Nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang cấu trúc perovskyte kép AA’BB’O6 và các chấm lượng tử bọc silica pha tạp đất hiếm cho ứng dụng trong điot phát xạ ánh sáng trắng

Nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang cấu trúc perovskyte kép AA’BB’O6 và các
chấm lượng tử bọc silica pha tạp đất hiếm cho ứng dụng trong điot phát xạ ánh sáng
trắng
Tổng quan
Nghiên cứu về vật liệu huỳnh quang đã được nhiều nhóm ở các cơ sở trong nước như Đại
học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN; Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN
Việt Nam; Đại học Huế; Trường ĐH Sự phạm Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội…. nghiên cứu. Đa số các hướng nghiên cứu về bột huỳnh quang nói trên là các
nghiên cứu cơ bản về cơng nghệ chế tạo và tính chất quang của các vật liệu chế tạo được.
Trong các nghiên cứu cơ bản  này đã có nhiều kết quả tốt cơng bố trên các tạp chí quốc tế
có uy tín [1-19]. Nhóm nghiên cứu của GS. Vũ Xuân Quang, Vũ Phi Tuyến, Phan Văn
Độ tập trung chủ yếu phân tích cơ chế phát quang của vật liệu huỳnh quang dựa trên cơ
sở lý thuyết Judd – Ofelt. Nhóm nghiên cứu này chủ yếu tập trung nghiên cứu cơ chế
phát xạ của một số ion đất hiếm như Eu3+, Er3+, Dy3+ trong vật liệu có cấu trúc thủy tinh
[2, 4, 10, 14]; Nhóm nghiên cứu của GS. Lê Quốc Minh Viện Khoa học Vật liệu chủ yếu
tập trung nghiên cứu một số loại vật liệu huỳnh quang truyền thống như Y 2O3, Gd2O3 pha
tạp một số ion đất hiếm như Eu3+, Er3+ [5, 6]. Trong các cơng bố của nhóm nghiên cứu
này tập trung chủ yếu vào việc giải thích cơ chế phát quang của  vật liệu dạng oxit hoặc
sunfit khi pha tạp ion đất hiếm RE3+ và khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ pha tạp của
các ion đất hiếm cũng như điều kiện tổng hợp vật liệu đến cấu trúc và tính chất quang của
chúng; Nhón nghiên cứu của GS. Phạm Thành Huy, Nguyễn Duy Hùng,… tại Viện Tiên
tiến Đại học Bách khoa Hà Nội tập trung nghiên cứu các loại vật liệu huỳnh quang ứng
dụng cho các thiết bị chiếu sáng dân dụng cũng như chiếu sáng cho nơng nghiệp. Nhóm
nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các bột huỳnh quang dạng oxit pha tạp ion đất
hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp đồng thời nghiên cứu các ảnh hưởng của nồng độ tạp
chất, nhiệt độ nung thiêu kết cũng như công nghệ chế tạo vật liệu lên tính chất quang của
vật liệu cũng như khả năng ứng dụng của các loại vật liệu này vào thực tiến [3, 9, 12, 15,
16, 20] và một vài nhóm nghiên cứu khác. Chúng tơi nhận thấy rằng trong số các nhóm
nghiên cứu về vật liệu huỳnh quang này chưa có nghiên cứu nào trong nước về họ vật
liệu huỳnh quang có cấu trúc perovskite kép pha tạp đất hiếm.
Qua q trình tìm hiểu, chúng tơi thấy rằng có một số nhóm nghiên cứu trong nước quan

tâm đến tính chất điện - từ của họ vật liệu cấu trúc perovskite cũng như cấu trúc
perovskite kép như nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Văn Hồng; GS. TS. Nguyễn
Huy Dân (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam);
PGS. TS Nguyễn Văn Đăng; TS. Nguyễn Văn Khiển (Trường Đại học Khoa học – Đại
học Thái Nguyên) nhưng chưa có nhóm nghiên cứu nào trong nước nghiên cứu về cấu
trúc và tính chất quang của họ vật liệu này khi pha tạp ion đất hiếm. Vì vậy đây là vấn đề
rất mới so với các nghiên cứu trong nước cho đến hiện tại.
Tính cấp thiết


