<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA</b>

<b>BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2LỚP L07 NHÓM 7 </b>

<i><b>ĐỀ TÀI 15:CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ ỨNG DỤNG</b></i>

GVHD Lý thuyết: Thầy Nguyễn Minh Châu Bài tập: Cô Nguyễn Thị Minh Hương Danh sách thành viên: Nguyễn Mai Anh – 1910766 Nguyễn Hồng Xuân – 2015129

Nguyễn Hương Nhi – 2010489 Nguyễn Đăng Khoa – 2013504 Nguyễn Nhật Quang - 2014246

<small>TP.HCM, 2020</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA</b>

<b>BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2LỚP L07 NHÓM 7 </b>

<i><b>ĐỀ TÀI 15:CHẤM LƯỢNG TỬ VÀ ỨNG DỤNG</b></i>

GVHD Lý thuyết: Thầy Nguyễn Minh Châu Bài tập: Cô Nguyễn Thị Minh Hương Danh sách thành viên: Nguyễn Mai Anh – 1910766

Nguyễn Hồng Xuân – 2015129 Nguyễn Hương Nhi – 2010489 Nguyễn Đăng Khoa - 2013504 Nguyễn Nhật Quang - 2014246

<small>TP.HCM, 2020</small>

<b>Lời cảm ơn</b>

Nhóm 7 chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Minh Châu đã trực tiếp giảng dạy cho chúng em bộ mơn Vật lý 2, giúp chúng em có thể tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích và hồn thiện được bài tiểu luận về " Chấm lượng tử".

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Đồng thời chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn vì thầy đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo chúng em trong các tiết học trên lớp. Tuy nhiên, do giới hạn kiến thức và khả năng lí luận của bản thân cịn nhiều thiếu sót và hạn chế. Vì vậy mặc dù đã cố gắng hoàn thành đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Chính vì thế chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cũng như các bạn để đề tài của nhóm em được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

3.1. Điốt phát quang hiệu xuất cao...10

3.2. Pin quang hóa (Pin mặt trời)...13

3.3 Một số ứng dụng đánh dấu sinh học...15

3.3.1 Ứng dụng để theo dõi tế bào (cell tracking)...16

3.3.2Ứng dụng trong dẫn truyền thuốc và chữa bệnh...19

3.4. Chế tạo thiết bị phát quang...19

3.5. Phốt pho hồng ngoại...20

<b>Kết luận Tài liệu tham khảo</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>Danh mục các hình vẽ</b>

<i><b>Hình 1.1: Chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn có kích thước 2 – 10nm</b></i>

<i><b>Hình 1.2: Hình trên biểu diễn 16 màu sắc phát xạ từ nhỏ (xanh) đến lớn (đỏ) của </b></i>

<i>chấm lượng tử CdSe được kích thích bởi đèn tử ngoại gần; kích thước chấm lượng tử có thể từ 1 đến 10 nm, hình dưới biểu diễn phổ phát quang của vài chấm lượng tử CdSe</i>

<i><b>Hình 2.1. Các vùng năng lượng chính.</b></i>

<i><b>Hình 2.2. Hàm mật đô A trạng thái trong chất bán dẫn khối (3D), giếng lượng tử (2D), </b></i>

<i>dây lượng tử (1D) và chấm lượng tử (0D)</i>

<i><b>Hình2.3 . Màu sắc của chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thướcHình2.4. Màu sắc chấm lượng tụ phụ thuộc vật liệu chế tạo</b></i>

<i><b>Hình2.5Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với kích thước khác nhau </b></i>

<i>và lớp bên ngoài khác nhau. Với sự chiếu sáng của đèn tử ngoại, năng lượng huỳnh quanh tăng dần từ trái sang phải và kích thước chấm lượng tử giảm dần</i>

<i><b>Hình 2.6 Phổ phát xạ của các chấm lượng tử kích thước khác nhau. Kích thước giảm</b></i>

<i>từ trái sang phải. Màu xanh da trời là CdSe có kích thước 4.6nm tới 2.1nm. Màu xanhlá là InP từ 4.6 tới 3nm, và màu đỏ là InAs từ 6 tới 2.</i>

