Công nghệ nano MỞ ĐẦU Hiện giới hình thành ngành khoa học công nghệ mới, có nhiều triển vọng dự đoán có tác động mạnh mẽ đến tất lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật đời sống kinh tế-xã hội kỷ 21 Đó Khoa học Công nghệ Nano Khoa học Công nghệ Nano định nghĩa khoa học công nghệ nhằm tạo nghiên cứu vật liệu có cấu trúc nano, với nhiều tính chất vật lý hoá học lạ so với vật liệu khối Thật vậy, nhà nghiên cứu kích thước vật rắn giảm xuống cách đáng kể theo chiều, chiều, chiều, tính chất vật lý tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang thay đổi cách đáng kể Chính điều làm cho cấu trúc nano trở thành đối tượng nghiên cứu bản, nghiên cứu ứng dụng Bước đầu tìm hiểu Khoa học Công nghệ Nano, để thân có nhìn tổng thể ngành khoa học hấp dẫn này, em chọn cho nội dung tiểu luận “ Tìm hiểu vật liệu nano số ứng dụng chúng” Nội dung tiểu luận gồm hai phần: Chương 1: Sơ lược vật liệu nano Chương 2: Sự phát triển số ứng dụng công nghệ nano Công nghệ nano CHƯƠNG SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU NANO 1.1 Định nghĩa Bắt đầu từ năm 80 kỷ trước khoa học công nghệ giới đặc biệt ý tới hướng nghiên cứu phát triển đặc biệt kỳ lạ lý thú mà ngày gọi khoa học công nghệ nano Vật liệu có kích thước/cấu trúc nano hiểu theo nghĩa chung kích thước hạt vật liệu nằm vùng vài nm đến nhỏ 100nm Để hình dung, so sánh kích thước nano mét, hình ảnh sau trình bày số thực thể từ nhỏ nguyên tử (atom, kích thước khoảng angstron) hay lớn tế bào động vật (animal cell, khoảng vài chục micron), vùng kích thước vật liệu có cấu trúc nano/chấm lượng tử quan tâm (QDs/NCs, vùng vài đến vài chục nm, vùng kích thước protein) Hình 1.1 Một số thực thể nhỏ nguyên tử (kích thước khoảng angstron) hay lớn tế bào động vật (khoảng vài chục micron) Vật liệu nano tồn ba trạng thái: rắn, lỏng, khí Trong đó, vật liệu nano rắn quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đến vật liệu lỏng khí Có thể phân chia vật liệu nano thành loại dựa hình dạng: * Vật liệu nano ba chiều (hay gọi vật liệu nano không chiều) vật liệu chiều có kích thước nano mét Ví dụ: đám nano, dung dịch keo nano, hạt nano Công nghệ nano * Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano mét Ví dụ: màng nano * Vật liệu nano chiều vật liệu chiều có kích thước nano mét Ví dụ: ống nano, dây nano 1.2 Đặc điểm, tính chất vật liệu nano Khi kích thước vật liệu giảm xuống cỡ nanomet, có hai tượng đặc biệt xảy ra: Thứ nhất, kích thước hạt (chất bán dẫn) giảm xuống xấp xỉ bán kính Borh exciton xảy hiệu ứng giam giữ lượng tử, trạng thái electron trạng thái dao động hạt nano bị lượng tử hoá Các trạng thái bị lượng tử hoá cấu trúc nano định tính chất điện quang nói riêng, tính chất vật lý hoá học nói chung cấu trúc Trước hết mô tả cách sơ lược hiệu ứng giam giữ lượng tử Thí dụ, bán dẫn khối, electron vùng dẫn (và lỗ trống vùng hoá trị) chuyển động tự khắp tinh thể, lưỡng tính sóng-hạt, chuyển động hạt tải điện mô tả tổ hợp tuyến tính sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nanomet Nếu kích thước khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị bước sóng này, hạt tải điện bị giam giữ khối thể tính chất giống hạt chuyển động hố Nghiệm Schodinger trường hợp sóng dừng bị giam giếng lượng tương ứng với hai hàm sóng riêng biệt, nói chung khác gián đoạn Những chuyển dời