Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính chất quang của vật liệu zno pha tạp al chế tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính chất quang của vật liệu ZnO pha tạp Al chế tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt, ứng dụng trong công nghệ vật liệu bán dẫn.

• Tác giả: Lê Thị Diễm Hằng
• Người hướng dẫn: TS. Tống Thị Hảo Tâm
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu ZnO pha tạp Al bằng phương pháp khuếch tán nhiệt
• 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 CƠ CHẾ QUANG HỌC
• 1.2. CẤU TRÚC TINH THỂ ZnO
• 1.3. CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ZnO VÀ ZnO:Al
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT
• 2.1. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 2.2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU
• 2.3. QUY TRÌNH CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG ZnO:Al BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHUYẾCH TÁN NHIỆT
• 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
• 2.4.1. Phương pháp khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt
• 2.4.2. Phương pháp khảo sát thành phần các nguyên tố của vật liệu
• 2.4.3. Phương pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và thành phần pha của vật liệu
• 2.4.4. Các phương pháp khảo sát tính chất quang của vật liệu
• 2.4.5. Các phương pháp đo các thông số điện quang của LED
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA BỘT HUỲNH QUANG ZnO:Al
• 3.2. HÌNH THÁI BỀ MẶT VÀ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA BỘT HUỲNH QUANG ZnO:Al
• 3.3. THÀNH PHẦN CÁC NGUYÊN TỐ CÓ TRONG BỘT HUỲNH QUANG ZnO:Al
• 3.4. TÍNH CHẤT QUANG CỦA BỘT HUỲNH QUANG ZnO:Al
• 3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến tính chất quang của bột ZnO:Al
• 3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp ion Al3+ đến tính chất quang của bột ZnO:Al
• 3.5. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TRÊN LED CỦA BỘT HUỲNH QUANG ZnO:Al
• 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính chất quang của vật liệu ZnO pha tạp Al

Tính chất quang của vật liệu ZnO pha tạp Al được nghiên cứu nhằm khám phá khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang học và bán dẫn. Vật liệu ZnO là một hợp chất bán dẫn có vùng cấm rộng (~3.3 eV), phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Việc pha tạp Al vào ZnO giúp cải thiện các tính chất quang học, đặc biệt là khả năng phát xạ ánh sáng trắng, một yếu tố quan trọng trong công nghệ chiếu sáng rắn. Phương pháp khuếch tán nhiệt được sử dụng để đưa Al vào mạng tinh thể ZnO, tạo ra các tâm phát xạ mới và điều chỉnh dải phát xạ của vật liệu.

1.1. Cơ chế hấp thụ ánh sáng

Cơ chế hấp thụ ánh sáng trong vật liệu ZnO pha tạp Al liên quan đến sự chuyển mức điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Quá trình này được mô tả thông qua hệ số hấp thụ α, phụ thuộc vào năng lượng photon và cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu. Hấp thụ cơ bản xảy ra khi photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm, kích thích điện tử chuyển mức thẳng hoặc xiên. Hấp thụ exciton cũng được quan sát, đặc biệt ở nhiệt độ thấp, khi năng lượng photon nhỏ hơn độ rộng vùng cấm một ít. Exciton là trạng thái liên kết giữa điện tử và lỗ trống, tạo ra các vạch phổ hấp thụ gián đoạn.

1.2. Cấu trúc tinh thể và tính chất vật liệu

Cấu trúc tinh thể của ZnO pha tạp Al được nghiên cứu thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). ZnO có cấu trúc wurtzite lục giác, trong khi Al pha tạp làm thay đổi thông số mạng và tạo ra các sai hỏng trong mạng tinh thể. Những thay đổi này ảnh hưởng đến tính chất quang học của vật liệu, đặc biệt là khả năng phát xạ ánh sáng. Phương pháp khuếch tán nhiệt giúp phân bố đồng đều Al trong mạng tinh thể ZnO, tối ưu hóa các tính chất quang và điện của vật liệu.

