Luận văn thạc sĩ: Pha tạp cation Co2 nâng cao hiệu suất phát quang chấm lượng tử perovskite CsPbBr3

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu pha tạp cation Co2+ nhằm nâng cao hiệu suất phát quang của chấm lượng tử perovskite CsPbBr3, ứng dụng tiềm năng trong công nghệ quang điện.

• Tác giả: Nguyễn Cao Ngọc Hồng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Vương
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu pha tạp cation Co2+ nhằm nâng cao hiệu suất phát quang của chấm lượng tử perovskite CsPbBr3
• Loại tài liệu: luận văn
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. CHẤM LƯỢNG TỬ PEROVSKITE
• 2.1. Giới thiệu về chấm lượng tử Perovskite
• 2.2. Một số ứng dụng của nano tinh thể bán dẫn Perovskite/polyme composit
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 3.1.1. Dụng cụ thí nghiệm
• 3.1.2. Quy trình chế tạo mẫu. Tổng hợp ch lượng tử perovskite CsPbBr3
• 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU
• 3.2.1. Phổ kích thích huỳnh quang và phát xạ huỳnh quang
• 3.2.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.3. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis
• 3.2.4. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
• 3.2.5. Xác định hiệu suất lượng tử bằng quả cầu tích phân
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA HẠT NANO TINH THỂ CsPbBr3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA MỘT BƯỚC
• 4.2. CHẾ TẠO HẠT NANO TINH THỂ CsPbBr3 PHA TẠP COBALT PHÁT ÁNH SÁNG XANH LAM
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu cation Co2

Nghiên cứu tập trung vào việc pha tạp cation Co2+ vào cấu trúc chấm lượng tử perovskite CsPbBr3 nhằm cải thiện hiệu suất phát quang. Pha tạp cation được thực hiện bằng phương pháp đồng kết tủa, tạo ra các tinh thể nano có độ tinh khiết cao. Kết quả cho thấy, sự kết hợp của Co2+ giúp giảm thiểu khuyết tật bề mặt, từ đó tăng cường tính chất quang học của vật liệu. Đây là bước đột phá trong việc tối ưu hóa vật liệu perovskite cho các ứng dụng công nghệ cao.

1.1. Phương pháp pha tạp

Phương pháp pha tạp cation Co2+ được thực hiện bằng cách sử dụng CoBr2 cùng với PbBr2 trong quá trình tổng hợp. Sự tương tác giữa Co2+ và CsPbBr3 tạo ra cấu trúc giả thấp chiều, giúp cải thiện hiệu suất phát quang. Quy trình này đảm bảo độ lặp lại cao và hiệu quả trong việc tạo ra vật liệu phát quang màu xanh lam.

II. Hiệu suất phát quang

Hiệu suất phát quang của chấm lượng tử perovskite CsPbBr3 được cải thiện đáng kể nhờ pha tạp cation Co2+. Các thí nghiệm đo phổ huỳnh quang và hiệu suất lượng tử cho thấy, vật liệu pha tạp có cường độ phát quang cao hơn và độ ổn định tốt hơn so với vật liệu nguyên bản. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị công nghệ phát quang như LED và màn hình hiển thị.

2.1. Phổ huỳnh quang

Phổ huỳnh quang của CsPbBr3@CoBr2 cho thấy sự dịch chuyển bước sóng phát quang sang vùng xanh lam, với cường độ phát quang tăng lên đáng kể. Điều này chứng minh hiệu quả của pha tạp cation Co2+ trong việc điều chỉnh tính chất quang học của vật liệu.

III. Chấm lượng tử perovskite

Chấm lượng tử perovskite là vật liệu có cấu trúc ABX3, trong đó CsPbBr3 là một ví dụ điển hình. Vật liệu này có năng lượng vùng cấm phù hợp với vùng ánh sáng nhìn thấy, khiến nó trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các thiết bị phát quang. Pha tạp cation Co2+ giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất phát quang của vật liệu, mở rộng phạm vi ứng dụng trong công nghệ hiển thị và chiếu sáng.

