NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ PHÁT XẠ VÀ LỰC LIÊN KẾT ĐIỆN TỬPHONON CỦA THỦY TINH TELLURITE PHA TẠP Eu 3+

Thủy tinh pha tạp nguyên tố đất hiếm đã và đang được nghiên cứu rộng rãi với sự quan tâm rất lớn do các ứng dụng tiềm năng của chúng trong thiết bị quang học như laser trạng thái rắn, sợi quang học,…Các vật liệu này có thể dễ dàng chế tạo với các hình dạng và kích cỡ khác nhau. Trong số các thủy tinh thì thủy tinh Tellurite thể hiện những tính chất đặc biệt như độ bền tốt, sức bền hóa học cao, nhiệt độ nóng chảy thấp và đặc biệt trong suốt trong vùng nhìn thấy, hơn nữa vật liệu này có năng lượng phonon thấp. Chính nhờ những ưu điểm này thủy tinh Tellurite trở thành vật liệu lý tưởng để pha tạp các nguyên tố đất hiếm. Trong số các ion đất hiếm thì chúng tôi chọn ion Eu 3+ (4f 6 ) vì nó phát các bức xạ hầu như đơn sắc, có thời gian sống của các trạng thái kích thích kéo dài và luôn được dùng như đầu dò rất hiệu quả để đánh giá các môi trường cục bộ xung quanh ion RE. Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng lý thuyết JuddOfelt để tính toán và thu được các thông tin tin cậy về tính chất phát quang của các mẫu như các thông số cường độ  (λ=2; 4; 6), xác xuất chuyển dời phát xạ của từng chuyển dời (A), xác xuất tổng cộng (A  ), thời gian sống của các trạng thái kích thích, tỷ số phân nhánh của các chuyển dời … T Ngoài ra, để thu được các thông tin về cấu trúc cục bộ xung quanh các ion đất hiếm trong thủy tinh Tellurite thì chúng tôi sử dụng phương pháp thực nghiệm đo phổ phonon sideband. Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn đề tài của khóa luận : “NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ PHÁT XẠ VÀ LỰC LIÊN KẾT ĐIỆN TỬPHONON TRONG THỦY TINH TELLURITE PHA TẠP Eu 3+ ’’

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ PHÁT XẠ VÀ LỰC LIÊN KẾT ĐIỆN TỬ-PHONON CỦA THỦY TINH TELLURITE PHA TẠP Eu3+ Người thực : PHẠM THỊ NGUYỆT Lớp : 11SVL Khoá : 2011- 2015 Ngành : SƯ PHẠM VẬT LÝ Người hướng dẫn : ThS TRẦN THỊ HỒNG Đà Nẵng, 04/2015 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG LỜI CẢM ƠN C K L -T - C G K ỗ ặ Xin chân thành cảm ơn! ng, tháng 04 2015 Sinh viên PHẠM THỊ NGUYỆT SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Kế hoạch hoàn thành khóa luận PHẦN NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở lý thuyết tượng phát quang 1.1.1 Khái niệm phát quang .4 1.1.2 Tính chất xạ phát quang 1.1.3 Cơ chế tượng phát quang .6 1.1.4 Phổ phonon sideband 1.1.4.1 Khái niệm phonon .7 1.1.4.2 Sự hình thành phổ phonon sideband 1.2 Cơ sở lý thuyết thuỷ tinh 12 1.2.1 Khái niệm thủy tinh .12 1.2.2 Phân loại thuỷ tinh vô dựa theo thành phần đặc tính 12 1.3 Tổng quan lý thuyết nguyên tố đất nguyên tố Europium 14 1.3.1 Sơ lược nguyên tố đất 14 1.3.2 Lý thuyết nguyên tố đất Europium .17 1.4 Lý thuyết Judd - Ofelt cường