Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu phát quang bamgal10o17 cr3 caal12o19 cr3 và caal12o19 caal4o7 mgal2o4 pha tạp mn4

BỘGIÁODỤCVÀ ĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCHKHOAHÀNỘI NGUYỄNTHỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNGỨNGDỤNGCỦAVẬTLIỆUPHÁTQUANG BaMgAl10O17:Cr3+,CaAl12O19:Cr3+VÀCaAl12O19–CaAl4O7– MgAl2O4PHATẠPMn4+ LUẬNÁNTIẾNSĨKHOAHỌC VẬT LIỆU HàNội -2023 NGUYỄNTHỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VÀ KHẢ NĂNGỨNGDỤNGCỦAVẬTLIỆUPHÁTQUANG BaMgAl10O17:Cr3+,CaAl12O19:Cr3+VÀCaAl12O19–CaAl4O7– MgAl2O4PHATẠPMn4+ Ngành: Khoa học vật liệuMãsố: 9440122 LUẬNÁNTIẾNSĨKHOAHỌCVẬT LIỆU NGƢỜIHƢỚNGD ẪN K H O A H ỌC : GS.TS.PHẠMTHÀNHHUYTS.D ƢƠNGTHANHTÙNG HàNội -2023 LỜICAMĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học đƣợc trình bày luận án làthànhquảnghiêncứucủabảnthântơitrongsuốtthờigianlàmnghiêncứusinhvàchƣa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt đƣợc chínhxácvàtrungthực HàNội,ngày tháng năm 2023 TMTậpthểhƣớngdẫn Tácgiảluận án GS.TS.PhạmThànhHuy NguyễnThịHuyền LỜICẢMƠN Trƣớctiên,tơixinbày tỏlịngkínht r ọ n g v b i ế t n c h â n t h n h , s â u s ắ c đến hai thầy hƣớngdẫn GS.TS Phạm ThànhH u y v T S D ƣ n g T h a n h T ù n g tận tâm hƣớng dẫn, định hƣớng khoa học, động viên, hỗ trợ mặt đểthựchiệnvàhồnthànhluậnánnày Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tƣ, PGS TS Đỗ Quang Trung,PGS.TS.NguyễnVănQuang,TS.NguyễnDuy Hùng,T S N g u y ễ n Đ ứ c T r u n g Kiên,PGS.TS.ĐàoXuânViệt,đãluônt ậ n t ì n h g i ú p đ ỡ t r o n g s u ố t q u t r ì n h nghiêncứu Tơix i n t r â n t r ọ n g c ả m n L ã n h đ o T r ƣ n g Đ i h ọ c B c h K h o a H N ộ i , PhịngĐàotạo,ViệnTiênTiếnKhoahọcvàCơngnghệ,ViệnĐàotạoQuốctếvềKhoa họcVậtl i ệ u , đ ã tạo mọiđiều kiệnthuận lợi cho nghiêncứu sinh t r o n g suốtqtrìnhhọctậpvànghiêncứu Tơix i n tr â n t r ọ n g c ả m n B a n G i m h iệ uT rƣ n gĐ i h ọ c S ƣ p h m H N ộ i 2,B a n C h ủ n h i ệ m K h o a H ó a h ọ c đ ã l u ô n đ ộ n g v i ê n , t o m ọ i đ i ề u k i ệ n t h u ậ n l ợ i chotôi tậpt r u n g qua.Tôi nghiên cứu suốt thờigian xinchân thành c ả m ơnc c đ n g n g h i ệ p , c c a n h c h ị e m t r o n g n h ó m n