Luận án Nghiên cứu cấu trúc, tính chất điện và huỳnh quang của vật liệu lai nano sử dụng trong chiếu sáng mới
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
=======***=======
ĐỖ NGỌC CHUNG
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT ĐIỆN
VÀ HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU LAI NANO
SỬ DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG MỚI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
HÀ NỘI - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
=======***=======
ĐỖ NGỌC CHUNG
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT ĐIỆN
VÀ HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU LAI NANO
SỬ DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG MỚI
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO
NGƯỜHƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS. Nguyễn Năng Định
2. PGS.TS. Phạm Hồng Dương
HÀ NỘI - 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong luận án là kết quả
của riêng tôi. Các xuất bản được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học
và các đồng nghiệp trong và ngoài nước đã được sự đồng ý bằng văn bản của các
đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày trong luận án là trung
thực, chưa được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất cứ một công trình nào khác.
NGƯỜI CAM ĐOAN
ĐỖ NGỌC CHUNG
i
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TS. Nguyễn
Năng Định, PGS. TS. Phạm Hồng Dương - những người thầy đã nhiệt tình chỉ bảo,
định hướng và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài luận án tiến sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Công nghệ, ĐHQG HN đã tạo
điều kiện về cơ sở vật chất, hỗ trợ về thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập
và thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vật liệu và Linh kiện Bán dẫn nano; Ban
Chủ nhiệm khoa VLKT&CNNN, trường Đại học Công nghệ; Viện Khoa học vật
liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện làm việc,
trao đổi về khoa học kỹ thuật, hỗ trợ về cơ sở vật chất và có nhiều đóng góp quý
báu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn toàn thể gia đình tôi đã đồng hành với tôi trong suốt quá trình
thực hiện luận án.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy, cô giáo, bạn bè, đồng
nghiệp đã hỗ trợ, động viên về tinh thần và vật chất trong suốt quá trình thực hiện
luận án.
Xin chân thành cảm ơn!
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...........................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................x
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
Chương 1: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN CHIẾU SÁNG RẮN (Tổng quan tài liệu)......5
1.1. Giới thiệu chung về ánh sáng và kỹ thuật chiếu sáng ........................................5
1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED .........................................................7
1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED .................................................... 10
1.4. Vật liệu phát quang sử dụng cho chiếu sáng rắn.............................................. 14
1.5. Các đại lượng đo nguồn sáng.......................................................................... 15
1.5.1. Quang thông, phổ năng lượng của một số nguồn sáng ................................. 15
1.5.2. Nhiệt độ màu của nguồn sáng ...................................................................... 17
1.5.3. Chỉ số truyền đạt màu (CRI- Colour Rendering Index) ................................ 20
Tóm tắt chương 1 .................................................................................................. 21
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ CHẾ TẠO MẪU.... 22
2.1. Phương pháp thực nghiệm .............................................................................. 22
2.1.1. Phương pháp chế tạo tổ hợp phát quang hữu cơ sử dụng trong OLED. ........ 22
2.1.2. Phương pháp chế tạo OLED ........................................................................ 23
2.1.2.1. Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin-coating)............................................ 24
2.1.2.2. Phương pháp bốc bay nhiệt....................................................................... 25
2.1.3. Phương pháp chế tạo bột nano YAG:Ce3+ .................................................... 26
2.1.4. Phương pháp chế tạo tổ hợp phát quang hữu cơ - vô cơ sử dụng cho
WLED................................................................................................................... 28
2.1.5. Phương pháp chế tạo WLED........................................................................ 29
iii
2.2. Các phương pháp phân tích và đặc trưng tính chất.......................................... 30
2.2.1. Phương pháp khảo sát tính chất quang và phát quang của vật liệu................ 30
2.2.1.1. Phép đo phổ hấp thụ.................................................................................. 30
2.2.1.2. Phép đo phổ quang huỳnh quang............................................................... 34
