Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)

Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)Chế tạo và nghiên cứu tính chất của các giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon (NCKH)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CÁC GIẢ VẬT LIỆU HẤP THỤ HOÀN TOÀN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN PLASMON Mã số: ĐH2014-TN07-06 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Thị Dung Thái Nguyên, 12/ 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CÁC GIẢ VẬT LIỆU HẤP THỤ HOÀN TOÀN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN PLASMON Mã số: ĐH2014-TN07-06 Xác nhận tổ chức chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) Thái Nguyên, 12/ 2016 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Danh sách thành viên tham gia nghiên cứu đề tài: STT Họ tên Cơ quan công tác TS Nguyễn Văn Đăng Trƣờng ĐH Khoa học - ĐHTN ThS Chu Thị Anh Xuân Trƣờng ĐH Khoa học - ĐHTN Đơn vị phối hợp chính: Phòng Thí nghiệm Vật liệu Từ Siêu dẫn – Viện KH Vật liệu – Viện Hàn lâm khoa học & công nghệ Việt Nam Ngƣời đại diện: TS Đỗ Hùng Mạnh MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU iii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN…………………………………………… 1.1 Các chế hấp thụ ánh sáng……………………………………… 1.2 Quá trình phát quang 1.3 Sự dập tắt huỳnh quang nồng độ tạp chất……………………… 1.4 Cấu trúc tinh thể tính chất quang vật liệu BaTiO3 1.4.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu BaTiO3 1.4.2 Ảnh hƣởng tia UV đến tính chất quang vật liệu 12 BaTiO3 1.5 Cấu trúc tinh thể tính chất quang vật liệu BaTiO3 pha tạp 16 ion kim loại chuyển tiếp 1.5.1 Sự đa cấu trúc vật liệu BTO pha tạp Mn 16 1.5.2 Tính chất quang vật liệu BaTiO3 pha tạp ion kim loại chuyển tiếp 19 CHƢƠNG CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHI M 25 2.1 Công nghệ chế tạo mẫu 25 2.2 Các phƣơng pháp đo khảo sát thành phần hóa học tính chất quang vật liệu 26 2.2.1 Phân tích thành phần hóa học phổ tán sắc lƣợng 26 2.2.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 27 2.2.3 Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ 28 2.2.4 Phƣơng pháp đo phổ huỳnh quang 30 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Chế tạo vật liệu BaTi1-xMnxO3 31 3.2 Ảnh hƣởng thay Mn cho Ti lên tính chất hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến hồng ngoại (UV-Vis) vật liệu BaTiO3 35 3.3 Ảnh hƣởng thay Mn cho Ti lên phổ huỳnh quang vật liệu BaTiO3 38 KẾT LUẬN 42 TÀI LI U THAM KHẢO i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thành phần mẫu chế tạo Bảng 3.2: Độ rộng vùng cấm bước sóng kích thích hệ BTMO ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Multiferroic Vật liệu đa pha điện từ Cubic Cấu trúc lập phƣơng Hexagonal Cấu trúc lục giác Tetragonal Cấu trúc tứ giác Orthorhombic Cấu trúc đơn nghiêng Rhombohedral Cấu trúc mặt thoi BTO BaTiO3 Cation Ion dƣơng