Chế tạo và nghiên cứu tính chất phát quang của vật liệu chứa ion đất hiếm eu iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đỗ Văn Tuy CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG CHỨA ION ĐẤT HIẾM Eu (III) KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: TS Trần Thu Hương Cán đồng hướng dẫn: GS TS Lê Quốc Minh HÀ NỘI - 2012 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU CHỨA ION ĐẤT HIẾM Eu(III) Đỗ Văn Tuy Khóa QH-2008-I/CQ, ngành Vật lý kỹ thuật Tóm tắt Khóa luận tốt nghiệp: Hiện nay, công nghệ nano trở thành lĩnh vực nghiên cứu then chốt cho phép tích hợp nghiên cứu khoa học đa ngành hóa học, khoa học vật liệu, điện tử, lượng y sinh… Đặc biệt, lĩnh vực y sinh, vật liệu nano pha tạp đất lĩnh vực thu hút quan tâm nhóm nghiên cứu ngồi nước chúng có ưu điểm thời gian sống huỳnh quang dài, chuyển dịch Stokes lớn, dạng phổ phát xạ hẹp… Trong khóa luận này, chúng tơi trình bày q trình chế tạo nghiên cứu tính chất quang vật liệu phát quang chứa ion đất Eu 3+ phương pháp Microwave kết hợp với phương pháp đồng kết tủa Mục tiêu khóa luận tập trung nghiên cứu điều kiện ảnh hưởng đến hình dạng tính chất quang vật liệu nano YVO 4:Eu3+ Đặc biệt, chế tạo thành công vật liệu YVO4:Eu3+ có cấu trúc dạng với kích thước chiều rộng 20-30 nm, chiều dài 300-800 nm Các vật liệu nano có tớnh chất phát quang mạnh tạo tiền đề ứng dụng y-sinh đời sống Từ khóa: Vật liệu nano phát quang, Ion đất Eu3+, YVO4:Eu3+ LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan khóa luận nghiên cứu riêng với hướng dẫn TS Trần Thu Hương GS TS Lê Quốc Minh Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi cam đoan không chộp cỏc tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác có mà khơng rõ tài liệu tham khảo Các số liệu khóa luận hồn tồn trung thực tơi trực tiếp tham gia làm thí nghiệm xử lý kết Sinh Viên Đỗ Văn Tuy LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin chân thành cảm ơn TS Trần Thu Hương, GS TS Lê Quốc Minh cán hướng dẫn khóa luận em, người cho em lời khuyên hướng dẫn để khích lệ em nỗ lực tìm tịi, nghiên cứu tận tình bảo để giúp em hồn thành khóa luận Với tri ân chân thành em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, giảng dạy kiến thức bổ ích cho em khích lệ tinh thần cho em nhiều năm vừa qua để em có thành cơng ngày hơm Em xin bày tỏ lịng biết ơn tới cán nghiện cứu, anh chị học viên, NCS phịng Quang hóa Điện tử - Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, giúp đỡ bảo cho em kinh nghiệm suốt trình tiến hành thực nghiệm Cuối em xin cảm ơn tới gia đình bạn bè Những người ln bên cạnh hỗ trợ em, cho em lời khuyên động viên em hồn thành khóa luận Một lần em xin chân thành cảm ơn tất người Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Sinh viên Đỗ Văn Tuy BẢNG KÍ HIỆU, VIẾT TẮT TRONG KHĨA LUẬN STT Kí hiệu FTIR PEG SEM XRD Fourier transform infrared spectroscopy Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier PolyEthylene Glycol Chất tạo khuôn mềm Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM 1.1 Vật liệu phát quang cấu trúc nano 1.1.1 Vật liệu phát quang 1.1.2 Vật liệu phát quang cấu trúc nano 1.2 Sơ lược nguyên tố đất 1.2.1 Cấu tạo nguyên tố đất 1.2.2 Tính chất quang nguyên tố đất 1.2.2.1 Cơ chế phát quang vật liệu .8 1.2.2.2 Cơ chế phát quang vật liệu pha tạp đất 10 1.2.2.3 Dịch chuyển phát xạ không phát xạ ion đât 1.2.2.4 Dập tắt huỳnh quang 12 12 1.2.3 Vật liệu phát quang ion Eu3+ YVO4 1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu 1.3.1 Phương pháp thủy nhiệt 14 1.3.2 Phương pháp đồng kết tủa từ dung dịch 1.3.3 Phương pháp sol – gel 16 1.3.4 Phương pháp Vi sóng (Microwave) 17 13 14 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 19 2.1 Chế tạo mẫu 19 2.1.