Luận án Tiến sĩ: Perovskite Cs₂SnCl₆₋ₓBrₓ (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6) - Nghiên cứu chế tạo, động học phonon và tính chất quang

Vật liệu bán dẫn đóng vai trò thiết yếu trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong các hệ thống năng lượng và thiết bị điện tử. Tuy nhiên, các vật liệu bán dẫn truyền thống còn tồn tại những hạn chế về hiệu suất, chi phí và tính ổn định. Để giải quyết những thách thức này, perovskite halogen kim loại (MHP) đã nổi lên như một vật liệu quang điện tử đầy hứa hẹn. Mặc dù MHP có nhiều đặc tính ưu việt, các vật liệu chứa chì (LHP) lại gây lo ngại về độc tính và độ ổn định. Do đó, nghiên cứu vật liệu MHP không chứa chì, đặc biệt là các perovskite kép trên cơ sở thiếc (Sn) như A2SnX6, trở nên cấp thiết. Các vật liệu này đã chứng minh độ ổn định vượt trội và khả năng hình thành trạng thái exciton tự bẫy (STE) với dải phát xạ rộng. Tuy nhiên, cơ chế hình thành STE vẫn chưa được làm rõ hoàn toàn, đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa hiệu suất lượng tử huỳnh quang (PLQY) và mở rộng tiềm năng ứng dụng. Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo, động học phonon và tính chất quang của vật liệu perovskite Cs2SnCl6-xBrx (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6).

Giới học thuật, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu, vật liệu điện tử, quang học, và các ngành công nghiệp liên quan đến năng lượng tái tạo, thiết bị quang điện tử như pin mặt trời, đèn LED, cảm biến quang và laser.

Luận án này trình bày nghiên cứu toàn diện về vật liệu perovskite kép không chì Cs2SnCl6-xBrx (với x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6), nhằm giải quyết những hạn chế của vật liệu bán dẫn truyền thống và perovskite chứa chì. Mục tiêu chính của nghiên cứu là chế tạo thành công các tinh thể kép thay thế halogen với các tỉ lệ khác nhau, làm rõ ảnh hưởng của các gốc halogen đến năng lượng vùng cấm, tính chất quang và dao động mạng tinh thể, đồng thời làm sáng tỏ cơ chế chuyển dời quang học và sự hình thành trạng thái exciton tự bẫy trong tinh thể Cs2SnBr6. Để đạt được các mục tiêu này, luận án đã kết hợp chặt chẽ các phương pháp thực nghiệm và tính toán lý thuyết. Các kỹ thuật thực nghiệm tiên tiến như TEM, HR-TEM, XRD, phổ hấp thụ quang, phổ huỳnh quang (PL), PL phân giải theo thời gian và tán xạ Raman đã được sử dụng để khảo sát hình dạng, cấu trúc tinh thể, tính chất quang và dao động của các mẫu. Song song đó, các tính toán lý thuyết dựa trên cấu hình thực nghiệm đã cung cấp thông tin chi tiết về sự ổn định, tính chất hóa học, cấu trúc và quá trình động học chuyển dời quang, với các kết quả lý thuyết gần đây làm cơ sở để phân tích và giải thích các hiện tượng thực nghiệm. Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc chế tạo thành công hệ vật liệu perovskite kép Cs2SnCl6-xBrx kích thước micromet với chất lượng tinh thể tốt. Nghiên cứu đã tính toán sự tán sắc và mật độ trạng thái phonon, đồng thời đo thực nghiệm phổ tán xạ Raman của vật liệu. Luận án cũng đã tính toán cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái điện tử của Cs2SnCl6 và Cs2SnBr6, xác định được vùng cấm thẳng với độ rộng tương ứng là 3,56 eV và 2,93 eV, được xác nhận gần đúng bằng thực nghiệm từ phổ hấp thụ. Đặc biệt, luận án đã xác định rõ cơ chế phát quang exciton tự bẫy (STE) trong tinh thể Cs2SnBr6, cho thấy sự tương tác mạnh mẽ giữa điện tử và phonon dẫn đến phổ huỳnh quang rộng và độ dịch Stokes lớn. Kết quả của luận án có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu perovskite kép không chì, mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn như pin mặt trời perovskite, đèn LED, cảm biến quang học và laser, đồng thời góp phần xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc về vật liệu perovskite nói chung và vật liệu không chứa chì nói riêng tại Việt Nam.