Tài liệu Tổng hợp và tính chất quang của bột huỳnh quang znal2o4 cu bằng phương pháp sol gel

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== ĐỒNG THỊ HƢƠNG TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA ZnAl2O4:Cu BẰNG PHƢƠNG PHÁP SOL-GEL KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành : Hóa Phân Tích ThS. NGUYỄTHẠNH HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC ====== ====== ĐỒNG THỊ HƢƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG TỔNG HỢPCỦA VÀ ZnAl TÍNH2O CHẤT 4:Cu QUANG BẰNG PHƢƠNG CỦA ZnAlPHÁP SOL-GEL 2O4:Cu BẰNG PHƢƠNG PHÁP SOL-GEL KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Sinh viên thực hiện Chuyên ngành : Hóa Phân Tích : Đồng Thị Hƣơng Ngành học : Sƣ phạm Hóa học Cán bộ hƣớng dẫn Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. Nguyễn Thị Hạnh ThS. Nguyễn Thị Hạnh ThS. NGUYỄTHẠNH HÀ NỘI - 2018 HÀ NỘI - 2018 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Thạc sĩ Nguyễn Thị Hạnh, ngƣời đã hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thiện khóa luận. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Phân tích, khoa Hóa Học của trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình giúp đỡ về mọi cơ sở vật chất và chỉ bảo tôi trong quá trình tiến hành thí nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn chân thành tới Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện nghiên cứu Kỹ Thuật đã giúp đỡ tôi trong việc đo đạc, khảo sát các tính chất của quang của sản phẩm. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự trao đổi, đóng góp ý kiến của các bạn trong nhóm nghiên cứu khoa học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình và sự động viên, khích lệ của bạn bè, ngƣời thân và đặc biệt là gia đình đã tạo niềm tin giúp tôi phấn đấu học tập và hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Xuân Hòa, ngày tháng năm Tác giả Đồng Thị Hƣơng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................... 3 3. Nội dung nghiên cứu của đề tài................................................................... 4 4. Những đóng góp của đề tài ......................................................................... 4 5. Bố cục của đề tài ......................................................................................... 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HUỲNH QUANG ...................... 5 1.1. Tổng quan về vật liệu huỳnh quang ......................................................... 5 1.1.1. Cơ sở lí thuyết về vật liệu huỳnh quang ............................................... 5 1.1.2. Cơ chế phát quang của bột huỳnh quang .............................................. 6 1.1.3. Các đặc trƣng của bột huỳnh quang ...................................................... 8 1.2. Một số phƣơng pháp tổng hợp bột huỳnh quang .................................. 10 1.2.1. Phƣơng pháp đồng kết tủa................................................................... 10 1.2.2. Phƣơng pháp sol - gel.......................................................................... 11 1.2.3. Phƣơng pháp thủy nhiệt ...................................................................... 12 1.3. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu ............................................................... 13 1.3.1. Cấu trúc của mạng tinh thể spinel ZnAl2O4 ........................................ 14 1.3.2. Tình hình nghiên cứu về vật liệu ZnAl2O4 ......................................... 16 1.3.3. Tính chất quang của ion Cu2+ trong mạng nền tinh thể ZnAl2O4....... 18 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 22 2.1. Mục đích và phƣơng pháp nghiên cứu ................................................... 22 2.2. Thực nghiệm chế tạo vật liệu ZnAl2O4: Cu bằng phƣơng pháp sol - gel .. 22 2.2.1. Dụng cụ và hóa chất ........................................................................... 