Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
267
PHÁT XẠ ÁNH SÁNG CAM TỪ CẤU TRÚC
DẠNG ĐAI ZnS/ZnO PHA TẠP Mn2+
Nguyễn Văn Nghĩa
Trường Đại học Thủy lợi, email: nghiangvan@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
ZnS, ZnO là các bán dẫn thuộc nhóm
AIIBVI có nhiều ứng dụng trong quang hóa,
quang xúc tác, quang điện tử, cảm biến, xử lý
môi trường và y sinh [1]. Vật liệu ZnS cấu
trúc nano thường cho phát xạ xanh lam
mạnh, trong khi đó vật liệu ZnO lại cho phát
xạ xanh lục đặc trưng [2]. Khi pha tạp các ion
Mn2+, ngoài các phát xạ vốn có của mạng
nền, xuất hiện phát xạ vàng cam đến từ các
ion kim loại chuyển tiếp này [3]. Do cơ chế
cạnh tranh trong quá trình truyền năng lượng
giữa các sai hỏng của mạng nền và tạp chất
nên phát xạ tổng hợp có sự biến đổi trong dải
rộng từ màu lam của mạng nền đến màu vàng
cam của tạp chất. Trong bài báo này, các cấu
trúc dạng đai ZnS/ZnO pha tạp Mn2+ cho
phát xạ ánh sáng màu cam mạnh, thích hợp
cho các ứng dụng trong đèn LED.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Các cấu trúc dạng đai ZnS/ZnO pha tạp
Mn2+ được chế tạo bằng phương pháp bốc
bay nhiệt. Muối MnCl2.6H2O và bột ZnS với
tỉ lệ 0,3:1 được chứa trong hai thuyền sứ chịu
nhiệt và được bốc bay ở nhiệt độ 1100oC
trong 30 phút. Hình thái, cấu trúc của chúng
được nghiên cứu thông qua kính hiển vi điện
tử quét phát xạ trường (FESEM), phổ tán sắc
năng lượng tia X (EDS) và giản đồ nhiễu xạ
tia X (XRD). Tính chất quang của chúng
được nghiên cứu thông qua phổ huỳnh quang
(PL), phổ kích thích huỳnh quang (PLE) và
giản đồ tọa độ màu.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Hình 1. Ảnh FESEM của các đai micro
ZnS/ZnO pha tạp Mn2+
Hình 1 là ảnh FESEM của các cấu trúc chế
tạo được. Có thể thấy chúng có dạng đai dài
với chiều rộng từ vài trăm nanomet đến vài
micromet. Các cấu trúc này mọc theo hướng
ngẫu nhiên. Thành phần nguyên tử trên các
đai được xác định nhờ phổ tán sắc năng lượng
tia X. Từ phổ EDS trên hình 2, có thể thấy các
đai được cấu tạo nên từ các thành phần Zn
(46,7%), S (39,6%), O (13,6%) và Mn (0,1%).
Zn chiếm tỉ lệ nhiều nhất và tạp chất Mn
chiếm tỉ lệ nhỏ trên các đai micro chế tạo
được. Pha của các cấu trúc đai này được
nghiên cứu thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X.
Hình 2. Phổ EDS của các đai micro ZnS/ZnO
pha tạp Mn2+
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
268
Hình 3 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các
đai micro ZnS/ZnO pha tạp Mn.
Hình 3. Giản đồ XRD của các đai micro
ZnS/ZnO pha tạp Mn2+
Có thể thấy các đai được tạo nên từ hai
pha ZnS và ZnO cấu trúc lục giác, trong đó
pha ZnS chiếm ưu thế nổi trội. Hướng mọc
ưu tiên của các tinh thể là (002). Phân tích
thành phần qua phổ EDS và cấu trúc qua giản
đồ XRD cho thấy các đai micro chế tạo được
là sự kết hợp của cả hai cấu trúc ZnS và ZnO
trong đó chủ yếu là pha ZnS.
