Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang, điện của vật liệu có kích thước nano mét. Các vật liệu kích thước nano thường được gọi là nano tinh thể (NC), chúng có những tính chất rất đặc biệt mà vật liệu khối cùng loại không có được. Các nano tinh thể phát quang đã có nhiều ứng dụng nổi bật trong các lĩnh vực: điện tử, quang học, công nghệ thông tin, năng lượng. Đặc biệt trong y sinh học, vật liệu nano phát quang đã trở thành nền tảng phát triển các công nghệ và công cụ kiểu mới trong cả ba lĩnh vực chuẩn đoán, điều trị và nghiên cứu khoa học sự sống. Các phương pháp phát hiện sớm các phân tử sinh học, chế tạo thuốc trúng đích và điều trị bệnh đã phát triển mạnh góp phần hình thành ngành sinh y học nano hiện đại. Vật liệu nano phát quang còn có những ứng dụng nổi trội trong lĩnh vực chiếu sáng, LED và Q-LED ... Nhờ khả năng thay đổi tính chất thông qua kích thước, hình dạng và thành phần hoá học nên các NC phát quang đang được quan tâm nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau như khoa học vật liệu, vật lý, hoá học, sinh học và các ứng dụng kỹ thuật khác.

Nhóm nghiên cứu về vật liệu nano phát quang của Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên được thành lập năm 2017. Nhóm nghiên cứu về tính chất quang các nano tinh thể bán dẫn không pha tạp và pha tạp với các ion kim loại chuyển tiếp hoặc các ion đất hiếm. Mặc dù mới được thành lập nhưng nhóm đã đạt được nhiều kết quả đáng khích lệ. Vật liệu mà nhóm lựa chọn là các hợp chất dựa trên các nguyên tố Cd, Zn, Se, Te, S, các kim loại chuyển tiếp Mn, Cu, Ni..., các ion đất hiếm Eu, Tb, Ce, Sm, Dy... với phương pháp chế tạo là phương pháp hóa ướt phù hợp với điều kiện thí nghiệm tại Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên. Nhóm tập trung hai hướng nghiên cứu chính:

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn có cấu trúc lõi/vỏ và hợp kim.

Trong các NC bán dẫn lõi/vỏ loại II, sự sắp xếp các vùng dẫn và vùng hóa trị của hai vật liệu bán dẫn sẽ tạo ra sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng kiểu so le tại bề mặt tiếp giáp, gây ra sự định xứ của một loại hạt tải bên trong lõi và một loại hạt tải khác trong lớp vỏ. Sự tách không gian của điện tử và lỗ trống giữa lõi và vỏ làm thay đổi bước sóng phát xạ, thời gian sống phát xạ và khuếch đại quang. Sự tách các điện tích dương và điện tích âm giữa lõi và vỏ trong các NC loại II là rất thuận lợi để ứng dụng chúng trong lĩnh vực quang điện và laser. Nhóm đã nghiên cứu các NC có cấu trúc lõi/vỏ như: CdTe/CdSe, CdTe/CdTeSe/CdSe, CdSe/CdS/ZnSe, CdS/ZnSe/ZnS.

Để thay đổi các tính chất quang của các NC bán dẫn hai thành phần bằng cách thay đổi kích thước hạt có thể gây ra nhiều vấn đề trong quá trình ứng dụng, đặc biệt khi kích thước hạt nhỏ thì các tính chất của chúng thường không ổn định. Làm thế nào để thay đổi tính chất quang của các NC mà không cần thay đổi kích thước của chúng? Một trong các giải pháp để đáp ứng yêu cầu đó là sử dụng các NC hợp kim, vì tính chất quang của chúng không những phụ thuộc vào kích thước hạt mà còn phụ thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim. Vì vậy có thể  điều chỉnh tính chất quang của chúng thông qua việc điều chỉnh thành phần các chất trong hợp kim trong khi vẫn duy trì được kích thước của hạt. Với các NC bán dẫn hợp kim, nhóm đã tập trung nghiên cứu về các NC ba thành phần: CdTeSe, CdSSe và CdZnSe.

