BÁO CÁO "KHẢO SÁT SỰ PHÁT QUANG TỰ PHÁT VÀ PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC CỦA NHÓM VẬT LIỆU PHÁT QUANG SỬ DỤNG TRONG VIỆC CHẾ TẠO LED TRẮNG " doc

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012
1


KHẢO SÁT SỰ PHÁT QUANG TỰ PHÁT VÀ PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC
CỦA NHÓM VẬT LIỆU PHÁT QUANG SỬ DỤNG TRONG VIỆC CHẾ TẠO
LED TRẮNG
STUDING THE PHOTOLUMINESCENT SPECTRAL AND THE
THERMOLUMINESCENCE STUMILATE IN MAKING THE WHILTE LED OF
MATERIAL
SVTH: Phạm Hoài Châu, Hồ Thị Phương Thanh, Nguyễn Thị Hồng Nhung,
Nguyễn Thị Thu Lợi, Ngô Thị Thùy Trang
Lớp 08SVL, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng
GVHD: Nguyễn Văn Cường, Lê Văn Thanh Sơn
Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Bài báo đưa ra một số kết quả khảo sát sự phát quang cưỡng bức nhiệt và đo phổ phát quang
tự phát của tâm quang Mn trong trường Silicat và Aluminat. Từ kết quả thu được tác giả đi đến một số
kết luận về sự ảnh hưởng của chế độ nung vật liệu silicat và nồng độ ion Mn đến cường độ nhiệt phát
quang và phổ phát quang tự phát của ion Mn trong vật liệu nền Silicate và Aluminat ứng dụng trong
chế tạo LED trắng.
Từ khóa: phát quang tự phát(PL), phát quang cưỡng bức(TL), LED trắng
ABSTRACT
This paper displays some results on themorluminescence phenomeum and the
photoluminescence of the activator Mn

in the silica and alumina host lattice. By experimental result, the
author abstracts some conclusion about the effects of heating mode silicat material and ion Mn in
thermoluminescence (TL) intensity and the photoluminescence (PL) spectral of this activator of some
silica-based material and its applications in manufacturing white LED.

Keywords: photoluminescent spectral (PL), thermoluminescence stumilate (TL), white LED.

1. Đặt vấn đề
Các chất phát quang nói chung và chất lân quang dài nói riêng đã được phát hiện và chú ý
nghiên cứu từ hàng trăm năm nay với nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học như
Antonop, Clemen, Lepsin…Hiện tượng phát quang tự phát cũng như phát quang cưỡng bức
của các chất này có rất nhiều ứng dụng trong khoa học-kỹ thuật, đời sống đặc biệt tạo bước
đột phá trong công nghiệp chiếu sáng và điện tử viễn thông từ khi LED trắng xuất hiện.
Ánh sáng trắng của LED được tạo ra dựa trên nguyên lý trộn 3 màu cơ bản (đỏ, xanh lục,
xanh lam). Trên chip LED loại xanh lam, người ta phủ một lớp chất phát quang lên bề mặt của
chip gọi là lớp chuyển đổi. Khi chip LED hoạt động, tia sáng xanh phát ra kích thích các
nguyên tử của chất phát quang sẽ phát ra tia đỏ và xanh lục. Là sinh viên vật lý với điều kiện
hiện có của phòng thí nghiệm Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng nhóm muốn tìm hiểu về việc chế tạo
vật liệu phát quang màu đỏ và màu xanh của trường tinh thể Aluminate, Silicate pha tạp ion
Mn. Từ đó đưa ra một số nhận xét cần thiết từ việc chế tạo vật liệu này. Đó cũng chính là lý do
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012
2

nhóm chọn đề tài “Khảo sát sự phát quang tự phát và phát quang cưỡng bức của nhóm vật
liệu phát quang sử dụng trong việc chế tạo LED trắng”.
2. Thực nghiệm
2.1. Chế tạo mẫu
Nhóm tiến hành nghiền trộn hỗn hợp gồm các muối cacbonat của các ion kim loại
(Mg, Ca, Sr, Ba, Zn ), ôxit nhôm (Al
2
O
3
), silic điôxit (SiO
2
), MnCO

3
với các liều lượng
thích hợp, sau đó để mẫu nguội tự nhiên, làm sạch, sau đó cho nhiễu xạ tia X, chiếu xạ bằng
tia β và tiến hành đo TL và phổ PL. Sau đó, vận dụng công thức tính toán để tìm độ sâu bẫy E
t
.
2.2. Kết quả và thảo luận :
2.2.1.Đối với phổ TL:
Hình 2.2.1.1 Đường cong TL của mẫu (Mg.Ba).SiO
3
:
0,5% Mn
Nhận xét: Đường cong TL xuất hiện một đỉnh dưới nhiệt
độ 100
0
C, một đỉnh ở vùng nhiệt độ trên 170
0
C nhưng
cường độ thấp và một đỉnh TL ở 143
0
C có cường độ lớn
nhất.



