Nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo và ứng dụng của vật liệu nanô phát quang và vật liệu quang điện polyme dẫn lai hạt kim loại nanô

ĐỀ TÀI
Nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo và ứng dụng của vật liệu nanô
phát quang và vật liệu quang điện polyme dẫn lai hạt kim loại nanô.
Phần 1: Nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu nano phát
quang (PGS.TS. Trần Kim Anh).
Phần 2: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu quang điện trên cơ sở
polymer dẫn lai hạt nano kim loại (PGS.TS. Nguyễn Đức Nghĩa).
Thời gian thực hiện: 2007 - 2008
Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học vật liệu
Chủ nhiệm: PGS.TS. Trần Kim Anh
Cán bộ tham gia:
Viện Khoa học vật liệu:
PGS.TS. Trần Kim Anh, TS. Phạm Hồng Dương, TS. Nguyễn Vũ, ThS. Nguyễn
Thị Thanh Ngân, ThS. Đinh Xuân Lộc, TS. Trần Thu Hương, ThS.NCS. Lâm Thị
Kiều Giang, TS. Phạm Duy Long, ThS.NCS. Trần Thị Kim Chi, PGS.TS. Nguyễn
Quang Liêm, ThS. Chu Anh Tuấn.
Viện Hóa học:
PGS.TS. Nguyễn Đức Nghĩa, TS. Ngô Trình Tùng, ThS. Nguyễn Thị Thu Trang,
KS. Văn Trọng Hiếu, KS. Trần Anh Đức, Vũ Quốc Thắng, NCS. Hoàng Mai Hà,
NCS. Nguyễn Hồng Minh.
Viện Địa lý:
PGS.TS. Phạm Thị Minh Châu.
ITIMS:
PGS.TS. Phạm Thành Huy.
Đại học Khoa học Tự nhiên:
TS. Phạm Văn Bền
Viện Khoa học hình sự:
Thượng tá công an TS. Vũ Văn Nhan.
Tổng kinh phí: 400 triệu đồng
Mục tiêu:
- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu nano phát quang hiệu suất cao thuộc nhóm

A
2
B
6
và Ln
2
O
3
với ba vùng phổ đỏ, xanh lam, xanh lá cây.
Chế thử qui mô phòng thí nghiệm các mẫu tem nhãn phát quang trên cơ sở các
vật liệu nano phores chế tạo được và các vật liệu thương phẩm.
Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano chế tạo được.
- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu quang điện trên cơ sở polyme dẫn lai hạt
kim loại nano. Nghiên cứu sử dụng vật liệu quang điện thử nghiệm chế tạo pin
mặt trời qui mô phòng thí nghiệm.
- Phát huy kết quả đầu tư Phòng thí nghiệm trọng điểm “Vật liệu linh kiện điện
tử”,
đồng thời tham gia tích cực đào tạo cán bộ trình độ cao trong lĩnh vực Vật lý
và Vật liệu công nghệ nano.
Nội dung nghiên cứu:
Đề tài tập trung vào 2 phần đã đăng ký với các nội dung cụ thể:
- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu nano phát quang hiệu suất cao với ba vùng
phổ đỏ, xanh lam, xanh lá cây, nghiên cứu tính chất quang các loại vật liệu phát
quang khác nhau trên cơ sở hợp chất A
2
B
6
, vật liệu nano pha đất hiếm dưới dạng
bột, keo và thử nghiệm in lưới qui mô phòng thí nghiệm. Tổng quan về vật liệu
nano phát quang, về công nghệ in bảo mật. Quy trình chế tạo bột huỳnh quang và

