Hơn nữa, vật liệu phải có độ nhạy cao và độ đáp ứng tuyến tính nhiệt phát quang trong dải liều phù hợp với liều bức xạ ion hóa, thí dụ liều kế LiF: Ti, Mg TLD đáp ứng tuyến tính tốt
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM THỊ PHƯỚC NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA GỐM MF2 PHA TẠP VÀ KHÔNG PHA TẠP Eu3+ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC QUANG HỌC VÙNG HỒNG NGOẠI VÀ ĐO LIỀU BỨC XẠ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ THÁI NGUYÊN - 2022 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM THỊ PHƯỚC NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA GỐM MgF2 PHA TẠP VÀ KHÔNG PHA TẠP Eu3+ ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC QUANG HỌC VÙNG HỒNG NGOẠI VÀ ĐO LIỀU BỨC XẠ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 8840110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Nguyễn Trọng Thành 2 TS Nguyễn Xuân Ca THÁI NGUYÊN - 2022 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Trọng Thành và TS Nguyễn Xuân Ca - người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập và thực hiện các nội dung nghiên cứu của luận văn này, người đã cho em những lời khuyên bổ ích, những lời động viên trong những lúc em gặp khó khăn và truyền cho em lòng say mê khoa học Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên đã dạy bảo, động viên, giúp đỡ và cho tôi những ý kiến quý báu trong học tập và trong cuộc sống Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị phòng Quang phổ ứng dụng và Ngọc học - Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo đạc, khảo sát mẫu Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trường Trung học Phổ thông Tiến Thịnh đã tạo điều kiện về thời gian để tôi thực hiện tốt đề tài nghiên cứu của mình Cuối cùng tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên chia sẻ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện bản luận văn này Tác giả luận văn Phạm Thị Phước ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU 1 1 Sự cần thiết của đề tài .1 2 Mục đích nghiên cứu .3 3 Phạm vi nghiên cứu .3 4 Phương pháp nghiên cứu .3 5 Đối tượng nghiên cứu 3 6 Nội dung nghiên cứu .3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYẾT CƠ SỞ .4 1.1 Giới thiệu gốm quang học MgF2 4 1.2 Lí thuyết cơ sở về ion đất hiếm 7 1.2.1 Sơ lược về các nguyên tố đất hiếm 7 1.2.2 Cấu hình điện tử của các ion đất hiếm RE3+ 7 1.2.3 Đặc điểm của mức năng lượng 4f .9 1.2.4 Các ion đất hiếm tự do và trong trường tinh thể 10 1.2.5 Đặc điểm của ion Eu3+ 13 1.2.6 Phổ quang học của ion Eu3+ trong mạng nền .14 1.3 Hiện tượng nhiệt phát quang 16 1.3.1 Khái niệm .16 1.3.2 Mô hình giải thích quá trình nhiệt phát quang 17 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 19 2.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu 19 2.2 Phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS) – chế tạo gốm 20 iii 2.3 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu 22 2.3.1 Nhiễu xạ tia X 22 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét 23 2.4 Nghiên cứu tính chất quang .24 2.4.1 Phổ truyền qua vùng hồng ngoại (FT-IR) .24 2.4.2 Phổ quang phát quang (Photoluminescence - PL) 25 2.4.3 Phổ kích thích phát quang (Photoluminescence excitation - PLE) 26 2.4.4 Nhiệt phát quang (TSL) 27 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu MgF2 28 3.2 Nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu .29 3.2.1 Kết quả đo phổ phát quang của ion Eu3+ trong nền MgF2 .29 3.2.2 Kết quả đo kích thích phát quang của ion Eu3+ trong nền MgF2 34 3.2.3 Kết quả đo đường cong nhiệt phát quang tích phân .37 3.2.4 Kết quả nghiên cứu chế tạo gốm MgF2 42 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TSL - nhiệt phát quang TLD - liều kế nhiệt phát quang SPS - thiêu kết xung plasma FT-IR - hồng ngoại truyền qua RE - dãy nguyên tố đất hiếm XRD - phổ nhiễu xạ tia X EDX - phổ tán sắc năng lượng SEM - kính hiển vi điện tử quét PL - phổ quang phát quang PLE - phổ kích thích phát quang DC - nguồn điện một chiều đ.v.t.