Chế tạo vật liệu phát quang màu red và green trong white led

Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ - - NGUYỄN THỊ HỒNG NHUNG Chế tạo vật liệu phát quang màu red green white LED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SƯ PHẠM VẬT LÝ GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý Em xin gởi lời cảm ơn đến thầy cô giáo khoa Vật Lý Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Cường, người trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ bảo để em hồn thành đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè quan tâm động viên tôi, đặc biệt bạn nhóm giúp đỡ chia kinh nghiệm trình học tập thực khóa luận GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý MỞ ĐẦU Ngày nay, với việc sản xuất khoảng tỉ LED năm đèn LED vào sống cách rộng rãi, thay cho thết bị chiếu sáng ngự trị lâu như: bóng đèn sợi đốt… Khơng phải ngẫu nhiên mà có thay đổi lớn này, với ưu điểm vượt trội LED như: tiết kiệm điện năng, hiệu suất phát ánh sáng tốt nhất, tuổi thọ cao, tỏa nhiệt so với thết bị chiếu sáng thông thường đèn LED trở thành thiết bị chiếu sáng cho sống đại Đèn LED đời từ năm 60 kỷ trước, ứng dụng nhiều để hiển thị thời gian đồng hồ báo thức hay dung lượng pin máy ghi hình thơng qua ánh sáng đỏ, xanh cây, vàng….nhưng chưa có ánh sáng trắng.Vào năm 1993, Nhật Bản phát minh nguyên lý trộn màu ánh sáng trắng Ánh sáng trắng tạo dựa nguyên lý trộn ba màu: đỏ, xanh lục, xanh lam (RGB) Thông thường, chíp LED loại xanh lam, người ta phủ lớp chất phát quang lên bề mặt chíp gọi lớp chuyển đổi Khi chíp LED hoạt động, ánh sáng xanh phát kích thích nguyên tử chất phát quang phát ánh sáng đỏ xanh lục, kết hợp ba màu với cường độ tương thích tạo ánh sáng trắng Là sinh viên khoa Vật Lý, với điều kiện phịng thí nghiệm chun đề trường GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý Đại học Sư Phạm Đà Nẵng, em mong muốn tìm hiểu cách chế tạo vật liệu phát quang màu đỏ (red) màu xanh lục (green) sử dụng việc chế tạo LED trắng Trên tảng đó, em chọn đề tài “ Chế tạo vật liệu phát quang màu red green white LED ” Với lý mục đích đặt tìm hiểu lý thuyết cấu tạo, hoạt động đèn LED nguyên lý trộn màu đèn LED trắng; đồng thời,tìm hiểu kỹ lý thuyết vật liệu phát quang tính chất phát quang số vật liệu, khả ứng dụng để chế tạo LED trắng Với mục đích xác định tiến hành nghiên cứu vật liệu (Mg,Ba)SiO3 (Sr,Mg)Al2O4 khảo sát phạm vi phổ phát quang vật liệu Nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết vật liệu phát quang nguyên lý chế tạo đèn LED trắng.Với phương pháp chế tạo mẫu đo phổ phát quang phịng thí nghiệm chuyên đề trường ĐH Sư Phạm Đà Nẵng Luận văn có số đóng góp sau: Nghiên cứu đưa số kết luận loại vật liệu Khảo sát phổ phát quang hệ đo phịng thí nghiệm vật lý chun đề trường ĐH Sư Phạm Đà Nẵng Đưa khả ứng dụng vật liệu nghiên cứu Vật liệu đồng thời phát quang hai màu xanh đỏ theo mục đích xác định GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý MỤC LỤC MỞ ĐẦU PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG 1.1 Chất phát quang tượng phát quang 1.1.1 Chất phát quang 1.1.2 Hiện tượng phát quang CHƯƠNG II: SỰ PHÁT QUANG CỦA PHOSPHOR TINH THỂ 2.1 Hiện tượng phát quang phosphor tinh thể 2.2 Thành phần cấu trúc phosphor tinh thể 2.2.1.Thành phần phosphor tinh thể 2.2.2.Cấu trúc phosphor tinh thể 2.3.Đặc điểm phosphor tinh thể GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 2.4.Những sở thuyết vùng để giải thích phát quang phosphor tinh thể 2.5.Phổ xạ phosphor tinh thể có chất kiềm thổ 2.5.Sự dập tắt phát quang CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 3.1 Sơ lược ion kim loại chuyển tiếp 3.1.1 Lý thuyết ion Mn2+ 3.1.2 Lý thuyết ion Mn4+ CHƯƠNG IV:GIỚI THIỆU VỀ ĐÈN LED 4.1 Lịch sử đèn LED: 4.2.Cấu tạo đèn LED: 4.3.Nguyên tắc hoạt động : 4.4.Ưu điểm đèn LED: 4.5.Ứng dụng đèn LED: 4.5.1.LED ứng dụng tivi ,đèn quảng cáo: 4.5.2.LED ứng dụng thiết bị chiếu sáng: 4.5.3.LED ứng dụng lĩnh vực điện tử viễn thông: 4.6.Nguyên tắc chế tạo đèn LED trắng : PHẦN B: THỰC NGHIỆM Chế tạo mẫu Kết thảo luận Kết luận GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý PHẦN A:CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG 1.1 Hiện tượng phát quang chất phát quang: 1.1.1 Chất phát quang: Chất phát quang chất có khả hấp thụ lượng kích thích để đưa phân tử, nguyên tử từ trạng thái lên trạng thái kích thích, từ trạng thái kích thích trở trạng thái xạ ánh sáng Bức xạ nằm từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại, thông thường nằm vùng ánh sáng khả kiến Các chất có khả biến dạng lượng khác (quang năng, điện năng, nhiệt năng…) thành quang gọi chất phát quang Khơng phải chất phát quang Một vật liệu phát quang gồm có: mạng chủ tâm kích hoạt, xạ kích thích bị hấp thụ tâm kích hoạt đưa lên trạng thái kích thích, từ trạng thái kích thích trở trạng thái phát xạ Hoặc hấp thụ ion khác ion tăng nhạy hay GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý mạng chủ xảy trình truyền lượng đến ion kích hoạt kích thích ion xạ quang học 1.1.2 Hiện tượng phát quang: Hiện tượng phát quang xạ quang học chất phát quang sau kích thích (khơng phải đốt nóng thơng thường) Bước sóng xạ quang học tượng phát quang không phụ thuộc vào xạ kích thích mà phụ thuộc vào chất vật liệu Sự phát quang kích thích nhiều loại lượng nằm vùng quang học, khoảng từ xạ tử ngoại đến xạ hồng ngoại Khi chất phát quang nhận lượng kích thích xạ ánh sáng đồng thời phát xạ khác xạ nhiệt, ánh sáng phản xạ khuếch tán chiếu vật nguồn sáng bên ngoài… Các loại xạ nằm vùng quang học xạ phát quang Vì vậy, việc nhận xạ phát quang gặp nhiều khó khăn Vavilơp đưa định nghĩa để phân biệt xạ phát quang xạ khác: “Hiện tượng phát quang tượng chất phát quang phát xạ dư xạ nhiệt trường hợp mà xạ cịn dư kéo dài khoảng thời gian 10 -16(s) lớn hơn” Sự phát quang chất cịn tiếp tục kéo dài khoảng thời gian sau ngừng kích thích, khoảng thời gian gọi thời gian phát quang dư hay thời gian phát quang Nếu nhiệt độ phòng mà vật xạ ánh sáng thấy nguồn gốc xạ xạ nhiệt Mặt khác, ánh sáng phản xạ hay khuếch tán hoàn toàn tắt sau thơi kích thích, trái lại phát quang kéo dài sau tắt ánh sáng kích thích tối thiểu 10 -16(s) GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý CHƯƠNG II: SỰ PHÁT QUANG CỦA PHOSPHOR TINH THỂ 2.1 Hiện tượng phát quang phosphor tinh thể: Năm 1602 người thợ giày người Ý tình cờ phát vật liệu phát quang nung loại đá Nhưng lúc giờ, tượng phát quang chưa quan tâm Năm 1669 Brand thức phát phát quang thơng qua ngun tố photpho Bề ngồi phát quang nguyên tố photpho loại đá giống nhau, chất khác Đến năm 1839-1882 ,Becquerel nghiên cứu