1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu nano ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+ bằng phương pháp đồng kết tủa

Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu nano ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+ bằng phương pháp đồng kết tủa

Mục đích của đề tài là chế tạo vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+. Nghiên cứu tính quang và cấu trúc của vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+với nồng độ tạp chất thay đổi. Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc của vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp Cu2+ , Mn2+với thời gian bọc TG (thioglycelrol) khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo! TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------------------- TRẦN THỊ THU HOÀI TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnS PHA TẠP Cu2+,Mn2+

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 61

Ngày tạo 10/16/2021 5:27:48 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.42 M

Tên tệp

Tải Khoá luận tốt nghiệp Đại học: Tổng hợp và tính chấ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------------------- TRẦN THỊ THU HOÀI TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnS PHA TẠP Cu2+,Mn2+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành : Hóa học vô cơ HÀ NỘI - 2018
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ---------------------- TRẦN THỊ THU HOÀI TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬTLIỆU NANO ZnS PHA TẠP Cu2+,Mn2+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành : Hóa học vô cơ ` Cán bộ hướng dẫn : TS. Nguyễn Văn Quang HÀ NỘI - 2018
  3. LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Văn Quang, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Hóa Học của trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình giúp đỡ về cơ sở vật chất và chỉ bảo em trong quá trình tiến hành thí nghiệm. Em xin chân thành cảm ơn Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã giúp đỡ em trong việc đo đạc, khảo sát các tính chất của các sản phẩm. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự trao đổi, đóng góp ý kiến của các bạn trong nhóm nghiên cứu khoa học đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình và sự động viên, khích lệ của bạn bè, người thân và đặc biệt là gia đình đã tạo niềm tin giúp em phấn đấu học tập và hoàn thành khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên Trần Thị Thu Hoài i
  4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................ vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 1 3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 1 4. Những đóng góp mới .................................................................................... 2 5. Bố cục ............................................................................................................ 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano ......................................................................... 3 1.1.1. Khái niệm, phân loại vật liệu nano ......................................................... 3 1.1.2. Đặc trưng của vật liệu nano .................................................................... 4 1.1.3. Ứng dụng ................................................................................................. 7 1.2. Cấu trúc tinh thể. Vùng năng lượng của vật liệu nano ZnS ....................... 8 1.2.1. Cấu trúc tinh thể ...................................................................................... 8 1.2.2. Cấu trúc lập phương hay Sphalerite (Zincblende) .................................. 9 1.2.3. Cấu trúc lục giác hay Wurzite ................................................................. 9 1.2.4. Cấu trúc vùng năng lượng ..................................................................... 10 1.3. Tính chất quang của ZnS pha tạp nguyên tố Cu2+, Mn2+ ......................... 11 1.3.1. Tính chất huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Cu2+ ............................. 11 1.3.2. Tính chất huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ ............................ 17 1.4. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano ................................................... 25 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 26 2.1. Thực nghiệm ............................................................................................ 26 2.1.1. Hóa chất, thiết bị ................................................................................... 26 ii
