Khoá luận tốt nghiệp tổng hợp và tính chất quang của (y,gd)bo3 pha tạp eu3+

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC - BÙI THỊ NGỌC BÍCH TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA (Y,Gd)BO3 PHA TẠP Eu3+ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa vơ HÀ NỘI – 2018 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA (Y,Gd)BO3 PHA TẠP Eu3+ Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Ngọc Bích Ngành học: Hóa vơ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Quang HÀ NỘI – 2018 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Văn Quang, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, bảo, giúp đỡ tạo điều kiện cho em suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Hóa Học trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ sở vật chất bảo em trình tiến hành thí nghiệm Cuối em xin chân thành cảm ơn trao đổi, đóng góp ý kiến bạn sinh viên lớp K40A động viên, khích lệ bạn bè, ngƣời thân đặc biệt gia đình tạo niềm tin giúp em phấn đấu học tập hồn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2018 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng việt LED Light emitting điốt Điốt phát quang FESEM Field emission scanning electron Hiển vi điện tử quét phát microscopy xạ trƣờng PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét CRI Color rendering index Độ trả màu MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu chọn đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu Bố cục khóa luận CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu phát quang 1.1.1 Cơ chế phát quang vật liệu phát quang 1.1.2 Cơ chế phát quang bột huỳnh quang 1.1.3 Tính chất quang ion đất mạng tinh thể 1.1.4 Các loại bột huỳnh quang 1.1.4.1 Bột huỳnh quang truyền thống 1.1.4.2 Một số bột huỳnh quang pha tạp đất .11 1.2 Các phƣơng pháp tổng hợp bột huỳnh quang .17 1.2.1 Phƣơng pháp kỹ thuật gốm cổ truyền (phản ứng pha rắn) 17 1.2.2 Phƣơng pháp đồng kết tủa 17 1.2.3 Phƣơng pháp sol-gel 18 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .20 2.1 Mục đính phƣơng pháp nghiên cứu 20 2.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu (Y,Gd)BO3: Eu3+ phƣơng pháp sol-gel 20 2.2.1 Dụng cụ hóa chất 20 2.2.1.1 Dụng cụ thí nghiệm 20 2.2.1.2 Hóa chất ban đầu 20 2.2.1.3 Chuẩn bị dụng cụ 21 2.2.2 Quy trình chế tạo 21 2.3 Khảo sát cấu trúc tính chất vật liệu (Y,Gd)BO3:Eu3+ 23 2.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc nhiễu xạ tia X 23 2.3.2 Ảnh hiển vi điện tử quét (FESEM) .25 2.3.3 Phƣơng pháp đo phổ huỳnh quang .26 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .28 3.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu 28 3.2 Hình thái bề mặt vật liệu (FESEM) 30 3.3 Khảo sát tính chất quang vật liệu (Y,Gd)BO3:Eu3+ 31 3.3.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tính chất quang vật liệu 31 3.3.2 Ảnh hƣởng nồng độ đến tính chất quang vật liệu 35 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO .39 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Giản đồ Jablonski mơ tả hấp thụ ánh sáng phát quang .4 Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể bột halophosphate Hình 1.3 Phổ phát xạ bột Ca5(PO4)3(F, Cl):Sb3+, Mn2+ phổ đáp ứng mắt ngƣời với ánh sáng vùng nhìn thấy .10 Hình 1.4 Phổ phát xạ bột huỳnh quang LaPO4 đồng pha tạp Ce3+ Tb3+ có kích thƣớc micro mét (bulk) kích thƣớc nano (nano) 12 Hình 1.5 Phổ huỳnh quang bột BAM:Eu2+ với bước sóng kích thích 325nm,đo nhiệt độ phòng 13 Hình 1.6 Giản đồ mức lượng dịch chuyển quang ion Eu3+ 15 Hình 1.7 Sự truyền lượng từ ion Gd3+ đến ion Eu3+ 16 Hình 1.8 Phổ huỳnh quang (Y,Gd)BO3: Eu3+ (ex =254 nm) 16 Hình 1.9 Phổ huỳnh quang Y2O3: Eu3+ (ex = 325 nm) 16 Hình 2.1 Quy trình chế tạo vật liệu (Y,Gd)BO3: Eu3+ phương pháp sol-gel 22 Hình 2.2 Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ số hữu hạn mặt phẳng .24 Hình 2.3 Máy đo giản đồ nhiễu xạ tia X (X-Ray D8 Advance) Trường Đại học Cần Thơ 25 Hình 24 Sơ đồ ngun lý kính hiển vi điện tử quét 26 Hình 2.5 Sơ đồ chuyển dời mức lượng điện tử .27 Hình 2.6 Hệ huỳnh quang (Nanolog, Horiba Jobin Yvon) nguồn kích thích đèn Xenon viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST)-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 