Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ chiếu sáng hiện đại, đi-ốt phát quang (LED) đã trở thành một thành phần thiết yếu với hiệu suất năng lượng cao, tuổi thọ dài và thân thiện với môi trường. Đặc biệt, LED phát xạ vùng ánh sáng đỏ dựa trên chấm lượng tử perovskite (PeLED) đang thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng điều chỉnh màu sắc linh hoạt và hiệu suất phát xạ huỳnh quang lượng tử (PLQY) cao. Theo báo cáo ngành, hiệu suất lượng tử ngoài (EQE) của PeLED đỏ đã đạt tới 25,8%, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y tế, viễn thông và công nghệ hiển thị. Tuy nhiên, PeLED vẫn còn tồn tại nhiều thách thức như độ bền thấp, hiệu suất giảm khi nồng độ hạt tải cao và sự không ổn định của phổ phát quang do cấu trúc vật liệu dễ bị biến đổi dưới tác động nhiệt và độ ẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và đánh giá đặc trưng LED phát xạ vùng ánh sáng đỏ dựa trên chấm lượng tử perovskite trong giai đoạn 2022-2024 tại Trung tâm Nano và Năng lượng, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và Phòng thí nghiệm Hóa học, Trường Đại học VinUni. Mục tiêu chính là khảo sát tổng hợp vật liệu perovskite chấm lượng tử, xây dựng cấu trúc lớp cho PeLED, chế tạo linh kiện và đánh giá các tính chất điện quang nhằm nâng cao hiệu năng chiếu sáng với quy trình chế tạo đơn giản, chi phí thấp. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ LED thế hệ mới, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn và chiếu sáng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết bán dẫn perovskite và mô hình tái hợp hạt tải trong vật liệu bán dẫn nano.

  1. Lý thuyết bán dẫn perovskite: Vật liệu perovskite có cấu trúc tinh thể dạng bát diện BX6 với công thức tổng quát ABX3, trong đó A là cation hữu cơ hoặc vô cơ, B là kim loại nặng (Pb2+), X là anion halogen (I−, Br−, Cl−). Đặc tính quang học và điện tử của perovskite được điều chỉnh thông qua thay đổi thành phần ion và kích thước hạt, ảnh hưởng đến độ rộng vùng cấm và hiệu ứng giam cầm lượng tử. Perovskite có thể tồn tại ở dạng ba chiều, hai chiều hoặc chấm lượng tử, mỗi dạng có đặc trưng phát quang và độ ổn định khác nhau.

  2. Mô hình tái hợp hạt tải: Quá trình phát quang trong PeLED chủ yếu do tái hợp bức xạ của cặp lỗ trống - điện tử (tái hợp hai phân tử). Các quá trình tái hợp không phát quang như tái hợp đơn phân tử (Shockley–Read–Hall) và tái hợp Auger làm giảm hiệu suất phát quang. Hiệu suất phát quang lượng tử ngoài (EQE) được xác định bởi tỷ lệ tái hợp phát quang so với tổng số tái hợp, đồng thời chịu ảnh hưởng bởi sự cân bằng nồng độ hạt tải và cấu trúc lớp vận chuyển hạt tải (HTL, ETL).

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất phát xạ huỳnh quang lượng tử (PLQY), hiệu suất lượng tử ngoài (EQE), hiệu ứng giam cầm lượng tử, cấu trúc lớp vận chuyển hạt tải, và các phương pháp tổng hợp chấm lượng tử perovskite như phun nóng và tái kết tinh hỗ trợ ligand (LARP).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các mẫu PeLED chế tạo tại Trung tâm Nano và Năng lượng, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Phòng thí nghiệm Hóa học, Trường Đại học VinUni trong giai đoạn 2022-2024. Cỡ mẫu gồm nhiều loại chấm lượng tử perovskite với các thành phần và tỷ lệ khác nhau, được tổng hợp bằng phương pháp tái kết tinh hỗ trợ ligand (LARP) và phun nóng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phương pháp phủ quay (spin-coating) để tạo lớp màng mỏng đồng đều trên đế SiO2.
  • Phương pháp phún xạ cathode để tạo lớp điện cực Al và ITO với độ dày kiểm soát chính xác.
  • Đo phổ huỳnh quang (PL) và phổ điện phát quang (EL) để đánh giá đặc tính quang học.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để khảo sát hình thái, kích thước hạt và cấu trúc tinh thể.
  • Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha của vật liệu.
  • Đo đường đặc trưng I-V để đánh giá đặc tính điện của linh kiện.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng, kết hợp so sánh với các kết quả nghiên cứu trong nước và quốc tế nhằm đánh giá hiệu quả và tính ổn định của PeLED chế tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công chấm lượng tử perovskite đỏ (CH3NH3PbI3 và (PEA)2MAn-1PbnI3n+1) với kích thước hạt nano đồng đều, PLQY đạt khoảng 70-80% trong dung dịch keo, thể hiện qua phổ huỳnh quang sắc nét với bước sóng phát xạ trung bình 620 nm. Kính hiển vi TEM cho thấy kích thước hạt khoảng 8-10 nm, phù hợp với hiệu ứng giam cầm lượng tử.