hạt tải điện nói gây quang phổ vạch Hệ hạt gọi hệ bị giam giữ lượng tử Các biểu hiệu ứng giam giữ lượng tử: Hiệu ứng giam giữ lượng tử sinh dịch chuyển xanh độ rộng vùng cấm dẫn đến xuất vùng (sub-band) tương ứng với lượng tử hoá dọc theo hướng giam giữ Khi chiều dài giam giữ tăng, độ rộng vùng cấm giảm, dịch chuyển vùng di chuyển phía bước sóng dài hơn, cuối gần đến giá trị vật liệu khối Các tính chất quang học phát xạ huỳnh quang phụ thuộc cách chặt chẽ vào kích thước nano tinh thể Ví dụ nano tinh thể với kích thước khác phát huỳnh quang toàn vùng nhìn thấy Công nghệ nano Hình 1.2 Phát xạ huỳnh quang chấm lượng CdSe với kích thước khác chiếu sáng đèn tử ngoại Sự biến đổi cấu trúc tinh thể kích thước, số trường hợp quan sát thấy Cấu trúc tinh thể nano tinh thể đóng vai trò đặc biệt quan trọng tính chất điện từ chúng Cùng loại vật liệu kết tinh dạng cấu trúc khác giảm kích thước phụ thuộc vào điều kiện phản ứng Nhiễu xạ tia X kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc quan trọng để đặc trưng cho pha nano tinh thể Ngoài việc cho biết cấu trúc pha nano tinh thể, kỹ thuật giúp ta ước lượng kích thước nano tinh thể Khi kích thước hạt giảm, vạch nhiễu xạ quan sát mở rộng cách đáng kể, kích thước hạt nhỏ vạch nhiễu xạ mở rộng Sự giam giữ lượng tử sinh nhiều biến đổi mật độ trạng thái hai vùng hoá trị vùng dẫn Thay cho phân bố liên tục trơn mật độ trạng thái, trạng thái lượng xếp theo dải lượng hẹp Sự đóng gói chặt trạng thái lượng gần vùng cấm trở nên quan trọng chiều giam giữ tăng từ giếng lượng tử tới sợi lượng tử chấm lượng tử Đối với chấm lượng tử, mật độ trạng thái có giá trị khác không lượng gián đoạn (được lượng tử hoá) Lực dao động tử dịch chuyển quang học vùng phụ thuộc nhiều vào mật độ liên kết trạng thái mức vùng hoá trị mức vùng dẫn, mà chúng dịch chuyển quang học xảy Hơn phụ thuộc vào che phủ hàm sóng điện tử lỗ trống Cả hai yếu tố sinh tăng mạnh lực dao động tử điều kiện giam giữ Hiệu ứng hoàn toàn đáng kể sợi lượng tử chấm lượng tử, với cấu trúc bị giam giữ (hai chiều ba chiều) Công nghệ nano Hình 1.3 Sự giam giữ lượng tử dẫn đến thay đổi mức lượng mật độ trạng thái Thứ hai, kích thước giảm xuống nanomet, tỷ số số nguyên tử nằm bề mặt số nguyên tử hạt nano trở nên lớn Thí dụ, hạt nano hình cầu bán kính R cấu tạo từ nguyên tử có kích thước trung bình a, tỷ số bằng: N mặt /N ≈ 3a/R Ví dụ: với R=6a ~ 1nm nửa số nguyên tử nằm bề mặt Hình 1.4 Số nguyên tử nằm bề mặt phụ thuộc vào đường kính nano tinh thể CdSe Diện tích bề mặt lớn hạt nano lợi chúng áp dụng để tàng trữ khí phân tử khí hấp thụ bề mặt, chúng ứng dụng tượng xúc tác, phản ứng xảy bề mặt Công nghệ nano chất xúc tác Mặt khác lượng liên kết nguyên tử bề mặt bị hạ thấp cách đáng kể chúng không liên kết cách đầy đủ, kết hạt nano nóng chảy nhiệt độ thấp nhiều so với nhiệt độ nóng chảy vật liệu khối tương ứng 1.3 Sự giảm kích thước từ vật liệu khối đến chấm lượng tử Khảo sát tượng giam giữ lượng tử hạt tải điện kích thước vật giảm tới vài nanomet Trước hết, ta mô hình electron đơn giản vật liệu khối Mô hình sau điều chỉnh để thích ứng với trường hợp hạt tải điện bị giam giữ * Hệ ba chiều (Vật liệu khối): Giả sử có vật rắn ba chiều với kích thước L x, Ly, Lz chứa N electron tự “Tự do” hiểu electron không định xứ, nghĩa gần bậc tương tác electron, giả thiết gần bậc một, tương