3.1. Ứng dụng trong công nghệ

Chấm lượng tử perovskite được ứng dụng trong các thiết bị LED và màn hình hiển thị. Vật liệu pha tạp Co2+ cho phép điều chỉnh màu sắc phát quang, từ đó tạo ra các nguồn sáng có độ tinh khiết màu cao và hiệu suất năng lượng tốt.

IV. Tăng hiệu suất phát quang

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tăng hiệu suất phát quang của chấm lượng tử perovskite CsPbBr3 thông qua pha tạp cation Co2+. Kết quả thí nghiệm cho thấy, vật liệu pha tạp có hiệu suất lượng tử cao hơn và độ ổn định tốt hơn so với vật liệu nguyên bản. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong các thiết bị công nghệ phát quang hiện đại.

4.1. Hiệu suất lượng tử

Hiệu suất lượng tử của CsPbBr3@CoBr2 đạt tới 82%, cao hơn đáng kể so với vật liệu không pha tạp. Điều này chứng minh hiệu quả của pha tạp cation Co2+ trong việc cải thiện hiệu suất phát quang của vật liệu.

V. Vật liệu perovskite và công nghệ phát quang

Vật liệu perovskite đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ phát quang nhờ tính chất quang học vượt trội. Pha tạp cation Co2+ vào CsPbBr3 giúp tạo ra vật liệu có hiệu suất phát quang cao và độ ổn định tốt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị LED và màn hình hiển thị. Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào việc phát triển các vật liệu bán dẫn thế hệ mới.

5.1. Tiềm năng ứng dụng

Vật liệu CsPbBr3@CoBr2 có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị LED chiếu sáng và màn hình hiển thị. Độ tinh khiết màu và hiệu suất phát quang cao của vật liệu giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và tiết kiệm năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vật liệu perovskite đã trở thành tâm điểm nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý chất rắn và quang điện tử nhờ vào đặc tính phát quang vượt trội và khả năng ứng dụng đa dạng. Theo báo cáo của ngành, các tinh thể nano perovskite CsPbBr3 có khả năng phát xạ ánh sáng trong vùng phổ khả kiến với hiệu suất phát quang cao, được ứng dụng rộng rãi trong đèn LED và màn hình hiển thị. Tuy nhiên, các tinh thể nano phát xạ màu xanh lam vẫn còn gặp nhiều thách thức về hiệu suất và độ ổn định do nhiệt độ hình thành tinh thể cao và khó hòa tan của tiền chất PbCl2. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển quy trình công nghệ chế tạo tinh thể CsPbBr3 kích thước nano pha tạp ion Co2+ nhằm nâng cao hiệu suất phát quang và độ ổn định của chấm lượng tử perovskite phát sáng màu xanh lam. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi chế tạo và khảo sát tính chất vật lý, hóa học của tinh thể perovskite CsPbBr3 pha tạp Co2+ tại Trường Đại học Quy Nhơn và Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, trong khoảng thời gian gần đây. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất lượng tử phát quang lên đến khoảng 85%, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các thiết bị LED ánh sáng trắng có chỉ số hoàn màu CRI lên đến 94 và màn hình hiển thị trong suốt, góp phần nâng cao chất lượng nguồn sáng và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu perovskite cấu trúc ABX3, trong đó A và B là các cation, X là anion halogen. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hiệu ứng giam giữ lượng tử (Quantum confinement effect): Giải thích sự thay đổi bước sóng phát xạ khi kích thước hạt nano giảm xuống dưới bán kính Bohr, làm tăng năng lượng vùng cấm và dịch chuyển bước sóng phát xạ về phía ánh sáng xanh lam.
• Cấu trúc giả thấp chiều (quasi-1D, 2D): Mô hình cấu trúc tinh thể perovskite được pha tạp ion Co2+ tạo thành các dây nano hoặc phiến nano, giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất phát quang.
• Hiệu suất lượng tử phát quang (Photoluminescence Quantum Yield - PLQY): Thước đo hiệu quả phát quang của vật liệu, được nâng cao nhờ giảm mật độ trạng thái bẫy bề mặt và cải thiện chất lượng tinh thể.
• Phân rã huỳnh quang theo thời gian (Time-resolved photoluminescence - TRPL): Phương pháp đánh giá thời gian sống trung bình của hạt tải, phản ánh khả năng ngăn cản sự tái hợp điện tử-lỗ trống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các mẫu tinh thể nano CsPbBr3 và CsPbBr3 pha tạp Co2+ được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học một bước trong dung môi iso-octane. Cỡ mẫu khoảng vài chục mẫu với các tỷ lệ mol CoBr2/PbBr2 khác nhau được tổng hợp để khảo sát ảnh hưởng của pha tạp ion Co2+.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích cấu trúc tinh thể: Sử dụng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha và cấu trúc tinh thể.
• Khảo sát hình thái: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) giúp quan sát kích thước, hình dạng và cấu trúc dây nano của các hạt.
• Tính chất quang học: Đo phổ huỳnh quang kích thích (PLE) và phát xạ huỳnh quang (PL) bằng máy quang phổ UV-Vis và Horiba, xác định bước sóng phát xạ, hiệu suất lượng tử và thời gian sống trung bình qua TRPL.
• Đánh giá hiệu suất lượng tử: Sử dụng quả cầu tích phân để đo hiệu suất phát quang (PLQY).
• Thí nghiệm ứng dụng: Phủ vật liệu lên chip LED 430 nm để khảo sát phổ điện quang (EL) và chỉ số hoàn màu CRI của nguồn sáng trắng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12-18 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp mẫu, đo đạc tính chất vật liệu và thử nghiệm ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng đến kích thước và bước sóng phát xạ:

