3. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SNO 2 CẤU TRÚC NANO
3.1 Hạt nano, màng SnO 2 và linh kiện điện huỳnh quang
Sự ra đời của linh kiện điện huỳnh quang (Electroluminescence layer - EL) là một trong những thành tựu khoa học lớn nhất của thế kỷ 20. Trong những năm qua, vật lý và công nghệ chế tạo linh kiện điện huỳnh quang phát triển nhanh chóng và có những ảnh hưởng trực tiếp đến các lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ.
Hiệu ứng điện huỳnh quang được phát hiện vào năm 1936 [3] đó là hiệu ứng phát sáng của vật liệu dưới tác động của điện trường. Xét về cơ chế phát quang, người ta chia ra làm hai loại linh kiện điện huỳnh quang: thứ nhất đó là các linh kiện phát quang dựa trên sự tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống trong tiếp giáp p - n (Light emiting diode - LED), loại thứ hai đó là các linh kiện mà ánh sáng phát ra do các điện tử trong các tâm phát quang b kích thích. Trong loại linh kiện này các tâm phát quang đóng vai tr quyết đ nh đến tính chất vật lý của ánh sáng phát ra, c ng như hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng quang của linh kiện.
Xét về cấu trúc, linh kiện điện huỳnh quang được chia làm bốn loại:
donor nông
V trí khuyết oxi V trí khuyết oxi 0.00
3.60 3.45 3.30 (eV)
2
Trang 12 SVTH: Phan Th Mỹ Linh GVHD: TS. Nguyễn Trí Tuấn
Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp xoay chiều (Alternating Current Thin film Electroluminescence layer devices - ACTFEL).
Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp một chiều (Direct Current thin film Electroluminescence layer devices - DCTFEL).
Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp xoay chiều (Alternating Current powder Electroluminescence layer devices - ACPEL).
Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp một chiều (Direct Current powder Electroluminescence layer devices - DCPEL).
Trong đó có hai loại linh kiện EL được quan tâm nhiều đó là linh kiện EL dạng màng mỏng điện áp xoay chiều (vật liệu phát quang là ZnS:Mn) dùng trong thiết b hiển th phẳng của máy tính xách tay và loại linh kiện EL dạng bột xoay chiều dùng làm lớp phản quang trong thiết b hiển th tinh thể lỏng [3].
Trong linh kiện EL, vật liệu phát quang giữ vai tr quan trọng đối với hiệu suất phát quang của linh kiện và nó quyết đ nh màu sắc ánh sáng phát ra như: các vật liệu ZnS:Mn, SnS:TbOF, ZnS:Tb phát ra ánh sáng màu xanh lá cây, SrS:Cu, SrS:Eu, ZnS:Cl phát ra ánh sáng đỏ c n đối với SrS:Cu, Ga2S4:Ce phát ra ánh sáng màu xanh da trời.
Với hiệu ứng giam giữ lượng tử, năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào kích thước khi tinh thể có kích thước nano do vậy phổ quang phát ra của vật liệu c ng phụ thuộc vào kích thước của tinh thể.
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các vật liệu có kích thước nano đang thu hút được nhiều sự quan tâm trong nước và trên thế giới, người ta hy vọng rằng sẽ tìm ra được những loại vật liệu cho phổ màu đa dạng hơn, hiệu suất phát quang lớn hơn. Nano tinh thể SnO2 được sử dụng như một mạng nền để pha tạp europium (Eu) là một trong những loại vật liệu được chế tạo ứng dụng tốt cho những linh kiện điện huỳnh quang phát ánh sáng màu đỏ.
3.1.1 Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp xoay chiều
Linh kiện hiển th điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp xoay chiều (ACTFEL) được cấu thành từ nhiều lớp màng mỏng khác nhau, mỗi lớp trong đó có vai tr khác nhau trong quá trình hoạt động của linh kiện. Linh kiện bao gồm một lớp vật liệu huỳnh quang, một hay hai lớp điện môi, một điện cực chắn sáng, một điện cực trong suốt và đế của linh kiện. V trí của các lớp màng mỏng được bố trí như sau: lớp phát quang nằm kẹp giữa một hay hai lớp điện môi mỏng, ngoài cùng là hai lớp điện cực. Mặt để ánh sáng truyền ra ngoài là điện cực trong suốt thường là ITO (Indium Tin oxide - Oxit thiếc indi) c n lớp điện cực kia thường là nhôm.
* Cấu trúc của linh kiện ACTFEL
Xét về cấu trúc tùy theo cách bố trí khác nhau của các lớp màng mỏng mà ta có các cấu trúc khác nhau. Thông thường ACTFEL có ba loại cấu trúc:
2
Trang 13 SVTH: Phan Th Mỹ Linh GVHD: TS. Nguyễn Trí Tuấn
Cấu trúc chuẩn của ACTFEL (hình 1.6a), cấu trúc này gồm một lớp phát quang kẹp giữa hai lớp điện môi, lớp điện môi phía trên tiếp xúc với điện cực không trong suốt, lớp điện môi phía dưới tiếp xúc với điện cực trong suốt được phủ trên một đế thuỷ tinh. Ánh sáng huỳnh quang phát ra được truyền qua điện cực trong suốt qua đế thuỷ tinh và ra ngoài. Cấu trúc này thường được sử dụng trong các linh kiện đo đạc hay màn hình hiển th ma trận thụ động đơn sắc do chúng không đ i hỏi quá trình chế tạo phức tạp như cấu trúc đảo. Ưu điểm của cấu trúc chuẩn là có khả năng tự hàn gắn sự đánh thủng do khi lắng đọng điện cực phía trên, độ bền cao do các lớp vật liệu được tạo.
