MỞ ĐẦU

ZnS là hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AIIBVI đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu từ lâu. Do ZnS có độ rộng vùng cấm lớn (ΔEg = 3,7eV) ở nhiệt độ phòng, vùng cấm thẳng, có độ bền lớn khi ở điện trường mạnh, nhiệt độ nóng chảy cao,hiệu súât phát quang lớn nên ZnS được ứng dụng rất nhiều trong linh kiện quang điện tử như màn hình hiển thị, cửa sổ hồng ngoại, chế tạo pin mặt trời, điot phát quang

ZnS là vật liệu lân quang điển hình vì nó có khả năng phát quang tự kích hoạt (SA). Bột lân quang ZnS có một vùng phát quang mở rộng từ vùng gần tia tử ngoại (UV) đến gần vùng hồng ngoại (IR). Hơn nữa, độ rộng vùng cấm của ZnS có thể được thay đổi bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất pha vào. Hiệu súât phát quang thường tăng lên khi pha thêm nguyên tố đất hiếm hay kim loại chuyển tiếp. Đặc biệt là vật liệu ZnS pha tạp Ag, Cu, Mn, Co, Al đã và đang được nghiên cứu rộng rãi do phổ phát xạ của chúng thường nằm trong vùng ánh sáng khả kiến được ứng dụng trong đời sống hằng ngày.

Bột lân quang ZnS:Cu,Al được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực phát điện quang như dụng cụ phát xạ electron làm việc ở dải tần rộng. Để đáp ứng cho sự phát triển kĩ thuật nhất là chế tạo linh kiện có hiệu điện thế vận hành thấp, độ phân giải cao nên ZnS:Cu,Al là vật liệu không thể thay thế để chế tạo màn hình huỳnh quang điện tử, ống hình tivi .

Việc nghiên cứu tìm ra các phương pháp tiên tiến, hiệu quả để chế tạo bột lân quang ZnS, chế tạo vật liệu ZnS pha tạp có kích thước nano và nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng lượng tử tới tính chất của vật liệu đã thu hút được nhiều sự quan tâm của của các nhà khoa học trong những năm gần đây. Bởi vì, các hạt có kích thước nhỏ giảm tới cỡ nm (1nm -100nm), khi đường kính hạt xấp xỉ bằng đường kính Bohr thì hiệu ứng giam giữ lượng tử cũng bắt đầu đóng vai trò quan trọng nhiều hơn, ảnh hưởng mạnh đến tính chất của vật liệu làm cho vật liệu nano có khả năng ứng dụng cao hơn.

Các nghiên cứu về vật liệu ZnS:Cu, Al cùng với các kim loại khác như Mn đã chỉ rõ sự khác biệt giữa các hạt nano và mẫu khối tương ứng. Với ý nghĩa thực tiễn quan trọng và dựa trên cơ sở trang thiết bị của tổ bộ môn Vật lí chất rắn-Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ là ”Nghiên cứu và chế tạo vật liệu bột và màng ZnS :Cu,Al ” .

Mục đích của luận văn:

*) Tìm hiểu và chế tạo bột ZnS:Cu, Al bằng phương pháp đồng kết tủa, chế tạo mẫu màng bằng phương pháp phun tĩnh điện.

*) Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ chế tạo đến một số tính chất của vật liệu như: cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và đặc biệt là tính chất quang, cụ thể là ảnh hưởng của nhiệt độ ủ mẫu bột, nhiệt độ đế của mẫu màng.

*) Tìm ra cơ chế làm giảm kích thước hạt đến kích thước nano.

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung khóa luận này gồm 3 chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu ZnS:Cu,Al

Chương 2: Tổng quan về các phương pháp chế tạo và nghiên cứu vật liệu

Chương 3: Thực hành chế tạo mẫu bột ZnS:Cu, Al, kết quả và thảo luận.

KẾT LUẬN

Do thời gian có hạn nên trong luận văn này, em mới chỉ dừng lại ở việc chế tạo bột ZnS:Cu,Al ở một nồng độ tạp chất giống nhau và nghiên cứu được sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung trong khoảng 6000C – 7500C và ảnh hưởng của dung môi đến một số tính chất đặc trưng của vật liệu. Tuy nhiên bước đầu em đã rút ra một số kết luận sau:

 Bằng phương pháp phản ứng đồng kết tủa, em đã chế tạo thành công bột ZnS:Cu,Al. Khảo sát mẫu thu được và kết quả cho thấy:

1. Các mẫu dùng dung môi khác nhau có cấu trúc khác nhau nhưng vẫn có pha cấu trúc bền wurtzite và sphalerite đặc trưng của ZnS.