Các bài báo ISI của nhóm đã công bố về hướng nghiên cứu này:

1. N.X. Ca, N.T. Hien, P.M. Tan, T.L. Phan, L.D. Thanh, P.V. Do, N.Q. Bau, V.T.K. Lien, H.T. Van, Tunable dual emission in type- I/type-II CdSe/CdS/ZnSe nanocrystals, Journal of Alloys and Compounds, 791 (2019) 144-151.
2. N. X. Ca, N. T. Hien, N. T. Luyen, V. T. K. Lien, L. D. Thanh, P. V. Do, N. Q. Bau, T. T. Pham, Photoluminescence properties of CdTe/CdTeSe/CdSe core/alloyed/shell type-II quantum dots, Journal of Alloys and Compounds, 787 (2019) 823-830.
3. N. T. Hien, T. T. K. Chi, N. D. Vinh, H. T. Van, L. D. Thanh, P. V. Do, V. P. Tuyen, N. X. Ca, Synthesis, characterization and the photoinduced electrontransfer energetics of CdTe/CdSe type-II core/shell quantum dots, Journal of Luminescence, 217 (2019) 116822.
4. P. T. Tho, N. D. Vinh, H. T. Van, P. M. Tan, V. X. Hoa, N. T. Kien, N. T. Hien, N. T. K. Van, N. X. Ca, Effects of chemical affinity and injection speed of Se and Te precursors on the development kinetic and optical properties of ternary alloyed CdTe_1-xSe_x nanocrystals, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 139 (2020) 109332.
5. H.T. Van, N.D. Vinh, N.X. Ca, N.T. Hien, N.T. Luyen, P.V. Do, N.V. Khien, Effects of ligand and chemical affinity of S and Se precursors on the shape, structure and optical properties of ternary CdS_1-xSe_x alloy nanocrystals, Materials Letters, 264 (2020) 127387.

Nghiên cứu tính chất quang và các quá trình truyền năng lượng của các ion kim loại chuyển tiếp và đất hiếm trong các mạng nền khác nhau

Các ion kim loại chuyển tiếp (TM) và ion đất hiếm (RE) pha tạp trong các mạng nền khác nhau là những ứng viên đầy triển vọng trong việc chế tạo một loại vật liệu chuyển đổi ánh sáng mới. Việc đưa các ion TM và RE vào các mạng nền như NC bán dẫn, thủy tinh, các vật liệu đơn và đa tinh thể khác thường tạo ra những thay đổi đáng kể các đặc tính vật lý và hóa học của vật liệu và cũng là một cách hiệu quả để nâng cao hơn nữa các ứng dụng của chúng. Các ion RE được pha tạp vào vật liệu nền thường rất hấp dẫn đối với nhiều ứng dụng quang tử và quang điện tử vì chúng có thể tạo ra các đường hấp thụ và phát xạ sắc nét, hiệu suất lượng tử và độ bền quang cao. Trong khi đó việc pha tạp các ion TM thường tạo ra các vật liệu có đồng thời cả hai tính chất từ và quang. Với nhiều ưu điểm nổi trội so với các vật liệu không pha tạp như tăng cường khả năng phát xạ, độ ổn định quang, từ và ổn định nhiệt cao, tăng thời gian phát quang, xuất hiện thêm các tính chất điện từ, vật liệu pha tạp các ion TM và RE tạo ra một họ vật liệu mới rất có triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ quang-điện tử, các nguồn phát ánh sáng, xử lý thông tin lượng tử và truyền thông.

Nhóm nghiên cứu về công nghệ chế tạo và tính chất quang của các NC bán dẫn hợp kim ba thành phần pha tạp kim loại chuyển tiếp CdTeSe:Ni, CdTeSe:Cu, CdS/ZnSe:Cu, ZnCdSe:Cu và NC pha tạp ion đất hiếm CdS:Eu, ZnS:Tb, ZnSe:Eu, ZnS:Sm, ZnS:Tb,Sm, ZnSe:Tb.

Bằng việc pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp và đất hiếm trong các nền CdS, ZnS và ZnSe, nhóm đã mở rộng phổ phát xạ của các NC bán dẫn ra toàn bộ vùng ánh sáng nhìn thấy. Cơ chế tương tác, các quá trình truyền năng lượng từ nền sang tạp và giữa các ion tạp với nhau đã được nghiên cứu, tính toán và giải thích chi tiết. Cơ chế truyền năng lượng và các tính chất quang của các ion đất hiếm đồng pha tạp trong các NC bán dẫn cũng đã được nhóm nghiên cứu định lượng, sử dụng mô hình lý thuyết Judd-Ofelt và Inokuti-Hirayama. Các NC bán dẫn CdS, ZnSe, ZnS pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp và đất hiếm có thời gian sống huỳnh quang rất dài (cỡ ms), phổ phát xạ được mở rộng và có thể được điều khiển linh hoạt có nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực quang điện, chiếu sáng và đánh dấu sinh học.

