Chế tạo bột huỳnh quang znal2o4 pha tạp cu, mn ứng dụng trong led phát xạ ánh sáng trắng

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ HẰNG

T ên đ ề tài:

CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG ZnAl2O4 PHA TẠP Cu,Mn. ỨNG DỤNG TRONG
LED PHÁT XẠ ÁNH SÁNG TRẮNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC

Thái Nguyên - 2018

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

Lời cảm ơn
Thực tế luôn cho thấy, sự thành công nào cũng gắn liền với sự hỗ trợ giúp
đỡ của những người xung quanh. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm luận
văn đến nay, em đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô, gia
đình và bạn bè.
Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến quý thầy cô của trường Đại Học Khoa Học – Đại Học Thái Nguyên, các

thầy cô trong khoa Vật Lý đã tâm huyết truyền đạt cho chúng tôi vốn kiến thức
quý báu trong suốt hai năm học Thạc Sỹ tại trường.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới TS. Đỗ Quang Trung,
TS. Lê Tiến Hà, những người thầy đã tận tình chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi
nhất cho tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Sở GD - ĐT Hải Phòng, Trường THPT Hải
An, Hải Phòng,gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian
học tập và làm luận văn.
Nội dung nghiên cứu của luận văn nằm trong khuôn khổ thực hiện đề tài
NAFOSTED mã số: 103.03.2017.39
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Thị Hằng

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

Nội Dung
Lời cảm ơn ........................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 6
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KẼM ALUMINATE.................. 8
1.1. Cơ sở khoa học về vật liệu nano................................................................. 8
1.1.1. Giới thiệu ............................................................................................. 8
1.1.1.1. Vật liệu nano ................................................................................ 8
1.1.1.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử......................................................... 9

1.1.1.3. Hiệu ứng bề mặt ......................................................................... 12
1.2. Tình hình nghiên cứu về điốt phát quang ánh sáng trắng ........................ 14
1.3. Khoáng chất Gahnite tự nhiên (Kẽm aluminate spinel (ZnAl2O4)) ......... 15
Chương 2. THỰC NGHIỆM............................................................................ 22
2.1. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu........................................................ 22
2.2. Các phương pháp khảo sát đặc trưng cấu trúc và tính chất quang của vật
liệu sau chế tạo ................................................................................................ 23
* Phân tích hình thái bề mặt bằng thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ
trường (FESEM) .......................................................................................... 24
* Phương pháp đo phân bố kích thước hạt .................................................. 25
* Phương pháp nhiễu xạ tia X ..................................................................... 27
* Phương pháp phân tích thành phần hóa học bằng phổ tán sắc năng lượng
tia X.............................................................................................................. 30
* Phương pháp đo phổ huỳnh quang, phổ kích thích huỳnh quang ............ 30
Chương 3.

NHỮNG KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI.......................................... 32

3.1. Kết quả khảo sát hình thái bề mặt vật liệu ............................................... 32
3.2. Kết quả khảo sát kích thước hạt ............................................................... 33
3.3. Kết quả khảo sát đặc trưng cấu trúc của vật liệu...................................... 35
3.4. Kết quả phân tích tính chất quang của vật liệu ........................................ 36
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 41
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ..................................................................... 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 43
3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các loại vật liệu nano: (0D) hạt nano hình cầu, cụm nano; (1D) dây,
thanh nano; (2D) màng, đĩa và lưới nano; (3D) vật liệu khối............................... 8
Hình 1.2. Mật độ trạng thái của nano tinh thể bán dẫn. Mật độ trạng thái bị gián
đoạn ở vùng bờ. Khoảng cách HOMO-LUMO tăng ở nano tinh thể bán dẫn khi
kích thước nhỏ đi................................................................................................. 11
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý tạo ra ánh sáng trắng kích thích bằng nguồn LED tử
ngoại kết hợp với 3 loại bột RGB (1) và sử dụng nguồn LED xanh lam kích
thích bột màu vàng (2) ........................................................................................ 14
Hình 1.4. Ảnh khoáng chất gahnite tự nhiên ...................................................... 15
Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của ZnAl2O4 ............................................................ 17
Hình 1.6. Cơ chế phát quang của bột ZnAl2O4 được chế tạo bởi các muối
(S1)Al2(SO4)3∙18H2O, (S2) AlCl 3∙6H2O, và (S3) Al(NO3)3∙9H2O................... 18
Hình 1.7. Phổ kích thích huỳnh quang (a) và phổ huỳnh quang của tinh thể
ZnAl2O4: Cr3+ tổng hợp tại 200oC (b) [21]. ........................................................ 19
Hình 1.8. Phổ kích thích huỳnh quang và phổ huỳnh quang của bột
ZnAl2O4:Mn2+...................................................................................................... 20
Hình 1.9. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang của ion Mn4+ trong
mạng nền Sr2MgAl22O36 và CaAl22O19. .............................................................. 20
Hình 1.10. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang của ion Mn4+ trong
mạng nền K2SiF6.................................................................................................. 21
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp bột ZnAl2O4 đồng pha tạp Cu2+ và Mn4+ bằng
phương pháp đồng kết tủa ................................................................................... 22
Hình 2.2. Ảnh thiết bị đo ảnh FESEM được tích hợp với đầu đo EDS ..............
24
Hình 2.3: Các tín hiệu và sóng điện từ phát xạ từ mẫu do tán xạ .......................
25
Hình 2.4: Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét (a); Đường đi của tia điện tử trong

