Luận án Nghiên cứu tính chất quang của các hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt và hóa siêu âm

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu tính chất quang của các hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt và hóa siêu âm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HỒ MINH TRUNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT TINH THỂ NANO InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA ƯỚT VÀ HÓA SIÊU ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp. Hồ Chí Minh - Năm 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HỒ MINH TRUNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT TINH THỂ NANO InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA ƯỚT VÀ HÓA SIÊU ÂM Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62 44 11 01 Phản biện 1: PGS TS Trần Hoàng Hải Phản biện 2: PGS TS Vũ Thị Bích Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong Phản biện độc lập 1: PGS TS Vũ Thị Bích Phản biện độc lập 2: TS Ngô Quang Minh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS TS. Trương Kim Hiếu 2. PGS TS Nguyễn Ngọc Long Tp. Hồ Chí Minh - Năm 2014
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan toàn bộ công trình này hoàn toàn do chính tác giả đã dày công nghiên cứu tỷ mỉ trong 6 năm qua từ năm 2008 đến năm 2014 dưới sự chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Long và thầy PGS.TS Trương Kim Hiếu, các kết quả thực nghiệm hoàn toàn trung thực, chính xác không sao chép của bất kỳ tác giả nào, các công trình đã công bố đều do tác giả là tác giả chính. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thành phố Hồ Chí Minh 2014 Tác giả Hồ Minh Trung i
4. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và những lời tri ân chân thành và sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn thầy PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long và thầy PGS.TS. Trương Kim Hiếu những người thầy bao năm qua đã luôn tận tâm truyền thụ cho tôi những kinh nghiệm quý báu, những kiến thức quan trọng làm nền tảng cho việc hoàn thành luận án, đã không ngại khó khăn, tận tụy chỉnh sửa từng chi tiết giúp tôi có thể hoàn thành luận án và đã luôn động viên tôi vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất. Tôi cũng xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lê Văn Vũ Giám đốc Trung tâm Khoa học vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong suốt thời gian qua đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành luận án, đã giúp cho tôi có được những kết quả đo đạt chính xác nhất và nhanh nhất. Cho tôi được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS.Trần Tuấn, thầy GS.TS. Lê Khắc Bình, thầy PGS.TS. Lê Văn Hiếu Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, các thầy đã luôn động viên, chỉ dẫn, giúp tôi có thêm nghị lực để vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất. Xin được gửi những lời cảm ơn đến TS. Lê Vũ Tuấn Hùng Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, chị Trần Thị Phượng Giang chuyên viên Phòng Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian qua đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. Trong thời gian qua tôi cũng xin cảm ơn: Ths. Nguyễn Duy Thiện, Ths. Sái Công Doanh, Ths. Nguyễn Quang Hòa, TS Phạm Nguyên Hải cùng các Thầy, Cô của Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. ii
5. Tôi cũng xin cảm ơn dự án "Tăng cường năng lực nghiên cứu và đào tạo lĩnh vực Khoa học, Công nghệ nano và Ứng dụng trong Y, Dược, Thực phẩm, Sinh học, Bảo vệ môi trường và thích ứng biến đổi khí hậu theo hướng phát triển bền vững" của ĐHQG Hà Nội đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tôi hoàn thành luận án này. iii
6. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 6 1.1. Công nghệ nano .......................................................................................................... 6 1.2. Những hiệu ứng xảy ra trên cấu trúc nano .................................................................. 7 1.2.1. Hiệu ứng kích thước lượng tử .............................................................................. 8 1.2.2. Hiệu ứng bề mặt ................................................................................................. 11 1.3. Tính chất của vật liệu có cấu trúc nano .................................................................... 12 1.4. Vật liệu nano InP và một số kết quả nghiên cứu tính chất quang đã công bố trên thế giới ................................................................................................................................... 15 1.5. Các phương pháp chế tạo vật liệu ............................................................................. 25 1.5.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical) ................................................................ 25 1.5.2. Phương pháp hóa siêu âm (sonochemical) ........................................................ 26 1.5.3. Phương pháp thủy nhiệt ..................................................................................... 29 1.5.4. Phương pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao ...................................................... 31 1.5.5. Phương pháp ăn mòn laze .................................................................................. 31 CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HẠT NANO In VÀ InP ................................................................................................................................ 33 2.1. Chế tạo hạt tinh thể nano In ...................................................................................... 33 2.2. Chế tạo hạt tinh thể nano InP .................................................................................... 34 2.2.1. Chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa ướt ................................. 34 2.2.2. Chế tạo hạt tinh thể nano InP bằng phương pháp hóa siêu âm .......................... 36 2.2.3. Quy trình rửa, thu nhận mẫu .............................................................................. 38 2.2.4. Xử lý bề mặt hạt nano InP trong dung dịch HF ................................................. 39 2.3. Các phương pháp và kỹ thuật khảo sát tính chất hạt nano InP ................................. 41 iv
