Vật liệu K2SiF6:Mn4+ phát quang đỏ là một trong những vật liệu quan trọng được sử dụng trong công nghệ chế tạo đèn microLED cho các ứng dụng của màn hình thông minh và màn hình siêu mỏng trên thế giới. Vật liệu này thường được tổng hợp bằng phương pháp hóa học trong đó có pha tạp Mn4+ nhằm làm tăng hiệu suất phát quang lượng tử. Tuy nhiên, cho đến nay, hiểu biết của chúng ta về cơ chế pha tạp Mn4+ và ảnh hưởng của quá trình pha tạp đến việc hình thành các sai hỏng hay cấu trúc xốp có khả năng tăng hiệu suất phát quang lượng tử vẫn còn rất ít ỏi. Nguyên nhân chính là do thiếu các phương pháp nghiên cứu cấu trúc thực nghiệm ở thang kích thước nguyên tử và nano để tiếp cận các thông tin liên quan đến đặc trưng và kiểm soát cấu trúc của vật liệu. Do vậy, vấn đề mang tính thách thức đối với việc ứng dụng vật liệu K2SiF6:Mn4+ trong công nghệ micro-LED là xác định rõ được cơ chế thay thế của Mn4+ trong cấu trúc K2SiF6:Mn4+ và các sai hỏng có lợi về tính chất phát quang.

Để giải quyết vấn đề này, ThS. Lỗ Thái Sơn và các cộng sự tại Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu quá trình pha tạp Mn trong vật liệu phát quang K2SiF6:Mn4+ bằng phổ kế thời gian sống huỷ positron” để có thể xác định rõ quá trình thay thế của Mn4+ trong cấu trúc K2SiF6:Mn4+ và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất phát quang lượng tử cao của vật liệu này trong công nghệ màn hình micro-LED. Đồng thời, ứng dụng kỹ thuật phân tích hủy cặp positron - electron cùng với các kỹ thuật liên quan phân tích cấu trúc vi mô đối với vật liệu micro-LED K2SiF6:Mn4+.

Trong khuôn khổ nghiên cứu, đề tài đã ứng dụng phổ kế hủy positron (PAS) để khảo sát một cách có hệ thống sự hình thành cấu trúc, sai hỏng, độ xốp và vị trí củacác ion Mn4+ pha tạp trong vật liệu phát quang nano K2SiF6 (KSFM) dùng các dung môi khác nhau. Các mẫu KSFM được tổng hợp trong điều kiện có mặt của sodiumdodecyl sulphonate và các dung môi bao gồm nước, isopropanol, ethylacetatevàdiethyl ether. Ba kỹ thuật đo đạc thực nghiệm chính của PAS gồm thời gian sống hủy positron (PAL), giãn nở Doppler (DB) và phân bố mô men xung lượngelectron (EMD), đã được thực hiện đồng thời trên các mẫu nghiên cứu trong cùng một điều kiện chân không. Ngoài ra, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, nồng độ pha tạp của ion Mn4+, hiệu suất phát quang lượng tử (QY) và phổ kích thích phát quang (PLE)/phát quang (PL) của KSFM cũng được khảo sát lần lượt bằng cách sử dụng các phương pháp đo nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ phát xạ plasma ghép khối phổ (ICP-MS), phổ quang tử đa kênh (PMAS) và phổ phát quang (PLS).

Các kết quả thu được cho thấy các dung môi có hằng số điện môi thấp sẽ dẫn đến sự giảm kích thước hạt trong quá trình hình thành cấu trúc KSFM. Sự chiếm đóng của Mn4+ vào các vị trí của Si4+ trong cấu trúc bát diện của SiF62–trong KSFM cũng như nồng độ cao của các sai hỏng và lỗ xốp nano (kích thước trung bình 0,390-0,621 nm) trong hai mẫu vật liệu pha tạp sử dụng dung môi isopropanol và dietylete đã được khám phá bởi các phép đo PAS. Hơn thế nữa, việc tăng nồng độ pha tạp Mn4+ làm giảm quá trình chiếm chỗ của Mn4+ đối với sai hỏngnút trống đơn Si và nút trống đôi K liền kề, đồng thời làm tăng số lượng nút trống Si trong KSFM. Kết hợp các phép đo PAS với đo đạc hiệu suất phát quang lượng tử, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hiệu suất phát quang lượng tử của vật liệu phát quang nano KSFM không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc xốp (lỗ rỗng nano) mà còn phụ thuộc vào nồng độ pha tạp của Mn4+ trong các vị trí của Si cũng như nồng độ của các nút trống đơn Si. Từ đó, nghiên cứu này đã mở ra một hướng đi mới cho kỹ thuật pha tạp để tạo ra các vật liệu cấu trúc nano phát quang tiềm năng với hiệu suất phát quang lượng tử cao.

Trong những năm tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ đẩy mạnh hướng nghiên cứu này trên các vật liệu K2TiF6 pha tạp Mn4+ nhằm tìm kiếm vật liệu có hiệu suất phát quang cao hơn đồng thời làm rõ các cơ chế pha tạp bằng cách sử dụng các phổ kế hiện đại qua hợp tác với Viện Liên hiệp nghiên cứu hạt nhân Dubna (Liên Bang Nga), Trường Đại họcMariaCurie-Sklodowska (Ba Lan).

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20825/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)