II. Phương pháp khuếch tán nhiệt và chế tạo vật liệu

Phương pháp khuếch tán nhiệt được sử dụng để chế tạo vật liệu ZnO pha tạp Al. Quy trình này bao gồm các bước chuẩn bị hóa chất, kết tủa hydroxit nhôm, và khuếch tán Al vào ZnO ở nhiệt độ cao. Phương pháp khuếch tán nhiệt đảm bảo sự phân bố đồng đều của Al trong mạng tinh thể ZnO, tạo ra các tâm phát xạ mới và cải thiện tính chất quang học của vật liệu. Các thiết bị như lò nung, máy khuấy từ, và cân phân tích được sử dụng để thực hiện quy trình này.

2.1. Quy trình chế tạo bột ZnO pha tạp Al

Quy trình chế tạo bột ZnO pha tạp Al bằng phương pháp khuếch tán nhiệt bao gồm các bước: chuẩn bị hóa chất, kết tủa hydroxit nhôm, và khuếch tán Al vào ZnO ở nhiệt độ cao. Phương pháp khuếch tán nhiệt đảm bảo sự phân bố đồng đều của Al trong mạng tinh thể ZnO, tạo ra các tâm phát xạ mới và cải thiện tính chất quang học của vật liệu. Các thiết bị như lò nung, máy khuấy từ, và cân phân tích được sử dụng để thực hiện quy trình này.

2.2. Khảo sát tính chất vật liệu

Các tính chất vật liệu của ZnO pha tạp Al được khảo sát thông qua các phương pháp như hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích thành phần hóa học (EDS), và phổ huỳnh quang (PL). Phương pháp khuếch tán nhiệt giúp tối ưu hóa các điều kiện chế tạo, đảm bảo vật liệu có tính chất quang học và cấu trúc tinh thể phù hợp cho ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng rắn.

III. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn

Vật liệu ZnO pha tạp Al có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ chiếu sáng rắn, đặc biệt là trong chế tạo LED phát xạ ánh sáng trắng. Tính chất quang học của vật liệu được cải thiện nhờ phương pháp khuếch tán nhiệt, giúp điều chỉnh dải phát xạ và tăng hiệu suất phát quang. Nghiên cứu này góp phần vào việc phát triển các vật liệu huỳnh quang không đất hiếm, giảm chi phí và thân thiện với môi trường.

3.1. Ứng dụng trong công nghệ LED

Vật liệu ZnO pha tạp Al được sử dụng để chế tạo LED phát xạ ánh sáng trắng. Phương pháp khuếch tán nhiệt giúp điều chỉnh dải phát xạ của vật liệu, tạo ra ánh sáng trắng chất lượng cao. Tính chất quang học của vật liệu được cải thiện, giúp tăng hiệu suất phát quang và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ chiếu sáng rắn.

3.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu về vật liệu ZnO pha tạp Al bằng phương pháp khuếch tán nhiệt có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Nó góp phần vào việc phát triển các vật liệu huỳnh quang không đất hiếm, giảm chi phí và thân thiện với môi trường. Tính chất quang học của vật liệu được cải thiện, mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng và hiển thị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ chiếu sáng, nhu cầu về nguồn sáng hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường ngày càng tăng. Theo ước tính, đèn LED hiện chiếm tỷ trọng lớn trong thị trường chiếu sáng toàn cầu nhờ khả năng vượt trội so với các loại đèn truyền thống như đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang. Tuy nhiên, các LED sử dụng bột huỳnh quang truyền thống chủ yếu dựa trên đất hiếm, gây ra chi phí cao và ảnh hưởng môi trường. Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu huỳnh quang không đất hiếm có tiềm năng ứng dụng trong LED là một hướng đi quan trọng.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất quang của vật liệu ZnO pha tạp Al (ZnO:Al) chế tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt, nhằm tạo ra bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng trắng có hiệu suất cao, chỉ số hoàn trả màu (CRI) tốt và nhiệt độ màu phù hợp cho công nghệ chiếu sáng rắn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm chế tạo bột ZnO:Al với các nồng độ pha tạp khác nhau, khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ủ từ 600 đến 1000°C đến cấu trúc tinh thể và tính chất quang, đồng thời thử nghiệm chế tạo LED sử dụng vật liệu này tại Việt Nam trong giai đoạn nghiên cứu từ năm 2018 đến 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm phong phú thêm dữ liệu về vật liệu huỳnh quang không đất hiếm, đồng thời có giá trị thực tiễn cao khi góp phần phát triển nguồn sáng LED thân thiện môi trường, giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả chiếu sáng. Các kết quả thu được sẽ hỗ trợ cho việc ứng dụng rộng rãi vật liệu ZnO:Al trong công nghiệp chiếu sáng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết vật lý chất rắn và quang học bán dẫn, trong đó:

• Cơ chế hấp thụ ánh sáng trong bán dẫn: Bao gồm hấp thụ cơ bản (chuyển mức thẳng và xiên), hấp thụ exciton, hấp thụ do hạt dẫn tự do, phonon và tạp chất. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào mật độ mức năng lượng và xác suất chuyển mức giữa các trạng thái điện tử.

• Cơ chế phát quang và tái hợp hạt dẫn: Phát quang xảy ra khi electron và lỗ trống tái hợp bức xạ, giải phóng photon. Quá trình tái hợp có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp qua các tâm tạp chất, exciton hoặc các trạng thái bề mặt. Tái hợp không bức xạ cũng tồn tại, làm giảm hiệu suất phát quang.

• Cấu trúc tinh thể ZnO: ZnO có cấu trúc tinh thể chủ yếu là wurtzite (lục giác), ổn định ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Ion Al3+ có bán kính nhỏ hơn Zn2+ nên dễ dàng thay thế vị trí Zn trong mạng tinh thể, ảnh hưởng đến tính chất điện và quang của vật liệu.

• Tính chất quang của ZnO và ZnO:Al: ZnO có vùng cấm rộng khoảng 3.37 eV, phát xạ huỳnh quang gồm dải gần tử ngoại (NUV) và dải rộng trong vùng nhìn thấy do các sai hỏng mạng tinh thể. Pha tạp Al làm tăng nồng độ electron tự do, giảm điện trở suất và điều chỉnh phát xạ huỳnh quang, hướng tới phát xạ ánh sáng trắng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu bột huỳnh quang ZnO:Al được chế tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt, sử dụng bột ZnO thương mại và muối Al(NO3)3.9H2O làm tiền chất.

• Phương pháp chế tạo: Phương pháp đồng kết tủa kết hợp khuếch tán nhiệt trong môi trường không khí. Bột ZnO được phân tán trong nước, trộn với dung dịch Al(NO3)3, kết tủa Al(OH)3 trên bề mặt hạt ZnO, sau đó sấy khô và nung ủ ở nhiệt độ 600-1000°C để khuếch tán ion Al vào mạng tinh thể ZnO.

• Phương pháp khảo sát:

  • Hình thái bề mặt và kích thước hạt: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM).
  • Thành phần nguyên tố: Phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS).
  • Cấu trúc tinh thể và pha: Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) với nguồn Cu Kα.
  • Tính chất quang: Đo phổ huỳnh quang (PL) và phổ kích thích huỳnh quang (PLE) ở nhiệt độ phòng.
  • Tính chất điện quang của LED: Đo bằng thiết bị Gamma Scientific RadOMA GS-1290 spectroradiometer.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên nhiều mẫu với nồng độ Al pha tạp từ 1% đến 7% mol, nung ủ trong 2 giờ ở các nhiệt độ khác nhau. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng năm 2018-2019.

• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các phương pháp trên cho phép đánh giá toàn diện về cấu trúc, thành phần và tính chất quang điện của vật liệu, phù hợp với mục tiêu tối ưu hóa điều kiện chế tạo và ứng dụng trong LED.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến cấu trúc tinh thể: Phổ XRD cho thấy các mẫu ZnO:Al ủ ở 600°C và 800°C duy trì cấu trúc wurtzite lục giác đặc trưng của ZnO, không xuất hiện pha lạ. Tuy nhiên, ở 1000°C xuất hiện pha ZnAl2O4 dạng spinel với các đỉnh nhiễu xạ tại góc 2θ tương ứng 31,3°, 36,8°, 59,3° và 65,2°, cho thấy sự hình thành pha phụ do khuếch tán mạnh ion Al. Kích thước tinh thể trung bình tăng từ 52,35 nm (ZnO thương mại) lên 57,69 nm ở 1000°C.

2. Ảnh hưởng của nồng độ Al pha tạp: Khi tăng nồng độ Al từ 1% đến 7% mol ở nhiệt độ ủ 800°C, phổ XRD vẫn duy trì pha wurtzite chủ đạo, tuy nhiên có xu hướng dịch chuyển đỉnh (002) về góc nhiễu xạ lớn hơn, chứng tỏ ion Al3+ thay thế Zn2+ trong mạng tinh thể, làm giảm thể tích ô cơ sở từ 0,04787 nm³ xuống còn khoảng 0,0474 nm³.

3. Tính chất quang của ZnO:Al: Phổ huỳnh quang thể hiện hai dải phát xạ chính: dải gần tử ngoại (NUV) với cực đại khoảng 380 nm liên quan đến tái hợp gần bờ vùng (NBE), và dải rộng trong vùng nhìn thấy (450-700 nm) do các sai hỏng mạng tinh thể như nút khuyết ôxy (Vo), điền kẽ kẽm (Zni). Pha tạp Al làm tăng cường phát xạ trong vùng nhìn thấy, góp phần tạo ra phát xạ ánh sáng trắng.

4. Ứng dụng trong LED: Thử nghiệm chế tạo LED sử dụng chip UV 310 nm phủ bột ZnO:Al cho thấy vật liệu có khả năng phát xạ ánh sáng trắng với chỉ số hoàn trả màu CRI cao, nhiệt độ màu phù hợp, đồng thời có hiệu suất phát quang cải thiện so với vật liệu không pha tạp.

Thảo luận kết quả

Sự hình thành pha ZnAl2O4 ở nhiệt độ ủ cao là do ion Al3+ có bán kính nhỏ hơn Zn2+ nên dễ dàng khuếch tán và thay thế trong mạng tinh thể ZnO, đồng thời tỷ lệ pha tạp cao tạo điều kiện cho pha spinel phát triển. Điều này ảnh hưởng đến tính chất quang và điện của vật liệu, cần kiểm soát nhiệt độ và nồng độ pha tạp để duy trì pha đơn.

Phổ huỳnh quang rộng trong vùng nhìn thấy là kết quả của các sai hỏng mạng tinh thể và trạng thái bề mặt, được điều chỉnh bởi ion Al3+. So với các nghiên cứu trước, vật liệu ZnO:Al chế tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt cho thấy khả năng tạo phát xạ ánh sáng trắng với CRI cao hơn và nhiệt độ màu ấm hơn, phù hợp cho ứng dụng LED chiếu sáng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ XRD thể hiện sự dịch chuyển đỉnh và xuất hiện pha mới, biểu đồ phổ huỳnh quang minh họa các dải phát xạ, cùng bảng tổng hợp các thông số mạng tinh thể và kích thước tinh thể theo nhiệt độ và nồng độ pha tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nhiệt độ ủ: Khuyến nghị duy trì nhiệt độ ủ trong khoảng 800°C để đảm bảo pha wurtzite ổn định, tránh hình thành pha ZnAl2O4 làm giảm hiệu suất phát quang. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

2. Kiểm soát nồng độ pha tạp Al: Giới hạn nồng độ Al trong khoảng 3-5% mol để cân bằng giữa tăng cường phát quang và duy trì cấu trúc tinh thể. Thời gian: 3 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm chế tạo.

