Nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo và ứng dụng của vật liệu nanô phát quang và vật liệu quang điện polyme dẫn lai hạt kim loại nanô

Nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo và ứng dụng của vật liệu nanô phát quang và vật liệu quang điện polyme dẫn lai hạt kim loại nanô

Ề TÀI

Nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo và ứng dụng của vật liệu nanô phát quang và vật liệu quang điện polyme dẫn lai hạt kim loại nanô.

Phần 1: Nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu nano phát quang (PGS.TS Trần Kim Anh).

Phần 2: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu quang điện trên cơ sở polymer dẫn lai hạt nano kim loại (PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa).

Thời gian thực hiện: 2007 - 2008

Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học vật liệu

Cán bộ tham gia:

Viện Khoa học vật liệu:

PGS.TS Trần Kim Anh, TS Phạm Hồng Dương, TS Nguyễn Vũ, ThS Nguyễn Thị Thanh Ngân, ThS Đinh Xuân Lộc, TS Trần Thu Hương, ThS.NCS Lâm Thị Kiều Giang, TS Phạm Duy Long, ThS.NCS Trần Thị Kim Chi, PGS.TS Nguyễn Quang Liêm, ThS Chu Anh Tuấn

Viện Hóa học:

PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa, TS Ngô Trình Tùng, ThS Nguyễn Thị Thu Trang,

KS Văn Trọng Hiếu, KS Trần Anh Đức, Vũ Quốc Thắng, NCS Hoàng Mai Hà, NCS Nguyễn Hồng Minh

Viện Địa lý:

PGS.TS Phạm Thị Minh Châu

ITIMS:

PGS.TS Phạm Thành Huy

Đại học Khoa học Tự nhiên:

TS Phạm Văn Bền

Viện Khoa học hình sự:

Thượng tá công an TS Vũ Văn Nhan

Tổng kinh phí: 400 triệu đồng

Mục tiêu:

- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu nano phát quang hiệu suất cao thuộc nhóm

A2B6 và Ln2O3 với ba vùng phổ đỏ, xanh lam, xanh lá cây

Chế thử qui mô phòng thí nghiệm các mẫu tem nhãn phát quang trên cơ sở các vật liệu nano phores chế tạo được và các vật liệu thương phẩm

Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano chế tạo được

- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu quang điện trên cơ sở polyme dẫn lai hạt kim loại nano Nghiên cứu sử dụng vật liệu quang điện thử nghiệm chế tạo pin mặt trời qui mô phòng thí nghiệm

- Phát huy kết quả đầu tư Phòng thí nghiệm trọng điểm “Vật liệu linh kiện điện tử”,

đồng thời tham gia tích cực đào tạo cán bộ trình độ cao trong lĩnh vực Vật lý

và Vật liệu công nghệ nano

Nội dung nghiên cứu:

Đề tài tập trung vào 2 phần đã đăng ký với các nội dung cụ thể:

- Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu nano phát quang hiệu suất cao với ba vùng phổ đỏ, xanh lam, xanh lá cây, nghiên cứu tính chất quang các loại vật liệu phát quang khác nhau trên cơ sở hợp chất A2B6, vật liệu nano pha đất hiếm dưới dạng bột, keo và thử nghiệm in lưới qui mô phòng thí nghiệm Tổng quan về vật liệu nano phát quang, về công nghệ in bảo mật Quy trình chế tạo bột huỳnh quang và dung dịch phát quang bằng các phương pháp khác nhau, nghiên cứu tính chất và quy trình chế tạo thử nghiệm tem nhãn Phương pháp in lưới được áp dụng ở quy

mô phòng thí nghiệm thử nghiệm với các vật liệu tự chế tạo và các vật liệu thương mại với 5 loại đánh dấu khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, như chữ ký, con dấu, chữ số, in lưới, in phun và tìm hiểu kỹ thuật in offset với hai loại giấy bóng vỡ và giấy in không phát quang

- Tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp chất bán dẫn hữu cơ, vật liệu polyme dẫn, chế tạo vật liệu quang điện trên cơ sở polyme dẫn lai hạt nano kim loại Tổng quan chi tiết về vật liệu quang điện tử hữu cơ, pin mặt trời hữu cơ OSC Phần thực nghiệm trình bày quy trình chế tạo các hạt polypyrrol cấu trúc nano, vật liệu lai polypyrrol và hạt nano bạc, tổng hợp và nghiên cứu polyphenylenvinylenne và dẫn suất Nghiên cứu công nghệ phủ màng mỏng nhiều lớp theo mô hình pin mặt trời hữu cơ OSC, chế tạo pin mặt trời hữu cơ, nghiên cứu hiệu ứng quang điện

Kết quả đạt được:

Đề tài đã hoàn thành tốt nhiệm vụ nghiên cứu cơ bản theo 2 nhánh:

1 Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang phổ và ứng dụng vật liệu nano phát quang

2 Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu quang điện tử trên cơ sở polyme dẫn lai hạt nano kim loại

Phần 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu chế tạo, tính chất quang của vật liệu nano phát quang pha đất hiếm, vật liệu nano oxit, vật liêu nano A 2 B 6:

- Hệ vật liệu có cơ chế truyền năng lượng và chuyển đổi ngược dạng hạt Y2O3:

Eu, Tb tỷ lệ tối ưu Eu/Tb=8/2 và Y2O3: Er, Yb rất có triển vọng ứng dụng

- Hệ vật liệu thanh và ống dạng oxit Y(OH)3 pha đất hiếm, các chấm lượng tử chế tạo được trong phòng thí nghiệm (PTN) vật liệu quang điện tử được nhắc đến nhằm mục đích ứng dụng

+ Tìm hiểu về in bảo mật, các vật liệu in, các phương pháp in đặc biệt là kỹ thuật in lưới

+ Xây dựng 5 quy trình chế tạo ổn định cho 5 hệ vật liệu nanô phát quang mới:

1 Hệ ZnS pha kim loại chuyển tiếp:

 ZnS: Mn với các nồng độ khác nhau của Mn và trong các điều kiện công nghệ khác nhau, ủ trong chân không và ủ trong khí nitơ

 ZnS: Mn chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa trong PVA, phát quang tốt in lưới dễ dàng

 ZnS: Cu phát quang mạnh dưới kích thích đèn soi tiền

2 Hệ Zn2SiO4: Mn dạng nano phát quang mạnh dưới kích thích tử ngoại 254 nm

3 Hệ Y2O3: Eu, Tb, Er, Tm dạng hạt và dạng keo nano được nghiên cứu chi tiết

4 Hệ YVO4: Eu3+ phát quang mạnh dưới kích thích đèn soi tiền được nghiên cứu trong sự phụ thuộc nồng độ, phổ huỳnh quang phân giải thời gian, thời gian sống

5 Hệ CePO4: Tb3+ đã được nghiên cứu chế tạo và đặc tính phổ hướng đến ứng dụng

+ Tính chất cấu trúc, tính chất quang được nghiên cứu khá chi tiết với các hệ vật liệu chế tạo được nhằm ứng dụng cho công nghệ đánh dấu và chế tạo tem nhãn phát quang:

 Các vật liệu nano phát quang có kích thước từ 10-30 nm tùy thuộc vào

hệ vật liệu và công nghệ chế tạo

 Hiệu suất phát quang cao, phát hiện được bằng mắt thường khi kích thích bằng đèn soi tiền công suất thấp, phát sáng rực rỡ khi kích thích bằng các loại lade có trong phòng thí nghiệm như laze He-Cd, N2, diod phát quang

 Vùng phổ phát quang tương đối phong phú và đa dạng trải dài từ vùng tím, xanh lam, xanh lá cây, đỏ, vàng, da cam tùy thuộc loại vật liệu, nồng

độ pha tạp và khả năng pha trộn theo một tỷ lệ nhất định đối với vật liệu mực in thương mại

+ Quy trình công nghệ chế tạo tem phát quang an toàn và chống làm giả qui

mô phòng thí nghiệm:

 Thử nghiệm chế tạo tem nhãn phát quang chủ yếu bằng quy trình in lưới quy mô phòng thí nghiệm cho vật liệu tự chế tạo và vật liệu thương mại phát đỏ, xanh

 Nghiên cứu sử dụng chấm lượng tử CdTe/CdS chế tạo trong phòng thí nghiệm cho ứng dụng đánh dấu

 Nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu phát quang thương mại trong kỹ thuật

in phun, cải tiến máy in lắp đặt các hộp mực thương mại với các mực mầu

đỏ, xanh lá cây và xanh lam

 Tìm hiểu về in bảo mật các vật liệu in, các phương pháp in bao gồm cả in offset:

Thử nghiệm dùng bút máy, con dấu và chữ số tạo phương pháp đánh dấu đơn

giản với các vật liệu tự chế tạo và vật liệu thương mại

+ Nghiên cứu thời gian sử dụng, ảnh hưởng của các loại giấy in, các loại dung môi

+ Đã in thử hàng loạt (50-100) mẫu tem tàng hình với các kích thước khác nhau, (1-10 cm2) với các loại lưới khác nhau từ 100, 120, 140, 160 đường kẻ/cm và với các bước sóng kích thích khác nhau của đèn soi tiền, Diod phát quang 370 nm, đèn thủy ngân 254 nm, đèn thủy ngân 365 nm, Laze He-Cd325, laze Nitơ 337,1nm

Phần 2: Nghiên cứu vật liệu polyme và pin mặt trời:

Đã tổng quan đầy đủ về vật liệu quang điện tử hữu cơ và pin mặt trời, cụ thể:

- Chế tạo polypyrrol cấu trúc nano bằng phương pháp trùng hợp phân tán Đã tiến hành phản ứng trùng hợp phân tán pyrrol trong PVA bằng phản ứng oxy hóa học, nhận được hạt polypyrrol phân tán dạng hạt có cấu trúc nano

+ Polypyrrol nhận được có độ dẫn điện tốt Độ dẫn này phụ thuộc vào tỷ lệ mol giữa chất oxy hóa và pyrrol

+ Nghiên cứu hiệu ứng quang điện của màng mỏng PPy Tính chất dẫn của PPy phụ thuộc tuyến tính vào cường độ ánh sáng bức xạ

+ Đã nghiên cứu cấu trúc PPy bằng quang phổ tán xạ FT-Raman dạng mỏng

và dạng bột

+ Nghiên cứu cấu tạo hình thái học của PPy ở dạng keo và dạng màng mỏng.

- Nghiên cứu chế tạo và khảo sát vật liệu lai từ polypyrrol và hạt nano bạc Vật liệu lai PPy/Ag có thể được chế tạo bằng phương pháp tổng hợp hóa học in-situ Các hạt nano bạc có kích thước khá đồng đều từ 4-8 nm Trong quá trình tổng hợp in-situ vật liệu lai, các hạt nano bạc có xu hướng kết khối tạo ra các khối (cluster) có kích thước từ 25 nm đến 150 nm Khi có mặt hạt nano bạc, độ dẫn điện của PPy tăng lên đáng kể cùng với sự gia tăng tỷ lệ hạt nano bạc Độ bền nhiệt của PPy cũng được cải thiện đáng kể Để có được sự phân bố đồng đều hơn của hạt nano bạc trong PPy cần phải được tiếp tục nghiên cứu

- Tổng hợp và nghiên cứu tính chất Polyphenylenvinylene (PPV) và dẫn suất Nghiên cứu tính chất quang của PPV và các dẫn suất

+ Quang phổ hấp thụ UV/vis của PPV, Meh-PPV, CzEh-PPV và OxdEh-PPV + Quang phổ phát xạ PL của các hợp chất PPV, Meh-PPV, CzEh-PPV và OxdEh-PPV