g h i ê n c ứ u đ ã l u ô n đ ộ n g v i ê n , h ỗ trợtôitrongsuốtthờigianthựchiệnluậnán Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển khoa học cơng nghệ Quốc gia(NAFOSTED)đãhỗtrợkinhphíthựchiệnluậnáncủatơivớimãsốđềtài103.032018.53và103.02-2017.365 Cuốicùng,tơixincảmơngiađình:Cha,mẹ,chồng,con,cácanhchịem;cùngbạnbèđãlnsátc ánh,độngviêntơiđểtơilnvữngtinhồnthànhluậnán Tácgiảluận án NguyễnThịHuyền MỤCLỤC Trang LỜICAMĐOAN i LỜICẢMƠN ii DANHMỤCCÁCTỪ VIẾT T Ắ T vii DANHMỤCCÁCH ÌN H V Ẽ viii DANHMỤ C BẢ N G BIỂU xii MỞĐẦU 1 Lýdoch ọn đềtài Mụct i ê u n g h i ê n c ứ u 3 Nộid u n g n g h i ê n c ứ u Phƣơngp há p n g h i ê n c ứ u .4 Ýnghĩa khoahọcvà đ ó n g gópmới c ủ a luận án Bốc ụ c luậnán CHƢƠNG1:T Ổ N G Q U A N V Ề T Í N H C H Ấ T Q U A N G C Ủ A V Ậ T L I Ệ U B aMgAl10O17( B A M ) V À C a A l 12O19( C A O ) P H A T Ạ P M n , C r 1.1 Cácq u t r ì n h q u a n g h ọ c c b ả n .8 1.1.1 Quát r ì n h p h t q u a n g 1.1.2 Quát r ì n h d ậ p t ắ t h u ỳ n h q u a n g 1.1.2.1 Sự dập tắt huỳnh quangdo nồng độ 1.1.1.2.Sựdập tắt huỳnh quangdo nhiệt độ .10 1.2 Xut h ế p h t tr iể n c c l o i v ậ t l i ệ u h u ỳ n h q u a n g h i ệ n n a y 11 1.3 Ảnhhƣởngcủa trƣờng tinhthểlênion Cr 3+vàMn 4+ 15 1.4 Cấut r ú c tí nh c h ấ t c ủ a vậ t l i ệ u BA M p h a t p C r 3+ 17 1.4.1 Cấut r ú c c ủ a v ậ t l i ệ u B A M 17 1.4.2 Tínhc h ấ t q u a n g c ủ a v ậ t l i ệ u B A M p h a t p C r 3+ 18 1.5 Cấut r ú c v tí nh c h ấ t c ủ a v ật liệu C A O p h a tạ p Cr 3+vàM n 4+ 20 1.5.1 Cấut r ú c c ủ a v ậ t l i ệ u CA O 20 1.5.2 Tínhc h ấ t q u a n g củ a v ậ t l i ệ u C A O p h a t p C r 3+v M n 4+ 21 1.5.2.1 Tính chất quang vật liệu CAOpha tạp Cr3+ 21 1.5.2.2 Tínhchất quang vật liệu CAO pha tạp Mn4+ 22 1.6 Cácp h ƣ n g pháp chếtạo th uỳ nh q u a n g 24 1.6.1 Phƣơngphápphản ứ n g pha rắn 24 1.6.2 Phƣơngphápđồng k ết tủa 24 1.6.3 Phƣơngph áp t h ủ y nh iệ t 25 1.6.4 Phƣơngphápsol-gel 25 1.7 Kếtluậnchƣơng1 26 CHƢƠNG2 : P H Ƣ Ơ N G P H Á P T H Ự C N G H I Ệ M V À C Á C P H É P P H Â N T Í C H TÍNHCH Ấ T CỦAVẬTL I Ệ U 27 2.1 Giớit h i ệ u 27 2.2 Quyt r ì n h t h ự c n g h i ệ m c h ế t o v ậ t l i ệ u h u ỳ n h q u a n g b ằ n g p h ƣ n g p h p s o l gelkết