1. Trang Chủ
  2. Hoá học
  3. Phát xạ ánh sáng trắng ấm của vật liệu kẽm aluminat đồng pha tạp đồng và mangan ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng rắn

Phát xạ ánh sáng trắng ấm của vật liệu kẽm aluminat đồng pha tạp đồng và mangan ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng rắn

Bài viết trình bày việc lựa chọn phương pháp đồng kết tủa đơn giản để chế tạo vật liệu và lựa chọn đồng pha tạp hai ion Cu2+ và Mn4+ làm các tâm phát quang với mục đích tạo ra vật liệu phát xạ dải rộng trong vùng ánh sáng nhìn thấy khi kích thích mẫu bằng nguồn kích trong dải bước sóng từ vùng tử ngoại gần đến xanh lam. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học PHÁT XẠ ÁNH SÁNG TRẮNG ẤM CỦA VẬT LIỆU KẼM ALUMINAT ĐỒNG PHA TẠP ĐỒNG VÀ MANGAN ỨNG DỤNG TRONG LĨ

Thể loại Tài liệu miễn phí Hoá học

Số trang 5

Ngày tạo 4/6/2023 2:41:27 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.79 M

Tên tệp

Tải Phát xạ ánh sáng trắng ấm của vật liệu kẽm alumina... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học PHÁT XẠ ÁNH SÁNG TRẮNG ẤM CỦA VẬT LIỆU KẼM ALUMINAT ĐỒNG PHA TẠP ĐỒNG VÀ MANGAN ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CHIẾU SÁNG RẮN Nguyễn Văn Quang*, Đoàn Thị Vui Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 *Tác giả liên hệ: nguyenvanquang83@hpu2.edu.vn TÓM TẮT Bột huỳnh quang ZnAl2O4:Cu2+, Mn4+ được chế tạo thành công bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp với ủ nhiệt trong môi trường không khí. Kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy các mẫu ủ nhiệt từ 800-1200 oC đều có cấu trúc đơn pha và có kích thước tinh thể trung bình trong khoảng 16-22 nm. Phổ huỳnh quang của mẫu khi kích thích bởi bước sóng 390 nm cho hai vùng phát xạ chính: vùng phát xạ xanh lục (450-580 nm) do các chuyển mức phát xạ của ion Cu2+ và vùng phát xạ đỏ - đỏ xa (650-750 nm) do chuyển mức phát xạ của ion Mn4+ trong mạng nền ZnAl2O4. Sự phụ thuộc của phổ phát xạ vào nhiệt độ ủ mẫu đã được khảo sát, kết quả cho thấy, mẫu ủ nhiệt tại 1200 oC và tỷ lệ pha tạp Cu2+/Mn4+=0.5/0.5 (%) cho phổ phát xạ với nhiệt độ màu (CCT) ~ 4153 K và hệ số trả màu (CRI) ~81. Kết quả nghiên cứu ban đầu này cho thấy tiềm năng của bột huỳnh quang ZnAl2O4:Cu2+, Mn4+ trong ứng dụng chế tạo điốt phát quang ánh sáng trắng có hệ số trả màu cao. Từ khóa: ZnAl2O4:Cu2+, Mn4+; phát xạ đỏ - đỏ xa, phổ huỳnh quang, LED. LIGHTENING THE LIGHT OF ALUMINATES AND MANGANESE APPLICATIONS IN THE FIELD OF LIGHTING Nguyen Van Quang*, Doan Thi Vui Ha Noi Pedagogical University 2 *Corresponding Author: nguyenvanquang83@hpu2.edu.vn ABSTRACT ZnAl2O4:Cu2+,Mn4+ phosphors were synthesized by with in the air. Results of the X-ray diffraction diagram showed that the samples from 800-1200oC were single- phase and had an average crystal size of 16-22 nm. The fluorescence spectrum of the sample as stimulated by the 390 nm wavelength for the two main emission regions: the green emission zone (450-580 nm) due to the emission of Cu2+ ions and the red - -750 nm) due to the emission of Mn4+ ions in the ZnAl2O4 substrate. The dependence of the emission spectrum on the incubation temperature was investigated. The results showed that the incubation temperature at 1200oC and the Cu2+/Mn4+ doped ratio = 0.5/0.5 (%) for the emission spectrum with temperature color (CCT) ~ 4153 K and color rendering index (CRI) ~ 81. This preliminary result shows that the potential of ZnAl2O4:Cu2+, Mn4+ fluorescent powder in the application of white light-emitting diodes has high color rendering coefficient. Keywords: ZnAl2O4:Cu2+, Mn4+, redirect, red spectrum, LED. 50
  2. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học GIỚI THIỆU trong công nghệ chiếu sáng rắn. Trong Gần đây, điốt phát quang ánh sáng một công bố gần đây (trên tạp chí trắng (WLED) với hiệu suất phát Materials and Design 115 (2017), quang ngày càng cao và giá thành ngày Zhang và các đồng nghiệp đã công bố càng rẻ đang dần thay thế các đèn sợi chế tạo được bột huỳnh quang đốt truyền thống, đèn huỳnh quang và ZnAl2O4: Cr3+ cho phát xạ mạnh trong huỳnh quang compact bởi nhiều ưu dải bước sóng từ 650-750 nm khi được điểm như kích thước nhỏ gọn, độ ổn kích thích trong một dải kích thích rất định và tuổi thọ cao. Các WLED hiện rộng từ 389-546 nm. Kết quả này có nay chủ yếu được chế tạo bằng cách sử thể được xem như là một kết quả mở dụng chip LED xanh lam (Blue- hướng mới cho thấy chúng ta hoàn InGaN) kết hợp với bột huỳnh quang toàn có thể sử dụng cả bước sóng tử màu vàng Y3Al5O12: Ce3+ (YAG: Ce) ngoại và xanh lam để kích thích hoặc sử dụng các chip LED tử ngoại ZnAl2O4 cho phát xạ trong vùng nhìn gần kích thích các hỗn hợp các bột thấy. Điểm quan trọng ở đây là ở chỗ, huỳnh quang đơn sắc đỏ - xanh lục - dải phát xạ của ZnAl2O4 nằm trong xanh lam (RGB). Tuy nhiên, cho đến khoảng bước sóng 650-750 nm, chính thời điểm hiện tại, hầu hết tất cả các là vùng bước sóng còn thiếu của bột loại bột huỳnh quang đang được sử huỳnh quang thương mại YAG và như dụng được phát triển trên cơ sở các vật vậy việc kết hợp bột YAG và ZnAl2O4 liệu nền pha tạp đất hiếm dẫn tới giá có thể giúp làm tăng CRI của LED. thành rất cao. Chính vì vậy, gần đây, Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa một xu hướng mới trong nghiên cứu chọn phương pháp đồng kết tủa đơn các loại bột huỳnh quang đã được đặt giản để chế tạo vật liệu và lựa chọn ra, đó là nghiên cứu các loại bột huỳnh đồng pha tạp hai ion Cu2+ và Mn4+ làm quang không pha tạp đất hiếm sử dụng các tâm phát quang với mục đích tạo ra trong WLED nhằm thay thế các loại vật liệu phát xạ dải rộng trong vùng bột huỳnh quang pha tạp đất hiếm. ánh sáng nhìn thấy khi kích thích mẫu Kẽm aluminate (ZnAl2O4) spinel là bằng nguồn kích trong dải bước sóng bán dẫn vùng cấm rộng, đã được sử từ vùng tử ngoại gần đến xanh lam. dụng rộng rãi như là chất xúc tác hoặc hỗ trợ trong nhiều phản ứng xúc tác do THỰC NGHIỆM độ ổn định nhiệt cao, nồng độ axit bề Để chế tạo bột huỳnh quang ZnAl2O4 mặt thấp và kỵ nước. Với độ rộng vùng đồng pha tạp Cu2+, Mn4+ chúng tôi sử cấm 3.8 eV, vật liệu này cũng đã được dụng phương pháp đồng kết tủa. ứng dụng trong các thiết bị quang điện Các vật liệu nguồn sử dụng là các muối tử như màng dẫn điện trong suốt, màng Zn(COOCH3)2.2H2O và Al(NO3)3.9H2O mỏng hiển thị điện quang để tạo mạng nền và các muối (electroluminescence thin film Mn(NO3)2.4H2O và Cu(NO3)2.3H2O là displays), màn hình hiển thị phẳng và nguồn tạp chất, tác nhân tạo kết tủa là cảm biến. Cụ thể, các nghiên cứu trước dung dịch NH3. đây về họ mạng nền spinel AB2O4 (A Ban đầu, muối Zn(COOCH3)2.2H2O = Zn, Mg; B = Al, Ga) pha tạp ion kim và Al(NO3)3.9H2O được hòa tan trong loại chuyển tiếp Al, Cu, Mn và đất nước khử ion với tỷ lệ vừa đủ tạo thành hiếm Eu, Tb, Ce, Dy đã cho thấy tiềm dung dịch (A). năng ứng dụng của loại vật liệu này Các nguồn tạp Mn(NO3)2.4H2O, muối 51
