Nghiên cứu chế tạo và tính chất vật liệu Zn2SiO4 và Zn2SnO4 không pha tạp và pha tạp ion Mn2+, Cr3+

COPYRIGHT DECLARATION

ACKNOWLEDGEMENTS

1. BRIEF INTRODUCTION

1.1. Background of Luminescence

1.2. Background of Transition Metal (TM) ions in the crystal field

1.3. The effect of crystal fields on the separation of TM ions

1.3.1. Tanabe-Sugano diagrams

1.3.2. Energy levels of Mn2+ ion in a crystal field

1.3.3. Energy levels of Cr3+ ion in a crystal field

1.4. Literature review of transition metal (Mn2+, Cr3+) doped Zn2SiO4 and Zn2SnO4 phosphors

1.5. Structure and optical properties of Zn2SiO4: Mn2+

1.6. Structure and optical properties of Zn2SnO4, Zn2SnO4:Mn2+

1.7. Phosphor-based LEDs

1.7.1. Phosphor-based LEDs

1.7.2. LED application in agricultural lighting

1.8. Synthesis of Zn2SiO4, Zn2SiO4:Mn2+, Zn2SnO4, Zn2SnO4:Mn2+, Zn2SnO4:Cr3+, Zn2SnO4:Cr3+, Al3+

1.8.1. Synthesis of Zn2SiO4

1.8.2. Synthesis of Zn2SiO4: Mn2+

1.8.3. Synthesis of Zn2SnO4

1.8.4. Synthesis of Zn2SnO4:Mn2+

1.8.5. Synthesis of Zn2SnO4:Cr3+ and Zn2SnO4:Cr3+, Al3+

1.9. LED package process

1.9.1. LED package process

2. STRUCTURE AND OPTICAL PROPERTIES OF Zn2SiO4 AND Zn2SiO4:Mn2+ PHOSPHORS

2.1. Structure and optical properties of Zn2SiO4 phosphors

2.2. X-ray diffraction of Zn2SiO4

2.3. Phosphor morphology of Zn2SiO4

2.4. Vibrational analysis: Raman spectra of Zn2SiO4

2.5. Structure and optical properties of Zn2SiO4:Mn2+ phosphors

2.6. X-ray diffraction of Zn2SiO4:Mn2+

2.7. Phosphor morphology of Zn2SiO4:Mn2+

2.8. Vibrational analysis of Zn2SiO4:Mn2+

2.9. Optical properties of Zn2SiO4:Mn2+

2.10. Thermoluminescence (TL) properties and Decay time of Mn2+ doped Zn2SiO4

2.11. Application of Mn2+ doped Zn2SiO4 on UV LED

3. STRUCTURE AND OPTICAL PROPERTIES OF Zn2SnO4 AND Zn2SnO4:Mn2+ PHOSPHORS

3.1. Structural and optical properties of Zn2SnO4 phosphors

3.2. X-ray diffraction of Zn2SnO4

3.3. Optical properties of Zn2SnO4

3.4. Structural and optical properties of Zn2SnO4:Mn2+

3.5. X-ray diffraction of Zn2SnO4:Mn2+

3.6. Phosphor morphology of Zn2SnO4:Mn2+

3.7. Optical properties of Zn2SnO4:Mn2+

3.8. Decay time of 5%Mn2+ doped Zn2SnO4

3.9. Temperature-dependent PL and internal quantum efficiency of Zn2SnO4:5%Mn2+ phosphors

3.10. Application of un-doped and Mn2+ doped Zn2SnO4 on LED

4. OPTICAL PROPERTIES OF Zn2SnO4:Cr3+ AND Zn2SnO4:Cr3+, Al3+ FOR PLANT CULTIVATION LED

4.1. Structural and optical properties of Zn2SnO4:Cr3+ phosphors

4.2. X-ray diffraction of Zn2SnO4:Cr3+

4.3. Phosphor morphology of Zn2SnO4:Cr3+

4.4. Optical properties of Zn2SnO4:Cr3+

4.5. Application of the prepared phosphor for fabricating infrared LEDs

4.6. Structural and optical properties of Zn2SnO4:Cr3+, Al3+ phosphors

4.7. X-ray diffraction and FESEM of Zn2SnO4:Cr3+,Al3+

4.8. Crystal field analysis

4.9. The effect of Al3+ on optical properties of ZTO: Cr3+

4.10. Application of the prepared phosphor

CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS

LIST OF ACRONYMS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

I. Vật liệu Zn2SiO4 và Zn2SnO4

Nghiên cứu tập trung vào vật liệu Zn2SiO4 và vật liệu Zn2SnO4, hai loại vật liệu bán dẫn có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và quang học. Vật liệu Zn2SiO4 được biết đến với cấu trúc tinh thể willemite, trong khi vật liệu Zn2SnO4 có cấu trúc spinel. Cả hai vật liệu này đều được nghiên cứu để tối ưu hóa tính chất quang học và điện tử thông qua các phương pháp chế tạo khác nhau. Các kết quả từ nghiên cứu cho thấy, vật liệu Zn2SiO4 và vật liệu Zn2SnO4 có khả năng phát quang tốt, đặc biệt khi được pha tạp với các ion kim loại chuyển tiếp như Mn2+ và Cr3+.

