Chế tạo và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu thủy tinh ZnO – Al2O3 – Bi2O3 – B2O3 pha tạp ion Mn2+

Trong nghiên cứu này, vật liệu thủy tinh ZABB pha tạp ion Mn2+ được chế tạo và nghiên cứu tính chất phát quang ở vùng màu đỏ để định hướng ứng dụng trong việc chế tạo đèn LEDs có chỉ hoàn màu (CRI) cao.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu thủy tinh ZnO – Al2O3 – Bi2O3 – B2O3 pha tạp ion Mn2+ TẠP CHÍ KHOA HỌC HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH JOURNAL OF SCIENCE Tập 21, Số 7 (2024): 1077-1090 Vol. 21, No. 7 (2024): 1241-1251 ISSN: Website: https://journal.hcmue.edu.vn https://doi.org/10.54607/hcmue.js.21.7.4207(2024) 2734-9918 Bài báo nghiên cứu 1 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU THỦY TINH ZnO – Al2O3 – Bi2O3 – B2O3 PHA TẠP ION Mn2+ Trịnh Ngọc Đạt*, Lê Văn Thanh Sơn, Phan Liễn, Lê Vũ Trường Sơn, Lê Thị Như, Nguyễn Thị Thu Hà, Hà Phúc Tuệ Quang, Bùi Quang Hải Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, Việt Nam Tác giả liên hệ: Trịnh Ngọc Đạt – Email: tndat@ued.udn.vn * Ngày nhận bài: 04-4-2024; ngày nhận bài sửa: 09-7-2024; ngày duyệt đăng: 13-7-2024TÓM TẮT Vật liệu thủy tinh ZABB với các thành phần gồm 10 ZnO – 10 Al2O3 – 10 Bi2O3 – 70 B2O3 –x(%wt) Mn2+, trong đó x có giá trị từ 0,5-5,0 %wt đã được chế tạo thành công bằng phương phápnóng chảy. Các mẫu đã chế tạo có cấu trúc vô định hình. Hình thái bề mặt của mẫu đã được khảosát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và các thành phần của mẫu đã được xác nhận thông quaphép đo phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Phổ kích thích (PLE) chỉ ra rằng thủy tinh ZABB phatạp Mn2+ có thể được kích thích trong một vùng rộng ở vùng UV (310-450 nm). Phổ phát quang (PL)của ion Mn2+ trong các mẫu thủy tinh ZABB có dạng là các dải rộng, có đỉnh tại bước sóng 595 nmtương ứng với chuyển dời 4T1(G) → 6A1(S). Tọa độ màu của mẫu đã được nghiên cứu và cho thấymẫu phát xạ màu đỏ. Những kết quả trên cho thấy vật liệu thủy tinh được nghiên cứu có tiềm năngtrong việc ứng dụng chế tạo W – LEDs có chỉ số hoàn màu (CRI) cao. Từ khoá: thủy tinh Bismuthborate; ion Mn2+; LEDs; Tính chất phát quang1. Đặt vấn đề Vật liệu thủy tinh phát quang là một lĩnh vực được các nhà nghiên cứu đặc biệt quantâm bởi nó có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực kĩ thuật và đời sống. Cụ thể hơn, cácđèn LED đang dần chiếm ưu thế trong lĩnh vực phát quang bởi những đặc tính nổi trội nhưhiệu suất phát quang cao, tuổi thọ lớn, tiết kiệm điện năng, khả năng ứng dụng ở nhiều kíchcỡ khác nhau và thân thiện với môi trường. Cùng với đó, quá trình chế tạo các đèn LEDtrắng (WLEDs) thương mại cũng dễ hơn và giá thành rẻ. Những tính năng vượt trội này đanggiúp WLEDs nhanh chóng thay thế nguồn sáng thông thường trong lĩnh vực đèn pha ô tô,đèn chiếu sáng chung (Steigerwald et al., 2002; Schubert & Kim, 2005). Tuy nhiên, nó cũngCite this article as: Trinh Ngoc Dat, Le Van Thanh Son, Phan Lien, Le Vu Truong Son, Le Thi Nhu,Nguyen Thi Thu Ha, Ha Phuc Tue Quang, & Bui Quang Hai (2024). Fabrication and study of luminescenceproperties of Zno-Al2O3-Bi2O3-B2O3 glass doped with transition metal. Ho Chi Minh City University ofEducation Journal of Science, 21(7), 1241-1251. 1241Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Trịnh Ngọc Đạt và tgkcó điểm cần cải thiện như chỉ số hoàn màu hiện tại của đèn LED trắng (WLEDs) là khôngcao (CRI < 75) vì phổ phát xạ bị thiếu thành phần ánh sáng đỏ (R. Wang et al., 2021; Xia etal., 2019; Zhang et al., 2020). Do đó, việc nghiên cứu vật liệu thuỷ tinh phát ánh sáng đỏ cógiá thành thấp nhằm bổ sung cho vùng bị thiếu để tăng chất lượng ánh sáng cho các WLEDslà cần thiết. Thủy tinh borate cũng được quan tâm nghiên cứu rộng rãi bởi nó có các đặc tính vật lícó lợi như có độ trong suốt cao và khả năng hòa tan ion đất hiếm tốt. Tuy nhiên, chúng cónăng lượng phonon cao, độ bền hóa học tương đối thấp và khả năng hút ẩm cao (Swapna etal., 2014) (Zaid et al., 2021). Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách bổ sung Al2O3.Aluminium oxide có giúp tăng độ bền hóa học cho thủy tinh, giảm sự phá hủy mạng thủytinh và tăng hệ số giãn nở nhiệt (Zaid et al., 2021). Bên cạnh đó bismuth oxit được thêm vàođể cải thiện độ bền hóa học, độ ổn định nhiệt và giảm năng lượng phonon của thủy tinh(Rajesh et al., 2012) . Đồng thời, ZnO được sử dụng trong nền thủy tinh này bởi nó có khảnăng chịu bức xạ cao, khả năng chống ẩm tốt và không độc hại (Zaid et al., 2021). Nghiên cứu về vật liệu thủy tinh phát quang pha tạp ion Mn2+ đã cho thấy kết quả đầyhứa hẹn trong các ứng dụng khác nhau. Vật liệu pha tạp Mn2+ thể hiện các đặc tính phát xạcó thể điều chỉnh được, với tọa độ màu từ xanh đến đỏ (Geng et al., 2022; P. Wang et al.,2023), trong Zn4SiO4: Mn2+ có màu phát quang là xanh lục hay trong trường hợp Ca5(PO4)3F:Mn2+ thì có màu phát quang là màu cam (Kawano et al., 2009). Trong nghiên cứu này, vật liệu thủy tinh ZABB pha tạp ion Mn2+ được chế tạo vànghiên cứu tính chất phát quang ở vùng màu đỏ để định hướng ứng dụng trong việc chế tạođèn LEDs có chỉ hoàn màu (CRI) cao.2. Thực nghiệm2.1. Vật liệu, thiết bị và phương pháp đo đạc Vật liệu thuỷ tinh ZABB pha tạp ion Mn2+ với các thành phần gồm 10 ZnO – 10 Al2O3– 10 Bi2O3 – 70 B2O3 – x (%wt) Mn2+ (x = 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0) được chế tạo bằngphương pháp nóng chảy. Các tiền chất của vật liệu gồm ZnO (99,9%), Al2O3 (99,9%), Bi2O3(99,9%), H3BO3 (99,9%) và MnCO3 (99,9%) được trộn theo tỉ lệ như Bảng 1. Bảng 1. Bảng tỉ lệ các chất trong vật liệu STT Kí hiệu ZnO Al2O3 Bi2O3 B2O3 Mn2+ (%wt) 1 ZM0 10 10 10 70 ...