Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu bamgal10o17 đồng pha tạp ion mn4 và cr3

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu bamgal10o17 đồng pha tạp ion mn4 và cr3, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Thị Diệu Hương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Và Tính Chất Quang Của Vật Liệu BaMgAl10O17 Pha Tạp Mn4+ Và Cr3+
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các đặc tính quang học của bột huỳnh quang ứng dụng trong chiếu sáng rắn
• 1.1.1. Sự phát quang của bột huỳnh quang
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Cấu trúc tinh thể của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: (Mn4+, Cr3+)
• 2.2. Hình thái và kích thước hạt của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: (Mn4+, Cr3+)
• 2.3. Tính chất quang của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: Cr3+
• 2.4. Phổ phát quang và kích thích huỳnh quang của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: Cr3+
• 2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến tính chất quang của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: Cr3+
• 2.6. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến tính chất quang của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: Cr3+
• 2.7. Tính chất quang của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: Mn4+
• 2.8. Tính chất quang của bột huỳnh quang BaMgAl10O17: (Mn4+, Cr3+)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu Bamgal10O17

Vật liệu Bamgal10O17 là một trong những vật liệu quang học quan trọng, được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực vật liệu huỳnh quang. Vật liệu này có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng phát quang tốt, đặc biệt khi được pha tạp với các ion như Mn4+ và Cr3+. Việc pha tạp các ion này không chỉ cải thiện tính chất quang học mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc pha tạp ion Mn4+ có thể tạo ra phổ phát quang trong vùng ánh sáng đỏ xa, trong khi ion Cr3+ có thể phát quang trong vùng hồng ngoại gần. Điều này rất quan trọng cho việc phát triển các thiết bị chiếu sáng hiệu quả cho cây trồng.

1.1. Tính chất quang học của vật liệu Bamgal10O17

Tính chất quang học của vật liệu Bamgal10O17 phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể và sự pha tạp của các ion kim loại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự hiện diện của ion Mn4+ và Cr3+ trong mạng nền Bamgal10O17 có thể tạo ra các mức năng lượng mới, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng. Cụ thể, ion Mn4+ có khả năng phát quang mạnh trong vùng ánh sáng đỏ, trong khi ion Cr3+ có thể phát quang trong vùng hồng ngoại gần. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa nồng độ và điều kiện pha tạp có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong hiệu suất quang học của vật liệu.

II. Phương pháp chế tạo vật liệu Bamgal10O17 pha tạp

Quy trình chế tạo vật liệu Bamgal10O17 pha tạp Mn4+ và Cr3+ thường sử dụng phương pháp sol-gel. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện chế tạo, từ đó tạo ra các hạt vật liệu có kích thước đồng đều và tính chất quang học ổn định. Trong quá trình chế tạo, các hóa chất được trộn lẫn và xử lý nhiệt để tạo ra cấu trúc tinh thể mong muốn. Việc điều chỉnh nhiệt độ và thời gian nung cũng ảnh hưởng lớn đến tính chất quang học của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc nung ở nhiệt độ cao có thể cải thiện độ tinh khiết và tính chất phát quang của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng trong các ứng dụng thực tiễn.

2.1. Quy trình chế tạo vật liệu

Quy trình chế tạo vật liệu Bamgal10O17 pha tạp Mn4+ và Cr3+ bao gồm các bước chính như chuẩn bị nguyên liệu, trộn lẫn, xử lý nhiệt và làm nguội. Đầu tiên, các hóa chất cần thiết được chuẩn bị và trộn theo tỷ lệ nhất định. Sau đó, hỗn hợp này được xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao để tạo ra cấu trúc tinh thể. Cuối cùng, vật liệu được làm nguội từ từ để đảm bảo tính ổn định của cấu trúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, quy trình này không chỉ giúp tạo ra vật liệu có tính chất quang học tốt mà còn giảm thiểu sự hình thành các tạp chất không mong muốn.

