Luận văn thạc sĩ vật lý chất rắn nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang ba1 x ycaxsryal2o4 eu2 cr3 phát bức xạ lục lam cyan và đỏ ứng dụng chế tạo đèn led trắng toàn phổ

Luận văn về vật liệu huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ phát xạ lục lam và đỏ, ứng dụng trong đèn LED trắng toàn phổ. Nghiên cứu chuyên sâu vật lý chất rắn.

• Tác giả: Nguyễn Thị Tùng Loan
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Minh Thủy
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu Chế tạo Vật Liệu Huỳnh Quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ Phát Bức Xạ Lục Lam (Cyan) Và Đỏ Ứng Dụng Chế Tạo Đèn Led Trắng Toàn Phổ
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bình Định

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu huỳnh quang cho đèn LED trắng toàn phổ

Trong bối cảnh ngành chiếu sáng ngày càng phát triển, đèn LED trắng toàn phổ đang dần chiếm lĩnh thị trường nhờ những ưu điểm vượt trội so với các nguồn sáng truyền thống. Những ưu điểm đó bao gồm: kích thước nhỏ gọn, thân thiện với môi trường, tuổi thọ cao, tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao. Vật liệu huỳnh quang đóng vai trò then chốt trong việc quyết định hiệu suất, màu sắc và chất lượng ánh sáng của đèn LED. Các thế hệ bột huỳnh quang không ngừng được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của công nghệ chiếu sáng. Từ những phát hiện ban đầu về khả năng phát quang của các khoáng chất chứa lưu huỳnh, đến các vật liệu dựa trên muối Tungstate, nitơ, halophosphates, và gần đây là các mạng nền đất hiếm-AG (aluminum garnet) và Akermanites, mỗi thế hệ vật liệu đều mang đến những cải tiến đáng kể. Mạng nền Aluminates, với độ bền hóa lý cao và hiệu suất quang tốt, đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng rắn, hứa hẹn mang lại những đèn LED có chất lượng cao, chỉ số hoàn màu CRI cao và nhiệt độ màu CCT phù hợp với nhu cầu sử dụng của con người. Theo nghiên cứu, chỉ số hoàn màu CRI là một thông số ánh sáng đơn giản và hữu ích giúp dự đoán chất lượng chiếu sáng của sản phẩm chiếu sáng tốt hay không.

1.1. Lịch sử phát triển vật liệu huỳnh quang cho chiếu sáng

Vật liệu huỳnh quang đầu tiên dựa trên các mạng nền chứa lưu huỳnh (BaSO4, BaS) có thể phát quang dưới ánh sáng mặt trời. Các phát xạ vàng (ZnS, (Zn, Cd):Ag+), xanh lam (ZnS:Ag+), xanh lục ((Zn, Cd):Cu+, Al3+) đã có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như màn hình rađa, tivi màu. Loại mạng nền dựa trên muối Tungstate (CaWO4, MgWO4) cho phát xạ xanh lam cũng được nghiên cứu mạnh cùng thời điểm này, cho các ứng dụng rộng rãi trong đèn huỳnh quang. Mặc dù có cường độ phát quang lớn nhưng hạn chế về độ bền và sự ổn định hóa học.

1.2. Vai trò của vật liệu huỳnh quang trong đèn LED trắng

Vật liệu huỳnh quang đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi ánh sáng từ chip LED (thường là xanh lam hoặc tử ngoại) thành ánh sáng trắng. Các vật liệu này hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn và phát ra ánh sáng có bước sóng dài hơn, tạo ra sự pha trộn màu sắc cần thiết để tạo ra ánh sáng trắng. Hiệu suất phát quang, độ bền nhiệt, và tính ổn định hóa học của vật liệu huỳnh quang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của đèn LED. Theo nghiên cứu, chỉ số hoàn màu CRI là một thông số ánh sáng đơn giản và hữu ích giúp dự đoán chất lượng chiếu sáng của sản phẩm chiếu sáng tốt hay không.

