// Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh = = =c&d= = = Nguyễn hùng tráng tính chất phát xạ của tinh thể cdse kích thớc nanomet và ứng dụng trong chế tạo led trắng Chuyên ngành: quang học Mã số: 62.44.11.01 Luận văn thạc sĩ vật lý Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Quảng Vinh - 2010 LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành dưới sự giúp đỡ của Thầy giáo - Tiến sĩ Nguyễn Hồng Quảng. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đến người thầy hướng dẫn của mình – người đã đặt vấn đề, hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Khoa Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Vinh, những người đã truyền thụ cho tác giả những kiến thức bổ ích trong quá trình học tập, dẫn dắt tác giả trong bước đầu nghiên cứu khoa học cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Vinh, tháng 10 năm 2010 MỤC LỤC Tra ng Lời cảm ơn .1 Mục lục 2 Danh mục các hình vẽ .3 Danh mục các bảng biểu .4 Mở đầu .5 Chương 1. Tính chất phát xạ quang của tinh thể CdSe kích thước nanomet .8 1.1 Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn .8 1.2. Lý thuyết vùng năng lượng của bán dẫn 9 1.3. Bán dẫn nguyên tố và bán dẫn hợp chất 10 1.4. Bán dẫn hợp chất II - VI .10 1.5. Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N 11 1.6. Lớp tiếp xúc PN 12 1.7. Bán dẫn vùng cấm thẳng và bán dẫn vùng cấm xiên 13 1.8. Sự phát xạ photon của bán dẫn .14 1.9. Sự phát quang và cơ học lượng tử .15 1.10. Tính chất phát xạ quang của tinh thể CdSe .17 Chương 2. Khả năng ứng dụng của hạt CdSe trong chế tạo LED trắng 20 2.1. Khái niệm LED 20 2.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của LED 21 2.3. Nguyên lý hoạt động của LED 22 2.4. Vật liệu chế tạo LED .22 2.5. Ứng dụng của LED 25 2.6. Ứng dụng của CdSe trong chế tạo LED trắng .26 Kết luận .32 Tài liệu tham khảo 33 Phụ lục .35 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Độ dẫn điện và điện trở suất của vật liệu rắn 8 Hình 1.2. Giản đồ vùng năng lượng của kim loại,bán dẫn ,và điện môi .9 Hình 1.3. Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học 11 Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc một chuyển tiếp PN từ Si 12 Hình 1.5. Sơ đồ năng lượng của lớp chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng (a) trước khi tiếp xúc và (b) sau khi tiếp xúc 13 Hình 1.6. Bán dẫn có vùng cấm thẳng (a) và vùng cấm xiên (b) .14 Hình 1.7. Mô tả bước sóng phát xạ của các bán dẫn và những ứng dụng của chúng .17 Hình 1.8. Sự phụ thuộc của màu sắc phát xạ vào kích thước tinh thể CdSe 19 Hình 2.1. Ứng dụng của LED trong trang trí .20 Hình 2.2. Cấu trúc đơn giản của LED 21 Hình 2.3. Cấu trúc LED hiện nay thường dùng .21 Hình 2.4. Cường độ sáng các màu cơ bản tạo thành màu trắng của Zhao và P.O.Anikeeva .24 Hình 2.5. Mô tả sự hình thành màu trắng từ ba màu cơ bản .25 Hình 2.6. Bước sóng và cường độ phát quang của cấu trúc LED trắng .27 Hình 2.7. So sánh cường độ phát quang của hai cấu trúc LED trắng (QDs và YAG) 27 Hình 2.8. Mô hình cấu trúc LED trắng trên cơ sở CdSe 30 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bề rộng vùng cấm E g của một số hợp chất A II B VI 9 Bảng 1.2. Một số bán dẫn hợp chất hợp chất điển hình 11 Bảng 2.1 Sự phụ thuộc bước sóng và màu sắc ánh sáng vào vật liệu có độ rộng vùng cấm khác nhau 22 Bảng 2.2. Một số vật liệu điển hình dùng trong chế tạo LED 23 Bảng 2.3. Liên hệ giữa kích thước, bước