SEM (b) ............................................................................................................... 25
Hình 2.5. Thiết bị đo phân bố kích thước hạt nano SZ-100 ............................... 26
4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị đo phân bố kích thước hạt nano
SZ-100 ................................................................................................................. 26
Hình 2.7. Hệ thiết bị phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X........ 28
Hình 2.8. Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể. ...................................................... 29
Hình 2.9. Hệ đo hệ đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang (NanoLog
spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon) ........................................................ 31
Hình 3.1. Ảnh FESEM bột ZnAl2O4: 0.5 % Cu2+, 0.5% Mn4+ ủ tại 800oC
trong thời gian 5 giờ với các độ phân giải khác nhau (a, b); Ảnh FESEM và phổ
EDS (c, d) ............................................................................................................ 32
Hình 3.2. Phổ phân bố kích thước hạt của bột ZnAl2O4: (0.5 % Cu2+, 0.5%
Mn4+) ủ tại 800oC (a); 1000oC (b); 1200oC (c) trong thời gian 5 giờ ................. 34
Hình 3.3. Phổ nhiễu xạ tia X của bột huỳnh quang ZnAl2O4: 0.5% Cu2+, 0.5%
Mn4+ ủ tại các nhiệt độ từ 800-1200oC trong thời gian 5 giờ ............................. 35
Hình 3.4. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang của bột ZnAl2O4:
Cu2+, Mn4+ ........................................................................................................... 36
Hình 3.5. Phổ PL của bột ZnAl2O4: 0.5%Cu2+, 0.5%Mn4+ ủ ở nhiệt độ từ 8001200oC (a), Phổ PL của bột ZnAl2O4 với các nồng độ khác nhau ủ nhiệt ở nhiệt
độ 1200oC (b) ...................................................................................................... 38
Hình 3.7. Ảnh chụp LED phủ bôt ZnAl2O4: Cu, Mn được kích thích bởi LED tử
ngoại gần 395-400 nm. ........................................................................................ 40

5

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

MỞ ĐẦU
Nghiên cứu vật liệu có kích thước nano hiện đang là lĩnh vực thu hút được
sự quan tâm của cộng đồng khoa học và công nghệ trong và ngoài nước.Trong
những năm gần đây, các tinh thể nano với hình thái học độc đáo, các tính chất
quang học mới, đầy hứa hẹn đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu dotiềm
năng ứng dụng của chúng trong nhiều loại thiết bị quang điện tử. Vật liệu Spinel
là vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng có khả năng chịu nhiệt và độ bền hóa học cao,
tính năng xúc tác mạnh phù hợp làm mạng nền cho các ứng dụng như chế tạo các
bột huỳnh quang hoặc sử dụng trong chế tạo các thiết bị quang điện tử.
Vật liệu huỳnh quang đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong chế tạo
các thiết bị quang điện tử như các loại bóng đèn huỳnh quang, huỳnh quang
compact, các thiết bị hiển thị như màn hình phát xạ CRT, màn hình LED…vv.
Các loại vật liệu huỳnh quang cổ điển nhất là các khoáng chất sẵn có trong tự
nhiên như ZnS, ZnO, SnO2…vv. Với quá trình tiến hóa của các thiết bị chiếu
sáng nói chung thì hiện nay thế giới đang tiếp tục phát triển công nghệ chiếu
sáng LED (dựa trên công nghệ chiếu sáng rắn) nhằm thay thế các nguồn sáng
truyền thống cách đây vài thập kỷ như đèn sợi đốt, đèn halogen, đèn metal
highlight và gần đây nhất là đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact. Trước
đây, đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact hiệu suất cao sử dụng các bột ba
phổ như đỏ, xanh lục, xanh lam để phối trộn tạo ra ánh sáng trắng có hiệu suất
tương đối cao và tiết kiệm được khá nhiều năng lượng dành cho chiếu sáng. Tuy
nhiên các loại bột huỳnh quang này sử dụng chủ yếu là các ion đất hiếm trên nền
các hợp chất oxit do vậy về mặt giá thành thì các loại bột này khá cao và không
thân thiện với môi trường. Mặt khác nữa là khi sử dụng trong đèn huỳnh quang

và huỳnh quang compact vẫn còn một lượng dư tia tử ngoại ở bước sóng 185nm
và 254nm (do phát xạ của hơi Hg) nên rất ảnh hưởng tới sức khỏe người sử
dụng cũng như môi trường xung quanh.
Khi công nghệ chiếu sáng LED phát triển nhất là với các khám phá ra điốt
phát quang ánh sáng xanh lam (các tác giả nhận giải Nobel Vật lý năm 2014) thì
6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