Hiện nay, vấn đề năng lượng, tiết kiệm năng lượng và năng lượng sạch bảo vệ môi
trường đang được quan tâm đầu tư, nghiên cứu trên toàn thế giới. Trong các lĩnh vực tiêu
thụ năng lượng, chiếu sáng chiếm một tỷ trọng đáng kể. Theo số liệu của các cơ quan
thống kê có uy tín, tại các nước phát triển, tỷ trọng lượng điện tiêu thụ cho chiếu sáng
chiếm tới 20% tổng sản lượng điện sản xuất của các nước này. Do đó, tiết kiệm năng
lượng thơng qua tiết kiệm điện chiếu sáng là biện pháp được hầu hết các quốc gia trên thế
giới thực hiện [1].
Để tiết kiệm năng lượng chiếu sáng, việc thay thế các loại bóng đèn có hiệu suất chuyển
đổi năng lượng thấp bằng các bóng đèn chiếu sáng hiệu suất cao được quan tâm đầu tiên.
Vì thế hiện nay, xu hướng sử dụng các nguồn sáng nhân tạo chủ yếu là các loại đèn
huỳnh quang, đèn compact, đèn LED ngày càng nhiều. So với đèn dây tóc, các loại đèn
này vừa có tuổi thọ cao, vừa tiết kiệm điện năng và có độ sáng cao hơn [2]–[5].
Trong hai thập kỷ trở lại đây, việc phát triển mạnh của khoa học cơng nghệ, trong đó có
khoa học và công nghệ nano, cũng như do nhu cầu sử dụng năng lượng điện tăng mạnh
dẫn tới sự thiếu hụt của các nguồn cung cấp năng lượng, các vấn đề nghiên cứu liên quan
đến các vật liệu phát quang và các thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao càng được quan tâm
nghiên cứu nhiều hơn. Các phát minh về điốt phát quang (LED) đơn sắc từ những năm
nửa cuối thế kỷ 20 (1962: LED đỏ; 1971: LED xanh lục; 1972: LED vàng; 1994: LED
xanh lam) đóng một vai trị rất quan trọng trong việc tạo ra ánh sáng trắng dựa trên 3 màu
cơ bản là xanh lục, xanh lam, và đỏ, dẫn tới việc tạo ra các nguồn sáng trắng có khả năng

tiết kiệm năng lượng và với cường độ sáng cao hơn nhiều so với các nguồn sáng truyền
thống. Dựa trên phát minh về LED phát xạ ánh sáng xanh lam của 3 nhà khoa học Isamu
Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura (đã đạt giải Nobel về Vật lý 2014), các
nghiên cứu chế tạo các nguồn LED phát xạ ánh sáng trong dải bước sóng từ hồng ngoại
đến tử ngoại vẫn tiếp tục được thực hiện. Các loại bột phosphor ứng dụng trong các LED
phát xạ ánh sáng trắng (chế tạo bột cách sử dụng LED xanh lam kết hợp với bột huỳnh
quang màu vàng hoặc hỗn hợp của bột huỳnh quang màu vàng, màu đỏ hoặc thậm chí
xanh lam và xanh lục nếu sử dụng điốt phát quang tử ngoại (UVLED) làm nguồn kích)
được tập trung nghiên cứu nhiều như Y 3Al5O12:Ce [6], X6BP5O20:(Dy3+, Ce3+ hoặc Eu) [7],
… hay BaMgAl10:O17:Eu2+ [8][9]. Hiện nay các đèn LED trắng thường sử dụng các bột
huỳnh quang thương mại phát xạ xanh lục, xanh lam và vàng. Kết quả này dẫn đến các
đèn LED trắng thường có nhiệt độ màu cao vì thiếu vùng ánh sáng đỏ và đỏ xa. Thế
nhưng các bột huỳnh quang phát xạ đỏ thương mại truyền thống trên gốc Sunfit hoặc
Y2O3, YBO3 pha tạp Eu3+ lại có tính ổn định thấp trong môi trường bức xạ tử ngoại mà
chip InGa tạo ra. Điều này dẫn đến tính ổn định và hiệu suất của đèn LED dùng các loại
bột huỳnh quang này giảm dần theo thời gian sử dụng. Vì vậy việc nghiên cứu để tạo ra
vật liệu huỳnh quang phát xạ trong vùng ánh sáng đỏ và đỏ xa để cải thiện chất lượng của
nguồn sáng trắng ấm, có độ ổn định và độ bên cao là vấn đề vô cùng cần thiết.
Năm 2005, nhóm nghiên cứu của Christopher J. Howard đã có báo cáo về một cấu trúc
mới của nhóm vật liệu Sr2YTaO6 thuộc nhóm khơng gian P21/n với cấu trúc perovskite
kép cho thấy cấu trúc perovskite kép mới này có tính chất điện và quang học vượt trội


cũng như độ ổn định hóa học, ổn định nhiệt tốt hơn. Các hợp chất cấu trúc perovskite kép
A2BB’O6 pha tạp ion Eu3+ được cho là bột huỳnh quang phát xạ đỏ bổ sung tuyệt vời cho
đèn LED trắng sử dụng chip n-UV và chíp phát xạ xanh lam. Do đó, việc nghiên cứu
tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O6 pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+ cho phát xạ đỏ, ứng
dụng trong các điot cho phát xạ anh sáng trắn là điều cần thiết để nâng cao chất lượng của
WLED cũng như thay thế bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ ngoại nhập [10]–[13].
Trong q trình nghiên cứu, chúng tơi nhận thấy rằng nhóm vật liệu AIIBVI có độ rộng

