ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM THÁI NGUYÊN
----------

BÀI TIỂU LUẬN
Đề tài:
ỨNG DỤNG TÍNH CHẤT QUANG
CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ
Khoa vật lý :
Môn :

ĐH Sư Phạm Thái Nguyên

Vật lý bán dẫn hệ thấp chiều

GVHD: PGS.TS – Vũ Thị Kim Liên
Học viên: Ngô Văn Cường

L23B.167

Thái Nguyên , ngày25/04/2016

I. Chấm lượng tử
Hình 1.2: Sự điều chỉnh bước sóng phát xạ của chấm lượng tử khi thay đổi kích thước hạt [11]


Các nano tinh thể trên cơ sở bán dẫn bắt đầu được các nhà vật lý chú ý tới từ
ba thập kỷ nay bởi các tính chất lượng tử đặc biệt của chúng. Các tính chất đó
là hệ quả của sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước hạt. Về mặt
vật lý, các tính chất lượng tử (trong trường hợp này là sự phụ thuộc của ánh
sáng huỳnh quang vào kích thước hạt) xuất hiện nếu cặp điện tử - lỗ trống

(exciton) bị cầm giữ trong kích thước nhỏ hơn bán kính Borh của vật liệu khối
(bán kính Borh exciton). Hệ quả của điều kiện này là trạng thái của các hạt tải
tự do trong nano tinh thể bán dẫn bị lượng tử hoá và khoảng cách giữa các
mức năng lượng (màu của bức xạ) liên quan tới kích thước của hạt. Do đó,
bước sóng phát xạ của chấm lượng tử có thể được điều chỉnh bằng cách thay
đổi kích thước hạt (hình 1.2).
Các chấm lượng tử có phổ hấp thụ liên tục và rộng tương tự như của vật
liệu bán dẫn khối với một số đỉnh. Phổ hấp thụ kéo dài từ vùng tử ngoại tới một
bước sóng giới hạn trong vùng nhìn thấy, tương ứng với dịch chuyển cơ bản,
được gọi là đỉnh hấp thụ thứ nhất. Do đó, huỳnh quang có thể được kích thích ở
bất kỳ bước sóng nào ngắn hơn bước sóng huỳnh quang. Vì vậy nhiều chấm
lượng tử với màu huỳnh quang khác nhau có thể được kích thích bằng một ánh
sáng đơn sắc (hay bằng một nguồn đơn). Điều này trái ngược với chất màu hữu
cơ, có tần số cộng hưởng hấp thụ chỉ trong một vùng tần số hẹp, do đó với mỗi
chất màu hữu cơ chỉ có một bước sóng kích thích xác định và mỗi bước sóng xác
định chỉ kích thích được một chất màu hữu cơ xác định. Thêm vào đó, phổ huỳnh
quang của chấm lượng tử hẹp, đối xứng và thời gian sống phát quang dài. Do đó,
chấm lượng tử có ưu thế nổi trội trong những thí nghiệm sinh học đặc thù như ghi
nhận theo dõi phân tử riêng biệt, (single molecule detection), phân tích đa kênh
(multipliexed detection) hình ảnh thời gian thật (real-time imaging) và theo dõi
các quá trình của tế bào sống.
Một ưu điểm nổi trội nữa của chấm lượng tử là chúng có độ bền quang rất
cao. Do các chấm lượng tử được tổng hợp từ vật liệu vô cơ nên chúng ít bị tẩy
quang (photobeach). Vì vậy, chấm lượng tử có độ bền quang cao và cao hơn
nhiều so với các chất màu hữu cơ trong cùng một điều kiện. Ví dụ so sánh giữa
chấm lượng tử CdSe/ZnS và phân tử Rhodamine thì chấm lượng tử có độ chói
cao gấp 20 lần và độ bền quang cao hơn 100 lần so với Rhodamine. Đây là ưu
việt của chấm lượng để dùng trong các thí nghiệm sinh học diễn ra trong khoảng
thời gian dài.



Các chấm lượng tử thường được sử dụng là các chấm lượng tử trên cơ sở
CdSe và CdTe vì phổ của chúng trải toàn bộ vùng quang phổ. Hiện nay, sự chú ý
tới các chấm lượng tử có phổ trong vùng hồng ngoại như CdTe/CdTe, InAs hay
PbS ngày càng gia tăng (sử dụng hiện ảnh).
1.1. Tính chất quang của vật liệu bán dẫn cấu trúc nano
Thực tế, để sử dụng hiệu quả/thích hợp vật liệu, các tính chất cơ, quang,
nhiệt, điện,… của từng loại vật liệu cần phải nghiên cứu bằng các công cụ/kỹ
thuật thích hợp. Nghiên cứu về tính chất quang cho ta kết quả của quá trình
chuyển hoá năng lượng xảy ra trong vật liệu khi vật liệu được kích thích bởi ánh
sáng hay chính là quá trình tương tác giữa photon và vật liệu bao gồm cả tương
tác photon-điện tử và photon-phonon. Qua đó thu nhận được những thông tin
quan trọng về bản chất của các quá trình chuyển dời/tái hợp phát quang, các yếu
tố ảnh hưởng đến huỳnh quang của vật liệu như hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng giam
giữ lượng tử, điều kiện công nghệ chế tạo, nhiệt độ, môi trường,…Những hiểu
biết nêu trên làm cơ sở cho việc ứng dụng vật liệu trong chế tạo các linh kiện
quang điện tử, đánh dấu huỳnh quang y-sinh.
Vật liệu bán dẫn kích thước nano mét có những tính chất quang đặc biệt so
với bán dẫn khối. Những tính chất này là kết quả của sự giam hãm lượng tử các
hạt tải điện (hay giam giữ của hàm sóng điện tử và lỗ trống) và ảnh hưởng của
các trạng thái bề mặt. Dưới đây, ngoài những tính chất hấp thụ, phát quang
tương tự như của vật liệu khối, một số tính chất quang liên quan tới hệ hạt tải
điện trong vật liệu bán dẫn kích thước nano mét được đề cập, làm rõ sự khác
biệt so với trong vật liệu khối.
1.1.1. Tính chất hấp thụ
Khi có nguồn năng lượng từ bên ngoài tới kích thích vào vật liệu thì sẽ xảy
ra quá trình tương tác giữa vật liệu và nguồn năng lượng bên ngoài này. Vật liệu
có thể sẽ hấp thụ một phần hay hoàn toàn năng lượng tới và chuyển đổi trạng
thái. Kết quả của quá trình hấp thụ này thường là sự phát huỳnh quang của các
điện tử nóng hay các tâm, sự tăng các trạng thái dao động mạng... Năng lượng

