Chế tạo và nghiên cứu tính chẩt quang của hàng mỏng vật liệu nanocomposite sio2 zno pha tạp ion eu3 và er3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thị Thu Hiền CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG MỎNG VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Eu3+ VÀ Er3+ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội-2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thị Thu Hiền CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÀNG MỎNG VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Eu3+ VÀ Er3+ Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS NGUYỄN ĐỨC CHIẾN PGS TS TRẦN NGỌC KHIÊM Hà Nội-2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2020 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH HD1: GS TS Nguyễn Đức Chiến Lê Thị Thu Hiền HD2: PGS TS Trần Ngọc Khiêm i LỜI CẢM ƠN Để luận án đƣợc hoàn thành tác giả ghi nhớ công ơn đóng góp thầy cơ, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình, ngƣời thân dành cho nghiên cứu sinh suốt nhiều năm qua Tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến GS TS Nguyễn Đức Chiến – ngƣời tận tình hƣớng dẫn bảo suốt trình nghiên cứu thực đề tài Thầy gƣơng sáng cho tác giả lòng say mê nghiên cứu, ln khích lệ kịp thời tạo động lực cho học trò phấn đấu nghiệp khoa học Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn đến PGS TS Trần Ngọc Khiêm ngƣời cho tác giả hƣớng tiếp cận đề tài, hƣớng dẫn cụ thể chi tiết phần lý thuyết thực nghiệm, cung cấp hóa chất thiết bị, đo đạc xử lý số liệu Thầy ngƣời đồng hành hỗ trợ cho tác giả gặp khó khăn trình học tập làm thực nghiệm Xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Hữu Lâm đồng hành NCS trình đào tạo, tạo điều kiện cho tác giả học tập môn với nhiều ý kiến đóng góp có giá trị Xin cảm ơn TS Đỗ Đức Thọ, PGS TS Đặng Đức Vƣợng thầy cô môn Vật liệu điện tử, viện Vật lý kỹ thuật ln chia sẻ đóng góp ý kiến, giúp đỡ q trình học Tác giả xin chân thành cảm ơn học viên cao học Phạm Sơn Tùng Nguyễn Văn Du, hỗ trợ nhiều trình thực nghiệm chế tạo vật liệu Xin cảm ơn TS Ngô Ngọc Hà, PGS.TS Nguyễn Đức Hòa, NCS Nguyễn Trƣờng Giang, TS Phạm Văn Tuấn cho tác giả nhiều ý kiến đóng góp, nhiều lời khun bổ ích buổi họp nhóm, hỗ trợ tác giả viết báo khoa học, chuẩn bị hóa chất, thiết bị thực nghiệm Cảm ơn TS Nguyễn Văn Tốn ngƣời ln động viên, tạo điều kiện tốt để tác giả có điều kiện đƣợc làm thí nghiệm phịng Cảm ơn TS Nguyễn Duy Hùng hỗ trợ tác giả phân tích huỳnh quang vật liệu Xin chân thành cảm ơn Viện Vật lý kỹ thuật, Viện ITIMS, viện AIST, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho NCS có điều kiện học tập nghiên cứu mơi trƣờng học tập nghiêm túc, chất lƣợng để NCS hoàn thành luận án Xin cảm ơn gia đình, bố mẹ, anh chị em động viên mặt tinh thần suốt trình học tập Đặc biệt xin cảm ơn chồng hai đồng hành, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để luận án đƣợc hoàn thành ii Tác giả xin cảm ơn chia sẻ, bình luận, ý kiến đóng góp câu hỏi thầy cơ, bạn bè, đồng nghiệp buổi thảo luận khoa học, hội nghị nhƣ buổi báo cáo chuyên đề Đề tài nghiên cứu đƣợc tài trợ đề tài nghiên cứu mã số ĐT NCCB-ĐHƢD.2011-G/01, Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) mã số 103.99-2012.31 Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Lê Thị Thu Hiền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ĐẤT HIẾM .6 1.1 1.2 Giới thiệu nguyên tố Europium (Eu) 1.1.1 Tính chất vật lý nguyên tố Eu .6 1.1.2 Cấu trúc lƣợng ion Eu3+ 1.1.3 Phổ huỳnh quang ion Eu3+ 1.1.4 Giản đồ lƣợng ion Eu3+ 10 1.1.5 Các ứng dụng Europium .11 Giới thiệu nguyên tố Erbium (Er) .11 1.2.1 Tính chất vật lý nguyên tố Er .11 1.2.2 Tính chất hóa học ngun tố Er 12 1.2.3 Giản đồ lƣợng ion Er3+ 13 1.2.4 Các ứng dụng nguyên tố Erbium 13 1.3 Giới thiệu vật liệu ZnO 14 iv 1.3.1 Cấu trúc tinh thể 14 1.3.2 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO .16 1.3.3 Các dạng hình thái học ZnO cấu trúc nano 16 1.3.4 Tính chất quang vật liệu ZnO cấu trúc nano thủy tinh silica 17 1.4 Vật liệu nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp đất .20 1.4.1 Vật liệu nanocomposite pha tạp ion Eu3+ 21 1.4.1.1 Chế tạo vật liệu bột ZnO:Eu3+ phƣơng pháp hóa ƣớt 21 1.4.1.2 Chế tạo màng mỏng SiO2/ZnO:Eu3+ phƣơng pháp sol-gel 22 1.4.1.3 Chế tạo vật liệu dạng khối SiO2/ZnO:Eu3+ phƣơng pháp sol-gel 25 1.4.2 Vật liệu nannocomposite SiO2/ZnO pha tạp ion Er3+ 25 1.5 Chế tạo vật liệu phƣơng pháp sol-gel .28 1.5.1 Quá trình sol-gel vật liệu silica 29 1.5.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình sol-gel 33 1.5.2.1 Ảnh hƣởng tiền chất 33 1.5.2.2 Ảnh hƣởng chất xúc tác (nồng độ pH) .33 1.5.2.3 Ảnh hƣởng tỉ lệ alkoxo/H2O:RW 34 1.5.2.4 Ảnh hƣởng dung môi .34 1.5.3 Phƣơng pháp phủ màng spin-coating 34 1.6 Kết luận Chƣơng 36 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SiO2-ZnO PHA TẠP ION Eu3+, Er3+ 37 2.1 Chế tạo vật liệu SiO2/ZnO pha tạp ion Eu3+ phƣơng pháp sol-gel kết hợp với phủ v màng spin-coating 37 2.1.1 Hóa chất dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+ 37 2.1.1.1 Hóa chất chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+ 37 2.1.1.2 Dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+ 37 2.1.2 Quy trình chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+ 38 2.2 Chế tạo vật liệu SiO2/ZnO pha tạp ion Er3+ phƣơng pháp sol-gel kết hợp với phủ màng spin-coating 42 2.2.1 Hóa chất dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+ 42 2.2.1.1 Hóa chất chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+ 42 2.2.1.2 Dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+ 42 2.2.2 Quy trình chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+ 42 2.2.2.1 Quy trình chế tạo 42 2.2.2.2 Quy trình chế tạo 45 2.3 Các phƣơng pháp phân tích vật liệu 48 2.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu phổ huỳnh quang 48 2.3.1.1 Phổ huỳnh quang dừng 49 2.3.1.2 Phổ kích thích huỳnh quang 49 2.3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 50 2.3.3 Phƣơng pháp phân tích hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) 51 2.3.4 Phƣơng pháp phân tích phổ tán xạ lƣợng tia X (EDX) .53 2.4 Kết luận Chƣơng 53 CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Eu3+ 55 vi 3.1 Phân tích cấu trúc tinh thể thành phần pha vật liệu 55 3.2 Phân tích hình thái bề mặt vật liệu 57 3.3 Phân tích phổ huỳnh quang kích thích huỳnh quang vật liệu .59 3.3.1 Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp ZnO 59 3.3.2 Sự phụ thuộc cƣờng độ huỳnh quang vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+ vào nồng độ pha tạp Eu3+ 63 3.3.3 Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nhiệt độ ủ 65 3.3.4 Tính chất huỳnh quang mẫu vật liệu M85151,25 68 3.4 Kết luận Chƣơng 70 CHƢƠNG 4: VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Er3+ 72 4.1 Hệ mẫu vật liệu chế tạo theo quy trình 72 4.1.1 Phân tích cấu trúc thành phần pha vật liệu 72 4.1.2 Phân tích hình thái bề mặt vật liệu 73 4.1.3 Phân tích phổ huỳnh quang vật liệu 74 4.1.3.1 Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp ZnO 74 4.1.3.2 Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp Er3+ 76 4.1.3.3 Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nhiệt độ ủ 77 4.2 Hệ mẫu vật liệu chế tạo theo quy trình 78 4.2.1 Phân tích cấu trúc thành phần pha vật liệu 78 4.2.2 Phân tích hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu 83 4.2.3 Phân tích phổ huỳnh quang vật liệu 85 4.2.3.1 Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp ZnO 85 vii 4.2.3.2 Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp Er3+ 86 4.3.2.3 Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang vào nhiệt độ ủ 90 4.3 Kết luận Chƣơng 93 KẾT LUẬN .94 TÀI LIỆU THAM KHẢO .95 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 104 vii