  5. 2.1.2. Quy trình chế tạo bột huỳnh quang bằng phương pháp đồng kết tủa ... 26 2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu nano ZnS pha tạp Cu 2+, Mn2+................................................................................................................. 33 2.2.1. Phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và thành phần pha của bột huỳnh quang .................................................................................................... 33 2.2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất quang .......................................... 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 36 3.1. Cấu trúc tinh thể của ZnS: Cu2+, Mn2+ ..................................................... 36 3.2. Tính chất quang của vật liệu .................................................................... 37 3.2.1. Tính chất quang của ZnS ...................................................................... 37 3.2.2. Tính chất quang của ZnS: Cu2+ ............................................................. 39 3.2.3. Tính chất quang của ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+ ....................................... 44 KẾT LUẬN .................................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 47 iii
  6. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt E Energy Năng lượng Eg(NPs) Bandgap energy of a Năng lượng vùng cấm bán nanoparticles dẫn của hạt nano ΔE Transition energy Năng lượng chuyển tiếp λ, λexc, λem Wavelength, Excitation and Bước sóng, bước sóng emission Wavelength kích thích và phát xạ CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng pha hơi hóa học FESEM Field emission scanning Hiển vi điện tử quét phát electron microscopy xạ trường NBE Near Band Edge emission Phát xạ bờ vùng PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation Phổ kích thích huỳnh spectrum quang TEM Transmission electron Hiển vi điện tử truyền qua microscope XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X iv
  7. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Kích thước, tổng số nguyên tử trong hạt, phần trăm số nguyên tử trên bề mặt hạt .................................................................................. 6 Bảng 1.2. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.............................. 7 Bảng 1.3. Bảng thống kê một số kết quả nghiên cứu và đoán nhận nguồn gốc của các phát xạ của nano ZnS ........................................................ 16 Bảng 1.4. Bảng thống kê một số kết quả nghiên cứu và đoán nhận nguồn gốc của các phát xạ của nano ZnS:Mn2+ .............................................. 22 v
  8. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. (a) hệ vật rắn khối ba chiều; (b) hệ vật rắn khối hai chiều; (c) hệ vật rắn khối một chiều; (d) hệ không chiều .......................................... 4 Hình 1.2. Cấu trúc lập phương của tinh thể ZnS ............................................ 9 Hình 1.3. Cấu trúc lục giác của tinh thể ZnS.................................................. 10 Hình 1.4. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnS: (a) lập phương tâm mặt, (b) lập phương tâm khối ................................................................................... 10 Hình 1.5. Sơ đồ năng lượng của ZnS khối (a), hạt nano ZnS không pha tạp (b) và pha tạp đồng (c) ............................................................................... 13 Hình 1.6. Phổ kích thích và phát xạ huỳnh quang của hạt nano ZnS không pha tạp và pha tạp đồng............................................................................... 13 Hình 1.7. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Cu đo ở và , ở 4K .......................... 