Thạc Sĩ Nghiên cứu một số tính chất quang của ZnS:Cu-Al chế tạo bằng phương pháp gốm

MỞ ĐẦU
Các hợp chất A2B6 là bán dẫn vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm thay đổi từ hẹp (Eg HgTe= 0.12 eV) đến rất rộng (Eg ZnO = 3.4 eV và Eg ZnS = 3.67 eV ở nhiệt độ phòng) và có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tỉ lệ của từng thành phần trong hợp chất, cho khả năng chế tạo những nguồn phát quang và đầu thu quang làm việc trong vùng phổ rộng từ hồng ngoại gần đến khả kiến. Bột ZnS được pha các chất kích hoạt Ag, Cu, Mn và Al hiện tại vẫn là loại vật liệu không thể thay thế được để chế tạo màn huỳnh quang điện tử, màn hình ti vi.
ZnS là chất bán dẫn vùng cấm rộng do đó có thể tạo ra những bẫy bắt điện tử khá sâu trong vùng cấm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa các tâm tạp (chất kích hoạt) vào để tạo ra bột phát quang có màu sắc biến đổi. Các chất kích hoạt thường sử dụng là các nguyên tố kim loại chuyển tiếp với lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy: Mn, Fe, Ni, Co, Cu Tùy thuộc vào chất kích hoạt, phương pháp chế tạo mẫu mà phổ phát quang và hiệu suất phát quang của ZnS có thể bị thay đổi. Ngoài ra ZnS còn là chất tự kích hoạt nghĩa là tự trong khối chất đã có sẵn ion Zn2+ và Cl+ còn dư nằm lơ lửng giữa các nút mạng và các nút khuyết của Zn (VZn) và S (VS) tạo thành các tâm bắt điện tử.
Có nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu, mỗi phương pháp cho phép tổng hợp được ưu tiên dưới các dạng khác nhau: đơn tinh thể có kích thước lớn, bột đa tinh thể có kích thước hạt cỡ nano, micro, mili , màng mỏng hay sợi. Do đó xuất phát từ lĩnh vực, yêu cầu sản phẩm và điều kiện phòng thí nghiệm mà chúng ta có thể lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu thích hơp. Trong luận văn này chúng tôi trình bày quy trình chế tạo vật liệu phát quang ZnS:Al-Cu bằng phương pháp gốm với nồng độ Al và Cu thay đổi trong khoảng 0ư10 mol%, 0ư0.1 mol%, tương ứng với nhiệt độ nung thay đổi từ 600oC đến 1200oC. Cấu trúc của vật liệu này được xác định thông qua phổ Xray, ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng. Các tính chất quang của ZnS:Al-Cu được nghiên cứu qua phổ kích thích huỳnh quang, phổ phát quang, phổ phát quang phân giải thời gian, phổ tán xạ Raman Ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ, mật độ công suất kích thích lên phổ phát quang của ZnS:Al-Cu cũng được nghiên cứu.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia làm 4 chương:
Chương I. Lý thuyết tổng quan của ZnS, cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng và các tính chất quang của ZnS:Al- Cu
Chương II. Một số phương pháp chế tạo ZnS và ZnS:Al-Cu
Chương III. Thiết bị thực nghiệm
Chương IV. Kết quả thực nghiệm và biện luận

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
CHƯƠNG I LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ZnS
Cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng và các tính chất quang của ZnS:Al- Cu 4
1.1 Cấu trúc tinh thể của ZnS . 4
1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnS 10
1.3 Các cơ chế hấp thụ trong tinh thể .13
1.4 Các cơ chế phát quang trong tinh thể ., .15
1.5 Phổ phát quang của ZnS và ZnS:Al-Cu .18
1.6 Phổ tán xạ Raman của ZnS và ZnS:Al-Cu .21
1.7 Một số ứng dụng của vật liệu phát quang 24
Chương II. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ZnS VÀ ZnS:Al-Cu
2.1 Phương pháp phún xạ catốt 26
2.2 Phương pháp sol – gel 27
2.3 Phương pháp đồng kết tủa 28
2.4 Phương pháp micell thuận và đảo . .29
2.5 Phương pháp gốm 31
Chương III. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
3.1 Thiêt bị lò nung mẫu .35
3.2 Các phương pháp phổ dùng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang của ZnS:Al-Cu .37
3.2.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) của mạng tinh thể 37
3.2.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng.41
3.2.3 Hệ thu phổ kích thích và phát quang 43
3.2.4 Hệ thu phổ phát quang phân giải thời gian .44
3.2.5 Hệ thu phổ Raman LABRAM-1B .45
3.2.6 Hệ thu phổ phát quang bằng máy quang phổ cách tử đa kênh MS-257 dùng kỹ thuật CCD 47
CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN
4.1 Quy trình chế tạo bột phát quang ZnS:Al-Cu bằng phương pháp gốm 50
4.2 Nghiên cứu cấu trúc và xác định hằng số mạng của tinh thể ZnS:Al-Cu 53
4.3 Phổ kích thích và phổ phát quang của ZnS .58
4. 4 Phổ kích thích và phổ phát quang của ZnS:Al .60
4.5 Phổ kích thích và phổ phát quang của ZnS:Al-Cu .66
4.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên phổ phát quang của ZnS, ZnS :Al và ZnS :Al- Cu .71
4.7 Phổ phân giải thời gian của ZnS, ZnS:Al và ZnS:Al-Cu .73
4.8 Phổ tán xạ Raman của ZnS, ZnS:Al và ZnS:Al-Cu .78
4.9 Một số ứng dụng của bột phát quang chế tạo bằng phương pháp Gốm .81
4.10 Kết quả và thảo luận 82
KẾT LUẬN 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC