Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu bột huỳnh quang phát sáng vùng đỏ từ oxit kim loại pha tạp Mn4 và Cr3

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Chi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Hùng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên cứu bột huỳnh quang phát sáng đỏ từ oxit kim loại pha tạp Mn4 và Cr3 cho chiếu sáng rắn
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 1.5. Những đóng góp mới của luận án
• 1.6. Nội dung luận án
• 1.7. Cơ chế phát quang của vật liệu huỳnh quang
• 1.8. Tính chất quang của ion Mn4+, Cr3+ trong trường tinh thể
• 1.9. Tính chất quang của ion Mn4+ trong trường tinh thể
• 1.10. Tính chất quang của ion Cr3+ trong trường tinh thể
• 1.11. Vật liệu huỳnh quang phát xạ vùng đỏ trên cơ sở mạng nền chứa các gốc oxit kim loại pha tạp ion Mn4+ và Cr3+
• 1.12. Tình hình nghiên cứu vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ ứng dụng cho WLED dựa trên mạng nền chứa các gốc oxit kim loại
• 1.13. Vật liệu huỳnh quang phát ánh sáng vùng đỏ ứng dụng cho WLED dựa trên mạng nền chứa các gốc oxit kim loại pha tạp Mn4+
• 2. Vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ xa ứng dụng trong chiếu sáng rắn dựa trên mạng nền chứa các gốc oxit kim loại pha tạp ion Cr3+
• 2.1. Các phương pháp tổng hợp bột huỳnh quang
• 2.1.1. Phương pháp gốm
• 2.1.2. Phương pháp sol-gel
• 2.1.3. Phương pháp đồng kết tủa
• 2.2. Một số tính toán
• 2.3. Sự suy giảm cường độ phát quang của vật liệu huỳnh quang theo nồng độ
• 2.4. Hiệu suất huỳnh quang
• 2.5. Kết luận chương 1
• 2.6. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO
• 2.6.1. Quy trình chế tạo bột huỳnh quang bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp ủ nhiệt
• 2.6.2. Tổng hợp vật liệu SrAl2O4 pha tạp Mn4+
• 2.6.3. Tổng hợp vật liệu SrMgAl10O17 pha tạp Mn4+
• 2.6.4. Tổng hợp vật liệu MgAl2O4 pha tạp Cr3+
• 2.7. Các phương pháp khảo sát tính chất vật liệu
• 2.7.1. Phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và thành phần pha của bột huỳnh quang
• 2.7.2. Phương pháp khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt
• 2.7.3. Phương pháp khảo sát thành phần các nguyên tố vật liệu
• 2.7.4. Các phương pháp khảo sát tính chất quang
• 2.7.5. Đo các đại lượng quang và thử nghiệm trên chip LED
• 2.8. Kết luận chương 2
• 3. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA BỘT HUỲNH QUANG SrAl2O4 PHA TẠP Mn4+
• 3.1. Cấu trúc tinh thể và ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết lên pha của mạng nền SrAl2O4
• 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết lên hình thái bề mặt của vật liệu
• 3.3. Phân tích thành phần các nguyên tố của vật liệu
• 3.4. Tính chất quang của bột huỳnh quang SrAl2O4 pha tạp Mn4+
• 3.5. Đặc trưng phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của vật liệu SrAl2O4 pha tạp Mn4+
• 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung thiêu kết lên cường độ huỳnh quang của vật liệu
• 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên cường độ huỳnh quang
• 3.8. Sự suy giảm cường độ PL theo nhiệt độ và tọa độ màu của bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+
• 3.9. Kết luận chương 3
• 4. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA BỘT HUỲNH QUANG SrMgAl10O17 PHA TẠP Mn4+
• 4.1. Cấu trúc tinh thể vật liệu SrMgAl10O17 pha tạp Mn4+
• 4.2. Hình thái bề mặt và kích thước hạt của bột huỳnh quang SrMgAl10O17 pha tạp Mn4+
• 4.3. Phân tích thành phần các nguyên tố của vật liệu
• 4.4. Tính chất quang của bột huỳnh quang SrMgAl10O17 pha tạp Mn4+
• 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung thiêu kết lên tính chất quang của vật liệu
• 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên tính chất quang của vật liệu
• 4.7. Kết luận chương 4
• 5. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA BỘT HUỲNH QUANG MgAl2O4 PHA TẠP Cr3+
• 5.1. Cấu trúc tinh thể của mạng nền MgAl2O4
• 5.2. Nhiệt độ thiêu kết và hình thái bề mặt của bột huỳnh quang MgAl2O4 pha tạp Cr3+
• 5.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ pha tạp lên phát quang của bột huỳnh quang MgAl2O4 pha tạp Cr3+
• 5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung thiêu kết lên tính chất quang của vật liệu
• 5.5. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên sự phát quang của vật liệu
• 5.6. Sự phụ thuộc của cường độ PL theo nhiệt độ và hiệu suất PL của vật liệu MgAl2O4 pha tạp Cr3+
• 5.7. Thử nghiệm bột huỳnh quang MgAl2O4 pha tạp Cr3+ trong chế tạo LED
• 5.8. Kết luận chương 5
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về bột huỳnh quang