<i><b>Hình 3.1. Mơ hình LED chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS phát quang với hiệu suấtHình 3.2. Cấu tạo tivi QLED cao.</b></i>

<i><b>Hình 3.3 Hình ảnh minh họa</b></i>

<i><b>Hình 3.4. Mơ tả tế bào được đánh dấu bằng QDs (a – QDs được gắn trên các thụ thể </b></i>

<i>của tế bào). Khi tế bào phân chia, có thể quan sát được các tế bào con (b)</i>

<i><b>Hình 3.5 Các chấm lượng tử đã giúp xác định vận tốc và hướng dịch chuyển, sự liên </b></i>

<i>kết của kháng thể với kháng nguyên HER2 trên màng tế bào, và sự di chuyển vào khu vực xung quanh nhân tế bào (perinuclear)</i>

<i><b>Hình 3.6: Hình ảnh về các hạt nano này khi chúng di chuyển trong mạch máu tới các </b></i>

<i>khối u của những con chuột thí nghiệm.</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>Nội dung1.Giới thiệu chung về chấm lượngtử</b>

Trong xu thế phát triển về khoa học kỹ thuật và công nghệ thì con người ln hướng đến sự tinh vi trong thiết kế, … và khơng ngừng tìm kiếm, chế tạo ra những vật liệu mới hội tụ những tính năng đáp ứng được nhu cầu phát triển không ngừng trong lĩnh vực vật liệu mới. Chấm lượng tử là một đơn cử cho lĩnh vực vật liệu cấu trúc nano có tính năng siêu việt được chế tạo từ những tinh thể bán dẫn. Chấm lượng tử được phát hiện đầu tiên vào năm 1981 do Alexay Ekimov ( nhà khoa học người Nga) phát hiện chúng trong ma trận thuỷ tinh, sau đó Louis – E. Brus phát hiện chúng trong dung dịch keo năm 1985. Thuật ngữ “ chấm lượng tử” được ra đời vào năm 1988. Ngày nay, chấm lượng tử càng được quan tâm nhiều hơn trong việc phát triển kỹ thuật và công nghệ mới đầy ang tạo nhờ những tính chất đặc biệt của chấm lượng tử .Tiềm năng ứng dụng của chấm lượng tử được mở ra cho nhiều lĩnh vực như trong kỹ thuật điện tử, tế bào năng lượng mặt trời, kỹ thuật chụp ảnh y học, chấm lượng tử cũng có thể trở thành một Qbit trong điện toán lượng tử.

Chấm lượng tử ( Quantum dots-Qd) là một tinh thể bán dẫn bao gồm các nguyên tử của các nguyên tố nhóm II-VI ( Cd, Zn, Se , Te) hoặc III-V ( In, P, As) trong bảng hệ thống tuần hồn các ngun tố hóa học được làm từ vật liệu chất bán dẫnmà kích thước của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lượng tử. Cấu trúc của chấm lượng tử là cấu trúc lõi – vỏ. Lớp vật liệu dùng làm vỏ được lựa chọn thường phải có cấu trúc tinh thể tương tự với vật liệu lõi, nhưng có năng lượng vùng cấm lớn hơn của chấm lượng tử lõi. Hạt tải trong chấm lượng tử lõi sẽ chịu sự giam giữ lượng tử của lớp vỏ. Ngoài ra lớp vỏ bọc cịn có tác dụng thụ động hố các liên kết hở tại bề mặt của lõi và tạo thành một hàng rào thế năng giam giữ các hạt tải điện của lõi.Chấm

<small>1</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

lượng tử giam giữ mạnh các điện tử, lỗ trống và các cặp điện tử - lỗ trống (còn gọi là các exciton) theo cả ba chiều trong một khoảng cỡ bước sóng de Broglie của các điện tử. Sự giam giữ này dẫn tới các mức năng lượng của hệ bị lượng tử hoá, giống như phổ năng lượng gián đoạn của một ngun tử. Chính vì lí do này mà các chấm lượng tử còn được gọi là các “nguyên tử nhân tạo”.

