Xây dựng thiết bị chế tạo các hợp chất bán dẫn phát quang vùng cấm rộng và nghiên cứu các tính chất quang, từ của chúng

ĐẠI HỌC Q UỐ C G IA HÀ NỘ I TRƯỜNG ĐẠI HỌC K HO A H ỌC T ự N H IÊN ******************** BÁO CÁO TÕ NG KÉT Đ Ể TÀI KHCN ĐẶC BIỆT CẤP Đ H Q G HÀ NỘI XÂY DỰNG THIẾT BỊ CHẾ TẠO CÁC H Ợ P CHAT BÁN DAN ph át q uang vùng cam rộ ng NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT Q UANG , TỪ CỦA CHÚNG MÃ SỐ : QG - 07 - 45 C H Ủ TR Ì ĐỂ TÀI : TS PH Ạ M V Ă N BEN H N ôi - 0 Báo cáo tóm tắt Đề tài: Xây dựng thiết bị chẽ tạo hợp chất bán dẫn phát quang vùng cấm rộng nghiên cứu tính chất quang, từ chúng Mã số : QG - 07 - 45 Chủ trì đề tài: TS Phạm Văn Bền Các cán tham gia : GS.TSKH Nguyễn Châu, PGS.TS Nguyễn Ngọc Long, TS Phạm Hồng Quang, ThS Nguyễn Duy Tiến, TS Huỳnh Đăng Chính, CN Phan Thanh Chương, Th.s Hồng Chí Hiếu, T h.s Bùi Hổng Vân, Th.s Hoàng Văn Hán, Th.s Nguyễn Thị Hệ, Th.s Phan Trọng Tuệ 1 M ục tiêu nội dung nghiên cứu: - Xây dựng thiết bị chế tạo hợp chất bán dẫn phát quang màu vùng cấm rộng nhóm A2B6, A3B5 pha kim loại chuyển tiếp với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy: M n, Cu, Co ZnS, ZnS:Mn, ZnS:Cu, ZnS:Cu,M n, ZnO:Co; ZnO, Z n O :M n - Nghiên cứu tính chất quang bột phát quang c h ế tạo làm sáng tỏ ảnh hưởng iôn kim loại chuyển tiếp lên phát quang bán dẫn vùng cấm rộng Các kết đạt * Kết khoa học : - Thu thập tài liệu số tính chất quang bán dẫn vùng cấm rộng ZnS, ZnO pha kim loại có lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy Cu, Mn, Co - Nghiên cứu, thiết k ế , chế tạo hệ lò nung nhiệt độ cao với mức khống chế nhiệt độ lập trình dùng nung ủ mẫu bột phát quang - Đưa quy trình chế tạo bột phát quang ZnS, ZnO pha tạp nguyên tố Co, Mn, Cu phương pháp gốm, sol-gel, đồng kết tủa - Chế tạo số bột phát quang ZnS, ZnO ; ZnS :Mn, ZnS :Cu, ZnO :Cu, ZnO :Co - Nghiên cứu số tính chất quang bột chế tạo : phổ phát quang, phổ kích thích huỳnh quang, phổ phát quang phân giai theo thời gian, phổ tán xạ Raman - Bước đầu thử nghiệm khả ứng dụng bột phát quang * Kết đào tạo: - 04 Thạc sỹ -0 Cử nhân * Các công írình khoa học cong bỏ: 08 + 05 báo cáo khoa học Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng Tàu, tháng 11 năm 2007 + 03 báo cáo Khoa học Hội nghi Quang học quang phổ toàn quốc lần thứ 5, Nha Trang, tháng năm 2008 Tình hình sử dụng kinh phí Tổng kinh phí cấp : 60 000 OOOđ + Tiền điện, nước xây dựng sở vật chất : 400 OOOđ + Hội nghị, in ấn báo cáo, văn phòng phẩm : 000 000đ + Cơng tác phí, tàu xe : 000 OOOđ + Thuê mướn : 37 000 OOOđ + Chi phí nghiệp vụ chuyên môn XÁC NH ẬN CỦA BCN K HOA VẬT LÝ : 11 600 OOOđ CHỦ TR Ì ĐỂ TÀI ĩ y jtr f PG S.TS Nguyễn T h ế Bình TS Phạm Văn Bền XÁC NH ẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI H ỌC K H O A H Ọ C T ự NH IÊN Brief report Title: Construction equipm ent fabricating sem iconductors with the wide forbidden band gap and investigation their optical, m agnetic propeties Code: QG - 07 - 45 Coor Dim ator : Pham Van Ben Key implements: Nguyen Chau, N guyen Ngoc Long , Pham Hong Quang, Nguyen Duy Tien, Huynh Dang Chinh, Phan Thanh Chuong, Hoang Chi Hieu Bui Hong Van, Hoang Van Han, Nguyen Thi He, Phan Trong Tue O bjective and M atter of this study: + Construction equipm ent fabricating sem iconductors with wide band gap A 2B6, A 3B doping transition metal Cu, Co, M n with 3d shell such as: ZnS, ZnS, ZnS:Cu; ZnS:M n, ZnS:Cu; ZnO, ZnO:Co; Z nO :M n + Investigate the optical properties o f fabricated lum inophor and explain the influence o f transition metal ions on lum inescence spectra o f sem iconductors with wide band gap M ain results: We succeeded in: - Collecting docum ents about some properties of sem iconductors with wide band gap doped transition