7. 2.3.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – transmission electron microscope) .... 41 2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM - scanning electron microscope) ..................... 43 2.3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX hay EDS: energy-dispersive x-ray spectroscopy) ............................................................................................................... 45 2.3.4. Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) ............................................................... 46 2.3.5. Phổ tán xạ Raman .............................................................................................. 49 2.3.6. Phổ hấp thụ UV-vis ............................................................................................ 51 2.3.7. Phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) ......................................................................... 53 2.3.8. Phổ phản xạ khuếch tán ..................................................................................... 55 2.3.9. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang ............................................. 57 CHƯƠNG 3: CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO In VÀ InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA ƯỚT ............................................................................................ 60 3.1. Tính chất của hạt nano In chế tạo bằng phương pháp hóa ướt ................................. 60 3.1.1. Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái ......................................... 61 3.1.2. Phổ hấp thụ UV-vis ............................................................................................ 67 3.2. Tính chất của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt ............................... 68 3.2.1. Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái ......................................... 68 3.2.2. Tính chất quang của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt ............. 80 CHƯƠNG 4: CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO InP CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA SIÊU ÂM ...................................................................................................... 99 4.1. Tính chất cấu trúc của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm .......... 99 4.1.1. Tính chất cấu trúc, thành phần hóa học, vi hình thái ......................................... 99 4.1.2. Phổ Raman ....................................................................................................... 106 4.1.3. Phổ hồng ngoại FTIR ....................................................................................... 108 4.2. Tính chất quang của hạt nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm ........... 109 4.2.1. Phổ hấp thụ UV-vis .......................................................................................... 109 4.2.2. Phổ phản xạ khuếch tán ................................................................................... 111 4.2.3. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang ........................................... 113 4.3. Một vài nhận xét về hai phương pháp chế tạo hạt tinh thể nano InP đã sử dụng trong luận án .................................................................................................................. 121 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 125 v
8. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN ...................................................................................................................................... 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 129 vi
9. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CRT Cathod ray tube (Ống tia catot, ống tia âm cực) CTAB Cetyl trimethylammonium bromide. EDX Energy-dispersive x-ray spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X) FESEM Field emission scaning electron microscopy (Hiển vi điện tử quét phát xạ trường) FTIR Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) HRTEM High-Resolution Transmission Electron Microscopy (Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao) InP Indium phosphide LO Longitudinal-optical mode (Mode dao động quang dọc) NCs Nanocrystals (Tinh thể nano) PL Photoluminescence spectrum (Phổ huỳnh quang) PLE Photoluminescence excitation spectrum (Phổ kích thích huỳnh quang) PVP Polyvinylpyrrolidone QD Quantum dot (Chấm lượng tử) SAED Selected Area Electron Diffraction (Nhiễu xạ electron vùng chọn lọc) SEM Scanning electron microscope (Hiển vi điện tử quét) TEM Transmission Electron Microscope (Hiển vi điện tử truyền qua) TO Transverse-optical mode (Mode dao động quang ngang) TOP Trioctyl phosphine TOPO Trioctylphosphineoxide UV-vis Ultraviolet-visible spectroscopy (Phổ tử ngoại-khả kiến) XRD X-ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) vii
10. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của bán dẫn InP tại nhiệt độ phòng (300K) [6] .. 16 Bảng 3.1. Điều kiện chế tạo các mẫu In khác nhau. ................................................ 60 2 2 2 1/2 Bảng 3.2. Bảng các giá trị của 1/dhkl và (h + k +l ) ............................................ 70 Bảng 3.3. Kích thước hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa ướt ... 85 2 2 2 1/2 Bảng 4.1. Bảng các giá trị của 1/dhkl và (h + k +l ) .......................................... 100 Bảng 4.2. Kích thước trung bình của hạt nano InP theo các mặt nhiễu xạ. .......... 101 Bảng 4.3. Kích thước hạt tinh thể nano InP chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm 113 Bảng 4.4. So sánh hai phương pháp chế tạo: hóa ướt và hóa siêu âm .................. 122 viii