(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tính chất quang của vật liệu zno pha tạp al chế tạo bằng phương pháp khuếch tán nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LÊ THỊ DIỄM HẰNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIÊU ZnO PHA TẠP Al CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHUYẾCH TÁN NHIỆT h Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 8.44.01.04 Người hướng dẫn 1: TS Tống Thị Hảo Tâm Người hướng dẫn 2: TS Nguyễn Tư LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, kết nghiên cứu riêng hướng dẫn Cô TS Tống Thị Hảo Tâm Thầy TS Nguyễn Tư, không trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình Học viên Lê Thị Diễm Hằng h LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Tống Thị Hảo Tâm TS Nguyễn Tư, người thầy tận tình hướng dẫn, dạy, giúp đỡ hết lòng vật chất lẫn tinh thần cung cấp kiến thức khoa học quí giá giúp em hoàn thành tốt luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Thầy TS Đỗ Quang Trung, TS Nguyễn Văn Quang người tận tình giúp đỡ, khích lệ em trình học tập nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực đề tài Em xin trân trọng cảm ơn Thầy PGS Phạm Thành Huy, người tạo điều kiện giúp đỡ nguồn kinh phí học tập, góp ý động viên em suốt h trình học tập trình làm thực nghiệm, để hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học PHENIKAA, Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Viện AIST trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho em làm thực nghiệm đo đạc, khảo sát tính chất vật liệu Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Thầy Cô giáo Khoa Vật lí - Trường Đại Học Quy Nhơn tạo điều kiện giúp đỡ em suốt thời gian qua Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, xin cảm ơn chị hai em, bạn bè gần gũi, động viên chia sẻ, giúp tơi khắc phục khó khăn q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày 25 tháng năm 2019 Lê Thị Diễm Hằng MỤC LỤC ỜI C ĐO ỜI C Ơ D H ỤC C C KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT D H ỤC BẢ G BIỂU MỞ ĐẦU Chư ng T NG QUAN……………………………………………………6 1.1 C C CƠ CHẾ QU G HỌC 1.1.1 Cơ chế hấp thụ ánh sáng 1.1.2 Cơ chế chuyển dời 12 1.1.3 Quá trình tái hợp 13 1.2 CẤU TRÚC TI H THỂ ZnO 15 1.3 C C TÍ H CHẤT CỦ VẬT IỆU ZnO VÀ ZnO: l 18 1.3.1 Tính chất nhiệt – điện 18 h 1.3.2 Tính chất quang vật liệu ZnO ZnO: l 21 Chư ng THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT Error! Bookmark not defined 2.1 THỰC GHIỆ CHẾ TẠO ẪU 28 2.1.1 Hóa chất thiết bị chế tạo mẫu 28 2.1.2 Quy trình chế tạo bột huỳnh quang ZnO: l phƣơng pháp khuếch tán nhiệt 29 2.2 C C PHƢƠ G PH P KHẢO S T TÍ H CHẤT CỦ VẬT IỆU 32 2.2.1 Phƣơng pháp khảo sát hình thái bề mặt kích thƣớc hạt 32 2.2.2 Phƣơng pháp khảo sát thành phần nguyên tố vật liệu….33 2.2.3 Phƣơng pháp khảo sát cấu trúc tinh thể thành phần pha vật liệu 34 2.2.4 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất quang vật liệu 35 2.2.5 Các phƣơng pháp đo thông số điện quang ED 36 Chư ng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 CẤU TRÚC TI H THỂ CỦ BỘT HUỲ H QU 3.2 HÌ H TH I BỀ HUỲ H QU G ZnO: l .37 ẶT VÀ KÍCH THƢỚC HẠT CỦ BỘT G ZnO: l 41 3.3 THÀ H PHẦ C C GUYÊ TỐ CÓ TRO G BỘT HUỲ H QUANG ZnO:Al 42 3.4 TÍ H CHẤT QU G CỦ BỘT HUỲ H QUANG ZnO:Al…….43 3.4.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ thiêu kết đến tính chất quang bột ZnO:Al 45 3.4.2 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp ion l 3+ đến tính chất quang bột ZnO: l 48 3.5 KẾT QUẢ THỬ GHIỆ TRÊ ED CỦ BỘT HUỲ H QUANG ZnO:Al 49 3.6 KẾT UẬ CHƢƠ G 51 h KẾT LUẬN 53 KIẾN NGHỊ 54 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt Thơng số tách trƣờng tinh thể Dq Crystal field separation factor E Energy RC Critical distance Khoảng cách tâm tới hạn YAG Crystal Y3Al5O12 Tinh thể Y3Al5O12 Α Absorption coefficient Hệ số hấp thụ Λ Wavelength Bƣớc sóng Chữ viết tắt ăng lƣợng Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt CRI Color Rendering Index Hệ số hoàn màu EDS Energy dispersive spectroscopy EPR Electronic resonance FCC Face center cubic FESEM Field emission electron microscopy FWHM Full-width half-maximum Độ rộng bán phổ LED Light emitting diode Điốt phát quang NUV Near Ultraviolet Tử ngoại gần PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence spectrum RE Rare earth Đất RE3+ Ion divalent rare earth Ion đất hóa trị SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét X-ray Phổ tán sắc lƣợng tia X h paramag-netic Phổ cộng hƣởng từ tính điện từ Lập phƣơng tâm mặt scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng excitation Phổ kích thích huỳnh quang UV Ultraviolet Tử ngoại XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X WLED White Light Emitting diode Điốt phát quang ánh sáng trắng PDMS Polydimethylsiloxane UV polymer h DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: ăng lƣợng liên kết exciton bán dẫn Bảng 1.2 Các thơng số vật lý thể tính chất vật liệu ZnO 19 Bảng 1.3 guồn gốc màu phát xạ vật liệu nano ZnO 25 Bảng 3.1 Các thông số mạng tinh thể bột ZnO ZnO: l 40 h DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ chuyển mức điện tử vật liệu bán dẫn hấp thụ ánh sáng [1] ………………………………………………………………………….8 Hình 1.2 Các chuyển mức điện tử vẽ không gian vectơ sóng k… 10 Hình 1.3 Sơ đồ chuyển mức điện tử phát xạ photon 14 Hình 1.4: Cấu trúc kiểu wurtzite lục giác xếp chặt 16 Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể ZnO dạng lập phƣơng rocksalt.Cấu trúc lập phƣơng giã kẽm đơn giản kiểu aCl 17 Hình 1.6: Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Blend 18 Hình 1.7 Phổ huỳnh quang vật liệu ZnO ứng với hai vùng phát xạ với cực đại 380 nm 510 nm 22 Hình 1.8 Phổ huỳnh quang đo nhiệt độ thấp (10 K) dây nano h ZnO 23 Hình 2.1 Các thiết bị để chế bột huỳnh quang ZnO: l phƣơng pháp khuếch tán nhiệt: cân phân tích (a), máy khuấy từ (b), cối mã não (c) tủ sấy (d), lò nung abertherm (e), máy cất nƣớc hai lần (f)………… 29 Hình 2.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo bột huỳnh quang ZnO pha tạp l phƣơng pháp khuếch tán nhiệt 30 Hình 2.3 Ảnh mơ tả q trình kết tủa hydroxit nhơm khuếch tán nhiệt ion l vào hạt bột ZnO 31 Hình 2.4 Phổ chip UV ED 310 nm, bảng chèn hình thông số điện, quang ED, ảnh chụp ED ảnh chụp keo UV silicon 32 Hình 2.5 Thiết bị FESE -JEOL/JSM-7600F tích hợp đo FESE EDS Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ ( IST)- Đại học Bách khoa Hà ội 33 Hình 2.6 Hệ đo giản đồ nhiễu xạ tia X(D/ X-2500/PC) Viện (KICET), Hàn Quốc 35 Hình 2.7 Hệ huỳnh quang kích thích huỳnh quang viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ ( IST), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà ội 35 Hình 2.8 Hệ đo thơng số điện quang Gamma Scientific RadO GS- 1290 spectroradiometer 36 Hình 3.1 Phổ XRD bột ZnO ZnO pha tạp 3% l ủ nhiệt độ khác (a), phổ XRD quan sát góc nhiễu xạ hẹp mặt (002) (b)… 37 Hình 3.2 Phổ XRD ZnO pha tạp 3% l ủ 800oC với nồng độ pha tạp khác 40 Hình 3.3 Ảnh FESE vật liệu nguồn ZnO (a), ZnO pha tạp l ([Al3+]/[Zn2+] = 3%mol) ủ nhiệt độ 600 oC (b), 800oC (c), 1000oC (d) 41 Hình 3.4 Phổ EDS ZnO: l ([ l3+]/[Zn2+] = 3% mol) ủ 1000°C 43 Hình 3.5 Phổ P E (a)và P (b) bột ZnO: l ([ l3+]/[Zn2+] = 3% mol) ủ 800oC 44 Hình 3.6 Phổ P bột ZnO ZnO pha tạp 3% l ủ nhiệt độ từ 600 - h 1000oC 45 Hình 3.7 Phổ P chuẩn hóa bột ZnO ZnO: l (3% mol) ủ nhiệt độ từ 600oC 46 Hình 3.8 Phổ P bột ZnO: l ủ 800oC với nồng độ khác ảnh chèn đồ thị biểu diễn phụ thuộc đỉnh phát xạ 542 nm vào nồng độ l 48 Hình 3.9 Ảnh chụp ED phủ bột ZnO: l (3%mol) ủ 800°C: a) ED trạng thái tắt; b) ED sau đƣợc cấp nguồn 49 Hình 3.10 Phổ ED sử dụng chip 310 nm phủ bột ZnO: l (3%mol) ủ nhiệt độ 800oC 50 Hình 3.11 Giản đồ CIE đánh dấu vị trí tọa độ màu ED bảng thơng số ED 51