớp cấu trúc nano quan trọng Một chấm lượng tử phải đủ nhỏ cho khoảng cách mức lượng vượt kT – khơng tính rời rạc mức lượng bị che khuất lượng nhiệt đủ để kích thích electron lên mức lượng cao Ở nhiệt độ phòng (300 K) kT = 26 meV Theo nguyên tắc thông thường, khoảng cách mức lượng phải 3kT Khoảng cách mức lượng, E, thay đổi chấm lượng Ví dụ, tính tốn cho thấy InAs, kích thước tử 1/L khơng lớn 20 nm Giới hạn kích thước chấm lượng tử cố định theo yêu cầu phải chứa electron Kích thước tới hạn thấp tương đối lớn chất bán dẫn so với kim loại chất cách điện Ví dụ, kích thước tối ưu cho chấm lượng tử InAs từ đến 20 nm 117 Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn toàn không phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google 118 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano 4.2 Các mức lượng thay đổi độ rộng vùng cấm theo kích thước lượng tử dấu chấm Như thảo luận Chương 3, mức lượng chấm lượng tử lượng tử hóa giống nguyên tử, điểm khác biệt chấm lượng tử, khoảng cách mức lượng nhỏ khoảng cách nguyên tử; nữa, phân tách phụ thuộc vào kích thước chấm lượng tử, chấm lượng tử nhỏ có phân tách lớn mức lượng Hình 4.1 so sánh quan hệ tán sắc E k khối chất rắn chấm lượng tử Trong khối chất rắn, điểm cách đường cong E so với k đến mức đường cong gần liên tục Trong chấm lượng tử, có mức lượng rời rạc phân tách rõ ràng, với lượng thấp (năng lượng điểm không) khác không Kết là, khoảng cách vùng cấm mức lượng thấp electron lỗ trống chấm lượng tử lớn so với khối (xem Hình 4.1) Năng lượng k Ví dụ (số lượng lớn) Ví dụ(qd) Hình 4.1 So sánh quan hệ tán sắc (E so với k) chất bán dẫn khối chấm lượng tử Phần lớn trạng thái gần liên tục biểu thị parabol liên tục Trong chấm lượng tử, trạng thái rời rạc điểm parabola Khoảng cách dải cho chấm lượng tử lớn khoảng cách dải cho số lượng lớn Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn toàn không phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google 119 Chấm lượng tử bán dẫn Từ phương trình (3.23) (3.24) rõ ràng giới hạn lớn (giá trị l d nhỏ hơn) dẫn đến lượng điểm không cao khoảng cách lớn mức lượng riêng lẻ Điều dẫn đến khoảng cách băng tần lớn Một biểu thức gần cho phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào kích thước chấm lượng tử rút sau [55] Độ rộng vùng cấm chấm lượng tử tổng độ rộng vùng cấm lớn lượng giam giữ electron lỗ trống Năng lượng giam cầm đưa h kinh tế = * 2* 2lm _ gọi khối lượng rút gọn exciton liên quan đến m khối lượng electron lỗ trống theo hệ thức 111 += * mmm anh Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Ngoài hai thuật ngữ đề cập trên, cịn có thuật ngữ thứ ba góp phần tạo khoảng cách trình độ Đây lực hút Coulomb lỗ trống electron cho e coul _ = 8.12 e 2πεεo Biểu thức cho khoảng cách dải chấm lượng tử sau viết BẰNG EEEEE +=++= – dotg bulkg conf )()( Số lượng Vì l nghịch đảo h lớn Coulomb )( 2 2* 2m l 8.12 e πεεo tơi phụ thuộc, thuật ngữ tích cực chiếm ưu giá trị thấp l khoảng cách dải tăng kích thước dấu chấm giảm Khoảng cách vùng cấm chấm lượng tử bán dẫn ước tính từ quang phổ hấp thụ chúng Trong Chương 3, biến đổi độ rộng vùng cấm chấm lượng tử CdSe theo kích thước, ước tính từ phổ hấp thụ, thể Hình 3.1(c) Khoảng cách dải tính mơ hình đơn giản Machine Translated by Google 120 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano Hình 4.2 Xác định độ rộng vùng cấm chấm lượng tử cách đo đại lượng (dI/dV)/(I/ V) dạng hàm độ lệch dc áp dụng chấm lượng tử cách sử dụng STM ; đại lượng (dI/dV)/(I/V) tỷ lệ thuận với mật