Đề tài đặc TRƯNG QUANG PHÁT QUANG của vật LIỆU KMgSO4Cl ĐỒNG PHA tạp các NGUYÊN tố đất HIẾM

Đề tài " ĐẶC TRƯNG QUANG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU KMgSO4Cl ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM " LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 46 ĐẶC TRƯNG QUANG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU KMgSO4Cl ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM Các phép đo quang phát quang thực hệ đo Phịng thí nghiệm Quang học Vật rắn, Khoa Vật lý, Trường ĐHKH Huế Hệ đo dùng đơn sắc kế SPM2 với cách tử 651 vạch/mm, xạ kích thích có bước sóng 365 nm lấy từ đèn thuỷ ngân (Hg) áp suất thấp, đầu thu nhân quang điện loại M12FQS51, hệ đo ghép nối vận hành bán tự động thơng qua máy tính cá nhân Đồng thời thực số phép đo hệ đo phổ Raman, Phịng thí nghiệm Quang phổ Raman, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Bức xạ kích thích có bước sóng 488 nm, lấy từ laser Argon (Ar) Các kết đo thu bảng liệu cường độ ánh sáng phát quang thay đổi theo bước sóng, sau dùng phần mềm Origin để dựng phổ PL phục vụ cho phân tích, thảo luận vấn đề quan tâm 4.1 Kết đo phổ quang phát quang (PL) Trong phần chúng tơi trình bày kết khảo sát tính chất quang phổ vật liệu chế tạo bao gồm KMC, KMD, KMS vật liệu đồng pha tạp KMgSO4Cl:Ce3+, Y3+ (Y=Dy, Sm) nồng độ pha tạp ion Ce3+ giữ nguyên 10% mol thay đổi nồng độ pha tạp ion đất Y3+ 4.1.1 Phổ PL vật liệu KMC, KMD KMCD Phổ PL mẫu KMC10 hình 4.1, phổ phổ đám, cường độ yếu so sánh với phổ PL vật liệu pha tạp khác Phổ PL mẫu KMD0.5 hình 4.2, phổ gồm vạch hẹp đặc trưng cho chuyển dời xạ 4F9/2 → 6Hj (j = 5/2, 7/2, …, 15/2) ion Dy3+, đó, chiếm ưu chuyển dời 4F9/2 → 6H15/2, bước sóng tương ứng khoảng 484 nm chuyển dời 4F9/2 → 6H13/2, bước sóng tương ứng khoảng 577 nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 47 Phổ PL mẫu KMCD10-0.5 trình bày hình 4.3, phổ gồm vạch hẹp đặc trưng cho ion Dy3+, kết phù hợp với nghiên cứu nhóm S C Gedam cộng [9] So sánh cường độ PL mẫu đơn pha tạp Dy3+ đồng pha tạp Ce3+, Dy3+ trình bày hình 4.4 hình 4.5 Hình 4.4 hình 4.5 cho thấy: đơn pha tạp Dy3+ đồng pha tạp Ce3+, Dy3+ vào KM phổ PL chúng gồm vạch hẹp đặc trưng ion Dy3+, nhiên, cường độ PL mẫu đồng pha tạp Ce3+, Dy3+ mạnh lên nhiều so với mẫu đơn pha tạp Dy3+ Điều đưa đến nhận định ion Ce3+ giữ vai trò tâm nhạy sáng ion Dy3+ giữ vai trò tâm phát quang vật liệu đồng pha tạp Ce, Dy Tức có tồn q trình truyền lượng từ tâm Ce sang tâm Dy C­êng ®é PL (®vt®) 0.16 0.12 0.08 0.04 0.00 400 450 500 550 600 650 700 B­íc sãng (nm) Hình 4.1: Phổ PL mẫu KMC10, bước sóng kích thích 365 nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 48 C­êng ®é PL (®vt®) 1.2 F 9/2 -> H 13/2 0.8 F 9/2 -> H 15/2 0.4 0.0 400 450 500 550 600 650 700 B­íc sãng (nm) Hình 4.2: Phổ PL mẫu KMD0.5, bước