5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
1.2.2. Bột huỳnh quang trong chiếu sáng rắn
Điốt phát ánh sáng trắng (WLED) dựa trên bột huỳnh quang là thế hệ nguồn sáng thứ tư, nhờ lợi thế về tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ lâu dài, kích thước nhỏ, không có thủy ngân và là nguồn phát ánh sáng rắn.
Ánh sáng do mặt trời tạo ra còn gọi là ánh sáng trắng, bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Trong đó, mắt người có thể nhìn thấy các ánh sáng có bước sóng từ 380 - 760nm. Hình 1.9 mô tả các loại bức xạ đo được từ ánh sáng mặt trời.
Hình 1.9: Các loại bức xạ đo được từ ánh sáng mặt trời
Để tạo ra ánh sáng trắng, ta có thể tổ hợp các bột huỳnh quang đỏ, lục, lam theo một tỷ lệ nhất định.
Bột huỳnh quang sử dụng trong chiếu sáng rắn được chế tạo có sự hoạt hóa của các ion đất hiếm phát xạ ra ba màu cơ bản: đỏ, lục, lam nhằm tạo ra ánh sáng trắng. Các ion đất hiếm phát xạ và hấp thụ ở dải sóng hẹp, thời gian sống ở các trạng thái giả bền cao, các chuyển mức phát xạ ra photon có bước sóng thích hợp trong phát quang do lớp 4f có độ định xứ cao nằm gần lõi hạt nhân nguyên tử.
Tương tác tĩnh điện giữa ion đất hiếm và mạng nền chiếm ưu thế trong vật liệu thủy tinh, do vậy các mức năng lượng của ion đất hiếm bị tách theo hiệu ứng Stack. Khi các ion đất hiếm ở trong trường tinh thể, sẽ xuất hiện hiện tượng tách mức năng lượng. Nguyên nhân của sự tách năng lượng: Thứ nhất, do lực nguyên tử: các nguyên tử ở gần nhau sẽ có tương tác với nhau và dẫn đến tách mức. Khi pha các nguyên tố đất hiếm vào một mạng nền nào đó, có sự tương tác của trường vật liệu nền với các ion đất hiếm, làm cho hàm sóng của các ion này bị nhiễu loạn và cũng gây ra sự tách mức do trường vật liệu nền, đó là nguyên nhân thứ hai. Và cuối cùng, là do tương tác spin: lớp vỏ 4f của ion đất hiếm chưa điền đầy nên đã dẫn đến sự hình thành các mức năng lượng khác nhau do tương tác spin - spin và spin - quỹ đạo.
Vật liệu M2Si5N8: Eu2+ (M = Ca, Sr, Ba) phát quang ánh sáng đỏ ứng dụng trong các loại đèn LED. M2Si5N8: Eu2+ (M = Ca, Sr) có vùng phát xạ từ cam đến đỏ (600 - 680nm) tùy thuộc vào kim loại M và nồng độ Eu2+. Ba2Si5N8: Eu2+ phát xạ trong vùng vàng đến đỏ với cực đại từ 580 - 680nm. Ion Eu2+ đóng vai trò chủ yếu trong sự phát xạ của vật liệu. Sự phát xạ được giải thích là do ảnh hưởng của trường tinh thể do mạng nền lên ion Eu2+.
Vật liệu CaAlSiN3: Eu2+ phát quang ánh sáng đỏ. Vật liệu CaAlSiN3: Eu2+ hấp thụ tốt nhất ánh sáng xanh (~460nm), vùng hấp thụ này phù hợp với ánh sáng xanh của LED InGaN và phát xạ màu đỏ ở bước sóng 649nm. Vật liệu CaAlSiN3: Eu2+ phát quang ánh sáng đỏ tốt được ứng dụng trong công nghệ
chiếu sáng và màn hình laser hiện nay.
Vật liệu MSiN2: Eu2+ (M = Ca, Ba,…) là vật liệu huỳnh quang đất hiếm phát ra ánh sáng đỏ, có hiệu suất hấp thụ cao ở vùng màu xanh. Eu2+ pha tạp vào mạng nền MSiN2 (M = Ca, Ba) đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. BaSiN2: Eu2+ phát xạ ở 600 - 630nm. Phổ phát xạ của vật liệu phụ thuộc vào nồng độ ion Eu2+.
Tuy nhiên, những bột huỳnh quang có chứa ion đất hiếm luôn tạo ra những vật liệu có giá thành cao và gây ô nhiễm môi trường sau thời gian dài sử dụng. Vậy nên, hiện nay hướng nghiên cứu của các nhà khoa học là chế tạo bột huỳnh quang có chứa các ion kim loại chuyển tiếp có lớp d chưa đầy để giảm giá thành sản phẩm và góp phần bảo vệ môi trường.