III. Tính chất quang của vật liệu Bamgal10O17 pha tạp

Tính chất quang của vật liệu Bamgal10O17 pha tạp Mn4+ và Cr3+ được khảo sát thông qua các phương pháp như phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang. Kết quả cho thấy rằng, vật liệu này có khả năng phát quang mạnh trong vùng ánh sáng đỏ và hồng ngoại gần, phù hợp với nhu cầu sử dụng trong chiếu sáng nông nghiệp. Đặc biệt, việc điều chỉnh nồng độ pha tạp có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong cường độ phát quang, từ đó tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng cho cây trồng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu huỳnh quang hiệu quả hơn trong ứng dụng thực tiễn.

3.1. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến tính chất quang

Nghiên cứu cho thấy rằng, nồng độ pha tạp của ion Mn4+ và Cr3+ có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang của vật liệu Bamgal10O17. Khi nồng độ pha tạp tăng lên, cường độ phát quang cũng tăng theo, tuy nhiên, đến một mức độ nhất định, hiện tượng dập tắt huỳnh quang có thể xảy ra. Điều này cho thấy rằng, việc tối ưu hóa nồng độ pha tạp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất quang học tốt nhất. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc xác định nồng độ tối ưu để phát huy tối đa khả năng phát quang của vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu Bamgal10O17

Vật liệu Bamgal10O17 pha tạp Mn4+ và Cr3+ có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực chiếu sáng nông nghiệp. Với khả năng phát quang trong vùng ánh sáng đỏ và hồng ngoại gần, vật liệu này có thể được sử dụng để chế tạo các điốt phát quang hiệu quả cho cây trồng. Việc sử dụng vật liệu này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn nâng cao hiệu quả chiếu sáng cho cây trồng, từ đó cải thiện năng suất nông nghiệp. Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng thực tiễn từ vật liệu này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành nông nghiệp.

4.1. Tiềm năng trong chiếu sáng nông nghiệp

Với những ưu điểm vượt trội về tính chất quang học, vật liệu Bamgal10O17 pha tạp Mn4+ và Cr3+ có thể được ứng dụng trong chế tạo các hệ thống chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao. Việc sử dụng các điốt phát quang chế tạo từ vật liệu này sẽ giúp cung cấp ánh sáng phù hợp với nhu cầu quang hợp của cây trồng, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Hơn nữa, việc phát triển các sản phẩm chiếu sáng từ vật liệu này sẽ góp phần giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng cường tính bền vững trong ngành nông nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ chiếu sáng ngày càng phát triển, điốt phát quang ánh sáng trắng (WLED) đã trở thành nguồn sáng ưu việt nhờ hiệu suất chuyển đổi điện thành ánh sáng cao, tuổi thọ dài và thân thiện môi trường. Tại Việt Nam và trên thế giới, WLED được sử dụng phổ biến trong chiếu sáng dân dụng. Tuy nhiên, đèn LED chuyên dụng cho chiếu sáng nông nghiệp vẫn còn hạn chế do giá thành cao, phần lớn xuất phát từ chi phí chế tạo bột huỳnh quang phát quang ánh sáng đỏ trên chip LED. Các loại bột huỳnh quang truyền thống như CaAlSiN3:Eu2+, SrAlSi4N7:Eu2+ có giá thành cao do sử dụng nguyên liệu chứa gốc nitrat và ion đất hiếm, đồng thời phổ phát quang không phù hợp hoàn toàn với vùng hấp thụ ánh sáng của cây trồng (khoảng 730 nm).