sóng và màu sắc phát xạ của CdSe 29 Bảng 2.4. Mối liên hệ giữa kích thước hạt và bước sóng phát xạ 31 đã MỞ ĐẦU Chiếu sáng tiêu thụ một tỷ lệ khá lớn nguồn năng lượng quốc gia, vì thế bất kỳ một cải tiến nào về thiết bị chiếu sáng, từ hiệu suất phát sáng, tiết kiệm điện năng hay kéo dài tuổi thọ của thiết bị cũng sẽ mang lại lợi ích rất lớn cho cộng đồng và quốc gia. Cùng với yêu cầu ngày càng cao về công suất các thiết bị chiếu sáng, yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm cũng như năng lượng tiêu thụ của các thiết bị đó cũng được đặt ra. Sự ra đời của các thế hệ bóng đèn tiết kiệm điện năng là để từng bước đáp ứng nhu cầu đó. Đèn huỳnh quang thay thế dần bóng đèn dây tóc đã giải quyết một phần điện năng dùng cho thắp sáng. Bóng đèn compact ra đời với nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các loại đèn trước đó đã được người dùng ưa chuộng và nhà nước khuyên dùng nhằm giảm điện năng tiêu thụ, đặc biệt trong tình hình thiếu điện thường xuyên xảy ra như ở nước ta hiện nay. Mặc dù vậy, việc tìm tòi, phát minh các thiết bị chiếu sáng mới nhằm cải tiến các tính năng của chúng như tiêu thụ ít điện năng, tuổi thọ được kéo dài và công suất phát sáng lớn, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của công nghệ chiếu sáng vẫn tiếp tục được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu… Công nghệ chiếu sáng từ LED (Light Emitting Diode ) lần đầu tiên được nhà khoa học Oleg Losev (Nga) phát minh ra năm 1920. Bóng đèn LED được giới thiệu thương mại hóa lần đầu tiên ở Mỹ năm 1962 [8]. Sau đó, Nick Holonyak Jr - được xem là cha đẻ của công nghệ đèn đa sắc LED - đã hợp tác cùng với M. Geogre Crawford ở Trường Đại học Illinois (Hoa Kỳ) để hoàn thiện hết các màu sắc sẵn có của LED. Năm 1993, lần đầu tiên, LED trắng được công ty hóa chất Nichia của Nhật nghiên cứu chế tạo thành công, màu trắng là sự kết hợp màu xanh da trời của InGaN LED và YAG phosphor hiệu quả phát quang 10 lm/W ,tuổi thọ 10000 giờ Từ những năm 2000 đến nay, nhiều cấu trúc LED trắng được nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên, giá thành của chúng còn đắt. Mặt khác, các màu cơ bản để tạo thành màu trắng (màu đỏ, màu xanh dương, màu xanh da trời) được phát ra từ các chất khác nhau. Sau một thời gian sử dụng do các chất khác nhau có hệ số suy giảm màu theo thời gian khác nhau, nên ánh sáng không còn trung thực như ban đầu nữa. Với sự ra đời của công nghệ vật liệu nano, nhiều chất bán dẫn kích thước nano được nghiên cứu và chế tạo. Đối với các tinh thể bán dẫn nano, bước sóng phát xạ của chúng phụ thuộc rất nhiều vào kích thước. Do đó, từ một chất ban đầu, bằng cách thay đổi kích thước phù hợp, người ta có thể thu được ánh sáng phát xạ với các màu đỏ, xanh dương và xanh da trời, từ đó tổng hợp thành ánh sáng trắng. Sự hấp dẫn của tính chất các vật liệu nano cùng những tiềm năng to lớn của LED trắng trong thực tế là động lực khiến chúng tôi chọn đề tài “Tính chất phát xạ của tinh thể CdSe kích thước nanomet và ứng dụng trong chế tạo LED trắng” cho luận văn thạc sĩ vật lý của mình. Nhiệm vụ chính của luận văn là khảo sát, tìm hiểu các tính chất quang học, trong đó chủ yếu tìm hiểu về tính chất phát xạ quang của các vật liệu bán dẫn hợp chất II-VI, cụ thể là CdSe và khả năng ứng dụng của nó trong chế tạo LED trắng. Về bố cục, ngoài các phần mở đầu và kết luận, nội dung của Luận văn được trình bày trong hai chương