Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp bộ mã số B2022-TNA-36 do PGS. TS. Nguyễn Xuân Ca, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên làm chủ nhiệm | Đại học Thái Nguyên

Đoàn kết – trung thực – sáng tạo – hiệu quả - chất lượng

Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp bộ mã số B2022-TNA-36 do PGS. TS. Nguyễn Xuân Ca, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên làm chủ nhiệm

Đăng ngày: 22-03-2024 | 98 lần đọc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:

Tên đề tài: Nghiên cứu, chế tạo các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các nguyên tố đất hiếm, ứng dụng trong LED phát ánh sáng trắng

Mã số: B2022-TNA-36

Chủ nhiệm: PGS. TS. Nguyễn Xuân Ca

Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên

Thời gian thực hiện: 01/2022 - 12/2023

2. Mục tiêu:

- Chế tạo thành công các nano tinh thể bán dẫn (ZnSe, ZnS, ZnTe, ZnTe/ZnSe…) pha tạp các ion đất hiếm (Eu, Tb, Sm…).

- Làm rõ các tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn pha tạp ion đất hiếm

- Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nghiên cứu được trong chế tạo các loại LED phát ánh sáng trắng.

3. Tính mới và sáng tạo:

- Chế tạo thành công các nano tinh thể bán dẫn ZnS đồng pha tạp các ion Er³⁺ và Sm³⁺; và các nano tinh thể bán dẫn ZnO pha tạp ion Er³⁺ bằng phương pháp hoá ướt.

- Làm rõ các tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn pha tạp ion đất hiếm bằng các phép đo quang huỳnh quang, hấp thụ, thời gian sống huỳnh quang kết hợp với lý thuyết Judd-Ofelt.

- Nghiên cứu tăng cường các tính chất điện tử và quang học của cấu trúc nano kim loại/bán dẫn NbS₂/BSe theo hướng điện tử tiên tiến.
4. Kết quả nghiên cứu:

- Các thông số cường độ, xác suất chuyển tiếp bức xạ, tỷ lệ phân nhánh và thời gian sống bức xạ của các mức kích thích của ZnO QD pha tạp ion Er³⁺ và ZnS đồng pha tạp các ion Er³⁺, Sm³⁺ được xác định bằng lý thuyết Judd-Ofelt.

- Quá trình truyền năng lượng từ mạng nền ZnO đến ion Er³⁺, từ mạng nền ZnS đến ion Er³⁺ và Sm³⁺ và bản chất cơ chế của các quá trình này đã được nghiên cứu và giải thích chi tiết.

- Các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm (có thời gian sống dài) có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như quang xúc tác, quang điện tử, quang điện và cảm biến sinh học.

- Nghiên cứu tăng cường các tính chất điện tử và quang học của cấu trúc nano kim loại/bán dẫn NbS₂/BSe theo hướng điện tử tiên tiến.

5. Sản phẩm:

5.1. Sản phẩm khoa học:

Xuất bản 02 bài báo đăng trên tạp chí thuộc ISI (1 bài Q1, 1 bài Q2); 01 bài báo đăng trên các tạp chí cấp quốc gia.

- S. T. Nguyen, T. T. T. Huong, N. X. Ca*, C. Q. Nguyen*, Enhancing the electronic and optical properties of the metal/semiconductor NbS2/BSe nanoheterostructure towards advanced electronics, Nanoscale Advances 6 (2024) 1565. (ISI-Q1, IF=4.948)

- N. X. Ca^*, N. T. Hien, Xingxiang Fan, P. V. Do, V. H. Yen, P. V. Hao, L. K. Quynh, T. T. T. Huong, and V. X. Quang, New insights on the luminescence properties and Judd-Ofelt analysis of Er-doped ZnO semiconductor quantum dots, RSC Advances 13 (2023) 27292. (ISI-Q2, IF=3.9)

- Nguyễn Xuân Ca, Tổng hợp, nghiên cứu tính chất quang của các nano bán dẫn lõi/vỏ ZnTe/ZnSe và lõi/vỏ/vỏ ZnTe/ZnSe/ZnS, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự 92 (2023) 114-120 (ACI, 0.75đ theo HĐCDGSNN).

5.2. Sản phẩm đào tạo:

- Hỗ trợ đào tạo 03 NCS: NCS Nguyễn Thị Khánh Vân (thành viên đề tài), NCS Nguyễn Trung Kiên (thành viên đề tài do CNĐT hướng dẫn), NCS Trịnh Thị Thu Hương (do CNĐT hướng dẫn).

- Đã hướng dẫn 04 học viên cao học ngành Quang học bảo vệ thành công luận văn, cụ thể:

Đỗ Thị Bích (2022), Nghiên cứu quá trình truyền năng lượng và tính chất quang của các các nano tinh thể bán dẫn ZnS đồng pha tạp ion Sm³⁺ và ion Tb³⁺, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.
Bùi Thanh Thanh (2022), Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp Co đến các tính chất quang và từ của cấu trúc nano ZnSe:Co, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.
Nguyễn Thị Anh Thư (2022), Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử bán dẫn CdS pha tạp ion đất hiếm Sm³⁺, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.
Nguyễn Hữu Hoàn (2022), Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và quá trình truyền năng lượng trong vật liệu calcium aluminosilicate đồng pha tạp Ce³⁺ và Sm³⁺, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.

5.3. Sản phẩm ứng dụng:

- 01 quy trình chế tạo các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm.