Hình 2.2.1.2 Đường cong TL của mẫu (Mg.Ba).SiO
3
:0,24% Mn
Nhận xét: Đường cong TL xuất hiện ở vùng nhiệt độ dưới
100

0
C, đỉnh nhiệt phát quang mạnh nhất ở 145
0
C, không khác so với mẫu pha tạp 0,5%Mn.
Nồng độ Mn càng lớn thì cường độ TL càng cao.
Hình 2.2.1.3 Đường cong TL của mẫu (Ca.Zn).SiO
3
: 0,7% Mn
nung ở 1000
0
C/ 2giờ + 1200
0
C/4 giờ.
Nhận xét: Dạng đường cong TL gồm 2 đỉnh ở nhiệt độ 121
0
C và
176
0
C có cường độ cao và một đỉnh ngoài 240
0
C có cường độ rất
bé.


Hình 2.2.1.4 Đường cong TL của mẫu (Ca.Zn).SiO
3
:
0,7% Mn ở điều kiện nung 1200
0
C/ 6 giờ.

Nhận xét: Đường cong TL gồm 2 đỉnh ở nhiệt độ
138
0
C và 194
0
C có cường độ cao. Như vậy, chế độ
nung cũng ảnh hưởng đến nhiệt phát quang.



50 100 150 200 250 300
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
cuong do TL (a.u.)
nhiet do (
0
C)
(Mg.Ba).SiO
3
, 0,5% Mn
50 100 150 200 250
0

5000
10000
15000
20000
25000
30000
cuong do TL (a.u.)
nhiet do (
0
C)
(Mg.Ba).SiO
3
, 0,24% Mn
50 100 150 200 250 300
0
50000
100000
150000
200000
250000
cuong do TL (a.u.)
nhiet do (
0
C)
(Ca.Zn).SiO
3
, 0,7% Mn
1 : 1 : 2,5
50 100 150 200 250 300
0

20000
40000
60000
80000
100000
cuong do TL (a.u.)
nhiet do (
0
C)
(Ca.Zn).SiO
3
0,7 Mn
1 : 1 : 2,5
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012
3

Bảng 2.2 Giá trị độ sâu bẫy của các đường cong TL
Tên mẫu
STT
đỉnh
Nhiệt độ đỉnh
TL (
0
C)
Giá trị độ sâu bẫy
E (eV)
(Mg.Ba).SiO
3
: 0,5%Mn

1
143
1,08
(Mg.Ba).SiO
3
:0,24%Mn
2
145
1,09
(Ca.Zn).SiO
3
: 0,7% Mn
3
121
0,6
4
176
1,5
(Ca.Zn).SiO
3
: 0,7% Mn
5
138
0,74
6
194
1,63
2.2.2. Đối với phổ PL:
Hình2.2.2.1 Đường cong PL của mẫu
(CaO)

0,4
.(ZnO)
0,4
.(SiO
3
)
1,2
: 0,3% Mn
Nhận xét: Tâm quang Mn nồng độ 0,3%

trong trường
tinh thể CaO.ZnO.SiO
2
tỉ lệ 0,4:0,4:1,2 phát quang ở
bước sóng 525nm_ màu xanh.

Hình2.2.2.2 Đường cong PL của (CaO)
0,4
.(ZnO)
0,6
.(SiO
2
)
1,0
: 0,3%
Mn
Nhận xét: Tâm quang Mn nồng độ 0,3%

trong trường tinh thể
(Ca.Zn).SiO

3
tỉ lệ 0,4:0,6:1 phát quang ở bước sóng 525nm _ màu
xanh.


Hình2.2.2.3 Đường cong PL của mẫu (CaO)
0,55
.(ZnO)
0,4
.(SiO
2
)
1,05
: 0,3% Mn
Nhận xét: Tâm quang Mn nồng độ 0,3%

trong trường tinh thể
(Ca.Zn).SiO
3
tỉ lệ 0,55:0,4:1,05 phát quang ở bước sóng 525nm_
màu xanh.