vùng cấm nằm trong giải kích thích của các ion đất hiếm, có giải hấp thụ và phát xạ rộng.
Đây là một nguồn kích thích tuyệt vời cho các ion đất hiếm trong quá trình phát xạ. Với
nhiều kinh nghiệm trong việc nghiên cức về các chấm lượng tử bán dẫn họ A IIBVI cũng
như về các vật liệu huỳnh quang pha tạp đất hiếm. Chúng tôi thấy rằng hồn tồn có thể
pha tạp các ion đất hiếm vào các chấm lượng tử học A IIBVI cũng như các chấm lượng tử
học AIIBVI được bọc silica để tạo ra vật liệu huỳnh quang phát xạ rộng trong vùng ánh
sáng đỏ và đỏ xa, định hướng cho các ứng dụng trong các điot phát xạ ánh sáng trắng ấm.
Loại vật liệu này hứa hẹn khả năng ứng dụng cao trong quá trình phủ lên các UV LED để
cho phát xạ trắng [14], [15].
Mục tiêu
1. Chế tạo thành công bột huỳnh quang AA’BB’O6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y,
Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu3+, Er3+ bằng phương pháp sol – gel và bột huỳnh quang
AA’BB’O6 (A,A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) đồng pha tạp ion
Eu3+ và ion Er3+  bằng phương pháp sol – gel cho phát xạ đỏ và đỏ xa có hiệu huỳnh
quang cao.
2. Chế tạo được chấm lượng tử CdS, CdSe pha tạp ion Eu 3+ và Er3+ bọc silica (SiO2) phát
xạ rộng trong vùng ánh sáng đỏ, có hiệu suất huỳnh quang cao.
Nội dung
Nội dung 1: Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O6 (A,A’ = Sr, Ca,
Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu 3+ bằng phương pháp sol – gel cho
phát xạ đỏ có hiệu huỳnh quang cao.
- Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti,
Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu3+ với tỷ lệ pha tạp và nhiệt độ nung thiêu kết khác nhau.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất quang của nhóm vật liệu AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba,
Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Eu3+.
- Tìm điều kiện cho quy trình tổng hợp để vật liệu phát quang tốt nhất trong vùng ánh
sáng đỏ.
Nội dung 2:  Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O 6 (A,A’ = Sr, Ca,
Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er 3+ bằng phương pháp sol – gel cho
phát xạ mạnh trong vùng ánh sáng đỏ và đỏ xa.

- Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti,
Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+ với tỷ lệ pha tạp và nhiệt độ nung thiêu kết khác nhau.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất quang của nhóm vật liệu AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba,
Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+.
- Tìm điều kiện cho quy trình tổng hợp để vật liệu phát quang tốt nhất trong vùng ánh
sáng đỏ và đỏ xa.
Nội dung 3: Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột huỳnh quang AA’BB’O 6 (A,A’ = Sr, Ca,
Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) đồng pha tạp ion Eu 3+ và ion Er3+ bằng phương
pháp sol – gel cho phát xạ đỏ.
- Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba, Mg; B, B’ = Y, Ti,
Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+ với tỷ lệ pha tạp và nhiệt độ nung thiêu kết khác nhau.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất quang của nhóm vật liệu AA’BB’O 6 (A, A’ = Sr, Ca, Ba,
Mg; B, B’ = Y, Ti, Mo, W, La, Ta) pha tạp ion Er3+.
- Tìm điều kiện cho quy trình tổng hợp để vật liệu phát quang tốt nhất trong vùng ánh
sáng đỏ và đỏ xa.
Nội dung 4: Nghiên cứu chế tạo các chấm lượng tử CdS, CdSe pha tạp ion Eu 3+, ion
Er3+ đươc bọc lớp vỏ silica bằng phương pháp hóa ướt.
- Khảo sát ảnh hưởng của các tủ lệ pha tạp, nồng độ chất bẫy đến cấu trúc và tính chất
quang của vật liệu;
- Phân tích cơ chế phát xạ của các hạt nano silica khi pha tạp ion Eu 3+ và ion Er3+ để làm
rõ cơ chế phát xạ bờ - vùng và phát xạ của các tâm ion đất hiếm cũng như cơ chế truyền
năng lượng giữa chúng.
Nội dung 5: Nghiên cứu quá trình tráng phủ ba loại bột huỳnh quang lên các chip LED
nhằm điều khiển phổ phát xạ của WLED và khả năng chiếu sáng cho nông nghiệp.
- Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hỗn hợp bột phosphor lên phổ phát xạ của các LED
chế tạo được, so sánh với các WLED thương mai.
- Xác định điều kiện tối ưu để có thể tạp ra được WLED và có thể tráng phủ đèn huỳnh
quang cho chiếu sáng trong nông nghiệp.

