Định lƣợng hóa chất tổng hợp 0,02 mol SrPCl với tỷ lệ pha tạp khác Trang 10 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt λem Emission Wavelength Bƣớc sóng phát xạ E En
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG LAI MÀU SrPCl PHA TẠP Eu PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ VÀ XANH, ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG CHO CÂY TRỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN – 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC –––––––––––––––––––––––– VŨ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG LAI MÀU SrPCl PHA TẠP Eu PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ VÀ XANH, ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG CHO CÂY TRỒNG Chuyên ngành: Quang Học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ TIẾN HÀ THÁI NGUYÊN – 2021 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Lê Tiến Hà đã hết lòng dạy dỗ và hƣớng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận văn này Tôi xin trân trọng cảm ơn đến Ban giám hiệu, Viện Khoa học và Công nghệ, Phòng Đào tạo và các thầy cô trong Viện Khoa học và Công nghệ - Trƣờng Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên luôn nhiệt thành và trách nhiệm đối với học viên, đã nhắc nhở và đôn đốc về tiến độ học tập của tôi Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng THCS Lý Tự Trọng – Tỉnh Quảng Ninh đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên về mặt tinh thần cũng nhƣ vật chất, giúp tôi có điều kiện học tập và nghiên cứu để có kết quả nhƣ ngày hôm nay Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2021 Học viên Vũ Hải Yến i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn, nghiên cứu khoa học của TS Lê Tiến Hà Các số liệu đƣợc trình bày trong Luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc công bố bởi bất kỳ nhóm tác giả nào Các kết quả trong luận văn này sẽ đƣợc tôi và các cộng sự đã, sẽ công bố trong thời gian tới là hoàn toàn trung thực ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu của luận văn 2 3 Nội dung nghiên cứu của luận án 2 4 Những đóng góp mới của luận văn 2 5 Bố cục của luận văn 3 Chƣơng 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 4 1.1.Tổng quan về vật liệu huỳnh quang 4 1.1.1 Cơ chế phát quang của vật liệu 4 1.1.2 Cơ chế phát quang của bột huỳnh quang 5 1.1.3 Tính chất quang của ion đất hiếm trong mạng nền tinh thể .6 1.1.4 Ion Eu trong nền chất rắn .12 1.1.5 Các loại bột huỳnh quang 14 1.2 Tổng hợp vật liệu bằng phƣơng pháp đồng kết tủa 17 1.3 Kết luận chƣơng 1 18 Chƣơng 2: QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐO 19 2.1 Quy trình chung đẻ chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp đồng kết tủa 19 2.2 Tổng hợp nhóm vật liệu SrPCl pha tạp Eu 20 2.2 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất vật liệu 21 2.2.1 Phƣơng pháp khảo sát hình thái bề mặt và kích thƣớc hạt 22 2.2.2 Phƣơng pháp khảo sát thành phần các nguyên tố của vật liệu 22 2.2.3 Phƣơng pháp khảo sát cấu trúc tinh thể 22 2.2.4 Các phƣơng pháp khảo sát tính chất quang 23 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Hình thái bề mặt và kích thƣớc hạt vật liệu 25 3.2 Cấu trúc tinh thể của vật liệu 26 3.3 Tính chất quang của bột huỳnh quang SrPCl:Eu3+ 30 iii 3.3.1 Sự phụ thuộc tính chất quang vào nhiệt độ thiêu kết .35 3.3.2 Ảnh hƣởng của nồng độ Eu3+ lên tính chất quang của vật liệu 36 3.4 Tính chất quang của bột huỳnh quang SrPCl:Eu2+ 38 3.5 Kết luận chƣơng 3 40 iv DANH MỤC HÌNH Hình 1 1 Giản đồ Jablonski mô tả sự hấp thụ ánh sáng và sự phát quang 4 Hình 1 2 Sơ đồ các mức năng lƣợng của ion đất hiếm bị tách do tƣơng tác điện tử - điện tử và điện tử - mạng .10 Hình 1 3 Sơ đồ các mức năng lƣợng của các ion đất hiếm hóa trị 3 bị tách do tƣơng tác điện tử - điện tử và điện tử - mạng .12 Hình 1 4 Giản đồ mức năng lƣợng của các dịch chuyển quang của ion Eu3+ .13 Hình 1 5 Sơ đồ các mức năng lƣợng 4fn (màu trắng) và 4fn-15d1 (màu đen) của các ion đất hiếm hóa trị 2 14 Hình 1 6 Sơ đồ năng lƣợng lớp 4f7 và 4f65d1 của ion Eu2+ trong trƣờng tinh thể 14 Hình 1 7 Cấu trúc tinh thể của bột halophosphate 15 Hình 1 8 Phổ phát xạ của bột Ca5(PO4)3(F, Cl):Sb3+, Mn2+ và phổ đáp ứng của mắt ngƣời với ánh sáng trong vùng nhìn thấy 15 Hình 1 9 Phổ huỳnh quang của Sr5Cl(PO4)3 pha tạp ion Eu2+ nung thiêu kết 900 oC trong 6h với nồng độ pha tạp khác nhau 17 Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý quy trình chế tạo vật liệu bằng phƣơng pháp đồng kết tủa 19 Hình 2 2 Quy trình tổng hợp bột huỳnh quang SrPCl pha tạp Eu3+ 21 Hình 2 3 Thiết bị FESEM-JEOL/JSM-7600F tích hợp đo FESEM và EDS tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST)- Đại học Bách khoa Hà nội 22 Hình 2 4 Hệ máy D2 tại Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên 23 Hình 2 5 Hệ huỳnh quang FLS1000 tại Viện Khoa học và Công nghệ - Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên .23 Hình 3 1 Ảnh SEM của bột huỳnh quang SrPCl pha tạp 2% ion Eu3+ với nhiệt độ nung thiêu kết từ 900 ÷ 1200 oC 25 Hình 3 2 Phổ EDS của mẫu SrPCl:8% Eu nung thiêu kết ở 1000 oC, 3 h 26 Hình 3 3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SrPCl:3% Eu3+ với nhiệt độ nung thiêu kết 1000 oC trong môi trƣờng không khí trong thời gian 3 giờ .27 Hình 3 4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SrPCl pha tạp 2% ion Eu3+ với nhiệt độ nung thiêu kết từ 900 – 1200 oC trong môi trƣờng không khí với thời gian 3 giờ 28 v Hình 3 5 Phổ nhiễu xạ tia của các mẫu Sr5Cl(PO4)3 pha tạp 2% ion Eu3+ với nhiệt độ nung thiêu kết từ 900 ÷ 1200 oC trong môi trƣờng không khí .29 Hình 3 6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SrPCl nung thiêu kết ở 1000 oC trong thời gian 3 giờ, trong không khí với nồng độ pha tạp 2 – 9% ion Eu3+ 30 Hình 3 7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu SrPCl nung thiêu kết ở 1000 oC trong thời gian 3 giờ, trong không khí với nồng độ pha tạp 2 – 9% ion Eu3+ 30 Hình 3 8 Phổ huỳnh quang của bột SrPCl pha tạp ion 6 %Eu3+ nung ở nhiệt độ 1000 oC, đo ở nhiệt độ phòng .31 Hình 3 9 Phổ kích thích huỳnh quang của mẫu SrPCl:6% Eu3+ nung ở nhiệt độ 1000 oC, ứng với đỉnh phát xạ 612 đo ở nhiệt độ phòng 32 Hình 3 10 Phổ kích thích huỳnh quang của mẫu SrPCl:8% Eu3+ nung ở nhiệt độ 1000 oC, ứng với đỉnh phát xạ 592, 612 và 700 nm, đo ở nhiệt độ phòng 33 Hình 3 11 Phổ huỳnh quang của mẫu SrPCl:6%Eu3+ nung ở nhiệt độ 1000 oC với các bƣớc sóng kích thích 381, 393 và 464 nm, đo ở nhiệt độ phòng 35 Hình 3 12 Phổ huỳnh quang của mẫu SrPCl:6% Eu3+ nung thiêu kết từ 900 - 1200 oC .36 Hình 3 13 Phổ huỳnh quang của các mẫu SrPCl nung ở 1000 oC trong 3 giờ với nồng độ pha tạp 1 ÷ 9% Eu3+, đo ở nhiệt độ phòng dƣới bƣớc sóng kích thích 393 nm .37 Hình 3 14 Phổ huỳnh quang của các mẫu SrPCl pha tạp 6%Eu, nung lần 2 trong khí H2/N2, ở 1000 oC trong 3 giờ, với bƣớc sóng kích thích 254 nm 38 Hình 3 15 Phổ huỳnh quang của các mẫu SrPCl pha tạp 6%Eu, nung lần 2 trong khí H2/N2, ở 1000 oC trong 3 giờ, với bƣớc sóng kích thích 254 nm 39 Hình 3 16 Phổ huỳnh quang của bột SrPCl:8% Eu nung lần 2 trong môi trƣờng khí H2/N2 ở 900 oC trong 2 giờ, đo ở nhiệt độ phòng,với bƣớc sóng kích thích 254 nm .40 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1 Các nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm nhẹ 7 Bảng 1 2 Các nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm nặng 7 Bảng 1 3 Cấu hình của các ion nguyên tố đất hiếm 8 Bảng 2.1 Định lƣợng hóa chất tổng hợp 0,02 mol SrPCl với tỷ lệ pha tạp khác nhau 21 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt λem Emission Wavelength Bƣớc sóng phát xạ E Energy Năng lƣợng EA Energy of acceptor level Năng lƣợng của mức acceptor ED Energy of donor level Năng lƣợng của mức đono λexc Excitation wavelength Bƣớc sóng kích thích ΔE Transition energy Năng lƣợng chuyển tiếp EV Valence band edge Năng lƣợng đỉnh vùng hóa trị λ Wavelength Bƣớc sóng Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt EDS Energy dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc năng lƣợng tia X FESEM Field emission scanning electron Hiển vi điện tử quét phát xạ microscopy trƣờng LED Light emitting diode Điốt phát quang PL Photoluminescence spectrum Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation spectrum Phổ kích thích huỳnh quang TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua UV Ultraviolet Tử ngoại XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X viii