II. Thách thức CRI thấp và giải pháp vật liệu Ba1 x y CaxSryAl2O4

Một vấn đề nan giải của đèn LED hiện nay là chỉ số hoàn màu CRI thấp. CRI phản ánh độ trung thực của màu sắc dưới ánh sáng của đèn. Các phương pháp phổ biến để tạo ra đèn LED trắng thường sử dụng bột huỳnh quang vàng YAG:Ce3+ phủ lên chip LED xanh lam, hoặc kết hợp chip gần tử ngoại (n-UV) với ba loại bột huỳnh quang đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Tuy nhiên, các phương pháp này thường thiếu vùng phổ ánh sáng trong vùng 480 nm-520 nm (cyan) và/hoặc thiếu thành phần quang phổ màu đỏ, dẫn đến CRI thấp (Ra <80). Nghiên cứu về vật liệu huỳnh quang phát xạ cyan trên mạng nền Aluminate Ba0.05Al2O4: Eu2+ đã góp phần bù ánh sáng cyan bị thiếu, giúp tăng chỉ số hoàn màu CRI. Tuy nhiên, phổ phát quang của đèn vẫn thiếu phần ánh sáng đỏ xa, khiến chỉ số R9 vẫn thấp. Đề tài này đề xuất đồng pha tạp thêm ion Cr3+ vào vật liệu Ba0.05Al2O4: Eu2+ để bổ sung ánh sáng đỏ, kỳ vọng nâng cao cả hệ số hoàn màu và chỉ số R9.

2.1. Tại sao đèn LED trắng thường có CRI thấp

Nguyên nhân chính là do sự thiếu hụt các thành phần quang phổ quan trọng, đặc biệt là ánh sáng cyan (480-520 nm) và ánh sáng đỏ. Các phương pháp tạo đèn LED trắng truyền thống thường không tái tạo đầy đủ các màu sắc trong quang phổ, dẫn đến sự sai lệch màu sắc khi quan sát vật thể dưới ánh sáng đèn. Việc thiếu ánh sáng đỏ cũng ảnh hưởng đến khả năng hiển thị các tông màu da và các vật thể có màu đỏ. Đèn led có giá trị R9 cao sẽ tạo ra màu sắc sống động.

2.2. Ưu điểm của vật liệu Ba1 x y CaxSryAl2O4 Eu2 Cr3

Việc sử dụng vật liệu huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ hứa hẹn giải quyết vấn đề CRI thấp bằng cách phát ra cả ánh sáng lục lam (cyan) và ánh sáng đỏ, bù đắp cho sự thiếu hụt trong quang phổ của các đèn LED trắng truyền thống. Việc đồng pha tạp ion Cr3+ vào mạng nền giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng xanh lam và phát ra ánh sáng đỏ, cải thiện đáng kể độ trung thực màu sắc và chỉ số R9. Theo tài liệu gốc, nhóm nghiên cứu đã chế tạo đèn LED trắng có quang phổ là ánh sáng trắng ấm với chỉ số hoàn màu cao (Ra) là 91 và nhiệt độ màu thấp (CCT) là 3645 K.

2.3 Chỉ số hoàn màu CRI và chỉ số R9 Vai trò và tầm quan trọng

Chỉ số hoàn màu (CRI) và chỉ số R9 là hai chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng ánh sáng của đèn LED. CRI đánh giá khả năng tái tạo màu sắc trung thực của nguồn sáng so với ánh sáng tự nhiên. R9, đại diện cho màu đỏ, là một trong những màu thử quan trọng để đánh giá khả năng hiển thị màu sắc sống động và chính xác. Một đèn LED có cả CRI và R9 cao sẽ tạo ra ánh sáng có độ bão hòa cao, chất lượng hình ảnh trung thực, sống động và sắc nét.

III. Chế tạo vật liệu Ba1 x y CaxSryAl2O4 Phương pháp nổ tối ưu

Luận văn sử dụng phương pháp nổ (combustion method) để chế tạo vật liệu huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+. Đây là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và tiết kiệm chi phí để tổng hợp các vật liệu oxit. Bằng cách kiểm soát các thông số của quá trình nổ, như nhiệt độ nung và tỉ lệ chất đốt, có thể điều chỉnh cấu trúc và tính chất quang của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ các cation Ba2+/Ca2+/Sr2+ và tỉ lệ % mol pha tạp Cr3+ đến cấu trúc và tính chất quang của vật liệu, cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ nung và % mol chất đốt (urê) đến sự hình thành pha của vật liệu.

3.1. Ưu điểm của phương pháp nổ Combustion Method

Phương pháp nổ mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp tổng hợp truyền thống, bao gồm thời gian phản ứng ngắn, nhiệt độ phản ứng thấp, và khả năng tạo ra các hạt nano có độ đồng đều cao. Phương pháp này cũng dễ dàng kiểm soát thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu, cho phép điều chỉnh các tính chất quang theo yêu cầu. Phương pháp nổ cho phép chế tạo vật liệu trên mạng nền BCSA một cách hiệu quả.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình chế tạo vật liệu, bao gồm tỉ lệ các cation Ba2+/Ca2+/Sr2+, tỉ lệ % mol pha tạp Cr3+, nhiệt độ nung, và % mol chất đốt (urê). Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được vật liệu có cấu trúc và tính chất quang mong muốn. Theo tài liệu gốc, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố này đến sự hình thành pha của vật liệu là một trong những nội dung nghiên cứu quan trọng của luận văn.

IV. Khảo sát đặc trưng vật liệu và ứng dụng trong đèn LED toàn phổ

Luận văn tiến hành khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt, kích thước hạt, thành phần hóa học và tính chất quang của vật liệu Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ bằng các kỹ thuật hiện đại như XRD, FESEM, FTIR, EDX và Raman. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tập trung vào việc chế tạo đèn LED bằng cách phủ bột huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ lên chip LED xanh lam, và chế tạo đèn LED trắng ấm bằng cách phủ hỗn hợp bột huỳnh quang chế tạo được và bột đỏ thương mại lên chip LED xanh lam. Các thông số của đèn LED được đo đạc và so sánh với các kết quả khác để đánh giá hiệu quả của vật liệu mới.

4.1. Các kỹ thuật phân tích vật liệu huỳnh quang BCSA

Các kỹ thuật phân tích như XRD, FESEM, FTIR, EDX và Raman cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc, hình thái, thành phần và tính chất của vật liệu. XRD giúp xác định cấu trúc tinh thể và pha, FESEM cho phép quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt, FTIR cung cấp thông tin về các liên kết hóa học, EDX phân tích thành phần hóa học, và Raman spectra tiết lộ thông tin về cấu trúc phân tử và dao động mạng tinh thể.

4.2. Quy trình chế tạo đèn LED sử dụng vật liệu mới

Quy trình chế tạo đèn LED bao gồm việc phủ bột huỳnh quang lên chip LED (thường là xanh lam hoặc tử ngoại) bằng các phương pháp như phun, tráng, hoặc trộn với chất kết dính. Sau đó, đèn được đóng gói và kiểm tra các thông số như hiệu suất phát quang, chỉ số hoàn màu CRI, tọa độ màu CIE, và nhiệt độ màu CCT. Để tạo ra đèn LED trắng ấm, có thể sử dụng hỗn hợp bột huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ và bột đỏ thương mại để điều chỉnh phổ phát xạ. Các công đoạn này rất quan trọng để có được đèn LED chất lượng cao.

4.3 Các thông số quan trọng của đèn LED cần đánh giá

Các thông số quan trọng của đèn LED cần đánh giá bao gồm: Phổ điện quang, hiệu suất đèn, chỉ số hoàn màu (CRI), tọa độ màu (CIE), nhiệt độ màu (CCT), hiệu suất chuyển đổi điện quang. Các thông số này cho phép đánh giá chất lượng ánh sáng, hiệu quả năng lượng và khả năng tái tạo màu sắc của đèn LED. Theo tài liệu, các thông số đặc trưng như: Phổ điện quang, hiệu suất đèn, chỉ số hoàn màu (CRI), tọa độ màu (CIE), nhiệt độ màu (CCT), hiệu suất chuyển đổi điện quang. sẽ được đo đạc và so sánh.

V. Kết quả nghiên cứu và triển vọng của vật liệu huỳnh quang BCSA

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc đồng pha tạp Cr3+ vào vật liệu Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+ có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất quang của vật liệu. Sự pha tạp này giúp mở rộng phổ phát xạ, cải thiện hiệu suất phát quang và nâng cao chỉ số hoàn màu CRI. Các đèn LED chế tạo từ vật liệu mới hứa hẹn mang lại ánh sáng trắng toàn phổ với độ trung thực màu sắc cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường chiếu sáng. Các kết quả tổng hợp, nghiên cứu trong luận văn có thể được xem như tài liệu khoa học hỗ trợ cho học tập và nghiên cứu.

5.1. Ảnh hưởng của Cr3 đến tính chất phát quang của BCSA

Ion Cr3+ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh phổ phát xạ của vật liệu Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+. Cr3+ vừa là tâm phát xạ đỏ (650 nm - 700 nm) vừa thay đổi trường tinh thể xung quanh ion Eu2+ giúp tăng hấp thụ trong vùng ánh sáng xanh lam (420 nm - 460 nm). Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phát quang của Cr3+ trong mạng nền BCSA có thể giúp tối ưu hóa vật liệu cho các ứng dụng chiếu sáng khác nhau.

