Nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+ phát bức xạ lục lam (CYAN) ứng dụng chế tạo đèn led trắng có CRI và R9 cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THỊ PHÚ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HUỲNH QUANG

Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+ PHÁT BỨC XẠ LỤC LAM

(CYAN) ỨNG DỤNG CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CÓ

CRI VÀ R9 CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN

Bình Định – Năm 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THỊ PHÚ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HUỲNH QUANG

Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4: Eu2+ PHÁT BỨC XẠ LỤC LAM

(CYAN) ỨNG DỤNG CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CÓ

CRI VÀ R9 CAO

Chuyên ngành : VẬT LÝ CHẤT RẮN

Mã số : 8440104

Người hướng dẫn: PGS. TS. NGUYỄN MINH VƯƠNG

I

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học được trình bày trong luận văn

này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong thời gian học tập tại khoa

Khoa học tự nhiên - Trường Đại học Quy Nhơn. Các kết quả đạt được là hoàn

toàn trung thực.

Bình Định, ngày ….. tháng ….. năm 2022.

Người cam đoan

Võ Thị Phú

II

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, với sự kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn

chân thành nhất đến Thầy, PGS. TS. Nguyễn Minh Vương và Cô, TS. Lê Thị

Thảo Viễn, những người đã định hướng khoa học và trực tiếp hướng dẫn tôi

trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn Thầy và Cô đã dành

thời gian quan tâm, động viên, hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt thời gian qua.

Tôi xin trân trọng cảm ơn quý Thầy Cô của khoa Khoa học tự nhiên –

Trường Đại học Quy Nhơn đã quan tâm, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho học

viên trong thời gian học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn sự quan tâm, chia sẻ

của tập thể lớp Cao học vật lý chất rắn K23 – Trường Đại học Quy Nhơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô của viện Tiên tiến Khoa học và

Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả

được đến học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn sự quan tâm, chia sẻ, hỗ trợ

nhiệt tình của các anh chị, các bạn học viên và nghiên cứu sinh viện Tiên tiến

Khoa học và Công nghệ - Đại học Bách khoa Hà Nội, giúp tôi có kết quả thực

nghiệm tốt nhất.

Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất đến gia đình tôi - những

người đã luôn quan tâm, động viên, cổ vũ tôi trong suốt thời gian học tập,

nghiên cứu.

HVCH

Võ Thị Phú

III

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................I

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................II

MỤC LỤC....................................................................................................... III

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................VI

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................... VIII

DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................XI

MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1

NỘI DUNG ....................................................................................................... 8

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..................................................... 8

1.1 Hiện tượng phát quang................................................................................ 8

1.1.1 Cơ sở của hiện tượng phát quang......................................................... 8

1.1.2 Cơ chế phát quang của bột huỳnh quang ........................................... 10

1.1.3 Sự suy giảm cường độ phát xạ của bột huỳnh quang ........................ 11

1.2 Tính chất quang của ion đất hiếm trong trường tinh thể........................... 12

1.2.1 Đặc điểm chung của một số ion đất hiếm.......................................... 13

1.2.2 Chuyển dời quang học của ion Eu2+

.................................................. 16

1.2.3 Chuyển dời quang học của ion Eu3+

.................................................. 16

1.2.4 Tâm và bẫy trong chất lân quang....................................................... 17

1.2.4.1 Cơ chế bắt điện tử ....................................................................... 18

1.2.4.2 Cơ chế giải phóng điện tử........................................................... 19

IV

1.3 Các phương pháp chế tạo bột huỳnh quang.............................................. 19

1.3.1 Phương pháp phản ứng pha rắn ......................................................... 20

1.3.2 Phương pháp sol-gel........................................................................... 23

1.3.3 Phương pháp đồng kết tủa.................................................................. 25

1.3.4 Phương pháp nổ dung dịch urê-nitrat ................................................ 26

1.4 Khái quát về LED và quy trình đóng gói LED ......................................... 28

1.4.1 Khái quát về LED .............................................................................. 28

1.4.2 Quy trình đóng gói LED .................................................................... 28

1.5 Kết luận chương 1 ..................................................................................... 32

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ...................................................................... 33