độ chuyển dời f-f ion đất 18 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG 1.4.1 Phổ quang học ion đất tự .18 1.4.2 Lý thuyết Judd – Ofelt , cường độ chuyển dời f↔f 20 1.4.2.1 Cơ sở lý thuyết Judd-Ofelt 20 1.4.2.2 Cường độ chuyển dời lưỡng cực điện 21 1.4.2.3 Cường độ chuyển dời lưỡng cực từ 23 1.4.2.4 Thông số cường độ khả ứng dụng nghiên cứu phổ 24 1.4.2.5 Ý nghĩa thông số cường độ 25 Chương 27 THỰC NGHIỆM .27 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 27 2.1.1 Chuẩn bị khuôn 27 2.1.2 Nghiền trộn hoá chất 27 2.1.3 Sấy hoá chất 27 2.1.4 Nung hoá chất 27 2.1.5 Mài đánh bóng mẫu .28 2.2 Nghiên cứu cấu trúc dựa phương pháp nhiễu xạ tia X 29 2.3 Các khảo sát quang phổ 30 2.3.1 Phổ hấp thụ .30 2.3.2 Phổ phát quang 31 2.3.3 Phổ kích thích 33 2.4 Phân tích Judd-Ofelt .35 2.4.1 Xác định thông số J-O từ phổ phát quang 35 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG 2.4.2 Ứng dụng lý thuyết Judd-Ofelt để đoán nhận đặc trưng quang phổ RE 38 2.5 Phổ phonon sideband ion Eu3+ mẫu thủy tinh M30 liên quan đến chuyển dời 7F0→5D2 40 PHẦN KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG DANH MỤC BẢNG TÊN BẢNG STT TRANG Bảng 2.1 Tỉ lệ hoá chất nhiệt độ nung mẫu vật liệu 28 Bảng 2.2 Các thông số Judd-Ofelt (Ωλ x 10-20cm2) 38 Bảng 2.3 Xác xuất chuyển dời lưỡng cực từ, lưỡng cực điện xác xuất tổng cộng 39 Tỷ số phân nhánh chuyển dời 5D0 → 7F1, 5D0 → Bảng 2.4 F2, 5D0 → 7F4, 5D0 → 7F6 thời gian sống điện tử 39 trạng thái 5D0 Bảng 2.5 Lực liên kết điện tử-phonon SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT 42 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 TÊN HÌNH Sơ đồ khối hệ đo phát quang thông thường Các chuyển dời lượng trình huỳnh quang lân quang Chuỗi dao động chiều, nguyên tử Phổ quang học điện tử - phonon trường hợp tương tác yếu TRANG Sự xếp nguyên tử mạng ngẫu nhiên liên Hình 1.5 tục vật liệu tinh thể thạch anh SiO2 thủy tinh 12 silica (SiO2) Hình 1.6 Quặng có chứa nguyên tố đất 14 Hình 1.7 Giản đồ mức lượng Dieke 16 Hình 1.8 Các vòng tròn cấu hình điện tử Eu 17 Hình 2.1 Một số mẫu thuỷ tinh Tellurite chế tạo 28 Hình 2.2 Máy đo nhiễu xạ tia X XRD-D5000 SIEMENS 29 Hình 2.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thuỷ tinh Tellurite 29 Hình 2.4 Phổ hấp thụ mẫu 30 Hình 2.5 Hệ đo FL3-22 phòng quang phổ - Trường Đại học Duy Tân SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT 31 KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 2.6 GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Phổ phát quang mẫu M30(a), M40(b), M50(c), M60(d), (λex=465nm) 32 Hình 2.7 Phổ kích thích mẫu M30 33 Hình 2.8 Phổ kích thích mẫu M40 33 Hình 2.9 Phổ kích thích mẫu M50 33 Hình 2.10 Phổ kích thích mẫu M60 33 Hình 2.11 Giản đồ mức lượng ion Eu3+ 34 Hình 2.12 Hình 2.13 Phổ phonon sideband ion Eu3+ mẫu thủy tinh M30 liên quan đến chuyển dời 7F0→5D2 Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) thủy tinh M30 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT 40 40 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Thủy tinh pha tạp nguyên tố đất nghiên cứu rộng rãi với quan tâm lớn ứng dụng tiềm chúng thiết bị quang học laser trạng thái rắn, sợi quang học,…Các vật liệu dễ dàng chế tạo với hình dạng kích cỡ khác Trong số thủy tinh thủy tinh Tellurite thể tính chất đặc biệt độ bền tốt, sức bền hóa học cao, nhiệt độ nóng chảy thấp đặc biệt suốt vùng nhìn thấy, vật liệu có lượng phonon thấp Chính nhờ ưu điểm thủy tinh Tellurite trở thành vật liệu lý tưởng để pha tạp nguyên tố đất Trong số ion đất chúng tơi chọn ion Eu3+ (4f 6) phát xạ đơn sắc, có thời gian sống trạng thái kích thích kéo dài ln dùng đầu dò hiệu để đánh giá môi trường cục xung quanh ion RE Trong khóa luận này, chúng tơi sử dụng lý thuyết Judd-Ofelt để tính tốn thu thơng tin tin cậy tính chất phát quang mẫu thông số cường độ  (λ=2; 4; 6), xác xuất chuyển dời phát xạ chuyển dời (A), xác xuất tổng cộng (AT), thời gian sống trạng thái kích thích, tỷ số phân nhánh chuyển dời … Ngoài ra, để thu thông tin cấu trúc cục xung quanh ion đất thủy tinh Tellurite chúng tơi sử dụng phương pháp thực nghiệm đo phổ phonon sideband Trên sở đó, chúng tơi chọn đề tài khóa luận : “NGHIÊN CỨU CÁC THƠNG SỐ PHÁT XẠ VÀ LỰC LIÊN KẾT ĐIỆN TỬ-PHONON TRONG THỦY TINH TELLURITE PHA TẠP Eu3+’’ SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu mẫu vật liệu thủy tinh Tellurite pha tạp nguyên tố đất Europium chế tạo - Khảo sát tính chất quang học thủy tinh Tellurite - Tìm hiểu lý thuyết Judd-Ofelt dựa phân tích tính chất đặc trưng phổ hấp thụ, phổ phát quang để tính tốn thu nhận thơng tin tin cậy tính chất phát quang mẫu - Sử dụng phương pháp thực nghiệm đo phổ phonon sideband để thu thông tin cấu trúc cục xung quanh ion đất thủy tinh Tellurite Với mục tiêu trên, khóa luận gồm phần sau : Phần Mở đầu Phần Nội dung Chương Tổng quan lý thuyết Chương Thực nghiệm Phần Kết luận Phương pháp nghiên cứu - Đi sâu tìm hiểu nội dung khóa luận qua sách báo, phương tiện thông tin đại chúng tài liệu tham khảo liên quan - Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp, so sánh, thống kê để làm rõ nội dung Đồng thời sử dụng phép tốn cơng thức để hồn thành khóa luận - Tiến hành thảo luận cở sở số liệu tính mẫu thuỷ tinh sau pha tạp SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Trong dải hấp thụ 7F0 – 5L6 có đỉnh 394 nm chuyển dời thành phần lưỡng cực điện Chuyển dời thoả mãn quy tắc Laporte với số lượng tử J, ΔJ = 2, 4, cho trường hợp J = Chuyển mức 7F0  5L6 thấy có cường độ mạnh tất chuyển dời khác Dải hấp thụ 7F0 – 5D2 chuyển mức lưỡng cực điện phép thoả mãn quy tắc Laporte với số lượng tử J, ΔJ = 2, 4, dải hấp thụ gọi dải siêu nhạy Ngồi chuyển dời lại cường độ chúng nói chung nhỏ Tuy nhiên