(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang mal4o7 (m=ca, sr) phát xạ ánh sáng đỏ nhằm ứng dụng trong đèn led cho cây trồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ ÁI XUYÊN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG MAl4O7:Mn4+ (M=Ca, Sr) PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG ĐÈN LED CHO CÂY TRỒNG h Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS NGUYỄN TƢ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học đƣợc trình bày luận văn thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu chƣa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt đƣợc xác trung thực Quy Nhơn, ngày tháng năm 2021 Ngƣời cam đoan Nguyễn Thị Ái Xuyên h LỜI CẢM ƠN Lời xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc TS Nguyễn Tƣ - Trƣờng Đại học Phenikaa nhiệt tình hƣớng dẫn cung cấp kiến thức khoa học, kinh nghiệm quý giá để giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin cảm ơn TS Nguyễn Văn Quang – Trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội hỗ trợ giúp đỡ tơi suốt q trình làm thực nghiệm, đo đạc, phân tích mẫu hồn thiện luận văn Tơi xin cảm ơn TS Nguyễn Văn Nghĩa – Trƣờng Đại học Quy Nhơn hỗ trợ giúp đỡ q trình làm thực nghiệm trƣờng Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại học Quy h Nhơn, Ban Chủ nhiệm Khoa Khoa học tự nhiên, quý Thầy Cô giáo Bộ môn Vật lý - Trƣờng Đại Học Quy Nhơn trang bị cho kiến thức giúp đỡ suốt thời gian qua Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành gia đình, bạn bè đặc biệt anh chị học viên lớp cao học Vật Lý chất rắn – Khóa 22 gần gũi, động viên chia sẻ, giúp tơi khắc phục khó khăn q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày .tháng .năm 2021 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Ái Xuyên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ Đ U 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung LED h 1.2 Yêu cầu bột huỳnh quang đƣợc sử dụng cho đèn LED trồng 1.2.1 Phổ hấp thụ trồng 1.2.2 Yêu cầu bột huỳnh quang đƣợc sử dụng cho đèn LED trồng 1.2.3 Các loại bột huỳnh quang cho LED trồng 1.3 Tổng quan bột huỳnh quang phát xạ đỏ ion pha tạp Mn4+ 10 1.3.1 Tính chất quang ion Mn4+ trƣờng tinh thể 10 1.3.2 Sự phát triển bột huỳnh quang pha Mn4+ 13 1.4 Cấu trúc tinh thể MAl4O7 (M= Ca, Sr) 17 1.4.1 Cấu trúc tinh thể CaAl4O7 17 1.4.2 Cấu trúc tinh thể SrAl4O7 17 1.5 Tính chất quang MAl4O7: Mn4+ (M= Ca, Sr) 18 1.5.1 Tính chất quang CaAl4O7: Mn4+ 18 1.5.2 Tính chất quang SrAl4O7: Mn4+ 20 1.6 Ứng dụng phosphor đỏ sở ion pha tạp Mn4+ 21 1.6.1 Ứng dụng cho chiếu sáng trắng 21 1.6.2 Ứng dụng cho chiếu sáng ánh sáng đỏ 21 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Mở đầu 23 2.2 Thực nghiệm 23 2.2.1 Hóa chất thiết bị chế tạo mẫu 23 2.2.2 Quy trình chế tạo bột huỳnh quang phƣơng pháp phản ứng pha rắn 27 2.3 Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc vật liệu 28 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 28 2.3.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét trƣờng (FESEM) 30 h 2.2.3 Phƣơng pháp phổ huỳnh quang, phổ kích thích huỳnh quang (PL, PLE) 32 2.2.4 Phƣơng pháp đo thông số điện quang LED 33 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 A Kết nghiên cứu tính chất ứng dụng vật liệu CaAl4O7 pha tạp Mn4+ 34 3.1 Kết phân tích hình thái bề mặt mẫu ảnh FESEM 34 3.2 Kết phân tích cấu trúc tinh thể phép đo giản đồ XRD 35 3.3 Phân tích tính chất quang vật liệu 38 3.3.1 Phổ huỳnh quang (PL) phổ kích thích huỳnh quang (PLE) vật liệu CaAl4O7 pha tạp Mn4+ 38 3.3.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ thiêu kết đến tính chất quang vật liệu 43 3.3.3 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp đến tính chất quang vật liệu 46 3.4 Thử nghiệm chế tạo đèn LED đỏ chuyên dụng cho trồng 48 B Kết nghiên cứu tính chất quang vật liệu SrAl4O7 pha tạp Mn4+ 49 3.5 Phổ huỳnh quang (PL) phổ kích thích huỳnh quang (PLE) vật liệu SrAl4 O7 pha tạp Mn4+ 50 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ thiêu kết đến tính chất quang vật liệu 51 3.7 Ảnh hƣởng nồng độ đến tính chất quang vật liệu 54 KẾT LUẬN 61 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) h DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt CRI Color Rendering Index Hệ số hoàn màu EDS Energy dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc lƣợng tia X FESEM Field emission scanning electron Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng LED Light emitting diode Điốt phát quang NUV Near Ultraviolet Tử ngoại gần Photoluminescence Quang phát quang PL PLE h microscopy Photoluminescence excitation Kích thích quang phát quang UV XRD Ultraviolet Tử ngoại X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Công thức cấu tạo Chlorophyll (a), phổ hấp thụ Chlorophyll (a, b) (b) Phytochrome (Pr, Pfr) (c) Hình 1.2 Phổ hấp thụ chlorophyll (a, b) Phytochrome (P r, Pfr) trồng [18] Hình 1.3 Phổ kích kích huỳnh quang (a) phổ huỳnh quang vật liệu BaZrSi3O9:Eu2+ [4] Hình 1.4 Phổ kích kích huỳnh quang phổ huỳnh quang vật liệu CaAl4O7:Eu2+, Dy3+ [19] Hình 1.5 Phổ kích thích huỳnh quang (a) phổ huỳnh quang (b) Al2O3 pha tạp Cr3+ [24] Hình 1.6 Phổ kích huỳnh quang (b) phổ huỳnh quang (c) mẫu ZnGa2O4 đồng pha tạp Mn2+/Cr3+ [25] 10 h Hình 1.7 Sơ đồ Tanabe-Sugano ion Mn4+ trƣờng tinh thể bát diện 11 Hình 1.8 Sự phát triển bột huỳnh quang cho WLED [27] 13 Hình 1.9 Phổ kích thích huỳnh quang phổ hình quang vật liệu YAG:Mn4+ [29] 14 Hình 1.10 Phổ kích thích huỳnh quang phổ huỳnh quang (a)(Mg0.88Mn0.10Gd0.02)Al2Si2O8;(b) MgAl2Si2O8; (c) (Mg0.88Mn0.10Lu0.02)Al2Si2O8 [31] 15 Hình 1.11 Phổ kích thích huỳnh quang phổ huỳnh quang Na2SiF6, K2SiF6, KaNaSiF6 pha tạp Mn4+ [30] 16 Hình 1.12 (d) CaO6 bát diện lý tƣởng hợp chất CaO; (e) CaO7 đa diện CaAl 4O7 [12] 17 Hình 1.13 Đơn vị sở SrAl4O7 dọc theo trục c (a); vị trí phố trí khơng gian Sr2+ [32] 18 Hình 1.14 Phổ kích thích huỳnh quang phổ huỳnh quang vật liệu CaAl4O7: Mn4+ 18 Hình 1.15 Phổ kích thích huỳnh quang (bên trái) phổ huỳnh quang (bên phải) vật liệu CaAl4O7:Mn4+ nhiệt độ thiêu kết khác nhau: (a) 1200 oC, (b) 1300 oC, (c) 1400 oC, (d) 1500 oC 19 Hình 1.16 Phổ kích thích huỳnh quang phổ huỳnh quang SrAl[4-(4x0.008)/3] O7:0.008Mn4+ thiêu kết 1400 oC (λ ex = 325, 395, 470 nm and λ em = 660 nm) nhiệt độ phịng 20 Hình 2.1 Các thiết bị thí nghiệm để chế tạo bột Al2O3 pha tạp Mn4+ phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt môi trƣờng khơng khí: (a) cân điện tử, (b) máy khuấy từ gia nhiệt, (c) bể rung siêu âm, (d) máy quay li tâm, (e) tủ sấy (f) lò nung h nhiệt độ cao Nabertherm 24 Hình 2.2 Sự nhiễu xạ tia X qua mạng tinh thể 28 Hình 2.3 Máy đo giản đồ nhiễu xạ tia X Đại học Cần Thơ 30 Hình 2.4 Thiết bị FESEM-JEOL/JSM-7600F tích hợp đo FESEM EDS Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST)- Đại học Bách khoa Hà Nội 31 Hình 2.5 Hệ huỳnh quang (Nanolog, Horiba Jobin Yvon) viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội 32 Hình 2.6 Hệ đo thơng số điện quang Gamma Scientific RadOMA GS-1290 spectroradiometer 33 Hình 3.1 Ảnh FE-SEM mẫu CaAl4O7:0,3%Mn4+ chế tạo phản ứng pha rắn thiêu kết nhiệt độ khác mơi trƣờng khơng khí: (a) 600 oC, 1300 oC (b), 1400 oC (c) 1500 oC (d) 35 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu CaAl4O7:0,3%Mn 4+ chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt nhiệt độ khác từ 1000 C đến 1500 C, thời gian mơi trƣờng khơng khí 38 Hình 3.3 Phổ kích thích huỳnh quang mẫu CaAl4O7: 0,3%Mn 4+ thiêu kết 1500 oC với thời gian mơi trƣờng khơng khí 39 Hình 3.4 Phổ huỳnh quang vật liệu CaAl4O7 pha tạp 0,3%Mn 4+ chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt 1500 o C với thời gian môi trƣờng khơng khí 40 Hình 3.5 Giản đồ Tanabe-Sugano mức lƣợng ion Mn 4+ h trƣờng tinh thể mạng CaAl4O7 42 Hình 3.6 Phổ huỳnh quang ứng với hai bƣớc sóng kích thích 330 nm 467 nm vật liệu CaAl4O7 pha tạp 0,3% Mn 4+ chế tạo phƣơng pháp pha rắn thiêu kết nhiệt độ 1500 oC với thời gian mơi trƣờng khơng khí 43 Hình 3.7 Phổ huỳnh quang với bƣớc sóng kích thích 330 nm mẫu CaAl4O7 pha tạp 0,3% Mn 4+ chế tạo phƣơng pháp pha rắn thiêu kết nhiệt độ từ 1000 oC đến 1500 oC mơi trƣờng khơng khí 44 Hình 3.8 Phổ huỳnh quang với bƣớc sóng kích thích 467 nm mẫu CaAl4O7 pha tạp 0,3% Mn 4+ chế tạo phƣơng pháp pha rắn thiêu kết nhiệt độ từ 1000 oC đến 1500 oC mơi trƣờng khơng khí 45