KHẢO SÁT SỰ PHÁT QUANG TỰ PHÁT VÀ PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC CỦA NHÓM VẬT LIỆU PHÁT QUANG SỬ DỤNG TRONG VIỆC CHẾ TẠO LED TRẮNG STUDING THE PHOTOLUMINESCENT SPECTRAL AND THE THERMOLUMINESCEN
Trang 1KHẢO SÁT SỰ PHÁT QUANG TỰ PHÁT VÀ PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC CỦA NHÓM VẬT LIỆU PHÁT QUANG SỬ DỤNG TRONG VIỆC CHẾ TẠO
LED TRẮNG
STUDING THE PHOTOLUMINESCENT SPECTRAL AND THE
THERMOLUMINESCENCE STUMILATE IN MAKING THE WHILTE LED OF
MATERIAL
SVTH: Phạm Hoài Châu, Hồ Thị Phương Thanh, Nguyễn Thị Hồng Nhung,
Nguyễn Thị Thu Lợi, Ngô Thị Thùy Trang
Lớp 08SVL, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng
GVHD: Nguyễn Văn Cường, Lê Văn Thanh Sơn
Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo đưa ra một số kết quả khảo sát sự phát quang cưỡng bức nhiệt và đo phổ phát quang
tự phát của tâm quang Mn trong trường Silicat và Aluminat Từ kết quả thu được tác giả đi đến một số kết luận về sự ảnh hưởng của chế độ nung vật liệu silicat và nồng độ ion Mn đến cường độ nhiệt phát quang và phổ phát quang tự phát của ion Mn trong vật liệu nền Silicate và Aluminat ứng dụng trong chế tạo LED trắng
Từ khóa: phát quang tự phát(PL), phát quang cưỡng bức(TL), LED trắng
ABSTRACT
This paper displays some results on themorluminescence phenomeum and the photoluminescence of the activator Mn in the silica and alumina host lattice By experimental result, the author abstracts some conclusion about the effects of heating mode silicat material and ion Mn in thermoluminescence (TL) intensity and the photoluminescence (PL) spectral of this activator of some silica-based material and its applications in manufacturing white LED
Keywords: photoluminescent spectral (PL), thermoluminescence stumilate (TL), white LED
1 Đặt vấn đề
Các chất phát quang nói chung và chất lân quang dài nói riêng đã được phát hiện và chú ý nghiên cứu từ hàng trăm năm nay với nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học như Antonop, Clemen, Lepsin…Hiện tượng phát quang tự phát cũng như phát quang cưỡng bức của các chất này có rất nhiều ứng dụng trong khoa học-kỹ thuật, đời sống đặc biệt tạo bước đột phá trong công nghiệp chiếu sáng và điện tử viễn thông từ khi LED trắng xuất hiện Ánh sáng trắng của LED được tạo ra dựa trên nguyên lý trộn 3 màu cơ bản (đỏ, xanh lục, xanh lam) Trên chip LED loại xanh lam, người ta phủ một lớp chất phát quang lên bề mặt của chip gọi là lớp chuyển đổi Khi chip LED hoạt động, tia sáng xanh phát ra kích thích các nguyên tử của chất phát quang sẽ phát ra tia đỏ và xanh lục Là sinh viên vật lý với điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng nhóm muốn tìm hiểu về việc chế tạo vật liệu phát quang màu đỏ và màu xanh của trường tinh thể Aluminate, Silicate pha tạp ion
Mn Từ đó đưa ra một số nhận xét cần thiết từ việc chế tạo vật liệu này Đó cũng chính là lý do
Trang 2nhóm chọn đề tài “Khảo sát sự phát quang tự phát và phát quang cưỡng bức của nhóm vật
liệu phát quang sử dụng trong việc chế tạo LED trắng”
2 Thực nghiệm
2.1 Chế tạo mẫu
Nhóm tiến hành nghiền trộn hỗn hợp gồm các muối cacbonat của các ion kim loại (Mg, Ca, Sr, Ba, Zn ), ôxit nhôm (Al2O3), silic điôxit (SiO2), MnCO3 với các liều lượng thích hợp, sau đó để mẫu nguội tự nhiên, làm sạch, sau đó cho nhiễu xạ tia X, chiếu xạ bằng tia β và tiến hành đo TL và phổ PL Sau đó, vận dụng công thức tính toán để tìm độ sâu bẫy Et
2.2 Kết quả và thảo luận :
2.2.1.Đối với phổ TL:
Hình 2.2.1.1 Đường cong TL của mẫu (Mg.Ba).SiO 3 : 0,5% Mn
Nhận xét: Đường cong TL xuất hiện một đỉnh dưới nhiệt
độ 1000C, một đỉnh ở vùng nhiệt độ trên 1700C nhưng cường độ thấp và một đỉnh TL ở 1430C có cường độ lớn nhất
Hình 2.2.1.2 Đường cong TL của mẫu (Mg.Ba).SiO 3 :0,24% Mn
Nhận xét: Đường cong TL xuất hiện ở vùng nhiệt độ dưới
1000C, đỉnh nhiệt phát quang mạnh nhất ở 1450C, không khác so với mẫu pha tạp 0,5%Mn Nồng độ Mn càng lớn thì cường độ TL càng cao
Hình 2.2.1.3 Đường cong TL của mẫu (Ca.Zn).SiO 3 : 0,7% Mn nung ở 1000 0 C/ 2giờ + 1200 0
C/4 giờ
C và
1760C có cường độ cao và một đỉnh ngoài 2400C có cường độ rất bé
Hình 2.2.1.4 Đường cong TL của mẫu (Ca.Zn).SiO 3 :
0,7% Mn ở điều kiện nung 1200 0 C/ 6 giờ
Nhận xét: Đường cong TL gồm 2 đỉnh ở nhiệt độ
1380C và 1940C có cường độ cao Như vậy, chế độ
nung cũng ảnh hưởng đến nhiệt phát quang
50 100 150 200 250 300
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
C)
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
nhiet do ( 0
C) (Mg.Ba).SiO3 , 0,24% Mn
0
50000
100000
150000
200000
250000
nhiet do ( 0 C)
(Ca.Zn).SiO3, 0,7% Mn
1 : 1 : 2,5
0 20000 40000 60000 80000 100000
1 : 1 : 2,5
Trang 3Bảng 2.2 Giá trị độ sâu bẫy của các đường cong TL
đỉnh
Nhiệt độ đỉnh
TL (0C)
Giá trị độ sâu bẫy
E (eV)
2.2.2 Đối với phổ PL:
Hình2.2.2.1 Đường cong PL của mẫu (CaO) 0,4 (ZnO) 0,4 (SiO 3 ) 1,2 : 0,3% Mn
tinh thể CaO.ZnO.SiO2 tỉ lệ 0,4:0,4:1,2 phát quang ở bước sóng 525nm_ màu xanh
Hình2.2.2.2 Đường cong PL của (CaO) 0,4 (ZnO) 0,6 (SiO 2 ) 1,0 : 0,3%
Mn
(Ca.Zn).SiO3 tỉ lệ 0,4:0,6:1 phát quang ở bước sóng 525nm _ màu
xanh
Hình2.2.2.3 Đường cong PL của mẫu (CaO) 0,55 (ZnO) 0,4 (SiO 2 ) 1,05
: 0,3% Mn
(Ca.Zn).SiO3 tỉ lệ 0,55:0,4:1,05 phát quang ở bước sóng 525nm_ màu xanh
Hình2.2.2.4 Đường cong PL của mẫu (Ca.Zn).SiO 3 : 0,3% Mn ở
điều kiện nung 1200 0 C/6giờ với các tỉ lệ về chất nền khác nhau
polysilicat (Ca.Zn).SiO3 với các tỉ lệ nồng độ khác nhau thì đều phát
quang ở bước sóng 525nm _màu xanh nhưng cường độ phát quang
đối với vật liệu có tỉ lệ chất nền khác nhau là khác nhau 500 550 600 650 700 750
0 2000 6000 10000 14000 18000 22000 26000 30000
buoc song(nm)
0
5000
10000
15000
20000
25000
buoc song(nm)
(Ca.Zn).SiO3:0,3% Mn 0,4 :0,4 :1,2
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
b)
buoc song(nm)
0,4 :0,6 :1
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
c)
buoc song(nm)
CaO:ZnO:SiO2:0,3%
0,55 :0,4 :1,05
Trang 4520 540 560 580 600 620 640 660 680 700
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
buoc song (nm )
0,5:0,5:1
(Mg.Ca)Al
2 O
có và không có chất chảy
Nhận xét :Dạng phổ phát quang của vật liệu khi nung có chất chảy
gồm 3 đỉnh phổ có tính đối xứng ứng với các bước sóng 640 nm,
655 nm và 665 nm Trong đó đỉnh ở 655 nm có cường độ phát quang lớn nhất Phổ phát quang của vật liệu khi nung không có chất chảy chỉ xuất hiện một đỉnh ở bước sóng 640 nm nhưng có
Hình 2.2.2.6 So sánh phổ phát quang của (Mg.Ca)Al 2 O 4 :
Mn khi thay đổi tỉ lệ chất nền
chất nền (1:1:3) cho phổ phát quang ở 3 bước sóng 640 nm,
655 nm , 665 nm và có cường độ mạnh Phổ phát quang
của vật liệu (Mg.Ca)Al2O4:0,2%Mn với tỉ lệ chất nền ( 1:
1: 2 ) chỉ có đỉnh ở bước sóng 650 nm với cường độ yếu
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
buoc song (nm)
MgO.CaO.Al2O3: Mn 0,2%
( 0,4 : 0,4 : 1,2) MgO.CaO.Al2O3: Mn 0,2%
( 0,5 : 0,5 : 1)
Hình 2.2.2.7 Phổ phát quang của SrAl 2 O 4 :0,2% Mn
0,2% Mn cho 3 đỉnh chính ở bước sóng 642 nm, 657 nm , 667
