nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang phát xạ Ánh sáng Đỏ (red) Ứng dụng trong...

45
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ (RED) ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĐÈN HUỲNH QUANG Mã số: ĐH2011-07-08 Chủ nhiệm đề tài: Th.S. Lê Tiến Hà THÁI NGUYÊN, NĂM 2013

Upload: duong-vu-kien

Post on 18-Aug-2015

262 views

Category:

Documents


17 download

DESCRIPTION

Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ (Red), nghiên cứu các cơ chế ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất quang của bột huỳnh quang, phủ thử bột lên bóng đèn huỳnh quang.Các bột huỳnh quang có pha tạp Eu với các vật liệu nền khác nhau, ứng dụng trong chế tạo đèn huỳnh quang ba phổ

TRANSCRIPT

I HC THI NGUYN TRNG I HC KHOA HC BO CO TNG KT TI KHOA HC V CNG NGH CP I HC NGHIN CU CH TO BT HUNH QUANG PHT X NH SNG (RED) NG DNG TRONG CH TO N HUNH QUANG M s: H2011-07-08 Ch nhim ti: Th.S. L Tin H THI NGUYN, NM 2013 I HC THI NGUYN TRNG I HC KHOA HC BO CO TNG KT TI KHOA HC V CNG NGH CP I HC NGHIN CU CH TO BT HUNH QUANG PHT X NH SNG (RED) NG DNG TRONG CH TO N HUNH QUANG M s: H2011-07-08 Ch nhim ti: Th. S. L Tin H Ngi tham gia thc hin: PGS. TS. Phm Thnh Huy PGS. TS. V Th Kim Lin TS. Chu Vit H Xc nhn ca c quan ch tr ti (k, h tn, ng du) THI NGUYN, NM 2013 1 M U 1. Tnh cp thit ca ti Hin nay, vn nng lng, tit kim nng lng v nng lng sch bo v mi trngangcquantm,ut,nghincutrntonthgii.ivinnglng chiu sng, theo bo co mi nht ca IEA (Policies for Energy efficient lighting [22]) ch tnh ring cc n chiu sng dy tc tiu th khong 7% tng lng in nng tiu th (bngtngcngsutcattcccnhmyinhtnhn).Trongnm2005,tng lng in nng tiu th ca cc loi n dy tc l ~ 970 TWh, vic ch to v s dng cc bng n ny thi ra mi trng mt khi lng ln ~ 560 Mt (CO2), v thy ngn. V vy vic thay th cc thit b chiu sng ni chung v cc n chiu sng bng dy tc ni ring bng cc bng n hunh quangv hunh quang compac lnhu cu cp thit ca nhiu quc gia trn ton th gii, trong c Vit Nam. nc ta hin nay, nguyn liu bt hunh quang dngtrong cc bngnhunh quangvbngnhunhquangbaphaslnhptncngoi.Vicchtobt hunhquangngdngphtrongccnhunhquanglnhucucpthitvsng cn ca cc nhmy sn xut thit b chiu sng,vkhi ch ng c nguynvt liu mi ch ng c cng ngh ch to v h c gi thng sn phm. Trong cc thit b chiu sngpht nh sng trng dngvt liu ba ph th bt hunh quangpht ra bc x mu chim gn 80%. V vy vic nghin cu v ch to bt hunh quang pht bc x mu l cn thit. ti Nghin cu ch to bt hunh quang pht x nh sng (Red)ng dng trong ch to n hunhquang c thc hinnhmng dng trc tipccktquvovicchtoccnhunhquangnhsngdngtrongnng nghip v n hunh quang compact hiu sut cao. 2. Mc tiu nghin cuChtobthunhquangphtxnhsng(Red),nghincucccchnh hngn cu trcv tnh cht quang cabthunhquang, ph th btln bng n hunh quang. 3. i tng v phm vi nghin cu Cc bt hunh quang c pha tp Eu vi cc vt liu nn khc nhau, ng dng trong ch to n hunh quang ba ph. 2 4. Ni dung nghin cu 1.Tng hp bt hunh quang pht ra bc x mu , ng dng trong ch to n hunh quang ba ph. 2.Khostccyutnhhngncutrcvtnhchtquangcavtliu tng hp c. 5. Phng php nghin cu- Thc nghim tng hp bt hunh quang. -ThcnghimchpnhSEM,ophnhiuxtiaX,phkchthchhunh quang, ph quang hunh quang. - Tp hp v x l s liu 3 Chng 1 TNG QUAN Hinnay,cngnghchiusngtitkiminnngvthnthinvimitrng ang c quan tm nghin cu. Thc