4 Ứng dụng của chấm lượng tử – Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản khá đầy đủ của tài liệu tại đây ( 2.16 MB, 61 trang )

32

chế 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 phân tán

đều trong một dung môi (lơ lửng dạng huyền phù), bằng quá trình spincoating, các đơn lớp này trải đều trên một lớp đế có khả năng truyền dẫn lỗ

trống HTL (hole-transport layer). 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 (FWHM), điện huỳnh quang từ các QDs-LED này thì

gần như không 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 QDsLED có thể tăng khoảng 0.8% tại độ sáng 100 cd/m2, (với độ sáng lớn nhất là

trên 1000 cd/m2). Như vậy hiệu suất quang học của QDs-LED sẽ vượt xa so

với các chất bán dẫn hữu cơ khác.

Hình 1.19. Ảnh một LED chấm lượng tử phát ánh sáng trắng.

1.4.2. Pin quang hóa (Pin mặt trời)

Với tình trạng giá cả nhiên liệu ngày một tăng và nỗi lo lắng về sự

ấm dần lên của trái đất như hiện nay thì pin mặt trời có một ý nghĩa đặc

biệt 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 [18]. 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

33

lượng tử được ứng dụng nhiều trong việc nâng cao hiệu suất chuyển hóa của

các tấm pin mặt trời.

Hình 1.20 Ứng dụng của chấm lượng tử trong việc nâng cao

hiệu suất chuyển hóa năng lượng 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 nhiều năng lượng. Các tế bào quang điện được làm từ các vật

liệu bán dẫn do chúng có những đặc tính riêng. Khi một photon có bước sóng

tốt sẽ gặp một proton tương tự, proton này giải phóng một electron và với nhiều

electron như vậy được giải phóng sẽ là nguồn gốc của dòng điện. Tuy nhiên số

lượng các electron được giải phóng này lại tiêu hao dưới dạng nhiệt thay vì

tham gia vào dòng điện chung. Công trình của các nhà nghiên cứu trên đã chỉ ra

rằng các tinh thể nano có cơ sở là các vật liệu bán dẫn có thể “làm chậm” các

electron “quá nóng” hay electron mang năng lượng. Các tinh thể nano được gọi

là các “chấm lượng tử” (quantum dots), có khả năng tăng hiệu quả của các tế

bào quang điện. Các kết quả nghiên cứu thực tế đã chứng tỏ điều đó. Ngoài việc

hấp thu các electron năng lượng, các chấm lượng tử còn cho phép truyền chúng

tới một loại vật liệu hấp thu như dioxit titan thường được sử dụng trong các tế

bào quang điện tiên tiến hiện nay. Quá trình truyền này chỉ diễn ra trong thời

gian dưới 50 femto giây và có rất ít các electron bị mất đi dưới dạng nhiệt. Hiệu

quả trên lý thuyết của phương pháp sản xuất điện từ loại vật liệu làm pin quang

điện mới có thể đạt 66%. Nghiên cứu về các electron được hấp thu bởi phương

pháp này và dòng điện qua chúng có thể được truyền vào một đường diây cáp

này đang được tiếp tục làm rõ. Mục đích sao cho phải tạo ra được một đường

cáp khá nhỏ để kết nối một tế bào quang điện trên nền cơ sở chấm lượng tử, do

vậy đường kính của nó không vượt quá 6,7 nanomet và không để mất với số

34

lượng lớn năng lượng được truyền.