3. Phát triển quy trình phủ bột ZnO:Al lên chip LED: Nghiên cứu kỹ thuật phủ đồng đều, tăng cường độ bám dính và khả năng tản nhiệt của lớp phủ để nâng cao tuổi thọ LED. Thời gian: 1 năm, chủ thể: phòng thí nghiệm ứng dụng LED.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích khảo sát vật liệu ZnO:Al trong các linh kiện quang điện tử khác như cảm biến quang, laser tử ngoại để tận dụng tính chất quang đa dạng. Thời gian: 2 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu liên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu bán dẫn và quang học: Có thể áp dụng kết quả để phát triển vật liệu huỳnh quang không đất hiếm, tối ưu hóa tính chất quang điện cho các ứng dụng chiếu sáng và hiển thị.

2. Kỹ sư công nghệ LED và thiết bị chiếu sáng: Tham khảo quy trình chế tạo và điều kiện tối ưu để sản xuất LED hiệu suất cao, giảm chi phí và nâng cao độ bền sản phẩm.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị chiếu sáng: Áp dụng công nghệ khuếch tán nhiệt để sản xuất bột huỳnh quang ZnO:Al quy mô công nghiệp, mở rộng thị trường LED thân thiện môi trường.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật lý chất rắn, vật liệu: Tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và phân tích kết quả trong nghiên cứu vật liệu bán dẫn pha tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp khuếch tán nhiệt có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp khuếch tán nhiệt đơn giản, chi phí thấp, cho phép pha tạp ion Al hiệu quả vào lớp bề mặt vật liệu, phù hợp với việc điều chỉnh phát xạ huỳnh quang gần bề mặt, giúp tiết kiệm nguyên liệu và nâng cao hiệu suất phát quang.

2. Tại sao chọn Al làm tạp chất pha vào ZnO?
   Ion Al3+ có bán kính nhỏ hơn Zn2+, dễ dàng thay thế vị trí Zn trong mạng tinh thể, tăng nồng độ electron tự do, giảm điện trở suất và điều chỉnh phát xạ huỳnh quang, giúp tạo ra ánh sáng trắng với chỉ số hoàn trả màu cao.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến tính chất vật liệu như thế nào?
   Nhiệt độ ủ cao làm tăng kích thước tinh thể và thúc đẩy khuếch tán ion Al, tuy nhiên nếu quá cao (trên 900°C) sẽ hình thành pha ZnAl2O4 không mong muốn, ảnh hưởng đến tính chất quang và cấu trúc tinh thể.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu suất phát quang của vật liệu ZnO:Al?
   Sử dụng phổ huỳnh quang để đo cường độ phát xạ, chỉ số hoàn trả màu (CRI) và nhiệt độ màu, kết hợp đo đặc tính điện quang của LED phủ vật liệu để đánh giá hiệu suất thực tế.

5. Vật liệu ZnO:Al có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào ngoài LED?
   Ngoài LED, ZnO:Al còn có tiềm năng ứng dụng trong cảm biến quang, laser tử ngoại, pin năng lượng mặt trời và các linh kiện quang điện tử khác nhờ tính chất bán dẫn vùng cấm rộng và khả năng điều chỉnh phát xạ.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình chế tạo bột huỳnh quang ZnO pha tạp Al bằng phương pháp khuếch tán nhiệt với điều kiện tối ưu nhiệt độ ủ và nồng độ pha tạp.
• Xác định rõ ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và nồng độ Al đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và tính chất quang của vật liệu.
• Vật liệu ZnO:Al cho phát xạ ánh sáng trắng với chỉ số hoàn trả màu cao, phù hợp ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng rắn LED.
• Thử nghiệm chế tạo LED sử dụng bột ZnO:Al phủ chip UV 310 nm thành công, mở ra hướng phát triển nguồn sáng thân thiện môi trường.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu và mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử trong tương lai gần.

Next steps: Tiếp tục nghiên cứu kiểm soát pha tạp và kỹ thuật phủ vật liệu, mở rộng ứng dụng trong các linh kiện quang điện tử khác.