  3. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học Cu(NO3)2.3H2O được hòa tan trong 2Mn(OH)2 + O2 2MnO2 + nước khử ion tạo thành dung dịch (B). 2H2O o (t>300 C) Sau khi hòa tan hoàn toàn thì các dung Vật liệu chế tạo được nghiên cứu hình dịch (A) và (B) được trộn lại thành hỗn thành bề mặt bằng phương pháp chụp hợp dung dịch (C). Dung dịch (C) được ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường khuấy trộn bằng máy khuấy từ trong phân giải cao (FESEM), tích thành khoảng thời gian 1 giờ sao cho tạo phần hóa học (FESEM-JEOL/JSM- thành dung dịch đồng nhất. Sau đó, 7600F), phân tích cấu trúc bằng dung dịch NH3 được sử dụng để tạo kết phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X tủa, và quá trình kết tủa được kiểm sóa (XRD) – (Rigaku D/MAX-2500/PC t bằng cách điều chỉnh độ pH của dung (Rigaku, Japan) với nguồn phát tia X dịch để kết tủa xảy ra hoàn toàn. Kết Cu Kα ( = 0.154 nm)) và phân tích tủa màu trắng thu sau phản ứng được phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh lọc rửa nhiều lần bằng nước khử ion, quang sử dụng thiết bị Nanolog sau đó được sấy sơ bộ tại nhiệt độ (HORIBA Jobin Yvon) sử dụng đèn 150oC trong thời gian 3 giờ. Bột sau Xenon. sấy sơ bộ được xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau trong môi trường không KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN khí để hình thành mạng nền ZnAl2O4 Hình 1 là ảnh hiển vi điện tử phát xạ (bước 4). Trong các phản ứng xảy ra trường (FESEM) với các độ phân giải trong quá trình xử lý nhiệt, phản ứng khác nhau của bột huỳnh quang oxy hóa của Mn2+ tạo thành Mn4+ được ZnAl2O4 đồng pha tạp 0.5% Cu2+ và thực hiện như sau: Mn(NO3)2+2NH3+ 0.5% Mn4+ ủ tại 800oC trong thời gian 2H2O = Mn(OH)2+2NH4NO3 5 giờ. Hình 1. Ảnh FESEM của mẫu ZnAl2O4 đồng pha tạp 0.5% Cu2+ và 0.5% Mn4+ ủ tại 800oC trong thời gian 5 giờ với độ phóng đại khác nhau Ảnh FESEM hình 1a cho thấy các hạt từ vài chục nanomet tới vài micromet. bột huỳnh quang có kích thước phân bố Tuy nhiên ở độ phân giải cao hơn, hình 52
  4. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 1b cho thấy các hạt bột huỳnh quang có có kích thước cỡ vài cho đến vài chục kích thước lớn là do vô số các hạt bột nanomet tạo thành. Hình 2. Ảnh FESEM và phổ EDS Kết quả đo thành phần hóa học trên thì kích thước hạt bột tăng. bảng đính kèm cho thấy tỷ lệ Zn:16.2, Phổ PL được kích thích bởi bước sóng Al:29.9, O:52.6 gần tương đương với 390 nm cho thấy một dải phát xạ rộng tỷ lệ hợp thức của bột ZnAl2O4 và tỷ lệ từ 400-800 nm với hai vùng phát xạ tạp chất trong mẫu Cu:0.6, Mn:0.7 chính: i) vùng phát xạ đỏ - đỏ xa từ cũng rất gần với giá trị thực tế tạp chất 650-750 nm; ii) vùng phát xạ xanh lục đưa vào (tỷ lệ pha tạp 0.5 % Cu2+, 0.5% từ 450-580 nm. Vùng phát xạ đỏ có Mn4+). cường độ mạnh và có sự tách bạch, Kết quả phân tích phổ XRD của bột nguồn gốc phát xạ của vùng này có thể huỳnh quang ZnAl2O4: (Cu2+, Mn4+) ủ là do chuyển mức phát xạ từ 2E-4T2g từ 800-1200oC đều là đơn pha theo thẻ của ion Mn4+ trong mạng nền kẽm chuẩn JSPDS. No 05-0669 với hai đỉnh aluminate. Một số nhóm tác giả khác nhiễu xạ mạnh nhất tại góc 2: 31.2, thì cho rằng nguồn gốc phát xạ của 36.8 tương ứng với các mặt nhiễu xạ vùng đỏ này là do các sai hỏng do nút (220) và (311). Để quan sát ảnh hưởng khuyết oxi (Vo) trong mạng nền tạo ra. của nhiệt độ ủ đến cấu trúc của vật liệu, Vùng phát xạ xanh lục do các chuyển quan sát trên phổ XRD tập trung vào mức phát xạ của ion Cu2+ trong mạng góc hẹp với góc 2 từ 30-38 độ cho nền ZnAl2O4 tạo ra. Quan sát trên phổ thấy khi nhiệt độ ủ tăng có sự dịch đỉnh PLE đo tại bước sóng phát xạ đỏ 696 nhiễu xạ về phía góc lớn hơn và độ sai nm cho thấy 2 dải hấp thụ kích thích lệch đỉnh nhiễu xạ tại góc 32.2 độ lớn mạnh tại bước sóng 390 nm và 543 nm. nhất cỡ 1% của mẫu ủ ở 1100oC. Kết Nghiên cứu của nhóm tác giả Cao và quả phân tích cũng cho thấy khi nhiệt các đồng nghiệp cho rằng các vùng hấp độ tăng, bán độ rộng của đỉnh phổ giảm thụ kích thích này là do các chuyển và cường độ các đỉnh phổ (đặc trưng mức từ A2g  T2g và A2g  T2g của 4 2 4 4 tại các mặt nhiễu xạ (220) và (311)) ion Mn trong mạng nền. 4+ tăng, điều đó chứng tỏ khi nhiệt độ tăng Kết quả phân tích cho thấy ở nhiệt độ 53
  5. Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học 800-900oC trên phổ phát xạ có 2 vùng KẾT LUẬN chính gồm vùng phát xạ xanh lục (có Chúng tôi đã chế tạo thành công bột đỉnh tại bước sóng ~530 nm) và vùng huỳnh quang ZnAl2O4 đồng pha tạp đỏ xa - hồng ngoại gần (đỉnh tại bước ion Cu2+ và Mn4+ bằng phương pháp sóng ~725 nm), cường độ của đỉnh đồng kết tủa kết hợp với ủ nhiệt trong phát xạ trong vùng đỏ chiếm ưu thế môi trường không khí. Các mẫu nhận hơn vùng phát xạ xanh lục. Kết quả được sau khi xử lý nhiệt đều là đơn nhận được cho thấy cường độ phát xạ pha. Với mẫu ủ nhiệt tại 1200oC tỷ lệ huỳnh quang mạnh nhất tại mẫu có tỷ pha tạp Cu2+/Mn4+=0.5/0.5 có kích lệ pha tạp ion Cu2+/Mn4+ là 0.5/0.5. thước trung bình ~22 nm cho cường độ Kết quả tính tóa n phổ cho LED được phát xạ huỳnh quang mạnh nhất với phát triển bởi Osram Sylvania vẽ lại nhiệt độ màu (CCT) và hệ số trả màu phổ PL của mẫu pha tạp ion Cu2+/Mn4+ (CRI) tính tóa n được lần lượt là 4153K = 0.5/0.5% tại nhiệt độ ủ 800oC, và 81. 1200oC. Kết quả cho thấy mẫu ủ tại Bột huỳnh quang nhận được phù hợp 1200oC cho phổ ánh sáng gần với ánh với ứng dụng trong chế tạo LED phát sáng trắng và có hệ số trả màu cao có xạ ánh sáng trắng kích thích bởi chip tử khả năng ứng dụng trong chế tạo LED ngoại gần có hệ số trả màu cao, chi phí phát xạ ánh sáng trắng kích thích bởi thấp và khả năng sản xuất ở quy mô các chip tử ngoại gần. công nghiệp. TÀI LIỆU THAM KHẢO GEORGE, N.C., K.A. DENAULT, AND R. SESHADRI. Phosphors for Solid- State White Lighting. Annu. Rev. Mater. Res., 43: p. 481-501(2013). MEYER, J. AND F. TAPPE. Photoluminescent Materials for Solid-State Lighting: State of the Art and Future Challenges. Advanced Optical Materials, 3(4): p. 424-430 (2015). S.F. WANG, G.Z. SUN, L.M. FANG, L. LEI, X. XIANG & X.T. ZU. A comparative study of ZnAl2O4 nanoparticles synthesized from different aluminum salts for use as fluorescence materials. Scientific Reports 5, Article number: 12849 pp. 1-12 (2015). S.S. PITALE, V. KUMAR, I.M. NAGPURE, O.M. NTWAEABORWA, H.C. SWART. Luminescence characterization and electron beam induced chemical changes on the surface of ZnAl2O4:Mn nanocrystalline phosphor. Applied Surface Science 257, pp.3298–3306 (2011). 54
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học