tác electron với trường tinh thể bỏ qua Hệ hạt electron gọi “Khí electron tự do” Trong mô hình này, chuyển động electron mô tả tổ hợp tuyến tính sóng phẳng có bước sóng λ nhỏ kích thước vật rắn Phép tính trạng thái lượng tinh thể khối dựa giả thiết điều kiện biên tuần hoàn Điều kiện biên tuần hoàn thủ thuật toán học để mô vật rắn vô hạn (L → ∞ ) Theo giả thiết này, điều kiện mặt biên đối diện vật rắn hoàn toàn giống Như vậy, electron gần mặt biên không “cảm nhận” thấy mặt biên Nói cách khác, electron gần “mặt biên” không chịu ảnh hưởng mặt này, đó, electron mặt biên thể tính chất giống hệt chúng lòng khối vật rắn, nghĩa hàm sóng electron phải thoả mãn điều kiện: ψ ( x, y , z ) = ψ ( x + L x , y , z ) ψ ( x , y , z ) = ψ ( x, y + L y , z ) ψ ( x , y , z ) = ψ ( x, y , z + L z ) Nghiệm phương trình Schrodinger với điều kiện biên tích ba hàm sóng độc lập: Công nghệ nano ψ ( x, y, z ) = ψ ( x)ψ ( y )ψ ( z ) = Aexp(ik x x)exp(ik y y)exp(ik z z) Mỗi hàm sóng mô tả electron tự chuyển động dọc theo trục toạ độ Đêcac, với thành phần vectơ sóng k x , y , z = ± n∆k = ± n 2π / Lx , y , z n số nguyên Các nghiệm sóng truyền theo hướng dương hướng âm, tương ứng với k x , y , z > k x , y , z < Như trạng thái electron với vectơ sóng ( k x , k y , k z ) biểu diễn điểm không gian đảo k; điểm phân bố cách tuần hoàn không gian k Một hệ quan trọng điều kiện biên tuần hoàn tất trạng thái có không gian k phân bố (electron) nhau; trạng thái ( k x , k y , k z )= (± n x ∆k ,± n y ∆k ,± n z ∆k ) với n x , y , z số nguyên, bị chiếm hai electron ( m s = ±1 / ) Ở nhiệt độ 0K, tất trạng thái có lượng E < E F (với E F mức Fermi) bị chiếm, đó, tất trạng thái có lượng E > E F trống Hình 1.5 Electron vật rắn khối chiều: (a) Đối với vật rắn khối, lượng electron tự phụ thuộc vào k theo hàm parabol; trạng thái phân bố gần liên tục (b) Mật độ trạng thái g 3d ( E ) electron tự hệ chiều tỷ lệ với bậc hai lượng E /  Trong không gian k , mặt Fermi mặt cầu bán kính k F Vì vectơ sóng hai trạng thái liền kề khác lượng ∆k = 2π / L x , y , z , nên vật rắn khối Công nghệ nano có kích thước L x,y,z lớn, ∆k nhỏ Khi trạng thái bên mặt cầu phân bố gần liên tục, vậy, số trạng thái bên mặt cầu tỷ lệ với k Mặt khác, lượng electron tự phụ thuộc vào k theo hàm parabol; trạng thái (được biểu điểm hình 1.5 a) phân bố gần liên tục Đối với khí electron tự vật rắn ba chiều, mật độ trạng thái tỷ lệ với bậc hai lượng (hình 1.5 b): g 3d ( E ) ~ E (1.1) * Hệ hai chiều Bây ta khảo sát vật rắn có kích thước lớn theo phương x y, kích thước (chiều dày) theo phương z ( Lz ) vào cỡ vài nanomet Như vậy, electron chuyển động hoàn toàn tự mặt phẳng x-y, chuyển động chúng theo phương z bị giới hạn Hệ tạo thành hệ electron hai chiều Khi kích thước vật rắn theo phương z giảm xuống vào cỡ vài nanomet (nghĩa bậc độ lớn với bước sóng de Broglie hạt tải điện ), hạt tải điện tự cấu trúc thể tính chất giống hạt chuyển động giếng V (z ) , với V ( z ) = bên giếng V (z ) = ∞ mặt biên z = ± Lz / Vì không electron khỏi vật rắn theo phương z, nên nói electron bị giam giếng Nghiệm phương trình Schrodinger electron giếng V(z) sóng dừng bị giam giếng Năng lượng tương ứng với hai hàm sóng riêng biệt, nói chung khác không liên tục Điều có nghĩa lượng hạt nhận giá trị tuỳ ý, mà nhận giá trị gián đoạn Năng lượng hạt là:  k z2 E nz = 8π m (1.2) Nếu thay k z = n z ∆k z với ∆k z = π / L z , ta được: h n z2 E nz = 8mL2z với n z = 1,2, (1.3) Công nghệ nano Hình 1.6 Electron hệ hai chiều: (a) Trong chuyển động theo phương x y, lượng electron tự phụ thuộc vào k x , k y theo hàm parabol; trạng thái phân bố gần liên tục Còn chuyển động theo phương z, lượng electron nhận giá trị gián đoạn ứng với n z = 1,2, ; (b) Mật độ trạng thái g d ( E ) khí electron hai chiều: mật độ trạng thái trạng thái k z cho trước không phụ thuộc vào lượng E Như nêu trên, electron chuyển động tự dọc theo phương x y Hàm sóng theo phương tìm giả thiết điều kiện biên tuần hoàn, trạng thái (k x , k y ) phân bố gần liên tục mặt phẳng k x , k y , đó, số trạng thái nằm diện tích xác định (thí 2 dụ đĩa tròn) tỷ lệ với diện tích, nghĩa tỷ lệ với k = k x + k y , chuyển động theo phương x y, lượng electron tự phụ thuộc vào k x , k y theo hàm parabol; trạng thái (được biểu thị điểm hình 1.6 a) phân bố gần liên tục Trong đó, chuyển động electron theo phương z bị giới hạn, electron bị giam giữ “hộp” Chỉ có số định trạng thái lượng tử hoá theo phương z (n z = 1,2, ) phép Như vậy, không gian k ba chiều, phân bố trạng thái mô tả dãy mặt phẳng song song với mặt phẳng chứa trục k x k y , khoảng cách hai mặt phẳng ∆k z Công nghệ nano Ta tìm mật độ trạng thái g d ( E ) vật rắn hai chiều Vì không gian k số trạng thái mặt phẳng tỷ lệ với diện tích mặt phẳng, nên số trạng thái có vectơ sóng có giá trị nằm khoảng k k+dk số trạng thái hình vành khăn có bán kính k chiều rộng dk tỷ lệ với kdk: g d (k )dk ~ kdk ( 1.4) với g d ( k ) mật độ trạng thái không gian k Từ (1.3) suy ra: g 2d (k ) ~ k (1.5) Bây tìm số trạng thái có lượng nằm khoảng E E+dE: g d ( E )dE = g d (k )dk = k g 2d ( E ) = k dk dE dE dk dE (1.6) (1.7) Vì E(k) ~ k nên k ~ E / dk / dE ~ E −1 / mật độ trạng thái theo lượng có dạng: g 2d ( E ) = k dk ~ E / E −1 / ~ dE (1.8) Như vậy, mật độ trạng thái vật rắn hai chiều khác với trường hợp ba chiều: vật rắn hai chiều mật độ trạng thái trạng thái k z cho trước không phụ thuộc vào lượng, có dạng hàm bậc thang Tính chất lượng tử nêu electron vật rắn hai chiều nguồn gốc nhiều hiệu ứng vật lý quan trọng cấu trúc * Hệ chiều (Dây lượng tử) Bây xét trường hợp kích thước vật rắn theo phương y co lại vài nanomet Khi đó, electron chuyển động tự theo phương x, chuyển động chúng theo phương y z bị giới hạn mặt vật Một hệ gọi dây lượng tử hay hệ electron chiều (nếu hạt tải điện electron) Trong hệ này, hạt tải điện chuyển động theo chiều chiếm trạng thái lượng tử hoá hai chiều lại 10 Công nghệ nano Hình 1.7 (a) Phân bố trạng thái liên tục, ∆k x → Tuy nhiên, phân bố đường lại có tính gián đoạn, dọc theo trục k y k z tồn giá trị lượng gián đoạn (b) Mật độ trạng thái g1d ( E ) phạm vi đường dọc theo trục k x tỷ lệ với E -1/2 Mỗi đường hypecbol hình tương ứng với mật độ trạng thái riêng biệt Các trạng thái vật rắn chiều tìm thấy phương pháp tương tự mô tả hệ ba chiều hai chiều Vì electron chuyển động tự theo phương x, nên lại áp dụng khái niệm điều kiện biên tuần hoàn Kết phân bố trạng thái, phân bố mức lượng tương ứng theo phương song song với trục k x liên tục ( ∆k x → ) Trong đó, chuyển động electron dọc theo hai phương lại (phương y phương z) bị giới hạn trạng thái chúng tìm cách giải phương trình Schrodinger sử dụng mô hình “hạt hộp thế” Kết trạng