- 01 quy trình ứng dụng các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm trong việc chế tạo LED phát ánh sáng trắng.

- 100 ml dung dịch chứa các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm có các tính chất vật lý tương đương hoặc tốt hơn các sản phẩm thương mại.

5.4. Sản phẩm khác:

- 01 đơn đăng ký độc quyền sáng chế đã được chấp nhận đơn: “Quy trình chế tạo điều khiển hình dạng của các nano tinh thể bán dẫn CdSe bằng nhiệt độ phản ứng và tốc độ bơm dung dịch”. Số 119226/QĐ-SHTT ký ngày 18/12/2023
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

- Kết quả nghiên cứu chế tạo các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm sẽ được chuyển giao đến các sinh viên, học viên, giảng viên và các nhà khoa học quan tâm.

- Thử nghiệm ứng dụng chế tạo LED phát ánh sáng trắng bằng việc sử dụng các nano tinh thể bán dẫn pha tạp các ion đất hiếm tại Viện KH&CN - Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên.

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:

Project title: Study, fabrication semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions for application in white light-emitting LEDs Code number: B2022-TNA-36

Coordinator: Assoc. Prof. Dr Nguyen Xuan Ca

Implementing institution: TNU - University of Sciences

Duration: from 01/2022 - 12/2023

2. Objective(s):

- Successfully fabricated semiconductor nanocrystals (ZnSe, ZnS, ZnTe, ZnTe/ZnSe...) doped with rare earth ions (Eu, Tb, Sm...).

- Elucidate the optical properties of semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions

- Testing the application of researched materials in manufacturing white light-emitting LEDs.
3. Creativeness and innovativeness:

- Successfully fabricated ZnS semiconductor nanocrystals co-doped with Er³⁺ and Sm³⁺ ions; and ZnO semiconductor nanocrystals doped with Er³⁺ ions by wet chemical method.

- Elucidate the optical properties of semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions using fluorescence, absorption, and fluorescence lifetime measurements combined with the Judd-Ofelt theory.

- Study on enhancing the electronic and optical properties of the metal/semiconductor NbS₂/BSe nanoheterostructure towards advanced electronics

4. Research results:

- Successfully fabricated ZnS semiconductor nanocrystals co-doped with Er³⁺ and Sm³⁺ ions; and ZnO semiconductor nanocrystals doped with Er³⁺ ions by wet chemical method.

- Intensity parameters, radiation transition probability, branching ratio and radiation lifetime of the excitation levels of ZnO QDs doped with Er³⁺ ions and ZnS co-doped with Er³⁺, Sm³⁺ ions are determined by Judd-Ofelt theory.

- The energy transfer process from the ZnO host to the Er³⁺ ion, from the ZnS host lattice to the Er³⁺ and Sm³⁺ ions, and the mechanical nature of these processes have been studied and explained in detail.

- Semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions (with long lifetimes) have potential applications in fields such as photocatalysis, optoelectronics, photovoltaics, and biological sensors.

- Study on enhancing the electronic and optical properties of the metal/semiconductor NbS₂/BSe nanoheterostructure towards advanced electronics

5. Products:

5.1. Scientific publications:

Published 02 article in a journal of ISI (1-Q1, 1-Q2); 01 article published in national journals

- Nguyen Xuan Ca, Fabrication, study of optical properties of ZnTe/ZnSe core/shell and ZnTe/ZnSe/ZnS core/shell/shell nano-semiconductor, Journal of Military Science and Technology 92 (2023) 114-120 (ACI, 0.75).

5.2. Training results:

Support training of 03 PhD students: PhD student Nguyen Thi Khanh Van (project member), PhD student Nguyen Trung Kien (project member is guided by project leader), PhD student Trinh Thi Thu Huong (project member is guided by project leader).

Guided 04 graduate students to successfully defend their master's thesis:

Do Thi Bich (2022), Study on the energy transfer process and optical properties of Sm³⁺ and Tb³⁺ ions co-doped ZnS semiconductor nanocrystals, Master's thesis, TNU-University of Science.
Bui Thanh Thanh (2022), Study on the effects of Co doping on the optical and magnetic properties of ZnSe:Co nanostructures, Master's thesis, TNU-University of Science.
Nguyen Thi Anh Thu (2022), Fabrication and study optical properties of CdS semiconductor quantum dots doped with rare earth ions Sm³⁺, Master's thesis, TNU-University of Science.
Nguyen Huu Hoan (2022), Fabrication and study on optical properties and energy transfer process in calcium aluminosilicate materials co-doped with Ce³⁺and Sm³⁺, Master's thesis, TNU-University of Science.

5.3. Application products:

- 01 process for manufacturing semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions.

- 01 process for applying semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions in manufacturing white light-emitting LEDs.

- 100 ml of solution contains semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions with physical properties equivalent to or better than commercial products.

5.4. Other products:

- 01 patent application has been accepted: "Manufacturing process to control the shape of CdSe semiconductor nanocrystals by reaction temperature and solution pumping speed". No. 119226/QD-SHTT signed on December 18, 2023

6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of reserach results:

- The results of research on manufacturing semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions will be transferred to interested students, practitioners, lecturers and scientists.

- Testing the application of manufacturing white light-emitting LEDs using semiconductor nanocrystals doped with rare earth ions at the Institute of Science and Technology - TNU- University of Science.