zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Nghiên cứu ảnh hưởng của ion Mn2+ pha tạp lên tính chất quang của tinh thể perovskite CsPbBr3

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng của ion Mn2+ pha tạp lên tính chất quang của tinh thể perovskite CsPbBr3 trình bày những thay đổi về hình thái, cấu trúc cũng như tính chất phát quang của CsPbBr3 khi được pha tạp Mn2+. Vật liệu có sự gia tăng kích thước sau khi pha tạp, cũng như thay đổi từ dạng cấu trúc tinh thể lập phương sang cấu trúc tinh thể trực thoi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng của ion Mn2+ pha tạp lên tính chất quang của tinh thể perovskite CsPbBr3

KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ION Mn2+ PHA TẠP LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA TINH THỂ PEROVSKITE CsPbBr3 STUDY ON THE EFFECTS OF Mn2+ DOPPING ON PHOTOLUMINESCENCE PROPERTIES OF CsPbBr3 PEROVSKITE NANO CRYSTALS Phạm Xuân Việt, Dương Thanh Tùng Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đến Tòa soạn ngày 12/04/2021, chấp nhận đăng ngày 17/06/2021 2+ Tóm tắt: Vật liệu perovskite pha tạp Mn đang được nghiên cứu rộng rãi vì đặc tính quang học, điện 2+ tử và từ tính thú vị của chúng. Trái ngược với việc pha tạp Mn trong cấu trúc tinh thể 2+ CsPbCl3, việc pha tạp Mn và tinh thể nano CsPbBr3 bằng phương pháp đồng kết tủa là tương đối đơn giản. Trong báo cáo này chúng tôi đã quan sát thấy được những thay đổi về 2+ hình thái, cấu trúc cũng như tính chất phát quang của CsPbBr3 khi được pha tạp Mn . Vật liệu có sự gia tăng kích thước sau khi pha tạp, cũng như thay đổi từ dạng cấu trúc tinh thể lập phương sang cấu trúc tinh thể trực thoi. Sau khi pha tạp thành công có sự xuất hiện của đỉnh phát xạ tại 483 nm. Việc nghiên cứu rộng rãi trong sự thay đổi tính chất quang của vật 2+ liệu Perovskite pha tạp Mn cho thấy có khả năng ứng dụng trong thực tế của loại vật liệu này. Từ khóa: Chấm lượng tử bán dẫn, kích thước hạt, tính chất quang. 2+ Abstract: Mn doped perovskites have been widely discovered for their interesting optical, electronic 2+ and magnetic properties. In contrast to the Mn doping in the CsPbCl3 crystal structure, the 2+ doping of Mn and CsPbBr3 nanocrystals by the co-precipitation method is relatively straightforward. In this report, we observed the changes in morphology, structure as well as 2+ luminescent properties of CsPbBr3 when being doped with Mn . Materials show an increase in size after doping, as well as change from a cubic crystal structure to a rhombohedral crystal structure. After successful doping, an emission peak at 483 nm was 2+ observed. Extensive research on the change of the optical properties of Mn doped Perovskite material shows the possibility of practical applications of this material. Keywords: Semiconductor Quantum dots, particle size, optical properties. 1. GIỚI THIỆU hỏng bề mặt. Do đó, chúng đòi hỏi quy trình chế tạo vật liêu cấu trúc lõi vỏ phức tạp và đắt Chấm lượng tử chalcogenide CdTe, CdSe là tiền. Vì vậy các vật liệu phát quang hiệu suất loại vật liệu rất được quan tâm trước đây vì có cao thay thế CdTe và CdSe đang được tích hiệu suất phát quang tốt trong vùng ánh sáng cực tìm kiếm. khả kiến, nhưng do chứa Cd là kim loại nặng được xem là rất độc hại khi tích tụ trong cơ Vật liệu Perovskite gần đây được lựa chọn thể người [1]. Bên cạnh đó, do sự suy giảm trong nghiên cứu các chấm lượng tử là do khả năng phát quang của chấm lượng tử năng lượng vùng cấm của chúng (ở trạng thái chalcogenide bị ảnh hưởng mạnh bởi các sai vật liệu khối) tương ứng với vùng hồng ngoại TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ . SỐ 28 - 2021 1
KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ gần và vùng ánh sáng nhìn thấy, khi có hiệu chất quang của hạt nano CsPbBr3 được trình ứng giam giữ lượng tử, chúng sẽ phát huỳnh bày trong phần sau. quang trong vùng phổ khả kiến, thuận tiện cho 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN các ứng dụng hiển thị huỳnh quang [2-3]. Khả CỨU năng phát quang của chúng cũng ít bị ảnh hưởng bởi các sai hỏng bề mặt do đó không 2.1. Hóa chất cần chế tạo ở dạng cấu trúc lõi vỏ phức tạp. Cesium carbonate (Cs2CO3) 99,9%, Oleylamine Mặc dù vật liệu chứa chì và thiếc halogen đã (OLA) (C18H35NH2) 98%, Oleic acid (OA) được tìm thấy từ những năm 1893, nhưng tinh (C18H34O2) 90%, Lead bromide (PbBr2) thể đầu tiên nghiên cứu xác định rằng chì 99.9%, Mangan (II) bromide (MnBr2) 99,9%, halogen có cấu trúc perovskite với công thức Iso-Octane (C8H18). hóa học CsPbX3 (X = Cl, Br hoặc I) chỉ được 2.2. Tổng hợp nano tinh thể CsPbBr3 thực hiện 64 năm sau bởi nhà khoa học người Đan Mạch Christian Møller. Ông cũng quan Đầu tiên, cân 32,6 mg Cs2CO3, 330,3 mg sát thấy rằng các vật liệu này hành xử như PbBr2 cho vào bình cầu 50 ml, sau đó cho chất bán dẫn. Trong năm 1978, Dieter thêm 1 ml OLA và 1 ml OA vào bình cầu. Lấy Weber thay thế caesium bằng cation 10 ml iso-Octane cho vào bình cầu 50 ml ở methylammonium (CH3NH3+) để tạo ra chấm trên. Lấy bình cầu chứa toàn bộ hóa chất vào lượng tử lai vô cơ - hữu cơ perovskites đầu bể dầu 85C, khuấy trong 25 phút. Sau đó, tiên. Các ion caesium hoặc cation hữu cơ nhỏ làm lạnh đột ngột trong bể nước đá. Để toàn như metylamoni và formamidinium chiếm các bộ dung dịch thu được tại điều kiện thường 12 khoảng trống hình khối bởi 12 ion halide lân giờ, sau đó, mang đi ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút. Bỏ phần dung dịch phía trên, cho cận gần nhất. Đặc tính cấu trúc của lai thêm 5 ml iso-Octane vào ống ly tâm có giữ perovskites của công thức CH3NH3BX3 (với lại phần chất rắn sau ly tâm, mang ống ly tâm B = Sn (ii) hoặc Pb (ii) và X = Cl, Br hoặc I) đi rung siêu âm. Cuối cùng, mang đi ly tâm tại cũng đã được xem xét gần đây. 5000 vòng/phút, lấy phần dung dịch phía trên. Hướng nghiên cứu về vật liệu perovskite pha Mn2+ được pha tạp vào tinh thể CsPbBr3 bằng tạp Mn2+ đang được nghiên cứu rộng rãi vì phương pháp trao đổi ion bằng cách đưa trực đặc tính quang học, điện tử và từ tính thú vị tiếp MnBr2 vào dung dịch chứa hạt nano của chúng. Trái ngược với việc pha tạp Mn2+ CsPBr3 và khuấy ở 80oC trong vòng 24 giờ để trong cấu trúc tinh thể CsPbCl3, việc pha tạp thu được CsPbxMn1-xBr3. Mn2+ và tinh thể nano CsPbBr3 bằng phương pháp đồng kết tủa là tương đối đơn giản. Việc pha tạp có thể tăng cường khả năng kích thích phát quang, đồng thời tăng năng lượng hình thành dẫn đến cải thiện độ bền của tinh thể [4]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày việc chế tạo nano tinh thể bán dẫn CsPbBr3 pha tạp ion Mn2+ bằng phương pháp tổng hợp hóa học một bước. Ảnh hưởng của nồng độ Hình 1. Sơ đồ quy trình chế tạo chấm lượng tử pha tạp Mn2+ lên hình thái, cấu trúc và tính bán dẫn CsPbBr3 pha tạp ion Mn 2+ 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ . SỐ 28 - 2021
KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ 2.3. Các phép đo phân tích Đối với các mẫu CsPbBr3 pha tạp ion Mn2+, Cấu trúc hình thái học của vật liệu được khảo các phép đo phân tích cấu trúc và hình thái sát bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền cũng được kiểm tra và trình bày trong hình 3. qua (HRTEM, Jeol) tại Viện Hàn lâm Khoa Khác với mẫu không pha tạp, phổ nhiễu xạ tia học và Công nghệ Việt Nam. Phép đo phổ phát X của các mẫu pha tạp Mn2+ 1 đến 5% Mn2+ xạ huỳnh quang (NanoLog, Horiba) được thực (theo tỷ lệ mol Pb2+) cho thấy mẫu thu được hiện tại Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, có cấu trúc tinh thể trực thoi (orthorhombic), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Phương thuộc nhóm không gian Pnma, thể tích đơn vị pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD, Siemens tinh thể 793 Å3; với các đỉnh nhiễu xạ đặc Bruker D5000) với bức xạ CuK ( = 1,54 Å). trưng (101), (121), (202), (222), (123), (242)… Cường độ nhiễu xạ cao nhất đạt được 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN với mẫu pha tạp Mn2+ là 2%. Tuy nhiên, 3.1. Ảnh hưởng của Mn2+ lên cấu trúc cường độ nhiễu xạ có xu hướng giảm khi tinh thể của chấm lượng tử Perovskite nồng độ Mn2+ tăng lên từ 3 đến 5%. Kết quả CsPbBr3 đo hiển vi cho thấy mẫu pha tạp 2% Mn2+ có Hình 2 cho thấy kết quả phân tích cấu trúc và kích thước hạt trong khoảng 31 nm; kích hình thái của mẫu tinh thể perovskite CsPbBr3 thước này to hơn gấp khoảng 3 lần so với mẫu khi chưa pha tạp. Kết quả cho thấy mẫu thu không có sự xuất hiện của ion Mn2+. Như vậy, được có cấu trúc tinh thể lập phương cubic, bước đầu có thể nhận định rằng sự xuất hiện thuộc nhóm không gian Pm-3m, thể tích đơn vị của ion Mn2+ làm thay đổi cấu trúc của tinh tinh thể 176 Å3; với các đỉnh nhiễu xạ đặc thể CsPbBr3 từ dạng lập phương sang trực trưng (100), (110), (111), (210), (211), và (220) thoi (hình chữ nhật). Điều này có thể là do sự (xem hình 2 (a)-(c)). Kết quả đo hiển vi điện tử sai khác về bán kính của ion Mn2+ thay thế truyền qua phân giải cao cũng cho thấy mẫu cho ion Pb2+. thu được có dạng hình vuông với kích thước Tiếp theo chúng tôi tiến hành đo phổ huỳnh hạt trong khoảng 5-10 nm (hình 1(d)). quang của các mẫu CsPbBr3 và CsPbBr3 pha tạp Mn2+ chế tạo được. Hình 2. (a) phổ nhiễu xạ tia X, và (b) phổ chuẩn XRD, Hình 3. (a) phổ nhiễu xạ tia X, và (b) phổ chuẩn (c) mô hình cấu trúc tinh thể lập phương và (d) ảnh XRD,(c) mô hình cấu trúc tinh thể lập phương và 2+ TEM của mẫu của mẫu CsPbBr3 không pha tạp (d) ảnh TEM của mẫu của mẫu CsPbBr3 pha tạp Mn TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ . SỐ 28 - 2021 3
KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ 3.2. Ảnh hưởng của Mn2+ pha tạp lên tính nền khác không phát quang như CsMnBr3, chất quang của CsPbBr3 hoặc Cs4MnBr6. Hình 4 cho thấy phổ huỳnh quang (kích thích Hình 6 cho thấy cường độ tích phân phổ ở bước sóng < 460 nm) và phổ hấp thụ huỳnh quang và hiệu suất chuyển đổi quang UV-Vis của mẫu CsPbBr3 không pha tạp. Kết của các mẫu chế tạo được. Kết quả cho thấy quả cho thấy mẫu hấp thụ ánh sáng ở bước cường độ quang của các mẫu pha tạp tăng lên sóng < 500 nm và phát xạ ở 515 nm. Nhận đáng kể so với mẫu không pha tạp. Điều này thấy phổ huỳnh quang có cấu trúc bất đối có thể được cho là do khi pha tạp ion Mn2+ sẽ xứng nhẹ, lệch về phía bước sóng dài; chúng làm tăng các tâm hấp thụ và phát xạ quang; tôi tiến hành tách phổ theo hàm gaussian ngoài ra, kích thước hạt tăng lên cũng giúp (hình 4(b)). Kết quả cho thấy các đỉnh huỳnh tăng khả năng hấp thụ của hạt nano đối với quang trải dài trong khoảng 500-525 nm. Điều các nguồn ánh sáng tới. này có thể được giải thích là do kích thước hạt phân bố rộng trong khoảng 5-10 nm. Do bán Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng là đại lượng kính Bohr của vật liệu CsPbBr3 trong khoảng được tính dựa trên khả năng phát xạ ánh sáng 7-10 nm; các hạt CsPbBr3 có bán kính tương thứ cấp (vùng xanh lục) khi nhận được ánh đương vật liệu khối phát xạ ở bước sóng 525 sáng kích thích là ánh sáng sơ cấp vùng xanh nm, và các đỉnh có bước sóng ngắn hơn có lam từ nguồn sáng chiếu tới: nguồn gốc từ các hạt có kích thước nhỏ hơn G H (%)  bán kính Bohr. Bo  B1 Hình 5 cho thấy phổ huỳnh quang của các Trong đó: mẫu CsPbBr3 pha tạp ion Mn2+ từ 0 đến 5% H: Hiệu suất chuyển đổi của bột phosphor; (theo tỷ lệ mol Pb2+). G: Công suất phát xạ vùng xanh lục (thứ cấp); Khi phân tích sâu hơn các phổ huỳnh quang Bo: Công suất phát xạ của nguồn xanh lam của các mẫu CsPbBr3 pha tạp ion Mn2+ bằng ban đầu; phương pháp tách phổ theo hàm Gauss, chúng B1: Công suất phát xạ vùng xanh lam sau khi tôi nhận thấy sự khác biệt về cấu trúc các đỉnh chiếu qua mẫu CsPbBr3 pha tạp ion Mn2+. phổ phát xạ của chúng khi so sánh với mẫu không pha tạp. Đối với mẫu pha tạp Mn2+ 1%, Kết quả cho thấy, hiệu suất chuyển đổi đã phổ huỳnh quang gồm ba đỉnh từ 500 đến 526 giảm đáng kể từ 49% xuống 36% khi pha tạp nm giống với mẫu không pha tạp; có thể là do 1% Mn2+ mặc dù cường độ phát quang tăng hàm lượng Mn2+ nhỏ nên không quan sát thấy mạnh. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi tăng sự khác biệt. Tuy nhiên với mẫu pha tạp 2%, mạnh (> 54 % )khi nồng độ pha tạp tăng lên xuất hiện thêm một đỉnh ở 483 nm. Nguồn đến 2%. Điều này có thể là do khi ở nồng độ gốc đỉnh này có thể là từ ion Mn2+ pha tạp pha tạp thấp, Mn2+ chỉ đóng vai trò tâm hấp giống như các công bố trước đó. Tuy nhiên thụ và truyền năng lượng cho mạng nền với các mẫu pha tạp lớn hơn từ 3% đến 5% CsPbBr3; khi nồng độ pha tạp tăng lên, chúng không quan sát thấy đỉnh này. Điều này có thể đóng vai trò là các tâm phát quang và góp được cho là do Mn2+ đã hình thành các mạng phần làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang. 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ . SỐ 28 - 2021
KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ Hình 4. (a) phổ huỳnh quang và hấp thụ UV-Vis, (b) tách phổ huỳnh quang theo hàm gauss của mẫu CsPbBr3 2+ Hình 5. Phổ huỳnh quang của các mẫu CsPbBr3 pha tạp Mn từ 0 đến 5% TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ . SỐ 28 - 2021 5
KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ Hình 6. Cường độ tích phân chuẩn hóa (đường nét nhỏ) và hiệu suất chuyển đổi bước sóng (đường nét to) 2+ của các mẫu CsPbBr3 pha tạp Mn từ 0 đến 5% 4. KẾT LUẬN đỉnh phát xạ ứng dụng trong đèn LED phát Chúng tôi đã thành công trong việc pha tạp ánh sáng trắng. Mn2+ và trong vật liệu CsPbBr3 bằng quy trình LỜI CẢM ƠN đơn giản. Qua kết quả XRD và ảnh chụp TEM đã cho thấy sự thay đổi về kích thước và cấu Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học trúc của vật liệu. Với sự xuất hiện thêm đỉnh Bách khoa Hà Nội trong đề tài mã số phát xạ huỳnh quang mới đã đưa ra hướng T2020-SAHEP-037. nghiên cứu về việc điều chỉnh cường độ các TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T. Ung, T. Lien, T. Pham, D. Nguyen, D. Dinh, Q. Nguyen, “ CdTe and CdSe quantum dots: synthesis, characterizations and applications in agriculture”, ADV NAT SCI-NANOSCI, 3 (4), 043001 (2012). [2] T. Nguyen, T. Luu, D. Nguyen, T. Duong, “Comparative Study on Backlighting Unit Using CsPbBr3 Nanocrystals/KSFM Phosphor + Blue LED and Commercial WLED in Liquid Crystal Display”, Journal of ELECTRONIC MATERIALS, https://doi.org/10.1007/s11664-021-08775-1 (2021). [3] Y. Suh, T. Kim, Choi, C. Lee, J. Park, “High-Performance CsPbX3 Perovskite Quantum-Dot Light-Emitting Devices via Solid-State Ligand Exchange”, ACS Applied Nano Materials 1, 2, 488-496 (2018). [4] S. Zou, Y. Liu, J. Li, C. Liu, R. Feng, F. Jiang, Y. Li, J. Song, H. Zeng, M. Hong, X. Chen,” Stabilizing Cesium Lead Halide Perovskite Lattice through Mn(II) Substitution for Air-Stable Light-Emitting Diodes”, J. Am. Chem. Soc., 139, pp. 11443-11450 (2017). [5] I. Lignos, V. Morad, Y. Shynkarenko, C. Bernasconi, R. Maceiczyk, L. Protesescu, F. Bertolotti et.al,“ Exploration of Near-Infrared-Emissive Colloidal Multinary Lead Halide Perovskite Nanocrystals Using an Automated Microfluidic Platform”, ACS Nano, 12, 5504−5517 (2018). Thông tin liên hệ: Dương Thanh Tùng Điện thoại: 0904594005 - Email: tung.duongthanh@hust.edu.vn Viện Tiên tiến khoa học và công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 6 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ . SỐ 28 - 2021

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.