UV Bức xạ cực tím EDS Phổ tán sắc lƣợng BTO:Mn BaTiO3 pha tạp Mn PL Huỳnh quang FWHM Full Width at Half Maximum – Độ bán rộng phổ BTMO BaTi1-xMnxO3 X Tia X SC Spatial correlation - Sự tƣơng quan không gian 6H Hexagonal phase 12R Rhombohedral phase iii XRD X-ray diffraction - Nhiễu xạ tia X t-BTO Tetragonal – BaTiO3 h-BTO Hexagonal – BaTiO3 iv ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Đơn vị: Trƣờng Đại học Khoa học THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Chế tạo nghiên cứu tính chất giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon - Mã số: ĐH2014-TN07-06 - Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Thị Dung - Tổ chức chủ trì: Trƣờng Đại học Khoa học, ĐHTN - Thời gian thực hiện: 24 tháng (1/2014 – 12/2015) Mục tiêu: - Chế tạo thành công hệ gốm multiferroic có khả hấp thụ ánh sáng - Khảo sát nghiên cứu tính chất hấp thụ ánh sáng đặc trƣng huỳnh quang vật liệu theo nồng độ tạp chất Tính sáng tạo: - Chế tạo vật liệu mutiferroic BaTi1-xMnxO3 (BTMO) phƣơng pháp phản ứng pha rắn phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn – trƣờng Đại học Khoa học - Tập trung nghiên cứu tính hấp thụ ánh sáng đặc trƣng huỳnh quang vật liệu mutiferroic BaTi1-xMnxO3 Đã khảo sát mẫu với nồng độ tạp chất x > 0.1 có khả hấp thụ toàn ánh sáng vùng khả v kiến phần vùng ánh sáng hồng ngoại Đã quan sát thấy hiệu ứng dập tắt huỳnh quang vật liệu BTMO nồng độ thay x > 0.12 Kết nghiên cứu: Đã chế tạo đƣợc vật liệu BaTi1-xMnxO3 (với 0.0 ≤ x ≤ 0.5) phƣơng pháp phản ứng pha rắn Đã khảo sát thành phần hóa học, phân tích cấu trúc tinh thể nghiên cứu ảnh hƣởng thay Mn lên tính chất hấp thụ ánh sáng huỳnh quang vật liệu BaTiO3 (BTO) thông qua phép đo phổ tán sắc lƣợng (EDS), giản đồ nhiễu xạ tia X; phổ hấp thụ phổ huỳnh quang đƣợc tiến hành hệ đo JACO V-670 hệ đo huỳnh quang phân giải cao Qua phân tích chứng minh đƣợc ion Mn thay cho Ti cấu trúc vật liệu BTO Bản chất vật lý hiệu ứng khả hấp thụ toàn ánh sáng vùng khả kiến phần vùng ánh sáng hồng ngoại vật liệu đƣợc nghiên cứu giải thích Sản phẩm: - Sản phẩm khoa học: (1) N V Dang, N T Dung, P T Phong, In-Ja Lee, Effect of Fe3+ substitution on structural, optical and magnetic properties of barium titanate ceramics, Physica B 457, 103-107 (2015) (ISI) (2) Nguyễn Thị Dung, Nguyễn Ngọc Dƣơng, Nguyễn Khắc Hùng Nguyễn Văn Đăng, Tính hấp thụ ánh sáng vật liệu BaTi1-xMnxO3, Tạp chí Khoa học Công nghệ-ĐHTN 151(06), 25-29 (2016) (3) Nguyễn Thị Dung, Nguyễn Viết Hoằng Nguyễn Văn Đăng, Tính chất điện – từ quang học vật liệu multiferroic BaTi1-xMnxO3 pha lục giác, Tạp chí Khoa học Công nghệ - ĐHTN (Đang phản biện) 33 đại diện cho hệ mẫu BTMO với nồng độ thay Mn cho Ti x = 0.05, 0.1 0.2 (Hình 3.2) Từ hình 3.2a cho thấy phổ EDS BTO xuất đỉnh phổ đặc trƣng cho nguyên tố Ba, Ti O, mặt nguyên tố tạp chất khác Còn mẫu có thay phần Ti nguyên tố kim loại chuyển tiếp Mn đỉnh phổ tƣơng