metals with 3d shell such as : C'J, ivln, Co - R e se a rc h in g , d esig n in g high tem p e tu re fu rn a c e sy ste m w ith co n tro lled and p ro g m ed tem p e tu re level used fo r h e a tin g , a n n e a lin e lu m in esc e n c e p o w d er + Construct the process of producing luminophor ZnS, ZnO doped Cu, Co, Mn by solid-reaction, sol-gel, co-preciatated method + Preparing some lum inophor ZnS, ZnO ; ZnS :Cu, ZnS :Mn, ZnO :Cu, ZnO :Co - Investigate some optical properties of lum inophor : photolum inescence, excitation photolum inescence, tim e-resolved- lum inescence, scattering Raman spectra - First step testing application of luminophors + Education results: 04 m aster theses 08 bachelor theses Publications: 08 papers - 05 paper on fifth National Conference on Solid Physic, Vung Tau N ovem ber 2007 - 03 paper on fifth National Conference on O ptics and Spectroscopy,N Trang, 10-14 Septem ber 2008 M ỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chươngl- CẤU TR ÚC TINH THỂ, CẪU TRÚC VÙNG NĂNG LƯ ỢNGCỦA BÁN DAN VÙNG CAM RỘ N G 10 1.1 Cấu trúc tinh thể 10 1.1.1 Cấu trúc dạng lập phương 11 1.1.2 Cấu trúc dạng lục giác 12 1.2 Cấu trúc vùng lượng 13 1.3 Sự thay đổi độ rộng vùng cấm theo nhiệt độ 17 1.4 Ảnh hưởng M n, C o với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy lên cấu trúc tinh thể vùng lượng bán dẫn vùng cấm rộng 19 Chương TÍN H CH ẤT Q UANG CỦA M Ộ T s ố BÁN DẪN VÙNG CẤM RỘNG 22 2.1 Tính chất quang ZnS ZnS:Mn 22 2.1.1 Phổ hấp thụ ZnS ZnS:M n 22 2.1.2 Phổ phát quang ZnS ZnS:Mn 23 2.1.3 Phổ tán xạ Ram an ZnS ZnS:M n 24 2.2 Tính chất quang ZnO ZnO:Co 27 2.2.1 Phổ hấp thụ ZnO ZnO:Co 27 2.2.2 Phổ phát quang ZnO ZnO:Co 27 2.2.3 Phổ tán xạ Ram an ZnO ZnO:Co 30 2.3 Thiết bị thực nghiệm 33 Chương 3: K ÉT Q UẢ THỰC NG H IEM VÀ BIỆN L U Ậ N 34 3.1 Nghiên cứu, thiết kế, ch ế tạo hệ lò nung nhiệt độ cao với mức khong chê lập trình dùng để nung, ủ lĩìảu bợt phát quang 34 3.1.1 M đ ầu 34 3.1.2 Nghiên cứu, thiết k ế chế tạo lò nung điện trở 34 3.1.3 Nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt thiết bị khống chế nhiệt độ cao 36 3.1.4 Lắp đặt hệ lò nung nhiệt độ cao 38 3.1.5 Kết khống chế nhiệt độ 40 3.1.6 Kết ch ế tạo bột phát quang 40 3.2 Xây dựng quy trình ch ế tạo bột phát quang bán dẫn vùng cấm rộng ZnS, ZnO , ZnS:M n, ZnO :Co phương pháp gốm , sol-gel, đồng kết tủa 41 3.3 Khảo sát m ột sơ tính chất quang ZnS, ZnS:M n chế tạo phương pháp gốm 43 3.3.1 Mở đầu 43 3.3.2 Phân tích cấu trúc ZnS, ZnS:Mn 43 3.3.3 Phổ kích thích phát quang ZnS:Mn 46 3.3.4 Phổ phát quang ZnS, ZnS:Mn 47 3.3.5 Phổ m icroRam an ZnS :Mn 51 3.3.6 Kết luận 52 3.4 Khảo sát m ột số tính chất quang ZnO, ZnO :C u, ZnO :Co chẽ tạo phương pháp sol-ge] phương pháp gốm 53 3.4.1 M đầu 53 3.4.2 Cấu trúc tinh thể ZnO, ZnO:Cu, ZnO :Co 54 3.4.3 Phổ phát quang ZnO, ZnO:Cu, ZnO:Co 55 3.4.4 Phổ m icoRam an ZnO Co 61 3.4.5 Kết luận ỘO 3.5 Thử nghiệm khả ứng dụng bột phát quang 63 K ẾT LU Ạ N CH UNG 64 TÀI LIỆU TH A M K H Ả O 65 PHỤ LỤC MỞ ĐẨU Các hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng loại A 2B6, A 3B5 như: ZnS, ZnO v.v ứng dụng rộng rãi dụng cụ quang điện tử Chúng dùng để chế tạo ốt phát quang, quang trở, cửa sổ suốt vùng khả kiến hồng ngoại gần [1, 2, 3, 4], Trong phổ phát quang hợp chất bán dẫn từ 4,2K đến 300K, vạch đặc trưng cho tái hợp xạ exciton tự do, exciton liên kết donor, acceptor, electron tự từ vùng dẫn xuống mức tạp chất, xuất đám rộng đặc trưng cho tái hợp xạ cặp donor - acceptor [5, 6, 7, 8, 9] Khi pha kim loại chuyển tiếp Mn, Co, Cu với vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy vào hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng tạo thành bán dẫn bán từ Các iôn kim loại (gọi iôn từ) tạo nên vùng cấm hợp chất