Nghiên cứu chế tạo tinh thể Photonic có cấu trúc kiểu opal và tinh thể Photonic chứa chấm lượng tử bán dẫn

51(3):57 - 61 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 3 - 2009

57

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO TINH THỂ PHOTONIC CÓ CẤU TRÚC KIỂU OPAL

VÀ TINH THỂ PHOTONIC CHỨA CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN

Đỗ Thùy Chi - Phạm Thái Cường (Trường ĐH Sư phạm – ĐH Thái Nguyên)

Phạm Thu Nga - Phạm Văn Hội (Viện Khoa học Vật liệu)

1. Mở đầu

Hiện nay, các nghiên cứu về tinh thể

quang tử (tinh thể Photonic) đang được giới

khoa học trong nước và trên thế giới rất

quan tâm. Các tinh thể photonic (PCs) là

một loại vật liệu mới xuất phát từ ý tưởng

về sự tương tự nhiều mặt giữa photon và

điện tử.

Tinh thể photonic có rất nhiều những

ứng dụng quan trọng. Tinh thể Photonic là

một chất cách quang hoàn hảo, giam giữ

ánh sáng mà không bị mất mát. Sử dụng

tinh thể photonic cũng cho khả năng tạo ra

các mạch quang học rất nhỏ đáp ứng được

nhu cầu của thông tin quang tương lai.

Các tinh thể photonic tích hợp với các

ion đất hiếm và chấm lượng tử là một trong

những hướng nghiên cứu quan trọng gần

đây. Cấu trúc dựa trên tinh thể photonic với

nano tinh thể chấm lượng tử là loại cấu trúc

micro – nano tiên tiến. Một trong số đó là

các tinh thể photonic kết hợp với các chấm

lượng tử bán dẫn (QDs) dùng cho mục đích

làm các nguồn phát sáng hiệu suất cao và

làm các linh kiện thông tin lượng tử. Sự kết

hợp giữa QDs và PCs là chìa khóa để thực

hiện việc điều khiển cả điện tử và photon, nó

sẽ mở cửa ra cho các linh kiện quang tử

nano tương lai, ví dụ như các laser siêu nhỏ

hiệu suất cao.

Có nhiều phương pháp để tạo ra các tinh

thể photonic nhưng với điều kiện tại phòng

thí nghiệm khoa Vật lí trường Đại học Sư

phạm Thái Nguyên, chúng tôi đã lựa chọn

chế tạo tinh thể Photonic có cấu trúc kiểu

Opal theo phương pháp tự tập hợp từ các

hạt cầu SiO2. Sau đó tiến hành đưa các

chấm lượng tử có cấu trúc lõi - vỏ

CdSe/ZnS vào trong tinh thể photonic đã

chế tạo được và nghiên cứu các tính chất

quang của chúng.

2. Thực nghiệm

Chế tạo các hạt cầu SiO2.

Để chế tạo ra các hạt cầu SiO2 với các

kích thước khác nhau, từ khoảng 100nm tới

800nm, chúng tôi đã sử dụng phương pháp

của Stober thủy phân hợp chất Alkoxide

trong điều kiện xúc tác Bazơ [2]. Hỗn hợp

dung dịch ban đầu bao gồm một lượng thích

hợp tetra-ethoxy-silane (Si(C2H5O)4) (viết

tắt là TEOS); Butanol – 2 (C4H9OH);

Ethanol (CH3CH2OH); nước (H2O) và

ammonia (NH4OH – 25%NH3). Phương

pháp này tương tự như phương pháp sol –

gel, trong quá trình này TEOS phản ứng

thủy phân với nước hình thành các hạt keo

nhỏ, còn được gọi là các hạt mầm, sau đó

các hạt keo nhỏ bắt đầu kết tụ lại cho đến

khi kích thước của chúng đạt tới cỡ mà

tương tác của màng điện tích kép ngăn cản

sự ngưng tụ, các hạt keo cầu không lớn

thêm nữa. Kích thước của các hạt cầu SiO2

phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nồng

độ hỗn hợp ban đầu và thời gian khuấy.

Sau cùng, các hạt tròn lơ lửng được ly tâm

để loại bỏ các chất còn dư và phân bố

trong cồn tuyệt đối. Để thu được các hạt

cầu với kích thước đồng đều, chúng tôi

tiến hành ly tâm nhiều lần. Sau khi nhận

được các hạt SiO2 này, chúng tôi tiến hành

chế tạo các tinh thể photonic trên các đế

thủy tinh hoặc Si.