Chế tạo và tính chất quang các hạt nano keo huỳnh quang CdSe/CdS và CdSe/CdS@SiO2 trong môi trường nước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ LAN ANH

CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG

CỦA CÁC HẠT NANO KEO HUỲNH QUANG CdSe/CdS

VÀ CdSe/CdS@SiO2 TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 60.44.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Thị Kim Liên

Thái Nguyên - năm 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Vũ Thị Kim Liên và PGS.TS Chu Việt Hà, các số liệu và tài liệu trích dẫn có

nguồn gốc rõ ràng. Kết quả trong luận văn chưa được công bố trong bất cứ công trình

nghiên cứu khoa học nào khác, nếu có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan Anh

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo PGS.TS Vũ Thị Kim Liên và cô

giáo PGS.TS Chu Việt Hà đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện vô cùng thuận lợi cho

em trong suốt quá trình thực hiện luận văn để em có thể hoàn thành luận văn này.

Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm khoa Vật

lý - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, khoa Sau Đại học - Đại học Sư phạm Thái

Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới chị Hoàng Thị Hằng (học viên cao học khóa

24, trường ĐHSP Hà Nội); các bạn Ngô Văn Hoàng, Phùng Văn Vững (học viên cao

học trường Đại học Sư phạm - ĐHTN) cùng các bạn sinh viên trong nhóm đã nhiệt tình

giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm và thực hiện luận văn này.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Lan Anh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................ii

MỤC LỤC..................................................................................................................... iii

DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................iv

DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................v

MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1

1. Lí do chọn đề tài ..........................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................................4

3. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................5

4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................5

5. Bố cục của luận văn.....................................................................................................5

Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ............6

1.1. Tổng quan về các chấm lượng tử .............................................................................6

1.1.1 Các mức năng lượng của hạt tải trong chấm lượng tử bán dẫn..............................6

1.1.2. Các tính chất quang lý của các chấm lượng tử......................................................9

1.1.3. Độ độc hại của các chấm lượng tử ......................................................................13

1.1.4. Phương pháp chế tạo chấm lượng tử...................................................................14

1.2. Tổng quan về các hạt nano silica phát quang .........................................................15

1.2.1. Các hạt nano silica chứa tâm màu........................................................................15

1.2.2. Các phương pháp thực nghiệm chế tạo hạt nano silica .......................................16

1.3. Nghiên cứu chế tạo các hạt nano silica chứa các chấm lượng tử CdSe/CdS .........20

Kết luận chương 1 .........................................................................................................22

Chương 2: THỰC NGHIỆM......................................................................................23

2.1. Thực nghiệm chế tạo mẫu ......................................................................................23

2.1.1 Chế tạo các hạt nano CdSe/CdS phân tán trong môi trường nước.......................23

2.1.2. Bọc các hạt nano CdSe/CdS bởi lớp vỏ silica bằng phương pháp Stöber..............25

2.2. Các phương pháp thực nghiệm khảo sát tính chất của mẫu ...................................27

2.2.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua ...........................................................................27

2.2.2. Phương pháp đo tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering - DLS) và

thế Zeta ...............................................................................................................29

iv

2.2.3. Phép đo phổ hấp thụ ............................................................................................32

2.2.4. Phép đo phổ huỳnh quang ...................................................................................34

Kết luận chương 2 .........................................................................................................36

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................37

3.1. Kết quả chế tạo và các tính chất của các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS .......37

3.1.1. Kết quả chế tạo các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS.....................................37

3.1.2. Đặc trưng quang học của các hạt nano chấm lượng tử CdSe/CdS......................38

3.1.3. Hiệu suất lượng tử của các hạt nano CdSe/CdS..................................................44

3.2. Kết quả chế tạo và các tính chất của các hạt nano CdSe/CdS@SiO2 ....................45

3.2.1. Kết quả chế tạo các hạt nano CdSe/CdS@SiO2 ..................................................45

3.2.2. Kích thước và hình thái .......................................................................................46

3.2.3. Đặc trưng quang học của các hạt nano CdSe/CdS@SiO2 ...................................47