kích thích vào mẫu có thể dưới dạng năng lượng cơ, quang, nhiệt hay năng
lượng điện từ. Thông thường, vật liệu hấp thụ năng lượng từ những nguồn trên


mỗi cách khác nhau. Tuỳ theo cách kích thích mà sẽ tác động tới hệ điện tử hay
hệ dao động mạng nhiều hơn. Khi dùng ánh sáng kích thích, chủ yếu hệ điện tử
trong vật liệu sẽ phản ứng trước tiên. Sau đó có thể là các quá trình biến đổi
thành quang hay nhiệt, hay tỉ lệ giữa hai phần này tuỳ thuộc vào bản chất của vật
liệu.
Quá trình hấp thụ ánh sáng luôn gắn liền với sự biến đổi năng lượng photon
thành các dạng năng lượng khác trong tinh thể, nên một cách tự nhiên có thể
phân loại các cơ chế hấp thụ như sau:
- Hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản, liên quan đến các chuyển dời điện tử giữa các
vùng năng lượng được phép.
- Hấp thụ exciton, liên quan đến sự tạo thành và phân huỷ các trạng thái exciton.
- Hấp thụ bởi các hạt tải điện tự do, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ
trống) bên trong các vùng năng lượng được phép tương ứng hay giữa các tiểu
vùng trong các vùng được phép.
- Hấp thụ tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống) giữa các
mức bên trong tâm tạp chất hoặc giữa các vùng năng lượng được phép và các
mức tạp chất bên trong vùng cấm.
- Hấp thụ giữa các tạp chất, liên quan đến các chuyển dời điện tử (hoặc lỗ trống)
giữa các mức tạp chất bên trong vùng cấm.
Hình 1.1 trình bày các chuyển dời điện tử tương ứng với các cơ chế hấp
thụ 1-5.


Hình 1.1. Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang: 1- Hấp thụ
riêng; 2-Hấp thụ exciton; 3a, 3b- Hấp thụ bời các hạt tải điện tự do; 4a,
4b- Hấp thụ tạp chất - vùng gần; 4c, 4d- Hấp thụ tạp chất - vùng xa; 5Hấp thụ giữa các tạp chất.

Khi xảy ra tương tác giữa electron trong vật rắn với bức xạ điện từ cần phải
thỏa mãn hai định luật: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn
xung lượng.
Trong không gian vectơ sóng k, năng lượng của điện tử và lỗ trống được
biểu diễn là hàm số E(k), có dạng parabol ở gần gốc tọa độ. Do cấu trúc và phân
bố nguyên tử khác nhau trong các tinh thể, các trạng thái năng lượng của hệ điện
tử vùng dẫn và các lỗ trống vùng hoá trị phân bố có các cực trị khác nhau trong
không gian E(k). Nếu như cực tiểu năng lượng vùng dẫn nằm ở k=0 và cực đại
năng lượng vùng hoá trị cũng xảy ra ở k=0 thì các chuyển dời điện tử là "thẳng"
hay "trực tiếp". Có thể minh họa cấu trúc vùng cấm thẳng của bán dẫn như Hình
1.2.


Hình 1.2. Bán dẫn vùng cấm thẳng
Khi các cực đại vùng hoá trị và cực tiểu năng lượng vùng dẫn không nằm ở
cùng giá trị của k, các chuyển dời điện tử sẽ là "không thẳng" hay "gián tiếp".
Đây là chuyển dời không được phép theo quy tắc chọn lọc Dk=0. Vì vậy quá
trình này cần phải có sự tham gia của hạt thứ 3, đó là phonon để đảm bảo quy tắc
bảo toàn xung lượng hay quy tắc chọn vectơ sóng. Hình 1.3 minh họa quá trình
chuyển dời không thẳng.

Hình 1.3. Bán dẫn vùng cấm xiên
1.1.2. Tính chất phát quang
Một phần năng lượng mà vật liệu hấp thụ sẽ được chuyển đổi thành quang
năng, tái phát xạ từ vật liệu. Huỳnh quang là một trong những dạng phát quang
thứ cấp sau khi vật chất bị kích thích. Hiện tượng phát quang có bản chất ngược
với quá trình hấp thụ, là quá trình hồi phục điện tử từ trạng thái năng lượng cao
về trạng thái năng lượng thấp, giải phóng photon.