Call-to-action: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ vật liệu huỳnh quang không đất hiếm để thúc đẩy ngành công nghiệp chiếu sáng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. 1 Chư ng 1 T NG QUAN……………………………………………………6 1. C C CƠ CHẾ QU G HỌC. Cơ chế hấp thụ ánh sáng.

Cơ chế chuyển dời. Quá trình tái hợp. CẤU TRÚC TI H THỂ ZnO. C C TÍ H CHẤT CỦ VẬT IỆU ZnO VÀ ZnO: l.

Tính chất cơ nhiệt – điện. Tính chất quang của vật liệu ZnO và ZnO: l. 21 Chư ng 2 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT. Error! Bookmark not defined.

THỰC GHIỆ CHẾ TẠO ẪU. Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu. Quy trình chế tạo bột huỳnh quang ZnO: l bằng phƣơng pháp khuếch tán nhiệt. C C PHƢƠ G PH P KHẢO S T TÍ H CHẤT CỦ VẬT IỆU.

Phƣơng pháp khảo sát hình thái bề mặt và kích thƣớc hạt. Phƣơng pháp khảo sát thành phần các nguyên tố của vật liệu…. Phƣơng pháp khảo sát cấu trúc tinh thể và thành phần pha của vật liệu. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất quang của vật liệu.

Các phƣơng pháp đo các thông số điện quang của ED. 36 Chư ng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. CẤU TRÚC TI H THỂ CỦ BỘT HUỲ H QU G ZnO: l. HÌ H TH I BỀ ẶT VÀ KÍCH THƢỚC HẠT CỦ BỘT HUỲ H QU G ZnO: l.

THÀ H PHẦ C C GUYÊ TỐ CÓ TRO G BỘT HUỲ H QUANG ZnO:Al. TÍ H CHẤT QU G CỦ BỘT HUỲ H QUANG ZnO:Al……. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu kết đến tính chất quang của bột ZnO:Al. Ảnh hƣởng của nồng độ pha tạp ion l 3+ đến tính chất quang của bột ZnO: l.

KẾT QUẢ THỬ GHIỆ TRÊ ED CỦ BỘT HUỲ H QUANG ZnO:Al. KẾT UẬ CHƢƠ G 3. 54 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN. 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.

56 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt Dq Crystal field separation factor Thông số tách trƣờng tinh thể E Energy ăng lƣợng RC Critical distance Khoảng cách tâm tới hạn YAG Crystal Y3Al5O12 Tinh thể Y3Al5O12 Α Absorption coefficient Hệ số hấp thụ Λ Wavelength Bƣớc sóng Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt CRI Color Rendering Index Hệ số hoàn màu EDS Energy dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lƣợng tia spectroscopy X EPR Electronic paramag-netic Phổ cộng hƣởng từ tính resonance điện từ FCC Face center cubic Lập phƣơng tâm mặt FESEM Field emission scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ electron microscopy trƣờng FWHM Full-width half-maximum Độ rộng bán phổ LED Light emitting diode Điốt phát quang NUV Near Ultraviolet Tử ngoại gần PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation Phổ kích thích huỳnh quang spectrum RE Rare earth Đất hiếm RE3+ Ion divalent rare earth Ion đất hiếm hóa trị 3 SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét UV Ultraviolet Tử ngoại XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X WLED White Light Emitting diode Điốt phát quang ánh sáng trắng PDMS Polydimethylsiloxane UV polymer DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: ăng lƣợng liên kết exciton trong bán dẫn. Các thông số vật lý thể hiện tính chất của vật liệu ZnO. guồn gốc của màu phát xạ trong vật liệu nano ZnO. Các thông số mạng tinh thể của bột ZnO và ZnO: l.

40 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ chuyển mức điện tử khi vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng [1] …………………………………………………………………………. Các chuyển mức của điện tử vẽ trong không gian vectơ sóng k…. Sơ đồ các chuyển mức của điện tử có thể phát xạ ra photon.4: Cấu trúc kiểu wurtzite lục giác xếp chặt.5: Cấu trúc tinh thể ZnO dạng lập phƣơng rocksalt.Cấu trúc lập phƣơng giã kẽm đơn giản kiểu aCl.6: Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Blend.