1.4.3 Đánh dấu huỳnh quang sinh học

Một trong những ứng dụng của của các chấm lượng tử huyền phù là

đánh dấu huỳnh quang, bắt đầu được đưa ra vào năm 1998. Người ta chỉ

ra rằng các chấm lượng tử huyền phù này có khả năng ổn định quang hơn

hẳn các chất màu phân tử mà trước đây đã biết, phát xạ huỳnh quang hẹp

hơn nhiều và cho một dải phổ hấp thụ liên tục. Các chấm lượng tử này lại

có thể phát huỳnh quang ở vùng hồng ngoại gần, vùng trong suốt nhất đối

với các phân tử máu, mà nếu là các phân tử hữu cơ thì huỳnh quang bị yếu

đi rất nhiều. Các tính chất đó là kết quả của sự gia tăng các điện tử và lỗ

trống được kích thích quang trong chất lỏng, do đó quang hóa ít đi, cơ bản

cũng như các cặp điện tử – phonon yếu hơn trong các chất bán dẫn so với

các vật liệu hữu cơ. Tất cả những tính chất nổi trội này, có được từ sự khảo

sát những thay đổi bề mặt của các chấm lượng tử huyền phù, biến đổi cho

chúng có thể tan được trong nước và đặc biệt là liên kết với các gốc sinh

học để có thể hiện được ảnh. Các chấm lượng tử huyền phù ngày nay đã

được thương mại hóa rộng rãi để đánh dấu sinh học và huỳnh quang protein.

Trong y sinh, đánh dấu huỳnh quang sử dụng trong việc hiện ảnh sinh

học là mặt mạnh không thể không kể đến của các chấm lượng tử, các laser

chấm lượng tử CdSe bơm quang [13].

Hình 1.21. Chấm lượng tử được đưa vào trong cơ thể chuột để

đánh dấu huỳnh quang.

35

Hình 1.22 Chấm lượng tử CdSe có thể gắn với nhiều yếu tố sinh học

để thực hiện việc theo dõi và nghiên cứu các đối tượng.

Khi các hạt nano bán dẫn được đính vào phân tử dược phẩm thì có thể

quan sát được đường đi của dược phẩm đó nhờ quan sát màu sắc ánh sáng

khi chiếu tia hồng ngoại vào những nơi cần theo dõi. Hoặc, người ta đính

các hạt nano vào kháng thể (antibody) xem kháng thể bám vào Protein nào

của tế bào ung thư, để xem hóa chất truyền thông tin như thế nào ở tế bào

thần kinh… [13]. Bên cạnh những lợi thế đó, chúng ta biết rằng việc theo dõi

các phân tử sinh học bằng phương pháp huỳnh quang đã có từ lâu, nhưng

thực hiện bằng các chất màu hữu cơ thực tế là rất khó khăn và thiếu hiệu

quả. Các chất màu hữu cơ có phổ phát xạ rộng, chỉ cho phép dùng một loại

chất và bám theo được một loại phân tử. Nếu chúng ta cố gắng dùng nhiều

chất màu để đồng thời theo dõi nhiều diễn biến một lúc thì càng trở lên

khó khăn hơn vì không dễ gì phân biệt được các màu hỗn hợp mà vốn dĩ có

phổ phát xạ rất rộng. Còn nếu như dùng tổ hợp các chấm lượng tử, theo kiểu

đánh dấu mã vạch, có thể đánh dấu được rất nhiều đối tượng cùng một lúc. Ví

dụ như khi dùng ba hạt nano phát xạ ở ba màu xanh, vàng và đỏ thì có thể tổ

hợp thành từng nhóm mã vạch như: xanh, vàng, đỏ; xanh, xanh, đỏ; vàng,

vàng, đỏ; ..v.v. rất cùng nhiều.

1.4.4 Chế tạo thiết bị phát quang

Một ứng dụng khác là ứng dụng các chấm lượng tử vào các Diot phát

quang. Sau nhiều năm nghiên cứu, các kết quả gần đây cho thấy rằng hoàn

toàn có khả năng tăng cường hơn nữa hiệu suất phát quang của LED để đưa

vào thương mại hóa. Tuy nhiên đã từ lâu, các LED chấm lượng tử phải

36

dùng một lớp hữu cơ truyền dẫn điện tử và lỗ trống giống như các LED hữu

cơ. Nguyên nhân là vì kỹ thuật phát xạ ánh sáng hầu hết là dựa trên nguyên

tắc truyền năng lượng từ sự tái hợp cặp điện tử – lỗ trống trong huỳnh quang

hữu cơ từ các chấm lượng tử. Các chấm lượng tử vì thế hoạt động giống

photpho hơn là trực tiếp đóng vai trò thu giữ và truyền dẫn các hạt tải. Tất

nhiên rằng, lớp hoạt động (lớp chấm lượng tử) phải rất mỏng, khoảng

gấp hai monolayer, điều này khó có khả năng thực hiện ở lớp tái hợp của

LED hữu cơ.

Một điều thuận lợi là thiết bị LED chấm lượng tử này không cần quá

trình tiêm thêm điện tử và lỗ trống. Đó là một may mắn lớn vì quá trình

tiêm điện tử và lỗ trống vào vùng tích cực trong LED thông thường khó hơn

nhiều và cho đến bây giờ thì vai trò của các chấm lượng tử CdSe phát quang

ở vùng ánh sáng nhìn thấy là không thể thay đổi được. Thêm vào đó, để tiêm

trực tiếp điện tử và lỗ trống vào các LED vô cơ, vốn cần phải cấp dòng cao

hơn. Do vậy, việc tiêm trực tiếp điện tử và lỗ trống thực hiện bằng sự tái

hợp bức xạ chỉ có thể thành công trong các pin điện hóa và được dùng để tạo

ra các thiết bị quang điện hóa. Đối với các thiết bị yêu cầu dòng thấp hơn, các

chấm lượng tử huyền phù giống như là vật liệu điện cực Crom, nơi mà sự hấp

thụ hoặc huỳnh quang có thể tắt mở với điều kiện là số lượng các điện tử

trong các chấm là nhỏ, mà hiệu suất sẽ đặc biệt cao hơn khi như kích thước

của các chấm lượng tử nhỏ dần. Đây có thể là một yếu tố tiên quyết cho các

ứng dụng phát quang hiệu suất cao.

Hình 1.23 Ảnh chấm lượng tử nằm trong dung môi, phát ánh sáng trắng

dưới ánh sáng kích thích tử ngoại gần 380 nm.

Về cơ bản, hiện tượng giam giữ lượng tử đóng vai trò chủ chốt trong

nghiên cứu ứng dụng các hạt tinh thể nano vào trong các thiết bị và linh

kiện. Trong công nghệ quang tử, các chấm lượng tử đã được ứng dụng cho

37

đánh dấu mã vạch, điện huỳnh quang từ các đơn lớp của các chấm lượng

CdSe trong các linh kiện hữu cơ, điốt phát ánh sáng trắng.

1.4.5 Phốt pho hồng ngoại

Các chấm lượng tử huyền phù có tính chất phù hợp một cách đặc biệt

với các vật liệu quang trong vùng hồng ngoại. Quả thực, dãy phổ trong vùng

nhìn thấy và tử ngoại, các phân tử màu hữu cơ có hiệu suất phát quang gần

như 100%. Tuy nhiên nếu ở trong vùng hồng ngoại thì chấm lượng tử lại

chiếm ưu thế hơn rất nhiều so với các chất màu hữu cơ. Bởi vì, các phân tử

màu hữu cơ có tần số dao động cao mà liên kết mạnh với chuyển dời điện tử

dẫn đến sự hồi phục nội phân tử rất nhanh. Vì thế, hiệu suất lượng tử của các

phân tử màu thường là dưới 1% xung quanh khoảng 1 micro mét và các màu

hữu cơ không có khả năng cho dò tìm quang huỳnh quang quá 2 micro mét.

Các chấm lượng tử vô cơ được tạo ra từ các nguyên tử nặng có tần số dao

động rất thấp và chúng có khả năng phát xạ rất tốt ở vùng hồng ngoại gần với

hiệu suất lên đến 80%.

