Tổng Hợp và Tính Chất của Phosphor Zn2SiO4 và Zn2SnO4 Doped Kim Loại Chuyển Tiếp (Mn2+, Cr3+)

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu zn2sio4 và zn2sno4 không pha tạp và pha tạp các ion, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

Chuyên ngành

Material Sciences

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

doctoral dissertation

2020

160
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về Phosphor Zn2SiO4 và Zn2SnO4 Doped Kim Loại Chuyển Tiếp

Phosphor Zn2SiO4 và Zn2SnO4 là hai loại vật liệu quan trọng trong lĩnh vực quang học và điện tử. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như đèn LED và cảm biến quang học. Việc doping các kim loại chuyển tiếp như Mn2+ và Cr3+ vào cấu trúc của chúng đã mở ra nhiều khả năng mới về tính chất quang học và điện. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào tổng hợp và tính chất của các phosphor này, đặc biệt là ảnh hưởng của quá trình doping.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của Zn2SiO4 và Zn2SnO4

Zn2SiO4 và Zn2SnO4 có cấu trúc tinh thể đặc trưng, ảnh hưởng đến tính chất quang học của chúng. Cấu trúc của Zn2SiO4 là dạng willemite, trong khi Zn2SnO4 có cấu trúc spinel. Sự khác biệt này dẫn đến các đặc tính quang học khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng phát quang và ứng dụng trong công nghệ LED.

1.2. Tính chất quang học của phosphor doped kim loại chuyển tiếp

Tính chất quang học của Zn2SiO4 và Zn2SnO4 doped với kim loại chuyển tiếp như Mn2+ và Cr3+ đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các ion này không chỉ cải thiện độ sáng mà còn thay đổi màu sắc phát quang, tạo ra các ứng dụng mới trong lĩnh vực chiếu sáng và cảm biến.

II. Thách thức trong việc tổng hợp Zn2SiO4 và Zn2SnO4 Doped

Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, việc tổng hợp Zn2SiO4 và Zn2SnO4 doped với kim loại chuyển tiếp gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của vật liệu, sự phân bố đồng đều của các ion dopant và điều kiện nhiệt độ trong quá trình tổng hợp cần được giải quyết để tối ưu hóa tính chất của phosphor.

2.1. Vấn đề về độ tinh khiết của vật liệu

Độ tinh khiết của Zn2SiO4 và Zn2SnO4 là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất quang học. Sự hiện diện của tạp chất có thể làm giảm hiệu suất phát quang, do đó cần có các phương pháp tổng hợp hiệu quả để đảm bảo độ tinh khiết cao.

2.2. Phân bố không đồng đều của ion dopant

Phân bố không đồng đều của các ion dopant trong cấu trúc tinh thể có thể dẫn đến sự biến đổi trong tính chất quang học. Việc kiểm soát quá trình doping là rất quan trọng để đạt được các đặc tính mong muốn cho ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp tổng hợp Zn2SiO4 và Zn2SnO4 Doped Kim Loại Chuyển Tiếp

Có nhiều phương pháp tổng hợp khác nhau cho Zn2SiO4 và Zn2SnO4 doped, bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp đồng kết tủa và phương pháp nhiệt phân. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

3.1. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp Zn2SiO4 và Zn2SnO4. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt và độ đồng nhất của vật liệu, từ đó cải thiện tính chất quang học.

3.2. Phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa cũng được sử dụng để tổng hợp các phosphor này. Phương pháp này có thể tạo ra các hạt với kích thước nhỏ và phân bố đồng đều, tuy nhiên, cần kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng để đạt được kết quả tốt nhất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Zn2SiO4 và Zn2SnO4 Doped

Zn2SiO4 và Zn2SnO4 doped với kim loại chuyển tiếp có nhiều ứng dụng trong công nghệ LED, cảm biến quang học và chiếu sáng. Các tính chất quang học vượt trội của chúng giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của các thiết bị điện tử.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ LED

Phosphor Zn2SiO4 và Zn2SnO4 doped được sử dụng rộng rãi trong công nghệ LED. Chúng giúp tạo ra ánh sáng với màu sắc phong phú và độ sáng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong lĩnh vực chiếu sáng.

4.2. Ứng dụng trong cảm biến quang học

Các phosphor này cũng được ứng dụng trong cảm biến quang học nhờ vào tính chất phát quang đặc biệt của chúng. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất hóa học hoặc sinh học trong môi trường.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu về Zn2SiO4 và Zn2SnO4 Doped

Nghiên cứu về Zn2SiO4 và Zn2SnO4 doped với kim loại chuyển tiếp đang mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu quang học. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong công nghệ hiện đại.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải tiến tính chất quang học của các phosphor này. Điều này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tác động đến công nghệ và môi trường

Việc phát triển các phosphor hiệu suất cao không chỉ có lợi cho công nghệ mà còn có thể giảm thiểu tác động đến môi trường. Các vật liệu này có thể thay thế các vật liệu độc hại hiện có, góp phần vào sự phát triển bền vững.

