Nghiên cứu và chế tạo vật liệu ZnS pha tạp Mn bằng phương pháp đồng kết tủa sử dụng kỹ thuật sấy chân không.

Abstract

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu huỳnh quang ZnS pha tạp Mn bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp sấy chân không, đồng thời khảo sát mối quan hệ giữa điều kiện tổng hợp, hình thái và tính chất quang của mẫu. Quá trình nghiên cứu tiến hành kiểm soát nhiều yếu tố như bước sóng kích thích khi đo huỳnh quang, nồng độ Mn, nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ phản ứng, nhiệt độ sấy trong môi trường chân không, so sánh mẫu có và không có chất tạo phức PVP cũng như tác động của xử lý nhiệt trong không khí. Kết quả cho thấy phổ huỳnh quang của ZnS pha tạp Mn đều có đỉnh phổ khoảng 600 nm với chuyển dời đặc trưng của ion Mn trong mạng tinh thể ZnS, trong đó bước sóng kích thích 350 nm cho cường độ phát xạ mạnh nhất so với các bước sóng khác. Khi khảo sát nồng độ pha tạp, mẫu không pha Mn hầu như không phát quang, nhưng khi tăng nồng độ từ 1 đến 3% mol, cường độ tăng đáng kể trước khi suy giảm khi vượt quá mức này, cho thấy hiện tượng dập tắt huỳnh quang ở nồng độ cao, thông qua ảnh SEM của mẫu có nồng độ pha tạp 3% mol cho thấy kích thước hạt đâu đó khoảng hơn 200 nm. Nồng độ chất phản ứng cũng ảnh hưởng rõ rệt, trong đó mức 0,1 mol/L cho cường độ phát quang cao hơn so với các nồng độ thấp hoặc cao hơn, phản ánh vai trò của sự bão hòa dung dịch trong quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể. Bên cạnh đó, nhiệt độ phản ứng tiến hành ở nhiệt độ phòng cho cường độ phát quang cao hơn rõ rệt so với khi nâng nhiệt độ lên 50oC hoặc 70oC, điều này gợi ý rằng sự khác biệt tốc độ phản ứng của Zn và Mn khi tăng nhiệt đã làm giảm hiệu quả chèn Mn vào mạng tinh thể. Quá trình sấy trong chân không cũng cho thấy ảnh hưởng quan trọng: khi nâng nhiệt độ từ 30 đến 70oC, cường độ phát quang tăng dần và đạt giá trị cao nhất, sau đó giảm ở 100oC do sự kết khối hạt, điều này phù hợp với hình ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy sự khác biệt trong hình thái hạt ở các mức nhiệt. Sự hiện diện của PVP cho thấy nếu sử dụng phương pháp trộn thì dưới tác động của thao tác trộn khá nhanh sẽ khó kiểm soát được kích thước hạt và làm giảm phát quang, trong khi không dùng PVP thì phương pháp trộn sẽ giúp các ion tiếp xúc trực tiếp và phân bố điều hơn, dó đó khi sử dụng PVP thì phương pháp nhỏ giọt sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn. Khi khảo sát xử lý nhiệt trong môi trường không khí, cường độ huỳnh quang giảm dần khi tăng nhiệt độ từ 100oC đến 700oC, kèm theo sự thay đổi hình thái hạt quan sát được bằng SEM, phản ánh quá trình nhiệt phân và hình thành ZnO ở 700oC. So sánh hai môi trường sấy cho thấy mẫu sấy trong chân không giữ được cường độ phát quang cao hơn so với sấy trong không khí ở cùng nhiệt độ, đồng thời thông qua ảnh SEM cho thấy ở môi trường chân có nhiều hạt riêng lẽ hơn điều này có thể là do môi trường chân bay hơi tốt hơn, từ đó cho thấy vật liệu này có thể không chỉ không bền ở nhiệt độ cao mà còn bị ảnh hưởng bởi môi trường không khí. Mặc dù còn thiếu soát do chưa thực hiện phân tích nhiễu xạ tia X nên chưa thể xác định được pha cụ thể của ZnS, song tính xác thực của kết quả vẫn có thể được củng cố dựa trên hai căn cứ. Thứ nhất, hệ hóa chất sử dụng đều cung cấp các ion Zn, Mn và S – vốn là những thành phần hình thành nên ZnS pha tạp Mn, phù hợp với cơ sở lý thuyết và các công bố trước đây. Thứ hai, phổ huỳnh quang của mẫu sau chế tạo thể hiện đặc trưng phát xạ tại khoảng 600 nm, trùng khớp với các nghiên cứu liên quan và gắn liền với quá trình chuyển mức năng lượng từ trạng thái kích thích 4T1 về trạng thái cơ bản 6A1 của ion Mn trong mạng tinh thể ZnS.