   • Ở 40°C, bước sóng phát xạ khoảng 434 nm với kích thước hạt dưới 5 nm, hiệu suất phát quang thấp và không ổn định.
   • Tăng nhiệt độ lên 60°C, bước sóng phát xạ dịch chuyển từ 475 đến 515 nm, kích thước hạt 5-7 nm, phân bố kích thước không đồng đều.
   • Ở 100°C và thời gian 12 phút, bước sóng phát xạ tập trung tại 515 nm, kích thước hạt trên 10 nm, hiệu suất phát quang cao nhất.

2. Hiệu quả pha tạp ion Co2+ trong tinh thể CsPbBr3:

   • Tỷ lệ mol CoBr2/PbBr2 = 1/1 tạo thành cấu trúc dây nano với chiều dài vài micromet, độ dày 2,3-4 nm, nhỏ hơn bán kính Bohr (~7 nm), dẫn đến hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh.
   • Bước sóng phát xạ dịch chuyển từ 515 nm xuống 475 nm, phát sáng màu xanh lam với hiệu suất lượng tử PLQY đạt khoảng 85%.
   • Thời gian sống trung bình của hạt tải tăng lên 80 µs, cao hơn nhiều so với CsPbBr3 nguyên bản (66 ns), chứng tỏ giảm thiểu tái hợp điện tử-lỗ trống hiệu quả.

3. Tính ổn định nhiệt và quang học:

   • Mẫu CsPbBr3@CoBr2 duy trì cường độ phát quang ổn định ở nhiệt độ lên đến 80°C với năng lượng liên kết exciton khoảng 360 meV, cao hơn so với các chấm lượng tử MAPbBr3 và CsPbBr3 thông thường.