ứng với nguyên tố Ba, Ti O nhƣ mẫu BTO chƣa pha tạp, xuất thêm đỉnh mạnh đặc trƣng Mn, lƣợng khoảng 5.8 keV 6.4 keV (Hình 3.2b,c,d) Cƣờng độ đỉnh đặc trƣng cho Mn có xu hƣớng tăng dần nồng độ thay x tăng 200 BaLa TiKa BaLb BaLb2 3.00 500 400 300 200 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 (d): BaTi0.8Mn0.2O3 BaLsum 600 5.00 MnKb 700 4.00 Năng lƣợng keV (KeV) BaLr2 MnKa Counts Cƣờng độ (đ.v.t.y) BaLsum BaLl 800 100 2.00 001 900 (c): BaTi0.9Mn0.1O3 1.00 BaLr 0.00 10.00 BaLa TiKa BaLb TiKb BaLb2 9.00 BaLl 8.00 MnKb 200 MnKesc 300 BaLesc MnLa 400 SiKa 500 AlKa TiLa MnLl BaMz OKa BaMo BaMg MnLsum 600 7.00 1000 900 700 6.00 Năng lƣợng keV (KeV) 003 800 5.00 MnKesc 4.00 MnLsum 3.00 MnLl OKa TiLa MnLa BaMz BaMo BaMg 2.00 BaLr MnKa BaLr2 1000 1.00 BaLa TiKa BaLb TiKb BaLb2 0.00 BaLesc Counts TiKb 100 500 Cƣờng độ (đ.v.t.y) BaLsum 300 BaLr MnKa BaLr2 400 BaLl 500 (b): BaTi0.95Mn0.05O3 MnKesc 600 BaLesc Counts 700 MnLsum 800 Cƣờng độ (đ.v.t.y) BaLsum FeKb FeKa BaLr BaLr2 TiKb BaLb BaLb2 BaLl 1000 BaLesc 1500 SiKa 2000 AlKa 2500 TiLa MnLl OKa BaMo BaMg (a): BaTiO3 3500 TiLa OKa FeLa BaMo BaMz BaMg Counts Cƣờng độ (đ.v.t.y) 4000 900 MnLa BaMz BaLa TiKa 4500 3000 002 1000 MnKb 001 5000 100 0 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 Năng lƣợng keV(KeV) 7.00 8.00 9.00 10.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Năng lƣợng (KeV) keV Hình 3.2 Phổ tán sắc lượng số mẫu đại diện cho hệ mẫu BTMO (với x = 0.0, 0.05, 0.1 0.2) 34 Kết đo phổ EDS thu đƣợc cho thấy có vạch phổ đặc trƣng cho nguyên tố có hợp thức danh định, vạch phổ đặc trƣng nguyên tố khác Điều chứng tỏ hệ mẫu BTMO chế tạo hoàn toàn thành phần danh định không bị lẫn tạp chất Ngoài ra, để nghiên cứu hình thành pha cấu trúc hệ vật liệu, nghiên cứu cấu trúc tinh thể mẫu BTMO cách ghi số liệu giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) chúng khoảng góc 2 từ 20o đến 55o, với bƣớc quét 0.02° XRD số mẫu đại diện cho hai hệ Cƣờng độ (đ.v.t.y.) mẫu với x = 0.0 ÷ 0.5 đƣợc thể hình 3.3 55 Góc 2 (độ) Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu BaTi1-xMnxO3 (0.0 ≤ x ≤ 0.5) 35 Kết thu đƣợc hình 3.3 cho thấy, vạch nhiễu xạ có cƣờng độ mạnh sắc nét chứng tỏ mẫu pha, kết tinh tốt sai hỏng Với nồng độ Mn nhỏ (0.0  x  0.06) giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy vị trí vạch nhiễu xạ tƣơng tự nhƣ vạch nhiễu xạ cấu trúc tứ giác (P4mm) Khi tăng nồng độ thay x, (với x  0.06) vị trí vạch nhiễu xạ cho thấy vật liệu chuyển sang pha tinh thể Kết phân tích pha tinh thể cho thấy: pha tinh thể phù hợp với pha tinh thể lục giác, nhóm đối xứng không gian P63/mmc Sự chuyển cấu trúc tinh thể từ t-BTO sang hBTO hệ đƣợc thể rõ giản đồ nhiễu xạ tia X hệ mẫu Cụ thể là: (i) Khi x tăng, cƣờng độ vạch nhiễu xạ đặc trƣng cho pha lục giác tăng dần, cƣờng độ vạch nhiễu xạ đặc trƣng cho pha tứ giác giảm dần; (ii) Tại x = 0.04 bắt đầu xuất vạch nhiễu xạ đặc trƣng cấu trúc lục giác cƣờng độ vạch nhiễu xạ đặc trƣng cho cấu trúc lục giác tăng dần x tăng, chứng tỏ tỷ phần pha tinh thể h-BTO mẫu tăng dần x tăng 3.2 Ảnh hƣởng thay Mn cho Ti lên tính chất hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến hồng ngoại (UV-Vis) vật liệu BaTiO3 Để nghiên cứu ảnh hƣởng thay Mn cho Ti lên tính hấp thụ ánh sáng vật liệu BTO tiến hành đo phổ hấp thụ hệ mẫu khoảng bƣớc sóng từ 300 đến 1200nm Kết đo phổ hấp thụ mẫu đƣợc trình bày hình 3.4 Từ hình 3.4a cho thấy bờ hấp thụ mẫu BTO bƣớc sóng khoảng 388 nm, xác định gần độ rộng vùng cấm mẫu BTO theo công thức: Eg  hc   6,625.10 34.3.108   1242,19  3.201 (eV)  (nm) (3.2) 36 λ bƣớc sóng hấp thụ Kết hoàn toàn phù hợp với công bố độ rộng vùng cấm BTO [11], [20] Phổ hấp thụ mẫu BTMO cho thấy bờ hấp thụ bị mở (a) rộng dịch phía bƣớc sóng dài Ngoài ra, phổ hấp thụ xuất vai bƣớc sóng khoảng 0.03 0.02 590nm Các vai có cƣờng độ 0.01 0.00 sóng dài nồng độ Mn thay cho Ti tăng Đặc biệt, x  0.01 ta thấy bên cạnh vai có bƣớu (gù) xuất khoảng 690 nm có cƣờng độ giảm dần Độ hấp thụ (đ.v.t.y) tăng dần mở rộng phía bƣớc (b) 0.12 x = 0.01 nồng độ Mn tăng Sự mở rộng 0.04 dịch chuyển bờ hấp thụ phía (c) bƣớc sóng dài theo đóng góp trạng thái 0.5 0.4 0.3 0.2 tạp Mn gây Đây chứng thực nghiệm đáng tin cậy chứng tỏ Mn vào cấu trúc, thay cho Ti vật liệu BTO Các trạng thái tạp vùng cấm 400 600 800 1000 1200 1400 (nm) Hình 3.4 Phổ hấp thụ hệ mẫu BaTi1xMnxO3 đo nhiệt độ phòng (0.0  x  0.5) vật liệu BTMO đƣợc hình thành sở mức lƣợng điện tử 3d ion Mn khuyết tật mạng tinh thể Để thuận tiện việc phân tích, đánh giá chất phổ hấp thụ thu đƣợc lập đồ thị biểu diễn phụ thuộc bình phƣơng hệ số hấp thụ vào lƣợng nhƣ trình bày hình 3.5 Từ kết trình bày 37 đồ thị cho thấy mẫu không pha tạp 2.5 biểu hấp thụ chuyển mức thẳng cho phép với lƣợng bờ hấp thụ 1.5 khoảng 3,1 eV Trong vùng lƣợng nhỏ bờ hấp thụ xuất đuôi hấp thụ dài Theo 1.7 eV 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 vẻ nhƣ bờ hấp thụ vật liệu giảm x tăng Tuy nhiên, nồng độ Mn thay tăng cao, ta khó để xác định xác bờ hấp thụ, đặc biệt x > 0.1 vùng hấp thụ gần nhƣ mở rộng toàn giải bƣớc sóng đo Tức mẫu có khả hấp thụ toàn ánh sáng vùng khả kiến phần vùng ánh sáng hồng ngoại Sự mở rộng bờ hấp thụ theo liên quan tới đóng góp α2 (đ.v.t.y) 2.5 Từ hình 3.5 nhìn thấy có 3.1 eV 0.5 đóng góp trình hấp thụ phonon mạng (a) x = 0.0 x = 0.01 x = 0.02 x = 0.03 1.5 0.5 (b) 1.65 eV 1.85 eV 0.11 3.5 0.12 0.2 0.3 2.5 0.4 0.5 1.5 1.3 eV 0.5 1.5 (c) 1.7 eV 2.5 3.5 E (eV) Hình 3.5 Sự phụ thuộc độ hấp thụ α2 theo lượng hệ BTMO trình chuyển dời trạng thái lƣợng ion tạp chuyển dời mức tạp lên vùng dẫn vật liệu Kết theo liên quan đến mức lƣợng điện tử 3d ion Mn4+ trạng thái t2g (mức Eg trống) Để xác định độ rộng vùng cấm theo nồng độ thay x (bảng 3.2), sử dụng biểu thức: Eg  hc   6,625.10 34.3.108   1242,19 (eV)  (nm) (3.3) 38  bƣớc