(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp và tính chất quang của vật liệu al2o3 cr+ nhằm ứng dụng trong đèn led phát xạ ánh sáng đỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐẶNG THỊ THU NGUYỆT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU Al2O3:Cr3+ NHẰM ỨNG DỤNG TRONG ĐÈN LED PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ h Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn 1: TS NGUYỄN VĂN QUANG Ngƣời hƣớng dẫn 2: 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 10 tháng năm 2019 Ngƣời cam đoan Đặng Thị Thu Nguyệt h LỜI CẢM ƠN Lời xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Quang - Trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội TS Nguyễn Tƣ - Trƣờng Đại học Phenikaa nhiệt tình hƣớng dẫn cung cấp kiến thức khoa học, kinh nghiệm q giá để giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, q thầy Trƣờng Đại học Phenikaa đặc biệt PGS TS Phạm Thành Huy, ngƣời tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực đề tài Trƣờng Đại học Phenikaa (Hà Đông - Hà Nội) Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Thầy Cô giáo Khoa Vật lí - Trƣờng h Đại Học Quy Nhơn trang bị cho kiến thức giúp đỡ suốt thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, thầy cô giáo Trƣờng Nguyễn Viết Xuân tạo điều kiện cho tơi tham gia khóa học Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành bạn bè học viên lớp cao học Vật Lý chất rắn –Khóa 20 động viên chia sẻ, giúp khắc phục khó khăn q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày 10 tháng năm 2019 Tác giả luận văn Đặng Thị Thu Nguyệt MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC ỤC DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nano h 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Phân loại vật liệu nano: 1.1.3 Đặc trƣng vật liệu nano 1.1.4 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano 1.2 Cấu trúc tinh thể vật liệu Al2O3 1.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể vật liệu Al2O3 1.2.2 Cấu hình điện tử ion Cr3+ 12 1.3 Cơ sở quang học vật liệu 12 1.3.1 Hiện tƣợng phát quang 12 1.3.2 Cơ chế phát quang vật liệu 14 1.3.3 Các đặc trƣng bột huỳnh quang 17 1.4 Sự chuyển mức lƣợng ion kim loại chuyển tiếp lớp dn 19 1.4.1 Giản đồ Tanabe – Sugano 19 1.4.2 Giản đồ Tanabe-Sugano cho cấu hình d3 21 1.5 Các phƣơng pháp tổng hợp vật liệu huỳnh quang 23 1.5.1 Phƣơng pháp đồng kết tủa [14] 23 1.5.2 Phƣơng pháp sol- gel 25 1.5.3 Phƣơng pháp thủy nhiệt 26 1.5.4 Phƣơng pháp khuếch tán nhiệt 27 1.6 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu Al2O3:Cr3+ 28 Chƣơng THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Mở đầu 32 2.2 Thực nghiệm 32 2.2.1 Hóa chất thiết bị chế tạo mẫu 32 2.2.2 Quy trình chế tạo vật liệu Al2O3:Cr3+ phƣơng pháp đồng kết tủa 36 2.3 Một số phƣơng pháp nghiên cứu tính chất vật liệu 40 2.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất quang phép đo phổ huỳnh quang 40 h 2.3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu hình thái bề mặt vật liệu ảnh FESEM 41 2.3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 41 2.3.4 Phƣơng pháp đo thông số điện quang LED 43 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Mở đầu 44 3.2 Nghiên cứu hình thái bề mặt vật liệu ảnh FESEM 44 3.3 Nghiên cứu cấu trúc tinh thể giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 46 3.4 Nghiên cứu tính chất quang vật liệu Al2O3 pha tạp Cr3+ 48 3.4.1 Phổ huỳnh quang (PL) kích thích huỳnh quang (PLE) vật liệu Al2O3 pha tạp Cr3+ 48 3.4.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ ủ mẫu lên tính chất quang vật liệu Al2O3 pha tạp Cr3+ 52 3.4.3 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp lên tính chất quang vật liệu Al2O3:Cr3+ 54 3.5 Thử nghiệm chế tạo đèn ED đỏ cách phủ bột Al2O3:Cr3+ lên chíp NUV LED 395 nm 61 KẾT LUẬN 63 DANH MỤCTÀI LIỆU THAM KHẢO 64 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ( bán 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 Phổ tán sắc lƣợng spectroscopy tia X CD Compact disc Đĩa quang DVD Digtital versatile disc Đĩa Quang FESEM Field emission scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng AND