<i>Hình 1.1: Chấm lượng tử làm từ chất bán dẫn có kích thước 2 – 10nm</i>

Chấm lượng tử có khả năng hấp thụ ánh sáng trong một phạm vi rộng và phát sáng trong một phạm vi hẹp của bước sóng, tức là mỗi chấm lượng tử phát ra có một màu sắc khác nhau dưới ánh sáng hồng ngoại hoặc tử ngoại,cụ thể tùy thuộc vào kích thước hạt nhân của nó.

<small>2</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>Hình 1.2: Hình trên biểu diễn 16 màu sắc phát xạ từ nhỏ (xanh) đến lớn (đỏ) củachấm lượng tử CdSe được kích thích bởi đèn tử ngoại gần; kích thước chấm lượng tử</i>

<i>có thể từ 1 đến 10 nm, hình dưới biểu diễn phổ phát quang của vài chấm lượng tửCdSe</i>

<b>2. Các tính chất của chấm lượng tử2.1. Tính dẫn điện</b>

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián đoạn (các trạng thái dừng).Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là:

<small>3</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<i>Hình 2.1 Các vùng năng lượng chính</i>

Vùng hóa trị được lấp đầy, trong khi vùng dẫn trống. Mức năng lượng Fermi nằm ở vùng trống năng lượng

+ Vùng hóa trị ( Valence band): là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị lien kết mạnh với nguyên tử và không linh động. + Vùng dẫn ( Conduction band): là vùng có năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động ( như các điện tử tự do) và điện từ ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tạ trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.

+ Vùng cấm ( Forbidden band): là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, khơng có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm ( mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm ( Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc khơng dẫn điện.

Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở độ khơng tuyệt đối (0K), mức Ferminằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn khơng dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và

<small>4</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Khi kích thước của chấm lượng tử thay đổi sẽ kéo theo cấu trúc vùng năng lượng thay đổi và khoảng cách giữa các mức năng lượng cũng thay đổi tương ứng. Do năng lượng vùng cấm quyết định bước ang phát xạ photon, bởi vậy có thể kiểm sốt bước sóng phát xạ qua kích thước của chấm lượng tử. Phổ hấp thụ rộng của các chấm lượng tử cho phép ta sử dụng một sóng nhưng có thể kích thích cùng lúc các chấm lượng tử kích thước khác nhau. Khi bị kích thích chấm lượng tử có thể phát xạ ánh sóng khả kiến với bước sóng khơng chỉ phụ thuộc vào kích thước của chấm. Khả năng kiểm sốt chính xác kích thước của chấm cho phép nhà sản xuất xác định bước sóng của photon phát xạ, từ đó xác định màu sắc của ánh sáng phát ra. Chấm lượng tử càng bé thì ánh sáng càng gần màu xanh, ngược lại nếu chấm lượng tử càng lớn thì ánh sáng càng gần màu đỏ. Chấm lượng tử cũng có thể được điều chỉnh để phát ra bức xạ ngoài vùng khả kiến, chẳng hạn như bức xạ hồng ngoại hoặc tử ngoại.

<i>Hình2.3 . Màu sắc của chấm lượng tử phụ thuộc vào kích thước</i>

Ngồi ra phổ huỳnh quang của QD cịn phụ thuộc vào vật liệu chế tạo QD.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<i>Hình2.4. Màu sắc chấm lượng tụ phụ thuộc vật liệu chế tạo</i>

Dưới đây là ảnh màu phát xạ của các chấm lượng tử bán dẫn CdSe với các kích thước khác nhau. Chúng cho thấy ảnh hưởng của kích thước các chấm lượng tử vàcủa lớp vỏ bọc tới màu phát xạ của chúng. Các chấm lượng tử CdSe này hoàn toàn dùng được trong các ứng dụng sinh học.

<i><b>Hình2.5Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe với kích thước khác nhau</b></i>

<i>và lớp bên ngồi khác nhau. Với sự chiếu sáng của đèn tử ngoại, năng lượng huỳnhquanh tăng dần từ trái sang phải và kích thước chấm lượng tử giảm dần</i>

<small>7</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Trong bán dẫn tinh thể, hàm sóng điện tử của chấm lượng tử kéo dài qua hằng số mang. Tương tự với phân tử, chấm lượng tử có cả phổ năng lượng lượng tử hoá và mật độ lượng tử của các trạng thái điện tử gần với cạnh của vùng cấm.