2.2.2. Phương pháp khảo sát kích thước bột YAG:Ce3+ ......................................... 37
2.2.3. Phương pháp khảo sát cấu trúc, độ đồng nhất của tổ hợp phát quang ........... 42
2.2.3.1. Phương pháp hiển vi quang học ................................................................ 42
2.2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét phân giải caoFE-SEM .......................... 43
2.2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X...................................................................... 43
2.2.4. Phương pháp khảo sát độ đồng nhất lớp phủ bằng phép đo phân bố góc
theo cường độ của WLED. .................................................................................... 43
2.2.5. Phương pháp khảo sát các thông số nguồn sáng: Đặc trưng I-V, phân bố
phổ điện quang, quang thông, hiệu suất, hệ số hoàn màu CRI, Nhiệt độ màu
CTH, Phân bố cường độ theo góc của nguồn sáng, … ........................................... 45
2.2.6. Phương pháp khảo sát độ ổn định của LED.................................................. 47
2.2.6.1. Khảo sát độ ổn định bằng hệ quả cầu tích phân và LUXmetter.................. 47
2.2.6.2. Khảo sát độ ổn định bằng hệ quả cầu tích phân LCS-100.......................... 49
2.2.7. Phương pháp khảo sát và tính hiệu suất lượng tử của tổ hợp vật liệu
phát quang. ........................................................................................................... 49
2.3. Chế tạo vật liệu sử dụng trong chiếu sáng....................................................... 51
2.3.1. Vật liệu và linh kiện phát sáng hữu cơ (OLED)............................................ 51
2.3.1.1. Chế tạo các lớp vật liệu trong OLED ........................................................ 51
2.3.1.2. Điện cực trong OLED............................................................................... 51
2.3.1.3. Vật liệu truyền điện tử. ............................................................................. 52
2.3.1.4. Vật liệu truyền lỗ trống............................................................................. 53
2.3.1.5. Vật liệu phát quang hữu cơ ....................................................................... 53
2.3.1.6. Vật liệu tổ hợp sử dụng làm lớp HTL (PEDOT+TiO2) và lớp phát
quang (MEH-PPV+TiO2) ...................................................................................... 55
2.3.1.7. Linh kiện OLED cho chiếu sáng rắn ......................................................... 57
iv
2.3.2. Vật liệu và linh kiện phát sáng vô cơ (LED) ................................................ 59
2.3.2.1. Tổng hợp YAG:Ce cấu trúc nano bằng phương pháp sol-gel .................... 59
2.3.2.2. Nguyên liệu ban đầu ................................................................................. 60
2.3.2.3. Thực nghiệm tổng hợp.............................................................................. 60
2.3.2.4. Chế tạo các tổ hợp phát quang choWLED................................................. 63
2.3.2.5. Chế tạo linh kiện WLED cho chiếu sáng rắn............................................. 66
Kết luận chương 2 ................................................................................................. 67
Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN
PHÁT SÁNG HỮU CƠ (OLED)........................................................................... 69
3.1. Đặc trưng tính chất của các lớp vật liệu trong OLED...................................... 69
3.1.1. Phổ hấp thụ, huỳnh quang của màng MEH-PPV.......................................... 69
3.1.2. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của màng Aluminum tris(8-hydroxyquinoline)
(Alq3)..................................................................................................................... 70
3.1.3. Vật liệu tổ hợp sử dụng làm lớp phát quang (MEH-PPV+TiO2) và truyền
lỗ trống (PEDOT+TiO2) ........................................................................................ 71
3.1.3.1. Vật liệu tổ hợp sử dụng TiO2 thương mại.................................................. 71
3.1.3.2. Vật liệu tổ hợp sử dụng TiO2 chế tạo......................................................... 74
3.2. Đặc trưng, tính chất của linh kiện OLED ........................................................ 79
3.2.1. Đặc trưng tính chất của đèn chuẩn sử dụng trong hệ Everfine YT1000 và
LCS-100................................................................................................................ 79
3.2.2. Sơ đồ mạch điện khảo sát các đặc trưng của OLED đã đóng vỏ................... 80
3.2.3. Đặc trưng I-V của OLED............................................................................. 81
3.2.4. Đặc trưng điện phát quang của OLED ......................................................... 82
3.2.5. Độ ổn định của OLED theo thời gian........................................................... 84
3.2.6. Phân tích khả năng sử dụng OLED làm nguồn sáng..................................... 87
Kết luận chương 3 ................................................................................................. 88
