Nghiên cứu nhỏ, kỳ vọng lớn cho công nghệ LED ánh sáng trắng

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và yêu cầu phát triển bền vững, đi-ốt phát quang (LED) đã và đang trở thành công nghệ chiếu sáng chủ đạo nhờ hiệu suất cao, tuổi thọ dài và khả năng tiết kiệm điện năng vượt trội. Tuy nhiên, để nâng cao hơn nữa chất lượng ánh sáng, đặc biệt là ánh sáng trắng có chỉ số hoàn màu cao, phổ phát xạ ổn định và độ bền nhiệt tốt, việc phát triển các vật liệu phát quang mới đóng vai trò then chốt.

Với các hướng tiếp cận hiện nay, vật liệu nano bán dẫn pha tạp ion đất hiếm được xem là một trong những giải pháp giàu tiềm năng, đi theo hướng nghiên cứu đó, các nhà khoa học của Đại học Công nghiệp Hà Nội (HaUI) đã triển khai nghiên cứu đề tài “Chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn pha tạp ion đất hiếm, định hướng ứng dụng trong LED phát ánh sáng trắng” do ThS. Trịnh Thị Thu Hương, chủ nhiệm đề tài tiến hành triển khai từ năm 2024.

Tối ưu phát quang nano bán dẫn cho chiếu sáng thế hệ mới

Các nano tinh thể bán dẫn được biết đến là các chấm lượng tử có kích thước rất bé từ 1 đến 20 nano mét, chúng có những tính chất rất đặc biệt. Vật liệu nano bán dẫn phát quang chứa ion đất hiếm (RE-NCs) được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh và chiếu sáng, các nguyên tố đất hiếm gồm La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu có hàm lượng rất nhỏ trong trái đất được tìm thấy ở trong các lớp trầm tích, mỏ quặng và cát đen.

Theo ThS. Trịnh Thị Thu Hương, tính chất quang của các ion đất hiếm chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng. Các nguyên tố đất hiếm có khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong dải bước sóng hẹp, thời gian sống ở trạng thái giả bền lớn, hiệu suất lượng tử cao. Do vậy, chúng có vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực linh kiện điện tử, quang điện tử, quang tử và thông tin quang học và y sinh.

Các nano tinh thể bán dẫn pha tạp ion đất hiếm được được nghiên cứu và ứng dụng làm các phương tiện đánh dấu, nhận dạng và kỹ thuật chiếu sáng.

Tuy nhiên, vật liệu nano bán dẫn phát quang chứa ion đất hiếm vẫn cần được nghiên cứu sâu hơn như ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến chất lượng các RE-NCs, hiệu suất phát xạ và thời gian sống của RE-NCs, cơ chế truyền năng lượng giữa phát xạ excition và phát xạ tạp.

Để lấp vào khoảng trống nghiên cứu kể trên, ThS Trịnh Thị Thu Hương và nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài “Chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn pha tạp ion đất hiếm, định hướng ứng dụng trong LED phát ánh sáng trắng”.

Sau một năm thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công và nghiên cứu tính chất quang của nano tinh thể ZnO pha tạp Eu3+ bằng phương pháp hóa ướt, với kích thước hạt đồng đều và nồng độ ion điều khiển được.

Các phân tích XRD và XPS khẳng định cấu trúc lục giác wurtzite bền vững cùng sự hiện diện của ion Eu3+ trong mạng tinh thể ZnO. Phổ Raman và phổ hấp thụ chứng minh sự thay đổi dao động mạng và độ rộng vùng cấm dưới ảnh hưởng của Eu3+…

Kết quả nghiên cứu đã góp phần làm sáng tỏ mối liên hệ giữa cấu trúc-tính chất quang-cơ chế truyền năng lượng trong QDSs ZnO: Eu3+, đồng thời khẳng định vai trò của Eu3+ trong việc cải thiện phổ phát xạ và chất lượng màu của QDSs ZnO. Đây là cơ sở khoa học quan trong cho việc thiết kế và ứng dụng vật liệu nano bán dẫn pha tạp ion đất hiếm trong công tác chiếu sáng. Kết quả nghiên cứu chính của đề tài đã được công bố trên tạp chí quốc tế “Nanoscale Advances” thuộc danh mục ISI xếp hạng Q1. Các sản phẩm khác của đề tài đảm bảo về mặt số lượng và chất lượng theo thuyết minh và hợp đồng.