Phổ huỳnh quang của vật liệu ZnO ứng với hai vùng phát xạ với cực đại tại 380 nm và 510 nm. Phổ huỳnh quang đo ở nhiệt độ thấp (10 K) của các dây nano ZnO. Các thiết bị chính để chế bột huỳnh quang ZnO: l bằng phƣơng pháp khuếch tán nhiệt: cân phân tích (a), máy khuấy từ (b), cối mã não (c) tủ sấy (d), lò nung abertherm (e), máy cất nƣớc hai lần (f)…………. Quy trình công nghệ chế tạo bột huỳnh quang ZnO pha tạp l bằng phƣơng pháp khuếch tán nhiệt.

Ảnh mô tả quá trình kết tủa hydroxit nhôm và khuếch tán nhiệt ion l vào trong hạt bột ZnO. Phổ chip UV ED 310 nm, bảng chèn trong hình là thông số điện, quang của ED, ảnh chụp ED và ảnh chụp keo UV silicon. Thiết bị FESE -JEOL/JSM-7600F tích hợp đo FESE và EDS tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ ( IST)- Đại học Bách khoa Hà ội. Hệ đo giản đồ nhiễu xạ tia X(D/ X-2500/PC) tại Viện (KICET), Hàn Quốc.

Hệ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang tại viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ ( IST), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà ội. Hệ đo các thông số điện quang Gamma Scientific RadO GS- 1290 spectroradiometer. Phổ XRD của bột ZnO và ZnO pha tạp 3% l ủ ở các nhiệt độ khác nhau (a), phổ XRD quan sát ở góc nhiễu xạ hẹp trên mặt (002) (b)…. Phổ XRD ZnO pha tạp 3% l ủ ở 800oC với các nồng độ pha tạp khác nhau.

Ảnh FESE của vật liệu nguồn ZnO (a), và ZnO pha tạp l ([Al3+]/[Zn2+] = 3%mol) ủ ở nhiệt độ 600 oC (b), 800oC (c), 1000oC (d). Phổ EDS ZnO: l ([ l3+]/[Zn2+] = 3% mol) ủ ở 1000°C. Phổ P của bột ZnO và ZnO pha tạp 3% l ủ ở nhiệt độ từ 600 - 1000oC. Phổ P chuẩn hóa của bột ZnO và ZnO: l (3% mol) ủ ở nhiệt độ từ 600oC.

Phổ P của bột ZnO: l ủ ở 800oC với các nồng độ khác nhau và ảnh chèn là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của đỉnh phát xạ 542 nm vào nồng độ l. Ảnh chụp ED phủ bột ZnO: l (3%mol) ủ ở 800°C: a) ED ở trạng thái tắt; b) ED sau khi đƣợc cấp nguồn. Phổ ED sử dụng chip 310 nm phủ bột ZnO: l (3%mol) ủ ở nhiệt độ 800oC. Giản đồ CIE đánh dấu vị trí tọa độ màu của ED và bảng thông số của ED.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Lịch sử phát triển của con ngƣời gắn liền với lịch sử phát triển của khoa học và công nghệ trong đó có lịch sử phát triển của nguồn sáng. Xa xƣa, con ngƣời chỉ biết tận hƣởng ánh sáng tự nhiên do mặt trời tạo ra, tuy nhiên khi xã hội con ngƣời phát triển thì nhu cầu sử dụng ánh sáng tăng cao và con ngƣời đã phát minh ra lửa vừa sử dụng với mục đích chiếu sáng và sử dụng để xua đuổi muông thú. Sau đó con ngƣời phát minh ra điện đã tạo ra một bƣớc đột phá mới về công nghệ và sau đó hàng loạt các phát minh mới gắn liền với nguồn điện đƣợc ra đời trong đó phải kể đến là phát minh của Joseph Swan và Thomas Edison (1847 – 1931) và bóng đèn sợi đốt vẫn tồn tại cho đến ngày nay. Khi xã hội phát triển thì nhu cầu sử dụng nguồn sáng chất lƣợng cao hơn, tinh tế hơn ngày càng đòi hỏi các nhà nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng tìm kiếm các nguồn vật liệu mới thay thế cũng nhƣ tìm ra các giải pháp nhằm cải thiệt chất lƣợng nguồn sáng đáp ứng mọi yêu cầu của xã hội.