27 Hình 3.1 Kết phổ nhiễu xạ tia X mẫu (Y,Gd)BO pha tạp Eu3+ 6% ủ nhiệt độ khác 28 Hình 3.2 Kết phổ nhiễu xạ tia X mẫu (Y,Gd)BO pha tạp Eu3+ ủ 1100oC với nồng độ khác 29 Hình 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính chất quang vật liệu (Y,Gd)BO3:Eu3+ 6% 32 Hình 3.5 Phổ kích thích huỳnh quang vật liệu (Y,Gd)BO3: Eu3+ 6% ủ nhiệt 1100oC 33 Hình 3.6 Phổ huỳnh quang vật liệu (Y,Gd)BO3: Eu3+ 6% ủ nhiệt 1100oC với bước sóng khác 34 Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ đến tính chất quang vật liệu (Y,Gd)BO3:Eu3+ ủ 1100oC .36 Hình 3.8 Sự phát triển huỳnh quang nồng độ pha tạp thấp (a) dập tắt huỳnh quang pha tạp với nồng độ cao (b) 37 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, vật liệu nano trở thành đối tƣợng nghiên cứu hấp dẫn tính chất đặc biệt Một tính chất quan trọng loại vật liệu tính chất quang học, việc ứng dụng thành nghiên cứu vật liệu nano phát quang làm thay đổi sống ngƣời Nhiều dạng hình, thiết bị y học đại, đèn conpact tiết kiệm lƣợng… có đƣợc nhƣ hoàn toàn phụ thuộc vào vật liệu nano phát quang Điển hình việc chế tạo loại đèn huỳnh quang để thay cho loại bóng đèn dây tóc Các loại đèn huỳnh quang có ƣu vừa có tuổi thọ cao, vừa tiết kiệm điện sáng so với đèn dây tóc Đèn huỳnh quang thƣơng mại đƣợc giới thiệu lần vào năm 1930 nhanh chóng chiếm đƣợc vị trí thị trƣờng chiếu sáng Đèn phát sáng dựa nguyên tắc huỳnh quang Nhờ kích thích tia tử ngoại phát từ thủy ngân ống đèn, bột huỳnh quang thành ống hấp thụ phát ánh sáng vùng nhìn thấy [12] Màu sắc chất lƣợng ánh sáng đèn huỳnh quang phụ thuộc vào chất lƣợng bột huỳnh quang Theo chế phát quang đèn huỳnh quang hiệu suất chuyển đổi từ lƣợng điện thành lƣợng ánh sáng khoảng từ 15 - 25% (là cao nhiều so với đèn dây tóc 5% lƣợng điện tiêu thụ đƣợc biến thành ánh sang) Mặc dù vậy, bột huỳnh quang truyền thống sử dụng đèn huỳnh quang - bột halophosphate - có độ bền kém, hiệu suất thấp (60 – 75 lm/W) phổ phát xạ tập trung hai vùng xanh lam vàng cam, nên ánh sáng đèn huỳnh quang sử dùng bột halophosphate thƣờng không đủ màu quang phổ ánh sáng trắng, dẫn đến hệ số trả màu CRI (color rendering index) thấp (CRI: 60 – 70), bộc lộ nhiều hạn chế yêu cầu chất lƣợng nguồn sáng nâng cao Do đó, với nghiên cứu nhằm cải tiến kích cỡ hình dạng đèn, cải tiến điện cực mơi trƣờng phóng điện, nghiên cứu chế tạo cải tiến lớp bột huỳnh quang tráng phủ ống đèn đƣợc nỗ lực thực suốt nhiều thập niên vừa qua nhằm tạo nguồn sáng có hiệu suất cao chất lƣợng tốt Đến năm 1970, ngành cơng nghiệp chiếu sáng có bƣớc tiến lớn chất phosphor pha tạp ion đất đƣợc nghiên cứu ứng dụng Các ion đất (RE) có cấu hình điện tử đặc biệt, có lớp điện tử 4f chƣa lấp đầy đƣợc lớp bên 5d 6s lấp đầy, nên dịch chuyển quang học ion bị ảnh hƣởng trƣờng tinh thể Các dịch chuyển hấp thụ phát xạ ion đất nằm vùng phổ rộng từ đỏ đến tử ngoại, phù hợp với nguồn sáng sử dụng đời sống công nghiệp Để có ánh sáng trắng, ngƣời ta tạo bột huỳnh quang phát ba màu (đỏ, xanh lục, xanh lam) trộn lại với Các hệ bột nhƣ đƣợc gọi bột huỳnh quang ba phổ, hay bột huỳnh quang ba màu Để sử dụng làm tâm hoạt hoá vật liệu huỳnh quang phát ba màu bản, ion đất đƣợc lựa chọn nhiều Tb3+, Eu2+ Eu3+ Do ion có dịch chuyển phát xạ nằm vùng ánh sáng nhìn thấy có thời gian sống phát quang dài, phù hợp cho sử dụng chiếu sáng Trong mạng khác nhau, nguyên tố pha tạp Eu (ở trạng thái ion Eu 2+ Eu3+) cho phát xạ ba màu xanh lục, xanh lam màu đỏ Thông thƣờng, ion Eu 2+ cho phát xạ xanh lam (blue) xanh lục (green), ion Eu 3+ cho phát xạ đỏ (red) [1,2,3,4,5,22], ion Tb3+ cho phát xạ xanh lục, việc trộn ba thành phần cách thích hợp tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng trắng với thông số mong muốn[7,8,10] Trong số nhiều loại bột đƣợc đƣa vào sử dụng sản xuất thƣơng mại Tuy nhiên để có đƣợc loại bột huỳnh quang chất lƣợng cao: có độ bền huỳnh quang cao, có hệ số trả màu lớn, hiệu suất phát xạ cao giá thành rẻ hệ bột huỳnh quang tiếp tục đƣợc nghiên cứu chế tạo Chính vậy, chúng tơi chọn đề tài: “Tổng hợp tính chất quang (Y,Gd)BO3 pha tạp Eu3+” Mục tiêu chọn đề tài - Nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang (Y,Gd)BO3: Eu3+