Nghiên cứu chế tạo led trắng từ các chấm lượng tử cdse luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED TRẮNG TỪ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Vinh - 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÝ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED TRẮNG TỪ CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Quảng Sinh viên thực : Phạm Thị Ngọc Tâm Lớp : 48B - Vật lý Vinh - 2011 Hồng MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỐT PHÁT ÁNH SÁNG TRẮNG .4 1.1 Tổng quan điốt phát quang (LED) .4 1.1.1 Tính chỉnh lưu lớp chuyển tiếp PN .4 1.1.2 Ứng dụng chuyển tiếp PN LED 1.1.3 Các tham số đặc trưng LED 1.1.4 Ứng dụng LED 10 1.2 Nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc 11 1.3 Ưu điểm điốt phát ánh sáng trắng (WLED) 13 1.4 Các vật liệu dùng để chế tạo LED 15 1.5 Kết luận chương 17 Chương ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe TRONG CHẾ TẠO LED TRẮNG 18 2.1 Tổng quan vật liệu bán dẫn 18 2.2 Lý thuyết phát xạ photon bán dẫn 20 2.3 Giới thiệu chấm lượng tử 24 2.3.1 Một số hiệu ứng đặc biệt vật liệu kích thước nano mét 24 2.3.2 Tính chất phát quang chấm lượng tử 25 2.4 Chấm lượng tử CdSe .25 2.4.1 Giới thiệu chất bán dẫn CdSe 25 2.4.2 Vài nét lịch sử xuất chấm lượng tử CdSe 26 2.4.3 Chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO 26 2.4.4 Cấu trúc chấm lượng tử CdSe 27 2.4.5 Tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe 28 2.5 Ứng dụng chấm lượng tử CdSe vào chế tạo LED trắng 29 2.6 Mô hình cấu trúc LED trắng 32 2.7 Kết luận chương 35 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh hiệu sử dụng đèn LED với đèn huỳnh quang 14 Bảng 1.2 Một số vật liệu chế tạo LED với màu sắc bước sóng phát xạ tương ứng…………………………………………… .16 Bảng 2.1 Bề rộng vùng cấm ∆Eg số hợp chất AIIBVI 19 Bảng 2.2 Bước sóng độ rộng lượng vùng cấm .21 Bảng 2.3 Mối liên hệ kích thước bước sóng 34 Bảng 2.4 Liên hệ kích thước, bước sóng màu sắc phát xạ CdSe 36 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân cực cho lớp chuyển tiếp PN Hình 1.2 Đường đặc trưng V-A lớp chuyển tiếp PN .6 Hình 1.3 Cấu trúc LED Hình 1.4 Mô hình cấu trúc LED Hình 1.5 Hình ảnh số loại LED thông thường .10 Hình 1.6 Ứng dụng LED trang trí giao thông 11 Hình 1.7 Nguyên lý trộn ba màu để tạo thành ánh sáng trắng .12 Hình 1.8 Cấu trúc nguyên lý phát xạ LED trắng từ phốt 12 Hình 1.9 Ứng dụng LED thắp sáng .14 Hình 2.1 Cơ chế phát xạ photon bán dẫn 20 Hình 2.2 Bề rộng vùng cấm trạng thái khối hạt nano 23 Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO 27 Hình 2.4 Phổ nhiễu xạ tia X CdSe chế tạo 2400C 3000C 28 Hình 2.5 Màu sắc phát xạ CdSe phụ thuộc vào kích thước .29 Hình 2.6 Sự phụ thuộc cường độ vào bước sóng phát xạ .31 Hình 2.7 So sánh cường độ phát quang hai cấu trúc LED trắng (QDs YAG) 31 Hình 2.8 Cấu trúc LED PolinaO Annikeeva đề xuất .32 Hình 2.9 Mô hình cấu trúc LED trắng sở CdSe 33 LỜI CẢM ƠN Khóa luận thực Trường Đại học Vinh, hướng dẫn thầy giáo, tiến sĩ Nguyễn Hồng Quảng Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy nhiệt tình hướng dẫn tác giả suốt thời gian hoàn thành khóa luận Nhân dịp tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm và thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý, Trường Đại học Vinh cù ng gia đình, bạn bè giú p đỡ tá c giả suố t thờ i gian họ c tậ p tạ i khoa Vậ t lý và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa luận Trong trình