Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano thấp chiều trên nền ytri, ziriconi và tính chất quang của chúng

Các nano tinh thể bán dẫn cũng c n đƣợc biết đến là các chấm lƣợng tử do kích thƣớc rất nh bé của chúng từ 1–20 nano mét nm , thể hiện các tính chất điện tử và quang học thú vị. Ta c thể xếp tính chất của chúng n m giữa các vật liệu bán dẫn khối và các phân tử hay các nguyên tử riêng biệt. Trong v ng 20 n m gần đây, các nghiên cứu mạnh mẽ về chấm lƣợng tử đã đƣợc tiến hành và đạt đƣợc các tiến bộ to lớn trong việc tổng hợp các chấm lƣợng tử, cũng nhƣ trong việc hiểu biết về các tính chất quang và điện của chúng [83]. Các nano tinh thể chấm lƣợng tử bán dẫn là các hạt phát sáng rất bé ở kích thƣớc nm. Các hạt này đã đƣợc nghiên cứu một cách mạnh mẽ và phát triển cho các ứng dụng đa dạng, ví dụ nhƣ trong các linh kiện chuyển đổi n ng lƣợng m t trời, các linh kiện quang điện tử, các detector siêu nhậy, trong các linh kiện phát sáng QD-LED , trong các ứng dụng y-sinh nhƣ hiện ảnh phân tử và tế bào [60], [75], [109], các cảm biến sinh học nano nano -biosensor) [74]. C thể n i, hiện nay là thời đại của chấm lƣợng tử vì c rất nhiều ứng dụng hứa h n và nổi bật của chấm lƣợng tử trong các l nh vực kể trên. Đ c tính nổi trội của các chấm lƣợng tử là hiệu ứng giam giữ lƣợng tử do kích thƣớc giảm xuống c nm. Hiệu ứng này dẫn đến việc các hạt tải tích điện bị giam giữ về m t không gian, ở bên trong thể tích rất bé của nano tinh thể. Do hiệu ứng này, các nhà khoa học c thể sử dụng kích thƣớc của các chấm lƣợng tử này để thay đổi, trong một khoảng rộng và chính xác, n ng lƣợng của các trạng thái điện tử gián đoạn và các dịch chuyển quang học. Kết quả là các nhà khoa học c thể thay đổi phát xạ ánh sáng từ các hạt chấm lƣợng tử này, từ vùng phổ tử ngoại, nhìn thấy, h ng ngoại gần và tới vùng phổ h ng ngoại giữa. Các hạt chấm lƣợng tử này cũng tạo ra nhiều tính chất quang mới nhƣ là sự nhân các hạt tải carrier multiplication , đơn hạt nhấp nháy single- particle blinking và truyền tín hiệu phổ. Nhƣ đã viết ở trên, nm là một phần t của mét 10 -9 m , là cột mốc đánh dấu ranh giới giữa lý thuyết cổ điển của Newton và lý thuyết cơ lƣợng tử, và nhƣ vậy, 2 nhiều tính chất vật lý và h a học duy nhất và khác biệt xuất hiện trong các hạt nano mà không c ở các vật liệu khối [24]. Công nghệ nano tinh thể bán dẫn đƣợc phát triển đầu tiên vào những n m đầu 1980 trong các ph ng thí nghiệm của Louis Brus tại Bell Laboratories và của Alexander Efros và Alexei I. Ekimov, ở Viện Công nghệ Vật lý A.F. Ioffe ở St. Peterburg [24]. Thuật ngữ ―chấm lƣợng tử‖ đã đƣợc Mark A. Reed đƣa ra đầu tiên vào n m 1988 [68], trong đ bao hàm các nano tinh thể bán dẫn phát quang, mà các exciton của chúng bị giam giữ trong cả ba chiều không gian - sự giam giữ lƣợng tử. Các điện tử và lỗ trống bị giam giữ một cách nghiêm ng t khi bán kính của hạt chấm lƣợng tử nh hơn bán kính Bohr của exciton, kích thƣớc điển hình c từ 2–20 nm. Thông thƣờng, chúng là các hệ hai thành phần, bao g m một l i của vật liệu bán dẫn r i đƣợc bọc với một lớp v của một chất bán dẫn khác, nhƣ đƣợc minh họa trên hình 1. Huỳnh quang HQ của chấm lƣợng tử đƣợc hình thành khi chấm lƣợng tử hấp thụ một photon c n ng lƣợng cao hơn n ng lƣợng vùng cấm của vật liệu bán dẫn l i, dẫn đến việc một điện tử bị kích thích và đƣợc đƣa lên vùng dẫn, để lại một lỗ trống ở vùng h a trị. Nhƣ vậy, một c p điện tử - lỗ trống exciton) đƣợc tạo ra. Thời gian sống phát xạ của chấm lƣợng tử thì dài, c từ 10-40 ns, do đ làm t ng xác suất hấp thụ tại các bƣớc s ng ngắn hơn và làm cho phổ hấp thụ mở rộng, nhƣ đƣợc minh họa trên hình 1. Do n ng lƣợng vùng cấm quyết định bƣớc s ng phát xạ photon, bởi vậy c thể kiểm soát bƣớc s ng phát xạ qua kích thƣớc của hạt nano n ng lƣợng vùng cấm t lệ nghịch với bình phƣơng kích thƣớc của chấm lƣợng tử). Các chấm lƣợng tử c các tính chất vật lý đơn nhất theo kích thƣớc nm và thành phần tạo ra chúng. Chấm lƣợng tử đƣợc sử dụng trực tiếp trong các ứng dụng liên quan đến các tính chất quang của chúng, do sự hấp thụ mạnh, phát xạ HQ mạnh và h p, thay đổi theo kích thƣớc, c độ bền quang cao so với các chất mầu hữu cơ, tốc độ bị bạc màu chậm. Phổ hấp thụ rộng của các chấm lƣợng tử cho phép ta kích thích, tại cùng một bƣớc s ng, kích thích cùng một lúc các chấm lƣợng tử với kích thƣớc khác nhau, trong vùng phổ rộng. Các chấm lƣợng tử này c thể thay thế các chất màu hữu cơ nhƣ Rhodamine 640 trong các ứng dụng hiện ảnh sinh học,