1.1. Chế tạo vật liệu Zn2SiO4

Quá trình chế tạo vật liệu Zn2SiO4 bao gồm các bước nghiền cơ học năng lượng cao (HEBM) và ủ nhiệt. Các mẫu được nghiền trong 40 giờ và ủ ở nhiệt độ từ 500°C đến 1350°C. Kết quả XRD cho thấy sự hình thành pha tinh thể Zn2SiO4 rõ ràng ở nhiệt độ 1250°C. Hình thái học của vật liệu được phân tích bằng FESEM, cho thấy sự thay đổi kích thước hạt theo nhiệt độ ủ. Vật liệu Zn2SiO4 không pha tạp có khả năng phát quang dưới ánh sáng UV, với cơ chế phát quang liên quan đến các khuyết tật trong mạng tinh thể.

1.2. Chế tạo vật liệu Zn2SnO4

Vật liệu Zn2SnO4 được chế tạo bằng phương pháp tương tự, với quá trình nghiền và ủ nhiệt. Các mẫu được ủ ở nhiệt độ từ 600°C đến 1200°C, và kết quả XRD cho thấy sự hình thành pha tinh thể Zn2SnO4 ở nhiệt độ 1000°C. Vật liệu Zn2SnO4 không pha tạp cũng thể hiện tính chất phát quang, với các đỉnh phổ PL liên quan đến các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể. Các phân tích UV-Vis và PL cho thấy vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử.

II. Pha tạp ion Mn2 và Cr3

Nghiên cứu cũng tập trung vào việc pha tạp ion Mn2+ và pha tạp ion Cr3+ vào vật liệu Zn2SiO4 và vật liệu Zn2SnO4 để cải thiện tính chất quang học. Ion Mn2+ và ion Cr3+ được chọn do khả năng tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng cấm của vật liệu, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất phát quang. Các kết quả cho thấy, vật liệu pha tạp có hiệu suất phát quang cao hơn so với vật liệu không pha tạp, đặc biệt là trong các ứng dụng LED.

2.1. Pha tạp ion Mn2

Pha tạp ion Mn2+ vào vật liệu Zn2SiO4 và vật liệu Zn2SnO4 được thực hiện bằng cách thêm MnO2 vào hỗn hợp nguyên liệu ban đầu. Kết quả XRD cho thấy sự thay đổi cấu trúc tinh thể khi pha tạp Mn2+, với sự xuất hiện của các pha mới. Các phân tích PL cho thấy, vật liệu Zn2SiO4 pha tạp Mn2+ có đỉnh phát quang ở bước sóng 525 nm, trong khi vật liệu Zn2SnO4 pha tạp Mn2+ có đỉnh phát quang ở bước sóng 740 nm. Hiệu suất phát quang của các vật liệu này tăng lên đáng kể so với vật liệu không pha tạp.

2.2. Pha tạp ion Cr3

Pha tạp ion Cr3+ vào vật liệu Zn2SnO4 được thực hiện bằng cách thêm Cr2O3 vào hỗn hợp nguyên liệu. Kết quả XRD cho thấy sự thay đổi cấu trúc tinh thể khi pha tạp Cr3+, với sự xuất hiện của các pha mới. Các phân tích PL cho thấy, vật liệu Zn2SnO4 pha tạp Cr3+ có đỉnh phát quang ở bước sóng 730 nm, tương ứng với sự chuyển dời năng lượng của ion Cr3+. Hiệu suất phát quang của vật liệu này cũng tăng lên đáng kể, đặc biệt là trong các ứng dụng LED hồng ngoại.

III. Tính chất vật liệu và ứng dụng

Nghiên cứu đã phân tích sâu về tính chất vật liệu của vật liệu Zn2SiO4 và vật liệu Zn2SnO4, cả không pha tạp và pha tạp. Các tính chất quang học, điện tử và cấu trúc được đánh giá thông qua các phương pháp như XRD, FESEM, PL, và UV-Vis. Kết quả cho thấy, vật liệu pha tạp có tính chất quang học vượt trội so với vật liệu không pha tạp, đặc biệt là trong các ứng dụng LED. Vật liệu Zn2SiO4 pha tạp Mn2+ được sử dụng để chế tạo LED phát ánh sáng xanh lục, trong khi vật liệu Zn2SnO4 pha tạp Cr3+ được sử dụng trong LED hồng ngoại.

3.1. Tính chất hóa học và vật lý

Tính chất hóa học và tính chất vật lý của vật liệu Zn2SiO4 và vật liệu Zn2SnO4 được phân tích thông qua các phương pháp XRD, FESEM, và Raman. Kết quả cho thấy, cấu trúc tinh thể của các vật liệu này ổn định ở nhiệt độ cao, với sự thay đổi kích thước hạt và hình thái học theo nhiệt độ ủ. Vật liệu pha tạp có sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc tinh thể, dẫn đến sự cải thiện trong tính chất quang học.

3.2. Ứng dụng vật liệu

Ứng dụng vật liệu trong các thiết bị LED là trọng tâm của nghiên cứu. Vật liệu Zn2SiO4 pha tạp Mn2+ được sử dụng để chế tạo LED phát ánh sáng xanh lục, với hiệu suất phát quang cao và độ ổn định tốt. Vật liệu Zn2SnO4 pha tạp Cr3+ được sử dụng trong LED hồng ngoại, với khả năng phát quang ở bước sóng 730 nm. Các kết quả từ nghiên cứu cho thấy tiềm năng lớn của các vật liệu này trong các ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu Zn2SiO4 và Zn2SnO4 không pha tạp và pha tạp ion Mn2+, Cr3+