sóng đƣợc xác định từ đƣờng thẳng tiệm cận phổ hấp thụ Bảng 3.2: Độ rộng vùng cấm bước sóng kích thích hệ BTMO x Eg (eV) (nm) x Eg (eV) (nm) 0.00 3.10 388.0 0.09 1.70 730.7 0.01 1.81 686.3 0.10 1.65 752.8 0.02 1.76 705.8 0.11 1.7 730.7 0.03 1.70 730.7 0.12 1.75 709.8 0.04 1.85 671.5 0.2 1.62 766.8 0.05 1.83 678.8 0.3 1.55 801.4 0.06 1.71 726.4 0.4 1.48 839.3 0.07 1.77 701.8 0.5 1.3 955.5 0.08 1.72 722.2 Theo vật liệu BTMO có kết hợp đồng tồn cấu trúc tứ giác lục giác Sự kết hợp cấu trúc dẫn đến nhòe bờ hấp thụ giá trị khe lƣợng trung bình nằm hai giá trị pha tứ giác lục giác Ngoài trạng thái tạp đặc trƣng nút khuyết oxy vật liệu BTMO có thêm trạng thái đặc trƣng điện tử 3d ion Mn 3.3 Ảnh hƣởng thay Mn cho Ti lên phổ huỳnh quang vật liệu BaTiO3 Để thấy rõ thêm ảnh hƣởng nồng độ thay lên phổ huỳnh quang (PL) vật liệu BTMO, tiến hành đo phổ PL nhiệt độ phòng, với nguồn kích thích laser bƣớc sóng 266 nm, số mẫu đại diện nhƣ đƣợc trình bày hình 3.6 Kết cho thấy phổ PL mẫu BTO gồm 39 dải phát xạ rộng có cƣờng độ lớn, đỉnh trung tâm đạt cực đại 466 nm 10 10 10 10 x = 0.0 x = 0.01 x = 0.02 x = 0.03 x = 0.04 (a) 350 400 450 500 550 600 650 700  (nm) x = 0.05 x = 0.06 x = 0.07 x = 0.08 x = 0.09 x = 0.10 x = 0.11 x = 0.12 5486 Cƣờng độ PL (đ.v.t.y) Cƣờng độ PL (đ.v.t.y) (cỡ 2.66 eV) có độ bán rộng khoảng 142 nm 4571 3657 2743 1829 (b) 914.3 400 450 500 550 600 650 700  (nm) Hình 3.6 Phổ huỳnh quang hệ BTMO (với 0.0  x 0.12) đo nhiệt độ phòng Thoạt đầu ta thấy phổ PL mẫu BTMO giống giống phổ PL BTO, bao gồm dải phát xạ rộng đỉnh trung tâm đạt cực đại ~ 480 nm (cỡ 2.59 eV) Với nồng độ thay nhỏ 0.0  x  0.06 phổ PL mẫu BTMO có dịch đỉnh vùng lƣợng thấp, giảm cƣờng độ huỳnh quang thu hẹp độ bán rộng đỉnh phát xạ trung tâm rõ Kết tƣơng đồng với công bố số nhóm nghiên cứu khác [12], [13] Khi nồng độ thay x tăng cao, cƣờng độ PL mẫu BTMO nhỏ chứng tỏ khả phát huỳnh quang mẫu giảm, đặc biệt vị trí đỉnh gần nhƣ không thay đổi x tăng Ngoài ra, phổ PL mẫu BTMO quan sát thấy có dải phát huỳnh quang hẹp có cƣờng độ nhỏ phía bƣớc sóng dài khoảng 620 nm Đỉnh có cƣờng độ yếu thay đổi theo nồng độ thay x 40 Để tiện quan sát dịch đỏ đỉnh gần 480 nm nồng độ thay Mn cho Ti tăng chuẩn hóa phổ PL số mẫu đại diện BTMO thu đƣợc kết nhƣ trình bày hình 3.7 x = 0.0 x = 0.01 x = 0.02 x = 0.03 x = 0.04 0.8 0.6 0.4 0.2 Cƣờng độ PL (đ.v.t.y) Cƣờng độ PL (đ.v.t.y) x = 0.05 x = 0.06 x = 0.07 x = 0.08 x = 0.09 x = 0.10 x = 0.11 x = 0.12 0.8 0.6 0.4 0.2 0 350 400 450 500 550 600 650 700 350 400 450 500 550 600 650 700 (nm)  (nm) Hình 3.7 Phổ huỳnh quang chuẩn hóa số mẫu đại diện hệ BTMO Kết cho thấy, nồng độ Mn thay cho Ti nhỏ (x < 0.05), đỉnh mạnh gần 480 nm dịch phía bƣớc sóng dài x tăng Khi nồng độ thay tăng cao vị trí đỉnh gần nhƣ không đổi Rõ ràng mẫu BTMO có nồng độ thay x  0, dải phát huỳnh quang rộng có cực đại gần 480nm xuất dải phát huỳnh quang hẹp có cƣờng độ nhỏ lƣợng thấp khoảng 620nm Theo có mặt tạp Mn làm gia tăng sai hỏng mạng Nhƣ biết, độ rộng vùng cấm BTO khoảng 3.1 - 3.5eV Năng lƣợng photon nguồn kích thích khoảng 4.6 eV, đủ lớn để xảy chuyển dời trực tiếp vùng-vùng Tuy nhiên, cƣờng độ PL đỉnh trung tâm 480 nm mẫu có chứa Mn giảm mạnh nồng độ thay tăng Chứng tỏ nồng độ Mn tăng gây hiệu ứng dập tắt huỳnh quang vật liệu BTO Đây ảnh hƣởng rõ nồng độ thay x lên phổ PL hệ mẫu Để quan sát rõ hiệu ứng này, lập đồ thị biểu diễn phụ thuộc cƣờng độ huỳnh quang dải 400-700 nm (có đỉnh gần 480nm) theo nồng độ thay Mn nhƣ đƣợc trình bày hình 3.8 41 4 10 10 10 10 Cƣờng độ (đ.v.t.y) 10 BTMO (b) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Nồng độ thay thế, x Hình 3.8 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang cực đại vào nồng độ thay x Từ hình 3.8 dễ dàng nhận thấy cƣờng độ huỳnh quang mẫu phụ thuộc mạnh vào nồng độ Mn mẫu Khi nồng độ thay tăng, cƣờng độ huỳnh quang mẫu giảm mạnh Và cƣờng độ gần nhƣ bị dập tắt x > 0.12 Hiện tƣợng hai nguyên nhân sau: - Thứ nhất, Mn thay cho Ti mạng BTO làm cho cấu trúc tinh thể BTO hoàn hảo (sai hỏng mạng, nút khuyết oxi mức tạp chất ) làm xuất thêm kênh tái hợp không xạ làm giảm cƣờng độ huỳnh quang - Thứ hai, có mặt tạp Mn làm gia tăng sai hỏng mạng, ảnh hƣởng đến kích thƣớc phát triển kích thƣớc hạt Hệ làm giảm dải huỳnh quang bƣớc sóng ngắn, nhƣng ngƣợc lại làm gia tăng vạch huỳnh quang bƣớc sóng dài Kết giúp thêm tin tƣởng vào nhận định Mn xâm nhập thay cho Ti cấu trúc BTO giống nhƣ trình bày phần 42 KẾT LUẬN Sau hai năm nghiên cứu, đề tài đạt đƣợc số kết nhƣ sau: Bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn, chế tạo thành công vật liệu nhân tạo BaTi1-xMnxO3 (với 0.0 ≤ x ≤ 0.5) hoàn toàn hợp thức danh định lẫn tạp chất Kết cho thấy, nồng độ thay 4%, pha lục giác bắt đầu hình thành, vật liệu đơn pha lục giác x > 6% Từ kết phân tích phổ tán sắc lƣợng giản đồ nhiễu xạ tia X, khẳng định ion Mn thay cho Ti cấu trúc vật liệu BTO Đã nghiên cứu ảnh hƣởng thay Mn lên tính hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến hồng ngoại vật liệu BaTiO3 Kết cho thấy, xuất mức tạp chất Mn kết hợp với mức tạp khuyết thiếu ôxy, sai hỏng mạng tạo nên chồng chéo, mở rộng dải hấp thụ làm dịch bờ hấp thụ phía sóng dài Đặc biệt, mẫu với nồng độ tạp chất x > 0.1 có khả hấp thụ toàn ánh sáng vùng khả kiến phần vùng ánh sáng hồng ngoại Đã nghiên cứu ảnh hƣởng thay Mn lên phổ huỳnh quang vật liệu BaTiO3 Phổ huỳnh quang mẫu BTMO giống phổ huỳnh quang BTO, bao gồm dải phát xạ rộng ứng với chuyển dời trực tiếp vùng-vùng Khi nồng độ thay x > 0.12, quan sát thấy hiệu ứng dập tắt huỳnh quang vật liệu BTMO Nguyên nhân trạng thái tạp xuất vùng cấm đóng vai trò nhƣ tâm tái hợp không xạ làm giảm mạnh cƣờng độ huỳnh quang vật liệu Sản phẩm đào tạo: - Đào tạo em sinh viên tham gia nghiên cứu khoa học 43 - Giúp nâng cao lực nghiên cứu chủ nhiệm đề tài