Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu phát quang BaMgAl10O17: Cr3+, CaAl12O19: Cr3+ và CaAl12O19 - CaAl4O7 - MgAl2O4 pha tạp Mn4+

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu phát quang BaMgAl10O17:Cr3+, CaAl12O19:Cr3+ và CaAl12O19 - CaAl4O7 - MgAl2O4 pha tạp Mn4+" là chế tạo được vật liệu BaMgAl10O17 (BAM):Cr 3+ phát xạ trong vùng đỏ/đỏ xa có khả năng ứng dụng cho LED tăng trưởng thực vật; Chế tạo được vật liệu phát xạ trong vùng đỏ/đỏ xa CaAl12O19 (CAO):Cr 3+ có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo LED tăng trưởng thực vật; Chế tạo thành công vật liệu CaAl12O19-CaAl4O7-MgAl2O4 (CCM) pha tạp Mn 4+ phát xạ đỏ có hiệu suất lượng tử và độ tinh khiết màu cao, có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo WLED và LED tăng trưởng thực vật.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu phát quang BaMgAl10O17:Cr3+, CaAl12O19:Cr3+ và CaAl12O19 - CaAl4O7 - MgAl2O4 pha tạp Mn4+ 1 A. GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Ánh sáng là nhân tố quan trọng trong sự tăng trưởng và phát triển của thực vật vì nó không chỉ cung cấp năng lượng cần thiết cho quá trình quang hợp mà còn điều khiển các quá trình sinh trưởng của thực vật như: nảy mầm của hạt, hình thành cây, ra hoa, kết trái và các quá trình khác [1]. Bởi vậy, công nghệ chiếu sáng cho cây trồng là yếu tố không thể thiếu cho sự phát triển nông nghiệp hiện đại, đặc biệt với những khu vực thiếu đất trồng và ánh sáng tự nhiên [2]. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, ba vùng ánh sáng: xanh (400-500 nm), đỏ (610-700 nm) và đỏ xa (700-740 nm) rất quan trọng đối với quá trình quang hợp cũng như ảnh hưởng lớn đến sự phát triển và trao đổi chất của cây xanh [1–4]. Đối với cây xanh, có bốn sắc tố sinh học quan trọng bao gồm: diệp lục a, diệp lục b, phytochrome đỏ (Pr) và phytochrome đỏ xa (Pfr) [4]. Diệp lục a hấp thụ cực đại tại bước sóng 439 và 667 nm, trong khi diệp lục b hấp thụ cực đại tại bước sóng 449 và 660 nm [4,5]. Các công bố trước đây đã chỉ ra rằng phytochrome là chất nhận cảm quang nhạy cảm với ánh sáng đỏ và đỏ xa, được chia thành phytochrome đỏ và đỏ xa [4,5]. Ở trạng thái cơ bản, quang phổ hấp thụ của Pr và Pfr đạt cực đại lần lượt tại 660 và 730 nm [5]. Do đó, yêu cầu đặt ra với các nhà khoa học là cần tìm ra các vật liệu cho phát xạ trong các vùng ánh sáng này để làm nguồn sáng nhân tạo cho việc sản xuất cây trồng trong nông nghiệp. Hiện nay, đèn LED tăng trưởng thực vật có thể được chế tạo bằng cách kết hợp các đèn LED xanh lam và đỏ/đỏ xa hoặc phủ các chip tím/xanh lam với vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ/đỏ xa [6,7]. Phương pháp thứ nhất có nhiều khuyết điểm (đắt tiền, mạch điều khiển phức tạp, độ sáng cao và dễ bị trôi màu), hạn chế các ứng dụng sau này. Ngược lại, loại thứ hai đã được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng thực tế do những ưu điểm vượt trội của nó (giá thành thấp, kiểm soát hiệu quả tỷ lệ ánh sáng phát ra giữa tím/xanh lam và đỏ/đỏ xa). Các vật liệu huỳnh quang màu đỏ thương mại, chẳng hạn như MAlSiN3:Eu2+ và M2Si5N8:Eu2+ (M = Ca, Sr, Ba), đã được sử dụng rộng rãi cho WLED trong thực tiễn vì hiệu quả phát quang cao vượt trội của chúng [5][8]. Tuy nhiên, việc thiếu các thành phần đỏ xa ở bước sóng 650 - 750 nm, cần thiết cho sự phát triển của thực vật, đã hạn chế ứng dụng của chúng trong nông nghiệp [9]. Hơn nữa, các điều kiện tổng hợp có yêu cầu khá cao để thu được vật liệu huỳnh quang mong muốn, ví dụ, nhiệt độ cao (1800 C), áp suất cao (0,9 MPa) và môi trường khí N2, dẫn đến chi phí cao và gây ô nhiễm môi trường [9]. 2 Ngoài ra, đèn LED trắng thương mại (WLED) thường được chế tạo bằng cách phủ một lớp vật liệu huỳnh quang màu vàng YAG:Ce3+ lên chip InGaN màu xanh lam có chỉ số hoàn màu thấp (CRI < 80) và nhiệt độ màu tương ứng cao (CCT > 6000 K) do thiếu các thành phần màu đỏ [10]. Do đó, các phương pháp thay thế đã được sử dụng để sản xuất WLED là: kết hợp các vật liệu huỳnh quang ba màu (đỏ, lục và lam) với chip NUV hoặc phối trộn vật liệu huỳnh quang màu đỏ và vật liệu huỳnh quang màu vàng phủ lên chip InGaN màu xanh lam [11]. Bởi vậy, các vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ mới, được kích thích tốt bởi dải bước sóng rộng từ NUV đến ánh sáng xanh, rất có tiềm năng trong việc chế tạo các đèn LED tăng trưởng thực vật và đèn WLED có CRI cao. Do đó, vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ dựa trên các nguyên tố không đất hiếm đã và đang thu hút sự quan tâm đáng kể trong các ứng dụng cho cả đèn LED tăng trưởng thực vật và đèn WLED có CRI cao [12].Trong số các nguyên tố pha tạp mà các nhà khoa học hiện nay quan tâm, ion Mn4+ và Cr3+ với cấu hình điện tử lớp ngoài cùng 3d3 chưa điền đầy, đã và đang là ứng cử viên sáng giá cho ứng dụng trong chế tạo các loại vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ [10,11,13–19]. Cụ thể, ion kim loại chuyển tiếp Mn4+ có thể cho phát xạ trong vùng đỏ với hiệu suất lượng tử cao với phổ phát xạ có bước sóng mở rộng từ 620 đến ~680 nm và hấp thụ mạnh trong vùng UV do sự chuyển dời điện từ từ 2E → 4A2 [10]. Cùng với ion Mn4+, ion Cr3+ khi pha tạp vào các mạng nền phù hợp sẽ tạo ra các vật liệu huỳnh quang có khả năng hấp thụ hai bước sóng khác nhau với đỉnh hấp thụ xung quanh ⁓410 nm và 560 nm, và phát xạ đỏ/ đỏ xa khá mạnh, hứa hẹn ứng dụng trong LED cây trồng đỏ/đỏ xa [13–19]. Trong số các mạng nền phổ biến phù hợp với việc pha tạp ion Mn4+ và Cr3+, aluminate là mạng nền được nghiên cứu nhiều. Các ion Mn4+ và Cr3+ khi pha tạp vào mạng nền aluminate, sẽ dễ dàng chiếm vị trí của các ion Al3+ trong mạng nền do sự phù hợp về bán kính ion [14,20–22]. Mạng nền BaMgAl10O17 (BAM) và CaAl12O19 (CAO) với giá thành rẻ, độ bền hóa học và độ bền cơ nhiệt cao, là lựa chọn khá phù hợp cho việc pha tạp các ion Mn4+ và Cr3+ [13,14,20,21,23–25]. Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo, khảo sát tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu phát quang BaMgAl10O17:Cr3+, CaAl12O19:Cr3+ và CaAl12O19 – CaAl4O7 – MgAl2O4 pha tạp Mn4+” với mong muốn đóng góp một phần công sức vào việc nghiên cứu, tìm ra loại vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ có tiềm năng ứng 3 dụng trong chế tạo các đèn LED tăng trưởng thực vật và đèn WLED có CRI cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo được vật liệu BaMgAl10O17 (BAM):Cr3+ phát xạ trong vùng đỏ/đỏ xa có khả năng ứng dụng cho LED tăng trưởng thực vật. - Chế tạo được vật liệu phát xạ trong vùng đỏ/đỏ xa CaAl12O19 (CAO):Cr3+ có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo LED tăng trưởng thực vật. - Chế tạo thành công vật liệu CaAl12O19-CaAl4O7-MgAl2O4 (CCM) pha tạp Mn4+ phát xạ đ ...