Các bài báo ISI của nhóm đã công bố về hướng nghiên cứu này:

1. N. X. Ca, N. T. Hien, P. N. Loan, P. M. Tan, U. T. D. Thuy, T. L. Phan, Q. B. Nguyen, Optical and Ferromagnetic Properties of Ni- Doped CdTeSe Quantum Dots, Journal of Electronic Materials, 48 (2019) 2593-2599.
2. H.T. Van, N.D. Vinh, P.M. Tan, Thuy U.T.D., N.X. Ca, N.T. Hien, Synthesis and optical properties of tunable dual emission copper doped CdTe_1-xSe_x alloy nanocrystals, Optical Materials 97 (2019) 109392.
3. N. T. Hien, P. M. Tan, H. T. Van, V. T. K. Lien, P. V. Do, P. N. Loan, N. T. Kien, N. T. Luyen, N. X. Ca, Photoluminescence properties of Cu doped CdTeSe alloyed quantum dots versus laser excitation power and temperature, Journal of Luminescence, 218 (2020) 116838.
4. P. M. Tan, N. X. Ca, N. T. Hien, H. T. Van, P. V. Do, L. D. Thanh, V. H. Yen, V. P. Tuyen, Y. Peng, P. T. Tho, New insights on the energy transfer mechanisms of Eu doped CdS quantum dots, Physical Chemistry Chemical Physics, 22 (2020) 6266-6274.
5. N.T. Hien, N.X. Ca, N.T. Kien, N.T. Luyen, P.V. Do, L.D. Thanh, H.T. Van, S. Bharti, Y. Wang, N.T.M. Thuy, P.M. Tan, Structural, optical properties, energy transfer mechanism and quantum cutting of Tb³⁺ doped ZnS quantum dots, Journal of Physics and Chemistry of Solids 147 (2020) 109638.
6. N.T. Hien, Y.Y. Yu, K.C. Park, N.X. Ca, T.T.K. Chi, B.T.T. Hien, L.D. Thanh, P. V. Do, P.M. Tan, P.T.T. Ha, Influence of Eu doping on the structural and optical properties of Zn_1-xEu_xSe quantum dots, Journal of Physics and Chemistry of Solids 148 (2021) 109729.  
7. N. X. Ca, H. T. Van, P. V. Do, L. D. Thanh, P. M. Tan, N. X. Truong, V. T. K. Oanh, N. T. Binh, N. T. Hien, Influence of precursor ratio and dopant concentration on the structure and optical properties of Cu doped ZnCdSe alloyed quantum dots, RSC Advances, 10 (2020) 25618-25628.
8. N. D. Vinh, P. M. Tan, P. V. Do, S. Bharti, V. X. Hoa, N. T. Hien, N. T. Luyen, N. X. Ca, Effect of dopant concentration and the role of ZnS shell on optical properties of Sm³⁺ doped CdS quantum dots, RSC Advances, 11 (2021) 7961.
9. P. M. Tan, T. Ngoc, V. D. Nguyen, N. T. Hien, V. X. Hoa, N. X. Truong, V. T. K. Oanh, N. D. Tam, N. X. Ca, S. Bharti, Y. Peng, Study of optical properties and energy transfer mechanism of Tb³⁺, Sm³⁺ singly doped and co-doped ZnS quantum dots, Optical Materials, 114 (2021) 110901.
10. N. X. Ca, N. D. Vinh, S. Bharti, P. M. Tan, N. T. Hien, V. X. Hoa, Y. Peng, P. V. Do, Optical properties of Ce³⁺ and Tb³⁺ co-doped ZnS quantum dots, Journal of Alloys and Compounds, 883 (2021) 160764.
11. N. X. Ca, N. D. Vinh, P. V. Do, N. T. Hien, V. X. Hoa, P. M. Tan, Optical properties and energy transfer processes in Tb³⁺-doped ZnSe quantum dots, Physical Chemistry Chemical Physics, 23 (2021) 15257-15267.