1.2.2.1. Một số cơ chế phát quang

Hình 1.4. Các quá trình hấp thụ và phát quang trong tinh thể
Nếu chỉ vẽ giản đồ năng lượng, bỏ qua giá trị tương ứng của vector sóng, có thể
minh họa quá trình hấp thụ và các khả năng phát quang trong tinh thể như Hình
1.4.
Sự kích thích mẫu được thực hiện qua hấp thụ vùng-vùng. Sau quá trình
(1)

này đã tạo ra những điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng hóa trị.
Các quá trình tái hợp có bức xạ của cặp điện tử-lỗ trống xảy ra tiếp theo là:

- Tái hợp vùng-vùng
Tái hợp vùng-vùng (2), điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng
hóa trị. Quá trình này có thể ghi nhận được ở nhiệt độ mẫu khá cao, khi không
tồn tại trạng thái exciton trong tinh thể.
- Tái hợp bức xạ exciton
Sự phân rã exciton (3) chỉ quan sát được ở những vật liệu hoàn hảo (sạch,
cấu trúc tinh thể tốt), và ở nhiệt độ thấp sao cho năng lượng nhiệt kT không vượt
quá năng lượng liên kết của exciton.
- Tái hợp cặp đôno – axépto
Khi trong chất bán dẫn có cả tạp chất đôno và axépto với nồng độ đủ cao,
thì tương tác Coulomb giữa đôno và axépto sẽ làm thay đổi năng lượng liên kết
của chúng (so với khi tạp chất đứng cô lập). Khoảng cách năng lượng giữa các
trạng thái đôno và axépto trong cặp là:


hυ = Fg − ED − EA =

e2

εr

(1.1)

Trong đó r là khoảng cách giữa đôno và axépto trong cặp, e là điện tích của
electron, ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn. Khi electron trên đôno tái hợp
với lỗ trống trên axépto, năng lượng của photon phát ra được tính bằng biểu
thức (1.1).
- Tái hợp bức xạ trong nội bộ tâm
Quá trình chuyển dời (6) xảy ra trong nội bộ tâm. Các tâm phát quang này
mang tính định xứ địa phương rất cao, sự tương tác của các chuyển dời điện tử
với trường tinh thể xung quanh thường rất yếu. Năng lượng của các chuyển dời
điện tử hoàn toàn do cấu trúc của tâm quy định. Các ion loại 4f (đất hiếm, phóng
xạ), 3d (kim loại chuyển tiếp), tâm F trong Halogen kiềm, hay các gốc phát
quang phân tử có dạng phức (complex) có thể hoạt động trong tinh thể dưới
dạng những tâm giả cô lập như vậy.
- Tái hợp bức xạ tâm sâu
Các tái hợp (7), (8) tương tự như (4), (5) nhưng với các mức năng lượng
đôno và axépto nằm sâu trong vùng cấm. Trong các trường hợp này, ảnh hưởng
của trường tinh thể tới các tái hợp cũng yếu hơn.
1.2.2.2. Tính chất phát quang liên quan đến hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt
và tổng số nguyên tử của vật liệu f càng lớn. Nếu kích thước của vật liệu giảm (r
giảm) thì tỉ số f tăng lên, và đạt ~1 (gần như 100% nguyên tử sẽ là nguyên tử bề
mặt) nếu kích thước hạt nhỏ hơn 1 nm. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính
chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu (khác
biệt cả về vị trí đối xứng và liên kết với các nguyên tử xung quanh), 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. Khi kích thước của vật liệu giảm đến vùng
nano mét thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử tăng lên

đáng kể (cho đến kích thước ~10 nm, tương ứng với số nguyên tử ~30.000, số
nguyên tử trên bề mặt còn chiếm khoảng 20% tổng số nguyên tử cấu thành hạt
vật liệu). Khi bán kính của hạt vật liệu nano r đạt đến giá trị nào đó trong vùng


hàng trăm nm trở lên, hiệu ứng bề
mặt được bỏ qua so với tính chất của khối vật liệu do số nguyên tử trên bề mặt
là nhỏ so với tổng số nguyên tử cấu thành khối vật liệu.
Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano cấu tạo từ các nguyên tử
giống nhau.
Đường kính
hạt nano
(nm)

Năng lượng

Tỉ số nguyên

Năng lượng bề bề mặt/Năng
Số nguyên tử tử trên bề
lượng tổng
mặt (%) mặt (erg/mol)
(%)

10

30.000

20


5

4.000

40

2

250

80

1

30

90

4,08×10
8,16×10
2,04×10
9,23×10

11

7,6

11

14,3


12

35,3

12

82,2

Sự không hoàn hảo, các liên kết hở của nguyên tử trên bề mặt các hạt vật
liệu nano có thể tác động như các bẫy điện tử hoặc lỗ trống, hoặc dưới kích thích
(quang, nhiệt, điện) có thể biến đổi các tính chất vật lý (quang, điện) của các hạt
vật liệu nano. Trong rất nhiều trường hợp, các trạng thái bề mặt trở thành kênh
tiêu tán năng lượng không phát quang, làm giảm hiệu suất huỳnh quang của vật
liệu cấu trúc nano. Do đó, cần phải thụ động hoá các trạng thái bề mặt làm hạn
chế các kênh tiêu tán năng lượng hoặc mất mát các hạt tải điện sinh ra do kích
thích, tập trung cho các chuyển dời/tái hợp phát quang. Lớp vật liệu vỏ được lựa
chọn thường phải có cấu trúc tinh thể tương tự nhưng có năng lượng vùng cấm
lớn hơn (để giam giữ hạt tải điện trong tinh thể nano lõi), bền với môi trường và
ít độc hại với môi trường sống hơn để có
tác dụng trung hoà/thụ động hoá các trạng thái bề mặt/các liên kết hở của tinh
thể nano, làm tăng hiệu suất huỳnh quang của vật liệu và có vai trò như một lớp
vỏ bọc bảo vệ làm giảm ảnh hưởng của môi trường bên ngoài tới vật liệu lõi


cũng như các quá trình liên quan tới các hạt tải điện trong lõi tinh thể nano. Đối
với vật liệu phát quang nano, để có thể loại bỏ một cách hiệu quả các tâm tái hợp
không bức xạ tại các trạng thái bề mặt cũng như để bảo toàn tính chất phát xạ
nội tại và ổn định lâu dài chất lượng của vật liệu quan tâm, người ta đã tiến hành
bọc một hoặc hai lớp vỏ bán dẫn có hằng số mạng tinh thể tương tự và có độ

rộng vùng cấm lớn hơn (ví dụ, bọc một số lớp nguyên tử tạo cấu trúc vỏ ZnS
trên lõi InP) bằng phương pháp tạo lớp epitaxy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nuôi
tinh thể lõi.
1.2.2.3. Tính chất phát quang liên quan đến hiệu ứng giam giữ lượng tử
Hiệu ứng giam giữ lượng tử các hạt tải điện (điện tử và lỗ trống) trong vật
liệu, xảy ra khi kích thước của vật liệu nhỏ so sánh được với bán kính Bohr. Từ

công thức xác định bán kính Bohr

ε h2
rB = 2 *
e .m

cho thấy tuỳ

thuộc vào bản chất vật liệu (với hằng số điện môi e xác định và giá trị khối
lượng rút gọn m* của điện tử và lỗ trống khác nhau) sẽ có hiệu ứng giam hãm
lượng tử các hạt tải điện ở kích thước khác nhau. Hiệu ứng giam hãm lượng tử
đã làm cho hạt vật liệu có tính chất giống như một nguyên tử nhân tạo (artificial
atom) với các trạng thái năng lượng của điện tử-lỗ trống rời rạc (tương tự như
trong nguyên tử). Có thể hình dung về năng lượng của hệ hạt tải điện trong hệ
phân tử, chấm lượng tử và tinh thể khối như Hình 1.5. Việc chuyển từ kích thước
của đám phân tử với đặc trưng có liên kết nguyên tử để tạo thành phân tử (bond)
với mức năng lượng điện tử rời rạc khá xa nhau (hình bên phải) thành cấu trúc
nguyên tử sắp xếp trật tự của tinh thể khối để có vùng năng lượng E (band, hình
g
bên trái) đã qua giai đoạn trung gian chấm lượng tử với các mức năng lượng
gián đoạn nhưng khá gần nhau (hình giữa).



E
Bán dẫn
khối
Chấm
lượng tử
Phân tử

Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể khối,
chấm lượng tử và phân tử
Mức năng lượng cao nhất đã lấp đầy điện tử được gọi là HOMO (highest occupied
molecular orbital), tương ứng hình ảnh của điện tử ở hoá trị, trong khi đó mức năng lượng
thấp nhất còn trống được gọi là LUMO (lowest unoccupied molecular orbital), tương ứng
với hình ảnh của điện tử ở vùng dẫn.
Trong chế độ giam giữ mạnh (bán kính của hạt: a << a

B

– bán kính Bohr của vật

liệu khối tương ứng), một cách gần đúng có thể coi điện tử và lỗ trống chuyển động độc
lập và bỏ qua tương tác Coulomb. Dựa vào quy tắc lọc lựa quang, các chuyển dời quang
được phép xảy ra giữa các trạng thái điện tử và lỗ trống có cùng số lượng tử chính n và số
lượng tử quỹ đạo l. Do đó, phổ hấp thụ sẽ bao gồm các dải phổ gián đoạn có vị trí cực đại
tại năng lượng:
h2 χ nl2
Enl = Eg +
2 µ a2

với χ


nl

(1.2)

là hàm cầu Bessel, a là kích thước hạt vật liệu, m là khối lượng rút gọn của cặp

điện tử-lỗ trống (1/m = 1/m + 1/mh).
e
Chuyển dời ứng với trạng thái điện tử-lỗ trống có mức năng lượng thấp nhất:
Enl = Eg +

h2 π 2
2 µ a2

(1.3)


Như vậy, so với bán dẫn khối, năng lượng chuyển dời điện tử được gia tăng một lượng:
∆E =

h2π 2
2 µ a2

(1.4)

so với vùng cấm của bán dẫn khối. ∆E được gọi là năng lượng giam giữ lượng tử, tỷ lệ
nghịch với bình phương kích thước a của hạt vật liệu. Vì lý do này, quang phổ của các
chấm lượng tử trong chế độ giam giữ mạnh thể hiện sự gián đoạn và bị chi phối mạnh bởi
kích thước hạt. Trong thực tế, chỉ có thể quan sát thấy phổ vạch (huỳnh quang và hấp thụ)
của một chấm lượng tử đơn với độ mở rộng đồng nhất phụ thuộc vào nhiệt độ; còn với

một tập thể các chấm lượng tử bán dẫn có kích thước hạt khác nhau, thường quan sát thấy
độ mở rộng phổ phụ thuộc vào phân bố kích thước hạt.
Trong bức tranh đầy đủ của các hạt tải điện trong một chấm lượng tử, không thể coi
chuyển động của điện tử và lỗ trống là độc lập hoàn toàn. Do đó, bài toán cho cặp điện
tử-lỗ trống với toán tử Hamilton sẽ bao gồm các số hạng động năng, thế năng tương tác
Coulomb và thế giam giữ. Khi đó, năng lượng tương ứng với trạng thái kích thích cơ bản
(1s 1s ) của cặp điện tử-lỗ trống được xác định bằng biểu thức:
e h
E1S1h = Eg +

h2 π 2
e2
−
1.8
εa
2 µ a2

(1.5)

Số hạng thứ ba thể hiện năng lượng tương tác Coulomb. Trong phép gần đúng bậc một,
năng lượng chuyển dời cặp điện tử-lỗ trống liên kết trong chấm lượng tử có chứa hai số
hạng phụ thuộc vào kích thước.


2
Đó là năng lượng giam giữ tỷ lệ nghịch với a và năng lượng tương tác Coulomb tỷ lệ
2
nghịch với a. Vì sự phụ thuộc 1/a , nên đối với các chấm lượng tử có kích thước rất nhỏ,
hiệu ứng giam giữ lượng tử trở nên chiếm ưu thế.


Hình 1.6. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các chấm lượng tử InP/ZnS với các kích
thước khác nhau (1,5 nm -màu xanh; 4 nm-màu đỏ đậm )
Hiệu ứng năng lượng của cặp điện tử-lỗ trống phụ thuộc vào kích thước lượng tử
biểu hiện rất rõ ràng trong phổ hấp thụ và huỳnh quang. Hình 1.6 trình bày một ví dụ về
phổ hấp thụ và huỳnh quang tại nhiệt độ phòng của chấm lượng tử InP/ZnS với các kích
thước khác nhau. Bờ hấp thụ và đỉnh phổ huỳnh quang dịch về phía năng lượng cao (phía
bước sóng ngắn – hay thường gọi tắt là dịch xanh) khi kích thước chấm lượng tử giảm.
Khả năng điều khiển các tính chất quang của các chấm lượng tử (thông qua kích thước)
làm cho chúng có một vị trí quan trọng trong khoa học vật liệu và các lĩnh vực như vật lý,
hóa học, sinh học, nông nghiệp và ứng dụng kĩ thuật
1.2.2.4. Tính chất phát quang phụ thuộc nhiệt độ
Nghiên cứu huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ có thể thu nhận được các kết quả sau:
- Thứ nhất, khẳng định huỳnh quang của các nano tinh thể bán dẫn và tinh thể khối đều
chịu ảnh hưởng của dao động mạng phonon thông qua việc nghiên cứu cường độ huỳnh


quang và vị trí đỉnh huỳnh quang theo nhiệt độ. Kết quả là các vạch phát xạ bị dịch về
phía năng lượng thấp hơn, cường độ huỳnh quang hay diện tích phát xạ giảm và độ rộng
bán phổ của chúng tăng lên theo sự tăng của nhiệt độ. Sự phụ thuộc nhiệt độ của năng
lượng chuyển dời điện tử-lỗ trống trong chấm lượng tử giống như vùng cấm của vật liệu
khối. Hiệu ứng hẹp vùng cấm năng lượng theo nhiệt độ được cho là 80-85% do vi trường
sinh ra do dao động mạng (phonon) làm tán xạ mất mát năng lượng của hạt tải điện, chỉ
15-20% do giãn nở hằng số mạng với nhiệt độ [118]. Sự thay đổi độ rộng vùng cấm năng
lượng theo nhiệt độ là do sự dịch vị trí tương đối của vùng dẫn và vùng hoá trị và được
mô tả bằng phương trình Varshni:
E ( T ) = E(0) −

α T2
β +T


(1.6)

trong đó E(T) và E(0) là năng lượng vùng cấm hoặc năng lượng chuyển dời/tái hợp phát
quang tại nhiệt độ T và tại 0 K; α, β là các hệ số Varshni.
- Thứ hai, cho thấy sự tồn tại trạng thái bẫy trong vật liệu mẫu. Các trạng thái bề mặt
đóng vai trò như những bẫy với năng lượng kích hoạt nhỏ, làm cho huỳnh quang của vật
liệu giảm khi nhiệt độ giảm, khi các bẫy này hoạt động. Các bẫy đóng vai trò là các kênh
bắt hạt tải điện mà không đóng góp vào sự phát huỳnh quang. Khi nhiệt độ đủ cao với
năng lượng nhiệt kT lớn hơn năng lượng kích hoạt của bẫy, các hạt tải bị bắt ở bẫy sẽ
được giải phóng, giống như bẫy đã bị vô hiệu hoá dù vẫn tồn tại. Nói cách khác, ở nhiệt
độ cao hơn quá trình hấp thụ và huỳnh quang hầu như không chịu ảnh hưởng của bẫy
nữa. Các nghiên cứu huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ cho thấy diễn biến ảnh hưởng của
bẫy rất rõ ràng.


Kết luận:
Dựa trên những nghiên cứu tổng quan về tính chất quang của vật liệu InP và GaP
thuộc họ bán dẫn hợp chất III-V chúng tôi rút ra những kết luận như sau:
- Những lý thuyết về tính chất hấp thụ và phát quang của vật liệu đã đưa ra những dấu hiệu
đặc biệt để nhận biết được các dạng chuyển dời hấp thụ và phát quang xảy ra trên vật
liệu. Trên cơ sở đó có thể phân biệt các vạch phổ khác nhau trên phổ hấp thụ và phổ
huỳnh quang.
- Nghiên cứu tính chất phát quang liên quan đến hiệu ứng bề mặt của chấm lượng tử cho
thấy sự bao bọc các nguyên tử bề mặt của hạt vật liệu nano bằng lớp vỏ vật liệu khác có
tác dụng trung hoà các liên kết hở, các nút khuyết nguyên tử trên bề mặt làm tăng hiệu
suất huỳnh quang của vật liệu.
- Nghiên cứu tính chất phát quang liên quan đến hiệu ứng giam giữ lượng tử cho thấy sự
thay đổi kích thước của chấm lượng tử là nguyên nhân gây ra sự thay đổi bước sóng phát
xạ của vật liệu. Đây là bằng chứng trực tiếp cho thấy hiệu ứng giam giữ lượng tử đóng
vai trò quan trọng trong huỳnh quang của vật liệu nano.

- Nghiên cứu tính chất quang phụ thuộc nhiệt độ mang đến những thông tin sau: (i) Khẳng


định huỳnh quang của tinh thể nano cũng như tinh thể khối đều chịu ảnh hưởng của dao
động mạng phonon; (ii) Đưa ra một dấu hiệu khẳng định trong mẫu vật liệu có sự tồn tại
của các trạng thái bẫy dựa trên hiện tượng huỳnh quang của vật liệu giảm khi nhiệt độ
giảm.

Nhóm các nhà khoa học được dẫn dắt bởi giáo sư hóa học Xiaoyang Zhu, làm
việc tại Đại học Texas, Austin, Hoa Kỳ, đã phát hiện ra rằng: sử dụng vật liệu
bán dẫn nhựa hữu cơ có thể làm gia tăng gấp đôi số lượng của các điện tử được
thu hoạch từ một photon ánh sáng mặt trời.

Giáo sư hóa học Xiaoyang Zhu
"Sản xuất pin mặt trời từ vật liệu bán dẫn nhựa với chi phí thấp là một lợi thế, thêm
vào đó khám phá của chúng tôi sẽ giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng
mặt trời của loại pin mặt trời này", theo giáo sư Zhu.
Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Science, số ra ngày 16
tháng 12 năm 2011.


Hiệu suất sử dụng (về lý thuyết) của các tấm pin năng lượng mặt trời (với lớp phủ
silic đóng vai trò là chất điện quang) là khoảng 31%, bởi phần lớn lượng năng lượng
mặt trời (còn gọi là "các điện tử nóng") chiếu đến các tấm pin mặt trời là không thể
chuyển thành điện năng sử dụng(và bị mất đi dưới dạng nhiệt). Việc tận thu "các
điện tử nóng" này sẽ gia tăng hiệu suất (lên tới 66%) của việc chuyển đổi năng
lượng mặt trời thành điện năng.
Trong kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Science, năm 2010, nhóm
nghiên cứu của giáo sư Zhu chứng minh rằng "các điện tử nóng" này có thể được
tận thu bằng cách sử dụng các tinh thể nano bán dẫn, tuy nhiên đây là một công

nghệ không mấy khả thi khi ứng dụng vào thực tế.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhu phát hiện ra rằng một
photon sản xuất một lượng tử tối "shadow state", giúp nắm bắt cùng lúc được 2 điện
tử, vốn sẽ làm gia tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời của loại pin mặt
trời (chế tạo từ vật liệu bán dẫn nhựa hữu cơ).
"Cơ chế khai thác năng lượng mặt trời này làm gia tăng hiệu suất sử dụng pin mặt
trời lên đến 44%, mà không cần tập trung chùm tia mặt trời, cũng như giúp phổ
biến sử dụng công nghệ pin mặt trời trên phạm vi toàn cầu", theo giáo sư Zhu.
Chịu trách nhiệm chính trong nghiên cứu này là tiến sĩ thực tập Wai-lun Chan (trong
nhóm của giáo sư Zhu), cùng với sự giúp đỡ của các tiến sĩ thực tập: Manuel Ligges,
Askat Jailaubekov, Loren Kaake và Luis Miaja-Avila.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Bộ Năng lượng Hoa
Kỳ.


Chấm l ượ ng t ử - công nghệ thú vị giúp đư a TV LCD đế n
gần h ơn v ới OLED


Mẫu TV chấm l ượ ng tử m ới của LG ra mắt tại CES 2015
Hiện nay các sản phẩm TV màn hình l ớn không còn là chuyện hiếm. C ứ mỗi năm, các công ty TV lại
ra mắt thêm nhiều model m ới v ới kích th ước to h ơn, giá hấp dẫn h ơn và m ới đây nhất là có độ phân
giải cao h ơn. Thiết kế thô kệch ngày nào cũng được thay thế b ởi nh ững ngoại hình bắt mắt, sang
trọng và càng lúc càng mỏng đi. Thậm chí LG, Samsung, Sony và nhiều hãng khác còn tạo ra những
mẫu TV cong để đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng.
Mặc dù có tất cả những cải tiến như trên nh ưng nh ững chiếc TV LCD vẫn còn một số hạn chế nhất
định. Thế nên t ừ triển lãm CES hai năm về tr ước, một cuộc đua m ới đã nhen nhóm bắt đầu: cuộc
đua của chấm lượng tử. Sony đã bắt đầu s ử dụng công nghệ m ới này trong các sản phẩm của mình
từ năm 2013, gi ờ đây đến lượ t Samsung, LG, TCL và một số công ty khác tiếp b ướ c. Chấm l ượ ng
t ử không chỉ giúp màu sắc và hiệu quả hoạt động của TV tốt h ơn mà nó còn giúp TV LCD cạnh tranh

được v ới những công nghệ đối thủ, ví dụ nh ư OLED, trong khi giá thành lại thấp h ơn để giúp ng ười
tiêu dùng dễ tiếp cận v ới các TV kích th ước l ớn.


Chấm l ượ ng t ử là gì?
Thực chất chấm lượ ng tử không phải là một phát minh m ới. Nó đã được tìm ra 33 năm về tr ước b ởi
nhà khoa học ngườ i Nga Alexander Efros và Aleksey Ekimov, cùng với đó là Louis Brus (khi đó Brus
đang làm việc trong một dự án ở Bell Labs nhằm cải tiến transitor). Các nhà khoa học này nhận thấy
rằng một phản ứng trong dung môi sẽ tạo ra các hạt có kích thướ c khác nhau, và tùy vào kích th ướ c
đó mà họ có thể thu được bất kì màu nào trong dải quang phổ ánh sáng.

Các lọ đựng chấm lượ ng tử do công ty Nanoco sản xuất

Định nghĩa khoa học của chấm lượng tử như sau: Chấm lượng tử ( Quantum dot - QD) là một hạt
vật chất có kích thuớc nhỏ (c ỡ vài nanomet, xoay quanh khoảng 10nm), nhỏ tới m ức việc bỏ thêm
hay lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó theo một cách hữu ích nào đó. Do sự hạn chế
về không gian (hoặc sự giam hãm) của những điện tử và lỗ trống trong vật chất (một lỗ trống hình
thành do sự vắng mặt của một điện tử; một lỗ trống hoạt động như một điện tích dươ ng), hiệu ứng
lượ ng tử xuất phát và làm cho tính chất của vật chất thay đổi. Khi ta kích thích một QD, QD càng
nhỏ thì năng lượ ng và cườ ng độ phát sáng của nó càng tăng. Vì vậy mà QD là cửa ngõ cho hàng
loạt những áp dụng kỹ thuật mới.
Bấm để mở rộng...


Bằng cách tinh chỉnh lại các công thức hóa lý, ngườ i ta có thể tạo ra các hạt (còn gọi là các chấm)
với khả năng phát ra ánh sáng màu xanh dươ ng, xanh lá, đỏ và nhiều màu khác. Trướ c đây, dải
màu của chấm lượ ng tử đã tỏ ra cực kì hữu hiệu trong ngành sản xuất pin mặt trời b ởi chúng giúp
hấp thụ ánh sáng tốt hơn. Còn trong lĩnh vực quang y học, chấm l ượ ng t ử khi được pha trộn v ới
nhau sẽ giúp cải thiện các kính hiển vi điện tử.


Hạn chế của TV LCD đèn nền LED
Các màn hình LCD đèn nền LED hiện sử dụng bóng LED xanh d ươ ng c ườ ng độ cao được phủ một
lớp phốt-pho nhằm tạo ánh sáng trắng. Ánh sáng sau đó sẽ đi qua một bộ lọc với ba màu c ơ bản là
đỏ, xanh dương, xanh lá và kiến tạo nên hình ảnh bạn thấy trên màn hình. Tuy nhiên, thành phần
này có tính lọc lựa không cao, ví dụ như filter màu đỏ vẫn cho phép một ít ánh sáng cam đi qua. Khi
màu đỏ và xanh không thuần khiết được trộn lại, chúng cho ra hình ảnh với màu trông có vẻ nh ợt
nhạt. Ngoài ra, màn hình LCD LED cũng có những mảng đen không thật s ự đen, độ tươ ng phản
cũng không thể bằng được công nghệ OLED.
Đây cũng chính là điểm hạn chế của các màn hình LCD đèn nền LED so v ới màn hình CRT hay màn
hình LCD đèn nền CFCL. Thế nhưng, cả ngành công nghiệp vẫn chấp nhận sử dụng bóng LED làm
đèn nền bởi các lợi ích khác hoàn toàn "đè bẹp" hạn chế về mặt màu sắc như đã nói ở trên. Người
ta có thể tạo ra những mẫu TV mỏng h ơn, sexy h ơn, tiết kiệm điện h ơn. Một số công ty lớn cũng cố
gắng giải quyết tình trạng tươ ng phản thấp bằng kĩ thuật local dimming, tức làm tối đèn nền của chỉ
những khu vực đang hiển thị hình ảnh màu đen, tuy nhiên công nghệ này chỉ có mặt trên các mẫu
TV cao cấp và giá cao.

Chấm l ượ ng t ử giúp ích ra sao?
Trong khi đó, TV "quantom dot" thì sẽ xài các bóng LED không có lớp phủ đặt trong một ống thủy
tinh với đầy các chấm lượ ng tử đỏ và xanh lá. Hai loại chấm này sẽ hấp thụ một phần ánh sáng
xanh dươ ng từ đèn nền rồi phát xạ thành màu đỏ và xanh lá thuần khiết. V ới phươ ng pháp này, ánh
sáng đi qua bộ lọc đỏ sẽ mang đúng màu đỏ, tươ ng tự như thế cho các màu còn lại. Kết quả là
chúng ta có được mức độ tái tạo màu chính xác hơn, hình ảnh đẹp h ơn so v ới việc dùng đèn LED
tráng phốt-pho.


Quay trở về với Sony, công ty đầu tiên đưa chấm lượ ng tử vào thiết bị tiêu dùng. Ý định ban đầu của
Sony là dùng các chấm lượ ng tử để tạo ra những pixel trên màn hình luôn, chúng sẽ phát sáng nh ờ
vào dòng điện được áp vào thông qua transitor. Mặc dù QD Vision, công ty cung cấp chấm lượ ng tử
cho Sony, đã phát triển được nguyên mẫu của loại màn hình này nh ưng trong thực tế thì rất khó để
sản xuất ở kích thướ c lớn, chính vì vậy mà hai công ty mới chuyển sang sử dụng chấm lượ ng t ử ở

đèn nền. QD Vision hứa hẹn sản phẩm của mình có thể cung cấp màu sắc giống như màn hình CRT
loại tốt và đạt gần đến mức của màn hình OLED.