Quá trình phát triển của nguồn chiếu sáng phải kể đến là sự ra đời của bóng đèn sợi đốt (1891), sau đó là các dạng bóng đèn phát xạ hơi thủy ngân nhƣ bóng đèn huỳnh quang và bóng đèn compact (1981) và ngày nay là sự ra đời và phát triển của nguồn chiếu sáng LED (2011). Các thiết bị chiếu sáng thông thƣờng nhƣ đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact về cơ bản cũng có thể đáp ứng đƣợc yêu cầu chiếu sáng cơ bản. Tuy nhiên, bóng đèn sợi đốt thì hiệu suất chiếu sáng thấp, mất mát năng lƣợng nhiều do nhiệt sinh ra do vậy ở Châu Âu và các nƣớc tiên tiến đã cắt giảm thậm chí là cấm sản xuất, buôn bán loại đèn sợi đốt công suất cao 2 do tiêu thụ điện năng lớn; đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact là giải pháp tiết kiệm năng lƣợng cho đèn sợi đốt, tuy nhiên loại đèn này vẫn còn nhiều khuyết điểm nhƣ hiệu suất phát quang thứ cấp (năng lƣợng điện tử kích thích hơi thủy ngân phát xạ tia UV sau đó kích thích bột huỳnh quang phát xạ) còn thấp, tuổi thọ chƣa cao ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời sử dụng và môi trƣờng. Đèn ED ( ight-emitting diode) hay còn gọi là Điốt phát quang đƣợc biết đến vào năm 1907 bởi nhà thí nghiệm ngƣời Anh H.

Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm với tinh thể SiC (Silic và Cacbon). Sau đó, nhà khoa học ga Oleg Vladimirovich osev đã tạo ra LED đầu tiên, nghiên cứu sau đó đã bị quên lãng do không có ứng dụng nhiều trong thực tiễn. ăm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ hồng ngoại bởi hợp chất GaAs (Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác. ăm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện tác động và sau đó Bob và Gary đƣợc cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại.

Từ khi đèn ED ra đời cho đến nay vào năm 2014 giải Nobel về vật lý vinh danh cho phát minh về đèn ED đƣợc trao tặng cho 3 giáo sƣ gốc Nhật là Ông Isamu Akasaki, 85 tuổi, là giáo sƣ tại Đại học Meijo và giáo sƣ đặc cách tại Đại học Nagoya, Nhật Bản; Ông Hiroshi Amano, 54 tuổi, hiện cũng là một giáo sƣ tại Đại học Nagoya. Ông Shuji Nakamura, 60 tuổi là giáo sƣ ngƣời Mỹ gốc Nhật tại Trƣờng Kỹ thuật thuộc Đại học California, Mỹ. Giải obel đƣợc trao cho phát minh về đèn ED điều đó đã chứng tỏ vai trò quan trọng của nguồn chiếu sáng mới này. Đèn ED thực sự là một sản phẩm chiếu sáng của ngày nay và của cả tƣơng lai vì nguồn sáng ED đã khắc phục đƣợc gần nhƣ mọi khuyết điểm của các nguốn chiếu sáng truyền thống và khả năng tích hợp kỳ điệu của loại thiết bị chiếu sáng này trong các công nghệ mới, tiên tiến nhƣ các thiết bị hiển thị (tivi LED, 3 smartphone, các loại màn hình hiển thị, quảng cáo.

Với sự phát triển nhƣ vũ bão của đèn ED hiện nay về cả mặt công nghệ và ứng dụng thì các nghiên cứu khoa học cơ bản vẫn đóng vai trò quan trọng cho các nghiên cứu ứng dụng.