5.2. Tiềm năng ứng dụng thực tiễn và thương mại hóa

Vật liệu huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm chiếu sáng gia đình, chiếu sáng công nghiệp, màn hình hiển thị, và các thiết bị y tế. Việc thương mại hóa vật liệu này có thể góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và tiết kiệm năng lượng. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu huỳnh quang BCSA mở ra tiềm năng tạo ra đèn LED trắng có phổ phát xạ tự nhiên như ánh sáng mặt trời.

VI. Kết luận Hướng đi mới cho vật liệu và đèn LED toàn phổ

Nghiên cứu và chế tạo vật liệu huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ mở ra một hướng đi mới trong việc phát triển đèn LED trắng toàn phổ với độ trung thực màu sắc cao và hiệu suất vượt trội. Mặc dù còn nhiều thách thức phía trước, nhưng những kết quả ban đầu cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu này trong việc thay thế các nguồn sáng truyền thống và mang lại lợi ích cho xã hội. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo, nâng cao hiệu suất phát quang, và giảm giá thành vật liệu, từ đó thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

6.1. Các hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa vật liệu

Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phát quang của ion Eu2+ và Cr3+ trong mạng nền Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố khác như kích thước hạt, hình thái bề mặt, và độ tinh khiết đến tính chất quang của vật liệu. Bên cạnh đó, cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp vật liệu hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí hơn, và thân thiện với môi trường hơn.

6.2. Đánh giá tính khả thi và tiềm năng thương mại hóa

Đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế của việc sản xuất vật liệu Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+, Cr3+ ở quy mô lớn. Nghiên cứu thị trường để xác định nhu cầu và tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực khác nhau. Xây dựng quan hệ đối tác với các doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu để thúc đẩy quá trình thương mại hóa vật liệu và đưa sản phẩm ra thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về vật liệu huỳnh quang và LED trắng Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị 8 C ƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HUỲNH QUANG VÀ LED TRẮNG 1. Tình hình nghiên cứu vật liệu huỳnh quang và WLED tại Việt Nam Trong lĩnh vực chiếu sáng, đối với đèn LED trắng thì các thông số như hiệu suất phát quang (LE), nhiệt độ màu (CCT), và chỉ số hoàn màu (CRI) rất quan trọng quyết định chất lượng ánh sáng của đèn [16]. Trong đó, chỉ số hoàn màu CRI, được xem là thông số rất quan trọng vì CRI phản ánh và định lượng mức độ trung thực của nguồn sáng [36]. Vì vậy nguồn sáng có CRI càng cao thì độ trung thực màu càng tốt.

Đối với ánh sáng trắng có Ra > 80 được dùng để chiếu sáng trong nhà, khi được chiếu sáng bằng các nguồn sáng có CRI cao thì các vật thể trông tự nhiên và tạo cảm giác dễ chịu cho mắt người [23]¸ [37]. Tuy nhiên, hiện nay, đối với đèn LED phosphor (pc-WLED) thì các đèn LED trắng điển hình thường được tạo ra bằng cách phủ bột huỳnh quang vàng lên chip LED xanh lam InGaN. Các đèn LED này cho phổ ánh sáng trắng có CRI thấp (Ra < 80). Nguyên nhân là vì trong phổ huỳnh quang của các đèn này bị thiếu ánh sáng lục lam (cyan) và thiếu thành phần quang phổ màu đỏ.

Để khắc phục hạn chế trên, các nhà khoa học đã đề xuất phương pháp chế tạo WLED bằng cách kết hợp chip LED gần tia cực tím (n-UV; 380-420 nm) với hỗn hợp các bột huỳnh quang ba màu (đỏ, lục và lam). Ưu điểm của đèn LED này là quang phổ của đèn là ánh sáng trắng chất lượng cao với độ đồng nhất quang phổ cao và giá trị CRI tốt [25], [31]. Tuy nhiên, quang phổ của đèn này vẫn thiếu thành phần ánh sáng lục lam (480 nm - 520 nm). Ở Việt Nam, trước 2015, các nghiên cứu chế tạo các loại bột huỳnh quang ứng dụng trong chiếu sáng rắn vẫn chưa được quan tâm và phát triển mạnh.