08/07/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY LE THI THAO VIEN Synthesis and properties of undoped and transition metal (Mn2+, Cr3+) doped Zn2SiO4 and Zn2SnO4 phosphors DOCTORAL DISSERTATION ON MATERIAL SCIENCES HANOI – 2020 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY LE THI THAO VIEN Synthesis and properties of undoped and transition metal (Mn2+, Cr3+) doped Zn2SiO4 and Zn2SnO4 phosphors Majors: Material Sciences Code: 9440122 DOCTORAL DISSERTATION ON MATERIAL SCIENCES ADVISORS: 1. PHAM THANH HUY 2. NGUYEN THI KHOI HANOI – 2020 COPYRIGHT DECLARATION This thesis compresses only my research results. It does not contain any previous data submitted by any people or organizations except that have been marked in the references.

Hanoi, 15/9/2020 Advisors PhD. Pham Thanh Huy Le Thi Thao Vien i ACKNOWLEDGEMENTS Although my name is on the cover of this dissertation, many people were of great importance to this research. I want to take a moment to extend my gratitude to the involved. The first, I would like to express my sincerest thanks to my supervisor, Prof.

Pham Thanh Huy, excellence and estimable teacher, for all of his supports. His dedication to science has been encouraging me so much, protected me from the confusion since I started studying and researching at the Advanced Institute for Science Technology (AIST). This dissertation was carried out at AIST, together with several research groups researches. I had garnered variable information from these seminars with free discussions coming from all of our group members.

Possibly just as important as the practical aid was the friendly, cooperative atmosphere at AIST; it made me enjoy virtually every second of working on my dissertation. I wish to thank Associate prof. Dao Xuan Viet; Dr. Nguyen Tu; Dr.

Nguyen Duy Hung, and all of my teammates for their friendships with kind-hearts and unconditional assistance. The last few months weren’t easy, and I want to thank all my dearest friends, who helped me get back on track when I lost my laptop and found many difficulties in life. Without your care, understanding, and motivational speeches, this thesis would no doubt look different and not for the better. Your friendship makes me realize what a lucky person I am.

For the last, more than I can say, I would like to express manifest thanks to my husband and two children for always being by my side, putting their truth in me during my duration at AIST. Lastly, I want to mention my father, mother, my parents-in-law, and two sisters, and thank them for making me the person that I have become. Le Thi Thao Vien ii CONTENTS LIST OF FIGURES. viii LIST OF TABLES.

xiv BRIEF INTRODUCTION. Background of Luminescence. Background of Transition Metal (TM) ions in the crystal field………10 1. The effect of crystal fields on the separation of TM ions…………… 11 1.

Tanabe-Sugano diagrams. Energy levels of Mn2+ ion in a crystal field. Energy levels of Cr3+ ion in a crystal field. Literature review of transition metal (Mn 2+, Cr3+) doped Zn2 SiO4 and Zn2 SnO4 phosphors.

Structure and optical properties of Zn2SiO4: Mn2+…………………. Structure and optical properties of Zn2SnO4, Zn2SnO4:Mn2+ ………………………………………………………………………………………………………………………… 24 1. Phosphor-based LEDs. Phosphor-based LEDs.

LED application in agricultural lighting. Synthesis of Zn 2SiO4, Zn2 SiO4:Mn2+, Zn2 SnO4, Zn2 SnO4 :Mn2+, Zn2 SnO4 :Cr3+, Zn2 SnO4:Cr3+, Al3+. Synthesis of Zn2SiO4. Synthesis of Zn2SiO4: Mn2+.

Synthesis of Zn2SnO4. Synthesis of Zn2SnO4:Mn2+. Synthesis of Zn2SnO4:Cr3+ and Zn2SnO4:Cr3+, Al3+. LED package process.

STRUCTURE AND OPTICAL PROPERTIES OF Zn2SiO4 AND Zn2SiO4:Mn2+ PHOSPHORS. Structure and optical properties of Zn2 SiO4 phosphors. X-ray diffraction of Zn2SiO4. Phosphor morphology of Zn2SiO4.

Vibrational analysis: Raman spectra of Zn2SiO4. Structure and optical properties of Zn 2 SiO4 :Mn2+ phosphors. X-ray diffraction of Zn2SiO4:Mn2+. Phosphor morphology of Zn2SiO4:Mn2+.

Vibrational analysis of Zn2SiO4:Mn2+. Optical properties of Zn2SiO4:Mn2+. Thermoluminescence (TL) properties and Decay time of Mn2+ doped Zn2SiO4. Application of Mn2+ doped Zn2SiO4 on UV LED.

STRUCTURE AND OPTICAL PROPERTIES OF Zn2SnO4 AND Zn2SnO4:Mn2+ PHOSPHORS. Structural and optical properties of Zn 2 SnO4 phosphors. X-ray diffraction of Zn2SnO4. Optical properties of Zn2SnO4.

Structural and optical properties of Zn 2 SnO4:Mn2+. X-ray diffraction of Zn2SnO4:Mn2+. Phosphor morphology of Zn2SnO4:Mn2+. Optical properties of Zn2SnO4:Mn2+.

Decay time of 5%Mn2+ doped Zn2SnO4. Temperature-dependent PL and internal quantum efficiency of Zn2SnO4:5%Mn2+ phosphors. Application of un-doped and Mn2+ doped Zn2SnO4 on LED. OPTICAL PROPERTIES OF Zn2SnO4:Cr3+ AND Zn2SnO4:Cr3+, Al3+ FOR PLANT CULTIVATION LED.

Structural and optical properties of Zn 2 SnO4:Cr3+ phosphors. X-ray diffraction of Zn2SnO4:Cr3+. Phosphor morphology of Zn2SnO4:Cr3+. Optical properties of Zn2SnO4:Cr3+.

Application of the prepared phosphor for fabricating infrared LEDs. Structural and optical properties of Zn 2 SnO4:Cr3+, Al3+ phosphors 106 5. X-ray diffraction and FESEM of Zn2SnO4:Cr3+,Al3+. Crystal field analysis.

The effect of Al3+ on optical properties of ZTO: Cr3+. Application of the prepared phosphor. 117 CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS. 125 v LIST OF ACRONYMS Acronyms Full name EDX/EDS: Energy-Dispersive X-ray spectroscopy LED: Light Emitting Diode NIR: Near-infrared PL: Photoluminescence SEM: Scanning Electron Microscope XRD: X-Ray Diffraction FESEM: Field emission scanning electron Microscope PLE: Photoluminescence excitation UV: Ultraviolet HWHM: Half-Width at half-maximum IR: Infra-red TM: Transition Metal EL: Electroluminescence NBOH: Non – bridging oxygen hole centers RGB: Red, Green and Blue FTIR: Fourier – transform infrared spectroscopy HEBM: High – energy planetary ball mill AIST: Advanced Institute for Science and Technology JCPDS: Joint committee on powder diffraction standards FWHM: Full width at half maximum vi Zni: Zinc interstitials Sni: Tin interstitials Oi : Oxygen interstitials Vo : Oxygen vacancy WBG: Wide band gap ZTO: Zinc stannate VZn: Zinc vacancy VSn: Tin vacancy TG-DTA: Thermogravimetry/Different thermal analyzer CRI: Color rendering index CCT: Correlated color temperature BM: Brurstein – Moss WLED White light-emitting diode QE Quantum efficiency AO Atomic orbitals vii LIST OF FIGURES No.

Name Page Shapes of d orbitals and ligand positions ○: Ligands for Figure 1.1 11 octahedral symmetry: Ligands for tetrahedral symmetry The separation of AO d of the transition metal ions in Figure 1.2 12 octagonal symmetry The separation of AO d of the central ion by the crystal Figure 1.3 13 field in different symmetry The separation of energy levels of some transition metal ions due to electrostatic interaction (a) and the energy Figure 1.4 14 level separation of Cr 3+ ions when take into account the spin-orbit interaction L-S (with B = 918 cm -1 ) (b) Figure 1.5 3d level splitting caused by the crystal field 15 Energy level diagram for the d 2 configuration., Ligand Field Figure 1.6 16 Theory and its Applications, Syokabo, Tokyo, 1969 (in Japanese) Energy level diagram for the d3 configuration., Ligand Field Figure 1.7 17 Theory and its Applications, Syokabo, Tokyo, 1969 (in Japanese) Energy level diagram for the d5 configuration., Ligand Field Figure 1.8 17 Theory and its Applications, Syokabo, Tokyo, 1969 (in Japanese) Tanabe–Sugano diagram for the Mn 2+ in Zn 2SiO4 crystal Figure 1.9 19 field Tanabe–Sugano diagram for the Cr 3+ electron Figure 1.10 21 configuration in the octahedral crystal field.7 (a) The number of SiO 4− units that are connected together Figure 1.11 by sharing the oxygen atoms and (b) Structure of the 23 Willemite -Zn2 SiO4 Figure 1.12 Structural models for the cubic spinel -Zn2 SnO4 25 General approaches for achieving white LEDs.13 27 Single-emitting-layer structure. (B) Multi emitting layer viii structure. (E) Down-conversion white LEDs. Three principal white-lighting strategies.14 A three-phosphor strategy with a UV LED and RGB 27 phosphors.

(c) A blue LED with a yellow down- converting phosphor Figure 2.1 Synthesis Zn 2SiO4 powder process 33 Ball-powder – ball collision of powder mixture during Figure 2.2 35 mechanical milling Figure 2.3 Scattering and diffraction. The Bragg’s law 36 FESEM instrument and schematic of a scanning electron Figure 2.5 Raman scattering 38 Figure 2.6 Principle of Fourier-transform spectroscopy 39 The basic design of an instrument for measuring Figure 2.7 40 fluorescence The basic design of an instrument for measuring UV-vis Figure 2.9 The typical of LED package structure 43 The typical of LED package structure (a) and lens- Figure 2.10 44 containing type LED package (b) Figure 2.11 The process of LED package 44 Figure 2.12 The process of die bonding 45 Figure 2.13 The process of Wire bonding 45 Figure 2.14 The process of phosphor -silicon coating 46 Figure 2.15 The process of dispensing 46 Figure 2.16 The process of curing 47 Figure 2.17 The process of testing 47 XRD patterns of ZnO-SiO2 powder with the weight ratio Figure 3.1 50 of 1:2 after high-energy planetary ball milling for 40 hours ix and annealing at different temperatures for 2 hours in air environment. FESEM and EDS images of Zn 2 SiO4 powder with the weight ratio of 1:2 after high-energy planetary ball milling Figure 3.2 for 40 hours (a) and annealing at 500 C (b); 900 C (c); 51 1000 C (d); 1150 C (e); 1250 C (f), 1300 C (g) and 1350 C (h) oC for 2 hours in air environnent Raman spectra of Zn 2SiO4 powder (with the weight ratio of 1:2) after high-energy planetary ball milling for 40 Figure 3.3 hours (a) and Zn 2 SiO4 samples after milling and annealing 52 at 900 C (b), 1250 C (c), and 1350 C (d) for 2 hours in air environment. PL spectra of Zn 2 SiO4 and after annealing at different Figure 3.4 temperatures for 2 hours in air environment (a) and 53 Gaussian Fitted of PL spectrum (b) Diagram of PL mechanism for explanation of PL emission Figure 3.5 54 of Zn2 SiO4 PL spectra of Zn 2 SiO4 with different ratio of ZnO:SiO 2 at Figure 3.5:2 (a); (1:2 (b); (2:1(c) and (2:2(d)) calcinated at 1250 54 C XRD patterns of 5 %wt Mn 2+-doped Zn2 SiO4 powders after ball-milling for 40 hours without and with annealing Figure 3.7 55 at different temperatures in the range of 500 – 1350 C in air XRD patterns of Zn 2SiO4 :x%Mn2+ (x=0-8) samples after Figure 3.8 57 milling followed by the annealing in air at 1250 C.

FESEM images of 5 wt % Mn 2+ doped ZnO/SiO 2 powders after milling for 40 hours (a), the milled sample and annealed at different temperatures for 2 hours in air: 500 Figure 3.9 58 °C (b), 900 °C (c), 1150 °C (d), 1200 °C (e), 1250 °C (f) , 1300 °C (g) and 1350 °C (h) and (i) EDS spectra of sample annealed at 1250 °C FTIR spectra of 5 wt% Mn 2+ doped ZnO/SiO 2 powders after milling for 40 hours (a), the sample after ball-milling Figure 3.10 followed by the annealing at different temperatures for 2 59 hours in air: 500 °C (b), 900 °C (c), 1150 °C (d), 1200 °C (e), 1250 °C (f) , and 1300 °C (g) x Raman spectra of 5 wt% Mn 2+-doped ZnO/SiO 2 powders after milling for 40 hours (a), the samples milled for 40 Figure 3.11 hours followed by annealing at different temperatures of 60 500 °C (b), 900 °C (c), 1150 °C (d), 1200 °C (e), 1250 °C (f) , 1300 °C (g), for 2 hours in air (a) PLE spectra measured at maxima of the emission at 740 nm (curve 1) and 525 nm (curve 2); and (b) Figure 3.12 62 photoluminescence spectrum of Zn2SiO4 sample after milling without doping and doped with 5% Mn PL spectra of 5 %wt Mn 2+ doped ZnO/SiO2 powders after Figure 3.13 milling for 40 hours followed by the annealing at different 62 temperatures in the range of 500-1350 C PL spectra of Zn 2 SiO 4:x%Mn2+ (x=0-8) samples after milling followed by the annealing in air at 1250 C.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