độ trạng thái khoảng cách dải — mức độ sai lệch mà mật độ trạng thái tạo khoảng cách dải, Ví dụ , chấm lượng tử [56] mô tả phù hợp với thử nghiệm kích thước lớn khơng phù hợp với kích thước thấp phép tính gần sử dụng Khoảng cách dải chấm lượng tử đo STM Một điện áp xoay chiều nhỏ (20 mV, kHz) ấn vào đầu đo thay đổi dòng điện theo điện áp, dI/dV Đại lượng (dI/dV)/(I/V) tỷ lệ với mật độ trạng thái Hình 4.2 biểu thị sơ đồ đồ thị đại lượng so với độ lệch dc áp dụng cho chấm lượng tử Khi mật độ trạng thái khoảng cách dải 0, đồ thị đưa giá trị khoảng cách dải Ngồi hiệu ứng kích thước, biến dạng tích hợp lớn chấm gây thay đổi lớn độ rộng vùng cấm hiệu dụng chấm lượng tử Ví dụ, khoảng cách dải chấm lượng tử InAs kẹp lớp GaAs đo 1,25 eV, lớn nhiều so với giá trị InAs số lượng lớn ~ 0,4 eV Sự thay đổi độ rộng vùng cấm chấm lượng tử theo kích thước gây thay đổi phổ hấp thụ ánh sáng chúng thấy Hình 3.1(b) Các đỉnh quang phổ hấp thụ tương ứng với độ rộng vùng cấm Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 121 chấm lượng tử bán dẫn Trong thảo luận exciton Chương 3, lưu ý hấp thụ photon có lượng ≥ Eg (Eg = độ rộng vùng cấm) tạo cặp electron-lỗ trống mà cặp tái hợp điều kiện cho phép quỹ đạo chúng trùng Sự tái hợp này, điều kiện thích hợp, dẫn đến giải phóng lượng dạng phát xạ photon có lượng tương ứng với độ rộng vùng cấm Chấm lượng tử xuất để hiển thị màu lượng photon phát nằm vùng khả kiến Sự phân bố lượng phát gọi quang phổ huỳnh quang Quang phổ chuyển sang bước sóng thấp kích thước chấm lượng tử giảm điều gây gia tăng độ rộng vùng cấm chấm lượng tử Sự dịch chuyển sang bước sóng thấp gọi dịch chuyển màu lam Do “sự dịch chuyển màu lam” quang phổ hấp thụ với kích thước giảm, màu sắc huyền phù chấm lượng tử chuyển từ đỏ sang lam–lục kích thước giảm [57] Lưu ý để cung cấp khả giam giữ electron hiệu quả, chấm lượng tử phủ chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm cao hơn, trường hợp giếng lượng tử Các chấm lượng tử gọi hạt “lõi-vỏ” chất bán dẫn có khe hở dải thấp lõi lớp phủ có khe hở dải cao lớp vỏ Hạt lõi-vỏ ký hiệu “vỏ @ lõi”; ví dụ chấm lượng tử phủ ZnS CdSe ký hiệu ZnS @CdSe 4.3 Sự phong tỏa Coulomb chấm lượng tử Hãy xem xét xếp lớp cách điện đặt hai điện cực dẫn điện Sự xếp gọi diode đường hầm vì, lớp cách điện đủ mỏng, electron chui qua từ điện cực sang điện cực Nếu điện áp đặt điện cực, người ta quan sát thấy dòng điện chạy qua electron chui vào chui khỏi lớp cách điện Đối với kích thước vĩ mơ, dịng điện liên tục đường hầm điện tử riêng lẻ xuất dạng dao động nhỏ dòng điện Tuy nhiên, màng mỏng thay chấm lượng tử quan sát thấy tượng khác Bây có xếp Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google Hiện hành 122 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano Lớp cách điện điện cực Chấm lượng tử V Vơn (b) (Một) Hình 4.3 (a) Sắp xếp để quan sát tượng phong tỏa Coulomb (b) Dịng điện so với điện áp thơng qua chấm lượng tử, minh họa tượng phong tỏa Coulomb chấm lượng tử nối với hai điện cực hai bên với điện cực ngăn cách với chấm lượng tử lớp cách điện (Hình 4.3 a) Sự xếp hoạt động tụ điện Khi điện tử chui qua nó, tụ điện tích điện với điện tích bản, gây tích tụ điện áp = e/C e điện tích = 1,6 × 10-19 Coulomb C điện dung điốt đường hầm Nếu C đủ nhỏ, điện áp tích tụ lớn Ở điện áp phân cực nhỏ, khơng có dịng điện chạy qua hệ thống, xác suất electron chui qua lớp cách điện thấp Hơn nữa, lượng sạc e /2C tụ điện cần cung cấp Do đó, điện áp ngưỡng định, Vth = e/2C, không quan sát thấy dòng điện Khi tăng