thái k y k z bị lượng tử hoá, nhận giá trị gián đoạn Bây hình dung tất trạng thái có không gian k phân bố đường thẳng song song với trục k x Các đường thẳng cách khoảng gián đoạn tỷ lệ với ∆k y ∆k z Vì đường, phân bố trạng thái k x liên tục, nên số trạng thái có vectơ sóng có giá trị nằm khoảng k k+dk tỷ lệ với chiều dài dk đường thẳng: g1d (k ) dk ~ dk (1.9) với g1d (k ) mật độ trạng thái không gian k 11 Công nghệ nano Bây giờ, tìm số trạng thái có lượng nằm khoảng E+dE: g1d ( E )dE = g1d (k )dk ~ g1d ( E ) ~ dk dE dE dk dE (1.10) (1.11) Vì E(k) ~ k nên k ~ E / dk / dE ~ E −1 / mật độ trạng thái theo lượng g1d ( E ) có dạng: g1d ( E ) ~ dk ~ E −1 / dE (1.12) Từ biểu thức (1.12), nhận thấy mật độ trạng thái đường thẳng dọc theo trục k x phụ thuộc vào lượng theo hàm E −1 / Sự phụ thuộc biểu diễn hình 1.7 b Mỗi đường hypebol hình tương ứng với trạng thái (k y , k z ) riêng biệt Sự lượng tử hoá trạng thái hai chiều có tầm quan trọng trình vận chuyển hạt tải điện Như nêu, electron chuyển động tự dọc theo phương x, bị giới hạn số trạng thái gián đoạn phương y z, nói cách khác, vật rắn hai chiều electron vận chuyển “kênh dẫn” gián đoạn Điều đặc biệt quan trọng công nghiệp vi điện tử Nếu kích thước mạch điện tử thu lại nhỏ, đường kính dây dẫn nhỏ, so sánh với bước sóng de Broglie electron, đó, dây thể tính chất dây lượng tử * Hệ không chiều (Chấm lượng tử) Khi hạt tải điện trạng thái kích thích bị giam giữ chiều, hệ gọi “chấm lượng tử” Trong chấm lượng tử, chuyển động electron bị giới hạn ba chiều, không gian k tồn trạng thái gián đoạn ( k x , k y , k z ) Mỗi trạng thái không gian k biểu diễn điểm Như vậy, có mức lượng gián đoạn phép hình 1.8a Các mức lượng biểu diễn đỉnh δ (delta) hàm phân bố chiều mật độ trạng thái g d ( E ) hình 1.8 b Như thấy, vùng lượng hội tụ mức lượng giống nguyên tử Sự biến đổi đặc biệt lớn bờ vùng lượng, ảnh hưởng đến chất bán dẫn nhiều đến 12 Công nghệ nano kim loại Trong chất bán dẫn, tính chất electron thực tế liên quan mật thiết với chuyển dời bờ vùng hoá trị bờ vùng dẫn điện Ngoài tính chất gián đoạn mức lượng, phải nhấn mạnh đến tồn mức lượng điểm không Trong chấm luợng tử, trạng thái bản, electron có lượng lớn lượng electron bờ vùng dẫn vật liệu khối Hình 1.8 (a) Các mức lượng gián đoạn phép; (b) Mật độ trạng thái g0d(E) dọc theo chiều chứa hàm δ tương ứng với trạng thái riêng biệt 1.4 Phương pháp gần khối lượng hiệu dụng (EMA) áp dụng cho tính toán cấu trúc điện tử Trên đường từ tinh thể tới đám, điều hợp lý xét chuẩn hạt mô tả tính chất quen thuộc tinh thể vô hạn kích thước hữu hạn tinh thể cho bước nhảy tương ứng danh giới Như thông số chiều dài chuẩn hạt (sóng de Broglie bán kính Borh exciton) đáng quan tâm số mạng bán dẫn thông dụng, xét tinh thể có số lớn nguyên tử khảo sát tinh thể vĩ mô với lưu ý tới tính chất mạng phải xét hộp lượng tử cho chuẩn hạt Lý thuyết cung cấp định nghĩa thuật ngữ “quantum dot” mà sử dụng rộng dãi lý thuyết mô tả tính chất điện tử nano tinh thể số hạng việc xét hạt hộp Do điểm then chốt gần khối lượng hiệu dụng 13 Công nghệ nano (EMA) áp dụng cho nano tinh thể xem xét điện tử lỗ trống v ới khối lượng hiệu dụng giống tinh thể khối lý tưởng với thành phần hoá học Sau dùng thuật ngữ quantum dot có nghĩa mô hình nano tinh thể gần EMA dùng Để phù hợp hiệu ứng giam giữ lượng tử cấu việc xem