Xem mẫu
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
----------------
Lương Trúc Quỳnh Ngân
CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TÁN XẠ RAMAN TĂNG
CƯỜNG BỀ MẶT CỦA CÁC HỆ DÂY NANÔ SILIC XẾP
THẲNG HÀNG
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62 44 01 23
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2016
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Đào Trần Cao, Viện Khoa học Vật
liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Phản biện 1: ………………………………………………….
Phản biện 2:…………………………………………………..
Phản biện 3:…………………………………………………..
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp viện
tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam.
Vào hồi……..giờ, ngày…….tháng……. năm……..
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ;
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
1
Mở đầu
Dây nanô silic (silicon nanowire –SiNW) thuộc nhóm vật liệu nanô
một chiều (1D) với diện tích bề mặt hiệu dụng cao, trong đó các hạt tải
bị giới hạn trong hai chiều và tự do trong chiều còn lại. Sự thu nhỏ về
kích thước của vật liệu SiNW so với vật liệu khối làm cho các tính chất
điện, quang và nhiệt của SiNW có nhiều điểm khác biệt và nổi trội hơn
hẳn so với Si khối.
Các hệ SiNW xếp thẳng hàng (aligned SiNW - ASiNW) là các hệ
SiNW có trật tự, xếp thành hàng lối với nhau. Sự sắp xếp có trật tự của
các SiNW không chỉ làm tăng độ ổn định, sự lặp lại trong các lần chế
tạo mà còn giúp cho các tính chất của ASiNW sẽ có nhiều điểm ưu việt
và độc đáo hơn so với SiNW mất trật tự. Nhờ có những tính chất này
nên ASiNW trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như các thiết bị điện tử tiên tiến, cảm biến y sinh, thiết bị
quang điện tử, và pin mặt trời.
Một trong những ứng dụng khá thú vị của các hệ ASiNW là tán xạ
Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering –
SERS). Đây là một kỹ thuật phân tích được phát triển để phát hiện một
lượng rất nhỏ của các phân tử hữu cơ bằng cách xác định tín hiệu
Raman đặc trưng của chúng và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực khác nhau.
Tại Việt Nam, cho đến nay vẫn chưa có công trình nào về chế tạo,
nghiên cứu các tính chất cũng như ứng dụng của các hệ ASiNW trên đế
Si. Với mục đích tìm hiểu và nghiên cứu về vật liệu ASiNW cũng như
tính chất và ứng dụng của vật liệu này nên chúng tôi đã chọn tên đề tài
luận án là “Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng
dụng trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các hệ dây nanô
silic xếp thẳng hàng”.
Trong bản luận án này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW
trên đế Si bằng phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại
(metal-assisted chemical etching - MACE) và phương pháp ăn mòn điện
hóa có sự trợ giúp của kim loại (metal-assisted electrochemical etching MAECE). Tiếp theo, chúng tôi nghiên cứu hình thái cấu trúc và tính
chất huỳnh quang của các hệ ASiNW chế tạo được. Cuối cùng, chúng
tôi nghiên cứu ứng dụng hệ ASiNW để chế tạo các đế để phát hiện các
phân tử hữu cơ có nồng độ thấp sử dụng hiệu ứng SERS.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Đã chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng hai phương pháp MACE
và MAECE.
2
Đã nghiên cứu một cách có hệ thống ảnh hưởng của các thông số chế
tạo lên hình thái, cấu trúc của các hệ ASiNW.
Đã nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW.
Đã sử dụng các hệ ASiNW cho việc chế tạo đế SERS để phát hiện
các phân tử hữu cơ có nồng độ thấp.
Bố cục của bản luận án:
Bản luận án này bao gồm 150 trang (chưa bao gồm tài liệu tham
khảo) với cấu trúc như sau:
Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn đề tài, phương pháp và mục đích
nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về vật liệu dây nanô silic.
Chương 2: Nghiên cứu chế tạo các hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng
bằng phương pháp ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp
của kim loại.
Chương 3: Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của hệ dây nanô silic xếp
thẳng hàng.
Chương 4: Ứng dụng hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng trong tán xạ
Raman tăng cường bề mặt.
Kết luận: Trình bày các kết luận rút ra từ các kết quả nghiên cứu.
Chương 1
Tổng quan về vật liệu Si nanô dây
1.1. Sơ lược về vật liệu Si khối
Si là chất bán dẫn có nhiều tính chất tốt và có giá trị như độ bền cơ
học và độ dẫn nhiệt cao, tương đối trơ, thân thiện với môi trường và có
thể dễ dàng thay đổi tính chất điện bằng cách pha thêm một số tạp chất
vào nó.
Ở nhiệt độ phòng Si tồn tại dưới hai dạng: vô định hình và Si tinh
thể. Vật liệu Si đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể dạng kim cương với
hằng số mạng a = 5,43 Å. Các linh kiện được làm từ Si đơn tinh thể bao
gồm các mạch tích hợp, các tranzito, điốt, các linh kiện quang điện và
pin mặt trời.
1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây nanô Si
Có hai cách tiếp cận để tạo ra SiNW: cách tiếp cận từ dưới lên
(bottom-up) và cách tiếp cận từ trên xuống (top-down).