15 Hình 1.8. Phổ hình quang nano tinh thể ZnS:Cu2+ có đỉnh ở 470 và 600nm đo tại , nhiệt độ phòng ........................................................ 15 Hình 1.9. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của nano và micro tinh thể ZnS:Mn2+.................................................................................. 19 Hình 1.10. Phổ huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ của nano tinh thể ZnS:Mn2+.. 19 Hình 1.11. Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS trước và sau khi pha tạp Mn2+ ...................................................................................................... 21 Hình 1.12. Phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ ............................ 22 Hình 1.13. Giản đồ các quá trình truyền năng lượng liên quan đến phát xạ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Mn2+ ............................................ 25 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý quy trình chế tạo vật liệu nano ZnS không pha tạp bằng phương pháp đồng kết tủa ........................................................... 29 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý quy trình chế tạo vật liệu nano ZnS pha tạp Cu2+ vi
  9. Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý quy trình chế tạo vật liệu nano ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+ ....................................................................................................... 33 Hình 2.4. Máy đo giản đồ nhiễu xạ tia X tại Đại học Cần Thơ ...................... 36 Hinh 2.5. Hệ huỳnh quang nguồn kích thích là đèn Xenon công suất 450W, có bước sóng từ 250-800nm, tại viện Tiên tiến khoa học và công nghệ AIST- Đại học Bách khoa Hà Nội ......................................................... 37 Hình 3.1.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nano tinh thể ZnS:Cu2+, Mn2+. Hình 3.2. Phổ huỳnh quang (PL) của tinh thể ZnS Hình 3.3. Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) của tinh thể ZnS Hình 3.4. Phổ huỳnh quang của mẫu nano tinh thể ZnS: Cu2+ với nồng đồ ion đồng pha tạp 0.08%. Hình 3.5. Phổ kích thích huỳnh quang của mẫu nano tinh thể ZnS: Cu2+ với nồng đồ ion đồng pha tạp 0.08%. Hình 3.6. Phổ FIT của mẫu nano tinh thể ZnS: Cu2+ với nồng đồ ion đồng pha tạp 0.08%. Hình 3.7. Phổ PL (λex: 330 nm) của nano tinh thể ZnS không pha tạp và pha tạp ion Cu+2 với nồng độ 0.04, 0.08, 0.10 và 0.20%. Hình 3.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ ủ của phổ huỳnh quang của nano tinh thể ZnS: Cu2+0,08% khi mẫu được ủ nhiệt ở các nhiệt độ 300, 500 và 800oC trong 1 giờ trong môi trường khí N2. Hình 3.9. Phổ huỳnh quang của mẫu tinh thể nanô ZnS:Cu2+, Mn2+(Cu2+/Zn2+ = 0.005%, Mn2+/Zn2+ = 0.8 %, và tỷ lệ mol Zn2+/S2- = 1) khi được xử lý với các nhiệt độ thay đổi: 200, 400, 500, 600, 700oC, và mẫu chưa xử lý với bước sóng kích thích là 325 nm. vii
  10. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài ZnS là vật liệu bán dẫn II-VI quan trọng, có độ rộng vùng cấm khoảng 3,7 eV, trong đó vật liệu nano ZnS có nhiều tính chất vật lý và tính chất hóa học đặc biệt mà bán dẫn khối không có như: độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa học bền vững và ứng dụng trong kĩ thuật nhiều hơn các vật liệu chacogenide khác như Zn,Se... Đặc biệt, khi ion kim loại chuyển tiếp như: Eu2+, Cu2+, Mn2+, Co2+... được pha tạp vào có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và chuyển mức điện tử, do đó có thể điều khiển độ rộng vùng cấm, cũng như điều khiển được dải phát xạ khác trong vùng nhìn thấy của tinh thể ZnS khi nồng độ tạp và điều kiện chế tạo mẫu khác nhau. Các vật liệu này có phạm vi ứng dụng rộng, ví dụ như: thiết bị quang điện, màn hình phosphor, các sensor quang học... Do đó, tính chất quang của chúng được đặc biệt chú ý. Vì thế chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và tính chất quang của vật liệu nano ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+” để nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu Để chế tạo vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+; có thể dùng rất nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, đồng kết tủa, vi huyết tương, bốc bay nhiệt... Ở đây chúng tôi sử dụng phương pháp đồng kết tủa để chế tạo các mẫu trên. Mục đích của đề tài là chế tạo vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+. Nghiên cứu tính quang và cấu trúc của vật liệu nano ZnS, ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+với nồng độ tạp chất thay đổi. Nghiên cứu tính chất quang và cấu trúc của vật liệu nano ZnS và ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+với thời gian bọc TG (thioglycelrol) khác nhau. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu đặt ra, các nội dung nghiên cứu chính của đề tài được xác định như sau: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chế tạo, tổng hợp ZnS. 1
  11. Khảo sát cấu trúc tinh thể , hình thái bề mặt và tính chất quang của ZnS chế tạo được nhằm tìm ra điều kiện chế tạo và nồng độ pha tạp (pha tạp Cu2+, Mn2+) tối ưu. 4. Những đóng góp mới - Chế tạo thành công bột huỳnh quang ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+bằng phương pháp đồng kết tủa. - Đã nghiên cứu một cách hệ thống sự phụ thuộc của phổ phát xạ (quang huỳnh quang) của bột huỳnh quang ZnS pha tạp Cu2+, Mn2+vào các điều kiện công nghệ chế tạo như nhiệt độ thiêu kết, nồng độ Cu2+, Mn2+ pha tạp và bước sóng kích thích, để nhận được bột huỳnh quang có chất lượng tinh thể tốt và cường độ phát quang cao, giá thành rẻ và ứng dụng nhiều trong nông, công nghiệp. 5. Bố cục Mở đầu Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Kết quả và thảo luận. 2
  12. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano 1.1.1. Khái niệm, phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là những vật liệu có kích thước nano. Vật liệu bán dẫn gồm vật liệu khối (hệ ba chiều) và vật liệu nano. Vật liệu nano lại được chia thành: vật liệu nano 2 chiều (màng nano), vật liệu nano 1 chiều (ống nano, dây nano hay thanh nano), vật liệu nano không chiều (đám nano, hạt nano hay chấm lượng tử). Đại lượng vật lý đặc trưng cho vật liệu bán dẫn là mật độ trạng thái lượng tử N(E), là số trạng thái lượng tử có trong một đơn vị năng lượng của một thể tích tinh thể, được xác định bằng công thức sau: * Với vật liệu bán dẫn khối 3D: Trong đó là khối lượng của điện tử hoặc lỗ trống, E là năng lượng, là năng lượng đáy vùng dẫn h đỉnh vùng hóa trị. * Với vật liệu nano 2 chiều 2D: Trong đó là năng lượng biên của các vùng con. * Với vật liệu nano 1 chiều 1D: * Với vật liệu nano không chiều 0D: Xét trường hợp với chấm lượng tử: các hạt tải điện và các trạng thái kích thích bị giam giữ trong cả không gian 3 chiều, làm cho chuyển động của các electron bị giới hạn trong cả 3 chiều, vì thế trong không gian k chỉ tồn tại 3
  13. các trạng thái gián đoạn ( Mật độ trạng thái lượng tử của vật liệu nano không chiều 0D được biểu diễn qua hàm delta: Vật liệu bán dẫn khối, vật liệu nano và phổ mật độ trạng thái lượng tử được dẫn ra ở hình 1.1: Hình 1.1. (a) hệ vật rắn khối ba chiều; (b) hệ vật rắn khối hai chiều; (c) hệ vật rắn khối một chiều; (d) hệ không chiều. 1.1.2. Đặc trưng của vật liệu nano Một đặc điểm quan trọng của vật liệu nano là kích thước hạt vô cùng nhỏ bé, chỉ lớn hơn kích thước của nguyên tử 1 hoặc 2 bậc. Do đó tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt trên số nguyên tử tổng cộng của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với tỉ số này đối của các vật liệu có kích thước lớn hơn. Nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano hầu hết các nguyên tử đều được “phơi” ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội như tính chất điện, tính chất quang, tính chất từ… 4
  14. * Hiệu ứng lượng tử: Đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1 m3 vật liệu có khoảng 1012 nguyên tử), các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa cho tất cả các nguyên tử, vì thế có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét các giá trị trung bình của chúng. Nhưng đối với cấu trúc nano, do kích thước của vật liệu rất nhỏ, hệ có rất ít nguyên tử nên các tính chất lượng tử thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Điều này làm xuất hiện ở vật liệu nano các hiện tượng lượng tử như những thay đổi trong tính chất điện và tính chất quang phi tuyến của vật liệu, hiệu ứng đường ngầm… Ví dụ: Chấm lượng tử, được viết tắt là QD (quantum