Chương 4: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN
PHÁT SÁNG SỬ DỤNG LED VÔ CƠ................................................................. 89
4.1. Khảo sát độ dày của lớp phát quang phủ lên chíp LED ................................... 89
v
4.2. Đặc trưng, tính chất của các lớp vật liệu phủ trong linh kiện WLED............... 92
4.2.1. Vật liệu phát quang YAG:Ce thương mại (YAG:Ce TM) ............................ 92
4.2.1.1. Cấu trúc, kích thước bột phát quang YAG:Ce TM .................................... 92
4.2.1.2. Tính chất quang phát quang của YAG:Ce TM ......................................... 93
4.2.2. Lớp phủ chứa polymer dẫn MEH-PPV ........................................................ 95
4.2.3. Lớp phủ YAG:Ce TM và MEH-PPV .......................................................... 96
4.2.4. Lớp phủ chứa chấm lượng tử (QDs CdSe/ZnS)............................................ 97
4.2.5. Vật liệu phát quang YAG:Ce tổng hợp (YAG:Ce CT) ................................ 99
4.2.5.1. Cấu trúc tinh thể hình thái học .................................................................. 99
4.2.5.2. Tính chất quang phát quang của YAG:Ce CT ......................................... 102
4.2.5.3. Phân bố kích thước hạt YAG:Ce CT khảo sát bằng hệ LB-550. .............. 103
4.2.5.4. Tính chất quang phổ của dung dịch bụi nano YAG:Ce TH...................... 105
4.3. Đặc trưng, tính chất của LED trắng (WLED)................................................ 106
4.3.1. Đặc trưng WLED thương mại.................................................................... 106
4.3.1.1. Đặc trưng I-V.......................................................................................... 106
4.3.1.2. Đặc trưng điện huỳnh quang ................................................................... 106
4.3.1.3. Độ ổn định theo thời gian........................................................................ 108
4.3.2. Đặc trưng WLED có cấu trúc 1 (TH1) (YAG:Ce TM/Chíp LED xanh
dương)................................................................................................................. 109
4.3.3. Đặc trưng WLED có cấu trúc 2 (MEH-PPV/Chíp LED xanh dương)......... 111
4.3.3.1. Đặc trưng I-V.......................................................................................... 112
4.3.3.2. Đặc trưng điện huỳnh quang ................................................................... 113
4.3.3.3. Độ ổn định theo thời gian........................................................................ 115
4.3.4. WLED với cấu trúc 3: YAG:Ce TM+MEH-PPV/Chíp LED xanh dương... 117
4.3.4.1. Đặc trưng điện quang.............................................................................. 117
4.3.4.2. Độ ổn định theo thời gian........................................................................ 122
4.3.5. Đặc trưng WLED có cấu trúc TH 4 (YAG:Ce TM + MEH-PPV+
CdSe/ZnS/Chíp LED xanh dương) ...................................................................... 123
4.3.5.1. Đặc trưng điện quang.............................................................................. 123
vi
4.3.5.2. Độ ổn định theo thời gian........................................................................ 130
4.3.6. Đặc trưng WLED có cấu trúc 5 (MEH-PPV+YAG:Ce CT/Chíp LED
xanh dương) ........................................................................................................ 131
4.3.6.1. Đặc trưng điện quang.............................................................................. 131
4.3.6.2. Độ ổn định theo thời gian........................................................................ 135
Kết luận chương 4 ............................................................................................... 135
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 137
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN........................................................................................................... 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 142
PHỤ LỤC............................................................................................................ 152
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Light emiting diode
: LED
Organic Light emiting diode
Solid-State Lighting
: OLED
: SSL
LED trắng (White Emiting diode)
Y3Al5O12:Ce3+
: WLED
: YAG:Ce
Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] : MEH-PPV
Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium
Nhiễu xạ tia X
: Alq3
: XRD
Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao
Lớp truyền điện tử (electron transport layer)
Lớp truyền lỗ trống (hole transport layer)
Lớp điện phát quang (Electroluminescence layer)
Poly(3,4- ethylenedioxythiophene):(poly(styrenesulfonate)
Hệ số hoàn màu (Colour Rendering Index)
Dynamic light scattering particle size analyzer
Nano Steam Technique” hay “Bụi nano”
Highest Occupied Molecular Orbital - quỹ đạo phân tử điền đầy
cao nhất
: FE-SEM
: ETL
: HTL
: EL
: PEDOT-PSS
: CRI-Ra
: LB-550
: BNN
: HOMO
the Lowest Unoccupied Molecular Orbital - quỹ đạo phân tử
chưa điền đầy thấp nhất
: LUMO
: TPD
N,N,N′,N′-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine
Tổ hợp 1: YAG:Ce TM + PMMA
: TH1
Tổ hợp 2: MEH-PPV+ Toluene
: TH2
Tổ hợp 3: YAG:Ce TM+MEH-PPV+PMMA
Tổ hợp 4: YAG:Ce TM + MEH-PPV+ CdSe/ZnS+PMMA
Tổ hợp 5: MEH-PPV+ YAG:Ce CT+PMMA
Y3Al5O12:Ce3+ Thương mại
: TH3
: TH4
: TH5
: YAG:Ce TM
: YAG:Ce CT
: TiO2 TM
: TiO2 CT
Y3Al5O12:Ce3+ Chế tạo
TiO2 Thương mại
TiO2 chế tạo
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng ...............................16
Bảng 1. 2. Nhiệt độ màu của một số nguồn sáng.................................................20
Bảng 2. 1. Tỉ lệ pha trộn các chất để chuẩn bị dung dịch phân tán hạt nano
TiO2 kết hợp chế tạo. .........................................................................57
Bảng 2. 2. Các tổ hợp phát quang cho WLED.....................................................64
Bảng 2. 3. Tỷ lệ các chất thành phần tương ứng trong mỗi tổ hợp phát quang.....65
Bảng 3. 1. Độ rộng vùng cấm của nc-TiO2 phân tán trong dung dịch phụ
thuộc vào tỉ lệ khối r (xác định từ phổ hấp thụ UV-VIS)....................75
Bảng 4. 1. Thông số chế tạo và khảo sát chiều dày mẫu......................................91
Bảng 4. 2. Thông số của WLED TH2-M1.........................................................113
Bảng 4. 3. Bảng các thông số của WLED chế tạo với cấu trúc TH3 (YAG:Ce
TM+MEH-PPV):.............................................................................120
Bảng 4. 4. Bảng các thông số của LED tổ hợp 4. ..............................................126
Bảng 4. 5. Bảng các thông số của LED tổ hợp 5. ..............................................133
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Lịch sử phát triển của các loại đèn chiếu sáng và dự báo trong
tương lai...............................................................................................6
Hình 1. 2. Cấu trúc chíp LED blue InGaN. ...........................................................8
Hình 1. 3. Các phương pháp chế tạo LED trắng: (a) RGB LEDs, (b) LED tử
ngoại + RGB phosphor and (c) LED xanh dương + bột phosphor
vàng. ....................................................................................................9
Hình 1. 4. Cấu tạo OLED....................................................................................11
Hình 1. 5. Cấu trúc WOLED cơ bản ...................................................................13
Hình 1. 6. Một số sản phẩm OLED của hãng Philip có thể thay thế cho các
đèn chiếu sáng thông thường. .............................................................14
Hình 1. 7. Cấu trúc mức năng lượng của ion Ce..................................................15
Hình 1. 8. Quả cầu tích phân...............................................................................17
Hình 1. 9. Phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối theo nhiệt độ...................................18
Hình 1. 10. Nhiệt độ màu trong đơn vị Kelvin ......................................................19
Hình 2. 1. Đĩa quay phủ li tâm (a), Máy quay phủ li tâm Delta 6 RC (b).............25
Hình 2. 2. Hệ chế tạo OLED tích hợp dựa trên Glovebox và hệ bốc bay nhiệt. ...26
Hình 2. 3. Quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp sol-gel. ......................28
Hình 2. 4. (a): Máy hàn MECH –EL Serial: 5662, Model: 709, Volts: 115
(Thiết bị tại phòng thí nghiệm của GS. TS Từ Trung Chấn, TP
HCM), (b): Máy hàn dây vàng HYBOND Model 626 Multipurpose
Digital Thermosonic Wire Bonder......................................................29
Hình 2. 5. Phương pháp chế tạo WLED bằng việc phủ tổ hợp phát quang lên
LED xanh dương: (a) phủ trực tiếp lên chíp LED, (b) phủ trực tiếp
lên mặt trong của vỏ của LED. ...........................................................30
Hình 2. 6. Sơ đồ đo độ hấp thụ............................................................................31
Hình 2. 7. Máy quang phổ hấp thụ một chùm tia.................................................32
Hình 2. 8. Máy quang phổ hấp thụ hai chùm tia..................................................32
x
Hình 2. 9. Phương pháp Tauc Plot xác định độ rộng vùng cấm chất bán dẫn.......34
Hình 2. 10. Hệ đo phổ hấp thụ UV/VIS-NIR Jasco V570.....................................34
Hình 2. 11. Hệ đo huỳnh quang phân giải cao.......................................................35
Hình 2. 12. Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang ...........................................................36
Hình 2. 13. (a): Kính hiển vi điện tử quét S-4800 Hitachi, (b): Kính hiển vi
điện tử quét S-3400N Hitachi. ............................................................38
Hình 2. 14. Hệ đo kích thước hạt LB-550. ............................................................38
Hình 2. 15. Sơ đồ, nguyên lý hệ đo kích thước hạt LB-550...................................39
Hình 2. 16. Sự tương tác của các hạt nano và trọng lực như là hai nhân tố chính
ảnh hưởng đến sự ổn định của các hạt nano........................................39