Hình2.2.2.4 Đường cong PL của mẫu (Ca.Zn).SiO
3
: 0,3% Mn ở
điều kiện nung 1200
0
C/6giờ với các tỉ lệ về chất nền khác nhau.
Nhận xét: Với cùng một nồng độ 0,3%Mn

ở trong trường tinh thể
polysilicat (Ca.Zn).SiO
3
với các tỉ lệ nồng độ khác nhau thì đều phát
quang ở bước sóng 525nm _màu xanh nhưng cường độ phát quang
đối với vật liệu có tỉ lệ chất nền khác nhau là khác nhau.
500 550 600 650 700 750
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
22000
24000
26000
28000
30000
32000
cuong do PL (a.u)
buoc song(nm)
(Ca.Zn).SiO
3
: 0,3% Mn

0,4 :0,6 : 1
0,4 :0,4 : 1,2
0,55 :0,4 : 1,05
500 550 600 650 700 750
0
5000
10000
15000
20000
25000
cuong do PL (a.u)
buoc song(nm)
(Ca.Zn).SiO
3
:0,3% Mn
0,4 :0,4 :1,2
500 550 600 650 700 750
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
b)
cuong do PL (a.u)
buoc song(nm)
(Ca.Zn).SiO

3
:0,3% Mn
0,4 :0,6 :1
500 550 600 650 700
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
c)
cuong do PL (a.u)
buoc song(nm)
CaO:ZnO:SiO2:0,3%
0,55 :0,4 :1,05
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012
4

520 540 560 580 600 620 640 660 680 700
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
cuong do phat quang
buoc song (nm )

(Mg.Ca)Al
2
O
4
: Mn có chat chay
0,5:0,5:1
(Mg.Ca)Al
2
O
4
: Mn không có chat chay
0,4:0,4:1,2




Hình 2.2.2.5 So sánh phổ phát quang của (Mg,Ca)Al
2
O
4
: Mn khi
có và không có chất chảy
Nhận xét :Dạng phổ phát quang của vật liệu khi nung có chất chảy
gồm 3 đỉnh phổ có tính đối xứng ứng với các bước sóng 640 nm,
655 nm và 665 nm. Trong đó đỉnh ở 655 nm có cường độ phát
quang lớn nhất .Phổ phát quang của vật liệu khi nung không có
chất chảy chỉ xuất hiện một đỉnh ở bước sóng 640 nm nhưng có
cường độ yếu hơn rất nhiều.

Hình 2.2.2.6 . So sánh phổ phát quang của (Mg.Ca)Al

2
O
4
:
Mn khi thay đổi tỉ lệ chất nền
Nhận xét: - Vật liệu (Mg.Ca)Al
2
O
4
: 0,2% Mn với tỉ lệ
chất nền (1:1:3) cho phổ phát quang ở 3 bước sóng 640 nm,
655 nm , 665 nm và có cường độ mạnh. Phổ phát quang
của vật liệu (Mg.Ca)Al
2
O
4
:0,2%Mn với tỉ lệ chất nền ( 1:
1: 2 ) chỉ có đỉnh ở bước sóng 650 nm với cường độ yếu

630 640 650 660 670 680 690 700
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
cuong do phat quang
buoc song (nm)
MgO.CaO.Al

2
O
3
: Mn 0,2%
( 0,4 : 0,4 : 1,2)
MgO.CaO.Al
2
O
3
: Mn 0,2%
( 0,5 : 0,5 : 1)
Hình 2.2.2.7 Phổ phát quang của SrAl
2
O
4
:0,2% Mn
Nhận xét: - Đường cong phát quang của vật liệu SrAl
2
O
4
:Mn
0,2% Mn cho 3 đỉnh chính ở bước sóng 642 nm, 657 nm , 667
nm và ở bước sóng 657 nm có cường độ phát quang lớn nhất.


Hình 2.2.2.8. Phổ phát quang của BaAl
2
O
4
: Mn

Nhận xét: - Phổ phát quang cho đỉnh ở bước sóng 635 nm
và có đường cong phát quang có cường độ yếu cường độ
yếu hơn so với vật liệu SrO.Al
2
O
3
:Mn 0,2%.