sóng kích thích 365 nm 10 F9/2 -> H13/2 C­êng ®é PL (®vt®) 6 F9/2 -> H15/2 400 450 500 550 600 650 700 B­íc sãng (nm) Hình 4.3: Phổ PL mẫu KMCD10-0.5, kích thích bước sóng 365 nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 49 10 (1) KMC10 (2) KMD0.5 (3) KMCD10-0.5 C­êng ®é PL (®vt®) (3) (2) (1) 400 450 500 550 600 650 700 B­íc sãng (nm) C­êng ®é PL (®vt®) Hình 4.4: Phổ PL mẫu KMC10, KMD0.5, KMCD10-0.5 , kích thích bước sóng 365 nm 6x10 5x10 4x10 3x10 2x10 1x10 (1) KMCD10-0.5 (3) KMC10 (2) KMD0.5 (1) (2) (3) 500 600 700 800 900 B­íc sãng (nm) Hình 4.5: Phổ PL mẫu KMC10, KMD0.5 KMCD10-0.5, bước sóng kích thích 488 nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 50 4.1.2 Phổ PL mẫu KMC, KMS KMCS Chúng lặp lại với việc đơn pha tạp Sm3+ đồng pha tạp Ce3+, Sm3+ vào KM để kiểm tra lại nhận định có truyền lượng Hình 4.6 trình bày phổ PL mẫu KMS0.5, phổ gồm vạch hẹp đặc trưng cho chuyển dời 4G5/2 → 6Hj ( j = 5/2, 7/2, …,15/2) ion Sm3+, chiếm ưu 4G5/2 → 6H5/2, tương ứng với bước sóng 575 nm, 4G5/2 → 6H7/2, tương ứng với bước sóng 617 nm, ảnh hưởng mẫu lên tượng quang phát quang rõ xuất vùng phổ đám từ 620 nm đến 700 nm Phổ PL mẫu KMCS10-0.5 trình bày hình 4.7, phổ gồm vạch hẹp đặc trưng cho ion Sm3+, đặc biệt vùng phổ từ 620 nm đến 700 nm bé so với xạ đặc trưng ion Sm3+ So sánh cường độ PL mẫu KMC10, KMS0.5 KMCS10-0.5 trình bày hình 4.8 Hình 4.8 cho thấy đồng pha tạp Ce3+, Sm3+ tính chất phát quang đặc trưng cho ion Sm3+ cường độ PL lớn nhiều so với đơn pha tạp Sm3+ Điều đưa đến nhận định, đồng pha tạp Ce3+, Dy3+ đồng pha tạp Ce3+, Sm3+ có truyền lượng từ tâm nhạy sáng Ce3+ sang tâm phát quang Sm3+ 0.12 C­êng ®é PL (®vt®) 0.09 0.06 0.03 0.00 500 550 600 650 700 B­íc sãng (nm) Hình 4.6: Phổ PL mẫu KMS0.5, bước sóng kích thích 365 nm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 51 G /2 -> H /2 C­êng ®é PL (®vt®) G 5/2 -> H /2 0 0 500 550 600 650 700 B ­ íc s ãn g (n m ) Hình 4.7: Phổ PL mẫu KMCS10-0.5, kích thích bước sóng 365 nm Tóm lại, đơn pha tạp vào mẫu KM với ion đất X3+ (X = Ce, Dy, Sm, …) phổ PL thu phổ đặc trưng ion X cường độ yếu, đồng pha tạp vào mẫu KM với Ce3+, Y3+ (Y = Dy, Sm, …) nhận thấy phổ PL thu gồm vạch hẹp đặc trưng ion Y vật liệu, cường độ lớn nhiều so với đơn pha tạp Bước đầu nhận định: nguyên nhân khác biệt cường độ PL có truyền lượng từ Ce3+ → Y3+ Để có khẳng định chi tiết hơn, cần phải có phép đo tinh tế Như vậy, với nhiệt độ 600 0C tạp Ce3+, Dy3+ Ce3+, Sm3+ vào mạng KM, Dy3+, Sm3+ đống vai trị tâm phát quang Nếu vào tương thích hố trị bán kính ion dự đốn: ion Sm3+ Dy3+ có bán kính ion 0.964 A0 0.912 A0 chiếm vị trí ion Mg2+, có bán kính ion 0.72 A0 mạng nền, Ce3+, có bán kính ion 1.034 A0 chiếm vị trí ion K+, có bán kính ion 1.38 A0 Để có kết luận xác cần phải có nghiên cứu chi tiết phổ PL phối kết hợp nhiều phép đo khác, ví dụ phép đo phổ Raman LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 52 3.5 C­êng ®é PL (®vt®) 3.0 B ­íc sãng kÝch thÝch 365 nm KM C S10-0.5 2.5 2.0 1.5 1.0 K M S0.5 KM C 10 0.5 0.0 50 550 00 50 00 B ­íc sãng (nm ) Hình 4.8: Phổ PL mẫu KMC10, KMS0.5, KMCS10-0.5 4.1.3 Ảnh hưởng nồng độ pha tạp đến phổ PL Trong phần chúng tơi trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ pha tạp ion Y3+ (Y = Dy, Sm) đến phổ PL vật liệu KMgSO4Cl: Ce3+, Y3+ Trong đó, nồng độ pha tạp Ce3+ giữ nguyên 10% mol Khi giữ nguyên nồng độ pha tạp ion Ce3+ 10 % mol thay đổi nồng độ pha tạp ion Dy3+ từ 0.1 % mol đến 3.0% mol Ta thấy cường độ vạch đặc trưng ion Dy3+ tăng lên theo chiều tăng nồng độ ion Dy3+ đạt cực đại nồng độ pha tạp cở 2.5% mol, sau suy giảm nến tiếp tục tăng nồng độ pha tạp trình bày hình 4.9 Chúng tơi tiến hành lặp lại với Sm3+ Khi giữ nguyên nồng độ pha tạp ion Ce3+ 10% mol thay đổi nồng độ pha tạp ion Sm3+ từ 0.1% mol đến 2.5 % mol Chúng nhận thấy cường độ vạch đặc trưng ion Sm3+ tăng lên theo chiều tăng nồng độ đạt cực đại nồng độ pha tạp cở % mol, sau suy giảm tiếp tục tăng nồng độ pha tạp Sm3+ trình bày hình 4.10 Điều có nghĩa nồng độ pha tạp để có truyền lượng tối ưu mạng KM đồng pha tạp Ce3+ Y3+ (Y=Dy, Sm) nồng độ pha tạp ion Ce giữ nguyên 10% mol nồng độ pha tạp ion Y3+ thay đổi vào khoảng 2.5% mol (Y = Dy) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 53 vào khoảng 2% mol (khi Y = Sm) Vượt qua giá trị xảy suy giảm hiệu truyền lượng, giảm hiệu suất trình phát quang 577 C­êng ®é PL (®vt®) K M C D -2 K M C D -2 B ø c x ¹ k Ýc h th Ýc h n m K M C D -3 K M C D -1 K M C D -1 484 K M C D -0 0 K M C D -0 0 400 450 500 550 600 650 700 B ­ í c s ã n g (n m ) Hình 4.9: Phổ PL vật liệu KMgSO4Cl: Ce3+, Dy3+ nồng độ pha tạp ion Ce3+ giữ nguyên 10% mol thay đổi nồng độ pha tạp ion Dy3+ 10 575 C­êng ®é PL (®vt®) B ø c x ¹ k Ýc h th Ýc h n m K M C S -2 K M C S -1 617 K M C S -1 K M C S -0 K M C S -0 K M C S - 550 575 600 625 650 B ­ í c sã n g (n m ) Hình 4.10: Phổ PL vật liệu KMgSO4Cl: Ce3+, Sm3+ nồng độ pha tạp ion Ce3+ giữ nguyên 10% mol thay đổi nồng độ pha tạp ion Sm3+ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 54 Cường độ xạ (CĐBX) đặc trưng ion Y3+ theo nồng độ pha tạp ion Y3+ liệt kê bảng 4.1 4.2 trình bày hình 4.11a 4.11b Bảng 4.1: Vị trí đỉnh cường độ xạ đặc trưng tương ứng mẫu KMCD TT Mẫu KMCD10-0.1 Đỉnh (nm) 484 CĐBX (đvtđ) 0.031 Đỉnh (nm) CĐBX(đvtđ) 577 0.047 KMCD10-0.5 484 0.375 577 0.775 KMCD10-1.0 484 0.885 577 1.966 KMCD10-1.5 484 0.904 577 2.081 KMCD10-2.0 484 1.523 577 3.479 KMCD10-2.5 484 1.710 577 3.696 KMCD10-3.0 484 1.456 577 2.868 Bảng 4.2: Vị trí đỉnh cường độ xạ đặc trưng tương ứng mẫu KMCS Đỉnh (nm) 575 CĐBX (đvtđ) 0.858 KMCS10-0.5 575 1.242 617 0.710 KMCS10-1.0 575 2.146 617 1.131 