xét EMA, hợp lý giải với giếng ba chiều đơn giản hộp hình cầu với vô hạn xét điện tử lỗ trống với khối lượng hiệu dụng đẳng hướng Những kết vật lý rõ ràng biểu thức giải tích nhận cho hai trường hợp giới hạn gọi giới hạn giam giữ yếu giới hạn giam giữ mạnh * Chế độ giam giữ yếu Chế độ giam giữ yếu tương ứng với trường hợp bán kính chấm a nhỏ lớn vài lần bán kính Borh exciton a B Trong trường hợp lượng tử hoá chuyển động khối tâm exciton xảy Bắt đầu từ định lý tán sắc exciton tinh thể phải thay động exciton tự lời giải bắt nguồn từ hạt hộp hình cầu Năng lượng exciton trường hợp giam giữ yếu biểu diễn dạng : E nlm χ ml : R *y  χ ml2 = Eg − + n 2Ma (1.23) hàm Bessel Người ta thấy exciton quantum dot đặc trưng số lượng tử n mô tả trạng thái exciton bên tương tác Couluomb điện tử-lỗ trống (1S, 2S, 2P, 3S, 3P, 3D, ) hai số thêm vào m l mô tả trạng thái liên hệ với chuyển động khối tâm có mặt rào bên (1s, 1p, 1d, , 2s, 2p, 2d ) Để phân biệt trạng thái bên trạng thái bên dùng chữ viết hoa (S) cho trạng thái đầu chữ thường (s) cho trạng thái sau Đối với trạng thái thấp (n=1, m=1, l=0) lượng biểu diễn : E1S 1s π 2 = E g − Ry * + Ma (1.24) 14 Công nghệ nano E1S 1s Hay  µ  πa B   = E g − R 1 −     M  a   * y (1.25) µ khối lượng điện tử- lỗ trống rút gọn Trong phương trình (1.24) (1.25) giá trị χ 10 = π quan hệ : a B = Ο mo ε = ε , 53 Α sử dụng µ µe µ khối lượng rút gọn: µ −1 = me *−1 + mh*−1 , lượng Rydberg exciton : R *y = e2 µe µ = 2 = 13,6eV 2ε a B 2ε  mo ε (1.26) Khối lượng điện tử lỗ trống rút gọn nhỏ khối lượng điện tử m o số điện môi ε lớn vài lần so với chân không Vì cộng hưởng exciton tạo dịch chuyển phía lượng cao lượng : ∆E1S 1s = µ  πa B  *   Ry M  a  (1.27) * Tuy nhiên nhỏ so với Ry , a>aB Điều chứng minh cách định lượng thuật ngữ “giam giữ yếu” Tính đến hấp thụ photon sinh exciton với xung lượng không, phổ hấp thụ gồm số vạch tương ứng với trạng thái l=0 Do đó, phổ hấp thụ lấy từ phương trình (1.23) với χ m = πm E nml = E g − R *y n2 +  2π 2 m Ma (1.28) Điện tử lỗ trống tự có phổ lượng: E e ml  χ ml = Eg + 2m e a h E ml = Eg +  χ ml 2m h a (1.29) Do lượng dư thừa tổng cộng trạng thái điện tử lỗ trống thấp 1s : ∆ E1s1s  2π  π a B  * = E + E − Eg = =  Ry 2µ a  a  e 1s h 1s (1.30) 15 Công nghệ nano * xem nhỏ Ry Tính đến biểu thức (1.25, 1.29) xem xét khác lượng tối thiểu cần thiết cho tạo thành cặp e-h không liên kết E yef = E g + ∆E1s1s (1.31) Và lượng tương ứng với cộng hưởng exciton (1.25) * lượng liên kết exciton hiệu dụng R y là: R ef y   µ = R 1 + 1 −   M * y  πa B       a   (1.32) * lớn Ry *Giới hạn giam giữ mạnh Gới hạn giam giữ mạnh tương ứng với điều kiện: a ≤ a B Có nghĩa điện tử lỗ trống bị giam giữ trạng thái không liên kết, trạng thái tương ứng với exciton giống hyđro động điểm không điện tử lỗ trống * giam giữ lớn cách đáng kể so với giá trị R y Trong trường hợp này, chuyển động không tương quan với điện tử lỗ trống xét gần tương tác Coulomb bỏ qua Sau hạt có phổ lượng cho (1.29) Định luật bảo toàn lượng xung lượng dẫn đến quy tắc lọc lựa cho phép dịch chuyển quang học, kết cặp điện tử lỗ trống với số lượng tử quỹ đạo giống Do phổ hấp thụ rút gọn thành tập hợp dải phổ gián đoạn có đỉnh mức lượng với giá trị: E nl = E g +  χ nl 2µa (1.33) Vì lý này, chấm lượng tử giới hạn giam giữ mạnh xem nguyên tử nhân tạo hay nhiều nguyên tử