4. Ứng dụng trong LED và màn hình hiển thị:

   • Phủ vật liệu lên chip LED 430 nm tạo ra đỉnh phát xạ phụ tại 475 nm, cải thiện chỉ số hoàn màu CRI từ 65 lên 94 với nhiệt độ màu tương quan khoảng 5656 K.
   • Tấm composite CsPbBr3@CoBr2/PMMA có độ truyền qua trên 90% ở bước sóng dài hơn 475 nm, phù hợp làm màn hình hiển thị trong suốt kết hợp với máy chiếu kỹ thuật số DLP.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc pha tạp ion Co2+ vào tinh thể CsPbBr3 không chỉ làm thay đổi cấu trúc tinh thể từ khối lập phương sang dạng dây nano giả thấp chiều mà còn nâng cao hiệu suất phát quang và độ ổn định nhiệt. Sự thu nhỏ kích thước hạt dưới bán kính Bohr tạo ra hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh, dịch chuyển bước sóng phát xạ về phía xanh lam, phù hợp với yêu cầu ứng dụng LED xanh lam và màn hình hiển thị. Thời gian sống trung bình tăng đáng kể chứng tỏ giảm thiểu các bẫy năng lượng và tái hợp không phát xạ, đồng thời cải thiện hiệu suất lượng tử PLQY lên đến 85%. So với các nghiên cứu trước đây về perovskite pha tạp khác, kết quả này thể hiện sự tiến bộ rõ rệt về hiệu suất và độ bền. Việc ứng dụng trong LED ánh sáng trắng với chỉ số hoàn màu CRI cao và màn hình hiển thị trong suốt mở ra tiềm năng thương mại hóa vật liệu này trong công nghiệp quang điện tử.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ PL và PLE, hình ảnh TEM minh họa cấu trúc dây nano, biểu đồ phân rã PL theo thời gian và bảng so sánh chỉ số CRI trước và sau khi phủ vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp:

   • Thực hiện điều chỉnh chính xác nhiệt độ và thời gian phản ứng trong khoảng 90-110°C và 10-15 phút để đạt kích thước hạt đồng đều, nâng cao hiệu suất phát quang.
   • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu vật liệu tại viện và trường đại học.
   • Timeline: 6 tháng.

2. Nghiên cứu cơ chế hình thành cấu trúc dây nano:

   • Sử dụng kỹ thuật phân tích nâng cao như phổ NMR, quang phổ Raman để hiểu rõ vai trò của ion Co2+ trong mạng tinh thể và ảnh hưởng đến tính chất quang học.
   • Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm chuyên sâu về vật lý chất rắn.
   • Timeline: 12 tháng.

3. Phát triển ứng dụng LED và màn hình hiển thị:

   • Thiết kế và thử nghiệm các module LED trắng với vật liệu CsPbBr3@CoBr2 để đánh giá hiệu suất chiếu sáng, độ bền và chỉ số hoàn màu trong điều kiện thực tế.
   • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp công nghệ chiếu sáng và nhóm nghiên cứu.
   • Timeline: 9 tháng.

4. Nâng cao độ bền và khả năng chống phân tách pha:

   • Nghiên cứu phối hợp pha tạp ion khác hoặc sử dụng lớp phủ bảo vệ polymer để tăng cường độ bền môi trường và chống oxy hóa.
   • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu vật liệu và công nghệ polymer.
   • Timeline: 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật lý chất rắn và vật liệu nano:

   • Lợi ích: Hiểu sâu về cấu trúc và tính chất quang học của perovskite pha tạp ion, áp dụng trong nghiên cứu phát triển vật liệu mới.
   • Use case: Thiết kế vật liệu phát quang cho ứng dụng quang điện tử.

2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ LED:

   • Lợi ích: Áp dụng quy trình chế tạo và vật liệu mới để cải thiện hiệu suất và chất lượng nguồn sáng LED.
   • Use case: Phát triển sản phẩm LED xanh lam và LED trắng có chỉ số hoàn màu cao.

3. Doanh nghiệp sản xuất màn hình hiển thị và thiết bị chiếu sáng:

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ composite perovskite/polymer trong sản xuất màn hình trong suốt và thiết bị chiếu sáng hiệu quả.
   • Use case: Tích hợp vật liệu vào sản phẩm thương mại.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật lý, hóa học vật liệu:

   • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật tổng hợp và phân tích vật liệu hiện đại.
   • Use case: Học tập và phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

1. Ion Co2+ pha tạp vào CsPbBr3 có tác dụng gì?
   Ion Co2+ thay thế một phần vị trí Pb2+ trong mạng tinh thể, tạo cấu trúc dây nano giả thấp chiều, giúp giảm mật độ bẫy bề mặt, nâng cao hiệu suất phát quang và độ ổn định nhiệt của vật liệu.