KMCS10-1.5 575 3.440 617 2.074 KMCS10-2.0 575 8.648 617 4.135 KMCS10-2.5 575 0.290 617 0.170 4.0 (a) 3+ 3+ 3.5 Cường độ xạ ®Ỉc tr­ng cđa Sm (®vt®) Mẫu KMCS10-0.1 C­êng ®é bøc xạ đặc trưng Dy (đvtđ) TT 3.0 B øc x¹ 484 nm B øc x¹ 577 nm 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 Nång ®é pha t¹p D y 2.0 3+ 2.5 (% mol) 3.0 Đỉnh (nm) CĐPL (đvtđ) 617 0.494 10 (b) Bøc x¹ 575 nm Bøc x¹ 617 nm 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3+ Nång ®é pha t¹p Sm ( % mol) Hình 4.11: Cường độ xạ đặc trưng Dy3+ (a) Sm3+ (b) thay đổi theo nồng độ pha tạp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 55 4.2 Thảo luận chế quang phát quang vật liệu KMgSO4Cl: Ce3+, Y3+ (Y = Dy, Sm,…) Dựa vào kết so sánh cường độ mẫu đơn pha tạp đồng pha tạp ion đất - hình 4.4, hình 4.5 hình 4.8 dựa vào giản đồ mức lượng ion RE hoá trị (hình 2.4), chúng tơi đưa mơ hình để giải thích chế phát quang vật liệu KMCD KMCS tổ hợp trình: Thứ nhất: Kích thích trực tiếp lên tâm phát quang Các ion (Dy3+/ Sm3+) nhận lượng kích thích trực tiếp từ nguồn kích thích để chuyển lên trạng thái kích thích cao q trình hồi phục chúng trạng thái tạo nên chuyển dời xạ PL Q trình biểu diễn theo sơ đồ: hνkt + (Dy3+/Sm3+) → (Dy3+ /Sm3+)* → (Dy3+ /Sm3+) + hνPL (4.1) Thứ hai: Kích thích lên tâm nhạy sáng: Khi nhận lượng kích thích thích hợp, ion Ce3+ từ trạng thái chuyển lên trạng thái kích thích Ion Ce3+ trạng thái kích thích có hai khả xảy ra: Khả 1: Truyền lượng sang ion (Dy3+/Sm3+) mạng KM đưa ion Ce3+ trạng thái bản, đưa ion (Dy3+/Sm3+) lên trạng thái kích thích Khả 2: Dịch chuyển trạng thái phát lượng kích thích ion (Dy3+,Sm3+) lên trạng thái kích thích (cịn gọi kích thích thứ cấp) Ion (Dy3+ /Sm3+) trạng thái kích thích dịch chuyển mức trạng thái cho ta xạ PL đặc trưng cho ion (Dy3+/Sm3+), theo sơ đồ: hνkt + Ce3+ + (Dy3+/Sm3+) → (Ce3+)* + (Dy3+ /Sm3+) → Ce3+ + (Dy3+ /Sm3+)* → Ce3+ + (Dy3+ /Sm3+) + hνPL (4.2) Thứ ba: Kích thích mạng Mạng KM nhận lượng kích thích sau truyền cho tâm phát quang (Dy3+/Sm3+), theo sơ đồ: hνkt + KM + (Dy3+/Sm3+) → (KM)* + (Dy3+ /Sm3+) → KM +(Dy3+ /Sm3+)* → KM + (Dy3+ /Sm3+) + hνPL (4.3) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ...46 ĐẶC TRƯNG QUANG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU KMgSO4Cl ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM Các phép đo quang phát quang thực hệ đo Phịng thí nghiệm Quang học Vật rắn, Khoa Vật lý, Trường... tính chất quang phổ vật liệu chế tạo bao gồm KMC, KMD, KMS vật liệu đồng pha tạp KMgSO4Cl: Ce3+, Y3+ (Y=Dy, Sm) nồng độ pha tạp ion Ce3+ giữ nguyên 10% mol thay đổi nồng độ pha tạp ion đất Y3+ 4.1.1... độ pha tạp Sm3+ trình bày hình 4.10 Điều có nghĩa nồng độ pha tạp để có truyền lượng tối ưu mạng KM đồng pha tạp Ce3+ Y3+ (Y=Dy, Sm) nồng độ pha tạp ion Ce giữ nguyên 10% mol nồng độ pha tạp