Khóa luận Nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử CdS và CdS : Mn

ng (me/mh« l ) . Điện tử bị lượng tử hoá bởi thế giam giữ và lỗ trống có thể coi như không dịch chuyển mà định xứ tại tâm của chấm lượng tử. Với chế độ giam giữ trung gian, các trạng thái năng lượng và phổ hấp thụ của chấm được xác định chủ yếu bời sự lượng tử hoá chuyển động của điện tử. Tuy nhiên do tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trổng, mỗi mức điện tử bị tách thành vài mức con. Vị trí cực đại hấp thụ đầu tiên của chấm có thể được mô tả bởi biểu thức: £ > = £ „ + 8 / \ a 2 í 2Ro )exp u < aB J (1.25) Cường độ dao động fi với exciton tái hợp có n = 1 trong một chấm hình cầu là: 8 4 6 )^ V ĩ \ ) exp 3 ĩ.h- \ ^0 J (1.26) rj-> A . A7ISrS(\ hTrong đó: ah = ; u rnh Hàm sóng điện tử - lỗ trống là hàm gián đoạn có dạng: mômen dịch chuyển lưỡng cực là nhỏ so với PCv(<Pcv) và tương ứng < f sc. 1.4.3. Chế độ giam giữ yếu Chế độ giam giữ yếu với trường hợp bán kính chấm lượng tử lớn hơn nhiều lần so với bán kính Borh (Ro>4aB). Trong trường hợp này, các điện tử và lỗ trống tạo thành các cặp và chuyển động khối tâm của chúng bị lượng tử hoá bởi thế giam giữ và chuyển động của hạt tải sẽ bị chi phối bởi tương tác M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tồt nghiệp Coulomb. AEe và AEh là gần bằng hay lớn hơn Ec. Chuyển động tương đối của hạt tải sẽ được biểu diễn dưới dạng: f > 1//2 / \ Y e - r h \ __2 exp \ JlaB ) ữ n\ D / rh ) = Năng lượng liên kết exciton có dạng: p p h X„1 ¿ i s i s - t g — 2 +~ĩ— ™ nz 2 2MRữ (1.27) (1.28) Trong đó M = me + mh. Với n = 1, m = 1, 1 = 0 ta có năng lượng của . . . X í _ _ h2n 2trạng thái thâp nhât là: £ lslí = E - E R + -—— (1.29) 2 AŨL Hay: £ 151í =Eg + ER l - i i M í (1.30) Cường độ dao động exciton trong chấm lượng tử hình cầu ứng với dịch chuyển ở trạng thái cơ bản là: 2m0(ùn 2 8 Jn + r cv 2 h n R„ \ B / - y ; « = 1,2,3. n ( l ễ31) Như vậy, cường độ dao động giảm đi đối với các dịch chuyển cao hơn, và tăng lên khi kích thước của chấm lượng tử tăng lên. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi phép gần đúng lưỡng cực điện được giữ, tức là khi exp(i q Ro)«1, với q là vectơ sóng của trường bức xạ, và bị phá vỡ khi Ro lớn. 1.5ắ Dịch chuyển quang học trong chấm lượng tử [12] Các dịch chuyển quang học đom giản nhất trong một chấm lượng tử hình cầu được chỉ ra trong hình 1.3. Một chấm lượng tử ở trạng thái cơ bản có thể hấp thụ một photon có năng lượng Ex để tạo ra một exciton (a). Sau khi M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tốt nghiệp exciton được tạo thành , chấm lượng tử không thể hấp thụ thêm một photon có năng lượng Exx - Ex (b) và sau đó tạo thành một lưỡng exciton. Exx E* |lS ,lS ,lS3 /2 ,ls3/2> |lp,ls3/2> Ịls , lp3/2> ịlS,lS3/2> (a) (c) (d) (e) Ngược lại, trạng thái lưỡng cực exciton có thể phân ra thành một photon và một excỉton, rồi sau đó exciton phân ra thành một photon có năng lượng Ex. Các điện tử và lỗ trống tạo nên cặp exciton có spin đối nhau. Với quá trình hấp thụ phi tuyến hai photon một lưỡng exciton có thể tạo ra bằng sự hấp thụ hai photon có năng lượng (Ex + Exx)/2 (c). Khi các dịch chuyển hai photon bao gồm sự thay đổi của số lượng tử quĩ đạo tổng là 0 và 2 thì sự tạo thành một exciton |lp , ls 3/2> hoặc 11 s, lp 3/2> là có thể xảy ra. 1.6. M ột số cấu trúc tinh thể thường gặp 1.6.1. Cấu trúc mạng lục giác Wurtzte [7] [11] Cấu trúc tinh thể wurtzte là cấu trúc hỗn hợp của cấu trúc lập phương tâm khối nguyên tố đơn. Nó có cơ sờ đa nguyên tử. ô đơn vị bao gồm 4 nguyên tử, 2 nguyên tử cho nguyên tố thứ nhất và 2 nguyên tử cho nguyên tố thứ hai. Đây chính là cấu trúc lục giác xếp chặt. Một trong những tính chất đặc trưng của phân mạng lục giác xếp chặt là giá trị ti số giữa các hằng số mạng c và a. Trường hợp lý tường thì tỉ số c/a=l,633. Trên thực tế, các giá trị của tỉ sổ c/a của hợp chất AnBvi đều nhỏ M ai Thị Đào- Lớp CNLỳ K2 15Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tỏt nghiệp hom 1,633. Điều này chứng tỏ các mặt không hoàn toàn xếp chặt. Đối với mạng tinh thể lục giác kiểu Wurtzte của AnBvi, hai nguyên tử An nằm ở vị trí (0, 0, 0) và (1/3, 2/3, 1/3) và hai nguyên tử Bvi nằm ở vị trí (0, 0, u) và (1/3, 2/3, 1/3+u) với u«3/5. Mỗi ô đem vị chứa hai phân tử A i i B v i (hình 1 .4). Mỗi nguyên tử An liên kết với 4 nguyên tử B v i nằm ở lân cận 4 đỉnh tứ diện trong đó 1 nguyên tử nằm ở vị trí có khoảng cách uc, và ba ngnuyên tử khác nằm ở vị trí cách nguyên tử ban đầu một đoạn bằng [l/3a2 + c2(u-l/2)2]l/2. Xung quanh mỗi nguyên tử có 1 2 nguyên tử lân cận bậc hai, trong đó có 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng một mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên từ ban đầu một đoạn [l/3a2 + l/4c2]2. Tinh thể AnBvi không có tâm đối xứng, do đó trong mạng tồn tại trục phân cực song song với hướng [001] như hình 1,4b. Hình l ẵ4ẽ a. cấu trúc mạng tinh thể lục giác Wurzite. b. Trục phân cực song song với hướng 1.6.2. Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl. [10] [11] 0 mạng cơ sờ của cấu trúc lập phương (LP) đơn giản kiểu NaCl có thể được xem như gồm hai phân mạng LP tâm mặt của cation An và anion Bvi lồng vào nhau, trong đó phân mạng anion Bvi dịch đi một đoạn a/ 2 với a là cạnh hình lập phương. Mỗi ô cơ sở gồm bốn phân tử A i i B v i hình 1.5. Vị trí của các nguyên tử An trong ô cơ sở là (0, 0, 0), (1/2, 1/2, 0), (1/2, 0, 1/2), (0, M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khỏa luận tốt nghiệp 1/2, 1 /2 ) và vị trí của các nguyên tử Bvi tương ứng là ( 1 /2 , 1/2, 1 /2 ), (0 , 0 , 1 /2 ), (0 , 1 /2 , 0 ), ( 1 /2 , 0 , 0 ). Số lân cận gần nhất của cation và anion bằng 6 . Mỗi ô cơ sở (Hình 1.6 .) chứa bốn phân tử với các tọa độ của bốn nguyên tử An là (0, 0, 0), (0, 1/2, 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0) và tọa độ của bốn nguyên tử Bvi là (1/4,174,1/4), (1/4, 3/4, 3/4), (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4). ở đây mỗi nguyên từ bất kì được bao quanh bởi bốn nguyên tử khác, mỗi nguyên tử Bvi được bao quanh bởi bốn nguyên tử A n nằm ở đỉnh của tứ diện có khoảng cách aV3 /2, a là thông số của mạng lập phương. Còn mỗi nguyên tử A n (hoặc Bvi) được bao quanh bởi 1 nguyên tử cùng loại, chúng là lân cận bậc hai nằm tại khoảng cách a Ị 4 Ĩ . Các lớp A i i B v i được định hướng theo trục, do đó tinh thể A nBvi lập phương có tính dị hướng. Các mặt đối xứng nhau, các hướng ngược nhau thì có thể có tính chất vật lí khác nhau. 1.7ễ Cấu trúc tinh thể của chấm lượng tử CdS, CdS:M n[12] Cấu trúc tinh thể của các chấm lượng tử cũng giống như cấu trúc tinh thể của bán dẫn khối tương ứng. Do đó, chấm lượng tử CdS cũng có cấu trúc tinh thể giống như của CdS khối. Cadimi suníiia (CdS) là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AnBvi- Hợp chất này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử học bán dẫn và điện tử Hình 1Ế6. Cấu trúc mạng tinh thể giả kẽmễ Hình 1.5. Cấu trúc lập p i i u w i i g > u w n g i c u i í 1 C4V_-1 w 1 1 ■ t 1.6.3. Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm ki Đây cũng là một trạng thái cấu trúc gií bền c E ỉ t ì t Anqvi- hương đơ ản NaCl M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 17Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tốt nghiệp học lượng tử cũng như trong lĩnh vực quang học bán dẫn, do chúng có độ rộng vùng cấm lớn và chuyển mức thẳng. CdS tồn tại trong hai loại cấu trúc cơ bản: cấu trúc lập phương giả kẽm kiểu sphalerit và cấu trúc lục giác kiểu Wurtzite. 1.8. Tính chất quang của ion Mn2+ [12] Các tâm phát xạ được pha vào các chấm lượng tử bán dẫn thường là các ion kim loại chuyển tiếp và các ion đất hiếm. Khi được pha tạp vào các chấm lượng tử, hiệu suất phát xạ của các tâm phát xạ sẽ tăng lên, Thời gian phát xạ ngắn hơn do các hiệu ứng giam giữ lượng tử. Chính vì vậy, sự phát xạ của các tâm phát xạ trong chấm lượng tử cũng đang rất được quan tâm. Ở đây, chúng tôi chi xét sự phát xạ của ion Mn2+ trong các chấm lượng tử CdS. Sơ đồ các mức năng lượng của Mn2+ ở trạng thái ion tự do và ở trạng thái chấm lượng tử có dạng như trong hình 1.8. Khi được pha tạp vào chấm lượng tử, các ion Mn2+ sẽ chiếm các vị trí của Cd2+ và có đối xứng tứ diện. Dưới sự đối xứng này, trạng thái kích thích đầu tiên của Mn2+ trong trạng thái ion tự do là 4G sẽ bị tách thành các trạng thái con 4T|, 4E, 4Ai, 4E (ở đây các trạng thái 4Ai và 4E là không bị suy biến). Mô hình phát xạ của các chấm lượng tử CdS có pha tạp Mn2+ được trình bày trong Hình 1.8 . 4E 4T 2 V E 4 t 2 4 t ,2 lon tự do lon trong tinh thể CdS Hình 1Ề7Ể Sơ đồ mức năng luợng cùa Mn2+ ở trạng thái ion tự do ở trong chấm lượng tử M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khỏa luận tỏt nghiệp ấ k Điện tử 1 i k ( 1 ) o ' r (2) ( (3)J (5) '■) của Mn2+ (6 ) 6 A| của Mn2+ T uLÔ trông Hình l ễ8. Mô hình các phát xạ trong chấm lượng tử Khi kích thích các chấm lượng tử CdS có pha tạp ion Mn2+ bằng photon ánh sáng có năng lượng lớn, các điện tử trong vùng hóa trị sẽ chuyển mức lên vùng dẫn, đồng thời làm xuất hiện trong vùng hóa trị các lỗ trống. Do đó sẽ có sự tái hợp giữa các cặp điện tử lỗ trống ( 1 ) (tái hợp vùng - vùng hoặc tái họrp exciton). Ngoài ra với các chấm lượng tử, trạng thái bề mặt bị chiếm một tỷ lệ lớn. Cho nên các điện tử hoặc lỗ trống bị kích thích có thể bị bắt bởi các mức bẫy bề mặt, vì vậy sẽ có sự tái hợp ở các mức bẫy (2). Bởi sự có mặt của ion Mn2+, các điện tử hoặc lỗ trống còn có thể bị bắt ở các mức bẫy nông ngay dưới vùng dẫn (3), và kéo theo sự truyền năng lượng tới trạng thái kích thích 4+Tị của ion Mn2+ (4), hoặc có thể tái hợp phát xạ với lỗ trống hoặc điện tử ở các mức bẫy sâu (5). Khi năng lượng được truyền cho trạng thái 4Ti của ion Mn2+ thì sẽ xảy ra sự phân rã phát xạ từ trạng thái kích thích 4Tị về trạng thái cơ bản 6Ai (6 ) gây ra dải phát xạ ở dải sóng ngắn. Cũng có thể trạng thái kích thích 4Ti của ion Mn2+ có thể được lấp đầy trực tiếp từ vùng dẫn (7) sau đó phân rã phát xạ về trạng thái cơ bản 6A|. Trong các chấm lượng tử CdS có pha tạp Mn2+, sự phát xạ gây bởi sự dịch chuyển trạng thái từ 4T| về 6Ai của ion Mn2+ đã được quan sát thấy ở bước sóng cỡ 585 nm. Hiệu suất phát xạ của Mn2+ cũng tăng lên do sự truyền M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khỏa luận tốt nghiệp năng lượng của các chấm CdS cho ion Mn2+ từ các trạng thái bẫy (phần 2 hình 1.9) hoặc từ các cặp điện tử - lỗ trống bên trong chấm lượng tử (phần 1 hình 1.9.). Tuy nhiên bằng thực nghiệm một số nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự phát xạ của ion Mn2+ dưới kích thích của photon ánh sáng hầu hết bị chi phối bởi sự truyền năng lượng từ các cặp điện tử lỗ trống bên trong chấm lượng tử. Ỹ------ v ----- « ' * • n \ 4 ^ f 11 r A ------------------ * * ,'Y — Ạị»Hình 1Ế9. Các cơ chê truyên năng lượng từ châm CdS tới ion Mn A/«/ễ Thị Đào- Lớp CNLý K2 20Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tỏt nghiệp C H Ư Ơ N G II C Á C K ĩ T H U Ậ T T H ự C N G H IỆ M 2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu 2.1.2. Phương pháp sol - gel Phương pháp này gồm hai bước chính: Pha chế dung dịch sol và tạo gel. Hạt keo là những hạt nhỏ nằm lơ lửng trong một chất lỏng, người ta gọi huyền phù đó là sol (lỏng). Thường dung dịch sol đó được pha chế bằng cách hoà tan dung dịch muối của kim loại tương ứng trong dung môi. Sol không có hình dạng riêng, nó có hình dạng của bình chứa. Khi sol biến đổi để sang trạng thái đông đặc có hình dạng riêng thì gọi là gel. Vậy quá trình sol-gel là quá trình hình thành dung dịch huyền phù của chất keo (sol) rồi biến hoá để đông đặc lại (gel). Vật liệu xuất phát để làm ra “soi” thường là muối kim loại vô cơ hoặc là họp chất kim loại hữu cơ. Trong quá trình sol-gel thông thường chất tiền tố cùng với quá trình thuỷ phân và phản ứng polyme hoá tạo ra được keo huyền phù, đó là sol. Dùng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating) để có thể được màng gel trên bề mặt đế. Màng này còn xốp, ta làm nóng lên và thu được màng đặc trên đế[13]. Khi đổ sol vào khuôn do chuyển hoá từ sol ta có gel ướt, gel ướt có hình dạng của khuôn. Nếu tiếp tục làm bay hết nước trong gel, ta có gel khô. Từ gel khô tiếp tục nung nóng ta có vật liệu đặc vì các hạt sau khi hết nước dưới ảnh hưởng của nhiệt độ liên kết chặt với nhau[13]. Dùng cách kết tủa, phun qua ngọn lửa hoặc dùng kỹ thuật nhũ tương có thể có được các hạt rất mịn. Đó là cách sản xuất thích hợp để chế tạo bột nano dùng trong công nghiệp. Phương pháp Sol-gel hiện nay là phương pháp hiệu quả nhất để sản xuất bột nano với cấu trúc và thành phần mong muốn, dễ điều M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 21Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luân tốt nghiêp khiển kích thước hạt đồng đều và đặc biệt là giá thành hạ. Các loại bột từ, bột bán dẫn với yêu cầu về thành phần, độ tinh khiết, kích thước hạt nhất định ... thường được chế tạo bằng phương pháp Sol-gel, vừa dễ có sổ lượng đủ dùng trong công nghiệp, vừa có giá thành hợp lý, có khả năng cạnh tranh. Điều quan trọng chủ yếu của phương pháp này là có thể điều khiển được các phản ứng hoá học hay các phản ứng hoá lý. 2.1.2ẵ Phương pháp Micelle đảo. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp micelle đảo (reverse micelle) để chế tạo ra các chấm lượng tử, được gọi là lõi (core), sau đó sẽ chế tạo một lớp vỏ (shell) để bọc các chấm lượng tử này lại, nhằm bảo vệ các phát xạ liên quan đến các dịch chuyển nội tại của lõi chấm lượng tửẽ Phương pháp micelle chính là phương pháp trộn hai pha chất lỏng, ví dụ là pha chất hữu cơ (lượng ít) vào pha chứa nước (hoặc chất vô cơ hoà tan được trong nước) với lượng thể tích lớn hơn. Sau khi trộn hai pha lỏng không thể hoà tan lẫn vào nhau được này, ta sẽ có trạng thái các hạt tròn pha hữu cơ lơ lửng trong pha nước, kích thước nanô của hạt pha hữu cơ phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích của chúng. Khi này ta có các hạt cầu pha hữu cơ được bao bọc bởi môi trường nước xung quanh. Khi tình huống ngược lại, tức là các hạt cần pha nước được bao bọc bởi pha hữu cơ, ta có các hạt micelle đảo. Thể tích của các hạt này cũng phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích pha trộn giữa hai pha lỏng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các micelle đảo. 2.2. Các phưong pháp đo thực nghiệm 2.2.1ẳ Quang phổ hấp thụ và phổ truyền qua [2] Cơ sở của quang phổ hấp thụ là định luật Lambert-beer. Khi chùm sáng cường độ lo truyền tới một môi trường độ dày 1, do ánh sáng bị hấp thụ một phần , cường độ ánh sáng lối ra còn lại là I. Nếu cường độ ánh sáng tới không M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 22Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tốt nghiệp lớn và nếu các hiện tượng phản xạ tán xạ không đáng kể thì cường độ ánh sáng lối ra tuân theo định luật Lambert như sau: / = / 0 .exp(-*/) (3.1) Trong đó k là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bản chất môi trường hấp thụ và nồng độ chất hấp thụ c. Theo Beer: k = a .c Ket hợp lại ta có định luật Lambert-Beer: / = / 0 .exp(-a.Ci) (3.2) Thông thường trong quang phổ hấp thụ người ta đo độ truyền qua T = 7/ / 0 hoặc độ hấp thụ. A = - lo g T = -log(exp(-ar.C./) = (or.c./).log10e = 0.434(or.Ci) Neu 1 = 1 cm , c = 1 mol/1 ta có A = a . Để xác định độ hấp thụ A theo bước sóng phải dùng đến máy quang phổ hấp thụ. Hình 2.1. a) Máy quang phổ một chùm tia; b) Máy quang phổ hai chùm tia Có thể chia máy quang phổ hấp thụ làm 2 loại: -Máy quang phổ một chùm tia ( sơ đồ hình 2.1 a ) - Máy quang phổ hai chùm tia ( sơ đồ hình 2.1 .b ) M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 23Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tôt nghiệp Trong máy quang phổ một chùm tia phải đo 2 lần: một lần với cuvet chi chứa dung môi, một làn với dung dịch cần phân tích. Trong cả 2 lần đo phải giữ cho cường độ chùm sáng tới là không đổi. Điều này là khó đảm bảo và dân tới kêt quả không chính xác. Để loại trừ nhược điểm này người ta dùng máy quang phổ 2 chùm tia. Chùm sáng tới được tách làm 2: một chùm đi qua cuvet đựng dung môi chuẩn, một chùm đi qua cuvet chứa dung dịch cần đo. Sau đó chúng được bố trí cùng đi vào máy thu tín hiệu để xác định tỷ số biên độ và qui ra ngay độ hấp thụ A của mẫu. Phép đo độ hấp thụ có thể tiến hành với một vài bước sóng đom sắc xác định, đặc trưng, khi đó có thể chỉ cần một đèn đơn sắc kết hợp với kính lọc hoặc dùng một tia laser cho bước sóng thích hợp. Thông thường phép đo phổ hấp thụ được tiến hành với một vùng phổ rộng với bước sóng thay đổi liên tục. Các nguồn sáng hay dùng trong đo phổ hấp thụ là đèn Wolfram-halogen cho phổ liên tục trong miền khả kiến và hồng ngoại gần hoặc đèn Xenon, D2, H2 cho phổ liên tục trong miền tử ngoại... Tốt hơn cả là dùng một laser màu có bước sóng thay đổi liên tục trong vùng phổ hấp thụ cần nghiên cứu. Cũng có thể thu phổ hấp thụ theo kiểu đa kênh. Khi đó chùm sáng có phổ liên tục truyền thẳng vào cuvet mẫu rồi tới máy quang phổ đa kênh. Tín hiệu sau đó được lấy tích phân, xử lý rồi đưa lên màn hình máy tính qua một chương trình đã cài đặt sẵn. Máy quang phổ Nguồn sáng Cuvet mẫu Computerđa kênh Hình 2.2. Máy quang phổ hấp thụ đa kênh M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khỏa luân tốt nghiêp 2.2.2. Hệ đo phổ hấp thụ [2] Trong máy đo phổ hấp thụ nguyên tử dừng ngọn lửa (hình 2.3) thì một nguôn bức xạ chiếu vào ngọn lửa, một phần của bức xạ được hấp thụ bời các nguyên tố ở trạng thái cơ bản. Bức xạ đi qua ngọn lửa sẽ đi tiếp qua máy tạo bức xạ đơn sắc, chiếu đến đetectơ quang - cấu trúc ghi phổ ghi lại tín hiệu cuôi cùng ở dạng độ truyền quang hay mật độ quang. Đê thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ta cần phải thực hiện các quá trình sau: Hình 2.3. Sơ đồ một máy đo phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa. 1. nguồn bức xạ; 2. đèn; 3. máy tạo ánh sáng đơn sắc; 4. Đetectơ quang; 5. cấu trúc ghi phổ. - Quá trình nguyên tử hóa mẫu. - Đo cường độ của vạch phổ hấp thụ được biểu thị theo thang đo mật độ quang A. - Ghi vạch quang phổ hấp thụ ở dạng peak. Cường độ vạch phổ sẽ tỷ lệ thuận với chiều cao (h) của peak hay diện tích của peak (S). Sau đó trong một giới hạn nhất định nồng độ c của nguyên tố phân tích ta có biếu thức: h= K.c hay S=K.C Cường độ vạch hấp thụ được in ngay trên máy in theo từng lần đo và sau đó lấy giá trị trung bình của n lần đo. Chúng ta có thể tỉm hiểu phổ hấp thụ và truyền qua của mẫu được đo trên các máy quang phổ hấp thụ nhãn hiệu Cintra 40 (Australia) hiện có tại lMai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 25Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luân tốt nghiêp khoa Sinh trường Đại học Sư phạm - ĐHTN (Dải phổ làm việc của máy từ 190nm tới 900nm. Sơ đồ hệ đo của máy được trình bày trên hình 2.4. E>i: Nguồn đèn đơteri Gi, G2 , G4, G5: Các gương Đ2 : Nguồn đèn halogen G3 : gương phản xạ -truyền qua Ki, K2 :khe vào ra máy đơn sắc ĐT: đầu thu là phôto diode bằng Sili 2.2.3. Phổ quang huỳnh quang [1] [9] Trong thực tế có nhiều phép đo huỳnh quang phụ thuộc vào kiểu kích thích. Nếu vật liệu được kích thích bằng bức xạ điện từ, ta có phổ quang huỳnh quang, được kích thích bằng nguồn tia X cho phổ huỳnh quang tia X, phổ hóa huỳnh quang nếu được kích thích bằng phản ứng hóa học. Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ đo quang huỳnh quang. Huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử trong vật chất. Phổ quang huỳnh quang biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào bước sóng (hoặc tần số) dưới một ánh sáng kích thích nhất định. Sơ đồ khối của một hệ đo quang huỳnh quang được minh họa trên hình 2.5. M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 26Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khỏa luân tốt nghiệp Kết quả phép đo phổ huỳnh quang sẽ cung cấp các thông tin về xác suất chuyển dời điện tử có bức xạ giữa các trạng thái. Trong trường hợp mẫu có chứa nhiều loại tâm tích cực quang thì phổ huỳnh quang có thể sẽ là chồng chập của các đỉnh huỳnh quang có nguồn gốc từ các tâm khác nhau. Đe có thể tách được các phần phổ huỳnh quang có nguồn gốc khác nhau này, người ta phải sử dụng một số kĩ thuật đo huỳnh quang khác. Huỳnh quang có nguồn gốc từ các tâm khác nhau có thể có năng lượng kích thích khác nhau, do vậy, chúng có thể được phân biệt từ phép đo phổ kích thích huỳnh quang. Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lí của phép đo phổ kích thích Phổ kích thích thu được từ phép đo cường độ của bức xạ huỳnh quang tại một bước sóng cố định, trong khi tần số hoặc bước sóng của nguồn kích thích được quét với cường độ không đổi. Trong thực tế thì đo cường độ của ánh sáng kích thích tại mỗi tần số là khác nhau nên phổ kích thích thường được hiệu chỉnh bằng cách chia cường độ của bức xạ huỳnh quang I h q ( v ) cho cường độ phổ của nguồn kích thích Io(v). Phổ kích thích thu được là sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào tần số hay bước sóng của ánh sáng kích thích Ikt(v): T í iHgO') (3.3) M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 27Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khỏa luận tốt nghiệp Sơ đồ nguyên lý phép đo phổ kích thích được trình bày trên hình 2.6: máy đơn sắc thứ nhất tạo nguồn đơn sắc kích thích cho phép thay đổi bước sóng kích thích vào mẫu, máy đơn sắc thứ hai để phân tích tín hiệu phát ra từ mẫu. Phép đo phổ kích thích được thực hiện với máy đơn sắc thứ hai định vị ở một vị trí cố định, máy đơn sắc thứ nhất quét trong dải tần số của ánh sáng kích thích cần khảo sát. Đầu thu 2 sẽ cho ta phổ I h q ( v ) , đầu thu so sánh sẽ cho ta phổ Io(v). Cường độ của phổ kích thích vì vậy sẽ phụ thuộc vào xác suất chuyển hấp thụ từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Kết quả này dẫn đến phổ kích thích cũng chứa các thông tin của phổ hấp thụ. Ta có thể thấy sự liên hệ này khi xét mẫu đo có hệ số hấp thụ a(v), bề dày d và nồng độ của các tâm hấp thụ c rất thấp. Công thức (3.3) có thể được viết như sau: IKT(v) = Qa(v)cd (3.4) Trong đó, Q là hiệu suất lượng tử huỳnh quang, được xác định bởi tỷ số giữa số photon bức xạ và số photon hấp thụ bời mẫu đo. Các phép đo phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang được thực hiện trên hệ FS - 920 của hãng Edinburgh - Anh, có tại phòng thí nghiệm Khoa Vật lý, trường Đại học sư phạm Thái Nguyên. Hệ đo huỳnh quang gồm hai máy đơn sắc có cách tử kép cho hai phần kích thích và huỳnh quang. Nguồn kích thích là đèn xenon (Xe) - 900 được nuôi bằng nguồn và đặt trong hộp bảo vệ cùng với quạt làm nguội, đèn có công suất 450W M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 28Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tốt nghiệp C H Ư Ơ N G III K É T Q U Ả V À T H Ả O L U Ậ N 3.1. Chế tạo chấm l lượng tử CdS và CdS:M n2+ bằng phương pháp M icelle đảo Các hóa chất được sử dụng: Cd(CH3C0 0 )2.2 H20 , Mn(CH3C0 0 )2.4 H20 , C2H 5NS, chất dùng làm tác nhân bẫy ở đây là 3-mercapto propyltrimethoxy silanne (MPS) - CgH180 3SSi. Chúng tôi đã tiến hành chế tạo các chấm lượng tử CdS và CdS pha tạp Mn2+ bằng phương pháp Micelle đảo. Đe chế tạo các chấm lượng tử CdS chúng tôi đã tiến hành theo qui trình được mô tả như trong hình 3.1. Hình 3ềl . Sơ đồ qui trình chế tạo các chấm lượng tử CdS bằng phương pháp Micelle đảo Đầu tiên muối Cd(CH3C0 0 )2.2 H20 được hòa tan trong MeOH có thêm MPS thành dung dịch chứa Cd2+ được bao bởi MPS. Muối C2H5NS cũng được hòa tan trong methnol thành dung dịch s 2\ Sau đó, hai dung dịch được đổ lẫn vào nhau nhờ việc khuấy trộn và các chấm lượng tử CdS được hình thành. M ai Thị Đào- Lớp CNLỷ K2 29Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tốt nghiệp Để chế tạo các chấm lượng tử CdS pha tạp Mn2+, chúng tôi tiến hành theo qui trình được mô tả như trong hình 3.2. Hòa tan hỗn hợp muối Cd(CH3C0 0 )2.2 H2 0 và Mn(CH3C0 0 )2.4 H20 trong MeOH có thêm MPS thành hỗn hợp dung dịch chứa Cd2+ và Mn2+ được bao bởi MPS. Đồng thời C2H5NS cũng được hòa tan trong methnol thành dung dịch s 2'. Sau đó, hai dung dịch được đổ lẫn vào nhau nhờ việc khuấy trộn cuối cùng thu được các chấm lượng tử CdS pha tạp Mn2+ trong MeOH. Hình 3.2. Sơ đồ qui trình chế tạo các chấm lượng tử CdS:Mn2+ bàng phuơng pháp Micelle đảo Sử dụng phương pháp chế tạo chung đã trình bày ở trên chúng tôi đã tiến hành chế tạo các mẫu dung dịch chứa các chấm lượng tử CdS, CdS/ZnS, Cd0 6Mn04S và Cd06Mn<)4S/ZnS. Các mẫu này có màu vàng trong. Cụ thể quá trình chế tạo mẫu của chúng tôi như sau: 3ẻl.l.C h ế tạo lõi CdS Khối lượng hóa chất: Cd(CH3C0 0 )2.2 H20 : 0,3325 g. C2H5NS : 0,108 g. MeOH : 25ml. MPS : 0,125 mlệ Khối lượng hóa chất được chọn sao cho tỷ lệ mol Cd2+/S2' = 1/1 và Cd2+/MPS = 2/1. M ai Thị Đào- Lớp CNLý K2 30Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐH TN Khóa luận tốt nghiệp Đầu tiên hòa tan 0,3325 g muối Cd(CH3C0 0 )2.2 H20 với 12,5 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 30 phút tạo ra dung dịch chứa ion Cd2+. Đồng thời hòa tan 0,108 g muối C2H5NS vào 12,5 ml dung dịch MeOH, khuấy từ trong khoảng 30 phút tạo ra dung dịch chứa ion s 2'. Nhỏ