  2. Chế tạo PeLED với cấu trúc lớp ZnO (ETL) / perovskite / NiO (HTL) đạt hiệu suất lượng tử ngoài (EQE) tối đa khoảng 12%, độ rọi đạt 80 W sr^-1 m^-2, cải thiện đáng kể so với các báo cáo trước đây trong nước. Đường đặc trưng I-V cho thấy dòng điện ổn định, điện áp hoạt động thấp khoảng 3 V.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ PEAI:MAI trong (PEA)2MAn-1PbnI3n+1 đến đặc tính quang học và điện tử được khảo sát chi tiết. Tỷ lệ 2:1 cho hiệu suất phát quang và độ ổn định cao nhất, giảm thiểu tái hợp không phát quang, tăng cường tái hợp bức xạ.

  4. Độ dày màng perovskite và tốc độ phủ quay ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phát quang và độ đồng đều của lớp phát xạ. Tốc độ phủ quay 2000 vòng/phút cho lớp màng dày khoảng 80 nm là tối ưu, đảm bảo cân bằng giữa độ dày và khả năng vận chuyển hạt tải.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng chấm lượng tử perovskite với kích thước nano giúp tăng cường hiệu ứng giam cầm lượng tử, làm mở rộng vùng cấm và nâng cao hiệu suất phát quang. So với các nghiên cứu quốc tế, EQE đạt được tuy chưa vượt trội nhưng đã cải thiện đáng kể so với các công trình trong nước, chứng tỏ quy trình tổng hợp và chế tạo linh kiện đã được tối ưu.

Việc điều chỉnh tỷ lệ PEAI:MAI giúp kiểm soát cấu trúc tinh thể và giảm thiểu khuyết tật mạng, từ đó giảm tái hợp không phát quang, phù hợp với mô hình tái hợp hạt tải đã đề cập trong cơ sở lý thuyết. Độ dày màng và phương pháp phủ quay ảnh hưởng đến sự cân bằng hạt tải và khả năng tái hợp exciton, điều này được minh họa rõ qua các biểu đồ phổ huỳnh quang và đường đặc trưng I-V.

Tuy nhiên, hạn chế về độ bền của PeLED dưới điều kiện nhiệt độ và độ ẩm vẫn là thách thức lớn, cần tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu và cấu trúc lớp bảo vệ. Các kết quả cũng cho thấy hiệu suất giảm khi nồng độ hạt tải cao do tái hợp Auger, phù hợp với các báo cáo trong ngành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp chấm lượng tử bằng cách kiểm soát tỷ lệ ligand và điều kiện phản ứng nhằm giảm khuyết tật mạng, nâng cao PLQY và độ ổn định vật liệu. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

  2. Phát triển cấu trúc lớp vận chuyển hạt tải mới với vật liệu có độ dẫn điện và khả năng ngăn chặn tái khuếch tán hạt tải tốt hơn, nhằm tăng hiệu suất tái hợp phát quang và giảm tổn thất điện tử. Thời gian: 12 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm linh kiện bán dẫn.

  3. Nghiên cứu lớp bảo vệ chống ẩm và nhiệt cho PeLED bằng vật liệu polymer hoặc lớp phủ oxit mỏng, nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị trong điều kiện môi trường thực tế. Thời gian: 9 tháng, chủ thể: nhóm phát triển vật liệu bảo vệ.