công nghệ chiếu sáng LED phát triển với tốc độ rất nhanh. Thay vì sử dụng
nguồn kích thích tử ngoại năng lượng cao, nguy hiểm thì các LED hiện nay sử
dụng ánh sáng kích thích trong vùng tử ngoại gần (NUV) hoặc xanh lam và
thậm chí cả vùng ánh sáng xanh lục và cho hiệu suất phát xạ cao. Các bột huỳnh
quang sử dụng cho LED thường là bột YAG:Ce nên giá thành cũng khá cao và
trong thành phần vẫn thiếu vùng ánh sáng đỏ nên hệ số trả màu (Ra) còn tương
đối thấp nên hình ảnh dưới ánh sáng của loại LED này không được trung thực.
Các nỗ lực nghiên cứu gần đây nhằm giảm giá thành LED, sử dụng các loại
vật liệu rẻ tiền hơn tạo ra các LED có chất lượng cao hơn cũng đang được thực
hiện. Trong đó việc thay thế các vật liệu nền rẻ tiền hơn, nguồn tạp chất rẻ hơn
là một xu thế lựa chọn tất yếu.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn vật liệu nền kẽm aluminate
(ZnAl2O4) pha tạp, đồng pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp như Cu2+, Mn4+
nhằm tạo ra dải phát xạ ánh sáng trắng có hiệu suất cao, hệ số trả màu cao và giá
thành rẻ. Các kết quả nghiên cứu cũng được định hướng ứng dụng trong chế tạo
các LED chiếu sáng chuyên dụng trong nông nghiệp công nghệ cao.
Đề tài nghiên cứu được bố cục:
Mở đầu.

Nội dung:
Chương 1: Tổng quan về vật liệu
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Những kết quả của đề tài
Kết luận

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KẼM ALUMINATE

1.1. Cơ sở khoa học về vậtliệu nano
1.1.1. Giới thiệu
Gần đây các tinh thể bán dẫn kích thước nano đã được nghiên cứu rất rộng
rãi trên thế giới. Sở dĩ vật liệu này thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu là
do khi ở kích thước nano, vật liệu thể hiện những tính chất mới, ưu việt mà vật
liệu kích thước lớn (dạng khối) không thể có được. Nguồn gốc dẫn đến các tính
chất khác biệt nói trên của vật liệu có cấu trúc nano cho đến nay đã được nghiên
cứu sâu rộng và nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi các tính chất đó được giải
thích trên cơ sở một số mô hình khác nhau như hiệu ứng giam giữ lượng tử, hiệu
ứng bề mặt...vv.
1.1.1.1. Vật liệu nano
Vật liệu nano là loại vật liệu với ít nhất một chiều có kích thước nanomet (1
- 100 nm), bao gồm các đai nano, dây và ống nano, hạt nano. Ở kích thước nano,
vật liệu sẽ có những tính chất đặc biệt, độc đáo (thể hiện những tính chất lý hóa
khác hẳn so với vật liệu khối cùng loại) do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện

tích bề mặt. Dựa vào hình dạng, có thể phân thành các loại vật liệu nano sau
(hình 1.1):

Hình 1.1. Các loại vật liệu nano: (0D) hạt nano hình cầu, cụm nano; (1D) dây, thanh
nano; (2D) màng, đĩa và lưới nano; (3D) vật liệu khối

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

- Vật liệu nano không chiều (0D): vật liệu có cả 3 chiều ở kích thước
nanomet, không có chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ như đám nano
(nanocluster), hạt nano…
- Vật liệu nano một chiều (1D): vật liệu có hai chiều ở kích thước nanomet,
điện tử chuyển động tự do trong một chiều, ví dụ như dây nano, ống nano….
- Vật liệu nano hai chiều (2D): vật liệu có một chiều ở kích thước nanomet,
điện tử có thể chuyển động tự do trong hai chiều, ví dụ như: màng nano, tấm
nano….
- Vật liệu khối (3D): là vật liệu không có giới hạn về kích thước, điện tử
chuyển động gần tự do.
Trong thực tế, có những loại vật liệu có cấu trúc hỗn hợp, trong đó chỉ có
một phần vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó là sự tổ hợp của vật
liệu nano không chiều, một chiều, hai chiều.
1.1.1.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử
Khi kích thước hạt giảm xuống xấp xỉ bán kính Bohr của exciton thì xảy ra
hiệu ứng giam giữ lượng tử (Quantum confinement effect), khi đó các trạng thái
điện tử cũng như các trạng thái dao động của các hạt tải trong hạt nano bị lượng

tử hóa. Sự thay đổi cấu trúc điện tử dẫn đến sự thay đổi, mở rộng bề rộng vùng
cấm của các chất bán dẫn khi kích thước hạt cỡ nanomet, dẫn tới các hiện tượng
dịch chuyển về phía năng lượng cao (Blue shift) trong phổ hấp thụ khi kích
thước hạt giảm và dịch chuyển về phía năng lượng thấp (red shift) khi kích
thước hạt tăng. Các trạng thái bị lượng tử hóa ở cấu trúc nano sẽ quyết định tính
chất điện, quang của cấu trúc đó. Hiệu ứng giam giữ lượng tử có thể được mô tả
một cách sơ lược như sau: trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử trong vùng
dẫn (và các lỗ trống trong vùng hoá trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể,
do lưỡng tính sóng-hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng
tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nanomet. Nếu kích
thước của khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt
9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

