Chính vì lí do đó, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu ch tạếo và tính ch t ấhuỳnh quang của vật liệu nano SnO2: Eu3+ phân tán trong mạng nền silica” Luận văn bao gồm các nội dung chính
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ KHÁNH TOÀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO SnO2:Eu3+ PHÂN TÁN TRONG MẠNG NỀN SILICA Chuyên ngành: Khoa học vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN NGỌC KHIÊM Hà Nội – 2010 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131833971000000 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu chế tạo tính chất huỳnh quang vật liệu nano SnO2 : Eu3+ phân tán mạng silica Tác giả luận văn: Lê Khánh Toàn Khóa: ITIMS 2008 – 2010 Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Ngọc Khiêm Nội dung tóm tắt: Việc nghiên cứu lĩnh vực quang điện tử nói chung vật liệu phát quang nói riêng thu hút quan nhiều nhóm nghiên cứu nước quốc tế Các nhà khoa học không tập trung việc tạo vật liệu phát quang mà trọng đến việc cải thiện khả phát quang loại vật liệu phát quang biết Vật liệu SnO2 vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực quang điện tử, đặc biệt linh kiện điện huỳnh quang Ion Eu 3+ ion đất có khả phát ánh sáng mầu đỏ thường ứng dụng lĩnh vực khuếch đại quang thiết bị chiếu sáng Ở điều kiện tồn độc lập, phát xạ ion Eu3+ bị hạn chế quy tắc lựa chọn Laporte Để tăng cường khả phát xạ ion Eu3+, người ta thường pha tạp chúng vào mạng bán dẫn SnO Một số kết nghiên cứu cho thấy, vật liệu SnO pha tạp Eu3+ phân tán số mạng silica cải thiện đáng kể khả phát xạ ion Eu3+ Việc nghiên cứu chế tạo chế truyền lượng từ mạng sang ion Eu 3+ vấn đề có tính thời cao Chính lí đó, chúng tơi tiến hành nghiên cứu chế tạo tính chất huỳnh quang vật liệu nano SnO2: Eu3+ phân tán mạng silica Kết thu sau: ¾ Đã chế tạo thành công vật liệu SnO2 SnO2: Eu3+ SnO2: Eu3+ phân tán mạng silica với quy trình chế tạo vật liệu ổn định Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu ¾ Kết phổ nhiễu xạ tia X cho thấy nano tinh thể SnO2: Eu3+ phân tán tốt mạng silica xử lý mẫu nhiệt độ thích hợp ¾ Kết chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy hạt tinh thể SnO2: Eu3+ chế tạo tương đối đồng đều, có kích thước khoảng nm Khi phân tán SnO2: Eu3+ vào mạng silica khơng quan sát rõ hạt tinh thể ¾ Đã cải thiện khả phát xạ huỳnh quang vật liệu SnO2: Eu3+ pha tạp vào mạng silica ¾ Kết phân tích phổ huỳnh quang cho thấy vật liệu SnO2: Eu 3+ phân tán mạng silica phát quang mạnh vùng bước sóng 590 nm 615 nm tương ứng với dịch chuyển mức lượng 5Do → 7F1 Do → 7F2 ion Eu3+ ¾ Đã khảo sát tính chất huỳnh quang vật liệu SnO2: Eu3+ phân tán mạng silica xử lý nhiệt từ 500 đến 1000oC thời gian từ đến 10 Do thời gian thực luận văn có hạn nên chúng tơi chưa giải thích đầy đủ tính chất quang vật liệu, đặc biệt mẫu xử lý nhiệt độ cao Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, thực thêm phép đo cấu trúc tính chất vật liệu để làm sáng tỏ vấn đề Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Chương Tổng quan Hình 1.1 Hàm phân bố điện tử nguyên tố Ce Hình 1.2 Sự thay đổi bán kính nguyên tử nguyên tố Lantan theo điện tích hạt nhân nguyên tử Hình 1.3 Sự thay đổi bán kính ion Ln3+ theo điện tích hạt nhân Hình 1.4 Giản đồ lượng số ion đất Hình 1.5 Sơ đồ tọa độ cấu hình Hình 1.6 Sự dập tắt huỳnh quang nồng độ pha tạp Hình 1.7 Sơ đồ mức lượng ion Eu3+ Hình 1.8 Mơ hình cấu trúc đơn vị