2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử ảnh hưởng thế nào đến phát xạ?
   Khi kích thước hạt nhỏ hơn bán kính Bohr, năng lượng vùng cấm tăng lên, bước sóng phát xạ dịch chuyển về phía ánh sáng xanh lam, đồng thời tăng hiệu suất phát quang do hạn chế tái hợp không phát xạ.

3. Phương pháp tổng hợp hóa học một bước có ưu điểm gì?
   Phương pháp này đơn giản, dễ kiểm soát kích thước hạt và tỷ lệ pha tạp, cho phép tổng hợp nhanh các tinh thể nano với độ đồng đều cao và khả năng tái lập quy trình tốt.

4. Chỉ số hoàn màu CRI cao có ý nghĩa gì trong ứng dụng LED?
   CRI cao (gần 94) cho thấy nguồn sáng tái tạo màu sắc tự nhiên và trung thực hơn, cải thiện chất lượng ánh sáng cho các ứng dụng chiếu sáng và hiển thị.

5. Tấm composite CsPbBr3@CoBr2/PMMA có thể ứng dụng ở đâu?
   Với độ truyền qua trên 90% và khả năng phát quang xanh lam, tấm composite này phù hợp làm màn hình hiển thị trong suốt, kính hiển thị HUD trên ô tô hoặc các thiết bị chiếu sáng tích hợp.

Kết luận

• Chế tạo thành công tinh thể nano CsPbBr3 pha tạp ion Co2+ với cấu trúc dây nano giả thấp chiều, phát sáng xanh lam tại 475 nm.
• Hiệu suất lượng tử phát quang đạt khoảng 85%, thời gian sống trung bình hạt tải lên đến 80 µs, cải thiện đáng kể so với vật liệu nguyên bản.
• Vật liệu có độ ổn định nhiệt cao, duy trì phát quang ở nhiệt độ trên 80°C với năng lượng liên kết exciton khoảng 360 meV.
• Ứng dụng thành công trong LED ánh sáng trắng với chỉ số hoàn màu CRI ~94 và màn hình hiển thị trong suốt kết hợp máy chiếu kỹ thuật số.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cơ chế hình thành cấu trúc dây nano và phát triển ứng dụng thương mại trong lĩnh vực quang điện tử.

Next steps: Tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng nghiên cứu pha tạp và thử nghiệm ứng dụng thực tế. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên quan phối hợp phát triển công nghệ.

Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu phát quang và LED tiếp cận, ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. CHẤM LƢỢNG TỬ PEROVSKITE.

Giới thiệu về chấm lƣợng tử Perovskite. Một số ứng dụng của nano tinh thể bán dẫn Perovskite/polyme composit. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM.

Dụng cụ thí nghiệm. Quy trình chế tạo mẫu. Tổng hợp ch lượng tử perovskite CsPbBr3. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU.

Phổ kích thích huỳnh quang và phát xạ huỳnh quang. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD). Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua.

Xác định hiệu suất lƣợng tử bằng quả cầu tích phân. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA HẠT NANO TINH THỂ CsPbBr3 BẰNG PHƢƠNG PHÁP HÓA MỘT BƢỚC. CHẾ TẠO HẠT NANO TINH THỂ CsPbBr3 PHA TẠP COBALT PHÁT ÁNH SÁNG XANH LAM.

