Nghiên cứu chế tạo và tính chất huỳnh quang của vật liệu nano sno2 eu3

VŨ THỊ TRÀ

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU

Vũ Thị Trà

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT

HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU NANƠ SnO2:Eu3+

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
KHÓA ITIMS - 2007

KHOÁ ITIMS-2007

HÀ NỘI - 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Vũ Thị Trà

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT

HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU NANÔ SnO2:Eu3+

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
KHÓA ITIMS - 2007

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN NGỌC KHIÊM

HÀ NỘI - 2009


Lời cảm ơn
Để hồn thành luận văn, tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các
thầy, các anh chị và các bạn.
Tôi xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của TS. Trần Ngọc
Khiêm là thầy giáo hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Thầy đã
nhiệt tình chỉ bảo từ khi tơi bắt đầu tham khảo tài liệu, tiến hành thực
nghiệm đến việc viết luận văn.
Xin cảm ơn các anh chị trong nhóm đã truyền đạt kinh nghiệm và
giúp tơi trong việc tìm tại liệu cũng như giải quyết các vấn đề thực
nghiệm.
Cảm ơn ban lãnh đạo cũng như toàn bộ nhân viên của Viện ITIMS đã
tạo điều kiện về trang thiết bị cũng như thời gian ngồi hành chính để
tơi có thể hồn thành sớm phần thực nghiệm.
Cảm ơn các bạn trong lớp đã đoàn kết, giúp đỡ và cung cấp thông
tin học tập cũng như tài liệu khi tôi ở xa nơi học.
Cảm ơn những người thân, gia đình đã giúp đỡ về mặt tinh thần để
tơi có thể đi đến đích và hồn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Tác giả

VŨ THỊ TRÀ


Mục lục
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
I.1. Vật liệu SnO2 ............................................................................................................................................................ 3
1.1 . Đặc trưng cấu trúc và tính chất .......................................................................... 3
1.1.1. Cấu trúc tinh thể .................................................................................................. 3
1.1.2. Tính chất ............................................................................................................. 4
1.2 Một vài ứng dụng của vật liệu SnO2 .................................................................... 5
1.2.1 Tính chât của nanơ dây SnO2 và khả năng ứng dụng .......................................... 5
1.2.2 Nanô hạt, màng và linh kiện điện huỳnh quang .................................................. 8
I.2. Ion đất hiếm ........................................................................................................ 17
2.1 Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm ................................................................... 17
2.2 Sự tách mức năng lượng của các ion tạp .............................................................. 19
2.3 Sự phát xạ của các ion đất hiếm............................................................................ 22
2.4 Các dịch chuyển phát xạ và không phát xạ của các ion đất hiếm ......................... 23
2.5 Sự dập tắt huỳnh quang........................................................................................ 24
2.6 Ion Europium ........................................................................................................ 25
I.3 Sự truyền năng lượng từ mạng nền SnO2 sang Eu3+ ....................................... 26

Chương II. THỰC NGHIỆM
II.1 Phương pháp chế tạo vật liệu............................................................................ 32
2.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu đang được sử dụng ................................ 32
2.1.1. Phương pháp sol-gel ......................................................................................... 32
2.1.2. Phương pháp nhiệt thủy phân ........................................................................... 39
2.2. Chế tạo vật liệu phát huỳnh quang SnO2 pha tạp Eu3+ .................................... 42
2.2.1. Hóa chất và thiết bị ........................................................................................... 42
2.2.2. Chế tạo vật liệu nền SnO2 ................................................................................. 43
2.2.3. Chế tạo vật liệu SnO2:Eu3+ ............................................................................... 46

II.2. Các phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu ......................................... 49
2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................................. 49
2.2. Phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt qua ảnh SEM.................................... 50
2.3. Hiển vi điện tử truyền qua TEM .......................................................................... 51
2.4. Phổ huỳnh quang PL ............................................................................................ 53
2.5. Phổ kích thích huỳnh quang PLE ........................................................................ 54


Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
III.1 Khảo sát cấu trúc và kích thước tinh thể............................................................. 56
3.1. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt ................................................................ 56
3.2. Ảnh hưởng của q trình xử lý nhiệt ................................................................... 56
III.2 Phân tích hình thái bề mặt (TEM) ....................................................................... 58
III.3. Huỳnh quang của vật liệu SnO2, SnO2:Eu3+ ...................................................... 60
3.1. Huỳnh quang của nanô tinh thể SnO2............................................................... 60
3.2. Phổ kích thích huỳnh quang của SnO2:Eu3+ .................................................... 60
3.3. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ ...................................................................... 62
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp và bước sóng kích lên tính chất huỳnh quang
của vật liệu ........................................................................................................ 65
3.3.2. Huỳnh quang phụ thuộc vào nhiệt độ thủy phân .............................................. 68
3.3.3. Huỳnh quang phụ thuộc vào thời gian thủy phân ............................................. 70
3.3.4. Huỳnh quang phụ thuộc vào nhiệt độ nung mẫu .............................................. 71
Kết luận
Tài liệu tham khảo


VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU
KHÓA ITIMS - 2007
Tên luận văn:

Nghiên cứu chế tạo và tính chất huỳnh quang
của vật liệu nanô SnO2:Eu3+
Tác giả

: VŨ THỊ TRÀ

Người hướng dẫn: TS. TRẦN NGỌC KHIÊM
Người nhận xét :
Tóm tắt luận văn :