tải điện bị giam trong khối này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển
động trong một hộp thế (potential box). Nghiệm của phương trình Schrodinger
trong trường hợp này là các sóng dừng bị giam trong giếng thế và năng lượng
tương ứng với hai hàm sóng riêng biệt, khác nhau và gián đoạn. Sự chuyển dời
của hạt tải điện giữa hai mức năng lượng gián đoạn nêu trên sẽ gây ra quang phổ
vạch. Hệ hạt khi đó được gọi là hệ bị giam giữ lượng tử.
Trong phân tử điện tử tồn tại ở các trạng thái định xứ gián đoạn. Trong khi
đó ở bán dẫn khối, số lớn của quỹ đạo phân tử tạo nên một vùng trạng thái điện
tử liên tục. Ở trạng thái điện tử cơ bản của vùng hóa trị (VB), số điện tử chuyển
động lên trên và xuống dưới là cân bằng do đó không hình thành dòng dẫn. Để
cho bán dẫn dẫn điện, các điện tử phải được kích thích từ VB đến các trạng thái
kích thích ở vùng dẫn (CB). Trong các chất bán dẫn, vùng dẫn và vùng hóa trị

của bán dẫn được phân tách bởi vùng cấm. Khe năng lượng giữa đỉnh vùng hóa
trị hoặc quĩ đạo phân tử bị chiếm giữ cao nhất (HOMO) và đáy của vùng dẫn
hay quĩ đạo phân tử không bị chiếm giữ thấp nhất (LUMO) được gọi là vùng
cấm. Sự kích thích quang hoặc nhiệt có thể kích thích điện tử lên vùng dẫn và
tạo ra lỗ trống ở vùng hóa trị. Trong điều kiện kích thích nhất định, có thể hình
thành nên các dòng chuyển dời một chiều của điện tử và như vậy có thể tạo ra
dòng điện dẫn.
Năng lượng vùng cấm là một đại lượng hết sức quan trọng bởi vì giá trị của
nó quyết định độ dẫn điện và năng lượng hấp thụ quang học của vật liệu [49].
Các hạt nano bán dẫn được xem như nằm ở giữa giới hạn mật độ gián đoạn của
nguyên tử/phân tử và mật độ liên tục của tinh thể khối (hình 1.2), khe HOMOLUMO tăng trong các nano tinh thể bán dẫn có thước nhỏ hơn, dẫn tới độ rộng
hiệu dụng của vùng cấm và khả năng ôxy hóa khử tăng khi kích thước giảm như
là hệ quả của hiệu ứng kích thước lượng tử. Sự tăng độ rộng vùng cấm đã được
Wang và Herron giải thích chi tiết. Trong bán dẫn khối, điện tử và lỗ trống liên
kết với nhau thông qua tương tác Coulomb và hình thành nên một exciton được
gọi là Mott-Wannier exciton.
10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ HẰNG

Hình 1.2. Mật độ trạng thái của nano tinh thể bán dẫn. Mật độ trạng thái bị gián đoạn ở
vùng bờ. Khoảng cách HOMO-LUMO tăng ở nano tinh thể bán dẫn khi kích thước nhỏ đi

Do đó việc xét đến tương tác điện tử này trong các tính toán về hiệu ứng
kích thước lượng tử là cần thiết. Mô hình mô tả định lượng hiệu ứng kích thước
lượng tử trên cơ sở gần đúng khối lượng hiệu dụng đã được Brus đưa ra giải
thích một cách chi tiết. Vùng cấm hiệu dụng của hạt nano được mô tả theo

phương trình (1.1).
2

Eg (NPs)= Eg (  ) +(
-

π2

)(

2R2

1

me

+

1

)

mh

1.8e

2

(1.1)

εR

Trong đó Eg (∞) là năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn (với ZnS, Eg~3,6
eV), me và mh là khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống, ε là hằng số điện
môi của bán dẫn khối. Khi R nhỏ, thừa số 1/R2có giá trị đáng kể và do đó độ
rộng vùng cấm tăng lên khi kích thước giảm. Hiệu ứng kích thước lượng tử
được thể hiện rõ ràng hơn khi kích thước (R) nhỏ hơn giá trị bán kính Bohr
exciton (aB) được tính bởi công thức:
2

a) = (
B

εε 0

e2

trong đó:

)(

1
me

+

1

(1.2)

mh

aB,e 

2

4πεε o
me q

2

;

aB,h 

2

4πεεo
mh q

2

11


Ở đây me, mh, ε, aB,e, aB,h tương ứng là khối lượng hiệu dụng điện tử, lỗ
trống, hằng số điện môi và bán kính Bohr excition của điện tử và lỗ trống.
Trong thực tế tùy thuộc vào độ lớn, có thể phân biệt thành ba trạng thái
giam giữ là: giam giữ yếu, trung bình và mạnh.
 Giam giữ mạnh: R < aB,e, aB,h

