VỎ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
V.2. Chế tạo chấm lượng tử CuInS 2 trong dung môi diesel
~220 oC, nên rất thuận tiện cho việc chế tạo các vật liệu ở gần nhiệt độ đó, vì động học phản ứng mạnh mẽ hơn [14]. Ở đây, các hóa chất sử dụng để chế tạo tinh thể nanô CIS giống như đã sử dụng để chế tạo chúng trong ODE, chỉ khác là sử dụng diesel làm dung môi/môi trường phản ứng.
Tinh thể nanô CIS được chế tạo bằng phương pháp phản ứng hóa học của các tiền chất (Cu, In và S) trong dung môi ở nhiệt độ cao thực chất là phương pháp gia nhiệt (heating up) để tạo phản ứng hình thành các vi tinh thể CIS và tiếp tục phát triển các tinh thể nanô này đến kích thước mong muốn. Phương pháp gia nhiệt cho chất lượng tinh thể tốt, độ đồng nhất kích thước tinh thể cao. Ở đây, dung môi diesel được sử dụng thay thế ODE, có những ưu điểm rõ ràng là rất rẻ, và quan trọng hơn là nhiệt độ chế tạo vật liệu gần với nhiệt độ sôi của diesel nên động học phản ứng tốt hơn, hiệu suất tạo vật liệu cao hơn. Ngoài ra, diesel sử dụng trong các động cơ ôtô thông thường, ít độc hơn nhiều so với các môi hữu cơ khác có nhiệt độ sôi cao hơn.
Quy trình chế tạo tinh thể nanô CIS được tóm tắt như sau:
0,0876 g bột Indium(III)acetate (0,3 mmol) và 0,0573 g bột Copper(I) iodide (0,3 mmol) được thêm vào hỗn hợp 3 ml dodecanethiol và 24 ml diesel trong bình cầu. Hỗn hợp trên được nâng nhanh nhiệt độ tới khoảng 210÷230 oC với tốc độ ~150÷200 oC/phút.
Theo thời gian phản ứng, hỗn hợp dung dịch chuyển màu từ màu vàng sang màu cam, màu đỏ, đỏ đậm và cuối cùng là nâu đen, tương ứng với sự tăng kích thước của hạt tinh thể nanô CIS. Trong quá trình thực hiện phản ứng, các mẫu được lấy ra với những thời gian phát triển tinh thể khác nhau để khảo sát cấu trúc và tính chất quang theo kích thước. Các loạt thí nghiệm sau đây đã được thiết kế nhằm xác định được điều kiện công nghệ tối ưu, cho phép chế tạo được tinh thể nanô CIS có chất lượng tốt nhất. (i) Xác định nhiệt độ tối ưu bằng các thí nghiệm chế tạo tinh thể nanô CIS trong khoảng 200÷230 oC, với mỗi thí nghiệm thay đổi 10 oC và giữ nguyên thời gian phát triển tinh thể là 30 phút. Kết quả cho thấy tinh thể nanô CIS có kích thước nhỏ khi chế tạo ở nhiệt độ thấp và 210÷220 oC là nhiệt độ cho chất lượng tinh thể tốt, có phổ hấp thụ và huỳnh quang bờ vùng rõ ràng. (ii) Xác định thời gian tối ưu bằng các thí nghiệm chế tạo tinh thể nanô CIS ở 210 oC và 220 oC, với các khoảng thời gian phát triển tinh thể 5 phút, 15 phút, 30 phút và 60 phút. Kết quả cho thấy tinh thể nanô CIS chế tạo ở nhiệt độ 210÷220 oC trong 15 phút cho tính chất phổ hấp thụ và huỳnh quang tốt nhất, thể hiện khá rõ dải hấp thụ bờ vùng và huỳnh quang tốt. Khi thời gian phát triển tinh thể dài hơn 30 phút bờ vùng hấp thụ xoải rộng, cho thấy các chuyển dời quang bị ảnh hưởng bởi sự tăng phân tán kích thước
do hiệu ứng “bồi lở” Oswald. (iii) Xác định tỉ lệ Cu/In trong thành phần tiền chất bằng thí nghiệm chế tạo tinh thể nanô trong điều kiện tối ưu về nhiệt độ và thời gian, với tỉ lệ phân tử Cu/In thay đổi từ 1/4 đến 4. Kết quả cho thấy chất lượng tinh thể đánh giá qua phổ hấp thụ và huỳnh quang không có thay đổi đáng kể, ngoại trừ sự dịch đỉnh về phía năng lượng cao khi tỉ lệ Cu/In nhỏ, tương ứng với sự bất hợp thức thiếu Cu trong tiền chất phản ứng. Một yếu tố công nghệ cần được lưu ý là tốc độ gia nhiệt và khuấy dung dịch phản ứng có ảnh hưởng rất rõ đến chất lượng tinh thể. Tốc độ gia nhiệt nhanh cho phép chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn CIS chất lượng tốt hơn, có lẽ là do phản ứng tạo mầm vi tinh thể trong thời gian ngắn đảm bảo phân bố kích thước đồng đều hơn. Kỹ thuật nhúng nhanh bình phản ứng vào bát hỗn hợp muối đã đun nóng chảy trước ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ cần thiết cho phản ứng đã cho phép gia nhiệt rất nhanh, đến 200 oC/phút.
Hình V.1 trình bày hình ảnh của các chấm lượng tử bán dẫn CIS dạng keo chế tạo trong diesel. Các chấm lượng tử bán dẫn này có cấu trúc tinh thể tốt, phổ hấp thụ với bờ vùng khá rõ, nhưng huỳnh quang rất yếu. Sau khi bọc vỏ ZnS, các chấm lượng tử bán dẫn CIS/ZnS này huỳnh quang với hiệu suất tốt, có những mẫu đạt hiệu suất lượng tử huỳnh quang >50%.
Hình V.1. Hình ảnh của các chấm lượng tử bán dẫn CIS chế tạo trong diesel ở 220 oC, phân tán trong toluene.