dots). Một QD là một hạt vật chất có kích thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó theo một cách hữu ích nào đó. Do sự hạn chế về không gian (hoặc sự giam hãm) của những điện tử và lỗ trống trong vật chất (một lỗ trống hình thành do sự vắng mặt của một điện tử; một lỗ trống hoạt động như là một điện tích dương), hiệu ứng lượng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi hẳn đi. * Hiệu ứng bề mặt: Ở vật liệu nano, đa số các nguyên tử đều nằm trên bề mặt, nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong. Vì thế các hiệu ứng có liên quan tới bề mặt như: độ hoạt động bề mặt, khả năng hấp phụ… của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối. Điều này đã mở ra những ứng dụng tuyệt vời cho lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu. * Hiệu ứng kích thước: Các vật liệu truyền thống thường được đặc trưng bởi một số các đại lượng vật lí, hóa học không đổi như: độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit…Tuy nhiên các đại lượng vật lí và hóa học này chỉ là không đổi nếu kích thước của vật liệu đủ lớn (thường lớn hơn 100 nm). Khi 5
  15. giảm kích thước của vật liệu xuống đến thang nano (nhỏ hơn 100nm) thì các đại lượng lí, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngược lại chúng sẽ thay đổi theo kích thước. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước. Kích thước mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi kích thước được gọi là kích thước tới hạn. Các nghiên cứu đã cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học của các vật liệu đều có kích thước tới hạn trong khoảng từ 1 nm đến 100 nm nên các tính chất này đều có thể biểu hiện khác thường ở vật liệu nano so với các vật liệu khối truyền thống. Bảng 1.1: Kích thước hạt, tổng số nguyên tử trong hạt, phần trăm số nguyên tử trên bề mặt hạt. 6
  16. Bảng 1.2: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Độ dài tới Tính chất Thông số hạn (nm) Tương tác bất định số 1-1000 Biên hạt 1-10 Tính chất cơ Bán kính khởi động nứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung bình không đàn Tính chất điện 1-100 hồi Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Tính chất từ Quãng đường tán xạ spin 1-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meiner 1-100 Giếng lượng tử 1-100 Tính chất quang Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 1.1.3. Ứng dụng Vật liệu nano được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp y học, nghiên cứu khoa học, phẫu thuật thẩm mỹ cũng như đời sống… Trong công nghiệp: các tập đoàn điện tử đã bắt đầu đưa công nghệ nano vào ứng dụng, tạo ra các sản phẩm có tính cạnh tranh lớn. Trong y học, người ta tìm cách dùng các hạt nano để đưa các phân tử thuốc đến đúng tế bào ung thư, các hạt nano đóng vai trò là xe tải kéo, khi đó sẽ tránh được tác dụng phụ gây ra cho các tế bào lành. Trong nghiên cứu khoa học, các nhà khoa học thấy rằng các vật liệu có kích thước nano có tính chất tốt hơn so với các vật 7
  17. liệu thông thường, do đó vật liệu nano có nhiều ứng dụng đặc biệt và hiệu quả hơn, là hướng nghiên cứu mới, mở ra nhiều hứa hẹn tiềm năng ứng dụng cao. Trong các vật liệu nano thì ZnS là vật liệu có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các dụng cụ quang điện tử vì nó có vùng cấm lớn chuyển mức thẳng (khoảng 3,7eV; 300K) và phát quang mạnh ở vùng khả kiến. Bột huỳnh quang ZnS được sử dụng trong các tụ điện huỳnh quang, màn Ronghen, màn của ống phóng điện tử. Người ta đã chế tạo được nhiều loại photodiode trên cơ sở lớp chuyển tiếp p-n của ZnS (suất quang điện động của lớp chuyển tiếp p-n trên tinh thể ZnS đạt tới 2,5V). Điều này cho phép hi vọng trong tương lai sẽ có những bước phát triển trong công nghệ chế tạo thiết bị ghi đọc quang học laser, ví dụ như làm tăng mật độ ghi thông tin trên đĩa, tăng tốc độ làm việc của máy in laser, đĩa compact, tạo khả năng sử dụng bảng màu trộn từ 3 laser phát màu cơ bản. Hợp chất ZnS pha với các kim loại chuyển tiếp được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực điện phát quang. Việc pha thêm tạp chất và thay đổi nồng độ tạp chất, có thể điều khiển được độ rộng vùng cấm làm cho các ứng dụng của ZnS trở nên phong phú hơn. 1.2. Cấu trúc tinh thể. Vùng năng lượng của vật liệu nano ZnS 1.2.1. Cấu trúc tinh thể Liên kết trong tinh thể ZnS: khoảng 62% là liên kết ion, 38% là liên kết cộng hóa trị. Cấu hình electron của Zn: và S: . Liên kết ion xảy ra khi 2e ngoài cùng của Zn chuyển sang lớp vỏ của S tạo thành : và : . Liên kết cộng hóa trị là do có sự góp chung cặp e tạo thành : và : tạo thành lai hóa . Khi tạo thành tinh thể, các nguyên tử Zn, S liên kết với nhau theo cấu trúc xác định: cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt và cấu trúc tinh thể lục giác (cấu trúc này bền ở nhiệt độ cao). 8