t cho thy, xu hng s dng cc ngun sng nhn to l cc loi n hunh quang lm ngun sng ch yu ngy cng nhiu, khin cc nh cung cp ngun sng ngy cngquantmnhiuncngngh,nguynvtliutorachtlngnhsngtt hn. Cc loi bt hunh quang c di sng hp, c quang thng ln v ch s truyn mu cao ang ha hnng dng rt nhiu trongvic ch to cc loi bngn hunh quang tit kim nng lng v cht to cc loi it pht quang Vit Nam.Nh chng ta bit, cc loi bng n hunh quang sn xut ti Vit Nam hu ht l s dng bt ba mu ngoi nhp nn khng ch ng trong sn xut, m gi thnh sn phm li cao. V vy, vic nghin cu cng ngh ch to bt hunh quang ba mu c hiu sut cao thay th cho bt hunh quang ngoi nhp gim gi thnh sn xut l mt trong nhng nhu cu cp thit, c ngha thc tin cao v rt cn thit.1.1.Tng quan v bt hunh quang Vt liu hunh quang c nghin cu ch to ti l vt liu c kh nng pht nh sng trong vng quang ph m mt ngi cm nhn c khi b kch thch. Hin tng khi cc cht nhn nng lng kch thch t bn ngoi v pht ra nh sngcgilsphtquang.Tytheoccloinnglngkchthchkhcnhau ngi ta phn thnh cc loi hunh quang khc nhau: nng lng kch thch bng nh sng c gi l quang pht quang; nng lng kch thch bng in trng c gi linquangphtquangvvQutrnhphtquangxyrangaysaukhickch thch (F ns) c gi l hunh quang. Cn nu qu trnh pht quang xy ra chm (F s) th c gi l s ln quang. Khi hp th nng lng kch thch, nguyn t, phn t chuyn t mc nng lng ban u ln cc trng thi nng lngkhc cao hn. Nu phn t, nguyn t hp th nh sng nm trong vng nhn thy hoc vng t ngoi th nng lng hp th s ng vi cc mc in t, nh vy s c s chuyn di ca in t trong phn t t qu o ny sangqu okhc. T trng thikch thch, in t trong nguynt, phn t c 4 thtrvtrngthicbnbngccconngkhcnhau:hiphckhngbcx hoc hi phc bc x. 1.1.1.C ch pht quang ca bt hunh quang C ch pht quang ca vt liu ph thuc vo cu hnh in t ca cc nguyn t t him pha tp, c vai tr l cc tm pht x. i vi vt liu hunh quang pha tp gm hai phn chnh: + Cht nn (mng ch) l nhng cht c vng cm rng do c cu to t cc ion c cu hnh in t lp y nn thng khng hp th nh sng nhn thy. + Chtphatp(tmkchhot)lnhngnguynthayionccuhnhint vi mt s lp ch lp y mt phn (v d nh cc ion kim loi chuyn tip c lp d chablpy,ccionthimclpfchablpy)scnhngmcnng lngcchnhaubinhngkhekhnglnlmtngngvinnglngnhsng nhn thy, ta ni chng nhy quang hc. Khi kch thch vt liu bng bc x in t, cc photon b vt liu hp th. S hp th c th xy ra ti chnh tm kch hot hoc ti cht nn. Trng hp th nht: Tm kch hot hp th photon, n s chuyn t trng thi c bn ln trng thi kch thch, qu trnh quay tr v s bc x nh sng. Trng hp th hai: Cht nn hp th photon, khi in t vng ha tr s nhy ln vng dn lm sinh ra mt l trng vng ha tr. S ti hp gia in t vng dn v l trng vng ha tr thng khng xy ra m in t v l trng c th s b by ti cc by, s ti hp gia in t v l trng lc ny s khng bc x nh sng. Mt kh nng na c th xy ra khi cht nn hp th photon l in t khng nhy hn t vng ha tr ln vng dnm ch nhy ln mtmc nng lng gn y vng dn, lc ny in t v l trng khng hon ton c lp vi nhau m gia chng c mt mi lin kt thng qua tng tc tnh in Coulomb. Trng thi ny c gi l exciton, n c nng lng lin kt nh hn mt cht so vi nng lng vng cm Eg. Bn knh Bohr exciton (aB) c tnh theo cng thc sau: oB 2 * *o e h4 1 1a ( )m e m mtc c= + Trong , 0 l hng s in, l hng s in mi ca vt liu, mo l khi lng ngh ca in t, me* v mh* l khi lng hiu dng (l khi lng tnh n nhng 5 tc ng ca trng tinh th ln tnh cht ca cc ht ti) tng ng ca in t v l trng. S ti hp exciton s bc x nh sng. 1.1.2.Cc c trng ca bt hunh quang Hiu sut hunh quang. Hiu sut hunh quang c tnh bng tng hiu sut hp th v hiu sut lng t. Trong : Hiu sut lng t c tnh bngcng sut pht x chia cho cng suthp th. Mi loi vt liu hunh quang cn c tnh ton sao cho hiu sut hunh quang cao nht. Thng thng bng n hunh quang c th t hiu sut hunh quang t 0.55-0.95Hp th bc x kch thch. i vi vt liu hunh quang ni chung vng hp th nng lng khng phi l mt di um thng lhpthmnh trongmtvngnht nh.Trong bng n hi thy ngnpsutthpbcxkchthchcanmnhnhtbcsng254nm,vtliu hunhquangchoncncphhpthmnhtrongdiny.ivibngnhunh quang hi thy ngn p sut cao c hai vng bc x l 220-290nm v 330-390nm do loi vt liu hunh quang hp th di bc sng 380nm cng cn c ch . n nh mu Mt s loivt liu hunh quang c tnh cht quangbin i theo nhit . VD bthunhquanghalophosphats3Ca(PO4)Ca(F,Cl)chothobiSb3+ vMn2+, ph bc x caSb3+ b dchv pha bc sng ngnkhi nhit tng,LaPO4:Ce,Tb hiu sut pht quang gim n 90% khi nhit tng t nhit phng ln 1500C. i vibngnhunhquanghithyngnpsutthp,nhithotngcan khong400C,ivinthyngnpsutcao,nhitbntrongcthtngn 3500C v th cn phi c nhng loi hunh quang ph hp. bn C rt nhiu tc nhn gy ra s suy gim phm cht ca vt liu nh tc ng ca ha, nhit, in trng v c hc xy ra bn trong. i vi bng n hunh quang hi thy ngn p sut thp, vt liu hunh quang cn c tnh tr vi hi thy ngn, khng b phn hy bi cc bc x nng lng cao. Khng tng tc vi cc ion tp cht ca vt liu lm thnh ng. ng u v hnh dng v kch thc ht Trong khi vt liu hunh quang, sau khi s pht quang din ra cc tia bc x s b tn x, khc x v tng tc vi cc ht vt liu. Thng thng qu trnh ny s lm 6 mt i mt phn nng lng bc x do tn x v hp th ca khi vt liu. Do vy, s phn b v hnh dng cng nh kch thc ca cc ht cng c vai tr quan trng nh hng ti hiu sut pht quang. 1.2.Cc loi bt hunh quang 1.2.1.Bt hunh quang truyn thng Bthunhquangtruynthnglccbthunhquangdatrnnguynliu calciumhalophosphate.Bthunhquangcalciumhalophosphatepngcs kch thch ca bc x 254 nm ca thy ngn v bn trong khng gian phng in ca mi trng kh tr. Bt hunh quang quang calcium halophosphate c hot ha vi cc ion Sb3+ v Mn2+ ( c cng b bi Mckeag v cng s nm 1942). T bt hunh quang halophosphate c cc ion kch hot Sb3+ v Mn2+ c s dng rng ri cho s pht ra nh sng trng trong bng n hunh quang cng nghip. 1.2.1.1.Cu trc mng nn HalophosphatevithnhphnCa5(PO4)3X(X=F,Cl)lgnvihydroxy-apatite, thnh phn chnh ca xng v rn. Apatite c cu trc tinh th l hexagonan v cc nguyn t Ca xut hin hai v tr khc nhau. Cc nguyn t Ca v tr 1 ( CaI) c s phi tr 6 v c bao quanh bi 6 nguyn t O vi di trung bnh ca lin kt CaI-O l 2,43 A0. Cc nguyn t Ca v tr 2 ( CaII) c bao quanh bi 6 nguyn t oxi ( di trung bnh ca lin kt CaII-O l 2,43 A0) v mt nguyn t halogen( di lin kt CaII-O l 2,39 A0. Trong trng hp halogen l F th CaII v nhng nguyn t F cng nm trn mtmtphngtinhth.TuynhinlkhihalogenlClthCaIvnhngnguyntCl khng nm trn cng mt mt tinh th. Mt d c nhiu bi bo bn v v tr ca Sb3+ v Mn2+ nhng tt c u nht tr cho rng nhng ion ny c kh nng thay th cc ion Ca2+ c 2 v tr. Ngoi ra tc gi Blasse cng nhn mnh rng c bng chng cho thy cc ion Sb3+ cng c th v tr trn phosphorus trong mng li bt hunh quang. TuynhintrongkhinhngionMn2+nichungthngphnbngutrong ton tinh th th nhng ion Sb3+ c tm thy hu ht trn b mt tinh th [11,26]. 1.2.1.2.Tnh cht pht quang ca vt liu Cc bng n hunh quang thng s dng bt halophosphat vi pht x ch yu l ca cc ion Sb3+ v Mn2+ c pha tp. Bt hunh quang halophosphate hot ha bi Sb3+ v Mn2+ hp th bc x t ngoi t hi thy ngn trong n hunh quang v pht ra nh sng trng (hnh 1.1). Qu trnh pht ra nh sng trng c quy cho s hp th bc 7 x hi thy ngn 254nm bi nhng ion hot ha Sb3+ v pht ra nh sng blue (xanh da tri). Mt phn nng lng hp th bi Sb3+ truyn cho nhng ion hot ha Mn2+ v pht ra nh sng red-orange ( - cam). Nhng ion Mn2+ hu nh khng hp th bc x ca hi thy ngn. S kt hp ca cc nh sng blue v red-orange sinh ra nh sng trng[11]. Sb3+ c vng bc x 480 nm v Mn2+ c vng bc x ~ 580 nm (hnh 1.2). Hnh 1.1. Ph pht hunh quang ca calcium halophosphate A: Sb3+, B: Mn2+, C: Halophosphate pht nh sng trng [11] Hnh 1.2 Ph hunh quang ca bng n s dng bt halophosphat 1.2.1.3.u nhc im ca bt halophosphate Mt trong nhng u im ln nht ca bt halophosphate l nguyn liu r, d ch to. Tuy nhin, mt hn ch ln ca bt hunh quang halophosphate l khng th t c ng thi sngcaov h s trmu cao. C th:Nu sng cao (hiu 8 sut pht quang khong 80 lm/W), h s tr mu (CRI) khong 60. Gi tr CRI c th c ci thin ln n 90 nhng sng gim khong 50 lm/W [11].Bthunhquanghalophosphatechiusutphtquangvkhnngduytr hunh quang thp. Nguyn nhn l do cc tm hp th to ra t cc bc x t ngoi kh kin, l cc tm pht x, gi l cc tm mu v cc khuyt tt mng. Nhng tm munychnhthnhkhikhuyt tttrongmngnnhalophosphateby 1 electron hocmtltrng.Cctmmunytoramtshpthcaccbcxkchthch trong c vng ph t t ngoi xa n hng ngoi. V vy nhng tm mu ny c th lm gim hoc bin i sng ca bt hunh quang do hp th s pht x nhnh thy ca bt hunh quang hoc hp thmt phn bc x kch thch 254 nm ca hi thy ngn [26]. 1.2.2.Bt hunh quang ba ph Bthunhquangbaphlbthunhquangcchtocshothaca cc ion t him pht x ra ba mu c bn nhm to ra nh sng trng. Cc nguyn t thimthngcsdngbaogmSc,Y,Lavccnguynthlantanit.H lantanit(Ln)gm14nguynt4fcsthtt58n71trongbngtunhon Menleep. Nhvy, ccnguyn tt him thuc nhmIIIBv chuk 6 ca bng tun hon cc nguyn t ha hc.Cu hnh electron ca cc nguyn t nguyn t t him c th c biu din bngcngthcchungnhsau:1s22s22p63s23p63d104s24p64d104fn5s25p65dm6s2,trong : n thay i t 0 14, m ch nhn gi tr 0 hoc 1. Davo c im sp xp electron trn phnlp 4f m cc lantanit c chia thnh hai phn nhm: Phn nhm nh (phn nhm xeri) gm 7 nguyn t, t CeGd: CePrNdPmSmEuGd 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f75d1 Phn nhm nng (phn nhm tecbi) gm 7 nguyn t, t TbLu: TbDyHoErTuYbLu 4f7+2 4f7+34f7+44f7+54f7+64f7+74f7+75d1 Tnhchthohccaccionthimchotr3tngtnhauvlp vintcachnguccuhnh[Xe]4fN-15d16s2.HLantanitbtut nguyntLa3+vilpv4fhontontrng(4f0),tipCe3+cmtint 9 (4f1),sint4ftngdnlntheosutdychonYb3+vi13int(4f13) v hon ton lp y cu hnh 4f14 ng vi Lu3+. Nhng c tnh quan trng ca cc ion t him l pht x v hp th di snghp,thigiansngcctrngthigibncao,ccchuynmcphtxra photon c bc sng thch hp trong pht quang do lp 4f c nh x cao nm gn lihtnhn nguyn t.L thuyt gii thch cho hin tng ny c a ra ln u tin bi M.Mayer v cng s vo nm 1941. ng tnh ton cu trc nguyn t ca cc nguyn t thuc nhmLantan. Khi xem xt bc tranh c inv cc nguyn t, th thy rng ht nhn c bao bc bi cc lp v in t, cc lp ny c in y mt cch t t khi tin dn theo chiu tng in tch ca bng h thng tun hon. Hnhnhquangphcaccnguyntthimcquanstlnutinvo nhngnm1900biJ.Becquerel.lquangphvchcamuithimc lm lnh xung nhit thp (