1.2.1. Cách tiếp cận từ dưới lên
Cách tiếp cận từ dưới lên chế tạo các dây nanô (NW) từ các nguyên
tử. Các phương pháp chế tạo điển hình dựa trên cách tiếp cận này là mọc
3
pha hơi – lỏng – rắn (vapor-liquid-solid - VLS), mọc với sự hỗ trợ của
ôxít (oxide-assisted growth - OAG), …
1.2.2. Cách tiếp cận từ trên xuống
Cách tiếp cận từ trên xuống chế tạo các SiNW từ Si đơn tinh thể
hoặc màng mỏng Si chất lượng cao. Về cơ bản, các phương pháp theo
cách tiếp cận này thường bao gồm việc tạo khuôn các đế hoặc màng
mỏng và sau đó là ăn mòn. Các phương pháp điển hình của cách tiếp
cận này là MACE, MAECE, quang khắc,…
1.3. Các tính chất của vật liệu dây nanô Si
Tính chất huỳnh quang: Cũng giống như các vật liệu nanô Si khác,
vật liệu SiNW cũng phát huỳnh quang (photoluminescence - PL) ở ba
vùng: vùng xanh, vùng đỏ và vùng hồng ngoại, trong đó PL trong vùng
đỏ thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhất. Các nguyên nhân phát
PL (đặc biệt là PL trong vùng đỏ) của vật liệu SiNW đã được đề xuất
bao gồm: i) hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effect QCE) ; ii) các trạng thái bề mặt, các sai hỏng và iii) sự kết hợp giữa
QCE và trạng thái bề mặt.
Nhìn chung, PL của các hệ SiNW vẫn còn quá yếu đối với những
ứng dụng về phát quang, vì vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu được
triển khai nhằm tăng cường PL của các hệ SiNW.
1.4. Ứng dụng của vật liệu dây nanô Si
Các ứng dụng sinh học: Các SiNW đã nổi lên như vật liệu đầy hứa
hẹn cho các ứng dụng sinh học như xét nghiệm tế bào, chuyển gen, dẫn
thuốc và đặc biệt trong các cảm biến sinh học bao gồm SERS, tranzito
hiệu ứng trường,…
Hình 1.13. Phổ Raman
thu được từ các đế
AgNPs/SiNW được nhỏ
25 ml 10-16 M R6G (a),
10-16 M crystal violet (b),
10-14 M nicotine (c), và
10-8 mg/ml dung dịch
DNA CT trong nước (d).
nguon tai.lieu . vn
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
----------------
Lương Trúc Quỳnh Ngân
CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG VÀ ĐỊNH
HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG TÁN XẠ RAMAN TĂNG
CƯỜNG BỀ MẶT CỦA CÁC HỆ DÂY NANÔ SILIC XẾP
THẲNG HÀNG
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62 44 01 23
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2016
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Đào Trần Cao, Viện Khoa học Vật
liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Phản biện 1: ………………………………………………….
Phản biện 2:…………………………………………………..
Phản biện 3:…………………………………………………..
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp viện
tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam.
Vào hồi……..giờ, ngày…….tháng……. năm……..
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ;
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam
1
Mở đầu
Dây nanô silic (silicon nanowire –SiNW) thuộc nhóm vật liệu nanô
một chiều (1D) với diện tích bề mặt hiệu dụng cao, trong đó các hạt tải
bị giới hạn trong hai chiều và tự do trong chiều còn lại. Sự thu nhỏ về
kích thước của vật liệu SiNW so với vật liệu khối làm cho các tính chất
điện, quang và nhiệt của SiNW có nhiều điểm khác biệt và nổi trội hơn
hẳn so với Si khối.
Các hệ SiNW xếp thẳng hàng (aligned SiNW - ASiNW) là các hệ
SiNW có trật tự, xếp thành hàng lối với nhau. Sự sắp xếp có trật tự của
các SiNW không chỉ làm tăng độ ổn định, sự lặp lại trong các lần chế
tạo mà còn giúp cho các tính chất của ASiNW sẽ có nhiều điểm ưu việt
và độc đáo hơn so với SiNW mất trật tự. Nhờ có những tính chất này
nên ASiNW trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như các thiết bị điện tử tiên tiến, cảm biến y sinh, thiết bị
quang điện tử, và pin mặt trời.
Một trong những ứng dụng khá thú vị của các hệ ASiNW là tán xạ
Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering –
SERS). Đây là một kỹ thuật phân tích được phát triển để phát hiện một
lượng rất nhỏ của các phân tử hữu cơ bằng cách xác định tín hiệu
Raman đặc trưng của chúng và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực khác nhau.
Tại Việt Nam, cho đến nay vẫn chưa có công trình nào về chế tạo,
nghiên cứu các tính chất cũng như ứng dụng của các hệ ASiNW trên đế
Si. Với mục đích tìm hiểu và nghiên cứu về vật liệu ASiNW cũng như
tính chất và ứng dụng của vật liệu này nên chúng tôi đã chọn tên đề tài
luận án là “Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng
dụng trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt của các hệ dây nanô
silic xếp thẳng hàng”.