23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 36 DANH MỤC C NG TR NH KHOA HỌC Đ C NG BỐ CỦA TÁC GIẢ. 37 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 38 e DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang 2 kPa Kilopascal Đơn vị áp suất 3 lm/W Lumen/Watt Hiệu suất quang 4 UV Ultraviolet Tia cực tím 5 CCT Correlated Color Nhiệt độ tƣơng quan Temperature màu 6 CIE Commission Internationale Hệ tọa độ màu de l'Eclairage e 7 IES LM80 Phƣơng pháp đo duy trì quang thông của các nguồn sáng LED 8 CRI Color Rendering Index Độ hoàn màu 9 B/R Blue/Red Xanh/đỏ 10 DLP Digital Crystal Display Xử lý ánh sáng kỹ thuật số 11 XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X 12 UV-Vis Ultraviolet-Visible Quang phổ tử ngoại- khả kiến 13 TEM Transmission Electron Kính hiển vi điện tử Microscopy truyền qua 14 PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang 15 PLE Photoluminescence Phổ kích thích huỳnh Excitation quang 16 MA Methylammonium 17 QDs Quantum Dots Chấm lƣợng tử e DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.

Ƣu nhƣợc điểm của các loại vật liệu chấm lƣợng tử bán dẫn trong lĩnh vực nano quang điện tử [22].1 màn hình LCD hiển thị các màu đỏ, xanh lục, xanh lam sử dụng các đ n nền blue LED YAG: Ce a và Blue LED KSFM CsPbBr3 (b), mô hình cấu trúc của màn hình hiển thị c , d độ phủ gam màu của màn hình hiển thị trong không gian màu CIE 1931 so với tiêu chu n Rec.2 a Sơ đồ của màn hình chiếu bức xạ trong suốt; (b) Nguồn sáng UV 405 nm đƣợc điều khiển bởi máy chiếu DLP và hình ảnh đƣợc chiếu lên tấm phát quang kích thƣớc lớn. Viết tắt: DLP (xử lý ánh sáng kỹ thuật số) [4].1 Máy đo phổ huỳnh quang .2 Máy đo nhiễu xạ tia X (XRD) .4 Hệ thống hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .5 Hệ đo các đại lƣợng quang bằng quả cầu tích phân .1 Cƣờng độ PL của hạt nano tinh thể CsPbBr3 với các thời gian phản ứng khác nhau tại nhiệt độ tƣơng ứng là 40 oC(a), 60 oC(b) và 100 oC(c). Bƣớc sóng kích thích quang khi đo là 380 nm .2 Phổ cƣờng độ huỳnh quang của CsPbBr3 QDs với nhiệt độ phản ứng khác nhau tại thời gian phản ứng là 12 phút. Bƣớc sóng kích thích quang khi đo là 380nm) .3 Ảnh hƣởng thời gian chế tạo lên cấu trúc hạt nano CsPbBr3.5 (a) Đề xuất mô hình tinh thể CsPbBr3 và CsPbBr3@ CoBr2; (b) Mẫu XRD của CsPbBr3 và CsPbBr3@CoBr2 ở tỷ lệ tiền chất đầu theo mol CoBr2/PbBr2 cao.6 a , b Các đƣờng cong PLE và PL của CsPbBr3@CoBr2 ở tỷ lệ mol 1/1; Ảnh chụp mẫu CsPbBr3@CoBr2 có và không chiếu tia UV.

Bƣớc sóng kích thích quang khi đo là 380 nm .7 (a) Phổ PL phụ thuộc vào nhiệt độ của tinh thể nano CsPbBr3@CoBr2 với nhiệt độ dao động từ 20 đến 120C. Cƣờng độ tích phân PL so với nhiệt độ nghịch đảo và đƣờng nội suy Arrhenius đƣờng liền nét đƣợc thể hiện trong hình bên trong; b Đƣờng cong phân rã PL của dung dịch tinh thể nano CsPbBr3@CoBr2 trong dung môi iso-octane; c Phổ quang điện của đ n LED 430 nm, trƣớc và sau khi phủ nano tinh thể CsPbBr3@CoBr2 .8 Phổ điện quang và tọa độ màu của (a-b) LED xanh lam + YAG: Ce và (c) LED xanh lam + YAG: Ce + KSFM + CsPbBr3@CoBr2.9 (a) Phổ truyền qua của tấm composite CsPbBr3@CoBr2/PMMA với các độ dày khác nhau; b Mô hình máy chiếu màn hình hiển thị sử dụng tấm composite CsPbBr3@CoBr2 perovskite trong suốt. Tính cấp thiết của đề tài Vật liệu Perovskite gần đây đƣợc lựa chọn trong nghiên cứu lĩnh vực quang điện tử do năng lƣợng vùng cấm của chúng (ở trạng thái vật liệu khối) tƣơng ứng với vùng hồng ngoại gần và vùng ánh sáng nhìn thấy [18]. Khi đƣợc kích thích bởi năng lƣợng điện hoặc quang, chúng sẽ phát huỳnh quang trong vùng phổ khả kiến, thuận tiện cho các ứng dụng hiển thị huỳnh quang [11], [14].