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị thí nghiệm 2.1.2 Quy trình tiến hành chế tạo mẫu 19 2.1.3 Danh sách mẫu chế tạo 21 19 2.1.3.1 Chế tạo vậ liệu YVO4:Eu3+ phương pháp Microwave thay đổi chất điều chỉnh pH 21 2.1.3.2 Chế tạo vật liệu YVO4:Eu3+ phương pháp Microwave thay đồi tiền chất tham gia phản ứng 22 2.1.3.3 Ảnh hưởng phương pháp chế tạo khuôn mềm PEG đến tính chất vật liệu YVO4:Eu3+ 22 2.2 Các phương pháp nghiên cứu hình thái học, cấu trúc tính chất vật liệu YVO4: Eu3+ 23 2.2.1 Hiển vi điện tử quét (SEM) .23 2.2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X 25 2.2.3 Phổ hồng ngoại .27 2.2.4 Phổ huỳnh quang .27 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Hình thái học vật liệu 30 3.1.1 Ảnh hưởng chất điều chỉnh pH 30 3.1.2 Ảnh hưởng tiền chất tham gia phản ứng .31 3.1.3 Ảnh hưởng chất tạo khuôn mềm (PEG) phương pháp chế tạo 3.2 Xác định cấu trúc giản đồ nhiễu xạ tia X 35 3.3 Phổ hồng ngoại 36 3.4 Kết nghiên cứu phổ huỳnh quang vật liệu KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 37 33 LỜI MỞ ĐẦU Vật liệu huỳnh quang, với ứng dụng quan trọng sống, nghiên cứu từ nửa cuối kỷ 20 Tuy nhiên, yêu cầu đòi hỏi phải nâng cao khả phân giải hiển thị hình ảnh, tăng cường hiệu suất phát quang thiết bị chiếu sáng, đảm bảo tính xác an toàn việc đánh dấu bảo mật đánh dấu sinh học…Việc giải đáp ứng vấn đề gắn liền với khoa học công nghệ nano Sự quan tâm tập trung vào tính chất quang bật hiệu ứng kéo dài thời gian phát xạ, dập tắt huỳnh quang, truyền lượng hiệu suất lượng tử huỳnh quang Hiện nay, hướng nghiên cứu ý đến việc tổng hợp vật liệu phát quang cấu trúc nano pha tạp đất hiếm, chỳng cú khả đáp ứng tốt yêu cầu cao thực tế [8] Đặc biệt, vật liệu chứa ion Eu 3+ sử dụng đánh dấu huỳnh quang thể sống mà khơng gây độc hại Trên giới: có nhiều nhóm nghiên cứu vật liệu nano phát quang pha tạp đất [21], [22], [24], [25], [27], [29] đặc biệt vật liệu nano phát quang pha tạp Eu3+ điển hình nhóm: Liqin Liu [25], Sulawan Kaowphong [29], M.Yu [27], Xingcai Wu [30] … chế tạo thành công vật liệu nano phát quang pha tạp đất YVO4:Eu3+ có cường độ phát quang cao nhằm ứng dụng lĩnh vực khác Trong nước có vài nhóm nghiên cứu vấn đề nhóm nghiên cứu PGS.TS Trần Kim Anh, TS Nguyễn Vũ có số kết nghiên cứu việc chế tạo nghiên cứu vật liệu nano phát quang YVO4:Eu3+ [1], [2] Đặc biệt gần khóa luận tốt nghiệp Vũ Đức Tú “Vật liệu phát quang chứa đất nhằm ứng dụng y sinh”, năm 2011 Các nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu YVO 4:Eu3+ với phương pháp khác phát quang vùng mầu đỏ ion đất Eu (III) Tuy nhiên nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu YVO4: Eu chủ yếu dạng hạt Theo số nghiên cứu gần cho thấy cấu trúc nano dạng thanh, dây bắt đầu tập trung nghiên cứu nhiều có tính chất trội so với cấu trúc dạng hạt [21], [22], [24], [25] Việc nghiên cứu chế tạo điều khiển vật liệu từ cấu trúc dạng hạt sang dạng vấn đề mang tính thời mới, thu hút quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu giới Trong khóa