Vật liệu SnO2 pha tạp Eu3+ được chế tạo bằng phương pháp nhiệt thủy
phân. Ban đầu SnCl4.5H2O được thủy phân trong mơi trường có xúc tác bằng
NaOH, sau đó Eu3+ được đưa vào dung dịch dưới dạng muối nitơrát. Dung
dịch được khuấy ở nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian 2giờ và được đưa
vào bình thủy nhiệt và được đặt ở các nhiệt độ khác nhau từ 120 oC tới 250 oC
trong khoảng thời gian từ 12 tới 100 giờ.
Các mẫu sau khi chế tạo được phân tích cấu trúc và xác định kích thước hạt
bằng phổ nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử truyền qua. Phổ kích thích
huỳnh quang và phổ huỳnh quang trong vùng nhìn thấy được đo để xác định
tính chất huỳnh quang của mẫu.
Từ kết quả đo phổ nhiễu xạ tia X và ảnh trên kính hiển vi điện tử truyền
qua TEM có thể xác định các hạt nano SnO2 và SnO2 pha tạp Eu3+ có cấu trúc
tinh thể và có kích thước hạt trung bình khoảng 5 nm.
Phổ huỳnh quang của nano SnO2 không pha tạp cho thấy một vùng phổ
rộng từ 430 tới 850 nm và có đỉnh ở 620 nm, nguyên nhân là do các sai hỏng
và các nút khuyết ôxy trong mẫu gây ra. Đối với các mẫu SnO2 pha tạp Eu3+ đã
quan sát thấy các đỉnh ở các bước sóng 579 nm, 590 nm, 615 nm, 649 nm....là
do sự chuyển rời từ trạng thái 5Do → 7Fj (j=0,1,2,3...) của SnO2:Eu3+. Cường
độ huỳnh quang mạnh nhất trên mẫu pha tạp 5% Eu3+ khi kích thích gián tiếp
(ở bước sóng 325 nm hoặc 345 nm) trên các mẫu được thủy nhiệt ở 180 oC

trong 22 giờ. Khi kích thích trực tiếp ở bước sóng 390 nm, cường độ huỳnh
quang mạnh nhất trên mẫu pha tạp 1% Eu3+.


INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE
FOR MATERIALS SCIENCE
BATCH ITIMS – 2007
Title of the MSc thesis:

Investigation of fabricated processes and luminescence
properties of SnO2:Eu3+ nano
Author

: VU THI TRA

Supervisor: Dr. TRAN NGOC KHIEM
Referees :
Abstract :
Eu3+ doped SnO2 nano-particles have been prepared by hydrothermal route.
Firstly, SnCl4.5H2O was dissolved in NaOH solution, after that, Eu3+ added solution
such as eurobium nitrate. After stirring at room temperature for 2 hours, the mixture
solution was caste in a Teflon-line stainless autoclave. The autoclave was sealed and
maintained at different temperature from 120 to 220 oC for 22 hours. After
fabricating, selected samples were annealed at different temperature from 0 to 800
o
C.
The crystal structure and mean particle size are identified by X-ray diffraction
spectroscopy (X-ray) and Transition Electrical Microscopy (TEM). Luminescence
spectroscopy from 350 to 700 nm was obtained upon excitation at 325 nm by He-Cd
laser and upon excitation by Xenon lamp.

The TEM and X-ray diffraction spectra can indicate that SnO2 powders were
completely crystallized and particle size vary from 5 to 12 nm.
Visible luminescence is observable in both the sample doped with Eu3+ and
without Eu3+, photoluminescence measurements of the SnO2:Eu3+ particles showed
red emission peaks located at 549, 590, 615, 649 nm corresponding to transition of
the 5D0 → 7Fj states (j = 0, 1,2,3,) of Eu3+ ions.
The optimal molar concentration for obtaining the highest luminescent intensity
was 1% mole Eu3+ if direct excitation at 390 nm (excitation on Eu3+ ions) and 5%
mole if indirect excitation at 325 or 345 nm (excitation on SnO2 substrate network).


Danh mục các hình vẽ và bảng biểu

Chương I: TỔNG QUAN
Hình 1.1. Mơ hình cấu trúc ơ đơn vị của vật liệu SnO2.
Hình 1.2. Phổ nhiễu xạ tia X của SnO2.
Hình 1.3. Các mặt phẳng cấu trúc của SnO2: Mặt (110) stoichiometric và mặt (110)
reduce.
Hình 1.4. Phổ huỳnh quang của dấy nanơ SnO2 tại nhiệt độ phịng.
Hình 1.5. Dây nanơ SnO2 với các hạt xúc tác Pd.
Hình 1.6. Cấu trúc linh kiện điện huỳnh quang một chiều dạng bột.
Hình 1.7. Cấu trúc linh kiện điện huỳnh quang xoay chiều chiều dạng bột.
Hình 1.8. Cấu trúc linh kiện điện huỳnh quang một chiều dạng màng.
Hình 1.9. Một số loại cấu trúc của linh kiện ACTFEL.
Hình1.10. Giản đồ năng lượng và cơ chế phát xạ ánh sáng của linh kiện ACTFEL.
Hình 1.11. Các hàm sóng 5s ; 5p và 4f của ion Ce3+.
Hình 1.12. Giản đồ mức năng lượng của một số ion đất hiếm.
Hình 1.13. Sơ đồ mức năng lượng của các điện tử 4f bị tách do tương tác với trường
tinh thể của mạng nền.
Hình 1.14. Sự phát huỳnh quang khi nồng độ pha tạp thấp và sự dập tắt huỳnh quang

do pha tạp với nồng độ cao.
Hình 1.15. Sơ đồ các mức năng lượng và các dịch chuyển quang trong ion Eu3+.
Hình 1.16. Phổ phát xạ λkt = 393 nm của SnO2:Eu3+-SiO2 với nồng độ SnO2 khác
nhau.
Hình 1.17. Phổ phát xạ λkt = 345 nm của Eu3+-SiO2 và SnO2:Eu3+-SiO2 với SnO2
10%.
Hình 1.18. Quá trình truyền năng lượng từ SnO2 sang ion Eu3+.
Bảng 1.1 Tính chất của một số vật liệu phát quang được sử dụng chế tạo linh kiện
ACTFEL hoạt động tại tần số 60Hz và hiệu điện thế 40V.
Bảng 1.2. Các ion nguyên tố đất hiếm hoá trị 3.

Chương II: THỰC NGHIỆM
Hình 2.1. Các sản phẩm thu được từ các quá trình solgel.
Hình 2.2. Bình Autoclave trong nhiệt thủy phân
Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo mẫu nanơ tinh thể SnO2 dạng hạt bằng nhiệt thủy phân.


Hình 2.4. Sơ đồ chế tạo nanơ tinh thể SnO2:Eu3+dạng hạt bằng nhiệt thủy phân.
Hình 2.5. Máy nhiễu xạ tia X.
Hình 2.6. Sơ đồ hình học tụ tiêu thu các cực đại nhiễu xạ tia X.
Hình 2.7. Mặt phản xạ Bragg.
Hình 2.8. Ảnh chụp máy đo SEM.
Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM.
Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang.
Hình 2.11. Sơ đồ khối hệ đo phổ kích thích huỳnh.
Bảng 2.1. Thể tích của Eu(NO3)3 0,1 M cho vào dung dịch tương ứng với nồng độ
pha tạp Eu3+
Bảng 2.2. Hệ mẫu SnO2:Eu3+ với nồng độ pha tạp Eu3+ thay đổi.
Bảng 2.3. Hệ mẫu SnO2:Eu3+ với nhiệt độ thủy phân thay đổi.
Bảng 2.4. Hệ mẫu SnO2:Eu3+ với thời gian thủy phân thay đổi.

Bảng 2.5. Hệ mẫu SnO2:Eu3+ với nhiệt độ nung thay đổi.

Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của SnO2 và SnO2 (PEG).
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X.
a. SnO2:Eu3+ 5%. 200 oC, 22giờ.
b. SnO2:Eu3+ 5%. 200 oC, 22giờ. Nung ở 400 oC, 2giờ (mẫu A).
c. SnO2:Eu3+ 5%. 200 oC, 22giờ. Nung ở 800 oC, 2giờ (mẫu B).
Hình 3.3: Ảnh TEM của mẫu SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ.
Hình 3.4: Ảnh TEM của SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ, nung 400 oC, 2giờ.
Hình 3.5: Ảnh TEM của mẫu SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ, nung 800 oC, 2giờ
Hình 3.6. Huỳnh quang của SnO2. λkt = 325 nm.
a. pH=5 (PEG). b. pH=7 (PEG). c. pH=12. d. pH=7.
Hình 3.7. Phổ kích thích huỳnh quang của mẫu SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ lấy tại
590 nm.
Hình 3.8. Phổ kích thích huỳnh quang của mẫu SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ lấy tại
615 nm.
Hình 3.9. Phổ huỳnh quang của SnO2(PEG) và SnO2:Eu3+ 5%, 200 oC, 22giờ. λkt =
464 nm.
Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC. λkt = 395 nm
Hình 3.11. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 5%, 180 oC, 22giờ.λkt=464 nm.


Hình 3.12. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 5%, 220 oC, 22giờ kích thích tại 345
nm.
Hình 3.13. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ. λkt 325 nm.
Hình 3.14. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 200 oC, 22giờ, nồng độ pha tạp thay đổi
từ 1 ÷ 10 %. λkt = 395 nm
Hình 3.15. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 200 oC, 22giờ, nồng độ pha tạp Eu3+
thay đổi từ 1÷10 %. λkt = 345 nm.

Hình 3.16. Phổ huỳnh quang SnO2:Eu3+, 200 oC, 22giờ, nồng độ pha tạp thay đổi từ
1÷10 %. λkt = 325 nm
Hình 3.17. Huỳnh quang của SnO2:Eu3+ phụ thuộc vào nồng độ pha tạp Eu3+. λkt =
345 nm.
Hình 3.18. Huỳnh quang của SnO2:Eu3+ phụ thuộc vào nồng độ pha tạp. λkt = 325
nm.
Hình 3.19. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 5%, 22giờ, nhiệt độ thủy phân thay đổi
từ 100 ÷ 220 oC. λkt = 464 nm.
Hình 3.20. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+, 5%, 22giờ, nhiệt độ thủy phân thay đổi
từ 100÷220 oC. λkt = 345 nm
Hình 3.21. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+, 5%, 22giờ, nhiệt độ thủy phân thay đổi
từ 100÷220 oC. λkt = 325 nm
Hình 3.22. Phổ huỳnh quang của SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, thời gian thủy phân thay
đổi từ 12÷100 giờ. λkt =325 nm
Hình 3.23.
a.
b.
c.

Phổ huỳnh quang kích thích ở 325 nm
SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ
SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ nung ở 400 oC, 2giờ
SnO2:Eu3+ 5%, 150 oC, 22giờ nung ở 800 oC, 2giờ

Hình 3. 24 Phổ huỳnh quang λkt = 345 nm
a. SnO2:Eu3+ 5%, 200 oC, 22giờ
b. SnO2:Eu3+ 5%, 200 oC, 22giờ. Nung ở 400 oC, 2giờ
c. SnO2:Eu3+ 5%, 200 oC, 22giờ. Nung ở 800 oC, 2giờ
Hình 3.25. Cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào nhiệt độ nung.
Bảng 3.1. Kích thước hạt tính theo cơng thức Sherrer của mẫu SnO2; SnO2 (PEG),

SnO2:Eu3+ 5%, 200 oC, 22giờ và mẫu A.
Bảng 3.2. Kích thước hạt tính theo cơng thức Sherrer B.
Bảng 3.3. Huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ của SnO2:Eu 3+ 5%, 150 oC, 100÷220 h.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Vũ Thị Trà
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT

HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU NANƠ SnO2:Eu3+
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
KHÓA ITIMS - 2007

HÀ NỘI - 2009


-1-

Mở đầu
Vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳng và rộng là vật liệu hiện đang được quan tâm
nghiên cứu cho công nghiệp chế tạo các linh kiện quang học như các linh kiện làm
việc trong vùng tử ngoại, các diode phát quang và laser diode. SnO2 là vật liệu bán
dẫn loại n với vùng cấm rộng (Eg = 3,6 eV ở 300 K) là một trong những loại vật liệu
được ứng dụng để chế tạo các bộ phận của linh kiện quang điện tử như điện cực dẫn,
lớp phủ trong suốt, pin mặt trời và vật liệu xúc tác. Sự khác nhau về kích thước hạt,
nồng độ các nút khuyết ôxy và tính chất điện của vật liệu SnO2 dạng khối và dạng
màng mỏng đã được nghiên cứu tương đối rộng rãi trong những năm gần đây và
được tập trung chủ yếu trong việc chế tạo các cảm biến khí và vật liệu xúc tác. Bên