22 2.2.2. Quy trình chế tạo ................................................................................. 23 2.3 Các phƣơng pháp xác định cấu trúc và tính chất quang của vật liệu. ......... 25 2.3.1 Phƣơng pháp phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X .......................... 25 2.3.2 Nghiên cứu ảnh vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) .... 27 2.2.3 Phƣơng pháp phổ huỳnh quang............................................................ 28 2.3.4 Phƣơng pháp kích thích huỳnh quang ................................................. 29 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 30 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hình thái bề mặt và kích thƣớc hạt của bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp Cu2+ ................................. 30 3.2. Cấu trúc tinh thể của bột huỳnh quang ZnAl2O4: Cu............................. 31 3.3. Tính chất quang của bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp Cu2+ ............... 33 3.3.1. Tính chất quang của bột huỳnh quang ZnAl2O4:Cu2+......................... 33 3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ ủ đến tính chất quang của bột huỳnh quang ZnAl2O4: Cu ............................................................................ 34 3.3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ pha tạp ion Cu2+ đến tính chất quang của vật liệu ZnAl2O4: Cu ..................................................................................... 35 KẾT LUẬN ................................................................................................... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 39 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt EDS Energy dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc năng lƣợng tia X FESEM Field emission scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng FWHW Full-width halfmaximum Độ rộng bán phổ LED Light emiting điot Điốt phát quang Phosphor Phosphor Vật liệu huỳnh quang PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation spectrum Phổ kích thích huỳnh quang UV Ultraviolet Tử ngoại XRD X- ray Difraction Nhiễu xạ tia X QE quantum efficicency Hiệu suất phát quang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Kí hiệu Tên tiếng anh Tên tiếng Việt E Energy Năng lƣợng λexc Excitation wavelength Bƣớc sóng kích thích ΔE Transition energy Năng lƣợng chuyển tiếp λ Wavelength Bƣớc sóng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ mô tả quá trình huỳnh quang .................................................. 7 Hình 1.2: Sơ đồ tổng hợp oxit phức hợp bằng phƣơng pháp sol - gel ............ 11 Hình 1.3: Bình phản ứng dung trong phƣơng pháp thủy nhiệt ....................... 13 Hình 1.4: Một số hình ảnh về đá spinel .......................................................... 14 Hình 1.5: a, Cấu trúc bát diện ; b, Cấu trúc tứ diện ........................................ 15 Hình 1.6: Tế bào mạng lƣới tinh thể spinel .................................................... 15 Hình 1.7: Cấu trúc của một ô mạng spinel thuận............................................ 16 Hình 1.8: Phổ kích thích huỳnh quang (a) và phổ huỳnh quangcủa tinh thể ZnAl2O4: Cr3+ tổng hợp tại 200oC (b) ............................................ 17 Hình 1.9: Phổ huỳnh quang ở nhiệt độ phòng của ZnAl2O4: Co2+ ................. 18 Hình 1.10: Phổ kích thích huỳnh quang và phổ huỳnh quang của bột ZnAl2O4:Mn2+ ................................................................................. 18 Hình 1.11: Phổ huỳnh quang với λexc = 362 và phổ huỳnh quang kích thích tƣơng ứng của mẫu ZnS pha tạp Cu 1,5% , trong 30 phút ............. 19 Hình 1.12: Sự tách mức năng lƣợng trong trƣờng bát diện đối với cấu hình Cu2+: [Ar]3d9 ................................................................................... 20 Hình 1.13: Phổ PL của ZnAl2O4: Cu ở các nồng độ Cu2+ khác nhau ............ 