thực hiện khóa luận, rất cố gắng chắn không tránh khỏi sơ suất hạn chế Tác giả biết ơn trân trọng ý kiến phê bình, đóng góp từ thầy giáo, cô giáo, bạn sinh viên tất bạn đọc khác Vinh, tháng năm 2011 Tác giả MỞ ĐẦU Điện chiếu sáng thông thường chiếm cỡ 20% điện lượng tiêu thụ nước, tỷ lệ đáng kể [13] Vì thế, cải tiến thiết bị chiếu sáng, từ hiệu suất phát sáng, tiết kiệm điện hay kéo dài tuổi thọ thiết bị mang lại lợi ích lớn cho cộng đồng quốc gia Cùng với yêu cầu ngày cao công suất thiết bị chiếu sáng, yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm lượng tiêu thụ thiết bị đặt Sự đời hệ bóng đèn tiết kiệm điện để bước đáp ứng nhu cầu Đèn huỳnh quang thay dần bóng đèn dây tóc giải phần điện dùng cho thắp sáng Bóng đèn compact đời với nhiều đặc tính ưu việt hẳn loại đèn trước nhiều người ưa chuộng nhà nước khuyên dùng nhằm giảm điện tiêu thụ Mặc dù vậy, việc tìm tòi, phát minh thiết bị chiếu sáng nhằm cải tiến tính chúng tiêu thụ điện năng, tuổi thọ kéo dài công suất phát sáng lớn, đáp ứng nhu cầu ngày cao công nghệ chiếu sáng tiếp tục nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu Công nghệ chiếu sáng từ điốt phát quang (Light Emiting Diode- LED) lần nhà khoa học người Nga Oleg Losve phát minh năm 1927 [8] Bóng đèn LED giới thiệu thương mại hóa lần Mỹ năm 1962 [8] Sau đó, Nick Holonyak Jr- xem cha đẻ công nghệ LED đa sắc - hợp tác với M Geogre Crawford trường Đại học Illinois (Hoa Kỳ) để hoàn thiện hết màu sắc sẵn có LED Năm 1993, lần đầu tiên, LED trắng công ty hóa chất Nichia Nhật nghiên cứu chế tạo thành công Màu trắng kết hợp màu lam InGaN LED YAG phosphor hiệu phát quang 10 lm/W, tuổi thọ 10000 Từ năm 2000 đến nay, nhiều cấu trúc LED trắng nghiên cứu ứng dụng Tuy nhiên, giá thành chúng đắt Mặt khác, màu để tạo thành màu trắng (màu đỏ, màu lục, màu lam) phát từ chất khác Sau thời gian sử dụng chất khác có hệ số suy giảm màu khác nhau, nên ánh sáng không trung thực ban đầu Với đời công nghệ nano, nhiều chất bán dẫn kích thước nano nghiên cứu chế tạo Đối với tinh thể bán dẫn nano, bước sóng phát xạ không phụ thuộc vào loại vật liệu mà phụ thuộc vào kích thước Do đó, từ chất ban đầu, cách thay đổi kích thước phù hợp, người ta thu ánh sáng phát xạ với màu đỏ, màu lục lam, từ tổng hợp thành ánh sáng trắng Sự hấp dẫn tính chất vật liệu nano tiềm to lớn LED trắng thực tế động lực khiến chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo LED trắng từ chấm lượng tử CdSe” cho khóa luận tốt nghiệp Mục đích khóa luận nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động LED LED phát ánh sáng trắng, nghiên cứu ứng dụng chấm lượng tử CdSe chế tạo LED trắng Bằng phương pháp nghiên cứu tài liệu, bài giảng và báo khoa học cấu tạo, nguyên lý hoạt động LED, LED trắng dùng bán dẫn kích thước nano cùng với hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn hoàn thành khóa luận Ngoài phần Mở đầu Kết luận, nội dung chính khóa luận trình bày hai chương sau đây: Chương 1, “Tổng quan điốt phát ánh sáng trắng”, trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tham số đặc trưng, ứng dụng LED đơn sắc Một số nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc mô tả chương Chương kết thúc với phần trình bày vật liệu chế tạo LED Chương 2, “Ứng dụng chấm lượng tử CdSe chế tạo LED trắng”, trình bày tính chất vật liệu bán dẫn tinh thể nhóm II-VI Đặc tính phát xạ quang phụ thuộc vào kích thước chấm lượng tử CdSe nghiên cứu ứng dụng chế