luận Vũ Đức Tú nghiên cứu, chế tạo thành công vật liệu YVO4:Eu3+ có tính chất phát quang mạnh với cấu trúc dạng hạt Cấu trúc YVO4:Eu3+ dang chưa đề cập Do vậy, việc chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu hình dạng khác đặc biệt cấu trúc dạng vấn đề lựa chọn Với ưu điểm mạng YVO4 có tần số dao động phonon thấp, có độ bền nhiệt độ, bền học cao thân thiện với mơi trường Hơn nữa, kích thước ion Eu 3+ xấp xỉ với ion Y3+ nờn chúng dễ dàng chèn vào vị trí làm xuất đỉnh phát quang sắc nét vùng màu đỏ Eu3+ [1], [4], [8] Khi kích thích với bước sóng thích hợp cỏc tâm Vanadat YVO hấp thụ photon chuyển sang trạng thái kích thích Do xuất cỏc tõm Eu 3+ nhóm VO4- truyền lượng không phát xạ photon cho cỏc tõm Eu3+ Cỏc tâm Eu3+ chuyển lên trạng thái kích thích sau chuyển trạng thái phát xạ [10], [17] Tính chất quang vật liệu YVO4:Eu3+ chịu ảnh hưởng bị chi phối thay đổi hình dạng chúng Vì định chọn tên đề tài: Chế tạo nghiên cứu tính chất quang vật liệu phát quang pha tạp ion Eu (III) Với mục đích chế tạo vật liệu nano phát quang YVO 4:Eu3+ với hình dạng khác đặc biệt, nghiên cứu chế tạo vật liệu YVO4:Eu3+ có cấu trúc dạng Phương pháp nghiên cứu khóa luận chủ yếu thực nghiệm kết hợp với khảo sát, phân tích, đánh giá kết đo YVO4:Eu3+ Có nhiều phương phương pháp chế tạo vật liệu pha tạp Eu3+ phương pháp nổ, phương pháp Microwave, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt Nhưng khuôn khổ khóa luận phương pháp chủ yếu sử dụng Microwave kết hợp đồng kết tủa Khóa luận thực phòng Quang húa Điện tử - Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM 1.1 Vật liệu phát quang cấu trúc nano 1.1.1 Vật liệu phát quang Vật liệu phát quang loại vật liệu chuyển đổi số dạng lượng thành xạ điện từ mức xạ nhiệt Bức xạ điện từ nằm từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại, thường nằm vùng nhìn thấy Để có vật liệu huỳnh quang bị kích thích nhiều loại lượng khác nhau: xạ điện từ, chùm điện tử phát từ cathode, kích thích vật liệu hiệu điện hay dùng tia X để kích thích phản ứng hóa học [4], [9], [10], [17], [20] Hình 1.1 Ion huỳnh quang A mạng HEAT: trở khơng xạ tới trạng thái Vật liệu huỳnh quang bao gồm mạng chủ tâm huỳnh quang thường gọi tâm kích hoạt (hình 1.1) Ví dụ với vật liệu huỳnh quang YVO4:Eu3+ mạng chủ YVO4, tâm kích hoạt Eu3+ Các q trình huỳnh quang hệ xảy sau Bức xạ kích thích hấp thụ trực tiếp tâm kích hoạt (activator), tâm nâng lên tới trạng thái kích thích, A* (hình 1.2) Trạng thái kích thích quay trạng thái phát xạ R Q trình phát xạ xạ có cạnh tranh với chuyển dời trở không xạ tới trạng thái NR Trong trình lượng trạng thái kích thích dùng để kích thích dao động mạng, có nghĩa làm nóng mạng chủ Để tạo vật liệu huỳnh quang hiệu quả, cần phải tìm biện pháp giảm thiểu trình khơng xạ [10] ... tài: Chế tạo nghiên cứu tính chất quang vật liệu phát quang pha tạp ion Eu (III) Với mục đích chế tạo vật liệu nano phát quang YVO 4 :Eu3 + với hình dạng khác đặc biệt, nghiên cứu chế tạo vật liệu. .. quang, chất bán dẫn, chất hữu cơ, cỏc tõm huỳnh quang ion kim loại chuyển tiếp, đặc biệt ion đất hiếm? ?? Chế tạo nghiên cứu tính chất quang khả ứng dụng vật liệu chứa ion đất hướng nghiên cứu nhà... Cơ chế phát quang vật liệu .8 1.2.2.2 Cơ chế phát quang vật liệu pha tạp đất 10 1.2.2.3 Dịch chuyển phát xạ không phát xạ ion đât 1.2.2.4 Dập tắt huỳnh quang 12 12 1.2.3 Vật liệu phát quang ion