21 Hình 2.1: Sơ đồ tóm tắt quay trình thực nghiệm tổng hợp ZnAl2O4: Cu bằng phƣơng pháp sol - gel ............................................................. 23 Hình 2.2: Hệ thiết bị phân tích cấu trúc bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ... 25 Hình 2.3: Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ một so hữa hạn các mặt phẳng.................. 26 Hình 2.4: Thiết bị đo ảnh FESEM đƣợc tích hợp với đầu đo EDS ................ 27 Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang........................................................ 28 Hình 2.6: Hệ đo hệ đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang (NanoLog spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon) .................................... 29 Hình 3.1: Ảnh SEM của bột huỳnh quang ZnAl2O4: Cuở các nhiệt độ ủ khác nhau. ....................................................................................... 30 Hình 3.2: Khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ pha tạp Cu2+ đến cấu trúc của vật liệu. ............................................................................................ 31 Hình 3.3: Khảo sát sự ảnh hƣởng của nồng độ ủ mẫu tới cấu trúc tinh thể của vật liệu . .................................................................................... 32 Hình 3.4: Phổhuỳnh quang và kích thích huỳnh quang của bột ZnAl2O4:Cu (1%) ủ ở 800oC trong vòng 1h. ....................................................... 33 Hình 3.5: Phổ huỳnh quang của bột ZnAl2O4:Cu (1%) ủ ở các nhiệt độ 600 - 1200oC trong thời gian 1h............................................................. 35 Hình 3.6: Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào nồng độ pha tạp Cu2+ kích thíchở bƣớc sóng 390nm. ................................................................ 36 Hình 3.7:Phổ PL của bột ZnAl2O4: 3% Cu2+ ủ ở nhiệt độ 800oC vẽ bằng phần mềm ColorCalculator và giản đồ CIE của mẫu tỷ lệ pha tạp Cu2+ ở nhiệt độ 800oC. .................................................................... 37 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu huỳnh quang đã và đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong chế tạo các thiết bị quang điện tử nhƣ các loại bóng đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact, các thiết bị hiển thị nhƣ màn hình phát xạ CRT, màn hình LED…vv.Với sự phát triển của các thiết bị chiếu sáng nói chung thì hiện nay thế giới đang tiếp tục phát triển công nghệ chiếu sáng LED nhằm thay thế các nguồn sáng truyền thống cách đây vài thập kỷ nhƣ đèn sợi đốt, đèn halogen, đèn metal highlight và gần đây nhất là đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact. Bột huỳnh quang truyền thống thƣờng đƣợc sử dụng trƣớc kialà bột halophosphate. Phổ phát xạ của loại bột này thƣờng tập trung chủ yếu trong hai vùng xanh lam và vàng cam vậy trong phổ phát xạ của chúng còn thiếu thành phần phát xạ màu đỏnên ánh sáng trắng do loại bột này phát ra có hệ số trả màu và hiệu suất thấp, hơn nữa do có nguồn gốc từ các nhóm halogen nên độ bền của chúng không cao khi chịu bức xạ liên tục của tia tử ngoại (UV). Từ các lý do trên, gần đây các nhà nghiên cứu đã và đang miệt mài tìm kiếm các nguồn vật liệu phát quang mới nhằm thay thế các loại vật liệu phát quang truyền thống nhằm giải quyết các vấn đề đã đƣợc đề cập ở phần trên. Đến những năm 1970, ngành công nghiệp chiếu sáng có một bƣớc tiến lớn khi các bột huỳnh quang pha tạp các ion đất hiếm đƣợc nghiên cứu ứng dụng.