bán dẫn mức lượng xác định Vì phổ phát quang hợp chất bán dản vùng cấm rộng xuất vạch đặc trưng cho tái hợp xạ pôlarôn từ liên kết, đám phát quang màu như: xanh cây, da cam- vàng, đỏ đặc trưng cho iôn: Cu2+, M n2+, Co2+ số đám phát quang nằm vùng hồng ngoại gần [10, 11, 12, 13, 14, 15] Với tính chất phát quang ứng dụng quan trọng nên từ nãm 1990 đến bán dẫn bán từ vùng cấm rộng loại ZnS, ZnO pha kim loại chuyển tiếp với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy chế tạo nghiên cứu m ạnh mẽ Liên Xơ cũ, Cộng hồ liên bang N ga, Trung Quốc, Nhạt Bản, Ân Độ, Hàn Quốc, Mỹ Đặc biệt từ năm 2000 đến nhà khoa học chế tạo nghiên cứu thành công vật liệu nanô loại ZnS, ZnO, ZnS:Mn, Z n S :C o [21,22,23] Ớ Việt Nam từ năm 2000 đến bán dẫn bán từ loại trén đặc hiệt ỉa ZnO nghiên cứu nhiếu : Trung tám khoa học Vật liệu - Khoa Vật lý - Trường Đại học khoa học Tự nhiên- ĐHQG HN , Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm I Hà Nội, Viện khoa học Vật liệu - Viện Khoa học công nghệ Việt N am C ác vật liệu tạo phương pháp phún xạ catốt, sol-gel, đồng kết tủ a Với lý trên, đăng ký thực đề tài: Xây dựng thiết bị chê tạo hợp chất bán dẫn p h t quang vùng cấm rộng nghiên cứu tính chất quang, từ chúng Thời gian T ên đề tài/ cơng trình Tư cách C ấp quản lý/ nơi tham gia còng bõ Úng dụng quang phổ laser 2003 Ram an phân tích dầu mỏ Chù trì Trường ĐHKHTN H ( TN-03-04 ) Việt Nam Xây dựng hệ kích thích phổ 2004 huỳnh quang vả tán xạ Raman dùng đèn thuỷ ngân áp suất siêu Chù trì Trường ĐHKHTN ( TN-04-06) cao HBO-502 N ghiên cứu tính chất quang 2005 hợp chất bán dẫn vùng cấm Chù trì ( QT-05-08 ) rộng Nghiên cứu tính chất quang 2006 ĐH Quốc gia Hà Nội hợp chất bán dẫn vùng cấm ĐH Quốc gia Hà Nội Chù trì ( QT-06-02 ) rộng J1K3MMHMc u e HU.MR 1991 Bcec0K)3Haa CoextMHeH VlÌa Đơng KoHỘepeHUH no A2B2, coAep?KaiomMX tác giả JIIOMMHHCU6UMH 3JieMeHTbi rp y n n *e.ne3a Bcecoio3HaH Ko T OflOJl m HMcu e HU.MH 10/1991 T BepflblX paCTBOpOB C d T e : Mn Đổng tác giả KoHỘepeHUH no MaTepMa/iOBeHMHM xajibKOMe/iM3Hb;x riojiynpoEoaHMKoB 11/1991 Sự chuyển dời xạ lớp Đồng vỏ 3d cùa Fe2/,+ tác giả JllOMMHHCUeHUMH ZnO 1992 CoỊỊepacamero 3.neMeHTbi Đồng tác giả rp yn n b i Hội nghị khoa học đất tồn quốc lần thứ 11 M3BeCTMfl POCCMMCKGÍÍ aKaaeMHH HayK Đồng tác già [ạp chí Khoa học Đại ! học Tổng hợp Hà Nội trang thai điện tử 3d cùa iỏn Đõn.s Hội nghị Vặt lv toàn Mn2+ bán dẵn bán từ Cd|_, tác giá quốc lấn thứ IV Đỏng Hội nghị cLat rán Sự phát quana cùa bán dẫn bán Sỏ' 1993 từ Cd|.x FexTe Sư chuyển rời xạ 10/1993 ivlnxTe 11/1994 Chê lao, nghiên cứu phát quang ZnS: Cu,M n tác giả Một số tính chất đáng ý 8/1998 Hội nghị toàn quốc lần trơng phổ huỳnh quang tinh Đồng tác giả thể ZnS: Mn II quang học quang phổ Anh hường ù nhiột lên chuyển Hội nghị Vật lý Chất pha cấu trúc thay đổi kích 2003 tồn quốc rán tồn quốc lần thước hạt m àng mỏng ZnO Đồng tác giả thứ IV chế tạo phương pháp phún xạ Rfm agneton Nâng cấp m áy quang phổ cách 11/2005 tử kép G D M -1000 phục vụ Đồng tác giả nghiên cứu quang phổ học laser 11/2005 Sự phát quang tinh thể ZnSe Đổng tác giả quốc lần thứ VI Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI Hội nghị quang phổ Ảnh hường Fe lên phổ phát 8/2006 Hội nghị Vật lý toàn Tác giả quang tinh thể ZnSe toàn quốc lần thứ IV, Cẩn Thơ Nghiên cứu thiết k ế chế tạo khống chế nhiệt độ cao cho hệ 8/2006 tạo mẫu bột phát quang ZnS:Mn Đồng tác giả Cần Thơ 08/2006 phương pháp gốm với cõng suất tiêu thụ điện nhỏ International Workshop Spectral structure and other 8/2006 9/2006 characteristics of high power Đổng tác giả diode laser bars that packaged in on photonic and applications (Đã in kỷ Vietnam yếu) Can Tho 08/2006 Uranium doped Ca2C u 3: The I s' international workshop on