Đề tài nghiên cứu tập trung vào vật liệu BaMgAl10O17 đồng pha tạp ion Mn4+ và Cr3+, với mục tiêu chế tạo bột huỳnh quang có phổ hấp thụ nằm trong vùng tử ngoại gần hoặc ánh sáng xanh lam, phát huỳnh quang trong vùng đỏ xa và hồng ngoại gần, phù hợp với phổ hấp thụ của cây trồng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm xây dựng quy trình chế tạo bằng phương pháp sol-gel và khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến cấu trúc, hình thái và tính chất quang học của vật liệu. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển vật liệu huỳnh quang mới, đồng thời góp phần thực tiễn trong việc giảm giá thành đèn LED chiếu sáng nông nghiệp, nâng cao hiệu quả sản xuất và cải thiện đời sống nông dân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cơ chế phát quang của ion kim loại chuyển tiếp: Ion Mn4+ và Cr3+ có cấu hình điện tử d3, chịu ảnh hưởng mạnh của trường tinh thể trong mạng nền BaMgAl10O17, dẫn đến sự phân tách mức năng lượng và tạo ra phổ hấp thụ, phát xạ đặc trưng. Giản đồ Tanabe-Sugano được sử dụng để mô tả các mức năng lượng và chuyển mức quang học của các ion này trong trường tinh thể bát diện.

• Hiện tượng dập tắt huỳnh quang do nồng độ pha tạp: Khi nồng độ ion pha tạp tăng đến ngưỡng tới hạn, cường độ phát quang giảm do truyền năng lượng không bức xạ giữa các ion, được mô tả qua khoảng cách tới hạn RC và các phương trình Blasse, Dexter.

• Hiệu suất lượng tử và độ ổn định nhiệt độ: Hiệu suất lượng tử được tính bằng tỷ số giữa số photon phát xạ và số photon hấp thụ, là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả phát quang. Độ ổn định nhiệt độ ảnh hưởng đến cường độ phát quang, với hiệu suất tốt nhất ở khoảng 60°C và giảm mạnh trên 150°C.

• Tính chất cấu trúc và hình thái hạt: Kích thước và hình dạng hạt ảnh hưởng đến hiệu suất phát quang do tác động của tán xạ và khúc xạ ánh sáng. Hạt đồng đều, hình cầu có hiệu suất phát quang cao hơn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu bột huỳnh quang BaMgAl10O17 đồng pha tạp ion Mn4+ và Cr3+ được chế tạo bằng phương pháp sol-gel tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

• Phương pháp chế tạo: Phương pháp sol-gel được lựa chọn do ưu điểm dễ kiểm soát thành phần, kích thước hạt và không đòi hỏi môi trường chân không hay nhiệt độ cao. Quy trình bao gồm thủy phân, ngưng tụ các tiền chất, tạo gel, sấy và nung ở nhiệt độ từ 1300 đến 1500°C.

• Phương pháp phân tích:

  • Cấu trúc tinh thể được khảo sát bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Hình thái và kích thước hạt được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM).
  • Tính chất quang học được đo bằng phổ huỳnh quang (PL), phổ kích thích huỳnh quang (PLE) và hiệu suất lượng tử.
  • Phân tích thành phần bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS).

• Cỡ mẫu và timeline: Mẫu được tổng hợp với các nồng độ pha tạp khác nhau (0,05 - 1,5 mol) và nung ở nhiều nhiệt độ khác nhau trong khoảng 1300 - 1500°C. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể ổn định: Mẫu BaMgAl10O17 đồng pha tạp Mn4+ và Cr3+ có cấu trúc tinh thể hexagonal-β aluminates ổn định, không xuất hiện pha tạp khi nung ở nhiệt độ từ 1300 đến 1500°C. XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng rõ ràng, chứng tỏ độ kết tinh cao.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hình thái hạt: FESEM cho thấy kích thước hạt tăng từ khoảng 200 nm đến 1 µm khi nhiệt độ nung tăng từ 1300°C lên 1500°C. Hạt có hình dạng gần cầu, đồng đều, phù hợp với yêu cầu phát quang hiệu quả.

3. Tính chất quang học của ion Cr3+: Phổ huỳnh quang của mẫu pha tạp Cr3+ có đỉnh phát xạ tại khoảng 690 nm, phù hợp với vùng hấp thụ của lá cây. Cường độ phát quang đạt cực đại khi nồng độ Cr3+ là 1%, sau đó giảm do hiện tượng dập tắt huỳnh quang. Hiệu suất lượng tử đạt khoảng 45% ở điều kiện tối ưu.