2. Dung môi có ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc, kích thước hạt, và tính chất phát quang của mẫu. Mẫu có cấu trúc khác nhau sẽ cho độ rộng của phổ huỳnh quang khác nhau và cho đỉnh phát quang khác nhau. Dung môi formamide có khả năng khống chế kích thước hạt rất tốt, kích thước hạt cỡ 60nm và mẫu cho độ rộng dải huỳnh quang lớn nhất và cho đỉnh phát quang ứng với bức xạ xanh lá cây, vàng da cam và đỏ.

3. Từ phổ DSC, chúng tôi chọn nhiệt độ ủ từ 6000C  7500C sẽ cho mẫu có chất lượng tốt nhất và phát huỳnh quanh mạnh nhất.

4. Nhiệt độ càng cao thì sự tạo thành tinh thể tốt hơn, kích thước hạt càng lớn, pha zinzite đặc trưng của ZnO càng xuất hiện nhiều. Dung môi cũng ảnh hưởng đến khả năng tạo thành ZnO. Mẫu dùng dung môi PP không có sự tạo thành ZnO, mẫu dùng dùng môi formamide hình thành rất ít so với mẫu dùng dung môi ethanol.

5. Các mẫu phát quang mạnh trong vùng khả kiến với bước sóng kích thích 325nm. Khi nhiệt độ tăng, đ3nh phát quang sẽ dịch chuyển và cường độ phát quang của mẫu càng giảm. Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến khả năng phát quang của mẫu. Mẫu dùng dung môi formamide có độ phát quang tăng gấp 2 lần so với mẫu dùng dung môi ethanol và gấp 1.2 lần so vớimẫu dùng dung môi PP.

 Thực hiện việc phun màng trên đế thuỷ tinh bằng phương pháp phun tĩnh điện từ dung dịch kết tủa và ủ ở nhiệt độ khác nhau và kết quả cho thấy:

1. Tất cả mẫu màng đều có cấu trúc wurtzite đặc trưng của ZnS.

2. Kích thước hạt nhỏ hơn rất nhiều so với mẫu bột.

3. Nhiệt độ càng cao thì màng có độ bám dính càng tốt nhưng kích thước hạt lại tăng. Nhiệt độ ủ trên 3500C thì xuất hiện pha ZnO.

4. Mẫu màng phát quang mạnh trong vùng khả kiến với bước sóng kích thích 325nm. Độ rộng phổ của mẫu màng nhỏ hơn độ rộng của mẫu bột và có đỉnh tại vùng xanh lá cây cỡ 529nm. Đỉnh không dịch chuyển nhưng cường độ phát quang giảm khi nhiệt độ tăng

5. Phổ hấp thụ có bờ hấp thụ cơ bản cỡ 339nm < 350nm (mẫu khối). Chứng tỏ mẫu chế tạo được là mẫu nano. Bờ hấp thụ dịch về phía năng lượng cao khi nhiệt độ tăng do bờ hấp thụ phụ thuộc vào kích thước hạt.

 Thực hiện phun màng trên đế thạch anh bằng phương pháp phun tĩnh điện từ dung dịch kết tủa dùng dung môi ethanol và ủ ở nhiệt độ 2500C và kết quả cho thấy:

1. Đế không ảnh hưởng đến tính chất phát quang của mẫu. Phổ huỳnh quang nhận được giống như phổ huỳnh quang phun trên đế thủy tinh.

2. Phổ hấp thụ xuất hiện những bờ hấp thụ phụ

Các phương hướng nghiên cứu tiếp theo

Mặt dù đã đạt được một số kết quả như trên nhưng chúng tôi nhjận thấy vẫn còn nhiều vấn đề chưa giải quyết được trong lựân văn này. Để nghiê cứu rõ hơn các tính chất của ZnS:Cu,Al chúng tôi đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo là:

- Khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc tinh thể, kích thước hạt ,tính chất quang vào thời gian ủ và vào dung môi.

- Thay đổi nồng độ tạp chất trong mẫu để nghiên cứu rõ hơn ảnh hưởng của các tạp chất tới các tính chất quang của mẫu.

- Khảo sát các yếu tố hoá học ảnh hưởng đến chất lượng mẫu trong phương pháp phản ứng đồng kết tủa, từ đó tìm ra phương pháp hạ thấp nhiệt độ nung để thu được hạt có kích thước nhỏ hơn