  4. Ứng dụng phương pháp phủ quay đa lớp và phun nóng cải tiến để kiểm soát độ dày và đồng nhất lớp màng, nâng cao hiệu suất và độ bền của PeLED. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ chế tạo.

Các giải pháp trên cần được phối hợp thực hiện đồng bộ để đạt hiệu quả tối ưu, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng PeLED trong các lĩnh vực chiếu sáng và hiển thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu nano, hóa lý: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng chấm lượng tử perovskite, phương pháp chế tạo PeLED, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thực nghiệm.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ LED và thiết bị quang điện tử: Thông tin về cấu trúc lớp vận chuyển hạt tải, quy trình chế tạo và đánh giá hiệu suất PeLED hỗ trợ cải tiến sản phẩm và phát triển công nghệ mới.

  3. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất thiết bị chiếu sáng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng vật liệu perovskite trong sản xuất LED đỏ hiệu suất cao, chi phí thấp, mở rộng thị trường và nâng cao năng lực cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Luận văn minh họa tiềm năng phát triển công nghệ nano trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn, hỗ trợ định hướng đầu tư và phát triển ngành công nghiệp công nghệ cao trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. PeLED là gì và có ưu điểm gì so với LED truyền thống?
    PeLED là đi-ốt phát quang dựa trên vật liệu chấm lượng tử perovskite, có ưu điểm như hiệu suất phát quang cao, khả năng điều chỉnh màu sắc linh hoạt, chi phí chế tạo thấp và có thể in trên bề mặt linh hoạt, vượt trội so với LED truyền thống về hiệu suất và đa dạng ứng dụng.

  2. Phương pháp tổng hợp chấm lượng tử perovskite nào được sử dụng phổ biến?
    Phương pháp tái kết tinh hỗ trợ ligand (LARP) và phun nóng là hai phương pháp chính. LARP phù hợp cho sản xuất quy mô lớn với điều kiện nhiệt độ phòng, còn phun nóng cho ra chấm lượng tử chất lượng cao nhưng yêu cầu môi trường trơ và kiểm soát nghiêm ngặt.

  3. Hiệu suất lượng tử ngoài (EQE) của PeLED được xác định như thế nào?
    EQE là tỷ lệ số photon phát ra ngoài so với số hạt tải được vận chuyển vào lớp phát xạ, phản ánh hiệu quả chuyển đổi điện năng thành ánh sáng. Giá trị EQE cao chứng tỏ thiết bị có hiệu suất phát quang tốt.

  4. Những thách thức lớn nhất trong phát triển PeLED hiện nay là gì?
    Bao gồm độ bền thấp dưới tác động của nhiệt và độ ẩm, hiệu suất giảm khi nồng độ hạt tải cao do tái hợp Auger, và sự không ổn định của cấu trúc perovskite dẫn đến phổ phát quang không ổn định.

  5. Ứng dụng thực tiễn của PeLED trong tương lai ra sao?
    PeLED có tiềm năng ứng dụng trong chiếu sáng hiệu suất cao, màn hình hiển thị mềm dẻo, thiết bị y tế và viễn thông nhờ khả năng tùy chỉnh màu sắc, chi phí thấp và tính linh hoạt trong thiết kế.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công chấm lượng tử perovskite đỏ với PLQY cao và kích thước hạt nano đồng đều, phù hợp cho ứng dụng PeLED.
  • Chế tạo linh kiện PeLED với cấu trúc lớp ZnO/perovskite/NiO đạt EQE tối đa khoảng 12% và độ rọi 80 W sr^-1 m^-2, cải thiện hiệu suất chiếu sáng.
  • Điều chỉnh tỷ lệ PEAI:MAI và độ dày màng perovskite là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của PeLED.
  • Các thách thức về độ bền và hiệu suất giảm do tái hợp không phát quang vẫn cần được nghiên cứu sâu hơn.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình tổng hợp, cấu trúc lớp vận chuyển hạt tải và lớp bảo vệ để nâng cao hiệu năng và độ bền thiết bị.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển vật liệu bảo vệ chống ẩm và nhiệt, đồng thời mở rộng quy mô chế tạo để hướng tới ứng dụng thương mại. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm dựa trên kết quả này nhằm thúc đẩy công nghệ PeLED trong nước và quốc tế.