 Giam giữ trung bình (trung gian): aB,h< R < aB,e
 Giam giữ yếu: R > aB,e, aB,h
Sự giam giữ yếu: Trong trường hợp R > aB,e, aB,h. Khi đó năng lượng liên
kết của exciton lớn hơn năng lượng giam giữ riêng rẽ của điện tử và lỗ trống. Rõ
ràng, đây là trường hợp đối với vật liệu khối và vật liệu có kích thước nano lớn.
Sự giam giữ trung bình: Trong trường hợp aB,h< R < aB,e. Khi đó bán kính
của vật liệu nhỏ hơn bán kính Bohr của lỗ trống nhưng lớn hơn bán kính Bohr
của điện tử. Bởi vì khối lượng hiệu dụng của điện tử nhỏ hơn khối lượng hiệu
dụng của lỗ trống (me< mh).
Sự giam giữ mạnh: Trường hợp này xảy ra khi vật liệu có kích thước nano
rất nhỏ, nhỏ hơn cả hai giá trị bán kính Bohr của điện tử và lỗ trống, R < aB,e,
aB,h. Ở trạng thái này, tính chất quang của vật liệu bị ảnh hưởng mạnh bởi hiệu
ứng giam giữ lượng tử của điện tử và lỗ trống.
1.1.1.3. Hiệu ứng bề mặt
Khi các tinh thể bán dẫn có kích thước nanomet thì tỉ lệ phần trăm giữa số
nguyên tử ở trên bề mặt và số nguyên tử trong cả hạt nano trở nên rất lớn. Điện
tử và lỗ trống thường bị bẫy tại các trạng thái bề mặt này, dẫn đến sự liên kết
giữa điện tử - lỗ trốngvới phonon tăng. Các trạng thái bề mặt có ảnh hưởng yếu
đến năng lượng liên kết excition (excition energy), nhưng ảnh hưởng mạnh đến
lực dao động exciton. Lực dao động exciton được xác định bởi phương trình:
f 

2me
2

2

ΔE μ 2 U(0)

(1.3)

trong đó me là khối lượng điện tử, ΔE và μ là năng lượng chuyển tiếp và mômen
lưỡng cực chuyển tiếp, │U(0)│2 là hệ số chồng chập giữa hàm sóng của điện tử
và lỗ trống. Sự giam giữ điện tử và lỗ trống trong các hạt nano làm tăng sự
chồng chập không gian giữa hàm sóng của chúng do đó làm tăng năng lượng
liên kết, và lực dao động. Tiết diện hấp thụ của một hạt nano được xác định bởi
tỷ số giữa độ lớn của lực dao động và thể tích (fnp/V), với V là thể tích của hạt
nano bán dẫn, fnp lực dao động của các hạt nano bán dẫn. Khi R>> aB,│U(0)│2
phụ thuộc vào kích thước và lực dao động được xác định bởi mômen lưỡng cực
chuyển tiếp. Ở trạng thái giam giữ lượng tử mạnh (R < aB), lực dao động f vẫn
ít phụ thuộc vào kích thước hạt, bởi vì mặc dù sự chồng chập │U(0)│2 giữa điện
tử và lỗ trống tăng khi kích thước hạt nano giảm, trong khi hệ số μ thì ngược lại.
Tuy nhiên, ở trạng thái này sự hấp thụ exciton trở nên mạnh hơn vì tỉ số fnp/V
tăng khi kích thước hạt giảm và thay đổi theo tỉ lệ aB/R3 [185]. Đối với hạt có
kích cỡ nano, tỉ lệ phần trăm của nguyên tử ở trên hoặc ở gần bề mặt là lớn,
chẳng hạn một hạt có kích thước 1 nm thì 99 % nguyên tử ở bề mặt (bảng 1.1).
Sự tồn tại của mặt phân cách rất lớn giữa các hạt nano và môi trường xung
quanh, có thể gây nên những ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất của hạt. Bề mặt
không hoàn hảo của các hạt nano là nơi tồn tại nhiều liên kết đứt/gãy (dangling
bond) và sai hỏng có thể tạo ra các bẫy đối với điện tử và lỗ trống dưới tác động
của ánh sáng kích thích. Do có mật độ trạng thái cao, các trạng thái bẫy ở bề mặt
có thể tạo nên những mức năng lượng nằm trong vùng cấm và như vậy sự tồn tại
của các bẫy điện tử và lỗ trống này có thể làm thay đổi tính chất quang của nano
tinh thể.
Bảng 1.1. Mối liên hệ giữa kích thước và số nguyên tử ở tại bề mặt
K
íc
h