Đồng sáng lập và cũng là giám đốc công nghệ của QD Vision, ông Seth Coe-Sullivan, cho biết một
trong những hạn chế của chấm lượ ng tử đó là chúng rất nhạy cảm v ới nhiệt độ. Ví dụ, khi bóng LED
trong các màn hình LCD hoạt động, nhiệt độ quanh chúng có thể tăng lên đến khoảng 100 độ C nên
sẽ làm giảm hiệu năng và độ sáng của chấm (riêng độ sáng có thể bị hao hụt đi tối đa 50%). CoeSullivan tiết lộ công ty ông đã dành nhiều thời gian tinh chỉnh lại các hóa chất của chấm lượ ng tử để
khiến cho chúng trở nên ổn định hơn ở nhiệt độ cao.
View attachment 900813
Sony dùng số lượ ng bút chì màu để so sánh khả năng tái tạo màu sắc của màn hình thườ ng và màn
hình Triluminos
Và một điều thú vị nữa khiến cho chấm lượ ng tử trở thành công nghệ tươ ng lai của TV đó là nó có
thể được thêm vào các thiết kế TV hiện tại với chi phí không quá cao. Như đã nói ở trên, chấm
lượ ng tử chỉ xuất hiện như một lớp phủ bên trên đèn nền LED, và việc sản xuất như thế chỉ tốn chi
phí bằng 1/3 so với việc làm màn hình OLED.

S ự xuất hiện của chấm l ượ ng t ử trong các sản phẩm th ương mại
Tính đến thời điểm hiện tại, chấm lượ ng tử đã có mặt trên khá nhiều sản phẩm tiêu dùng cỡ nhỏ, ví
dụ như chiếc tablet Amazon Kindle Fire HDX. Asus Zenbook NX500 cũng sử dụng màn hình
quantum dot được sản cung cấp bởi công ty 3M. Tin đồn còn nói rằng iPhone 6 sẽ dùng công nghệ
này nhưng cuối cùng nó đã không xuất hiện. Nói về cỡ to thì Sony đã đưa chấm lượ ng tử vào các
TV cao cấp của họ từ năm 2013, dòng laptop VAIO Fit 13A cũng bắt đầu được ứng dụng công nghệ
này.
Đến CES 2015 năm nay, cuộc chơi lại càng thêm thú vị với s ự góp mặt của 1 mẫu TV LCD sử dụng
chấm lượ ng tự đến từ LG và 3 mẫu đến từ Samsung. Trướ c đây chưa công ty nào từng trình diễn
TV chấm lượ ng tử cả. Vì sao lại như thế? Paul Gagnon, giám đốc mảng nghiên cứu TV của công ty
IHS DisplaySearch, chia sẻ rằng việc sản xuất chấm lượ ng tử dùng cho màn hình l ớn không phải là
chuyện dễ dàng.



Asus Zenbook NX500
Thành thật mà nói thì ngoài lý do khó sản xuất, chấm lượ ng tử dườ ng như chỉ là kế hoạch B của các
nhà sản xuất nên chúng m ới chậm xuất hiện trên thị trườ ng. Còn kế hoạch A của họ chính là việc
kinh doanh TV OLED! Đáng tiếc rằng việc chế tạo tấm nền phát quang hữu cơ này gặp nhiều vấn đề
rắc rối, chi phí cao cộng thêm xu hướ ng di chuyển từ độ phân giải Full-HD lên 2K, 4K càng khiến giá
thành của TV OLED tr ở nên đắt đỏ. Samsung đã thu gọn số lượ ng TV OLED của họ, Sony cũng dồn
nguồn lực cho mảng LCD, chỉ còn mỗi LG là còn nỗ lực với 7 model TV OLED 4K m ới được ra mắt
tại CES 2015.
Nhưng nói như thế không có nghĩa là màn hình LCD chấm lượ ng t ử sẽ giết chết OLED. OLED vẫn
có những lợi thế cao hơn xét về độ rực rỡ của màu sắc cũng như độ tươ ng phản, kèm theo đó là
hiệu năng tiêu thụ điện tốt. Vấn đề là ở thời điểm hiện tại và trong tươ ng lai gần, TV OLED vẫn sẽ
được bán với giá khá đắt, trong khi TV LCD chấm lượng tử thì mang lại hiệu quả gần với OLED
trong khi giá hấp dẫn h ơn. Cho đến khi tấm nền OLED c ỡ l ớn có thể được sản xuất đại trà v ới chi
phí rẻ thì chấm lượ ng tử sẽ là giải pháp hữu hiệu và kinh tế hơn.
Việc sản xuất chấm lượ ng tử đang được tích cực nghiên cứu và phát triển cho tốt h ơn. Dow
Chemical đang lên kế hoạch mở một nhà máy mới tại Hàn Quốc trong nửa đầu năm nay để cung


cấp chấm lượ ng tử cho LG (và những đơn vị sản xuất khác). Họ muốn làm ra các chấm l ượ ng t ử mà
chỉ cần dùng một lượ ng rất nhỏ Cadimi, vốn là một kim loại độc hại và đã bị cấm ở nhiều nướ c, dần
dần tiến đến loại bỏ luôn nguyên tố này khỏi quá trình sản xuất. Nanoco, một công ty sản xuất
quantum dot, cũng đang bắt tay cùng Dow để hiện thực hóa giấc mơ này.

Vấn đề còn lại đó là những chiếc TV chấm lượ ng tử sẽ có giá thấp đến mức nào. Khi chiếc TV LCD
chấm lượ ng tử đầu tiên của Sony ra mắt, nó có giá 4.999$, rẻ h ơn so v ới mức 12.000$ của TV
OLED LG nhưng vẫn còn ở mức cao so v ới mặt bằng chung. Giám đốc Gagnon nhận định rằng điều
này sẽ tiếp tục diễn ra trong năm nay, và giá của TV LCD chấm lượ ng t ử sẽ cao h ơn khoảng 30%
đến 50% so với TV đèn nền LED thông thườ ng. Hi vọng rằng trong nhiều tháng tới hoặc sang năm
sau, các TV chấm lượ ng tử sẽ trở nên rẻ hơn nữa khi mà việc sản xuất đại trà các hạt li ti kì diệu này

đạt đến một mức đủ lớn.