4. Tính chất quang học của ion Mn4+ và đồng pha tạp Mn4+, Cr3+: Mẫu pha tạp Mn4+ phát xạ ở vùng đỏ xa (~730 nm), phù hợp với phổ hấp thụ của phytochrome trong cây trồng. Mẫu đồng pha tạp Mn4+ và Cr3+ cho phổ phát xạ rộng hơn, bao phủ vùng đỏ xa và hồng ngoại gần, tăng khả năng ứng dụng trong chiếu sáng nông nghiệp. Cường độ phát quang của mẫu đồng pha tạp cao hơn khoảng 20% so với mẫu đơn pha tạp.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp sol-gel là hiệu quả trong việc chế tạo bột huỳnh quang BaMgAl10O17 đồng pha tạp ion Mn4+ và Cr3+ với cấu trúc tinh thể ổn định và hình thái hạt đồng đều. Nhiệt độ nung ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước hạt và cường độ phát quang, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu huỳnh quang oxit pha tạp ion kim loại chuyển tiếp.

Phổ phát quang của ion Cr3+ và Mn4+ nằm trong vùng hấp thụ ánh sáng đỏ xa và hồng ngoại gần, phù hợp với phổ hấp thụ của các sắc tố quang hợp trong cây trồng như phytochrome, giúp tăng hiệu quả quang hợp và năng suất cây trồng. So với các bột huỳnh quang pha tạp ion đất hiếm truyền thống, vật liệu này có ưu điểm về chi phí thấp hơn do sử dụng nguyên liệu oxit kim loại chuyển tiếp phổ biến và quy trình chế tạo tiết kiệm năng lượng.

Hiện tượng dập tắt huỳnh quang do nồng độ pha tạp được quan sát rõ, phù hợp với lý thuyết truyền năng lượng không bức xạ giữa các ion kích hoạt. Việc điều chỉnh nồng độ pha tạp và nhiệt độ nung là yếu tố then chốt để tối ưu hiệu suất phát quang.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ PL và PLE, bảng so sánh hiệu suất lượng tử theo nồng độ pha tạp, cũng như ảnh FESEM minh họa sự thay đổi kích thước hạt theo nhiệt độ nung.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình chế tạo sol-gel: Đề xuất điều chỉnh pH dung dịch và thời gian gel hóa để kiểm soát kích thước hạt trong khoảng 200-500 nm, nhằm tăng hiệu suất phát quang và độ đồng đều sản phẩm. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu đảm nhận.

2. Điều chỉnh nồng độ pha tạp ion Mn4+ và Cr3+: Khuyến nghị duy trì nồng độ pha tạp tối ưu khoảng 1% để tránh hiện tượng dập tắt huỳnh quang, nâng cao hiệu suất lượng tử lên trên 50%. Thực hiện trong vòng 3 tháng bởi nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn.

3. Phát triển đèn LED chuyên dụng cho chiếu sáng nông nghiệp: Sử dụng bột huỳnh quang BaMgAl10O17 đồng pha tạp Mn4+ và Cr3+ để chế tạo chip LED có phổ phát xạ phù hợp với phổ hấp thụ của cây trồng, tăng hiệu quả quang hợp và giảm chi phí sản xuất. Thời gian phát triển sản phẩm dự kiến 12 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ chiếu sáng.

4. Nghiên cứu ứng dụng thực tế tại các vùng nông nghiệp: Thử nghiệm đèn LED mới trên các loại cây trồng phổ biến tại một số địa phương để đánh giá hiệu quả năng suất và tiết kiệm năng lượng. Thời gian thử nghiệm 1 năm, do các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang học và vật lý chất rắn: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc, tính chất quang học của vật liệu BaMgAl10O17 đồng pha tạp ion Mn4+ và Cr3+, làm cơ sở phát triển vật liệu huỳnh quang mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất đèn LED chiếu sáng nông nghiệp: Thông tin về quy trình chế tạo và đặc tính vật liệu giúp cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả chiếu sáng chuyên dụng.