vật liệu SnO2 Hình 1.9 Phổ nhiễu xạ tia X SnO2 Hình 1.10 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2 SnO2: Eu3+ Hình 1.11 Ảnh hưởng SnO2 đến khả phát xạ huỳnh quang vật liệu SnO2: Eu3+-SiO2 Hình 1.12 Sự truyền lượng từ SnO2 sang Eu3+ Hình 1.13 Cấu trúc vật liệu silica Bảng 1.1 Cấu hình điện tử ion nguyên tố đất Bảng 1.2 Cấu hình điện tử trạng thái ion đất Chương Thực nghiệm Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu SnO2: Eu Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu SnO2: Eu- SiO Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động thiết bị đo phổ nhiễu xạ tia X Hình 2.4 Mặt phản xạ Bragg Hình 2.5 Thiết bị chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình 2.6 Thiết bị đo phổ huỳnh quang Bảng 2.1 Các mẫu chế tạo Chương Kết thảo luận Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu SnO2 chế tạo phương pháp nhiệt thủy phân nhiệt độ 180 oC Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu SnO2: Eu3+ 5% chế tạo phương pháp nhiệt thủy phân nhiệt độ 180 oC Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu 10SnO2: Eu3+ 10%-90SiO2 xử lý nhiệt 800 oC Hình 3.4 Ảnh TEM vật liệu SnO2: Eu3+ 5% chế tạo phương pháp nhiệt thủy phân nhiệt độ 180 oC Hình 3.5 Ảnh TEM vật liệu 10SnO2: Eu3+ 10%-90SiO2 xử lý nhiệt 800 oC Hình 3.6 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2 chế tạo phương pháp nhiệt thủy phân nhiệt độ 180 oC Hình 3.7 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2:Eu3+ 5% chế tạo phương pháp nhiệt thủy phân đo bước sóng kích thích 442 nm Hình 3.8 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2:Eu3+ 5% chế tạo phương pháp nhiệt thủy phân đo bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.9 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2 pha tạp Eu3+ nồng độ khác đo bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.10 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2:Eu3+ 5% thủy phân nhiệt độ khác đo bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.11 Phổ huỳnh quang vật liệu 10SnO2: Eu3+ 10%-90SiO xử lý nhiệt độ 800oC đo bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.12 Phổ huỳnh quang vật liệu 10SnO2: Eu3+ 10%-90SiO xử lý nhiệt độ 800oC đo bước sóng kích thích 442 nm Hình 3.13 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2:Eu 3+ 5% vật liệu 10SnO2: Eu3+ 5%-90SiO2 đo bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.14 Phổ huỳnh quang vật liệu 10SnO2: Eu3+-90SiO phụ thuộc vào nồng độ pha tạp đo bước sóng kích thích 325 nm Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu Hình 3.15 Phổ huỳnh quang vật liệu SnO2: Eu3+10%-SiO phụ thuộc vào tỷ lệ mạng SnO2- SiO2 bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.16 Phổ huỳnh quang vật liệu 10SnO2: Eu3+10%-90SiO2 phụ thuộc nhiệt độ xử lý mẫu đo bước sóng kích thích 325 nm Hình 3.17 Phổ huỳnh quang vật liệu 10SnO2: Eu3+10%-90SiO2 phụ thuộc thời gian xử lý mẫu đo bước sóng kích thích 325 nm Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN …………………………………………………… 1.1 Tổng quan ion đất hiếm…………………………………… 1.2.1 Cấu trúc điện tử ion đất hiếm…………………… 1.2.2 Sự tách mức lượng………………………………… 1.2.3 Sự phát xạ ion đất hiếm……………………………… 10 1.2.4 Các dịch chuyển phát xạ không phát xạ ….………… 13 1.2.5 Sự dập tắt huỳnh quang………………………………… 14 1.2.6 Ion Europium…………………………………………… 14 1.2 Vật liệu SnO2 …………………………………………………… 17 1.1.1 Cấu trúc tinh thể SnO2…………………………………… 17 1.1.2 Tính chất ứng dụng vật liệu SnO2 ……………… 19 1.1.3 Hoạt động ion Eu 3+ mạng tinh thể SnO2 …… 20 1.3 Vật liệu silica……………………………………………………… 23 Chương THỰC NGHIỆM………………………………………………… 26 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu…………………………………… 26 2.1.1 Phương pháp sol-gel…………………………………… 26 2.1.2 Phương pháp nhiệt thủy phân…………………………… 32 2.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu SnO2 : Eu 3+ phân tán silica… 34 2.2.1 Hóa chất thiết bị……………………………………… 34 2.2.2 Quy trình chế tạo mẫu…………………………………… 34 2.2.3 Các mẫu chế tạo được…………………………………… 36 2.3 Phương pháp phân tích vật liệu…………………………………… 37 2.3.1 Nhiễu xạ tia X…………………………………………… 37 2.3.2 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)……………………… 38 2.3.3 Phổ huỳnh quang (PL)…………………………………… 40 Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………… 42 3.1 Kết phân tích phổ nhiễu xạ tia X…………………………… 42 3.2 Kết chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)…………… 44 3.3 Phổ huỳnh quang vật liệu……………………………… …… 46 3.3.1 Phổ huỳnh quang SnO …………………………… 46 3.3.2 Phổ huỳnh quang SnO 2:Eu 3+………………………… 46 3.3.3 Phổ huỳnh quang SnO 2:Eu 3+ phân tán silica… 50 3.3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ pha tạp……………… 53 3.3.3.2 Ảnh hưởng tỉ lệ mạng nền… ……………… 54 3.3.3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý mẫu…………… 55 3.3.3.4 Ảnh hưởng thời gian xử lý mẫu…………… 56 KẾT LUẬN…………………………………………………………………… 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 58 Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu MỞ ĐẦU Lịch sử nghiên cứu vật liệu phát quang có từ trăm năm Theo thời gian, vật liệu với tính chất không ngừng nghiên cứu chế tạo Các nhà khoa học không tập trung việc tạo vật liệu phát quang mà trọng đến việc cải thiện khả phát quang loại vật liệu phát quang biết Vật liệu SnO2 vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực quang điện tử, đặc biệt linh kiện điện huỳnh quang Tính chất huỳnh quang loại vật liệu nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu Các kết công bố chứng tỏ nút khuyết ôxy vật liệu bán dẫn tâm phát xạ có vai trị quan trọng tính chất huỳnh quang chúng Ion Eu 3+ ion đất có khả phát ánh sáng mầu đỏ thường ứng dụng lĩnh vực khuếch đại quang thiết bị chiếu sáng Để tăng khả phát xạ ion Eu 3+, người ta thường pha tạp chúng vào mạng bán dẫn SnO Những năm gần nhiều phịng thí nghiệm vật liệu quang điện tử tập trung nghiên cứu vật liệu SnO2 pha tạp Eu3+ nhằm ứng dụng linh kiện phát ánh sáng đỏ Một số kết nghiên cứu cho thấy, vật liệu SnO2 pha tạp Eu3+ phân tán số mạng silica cải thiện đáng kể khả phát xạ ion Eu3+ Việc nghiên cứu chế tạo chế truyền lượng từ mạng sang ion Eu 3+ vấn đề có tính thời cao Chính lí đó, chúng tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo tính chất huỳnh quang vật liệu nano SnO 2: Eu3+ phân tán mạng silica” Luận văn bao gồm nội dung sau: Mở đầu Chương Tổng quan Giới thiệu tổng quan ion đất hiếm, chế phát xạ huỳnh quang, cấu trúc tính chất mạng SnO SiO2 Lê Khánh Tồn Khóa ITIMS 2008 - 2010 Luận văn thạc sĩ khoa học vật liệu Chương Thực nghiệm Trình bày quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu SnO2: Eu3+ phân tán mạng silica kỹ thuật phân tích cấu trúc, tính chất vật liệu Chương Kết thảo luận Phân tích thảo luận kết phổ nhiễu xạ tia X, ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ huỳnh quang mẫu vật liệu chế tạo Kết luận Lê Khánh Toàn Khóa ITIMS 2008 - 2010