sâu tượng lân quang Và Becquerel chế tạo máy lân quang nghiệm đầu tiên, máy dùng để xác định thời gian kéo dài xạ quang học tượng phát quang Đồng thời Becquerel nghiên cứu định luật tắt dần nhiều loại phosphor tinh thể đưa số biểu thức tốn học để mơ tả diễn biến q trình GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý phát quang Thế Becquerel chưa thể điều chế loại phosphor tinh thể nghiên cứu chưa xác định thành phần làm phát quang Năm 1886-1888 Verneil phân tích thành phần phosphor tinh thể phát chất cịn có kim loại Cu, Bi, Mn…Phát tạo bước đột phá việc chế tạo chất phát quang.Từ đó, Verneil kết luận vật liệu phát quang phải bao gồm hai thành phần: chất chất kích hoạt Tiếp đến năm 1888-1920 Lenard cộng nghiên cứu hoàn chỉnh kỹ thuật điều chế tính chất phát quang nhiều loại chất phát quang Ông phát thêm vào chất chảy cường độ phát quang tăng lên Đến năm 1932, Atônôp Rômanôski Lơpsin bắt đầu nghiên cứu hệ thống động học phát quang phosphor tinh thể Lý thuyết Atônôp Rômanôski , Clêmen, Curdrepsêva, Môckvin, Lơpsin trở thành tảng cho lý thuyết đại phát quang phosphor tinh thể 2.2 Thành phần cấu trúc phosphor tinh thể: 2.2.1 Thành phần phosphor tinh thể: Phosphor tinh thể chất vơ tổng hợp phức tạp, có khuyết tật mạng tinh thể, có khả phát quang sau kích thích Thành phần phosphor tinh thể:  Chất hợp chất sunfua kim loại nhóm 2:CaS, SrS, ZnS CdS, hợp chất xêlênua oxit kim loại  Chất kích hoạt ion kim loại nặng (tùy chất mà lựa chọn kim loại kích hoạt cho phù hợp) Trong chất có có đến hai chất kích hoạt (gọi đồng kích hoạt)  Chất chảy : LiCl, NaCl, KCl, H3BO3…… 2.2.2 Cấu trúc phosphor tinh thể: GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 10 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Khi nung mơi trường yếm khí phổ phát quang nằm vùng bước sóng màu đỏ có cường độ vượt trội so với nung môi trường không khí 14000 C- êng ®é (count.) 12000 (Sr,Mg)Al 2O4 (0,75:0,05:1,2) m«i tr- êng yÕm khÝ m«i tr- êng kh«ng khÝ 10000 8000 6000 4000 2000 500 550 600 650 700 B- í c sãng (nm) Hình 4:Phổ phát quang (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,75 :0,05 :1,2) : 0,7% Mn nung mơi trường khơng khí yếm khí -Dạng phổ phát quang vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,75 :0,05 :1,2) : 0,7% Mn nằm có đỉnh nằm chủ yếu bước sóng 643 nm, 652 nm, 658 nm, 667 nm -Khi nung môi trường yếm khí phổ phát quang nằm vùng màu đỏ có cường độ cao so với nung mơi trường khơng khí GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 31 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung 750 Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Phổ phát quang vật liệu xuất hiệu ứng bước sóng 658 nm cao 20000 (Sr,Mg)Al 2O4 (0,7:0,1:1,2) m«i tr- êng yÕm khÝ m«i tr- êng kh«ng khÝ 18000 16000 C- êng ®é (count.) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 500 550 600 650 700 B- í c sãng (nm) Hình :Phổ phát quang (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,7 :0,1 :1,2) : 0,7%Mn nung mơi trường khơng khí yếm khí - Dạng phổ phát quang vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,7 :0,1 :1,2) : 0,7% Mn nằm chủ yếu đỉnh 643 nm, 658 nm, 667 nm - Khi nung mơi trường yếm khí phổ phát quang vùng bước sóng màu đỏ có cường độ cao so với nung mơi trường khơng khí GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 32 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung 750 Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý -Phổ phát quang vật liệu xuất hiệu ứng bước sóng 658 nm cao (Sr,Mg)Al 2O4 (0,4:0,4:1,2) m«i tr- êng yÕm khÝ m«i tr- ờng không khí 10000 9000 C- ờng độ (count.) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 500 550 600 650 700 B- í c sãng(nm) Hình :Phổ phát quang vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 (0,4:0,4:1,2) 0,7% Mn nung mơi trường khơng khí yếm khí - Dạng phổ phát quang vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,4 :0,4 :1,2) : 0,7% Mn xuất đỉnh bước sóng 517 nm, 643 nm, 658nm, 677nm nung mơi trường khơng khí xuất đỉnh 517nm, 545nm, 677 nm, 692 nm nung môi trường yếm khí - Phổ phát quang có đỉnh với bước sóng vùng phổ màu đỏ màu xanh GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 33 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung 750 Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Khi nung mơi trường yếm khí bước sóng vùng phổ màu xanh có cường độ tăng lên cịn bước sóng vùng phổ màu đỏ có cường độ giảm xuống 20000 (Sr,Mg)Al 2O4( 0,0:0,8:1,2) m«i tr- êng kh«ng khí môi tr- ờng yếm khí 18000 C- ờng độ (count.) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 500 550 600 650 700 B- í c sãng(nm) Hình :Phổ phát quang (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,0 :0,8 :1,2) : 0,7%Mn nung mơi trường khơng khí yếm khí - Dạng phổ phát quang vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,0 :0,8 :1,2) : 0,7% Mn có đỉnh nằm bước sóng 517nm ,677 nm, 686 nm ,692 nm GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 34 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung 750 Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Đối với vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 khơng có ion Sr xuất phổ bước sóng vùng màu xanh màu đỏ Khi nung môi trường yếm khí cường độ phát quang vùng bước sóng màu xanh màu đỏ dều tăng lên C- ờng độ(count.) (Sr,Mg)Al 2O4 (0,05:0,75:1,2) môi tr- ờng yếm khí m«i tr- êng kh«ng khÝ 10000 500 600 700 B- í c sãng (nm) Hình :Phổ phát quang (Sr,Mg)Al2 O4 tỉ lệ (0,05 :0,75 :1,2) : 0,7% Mn nung mơi trường khơng khí yếm khí GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 35 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Dạng phổ phát quang vật liệu (Sr,Mg)Al2O4 tỉ lệ (0,05 :0,75 :1,2) : 0,7% Mn có đỉnh phổ nằm bước sóng 517 nm, 677 nm, 686 nm, 692 nm -Khi nung mơi trường yếm khí cường độ phổ phát quang có bước sóng nằm vùng màu đỏ giảm xuống cịn vùng bước sóng màu xanh tăng lên GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường 36 SVTH:Nguyễn Thị Hồng Nhung ... Khoa Vật Lý Đại học Sư Phạm Đà Nẵng, em mong muốn tìm hiểu cách chế tạo vật liệu phát quang màu đỏ (red) màu xanh lục (green) sử dụng việc chế tạo LED trắng Trên tảng đó, em chọn đề tài “ Chế tạo. .. tạo vật liệu phát quang màu red green white LED ” Với lý mục đích đặt tìm hiểu lý thuyết cấu tạo, hoạt động đèn LED nguyên lý trộn màu đèn LED trắng; đồng thời,tìm hiểu kỹ lý thuyết vật liệu phát. .. phát quang tính chất phát quang số vật liệu, khả ứng dụng để chế tạo LED trắng Với mục đích xác định tiến hành nghiên cứu vật liệu (Mg,Ba)SiO3 (Sr,Mg)Al2O4 khảo sát phạm vi phổ phát quang vật liệu