1.4.6 Hạt nano kim loại vàng: plasmon và sự phát huỳnh quang, ứng

dụng trong công nghệ truyền thông và chế tạo các thiết bị quang tử

Ở trạng thái khối, trong các áp dụng quang học hay quang điện tử, vàng

hữu dụng cho lắm thì chỉ dùng làm gương phản chiếu, kỳ dư xem như là “bỏ đi”.

Tuy nhiên, vàng nano cho con người một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng hoàn

toàn mới lạ. Khi sóng điện từ tác dụng lên hạt nano vàng, tùy vào kích cỡ của

hạt nanno vàng sóng điện từ sẽ có tác dụng sóng tuân theo hiệu ứng “cộng

hưởng plasmon” của các điện tử tự do bề mặt và có tác dụng hạt khi kích cỡ của

vàng nhỏ hơn 2nm và sự phát huỳnh quang xảy ra tuân theo qui luật lượng tử

như hạt bán dẫn CdSe. Chúng ta hãy tuần tự khảo sát hai trường hợp thú vị này

Hình 1.24 Sự thay đổi màu sắc của hạt nano vàng ở các kích thước khác nhau

38

Đặc điểm của kim loại là sự hiện hữu dày đặc của những điện tử tự do. Vi

vậy kim loại có khả năng truyền điện và truyền nhiệt rất tốt. Khi kim loại như

vàng và bạc ở dạng hạt nano, hạt không còn màu vàng hay bạc “cố hữu” ở trạng

thái khối mà phát ra nhiều màu sắc khác nhau tùy vào kích cỡ và hình dạng.

Điều này đi ngược lại những hiểu biết thường thức trong cuộc sống hàng ngày.

Hai chiếc nhẫn vàng được nấu chảy và gia công thành một chiếc nhẫn to gấp đôi

thì vẫn là chiếc nhẫn màu vàng. Thật ra, màu sắc của hạt nano vàng và bạc từ

dung dịch huyền phù đã được người La Mã áp dụng vào thế kỷ 4. Người ta còn

pha chế hạt nano vàng với thủy tinh để làm kính màu đỏ “ruby” trang trí cho cửa

sổ thánh đường. Mặc dù hạt nano vàng đã được áp dụng hơn 1.700 năm, sự đổi

màu của hạt chỉ được làm sáng tỏ vào năm 1908 bởi nhà khoa học Đức, Gustav

Mie, qua lời giải dựa trên phương trình sóng điện từ Maxwell cho bài toán về sự

hấp thụ và tán xạ của sóng trên bề mặt của các hạt hình cầu. Vì vậy, sự hiển thị

màu sắc của hạt nano vàng có đường kính từ vài chục đến vài trăm nanomét

không trực tiếp liên quan đến sự lượng tử hóa năng lượng vì sóng điện từ tác

động lên những điện tử tự do bề mặt hạt mang đặc tính sóng có cơ bản lý thuyết

dựa trên phương trình Maxwell.

Màu vàng quen thuộc của vàng là sự hấp thụ ánh sáng màu xanh của phổ

mặt trời và phát ra màu vàng. Nhưng khi vàng được thu nhỏ cho đến kích cỡ nhỏ

hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được (400 – 700 nm), theo Mie hiện

tượng “cộng hưởng plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance, SPR) xảy ra.

Đây là do tác động của điện trường của sóng điện từ (ánh sáng) vào các điện tử

tự do trên bề mặt của hạt nano. Vì bản chất sóng nên điện trường dao động làm

cho sự phân cực bề mặt dao động theo. Đám mây điện tích trên bề mặt hạt cũng

sẽ dao động lúc âm lúc dương theo nhịp điệu và cường độ của điện trường. Ở

một kích thước và hình dáng thích hợp của hạt nano, độ dao động (tần số) của

đám mây điện tích sẽ trùng hợp với độ dao động của một vùng ánh sáng nào đó.