Bột huỳnh quang phát sáng đỏ từ oxit kim loại pha tạp Mn4 và Cr3 đang trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong lĩnh vực chiếu sáng rắn. Các bột này không chỉ có khả năng phát sáng mạnh mẽ mà còn có thể được ứng dụng trong các thiết bị chiếu sáng như đèn LED. Việc nghiên cứu và phát triển các loại bột này nhằm mục đích cải thiện hiệu suất phát quang và giảm chi phí sản xuất. Theo nghiên cứu, bột huỳnh quang phát sáng đỏ có thể được tổng hợp từ các nguyên liệu dễ kiếm và có giá thành thấp hơn so với các vật liệu truyền thống. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm chiếu sáng mới, thân thiện với môi trường.

1.1. Tính chất quang học của bột huỳnh quang

Tính chất quang học của bột huỳnh quang phát sáng đỏ phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và nồng độ của các ion pha tạp như Mn4 và Cr3. Các nghiên cứu cho thấy rằng ion Mn4 có khả năng phát quang mạnh mẽ trong vùng ánh sáng đỏ, trong khi ion Cr3 cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất phát quang. Sự kết hợp giữa hai ion này trong mạng nền oxit kim loại tạo ra các đặc tính quang học vượt trội, giúp tăng cường hiệu suất phát quang và độ bền của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa nồng độ pha tạp có thể dẫn đến sự gia tăng cường độ phát quang, từ đó nâng cao hiệu suất của các thiết bị chiếu sáng sử dụng bột này.

II. Quy trình tổng hợp bột huỳnh quang

Quy trình tổng hợp bột huỳnh quang phát sáng đỏ từ oxit kim loại pha tạp Mn4 và Cr3 thường bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, trộn, nung và làm nguội. Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để tổng hợp bột này. Trong quá trình này, các nguyên liệu được hòa tan trong dung dịch và sau đó được kết tủa để tạo thành bột. Sau khi thu được bột, quá trình nung ở nhiệt độ cao sẽ giúp hình thành cấu trúc tinh thể ổn định. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung là rất quan trọng để đảm bảo rằng bột huỳnh quang đạt được các tính chất quang học mong muốn.

2.1. Các phương pháp tổng hợp

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp bột huỳnh quang. Phương pháp gốm, phương pháp sol-gel và phương pháp đồng kết tủa là những phương pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp gốm thường cho ra sản phẩm có độ tinh khiết cao nhưng yêu cầu nhiệt độ nung rất cao. Trong khi đó, phương pháp sol-gel có thể tạo ra bột với kích thước hạt nhỏ và đồng đều, nhưng quá trình này thường phức tạp hơn. Phương pháp đồng kết tủa được ưa chuộng vì tính đơn giản và khả năng kiểm soát tốt các thông số trong quá trình tổng hợp.

III. Ứng dụng của bột huỳnh quang trong chiếu sáng

Bột huỳnh quang phát sáng đỏ từ oxit kim loại pha tạp Mn4 và Cr3 có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng, đặc biệt là trong các thiết bị LED. Việc sử dụng bột này trong các đèn LED không chỉ giúp cải thiện chất lượng ánh sáng mà còn tăng cường hiệu suất năng lượng. Các sản phẩm chiếu sáng sử dụng bột huỳnh quang này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ chiếu sáng dân dụng đến chiếu sáng chuyên dụng trong nông nghiệp công nghệ cao. Đặc biệt, trong nông nghiệp, việc sử dụng đèn LED kết hợp với bột huỳnh quang giúp tối ưu hóa quá trình quang hợp của cây trồng, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

3.1. Chiếu sáng trong nông nghiệp

Chiếu sáng trong nông nghiệp công nghệ cao đang ngày càng được chú trọng. Việc sử dụng bột huỳnh quang phát sáng đỏ trong các đèn LED giúp cung cấp ánh sáng phù hợp cho sự phát triển của cây trồng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ánh sáng đỏ có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp, giúp cây trồng phát triển tốt hơn. Sự kết hợp giữa bột huỳnh quang và đèn LED không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn tạo ra môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.