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu có kế hoạch tập trung vào việc tối ưu hóa nồng độ pha tạp để hạn chế hiện tượng dập tắt huỳnh quang và nâng cao hiệu suất lượng tử, mở rộng khảo sát với các ion đất hiếm khác, hướng tới chế tạo LED ánh sáng trắng có chỉ số hoàn màu cao.

Kỳ vọng cho công nghệ LED ánh sáng trắng

ThS. Trịnh Thị Thu Hương cũng chia sẻ, do định hướng là trường đại học đổi mới sáng tạo, bên cạnh các hướng nghiên cứu cơ bản, các đề tài nghiên cứu tại Trường hướng ưu tiên tới việc hình thành các sản phẩm có khả năng ứng dụng và chuyển giao. Do đó, đề tài “Chế tạo và nghiên cứu các tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn pha tạp ion đất hiếm, định hướng ứng dụng trong LED phát ánh sáng trắng” mang nhiều định hướng nghiên cứu cơ bản, tuy nhiên nhóm nghiên cứu vẫn hướng tới khả năng ứng dụng trong thực tiễn thông qua việc tạo nền tảng cho đào tạo và phát triển khoa học, đồng thời, từng bước hướng tới chuẩn hóa quy trình và tạo các sản phẩm thương mại.

"Đây cũng nghiên cứu cơ bản quan trọng về công nghệ bán dẫn quang để chuyển từ nghiên cứu cơ bản này sang ứng dụng, quá trình đòi hỏi nhiều bước trung gian, từ thử nghiệm, hoàn thiện công nghệ đến xây dựng mô hình quy mô lớn trước khi đưa ra thị trường" - ThS Trịnh Thị Thu Hương chia sẻ.

Trong bối cảnh Đại học Công nghiệp Hà Nội đã mở ngành vi mạch bán dẫn, ThS Trịnh Thị Thu Hương cho biết, hướng nghiên cứu này tạo điều kiện để người học tiếp cận các tài liệu và đề tài mang tính liên ngành, qua đó kết nối hiệu quả giữa khoa học cơ bản và ứng dụng trong lĩnh vực điện – điện tử. Đồng thời, các nhóm nghiên cứu trong trường có thể tăng cường phối hợp, hình thành những hướng nghiên cứu liên ngành theo hướng bền vững.

Đề tài được nhà trường hỗ trợ 100% kinh phí nghiên cứu, tuy nhiên, khó khăn lớn của nghiên cứu nằm ở việc vật liệu đất hiếm có giá thành cao và khó tiếp cận; bên cạnh đó, một số phép đo chuyên sâu hiện chưa thể thực hiện trong nước, buộc nhóm nghiên cứu phải gửi mẫu ra nước ngoài để phân tích. “Điều kiện tiếp cận tài liệu khoa học hiện khá thuận lợi khi nhà trường cung cấp kho dữ liệu và tài khoản truy cập các nguồn quốc tế. Thách thức chủ yếu vẫn là trang thiết bị nghiên cứu vật liệu chuyên sâu chưa đồng bộ”- ThS Trịnh Thị Thu Hương chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu dự kiến hoàn thành nghiên cứu cơ bản vào đầu năm 2027. Sau giai đoạn này, nhóm dự định phối hợp với với các nhóm nghiên cứu ứng dụng để tạo ra sản phẩm thử nghiệm, với mục tiêu ngắn hạn phục vụ đào tạo đại học. Đây sẽ là nền tảng khoa học để các thế hệ nhà nghiên cứu sau tiếp tục phát triển.