Các chấm lượng có thể được tổng hợp với lớp vỏ dày hoặc mỏng như các chấm lượng tử CdSe với lớp vỏ CdS. Chiều dày lớp vỏ có mối quan hệ trực tiếp tới thời gian sống và cường độ bức xạ.

<i><b>Hình 2.6 Phổ phát xạ của các chấm lượng tử kích thước khác nhau. Kích thước giảm</b></i>

<i>từ trái sang phải. Màu xanh da trời là CdSe có kích thước 4.6nm tới 2.1nm. Màu xanhlá là InP từ 4.6 tới 3nm, và màu đỏ là InAs từ 6 tới 2.</i>

<small>8</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>3. Ứng dụng của chấm lượng tử</b>

Các chấm lượng tử có đặc tính quang học và điện tử độc đáo: có thể điều khiển ánh sáng phát xạ nhờ thay đổi kích thước, phổ phát xạ hẹp và đối xứng, độ chói cao, thời gian sống phát quang dài và điểm đặc biệt nhất là độ bền quang cao, ít bị tẩy quang và quang phổ hấp thụ rộng dễ kích thích đồng thời nhiều màu sắc huỳnh quang. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các ứng dụng cho các chấm lượng tử trong tranzito , các tế bào năng lượng mặt trời, đèn Led, laser diot. , làm chất huỳnh quang đánh dấu trong sinhhọc.

<b> 3.1.Điốt phát quang hiệu suấtcao</b>

Trước hết là xuất phát từ sự cần thiết trong thực tế là mong muốn chế tạo được các thiết bị phát quang LED cho hiệu suất cao, độ đơn sắc cao và phổ phát quang hẹp và sau đó là, dựa trên lý thuyết mà người ta chế tạo ra LED chấm lượng tử (QDs – LED) với mơ hình như sau:

<i><b>Hình 3.1. Mơ hình LED chấm lượng tử CdSe/ZnSe/ZnS phát quang với hiệu suất cao.</b></i>

Ở đây các nano tinh thể CdSe có lớp vỏ bọc hồn tồn có thể dùng đểchế tạo ra Diode phát quang chấm lượng tử bằng phương pháp spin- coating từng đơn lớp. Các nano tinh thể cấu trúc CdSe/ZnSe/ZnS được phântán đều trong một dung môi, bằng quá trình spin- coating, các đơn lớp này trải đều trên một lớp đế có khả năng

<small>9</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

truyền dẫn lỗ trống HTL. Kết quả là thu được các lớp chấm lượng tử chất lượng cao với độ dày có thể thay đổi được rất đơn giản từ nồng độ dung dịch nhỏ trực tiếp lên đế HTL và tốc độ spin-coating. Về mặt lý thuyết, phổ phát xạ của các LED chấm lượng tử tạo ra bằng phương pháp này là rất hẹp, chỉ cỡ khoảng 30 nm, điện huỳnh quang từ các QDs-LEDnày thì gần như khơng thể cho ra phát xạ ở các thiết bị LED hữu cơ cho dù điện áp có thay đổi thế nào đi nữa. Không những vậy, hiệu suất lượng tử ngoại của QDs- LED có thể tăng khoảng0.8% tại độ sáng 100 cd/m . Như vậy hiệu suất² quang học của QDs-LED sẽ vượtxa so với các chất bán dẫn hữu cơ khác.