functional, Ha long 09/2006 Đống tác giả Structure and electronic properties Preparation and study of the 12/2006 Đóng tác giả photolum inescent powder ZnS|.x VNU Journal of science T.XXII, N0 2AP, 2006 Mn,s by co-precipitation method 12/2006 The influence of Fe on m icroram an spectra of the ZnSe crystal (Zn,.xFexSe: Đont: tác già VNU Journal of science T.XXII N0, 2AP 2006 < x< 0.1727) Fabrication and study of optical 12/2006 ĐỏRg Iác 2[ả propel ties o f Zn^CcSjO powder VNU Journal of science T.XXIỈ No, 2AP, 2006 12/2006 12/2006 Fabrication and study of luminescence of Zn!_xMnxS compound by the solid state VNU Journal of science T.XXII No, 2AP, 2006 Đồng tác giả reaction method The preparation and study on luminophor ZnS Đồng tác giả The formation of Mn, Ba dye 1/2007 luminescent center inside Đồng tác giả Zn^BajSiMn (0 X < 0.10) VNU Journal of science T.XXII No, 2AP, 2006 International workshop on photonic opportunities and networking event,2007 wide band gap semiconductor róm tắt hoạt động đào tạo sau Đại học cùa chủ trì đề tài năm trở lại đây: Thời gian Tèn nghiên cứu sinh Tên học viên cao học 2005-2007 Bùi Hồng Vân 2005-2007 Hoàng Văn Hán 2005-2007 Nguyễn Thị Hệ Nguyễn Trọng Tuệ 2006-2008 2006-2009 Lương Vũ Hải Nam ( hướng dẫn phụ ) C q u a n p h ố i h ợ p , c ộ n g t c v i ê n c h í n h c ủ a đ ề t i : Cộng tác vién TT C q u a n phối hợp Trung tâm khoa hoc vât liêu, Khoa Vật ly, Trường ĐHKHTN Phòng thí nghiệm nhiệt độ thấp Viện ứng dụng công nghệ -Bộ khoa học cơng nghê Khoa H óa Trường ĐH Bách Khoa Hà Nôi Khoa Vật lý, Đại học KHTN Họ tên GS.TSKH Nguyễn Châu PGS.TS Nguyễn NgocLong C huyên ngành Vât liêu TS Phạm Hổng Quang Vật lý Điên từ ThS Nguyễn Duy Tiến Điện tử TS Huỳnh Đăng Chính Phan Thanh Chương Hồng Chí Hiếu Bùi Hồng Vân Hoàng Văn Hán Nguyễn Thị Hệ Phan Trong Tuệ Hố vơ Quang lượng từ T h u y ế t m i n h s ự c n t h i ế t h ì n h t h n h d ự n +Tổng quan cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan tới vấn đề nghiên cứu đề tài: - Các hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng loại A2B6, A 3B5 như: ZnS, ZnO, ZnSe v.v ứng dụng rộng rãi dụng cụ quang điện từ Chúng dùng để chế tạo di ốt phát quang, quang trở, cửa sổ suốt vùng khả kiến hổng ngoại gần [1, 2, 4], Trong phổ phát quang hợp chất bán dẫn từ 4,2K đến 300K, vạch đặc trưng cho tái hợp xạ cùa exciton tự do, exciton liên kết trẻn donor, acceptor electron tự từ vùng dẫn xuống mức tạp chất, xuất đám rộng đặc trưng cho sư tái hợp xạ cua cặp donor - acceptor [5, 6, 7, 8, 9] - Khi pha kim loại chuyển tiếp Cu, Mn Co với vò điện tử 3d chưa lấp đầy vào hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng tạo thành cac ban dẫn bán từ Các ión cùa kim loại (gọi lỏn từ) tạo nên NÒing Cấm cùa hợp chất bán dẫn mức nãng lượng xác định Vì phổ phát quang cùa hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng xuất vạch đặc trưng cho sư tá! hơp xạ cùa pỏlarôn từ liên kết cac d a m ph at q u a n g m u như: xanh lam x an h da trời xa nh la c â y , da c a m - d o ^ ^ ô đảc trưng Q j + jyỊn > Co:+ va môt sổ dam phát quang cùa chúng nằm vùng hồng ngoại gần [1^ 11 , Ỉ 13 14, !-■>] VỚI tính chât phat quang ứng dụng quan trọng nên từ năm 1990 đến bán dẫn bán từ vùng cấm rộng loại ZnS, ZnO pha kim loại chuyển tiếp với lớp vò điện từ 3d chưa lấp đầy chế tạo nghiên cứu mạnh mẽ Liên Xơ cũ, Cộng hồ liên bang Nga, T rung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ, Hàn Quốc, Mỹ C ác nhà khoa học viện đao tạo ky sư hoa học cua trường Đại học Tổng hợp Feng Chia (Trung Quốc) chê tạo thành công bột phát quang màu ZnS: Cu-Mn (0.2 mol% Cu; 0.2 mol % Mn) môi trương khống dươi dạng thương phâm Bột phát quang mạnh bước sóng 470 nm, 510 nm 580 nm Khi pha Ba vào ZnS: Mn nhà khoa học cùa Trung tâm nghiên cứu khoa học Vật liệu — Viện kỹ thuật Madras (Ân Độ làm dịch chuyển đám da cam vàng 580 nm sang vùng đỏ 620 nm [16,17,18,19,20], Đặc biệt từ năm 2000 đến nhà khoa học chê tạo nghiên cứu thành công vật liệu nanô loại ZnS, ZnO, ZnS:Mn, ZnS:Co [21,22,23] + Việt Nam từ năm 2000 đến bán dẫn bán từ loại đặc biệt ZnO nghiên cứu nhiều : Trung tâm khoa học Vật liệu Khoa Vật lý —Trường Đại học khoa học Tự nhiên- ĐHQGHN (Nhóm nghiên cứu cùa PGS-TS Nguyẻn Ngọc Long, PGS-TS Nguyễn Thị Thục Hiền, PGS- TS Lê Hổng Hà, PGS-TS Tạ Đình Cảnh), Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm I Hà Nội ( GS-TS Nguyễn Thè Khôi), Viện khoa học Vật liệu Viện Khoa học công nghệ Việt Nam (TS Nguyễn Xuân Nghĩa, TS Nguyễn Thị Thuý Liễu) C ác vật liệu tạo bang phương pháp phún xạ catổt, sol-gel, dồng kết tủa Tại hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI Hà Nội - tháng 11 năm 2005, Hội nghi Quang học Quang phổ toàn quốc lần thứ IV Cần Thơ - tháng 8/2006 có 13/79 18/50 báo cáo vật liệu ZnS, ZnO: Mn, ZnS:Co tiểu ban Quang phổ vật rắn vật liệu nano Những số liệu cho thấy vật liệu nhà khoa học nước ta quan tám nhiều Nhóm Bộ môn Quang lượng tử phương pháp gốm tiến hành chế tạo nghiên cứu tính chất phát quang vật liêu ZnS ZnS:Mn ZnS: Cu ZnO:Co từ năm 2004 thu số kết qua bước đầu + Lý chọn đề tài: - Nhữn° hợp chất phát quang màu xanh lam, xanh da trời, xanh cây, vàng dỏ ché tạo cách pha kim loai VỚI lớp vo điện tư 3d chưa lap đay vao ban dan voing cam rang A B A B như: ZnS:Cu; ZnS:Mn; ZnS:Cu-Mn: ZnO:Co; ZnO:M n; ZnO:Co-Mn ứng dụng rông rãi dụng cụ quang điện tư, dung cho biẽn quang cáo bien báo phân cách giao thông đường thuỷ bó góp phán hụp che tai nạn giao thóng - Mặt khác hợp chất ban dẫn xả; ru tương tá trao đòi s-d u k diện tư dẫn điện tử 3d lôn từ: Mn Co VI '.he ch ú i* xuát tính chát ^uang, điện từ đặc biệt Do chúng tơi đãng ký thực đề tài với ý nghĩa vể nghiên cứu lẫn ứng dụng: - Vê nghiên cứu ban: m cho Bộ môn Quang lượng tử hướng nghiên cứu mới: che tạo hợp chât phat quang có màu săc biến đổi nghiên cứu tính chât quan° từ chúng Đảy m ột nội dung khoa học để đào tạo bậc cừ nhân, thạc sỹ, tien sy vé Q u a n g học V ặt liệu” Bơ mơn Quang lượng từ- Khoa Vát lý góp phân đày mạnh cong tac nghiên cứu khoa học Bộ môn Hằng năm Bộ môn Quang lượng tư co khoang - học viên Cao học, 30 —32 sinh viên theo học chuyên ngành Quang - Vê ứng dụng: chất phát quang màu dùng dụng cụ quang điện tử, dùng cho biên quảng cáo, biển báo phán cách giao thơng đường thuỷ góp phần hạn chế tai nạn giao thông Đ ị a b n n g h i ê n c ứ u Mục tiêu đề tài: - Xây dựng thiết bị chẽ tạo hợp chất bán dẫn phát quang màu vùng cấm rộng nhóm A2B6, A3B5 pha kim loại chuyển tiếp với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy: Mn, Cu, Co , nhưZnS, ZnS:Cu; ZnS:M n, ZnS:Cu-Mn; ZnS:Mn-Ba; ZnO, ZnO:Co; ZnO:Mn Hệ thiết bị gồm: + 01 nguồn ni lò nung có hiệu điện biến đổi từ đến 50 V cường độ dòng điện cực đại 50 A + 01 lò nung từ 100 °c - 1250 °c + 01 khống chế nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện platin -rốđi có ghép nối với máy tính + 01 hệ nạp, thổi khí trơ argon Tính ưu việt hệ là: + Điện tiêu thụ thấp: khoảng vài trãm oát: u = 35 V, I = 18 A, p = 630 w, so với lò nung khác có nhiệt độ dùng nguồn điện u = 220 V, I = 10 A, p = 2200 w (đã tiêt kiệm điện khoảng 3,5 lần) + Chủ đôn° trone viẽc thay thê bảo hành bô phân (dáv điện trơ, khống che nhiệt độ, ông sứ chịu nhiệt, ống thạch anh ) hệ gập có + Giá thành hạ so với thiết bị nhập từ nước + Về mặt khoa học chúng tỏi nghiên cứu, thiết kè hệ !o nung để có cóng cụ làm việc nhằm phát triển hướng nghiên cứu “ Q u a n g học V ật liệu" cua Bọ môn Quang lượng tư - Với hệ thiết bị trên, phương pháp gốm, chúng tơi hồn toan chủ dộng tạo bột phát quang có màu sắc biến đổi vùng kha kiến tuỳ theo chất pha tạp Cu, Mn Ba, C o vào bán dẫn vùng cấm rộng ZnS, ZnO Các bột phat quang màu dùng cac dung cụ quang điẹn tử, cac bien quang cáo - Nghiên cứu tính chất quang từ bột phát quang màu chế tạo làm sáng tỏ vai trò iơn kim loại ehUỵểrUiếp với lớp vỏ điện từ d chưa lấp đầy Mn* > , Co* tro n g phat quang bán dẫn vùng cấm rộng Đảy nội dung khoa học để đào tạo bậc Cử nhân, Thạc sỹ tiến tới đào tạo Tiến sỹ “Quang học Vạt liệu cua Bộ môn Quang lượng tử - Khoa Vật lý, thời góp phần đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học Bộ môn Hiẹn đa co học viên Cao học sinh viên làm luận án tôt nghiệp theo hương Quang học Vật liệu hệ lò nung có khống chẽ nhiệt độ xây dựng 04 học viên cao học làm luận án thạc sỹ ( 03 học viên bảo vệ vào cuối năm 2007 01 học viên bảo vệ vào nãm 2008) - 05 sinh viên chuyên nganh Quang lượng từ làm khoá luận tốt nghiệp bảo vệ vào tháng năm 2007 - 04 báo cáo khoa học cùa sinh viên hội nghị khoa học sinh viên khoa Vật lý ngày 10 tháng năm 2007 10 Tóm tắt nội dung nghiên cứu đề tài: - Thiêt kế, lắp ráp thiẽt bị chế tạo hợp chất bán dẫn phát quang vùng cấm rộng gổm lò nung từ 100()c đến 1250° c có khống chế nhiệt độ mòi trường khí trơ argon - Pha tạp kim loại chuyển tiếp với lớp vỏ điên tử 3d chưa lâp đầy: Cu,Mn,Co vào bán dẫn vùng cấm rộng A2B6, A3B5 : ZnS, ZnO, ZnSe nham tạo chất phát quang màu : xanh lam, xanh da trời, xanh cây, vàng, đỏ - Nghiên cứu tính chất quang, từ mẫu chẽ tạo nhầm tạo hợp chất phát quang màu có chất Lượng tốt làm sáng tò vai trò cùa iơn kim loại chun tiếp với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy Mn2+, Cu2+, Co2+ phát quang cùa bán dẫn vùng cấm rộng, từ rút quy trình chế tạo chúng 11 Các chuyên đề dự kiến để tài: + Thu thập tài liệu lò nung từ 100 °c đến 1250 °c có khống chế nhiệt độ tự động mơi trườno khí trơ argon Từ thiết kế, lắp ráp thiết bị chẽ tạo hợp chất bán dẫn phát quang màu bao gồm' nguồn ni, lò nung, khơng ché nhiệt độ, hệ nạp trơ argon với điện náng tiẽu thụ thâp (khoảng vài trăm OaO va gia + Thu thập tài liệu tính chất quang, điện, từ hơp chất phát quang màu vùng cám rộng tiến hành cac seminar khoa học + Bằng phương pháp gốm, đồng kết túa che tạo nghiên cứu tính chất quang, từ chất phát quang màu + Tham ơi'ả hội nghị khoa học viết bà bao đãng cac tap chí khoa hoc chuyên ngành C ấ u t r ú c d ự k i ế n b o c o k ế t q u a c u a đ ẽ t i I Mở đầu II C âu trú c tin h th ê vùng n ân g lượng, tinh chat quang va tư cua ban dan vung cấn rộng ZnS, ZnO, ZnS, ZnO: Mn,Co Cấu trúc tinh thể cuả bán dẫn vùng cấm rộng ZnS, ZnO Cấu trúc vùng lượng bán dẫn vùng cấm rộng ZnS ZnO Ảnh hưởng kim lọai chuyển tiếp Mn, C o với lớp vỏ điện từ 3d chưa lấp đầy lên cấu trúc tinh thể vùng lượng ZnS ZnO Tính chất quang ZnS ZnO Ảnh hưởng cùa Mn, Co lèn tính chất quang từ cùa ZnS ZnO III Thiết bị thực nghiệm IV Kết biện luận Xây dựng hệ chẽ tạo mẫu bột phát quang ZnS, ZnO: Mn, Co có khơng chê nhiệt độ Quy trình chế tạo bột phát quang ZnS ZnO : Mn, Co Nghiên cứu phổ phát quang, tán xạ Raman ZnS ZnO :Mn, Co Khảo sát tính chất từ cùa ZnS, ZnO: Mn, Co V K ế t l u ậ n VI Tài liệu tham khảo 13 Tính đa ngành liên ngành đề tài - Để tài liên quan đến ngành/chuyên ngành nào? Quang học Vật liệu - Tính đa/liên ngành thế nội dung trình triển khai cùa đề tài 14 Phương pháp luận phương pháp khoa học sử dụng đề tài - Chế tạo mẫu phương pháp gốm, đồng kết tủa - Dùng phương pháp phát quang, tán xạ Raman, từ nghiên cứu tính chất quang, từ mẫu chế tạo được, nhằm tạo chất phát quang màu có chấtlượng tốt, giá thành hạ từ rút quy trình chế tạo hợp chái phát quang K h ả n ă n g s d ụ n g c s v ặ t c h ấ t , t r a n g t h i ẽ t bị - Phổ kế GDM - 1000 dùng kỹ thuật lock-in Bộ môn Quang lượngtử-Khoa vật lý- Trường Đ H K H TN -Đ H Quốc gia - Phổ k ế FL - 22 nhiều thiết bị khác máy chụp ảnh SEM nhiễu xạ tia X, máy đo phổ hấp thụ cùa Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa vạt lý- Trường ĐHKHTN-ĐHQGHN 16 K n ă n g hợp tác quòc tê - Hợp tác đã/đang có (tên tổ chức vãn đẽ hợp tá c - Hợp tác có (tên tố chức va vấn đẽ hợp tác) 17 Các hoạt động nghièn cứu đề tài - Nghiên cứu !