PP nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài là phương pháp thực
nghiệm.
1. Thực nghiệm chế tạo
-  Họ vật liệu perovskite kép được tổng hợp bằng phương pháp sol –


gel và phương pháo đồng kết tủa tại phịng thí nghiệm Lý – Hóa,
trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên;
-  Họ chấm lượng tử AIIBVI pha tạp ion Eu3+, Er3+ bọc silica được chế
tạo tại phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn trường Đại học Sư phạm –
Đại học Thái Nguyên.
2. Thực nghiệm đo đạc
-  Các khảo sát về cấu trúc, hình thái bề mặt, thành phần hóa học, sẽ
được nghiên cứu bằng các phương phân tích ảnh FESEM, TEM; đo
phổ XRD và EDX.
-  Tính chất quang của các mẫu chế tạo được nghiên cứu bằng các
phép đo phổ phát xạ huỳnh quang (PL), phổ kích thích huỳnh (PLE),
phổ huỳnh quang 3D, phổ huỳnh quang catot (CL), phổ hấp thụ.
3. Thử nghiệm ứng dụng 
-  Phần thử nghiệm chế tạo và đo đạc các tính chất của LED được
thực hiện tại trung tâm nghiên cứu phát triển chiếu sáng Rạng Đơng
(Trung tâm R&D chiếu sáng), phịng thí nghiệm chung HUSTRALACO tại viện AIST-ĐHBK HN.
-  Các đo đạc hình thái bề mặt bằng ảnh SEM, FESEM, thành phần
hóa học được thực hiện tại Viện AIST- Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
-  Đo phổ nhiễu xạ tia X để khảo sát cấu trúc tinh thể của vật liệu và
khảo sát tính chất quang bằng phép đo huỳnh quang, kích thích huỳnh
quang được thực hiện tại trường Đại học Khoa học – Đại học Thái

Nguyên.
Hiệu quả KTXH
1. Đối với lĩnh vực giáo dục và đào tạo
Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu phục vụ nghiên cứu, đào tạo sinh viên, học viên
cao học, nghiên cứu sinh ngành vật lý, khoa học vật liệu, vật liệu quang học – quang điện
tử và quang tử, góp phần nâng cao chất lượng, hiệu quả đào tạo và nghiên cứu khoa học
của Trường Đại học khoa học, Trường Đại học Sư phạm thuộc Đại học Thái Nguyên.
Đồng thời là sự gắn kết giữa việc học tập lý thuyết với thực hành và ứng dụng các tiến bộ
của công nghệ khoa học vật liệu trong điều kiện thực tiễn Việt Nam. Học viên, sinh viên
thực hiện các thí nghiệm trong đề tài được tiếp cận với cơng nghệ mới, rèn luyện kỹ năng
nghiên cứu, thí nghiệm phục vụ cho thực tiễn chuyên môn sau này. Đề tài góp phần đào
tạo cán bộ có trình độ cao thạc sĩ, tiến sĩ.
2. Đối với lĩnh vực khoa học và cơng nghệ có liên quan


-   Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở ứng dụng công nghệ khoa học vật liệu trong
các thiết bị chiếu sáng rắn. Các vật liệu tiên tiến ứng dụng cho chiếu sáng tiết kiệm năng
lượng.
3. Đối với phát triển kinh tế-xã hội
Kết quả nghiên cứu tạo về họ bột huỳnh quang có cấu trúc perovskite kép và các chấm
lượng tử pha tạp đất hiếm có khả năng ứng dụng cao trong các thiết bị chiếu sáng như
LED, đèn huỳnh quang cũng như các thiết bị hiển thị màu. Kết quả của đề tài góp phần
vào việc sản xuất bột huỳnh quang có hiệu suất phạt xạ cao trong nước, thay thế bộ
huỳnh quang ngoại nhập, giảm giá thành sản phẩm và chủ động trong sản xuất nguyên
liệu.
4. Đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu
Đề tài góp phần bồi dưỡng khả năng nghiên cứu của các giảng viên trẻ, hình thành nhóm
nghiên cứu về lĩnh vực quang học, quang điện tử và quang tử trong các cơ sở giáo dục đại
học liên quan đến khoa học Vật liệu của Đại học Thái Nguyên. Đồng thời, kết quả nghiên
cứu khẳng định khả năng làm chủ công nghệ chế tạo các vật liệu tiên tiến ứng dụng trong

các thiết bị chiếu sáng của tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu.
ĐV sử dụng