Để tạo ra ánh sáng trắng, ngƣời ta phối hợp ba loại bột huỳnh quang phát xạ ba màu cơ bản là đỏ, xanh lục, xanh lam. Các loại bột huỳnh quang này đƣợc gọi là bột ba màu hay bột ba phổ. Bột huỳnh quang ba phổ có hiệu suất phát xạ khá cao do sử dụng các tâm kích hoạt là các ion đất hiếm. Các loại đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact sử dụng bột ba phổ đã phần nào giúp cho con ngƣời cải thiện đƣợc chất lƣợng ánh sáng, tiết kiệm đƣợc khá nhiều năng lƣợng phục vụ cho chiếu sáng. Tuy nhiên do đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact sử dụng cơ chế kích thích quang - huỳnh quang, sử dụng nguồn kích thích từ hơi thủy ngân bƣớc sóng 185nm và 254nm nên thông thƣờng phát xạ tia UV còn dƣ này của đèn lại ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng. 1 Các phát minh về điốt phát quang (LED) đơn sắc từ những năm nửa cuối thế kỷ 20 (1962: LED đỏ; 1971: LED xanh lục; 1972: LED vàng; 1994: LED xanh lam) đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra ánh sáng trắng dựa trên 3 màu cơ bản là xanh lục, xanh lam,đỏ. Tuy nhiên để tạo ra ánh sáng trắng từ các LED đơn sắc không hề đơn giản và hiệu suất phát xạ cũng không cao và về mặt công nghệ cũng tƣơng đối khó điểu khiển loại thiết bị chiếu sáng này. Gần đây, năm 2014 giải Nobel vật lý đƣợc trao cho các nhà khoa học phát minh ra điốt phát quang ánh sáng xanh lam và đây là cơ sở để phát triển các loại thiết bị chiếu sáng LED hiện nay. Cácđiốt phát quang ánh sáng trắng (WLED) chủ yếu đƣợc chế tạo bằng cách sử dụng chip xanh lam (Blue-InGaN) kết hợp với bột huỳnh quang màu vàng Y3Al5O12:Ce3+ (YAG: Ce) 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) [3,6,10].Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại, hầu hết tất cả các loại bột huỳnh quang đang đƣợc sử dụng đƣợc phát triển trên cơ sở các vật liệu nền pha tạp đất hiếm dẫn tới giá thành rất cao và không thân thiện với môi trƣờng. Mặt khác trong phổ phát xạ ánh sáng trắng của thành phần bột YAG:Ce vẫn còn thiếu phát xạ màu đỏ nên hệ số trả màu của loại bột này vẫn còn tƣơng đối thấp. Chính vì vậy, gần đây, một xu hƣớng mới trong nghiên cứu các loại bột huỳnh quang đã đƣợc đặt ra, đó là nghiên cứu các loại bột huỳnh quang không pha tạp đất hiếm sử dụng trong LED nhằm thay thế các loại bột huỳnh quang pha tạp đất hiếm. Trong các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng trên cả lí thuyết và trong thực nghiệm, các hệ bột huỳnh quang trên cơ sở nền AB2O4 vẫn luôn thu hút đƣợc sựu chú ý của các nhà nghiên cứu cả về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Spinel có công thức tổng quát là AB2O4. Đây là loại vật liệu điện môi, độ rộng vùng cấm lớn khoảng 3,8eV.Dải phát xạ trong khoảng 650-750 nm, chính là vùng bƣớc sóng còn thiếu của bột huỳnh quang thƣơng 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 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. Với 2 độ rộng vùng cấm nhƣ trên, vật liệu này cũng đƣợc ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử nhƣ màng dẫn điện trong suốt, màng mỏng hiện thị điện quang, màn hình hiển thị phẳng và cảm biến. Trên nền ZnAl2O4, trong một số công bố gần đây (trên tạp chí Materials anhDesign 115 (2017) Zhang và các đồng nghiệp đã công bố chế tạo đƣợc bột huỳnh quang ZnAl2O4: Cr3+ cho phát xạ mạnh trong dải bƣớc sóng 650750nm khi đƣợc kích thích trong một dải kích thích rất rộng 389-546nm [2].Ngƣời ta đã sử dụng nhiều các loại tâm kích hoạt nhƣ Mn2+ phát xạ ra ánh sáng xanh, Eu3+ phát xạ ánh sáng đỏ, Tb3+ phát xạ ánh sáng xanh lá cây…vv Tuy nhiên, nhƣ đã trình bày ở trên thì khi pha tạp các đất hiếm dẫn đến giá thành rất cao nên chúng tôi nghiên cứu một hƣớng khác đó là thay thế bởi các kim loại chuyển tiếp, và trong khóa luận này chúng tôi nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang ZnAl2O4pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Cu. Trong một vài năm gần đây, một số hƣớng nghiên cứu pha tạp đồng trên các nền nhƣ ZnO hay ZnS phát xạ ánh sáng xanh ở 525nm. Chúng tôi mong muốn khi pha tạp ion kim loại Cu2+ trên mạng nền ZnAl2O4sẽ chophát ra ánh sáng xanh lục. Trong khuôn khổ khóa luận này, chúng tôi lựa chọn đề tài “Tổng hợp và tính chất quang của bột huỳnh quang ZnAl2O4:Cubằng phƣơng pháp sol-gel”.Tính chất cấu trúc và hình thái học của các mẫu tổng hợp đƣợc xác định qua các phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và đo ảnh hiển vi điện tử quét (FESEM),tính chất quang đƣợc xác định qua các phép đo huỳnh quang (PL) và kích thích huỳnh quang (PLE). 