điện áp, dòng điện nhảy Vth Do đó, dịng điện bị chặn trừ điện áp tăng lên theo mức ngưỡng Hiện tượng gọi phong tỏa Coulomb Điện dung mối nối phụ thuộc vào kích thước Đối với chấm lượng tử hình đĩa hình cầu, điện dung 8ε0εrr 4πε0εrr Đối với chấm lượng tử, r nhỏ cho điện áp ngưỡng, e/C, đo Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscient 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 123 Giả sử electron vào chấm lượng tử qua đường giao bên trái (Hình 4.3 a) Điều khiến cho electron khác chui khỏi chấm lượng tử thông qua điểm nối khác thuận lợi mặt lượng Do đó, dịng điện chạy qua chấm lượng tử Số lượng electron trung bình chấm lượng tử điện áp tăng thêm so với điều kiện sai lệch khơng Để tăng dịng điện, điện áp phải tăng thêm Vth Do đó, đặc tính cầu thang loại IV quan sát Hình 4.3(b) Ví dụ 4.1 Tính kích thước chấm lượng tử hình cầu Si tạo hiệu ứng electron đơn lẻ quan sát nhiệt độ phòng Giải pháp Sự thay đổi lượng sạc tụ điện chấm lượng tử phải lớn nhiều so với kT để quan sát hiệu ứng điện tử đơn lẻ Ở 300 K, kT = 1,38 x 10-23 J K-1 x 300 K = 414 x 10-23 J Lấy eV = 1,602 x 10-19 J, kT = 258,43 x10-4 eV = 25,84 meV Sự thay đổi lượng nạp electron vào chấm lượng tử /2C = e Điện dung = qtụ điện /2C Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở hình cầu , C = 4πεε0r = 4π x 11,5 x 8,85 x 10-12 x r (lấy số điện môi silic 11,5 độ thấm máy hút bụi , ε0 = 8,85 x 10-12 Fm-1.) C = 1278,294 x r x 10-12 F = 1,278 x r x 10-18 F, r tính nm Năng lượng thay đổi sạc electron /2C =(1,6 x = e10-19) /2 x1,278 x r 10-18 J = = 0,0626/r eV Năng lượng phải lớn nhiều so với kT để quan sát hiệu ứng electron đơn lẻ , tức 0,0626/r eV >> 0,02584 eV 300K 0,0626/r ≈ 0,5 x 0,02584 = 0,1292 (giả sử) r ≈ 0,5 nm Do đó, chấm lượng tử phải có bán kính cỡ 0,5 nm để hiệu ứng quan sát nhiệt độ phòng Một yêu cầu khác để quan sát hiệu ứng electron đơn lẻ dao động số lượng electron chấm lượng tử phải không đáng kể Hằng số thời gian cho mạch RC RC Thời gian để electron di chuyển vào khỏi lớp tiếp giáp phải theo thứ tự Machine Translated by Google 124 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano Theo nguyên lý bất định Heisenberg, tích thay đổi lượng kèm với chuyển giao thời gian thực phải lớn h, số Planck e t > h ( đ /2C).RC >h R >2 h/e2 = 51,6 kΩ 4.4 Sự hình thành chấm lượng tử tự lắp ráp cách lắng đọng epiticular 4.4.1 Giới thiệu Các chấm lượng tử chế tạo số phương pháp hóa keo, in thạch tăng trưởng epiticular Các phương pháp hóa keo phù hợp để tạo huyền phù chấm lượng tử cho ứng dụng gắn thẻ sinh học Phương pháp tăng trưởng epiticular, dẫn đến hình thành dãy chấm lượng tử chất tương thích với thực tiễn xử lý chất bán dẫn nghiên cứu tích cực nhằm ứng dụng laser Sau đây, sau nhận xét ngắn gọn phương pháp giải, xem xét số chi tiết việc chuẩn bị chấm lượng tử tự lắp ráp cách lắng đọng epiticular Trong phương pháp hóa học keo để điều chế chấm lượng tử, phản ứng tiền chất chứa loài mong muốn thực dung dịch Trong phương pháp này, cần phải lắng đọng lớp phân tử thích hợp bề mặt hạt hình thành Các lớp gọi lớp phủ Mục đích lớp phủ ngăn chặn kết tụ hạt cách ổn định không gian số chế khác (xem chương 7) Ngồi ra, lớp phủ (i) hoạt động lớp rào cản khuếch tán để thúc đẩy phân bố kích thước hạt đồng (ii) chứa nhóm chức làm cho hạt nano hịa tan dung mơi khác (iii) ngăn chặn q trình oxy hóa hạt (iv) hoạt động rào cản điện môi bề mặt làm giảm mật độ Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 125 bẫy bề mặt (trong trường hợp hạt nano bán dẫn) Ví dụ lớp phủ thiol ankan (đặc biệt hạt kim loại quý) alkyl phosphin chuỗi dài oxit alkylphosphine (đối với chất bán dẫn), phốt phát, phosphonat, amit amin, axit cacboxylic chất thơm chứa nitơ, v.v Lớp phủ liên kết với bề mặt liên kết tọa độ tương đối yếu Điều cho phép phân tử đóng nắp sau dễ dàng loại bỏ thay phân tử khác có chức mong muốn Việc tổng hợp tinh thể nano CdSe đường kim cung cấp ví dụ tổng hợp dung dịch [58] Để đạt phân bố kích thước hạt hẹp, bước tạo mầm tăng trưởng tách biệt rõ ràng Các tiền chất dimethyl cadmium, Cd(CH3)2 trioctylyphosphine selenide (TOPSe) bơm vào dung môi giữ 300–320o C Ở nhiệt độ này, tốc độ tạo mầm CdSe cao Sau đó, nhiệt độ nhanh chóng hạ xuống 250–300o C, khơng xảy trình tạo mầm phát triển hạt nhân hình thành tiếp tục Các dung mơi sử dụng q trình tổng hợp trioctylphosphineoxide (TOPO) trioctylyphosphine (TOP) Đây gọi dung mơi phối hợp đóng vai trị chất đóng nắp Các phân tử TOPO TOP chứa nhóm quyên góp giàu điện tử Phân tử đóng vai trị bazơ Lewis phối trí với kim loại nghèo electron chất bán dẫn Cd, Se, In Phân tử TOPO liên kết với vị trí bề mặt Cd thụ động hóa quỹ đạo lơ lửng bề mặt; vị trí bề mặt Se không liên kết bị thụ động phân tử TOP Lớp phủ phân tử cung cấp hàng rào khuếch tán dẫn đến phát triển hạn chế khuếch tán, dẫn đến phân bố kích thước hạt đồng 4.4.2 Chấm lượng tử lắng đọng epiticular Sự hình thành tự phát dãy chấm lượng tử lắng đọng dị vòng màng mỏng bán dẫn chất không khớp gây quan tâm đáng kể q trình dễ dàng tích hợp với kỹ thuật chế tạo chất bán dẫn thiết lập Hình 4.4 cho thấy hình ảnh AFM chấm lượng tử phát triển kỹ thuật Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google 126 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Hình 4.4 (a) Hình ảnh kính hiển vi lực ngun tử chấm lượng tử GaAs tự lắp ráp phát triển cách đặt GaAs đơn lớp lớp xen kẽ Si Mật độ số lượng chấm lượng tử x 1011 cm-2 kích thước bên trung bình 20 nm (b) biểu đồ chiều cao chấm lượng tử — độ phân tán theo chiều cao có tâm khoảng 1,3 nm (in lại từ [59] với cho phép Elsevier) Trong trình lắng đọng epiticular màng bán dẫn chất không khớp, đảo tự lắp ráp hình thành sau phát triển ban đầu vài (thường đến hai) lớp đơn lớp đồng tương tác bề mặt lượng biến dạng Vật liệu lắng đọng chọn để có độ rộng vùng cấm nhỏ so với chất Những hịn đảo sau bao phủ lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 127 Hình 4.5 Sự biến đổi tham số mạng độ rộng vùng cấm chất bán dẫn hợp kim bậc ba Gax In1-xAs theo thành phần Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn toàn không phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở đảo để cung cấp giam cầm lượng tử hiệu Một ví dụ điển hình điều lắng đọng GaInxAs1-x GaAs; đây, biến dạng không phù hợp mạng tinh thể thay đổi liên tục từ đến 7% cách thay đổi nồng độ In, x, từ đến (Hình 4.5) Trong chấm lượng tử tự tổ chức có biến dạng lớn xây dựng sẵn Biến dạng lớn gây thay đổi đáng kể vùng cấm Hình 4.5 4.4.3 Năng lượng hình thành chấm lượng tử tự lắp ráp — phát triển Stranski–Kranstanow Trong trình lắng đọng InxGa1-xAs GaAs (100), x > 0,25 đến 0,3, trình tăng trưởng diễn theo chế độ Stranski-Krastanow (SK) Trong chế độ tăng trưởng này, ban đầu hai lớp đơn lớp, màng hình thành đồng đế; tăng trưởng sau xảy dạng hịn đảo có khoảng cách gần (Hình 4.6) Ban đầu, màng phát triển theo kiểu epiticular đế (Hình 4.7 a), ứng suất lớn Machine Translated by Google 128 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano (Một) (b) Hình 4.6 (a) Trong chế độ tăng trưởng màng SK, độ che phủ đồng xảy số lớp đơn lớp, sau (b) hình thành đảo cách gần đồng phát triển phim không khớp mạng tinh thể chất phim - không khớp số mạng 1% phim InGaAs chất GaAs dẫn đến ứng suất cao tới GPa (xem Vấn đề 7) Năng lượng đàn hồi dự trữ màng ứng suất tăng lên độ dày màng tăng lên Để phát hành lượng, tăng trưởng chuyển sang chế độ đảo độ dày màng vượt giá trị tới hạn phụ thuộc vào giá trị x Vì cạnh đảo khơng bị hạn chế nên chúng giãn giảm lượng biến dạng (Hình 4.7 b) Sự giảm lượng tự ròng xảy mức Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở tăng lượng bề mặt hình thành đảo nhỏ mức giảm lượng biến dạng kèm Điều minh họa (Một) (b) Hình 4.7 (a) Trong trình tăng trưởng ngoại trục InAs GaAs, lớp InAs bị hạn chế để khớp với tham số mạng chất dẫn đến việc tạo ứng suất lớn lớp InAs (b) Sự hình thành đảo ưu tiên đảo khơng nằm ngang bị hạn chế thư giãn để giải phóng lượng căng thẳng Machine Translated by Google 129 Chấm lượng tử bán dẫn w h phim rắn phim rắn (b) (Một) phim rắn (c) Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Hình 4.8 (a) màng chịu ứng suất (b) đảo hình chóp vng có chiều rộng w chiều cao h hình thành phim (c) đảo cách phim sử dụng mơ hình đơn giản Chúng ta giả sử màng đồng nhất, trước bắt đầu chế độ mọc đảo, chịu ứng suất đồng (Hình 4.8) Bây xem xét hịn đảo có tiết diện vng hình thành phim Nếu chiều cao chiều rộng đảo h w , hình thành đảo kèm với gia tăng lượng bề mặt cung cấp Γ = 4wh γ Ở đây, γ lượng bề mặt đơn vị diện tích bề mặt đảo, trường hợp InxGa1-xAs Vì hịn đảo chất bên bao gồm loại vật liệu, nên khơng có thuật ngữ lượng liên vùng liên quan Nếu ban đầu, màng giả sử có ứng suất đồng σ, người ta cho hình thành đảo dẫn đến giãn hoàn toàn lượng biến dạng đàn hồi, sau lượng đàn hồi giảm xuống Machine Translated by Google 130 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano lượng căng thẳng kèm với hình thành đảo đưa ε =σ e 2 cách Sự thay đổi ròng lượng tự sau γ Fw= - σ2 2e Do đó, lượng rịng hệ thống bị hạ xuống số w > E σ γ Khi ứng suất phát triển tăng lên với không phù hợp tham số mạng, hình thành đảo xảy không phù hợp vượt giá trị tới hạn Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Ví dụ 4.2 Tính tốn ứng suất mặt phẳng phát triển màng mỏng InAs lắng đọng đồng đế GaAs Các liệu liên quan đưa Bảng 4.1 Giả sử ứng suất phát triển mặt phẳng phim hai trục theo phương x y nằm mặt phẳng phim Bảng 4.1 Các tham số mạng, tỷ lệ Poisson mô đun Young GaAs InAs [60] Tham số lưới vật liệu (ao )(nm) Tỷ lệ Poisson (ν) Young′s Modulus E (GPa) GaAs Trong As 0,565 0,31 8,77 0,606 0,35 5,22 Giải pháp Các mô đun hai trục cho biến dạng mặt phẳng phim đưa [61] M = Ở đâu µ mơ đun cắt ν )ν µ (1+ )/(1- Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 131 Giả sử phim InAs đẳng hướng, mô đun cắt InAs theo mô đun Young tỷ lệ Poisson = E/2(1+ν) = 5,22/2(1+0,35) = 1,93 GPa µ Do đó, mơ đun hai trục M = x 1,935 x1,35/0,65 = 8,03 GPa Biến dạng phát triển màng InAs lắng đọng đế GaAs ε = ao(GaAs) – ao(InAs) / aoInAs = (0,565-0,606)/0,606 = -0,06766 Ứng suất hai trục tức σxx σyy, phát triển màng InAs Vì = – 0,06766 x 8,03 = – 0,543 GPa Do ứng suất nén -0,543 GPa phát triển phim theo hướng x y Mơ hình mở rộng cho trường hợp mảng hịn đảo, khơng phải hịn đảo đơn lẻ, hình thành [62] Nếu đảo giả định cách nhau, với khoảng cách λ đảo (Hình 4.8 c), thay đổi lượng từ bề mặt màng phẳng sang bề mặt có đảo, biểu diễn theo cách tương tự Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở F = - σ2 λ 2 e +γ Do đó, lượng hệ thống