chính sau đây: Chương 1. Tính chất phát xạ của các tinh thể CdSe kích thước nanomet, Chương 1 trình bày các tính chất cơ bản của các tinh thể bán dẫn nhóm II-VI, trong đó nhấn mạnh các tính chất quang học của tinh thể CdSe kích thước nanomet. Chương 2. Ứng dụng của hạt CdSe trong chế tạo LED trắng. Chương này trình bày về nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các LED đơn sắc trước khi nói về LED phát sáng trắng. Cấu trúc của một số LED trắng được đề xuất và phân tích nhằm đưa ra một mô hình có tính khả thi cao nhất, đồng thời các tham số cần thiết trong việc tổng hợp và phân tích tính chất quang học của vật liệu CdSe nhằm ứng dụng trong công nghệ chế tạo LED trắng cũng được trình bày trong chương. Phần kết luận tóm tắt các kết quả chính đã đạt được của đề tài và hướng phát triển của nó. Luận văn được kết thúc với danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục. Mặc dù đã rất cố gắng trong việc tìm kiếm, phân tích, tổng hợp các tài liệu chuyên môn cho việc nghiên cứu, luận văn không thể nào tránh khỏi thiếu sót. Tác giả mong nhận được các ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp về hình thức cũng như nội dung của luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG I TÍNH CHẤT PHÁT XẠ CỦA CÁC TINH THỂ CdSe KÍCH THƯỚC NANOMET Chương này mở đầu bằng việc trình bày một số khái niệm cơ bản và phân loại các bán dẫn hợp chất nhóm A II B VI , trong đó có CdSe. Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang học quan trọng của các tinh thể CdSe kích thước nanomet được thảo luận chi tiết trước khi bàn về khả năng ứng dụng của chúng. 1.1 Giới thiệu chung và cơ bản về bán dẫn Khái niệm vật liệu bán dẫn: Các vật liệu rắn có thể được chia thành 3 loại dựa vào tính chất dẫn điện của chúng, đó là kim loại, bán dẫn và điện môi. Bán dẫn là những vật liệu có độ dẫn điện nằm trung gian giữa độ dẫn điện của kim loại và điện môi. Hình 1. 1. Độ dẫn điện và điện trở suất của vật liệu rắn 1.2. Lý thuyết vùng năng lượng của vật liệu rắn Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính: vùng hóa trị, vùng cấm, vùng dẫn. Hình 1. 2. Giản đồ vùng năng lượng của kim loại (a), bán dẫn (b) và điện môi (c) Vùng hóa trị là vùng được lấp đầy bởi các điện tử; Vùng dẫn là vùng các mức năng lượng gần như trống; Vùng cấm là vùng các điện tử không được phép. Bề rộng vùng cấm hay khoảng cách giữa đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn được gọi là bề rộng dải năng lượng ∆ E g . Đối với chất bán dẫn bề rộng dải năng lượng thoả mãn 0,3 eV < ∆ E g <3,7 eV. Bảng 1.1: Bề rộng vùng cấm E g của một số hợp chất A II B VI [1] Bán dẫn ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe HgS HgSe HgTe E g (eV) 3,7 2,6 2,1 2,4 1,7 1,5 2,0 0,6 < 0 Ở nhiệt độ thấp, các hợp chất bán dẫn không dẫn điện được vì các mức năng lượng trong vùng hoá trị đã bị lấp đầy hoàn toàn, điện tử không thể nhận năng lượng của điện trường để nhảy lên vùng dẫn và trở thành hạt tải vì bề rộng khe dải g E ∆ quá lớn. Chỉ ở nhiệt độ đủ cao để một số điện tử nhận được năng lượng nhiệt đủ vượt qua vùng cấm để chuyển lên vùng dẫn, trở thành điện tử gần như tự do và có thể tham gia dẫn điện; Sự nhảy mức của điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn đồng thời làm xuất hiện trong vùng hoá trị những trạng thái trống để cho điện tử khác có thể “nhảy vào” thay đổi năng lượng khi có điện trường tác dụng và tham gia dẫn điện. Sự