dung dịch phát quang bằng các phương pháp khác nhau, nghiên cứu tính chất và
quy trình chế tạo thử nghiệm tem nhãn. Phương pháp in lưới được áp dụng ở quy
mô phòng thí nghiệm thử nghiệm với các vật liệu tự chế tạo và các vật liệu thương
mại với 5 loại đánh dấu khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, như chữ ký, con dấu,
chữ số, in lưới, in phun và tìm hiểu kỹ thuật in offset với hai loại giấy bóng vỡ và
giấy in không phát quang.
- Tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp chất bán dẫn hữu cơ, vật liệu
polyme dẫn, chế tạo vật liệu quang điện trên cơ sở polyme dẫn lai hạt nano
kim loại. Tổng quan chi tiết về vật liệu quang điện tử hữu cơ, pin mặt trời
hữu cơ OSC. Phần thực nghiệm trình bày quy trình chế tạo các hạt polypyrrol
cấu trúc nano, vật liệu lai polypyrrol và hạt nano bạc, tổng hợp và nghiên cứu
polyphenylenvinylenne và dẫn suất. Nghiên cứu công nghệ phủ màng mỏng
nhiều lớp theo mô hình pin mặt trời hữu cơ OSC, chế tạo pin mặt trời hữu cơ,
nghiên cứu hiệu ứng quang điện.
Kết quả đạt được:
Đề tài đã hoàn thành tốt nhiệm vụ nghiên cứu cơ bản theo 2 nhánh:
1 Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang phổ và ứng dụng vật liệu nano phát quang.
2. Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu quang điện tử trên cơ sở polyme
dẫn lai hạt nano kim loại.
Phần 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu chế tạo, tính chất quang của vật liệu
nano phát quang pha đất hiếm, vật liệu nano oxit, vật liêu nano A
2
B
6
:
- Hệ vật liệu có cơ chế truyền năng lượng và chuyển đổi ngược dạng hạt Y
2
O
3
:

Eu, Tb tỷ lệ tối ưu Eu/Tb=8/2 và Y
2
O
3
: Er, Yb rất có triển vọng ứng dụng.
- Hệ vật liệu thanh và ống dạng oxit Y(OH)
3
pha đất hiếm, các chấm lượng tử
chế tạo được trong phòng thí nghiệm (PTN) vật liệu quang điện tử được nhắc
đến nhằm mục đích ứng dụng.
+ Tìm hiểu về in bảo mật, các vật liệu in, các phương pháp in đặc biệt là kỹ
thuật in lưới.
+ Xây dựng 5 quy trình chế tạo ổn định cho 5 hệ vật liệu nanô phát quang
mới:
1. Hệ ZnS pha kim loại chuyển tiếp:
• ZnS: Mn với các nồng độ khác nhau của Mn và trong các điều kiện
công nghệ khác nhau, ủ trong chân không và ủ trong khí nitơ.
• ZnS: Mn chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa trong PVA, phát
quang tốt in lưới dễ dàng.
• ZnS: Cu phát quang mạnh dưới kích thích đèn soi tiền.
2. Hệ Zn
2
SiO
4:
Mn dạng nano phát quang mạnh dưới kích thích tử ngoại 254
nm.
3. Hệ Y
2
O
3:

Eu, Tb, Er, Tm dạng hạt và dạng keo nano được nghiên cứu chi
tiết.
4. Hệ YVO
4
: Eu
3+
phát quang mạnh dưới kích thích đèn soi tiền được nghiên
cứu trong sự phụ thuộc nồng độ, phổ huỳnh quang phân giải thời gian, thời
gian sống.
5. Hệ CePO
4
: Tb
3+
đã được nghiên cứu chế tạo và đặc tính phổ hướng đến ứng
dụng.
+ Tính chất cấu trúc, tính chất quang được nghiên cứu khá chi tiết với các hệ
vật liệu chế tạo được nhằm ứng dụng cho công nghệ đánh dấu và chế tạo
tem nhãn phát quang:
• Các vật liệu nano phát quang có kích thước từ 10-30 nm tùy thuộc vào
hệ vật liệu và công nghệ chế tạo.
• Hiệu suất phát quang cao, phát hiện được bằng mắt thường khi kích
thích bằng đèn soi tiền công suất thấp, phát sáng rực rỡ khi kích thích
bằng các loại lade có trong phòng thí nghiệm như laze He-Cd, N
2
, diod
phát quang.
• Vùng phổ phát quang tương đối phong phú và đa dạng trải dài từ vùng
tím, xanh lam, xanh lá cây, đỏ, vàng, da cam tùy thuộc loại vật liệu, nồng
độ pha tạp và khả năng pha trộn theo một tỷ lệ nhất định đối với vật liệu
mực in thương mại.