chấm lượng tử trình diễn phổ quang học riêng biệt điều khiển kích thước (tức số nguyên tử) nguyên tử có phổ gián đoạn khống chế số nucleon Tuy nhiên, nghĩ điện tử lỗ trống bị giam giữ khoảng không gian so sánh với giãn nở trạng thái exciton tinh thể vô hạn lý tưởng Do khảo sát độc lập chuyển động điện tử 16 Công nghệ nano lỗ trống chứng minh toán bao gồm Hamilton hai hạt với số hạng động năng, Coulomb bị giam giữ 2 2 e2 H = − * ∇e − ∇h − +U (r) ε re − rh me 2mh* (1.34) phải xem xét Trái ngược với Hamilton giống hydro xuất U(r) không chấp nhận chuyển động khối tâm chuyển động hạt với khối lượng rút gọn xét độc lập Một số tác giả khảo sát toán với gần khác tìm thấy lượng trạng thái cặp điện tử -lỗ trống (1s1s) biểu diễn dạng: E1s1s π 2h2  1  e2 = Eg + + − 1.786 εa 2a  m * e m * h  E1s1s a a  = E g + π  B  Ry * −1.786 B Ry * −0.248 Ry * a  a  hay (1.35) Trong số hạng tỷ lệ với e / εa mô tả tương tác Coulomb điện tử-lỗ * trống hiệu dụng So sánh số hạng với lượng Rydberg exciton R y = e / 2εa (giới hạn giam giữ mạnh a ≤ a B ) Ta nhận thấy tương tác Coulomb không bị triệt tiêu nano tinh thể Hơn nữa, đóng góp tương tác Coulomb vào lượng chuyển dời lớn bán dẫn khối Có thể nói tương tác điện tử-lỗ trống chế độ giam giữ mạnh bị kích thích Đây khác chấm lượng tử với tinh thể, giếng lượng tử, dây lượng tử, lượng tương tác Coulomb cặp điện tử-lỗ trống tự không Nếu xét đến hiệu ứng trộn lẫn vùng hoá trị mức lượng dịch chuyển quang học phép chấm lượng tử minh hoạ hình 1.9 1.10 17 Công nghệ nano Hình 1.9 Các chuyển dời quang Hình 1.10 Các dịch chuyển quang phép chấm lượng tử bán dẫn theo học phép chấm lượng mô hình cặp điện tử- lỗ trống tử với gần hạt không tương tác Năng lượng exciton đo được, lệch với lượng độ rộng vùng cấm E g giới hạn giam giữ mạnh, viết cách tổng quát hơn, chuỗi: E exc   a a a  - E g =  B ÷ R *y  A1 + A2 + A +  aB aB  a    (1.36) với thông số a/a B [...]... hạt nano tinh thể chế tạo được theo hai chế độ giam giữ khác nhau 19 Công nghệ nano CHƯƠNG 2 SỰ PHÁT TRIỂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO 2.1 Sự phát triển của công nghệ nano Nhiều nhà khoa học đã phải dùng đến cụm từ “nanoboom”- sự bùng nổ nano để miêu tả tốc độ phát triển như vũ bão của công nghệ nano Các cường quốc trên thế giới đều coi công nghệ nano. .. ngành công nghệ nano ở Việt Nam 2.2 Một số ứng dụng của công nghệ nano Sở dĩ ngành công nghệ nano được đầu tư phát triển mạnh mẽ đến như vậy là do những ứng dụng vô cùng to lớn của nó trong mọi lĩnh vực của đời sống 2.2.1 .Công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), linh kiện điện tử và cảm biến (sensor) Công nghệ thu nhỏ các phần tử tích cực (Tranzito) trên chip đã đạt tới giới hạn ở mức 0,1Mm (10-7m) và. .. đã vạch ra một chiến lược phát triển công nghệ nano, với sự góp mặt của nhiều ngành bộ khác 20 Công nghệ nano nhau Và đã dẫn đầu thế giới về vốn đầu tư cho ngành công nghệ này, 1,6 tỷ đô la năm 2003 Tiếp đến là Trung Quốc, một cường quốc kinh tế trẻ, chắc hẳn sẽ không bỏ qua một cơ hội phát triển dựa trên tiềm năng của ngành công nghệ nano này Trung Quốc đã có... hẹn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, điện tử Tháng 6/2006, ống nano cacbon lần đầu tiên được chế tạo thành công hoàn toàn bằng nguyên liệu và công nghệ trong nước tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Khu