Trong bản luận án này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW
trên đế Si bằng phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại
(metal-assisted chemical etching - MACE) và phương pháp ăn mòn điện
hóa có sự trợ giúp của kim loại (metal-assisted electrochemical etching MAECE). Tiếp theo, chúng tôi nghiên cứu hình thái cấu trúc và tính
chất huỳnh quang của các hệ ASiNW chế tạo được. Cuối cùng, chúng
tôi nghiên cứu ứng dụng hệ ASiNW để chế tạo các đế để phát hiện các
phân tử hữu cơ có nồng độ thấp sử dụng hiệu ứng SERS.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Đã chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng hai phương pháp MACE
và MAECE.
2
Đã nghiên cứu một cách có hệ thống ảnh hưởng của các thông số chế
tạo lên hình thái, cấu trúc của các hệ ASiNW.
Đã nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW.
Đã sử dụng các hệ ASiNW cho việc chế tạo đế SERS để phát hiện
các phân tử hữu cơ có nồng độ thấp.
Bố cục của bản luận án:
Bản luận án này bao gồm 150 trang (chưa bao gồm tài liệu tham
khảo) với cấu trúc như sau:
Mở đầu: Trình bày lý do lựa chọn đề tài, phương pháp và mục đích
nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về vật liệu dây nanô silic.
Chương 2: Nghiên cứu chế tạo các hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng
bằng phương pháp ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp
của kim loại.
Chương 3: Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của hệ dây nanô silic xếp
thẳng hàng.
Chương 4: Ứng dụng hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng trong tán xạ
Raman tăng cường bề mặt.
Kết luận: Trình bày các kết luận rút ra từ các kết quả nghiên cứu.
Chương 1
Tổng quan về vật liệu Si nanô dây
1.1. Sơ lược về vật liệu Si khối
Si là chất bán dẫn có nhiều tính chất tốt và có giá trị như độ bền cơ
học và độ dẫn nhiệt cao, tương đối trơ, thân thiện với môi trường và có
thể dễ dàng thay đổi tính chất điện bằng cách pha thêm một số tạp chất
vào nó.
Ở nhiệt độ phòng Si tồn tại dưới hai dạng: vô định hình và Si tinh
thể. Vật liệu Si đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể dạng kim cương với
hằng số mạng a = 5,43 Å. Các linh kiện được làm từ Si đơn tinh thể bao
gồm các mạch tích hợp, các tranzito, điốt, các linh kiện quang điện và
pin mặt trời.
1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây nanô Si
Có hai cách tiếp cận để tạo ra SiNW: cách tiếp cận từ dưới lên
(bottom-up) và cách tiếp cận từ trên xuống (top-down).
1.2.1. Cách tiếp cận từ dưới lên
Cách tiếp cận từ dưới lên chế tạo các dây nanô (NW) từ các nguyên
tử. Các phương pháp chế tạo điển hình dựa trên cách tiếp cận này là mọc
3
pha hơi – lỏng – rắn (vapor-liquid-solid - VLS), mọc với sự hỗ trợ của
ôxít (oxide-assisted growth - OAG), …
1.2.2. Cách tiếp cận từ trên xuống
Cách tiếp cận từ trên xuống chế tạo các SiNW từ Si đơn tinh thể
hoặc màng mỏng Si chất lượng cao. Về cơ bản, các phương pháp theo
cách tiếp cận này thường bao gồm việc tạo khuôn các đế hoặc màng
mỏng và sau đó là ăn mòn. Các phương pháp điển hình của cách tiếp
cận này là MACE, MAECE, quang khắc,…
1.3. Các tính chất của vật liệu dây nanô Si
Tính chất huỳnh quang: Cũng giống như các vật liệu nanô Si khác,
vật liệu SiNW cũng phát huỳnh quang (photoluminescence - PL) ở ba
vùng: vùng xanh, vùng đỏ và vùng hồng ngoại, trong đó PL trong vùng
đỏ thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhất. Các nguyên nhân phát
PL (đặc biệt là PL trong vùng đỏ) của vật liệu SiNW đã được đề xuất
bao gồm: i) hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effect QCE) ; ii) các trạng thái bề mặt, các sai hỏng và iii) sự kết hợp giữa
QCE và trạng thái bề mặt.
Nhìn chung, PL của các hệ SiNW vẫn còn quá yếu đối với những
ứng dụng về phát quang, vì vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu được
triển khai nhằm tăng cường PL của các hệ SiNW.
1.4. Ứng dụng của vật liệu dây nanô Si
Các ứng dụng sinh học: Các SiNW đã nổi lên như vật liệu đầy hứa
hẹn cho các ứng dụng sinh học như xét nghiệm tế bào, chuyển gen, dẫn
thuốc và đặc biệt trong các cảm biến sinh học bao gồm SERS, tranzito
hiệu ứng trường,…
Hình 1.13. Phổ Raman
thu được từ các đế
AgNPs/SiNW được nhỏ
25 ml 10-16 M R6G (a),
10-16 M crystal violet (b),
10-14 M nicotine (c), và
10-8 mg/ml dung dịch
DNA CT trong nước (d).