Các chấm lượng tử (Quantum dots - QDs) bán dẫn đã thu hút nhiều nhóm nghiên cứu trong những năm gần đây do các tính chất quang độc đáo và các ứng dụng tiềm năng của chúng. Ví dụ, màu sắc của các tinh thể nano bán dẫn như CdSe, CdS và CdTe có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước hạt hoặc pha tạp với các ion phát quang.
Trong số các chất bán dẫn thuộc nhóm II – VI, kẽm sulfide (ZnS) là một vật liệu tương đối không độc hại so với các vật liệu chứa gốc Cd. ZnS là chất bán dẫn chuyển mức trực tiếp và có năng lượng vùng cấm rộng khoảng 3.6 eV tại nhiệt độ phòng. Vì thế, ZnS phù hợp làm vật liệu chủ để pha tạp các ion kim loại phát quang như Cu2+, Mn2+, Eu3+, Sm3+, Tb3+ nhằm thay đổi màu sắc phát xạ huỳnh quang của chúng. Gần đây, những chấm lượng tử loại này đã được khảo sát một cách có hệ thống; đặc biệt, chấm lượng tử ZnS pha tạp ion Mn2+ (ZnS:Mn2+ QDs) đã thu hút nhiều nhóm nghiên cứu do chúng có hiệu suất phát quang cao. Các ZnS:Mn2+ QDs được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như các tác nhân huỳnh quang, mực in phát huỳnh quang, mực in phun và in lụa, quang xúc tác, pin mặt trời và đặc biệt là các thiết bị phát quang dạng màng mỏng. Trong tương lai, các vật liệu bán dẫn có cấu trúc nano, các chấm lượng tử bán dẫn được lắng đọng bằng các phương pháp in khác nhau như in phun, in ống đồng, in offset nhằm tạo ra các loại thiết bị như các loại màn hình chiếu sáng, các diode phát sáng hữu cơ (OLED – organic light emitting diode), pin mặt trời có diện tích lớn, các loại cảm biến điện tử và thẻ nhận dạng RFID (xác định bằng tần số vô tuyến) sẽ được sản xuất trên quy mô lớn thông qua việc kết hợp giữa công nghệ vật liệu mới với ngành công nghệ kỹ thuật in.
Ở Việt Nam, các tinh thể nano ZnS và ZnS pha tạp các ion kim loại như Cu, Mn đã được nhiều nhóm nghiên cứu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ như ảnh hưởng của các thông số (tỷ lệ Zn2+/S2-, lượng chất bao bề mặt, nhiệt độ nung) lên tính chất quang của ZnS:Mn2+ QDs; cơ chế truyền năng lượng từ mạng chủ ZnS và các phân tử chất bao sang các tâm phát quang Mn2+; ảnh hưởng của tỷ lệ mol [S2-]/[Zn2+], lượng chất bao acid thiolglycolic (TGA) và nhiệt độ nung lên cấu trúc và tính chất quang của ZnS:Mn2+ QDs; việc ứng dụng các chấm lượng tử này trong các lĩnh vực như mực in, các loại màng mỏng điện phát quang, quang xúc tác, pin mặt trời,…
Với đề tài nêu trên, các tác giả tiến hành tổng hợp chấm lượng tử ZnS:Mn2+ ở điều kiện nhiệt độ thấp (khoảng 800C) bằng phương pháp kết tủa hóa học, sử dụng TGA như một chất bao bề mặt. Các ZnS:Mn2+ QDs sau khi tổng hợp sẽ được ly tâm và rửa sạch vài lần với nước khử ion và ethanol, sau đó sấy khô qua đêm ở 1000C. Chấm lượng tử này sau đó được phân tán trong dung dịch PVA (Polivinyl Alcohol); nghiên cứu hình thái, cấu trúc, khảo sát tính chất quang bằng các phương pháp quang phổ UV-Vis, phổ quang huỳnh quang (PL), phổ kích thích huỳnh quang (PLE), phổ huỳnh quang phân giải thời gian, phổ hồng ngoại FTIR, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Kết quả, đã chế tạo thành công chấm lượng tử ZnS pha tạp Mn2+ (ZnS:Mn2+ QDs) bằng phương pháp kết tủa hóa học ở nhiệt độ 800C, trong môi trường khí quyển. Chấm lượng tử ZnS:Mn2+ có cấu trúc lập phương zinc-blend và cấu trúc hexagonal wurtzite; kích thước điều khiển theo lượng TGA khác nhau (khoảng 7,5-18 nm); có đỉnh hấp thụ UV-vis trong khoảng 277-315 nm, phát quang tại 590 nm.
Khảo sát TEM cho thấy ZnS:Mn2+ QDs có dạng hình cầu với kích thước hạt khoảng 7,5 nm. Tỷ lệ mol [S2-]/[Zn2+] ảnh hưởng đến cường độ phát xạ của ion Mn2+ 4T1 – 6A1, khi tỷ lệ mol [S2-]/[Zn2+] > 1,5:1 dẫn đến sự mở rộng vùng phát xạ màu đỏ - cam về phía bước sóng 700 nm do sự hình thành các cặp Mn2+- Mn2+.
Tỷ lệ cường độ PL tương đối IOE/IBE tăng khi tăng lượng chất bao TGA và đạt giá trị lớn nhất (tối ưu) tại thể tích VTGA = 2 ml. Sự dịch chuyển đỏ nhẹ đỉnh phát xạ Mn2+ 4T1 – 6A1 từ 588 đến 593 nm xuất hiện khi nhiệt độ nung tăng từ 100–5000C. Tại nhiệt độ nung 5000C pha MnS hình thành bên trong tinh thể mạng chủ ZnS. Các ZnS:Mn2+ QDs phân tán trong dung dịch PVA có tiềm năng ứng dụng trong chế tạo mực in phun và các loại màn hình phát sáng.
Kết quả của đề tài có thể phát triển ứng dụng trong công nghệ in: xây dựng công thức mực in chấm lượng tử ZnS:Mn2+ QDs/PVA để chế tạo các loại màng mỏng phát bằng kỹ thuật in lụa hoặc công nghệ in phun; ứng dụng trong in chống giả phát huỳnh quang bằng cách pha tạp với các ion kim loại khác nhau như Cu, Mn vào mạng chủ ZnS.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Lam Vân (CESTI)