bị hạ thấp hình thành đảo λ > 8γΕ/σ2 Sau đó, mảng đảo hình thành ứng suất σ, đó, mạng khơng khớp, vượt q giá trị tới hạn Một số hệ thống đáp ứng điều kiện sử dụng để phát triển chấm lượng tử, ví dụ Ge/Si, InGaAs/GaAs, CdSe/ZnSe GaN/AlN 4.4.4 Các lớp mảng chấm lượng tử xếp chồng lên Các chấm lượng tử nguồn sáng hấp dẫn hiệu suất xạ lớn phát xạ gần đơn sắc chúng Tuy nhiên, mật độ số lượng chấm chuẩn bị lắng đọng epiticular nhỏ— ví dụ: khoảng 1010 cm-2 chấm lượng tử InAs GaAs Điều có nghĩa phần nhỏ xạ kích thích tới hấp thụ cách hữu ích; ứng dụng laser, điều dẫn đến mức tăng phương thức thấp Cả hai đại lượng có tỷ lệ tổng số chấm Để tận dụng lợi tỷ lệ này, chấm phát triển thành nhiều lớp Machine Translated by Google 132 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano xếp chồng lên Ví dụ: chấm lượng tử Ga(In)As bao phủ lớp GaAs mỏng chu kỳ tăng trưởng khác cho Ga(In)As thực hiện, chấm lớp thứ hai phát thẳng hàng theo chiều dọc với chấm lớp lớp GaAs xen vào đủ mỏng xu hướng tiếp tục Một số lớp chấm lượng tử, với chấm lớp khác xếp cho nằm lớp trước, hình thành Các điểm lớp khác tương quan độ dày lớp GaAs vượt giá trị tới hạn Sự xếp theo chiều dọc chấm tồn độ dày tới hạn cho kết việc tạo phân bố biến dạng không đồng lớp GaAs chấm lượng tử Ga(In)As bị chôn vùi tương tác đàn hồi phân bố biến dạng đảo bề mặt căng [63] minh họa Hình 4.9 Ngồi ứng dụng đề cập Sec 4.1, chấm lượng tử tự lắp ráp thu hút quan tâm lớn ứng dụng tiềm chúng laze điốt bán dẫn cải tiến có dịng điện ngưỡng thấp, bước sóng thay đổi cách thay đổi kích thước chấm, laze xanh, máy dị hồng ngoại trung bình cho nhiệt dịng chảy tới Trong As Ở Asisland GaAsspace r Trong Aswettinglayer căng thẳng Ở Asisland Hình 4.9 Biến dạng chấm lượng tử lớp tạo trường ứng suất xuyên qua GaAs phát triển sau chấm phân rã nhanh chóng theo khoảng cách; lớp GaAs khơng q dày, trường ứng suất có đủ độ lớn để tạo mầm ưu tiên cho chấm phía chấm lớp trước Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 133 hình ảnh, laser hồng ngoại trung bình, v.v Tuy nhiên, vấn đề kích thước khơng đồng đều, khoảng cách khơng đồng dấu chấm khó truy cập vào dấu chấm cần phải giải trước ứng dụng thực 4.5 Các ứng dụng chấm lượng tử Sự có mặt vùng cấm làm cho chất bán dẫn phát ánh sáng bị kích thích xạ có lượng đủ lớn Trong chấm lượng tử, khoảng cách dải điều chỉnh cách thay đổi kích thước nó, điều ngụ ý bước sóng (tức màu) ánh sáng phát thay đổi cách thay đổi kích thước chấm lượng tử - chấm nhỏ dịch chuyển màu xanh lam ánh sáng phát Do đó, tồn dải màu thu từ chất liệu cách điều chỉnh kích thước chấm Điều làm cho chấm lượng tử đứng tự (ví dụ: chấm lượng tử điều chế quy trình keo) hữu ích làm thẻ phát quang cho phân tử sinh học (ví dụ: chuỗi DNA, ứng cử viên thuốc, tác nhân chiến tranh sinh học, v.v.) Theo truyền thống, phân tử thuốc nhuộm, phân tử hữu Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở thể phát quang ("chất huỳnh quang hữu cơ"), sử dụng làm thẻ cho phân tử quan tâm Các fluorophores hữu có số nhược điểm làm hạn chế tiến kỹ thuật phát Chúng bị tẩy trắng quang hóa (tức đặc tính phát quang bị kích thích ánh sáng, nhiều loại phát quang vịng vài giây), suy thối hóa học, độc tính, phổ phát xạ rộng, phổ hấp thụ hẹp suất lượng tử thấp [64] Ngược lại, chấm lượng tử chắn nhiều sử dụng ứng dụng địi hỏi thời gian chiếu sáng lớn hơn; chúng có phổ hấp thụ rộng mở rộng dải dẫn — đó, chấm phát vùng quang phổ khác bị kích thích bước sóng Hơn nữa, đề cập trước đó, chúng có xạ gần đơn sắc đuôi màu đỏ yếu so với phân tử thuốc nhuộm (Hình 4.10) Các loại phối tử khác kháng thể, peptide, protein, RNA, DNA, virus phân tử nhỏ gắn (liên hợp) vào chấm lượng tử Các chấm lượng tử sau sử dụng cho Machine Translated by Google 134 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano 1.0 0,8 cường độ chuẩn hóa 0,6 0,4 0,2 0,0 400 500 600 700 Bước sóng (nm) Hình 4.10 Phổ huỳnh quang fluorescein (thuốc nhuộm) mẫu tinh thể nano tan nước (NC) điển hình (đường cong chấm) Các tinh thể nano có dải phát xạ hẹp nhiều khơng có đỏ [57] Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở ứng dụng khác Ví dụ, chấm lượng tử kết hợp với kháng thể loại độc tố định, chẳng hạn độc tố dịch tả, gắn vào kháng nguyên độc tố dịch tả tiết lộ diện Khơng giống thuốc nhuộm, nhiều phối tử nhiều phối tử khác gắn vào chấm lượng tử, cho phép xét nghiệm đồng thời số chất độc Hơn nữa, phối tử phối tử nhắm mục tiêu tìm kiếm gắn vào kháng ngun, phối tử thuốc tác nhân tạo ảnh chẳng hạn lớp phủ thuận từ để tạo ảnh Do đó, chấm lượng tử tích cực khám phá cho ứng dụng vận chuyển thuốc có mục tiêu, để sàng lọc ứng cử viên thuốc, phát chất độc chất nổ, v.v Một ví dụ điển hình việc sử dụng chấm lượng tử, thay thuốc nhuộm huỳnh quang, chip DNA Một chip DNA xấp xỉ Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 135 Chất cm x cm gắn hàng nghìn trình tự nucleotide khác biết theo dạng lưới Nếu phần DNA, có trình tự nucleotide bổ sung với trình tự trình tự chip, tiếp xúc với phần sau, trình lai tạo xảy Nếu trình tự bổ sung gắn thẻ huỳnh quang, vị trí trình tự bổ sung chip phát từ ánh sáng phát từ điểm bị kích thích xác định trình tự nucleotide chưa biết Ví dụ, chip DNA sử dụng để tìm gen biểu mơ bình thường mơ ung thư Như thảo luận sau Chương 13, DNA chuỗi nucleotide dài gen vùng nhỏ DNA bao gồm chuỗi nucleotide xác định mã hóa protein đặc điểm di truyền Mặc dù DNA mơ bình thường mơ ung thư giống chúng sử dụng gen khác để tạo protein Gen sử dụng, biểu hiện, phiên mã thành mRNA đó, mRNA hai mô khác Các bước sử dụng để phát gen biểu mơ bình thường mơ ung thư sau: Trích xuất mRNA từ hai mơ Chuyển đổi mRNA thành chuỗi DNA bổ sung (cDNA) cách sử dụng enzyme phiên mã ngược Gắn thuốc nhuộm huỳnh quang chấm lượng tử có màu khác vào hai cDNA, chẳng hạn màu đỏ với cDNA từ mơ bình thường màu xanh với cDNA từ mô ung thư Trộn mang tiếp xúc với chip DNA cDNA gắn vào chuỗi nucleotide miễn phí chip Rửa phần thừa Quét chip kích thích thích hợp Số điểm chip phát huỳnh quang màu đỏ cho gen biểu độc quyền mơ bình thường, số điểm có màu xanh lục cho gen biểu riêng mô ung thư số điểm phát huỳnh quang thành màu hỗn hợp (màu vàng) cung cấp gen chung cho hai mơ Có lẽ ứng dụng tiềm quan trọng chấm lượng tử laser Laser chấm lượng tử có số ưu điểm so với laser bán dẫn số lượng lớn Độ lợi tia laser tăng lên đa dạng Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google 136 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano thay chấm lượng tử đơn lẻ, dãy chấm lượng tử sử dụng Việc phát dãy chấm lượng tử hình thành lượng bề mặt hiệu ứng biến dạng trình lắng đọng màng bán dẫn chất phù hợp, khơi mào cho nhiều nghiên cứu lĩnh vực Mặc dù mong muốn có tất chấm lượng tử có kích thước hình dạng để thu đầu laser bước sóng hẹp, chấm lượng tử hình thành lắng đọng epiticular thường có kích thước trải rộng Tính chất tìm cách khai thác việc sử dụng mảng chấm lượng tử nguồn ánh sáng dải rộng Ánh sáng dải rộng cần thiết số ứng dụng truyền thông quang học, cảm biến quang học, quay quang học, v.v [65] Các ứng dụng khác mà chấm lượng tử khám phá bao gồm đèn LED phát ánh sáng trắng để sử dụng máy tính xách tay, chiếu sáng bên tòa nhà ô tô vật liệu khả thi để tạo cơng tắc logic tồn quang cực nhanh (> 15 tetrabit giây) cổng, tách kênh (để tách tín hiệu ghép kênh khác sợi quang), điện tốn tồn quang mã hóa Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 137 Các vấn đề (1) Độ rộng vùng cấm chất bán dẫn 1,5 eV Tính độ rộng vùng cấm cho chấm lượng tử có đường kính nm chất bán dẫn Cho khối lượng hiệu dụng electron lỗ trống 0,1 0,5 lần khối lượng tĩnh electron Bỏ qua thuật ngữ hấp dẫn Coulombic Cho eV = 1,602 x 10-19 J khối lượng tĩnh electron = 9,109 x 10-31 kg (2) Tính tốn vẽ đồ thị thay đổi độ rộng vùng cấm chấm lượng tử CdSe có đường kính sử dụng liệu sau: Ví dụ (số lượng lớn) = 1,74 eV; khối lượng hiệu dụng electron me = 0,13 mo; khối lượng hiệu dụng lỗ mh = 0,4 mo; mo khối lượng electron; số điện môi CdSe, εCdSe = 4,8; So sánh kết bạn với giá trị khoảng cách dải lớn số liệu thử nghiệm phụ thuộc khoảng cách dải vào kích thước từ tài liệu (3) Điện áp cần thiết để đưa electron vào chấm lượng tử e/2C, e điện tích electron C điện dung chấm lượng tử Điện áp cần thiết để đưa electron liên tiếp vào chấm lượng tử Đưa biểu thức cho điều e, C n, số lượng electron (Gợi ý: Tính lượng thay đổi chấm lượng tử tích điện từ n đến n +1 electron) (4) Nhiệt độ phải để quan sát hiệu ứng phong tỏa Coulomb chấm lượng tử Si có bán kính 15 nm Lấy liệu cần thiết từ Ví dụ 4.1 (5) Một hình trụ có đường kính 'd' chiều dài 'l' vật liệu có môđun Young 'E' chịu ứng suất kéo σ dọc theo trục Tổng lượng biến dạng lưu trữ gì? Tìm biến dạng phát triển ngang với trục tỷ lệ Poisson vật liệu ν (6) Vẽ xếp nguyên tử mặt phẳng (100) (110) GaAs (7) Trả lời câu hỏi sau có liên quan đến Ví dụ 4.2 Một Ứng suất phát triển mặt phẳng màng InAs Ví dụ 4.2 ứng suất nén độ lớn căng thẳng Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn toàn không phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Machine Translated by Google 138 Giới thiệu khoa học nano vật liệu nano phát triển theo phương vng góc với phim? Là nén kéo? b Trên thực tế, ứng suất phát triển màng chất GaAs không đồng giống Hình 4.11 bên [66] Hướng z vng góc với phim qua đỉnh chấm lượng tử hình chóp hướng x y nằm mặt phẳng phim; căng thẳng vẽ dọc theo thứ tự Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hoàn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở Hình 4.11 Phân bố biến dạng chấm lượng tử [66] Sử dụng hình vẽ để trả lời câu hỏi sau: Ứng suất mặt phẳng màng bị nén đến độ dày nào, chất nền? Tại độ dày ứng suất mặt phẳng nhận giá trị độ bền kéo lớn nhất? Ứng suất nén lớn theo phương z xảy đâu? Là Machine Translated by Google Chấm lượng tử bán dẫn 139 chất ứng suất theo hướng x y chất bên giao diện màng chất nền? (8) Bên cạnh việc thư giãn đàn hồi, chế thay khác dẫn đến thư giãn ứng suất chấm lượng tử? Ảnh hưởng chế độ thư giãn căng thẳng chất lượng chấm lượng tử gì? (9) Khi chiều cao chấm lượng tử tăng lên, tổng lượng biến dạng lưu trữ tăng lên Ngồi độ dày tới hạn, ứng suất chấm lượng tử giãn tạo sai lệch Tuy nhiên, điều làm suy giảm chất lượng chấm Có thể tránh hình thành trật khớp tổng lượng biến dạng điểm không phép vượt giá trị tới hạn Đề xuất cách thực điều giải thích cách điều hạn chế lượng biến dạng chấm lượng tử (Xem [67] Giới thiệu Khoa học nano Vật liệu nano tải Được xuống từ www.worldscientific.com 1.53.195.23 vào ngày 26/04/23 Việc sử dụng lại phân phối hồn tồn khơng phép, ngoại trừ báo Truy cập Mở