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Cu2+ bằng phƣơng pháp sol-gel kết hợp với xử lý nhiệt trong môi trƣờng không khí. - Nghiên cứu và khảo sát các tính chất cấu trúc và tính chất quang của liệu ZnAl2O4 pha tạp ion Cu2+từ đó tối ƣu hóa các điều kiện công nghệ chế tạo. - Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của loại vật liệu này trong chế tạo các thiết bị chiếu sáng LED sử dụng các nguồn kích thích tử ngoại gần (NUV) và ánh sáng xanh lam (Blue) đồng thời nghiên cứu khả năng ứng 3 dụng của loại thiết bị chiếu sáng này trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội. 3. Nội dung nghiên cứu của đề tài Để đạt đƣợc các mục đích đặt ra, các nội dung nghiên cứu chính của đề tài đƣợc xác định nhƣ sau: - Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chế tạo bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp ion Cu2+ bằng phƣơng pháp sol - gel. - Khảo sát cấu trúc tinh thể , hình thái bề mặt và tính chất quang của các bột huỳnh quangZnAl2O4 chế tạo đƣợc nhằm tìm ra điều kiện chế tạo và nồng độ pha tạp pha tạp tối ƣu cho từng loại bột huỳnh quang. 4. Những đóng góp của đề tài - Chế tạo thành công các bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp Cu2+ bằng phƣơng pháp sol-gel. - Đã nghiên cứu một cách hệ thống sự phụ thuộc của phổ phát xạ (quang huỳnh quang)của bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp Cu2+ trong các điều kiện công nghệ chế tạo nhƣ nhiệt độ thiêu kết, nồng độCu2+ pha tạp và bƣớc sóng kích thích, để nhận đƣợc bột huỳnh quang có chất lƣợng tinh thể tốt và cƣờng độ phát quang cao, giá thành rẻ và ứng dụng nhiều trong nông, công nghiệp. 5. Bố cục của đề tài Chƣơng 1: Tổng quan: Lí thuyết liên quan đến bột huỳnh quang và tính chất phát xạ của ion đất hiếm trong mạng nền tinh thể. Chƣơng 2: Thực nghiệm và phƣơng pháp nghiên cứu: Cách chế tạo bột huỳnh quang bằng phƣơng pháp sol-gel và các phƣơng pháp khảo sát tính chất của vật liệu. Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận về bột huỳnh quang ZnAl2O4 pha tạp Cu2+, cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và tính chất quang của bột huỳnh quang, khả năng phát xạ trong vùng ánh sáng xanhlục. 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HUỲNH QUANG 1.1. Tổng quan về vật liệu huỳnh quang 1.1.1. Cơ sở lí thuyết về vật liệu huỳnh quang Nhƣ đã biếtkhi vật liệu hay chất chịu một sự tác động hoặc kích thích từ các nguồn năng lƣợng ở bên ngoài, thì chất hay vật liệu sẽ có khả năng chuyển đổi năng lƣợng thành bức xạ điện từ. Khi đó, chúng ta gọi tên các vật liệu đó là vật liệu huỳnh quang. Thông thƣờng, các bức xạ điện từ đƣợc phát xạ bởi vật liệu huỳnh quang thƣờng thƣờng sẽ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy (có bƣớc sóng từ 400 - 700 nm) nhƣng đôi khi cũng có thể nằm trong vùng tử ngoại hoặc hồng ngoại. Khi đang ở trạng thái kích thích thì điện tử trong nguyên tử,hay phân tử nó có thể quay về trạng thái cơ bản bằng các con đƣờng khác nhau nhƣ: chuyển dời phát xạ và chuyển dời không phát xạ. Nhƣ vậy, ta có thể hiểu sự phát quang chính là: hiện tƣợng khi các chất nhận nguồn năng lƣợng kích thích từ bên ngoài và phát ra ánh sáng nào đó. Phân loại hiện tƣợng phát quang: + Tùy theo các loại năng lƣợng kích thích khác nhau ngƣời ta phân thành các loại phát quang khác nhau: - Quang huỳnh quang: Nguồn kích thích vật liệu là photon - Điện huỳnh quang: Năng lƣợng kích thích bằng điện trƣờng - Huỳnh quang catot: Nguồn kích thích là một chùm điện tử năng lƣợng cao phát ra từ catot - Huỳnh quang tia X: Khi vật liệu bị bắn phá bởi chùm electron hoặc chùm tia X, thì nó sẽ phát ra chùm tia X mới, đó là đặc tính của tia X - Điện hóa huỳnh quang: Sự kích thích đƣợc tạo ra do quá trình điện hóa - Nhiệt huỳnh quang: Các quá