  18. 1.2.2. Cấu trúc lập phương hay Sphalerite (Zincblende) Hình 1.2. Cấu trúc lập phương của tinh thể ZnS Từ hình 1.2, chúng ta có thể thấy mỗi ô mạng cơ sở có 4 phân tử ZnS, trong đó mỗi nguyên tử Zn (hoặc S) được bao quanh bới 4 nguyên tử S (hoặc Zn) đặt tại các đỉnh và tâm mặt. Nguyên tử Zn đặt tại tâm của tứ diện đều có cạnh là , tại mỗi đỉnh là một nguyên tử S. Khoảng cách từ Zn đến mỗi đỉnh là , trong đó a là hằng số mạng; bất kì một nguyên tử cùng loại cũng được bao quanh bởi 12 nguyên tử cùng loại ở khoảng cách , trong đó 6 nguyên tử cùng nằm trên một mặt phẳng, còn 6 nguyên tử còn lại tạo thành một phản lăng kính tam giác. 1.2.3. Cấu trúc lục giác hay Wurzite Được xây dựng dựa trên cơ sở quy luật xếp cầu theo hình cạnh của nguyên tử S, trong đó một nửa số hốc tứ diện chưa nguyên tử Zn được định hướng song song với nhau (hình 1.3) 9
  19. Hình 1.3. Cấu trúc lục giác của tinh thể ZnS [6]. Mỗi ô cơ sở chưa 2 phân tử ZnS. Mỗi nguyên tử Zn (hoặc S) đặt trên đỉnh tứ diện ở cùng khoảng cách , trong đó a là hằng số mạng, u là hằng số mạng dọc trục z. Ngoài ra mỗi nguyên tố được bao bọc bởi 12 nguyên tử cùng loại, trong đó có 6 nguyên tử nằm ở đỉnh của một lục giác đồng phẳng với nguyên tử đầu và cách nó một khoảng là a, 6 nguyên tử còn lại nằm ở đỉnh mặt lăng trụ có đáy là một tam diện ở khoảng cách bằng . 1.2.4. Cấu trúc vùng năng lượng Với các bán dẫn ZnS, vùng dẫn được hình thành bởi các quỹ đạo s của Zn, trong khi vùng hóa trị phát triển từ quỹ đạo p của S. Hình 1.4. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnS: (a) lập phương tâm mặt; (b) lập phương tâm khối. 10
  20. 1.2.4.1. Cấu trúc vùng năng lượng của mạng Wurtzite Do cấu trúc tinh thể của mạng lập phương và mạng lục giác khác nhau nên thế năng tác dụng lên điện tử ở hai mạng tinh thể khác nhau. Tuy nhiên, đối với cùng một chất, khoảng cách giữa các nguyên tử trong cùng một loại mạng bằng nhau. Liên kết hóa học của các nguyên tử trong hai loại mạng tinh thể cũng như nhau, chỉ có sự khác nhau trong trường tinh thể và vùng Brilluoin gây ra sự khác biệt trong thế năng tác dụng nên điện tử. So với sơ đồ vùng năng lượng của mạng lập phương cho thấy do ảnh hưởng của nhiễu loạn trường tinh thể mà mức 8 (j=3/2) và mức 7 (j=1/2) của vùng hóa trị mạng lập phương bị tách ra thành ba mức 8 ( A) , 7 ( B) , 7 (C ) trong mạng lục giác 1.2.4.2. Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lập phương Sphalezite Sử dụng một số phương pháp giả thế, phương pháp sóng phẳng trực giao người ta đã tính toán được cấu trúc vùng năng lượng của ZnS. Đây là hợp chất có vùng cấm thẳng. Đối với cấu trúc lập phương giả kẽm thì trạng thái  25 chuyển thành trạng thái 15 , nếu kể đến tương tác spin quỹ đạo thì trạng thái 15 tại vị trí k  0 sẽ suy biến thành sáu trạng thái. 8 suy biến bậc bốn và 7 suy biến bậc hai. Do mạng lập phương không có đối xứng đảo nên cực đại của vùng hóa trị lệch khỏi vị trí k  0 nên làm mất đi sự sự biến vùng các lỗ trống nặng V1 và các lỗ trống nhẹ V2.i 1.3. Tính chất quang của ZnS pha tạp nguyên tố Cu2+, Mn2+ 1.3.1. Tính chất huỳnh quang của nano tinh thể ZnS:Cu2+ Do có những tính chất mới, ưu việt hơn so với vật liệu khối và có nhiều tiềm năng ứng dụng mà các nano tinh thể bán dẫn với kích thước nhỏ hơn bán kính Bohr exciton thời gian gần đây đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới [7,16,36]. Trong đó sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước của nano tinh thể là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất [8,44]. Cho đến nay sự thay đổi tính chất quang 11
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược