ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THANH HƯƠNG HIỆU ỨNG GIAM GIỮ LƯỢNG TỬ TRONG CÁC HẠT NANO ZnS PHA TẠP Mn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THANH HƯƠNG HIỆU ỨNG GIAM GIỮ LƯỢNG TỬ TRONG CÁC HẠT NANO ZnS PHA TẠP Mn Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán hướng dẫn: PGS TS Phạm Văn Bền Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Thực đề tài tính toán mô xác định đặc trưng quang vật liệu nano để làm rõ hiệu ứng giam giữ lượng tử Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, em nhận quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình Thầy, Cô môn, để hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới PGS.TS Phạm Văn Bền – người Thầy luôn tận tình,theo sát bước thời gian em học tập làm luận văn Thầy hướng dẫn, giúp đỡ hỗ trợ em suốt trình hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn thày, cô Bộ môn Vật lý lý thuyết vật lý Toán truyền đạt cho em kiến thức quý giá giúp em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập thực luận văn nghiên cứu Luận văn hoàn thành với tài trợ đề tài NAFOSTED (Number 103.01-2015.22) Hà Nội, tháng 11 năm 2015 Học viên Phạm Thanh Hương MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnS PHA TẠP MnError! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu chung vật liệu nano Error! Bookmark not defined 1.1.1 Vật liệu nano Error! Bookmark not defined 1.1.2 Phân loại vật liệu nano Error! Bookmark not defined 1.1.3 Đặc điểm vật liệu nano Error! Bookmark not defined 1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano Error! Bookmark not defined 1.2 Cấu trúc tinh thể vật liệu nano ZnS Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (hay sphalerite, zinblende) Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cấu trúc tinh thể lục giác (hay wurzite) Error! Bookmark not defined 1.3 Cấu trúc vùng lượng vật liệu nano ZnSError! Bookmark not defined 1.4 Ảnh hưởng Mn lên cấu trúc tinh thể vùng lượng ZnS Error! Bookmark not defined CHƯƠNG HIỆU ỨNG GIAM GIỮ LƯỢNG TỬ TRONG CÁC HẠT NANO ZnS PHA TẠP Mn Error! Bookmark not defined 2.1 Năng lượng, hàm sóng mật độ trạng thái hạt tải điện điện tử, lỗ trống hạt nano (hệ không chiều hay chấm lượng tử) Error! Bookmark not defined 2.2 Hiệu ứng giam giữ lượng tử hạt nano ZnS pha tạp Mn Error! Bookmark not defined 2.2.1 Sự dịch bờ hấp thụ đỉnh phát quang Error! Bookmark not defined 2.2.2 Sự tăng cường độ phát quang Error! Bookmark not defined CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined Phần I Tính toán mô bán kính exciton Bohr, độ rộng vùng cấm kích thước hạt trung bình vật liệu nano ZnS, ZnS:MnError! Bookmark not defined 3.1 Xác định bán kính exciton Bohr Error! Bookmark not defined 3.2 Xác định độ rộng vùng cấm Error! Bookmark not defined 3.3 Xác định kích thước hạt trung bình Error! Bookmark not defined Phần II Khảo sát hiệu ứng giam giữ lượng tử hạt nano ZnS:Mn Error! Bookmark not defined 3.4 Mẫu nghiên cứu thiết bị thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.4.1 Mẫu nghiên cứu Error! Bookmark not defined 3.4.2 Thiết bị thực nghiệm Error! Bookmark not defined 3.5 Cấu trúc tinh thể hình thái học hạt nano ZnS pha tạp Mn Error! Bookmark not defined 3.5.1 Phổ X- Ray Error! Bookmark not defined 3.5.2 Ảnh TEM Error! Bookmark not defined 3.7 Phổ phát quang hạt nano ZnS pha tạp MnError! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại vật liệu nano Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Giá trị bán kính Bohr electron, lỗ trống bán kính exciton Bohr số vật liệu nano Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Giá trị độ rộng vùng cấm theo đường kính hạt vật liệu nano ZnS .Error! Bookmark not defined Bảng 3.3 Giá trị độ rộng vùng cấm theo đường kính hạt vật liệu nano ZnO…Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Giá trị đường kính hạt vật liệu nano ZnS, ZnO Error! Bookmark not defined Bảng 3.5 Các loại hạt nano ZnS:Mn phương pháp chế tạo Error! Bookmark not defined Bảng 3.6 Hằng số mạng kích thước tinh thể trung bình Error! Bookmark not defined Bảng 3.7 Vị trí, độ hấp thụ, độ rộng vùng cấm kích thước hạt hạt nano ZnS:Mn với khối lượng PVP bọc phủ khác Error! Bookmark not defined Bảng 3.8 Phương pháp chế tạo, kích thước tinh thể trung bình thông số đặc trưng đám da cam- vàng Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Vật liệu khối vật liệu cấu trúc nano Error! Bookmark not defined Hình1.2 Cấu trúc dạng lập phương tâm mặt tinh thể ZnS Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể lục giác tinh thể ZnS Error! Bookmark not defined Hình Sự hình thành obitan phân tử vùng Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Cấu trúc vùng lượng bán dẫn loại zincblende wurtzite Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Mô hình hóa vị trí ion Mn2+ mạng tinh thể ZnS Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Sơ đồ mức lượng ion Mn2+ tự (a) ion Mn2+ trương tinh thể ZnS (b) Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Chấm lượng tử Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Năng lượng electron lỗ trống chấm lượng tử Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Mật độ trạng thái electron lỗ trống chấm lượng tử Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Phổ hấp thụ ZnS, ZnS:Mn Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Phổ hấp thụ hạt nano ZnS:Mn với kích thước hạt khác Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Phổ phát quang kích thích phát quang ZnS:Mn với nồng độ Mn khác Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Phổ phát quang ZnS:Mn2+bọc phủ PVP nồng độ khác Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Phổ phát quang ZnS:Mn2+ bọc phủ SHPM, PVP Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Đồ thị độ rộng vùng cấm vật liệu nano ZnS theo đường kính hạt Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Đồ thị độ rộng vùng cấm vật liệu nano ZnO theo đường kính hạt Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Đồ thị đường kính hạt vật liệu nano ZnS (a) ZnO (b) theo hiệu độ rộng vùng cấm ∆Eg Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ hạt nano ZnS:Mn với phương pháp chế tạo: Thủy nhiệt(a), Đồng kết tủa(b), Đồng kết tủa bọc phủ PVP(c) Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Ảnh TEM hạt nano ZnS:Mn chế tạo phương pháp: Error! Bookmark not defined Thủy nhiệt(a), Đồng kết tủa(b), Đồng kết tủa bọc phủ PVP(c) Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Phổ hấp thụ hạt nano ZnS:Mn bọc phủ PVP với khối lượng: 0gPVP(a);1gPVP(b);chồng phổ(c) Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Sự phụ thuộc (αhv)2 theo hv hạt nano ZnS:Mn ZnS:Mn/PVP(CMn= 8%mol ) a.0g PVP b.1g PVP Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Phổ phát quang ZnS:Mn chế tạo số phương pháp khác Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Sự phụ thuộc vị trí bước sóng đám da cam – vàng hạt nano ZnS:Mn vào kích thước hạt Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Sự phụ thuộc cường độ phát quang đám da cam – vàng hạt nano ZnS:Mn vào kích thước hạt Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Phổ phát quang hạt nano ZnS:Mn (CMn = 8%mol) bọc phủ PVP với khối lượng khác Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Sự phụ thuộc cường độ phát quang đám da cam – vàng ion Mn2+ hạt nano ZnS:Mn/PVP vào khối lượng bọc phủ PVP Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Phổ kích thích phát quang ZnS:Mn với nồng độ khác Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Sơ đồ chuyển dời hấp thụ, xạ tinh thể ZnS:Mn Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Nguyễn Ngọc Long (2007), “Vật lý chất rắn”, NXB ĐHQG, Hà Nội Phan Trọng Tuệ (2008), “ Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất quang vật liệu ZnS:Mn”, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội Vũ Thị Thắm (2010), “ Chế tạo, nghiên cứu khảo sát số tính chất quang vật liệu nano”, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Lại Thị Thu Hiền (2013), “ Khảo sát ảnh hưởng Polyvinyl Pyrrolidone lên phổ phát quang ZnS:Mn chế tạo phương pháp đồng kết tủa”, Khóa luận tốt nghiệp Đại học quy ngành Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Tài liệu Tiếng Anh A I Cadis, E.J popovici, E Bica, I Perhaita,(2010), “ On the preparation of manganese doped zinc sulphide nanocrystalline powders using the wet chemical synthesis route”, Chalcogenide letters, Vol.7, No.11, pp.631-640 A Kortan, Hull R, Opilar (1990), “ Nucleation and growth of cadmium selendia on zinc sulfide quantum crystallite seeds and vice vers, in incvese micelle media”, J Am Chem Sol 112, pp1327 Alivisatos.A.P (1996), “Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Nanocrystals”, Department of chemistry, University of California, and Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California , No.100, pp 13226-13239 B Bhattacharjef, D Ganguli, K iakouborskii, A Stesmans, Schaudhuri (2002), “ Synthesis and characterization of Sol – gen derived ZnS:Mn2+ nanocrystallites embedded in a silica matrix”, Bull Mater Sci, Vol.25, No.3, pp 175-180 Bhargava, D Gallagher and A Nurmikko (1994), “ Optical properties of Manganese- doped nanocrystalls of ZnS”, PhysRev, Lett Vol 72, No.3, pp 416- 419 10 Brus Louis (1985), “Electronic Wave Function IN Semiconductor Clusters: Experiment and Theory”, AT& T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey No.90, pp 2555-2560 11 Bui Hong Van, Pham Van Ben, Tran Minh Thi, Hoang Nam Nhat (2013), “Absorption and radiation transitions in Mn2+ (3d5) configuration of Mndoped ZnS nanoparticlessynthesized by a hydrothermal method”, Journal of Material, Article ID 716452, pates 12 Guimer A (1963), “X Ray diffraction freeman”, Sanfrancisco 13 Jacques I Pankove (1971), “ Optical processes in semiconductors”, PrenticeHall, Inc Englewood cliffs, New Jersey 14 Murugadoss G, B Rajamannan, V Ramasamy (2010), “ Synthesis and photoluminescence study of PVA- Capped ZnS:Mn2+ nanoparticles”, Department of Physics, Vol.5, No 2, pp 339-345 15 Murugadoss G (2010), “ Synthesis and optical characterization of PVP and SHMP–encapsulated Mn2+-doped ZnS nanocrystals”, Journal of Luminescence, Vol.130 pp.2207 - 2214 16 Lippens P.E and M.Lannoo(1989), “Caculation of the band gap for small CdS and ZnS crystallites”, Laboratoire de Physique des Solides, Institut Superieur d’Electronique du Nord, France, Vol.39, No.15, pp.10935 17 Sujata Devi, K Nomita Devi, B Indrajit Sharma, H Nandakumar Sarma, (2014), “Effect of Mn2+ doping on structural, morphological and optical properties of ZnS nanoparticles by chemical Co- precipitation method”, Vol.6, No.2, pp.06-14 18 Thareja Raj K, Antaryami Mohanta (2001) , “ZnO Nanoparticles”, Indian Institute of Technology Kanpur pp 6.1- 6.9 19 Wang Hai, Huimin Li, (2011), “Size dependent photoluminescence properties of Mn-doped ZnS nanocrystals”, Chalcogenide Letters Vol.8, No.5, pp.309313 20 W Chen, R.Shammynaiken, Y.Huang et al, (2001), “Crystal field, phonon coupling and emission shift of Mn2+ in ZnS:Mn nanoparticles”, Journal of Applied physics, Vol.89, No.2, pp.1120- 1129 21 Weihua Zhang, Hu He, (2005), “Synthesis properties of transition metals and rare- earth metals doped ZnS nanoparticles”, Faculty of Chemistry and Material Science, Hubei University, No.28, pp 536-550 22 Yousaf Syeda Amber and Salamant Ali, (2008) “Why Nanoscience and Nanotechnology? What is there University,Lahore, pp.11-20 for us?”,Dept of Physics, GC PHỤ LỤC Chương trình Matlab tính độ rộng vùng cấm biết kích thước hạt nano Vật liệu ZnS: clc; close all; clear all; d=1:0.5:105; d=d*10^-9; Ed=3.68+(10.9875*10^(-18))./d.^2-(5.8718*10^(-10))./d; Vật liệu ZnO: clc; close all; clear all; d=1:0.5:105; d=d*10^-9; Ed=3.27+(8.3516*10^(-18))./d.^2-(6.0514*10^(-10))./d; [...]... and emission shift of Mn2 + in ZnS: Mn nanoparticles”, Journal of Applied physics, Vol.89, No.2, pp.1120- 1129 21 Weihua Zhang, Hu He, (2005), “Synthesis properties of transition metals and rare- earth metals doped ZnS nanoparticles”, Faculty of Chemistry and Material Science, Hubei University, No.28, pp 536-550 22 Yousaf Syeda Amber and Salamant Ali, (2008) “Why Nanoscience and Nanotechnology? What is... Sarma, (2014), “Effect of Mn2 + doping on structural, morphological and optical properties of ZnS nanoparticles by chemical Co- precipitation method”, Vol.6, No.2, pp.06-14 18 Thareja Raj K, Antaryami Mohanta (2001) , “ZnO Nanoparticles”, Indian Institute of Technology Kanpur pp 6.1- 6.9 2 19 Wang Hai, Huimin Li, (2011), “Size dependent photoluminescence properties of Mn- doped ZnS nanocrystals”, Chalcogenide... photoluminescence study of PVA- Capped ZnS: Mn2 + nanoparticles”, Department of Physics, Vol.5, No 2, pp 339-345 15 Murugadoss G (2010), “ Synthesis and optical characterization of PVP and SHMP–encapsulated Mn2 +-doped ZnS nanocrystals”, Journal of Luminescence, Vol.130 pp.2207 - 2214 16 Lippens P.E and M.Lannoo(1989), “Caculation of the band gap for small CdS and ZnS crystallites”, Laboratoire de Physique... Semiconductor Clusters: Experiment and Theory”, AT& T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey No.90, pp 2555-2560 11 Bui Hong Van, Pham Van Ben, Tran Minh Thi, Hoang Nam Nhat (2013), “Absorption and radiation transitions in Mn2 + (3d5) configuration of Mndoped ZnS nanoparticlessynthesized by a hydrothermal method”, Journal of Material, Article ID 716452, 9 pates 12 Guimer A (1963), “X Ray diffraction...nanocrystallites embedded in a silica matrix”, Bull Mater Sci, Vol.25, No.3, pp 175-180 9 Bhargava, D Gallagher and A Nurmikko (1994), “ Optical properties of Manganese- doped nanocrystalls of ZnS , PhysRev, Lett Vol 72, No.3, pp 416- 419 10 Brus Louis (1985), “Electronic Wave Function IN Semiconductor... Ali, (2008) “Why Nanoscience and Nanotechnology? What is there University,Lahore, pp.11-20 3 for us?”,Dept of Physics, GC PHỤ LỤC Chương trình Matlab tính độ rộng vùng cấm khi biết kích thước hạt nano Vật liệu ZnS: clc; close all; clear all; d=1:0.5:105; d=d*10^-9; Ed=3.68+(10.9875*10^(-18))./d.^2-(5.8718*10^(-10))./d; Vật liệu ZnO: clc; close all; clear all; d=1:0.5:105; d=d*10^-9; Ed=3.27+(8.3516*10^(-18))./d.^2-(6.0514*10^(-10))./d;