tạo LED trắng Các kết nghiên cứu gần nhiều nhóm tác giả giới phân tích, so sánh, từ đưa mô hình LED trắng Phần Kết luận tóm tắt kết đạt đề tài hướng phát triển Khóa luận kết thúc với danh mục tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỐT PHÁT ÁNH SÁNG TRẮNG Như phần mở đầu giới thiệu, điốt phát quang (LED) có nhiều ứng dụng đời sống kĩ thuật Đặc biệt từ LED trắng chế tạo thành công, LED nhanh chóng thâm nhập vào thị trường chiếu sáng Hiện nay, xu hướng nước tiên tiến đẩy mạnh kế hoạch chiếu sáng LED hy vọng đến năm 2025 50% đèn chiếu sáng LED [13] Để bắt kịp với xu hướng này, Việt Nam có dự án nghiên cứu phát triển công nghệ LED bước đầu đưa LED vào chiếu sáng Chương với tựa đề “Tổng quan điốt phát ánh sáng trắng” trình bày tổng quan điốt phát quang cấu trúc, nguyên lý hoạt động đặc trưng LED số nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc Nguyên tắc lựa chọn vật liệu chế tạo LED đưa thảo luận cuối chương đồng thời mở khả ứng dụng vật liệu nano chế tạo LED trắng 1.1 Tổng quan điốt phát quang (LED) 1.1.1 Tính chỉnh lưu chuyển tiếp PN 10 2.3 Giới thiệu chấm lượng tử Chấm lượng tử (Quantum dot, QD) tinh thể bán dẫn có kích thước nhỏ 10 nano met Chấm lượng tử chứa vài nguyên tử đến vài ngàn nguyên tử thành hình từ dung dịch dạng keo (colloid) Nghiên cứu chấm lượng tử dạng tinh thể xuất phát từ việc gia tăng hiệu suất biến đổi từ lượng mặt trời sang lượng điện chế tạo pin mặt trời Từ năm 1986, sau chế tạo thành công chấm lượng tử từ dung dịch dạng keo, nghiên cứu chấm lượng tử gia tăng mãnh liệt Đến năm 2005, giới có gần 2.000 đăng ký phát minh cho ứng dụng chấm lượng tử Vào thập niên 90 kỷ trước, nhà khoa học Mỹ Nga phát tinh thể nano bán dẫn phát màu ánh sáng khác tùy vào kích cỡ [15] Phần trình bày số hiệu ứng đặc biệt vật liệu kích thước nano met 2.3.1 Một số hiệu ứng đặc biệt vật liệu kích thước nano mét Khi kích thước vật liệu giảm xuống cỡ nano met, có hai hiệu ứng đặc biệt xảy ra: Thứ nhất, tỷ số số nguyên tử nằm bề mặt số nguyên tử hạt nano trở nên lớn Mặt khác, lượng liên kết nguyên tử bề mặt bị hạ thấp cách đáng kể chúng không liên kết cách đầy đủ, thể qua nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ chuyển pha cấu trúc hạt nano thấp nhiều so với vật liệu khối tương ứng Bên cạnh đó, cấu trúc tinh thể hạt hiệu ứng lượng tử trạng thái điện tử bị ảnh hưởng đáng kể số nguyên tử bề mặt, dẫn đến vật liệu cấu trúc nano có nhiều tính chất lạ so với vật liệu khối hứa hẹn mang lại ứng dụng quan trọng sống 30 Thứ hai, kích thước hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr exciton vật liệu khối xuất hiệu ứng giam hãm lượng tử, trạng thái điện tử trạng thái dao động hạt nano bị lượng tử hóa Các trạng thái bị lượng tử hóa cấu trúc nano định tính chất điện quang nói riêng, tính chất vật lý hóa học nói chung cấu trúc 2.3.2 Tính chất phát quang các chấm lượng tử Chấm lượng tử bán dẫn có tính chất quang đặc biệt so với bán dẫn khối Những tính chất kết giam giữ lượng tử hàm sóng điện tử Khả điều khiển tính chất quang chấm lượng tử thông qua kích thước làm cho chúng có vị trí quan trọng khoa học vật liệu lĩnh vực vật lý, hóa học, sinh học ứng dụng kĩ thuật 2.4 Chấm lượng tử CdSe 2.4.1 Giới thiệu chất bán dẫn CdSe CdSe bán dẫn hợp chất tạo thành từ nguyên tố Cadmi Selen [3] Trong đó, Cadmi nguyên tố đứng nhóm hai bảng hệ thống tuần hoàn Ở thể hơi, Cadmi nằm dạng đơn nguyên tử Trong tự nhiên Cadmi tìm thấy dạng quặng Cadmi kim loại trắng, mềm, dễ biến dạng có ánh kim Trong không khí Cadmi bị phủ lớp oxit CdO mỏng làm cho trở nên xám xịt lại Cadmi bắt dầu thăng hoa chân không 160 0C Khi đốt nóng Cadmi không khí cháy tạo thành CdO Cadmi làm cách cho thăng hoa chân không nhiệt độ 700 0C, không nóng chảy áp suất bình thường Selen nguyên tố nằm nhóm VI Ở trạng thái Selen tồn tại dạng Se, Se2, Se6 Ở trạng thái rắn, Selen tồn nhiều dạng thù hình 31 khác nhau: Selen vô định hình, Selen thủy tinh, Selen đơn tà, Selen lục giác Tất dạng thù hình tồn nhiệt độ phòng, dạng thù bền tinh thể lục giác, nhận từ trình làm dung dịch Se nóng chảy đến 1800C giữ nhiệt độ thời gian dài có tính bán dẫn Se chưa nghiên cứu kĩ bất định cấu trúc tạp chất Se Điện trở suất loại Se khác thay đổi từ 10 đến 1014 Ω cm Bề rộng vùng cấm Se lục giác 1,8 eV 2.4.2 Vài nét lịch sử xuất chấm lượng tử CdSe Trước năm 1993, nhiều nhóm nghiên cứu công bố kết chế tạo chấm lượng tử CdSe từ nguyên liệu ban đầu khác (cả hợp chất vô hữu cơ, kim), chất lượng khiêm tốn [2] Năm 1993, phòng thí nghiệm Bawendi (Khoa Hóa học, Viện Khoa học công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ) công bố chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe với kích thước 1,2–11,5 nm, phát quang với hiệu suất lượng tử cao (9,6%) [2] Từ đó, việc nghiên cứu ứng dụng chấm lượng tử CdSe nhà khoa học quan tâm, phát triển Mặc dù chất lượng CdSe của nhóm Bawendi thu được khá cao tiền chất tham gia phản ứng của Cd là dimethyle cadmium Cd(Me)2 rất độc, vì thế các nhà khoa học thế giới đã không ngừng tìm kiếm các phương pháp chế tạo CdSe từ những tiền chất thân thiện với môi trường Một những phương pháp đó là chế tạo CdSe từ CdO 2.4.3 Chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO Qui trình chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO trình bày Hình 2.3 Hỗn hợp CdO (0,8 mmol), DDPA (1,6 mmol), TOPO (3,5 ml) HDA (6,5 ml) nạp vào bình cầu cổ (dung tích 50 100 ml) Đun 32 nóng chảy hỗn hợp 600C hút chân không ~45 phút để loại bỏ ôxi tạp chất dễ bay Sau đó, đưa khí N vào để tạo môi trường bảo vệ nâng nhiệt độ lên 3000C Ở nhiệt độ này, dung dịch nóng chảy TOPO HDA hoà tan CdO, tạo phức Cd với DDPA tạo thành dung dịch suốt màu vàng nhạt Dung dịch giữ 300 0C khoảng 15 phút, sau hạ dần ổn định nhiệt độ mong muốn phản ứng xảy (240–300 0C), tuỳ thuộc vào kích thước chấm lượng tử muốn chế tạo [2] Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO [2] 2.4.4 Cấu trúc chấm lượng tử CdSe Hình 2.4 giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu CdSe chế tạo 240 0C 3000C Có thể thấy đường nhiễu xạ mẫu CdSe chế tạo 240 0C đám rộng tương ứng với pha tinh thể lập phương Trong đó, giản nhiễu xạ tia X mẫu 3000C đỉnh nhiễu xạ cấu trúc lập phương cho thấy xuất thêm hai đỉnh nhiễu xạ mới, có góc nhiễu xạ 2θ = 28,08 33 45,79 (tương ứng với mặt mạng d= 3,29 1,98 A ) pha tinh thể lục giác [2] Hình 2.4 Phổ nhiễu xạ tia X CdSe chế tạo 2400C 3000C [2] 2.4.5 Tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe Như biết độ rộng vùng cấm CdSe 1,7 eV Theo công thức (2.1) lượng này tương ứng với bước sóng λ = 0,72 μm, tức nằm hoàn toàn vào miền ánh sáng đỏ Khả ứng dụng tinh thể CdSe mở rộng có kích thước nano Dựa vào công thức (2.8) tinh thể CdSe, kích thước hạt 1,95nm ta tính bước sóng photon phát 0,432 µm, cho ta ánh sáng màu lam (blue) Khi kích thước hạt 6,7nm ánh sáng phát có 34 bước sóng 0,700 µm cho ta ánh sáng màu đỏ (red) và kích thước hạt 2,8 nm ánh sáng phát có bước sóng 0,55 µm cho ánh sáng màu lục (green) Do thay đổi kích thước tinh thể CdSe ta thu tất màu sắc ánh sáng từ đỏ đến xanh lam (cận ánh sáng tím) Hình 2.5 mô tả thay đổi màu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt Hình 2.5 Màu sắc phát xạ của CdSe phụ thuộc vào kích thước nó.