- Chế tạo pin mặt trời

+ Nghiên cứu phổ hấp thụ ánh sáng của MEH-PPV, PCBM và vật liệu compozit của chúng Quang phổ của MEH-PPV và MEH-PPV/PCBM compozit Sự phụ thuộc của điện thế mạch hở vào tỷ lệ khối lượng MEH-PPV/PCBM Khi tỷ lệ khối lượng MEH-PPV/PCBM tăng lên thì điện thế mạch hở của pin mặt trời tăng nhẹ từ 0.6V lên 0.64V

+ Trong nghiên cứu này đề tài đã chế tạo thành công pin mặt trời hữu cơ từ vật liệu MEH-PPV/PCBM compozit Với sự tham gia của PCBM, phổ huỳnh quang của MEH-PPV đã bị triệt tiêu mạnh Điều này nói lên đã xảy ra sự chuyển dịch điện tích từ MEH-PPV sang cacbon fulleren C60

có trong PCBM Các tính năng của pin mặt trời cũng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pha PCBM Khi hàm lượng PCBM trong compozit tăng lên thì hiệu suất chuyển hóa năng lượng và mật độ dòng đoản mạch của pin mặt trời tăng lên mạnh mẽ Tác động của pha PCBM lên điện thế mạch hở được quan sát thấy là không đáng kể

Những đóng góp mới của đề tài:

- Chế tạo thành công 5 hệ vật liệu nano phát quang mới các màu đỏ, xanh lá cây, xanh lam, hiệu suất cao

- Sử dụng các vật liệu nano phát quang, chấm lượng tử, vật liệu thương mại trong kỹ thuật in lưới

- Cải tiến máy in, lắp đặt các hộp mực thương mại với 3 màu chủ đạo đỏ, xanh

lá cây, xanh lam sử dụng tốt trong kỹ thuật in phun

- Ở Việt Nam, nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme dẫn điện, các vật liệu lai trên

cơ sở polyme dẫn điện với hạt nano kim loại và ứng dụng cho chế tạo pin mặt trời hữu cơ là mới mẻ Đề tài đã chế tạo thành công hai loại polyme dẫn được quan tâm đó là Ppy, PPV và dẫn xuất của chúng Bước đầu đã ứng dụng thành công MEH-PPV chế tạo pin mặt trời hữu cơ

Sản phẩm khoa học:

- 5 quy trình chế tạo 5 hệ vật liệu nano phát quang:

+ ZnS:Mn, ZnS:Cu

+ Zn2SiO4:Mn

+ Y2O3:Eu, Tb, Er, Tm

+ YVO4: Eu

+ CePO4: Tb

- Quy trình in lưới quy mô phòng thí nghiệm

- Quy trình in phun với máy in phun đã cải tiến để dùng với mực tàng hình Hàng trăm mẫu in tem nhãn các loại 50-100 mẫu các mầu khác nhau, kích thước khác nhau 1-10 cm2 in trên các loại giấy khác nhau

- 2 quy trình chế tạo hai loại polyme dẫn, 2 dẫn xuất, vật liệu bán dẫn hữu cơ độ dẫn 10 S/cm Công nghệ phủ màng mỏng nhiều lớp theo mô hình OSC với hiệu ứng quang điện chấp nhận được

- Một quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời sử dụng polyme lai hạt kim loại nano quy mô phòng thí nghiệm

- Có 10 công bố khoa học trên quốc tế và trong nước, nhiều báo cáo ở hội thảo trong nước và seminar quốc tế

Kết quả đào tạo:

- Góp phần đào tạo 01 NCS bảo vệ năm 2007, 01 NCS bảo vệ năm 2009

- Đào tạo 02 cao học và 02 sinh viên Khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia, Hà Nội

Đề tài hợp tác nghiên cứu tốt với các đơn vị bạn Kết quả của đề tài mở ra triển vọng tốt để phát triển cho giai đoạn tiếp theo