Luận án Nghiên cứu cấu trúc, tính chất điện và huỳnh quang của vật liệu lai nano sử dụng trong chiếu sáng mới

Nội dung 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

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Light emiting diode : LED Organic Light emiting diode : OLED Solid-State Lighting : SSL LED trắng (White Emiting diode) : WLED 3+ Y3Al5O12:Ce : YAG:Ce Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] : MEH-PPV Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium : Alq3 Nhiễu xạ tia X : XRD Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao : FE-SEM Lớp truyền điện tử (electron transport layer) : ETL Lớp truyền lỗ trống (hole transport layer) : HTL Lớp điện phát quang (Electroluminescence layer) : EL Poly(3,4- ethylenedioxythiophene):(poly(styrenesulfonate) : PEDOT-PSS Hệ số hoàn màu (Colour Rendering Index) : CRI-Ra Dynamic light scattering particle size analyzer : LB-550 Nano Steam Technique” hay “Bụi nano” : BNN Highest Occupied Molecular Orbital - quỹ đạo phân tử điền đầy cao nhất : HOMO the Lowest Unoccupied Molecular Orbital - quỹ đạo phân tử chưa điền đầy thấp nhất : LUMO N,N,N′,N′-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine : TPD Tổ hợp 1: YAG:Ce TM + PMMA : TH1 Tổ hợp 2: MEH-PPV+ Toluene : TH2 Tổ hợp 3: YAG:Ce TM+MEH-PPV+PMMA : TH3 Tổ hợp 4: YAG:Ce TM + MEH-PPV+ CdSe/ZnS+PMMA : TH4 Tổ hợp 5: MEH-PPV+ YAG:Ce CT+PMMA : TH5 3+ Y3Al5O12:Ce Thương mại : YAG:Ce TM 3+ Y3Al5O12:Ce Chế tạo : YAG:Ce CT TiO2 Thương mại : TiO2 TM TiO2 chế tạo : TiO2 CT viii