Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả phát ánh sáng trắng ấm của đèn diốt bán dẫn dựa trên vật liệu quang nano và linh kiện nanorod-InGaN

Đèn diốt phát quang trắng (WLED) bao gồm linh kiện quantum well InGaN phát quang xanh và vật liệu phát quang vàng (YAG: Ce hay Sr2SiO4:Eu2+), đang được quan tâm như là nguồn sáng thế hệ mới. Tuy nhiên, ánh sáng trắng phát ra từ đèn WLED có hệ số màu thấp (CRI < 75) và nhiệt độ màu tương quan cao (CTT ~4,000-8,000 K) do thiếu phần quang đỏ trong quang phổ phát sáng, điều này làm giảm nhiều ứng dụng của đèn WLED cho các nguồn sáng trình chiếu kỹ thuật cao. Ngoài ra, hiệu suất lượng tử hiện nay của đèn WLED chỉ chiếm khoảng 54% năng lượng cấp vào, 46% năng lượng chuyển hóa thành nhiệt, và hạn chế chủ yếu của các vật liệu quang là hiệu suất lượng tử thấp và cường độ quang giảm dần theo nhiệt độ.

Sở hữu các tính chất đặc biệt trong cấu trúc, điện tử và quang học, tinh thể nano đang là vật liệu hứa hẹn mang lại nhiều khả năng ứng dụng mới trong công nghệ chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng.

Để bắt kịp xu hướng này, nhóm đề tài Viện Công nghệ Hóa Học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do TS. Nguyễn Hoàng Duy làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa hiệu quả phát ánh sáng trắng ấm của đèn diốt bán dẫn dựa trên vật liệu quang nano và linh kiện nanorod-InGaN”.

Trong đề xuất này, nhóm nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc đèn WLED phát ánh sáng trắng ấm hiệu suất cao dựa trên các vật liệu nano phát quang đỏ như hexafluoride (K,Na)2(Si,Ti)F6:Mn4+, chấm lượng tử perovskite mới A(Pb,Sn)X3 (A = Li, Na, Cs; X = Cl, Br, và I), và vật liệu bán dẫn nanorod-InGaN phát bước sóng dài xanh và vàng. Các vật liệu quang được nghiên cứu tổng hợp thông qua các phương pháp dung dịch đơn giản và thân thiện với môi trường. Linh kiện và vật liệu được đánh giá tính chất và hiệu quả làm việc thông qua các phương pháp hóa lý hiện đại.

Sau một thời gian triển khai, đề tài thu được những kết quả như sau:

- Vật liệu nano phát quang đỏ fluoride K2SiF6:Mn4+ dots-in-nanoparticle và K2TiF6:Mn4+ nanosheet được tổng hợp thành công thông qua phương pháp tạo nhũ đơn giản có thể phát triển trên quy mô công nghiệp. Vật liệu nano fluoride hấp thu mạnh ánh sáng vùng UV (330-370 nm) và ánh sáng xanh dương (blue, 430-470 nm) và phát quang đỏ cường độ cao với hiệu suất lượng tử QY ~80-96%.

- Vật liệu quantum dots (QDs) perovskite CsPbX3 (X = Cl, Br, I) với hình dạng cubic và kích thước ~10 nm, đã được tổng hợp bằng phương đồng kết tủa. QDs hấp thu mạnh ánh sáng từ vùng UV đến ánh sáng xanh (300-550 nm) và phát quang với màu sắc khác nhau từ xanh lá đến đỏ khi thay đổi tỷ lệ I và Br. Do đó QDs có thể kết hợp rất tốt với đèn UV-LED cấu trúc dây nano để chế tạo WLED với hệ số màu cao.

- Linh kiện InGaN/AlGaN cấu trúc dây nano đã được mô phỏng tối ưu hóa thành phân In và được chế tạo bằng phương pháp MBE. Nanophosphor KSFM được phủ lên bề mặt linh kiện InGaN/AlGaN dây nano để chế tạo LED phát ánh sáng trắng ấm với hệ số hoàn màu cao CRI ~95.4, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phi sản xuất cho linh kiện microLED-công nghệ hiển thị tương lai.

Như vậy, bật liệu nano phát quang đỏ fluoride (K2SiF6:Mn4+ và K2TiF6:Mn4+) được tổng hợp thành công thông qua phương pháp tạo nhũ đơn giản có thể phát triển trên quy mô công nghiệp. Vật liệu nano fluoride hấp thu mạnh ánh sáng vùng UV (330-370 nm) và ánh sáng xanh dương (blue, 430-470 nm), nên có thể ứng dụng vật liệu nano fluoride cho đèn UV-LED hoặc đèn blue-LED để chế tạo LED cấu trúc dây nano phát ánh sáng trắng (WLED). Vật liệu quantum dots (QDs) perovskite CsPbX3 (X = Cl, Br, I) hấp thu mạnh từ vùng UV đến ánh sáng xanh (300-550 nm) và phát ánh sáng với màu sắc khác nhau từ xanh lá đến đỏ khi thay đổi tỷ lệ I và Br. Do đó vật liệu QDs có thể kết hợp rất tốt với đèn UVLED cấu trúc dây nano để chế tạo WLED với hệ số màu cao, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phi sản xuất cho linh kiện microLED−công nghệ hiển thị tương lai.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17970/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)