Chấm lượng tử cịn mang đến sự đột phá về cơng nghệ cho các thế hệ màn hình tivi, máy tính, điện thoại di động. Các màn hình thế hệ trước như LCD, màu sắc khá bị giới hạn, bởi hình ảnh chiếu ang nhờ đèn nền. Nhưng đối với công nghệ chấm lượng tử thì ánh sáng được chiếu qua màng mỏng tinh thể nano có thể được điều chỉnh bước sóng phát ra, màu sắc tạo ra sẽ rất phong phú, độ phân giải vượt trội . Số lượng màu sắc khá giới hạn bởi tạo thành chỉ từ ba màu chính: đỏ, xanh dương và xanh lá. Hình ảnh chiếu sáng nhờ đèn nền. Nhưng với công nghệ màn hình chấm lượng tử, ánh ang chiếu qua màng mỏng tinh thể nano có thể tạo ra màu sắc bất kỳ. Kích thước và khoảng cách giữa các hạt nhỏ nên hiệu quả truyền dẫn cao. Nhờ đó thiết bị hoạt động nhanh hơn, bền hơn và tốn ít năng lượng (yếu tố cực kỳ quan trọng với các thiết bị di động dùng pin). Cuối cùng, kích thước nano mang lại độ phân giải cao. Do đó, thế hệ màn hình chấm lượng tử này tái tạo hình ảnh đẹp, chính xác và sống động gấp nhiều lần so với màn hình tinh thể lỏng.

<i><b>Ví dụ: Tivi QLED (viết tắt của Quantum Dot LEDs</b>) được phát triển dựa trên cơngnghệ màn hình tivi LED, kết hợp với chất liệu kim loại chấm lượng tử Quantum Dot,</i>

<i>giúp mang đến trải nghiệm màu sắc tuyệt hảo cho người sử dụng</i>

<small>10</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<i>Hình 3.2. Cấu tạo tivi QLED</i>

<i><b>Nguyên lý hoạt động</b></i>

Tivi QLED hoạt động bằng cách đặt 1 lớp chấm lượng từ phía trước lớp đèn nền LED.Lớp chấm lượng tử được cấu thành bởi các hạt siêu nhỏ có kích thước đường kĩnh cỡ<b> 2-10 nm</b>, các chấm này được sử dụng trong hiển thị hình ảnh bởi khả năng cho màu sắc khác nhau tùy kích thước của các chấm. Bởi vì các chấm này có thể tự phát ra các màu sắc riêng, do đó màu sắc hiển thị có thể được tái tạo lại một cách chi tiết hơn. Ưu điểm nổi trội của tivi màn hình QLED : Độ sáng vượt trội, màu sắc chính xác

<b>hơn.Các chấm lượng tử trên màn hình QLED tăng độ sáng vượt trội từ 1.500 đến</b>

<small>11</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>2.000 nit (đơn vị đo độ sáng) gần gấp đôi so với tivi thơng thường. Nhờ đó, người </b>

dùng có thể dễ dàng cảm nhận được sự khác biệt rõ rệt giữa các cấp độ màu sắc từ màu đỏ đến màu cam, từ xanh đậm đến xanh nhạt.

<i>Hình 3.3 Hình ảnh minh họa</i>

<b>3.2. Pin quang hóa (Pin mặt trời)</b>

Với tình trạng giá cả nhiên liệu ngày một tăng vànỗilolắng vềsự ấm dần lên của trái đất như hiện nay thì pin mặt trời có một ý nghĩa đặcbiệt quan trọng và khả năng ứng dụng của các chấm lượng tử trong biến đổi năng lượng mặt trời là rất lớn. Sự thật là các thiết bị biến đổi năng lượng mặt trời chế tạo từ chấm lượng tử đã và đang được rất nhiều tổ chức khoa học nghiên cứu và phát triển . Cũng dễ hiểu rằng, các chấm lượng tử bán dẫn có cơ sở vững chắc để có thể chế tạo ra những lớp màng mỏng làm pin mặt trời. Và việc chế tạo pin mặt trời đòi hỏi hỏi khả năng biến đổi, giữ và phân ly điện tích, để có thể mang lại lợi ích lớn nhất từ chấm lượng tử.Chấm lượng tử được ứng dụng nhiều trong việc nâng cao hiệu suất chuyển hóa của các tấm pin mặt trời.

Các nhà nghiên cứu của trường đại học Minnesota và Texas đã tạo ra được các tinh thể nano có nền là các chất bán dẫn cho phép tránh được sự rò rỉ electron mang

<small>12</small>

</div>