3.2.4. Bán kính thủy động học và thế zeta của các hạt nano CdSe/CdS@SiO2 ............49

3.3. Độ bền quang của các hạt nano CdSe/CdS và CdSe/CdS/SiO2 .............................56

Kết luận chương 3 .........................................................................................................58

KẾT LUẬN ..................................................................................................................59

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ........................60

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................61

iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Lượng hóa chất tương ứng chế tạo các hạt nano CdSe/CdS theo tỷ lệ w ... 23

Bảng 2.2. Thí nghiệm chế tạo các hạt nano CdSe/CdS@SiO2 với lượng xúc tác

thay đổi...................................................................................................... 27

Bảng 2.3. Thí nghiệm chế tạo các hạt nano CdSe/CdS@SiO2 với lượng APTES

thay đổi...................................................................................................... 27

Bảng 2.4. Độ ổn định của các hạt keo trong dung dịch phụ thuộc vào thế zeta [3]... 32

Bảng 3.1. Bán kính lõi CdSe của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các tỉ lệ w khác

nhau ........................................................................................................... 40

Bảng 3.2. Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng tử CdSe/CdS với các tỉ lệ w khác

nhau ........................................................................................................... 43

Bảng 3.3. Hiệu suất lượng tử tại bước sóng kích thích 480 nm ................................. 45

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Phổ hấp thụ của các chấm lượng tử CdSe ở các kích thước khác nhau ....... 9

Hình 1.2. Minh họa sự phát xạ của các chấm lượng tử theo kích thước hạt .............. 11

Hình 1.3. Chấm lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ và minh họa cấu trúc vùng năng lượng

trong chấm lượng tử cấu trúc lõi- vỏ......................................................... 12

Hình 1.4. Minh họa cấu tạo của một hạt nano silica chứa tâm màu hữu cơ............... 15

Hình 1.5. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của các hạt nano silica chứa Rhodamine và

Rhodamine tự do trong dung môi ............................................................. 16

Hình 1.6. Cường độ huỳnh quang theo thời gian chiếu kích thích của các hạt nano

silica chứa Rhodamine B và Rhodamine B tự do dưới kích thích của

laser 532, mật độ công suất 1.821011 W/cm2

........................................... 16

Hình 1.7. Sự hình thành mạng nền silica sau các quá trình thủy phân và ngưng tụ... 18

Hình 1.8. Các hệ micelle: micelle thuận (phía trái) và micelle đảo (phía phải)......... 19

Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo hạt nano CdSe trong nước..................................................... 24

Hình 2.2. Sơ đồ chế tạo các hạt nano CdSe/CdS trong nước ..................................... 25

Hình 2.3. Sơ đồ quy trình chế tạo hạt nano CdSe/CdS@SiO2 ................................... 26

Hình 2.4. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................................... 28

Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010 (JEOL) thuộc Viện Vệ sinh

dịch tễ Trung ương .................................................................................... 28

Hình 2.6. Phân bố điện tích trên bề mặt hạt keo tích điện âm.................................... 31

Hình 2.7. Minh họa thế điện động zeta gần bề mặt một hạt keo ................................ 31

Hình 2.8. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis............................................................ 34

Hình 2.9. Cấu hình chi tiết của một máy phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse ........... 35

Hình 2.10. Ảnh chụp hệ đo huỳnh quang nhãn hiệu FS 920 tại phòng thí nghiệm

Quang học và Quang phổ - Khoa vật lí, Đại học Sư phạm - Đại học Thái

Nguyên ...................................................................................................... 36

Hình 3.1. Ảnh chụp các mẫu dung dịch chấm lượng tử CdSe/CdS dưới ánh sáng

đèn tử ngoại phát xạ các màu đỏ- cam, vàng và xanh lá cây tương ứng

với các tỷ lệ w là 1, 2 và 3......................................................................... 37

Hình 3.2. Ảnh TEM của một mẫu chấm lượng tử CdSe/CdS w = 1 .......................... 37