Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số B2023-TNA-08 do PGS.TS. Nguyễn Thị Hiền, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên làm chủ nhiêm

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Chế tạo, nghiên cứu các tính chất quang và từ của vật liệu nano CoAl₂O₄ cấu trúc spinel, định hướng ứng dụng trong in màu kỹ thuật số

- Mã số: B2023-TNA-08

- Chủ nhiệm: PGS. TS. Nguyễn Thị Hiền

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

- Thời gian thực hiện: 01/2023 - 12/2024

2. Mục tiêu:

- Chế tạo được các hạt nano CoAl₂O₄ cấu trúc spinel không pha tạp và có pha tạp các ion đất hiếm.      

- Thử nghiệm sử dụng vật liệu chế tạo được trong in màu kĩ thuật số.

3. Tính mới và sáng tạo:

- Chế tạo thành công các hạt nano CoAl₂O₄ cấu trúc spinel không pha tạp và có pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ bằng phương pháp hoá ướt.

- Sử dụng lý thuyết Judd-Ofelt và mô hình Inokuti-Hirayama để xác định các tham số quang học quan trọng của vật liệu và bản chất của cơ chế tương tác trong quá trình truyền năng lượng giữa các ion đất hiếm trong vật liệu.

- Nghiên cứu và giải thích bản chất của hiện tượng huỳnh quang chuyển đổi ngược trong các hạt nano CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm Er³⁺.

4. Kết quả nghiên cứu:

- Chế tạo thành công các hạt nano CoAl₂O₄ cấu trúc spinel không pha tạp và có pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ bằng phương pháp hoá ướt.

- Nghiên cứu cấu trúc và làm rõ các tính chất quang, từ của các hạt nano CoAl₂O₄ cấu trúc spinel không pha tạp và có pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ bằng các phép đo cấu trúc (XRD), đường cong từ trễ, quang huỳnh quang, hấp thụ, thời gian sống huỳnh quang.

- 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 các hạt nano CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ được xác định bằng lý thuyết Judd-Ofelt.

- Quá trình truyền năng lượng giữa các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ và bản chất cơ chế của các quá trình này đã được nghiên cứu và giải thích chi tiết sử dụng mô hình Inokuti-Hirayama.

- Nghiên cứu và giải thích bản chất của hiện tượng huỳnh quang chuyển đổi ngược trong các hạt nano CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm Er³⁺.

- Giản đồ toạ độ màu CIE của các nano CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ đã được thiết lập và nghiên cứu.

- Các nano CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ (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.

5. Sản phẩm:

5.1. Sản phẩm khoa học:

Xuất bản 02 bài báo ISI-Q1; 01 bài báo đăng trên các tạp chí cấp quốc gia (ACI-0.75đ).

- N. T. Kien, V. D. Lam, P. V. Duong, N. T. Hien*, N. T. Luyen, P. V. Do, N. T. Binh, N. X. Ca, New insights on the optical properties and upconversion fluorescence of Er-doped CoAl₂O₄ nanocrystals, RSC Adv. 14 (2024) 3712. (ISI-Q1, IF=3.9) .

- N. T. Hien, N. T. Kien, V. H. Yen, T. Ngoc, V. D. Lam, V. X. Phuc, N. X. Ca, Optical Properties and Judd-Ofelt Analysis of Dy³⁺ doped CoAl₂O₄ Nanocrystals, Nanoscale Adv (2024) Advance Article. (ISI-Q1, IF=4.9).

- Nguyen Thi Hien, Nguyen Xuan Ca, Nguyen Thi Luyen, Nguyen Trung Kien, Nguyen Thi Khanh Van, Ngo Thi Lan, Pham Minh Tan. “Synthesis, Optical and Magnetic Properties of Spinel-Structured CoAl₂O₄ Nanomaterials”. Journal of Military Science and Technology. 89 (2023) 110-116 (ACI, 0.75đ theo HĐCDGSNN).

5.2. Sản phẩm đào tạo:

- Hỗ trợ đào tạo 02 NCS:

NCS Nguyễn Trung Kiên (thành viên đề tài), tên luận án “ Chế tạo, nghiên cứu các tính chất quang và từ của vật liệu nano cấu trúc Spinel AB₂O₄ (A=Fe, Ni, Co; B=Al, Cr) pha tạp các ion đất hiếm”.

NCS Trịnh Thị Thu Hương (do CNĐT hướng dẫn), tên luận án “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể bán dẫn dựa trên các hợp chất Zn, Cd, S, Se, Te, O pha tạp các ion đất hiếm”.

- Đã hướng dẫn 01 học viên cao học ngành Quang học bảo vệ thành công luận văn, cụ thể:

Đinh Thị Lệ (2023), Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các nano tinh thể CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên.

5.3. Sản phẩm ứng dụng:

- 01 đơn đăng ký độc quyền sáng chế đã được chấp nhận đơn: “Quy trình chế tạo các nano tinh thể CoAl₂O₄ cấu trúc spinel  bằng phương pháp hóa ướt tại nhiệt độ thấp”. Số 24155/QĐ-SHTT ký ngày 08/03/2024.

5.4. Sản phẩm khác:

- 100 g bột nano CoAl₂O₄.

- 100 g bột nano CoAl₂O₄ pha tạp các ion đất hiếm Er³⁺ và Dy³⁺.

- Quy trình chế tạo các nano tinh thể CoAl₂O₄ cấu trúc spinel.

- Quy trình chế tạo các nano tinh thể CoAl₂O₄ cấu trúc spinel pha tạp các ion đất hiếm Er³⁺ và Dy³⁺.

- Báo cáo thử nghiệm sử dụng vật liệu chế tạo trong in màu kĩ thuật số trên nhựa và gốm.

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 CoAl₂O₄ cấu trúc spinel không pha tạp và có pha tạp các ion đất hiếm Dy³⁺ và Er³⁺ sẽ được chuyển giao đến các sinh viên, học viên, giảng viên và các nhà khoa học quan tâm.

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:

- Project title: Fabrication and study of the optical and magnetic properties of spinel-structured CoAl₂O₄ nanoparticles, application orientation in digital color printing.

- Code number: B2023-TNA-08

- Coordinator: Assoc. Prof. Dr Nguyen Thi Hien

- Implementing institution: TNU - University of Sciences

- Duration: from 01/2023 - 12/2024

2. Objective(s):

- Fabrication of spinel-structured CoAl₂O₄ nanoparticles with no doping and with rare earth ions.

- Testing the use of the fabricated materials in digital color printing.

3. Creativeness and innovativeness:

- Successfully fabricated spinel-structured CoAl₂O₄ nanoparticles without doping and doped with rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ by wet chemical method.

- Using Judd-Ofelt theory and Inokuti-Hirayama model to determine important optical parameters of the material and the nature of interaction mechanism in the energy transfer process between rare earth ions in the material.

- Studying and explaining the nature of upconversion fluorescence phenomenon in CoAl₂O₄ nanoparticles doped with rare earth ions Er³⁺.

4. Research results:

- Successfully fabricated spinel-structured CoAl₂O₄ nanoparticles without doping and doped with rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ by wet chemical method.

- Studied the structure and clarified the optical and magnetic properties of spinel-structured CoAl₂O₄ nanoparticles without doping and doped with rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ by structural measurements (XRD), hysteresis curves, photoluminescence, absorption, and fluorescence lifetime.

- The intensity parameters, radiative transition probability, branching ratio, and radiative lifetime of the excited levels of CoAl₂O₄ nanoparticles doped with rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ were determined by Judd-Ofelt theory.

- The energy transfer process between rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ and the nature of the mechanism of these processes were studied and explained in detail using the Inokuti-Hirayama model.

- Study and explain the nature of upconversion fluorescence phenomenon in CoAl₂O₄ nanoparticles doped with rare earth ions Er³⁺.

- CIE color coordinate diagram of CoAl₂O₄ nanoparticles doped with rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ has been established and studied.

- CoAl₂O₄ nanoparticles doped with rare earth ions Dy³⁺ and Er³⁺ (with long lifetime) have potential applications in fields such as photocatalysis, optoelectronics, photovoltaics and biosensors.

5. Products:

5.1. Scientific publications:

Published 02 article in a journal of ISI-Q1; 01 article published in national journals

- N. T. Kien, V. D. Lam, P. V. Duong, N. T. Hien*, N. T. Luyen, P. V. Do, N. T. Binh, N. X. Ca, New insights on the optical properties and upconversion fluorescence of Er-doped CoAl₂O₄ nanocrystals, RSC Adv. 14 (2024) 3712. (ISI-Q1, IF=3.9) .

- N. T. Hien, N. T. Kien, V. H. Yen, T. Ngoc, V. D. Lam, V. X. Phuc, N. X. Ca, Optical Properties and Judd-Ofelt Analysis of Dy³⁺ doped CoAl₂O₄ Nanocrystals, Nanoscale Adv (2024) Advance Article. (ISI-Q1, IF=4.9).

- Nguyen Thi Hien, Nguyen Xuan Ca, Nguyen Thi Luyen, Nguyen Trung Kien, Nguyen Thi Khanh Van, Ngo Thi Lan, Pham Minh Tan. “Synthesis, Optical and Magnetic Properties of Spinel-Structured CoAl₂O₄ Nanomaterials”. Journal of Military Science and Technology. 89 (2023) 110-116 (ACI, 0.75đ).

 5.2. Training results:

- Supported training of 02 PhD students:

PhD student Nguyen Trung Kien (project member), thesis title "Fabrication and study of optical and magnetic properties of Spinel AB₂O₄ (A=Fe, Ni, Co; B=Al, Cr) nanostructured materials doped with rare earth ions".

PhD student Trinh Thi Thu Huong (supervised by Project leader), thesis title "Fabrication and study of optical properties of semiconductor nanocrystals based on Zn, Cd, S, Se, Te, O compounds doped with rare earth ions".

- Guided 01 graduate student to successfully defend her thesis:

Dinh Thi Le (2023), Fabrication and study of optical properties of CoAl₂O₄ nanocrystals doped with rare earth ions, Master's thesis, TNU- University of Sciences.

5.3. Application products:

- 01 patent application has been accepted: "Process of manufacturing spinel-structured CoAl₂O₄ nanocrystals by wet chemical method at low temperature". No. 24155/QD-SHTT signed on March 8, 2024.

5.4. Other products:

- 100 g of CoAl₂O₄ nano powder.

- 100 g of CoAl₂O₄ nano powder doped with rare earth ions Er³⁺ and Dy³⁺.

- Process of manufacturing spinel-structured CoAl₂O₄ nanocrystals.

- Process of manufacturing spinel-structured CoAl₂O₄ nanocrystals doped with rare earth ions Er³⁺ and Dy³⁺.

- Test report on using the material in digital color printing on plastic and ceramic.

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

The results of the research on the fabrication of spinel-structured CoAl₂O₄ nanocrystals without doping and doped with rare earth ions Er³⁺ and Dy³⁺ will be transferred to interested students, lecturers and scientists.