hợp vớiủnhiệt 27 2.2.1 Quyt r ì n h t h ự c n g h i ệ m c h ế t o v ậ t l i ệ u B A M : C r 3+ 28 2.2.2 Quyt r ì n h t h ự c n g h i ệ m c h ế t o v ậ t l i ệ u C A O : C r 3+ 29 2.2.3 Quyt r ì n h t h ự c n g h i ệ m c h ế t o v ậ t l i ệ u C C M : M n 4+ 30 2.3 Quytrìnhđ ó n g g ó i c c lo ại đ è n L E D 30 2.3.1 Quytrình đ ó n g g ó i c c l o i đ è n L E D c h o n ô n g n g h i ệ p 30 2.3.2 Quytrình đ ó n g g ó i đ è n W L E D 31 2.4 Cácp h ƣ n g pháp ph ân tí ch t ín h c h ấ t c ủ a vậtl i ệ u 31 2.4.1 Kínhhi ển vi đ i ệ n t q u é t p h t xạt rƣ ờn g (FESEM) .31 2.4.2 Phổtánsắcnănglƣợng tiaX(EDS) 31 2.4.3 Giảnđ n h i ễ u xạt i a X(X RD ) 32 2.4.4 Phổh u ỳ n h q u a n g ( P L ) v k í c h t h í c h h u ỳ n h q u a n g ( P L E ) 33 2.4.5 Đocácđại lƣợng quangvàkhảosát chip LED 33 2.4.6 Khảos t h u ỳ n h q u a n g p h â n g i ả i t h e o t h i g i a n ( d e c a y t i m e s ) .34 2.5 Kếtluậnchƣơng2 35 CHƢƠNG3 : C H Ế T Ạ O V À N G H I Ê N C Ứ U T Í N H C H Ấ T Q U A N G C Ủ A V Ậ T LIỆUB a M g A l 10O17:Cr3+ 36 3.1 Giớit h i ệ u 36 3.2 Kếtq u ả p h â n t í c h c ấ u t r ú c c ủ a v ậ t l i ệ u B A M : C r 3+ 36 3.3 Kếtq u ả p h â n t í c h h ì n h t h i b ề m ặ t c ủ a v ậ t l i ệ u B A M : C r 3+ 37 3.4 Kếtq u ả p h â n t í c h p h ổ h u ỳ n h q u a n g c ủ a v ậ t l i ệ u B A M : C r 3+ 38 3.4.1 Phổh u ỳ n h q u a n g v p h ổ k í c h t h í c h h u ỳ n h q u a n g 38 3.4.2 Ảnhhƣởng nhiệt độủmẫu lêntínhquang củavật liệu .40 3.4.3 Ảnhhƣởng nồng độ ph a tạp lêntính chất qu an g vậtl i ệ u 41 3.5 Ứngdụng chếtạođèn L E D .42 3.6 Kếtluậnchƣơng3 44 CHƢƠNG4 : C H Ế T Ạ O V À N G H I Ê N C Ứ U T Í N H C H Ấ T Q U A N G C Ủ A V Ậ T LIỆUC a A l 12O19:Cr3+ 46 4.1 Giớit h i ệ u 46 4.2 Kếtq u ả p h â n t í c h c ấ u t r ú c c ủ a v ậ t l i ệ u C A O : C r 3+ 46 4.3 Kếtq u ả p h â n t í c h h ì n h t h i b ề m ặt c ủ a v ậ t l i ệ u C A O : C r 3+ 49 4.4 Kếtq u ả p h â n t í c h p h ổ h u ỳ n h q u a n g c ủ a v ậ t l i ệ u C A O : C r 3+ 51 4.4.1 Phổh u ỳ n h q u a n g v k í c h t h í c h h u ỳ n h q u a n g .51 4.4.2 Ảnhhƣởng nhiệt độủmẫu lêntínhquang củavật liệu .54 4.4.3 Ảnhhƣởng nồngđộ ph a tạp lêntính chất q ua ng củavật l iệ u 55 4.4.4 Phổh u