Hình 2. 17. Sự phân bố theo cột của các hạt kích thước nhỏ trong trạng thái cân
bằng. ..................................................................................................40
Hình 2. 18. Hệ bụi nano sử dụng để tách hạt nano của mẫu trước khi sử dụng
hệ LB-550 đo kích thước hạt. .............................................................41
Hình 2. 19. Kính hiển vi quang học AX10 với độ phóng đại 1000 lần ..................42
Hình 2. 20. Một số hệ góc kế quang......................................................................44
Hình 2. 21. Góc kế có nguồn sáng cố định, đầu thu quay- LCS-g-100: (a) hình
ảnh thiết bị, (b) Cấu trúc bên trong thiết bị. ........................................45
Hình 2. 22. Hệ LCS-100 đo đặc trưng linh kiện OLED, LED: Quả cầu tích
phân 6 inch (1), CCD Array Spectrometer (2), Góc kế (3), Nguồn
dòng và thế (4). ..................................................................................45
Hình 2. 23. Nguyên lý hoạt động của quả cầu tích phân........................................46
Hình 2. 24. Hệ thiết bị đo phổ kế đo màu quang (Spectrophotocolorimeter -
PMS50 System)..................................................................................47
Hình 2. 25. Hệ khảo sát độ ổn định WLED sử dụng quả cầu tích phân và máy
đo độ rọi LX1010BS ..........................................................................49
Hình 2. 26. Phổ số photon của WLED. .................................................................51
Hình 2. 27. Cấu trúc hóa học của Alq3 (a), giản đồ năng lượng của Alq3 (b)........53
Hình 2. 28. Quy trình chế tạo màng tổ hợp PEDOT+TiO2. ...................................55
xi
Hình 2. 29. Quy trình chế tạo OLED.....................................................................58
Hình 2. 30. Quy trình tổng hợp YAG:Ce ..............................................................60
Hình 2. 31. Sơ đồ hệ tổng hợp YAG:Ce................................................................61
Hình 2. 32. Hình ảnh sản phẩm trong quy trình tổng hợp......................................62
Hình 2. 33. Giản đồ nhiệt độ ủ..............................................................................62
Hình 2. 34. Quy trình chế tạo mẫu WLED từ chíp LED........................................63
Hình 2. 35. Hệ trộn mẫu........................................................................................63
Hình 2. 36. Sơ đồ cấu tạo của LED.......................................................................66
Hình 2. 37. Các linh kiện đơn lẻ của LED xanh dương: Đế tản nhiệt (a), bề mặt chíp
LED (b), Kiểm tra hoạt động của chíp LED (c), LED đóng vỏ (d). ............67
Hình 2. 38. Quy trình đóng gói WLED vô cơ: Phủ tổ hợp phát quang (1), Gắn
thấu kính (2).......................................................................................67
Hình 3. 1. Phổ quang huỳnh quang (2) và phổ hấp thụ (1) của màng MEH-
PPV được kích thích bởi bước sóng 442 nm của laser He-Cd.............69
Hình 3. 2. Phổ căn bậc 2 của độ hấp thụ và năng lượng theo năng lượng
photon theo phương pháp Tauc plot. ..................................................70
Hình 3. 3. Phổ hấp thụ (Ab), huỳnh quang (PL), huỳnh quang kích thích (PLE)
của Alq3 .............................................................................................70
Hình 3. 4. Ảnh FE-SEM của màng tổ hợp MEH-PPV+TiO2-TM ủ trong chân
không tại 150 oC.................................................................................71
Hình 3. 5. Ảnh AFM của bề mặt màng tổ hợp PEDOT+TiO2-TM (20% kl)........72
Hình 3. 6. Đặc trưng I-V của các linh kiện OLED cấu trúc đa lớp khác nhau.
(a) - Đơn lớp MEH-PPV (SMED); (b) - có thêm lớp polymer làm
HTL (PPMD); (c) - có hai lớp màng tổ hợp (PMCD) và (d) - có
thêm lớp LiF (MMCD).......................................................................73
Hình 3. 7. Phổ hấp thụ của TiO2 chế tạo phân tán trong dung dịch với r từ 1,5
đến 10 (a). Đường phụ thuộc vào tần số của hệ số hấp thụ nhận
được từ số liệu thực nghiệm UV-Vis (1) và đường trùng khít (2)
cho trường hợp r=2, cho n = 2. ...........................................................75
xii
Hình 3. 8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột TiO2 trên đế Si (TiO2/Si) cho trường
hợp r = 1,5..........................................................................................76
Hình 3. 9. Ảnh AFM của màng tổ hợp PEDOT+TiO2-CT (20%kl TiO2).............77
Hình 3. 10. Ảnh FE-SEM bề mặt màng tổ hợp MEH-PPV+TiO2-CT (với 20
kl% nc- TiO2) sử dụng làm lớp EL trong OLED.................................78
Hình 3. 11. Đặc trưng dòng thế (I-V) của OLED cấu tạo từ các lớp tổ hợp
khác nhau. ..........................................................................................78
Hình 3. 12. Ảnh chụp OLED đã đóng gói (mặt sau)..............................................80
Hình 3. 13. Đặc trưng I-V của OLED: OLED số 1 (1), OLED số 2 (2), OLED
số 3 (3), 2 OLED mắc song song (4). ................................................81