ST
ốỷ
ng
số


Hơn nữa sự tồn tạo của điện tử và lỗ trống ở các trạng thái bề mặt cũng có thể
dẫn đến các phản ứng quang hóa mạnh (đây chính là lý do tại sao các nano tinh
thể lại được nghiên cứu nhiều trong các ứng dụng làm vật liệu quang xúc tác).
Ví dụ, sự hiện diện của cặp điện tử và lỗ trống bị bẫy ở bề mặt có thể làm giảm
lực dao động exciton, do đó có thể làm thay đổi sự hấp thụ và huỳnh quang của
exciton. Nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự hấp thụ exciton đã bị khử (biến
mất) khi cặp điện tử - lỗ trống bị bẫy và hồi phục khi cặp điện tử – lỗ trống phân
rã. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng một cặp điện tử – lỗ trống bị bẫy có thể
khử hoàn toàn sự hấp thụ exciton của cả một đám hạt (clusters). Do đó, sự tồn
tại đương nhiên của một tương tác mạnh giữa cặp điện tử-lỗ trống bị bẫy và
exciton chính là nguyên nhân gây ra tổn hao lực dao động exciton. Hoạt động
của trạng thái bề mặt nằm ở bên trong vùng cấm, cũng giống như các mức tạp ở
trong vùng cấm của vật liệu khối, sẽ ảnh hưởng mạnh đến tính chất vật lý của
vật liệu.
1.2. Tình hình nghiên cứu về điốt phát quang ánh sáng trắng

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý tạo ra ánh sáng trắng kích thích bằng nguồn LED tử ngoại kết
hợp với 3 loại bột RGB (1) và sử dụng nguồn LED xanh lam kích thích bột màu vàng (2)

Trong những năm gần đây, điốt phát quang ánh sáng trắng (WLED) với
hiệu suất phát quang ngày càng cao và giá thành ngày càng rẻ đang dần thay thế
các đèn sợi đốt truyền thống, đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact bởi
nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ ổn định và tuổi thọ cao.

Các WLED hiện nay chủ yếu được chế tạo bằng cách sử dụng chip LED
xanh lam (Blue-InGaN) kết hợp với bột huỳnh quang màu vàng Y3Al5O12: Ce3+
(YAG: Ce) (hình 1.3 (2)) hoặc sử dụng các chip LED tử ngoại gần kích thích
các hỗn hợp các bột huỳnh quang đơn sắc đỏ - xanh lục - xanh lam (RGB) (hình
1.3 (1)) [1-8]. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, hầu hết tất cả các loại bột
huỳnh quang đang được sử dụng được phát triển trên cơ sở các vật liệu nền pha
tạp đất hiếm (Eu, Ce, Tb…vv) dẫn tới giá thành rất cao. Chính vì vậy, gần đây,
một xu hướng mới trong nghiên cứu các loại bột huỳnh quang đã được đặt ra, đó
là nghiên cứu các loại bột huỳnh quang không pha tạp đất hiếm sử dụng trong
WLED nhằm thay thế các loại bột huỳnh quang pha tạp đất hiếm.
1.3. Khoáng chất Gahnite tự nhiên (Kẽm aluminate spinel (ZnAl2O4))
Gahnite, ZnAl2O4, là một khoáng vật quý hiếm thuộc nhóm spinel (hình
1.4). Nó tạo thành các tinh thể hình bát giác có thể có màu xanh lục, xanh lam,
vàng, nâu hoặc xám. Nó thường hình thành như một sản phẩm thay đổi của
sphalerit trong các mỏ sunfua thay đổi lớn như tại Broken Hill , Australia. Nó
được mô tả lần đầu tiên vào năm 1807 cho một sự xuất hiện trong mỏ Falu,
Pháp, Dalarna, Thụy Điển, và được đặt tên theo nhà hóa học người Thụy Điển,
Johan Gottlieb Gahn (1745–1818), người phát hiện ra nguyên tố mangan. Đôi
khi nó được gọi là spinel kẽm.

Hình 1.4. Ảnh khoáng chất gahnite tự nhiên




Công thức hóa học ZnAl2O4



Cấu trúc tinh thể: Lập phương



Nhóm tinh thể: Hexoctahedral (m3m); H-M symbol: (4/m 3 2/m)



Nhóm không gian: Fd3m



Màu đặc trưng của khoáng: Xanh lục đậm, xanh lục, xanh lam đến

chàm,
vàng đến nâu



Độ cứng (thang Mohs): 7.5-8.0
Trọng lượng riêng: 4.38-4.60



Tính chất quang học: đẳng hướng



Chiết suất: n = 1.79–1.80

Các spinels có khả năng phân bố lại các cation của chúng trên các vị trí
không có tính chất tinh thể hóa đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ nhiều nhà
khoa học. Cấu trúc spinel lập phương (nhóm không gian Fd3m) được đặc trưng
bởi các mảng nguyên tử oxy liên kết chặt với một phần tám diện tích tứ diện và
một nửa diện tích bát diện bị chiếm bởi các cation dị phân (Hình 1.5).
Để lộ ra vị trí định xứ ở cấp độ nguyên tử, công thức cấu trúc của các nhóm
2-3 spinel thuộc loại M12 + M22 3 + O4 (trong đó 2-3 tham chiếu đến các ngưỡng
của cation M1 và M2) có thể được viết là (M11- M2) [M1M22-]O4,
trong đó
dấu ngoặc đơn và dấu ngoặc vuông bao quanh cation hoặc là tứ diện (A) hoặc
bát diện [B] phối hợp với anion oxy, tương ứng.  được gọi là góc nghịch
đảo
được coi là phần của (A) các vị trí bị chiếm đóng bởi cation hóa trị ba. Hợp chất
spinel với  =0 được ký hiệu là spinels bình thường, trong khi những hợp
chất có =1/4 được gọi là spinel nghịch đảo hoàn toàn. Giá trị của rd =2/3
tương ứng với sự phân bố ngẫu nhiên các cation trên các vị trí (A) và [B ]. Cũng
phải thừa
nhận rằng các đặc tính hóa lý của spinel được xác định bởi phần lớn theo mức
độ nghịch đảo của chúng. Như vậy, một sự hiểu biết chi tiết về các hàm chức
năng của spinel dựa trên đặc tính phân bố cation của chúng.


Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của ZnAl2O4

Trong trạng thái cân bằng của kẽm aluminat (ZnAl2O4, gahnite) có cấu trúc
của một spinel bình thường (c =0) với công thức hóa học tinh thể sau
đây:
(Zn)[Al2]O4. ZnAl2O4 thu hút được sự chú ý đáng kể bởi một số ứng dụng đa
chức năng của chúng như chất xúc tác, trợ xúc tác, màng dẫn trong suốt với tia
UV, cảm biến, vật liệu cách điện, vật liệu phát quang.

Kẽm aluminate (ZnAl2O4) spinel là bán dẫn vùng cấm rộng, đã được sử
dụng rộng rãi như là chất xúc tác hoặc hỗ trợ trong nhiều phản ứng xúc tác do độ
ổn định nhiệt cao, nồng độ axit bề mặt thấp và kỵ nước [9-11]. Với độ rộng vùng
cấm 3.8 eV, vật liệu này cũng đã được ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử
như màng dẫn điện trong suốt, màng mỏng hiện thị điện quang
(electroluminescence thin film displays), màn hình hiển thị phẳng và cảm biến
[12, 13].

Cụ thể, các nghiên cứu trước đây về họ mạng nền spinel AB2O4

(A=Zn, Mg; B = Al, Ga) pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Al, Cu, Mn và đất
hiếm Eu, Tb, Ce, Dy đã cho thấy tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này trong
công nghệ chiếu sáng rắn [14-20].
Năm 2015, trên tạp chí Scientific Reports 5, Wang và các đồng nghiệp đã
chế tạo thành công vật liệu nano huỳnh quang ZnAl2O4 bằng phương pháp sol-


gel sử dụng các loại muối nhôm khác nhau như: AlCl3∙6H2O, Al2(SO4)3∙18H2O
và Al(NO3)3∙9H2O. Kết quả nghiên cứu cho thấy thành phần pha, kích thước
hạt, hình thái bề mặt và tính chất quang của vật liệu chế tạo được phụ thuộc
vào các loại muối nhôm sử dụng. Kết quả cũng cho thấy giá trị độ rộng vùng
cấm của ZnAl2O4 tăng khi kích thước hạt giảm. Ngoài ra, nhóm tác giả cũng
đưa ra mô hình chuyển mức năng lượng của ZnAl2O4 tương ứng khi sử dụng
các muối khác nhau [21].

Hình 1.6. Cơ chế phát quang của bột ZnAl2O4 được chế tạo bởi các muối

(S1)Al2(SO4)3∙18H2O, (S2) AlCl3∙6H2O, và (S3) Al(NO3)3∙9H2O.

Gần đây (trên tạp chí Materials and Design 115 (2017)), Zhang và các đồng

nghiệp đã công bố chế tạo được bột huỳnh quang ZnAl2O4: Cr3+ cho phát xạ
mạnh trong dải bước sóng từ 650-750 nm khi được kích thích trong một dải kích
thích rất rộng từ 389-546 nm (hình 1.7) [22]. Kết quả này có thể được xem như
là một kết quả mở hướng mới cho thấy chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng cả
bước sóng tử ngoại và xanh lam để kích thích ZnAl2O4 cho phát xạ trong vùng
nhìn thấy. Điểm quan trọng ở đây là ở chỗ, dải phát xạ của ZnAl2O4 nằm trong
khoảng bước sóng 650-750 nm, chính là vùng bước sóng còn thiếu của bột
huỳnh quang thương mại YAG. Do đó, theo dự đoán của chúng tôi sự kết hợp
của hai loại bột huỳnh quang YAG và ZnAl2O4 khi pha tạp các kim loại chuyển
18


tiếp, có thể tạo ra một loại bột huỳnh quang mới có thể kích thích tốt bằng cả
nguồn kích tử ngoại và xanh lam (UV-blue) cho phổ phát xạ rộng và có hệ số trả
màu CRI cao.

Hình 1.7. Phổ kích thích huỳnh quang (a) và phổ huỳnh quang của tinh thể ZnAl2O4:
Cr3+
tổng hợp tại 200oC (b) [21].