ỳ n h q u a n g p h ụ t h u ộ c v o n h i ệ t đ ộ .57 4.4.5 Tọađộ m u , n h i ệ t đ ộ m u , đ ộ t i n h k h i ế t m u 58 4.5 Ứngdụng thửnghiệm c h ế tạođèn LE D t ă n g t rƣ ởn g thực vật 59 4.6 Kếtluậnchƣơng4 61 CHƢƠNG5 : C H Ế T Ạ O V À N G H I Ê N C Ứ U T Í N H C H Ấ T Q U A N G C Ủ A V Ậ T LIỆUC a A l 12O19-CaAl4O7-MgAl2O4p h a t p M n 4+ 62 5.1 Giớit h i ệ u 62 5.2 Kếtq u ả p h â n t í c h c ấ u t r ú c c ủ a v ậ t l i ệ u C C M : M n 4+ 62 5.3 Kếtq u ả p h â n t í c h h ì n h t h i b ề m ặt c ủ a v ậ t l i ệ u C C M : M n 4+ 69 5.4 Kếtq u ả n g h i ê n c ứ u t í n h c h ấ t q u a n g 72 5.4.1 Kếtq u ả đ o p h ổ h u ỳ n h q u a n g v p h ổ k í c h t h í c h h u ỳ n h q u a n g .72 5.4.2 Ảnhhƣởng nhiệtđộủlên tính c hấ t quang vậtliệu 73 5.4.3 Ảnhhƣởng nồngđộph a tạp lên tínhchất quang vậ tl iệ u 74 5.4.4 Thờig i a n s ố n g t h e o n n g đ ộ 76 5.4.5 PhổPLtheo n h i ệ t đ ộ đ o 77 5.5 KếtquảthửnghiệmchếtạođènLEDtăngtrƣởngthựcvậtvàWLED 78 5.5.1 KếtquảthửnghiệmchếtạođènLEDtăngtrƣởngthựcvật 78 5.5.2 KếtquảthửnghiệmchếtạođènWLED 82 5.6 Kếtluậnchƣơng5 84 KẾTLUẬN .85 DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNHĐ Ã CƠNGBỐCỦALUẬNÁN 87 DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNH Đ Ã C Ô N G BỐLIÊN QUANĐẾNLUẬNÁN 87 TÀILIỆUTHAMKHẢO .89 DANHMỤCCÁCTỪVIẾTTẮT Kýhiệu TêntiếngAnh TêntiếngViệt λem Emissionw a v e l e n g t h Bƣớcsóngphátxạ Ea Activatione n e r g y Nănglƣợnghoạthóa λex Excitationw a v e l e n g t h Bƣớcsóngkíchthích λ Wavelength Bƣớcsóng Chữviếttắt TêntiếngAnh TêntiếngViệt CCT Correlatedc o l o r t e m p e r a t u r e Nhiệtđộmàutƣơngquan CRI Colorr e n d e r i n g i n d e x EDS Energy dispersive Chỉsốhoànmàu X-ray PhổtánsắcnănglƣợngtiaX spectroscopy FESEM Field scanning Hiểnviđiệntửquétphátxạtrƣờng emissionelectronmic FWHM roscopy Full-widthh a l f - m a x i m u m Độrộngbánphổ LER Luminous efficacyofradiation Hiệusuấtchiếusá ng NIR NearInfra -re d Hồngngoạigần LED Lighte m it ti ng di od e Điốtphátquang PL Photoluminescences p e c t r u m Phổhuỳnhquang PLE Photoluminescenceexcitation Phổkíchthíchhuỳnh quang spectrum XRD X-raydiffraction GiảnđồnhiễuxạtiaX QE Quantume f f i c i e n c y Hiệusuấtlƣợngtử Đ.v.t.y