cạnh đó, việc nghiên cứu tính chất huỳnh quang của loại vật liệu này cũng đã bắt đầu
được quan tâm nghiên cứu, một số báo cáo cho rằng những vùng phát xạ huỳnh
quang của SnO2 là từ 2,4 - 2,5 eV và 2,9 - 3,1 eV, bản chất của các vùng phát xạ
huỳnh quang này cho đến nay vẫn là những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu làm
sáng tỏ. Trong trường hợp thông thường, các nút khuyết ôxy hoạt động như các tâm
phát xạ và có vai trị cực kỳ quan trọng đối với tính chất huỳnh quang của vật liệu
bán dẫn ơxít kim loại.
Ơxít của các ngun tố đất hiếm như europium có rất nhiều tính chất quan trọng
và ứng dụng trong lĩnh vực quang điện, các linh kiện như dẫn sóng quang, lọc quang,
khuếch đại quang,... xa hơn nữa vật liệu pha tạp các nguyên tố đất hiếm (vật liệu
phospho) thì được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các màn hình hiển thị và các
đèn huỳnh quang. Eu3+ khi pha tạp vào trong vật vật liệu có một số đỉnh phát xạ
trong vùng ánh sáng nhìn thấy do vậy rất thích hợp ứng dụng chế tạo các linh kiện
điện huỳnh quang trong vùng nhìn thấy. Do vậy mục tiêu của chúng tôi trong luận
văn này là chế tạo thành cơng vật liệu nanơ SnO2:Eu3+ và nghiên cứu tính chất huỳnh
quang của chúng nhằm ứng dụng trong các linh kiện điện huỳnh quang.
Để chế tạo vật liệu nanô SnO2:Eu3+ hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau,
tổng hợp theo con đường hố học có các phương pháp như phương pháp sol-gel,
phương pháp đồng kết tủa, phương pháp nhiệt thuỷ phân. Phương pháp nhiệt thuỷ
phân có đặc điểm là có thể chế tạo được các hạt nanơ có kích thước đồng đều, có thể
điều khiển kích thước hạt, khơng cần xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao và phù hợp với các
điều kiện sẵn có của phịng thí nghiệm nên chúng tôi lựa chọn phương pháp nhiệt
thủy phân để chế tạo mẫu trong nghiên cứu luận văn này.


-2-

Để thực hiện việc nghiên cứu này chúng tôi tiến hành nghiên cứu theo 3 nội
dung sau:
Chương 1. Tổng quan về ơxít thiếc SnO2 và ion đất hiếm: Giới thiệu chung về cấu

trúc và tính chất của SnO2, các ion đất hiếm và cơ chế chuyển dịch và phát quang của
các ion đất hiếm.
Chương 2. Thực nghiệm: Trình bày những ưu điểm, cơ chế và quy trình cơng nghệ
của phương pháp sol-gel, nhiệt thủy phân để chế tạo vật liệu; các kỹ thuật thực
nghiệm để khảo sát cấu trúc và tính chất quang của vật liệu; quy trình chế tạo vật
liệu.
Chương 3. Kết quả và thảo luận: Trình bày một số kết quả về nhiễu xạ tia X, hiển vi
điện tử truyền qua TEM và các kết quả về phép đo huỳnh quang. Từ đó đưa ra một
số kết luận và đề xuất về triển vọng và hướng nghiên cứu tiếp.


-3-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
I.1. Vật liệu SnO2
1.1 Đặc trưng cấu trúc và tính chất
1.1.1. Cấu trúc tinh thể
Trong q trình nghiên cứu vật liệu, cấu trúc là một thông số quan trọng
quyết định đến tính chất vật lý và hố học [1]. Trong phần này chúng tôi đưa ra
một số đặc điểm chính của vật liệu SnO2. Hình 1.1 chỉ ra mơ hình cấu trúc ơ
đơn vị của vật liệu này.

Hình 1.1. Mơ hình cấu trúc ơ đơn vị của vật liệu SnO2
a. Mơ hình ơ đơn vị tetragonal
b. Mơ hình ơ đơn vị othorhobic: Đáy trên là mặt
stoichiometric, đáy dưới là mặt reduce

SnO2 có cấu trúc rutile tương tự như một số ơxít khác như TiO2, RuO2,
CrO2, VO2. Mỗi ô đơn vị tetragonal chứa 2 nguyên tử Sn chiếm vị trí (0,0,0)
và (1/2,1/2,1/2) và 4 ngun tử ơxy chiếm các vị trí ±(u,u,0) và ±(1/2+u,1/2u,1/2), trong đó u là thơng số nội có giá trị 0,307. Thơng số mạng a=b= 4,7384

Å và c= 3,1871 Å. Tỉ số c/a =0,6726. Liên kết giữa các nguyên tử là liên kết
ion mạnh.
Thông thường mặt được ưu tiên nhất là mặt (110) ứng với năng lượng bề
mặt nhỏ nhất, tiếp theo là các mặt (100), (101), (001). Nói chung, các nghiên
cứu thường tập trung vào mặt (110) của tinh thể SnO2. Theo hướng [110]


-4-

vng góc với mặt (110), cấu trúc pha rutile được xây dựng từ ba lớp (O), (2Sn
+ O), (O) xếp xen kẽ nhau. Cả ba lớp này đều có thể là lớp ngoài cùng của mặt
tinh thể. Cấu trúc đầy đủ như vậy gọi là cấu trúc stoichiometric (Hình 1.1b,
mặt trên). Tinh thể với cấu trúc stoichiometric hoàn chỉnh chỉ có thể được tạo
ra trong điều kiện vật liệu được ủ dưới áp suất cao của một khí ơxy hóa nào đó
chẳng hạn như O2, NO2, plasma ơxy. Nói chung, trên mặt SnO2 luôn tồn tại các
nút khuyết ôxy. Khi ủ lại mẫu có mặt stoichiometric trong chân khơng tới 650
K, các nguyên tử ôxy cầu nối mất đi, ta thu được mẫu có mặt (110) “reduced”
(Hình 1.1b, mặt dưới); ủ lại mẫu có mặt stoichiometric trong chân khơng tới
700 K sẽ có thêm nút khuyết của một số nguyên tử ôxy ở mặt bên trong và ta
thu được mặt sai hỏng [2].
Khi nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu SnO2 người ta thường sử dụng các
phương pháp phân tích thơng dụng là phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia
X. Hình 1.2 đưa ra phổ nhiễu xạ tia X điển hình của vật liệu này. Trên hình cho
thấy xuất hiện đỉnh phổ với cường độ mạnh nhất ở góc quét 2θ = 26,54o; 33,7o;
51,7o tương ứng với mặt phản xạ (110), (101) và (211) [3].

2θ (0)

Hình 1.2. Phổ nhiễu xạ tia X của SnO2 [3]

1.1.2. Tính chất
Cấu trúc hình học mặt (110) stoichiometric và mặt (110) reduce được mô


-5-

tả trên hìn 1.3. Khi các ngun tử ơxy bị mất, Sn4+ trở thành Sn2+ và thừa ra hai
điện tử, các điện tử này có độ phân cực cao hướng ra bề mặt. Sự dư thừa điện
tử Sn làm tăng nồng độ hạt dẫn (điện tử) trên vật liệu, kết quả là độ dẫn vật
liệu tăng và SnO2 trở thành bán dẫn loại n, bề rộng vùng cấm Eg= 3.6 eV.
Vậy bản chất mức donor trong
bán dẫn SnO2 loại n là các nút
khuyết ôxy, mức donor nằm ngay sát
vùng dẫn (cách vùng dẫn cỡ 0,003
đến 0,15 eV) nên hầu như bị ion hóa
hồn tồn ở nhiệt độ thấp [4].
Độ linh động của điện tử trong
ơxít SnO2 µ= 80 cm2/V.s ở 500K và
200 cm2/V.s ở 300K. SnO2 có độ ổn
định hố và nhiệt cao. Chính vì tính
ổn định hố và nhiệt cao mà vật liệu
SnO2 hiện đang được nghiên cứu
rộng rãi trong các ứng dụng làm cảm
biến khí.

Hình 1.3. Nhìn từ phía trên của
a. Mặt (110) stoichiometric
b. Mặt (110) reduce, trên mặt reduce
có sự co lại để đạt được tối ưu về
năng lượng.

1.2 Một vài ứng dụng của SnO2
2.104

và khả năng ứng dụng
a. Tính chất quang
Tính chất quang của một chất bán
dẫn liên quan đến cả hiệu ứng bên
trong và hiệu ứng bên ngồi. Phổ
huỳnh quang (PL) là một kỹ thuật
thích hợp để xác định chất lượng tinh
thể và sự có mặt của tạp chất cũng

Cường độ PL

1.2.1 Tính chất của nanơ dây SnO2

1,5.104

1.104

5000

05
400

450

500

550

600

650

700

750

800

Bước sóng
w nm(

Hình 1.4. Phổ huỳnh quang của dây
nanơ SnO2 tại nhiệt độ phịng [5]


-6-

như các trạng thái exciton. Hình 1.4 cho thấy phổ PL của dây nanơ SnO2 được
kích thích bằng nguồn laser He-Cd ở bước sóng 325 nm. Dây nanơ SnO2 phát
xạ mạnh bức xạ màu vàng với cường độ cực đại khoảng 570 nm. Bức xạ ở gần
bờ (cỡ 320 nm) thì khơng phát hiện được. Sự mở rộng của đỉnh phổ PL là kết
quả của sự chồng chập nhiều đường bức xạ (ít nhất là 2 đường), các nghiên
cứu cho thấy đó là sự chồng chập của hai đỉnh cơ bản tại 460 nm và 570 nm
[5].
Dựa vào phổ hấp thụ UV/Vis người ta xác định được bề rộng vùng cấm
của dây nanô SnO2 là 3,74 eV (tương ứng với bước sóng λ=1,24/E=331 nm).

Do đó hai đường PL có đỉnh ở 460 nm và 570 nm không thể do tái hợp trực
tiếp vùng- vùng, nghĩa là một điện tử dẫn nằm trong dải 4d của nguyên tử Sn
tái hợp với một lỗ trống nằm trong dải hóa trị 2p của O. Sự xuất hiện của 2
đỉnh PL có thể được giải thích như sau. Đỉnh 460 nm liên quan đến một mức
nông ( shallow energy level) mà các điện tử ở mức này thường kém ổn định
nhiệt. Khi nhiệt độ tăng lên trên 100 K thì các điện tử ở trạng thái này bị ion
hóa chuyển lên vùng dẫn và có thể tái hợp thơng qua chuyển mức khơng bức
xạ, vì vậy cường độ huỳnh quang sẽ giảm nhanh khi nhiệt độ tăng. Ngược lại,
đỉnh bức xạ tại 570 nm cho thấy ít phụ thuộc nhiệt độ, nó liên quan đến một
mức sâu nằm trong vùng cấm, các điện tử được kích thích đến trạng thái này
thường ổn định nhiệt và sẽ trở về trạng thái ban đầu thông qua các chuyển mức
bức xạ. Chuyển mức bức xạ dựa trên các mức sâu nằm trong vùng cấm này là
do các vị trí khuyết ơxy trên bề mặt. Sự vắng mặt của bức xạ gần bờ ( ∼ 331
nm) cho thấy ý nghĩa hết sức quan trọng của các trạng thái bờ mặt so với các
tính chất khối của dây nanơ [6].
b. Ứng dụng
SnO2 đang là vật liệu hứa hẹn đối với các thiết bị quang điện tử, thìết bị
dẫn điện trong suốt, và cảm biến khí. Đặc biệt SnO2 thể hiện tính chất nhạy
chọn lọc đối với các khí như CO, CO2, và NOx. Cũng như ZnO, SnO2 có thể