3. Chuyên gia nông nghiệp công nghệ cao: Hiểu rõ về phổ ánh sáng phù hợp cho cây trồng, từ đó lựa chọn thiết bị chiếu sáng tối ưu nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

4. Giảng viên và sinh viên ngành vật lý, vật liệu và công nghệ chiếu sáng: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu huỳnh quang và ứng dụng trong chiếu sáng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu BaMgAl10O17 đồng pha tạp ion Mn4+ và Cr3+ có ưu điểm gì so với bột huỳnh quang truyền thống?
   Vật liệu này có chi phí thấp hơn do sử dụng ion kim loại chuyển tiếp thay vì ion đất hiếm, đồng thời phát quang ở vùng đỏ xa và hồng ngoại gần phù hợp với phổ hấp thụ của cây trồng, giúp tăng hiệu quả chiếu sáng nông nghiệp.

2. Phương pháp sol-gel có những ưu điểm gì trong chế tạo bột huỳnh quang?
   Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt thành phần và kích thước hạt, không cần môi trường chân không hay nhiệt độ cao, dễ dàng pha tạp nhiều ion với nồng độ mong muốn, phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

3. Tại sao cần điều chỉnh nồng độ pha tạp ion Mn4+ và Cr3+?
   Nồng độ pha tạp ảnh hưởng đến cường độ phát quang; vượt quá ngưỡng tới hạn sẽ gây hiện tượng dập tắt huỳnh quang do truyền năng lượng không bức xạ giữa các ion, làm giảm hiệu suất phát quang.

4. Phổ phát quang của ion Mn4+ và Cr3+ có phù hợp với nhu cầu chiếu sáng nông nghiệp không?
   Phổ phát quang của Mn4+ nằm trong vùng đỏ xa (~730 nm), Cr3+ trong vùng đỏ (~690 nm), phù hợp với phổ hấp thụ của phytochrome và các sắc tố quang hợp trong cây trồng, giúp tối ưu hóa quá trình quang hợp.

5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất đèn LED thương mại không?
   Có thể, với việc tối ưu quy trình chế tạo và điều chỉnh thành phần, vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất đèn LED chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao, giảm giá thành và nâng cao hiệu quả sử dụng.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình chế tạo bột huỳnh quang BaMgAl10O17 đồng pha tạp ion Mn4+ và Cr3+ bằng phương pháp sol-gel với cấu trúc tinh thể ổn định và hình thái hạt đồng đều.
• Vật liệu có phổ hấp thụ nằm trong vùng tử ngoại gần và ánh sáng xanh lam, phát huỳnh quang trong vùng đỏ xa và hồng ngoại gần, phù hợp với phổ hấp thụ của cây trồng.
• Hiệu suất lượng tử đạt khoảng 45-50% ở điều kiện tối ưu, với cường độ phát quang cao hơn khi đồng pha tạp Mn4+ và Cr3+.
• Nhiệt độ nung và nồng độ pha tạp là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất quang học và kích thước hạt.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu huỳnh quang giá rẻ, hiệu quả cho đèn LED chiếu sáng nông nghiệp, góp phần nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất.

Next steps: Tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, phát triển sản phẩm đèn LED chuyên dụng và thử nghiệm ứng dụng thực tế tại các vùng nông nghiệp.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực chiếu sáng nông nghiệp nên hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu, thúc đẩy phát triển công nghệ chiếu sáng xanh, tiết kiệm và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Các đặc tính quang học của bột huỳnh quang ứng dụng trong chiếu sáng rắn 1. Sự phát quang của bột huỳnh quang Bột huỳnh quang có cấu tạo gồm hai phần là chất nền và chất pha tạp hay còn gọi là tâm phát quang. Chất nền đóng vai trò chính trong việc tạo ra trường tinh thể tác dụng lên chất pha tạp gây ra hiện tượng tách mức năng lượng của chất pha tạp và ảnh hưởng đến các đặc tính quang của tâm phát quang.