Chúng có nhiều ƣu điểm khi so sánh với các chấm lƣợng tử bán dẫn trƣớc đây nhƣ CdSe và InP xem Hình 1) [22]. Ƣu nhƣợc điểm của các loại vật liệu chấm lƣợng tử bán dẫn trong lĩnh vực nano quang điện tử [22]. Các tinh thể nano phát xạ màu xanh lá cây và màu đỏ CsPbBrxI(1-x), x = 0 đến 1 có thể có kích thƣớc tổng hợp cho các ứng dụng khác nhƣ thiết bị phát sáng, pin mặt trời… [1], [20]. Tuy nhiên, các tinh thể nano phát xạ màu xanh lam (CsPbBrxCl1-x vẫn phải đối mặt với những thách thức lớn do nhiệt độ hình thành tinh thể của chúng cao hơn và tiền chất PbCl2 khó hòa tan trong e 2 dung môi thông thƣờng so với PbBr2 và PbI2 cần các chất hỗ trợ hòa tan PbCl2 nhƣ trioctylphosphine, trioctylphosphine oxide) [9].

Ngoài ra, hiệu suất quang của chúng cũng kém hơn với các tinh thể CsPbBrxI(1-x) x = 0 đến 1 phát quang màu đỏ và xanh lá cây [9]. Một cách khác để chế tạo tinh thể nano perovskite phát xạ màu xanh lam là giảm kích thƣớc các hạt bằng hiệu ứng giam giữ lƣợng tử. Kích thƣớc hạt có thể giảm xuống còn 12, 8 và 4 nm tƣơng ứng với năng lƣợng dải tần lần lƣợt là 2. Tuy nhiên, các tinh thể kích thƣớc nhỏ với diện tích bề mặt lớn có mật độ trạng thái bẫy bề mặt cao dẫn đến độ ổn định thấp và hiệu suất quang học kém.

Gần đây, hiệu suất quang học cao và độ ổn định trong thời gian dài của các tinh thể perovskite giả cấu trúc thấp chiều quasi-1D, 2D) đã đƣợc chứng minh bằng cách pha tạp perovskite cấu trúc thấp chiều vào cấu trúc perovskite ba chiều 3D. Jia và các đồng nghiệp đã đƣa các tiền chất 3,4,5- Trifluoroaniline (TFA) hydrobromide (C6H2F3NH2HBr, TFABr) vào dung dịch tiền chất CH3NH3PbBr3 (MAPbBr3 để tạo thành màng perovskites (TFA) giả cấu trúc thấp chiều (TFA)2MAn-1PbnBr3n + 1. Độ ổn định của màng đƣợc cải thiện mà không có sự thay đổi về cấu trúc phổ XRD trong 2688 giờ trong môi trƣờng không khí [5]. Jiang và các cộng sự đã báo cáo một nghiên cứu về việc tổng hợp vật liệu perovskite giả cấu trúc thấp chiều PEA2(RbxCs1 − x)n − 1PbnBr3n + 1 cho các ứng dụng PeLED màu xanh lam thuần khiết từ 454 đến 492 nm , với hiệu suất lƣợng tử PLQY) là khoảng 82% [6].

Xie và các cộng sự cũng đã báo cáo một nghiên cứu về các phiến tinh thể giả thấp chiều CsPbBr3 bền trong môi trƣờng nƣớc thông qua phƣơng pháp bóc tách pha nƣớc (aqueous phase exfoliation) với cƣờng độ quang duy trì trên 87% sau 168 giờ phân tán trong dung môi nƣớc [16]. Cobalts kết hợp trong tinh thể CsPbBr3 đã đƣợc chứng minh là có khả năng thụ động hóa mật độ bẫy bề mặt, cải thiện chất lƣợng tinh thể và tăng cƣờng các đặc tính quang e 3 học của tinh thể perovskite [7], [17]. Theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, không có báo cáo nào về việc kết hợp ion cobalts trong tinh thể perovskite CsPbBr3 để hình thành tinh thể có cấu trúc giả thấp chiều phát quang ánh sáng xanh lam cho đến nay. Mục đích nghiên cứu Đƣa ra đƣợc quy trình công nghệ chế tạo tinh thể CsPbBr3 kích thƣớc nano pha tạp ion Co2+ có độ tinh khiết cao phát ánh sáng màu xanh lam bằng phƣơng pháp đồng kết tủa đơn giản.

Vật liệu chế tạo đƣợc định hƣớng ứng dụng làm đ n LED. Đối tƣợng nghiên cứu Tinh thể perovskite CsPbBr3 kích thƣớc nano pha tạp ion Co2+ có độ tinh khiết cao phát ánh sáng màu xanh lam. Phạm vi nghiên cứu - Chế tạo tinh thể perovskite CsPbBr3 kích thƣớc nano pha tạp ion Co2+. - Tính chất vật lý, hóa học của tinh thể perovskite CsPbBr3 kích thƣớc nano pha tạp ion Co2+.

- Ảnh hƣởng của nồng độ pha tạp ion Co2+ trong tinh thể perovskite CsPbBr3 lên: hiệu suất quang, nhiệt độ màu, hệ số trả màu của đ n LED. Phƣơng pháp nghiên cứu  Phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.  Phƣơng pháp thực nghiệm khoa học: o Chế tạo vật liệu sử dụng phƣơng pháp đồng kết tủa. o Khảo sát tính chất vật liệu: Hình thái cấu trúc của vật liệu bằng phép đo hiển vi điện tử truyền qua (TEM); cấu trúc tinh thể của vật liệu bằng phép đo nhiễu xạ tia X (XRD); tính chất quang học bằng phép đo huỳnh quang kích thích và huỳnh quang phát xạ e 4 (máy quang phổ UV-Vis, quang phổ huỳnh quang Horiba) và tính chất của LED (LED Tester).

 Phƣơng pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Các vật liệu huỳnh quang nói chung và vật liệu chì halogen cấu trúc perovskite nói riêng hiện vẫn dành đƣợc sự quan tâm nghiên cứu trên cả 2 phƣơng diện: nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Vì vậy việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu pha tạp cation Co2+ nhằm nâng cao hiệu suất phát quang của chấm lƣợng tử perovskite CsPbBr3” là cần thiết và mang tính thời sự. Kết quả thu đƣợc sau khi thực hiện đề tài: - Chế tạo thành công vật liệu chế tạo tinh thể perovskite CsPbBr3 pha tạp cation Co2+ kích thƣớc nanomet phát ánh sáng xanh lam.

- Quy trình công nghệ chế tạo tinh thể perovskite CsPbBr3 pha tạp cation Co2+ kích thƣớc nanomet có độ lặp lại cao. CHẤM LƢỢNG TỬ PEROVSKITE 1. Giới thiệu về chấm lƣợng tử Perovskite Perovskite là tên gọi chung của vật liệu có cấu trúc tinh thể ABX3, trong đó có A và B là các cation, X là anion thƣờng là halogen, kim loại kiềm hoặc oxi. Họ vật liệu này đƣợc đặt theo tên nhà khoa học ngƣời Nga L.