ý thuyết - Điều tra khảo sat - Xây dựng m ô hinh thừ nghiệm - Biên soạn tài liệu - Viết báo cáo khoa học - Hội thao khoa học Q I - Tập huấn □ - Các hoạt động khác c 18 Kết dự kiến 18.1 Kết khoa học - Dự kiến đóng góp đề tài : Đưa quy trình chế tạo bột phát quang màu bàng phương pháp gốm, kết tủa : ZnS : Mn, ZnS :Cu ZnO : Co - Sô' báo, báo cáo khoa học dự kiến công bố : 18.2 Kết qủa ứng dụng - Các sản phẩm cõng nghệ: Các bột phát quanơ - Kha nang ưng dụng thực tê cua kẽt quả: Dùng dụng cụ quang điện tử biển quảng cáo 18.3 Kết đào tạo ■Sô' cử nhân đào tạo khuôn khổ đề tài: 05 - Sô' thạc sĩ đào tạo khuôn khổ đề tài: 03 Sô' NCS đào tạo khuôn khổ đề tài - Đôi mới/bổ sung cho nội dung giáo trình/ chuyên đề 18.4 Kết tăng cường tiềm lực cho đơn vị - Kết bồi dưỡng cán bộ: Bổi dưỡng cán trẻ tham gia nghiên cứu khoa học - Đóng góp cho việc tăng cường trang thiết bị: + 01 nguồn ni lò nung có hiệu điện biến dổi từ đến 50 V cường độ dòng điện cực đại 50 A + 01 lò nung từ 100 uc - 1250 °c + 01 khống chế nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện platin - rỏđi + 01 hệ nạp, thổi khí trơ argon 19 Nội dung tiến độ thực đề tài Thòi gian thực Sản phẩm Khoa học Hoạt động nghiên cứu TT Từ tháng Thu thập viết tổng quan iài Đến tháng I 05/2007 08/2007 05/200-7 08 '2007 Đê cương NCKH - 0< 2C,r 03/2007 Đè cương 05 '2nũ 08 200 Đế ,ưan* Tài liệu tổng quan liệu Xây dựng đề cương nghiên cửu chi tiết - Nội dung 1: Thiết kế, lăp rap thiết bị chế tạo hợp chất phát quang màu vùng cấm rộng ZnS:Mn, ZnO: Co - - N ôi dung 2: Pha tạp kim 10 Tập huấn Q Các hoạt động khác □ 18 Kết dự kiến 18.1 Kết khoa học - Dự kien đong gop cua đê tài : Đưa quy trình chế tạo bột phát quang màu bàng phương pháp gốm, đồng kết tủa : ZnS : Mn, ZnS :Cu ZnO : Co - Số báo, báo cáo khoa học dự kiến côrw bô ■03 18.2 Kết qủa ứng dụng - Các sản phẩm công nghệ: Các bột phát quang - Kha nang ưng dụng thực tê kết quả: Dùng cácdụng cụ quang quảng c o diện tử, biển 18.3 Kết đào tạo - SỐ cử nhân đào tạo khuôn khố để tài: 05 - Số thạc sĩ đào tạo khuôn khổ đề tài: 03 Số NCS đào tạo khuôn khổ cùa đề tài - Đổi mới/bổ sung cho nội dung giáo trinh/ chuyen đề 18.4.K ết q u ả vế tăn g cường tiềm lực cho đơn vị - Kết bồi dưỡng cán bộ: Bổi dưỡng cán trẻ tham gianghiên cứu khoa học - Đóng góp cho việc tăng cường trang thiết bị: + 01 nguồn ni lò nung có hiệu điện biến đổi từ đến 50 V cường độ dòng điện cực đại 50 A + 01 lò nung từ 100 °C - 1250 °c + 01 khống chế nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện platin - rôđi +01 hệ nạp, thổi khí trơ argon 19 Nội dung tiến độ thực để tài Thời gian thưc hiên Sản phẩm Kiioa học H o ạt động nghiên cứu TT Từ tháng Thu thập viết tổng quan tài 05/2007 Đến tháng 08,2007 Tài liệu tổng quan liêu Xây dựng để cương nghiên cứu 05/2007 08,2007 Đẽ cương NCKH 05/70' r OK W Đéi_ưrrngl 05/2007 08.20" Đẽ cương chi tiết - Nội dung 1: Thiết kế, lấp ráp thiết bị chế tao hợp chất phát quang màu vùng cấm rộng ZnS:Mn, ZnO: Co - Nội dung 2: Pha tạp cac kim 10 M i loại Mn, Cu, C o với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy vào ZnS, ZnO, nghiên cứu tính chất quang, từ chúng làm sáng tỏ vai trò iơn kim loại chuyển tiếp với lớp vỏ điện từ d chưa lấp đầy Mn2+, Cu2+, Co2+ phát quang bán dẫn vùng cấm rộng Điều tra khảo sát, thí nghiệm, i thu thập số liệu 06/2007 06/2008 