Hình 3. 14. Đặc trưng I-V của 4 OLED. ...............................................................82
Hình 3. 15. Ảnh OLED đang phát sáng (mặt trước): 4 OLED mắc song song
với điện áp đặt vào 6 V.......................................................................83
Hình 3. 16. Kết quả Phổ công suất và biểu đồ màu của OLED.............................84
Hình 3. 17. Kết quả tọa độ màu của OLED...........................................................84
Hình 3. 18. Độ ổn định theo thời gian của quang thông 4 OLED: khảo sát lần 1
(a), lần 2 (b), lần 3 (c) và đèn chuẩn loại 5 W (d)................................85
Hình 3. 19. Độ ổn định theo thời gian của nhiệt độ màu 4 OLED: khảo sát lần
1 (a), lần 2 (b) và lần 3 (c) và đèn chuẩn loại 5 W(d)..........................86
Hình 3. 20. Độ ổn định theo thời gian của Hệ số hoàn màu 4 OLED: khảo sát
lần 1 (a), lần 2 (b) và lần 3 (c) và đèn chuẩn (d)..................................87
Hình 4. 1. Cấu trúc chíp, đế tản nhiệt và chén phản xạ của LED xanh dương......89
Hình 4. 2. Ảnh chụp qua kính hiển vi quang học của chíp LED: Mặt trên (a),
mặt ngang (b) của chíp LED...............................................................89
Hình 4. 3. Hình ảnh LED đã phủ tổ hợp phát quang (a, b) và tổ hợp phát
quang sau khi tách khỏi chíp LED (c, d).............................................90
Hình 4. 4. Mặt cắt ngang của tổ hợp phát quang sau khi đã tách khỏi chíp
LED. ..................................................................................................91
Hình 4. 5. Ảnh chụp mặt cắt ngang của lớp phát quang sau khi tách ra khỏi
chíp của TH3-M1 (a), TH3-M4 (b).....................................................91
xiii
Hình 4. 6. Ảnh SEM bột YAG:Ce TM chưa nghiền (a), sau khi nghiền (b).........92
Hình 4. 7. Phổ nhiễu xạ tia X của YAG:Ce TM ..................................................92
Hình 4. 8. Phổ quang phát quang của bột vô cơ YAG:Ce kích thích tại bước
sóng 325 và 442 nm ...........................................................................93
Hình 4. 9. Phổ quang phát quang của PMMA (1) và bột vô cơ YAG:Ce TM
(2) kích thích bởi bước sóng 442 nm. .................................................94
Hình 4. 10. Phổ truyền qua của PMMA. ...............................................................94
Hình 4. 11. Phổ phát quang LED xanh dương (1), polymer MEH-PPV (2), phổ
tổng cộng LED xanh dương và MEH-PPV (3)....................................96
Hình 4. 12. Phổ phát quang của YAG:Ce: 510-610 nm (độ rộng khoảng 100 nm)
(1), MEH-PPV: 540-640 nm (độ rộng khoảng 100 nm) (2) và tổ hợp
YAG:Ce+MEH-PPV (độ rộng khoảng 150 nm) (3) được kích thích
bởi bước sóng 442 nm. ........................................................................97
Hình 4. 13. Phổ hấp thụ (1) và phổ huỳnh quang (2) của dung dịch QDs
CdSe/ZnS...........................................................................................98
Hình 4. 14. Phổ quang phát quang của dung dịch CdSe/ZnS (1), MEH-PPV (2)
và tổ hợp CdSe/ZnS + MEH-PPV (3).................................................99
Hình 4. 15. Phổ nhiễu xạ tia X của YAG:Ce CT tại các nhiệt độ ủ khác nhau: a
o
o
o
o
o
(240 C); b (700 C); c (800 C); d (900 C); e (1000 C); f (1100
oC); g (1200 oC)................................................................................100
Hình 4. 16. Ảnh SEM của bột YAG:Ce tại các nhiệt độ ủ khác nhau: a (700
oC); b (800 oC); c (900 oC); d (1000 oC); e (1100 oC); f (1200 oC). ..101
Hình 4. 17. Phổ hấp thụ (đường cong 1) và quang phát quang (đường cong 2)
của YAG:Ce CT tại bước sóng kích thích 442 nm............................102
Hình 4. 18. Phổ quang phát quang của bột YAG:Ce CT tại các nhiệt độ ủ khác
o
o
o
nhau, thời gian ủ 2h: (1) 700 C; (2) 800 C; (3) 900 C; (4) 1000
oC; (5) 1100 oC; (6) 1200 oC.............................................................103
Hình 4. 19. Phân bố kích thước hạt YAG:Ce CT ủ tại nhiệt độ 700 oC (a), 1000
o
oC (b) and 1200 C (c): (1) đo theo phương pháp truyền thống, (2)
sử dụng phương pháp BNN. .............................................................104
xiv
Hình 4. 20. Phổ quang phát quang của dung dịch YAG:Ce với nồng độ mẫu
khác nhau, đường cong 2 ứng với nồng độ gấp 2 lần nồng độ của
đường cong 1....................................................................................105
Hình 4. 21. Đặc trưng I-V của WLED thương mại..............................................106
Hình 4. 22. Phân bố phổ năng lượng của WLED thương mại và hệ tọa độ màu. 107
Hình 4. 23. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED thương mại
khảo sát bằng hệ Everfine YT1000...................................................107
Hình 4. 24. Phân bố phổ năng lượng của đèn WLED thương mại 12 W..............108
Hình 4. 25. Hình ảnh và tọa độ màu của đèn WLED thương mại 12 W...............108
Hình 4. 26. Độ ổn định theo thời gian của quang thông LED TM: khảo sát lần
1 (a), lần 2 (b), lần 3 (c)....................................................................109
Hình 4. 27. Phân bố phổ năng lượng của LED xanh dương.................................110