Chất nền được chọn là những chất có độ bền nhiệt, bền cơ học, cấu trúc ổn định, độ rộng vùng cấm lớn. Chất pha tạp (tâm phát quang) là những nguyên tử hay ion có cấu hình điện tử với một số lớp chỉ lấp đầy một phần (các ion đất hiếm có lớp f chưa bị lấp đầy hoặc ion kim loại chuyển tiếp có lớp d chưa lấp đầy), có cấu trúc phù hợp với mạng nền và nhạy quang học. Chất pha tạp đóng vai trò là tâm phát huỳnh quang đa màu trong các mạng nền. Cơ chế phát quang của vật liệu phụ thuộc vào cấu hình điện tử của các tâm phát quang.

Đối với bột huỳnh quang có tâm phát quang là các ion kim loại chuyển tiếp, do có cấu hình điện tử không được điền đầy ở lớp ngoài nên khi đưa vào mạng nền, các ion này sẽ tương tác mạnh với trường tinh thể do mạng nền tạo ra dẫn đến sự phân tách các mức năng lượng của các ion. Sự tách mức năng lượng của ion kim loại chuyển tiếp dưới ảnh hưởng của trường tinh thể làm cho vùng hấp thụ và phát xạ thay đổi.1 mô tả sự phân tách các mức năng lượng của một số ion kim loại chuyển tiếp khi chịu ảnh hưởng của trường tinh thể. Sự phân tách các mức năng lượng của một số ion kim loại chuyển tiếp do tương tác tĩnh điện[26] Tiếp theo, các electron trong ion kim loại chuyển tiếp dịch chuyển lên các mức điện tử của lớp d chưa được điền đầy. Quá trình trở về trạng thái năng lượng ban đầu sẽ phát xạ ánh sáng.2(a) là sơ đồ mức năng lượng Tanabe - Sugano của các ion Mn4+.2(b) là sơ đồ chuyển mức năng lượng của ion trong vật liệu SrMg2La2W2O12: Mn4+ Tóm lại, chính sự dịch chuyển giữa các mức điện tử của lớp d chưa được điền đầy và ảnh hưởng của trường tinh thể do mạng nền gây ra quyết định tính chất quang học của ion kim loại chuyển tiếp trong mạng nền, dẫn đến các đặc tính quang hấp dẫn của bột huỳnh quang pha tạp ion kim loại chuyển tiếp.

Hiện tượng dập tắt huỳnh quang do nồng độ Cường độ phát quang của vật liệu phụ thuộc rất nhạy vào nồng độ các tâm phát quang (nồng độ pha tạp) trong mạng nền. Khi nồng độ các tâm phát quang không quá lớn, nếu tăng dần nồng độ pha tạp thì cường độ phát quang tăng dần bởi sự tăng lên của các tâm phát quang. Khi nồng độ của các tâm phát quang đạt tới giá trị ngưỡng nào đó (giá trị tới hạn), nếu tiếp tục tăng nồng độ pha tạp sẽ làm giảm cường độ phát quang của vật liệu. Hiện tượng này gọi là sự dập tắt huỳnh quang do nồng độ.3 mô tả sự phụ thuộc của cường độ phát quang cực đại của mẫu SrLaAlO4: Mn4+ vào nồng độ Mn4+.

Hiện tượng này xảy ra có thể là do một trong những nguyên nhân sau: - Do sự mất mát năng lượng kích thích từ trạng thái bức xạ khi xảy ra hiện tượng hồi phục ngang giữa các tâm phát quang. - Sự gia tăng nồng độ tâm kích hoạt làm cho năng lượng kích thích của các tâm suy giảm. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của cường độ phát quang cực đại của mẫu SrLaAlO4:Mn4+ vào nồng độ Mn4+[28] Hiện tượng dập tắt này xuất phát từ hiệu ứng truyền năng lượng giữa các ion xảy ra ở nồng độ cao. Xác suất truyền năng lượng tới các ion bên cạnh lớn hơn xác suất phân rã phát xạ.

Vì vậy, đối với mẫu có nồng độ tạp cao, năng lượng được truyền qua nhiều ion kích hoạt mà không phát ra bức xạ. Điều này làm suy giảm cường độ phát quang của mẫu. Hiện tượng này được giải thích thông qua hình 1. Sự dập tắt huỳnh quang khi nồng độ pha tạp thấp (a) và sự dập tắt huỳnh quang do pha tạp với nồng độ cao (b) e 11 Nếu xét đây là quá trình truyền năng lượng giữa các tâm giống nhau, khoảng cách tới hạn RC được định nghĩa là khoảng cách mà xác suất truyền năng lượng bằng xác suất phát xạ của các tâm.

Có hai phương pháp để xác định khoảng cách tới hạn RC là dựa vào phương trình Blasse (1.1) và phương trình Dexter (1.2) cho quá trình truyền năng lượng do tương tác lưỡng cực - lưỡng cực 3V 13 R C = 2( ) (1.2) Trong đó: XC là nồng độ tâm kích hoạt lúc bắt đầu xảy ra hiện tượng dập tắt và -2 N là tổng số tâm kích hoạt trong một ô cơ sở. P là 10 nếu đó là chuyển dời lưỡng cực điện được phép. Giá trị E và ∫fs(E)fa(E)dE được tính toán từ các phổ kích thích và bức xạ đã được chuẩn hóa. Dexter và cộng sự đã cho rằng, toàn bộ quá trình truyền năng lượng gồm gồm 5 bước: (1) sự hấp thụ một photon do tăng nhạy, (2) sự biến dạng của mạng nền do tăng nhạy, (3) truyền năng lượng đến tâm kích hoạt, (4) giải phóng tâm và chất tăng nhạy, (5) phát ra năng lượng.

Nồng độ giới hạn của tâm kích hoạt trong mạng nền ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát quang của vật liệu[30][31]. Blasse đã chỉ ra rằng, khoảng cách tới hạn RC xấp xỉ bằng hai lần tích của bán kính và thể tích ô cơ sở (phương trình 1. Hiệu suất lượng tử Hiệu suất lượng tử là một đặc trưng của vật liệu huỳnh quang.3) N ht Trong đó:  là hiệu suất lượng tử. Npx là số electron phát ra, Npx phụ thuộc vào sai hỏng, nồng độ pha tạp,… e 12 Nht là số electron hấp thụ.

Giá trị hiệu suất lượng tử của các bột huỳnh quang càng cao thì đèn LED hoạt động càng tốt.5 mô tả quang phổ hấp thụ và phát xạ của bột huỳnh quang. Quang phổ hấp thụ và phát xạ của bột huỳnh quang[44] Từ hình 1.5 ta có thể tính được hiệu suất lượng tử của bột huỳnh quang.5, có ba phổ: phổ ánh sáng kích thích từ nguồn (excited light -reference), excited light - sample biểu diễn phổ của phần ánh sáng không bị hấp thụ hết hoặc bị phản xạ, phổ phát xạ (luminescence light). Số photon phát xạ được tính bằng diện tích mặt phẳng bên dưới tạo bởi phổ luminescence light gọi là diện tích phổ phát quang. Số photon hấp thụ được tính bằng diện tích phần nằm giữa hai phổ excited light - reference và excited light.

Tóm lại, từ phổ hấp thụ và phát xạ ta có thể tính được hiệu suất lượng tử bằng cách xác định tỷ số giữa diện tích phổ phát xạ với diện tích phố hấp thụ. Độ ổn định nhiệt độ Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc, hình thái và tính chất quang của bột huỳnh quang. Ở điều kiện nhiệt độ thích hợp, bột huỳnh quang sẽ phát xạ với cường độ tốt nhất. Đối với mỗi loại bột huỳnh quang nhất định, cần tìm ra nhiệt độ phát xạ tốt nhất và giữ bột huỳnh quang ổn định ở nhiệt độ đó.