Phổ kích thích huỳnh quang của các đai
micro ứng với bước sóng phát xạ 440 nm
được thể hiện trên hình 4. Đỉnh hấp thụ 336
nm (~3,7 eV) là vùng hấp thụ đặc trưng của
cấu trúc ZnS, bờ hấp thụ thứ hai từ ~360 đến
~400 nm là vùng hấp thụ đặc trưng của các
cấu trúc ZnO. Từ phổ kích thích huỳnh
quang, bước sóng 336 nm được chọn để kích
thích mẫu. Hình 5 là phổ huỳnh quang của
các đai ZnS/ZnO pha tạp và không pha tạp
Mn2+ chế tạo được.
Hình 4. Phổ PLE của các đai micro ZnS/ZnO
pha tạp Mn2+
Đỉnh xanh lam 440 nm là phát xạ đặc
trưng của các cấu trúc ZnS, thường do các
nút khuyết Zn gây ra [3]. Đỉnh xanh lục nhỏ
ở 510 nm do các nút khuyết O trong các cấu
trúc ZnO gây ra [2]. Đỉnh màu cam mạnh với
tâm ở 580 nm là do chuyển mức đặc trưng
4T1 – 6A1 của các ion Mn2+ [2]. Dải phát xạ
đỏ trên 660 nm có thể bắt nguồn từ các sai
hỏng bề mặt của các đai micro.
Hình 5. Phổ PL của các đai micro ZnS/ZnO
không pha tạp và pha tạp Mn2+
Giản đồ tọa độ màu của các đai micro
được thể hiện trên hình 6. Với các tọa độ x =
0,437; y = 0,404 thuộc vùng ánh sáng cam
ứng với nhiệt độ màu: T = 3007 K rất gần với
nhiệt độ màu của đèn LED phát ánh sáng ấm
thương mại (3000 K) sử dụng trong sinh
hoạt, có thể nói rằng các cấu trúc dạng đai
ZnS/ZnO pha tạp Mn2+ thích hợp cho chế tạo
đèn LED phát ánh sáng cam.
Hình 6. Giản đồ tọa độ màu của các đai micro
ZnS/ZnO pha tạp Mn2+
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2024. ISBN: 978-604-82-8175-5
269
4. KẾT LUẬN
Các cấu trúc dạng đai ZnS/ZnO pha tạp
các ion kim loại chuyển tiếp Mn2+ đã được
chế tạo thành công bằng phương pháp bốc
bay nhiệt. Phân tích hình thái, thành phần và
cấu trúc pha của chúng cho thấy các đai có bề
rộng cỡ micro mét được tạo nên từ các cấu
trúc lục giác của ZnS và ZnO. Phổ huỳnh
quang của các đai này cho đồng thời các dải
phát xạ đỏ, cam, lục, lam mà sự kết hợp của
chúng cho phát xạ ánh sáng cam với nhiệt độ
màu phù hợp với các ứng dụng đèn LED
thương mại dùng trong sinh hoạt.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[[1] Van Bui, H., Van Thai, D., Dai Nguyen, T.,
Tran, H. T., Nui, N. D., & Hung, N. M.
(2023). Mn-doped ZnS nanoparticle
photoanodes: Synthesis, structural, optical, and
photoelectrochemical characteristics. Materials
Chemistry and Physics, 307, 128081.
[2] Van Nguyen, N., Nguyen, H. D., Van Phan,
D., Trinh, T. D., Do, B. D., Nguyen, H. T., &
Le, M. Q. (2024). Modulating emission color
in Mn-doped ZnS/ZnO microbelts via thermal
evaporation process. Journal of Materials
Science: Materials in Electronics, 35(9), 1-13.
[3] Tran, M. T., Hung, N. D., Van, Q. N.,
Huyen, N. T., Tu, N., & Thanh, H. P. (2021).
Emission-tunable Mn-doped ZnS/ZnO
heterostructure nanobelts for UV-pump
WLEDs. Optical Materials, 121, 111587.