nm và ở bước sóng 657 nm có cường độ phát quang lớn nhất
Hình 2.2.2.8 Phổ phát quang của BaAl 2 O 4 : Mn
Nhận xét: - Phổ phát quang cho đỉnh ở bước sóng 635 nm
và có đường cong phát quang có cường độ yếu cường độ
yếu hơn so với vật liệu SrO.Al2O3:Mn 0,2%
9000 9500 10000 10500 11000
buoc song (nm)
0,8:1,2
640 660 680 700
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
22000 (Ba.Zn)Al 2 O 4 : Mn có chat chay
0,4:0,4:1,2
0,4:0,4:1,2
Buoc song (nm)
Hình 2.2.2.9 So sánh phổ phát quang của (Ba.Zn)Al 2 O 4 : Mn khi nung có và không có chất chảy
chất nền ( 1: 1: 3) nhưng phổ phát quang của vật liệu khi nung
có chất chảy thì cường độ phát quang lớn hơn so với phổ phát quang của vật liệu đó khi nung không có chất chảy Đỉnh phát quang cao nhất ở bước sóng 662 nm và có cường độ mạnh hơn của vật liệu BaAl2O4 : Mn có đỉnh ở bước sóng 635 nm ở hình 2.2.b.6
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
buoc song (nm )
0,8:1,2
Trang 53 Kết luận
Qua khảo sát hiện tượng phát quang cưỡng bức (nhiệt) và phát quang tự phát của nhóm vật liệu silicat, aluminat có pha tạp ion Mn, tác giả đưa ra một số kết luận sau:
* Về phát quang cưỡng bức (nhiệt):
- Nhóm vật liệu nền (Mg.Ba)SiO3 có đỉnh TL cực đại ở nhiệt độ từ 1430C- 1450C
- Nhóm vật liệu nền (Ca.Zn)SiO3 có đỉnh TL cực đại ở nhiệt độ từ 1760C- 1940C
- Với các chất nền khác nhau thì cường độ TL có giá trị khác nhau, số bẫy và độ sâu bẫy có giá trị khác nhau
- Nồng độ Mn càng lớn thì cường độ TL càng cao
- Chế độ nung ảnh hưởng đến cường độ TL
* Về phát quang tự phát:
- Tâm quang Mn với cùng một nồng độ trong các trường tinh thể polysilicat
(Ca.Zn)SiO3 khác nhau thì đều phát quang ở bước sóng 525nm _màu xanh
- Cường độ phát quang của tâm quang Mn đối với một loại vật liệu với tỉ lệ chất nền
khác nhau là khác nhau
- Phổ phát quang của các vật liệu (Mg.Ca)Al2O4 ; SrAl2O4; BaAl2O4; (Ba.Zn)Al2O4 pha tạp Mn có dạng phổ khác nhau
- Qua khảo sát ta thấy rằng ion Mn phù hợp với vật liệu nền (Mg.Ca)Al2O4 nên cho phát quang cường độ cực đại ở bước sóng cỡ 655nm
- Các đỉnh phổ đều nằm trong khoảng bước sóng ( 635 nm - 670 nm ), phù hợp với các số liệu về đỉnh phổ phát quang của Mn4 trong các mạng chủ Aluminate ứng với sự dịch chuyển từ 2
E về 4A2 cho phát quang màu đỏ [1],[5]
- Khi pha thêm chất chảy vào vật liệu có mạng chủ là Aluminate thì phản ứng pha rắn xảy ra tốt hơn nên cường độ phát quang tăng lên
- Tỉ lệ chất nền là ( 1 : 1 : 3 ) cho kết quả phát quang tốt hơn tỉ lệ chất nền là ( 1: 1 :
2 )
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Văn Thích , Hiện tượng huỳnh quang và kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại học tổng hợp Hà Nội
[2] Nguyễn Mạnh Sơn, Lê Văn Tuất (2007), “Các nghiên cứu phát quang của vật liệu aluminate pha tạp nguyên tố đất hiếm”, Đại học Huế
[3] Vũ Xuân Quang (1999), Quang phổ của các tâm điện tử trong vật rắn, Viện khoa học vật liệu
[4] Đinh Thanh Khẩn, Chế tạo vật liệu CaAl2O4 Khảo sát ảnh hưởng của ion Mn2+
lên phổ phát quang cuả vật liệu này, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà
Trang 66
[5] G.Blasse.B.C.Grabmaier, Luminescent Materialslag springer, Verlag Berlin
Heidelberg 1994
[6] “Role of SiO 2 in Zn 2 SiO 4 : Mn 2+ phosphor used in optoelectronic materials” , Indian
Journal of Engineering & Materials Sciences, (6/2009) Vol 6, tr 185 - 187
[7] S.W.S Mc KEEVER, The Thermoluminescence of solids, Deparment of physic,
Oklahoma State University (1985)