610 620 630 640 650 660 670 680
9000
9500
10000
10500
11000
cuong do phat quang
buoc song (nm)
BaAl
2
O
4
: Mn 0,2 %
0,8:1,2
640 660 680 700
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000

20000
22000
(Ba.Zn)Al
2
O
4
: Mn có chat chay
0,4:0,4:1,2
(Ba.Zn)Al
2
O
4
: Mn không có chat chay
0,4:0,4:1,2
Cuong do phat quang
Buoc song (nm)


Hình 2.2.2.9. So sánh phổ phát quang của (Ba.Zn)Al
2
O
4
: Mn
khi nung có và không có chất chảy
Nhận xét: Cùng vật liệu (Ba.Zn)Al
2
O
4
: Mn( 0,2 % ) với tỉ lệ
chất nền ( 1: 1: 3) nhưng phổ phát quang của vật liệu khi nung

có chất chảy thì cường độ phát quang lớn hơn so với phổ phát
quang của vật liệu đó khi nung không có chất chảy. Đỉnh phát
quang cao nhất ở bước sóng 662 nm và có cường độ mạnh hơn
của vật liệu BaAl
2
O
4
: Mn có đỉnh ở bước sóng 635 nm ở
hình 2.2.b.6.
600 620 640 660 680 700 720 740
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
cuong do phat quang
buoc song (nm )
SrAl
2
O
4
: Mn 0,2 %
0,8:1,2
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012
5
3. Kết luận
Qua khảo sát hiện tượng phát quang cưỡng bức (nhiệt) và phát quang tự phát của

nhóm vật liệu silicat, aluminat có pha tạp ion Mn, tác giả đưa ra một số kết luận sau:
* Về phát quang cưỡng bức (nhiệt):
- Nhóm vật liệu nền (Mg.Ba)SiO
3
có đỉnh TL cực đại ở nhiệt độ từ 143
0
C- 145
0
C.
- Nhóm vật liệu nền (Ca.Zn)SiO
3
có đỉnh TL cực đại ở nhiệt độ từ 176
0
C- 194
0
C
- Với các chất nền khác nhau thì cường độ TL có giá trị khác nhau, số bẫy và độ sâu
bẫy có giá trị khác nhau.
- Nồng độ Mn càng lớn thì cường độ TL càng cao.
- Chế độ nung ảnh hưởng đến cường độ TL.
* Về phát quang tự phát:
- Tâm quang Mn với cùng một nồng độ trong các trường tinh thể polysilicat
(Ca.Zn)SiO
3
khác nhau thì đều phát quang ở bước sóng 525nm _màu xanh.
- Cường độ phát quang của tâm quang Mn đối với một loại vật liệu với tỉ lệ chất nền
khác nhau là khác nhau.
- Phổ phát quang của các vật liệu (Mg.Ca)Al
2
O

4
; SrAl
2
O
4
; BaAl
2
O
4
; (Ba.Zn)Al
2
O
4

pha tạp Mn có dạng phổ khác nhau.
- Qua khảo sát ta thấy rằng ion Mn phù hợp với vật liệu nền (Mg.Ca)Al
2
O
4
nên cho
phát quang cường độ cực đại ở bước sóng cỡ 655nm .
- Các đỉnh phổ đều nằm trong khoảng bước sóng ( 635 nm - 670 nm ), phù hợp với
các số liệu về đỉnh phổ phát quang của Mn
4
trong các mạng chủ Aluminate ứng với sự
dịch chuyển từ
2
E

về

4
A
2
cho phát

quang màu đỏ. [1],[5]
- Khi pha thêm chất chảy vào vật liệu có mạng chủ là Aluminate thì phản ứng pha
rắn xảy ra tốt hơn nên cường độ phát quang tăng lên.
- Tỉ lệ chất nền là ( 1 : 1 : 3 ) cho kết quả phát quang tốt hơn tỉ lệ chất nền là ( 1: 1 :
2 )

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Văn Thích , Hiện tượng huỳnh quang và kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại
học tổng hợp Hà Nội.
[2] Nguyễn Mạnh Sơn, Lê Văn Tuất (2007), “Các nghiên cứu phát quang của vật liệu
aluminate pha tạp nguyên tố đất hiếm”, Đại học Huế.
[3] Vũ Xuân Quang (1999), Quang phổ của các tâm điện tử trong vật rắn, Viện khoa học
vật liệu.
[4] Đinh Thanh Khẩn, Chế tạo vật liệu CaAl
2
O
4
. Khảo sát ảnh hưởng của ion Mn
2+
lên
phổ phát quang cuả vật liệu này, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà
Nẵng (2008).
Tiếng Anh
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng năm 2012
6

[5] G.Blasse.B.C.Grabmaier, Luminescent Materialslag springer, Verlag Berlin
Heidelberg 1994
[6] “Role of SiO
2
in Zn
2
SiO
4
: Mn
2+
phosphor used in optoelectronic materials” , Indian
Journal of Engineering & Materials Sciences, (6/2009) Vol 6, tr 185 - 187
[7] S.W.S Mc KEEVER, The Thermoluminescence of solids, Deparment of physic,
Oklahoma State University (1985).