+ Quy trình công nghệ chế tạo tem phát quang an toàn và chống làm giả qui
mô phòng thí nghiệm:
• Thử nghiệm chế tạo tem nhãn phát quang chủ yếu bằng quy trình in lưới
quy mô phòng thí nghiệm cho vật liệu tự chế tạo và vật liệu thương mại
phát đỏ, xanh.
• Nghiên cứu sử dụng chấm lượng tử CdTe/CdS chế tạo trong phòng thí
nghiệm cho ứng dụng đánh dấu.
• Nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu phát quang thương mại trong kỹ
thuật
in phun, cải tiến máy in lắp đặt các hộp mực thương mại với các mực
mầu
đỏ, xanh lá cây và xanh lam.
• Tìm hiểu về in bảo mật các vật liệu in, các phương pháp in bao gồm cả in
offset:
Thử nghiệm dùng bút máy, con dấu và chữ số tạo phương pháp đánh dấu
đơn
giản với các vật liệu tự chế tạo và vật liệu thương mại.
+ Nghiên cứu thời gian sử dụng, ảnh hưởng của các loại giấy in, các loại dung
môi.
+ Đã in thử hàng loạt (50-100) mẫu tem tàng hình với các kích thước khác
nhau, (1-10 cm
2
) với các loại lưới khác nhau từ 100, 120, 140, 160 đường
kẻ/cm và với các bước sóng kích thích khác nhau của đèn soi tiền, Diod
phát quang 370 nm, đèn thủy ngân 254 nm, đèn thủy ngân 365 nm, Laze
He-Cd325, laze Nitơ 337,1nm.
Phần 2: Nghiên cứu vật liệu polyme và pin mặt trời:
Đã tổng quan đầy đủ về vật liệu quang điện tử hữu cơ và pin mặt trời, cụ thể:
- Chế tạo polypyrrol cấu trúc nano bằng phương pháp trùng hợp phân tán. Đã
tiến hành phản ứng trùng hợp phân tán pyrrol trong PVA bằng phản ứng oxy

hóa học, nhận được hạt polypyrrol phân tán dạng hạt có cấu trúc nano.
+ Polypyrrol nhận được có độ dẫn điện tốt. Độ dẫn này phụ thuộc vào tỷ lệ
mol giữa chất oxy hóa và pyrrol.
+ Nghiên cứu hiệu ứng quang điện của màng mỏng PPy. Tính chất dẫn của
PPy phụ thuộc tuyến tính vào cường độ ánh sáng bức xạ.
+ Đã nghiên cứu cấu trúc PPy bằng quang phổ tán xạ FT-Raman dạng mỏng
và dạng bột.
+ Nghiên cứu cấu tạo hình thái học của PPy ở dạng keo và dạng màng mỏng.
- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu lai từ polypyrrol và hạt nano bạc.
Vật liệu lai PPy/Ag có thể được chế tạo bằng phương pháp tổng hợp hóa học
in-situ. Các hạt nano bạc có kích thước khá đồng đều từ 4-8 nm. Trong quá
trình tổng hợp in-situ vật liệu lai, các hạt nano bạc có xu hướng kết khối tạo ra
các khối (cluster) có kích thước từ 25 nm đến 150 nm. Khi có mặt hạt nano
bạc, độ dẫn điện của PPy tăng lên đáng kể cùng với sự gia tăng tỷ lệ hạt nano
bạc. Độ bền nhiệt của PPy cũng được cải thiện đáng kể. Để có được sự phân bố
đồng đều hơn của hạt nano bạc trong PPy cần phải được tiếp tục nghiên cứu.
- Tổng hợp và nghiên cứu tính chất Polyphenylenvinylene (PPV) và dẫn suất.
Nghiên cứu tính chất quang của PPV và các dẫn suất.
+ Quang phổ hấp thụ UV/vis của PPV, Meh-PPV, CzEh-PPV và OxdEh-PPV.
+ Quang phổ phát xạ PL của các hợp chất PPV, Meh-PPV, CzEh-PPV và OxdEh-
PPV.
- Chế tạo pin mặt trời.
+ Nghiên cứu phổ hấp thụ ánh sáng của MEH-PPV, PCBM và vật liệu
compozit của chúng. Quang phổ của MEH-PPV và MEH-PPV/PCBM
compozit. Sự phụ thuộc của điện thế mạch hở vào tỷ lệ khối lượng MEH-
PPV/PCBM. Khi tỷ lệ khối lượng MEH-PPV/PCBM tăng lên thì điện thế
mạch hở của pin mặt trời tăng nhẹ từ 0.6V lên 0.64V.
+ Trong nghiên cứu này đề tài đã chế tạo thành công pin mặt trời hữu cơ từ vật
liệu MEH-PPV/PCBM compozit. Với sự tham gia của PCBM, phổ
huỳnh quang của MEH-PPV đã bị triệt tiêu mạnh. Điều này nói lên đã