thành viên Giúp cho thành viên tiếp cận với hƣớng nghiên cứu vật liệu multiferroic Giá trị khoa học ứng dụng kết nghiên cứu: - Về giá trị khoa học: Trong trình nghiên cứu ảnh hƣởng thay Mn lên đặc trƣng quang học vật liệu, đề tài phát khả hấp thụ toàn ánh sáng vùng khả kiến phần vùng hồng ngoại vật liệu BTMO - Về giá trị ứng dụng: Đề tài có ý nghĩa định hƣớng ứng dụng nghiên cứu vật liệu có khả hấp thụ mạnh định hƣớng cho ứng dụng công nghiệp điện tử, quốc phòng công nghệ cảm biến Hiệu nghiên cứu: - Về giáo dục & đào tạo: Đề tài trực tiếp tổ chức cho thành viên sinh viên tham gia thực nội dung đề tài Nâng cao lực nghiên cứu chủ nhiệm đề tài thành viên tham gia - Về kinh tế - xã hội: Kết đề tài có ý nghĩa định hƣớng ứng dụng nghiên cứu Tóm lại, kết cho thấy đề tài hoàn thành mục tiêu đề 44 HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI Trên sở kết thu đƣợc đề tài, tiếp tục nghiên cứu phát triển số công việc nhƣ sau: Tiến hành phép đo phổ Raman để nghiên cứu kĩ đặc trƣng quang mẫu chế tạo Nghiên cứu phƣơng pháp khống chế tần số cộng hƣởng nhằm tăng cƣờng khả hấp thụ vật liệu Để từ định hƣớng cho ứng dụng công nghiệp điện tử, quốc phòng công nghệ cảm biến Các kiến nghị Đây hƣớng nghiên cứu có ứng dụng hữu ích nghiên cứu đào tạo, mong muốn kiến nghị với Quý phòng KHCN & HTQT – ĐH Khoa Học Ban Khoa học – Công nghệ Môi trƣờng, ĐHTN số vấn đề nhƣ sau: - Tiếp tục tạo điều kiện cho cán trẻ trƣờng ĐH Khoa học đƣợc nghiên cứu tiếp cận với hƣớng nghiên cứu có tiềm ứng dụng đời sống - Tạo điều kiện ủng hộ để tiếp tục đƣợc thực hƣớng nghiên cứu nhằm nâng cao đƣợc lực nghiên cứu khả phát triển hƣớng nghiên cứu hứa hẹn định hƣớng ứng dụng công nghệ cảm biến TÀI LIỆU THAM KHẢO A Feteira, G.M Keith, M.J Rampling, C.A Kirk, I.M Reaney, K Sarma, N Mc Alford, D.C Sinclair (2002), "Synthesis and characterisation of Gadoped hexagonal BaTiO3", Crystal Engineering 5, pp 439-448 A M Glazer, "The classification of tilted octahedra in perovskites", Acta Cryst B 28, pp 3384-3392 (1972) C Kittel (1996), “ Introduction to Solid State Physics”, 7th Edition, John Wiley  Sons, inc, New York, Chichester, Brisbane, Singapore, Toronto N V Dang, T D Thanh, L V Hong, V D Lam and The-Long Phan (2011), “Structual, optical and magnetic properties of polycrystalline BaTi1xFexO3”, Journal of applied Physics 110, 043914 N T Dang, D P Kozlenko, T L Phan, S E Kichanov, N V Dang, T D Thanh, L H Khiêm, S H Jabarov, T A Tran, D B Vo, and B N Savenko (2016), “Structual polymorphism of Mn-doped BaTiO3”, Journal of electronic materials 45(5), 2477-2483 D.C Sinclair, J.M.S Skakle, F.D Morrison, R.I Smith, T.P Beales (1999), "Structure and electrical properties of oxygen-deficient hexagonal BaTiO3", J Mater Chem 9, pp 1327-1331 F Jona, G Shirane (1993), "Ferroelectric crystals", Dover Publications, INC., New York Graeme Ross, Germano Montemezzani, Pietro Bernasconi, Marko