Hình 4. 28. Hệ tọa độ màu (a) và ảnh chụp LED xanh dương 1W(b). .................110
Hình 4. 29. Phân bố phổ công suất của WLED với TH1. ....................................111
Hình 4. 30. Phổ số photon của WLED: TH1/LED blue.......................................111
Hình 4. 31. Đặc trưng I-V của LED xanh dương: LED xanh dương (a), LED
xanh dương phủ MEH-PPV (b1) và LED xanh dương (b2). .............112
Hình 4. 32. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của chíp LED xanh dương
phủ TH2, độ dày 30 m...................................................................113
Hình 4. 33. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của chíp LED xanh dương
phủ tổ hợp 2 với độ dày 80 m........................................................114
Hình 4. 34. Sự suy giảm cường độ quang huỳnh quang theo thời gian: Mẫu ủ
trong không khí (a), mẫu ủ trong chân không (b)..............................115
Hình 4. 35. Quá trình ôxy hóa khiến MEH-PPV bị tẩy trắng...............................116
Hình 4. 36. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH3-M1...........117
Hình 4. 37. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH3-M2...........118
Hình 4. 38. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH3-M3...........118
Hình 4. 39. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH3-M4...........118
Hình 4. 40. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH3-M5...........119
Hình 4. 41. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH3-M6...........119
xv
Hình 4. 42. Sự liên hệ giữa Hệ số hoàn màu và độ dày màng TH3......................121
Hình 4. 43. Phổ công suất của WLED với TH3: TH3-1(1), TH3-2(3), TH3-
3(3), TH3-4(4), TH3-5(5), TH3-6(6)................................................121
Hình 4. 44. Hiệu suất lượng tử của các tổ hợp theo độ dày..................................122
Hình 4. 45. Quang thông của WLED cấu trúc 3: TH3-M5 theo thời gian............123
Hình 4. 46. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M1...........123
Hình 4. 47. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M2...........124
Hình 4. 48. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M3...........124
Hình 4. 49. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M4...........124
Hình 4. 50. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M5...........125
Hình 4. 51. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M6...........125
Hình 4. 52. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH4-M7...........125
Hình 4. 53. Sự liên hệ giữa Hệ số hoàn màu và độ dày màng TH4......................127
Hình 4. 54. Phổ công suất của WLED với TH4: TH4-1(1), TH4-2(3), TH4-
3(3), TH4-4(4), TH4-5(5), TH4-6(6), TH4-7(7). ..............................127
Hình 4. 55. Hiệu suất lượng tử của các tổ hợp theo độ dày..................................128
Hình 4. 56. Phân bố cường độ theo góc của WLED TH4-M3. ............................129
Hình 4. 57. Mối tương quan giữa Hệ số hoàn màu theo góc của WLED TH4-
M3. ..................................................................................................129
Hình 4. 58. Độ ổn định LED TH4-M6 theo thời gian đo.....................................130
Hình 4. 59. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH5-M1...........131
Hình 4. 60. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH5-M2...........131
Hình 4. 61. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH5-M3...........132
Hình 4. 62. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH5-M4...........132
Hình 4. 63. Phân bố phổ năng lượng và tọa độ màu của WLED TH5-M5...........132
Hình 4. 64. Sự liên hệ giữa Hệ số hoàn màu và độ dày màng TH5......................134
Hình 4. 65. Sự liên hệ giữa Hệ số hoàn màu và công suất LED xanh dương. ......134
Hình 4. 66. Độ ổn định LED TH5-M4 theo thời gian đo.....................................135
xvi
MỞ ĐẦU
Hiện nay Khoa học và Công nghệ nano đang là hướng nghiên cứu được
nhiều quốc gia quan tâm. Các sản phẩm mà Công nghệ nano đã và đang tạo ra có rất
nhiều tính năng mới và ứng dụng hữu ích cho đời sống xã hội, y tế, dân sinh và an
ninh quốc phòng. Ở nước ta lĩnh vực Khoa học và Công nghệ nano tuy mới được
đầu tư nghiên cứu và triển khai nhưng đã đạt được nhiều kết quả khả quan, nhất là
tại các trường đại học, các viện nghiên cứu.
Năng lượng và môi trường đang được xem là vấn đề cốt yếu trong tiến trình
phát triển xã hội mà nhân loại phải đối mặt trong thế kỷ 21 này. Việc áp dụng các
giải pháp sử dụng năng lượng với hiệu suất cao đang là một yêu cầu cấp bách đối
với mỗi quốc gia. Hiện nay nhu cầu năng lượng của nước ta là rất lớn, trong đó
chiếu sáng chiếm đến 30% tổng điện năng. Tuy nhiên, sản lượng điện của các nhà
máy không đáp ứng kịp so với nhu cầu sử dụng [3]. Chính vì vậy việc nghiên cứu
và triển khai ứng dụng các nguồn sáng hiệu suất cao là rất cần thiết. Trong số nguồn
sáng hiệu suất cao phải kể đến điôt phát quang vô cơ (Light emiting diode - LED),
điôt phát quang hữu cơ (OLED). Các nguồn sáng hiệu suất cao này đang dần chiếm
lĩnh thị trường chiếu sáng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.