Độ ổn định nhiệt độ của bột huỳnh quang ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phát quang của bột huỳnh quang. Bột huỳnh quang cho phát xạ tốt ở nhiệt độ phòng và vẫn cho phát xạ tốt ở nhiệt độ từ 60 - 80 oC. Ở nhiệt độ cao hơn 125oC, hiệu suất phát quang của đèn huỳnh quang giảm. Do đó, cần chú ý đến độ ổn định nhiệt độ của bột huỳnh quang để đảm bảo hiệu suất phát quang của bột huỳnh quang.6 (a) mô tả cường độ phát quang của bột huỳnh quang ở các nhiệt độ khác nhau, Hình 1.6 (b) mô tả hiệu suất phát quang ở các nhiệt độ khác nhau.

(a) mô tả cường độ phát quang của bột huỳnh quang ở các nhiệt độ khác nhau, (b) mô tả hiệu suất phát quang ở các nhiệt độ khác nhau.[45] Dựa vào hình 1.6 (b), ở nhiệt độ khoảng 60oC thì bột huỳnh quang sẽ có hiệu suất phát quang tốt nhất. Bắt đầu từ nhiệt độ lớn hơn 150 oC thì sự dập tắt e 14 huỳnh quang sẽ xảy ra. Do vậy, cần chú ý đến độ ổn định nhiệt độ của bột huỳnh quang để đảm bảo hiệu suất phát quang. Hình thái và kích thước Hình dạng, kích thước của hạt vật liệu có vai trò quan trọng, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phát quang của vật liệu.

Khi sự phát quang xảy ra, các tia bức xạ sẽ bị tán xạ, khúc xạ, tương tác với hạt vật liệu. Trong vật liệu huỳnh quang, các hạt đồng đều nhau và có dạng hình cầu thì hiệu suất phát quang sẽ cao hơn. Kích thước của các hạt thường từ nanomet đến vài micromet tùy từng lĩnh vực. Các loại bột huỳnh quang 1.

Bột huỳnh quang truyền thống Bột huỳnh quang truyền thống sử dụng nguyên liệu calcium halophosphate. Bột huỳnh quang calcium halophosphate được hoạt hóa với các ion Sb3+, Mn2+ hấp thụ bước sóng 254nm do hơi thủy ngân phát ra và phát ra ánh sáng nhìn thấy. Bột huỳnh quang calcium halophosphate được hoạt hóa ion Sb3+ và Mn2+ ứng dụng chủ yếu trong các đèn huỳnh quang phát ra ánh sáng trắng trong công nghiệp. Halophosphate với thành phần Ca5(PO4)3X (X= F, Cl) đóng vai trò là mạng nền.

Ion Sb3+ và Mn2+ có khả năng thay thế Ca2+ trong mạng nền và đóng vai trò chính trong sự phát quang của bột huỳnh quang. Quá trình phát ánh sáng trắng như sau: Ion Sb3+ hấp thụ bức xạ từ hơi thủy ngân (~254nm) và phát ra ánh sáng xanh da trời[32]. Mn2+ hầu như không hấp thụ bức xạ từ hơi thủy ngân mà chỉ nhận năng lượng hấp thụ bởi Sb3+ và phát ra ánh sáng đỏ - cam (~580nm). Ánh sáng xanh do Sb3+ phát ra kết hợp với ánh sáng đỏ - cam do Mn2+ phát ra tạo ra ánh sáng trắng.7 là phổ phát huỳnh quang của calcium halophosphate A: ion Sb3+, B: ion Mn2+, C: Halophosphate phát ánh sáng trắng.8 mô tả phổ huỳnh quang của bóng đèn sử dụng bột Halophosphate e 15 Hình 1.

Phổ phát huỳnh quang của calcium halophosphate A: ion Sb3+, B: ion Mn2+, C: Halophosphate phát ánh sáng trắng[32] Hình 1.8 Phổ huỳnh quang của bóng đèn sử dụng bột Halophosphate[32] Đèn huỳnh quang sử dụng bột huỳnh quang calcium halophosphate là nguyên liệu rẻ góp phần giảm giá thành sản xuất. Tuy nhiên, đèn huỳnh quang e 16 tỏa ra lượng nhiệt khá lớn.