Hình 1.6. Một số loại cấu trúc của linh kiện ACTFEL [3].
Cấu trúc đảo (hình 1.6b) bao gồm lớp phát quang nằm giữa hai lớp điện môi nhưng lớp điện môi phía dưới tiếp xúc với điện cực không trong suốt c n lớp điện môi phía trên tiếp xúc với điện cực trong suốt. Ánh sáng huỳnh quang được phát ra ch truyền qua điện cực trong suốt và đi ra ngoài.
Cấu trúc dạng một lớp điện môi (hình 1.6c). Cấu trúc này dễ dàng trong chế tạo nhưng nó chưa được thương mại hoá do lớp phát quang ch được bảo vệ bởi một lớp điện môi nên độ bền của linh kiện thấp [3].
* Vật liệu điện môi sử dụng trong linh kiện ACTFEL
Vai tr chủ yếu của các lớp điện môi là bảo vệ lớp phát quang khỏi sự tăng mạnh của d ng điện gây ra quá trình đánh thủng điện lớp phát quang. Ngoài ra, các lớp điện môi c n gây ảnh hưởng lên lớp tiếp giáp giữa lớp điện môi và chất phát quang nơi tạo nên d ng điện gây ra sự phát quang của vật liệu, lớp điện môi c n có tác dụng
2
Trang 14 SVTH: Phan Th Mỹ Linh GVHD: TS. Nguyễn Trí Tuấn
ngăn ngừa sự khuếch tán ion từ ngoài vào trong lớp phát quang. Một số yêu cầu cần thiết của lớp điện môi trong linh kiện ACTFEL:
- Có hằng số điện môi phù hợp - Có điện trường đánh thủng lớn - Số lượng lỗ và khuyết tật ít
- Bám dính tốt với điện cực và lớp phát quang - Hệ số tổn hao nhỏ
* Vật liệu làm lớp phát quang
Đây là lớp vật liệu quan trọng nhất trong linh kiện điện huỳnh quang. Lớp phát quang trong linh kiện ACTFEL có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Các tính chất điện của linh kiện ACTFEL phụ thuộc rất lớn vào bản chất lớp phát quang. Thông thường vật liệu sử dụng trong linh kiện ACTFEL là vật liệu gồm chất phát quang nền có pha tạp các nguyên tố khác đóng vai tr làm các tâm phát quang. Vật liệu nền có vai tr tạo nên mạng nền để các nguyên tử tạp chất thay thế vào đó. Có rất nhiều vật liệu được nghiên cứu và sử dụng làm mạng nền của lớp vật liệu phát quang, hầu hết các vật liệu được sử dụng hiện nay là các vật liệu thuộc họ Sulfide. Để tạo nên được màu sắc đa dạng linh kiện EL, lớp vật liệu phát quang phải phát ra được ba màu cơ bản: đỏ, xanh lá cây, xanh da trời. Các màu khác nhau được tạo ra bởi các vật liệu phát quang khác nhau. Ví dụ: vật liệu SnS:Tb phát quang màu xanh lá cây, vật liệu SnO2:Eu3+ phát quang màu đỏ, vật liệu SrS:Cu,Ag phát quang màu xanh da trời [3].
3.1.2 Linh kiện điện huỳnh quang dạng màng mỏng điện áp một chiều
Hình 1.7. Cấu trúc linh kiện EL dạng màng mỏng điện áp một chiều [3].
2
Trang 15 SVTH: Phan Th Mỹ Linh GVHD: TS. Nguyễn Trí Tuấn
Cấu trúc gồm: một lớp ITO (lớp điện cực trong suốt) dày 0,5 m phủ lên trên đế thuỷ tinh, bên trên là lớp phát quang dày 1 m, tiếp lên trên là lớp chắn điện tử có thể là vật liệu ZnSe (lớp bảo vệ) dày 0,1 m. Hai điện cực nhôm dày 1 m nằm trên lớp hạn d ng dày 15 m (hình 1.7). Linh kiện dạng này có hiệu suất cỡ 0,8 lm/W, thời gian sống trên 20000 giờ [3].
3.1.3 Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp xoay chiều
Cấu trúc của linh kiện gồm lớp phát quang là bột ZnS phân tán trong chất điện môi đóng vai tr như chất gắn kết. Lớp này dày cỡ 50 - 100 nm được kẹp giữa hai điện cực. Giữa điện cực trong suốt ITO và lớp phát quang được ngăn cách bởi một lớp cách điện nhằm tránh sự đánh thủng điện môi (hình 1.8). Điện trường hoạt động của linh kiện này khoảng 106 - 107 V/m [3].
Hình 1.8.Cấu trúc linh kiện EL xoay chiều chiều dạng bột [3].
Ưu điểm của loại linh kiện này là dễ dàng điều khiển màu ánh sáng phát ra bằng việc thay đổi hợp chất phát quang.
3.1.4 Linh kiện điện huỳnh quang dạng bột điện áp một chiều
Hình 1.9.Cấu trúc linh kiện EL một chiều dạng bột [3].
2
Trang 16 SVTH: Phan Th Mỹ Linh GVHD: TS. Nguyễn Trí Tuấn
Cấu trúc gồm lớp phát quang dày 30 - 50 nm được làm từ ZnS pha tạp trộn với chất gắn kết rồi phủ lên đế ITO (hình 1.9). Ưu điểm của linh kiện là có độ ổn đ nh cao, phát sáng đồng đều, độ sáng 500 cd/m2 với điện áp đặt vào xấp x 100 V. Thời gian sống 1000 - 5000 giờ.