trình phá các bẫy (detrapping) đƣợc gây ra do làm nóng hoặc kích thích nhiệt + Dựa vào thời gian bức xạ kéo dài sau khi ngừng kích thích ở nhiệt độ phòng. Khi đó, hiện tƣợng phát quang đƣợc phân thành hai loại:huỳnh quang và lân quang. - Huỳnh quang là hiện tƣợng quang phát quang của các chất lỏng và chất khí. Có đặc điểm là ánh sáng phát quang bị tắt rất nhanh sau khi ánh sáng 5 kích thích (tphát quang < 10-8s) - Lân quanglà hiện tƣợng quang phát quang của chất rắn có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể kéo dài một khoảng thời gian nào đó sau khi tắt ánh sáng kích thích (tphát quang> 10-8s) + Theo cách thức chuyển dời từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản cho bức quang: - Phát quang tự phát: Sự phát quang của vật liệu khi electronchyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản mà không cần sự can thiệp của bất kì một yếu tố nào. - Phát quang cƣỡng bức (phát quang cảm ứng): Sự phát quang của vật liệu khi electron chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nhờ tác động của các yếu tố bên ngoài nhƣ nhiệt độ, ánh sáng. 1.1.2. Cơ chế phát quang của bột huỳnh quang Vật liệu huỳnh quang đƣợc nghiên cứu chế tạo trong khóa luận tốt nghiệp là vật liệu dạng bột, khi bị kích thích có khả năng phát ánh sáng trong vùng quang phổ mà mắt ngƣời cảm nhận đƣợc. Các bột huỳnh quang bao gồm một chất nền và các tâm phát quang, thông thƣờng là các ion đất hiếm hay ion kim loại chuyển tiếp. Cơ chế phát quang của vật liệu phụ thuộc vào cấu hình điện tử của các nguyên tố đất hiếm hay ion kim loại chuyển tiếp đƣợc pha tạp. Chất nền (mạng chủ) và chất pha tạp (tâm huỳnh quang)thƣờng đƣợc gọi là tâm kích hoạt.Cấu hình điện tử của các nguyên tố chuyển tiếp hay nguyên tố đất hiếm đƣợc pha tạp làm cho mỗi một cơ chế phát quang của vật liệu là khác nhau. Chất nền (mạng chủ) là những chất có vùng cấm rộng, đƣợc cấu tạo từ các ion có cấu hình điện tử lấp đầy nên thƣờng không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Chất pha tạp (tâm kích hoạt) là những nguyên tử hay ion có cấu hình điện tử với một số lớp chỉ lấp đầy một phần (ví dụ nhƣ các ion kim loại chuyển tiếp có lớp d chƣa bị lấp đầy ví dụnhƣ Cu2+, Co2+,Mn2+, các ion đất hiếm có lớp f chƣa bị lấp đầy ví dụ nhƣ Eu3+…). Ví dụ:Với hệ vật liệu huỳnh quang trình bày trong khóa luận này ZnAl2O4:Cu thì mạng chủ là ZnAl2O4, tâm kích hoạt là Cu. 6 Các quá trình huỳnh quang trong hệ đƣợc hiểu nhƣ sau: Khi đƣợc kích thích với năng lƣợng đủ lớn, các điện tử ở trạng thái cơ bản sẽ nhảy lên trạng thái kích thích. Do trạng thái kích thích không bền nên các điện tử sẽ quay trở lại trạng thái cơ bản và bức xạ ra các photon ánh sáng hoặc tạo ra các phonon (dao động mạng).Về cơ chế kích thích thì tùy từng loại vật liệu có thể lựa chọn nguồn kích thích từ mạng nền hoặc kích thích trực tiếp các tâm kích hoạt. Hình 1.1. Sơ đồ mô tả quá trình huỳnh quang Khi kích thích vật liệu bằng bức xạ điện từ, các photon bị vật liệu hấp thụ.Sự hấp thụ có thể xảy ra tại chính tâm kích hoạt hoặc tại chất nền. Trƣờng hợp thứ nhất: Tâm kích hoạt hấp thụ photon, nó sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản A lên trạng thái kích thích A*, quá trình hồi phục từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản sẽ bức xạ ánh sáng R. Trƣờng hợp thứ hai: Chất nền hấp thụ photon, khi đó điện tử ở vùng hóa trị sẽ nhảy lên vùng dẫn làm sinh ra một lỗ trống ở vùng hóa trị. Sự tái hợp giữa điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị thƣờng không xảy ra mà điện tử và lỗ trống có thể sẽ bị bẫy tại các bẫy, sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống lúc này sẽ không bức xạ ánh sáng NR. Trƣờng hợp thứ 3: Khi chất nền hấp thụ photon đó là điện tử không nhảy hẳn từ vùng hóa trị lên vùng dẫn mà chỉ nhảy lên một mức năng lƣợng gần đáy vùng dẫn, lúc này điện tử và lỗ trống không hoàn toàn độc lập với nhau mà giữa chúng có một mối liên kết thông