2.1 Chế tạo vật liệu Ba1-(x+y)CaxSryAl2O4 pha tạp Eu2+ bằng phương pháp nổ

urê nitrat .................................................................................................. 33

2.1.1 Phương pháp nổ ................................................................................. 33

2.1.2 Chế tạo vật liệu MAl2O4: Eu2+ (M: Ba, Ca, Sr)................................. 33

2.2 Các kỹ thuật thực nghiệm phân tích mẫu.................................................. 39

2.2.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)..... 39

2.2.2 Các phương pháp đo phổ huỳnh quang ............................................. 40

2.2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X............................................................... 43

2.2.4 Phương pháp nhiệt phát quang........................................................... 43

2.3 Kết luận chương 2 ..................................................................................... 45

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 46

3.1 Khảo sát công nghệ chế tạo vật liệu.......................................................... 46

V

3.1.1 Tối ưu tỉ lệ ion Sr2+

............................................................................ 46

3.1.2 Tối ưu tỉ lệ ion Ca2+

............................................................................ 47

3.1.3 Tối ưu tỉ lệ urê.................................................................................... 49

3.1.4 Tối ưu nồng độ pha tạp Eu2+

.............................................................. 50

3.1.5 Tối ưu nhiệt độ nổ mẫu ...................................................................... 52

3.2 Khảo sát đặc điểm cấu trúc và hình thái của mẫu Ba0.49Sr0.05Al2O4:

0.01Eu2+

................................................................................................... 54

3.2.1 Khảo sát cấu trúc mẫu Ba0.49Sr0.05Al2O4: 0.01Eu2+

............................ 54

3.2.2 Khảo sát hình thái mẫu Ba0.49Sr0.05Al2O4: 0.01Eu2+

........................... 55

3.3 Khảo sát tính chất quang của vật liệu ....................................................... 56

3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên tính chất quang vật liệu............ 56

3.3.1.1 Phổ kích thích quang và phổ phát quang của vật liệu................. 56

3.3.1.2 Phổ phát quang của Eu2+ và Eu3+

................................................ 59

3.3.2 Đường cong suy giảm huỳnh quang .................................................. 61

3.4 Kết quả khi phủ mẫu bột lên các chip LED.............................................. 62

3.4.1 Kết quả khi phủ mẫu bột lên chip LED xanh lam ............................. 62

3.4.2 Kết quả khi phủ mẫu bột lên LED 3500 K ........................................ 65

3.4.3 Kết quả khi phủ mẫu bột lên LED 4000 K ........................................ 67

3.4.4 So sánh kết quả với các công trình công bố trước đây ...................... 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 74

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .......................................... 76

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................ 77

VI

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên

Eg Năng lượng vùng cấm

n Số mol

ŋ Hiệu suất lượng tử

Z Số thứ tự nguyên tố hóa học

λ Bước sóng

τ Thời gian sống của bức xạ

τ 0 Thời gian trễ của bức xạ

Chữ viết tắt Tên

CCT Nhiệt độ màu tương quan

CIE Tọa độ màu

CRI Chỉ số hoàn màu

cyan Xanh lục lam

EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X

FESEM Hiển vi điện tử quét phát xạ trường

FTIR Phổ hồng ngoại

LED Điốt phát quang

n-UV Gần tử ngoại

PL Phổ phát xạ huỳnh quang

PLE Phổ kích thích phát xạ huỳnh quang

VII

SEM Kính hiển vi điện tử quét

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

TL Bức xạ nhiệt phát quang

UV Tử ngoại

WLED Điốt phát quang ánh sáng trắng

XRD Nhiễu xạ tia X

YAG Bột huỳnh quang màu vàng