WLED Đơnvịtùyý Whitel i g h t e m i t t i n g d i o d e Điốt phát quang ánh sáng trắng BAM BaMgAl10O17 CAO CaAl12O19 CCM CaAl12O19 - CaAl4O7 MgAl2O4 PDMS Polydimethylsiloxan - DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ Trang Hình 1.1 Sơđ c ấ u h ì n h t ọ a đ ộ c h o t â m p h t q u a n g t r o n g m ộ t v ậ t l i ệ u h u ỳ n h q u a n g [36] 10 Hình1.2.PhổPLEvàPLcủavậtliệuBaMgAl10-2xO17:xMn4+,xMg2+(a)vàCa14xSrxZn6Al10O35:Mn4+(b) [38] .11 Hình1.3.Phổđiện huỳnhquangELcủavậtliệuNa0.5K0.5Li3SiO4:Eu2+[43] 14 Hình1.4.PhổPLE vàPL vật liệuBi2Ga4O9:Cr3+[44] 14 Hình 1.5 PhổPLEtạibƣớcsóng750nm PLkhi kích thíchở458nm (a) vàthờigian sốngcủahệvật liệu Ca3Ga2Ge3O12:Cr3+[45] 15 Hình1.6.GiảnđồTanabe-Suganocủacấutrúc3d 3trongtrƣờngtinhthểbátdiện,giá trị C/B=4,7[46] .16 Hình1.7 Cấu trúctinh thểmạngnềnBaMgAl10O17(c=0 -½)[48] .18 Hình1.8.PhổPLEvàPLcủavậtliệuB a M g A l 10O17:Cr3+chếtạobằngphƣơngphápnổ[51] 18 Hình1.9.PhổPLE(a)vàPL(b)củavậtliệuBaMgAl 10O17:Cr3+chếtạobằngphƣơng phápphản ứngpharắn [53] 20 Hình 1.10 Cấu trúctinh thể mạngnền CaAl12O19[25] 20 Hình 1.11 Phổ PLvàPLEcủavật liệu CaAl12O19:Cr3+bởiY Xu vàcáccộngsự [13] 21 Hình1 P h ổ P L c ủ a v ậ t l i ệ u C a A l 12O19:Cr3+t ổ n g h ợ p b i H Y a n g v c c c ộ n g s ự [5 6] 22 Hình1.13 Phổ kích thíchvàphát xạcủa vật liệuCaAl12O19: Mn4+[13] .23 Hình2.1.Sơđồbiểudiễnquytrìnhchếtạovậtliệuhuỳnhquangbằngphƣơngphápsol -gelkếthợpvớiủnhiệttrongmơitrƣờngkhơngkhí 28 Hình 2.2 Thiết bị FESEM JSM-7600F (JEOL, Nhật Bản) tích hợp thiết bị đo EDS XMAX50t i V i ệ n Đ tạ oQ uố ct ế v ề Khoahọc V ậ t l i ệ u ( I T I M S ) , Trƣờn g Đạihọc BáchKhoaHàNội 31 Hình2.3.MáyđogiảnđồnhiễuxạtiaX(D8Advance,Bruker)tạiViệnKhoahọcVật liệu-ViệnHàn lâm KhoahọcvàCơngnghệViệtNam .32 Hình 2.4 Thiết bị đo phổ huỳnh quang kích thích huỳnh quang (Nanolog, HoribaJobin Yvon), nguồn kích thích đèn Xenon cơng suất 450W có bƣớc sóngtừ250nmđến800nm,tạiViệnTiêntiếnKhoahọcvàCơngnghệ (AIST),TrƣờngĐạihọc BáchKhoaHàNội .33 Hình2.5.H ệ quảcầ u tíchphân(G S-IS500-TLS -H, Gamma Scientific)tại V iện T i ê n tiếnKhoahọcvàCôngnghệ(AIST),Trƣờng ĐạihọcBáchKhoaHàNội3 Hình2.6.MáyđothờigianphânrãtạiViệnVậtlý-ViệnHànlâmKhoahọcvàCơng nghệViệtNam .34