Sự cộng hưởng xảy ra và vùng ánh sáng này sẽ bị các hạt nano hấp thụ. Đây là

một hiện tượng đặc biệt cho vàng và bạc nhưng không thấy ở các kim loại khác

như sắt, bạch kim hay palladium.

Đường kính hạt (nm)

9

15

22

48

99

Bước sóng hấp thụ cực đại (nm)

517

520

521

533

575

Phương pháp phủ vàng lên hạt thủy tinh silica tạo ra một vật liệu lai với

khả năng hấp thụ sóng bởi SPR về phía vùng phổ của những bước sóng dài hơn

39

vùng hồng ngoại, tiến về sóng terahertz, vi ba, những dải sóng rất quan trọng

trong công nghệ truyền thông. Trong dải sóng này, tiềm năng ứng dụng của loại

hạt nano lai trong các dụng cụ quang điện tử gần như vô hạn. Hiệu ứng SPR sẽ

biến mất khi vật liệu trở lại trạng thái khối. Khi các hạt nano vàng tập tích đến

độ lớn micromét, cái màu vàng quyến rũ nguyên thủy của kim loại vàng sẽ xuất

hiện trở lại. Ngược lại, hiệu ứng SPR cũng sẽ biến mất khi hạt nano nhỏ hơn 2

nm. Ở thứ nguyên này, ta đi vào thế giới lượng tử. Giống như chấm lượng tử

bán dẫn được đề cập bên trên, năng lượng được lượng tử hóa thành các mức rời

rạc. Sóng điện từ giờ đây có tác dụng hạt (quang tử). Những hạt nano (chấm

lượng tử) vàng được chế tạo với kích thước thật chính xác chứa 5, 8, 13, 23 và

31 nguyên tử. Đây là những hạt phát huỳnh quang trong đó chùm 31 nguyên tử

có đường kính lớn nhất khoảng 1 nm. Những hạt này được xử lý bề mặt để hòa

tan được trong nước. Trong dung dịch nước, theo thứ tự kích thước từ nhỏ đến

lớn khi được kích hoạt những hạt này có khả năng phát ra tia tử ngoại, ánh sáng

xanh, xanh lá cây, đỏ và tia hồng ngoại. So với chấm lượng tử bán dẫn CdSe

chứa vài trăm đến hơn 1.000 nguyên tử, chấm lượng tử vàng nhỏ hơn với vài

chục nguyên tử và không có độc tính như Cd. Vì vậy, tiềm năng áp dụng trong y

học rất lớn.

Hình1.25 Sự phát huỳnh quang ánh sáng xanh của hạt nano vàng

1.5 PMMA polyme

PMMA(PolyMethylMethAcrylate) là một loại nhựa acrylic được chế tạo

chủ yếu từ MMA(MethylMeth Acrylate) monome. Ngày nay PMMA thường

được chế tạo bằng phường pháp đồng-trùng hợp (co-polymerization) của

MMA/MA hay MMA/EA.

Thông thường, PMMA được sản xuất bằng quá trình trùng hợp metyl

metacrylat (MMA). Cho đến nay, phương pháp duy nhất để sản xuất tiền chất

của MMA – 2-hydroxyisobutyrat (2-HIBA) – là một quy trình hóa học thuần túy

dựa trên nguyên liệu hóa dầu. Hiện nay, các nhà hóa học trên toàn cầu đang tìm

kiếm các quy trình sinh học thích hợp cho phép sử dụng nguyên liệu có thể tái

tạo để tổng hợp MMA.

40

Mới đây, các nhà khoa học tại đại học Duisburg – Essen và Trung tâm

Nghiên cứu môi trường Helmholtz (UFZ), CHLB đức, đã dùng một chủng vi

khuẩn để tạo ra enzym có thể sử dụng trong quy trình sản xuất tiền chất của

PMMA bằng công nghệ sinh học. So với quy trình sản xuất hóa học trước đây,

quy trình công nghệ sinh học mới này thân môi trường hơn rất nhiều.

PMMA là một nguyên liệu có độ trong suốt cao, cứng, có khả năng chịu

bức xạ tử ngoại và phong hóa cao. Nó có thể được nhuộm, đúc, cắt, khoan và tạo

hình. Các tính chất này làm cho PMMA rất lí tưởng trong nhiều ứng dụng như

kính chắn gió máy bay, cửa sổ trần nhà, đèn hậu ô tô và các biển hiệu ngoài

trời.[4] Tại Houston (Mỹ), người ta đã dùng hàng trăm tấm PMMA để làm trần

cho một sân vận động lớn.

PMMA có các tính chất ưu việt của một polyme như: nhiệt dẻo, cấu trúc

vô định hình, cho ánh sáng truyền qua tới 93% trong dải ánh sáng nhìn thấy, có

khả năng chống lại thời tiết ,có độ cứng bề mặt cao, có khả năng chống xước

đặc biệt khi bề mặt PMMA được phủ lớp màng nano kim loại như nhôm (Al),

khả năng chịu nhiệt, độ cứng cao, có khả năng chống ăn mòn hóa và tái chế tái

sử dụng. Chính vì các đặc tính ưu việt như nêu trên, nên PMMA thường được

ứng dụng nhiều trong vật liệu công nghiệp, đặc biệt vật liệu quang học và

quang tử.

Hình 1.26. Cấu trúc hóa học của PMMA

41

Hình 1.27 Dải truyền qua của PMPMMA

Với dải sóng truyền qua từ 240nm đến khoảng 1600nm, và khả năng

truyền qua của PMMA khá cao cho nên chấm lượng nc-CdSe có ảnh hưởng

đáng kể dến tính chất hấp thụ cũng như tính chất phát quang của vật liệu tổ

hợp nc-CdSe/PMMA,.

42

CHƢƠNG II- CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ

2.1 Phƣơng pháp quay phủ (spin coating)

– Nguyên lý quay phủ li tâm:

Trong suốt quá trình quay phủ li tâm, lực li tâm và lưu lượng xuyên tâm

của dung môi có tác dụng kéo căng, dàn trải và tán mỏng dung dịch, chống lại

lực kết dính của dung dịch và tạo thành màng.

Hình 2.1: Giản đồ máy quay phủ li tâm

– Quay phủ li tâm các dung dịch polyme thuần nhất

Polymer được hòa tan trong các dung môi hữu cơ như xylene, toluene,

clorophonm, cloruabenzen…, được rung siêu âm trong nhiều giờ để duỗi chuỗi

polymer, tạo thành dung dịch đồng nhất.

Với cùng một loại polymer có nồng độ tan trong dung môi nhất định, thì

chiều dày màng giảm khi tốc độ quay tăng. Nhóm tác giả [16] đã đưa ra đề xuất

về sự phụ thuộc của chiều dày màng vào tốc độ quay là như nhau với mọi nồng

độ khác nhau của polymer bằng các kết qủa nghiên cứu của mình.

– Quay phủ li tâm màng polymer tổ hợp cấu trúc nanô

Polymer tổ hợp cấu trúc nanô là vật liệu kết hợp giữa vật liệu hữu cơ là

polymer với vật liệu vô cơ thường là các hạt ôxit kim loại hoặc các chấm lượng

tử. Dung dịch polymer tổ hợp cấu trúc nanô được chuẩn bị từ các dung dịch

polymer thuần nhất, sau đó bột nanô ôxit kim loại hoặc dung môi chứa các chấm

lượng tử được hòa vào dung dịch polyme thuần nhất. Rung siêu âm trong nhiều

giờ có tác dụng phân tán các hạt nanô trong dung dịch polymer. Sau đó dung

dịch tổ hợp được quay phủ li tâm tương tự như quay phủ li tâm dung dịch

polymer thuần nhất. Màng polymer tổ hợp cấu trúc nanô cũng có thể được tạo

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments