Nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang cấu trúc perovskyte kép AA’BB’O6 và các chấm lượng tử bọc silica pha tạp đất hiếm cho ứng dụng trong điot phát xạ ánh sáng trắng

Nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang cấu trúc perovskyte kép AA’BB’O6 và các chấm lượng tử bọc silica pha tạp đất hiếm cho ứng dụng trong điot phát xạ ánh sáng trắng Tổng quan Nghiên cứu về vật liệ.

Nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang cấu trúc perovskyte kép AA’BB’O6 chấm lượng tử bọc silica pha tạp đất cho ứng dụng điot phát xạ ánh sáng trắng Tổng quan Nghiên cứu vật liệu huỳnh quang nhiều nhóm sở nước Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN; Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam; Đại học Huế; Trường ĐH Sự phạm Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội… nghiên cứu Đa số hướng nghiên cứu bột huỳnh quang nói nghiên cứu cơng nghệ chế tạo tính chất quang vật liệu chế tạo Trong nghiên cứu  này có nhiều kết tốt cơng bố tạp chí quốc tế có uy tín [1-19] Nhóm nghiên cứu GS Vũ Xuân Quang, Vũ Phi Tuyến, Phan Văn Độ tập trung chủ yếu phân tích chế phát quang vật liệu huỳnh quang dựa sở lý thuyết Judd – Ofelt Nhóm nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu chế phát xạ số ion đất Eu3+, Er3+, Dy3+ trong vật liệu có cấu trúc thủy tinh [2, 4, 10, 14]; Nhóm nghiên cứu GS Lê Quốc Minh Viện Khoa học Vật liệu chủ yếu tập trung nghiên cứu số loại vật liệu huỳnh quang truyền thống Y 2O3, Gd2O3 pha tạp số ion đất Eu3+, Er3+ [5, 6] Trong cơng bố nhóm nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc giải thích chế phát quang  vật liệu dạng oxit sunfit pha tạp ion đất RE3+ và khảo sát ảnh hưởng nồng độ pha tạp ion đất điều kiện tổng hợp vật liệu đến cấu trúc tính chất quang chúng; Nhón nghiên cứu GS Phạm Thành Huy, Nguyễn Duy Hùng,… Viện Tiên tiến Đại học Bách khoa Hà Nội tập trung nghiên cứu loại vật liệu huỳnh quang ứng dụng cho thiết bị chiếu sáng dân dụng chiếu sáng cho nơng nghiệp Nhóm nghiên cứu chủ yếu tập trung vào bột huỳnh quang dạng oxit pha tạp ion đất kim loại chuyển tiếp đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tạp chất, nhiệt độ nung thiêu kết công nghệ chế tạo vật liệu lên tính chất quang vật liệu khả ứng dụng loại vật liệu vào thực tiến [3, 9, 12, 15, 16, 20] vài nhóm nghiên cứu khác Chúng tơi nhận thấy số nhóm nghiên cứu vật liệu huỳnh quang chưa có nghiên cứu nước họ vật liệu huỳnh quang có cấu trúc perovskite kép pha tạp đất Qua q trình tìm hiểu, chúng tơi thấy có số nhóm nghiên cứu nước quan tâm đến tính chất điện - từ họ vật liệu cấu trúc perovskite cấu trúc perovskite kép nhóm nghiên cứu PGS TS Nguyễn Văn Hồng; GS TS Nguyễn Huy Dân (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam); PGS TS Nguyễn Văn Đăng; TS Nguyễn Văn Khiển (Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên) chưa có nhóm nghiên cứu nước nghiên cứu cấu trúc tính chất quang họ vật liệu pha tạp ion đất Vì vấn đề so với nghiên cứu nước Tính cấp thiết Hiện nay, vấn đề lượng, tiết kiệm lượng lượng bảo vệ môi trường quan tâm đầu tư, nghiên cứu toàn giới Trong lĩnh vực tiêu thụ lượng, chiếu sáng chiếm tỷ trọng đáng kể Theo số liệu quan thống kê có uy tín, nước phát triển, tỷ trọng lượng điện tiêu thụ cho chiếu sáng chiếm tới 20% tổng sản lượng điện sản xuất nước Do đó, tiết kiệm lượng thông qua tiết kiệm điện chiếu sáng biện pháp hầu hết quốc gia giới thực [1] Để tiết kiệm lượng chiếu sáng, việc thay loại bóng đèn có hiệu suất chuyển đổi lượng thấp bóng đèn chiếu sáng hiệu suất cao quan tâm Vì nay, xu hướng sử dụng nguồn sáng nhân tạo chủ yếu loại đèn huỳnh quang, đèn compact, đèn LED ngày nhiều So với đèn dây tóc, loại đèn vừa có tuổi thọ cao, vừa tiết kiệm điện và có độ sáng cao [2]–[5] Trong hai thập kỷ trở lại đây, việc phát triển mạnh khoa học công nghệ, có khoa học cơng nghệ nano, nhu cầu sử dụng lượng điện tăng mạnh dẫn tới thiếu hụt nguồn cung cấp lượng, vấn đề nghiên cứu liên quan đến vật liệu phát quang thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao quan tâm nghiên cứu nhiều Các phát minh điốt phát quang (LED) đơn sắc từ năm nửa cuối kỷ 20 (1962: LED đỏ; 1971: LED xanh lục; 1972: LED vàng; 1994: LED xanh lam) đóng vai trị quan trọng việc tạo ánh sáng trắng dựa màu xanh lục, xanh lam, đỏ, dẫn tới việc tạo nguồn sáng trắng có khả tiết kiệm lượng với cường độ sáng cao nhiều so với nguồn sáng truyền thống Dựa phát minh LED phát xạ ánh sáng xanh lam nhà khoa học Isamu Akasaki, Hiroshi Amano Shuji Nakamura (đã đạt giải Nobel Vật lý 2014), nghiên cứu chế tạo nguồn LED phát xạ ánh sáng dải bước sóng từ hồng ngoại đến tử ngoại tiếp tục thực Các loại bột phosphor ứng dụng LED phát xạ ánh sáng trắng (chế tạo bột cách sử dụng LED xanh lam kết hợp với bột huỳnh quang màu vàng hỗn hợp bột huỳnh quang màu vàng, màu đỏ chí xanh lam xanh lục sử dụng điốt phát quang tử ngoại (UVLED) làm nguồn kích) tập trung nghiên cứu nhiều Y 3Al5O12:Ce [6], X6BP5O20:(Dy3+, Ce3+ hoặc Eu) [7], … hay BaMgAl10:O17:Eu2+ [8][9] Hiện đèn LED trắng thường sử dụng bột huỳnh quang thương mại phát xạ xanh lục, xanh lam vàng Kết dẫn đến đèn LED trắng thường có nhiệt độ màu cao thiếu vùng ánh sáng đỏ đỏ xa Thế bột huỳnh quang phát xạ đỏ thương mại truyền thống gốc Sunfit Y2O3, YBO3 pha tạp Eu3+ lại có tính ổn định thấp mơi trường xạ tử ngoại mà chip InGa tạo Điều dẫn đến tính ổn định hiệu suất đèn LED dùng loại bột huỳnh quang giảm dần theo thời gian sử dụng Vì việc nghiên cứu để tạo vật liệu huỳnh quang phát xạ vùng ánh sáng đỏ đỏ xa để cải thiện chất lượng nguồn sáng trắng ấm, có độ ổn định độ bên cao vấn đề vô cần thiết Năm 2005, nhóm nghiên cứu Christopher J Howard có báo cáo cấu trúc nhóm vật liệu Sr2YTaO6 thuộc nhóm khơng gian P21/n với cấu trúc perovskite kép cho thấy cấu trúc perovskite kép có tính chất điện quang học vượt trội độ ổn định hóa học, ổn định nhiệt tốt Các hợp chất cấu trúc perovskite kép A2BB’O6 pha tạp ion Eu3+ được cho bột huỳnh quang phát xạ đỏ bổ sung tuyệt vời cho đèn LED trắng sử dụng chip n-UV chíp phát xạ xanh lam Do đó, việc nghiên cứu tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O6 pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+ cho phát xạ đỏ, ứng dụng điot cho phát xạ anh sáng trắn điều cần thiết để nâng cao chất lượng WLED thay bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ ngoại nhập [10]–[13] Trong trình nghiên cứu, chúng tơi nhận thấy nhóm vật liệu AIIBVI có độ rộng vùng cấm nằm giải kích thích ion đất hiếm, có giải hấp thụ phát xạ rộng Đây nguồn kích thích tuyệt vời cho ion đất trình phát xạ Với nhiều kinh nghiệm việc nghiên cức chấm lượng tử bán dẫn họ A IIBVI cũng vật liệu huỳnh quang pha tạp đất Chúng thấy hồn tồn pha tạp ion đất vào chấm lượng tử học A IIBVI cũng chấm lượng tử học AIIBVI được bọc silica để tạo vật liệu huỳnh quang phát xạ rộng vùng ánh sáng đỏ đỏ xa, định hướng cho ứng dụng điot phát xạ ánh sáng trắng ấm Loại vật liệu hứa hẹn khả ứng dụng cao trình phủ lên UV LED phát xạ trắng [14], [15] Mục tiêu 1. Chế tạo thành công bột huỳnh quang AA’BB’O6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu3+, Er3+ bằng phương pháp sol – gel bột huỳnh quang AA’BB’O6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) đồng pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+  bằng phương pháp sol – gel cho phát xạ đỏ đỏ xa có hiệu huỳnh quang cao 2. Chế tạo chấm lượng tử CdS, CdSe pha tạp ion Eu 3+ và Er3+ bọc silica (SiO2) phát xạ rộng vùng ánh sáng đỏ, có hiệu suất huỳnh quang cao Nội dung Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu 3+ bằng phương pháp sol – gel cho phát xạ đỏ có hiệu huỳnh quang cao - Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu3+ với tỷ lệ pha tạp nhiệt độ nung thiêu kết khác - Khảo sát cấu trúc tính chất quang nhóm vật liệu AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu3+ - Tìm điều kiện cho quy trình tổng hợp để vật liệu phát quang tốt vùng ánh sáng đỏ Nội dung 2:  Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O 6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er 3+ bằng phương pháp sol – gel cho phát xạ mạnh vùng ánh sáng đỏ đỏ xa - Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+ với tỷ lệ pha tạp nhiệt độ nung thiêu kết khác - Khảo sát cấu trúc tính chất quang nhóm vật liệu AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+ - Tìm điều kiện cho quy trình tổng hợp để vật liệu phát quang tốt vùng ánh sáng đỏ đỏ xa Nội dung 3: Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O 6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) đồng pha tạp ion Eu 3+ và ion Er3+ bằng phương pháp sol – gel cho phát xạ đỏ - Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+ với tỷ lệ pha tạp nhiệt độ nung thiêu kết khác - Khảo sát cấu trúc tính chất quang nhóm vật liệu AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+ - Tìm điều kiện cho quy trình tổng hợp để vật liệu phát quang tốt vùng ánh sáng đỏ đỏ xa Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo chấm lượng tử CdS, CdSe pha tạp ion Eu 3+, ion Er3+ đươc bọc lớp vỏ silica phương pháp hóa ướt - Khảo sát ảnh hưởng tủ lệ pha tạp, nồng độ chất bẫy đến cấu trúc tính chất quang vật liệu; - Phân tích chế phát xạ hạt nano silica pha tạp ion Eu 3+ và ion Er3+ để làm rõ chế phát xạ bờ - vùng phát xạ tâm ion đất chế truyền lượng chúng Nội dung 5: Nghiên cứu trình tráng phủ ba loại bột huỳnh quang lên chip LED nhằm điều khiển phổ phát xạ WLED khả chiếu sáng cho nông nghiệp - Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hỗn hợp bột phosphor lên phổ phát xạ LED chế tạo được, so sánh với WLED thương mai - Xác định điều kiện tối ưu để tạp WLED tráng phủ đèn huỳnh quang cho chiếu sáng nông nghiệp PP nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm chế tạo -  Họ vật liệu perovskite kép tổng hợp phương pháp sol – gel phương pháo đồng kết tủa phịng thí nghiệm Lý – Hóa, trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên; -  Họ chấm lượng tử AIIBVI pha tạp ion Eu3+, Er3+ bọc silica chế tạo phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên Thực nghiệm đo đạc -  Các khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt, thành phần hóa học, nghiên cứu phương phân tích ảnh FESEM, TEM; đo phổ XRD EDX -  Tính chất quang mẫu chế tạo nghiên cứu phép đo phổ phát xạ huỳnh quang (PL), phổ kích thích huỳnh (PLE), phổ huỳnh quang 3D, phổ huỳnh quang catot (CL), phổ hấp thụ Thử nghiệm ứng dụng  -  Phần thử nghiệm chế tạo đo đạc tính chất LED thực trung tâm nghiên cứu phát triển chiếu sáng Rạng Đơng (Trung tâm R&D chiếu sáng), phịng thí nghiệm chung HUSTRALACO viện AIST-ĐHBK HN -  Các đo đạc hình thái bề mặt ảnh SEM, FESEM, thành phần hóa học thực Viện AIST- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội -  Đo phổ nhiễu xạ tia X để khảo sát cấu trúc tinh thể vật liệu khảo sát tính chất quang phép đo huỳnh quang, kích thích huỳnh quang thực trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên Hiệu KTXH Đối với lĩnh vực giáo dục đào tạo Kết nghiên cứu đề tài tài liệu phục vụ nghiên cứu, đào tạo sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành vật lý, khoa học vật liệu, vật liệu quang học – quang điện tử quang tử, góp phần nâng cao chất lượng, hiệu đào tạo nghiên cứu khoa học Trường Đại học khoa học, Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên Đồng thời gắn kết việc học tập lý thuyết với thực hành ứng dụng tiến công nghệ khoa học vật liệu điều kiện thực tiễn Việt Nam Học viên, sinh viên thực thí nghiệm đề tài tiếp cận với cơng nghệ mới, rèn luyện kỹ nghiên cứu, thí nghiệm phục vụ cho thực tiễn chuyên môn sau Đề tài góp phần đào tạo cán bộ có trình độ cao thạc sĩ, tiến sĩ Đối với lĩnh vực khoa học cơng nghệ có liên quan -   Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là sở ứng dụng công nghệ khoa học vật liệu thiết bị chiếu sáng rắn Các vật liệu tiên tiến ứng dụng cho chiếu sáng tiết kiệm lượng Đối với phát triển kinh tế-xã hội Kết quả nghiên cứu tạo họ bột huỳnh quang có cấu trúc perovskite kép chấm lượng tử pha tạp đất có khả ứng dụng cao thiết bị chiếu sáng LED, đèn huỳnh quang thiết bị hiển thị màu Kết đề tài góp phần vào việc sản xuất bột huỳnh quang có hiệu suất phạt xạ cao nước, thay huỳnh quang ngoại nhập, giảm giá thành sản phẩm chủ động sản xuất nguyên liệu 4. Đối với tổ chức chủ trì sở ứng dụng kết nghiên cứu Đề tài góp phần bồi dưỡng khả nghiên cứu giảng viên trẻ, hình thành nhóm nghiên cứu về lĩnh vực quang học, quang điện tử quang tử sở giáo dục đại học liên quan đến khoa học Vật liệu Đại học Thái Nguyên Đồng thời, kết quả nghiên cứu khẳng định khả làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến ứng dụng thiết bị chiếu sáng của tổ chức chủ trì và các sở ứng dụng kết quả nghiên cứu ĐV sử dụng