Một số nhóm nghiên cứu phát triển bột huỳnh quang tiêu biểu như nhóm giáo sư Phạm Thành Huy và cộng sự. Các đề tài lớn của nhóm nghiên cứu này tập trung phát triển các bột huỳnh quang hiệu suất cao để ứng dụng trong LED trắng [31] và LED nông nghiệp [25], [30]. Tuy nhiên, các nghiên cứu của nhóm chưa có công bố nào về vật liệu huỳnh quang phát xạ cyan và đỏ. Từ việc khảo sát các nghiên cứu về vật liệu 9 huỳnh quang của các nhà khoa học trong nước, chúng tôi nhận thấy hầu như có rất ít các công bố về bột huỳnh quang phát xạ cyan và đỏ để nâng cao chỉ số hoàn màu của đèn LED trắng.

Tính ch t quang của vật liệu huỳnh quang 1. Tổng quan về hiện tượng phát quang 1. Định nghĩa Trong thế giới vật chất có rất nhiều chất có khả năng hấp thụ năng lượng bên ngoài và sử dụng năng lượng hấp thụ được đó cung cấp cho các phân tử, nguyên tử. Các phân tử, nguyên tử được cung cấp năng lượng đang ở trạng thái cân bằng nhiệt động - trạng thái cơ bản dịch chuyển lên trạng thái kích thích - trạng thái không cân bằng nhiệt động rồi từ đó phát ra bức xạ và dịch chuyển về trạng thái cơ bản.

Những chất có tính chất trên được gọi là chất phát quang và hiện tượng bức xạ như vậy được gọi là hiện tượng phát quang [1]. Phân loại Ta có thể phân loại hiện tượng phát quang bằng nhiều cách, ở đây ta phân loại hiện tượng phát quang theo thời gian sống của bức xạ thì hiện tượng phát quang được chia làm 2 loại: huỳnh quang và lân quang. Gọi τ là khoảng thời gian phát ra bức xạ của vật liệu sau khi ngừng kích thích, hay gọi là thời gian sống của bức xạ. Lúc này người ta phân loại hiện tượng phát quang như sau: - Quá trình phát quang có τ<10-8 s được gọi là quá trình huỳnh quang.

- Quá trình phát quang có τ>10-8 s được gọi là quá trình lân quang. Vậy nên quá trình huỳnh quang là quá trình phát quang xảy ra gần như đồng thời với quá trình hấp thụ năng lượng của vật chất và tắt ngay khi ngừng kích thích. 10 Còn quá trình lân quang là quá trình phát quang kéo dài rất lâu sau khi ngừng kích th ch và được đặc trưng bởi sự trễ giữa quá trình hấp thụ năng lượng từ bên ngoài và thời gian tiến đến bức xạ cực đại. Mặt khác, trong quá trình lân quang vì thời gian trễ có thể rất lớn, do đó để tiện khảo sát người ta còn phân lân quang ra làm hai loại: lân quang ngắn với τ0 ≤10-4 s và lân quang dài với τ0 ≥10-4 s [6].

Qua nhiều thực nghiệm người ta đã chỉ ra rằng, thời gian phát quang trong quá trình lân quang phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ của vật liệu còn thời gian phát quang trong quá trình huỳnh quang lại rất ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Các chuyển dời hấp thụ và bức xạ quang trong chất bán dẫn Trong chất bán dẫn, các điện tử có thể chuyển đổi giữa hai trạng thái năng lượng và tạo ra hoặc phá hủy các photon trong quá trình này. Đặc biệt, các chuyển đổi giữa vùng dẫn và vùng hóa trị (‘chuyển tiếp giữa các băng’) hoạt động về mặt quang học, vì vùng dẫn dưới thường bao gồm các trạng thái giống s trong khi vùng hóa trị trên bao gồm các trạng thái giống p. Phát xạ tự phát, phát xạ hấp thụ và phát xạ k ch th ch đều có thể diễn ra giữa trạng thái vùng dẫn và trạng thái vùng hóa trị.

Quá trình hấp thụ: các thành phần để hấp thụ quang học là một photon tới, một trạng thái năng lượng vùng hóa trị được chiếm bởi một điện tử, và một trạng thái năng lượng vùng dẫn trống. Ở trạng thái cân bằng, vùng hóa trị chủ yếu là đầy và vùng dẫn hầu hết là trống, vì vậy các điều kiện này dễ dàng được đáp ứng. Nhớ lại rằng sự hấp thụ quang học giữa hai trạng thái trong nguyên tử chỉ xảy ra đối với phổ hẹp của năng lượng photon (độ rộng vạch của quá trình chuyển đổi). Ngược lại, hiện tượng hấp thụ quang trong chất bán dẫn có thể xảy ra trên một phạm vi rộng của năng lượng photon, miễn là năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm (Hình 1.