-7-

phát hiện khí khử và khí ơxy hố. Các nghiên cứu gần đây cho thấy cấu trúc
nanô của SnO2 cũng được sử dụng để phát hiện nhiều loại khí khác, vì vậy có
rất nhiều nghiên cứu về cảm biến khí dựa trên vật liệu SnO2. Cảm biến sử dụng
dây nanô đơn tinh thể SnO2 có nhiều ưu điểm hơn hẳn cảm biến ơxít màng
mỏng thơng thường: Nhiệt độ hoạt động thấp, rào thế tại các tiếp xúc cao, và tỷ
số bề mặt trên thể tích lớn.
Kolmakov cùng đồng nghiệp đã chế tạo một cảm biến khí dây nanơ SnO2

nhạy cao đối với H2 và O2 [7]. Họ đã lắng đọng các hạt Pd lên trên bề mặt của
các cấu trúc nanô làm xúc tác. Các hạt Pd này làm thay đổi bề mặt và động lực
hấp phụ ôxy, Pd là chất xúc làm tách rời ơxy, vì vậy làm tăng số ion ơxy có thể
được hấp thụ, kết quả này làm cho độ dẫn thay đổi nhiều hơn và thời gian đáp
ứng nhanh hơn. Sơ đồ quá trình hấp phụ có xúc tác Pd thể hiện ở hình 1.5a. Có
3 bước chủ yếu:
473 K

1.108

2
O-

O-

O- O- O- O-

H2 103 Torr

3
O2 O2

O-

5.107

I (A)

1

O2

O2

O2 103 Torr
“ON”

Rs
CV
`

EF

Rc

“OFF”

“OFF”

Pd/SnO2
SnO

0
100

(a)

“ON”

200

300

400

500

600
543 K

1.108

Pd/SnO2

(c)5.107

SnO2

Rs
(b)

VB

0
100

200

300

400

Time (sec)

Hình 1.5. Dây nanơ SnO2 với các hạt xúc tác Pd [7]

(1) Sự hấp phụ ion ôxy tại các vị trí khuyết của bề mặt dây nanô.
(2) Sự tách rời phân tử ôxy trên các hạt Pd sau đó lan rộng các phân tử này trên
ơxít.
(3) Sự bắt giữ tiếp các phân tử ôxy hấp phụ yếu bởi các hạt nanô Pd. Các phân
tử ôxy này khuếch tán dọc theo bề mặt của ơxít thiếc đến vùng lân cận của


-8-

hạt Pd (sau đó xảy ra q trình thứ 2), với RS trong hình 1.5b là bán kính
hiệu dụng của vùng lan rộng ơxy, và RC là bán kính vùng tập hợp. Hình
1.5c cho thấy độ nhạy khác nhau của cấu trúc nanô SnO2 và cấu trúc nanô
SnO2 sử dụng xúc tác Pd đối với ôxy và hyđrô.
1.2.2. Nanô hạt, màng SnO2 và linh điện huỳnh quang
Sự ra đời của linh kiện điện huỳnh quang (EL) là một trong những thành
tựu khoa học lớn nhất của thế kỷ 20. Trong những năm qua, vật lý và công
nghệ chế tạo linh kiện điện huỳnh quang phát triển nhanh chóng và có những
ảnh hưởng trực tiếp đến các lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ.
Hiệu ứng điện huỳnh quang được phát hiện vào năm 1936 [8] đó là hiệu
ứng phát sáng của vật liệu dưới tác động của điện trường. Xét về cơ chế phát
quang người ta chia ra làm hai loại linh kiện điện huỳnh quang: Thứ nhất đó là
các linh kiện phát quang dựa trên sự tái hợp của cặp điện tử-lỗng trống trong
tiếp giáp p-n (LED), loại thứ hai đó là các linh kiện mà ánh sáng phát ra do các
điện tử trong các tâm phát quang bị kích thích. Trong loại linh kiện này các

tâm phát quang đóng vai trị quyết định đến tính chất vật lý của ánh sáng phát
ra cũng như hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng quang của
linh kiện. Xét về cấu trúc, linh kiện điện huỳnh quang được chia làm bốn loại:
Linh kiện EL dạng màng mỏng điện áp xoay chiều (ac thin film EL devices),
dạng màng mỏng điện áp một chiều (dc thin film EL devices), dạng bột điện áp
xoay chiều (ac powder EL devices) và linh kiện dạng bột điện áp một chiều (dc
powder EL devices). Trong đó có hai loại linh kiện EL được quan tâm đến
nhiều đó là linh kiện EL dạng màng điện áp xoay chiều (vật liệu phát quang là
ZnS:Mn) dùng trong thiết bị hiển thị phẳng của máy tính xách tay và loại EL
xoay chiều dạng bột dùng làm lớp phản quang trong thiết bị hiển thị tinh thể
lỏng.
Trong linh kiện điện huỳnh quang, vật liệu phát quang đóng vai trò quan
trọng đến hiệu suất phát quang của linh kiện và nó cũng quyết định màu sắc


-9-

ánh sáng phát ra như: các vật liệu ZnS:Mn, SnS:TbOF, ZnS:Tb phát ra ánh
sáng màu xanh lá cây, SrS:Cu, SrS:Eu, ZnS:Cl phát ra ánh sáng đỏ còn đối với
SrS:Cu, Ga2S4:Ce cho ta ánh sáng màu xanh da trời [9].
Với hiệu ứng giam giữ lượng tử, năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn
phụ thuộc vào kích thước khi tinh thể có kích thước nanơ do vậy phổ quang
phát ra của vật liệu cũng phụ thuộc vào kích thước của tinh thể.
π 2 2  1

1 
1,8e 2


+

−
E = Eg +
2mo R 2  me* mh*  4πε o ε ∞ R

Trong những năm gần đây việc nghiên cứu các vật liệu có kích thước nanơ
đang thu hút được nhiều sự quan tâm trong nước và trên thế giới, người ta hy
vọng rằng sẽ tìm ra được những loại vật liệu cho phổ màu đa dạng hơn, hiệu
suất phát quang lớn hơn. Nanô tinh thể SnO2 được sử dụng như một mạng nền
để pha tạp europium là một trong những loại vật liệu được chế tạo ứng dụng
tốt cho những linh kiện điện huỳnh quang phát ánh sámg màu đỏ.
a. Linh kiện điện huỳnh quang một chiều dạng bột
Cấu trúc linh kiện điện huỳnh
quang một chiều dạng bột lần đầu tiên

Al

được đưa ra bởi Vecht [10]. Cấu trúc
gồm lớp phát quang dày 30-50 µm
được làm từ ZnS pha tạp trộn với chất
gắn kết rồi phủ lên đế ITO (Hình 1.6)