xảy ra sự chuyển dịch điện tích từ MEH-PPV sang cacbon fulleren C60
có trong PCBM. Các tính năng của pin mặt trời cũng bị ảnh hưởng
mạnh mẽ bởi pha PCBM. Khi hàm lượng PCBM trong compozit tăng
lên thì hiệu suất chuyển hóa năng lượng và mật độ dòng đoản mạch của
pin mặt trời tăng lên mạnh mẽ. Tác động của pha PCBM lên điện thế
mạch hở được quan sát thấy là không đáng kể.
Những đóng góp mới của đề tài:
- Chế tạo thành công 5 hệ vật liệu nano phát quang mới các màu đỏ, xanh lá cây,
xanh lam, hiệu suất cao.
- Sử dụng các vật liệu nano phát quang, chấm lượng tử, vật liệu thương mại
trong kỹ thuật in lưới.
- Cải tiến máy in, lắp đặt các hộp mực thương mại với 3 màu chủ đạo đỏ, xanh
lá cây, xanh lam sử dụng tốt trong kỹ thuật in phun.
- Ở Việt Nam, nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme dẫn điện, các vật liệu lai trên
cơ sở polyme dẫn điện với hạt nano kim loại và ứng dụng cho chế tạo pin mặt
trời hữu cơ là mới mẻ. Đề tài đã chế tạo thành công hai loại polyme dẫn được
quan tâm đó là Ppy, PPV và dẫn xuất của chúng. Bước đầu đã ứng dụng thành
công MEH-PPV chế tạo pin mặt trời hữu cơ.
Sản phẩm khoa học:
- 5 quy trình chế tạo 5 hệ vật liệu nano phát quang:
+ ZnS:Mn, ZnS:Cu.
+ Zn
2
SiO
4
:Mn.
+ Y
2
O
3

:Eu, Tb, Er, Tm.
+ YVO4: Eu.
+ CePO4: Tb.
- Quy trình in lưới quy mô phòng thí nghiệm.
- Quy trình in phun với máy in phun đã cải tiến để dùng với mực tàng hình.
Hàng trăm mẫu in tem nhãn các loại 50-100 mẫu các mầu khác nhau, kích
thước khác nhau 1-10 cm
2
in trên các loại giấy khác nhau.
- 2 quy trình chế tạo hai loại polyme dẫn, 2 dẫn xuất, vật liệu bán dẫn hữu cơ độ
dẫn 10 S/cm. Công nghệ phủ màng mỏng nhiều lớp theo mô hình OSC với
hiệu ứng quang điện chấp nhận được.
- Một quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời sử dụng polyme lai hạt kim loại
nano quy mô phòng thí nghiệm.
- Có 10 công bố khoa học trên quốc tế và trong nước, nhiều báo cáo ở hội thảo
trong nước và seminar quốc tế.
Kết quả đào tạo:
- Góp phần đào tạo 01 NCS bảo vệ năm 2007, 01 NCS bảo vệ năm 2009.
- Đào tạo 02 cao học và 02 sinh viên Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia, Hà
Nội
Đề tài hợp tác nghiên cứu tốt với các đơn vị bạn. Kết quả của đề tài mở ra triển
vọng tốt để phát triển cho giai đoạn tiếp theo.