Vì quá trình hấp thụ tạo ra một điện tử trong vùng dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa trị, nên nó còn được gọi là quá trình tạo quang. Lưu ý rằng các điện tử được tạo ra ở năng lượng cao hơn biên vùng sẽ nhanh chóng giãn xuống các trạng thái năng lượng của vùng dẫn thấp nhất (trạng thái cạnh vùng) bằng cách 11 giải phóng các phonon. Tương tự, các lỗ được tạo sâu trong vùng hóa trị sẽ ‘nổi lên’ đến mép vùng hóa trị. Quá trình h p thụ và phát xạ trong ch t bán dẫn Quá trình phát xạ cưỡng bức: quá trình này yêu cầu trạng thái năng lượng vùng dẫn được chiếm bởi một điện tử và trạng thái năng lượng vùng hóa trị trống (chúng ta có thể rút gọn điều này để nói rằng "yêu cầu một điện tử và một lỗ trống", vì "điện tử" thường dùng để chỉ một điện tử trong vùng dẫn).

Điều này ngược lại với tình trạng phổ biến ở trạng thái cân bằng, nhưng ở một nhiệt độ hữu hạn sẽ có một số lượng nhỏ các trạng thái đầy đủ trong vùng dẫn và các trạng thái trống trong vùng hóa trị. Ngoài ra, các điện tử và lỗ trống có thể được tạo ra thông qua hấp thụ quang học và các cơ chế bơm khác mà chúng tôi sẽ mô tả ở phần sau. Cũng như quá trình hấp thụ, quá trình phát xạ tự phát có thể xảy ra đối với một loạt các năng lượng photon trên vùng cấm; nhưng trong thực tế, các trạng thái vùng dẫn có nhiều khả năng đầy nhất là các trạng thái có năng lượng thấp nhất, cũng như các trạng thái vùng hóa trị có nhiều khả năng bị trống nhất là các trạng thái có năng lượng cao nhất. Do đó, phát xạ tự phát quan sát được từ một mẫu bán dẫn rất có thể có năng lượng photon gần bằng năng lượng vùng cấm (Hình 1.

Bức xạ của lớp chuyển tiếp p-n Lớp chuyển tiếp giữa chất bán dẫn loại p và n được hình thành trên nền sapphire, và điện áp được đặt qua đường giao nhau p-n từ các điện cực. Khi điện áp chuyển tiếp được đặt vào, các electron liên kết với các lỗ trống ở tiếp giáp p-n và biến mất. Lúc này, một electron chuyển từ trạng thái năng lượng cao hơn xuống trạng thái thấp hơn và phần năng lượng dư thừa được giải phóng dưới dạng ánh sáng (Hình 1. Bức xạ của lớp chuyển tiếp p-n Các bước sóng phát xạ khác nhau giữa các vật liệu bán dẫn.

Sự kết hợp giữa các lỗ trống và các điện tử tại tiếp giáp p-n có nghĩa là các điện tử rơi từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị. Khi sự chênh lệch năng lượng giữa cả hai dải lớn hơn, thì ánh sáng có năng lượng cao hơn, tức là ánh sáng có bước sóng ngắn hơn được phát ra (Hình 1. 13 Vì sự chênh lệch năng lượng (độ rộng vùng cấm) phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn, vật liệu LED được lựa chọn trên cơ sở độ rộng vùng cấm để đáp ứng màu ánh sáng mong muốn. Sự khác biệt về màu sắc phát xạ của vật liệu bán dẫn 1.

Tổng quan về chuyển dời quang học củ ion t hiếm và kim loại chuyển tiếp 1. Chuyển dời quang học của một số ion đất hiếm Các nguyên tố thuộc họ đất hiếm: Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, E, Tm, Yb, có số nguyên tử từ 58 đến 70 giữ vai trò hết sức quan trọng của vật liệu phát quang tinh thể. Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm có hoá trị 3, với sự lấp đầy của các điện tử lớp 4f :1s22s22p6 … (4fn )5s25p6 với n=1÷13, có thể được biểu diễn ở bảng: Bảng 1.