Deoxyribonucleic acid Vật liệu di truyền LED Light emitting diode Điốt phát quang NUV Near Ultraviolet Tử ngoại gần PL Photoluminescence Quang phát quang PLE Photoluminescence Kích thích quang phát excitation quang Scanning electron Kính hiển vi điện tử microscopy quét UV Ultraviolet Tử ngoại XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X SEM h electron microscopy DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Phân loại vật liệu nano: (0D) hạt nano hình cầu, cụm nano; (1D) dây, nano; (2D) màng, đĩa lƣới nano; (3D) vật liệu khối [7] Hình 1.2 Một số hình ảnh đá quý ruby 10 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể α-Al2O3 (corundum) 11 Hình 1.4 Sơ đồ trình huỳnh quang [20] 16 Hình 1.5 Sự truyền lƣợng từ E tới E1 [20] 16 Hình 1.6 Giản đồ Tanabe-Sugano cho cấu hình d3 [20] 21 Hình 1.7 Phổ hấp thụ ion Cr3+(3d3) oxit [20] 22 Hình 1.8 Phổ phát quang α –Al2O3:Cr3+ với λex= 365nm phổ kích phát quang α –Al2O3:Cr3+ với λem =694 nm 29 Hình 1.9 Tính chất quang vật liệu Al2O3:Cr3+ phƣơng pháp cắt h laze 29 Hình 1.10 Tính chất quang vật liệu Al2O3:Cr3+ phƣơng pháp đốt cháy gel 30 Hình 2.1 Các thiết bị thí nghiệm để chế tạo bột Al2O3 pha tạp Cr3+ phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt mơi 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 nhiệt độ cao Nabertherm 33 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình tổng quát để chế tạo vật liệu huỳnh quang phƣơng pháp đồng kết tủa 36 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp bột huỳnh quang Al2O3 pha tạp Cr3+ phƣơng pháp đồng kết tủa 37 Hình 2.4 Hệ huỳnh quang (Nanolog, Horiba Jobin Yvon) nguồn kích thích đèn Xenon cơng suất 450 W có bƣớc sóng từ 250 ÷ 800 nm, viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội 40 Hình 2.5 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 41 Hình 2.6 Hệ đo giản đồ nhiễu xạ tia X (D/MAX-2500/PC) 42 Viện (KICET), Hàn Quốc 42 Hình 2.7 Hệ đo thông số điện quang Gamma Scientific RadOMA GS-1290 spectroradiometer 43 Hình Ảnh FESEM mẫu Al2O3:0,6%Cr3+ chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt độ khác mơi trƣờng khơng khí: (a) 600 oC; (b) 1100 oC; (c) 1200 oC (d) 1400 oC 45 h Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu Al2O3:0,6%Cr3+ chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt nhiệt độ khác từ 600 C đến 1500 C, thời gian mơi trƣờng khơng khí 47 Hình 3 Phổ huỳnh quang vật liệu Al2O3 pha tạp 0,6%Cr3+ chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt 1400 oC với thời gian mơi trƣờng khơng khí 49 Hình Phổ kích thích huỳnh quang mẫu Al2O3:Cr3+0,6% ủ 1200 oC với thời gian mơi trƣờng khơng khí 50 Hinh Phổ huỳnh quang ứng với hai bƣớc sóng kích thích 405 nm 560 nm vật liệu Al2O3 pha tạp 0,6% Cr3+ chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt 1400 oC với thời gian mơi trƣờng khơng khí 52 Hình 3.7 Phổ huỳnh quang kích thích 405 nm mẫu Al2O3:x%Cr3+ (x=0,2-2%) chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt độ 1400 oC mơi trƣờng khơng khí với nồng độ khác 55 Hình 3.8 Đƣờng biễu diễn phụ thuộc cƣờng độ huỳnh quang (kích thích 405 nm) đỉnh phát xạ 695 nm mẫu Al2O3:x%Cr3+(x=0,2-2%) chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt 1400 oC mơi trƣờng khơng khí 56 Hình (a) Sự phát huỳnh quang nồng độ thấp; (b) dập tắt huỳnh quang nồng độ pha tạp cao [20][34] 58 Hình 3.10 Phổ huỳnh quang kích thích 560 nm mẫu Al2O3:x%Cr3+(x=0,2-2%) chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt 1400 C môi trƣờng khơng khí .58 h Hình 3.11 Đƣờng biễu diễn phụ thuộc cƣờng độ huỳnh quang (kích thích 560 nm) đỉnh phát xạ 695 nm mẫu Al2O3:x%Cr3+(x=0,2-2%) chế tạo phƣơng pháp đồng kết tủa ủ nhiệt 1400 C mơi trƣờng khơng khí 59 Hình 3.12 Phổ kích thích huỳnh quang đo đỉnh 695 nm mẫu Al2O3 với nồng độ pha tạp Cr3+ khác từ 0,2% đến 1,5% 60 Hình 3.13 Các hình ảnh thử nghiệm chế tạo đèn ED đỏ từ bột Al2O3:Cr3+ phủ lên chíp NUV LED 395 nm: (a) bột Al2O3:Cr3+, (b) chíp NUV ED 395 nm đƣợc phủ bột Al2O3:Cr3+ (c) đèn ED phát xạ đỏ nối với nguồn 61 Hình 3.14 Phổ điện huỳnh quang (a) giản đồ CIE đèn ED đỏ dƣới dịng điện 150 mA Hình chèn nhỏ hình 3.14b ảnh phát xạ thực tế đèn ED thử nghiệm 62