Dự án Chiếu sáng hiệu năng cao tại Việt Nam (VEEPL) do Quỹ Môi trường
Toàn cầu (GEF) và Chương trình phát triển của Liên hiệp quốc (UNDP) tài trợ là
một trong những chương trình được đánh giá cao, đáp ứng mục tiêu chuyển đổi hệ
thống chiếu sáng công cộng sử dụng các thiết bị, công nghệ chiếu sáng hiệu suất
thấp, tiêu tốn điện năng sang sử dụng các thiết bị, công nghệ chiếu sáng hiệu suất
cao, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường. Theo khuyến cáo của dự án này, thắp
sáng bằng đèn LED là một trong những giải pháp hiệu quả để tăng cường hiệu quả
chiếu sáng. Do vậy đèn LED còn được gọi là nguồn sáng xanh. Tuy nhiên, ở nước
ta chưa có bước đột phá về công nghệ, kỹ thuật trong nghiên cứu cũng như chủ
động trong sản xuất đèn LED trắng (WLED) nên hiệu quả chiếu sáng rắn chưa thực
sự được cải thiện.
1
Ðèn LED, OLED dựa trên công nghệ bán dẫn mà ngày nay gọi là công nghệ
chiếu sáng thể rắn (Solid-State Lighting-SSL), có những ưu điểm như nhỏ gọn, hiệu
suất cao, thời gian sống lâu dài. Hiện tại, đèn WLED có tuổi thọ tới 100 nghìn giờ
sử dụng, gấp 100 lần so với bóng đèn 60 W thông thường. Chiếu sáng bằng đèn
LED có thể tiết kiệm điện năng từ 70% đến 80%, hơn nữa đèn có kích cỡ nhỏ, nhiệt
năng sinh ra trong quá trình chiếu sáng thấp, hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ
không cao, sử dụng dòng điện một chiều điện áp thấp, nên vừa an toàn trong thao
tác, vừa hạn chế độc hại cho mắt người, thân thiện với môi trường vì không sinh ra
tia cực tím, không có hơi thủy ngân,... [10, 35, 59, 61].
Quang phát quang là một trong những biện pháp phổ biến để tạo ra ánh sáng
trắng trong LED vô cơ. Hiện nay và trong tương lai phương pháp tạo ánh sáng trắng
chủ yếu được sử dụng đối với LED là dùng chíp InGaN phát ra ánh sáng xanh dương,
phủ lên chíp đó là lớp phốt pho phát quang màu vàng. Các photon xanh dương phát ra
từ chíp của LED sẽ kích thích lớp phốt pho sinh ra các photon thứ cấp màu vàng.
Xanh dương kết hợp với vàng sẽ cho ánh sáng trắng. Lớp phát quang thứ cấp thường
được sử dụng là vật liệu phát quang Y3Al5O12:Ce3+ (YAG:Ce) hấp thụ mạnh vùng
ánh sáng xanh dương và phát ra phổ huỳnh quang với đỉnh ~ 550 nm [24, 27, 33, 59,
68, 80, 84, 85, 88, 93, 94].
OLED là linh kiện phát sáng dựa trên cơ chế điện phát quang của các chất hữu
cơ hoặc polymer [5-8,16, 23-27, 31, 75]. Dưới tác dụng của một điện áp đặt vào
tương đối nhỏ có thể kích thích các điện tử trong lớp polymer dẫn như MEH-PPV,
Alq3... nhảy lên mức kích thích và sau đó tái hợp với lỗ trống để phát ra ánh sáng
(photon). Màu của OLED có thể thay đổi rất linh hoạt nhờ sử dụng các loại polymer
khác nhau. Một trong những phương pháp chính để tạo ra ánh sáng trắng đối với
OLED là sử dụng tổ hợp phát quang đa thành phần làm lớp phát quang.
Đối với cả hai loại OLED và LED, chất lượng chiếu sáng được đánh giá bởi
các thông số, như nhiệt độ màu (CCT - correlated color temperature) và Hệ số hoàn
màu (CRI - Colour Rendering Index). Đối với WLED, hiệu suất chiếu sáng phụ
2
Tải về để xem bản đầy đủ
172 trang
10560
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu cấu trúc, tính chất điện và huỳnh quang của vật liệu lai nano sử dụng trong chiếu sáng mới", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_cau_truc_tinh_chat_dien_va_huynh_quang_cu.pdf