Vật liệu phát quang (30-50 nm)
Điện cực trong suốt

Đế thủy tinh

Đặc điểm của linh kiện là có độ ổn
định cao, phát sáng đồng đều, độ sáng Hình 1.6. Cấu trúc linh kiện điện huỳnh
500 cd/m2 với điện áp đặt vào ~100V. quang một chiều dạng bột.
Thời gian sống 1000-5000 giờ.

b. Linh kiện điện huỳnh quang xoay chiều dạng bột
Linh kiện điện huỳnh quang dạng này lần đầu tiên được phát triển bởi
Sylvania [8]. Đến bây giờ nó được ứng dụng làm ánh sáng tạo nền của màn


- 10 -

hình tinh thể lỏng.
Cấu trúc của linh kiện gồm lớp
phát quang là bột ZnS phân tán trong
chất điện mơi đóng vai trị như chất

Điện cực Al
Vật liệu phát quang (50-100 nm)

gắn kết. Lớp này dày cỡ 50-100 µm
được kẹp giữa hai điện cực. Giữa

Điện cực trong suốt

điện cực trong suốt ITO và lớp phát

Đế thủy tinh

quang được ngăn cách bởi một lớp
cách điện nhằm tránh sự đánh thủng Hình 1.7. Cấu trúc linh kiện điện huỳnh
điện mơi. Điện trường hoạt động của quang xoay chiều chiều dạng bột.
linh kiên này khoảng 106-107 V/m.
Màu ánh sáng phát ra được điều khiển bằng việc thay đổi vật liệu phát
quang. Ví dụ vật liệu ZnS pha tạp Cu, Cl phát ra ánh sáng màu xanh da trời

(blue có bước sóng ~460 nm) hoặc xanh lá cây (green có bước sóng ~510 nm)
phụ thuộc vào lượng Cl. Sự phát xạ điện
huỳnh quang này là do tái hợp donoraceptor DCl-ACu. Ưu điểm của loại linh
kiện này là dễ dàng điểu khiển màu ánh
sáng phát ra bằng việc thay đổi hợp chất
phát quang.
c. Linh kiện điện huỳnh quang một chiều
dạng màng mỏng
Cấu trúc gồm: Một lớp ITO dày 0,5
µm phủ lên trên đế thuỷ tinh, bên trên là

Al

Al

limiting
Lớp
hạn
Layer
dòng
MnO22

Lớp hạn
dòng
MnO2

Lớp bảo vệ
Vật liệu phát quang ZnS:Mn
Điện cực trong suốt

Đế thuỷ tinh

Hình 1.8. Cấu trúc linh kiện điện

lớp phát quang dày 1µm tiếp lên trên là huỳnh quang một chiều dạng màng.
lớp chắn điện tử có thể là vật liệu ZnSe


- 11 -

dày 0,1 µm. Hai điện cực nhơm dày 1 µm nằm trên lớp hạn dịng dày 15 µm
(Hình 1.8). Linh kiện dạng này có hiệu suất cỡ 0,8 lm/W, thời gian sống trên
20000 giờ [11].
d. Linh kiện điện huỳnh quang xoay chiều dạng màng mỏng (ACTFEL)
Linh kiện hiển thị điện huỳnh quang xoay chiều dạng màng mỏng
(ACTFEL) được cấu thành từ nhiều lớp màng mỏng khác nhau, mỗi lớp trong
đó có vai trị khác nhau trong q trình hoạt động của linh kiện. Linh kiện bao
gồm một lớp vật liệu huỳnh quang, một hay hai lớp điện môi, một điện cực
chắn sáng, một điện cực trong suốt và đế của linh kiện. Vị trí của các lớp màng
mỏng được bố trí như sau: Lớp phát quang nằm kẹp giữa một hay hai lớp điện
mơi mỏng, ngồi cùng là hai lớp điện cực. Mặt để ánh sáng truyền ra ngồi là
điện cực trong suốt thường là ITO cịn lớp điện cực kia thường là nhôm. Dưới
đây sẽ mô tả cụ thể các vật liệu được sử dụng trong từng lớp.
*Vật liệu làm lớp phát quang
Đây là lớp vật liệu quan trọng nhất trong linh kiện điện huỳnh quang. Lớp
phát quang trong linh kiện ACTFEL có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện
thành năng lượng ánh sáng. Các tính chất điện của linh kiện ACTFEL phụ
thuộc rất lớn vào bản chất lớp phát quang. Thông thường vật liệu sử dụng
trong linh kiện ACTFEL là vật liệu gồm chất phát quang nền có pha tạp các
ngun tố khác đóng vai trị làm các tâm phát quang. Vật liệu nền có vai trò

tạo nên mạng nền để các nguyên tử tạp thay thế vào đó. Có rất nhiều vật liệu
được nghiên cứu và sử dụng làm mạng nền của lớp vật liệu phát quang. Hầu
hết các vật liệu được sử dụng hiện nay là các vật liệu thuộc họ Sulfide.
Để tạo nên được màu sắc đa dạng linh kiện điện huỳnh quang phải phát ra
được ba màu cơ bản: Đỏ, xanh lá cây, xanh da trời. Các màu khác nhau được
tạo ra bởi các vật liệu phát quang khác nhau. Hai thông số quan trọng nhất của
vật liệu phát quang được sử dụng để chế tạo linh kiện điện huỳnh quang đó là
độ sáng và hiệu suất phát quang. Bảng 1.1 cho biết tính chất của một số vật


- 12 -

liệu phát quang được sử dụng chế tạo linh kiện ACTFEL hoạt động tại tần số
60Hz và hiệu điện thế 40V [12].
Bảng 1.1 Tính chất của một số vật liệu phát quang được sử dụng chế tạo linh kiện
ACTFEL hoạt động tại tần số 60Hz và hiệu điện thế 40V.
Màu
Xanh lá cây

Đỏ

Xanh da trời

Vật liệu
ZnS:Mn/lọc
ZnS:TbOF
SnS:Tb
ZnS:Mn/lọc
SrS:Cu
SrS:Eu

CaSSe:Eu
ZnS:Cl,Sm
SrS:Cu,Ag
SrS:Cu
SrS:Cu/lọc sáng
(Sr,Ca)Ga2S4:Ce

Độ sáng (Cd/m2)