Công nghệ cao của TPHCM 21 Công nghệ nano Ống nano cacbon là một loại vật liệu nhẹ, cứng, siêu bền, siêu dẫn điện nên có nhiều ứng dụng quan trọng trong... việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano 2.2.5 Những ứng dụng kì diệu của vật liệu nano Các hạt nano của nhiều hợp chất đã có nhiều ứng dụng kì diệu Kính được phủ lớp hạt nano sẽ không dính nước, rất có lợi nếu dùng loại kính này trong xây dựng, trong chế tạo ôtô Các loại sơn có pha hạt nano sẽ có độ bám dính rất cao làm cho lớp sơn bền lâu, không bị rêu mốc Đặc biệt sử dụng các hạt nano để xử lý sợi... cường quốc trên thế giới đều coi công nghệ nano là ngành công nghệ mũi nhọn hàng đầu và đều có những chính sách đặc biệt để đẩy mạnh việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các vật liệu nano Mỗi quốc gia đến với công nghệ nano với nhiều con đường và mục đích khác nhau Mỹ là một siêu cường quốc và có vị trí độc tôn trong lĩnh vực công nghệ thông tin, công nghệ sinh học cùng với các cường quốc khác như Nhật Bản,... hoá học Mỹ và tạp chí Đức Angew Chemie đã công bố và đánh giá cao phát minh này Hình 2.2 Các robot nano làm việc trực tiếp với các tế bào hồng cầu 2.2.3 Năng lượng, môi trường Nhờ công nghệ nano, những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo sẽ giúp con người sản xuất năng lượng sạch Với công nghệ nano, người ta cũng có thể chế tạo ra những thiết bị ít tiêu tốn năng lượng hơn do sử dụng những loại... 18 Công nghệ nano với E g là bề rộng vùng cấm của bán dẫn khối, số hạng thứ hai là động năng, chứa các khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống, số hạng thứ ba xuất hiện do tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống và số hạng thứ tư liên quan về không gian giữa điện tử và lỗ trống và nó thường nhỏ so với các số hạng kia Công thức (1.37) được sử dụng để tính kích thước của các... xây dựng cơ sở vật chất để nghiên cứu vật liệu nano và bước đầu ứng dụng và thương mại hoá các kết quả nghiên cứu Tuy nhiên trong một vài năm tới, các quốc gia này cũng tham gia một phần không nhỏ trong công nghệ nano thế giới Tuy muộn hơn so với các nước phát triển trong khu vực như Nhật bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, trong thời gian gần đây, công nghệ nano cũng đang là một hướng nghiên cứu được ưu tiên... thuộc Viện Khoa Học và Công nghệ Việt nam, Viện Kỹ thuật Quân sự, ITIM…kết hợp cùng các trường đại học lớn như đại học Quốc gia Hà Nội, đại học Bách Khoa, đại học Sư Phạm Hà Nội… đã và đang triển khai nhiều đề tài về công nghệ nano và bước đầu đã thu được các kết quả đáng khích lệ Ví dụ: Các hạt nano TiO 2 anatase với hoạt tính xúc tác quang hóa cao đã được tổng hợp thành công và đang trong giai đoạn ... MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO 2.1 Sự phát triển công nghệ nano Nhiều nhà khoa học phải dùng đến cụm từ “nanoboom”- sự bùng nổ nano để miêu tả tốc độ phát triển vũ bão công nghệ nano Các cường... nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực điện tử, y học, không gian Đây tín hiệu đáng mừng cho ngành công nghệ nano Việt Nam 2.2 Một số ứng dụng công nghệ nano Sở dĩ ngành công nghệ nano đầu tư phát triển. .. công hoàn toàn nguyên liệu công nghệ nước Trung tâm Nghiên cứu Phát triển Khu Công nghệ cao TPHCM 21 Công nghệ nano Ống nano cacbon loại vật liệu nhẹ, cứng,