đ - đơn vị tương đối v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU H toán tử Hamiltonian τ thời gian sống của bức xạ nm nano mét MPa Mega pascal eV electron volt MeV Mega electron volt exp Hàm e mũ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cấu hình điện tử của các ion nguyên tố đất hiếm [8] .8 Bảng 1.2 Toán tử chuyển dời và quy tắc lọc lựa (của ion RE tự do) 12 Bảng 3.1 Giá trị thời gian sống dải phát xạ 440 nm của mẫu MgF2:Eu3+ 36 Bảng 3.2 Giá trị tỉ lệ diện tích đỉnh TL 190 oC so với tổng diện tích dưới đường cong TL trong dải 50 ÷ 250 oC phụ thuộc vào nồng độ Eu của các mẫu MgF2:Eu3+ 39 Bảng 3.3 Giá trị tỉ lệ diện tích đỉnh TL 190 oC so với tổng diện tích dưới đường cong TL trong dải 50 ÷ 250 oC phụ thuộc vào nồng độ Eu của các mẫu MgF2:Eu3+ 40 Bảng 3.4 Bảng các thông số chế tạo mẫu 44 Bảng 3.5 Chỉ số suy giảm bức xạ hồng ngoại mẫu gốm MgF2 .47 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể MgF2 [1] .4 Hình 1.2 Mạng cơ sở (a) và sơ đồ khai triển mạng tinh thể của vật liệu MgF2 (b) .5 Hình 1.3 Phổ truyền qua bức xạ từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại của gốm MgF2 5 Hình 1.4 Giản đồ các mức năng lượng Dieke [12] 9 Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc năng lượng của ion Eu3+, Eu2+ trong mạng nền [16] 14 Hình 1.6 Sơ đồ minh họa một số dịch chuyển phát xạ đặc trưng của ion Eu3+ 15 Hình 1.7 Mô hình đơn giản hai mức năng lượng trong nhiệt phát quang: (1) ion hóa; (2) và (5) bẫy; (3) sự giải phóng hạt tải do nhiệt; (4) Sự tái hợp và bức xạ ánh sáng [24] .17 Hình 2.1 Qui trình chế tạo vật liệu MgF2 bằng phương pháp phản ứng trao đổi và ảnh chụp sản phẩm bột MgF2 được tổng hợp 19 Hình 2.2 Sơ đồ minh họa cấu trúc thiết bị thiêu kết dòng xung plasma 21 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc của phép đo nhiễu xạ tia X 22 Hình 2.4 Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét .24 Hình 2.5 Máy quang phổ FL3-22 (Horiba – Mĩ) .25 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy quang phổ FL3-22 25 Hình 2.7 Thiết bị đo nhiệt phát quang Harshaw TLD-3500, Viện KHVL .27 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu MgF2 không pha tạp (a) và MgF2:xEu3+ có giá trị nồng độ x từ 0.05 đến 5.0 mol% 28 Hình 3.2 Phổ tán sắc năng lượng và ảnh SEM của mẫu bột MgF2 29 Hình 3.3 Phổ quang phát quang của vật liệu MgF2:xEu3+ với nồng độ Eu khác nhau tương ứng là x = 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 2.0 và 5.0 mol% 30 Hình 3.4 Kết quả phân tích tách đỉnh phổ phát quang trong dải phát xạ xanh dương của mẫu MgF2:Eu3+ 0.05 mol% .31 Hình 3.5 Phổ phát quang trong vùng phát xạ đỏ của các mẫu MgF2:xEu3+ với nồng độ Eu khác nhau tương ứng là x = 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 2.0 và 5.0 mol% .31 Hình 3.6: (a) Kết quả đại diện phân tích tách đỉnh phổ phát quang của mẫu MgF2: Eu3+ 5.0 mol%; (b) đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dải phát xạ xanh dương và dải phát xạ đỏ vào nồng độ x (Eu) pha tạp trong hệ mẫu MgF2:xEu3+ với x = 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 2.0 và 5.0 mol% 33 viii Hình 3.7 Phổ kích thích phát quang của vật liệu MgF2:xEu3+ với nồng độ Eu khác nhau tương ứng là x = 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 2.0 và 5.0 mol% 34 Hình 3.8 Đường cong suy giảm phát quang của vật liệu MgF2:xEu3+ với nồng độ Eu khác nhau tương ứng là x = 0.05, 0.5, 1.0, 2.0 và 5.0 mol% 36 Hình 3.9 Đường cong nhiệt phát quang tích phân các mẫu MgF2:Eu3+ có nồng độ từ 0.05 đến 5.0 mol% Chiếu xạ Beta 1 Gy 38 Hình 3.10 Kết quả phân tích tách đỉnh đường cong TL tích phân của mẫu MgF2:Eu3+ 5.0 mol% 39 Hình 3.11 Sự phụ thuộc của tỉ lệ cường độ đỉnh TL 190 oC và tổng cường độ TL dải từ 50 đến 250 oC vào nồng độ pha tạpEu 0.05 đến 5.0 mol% ở vật liệu MgF2 40 Hình 3.12 Đường cong nhiệt phát quang tích phân đỉnh TL 190 oC của mẫu MgF2:Eu3+ 5.0 mol% trong dải liều Beta từ 1 đến 18 Gy 41 Hình 3.13 Đường đáp ứng liều Beta của ITL đinh TL 190 oC của mẫu MgF2:Eu3+ 5.0 mol% trong dải liều từ 1 đến 18 Gy 42 Hình 3.14 Ảnh hệ thiết bị được sử dụng trong qui trình chế tạo gốm MgF2 bằng phương pháp thiêu kết xung dòng plasma: (a) khuôn graphite; (b) buồng ép mẫu LABOX-350 43 Hình 3.15 (a,b) Ảnh mẫu gốm MgF2 chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung dòng plasma, chế độ ép 80 MPa - 780 oC - 20 min; (c) Ảnh mẫu gốm đặt trên tờ giấy có chữ màu đen .43 Hình 3.16 Tỷ trọng tương đối của các mẫu gốm MgF2 phụ thuộc vào nhiệt độ thiêu kết (M1)540oC, (M2)550 oC, (M3)570 oC và (M4)600 oC .44 Hình 3.17 Ảnh SEM mẫu gốm MgF2 được thiêu kết giai đoạn 1 tại các nhiệt độ khác nhau: a) (M1) 540 oC, b) (M2) 550 oC, c) (4) 570 oC 45 Hình 3.18 Ảnh SEM mẫu gốm MgF2 trước và sau khi được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung dòng plasma, chế độ ép 80 MPa - 750 oC - 20 min (a) là SEM của mẫu bột nano MgF2; (b,c,d) là mẫu gốm sau thiêu kết SPS 46 Hình 3.19 (a) Phổ truyền qua hồng ngoại mẫu gốm MgF2 được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung dòng plasma, chế độ ép 80 MPa - 770 oC và (b) độ suy giảm cường độ truyền qua tại các bước sóng 4,0, 4,5 và 5,0 µm tương ứng với các mẫu M1-M4 47