qua tƣơng tác tĩnh điện Coulomb. Trạng thái này đƣợc gọi là exciton, nó có năng lƣợng liên kết nhỏ hơn một chút so với năng lƣợng vùng cấm Eg. Sự tái hợp exciton sẽ bức xạ ánh sáng. 7 1.1.3. Các đặc trưng của bột huỳnh quang Hiệu suất phát xạ huỳnh quang Thông thƣờng đèn huỳnh quang có thể đạt hiệu suất huỳnh quang từ 0.55 - 0.95, giá trị phổ biến nhất thƣờng là 0.7. Ngày nay, với công nghệ nano và việc phát triển các loại bột huỳnh quang pha tạp các ion đất hiếm và kim loại chuyển tiếp đã làm tăng đáng kể hiệu suất phát xạ huỳnh quang. Hấp thụ bức xạ kích thích Các bột huỳnh quang cho đèn huỳnh quang đƣợc kích thích chủ yếu bởi bƣớc sóng 254 nm của bức xạ hơi thủy ngân (Hg).Chính vì vậy ngƣời ta lợi dụng đặc điểm này, phải làm cho bột huỳnh quang phải hấp thụ mạnh bức xạ này, và chuyển nó thành phát xạ trong vùng nhìn thấy. Để sử dụng (hấp thụ) đầy đủ năng lƣợng này, các bột huỳnh quang phải có vùng kích thích mở rộng thành một vùng có bƣớc sóng dài hơn lên đến 380 nm [9]. Độ ổn định màu Sự thay đổi của cấu trúc mạng nền dƣới tác động của bức xạ tử ngoại năng lƣợng cao, dẫn tới làm thay đổi môi trƣờng (trƣờng tinh thể) xung quanh các tâm mầu (tâm phát quang), kết quả là làm thay đổi phổ phát xạ của bột. Khi màu sắc của đèn thay đổi theo thời gian nhanh, ta có thể kết luận đèn hay bột huỳnh quang sử dụng trong đèn đó có độ ổn định màu thấp. Ví dụ: Đối với các bột huỳnh quang halophosphate truyền thống, do có độ bề kém, nên cấu trúc mạng nền bị phân rã nhanh và hệ quả là suy hao quang hay quang giảm của các đèn hơi thủy ngân áp suất thấp sử dụng bột halophosphate theo thời gian là khá lớn. Để khắc phục nhƣợc điểm trên ngƣời ta có thể thay thế bột huỳnh quang halophosphate bằng loại bột ba phổ sử dụng các nền oxit kim loại bán dẫn có khả năng chịu bức xạ tử ngoại tốt hơn hoặc phủ các lớp bảo vệ đặc biệt có khả năng hấp thụ bức xạ 185 nm của hơi thủy ngân (Ví dụ lớp phủ: YAG hoặc Al2O3).  Hệ số trả màu Hệ số trả màu (CRI) là một chỉ số đặc trƣng và cũng là chỉ tiêu rất quan trọng đối với mọi nguồn sáng, nó phản ánh chất lƣợng của nguồn sáng thông 8 qua sự cảm nhận đúng hay không đúng màu của các đối tƣợng đƣợc chiếu sáng. Chỉ số trả màu của nguồn sáng là một đại lƣợng phản ánh mức độ trung thực về màu sắc của vật liệu đƣợc chiếu sáng bằng nguồn sáng ấy, so với trƣờng hợp đƣợc chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày hay nguồn sáng khác. Để đo hệ số trả màu của một nguồn sáng ngƣời ta sử dụng các mẫu màu chuẩn để so sánh. Hệ số trả màu của nguồn sáng cần đo đƣợc tính tại mỗi màu làm chuẩn so sánh và đƣợc tính theo công thức. Ri=100-4,6i Trong đó i là độ chênh lệch về năng lƣợng của nguồn sáng với màu chuẩn. Hệ sốtrả màu CRI của nguồn sáng là trung bình của các hệ sốtrả màu Ri tính theo công thức CRI = ∑ Ri Ngƣời ta quy định, chỉ số CRI ánh sáng chuẩn tự nhiên hoặc bức xạ của vật đen tuyệt đối là 100. Hệ số trả màu của các nguồn sáng khác đƣợc so sánh với nguồn chuẩn và có giá trị từ0 ÷ 100. - CRI < 50, màu bị biến đổi nhiều. - 50 < CRI < 70, màu bị biến đổi. - 70< CRI < 85, màu ít bị biến đổi, đây là môi trƣờng chiếu sáng thông dụng. - CRI>85, sự thể hiện màu rất tốt, sử dụng trong các công trình chiếu sáng yêu cầu chất lƣợng màu cao.  Độ bền Độ bền của bột huỳnh quang có thể bị ảnh hƣởng bởi nhiều nguyên nhân khác nhau. Bột huỳnh quang có thể bị phá hủy bởi một số nguyên nhân trong quá trình sản xuất đèn cũng nhƣ trong quá trình đèn hoạt động.Đối với bóng đèn huỳnh quang hơi thủy ngân áp suất thấp, vật liệu huỳnh quang cần có tính trơ với hơi thủy ngân, không bị phân hủy bởi các bức xạ năng lƣợng cao.Không tƣơng tác với các ion tạp chất của vật liệu làm thành ống.  Độ đồng đều về hình dạng và kích thước hạt Độ đồng đều về hình dạng và kích thƣớc hạt là một yếu tố vô cùng quan trọng có ảnh hƣởng ảnh hƣởng đến hiệu suất phát quang. Ngày nay, 9 ngƣời ta càng tiến tới sản xuất ra các loại bột huỳnh quang kích thƣớc cỡ nano mét. Trong thực tế, khi sự phát quang diễn ra các tia bức xạ sẽ bị tán xạ, khúc xạ và tƣơng tác với các hạt vật liệu.Thông thƣờng quá trình này sẽ làm mất đi một phần năng lƣợng bức xạ do tán xạ và hấp thụ của bản thân khối vật liệu. Do vậy, sự phân bố về hình dạng cũng nhƣ kích thƣớc của các hạt cũng có vai trò quan trọng ảnh hƣởng tới hiệu suất phát quang. 1.2. Một số phƣơng pháp tổng hợp bột huỳnh quang Với tình hình khoa học và công nghệ trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới đang trền tầm phát triển và mở rộng đỉnh cao, bột huỳnh quang có thể đƣợc chế tạo bằng rất nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ sol-gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa, phản ứng pha rắn, phản ứng cháy nổ...vv tùy vào từng loại bột huỳnh quang cụ thể mỗi phƣơng pháp chế tạo lại có những ƣu, nhƣợc điểm khác nhau. Sau đây, có một số phƣơng pháp khá phổ biến hiện nay và trong bài khóa luận này tôi xin đƣợc trình bày về chúng. Đề tài nghiên cứu trong khóa luận tốt nghiệpchúng tôi làm theo phƣơng pháp sol-gel. 1.2.1. Phương pháp đồng kết tủa Phƣơng pháp đồng kết tủa là phƣơng pháp chế tạo vật liệu dạng oxit phức hợp bằng cách cho kết tủa từ dung dịch muối chứa các cation kim loại dƣới dạng hydroxit, cacbonat, oxalat, citrate… Mẫu sau khi chế tạo đƣợc rửa, sấy khô, nung và nghiền tùy mục đích sử dụng. Ƣu điểm: Dễ làm, tạo ra vật liệu có kích thƣớc đồng đều, không bị lẫn tạp chất từ môi trƣờng ngoài.Phƣơng pháp này cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng khá tốt, tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng. Nhƣợc điểm: Phải đảm bảo tỉ lệ hợp thức của các chất trong hỗn hợp kết tủa đúng với sản phẩm mong muốn. Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại và ion tạo kết tủa, lực ion, độ pH của dung dịch… Tính đồng nhất hóa học của oxit phức hợp tùy thuộc vào tính đồng nhất của kết tủa từ dung dịch. Việc chọn điều kiện để các ion kim loại cùng kết tủa là một công việc rất khó khăn và phức tạp. Vì vậy ngƣời ta dùng biện pháp tối ƣu để kết tủa hoàn toàn nhƣ thay thế một phần nƣớc bằng 10 dung môi hữu cơ, làm lạnh sâu để tách nƣớc ra khỏi hệ… 1.2.2. Phương pháp sol-gel Trong những năm gần đây, phƣơng pháp sol-gel đƣợc nghiên cứu nhiều và ứng dụng rộng rãi trong việc tổng hợp vật liệu. Từ muối kim loại ban đầu, đƣợc tính toán theo một tỉ lệ xác định và hòa thành dung dịch. Từ dung dịch này, hệ keo của các hạt rắn phân tán trong chất lỏng và tạo thành, đƣợc gọi là sol. Khi phản ứng tạo hơn hai liên kết thì phân tử có kích thƣớc không giới hạn đƣợc hình thành và đến một lúc nó có kích thƣớc chiếm toàn bộ thể tích dung dịch, tạo thành gel. Nhƣ vậy, gel là một chất tạo bởi một pha rắn liên tục bao quanh một pha lỏng liên tục. Hầu hết các gel là vô định hình. Khi sấy khô ở nhiệt độ cao và loại nƣớc, lúc này xuất hiện hiệu ứng làm co mạng gel, chất này đƣợc xerogel. Sau đó, thiêu kết ở các nhiệt độ ta đƣợc bột huỳnh quang cần chế tạo. Bản chất của quá trình sol - gel là dựa trên các phản ứng thủy phân và ngƣng tụ. Sơ đồ tổng hợp vật liệu theo phƣơng pháp sol - gel nhƣ hình sau: Dung dịch Sol Gel Xerogel Oxide phức hợp Hình 1.2:Sơ đồ tổng hợp oxit phức hợp bằng phương pháp sol - gel Phƣơng pháp sol - gel phát triển rất đa dạng và có thể quy theo ba hƣớng chính sau: Sol - gel theo con đƣờng thủy phân các muối. Sol - gel theo con đƣờng thủy phân các alkaxide. Sol - gel theo con đƣờng tạo phức. Ƣu điểm: Tạo đƣợc mức độ đồng nhất của các cation kim loại ở quy mô nguyên tử còn có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng, sợi và hạt. Nhờ khả năng trộn lẫn ở quy mô nguyên tử, phƣơng pháp sol - gel có thể tạo ra sản phẩm có độ đồng nhất cao và một khả năng quan trọng là có thể không chế đƣợc kích thƣớc và hình dạng của hạt. Phƣơng pháp này còn đơn giản, phù hợp với điều kiện nghiên cứu tại nƣớc ta. Nhƣợc điểm: Hóa chất ban đầu thƣờng nhạy cảm với hơi ẩm, khó điều 11