Zgonik, and Peter Gu¨nter (1996), “Strong ultraviolet induced absorption and absorption gratings in BaTiO3”, J Appl Phys.79(7), pp 3665-3668 H T Langhammer, T Muller, K H Felgner, H P Abicht (2000), "Crystal Structure and Related Properties of Manganese-Doped Barium Titanate Ceramics", J Am Ceram Soc 83 (3), pp 605-611 10 Jaspreet Kaur, R.K Kotnala, Kuldeep Chand Verma (2011), "Multiferroic properties of Ba(FexTi1-x)O3 nanorods", Materials Letters 65, pp 3160-3163 11 M E M Cabreta (2011), “X-ray absorption fine structure applied to ferroelectrics in Multifunctional polycrystalline ferroelectric materials", Springer Series in Materials Science 140, pp 281-346 12 M F C Gurgel, J W M Espinosa, A B Campos, I L V Rosa, M R Joya, A G Souza, M A Zaghete, P S Pizani, E R Leite, J A Varela, E Longo (2007), "Photoluminescence of crystalline and disordered BTO:Mn powder: Experimental and theoretical modeling", Journal of Luminescence 126, pp 771-778 13 Ming-Sheng Zhang, Jian Yu, Wan-chun Chen and Zhen Yin (2000), "Optical and structural properties of pure and Ce-doped nanocrystals of barium titanate", Progress in Crystal Growth and Characteriztion of Materials, pp 33-42 14 Shriane G., Jona F and Pepinsky R., Proc I.R.E., 42, pp 1738 (1955) 15 Shubin Qin, Duo Liu, Zhiyuan Zuo, Yuanhua Sang, Xiaolin Zhang, Feifei Zheng, Hong Liu, and Xian-Gang Xu (2010), “UV-Irradiation-Enhanced Ferromagnetism in BaTiO3”, J Phys Chem Lett 1, pp 238-241 16 T A Vanderah, J M Loezos, and R S Roth (1996), "Magnetic Dielectric Oxides: Subsolidus Phase Relations in the BaO: Fe 2O3:TiO2 System", J Solid State Chem 121, pp 38-50 17 Yudan Zhu, Dazhi Sun, Qiong Huang, Xueqing Jin, Heng Liu (2008), "UV–visible spectra of perovskite iron-doped Ba0.72Sr0.28TiO3", Materials Letters 62, pp 407-409 18 Yukikuni Akishige, Youichi Yamazaki and Nobuo Môri (2004), "Pressure Induced Insulator-Metal Transition in Hexagonal BaTiO3-δ", Journal of the Physical Society of Japan 73(5), pp 1267-1272 19 Zhen W (2013), “Plasmon-resonant gold nanoparticles for cancer optical imaging”, Science China: Physics, Mechanics & Astronomy 56, pp 506513 20 Z Yao, H Liu, Y Liu, Z Wu, Z Shen, Y Liu, and M Cao (2008), "Structure and dielectric behavior of Nd-doped BaTiO3 perovskites", Mater Chem Phys 109, pp 475-481 ... lý đó, chọn đề tài nghiên cứu "Chế tạo nghiên cứu tính chất giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hƣớng ứng dụng làm cảm biến plasmon" Mục tiêu đề tài: Chế tạo thành công vật liệu multiferroic cấu... học Khoa học THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Chế tạo nghiên cứu tính chất giả vật liệu hấp thụ hoàn toàn định hướng ứng dụng làm cảm biến plasmon - Mã số: ĐH2014-TN07-06... BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CÁC GIẢ VẬT LIỆU HẤP THỤ HOÀN TOÀN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN PLASMON Mã số: ĐH2014-TN07-06 Xác