Để nghiờn cứu tớnh chất quang của vật liệu, chỳng tụi tiến hành đo phổ huỳnh quang và phổ kớch thớch huỳnh quang. Phổ huỳnh quang và phổ kớch thớch huỳnh quang của bột ZnO:Cu (3 %) ủ ở nhiệt độ 600 oC trong thời gian 1 giờ được thể hiện trờn hỡnh 3.9.
Trờn phổ PL hỡnh 3.9 của bột ZnO:Cu được kớch thớch bởi bước súng 280 nm của đốn Xe. Kết quả nhận được cho thấy một dải phỏt xạ xanh lục rộng từ 420 - 700 nm cú đỉnh ở bước súng 525 nm. Đỉnh phỏt xạ xanh lục cú nguồn gốc liờn quan đến cỏc chuyển mức phỏt xạ của ion Cu2+ trong mạng nền ZnO [4], [7]. Đo phổ kớch thớch huỳnh quang (PLE) ở đỉnh phỏt xạ 525nm cho thấy đỉnh hấp thụ kớch thớch mạnh ở bước súng 378 nm, hấp thụ kớch thớch này là do hấp thụ trong vựng cấm của ZnO (thụng thường ở 380nm). Việc đỉnh hấp thụ kớch thớch dịch xanh cú thể là do hiệu ứng kớch thước hoặc do tương tỏc của ion Cu2+
trong mạng nền ZnO gõy ra. Ngoài đỉnh hấp thụ kớch thớch gần bờ vựng của ZnO, chỳng tụi cũn quan sỏt được đỉnh hấp thụ kớch thớch nhỏ hơn ở bước súng 365 nm và một vựng hấp thụ kớch thớch mạnh dưới 270 nm.
Để khảo sỏt nhiệt độ ủ đến tớnh chất quang của vật liệu, chỳng tụi giữ nồng độ tạp 3 % và ủ ở cỏc nhiệt độ từ 600 - 1200 oC. Kết quả khảo sỏt được thể hiện trờn hỡnh 3.10.
Hỡnh 3.10. Phổ huỳnh quang của bột ZnO:Cu (3 %) ủ ở nhiệt độ 600 - 1200 o C 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 1200o C 1000oC 600oC ZnO:Cu (3%) B-ớc sóng (nm) C-ờng độ (đvty.) 800oC
Trờn phổ PL hỡnh 3.10 cho thấy ở nhiệt độ ủ 600 oC chỉ quan sỏt được duy nhất đỉnh phỏt xạ do tạp ion Cu2+
gõy ra ở bước súng 525 nm. Khi nhiệt độ ủ ở 800 oC quan sỏt thấy ngoài đỉnh phỏt xạ 525 nm cũn cú phỏt xạ bờ vựng ở bước súng ~ 381 nm và một vựng phỏt xạ mở rộng từ 650 - 850 nm. Vựng phỏt xạ được mở rộng trong vựng ỏnh sỏng đỏ cú thể cú nguồn gốc từ cỏc phỏt xạ ở trạng thỏi ion húa của cỏc nỳt khuyết oxy gõy ra. Tuy nhiờn, khi ủ ở nhiệt độ cao hơn 1000, 1200 oC cường độ phỏt xạ của mẫu giảm mạnh và khụng quan sỏt được cỏc phỏt xạ bờ vựng của ZnO.
Hỡnh 3.11. Phổ huỳnh quang sử dụng phần mềm ColorCalculator và giản đồ CIE của mẫu bột ZnO:Cu 3 % ủ ở 800 o
Sử dụng phần mềm ColorCalculator để vẽ lại phổ PL và tớnh toỏn trờn CIE cho thấy mẫu bột ZnO:Cu 3 % ủ ở 800 oC trong thời gian 1 giờ cho hệ số trả màu 57.
Để nghiờn cứu ảnh hưởng của nồng độ tạp chất tới tớnh chất quang của vật liệu, chỳng tụi lựa chọn nhiệt độ ủ 800 oC và thay đổi nồng độ tạp chất từ 1 - 7 %. Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến tớnh chất quang của vật liệu được thể hiện trờn hỡnh 3.12.
Hỡnh 3.12. Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào nồng pha tạp của bột ZnO:Cu ủ ở 800 oC trong thời gian 1 giờ
Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến tớnh chất quang của vật liệu cho thấy bột huỳnh quang ZnO:Cu cho hiệu suất phỏt xạ màu xanh lục mạnh nhất ở nồng độ pha tạp 3 % ở nhiệt độ ủ 800 oC trong thời gian 1 giờ.
Như vậy đối với bột huỳnh quang ZnO:Cu sau khi khảo sỏt cỏc điều kiện cụng nghệ chế tạo cho thấy bột cho phỏt xạ xanh lục đặc trưng cho tạp chất Cu trong mạng nền ZnO với kớch thước đạt được cỡ vài micromet và nồng độ tạp chất là 3 % ủ ở nhiệt độ 800 oC trong thời gian 1 giờ. Cỏc kết quả thu được cho thấy với loại bột huỳnh quang này cú khả năng ứng dụng trong chế tạo cỏc điốt phỏt quang được kớch thớch bởi cỏc chip LED tử ngoại gần (NUV) ở bước súng kớch thớch 360 hoặc 380 nm.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Chỳng tụi, đó chế tạo thành cụng bột huỳnh quang ZnO pha tạp Mn và Cu bằng phương phỏp đồng kết tủa và khuếch tỏn nhiệt trong mụi trường khụng khớ.
Cỏc mẫu bột ZnO:Mn, ZnO:Cu đều cho pha tinh thể lục giỏc, hỡnh thỏi bề mặt cỏc hạt bột rừ ràng với kớch thước trung bỡnh cỡ vài trăm cho đến vài micromet. Về tớnh chất quang của hai mẫu ZnO:Mn và ZnO:Cu được thể hiện như sau:
i) Đối với bột huỳnh quang ZnO:Mn cho phỏt xạ một vựng ỏnh sỏng rộng trong vựng nhỡn thấy từ 400 - 950 nm. Với nồng độ tạp Mn 3 % ủ ở 600oC trong thời gian 1 giờ cho phỏt xạ màu ỏnh sỏng trắng ấm với nhiệt độ màu CCT ~ 3772K và hệ số trả màu khỏ cao CRI ~ 77.
ii) Đối với bột huỳnh quang ZnO:Cu, phổ huỳnh quang thu đƣợc là phỏt xạ mạnh trong vựng xanh lục từ 450 - 650 nm cú đỉnh ở bƣớc súng 525 nm. Với nồng độ tạp Cu 3 % và ủ ở nhiệt độ 800 oC cho phỏt xạ dải rộng từ 450 đến 850 nm.
Cỏc kết quả nhận được này cho thấy khả năng ứng dụng bột huỳnh quang ZnO pha tạp Mn, Cu trong chế tạo điốt phỏt quang ỏnh sỏng trắng hoặc xanh lục kớch thớch bởi cỏc chip LED tử ngoại gần với chi phớ sản xuất thấp.
DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH Cể LIấN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
1. Lờ Thị Thỳy, Đỗ Quang Trung, Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Văn Du,
Nguyễn Văn Đăng, Nguyễn Duy Hựng, Nguyễn Trớ Tuấn, Phạm Thành Huy,
“NGHIấN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA BỘT HUỲNH QUANG ZnO PHA TẠP Mn BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG KẾT TỦA KẾT HỢP VỚI KHUẾCH TÁN NHIỆT”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc lần thứ 10 (SPMS 2017), Tr 617 - 622, ISBN: 978 - 604 - 95 - 0326 - 9 (2017).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. A. Dhanalakshmi, S. Thanikaikarasan, B. Natarajan, “Influence of Mn dopant concentration on film thickness, structural, morphological, compositional and optical properties of zinc oxide thin films”, J Mater Sci: Mater Electron 28: 11576 (2017).
2. A. Jagannatha Reddy, M.K. Kokila, H. Nagabhushana, J.L. Rao, B.M. Nagabhushana, C. Shivakumara f, R.P.S. Chakradhar, EPR and photoluminescence studies of ZnO:Mn nanophosphors prepared by solution combustion route, Spectrochimica Acta Part A 79 (2011) 476 - 480.
3. B. Sundarakannan, M. Kottaisamy, Synthesis of blue light excitable white light emitting ZnO for luminescent converted light emitting diodes (LUCOLEDs), Materials Letters 165, pp.153 - 155 (2016).
4. Bharti Choudhary, Santa Chawla, K. Jayanthi, K.N. Sood, Sukhvir Singh, Synthesis and surface modification of ZnO:Cu nanoparticles by silica and PMMA, Current Applied Physics 10, PP. 807 - 812 (2010). 5. Chen, Zhi-Gang; Li, Feng; Liu, Gang; Tang, Yongbin; Cong, Hongtao;
Lu, Gao Qing; Cheng, Hui-Ming, Preparation of High Purity ZnO Nanobelts by Thermal Evaporation of ZnS, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 6, 3, pp. 704 - 707(4) (2006).
6. Chin Boon Ong, Law Yong Ng, Abdul Wahab Mohammad, A review of ZnO nanoparticles as solar photocatalysts: Synthesis, mechanisms and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81, 1, pp. 536 - 551, (2018).
7. F.M. Li, C.T. Zhu, S.Y. Ma n, A.M. Sun, H.S. Song, X.B. Li, X. Wang, Investigation of the blue-green emission and UV photosensitivity of Cu- doped ZnO films, Materials Science in Semiconductor Processing 16, PP. 1079 - 1085 (2013).
8. H.V.S. Pessoni, L.J.Q Maia, A. Franco Jr, Eu-doped ZnO nanoparticles prepared by the combustion reaction method: Structural, photoluminescence and dielectric characterization, 30, pp.135 - 141 (2015).
9. K. Omri, J. E. Ghoul, O.M. Lemine, M. Bououdina, B. Zhang, L. E. Mir, Magnetic and optical properties of manganese doped ZnO nanoparticles synthesized by sol-gel technique, Superlattices and Microstructures 60, pp. 139 - 147 (2013).
10. L. J. Hernỏndeza, O. E. Hernỏndez, M.P. Hernỏndez, J.A. Dớaz, M.F. Farớasc, E. Reguera, On the state of Mn in MnxZn1−xO nanoparticles and their surface modification with isonipecotic acid, Journal of Solid State Chemistry 247, pp.43 - 52 (2017).
11. L.J. Brillson, W.T. Ruane, H. Gao, Y. Zhang, J. Luo, H. von Wenckstern, M. Grundmann, Spatially-resolved cathodoluminescence spectroscopy of ZnO defects, Materials Science in Semiconductor Processing 57, pp.197 - 209 (2017).
12. M. D. McCluskey and S. J. Jokela, Defects in ZnO, J. Appl. Phys. 106, 071101 (2009).
13. M. Kakazey, M. Vlasova, E. A. Juarez-Arellano, T. Torchynska and V. A. Basiuk, Defect states and morphological evolution in mechanically processed ZnO + xC nanosystems as studied by EPR and photoluminescence spectroscopy, RSC Adv., 6, pp. 58709-58722 (2016) 14. P. Kumar, B. K. Singh, B. N. Pal, P. C. Pandey, Correlation between
structural, optical and magnetic properties of Mn-doped ZnO, Appl. Phys. A 122: 740 (2016).
15. R. Viswanatha, S. Chakraborty, S. Basu, and D. D. Sarma, Blue- Emitting Copper-Doped Zinc Oxide Nanocrystals, J. Phys. Chem. B, 110, pp.22310 - 22312 (2006).
16. S. Anantachaisilp, S. M. Smith, Cuong T. T, S. Pornsuwan, A. R. Moon, C. Nenstiel, A. Hoffmann, M. R. Phillips, Nature of red luminescence in oxygen treated hydrothermally grown zinc oxide nanorods, Journal of Luminescence 168, pp.20 - 25 (2015).
17. Sharda, K. Jayanthi, Santa Chawla, Synthesis of Mn doped ZnO nanoparticles with biocompatible capping, Applied Surface Science 256, pp.2630 - 2635 (2010).
18. T.L. Phan, S. C. Yu, R. Vincent, H. M. Bui, T. D. Thanh, V. D. Lam, and Y. P. Lee, Influence of Mn doping on structural, optical, and magnetic properties of Zn1 - xMnxOZn1 - xMnxO nanorods, J. Appl. Phys. 108, 044910 (2010).
19. ĩ. ệzgỹr, Y. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Doğan, V. Avrutin, S. J. Cho, and H. Morkoỗ, A comprehensive review of ZnO materials and devices, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005).
20. Y. H. Tong, F. Cao, J. T. Yang, P. S. Tang, M. H. Xu, Intra - manganese luminescence in ZnO:Mn2+ nanorods prepared by a simple thermal evaporation process, Materials Letters 94, pp.124 - 127 (2013).