Hiệu suất (lm/W)

160
100
90

1,0
1,0
0,6

70
91
31
25
12
20
52
26
7

0,8

0,5
0,18
0,25
0,8
0,15
0,13
0,15
0,12

*Vật liệu điện môi sử dụng trong linh kiện ACTFEL
Vai trị chủ yếu của các lớp điện mơi là bảo vệ lớp phát quang khỏi sự tăng
mạnh của dòng điện gây ra quá trình đánh thủng điện lớp phát quang. Ngồi ra,
các lớp điện mơi cịn gây ảnh hưởng lên lớp tiếp giáp giữa lớp điện môi và chất
phát quang - nơi tạo nên dòng điện gây ra sự phát quang của vật liệu, lớp điện
mơi cịn tác dung ngăn ngừa sự khuếch tán ion từ ngoài vào trong lớp phát
quang.
Một số yêu cầu cần thiết của lớp điện mơi trong linh kiện ACTFEL:
 Có hằng số điện mơi phù hợp
 Có điện trường đánh thủng lớn
 Số lượng lỗ và khuyết tật ít
 Bám dính tốt với điện cực và lớp phát quang
 Hệ số tổn hao nhỏ


- 13 -

*Điện cực trong suốt
Ánh sáng phát ra từ lớp phát quang được truyền qua lớp điện cực trong
suốt do vậy để linh kiện có hiệu suất cao thì điện cực này phải có hệ số hấp thụ
ánh sáng trong phổ khả kiến càng thấp càng tốt. Ngoài ra, vật liệu cũng phải

thoả mãn dẫn điện tốt và chịu được nhiệt độ cao.
Một số vật liệu phổ biến được sử dụng làm điện cực trong suốt cho linh
kiện ACTFEL đó là: Inđium thiếc ơxít (ITO) đây là vật liệu hợp phần gồm có
90% khối lượng In2O3 và 10% khối lượng SnO2. Vật liệu ITO chất lượng cao
có điện trở vng cỡ 5-19 Ω/ với màng có độ dày 200nm. ITO có độ rộng
vùng cấm 3,5eV nên đảm bảo trong suốt đối với ánh sáng vùng khả kiến. Bên
cạnh ITO người ta còn sử dụng vật liệu ZnS pha tạp Al, Ge hay In, CdO và
CdSnO3. Một vấn đề lớn đối với vật liệu làm điện cực trong suốt là chúng
không trở về trạng thái dẫn điện nếu bị đánh thủng [14].
*Điện cực không trong suốt
Vật liệu phổ biến để làm điện cực không trong suốt là nhôm (Al) do có độ
bám dính tốt với lớp điện mơi, khơng bị xâm nhập vào phía trong linh kiện
dưới điện trường cao và có độ dẫn điện tốt. Tuy nhiên Al có hai hạn chế lớn đó
là nó phản xạ ánh sáng tới 90% nên khi có ánh sáng bên ngồi chiếu vào linh
kiện bị phản xạ ngược lại bởi điện cực Al và làm mờ ánh sáng huỳnh quang
của linh kiện. Hạn chế thứ hai của điện cực Al là nó có nhiệt độ nóng chảy 660
C nên khơng thể sử dụng đối với linh kiện cần xử lý ở nhiệt độ cao.

0

*Cấu trúc của linh kiện ACTFEL
Xét về cấu trúc tùy theo cách bố trí khác nhau của các lớp màng mỏng mà
ta có các cấu trúc khác nhau. Thơng thường ACTFEL có ba loại cấu trúc:
Cấu trúc đầu tiên (Hình 1.9a) là cấu trúc chuẩn của ACTFEL. Cấu trúc này
gồm một lớp phát quang kẹp giữa hai lớp điện mơi, lớp điện mơi phía trên tiếp
xúc với điện cực khơng trong suốt, lớp điện mơi phía dưới tiếp xúc với điện


- 14 -

cực trong suốt được phủ trên một đế thuỷ tinh. Ánh sáng huỳnh quang phát ra
được truyền qua điện cực trong suốt qua đế thuỷ tinh và ra ngoài.
Al
Cách điện

ITO
Cách điện

ITO

VL phát quang
VL phát quang

VL phát quang

Cách điện

ITO
Đế thủy tinh

Cách điện

Al
Đế thủy tinh/ceramic/Si

(a)

(b)

Cách điện Ceramic

Al
(c)

Hình 1.9. Một số loại cấu trúc của linh kiện ACTFEL

Cấu trúc thứ hai được mơ tả như hình 1.9b cịn được gọi là cấu trúc đảo.
Nó cũng bao gồm lớp phát quang nằm giữa hai lớp điện mơi nhưng lớp điện
mơi phía dưới tiếp xúc với điện cực khơng trong suốt cịn lớp điện mơi phía
trên tiếp xúc với điện cực trong suốt. Ánh sáng huỳnh quang được phát ra chỉ
truyền qua điện cực trong suốt và đi ra ngoài.
Cả hai cấu trúc ACTFEL nêu trên đều được ứng dụng trong các sản phẩm
thương mại. Cấu trúc chuẩn thường được sử dụng trong các linh kiện đo đạc
hay màn hình hiển thị ma trận thụ động đơn sắc do chúng khơng địi hỏi quá
trình chế tạo phức tạp như cấu trúc đảo. Ưu điểm quan trọng nhất của cấu trúc
chuẩn là có khả năng tự hàn gắn sự đánh thủng do khi lắng đọng điện cực phía
trên. Đặc điểm tự hàn gắn sự đánh thủng giúp ngăn ngừa những lỗ nhỏ và các
khuyết tật trong quá trình chế tạo linh kiện. Một ưu điểm khác của của cấu trúc
điện huỳnh quang chuẩn là độ bền cao do các lớp vật liệu được tạo trên một đế
thuỷ tinh. Ngược lại, đối với cấu trúc đảo chúng cũng có những ưu điểm mà
cấu trúc chuẩn khơng có. Khi phải cần đến các q trình xử lý nhiệt trong chế
tạo linh kiện người ta không thể sử dụng cấu trúc chuẩn bởi vì thuỷ tinh dùng