Trong các ion kim loại chuyển tiếp được nghiên cứu rộng rãi nhất thì Cu,
Mn là hai loại ion được sử dụng làm các tâm phát quang trong nhiều mạng nền
khác nhau như: ZnS, ZnO, YAG, MgAl2O4, BAM, K2Ge4O9, K2SiF6,
Ca3Si2O7…vv. Ion Cu2+ trong các mạng nền khác nhau thường cho phát xạ
màu xanh lục (từ 500-560nm) đặc trưng liên quan đến các chuyển mức năng
lượng của ion Cu2+ trong các mạng nền đó. Đối với tạp Mn, trong hầu hết các
19


mạng nền ion Mn2+ cho phát xạ màu xanh lục ~ 520nm (xem hình 1.6) (trong

nền ZnS pha tạp

20


Mn2+ cho phát xạ vàng cam 570-580nm), tuy nhiên với ion Mn4+ trong các
mạng nền như YAG, MgAl2O4, BAM, K2Ge4O9, K2SiF6, Ca3Si2O7 cho phát xạ đỏ
- đỏ xa với hiệu suất quang rất cao và có thể hấp thụ kích thích dải rộng từ vùng
tử ngoại gần (NUV) đến vùng ánh sáng khả kiến (xanh lam –blue; xanh lục –
green) (xem hình 1.8-1.10). Do vậy việc kết hợp hai loại tạp chất Cu2+ và Mn4+
có thể nhận được một dải phát xạ từ xanh lục đến vùng hồng ngoại gần.

Hình 1.8. Phổ kích thích huỳnh quang và phổ huỳnh quang của bột ZnAl2O4:Mn2+

Hình 1.9. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang của ion Mn4+ trong mạng
nền
Sr2MgAl22O36 và CaAl22O19.

21


Hình 1.10. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang của ion Mn4+ trong
mạng nền K2SiF6

K2SiF6:Mn4+ nhận hấp thụ kích thích mạnh trong vùng NUV và vùng ánh sáng
xanh lam 460 nm. Kích thích tại 460nm thường sử dụng chip Blue LED.

22

Chương 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu
Để chế tạo bột huỳnh quang ZnAl2O4 đồng pha tạp Cu2+, Mn4+ chúng tôi
sử dụng phương pháp đồng kết tủa.
* Vật liệu nguồn
-Muối Zn(COOCH3)2.2H2O

(độ sạch >99% )

- Muối Al(NO3)3.9H2O

(độ sạch >99% )

- Muối Mn(NO3)2·4H2O

(độ sạch >99% )

- MuốiCu(NO3)2.3H2O

(độ sạch >99% )

- Dung dịch NH4OH.
- Nước tách ion
* Quy trình công nghệ chế tạo mẫu

Hình 2.1. Quy trình tổng hợp bột ZnAl2O4 đồng pha tạp Cu2+ và Mn4+ bằng phương pháp
đồng kết tủa
23

Bước 1 :Ban đầu, muối Zn(COOCH3)2.2H2O và Al(NO3)3.9H2O theo tỷ lệ
nhất định được hòa tan trong nước tách ion với tỷ lệ vừa đủ tạo thành dung dịch
(A).
Bước 2 : Các nguồn tạp Mn(NO3)2·4H2O, muối Cu(NO3)2.3H2O được hòa
tan trong nước tách ion tạo thành dung dịch (B).
Bước 3:Sau khi hòa tan hoàn toàn thì các dung dịch (A) và (B) được trộn
lại thành hỗn hợp dung dịch (C). Dung dịch (C) được khuấy trộn bằng máy
khuấy từ trong khoảng thời gian 1 giờ sao cho tạo thành dung dịch đồng nhất.
Sau đó sử dụng dung dịch NH4OH để kết tủa, kiểm tra độ pH của dung dịch sao
cho kết tủa xảy ra hoàn toàn.
Bước 4:Kết tủa màu trắng thu sau phản ứng được lọc rửa nhiều lần bằng
nước khử ion, sau đó sấy sơ bộ tại nhiệt độ 150oC trong thời gian 3 giờ. Bột sau
sấy sơ bộ được xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau trong môi trường không
khí để hình thành mạng nền ZnAl2O4.
Trong các phản ứng xảy ra trong quá trình xử lý nhiệt, phản ứng oxi hóa của
Mn2+ tạo thành Mn4+ được thể hiện như sau:
Mn(NO3)2+2NH4OH = Mn(OH)2+2NH4NO3

(2.1)

Mn(OH)2 = MnO + H2O

(2.2)

2Mn(OH)2 + O2

2MnO2 + 2H2O

(2.3) (t >300oC)

2.2. Các phương pháp khảo sát đặc trưng cấu trúc và tính chất quang của
vật liệu sau chế tạo
Để nghiên cứu hình thái bề mặt, các đặc trưng cấu trúc và tính chất quang
của vật liệu tổng hợp được, chúng tôi sử dụng các phương pháp phân tích sau:
Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (Field Emission Scanning Electron
Microscopy: FESEM) được sử dụng để nghiên cứu hình thái bề mặt của nano
tinh thể ZnAl2O4: Cu, Mn tổng hợp được. Kết quả phân tích được thực hiện trên

24


hệ đo FESEM-JEOL/JSM-7600F tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ
(AIST) Đại học Bách khoa Hà nội (hình 2.2).

25