[12] 2.5 Ứng dụng chấm lượng tử CdSe vào chế tạo LED trắng Trước xét số cấu trúc LED có ứng dụng chấm lượng tử CdSe, xét cấu trúc LED trắng Chen cộng đề xuất vào năm 2005 sau: Chíp LED InGaN phát ánh sáng màu lam phủ phôtpho màu vàng phát Yttrium Aluminium garnet (YAG) pha với Cerium Màu trắng phát từ YAG (phát xạ vàng) kích thích ánh sáng màu 35 xanh từ InGaN Ở cấu trúc này, hiệu phát quang thấp và màu sắc bị thay đổi theo thời gian Tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe thu hút quan tâm nhà khoa học vài thập kỷ qua Như đã thấy, cách thay đổi kích thước chấm lượng tử CdSe làm thay đổi bước sóng phát xạ chúng Tính chất ứng dụng vào việc chế tạo LED trắng Sau số cấu trúc LED ứng dụng chấm lượng tử CdSe Trước hết, ta xét cấu trúc LED trắng Chen cộng đưa sau: Chíp LED vẫn InGaN phát màu lam, nhiên được phủ lên nó bởi chấm lượng tử CdSe (có cấu trúc lõi/vỏ CdSe/ZnSe để tăng cường độ sáng) Trong cấu trúc này, chấm lượng tử CdSe/ZnSe thay phôpho cấu trúc LED trắng InGaN – YAG Ở đây, màu trắng tạo thành qua hai chế: thứ nhất, đó trộn màu lam phát từ InGaN màu vàng từ CdSe/ZnSe QDs Thứ hai, màu trắng được tạo thành màu lam phát từ InGaN màu đỏ, lục phát từ CdSe/ZnSe Cường độ phát quang bước sóng màu đỏ, lục, lam tạo thành màu trắng cấu trúc LED trắng thể qua Hình 2.6 36 Hình 2.6 Sự phụ thuộc của cường độ vào bước sóng phát xạ [13] Chúng ta so sánh cường độ phát quang hai cấu trúc LED trắng qua Hình 2.7 Hình 2.7 So sánh cường độ phát quang các LED trắng từ CdSe YAG [7] 37 Tuy nhiên cấu trúc hạn chế sau: Do suy giảm màu sắc InGaN khác suy giảm màu CdSe nên sau thời gian sử dụng ánh sáng không trung thực Năm 2007 Polina O Anikeeva đề xuất cấu trúc LED trắng Hình 2.8 Cấu trúc có lớp phát sau: Màu đỏ QDs CdSe/ZnS coresell đỉnh sóng 620nm, màu lục QDs ZnSe/CdSe core- sell đỉnh sóng 540nm, màu lam ZnCdS đỉnh sóng 440nm (các QDs bao bọc polyme) Cấu trúc có tuổi thọ cao cấu trúc InGaN- CdSe/ZnSe Qds Chen Hình 2.8 Cấu trúc LED Polina O Annikeeva đề xuất [10] Cả ba cấu trúc trên, màu để trộn thành màu trắng từ chất phát sau thời gian sử dụng ánh sáng không trung thực suy giảm màu chất khác khác 38 2.6 Mô hình cấu trúc LED trắng Trong thực tế, việc chế tạo chấm lượng tử CdSe có kích thước mong muốn với độ đồng đều cao thường rất khó Vì vậy, các nhà nghiên cứu đề xuất loại vật liệu kết hợp giữa CdSe với các polymer Từ đặt loại vật liệu lai kết hợp giữa CdSe với polymer có khả tạo LED với tuổi thọ cao, màu sắc ổn định, hiệu cao, kết hợp hiệu ứng giam cầm lượng tử bán dẫn vô CdSe với sự mềm dẻo, dễ chế tạo bán dẫn hữu chế tạo LED trắng Hình 2.9 Mô hình cấu trúc LED trắng sở CdSe [6] Để có các ánh sáng đỏ, lục, lam phát từ các chấm lượng tử CdSe, kích thước các chấm lượng tử cần được điều khiển rất chính xác nhờ vào việc khống chế thời gian phát triển của Cd và Se dung môi, tỷ lệ các tiền chất chứa Cd và Se và nhiệt độ phản ứng Kích thước các chấm CdSe có thể xác định dựa vào công thức thực nghiệm: 39 D = (1.6122 × 10 −9 )λ4 − (2.6575 × 10 −6 )λ3 + (0.6242 × 10 −3 )λ2 − (0.4277)λ + 41.57 đó λ là bước sóng của đỉnh hấp