Xây dựng hệ chế tạo hợp chất phát quang màu Nội dung 12/2007 1/2008 06/2008 06/2007 06/2008 Kết đo khảo sát Viết báo cáo chuyên để 07/2008 10/2008 Báo cáo khoa học Nội dung 07/2008 10/2008 Báo cáo khoa học Nội dung 07/2008 10/2008 Báo cáo khoa hoc Hội thảo kỳ 10/2008 12/2008 Seminar khoa học 12/2008 01/2009 Seminar khoa học Tổng kết số liệu 11/2008 01/2009 Bản tổng kết sơ Viết báo cáo tổng hợp 01/2009 02/2009 Dự thảo báo cáo để tài Hội thảo lần cuối 02/2009 03/2009 Seminar khoa học Hoàn thiện báo cáo 03/2009 04/2009 Nội dung Xử lý kết Í Hệ chế tạo chất phát 06/2007 Bổ sung số liệu- thử nghiệm-ứng quang Các mẫu phát quang màu dụng Báo cáo để tài Hệ chế tạo hợp chất phát quang màu + Báo Nộp sản phẩm 04/2009 05/2009 cáo khoa học + Báo cáo để tài + Các mẫu phat quane Nghiệm thu đẻ tài 04/2009 05/2009 I Phản bổ kinh phí Kinh phí Nói dung TT Năm thứ ĩ Năm thứ Xây dựng đề cương chi tiết 300 000 Thu thập viết tổng quan tài liệu 500 000 Thu thập tư liệu (mua,thuê) 250 000 250 000 15 500 000 15 500 000 500 000 500 000 Chi phí thuê mướn 10 000 000 10 000 000 Chi phí hoạt động chuyên môn Thuê, mua sắm trang thiết bị, nguyên vật liệu 000 000 000 000 10 000 000 10 000 000 Thuê trang thiết bị 0 Mua trang thiết bị 000 000 Mua nguyên vật liệu, cây, 000 000 10 000 000 Viết báo cáo khoa học, nghiệm thu 200 000 800 000 Dịch tài liệu tham khảo(số trang X đơn giá) Viết tổng quan tư liệu Điều tra ,khảo sát ,thí nghiệm, thu thập sỏ' liệu, nghiên cứu Chi phí tàu xe, cơng tác phí 500 000 500 000 Hội tháo Nghiệm thu 200 000 800 000 500 000 500 000 Chi khác 500 000 700 000 Mua vãn phòng phẩm 100 000 200 000 In ấn Photocopy 200 000 300 000 200 000 200 000 Ị -30 000 000 ! 30 000 000 Viết báo cáo Quản lý phí+ điện nước Tổng kinh phí Tài liệu tiếng Việt Tài liệu tiếng Nga, tiêng Anh E o / i õ o i u e H K o B ^ B a B i M O B B C O T n K ) 191-193 B C B a B i M O B B y3oaH M - b e H , 26 (1984) 1457-1462 B M raBpn.neHKO.A.M I pexoB,aniiLiec!ie creũcrea nonynpoBonHMKGB , (1987) 429-439 cc B.FanoHeHKO B rănoHeHKO B B.n rpuÕKOBCKiuì loK.ia.ibi loK ia.ibi AKdjeM.i: Axd4eMHii .n rpuÕKOBCKinìSaHHUBa X a -H e ^Ọ V ắ e Keizo M orim oto.i.A ppl physis 6-KlỹSS) W I H ! 1-35 H 3Ỵ K BCLP 28(1984) K.M Lee Le Si Dang and G.D.Watkins,Solid State Communication 35( 1980) 527- 530 Yong-Sik lim, Seok-Chan Yoon, Applied physics letters, 82(2003) 2446-2448 o.v.V akulenko,V M K ravchenko, Functional Materials, 11 (2004) 90-94 10.T.Ido, M Kato, A Yoshida and Ieda, J.Phys.D: Appl Phys, 11(1978) L5-L7 11 A.J.Szadkowaski, A.Lubomirska-W ittlin, Acta physics polonica, A77(1990) 163-165 12.E.M W ray and J.W Allen, Solid state p h v s, ; 19"71) 512-519 13.5.Kishida, K.M atshura, H.Mori, T.Yanagawa, physics solid state A, 106(1988) 283-289 14 B.A Orlowski Phys State Sol (b) 95 (1979) 31 - 35 15 J Diouri J.p Lascaray Phys Review B vol 31 N_° 12(1985) 7995 - 8000 16 M El Amrani, J.p Lascaray and J Diouri: Solid State Commun Vol 45 N n 4(1983) 351 - 353 17 M.p Vecchi, w Giriat and L Videla: Appl Phys Lett 38 (2) (1981) 99 - 101 18 c Falcony J Appl Phys: 72 (4) (1992 ) 1525 - 1527 19.E.M W ray and J.w A llen, Solid state p h y s, (1971) 512-519 20.5.K ishida, K.M atshura, H.Mori, T.Yanagawa, physics solid state A, 106(1988) 283-289 21 Lew Yan Woon, L c Q, Xiong, N a n o Lett 4(2004), pp 1991-1996 22.T zo n g -Y o w T s a i, M ilto n B irn b o u m , J o u r n a l o f A p p lie d P h ysic s, ^7(2000), pp -2 23 B B h attach arjee, D Ganguli, B u ll M ater Sci, (2002), pp 175 - 180 Ngày 14 tháng 05 năm 2007 CHÚ TRI ĐẾ TAI TS PH Ạ M VĂN BỂN N g y /Ế th án g n ăm 200'’ THỦ TRƯỚNG ĐƠN VI Ngày { b tháng s- năin 2007 p CHÙ NHIỆM KHOA PG S.TS.NGU YÊN T H Ê BÍNH N s v ^ t h n a năm 2(,0"’ PHẼ D IY Ẽ T (T A ĐHQGHN MUtKHKUHm (Jl