Đề tài Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS

k. Từ (I.6) suy ra: g2d(k)~k (I.7) Bây giờ chúng ta hãy tìm số trạng thái có năng lượng nằm trong khoảng E và E + dE: dE dkk(E)dE dE dE dkk(k)dk(E)dE g gg 2d 2d2d   (I.8) Vì E(k) ~ k2 nên k ~ E1/2 và dE dk ~ E1/2 do đó mật độ trạng thái theo năng lượng có dạng: 1~.~ dE dkk(E) EEg 1/21/22d   (I.9) Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 21 Như vậy, mật độ trạng thái trong vật rắn 2 chiều là rất khác với trường hợp 3 chiều : trong vật rắn 2 chiều mật độ trạng thái đối với một trạng thái kz cho trước không phụ thuộc vào năng lượng và có dạng hàm bậc thang (hình 7d). Tính chất lượng tử nêu trên của electron trong vật rắn 2 chiều chính là nguồn gốc của rất nhiều hiệu ứng vật lý quan trọng trong cấu trúc này. II.1.3. Vật liệu nano một chiều Là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều thường thấy ở dây nano, ống nano. a) b) Hình 8: Mô tả vật liệu nano một chiều a) Dây nano zinc oxide lớn trên đế Si b) Ống nano carbon. Bây giờ chúng ta hãy xét trường hợp trong đó kích thước của vật rắn theo phương y cũng co lại còn vài nanomet. Khi đó các electron chỉ có thể chuyển động tự do theo phương x, còn chuyển động của chúng theo các phương y và z bị giới hạn bởi các mặt biên của vật (hình 9a). Một hệ như thể được gọi là dây lượng tử hay hệ electron 1 chiều (nếu hạt tải điện là electron). Trong hệ này các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ theo 1 chiều và chiếm các trạng thái lượng tử hóa ở hai chiều còn lại. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 22 Hình 9: a/ Vật rắn một chiều; b/ Các trạng thái được phép của electron trong vật rắn được mô tả như những đường thẳng song song với trục kx trong không gian k ba chiều; c/ Trong phạm vi một đường, phân bố trạng thái lại là liên tục, vì ∆kx →0. Tuy nhiên, sự phân bố các đường lại có tính gián đoạn: d/ Mật độ trạng thái g1d(E) trong phạm vi một đường dọc theo trục kx tỉ lệ với E-1/2. Mỗi đường hyperbol trên hình tương ứng với một trạng thái (ky, kz) riêng biệt. Các trạng thái của vật rắn một chiều cũng có thể được tìm thấy bằng phương pháp tương tự như đã mô tả đối với hệ ba chiều và hai chiều. Vì các electron có thể chuyển động tự do theo phương x, nên chúng ta lại có thể áp dụng khái niệm điều kiện biên tuần hoàn. Kết quả là phân bố các trạng thái, cũng như phân bố các mức năng lượng tương ứng, theo phương song song với trục kx là liên tục (∆kx →0, hình 9c). Trong khi đó, chuyển động của các electron dọc theo 2 phương còn lại bị giới hạn và các trạng thái của chúng có thể tìm được bằng cách giải phương trình Schrodinger sử dụng mô hình “hạt trong hộp thế”. Kết quả là các trạng thái Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 23 ky và kz bị lượng tử hóa, nhận các giá trị gián đoạn (hình 9c). Bây giờ chúng ta có thể hình dung tất cả các trạng thái có thể có trong không gian k được phân bố trên các đường thẳng song song với trục kx. Các đường thẳng này cách nhau những khoảng gián đoạn tỉ lệ với ∆ky và ∆kz. Vì trên mỗi đường, phân bố các trạng thái kx là liên tục, nên số trạng thái có vectơ sóng có giá trị nằm trong khoảng k và k + dk sẽ tỉ lệ với chiều dài dk trên đường thẳng: dk~(k)dkg1d (I.10) với )( 1 kg d là mật độ trạng thái trong không gian k. Từ (I.10) suy ra : phải tìm số trạng thái năng lượng nằm trong khoảng E và E + dE. dE dk~(E) dE dE dk~(k)dk(E)dE g gg 1d 1d1d  (I.11) Vì E(k) ~ k2 nên k ~ E1/2 và dE dk ~ E1/2 do đó mật độ trạng thái theo năng lượng (E)g1d có dạng: (E)g1d ~ dE dk ~ E1/2 (I.12) Từ biểu thức (I.12) nhận thấy rằng mật độ trạng thái trong một đường thẳng dọc theo trục kx phụ thuộc vào năng lượng theo hàm E-1/2. Sự phụ thuộc này được biểu diễn trong hình 6d. Mỗi đường hyperbol trên hình tương ứng với một trạng thái (ky, kz) riêng biệt. Sự lượng tử hóa các trạng thái trong hai chiều có tầm quan trọng đối với quá trình vận chuyển các hạt tải điện. Như trên đã nêu, các electron chỉ có thể chuyển động tự do dọc theo phương x, nhưng bị giới hạn ở một số trạng thái gián đoạn trong phương y và z, nói cách khác, trong vật rắn hai chiều các electron chỉ vận chuyển trong các “kênh dẫn” gián đoạn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với công nghiệp vi điện tử. Nếu kích thước của mạch điện tử được thu lại càng nhỏ, thì đường kính của dây dẫn có thể nhỏ, so sánh được với bước sóng Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 24 de Broglie của electron, khi đó, dây sẽ thể hiện tính chất của dây lượng tử. Tính chất lượng tử của quá trình vận chuyển một chiều đã được quan sát thấy lần đầu tiên trong cái gọi là tiếp điểm lượng tử trong các cấu trúc dị thể bán dẫn. II.1.4. Vật liệu nano không chiều Có nghĩa là cả ba chiều đều là có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano (hình 11). Khi các hạt tải điện và các kích thước bị giam giữ trong cả ba chiều (hình 10a), thì hệ được gọi là một chấm lượng tử. Tuy nhiên, định nghĩa này có phần không thật chặt chẽ, ví dụ, các đám bao gồm một số ít nguyên tử không được coi là các chấm lượng tử, bởi vì mặc dù kích thước của các đám này nhỏ hơn bước sóng de Broglie, nhưng tính chất của chúng phụ thuộc rất mạnh vào số nguyên tử tạo nên chúng. Chỉ có các đám lớn hơn, có cấu trúc mạng hoàn toàn xác định, và tính chất của chúng không còn phụ thuộc vào số nguyên tử nữa, mới được coi là các chấm lượng tử. Hình 10: Vật rắn không chiều: a/ Vật rắn bị co lại trong cả 3 chiều đều đến kích thước cỡ bước sóng de Broglie của electron; Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 25 b/ Vì hiệu ứng giam giữ, tất cả các trạng thái đều là gián đoạn và được biểu diễn bằng các điểm trong không gian k ba chiều; c/ Chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là được phép; d/ Mật độ trạng thái )( 0 Eg d dọc theo một chiều là các hàm δ tương ứng với các trạng thái riêng biệt. a) b) Hình 11: Miêu tả hạt nano và đám nano a) Hạt nano b) Đám nano Trong một chấm lượng tử, chuyển động của các electron bị giới hạn trong cả ba chiều, vì thế trong không gian k chỉ tồn tại các trạng thái gián đoạn là (kx, ky, kz). Mỗi một trạng thái trong không gian k có thể được biểu diễn bằng một điểm (hình 10b). Như vậy, chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là được phép (hình 10c). Các mức năng lượng này có thể được biểu diễn như ở các đỉnh δ trong hàm phân bố một chiều đối với mật độ trạng thái g0d(E) như trong hình 10d. Như chúng ta đã thấy, các vùng năng lượng hội tụ về các mức năng lượng giống như trong nguyên tử. Sự biến đổi này đặc biệt lớn tại các bờ vùng năng lượng, do đó ảnh hưởng đến các chất bán dẫn nhiều hơn các kim loại. Trong các chất bán dẫn, các tính chất electron trên thực tế liên quan mật thiết với các chuyển dời giữa bờ vùng hóa trị và bờ vùng dẫn điện. Ngoài tính chất gián đoạn của các mức năng lượng, còn cần phải nhấn mạnh đến sự tồn tại của mức năng lượng điểm 0 (zero-point Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 26 energy). Trong chấm lượng tử, ngay cả trong trạng thái cơ bản, các electron cũng có năng lượng lớn hơn. Trong chấm lượng tử, ngay cả trong trạng thái cơ bản, các electron cũng có năng lượng lớn hơn năng lượng của các electron tại bờ vùng dẫn trong vật liệu khối. II.2. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano Người ta căn cứ vào các lĩnh vực ứng dụng và tính chất để phân chia các loại hạt nano để thuận tiện cho công việc nghiên cứu. Ở đây chúng tôi đưa ra một số loại hạt được phân chia:  Vật liệu nano kim loại  Vật liệu nano bán dẫn  Vật liệu nano từ tính  Vật liệu nano sinh học  ……. Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại" được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất. III. Các hiệu ứng xảy ra khi vật liệu ở kích thước nano III.1. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu. Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai con số trên sẽ là ns = 4n2/3. Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f = ns/n = 4/n1/3 = 4r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano. Như vậy, nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 27 biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. Chúng ta cần lưu ý đặc điểm này trong nghiên cứu và ứng dụng. Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta sẽ đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua. Vì vậy, việc ứng dụng hiệu ứng bề mặt của vật liệu nano tương đối dễ dàng. Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với một hạt nano có đường kính 5 nm thì số nguyên tử mà hạt đó chứa là 4.000 nguyên tử, tỉ số f là 40%, năng lượng bề mặt là 8,16×1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng toàn phần là 82,2%. Tuy nhiên, các giá trị vật lí giảm đi một nửa khi kích thước của hạt nano tăng gấp hai lần lên 10 nm. Bảng 2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu Đường kính hạt (nm) Số nguyên tử Tỉ số nguyên tử trên bề mặt (%) Năng lượng bề mặt (erg/mol) Năng lượng bề mặt/ Năng lượng tổng (%) 10 30.000 20 4,08×1011 7,6 5 4.000 40 8,16×1011 14,3 2 250 80 2,04×1012 35,3 1 30 90 9,23×1012 82,2 Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 28 III.2. Hiệu ứng kích thước (hiệu ứng giam giữ lượng tử) Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài tới hạn. Chính điều này đã làm nên cái tên "vật liệu nano" mà ta thường nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thước, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ so với vật liệu khối nhưng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, chúng ta cũng may mắn là hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thước nào. Ví dụ, đối với kim loại, quãng đường tự do trung bình của điện tử có giá trị vài chục nm. Khi chúng ta cho dòng điện chạy qua một dây dẫn kim loại, nếu kích thước của dây rất lớn so với quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại này thì chúng ta sẽ có định luật Ohm cho dây dẫn. Định luật cho thấy sự tỉ lệ tuyến tính của dòng và thế đặt ở hai đầu sợi dây. Bây giờ chúng ta thu nhỏ kích thước của sợi dây cho đến khi nhỏ hơn độ dài quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại thì sự tỉ lệ liên tục giữa dòng và thế không còn nữa mà tỉ lệ gián đoạn với một lượng tử độ dẫn là e2/ħ, trong đó e là điện tích của điện tử, ħ là hằng đó Planck. Lúc này hiệu ứng lượng tử xuất hiện. Có rất nhiều tính chất bị thay đổi giống như độ dẫn, tức là bị lượng tử hóa do kích thước giảm đi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển - lượng tử trong các vật liệu nano do việc giam hãm các vật thể trong một không gian hẹp mang lại (giam hãm lượng tử). Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 29 Các độ dài đặc trưng của một số tính chất khi vật liệu nano có trong bảng 1. Khi vật liệu càng nhỏ, các đặc tính quang và điện có sự khác xa so với vật liệu khối. Một hạt lớn coi như là tự do khi các chiều giam giữ là lớn khi đem so sánh với bước sóng của hạt. Lúc này vùng cấm vẫn giữ nguyên ở mức cũ do các mức năng lượng liên tiếp. Tuy nhiên, khi các chiều giam giữ giảm và tiến dần đến một giới hạn nào đó, tiêu biểu trong giai nano, phổ năng lượng trở nên tách biệt (hình 12). Dẫn đến vùng cấm phụ thuộc vào kích thước. Hiệu ứng miêu tả kết quả hiện tượng từ electron và lỗ trống bị dồn lại một chiều trở thành bán kính exciton Borh. Nói một cách khác khi hạt nano càng nhỏ thì độ rộng vùng cấm càng mở rộng, bước sóng ánh sáng phát ra khi được chiếu tử ngoại dịch về phía bước sóng của ánh sáng tím. Các hạt lớn thì độ rộng vùng cấm nhỏ hơn nên có bước sóng ánh sáng phát ra khi chiếu tử ngoại [8]. Hình 12: Mô tả sự mở rộng vùng cấm, liên quan chặt chẽ tới đặc tính quang và điện của vật liệu. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 30 IV. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano IV.1. Phương pháp từ trên xuống Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Phương pháp biến dạng có thể là đùn thủy lực, tuốt, cán, ép. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp. [9] IV.2. Phương pháp từ dưới lên Các nhà khoa học vật liệu đã tìm ra các phương pháp chế tạo vật liệu nano để phù hợp với các trường hợp, luận văn này nêu ra bốn phương pháp điển hình, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể được áp dụng với một số vật liệu nhất định mà thôi. I. Phương pháp hóa ướt (wet etching) Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel và kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 31 Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp ướt không mang lại hiệu suất cao. II. Phương pháp cơ học (mechanical) Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phương pháp cơ học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại. III. Phương pháp bốc bay Gồm các phương pháp quang khắc (lithography), bốc bay trong chân không (vacuum deposition) vật lí, hóa học. Các phương pháp này áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Tuy nhiên phương pháp này không hiệu quả lắm để có thể chế tạo ở quy mô thương mại. IV. Phương pháp hình thành từ pha khí (gase-phase) Gồm các phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro- explosion), đốt laser (laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 32 giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 90000C. Phương pháp hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon (fullerene) hoặc ống carbon, rất nhiều các công ty dùng phương pháp này để chế tạo mang tính thương mại. V. Tổng quan về vật liệu nano Cadmium Sulphide (CdS) Trong thế giới nano, Cadmium Sulphide (CdS) cũng đã được các nhà khoa học nano nghiên cứu và chế tạo bởi các phương pháp khác nhau và cũng đã có các công trình nghiên cứu về các tính chất của hạt nano CdS. Dưới đây xin trình bày một vài nét sơ bộ về CdS. Cadmium sulphide có màu vàng, trong tự nhiên nó có mặt trong 2 loại khoáng vật Greenockite và Hawleyite. Hình 13: Mô hình cấu trúc của CdS Cadmium Sulphide là chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp với độ rộng vùng cấm Eg= 2,42 eV. Nằm trong hợp chất VI- II có tầm quan trọng và nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sông. Sau đây là một số thông số thể hiện đặc tính vật lý của cadmiumsulphide được liệt kê trong bảng 3. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 33 Bảng 3: Các thông số cơ bản của CdS Cấu trúc Wurtzite (Hexagonal) Khối lượng riêng 4,825 g/cm3 Suất Young 45 Gpa Hệ số giãn nở nhiệt α1 = 6,26 × 10-6 /K; α3 = 3,5 × 10-6 /K Nhiệt dung riêng 0,47 J/Gk Độ dẫn nhiệt ở 250C 0,2 W/cmK Hệ số truyền max (λ = 2,5-15 µm) ≥ 71 % Hệ số hấp thụ (λ = 10,6 µm) ≤ 0,007 cm-1 bao gồm 2 bề mặt Chỉ số phản xạ (λ = 10,6 µm) 2,2 Khối lượng mole 144,46 g/mol Điểm nóng chảy Điểm sôi 17500C at 100 bar (10 MPa) 9800C VI. Các ứng dụng của Cadmium Sulphide Nhờ có những tính chất đặc biệt khi ở kích cỡ nano, Cadmium Sulphide ngày càng được quan tâm, chiếm ưu thế và trở thành một trong những vật liệu có tầm quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực. Các nhà khoa học của Phần Lan (Institute of Physics, Silesian University of Technology ul.Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice, POLAND) đã nghiên cứu và chế tạo thành bộ cảm biến từ màng CdS () do nó có các đặc tính quang điện nên thích hợp để chế tạo các thiết bị nhạy quang và nhạy quang điện [10]. Họ chế tạo màng CdS dày 115 nm và 268 nm bằng phương pháp PVD ở 7000C trong môi trường có mặt của các khí NO2, SO2, NH3, H2S. Với mẫu như vậy họ đã có điện trở rất lớn khoảng 200 GΩ. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 34 Hình 14: Sơ đồ cấu trúc đầu dò với màng CdS trong hệ 2 dây làm trễ kép trên đế Lithium Niobate đặt trong buồng đo. Không dừng lại ở lĩnh vực làm sensor CdS còn ứng dụng lĩnh vực quang điện hóa và các nhà khoa học Ấn Độ đã tạo ra được màng CdS có tính chất quang điện hóa bằng phương pháp bốc hơi bột CdS bằng kĩ thuật flash evaporation (tạm dịch là kĩ thuật bay hơi cực nhanh) CdS được bốc lên đế bằng Ti để làm điện cực và xử lí nhiệt ở 5000C (hình 15) được nghiên cứu với các cường độ chiếu sáng khác nhau trong khoảng 20 - 100 mWcm-2 và thấy rằng Voc và Jsc đều tăng khi tăng cường độ. Voc tăng từ 0,36 V tới 0,5 V khi tăng cường độ từ 20 - 100 mWcm-2, với cường độ cao hơn 80 mWcm-2 Voc sẽ bão hòa và quan sát trong trường hợp của tế bào quang điện và PEC cells. Còn Jsc thì tăng một cách tuyến tính (hình 16) với cường độ chiếu sáng[12]. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 35 Hình 15: Năng lượng lối ra của điện cực ủ trong các môi trường khác nhau Hình 16: Đồ thị của lnJsc và Voc của điện cực CdS trong môi trường Argon ở 5000C. Cadmium Sulphide được dùng như là một nguyên liệu để sản sinh ra dòng điện như trong tế bào quang điện mặt trời (Solar Cells). Các dụng cụ đo bằng Photoelectric Instruments (thiết bị quang điện) thì thường dùng hoặc là cadmium Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 36 sulphide hay selenium photoelectric cells. Tất cả đều cực kỳ mẫn cảm với ánh sáng. Trong công nghệ chế ra pin điện năng ánh sáng (Photovoltaic Cells) thường dùng 2 nguyên liệu chính là: thông thường dùng silicon, Gallium Arsenide, rồi tới Cadmium Sulphide và Cadmium Telluride. Kết quả đưa đến kết luận là điện năng quang học làm bằng Cadmium Sulphide thì sản phẩm nhỏ, nhẹ hơn sản phẩm làm bằng silicon, còn về phẩm chất có kết quả tốt hơn 14% hiệu suất của silicon. Trong máy chụp ảnh, thường gồm có một tấm vật liệu nhạy cảm với ánh sáng, thường làm bằng cadmium sulphide, miếng này được nối với bộ phận của pin. Cadmium sulphide trong trường hợp này là sensor và đồng thời là một solar cell. Khi có ánh sáng vào thì cadmium sulphide này rất nhạy với ánh sáng đồng thời tạo ra năng lượng từ ánh sáng đó đủ để điều khiển đóng mở màng trập dù rằng các hệ thống của máy đều làm bằng kim loại (hình 17). Ứng dụng quan trọng nhất của hạt nano CdS là dùng để đánh dấu hàng hóa, chứng từ và tiền giấy nhằm chống làm giả, được dùng để tiêm vào cơ thể động vật để quan sát chụp ảnh các cơ quan tế bào… (hình 18,19) Ngoài ra còn được ứng dụng trong việc dò ung thư, đưa thuốc đến tế bào ung thư. Hình 17: Sơ đồ bên trong của máy ảnh có tấm CdS Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 37 Hình 18: Các lọ CdS phát quang dưới ánh sáng tử ngoại Hình 19: Xác định vùng ung thư ở chuột bằng việc gắn chấm lượng tử với những kháng thể nhận dạng tế bào. Chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của hạt nano CdS 38 Chương II: THỰC NGHIỆM Thời gian gần đây, tính chất về cấu trúc và quang học của những phân tử bán dẫn hay màng mỏng kích cỡ nano được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Màng mỏng nano tinh thể của bán dẫn loại II-VI thu hút một cách đặc biệt, bởi chúng dễ dàng được tổng hợp theo các kích cỡ khác nhau để đáp ứng cho các bẫy lượng tử. Chúng chỉ ra sự khác biệt lớn giữa vật liệu khối và vật liệu nano khi bẫy lượng tử đạt kích cỡ bán kính Bohr (rB). Sự thu nhỏ kích thước hạt ảnh hưởng mạnh đến sự kết tinh, điểm nóng chảy và sự ổn định cấu trúc. CdS là bán dẫn có độ rộng vùng cấm quang hẹp 2,42eV. Tính chất quang của CdS đã và đang được nghiên cứu rộng rãi. Hiệu ứng kích cỡ lượng tử được quan tâm khá nhiều bởi rB là 3nm. Hạt nano CdS là ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng quang điện do đuôi của vùng cấm quang kéo dài từ khả kiến đến tử ngoại. CdS là vật liệu rất hữu ích trong kĩ thuật, đặc biệt là các sensor đang được nghiên cứu trong những thời gian gần đây. Pin mặt trời màng mỏng CdS đang được nghiên cứu và hứa hẹn thay thế cho các thiết bị silicon thường dùng. Khối CdS có cấu trúc tinh thể là lục giác Wurtize với a = 0,416nm và c = 0,6756nm. Còn cấu trúc tinh thể ở trạng thái cân bằng của CdS ở kích cỡ nano có khuynh hướng chuyển từ lục giác sang trạng thái lập phương. Màng mỏng CdS được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau ví dụ như MBE, PVD,…nhưng thiết bị sử dụng rất phức tạp và lại ít hiệu quả. Một trong những phương pháp hứa hẹn sản xuất màng CdS với giá thành thấp là phương pháp ướt. Linh kiện