thụ UV-Vis, D là đường kính hạt [8] Từ sự phụ thuộc này, chúng đã tính được kích thước của các chấm lượng tử CdSe chỉ ở Bảng 2.3 Bảng 2.3 Mối liên hệ kích thước hạt bước sóng [11] Đỉnh hấp thụ (nm) Năng lượng (eV) Đường kính trung bình (nm) 463 472 480 487 506 517 532 539 549 557 2.68 2.6 2.6 2.6 2.5 2.4 2.3 2.3 2.3 2.2 2.1 2.1 2.2 2.2 2.4 2.5 2.7 2.8 3.0 3.2 Để có thể phát xạ ánh sáng đỏ, lục và lam, kích thước cần chế tạo của CdSe được thể hiện qua Bảng 2.4 Bảng 2.4 Liên hệ kích thước, bước sóng màu sắc phát xạ CdSe [6] Kích thước hạt Bước sóng Màu 6,7 nm 700nm Đỏ(Red) 2,85 nm 545 nm Lục ( Green) 1,95 nm 429 nm Lam ( Blue) Từ Bảng 2.4 ta thấy thu ánh sáng có màu đỏ (Red), màu lục (Green) màu lam (Blue) từ chấm lượng tử CdSe có kích thước 6,7 nm; 2,85 nm; 1,95 nm Trên sở đó, chúng để xuất mô hình cấu trúc LED của chúng đề xuất với những đặc điểm sau: Cực dương (anode) ITO (indium tin oxit) Đế làm từ thủy tinh, lớp bán dẫn P làm từ PE DOT: PSS [poly (3,4ethylenedioxythiophen): poly (styrenesulfonate)] Lớp chặn điện tử: TPD [is (3- methylphenyl)-bis(phenyly)benzidine] Lớp phát photon: màu đỏ phát 40 từ CdSe/ZnS QDs kích thước hạt 6,7nm đỉnh sóng 700nm, màu lục phát từ CdSe/ZnS QDs kích thước hạt 2,85nm đỉnh sóng 545nm, màu lam phát từ CdSe/ZnS kích thước 1,95 đỉnh sóng 492 nm 2.7 Kết luận chương Với mục đích tìm hiểu tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe khả ứng dụng chúng việc chế tạo LED trắng, chương đạt kết sau: Thứ nhất, chương trình bày khái niệm chấm lượng tử số hiệu ứng quan trọng vật liệu kích thước nano Thứ hai, chương tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe phụ thuộc vào kích thước chúng Từ tính chất với việc đưa cấu trúc LED phát ánh sáng trắng có thảo luận, đưa cấu trúc LED trắng với lớp phát gồm chấm lượng tử CdSe 41 KẾT LUẬN Với mục đích giới thiệu, tìm hiểu tổng quan LED LED trắngcông nghệ chiếu sáng tương lai Nghiên cứu khả ứng dụng chấm lượng tử CdSe công nghệ chế tạo LED trắng, khóa luận đạt kết sau: Thứ nhất, khóa luận trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động đặc trưng LED, đồng thời trình bày số nguyên tắc chế tạo LED trắng từ LED đơn sắc Khóa luận nêu ưu điểm vượt trội đèn LED, LED trắng cho thấy khả ứng dụng LED trắng công nghệ chiếu sáng Thứ hai, khóa luận trình bày vật liệu truyền thống để chế tạo LED, LED trắng Thứ ba, khóa luận trình bày tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe phụ thuộc vào kích thước chúng Từ đó, khả ứng dụng chấm lượng tử CdSe chế tạo LED trắng đưa thảo luận Từ việc phân tích số cấu trúc LED trắng, khóa luận cho thấy việc ứng dụng chấm lượng tử vào chế tạo LED trắng nâng cao cường độ phát quang tuổi thọ LED trắng Cuối cùng, khóa luận đưa cấu trúc LED với lớp phát gồm chấm lượng tử CdSe Do lớp phát gồm chất CdSe nên cấu trúc có ưu điểm màu sắc trung thực, có suy giảm theo thời gian suy giảm đồng Tuy nhiên việc chế tạo chấm lượng tử CdSe với kích thước đồng khó khăn, phức tạp Vì vậy, việc đưa cấu trúc vào thực tế thách thức khoa học công nghệ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An, “Vật liệu linh kiện bán dẫn quang điện tử thông tin quang”, nhà xuất ĐHQG Hà Nội, 2003 [2] Trần Kim Chi, Hiệu ứng kích thước ảnh hưởng lên tính chất quang CdS, CdSe, CuInS2, Viện khoa học vật liệu, 2010 [3] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô, “Giáo trình vật lý bán dẫn”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2008 [4] TS Nguyễn Thị Bắc Kinh, GS.TS Phan Hồng Khôi, “Các giảng đèn LED ứng dụng chiếu sáng chung ( LED lamps for general lighting)”, Viện khoa học công nghệ Hà Nội, Hà Nội tháng 6/2010 [5] TS Nguyễn Văn Thao, TS Nguyễn Thị Bắc Kinh, TH.S Vũ Đình Thịnh, GS.TS Phan Hồng Khôi, “Nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo ứng dụng đèn LED chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm điện năng”, Hội nghị khoa học- Công nghệ gắn với thực tiễn lần thứ 4, Đà Lạt 20-21/8/2010 [6] Nguyễn Hùng Tráng, “Tính chất phát xạ tinh thể CdSe kích thước nano met ứng dụng chế tạo LED trắng”, Đại học vinh, 2010 [7] H.S Chen, C.K Hsu, and H.Y.Hong, “InGaN- CdSe- ZnSe quantum Dots white LEDs”, IEEE Technology letters, 18, 193-195 (2006) [8].H.S Jang, H.Yang, S W.Kim,j.Y.Han, S.G.LEE, and D.Y.Jeon, (2008) “ White Light- Emitting Diodes with Excellent Color Rendering Based on Organically Capped CdSe Quantum Dot and Sr3SiO5:Ce3 +, Li+ Phosphors”, Adv Mater.20, 2696-2702 [9] Jialong Zhao, Julie A Bardecker, Andrea M Munro, Michelle S Liu, Yuhua Niu, I-Kang Ding, Jingdong Luo, Baoquan Chen, Alex K.-Y 43 Jen, and David S Ginger, “Efficient CdSe/CdS Quantum Dot LightEmitting Diodes Using a Thermally Polymerized Hole Transport Layer”, Nano Lett., vol (3), pp 463–467, (2006) [10] Polina O Anikeeva, Jonathan E Halpert, Moungi G Bawendi, and Vladimir Bulović, “Electroluminescence Red−Green−Blue Colloidal Quantum from Dot a Mixed Monolayer”, Nano Lett., vol (8), pp 2196–2200 (2007) [11] Công nghệ nano, Wikipedia: http://vi.wikipedia.org/ưiki/C%C3%B4ng_ngh%E1%BB%87_nano (truy cập 15 tháng 01 năm 2011) [12] http://chem.ps.uci.edu/~lawm/Barriers%20and%20wells.pdf (truy cập ngày 28 tháng năm 2011) [13] http://greenvietnam.wordpress.com/2011/04/30/công-nghệ-chiếu-sángdùng-led-tiết-kiệm-dài-lâu/ (truy cập ngày 30 tháng năm 2011) [14] En.wikipediaorg/wiki/Light-emitting-diode ( truy cập ngày 20 tháng năm 2011) [15] Trương Văn Tân, Cơ học lượng tử vật liệu nano, www.erct.com 44 [...]... (colloid) Nghiên cứu về chấm lượng tử ở dạng tinh thể xuất phát từ việc gia tăng hiệu suất biến đổi từ năng lượng mặt trời sang năng lượng điện trong chế tạo pin mặt trời Từ năm 1986, sau khi chế tạo thành công chấm lượng tử từ dung dịch dạng keo, các nghiên cứu về chấm lượng tử gia tăng mãnh liệt Đến năm 2005, trên thế giới đã có gần 2.000 đăng ký phát minh cho các ứng dụng của chấm lượng tử Vào thập... Với xu thế phát triển của khoa học vật liệu, gần đây các vật liệu có cấu trúc nano, điển hình là CdSe đang được quan tâm, nghiên cứu Trong chương tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu về khả năng ứng dụng của các chấm lượng tử CdSe trong chế tạo điốt phát ánh sáng trắng 23 CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe TRONG CHẾ TẠO LED TRẮNG Trong vật lý bán dẫn, các chấm lượng tử với những đặc tính độc đáp... thấy, bằng cách thay đổi kích thước của các chấm lượng tử CdSe sẽ làm thay đổi bước sóng phát xạ của chúng Tính chất này đã được ứng dụng vào việc chế tạo LED trắng Sau đây là một số cấu trúc LED ứng dụng các chấm lượng tử CdSe Trước hết, ta xét cấu trúc LED trắng do Chen và cộng sự đưa ra như sau: Chíp LED vẫn là InGaN phát màu lam, tuy nhiên được phủ lên trên nó bởi các chấm lượng tử CdSe (có... tử" , các nhà khoa học đã nghĩ ra cái giếng lượng tử thực sự bằng cách tạo ra những "nguyên tử" nhân tạo Các “nguyên tử này được gọi là các chấm lượng tử (sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo) Khi vật liệu bán dẫn có kích thước của chấm lượng tử thì sự phát xạ photon có thể khảo sát qua công thức sau: E p = E qt + ∆E g (2.6) trong đó, Ep: năng lượng của photon phát ra (eV) Eqt: Năng lượng chấm lượng tử. .. tan CdO, tạo phức Cd với DDPA tạo thành dung dịch trong suốt màu vàng nhạt Dung dịch được giữ ở 300 0C khoảng 15 phút, sau đó hạ dần và ổn định ở nhiệt độ mong muốn phản ứng xảy ra (240–300 0C), tuỳ thuộc vào kích thước chấm lượng tử muốn chế tạo [2] Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO [2] 2.4.4 Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe Hình 2.4 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu CdSe chế tạo ở 240... đặc tính độc đáp đang ngày càng được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Tuy nhiên, khái niệm chấm lượng tử còn khá mới mẻ đối với nhiều sinh viên Chương 2 của khóa luận với tựa đề “Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe trong chế tạo LED trắng sẽ đưa ra một số thông tin nhất định về các chấm lượng tử nói chung và chấm lượng tử CdSe nói riêng Trước hết, chương này sẽ trình bày... lõi/vỏ CdSe/ ZnSe để tăng cường độ sáng) Trong cấu trúc này, các chấm lượng tử CdSe/ ZnSe đã thay thế phôpho trong cấu trúc LED trắng InGaN – YAG Ở đây, màu trắng được tạo thành qua hai cơ chế: thứ nhất, đó là sự trộn màu lam phát từ InGaN và màu vàng từ CdSe/ ZnSe QDs Thứ hai, màu trắng được tạo thành do màu lam phát từ InGaN và màu đỏ, lục phát từ CdSe/ ZnSe Cường độ phát quang và bước sóng của các. .. tinh thể CdSe ta có thể thu được tất cả màu sắc ánh sáng từ đỏ đến xanh lam (cận ánh sáng tím) Hình 2.5 mô tả sự thay đổi màu sắc phụ thuộc vào kích thước của hạt Hình 2.5 Màu sắc phát xạ của CdSe phụ thuộc vào kích thước của nó.[12] 2.5 Ứng dụng của chấm lượng tử CdSe vào chế tạo LED trắng Trước khi xét một số cấu trúc LED có ứng dụng của các chấm lượng tử CdSe, chúng ta xét một cấu trúc LED trắng. .. sử xuất hiện chấm lượng tử CdSe Trước năm 1993, nhiều nhóm nghiên cứu đã công bố kết quả chế tạo các chấm lượng tử CdSe từ nguyên liệu ban đầu khác nhau (cả hợp chất vô cơ và hữu cơ, cơ kim), nhưng chất lượng còn rất khiêm tốn [2] Năm 1993, phòng thí nghiệm của Bawendi (Khoa Hóa học, Viện Khoa học công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ) công bố chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe với kích thước 1,2–11,5... Kết luận chương 1 22 Trong chương 1, chúng tôi đã trình bày một số kiến thức tổng quát về điốt phát quang (LED) và điốt phát ánh sáng trắng (WLED) như cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các đặc trưng cơ bản và các lĩnh vực ứng dụng của LED Một số nguyên tắc tạo LED phát ánh sáng trắng từ các LED đơn sắc cơ bản và các vật liệu truyền thống thường được sử dụng để chế tạo LED cũng đã được thảo luận ... luận tốt nghiệp Mục đích khóa luận nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động LED LED phát ánh sáng trắng, nghiên cứu ứng dụng chấm lượng tử CdSe chế tạo LED trắng Bằng phương pháp nghiên cứu tài... quang chấm lượng tử 25 2.4 Chấm lượng tử CdSe .25 2.4.1 Giới thiệu chất bán dẫn CdSe 25 2.4.2 Vài nét lịch sử xuất chấm lượng tử CdSe 26 2.4.3 Chế tạo chấm lượng tử CdSe từ CdO... trúc chấm lượng tử CdSe 27 2.4.5 Tính chất phát xạ quang chấm lượng tử CdSe 28 2.5 Ứng dụng chấm lượng tử CdSe vào chế tạo LED trắng 29 2.6 Mô hình cấu trúc LED trắng 32 2.7 Kết luận