ta ghi nhận vạch hấp thụ thực nghiệm đo phổ kích thích phát quang 2.3.2 Phổ phát quang Tiến hành đo phổ phát quang hệ đo FL3-22 phòng quang phổ - Trường Đại học Duy Tân (Đà Nẵng), với bước sóng kích thích 465nm Hình 2.5 ổ- SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT FL3-22 D Trang 31 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Hình 2.6 ổ a4 M30(a), M40(b), M50(c), M60(d) (λex=465nm) Nhận xét: * Phổ phát quang mẫu có dạng giống Khi thay đổi hàm lượng B2O3 hình dạng phổ khơng thay đổi mà thay đổi cường độ Cụ thể, tăng hàm lượng B2O3 cường độ phát quang giảm đáng kể * Từ Hình 2.6 mẫu thuỷ tinh, quan sát chuyển dời phát quang mạnh : 5D0→7F0 (578nm), 5D0→7F1 (591nm), 5D0→7F2(612nm), D0→7F3 (653nm), 5D0→7F4 (703nm) Và chuyển dời yếu (đã phóng đại lên 25 lần): 5D0→7F5 (750nm) 5D0→7F6 (813nm) * Theo quy tắc lọc lựa chuyển dời lưỡng cực: chuyển dời lưỡng cực từ (  J =  1) chuyển dời lưỡng cực điện (  J =  2;  4,  ) : + Dải phát quang 5D0 – 7F1, đối chiếu với quy tắc lọc lựa chuyển dời lưỡng cực từ Về lý thuyết gần bậc lực dao động tử chuyển dời lưỡng cực từ không phụ thuộc vào môi trường xung quanh ion SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 32 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG + Chuyển dời 5D0 – 7F2, 5D0 – 7F4 5D0 – 7F6 Chúng chuyển dời lưỡng cực điện thỏa mãn quy tắc lọc lựa J-O cho ion Eu3+ Mọi chuyển dời lưỡng cực điện phụ thuộc mạnh vào đối xứng xung quanh ion, tức phụ thuộc vào môi trường pha tạp 2.3.3 Phổ kích thích Phổ kích thích đo nhiệt độ phòng mẫu ghi từ tín hiệu phát quang 612nm ứng với chuyển dời phát quang 5D0 – 7F2 thể Hình 2.7; 2.8; 2.9 2.10 Hình 2.7 ổ M30 Hình 2.8 ổ M40 Hình 2.9 ổ M50 Hình 2.10 ổ M60 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 33 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Bằng kỹ thuật thông thường hệ đo FL3-22 ta dễ dàng quan sát trực tiếp thấy dải kích thích ứng với chuyển dời : F0 – H6 (319nm); F0 – D4 (361nm); F1 – L7 (382nm); F0 – L6 (394nm); 7 5 7 7 F1 – D3 (414nm); F0 – D2 (465nm); F0 – D1 (526nm); F1 – D1 (533nm) 5 Tỷ số cường độ dải 7F0 – 5L6, 7F0 – 5D2 có thay đổi tăng hàm lượng B2O3 Cụ thể : vật liệu nhiều B2O3 (mẫu M60) dải kích thích 7F0 – L6 tăng mạnh so với 7F0 – 5D2 Từ phổ kích thích mẫu Hình 2.7 đến Hình 2.10, ta thiết lập giản đồ lượng (Hình 2.11) trạng thái kích thích khe lượng mức 5L6, 5D3, 5D2, 5D1, 5D0 ion Eu3+ vật liệu thủy tinh Cấu trúc lượng cho phép ta hiểu tính chất chuyển dời phát xạ không phát xạ vật liệu thủy tinh Tellurite Hình 2.11 G SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT ứ E 3+ Trang 34 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG 2.4 Phân tích Judd-Ofelt Áp dụng lý thuyết J-O để tính tốn tham số cường độ Ω2, Ω4 Ω6 sở số liệu thực nghiệm phổ hấp thụ phát quang Đặc biệt với mẫu chứa Eu3+ việc phân tích J-O thơng qua phổ hấp thụ gặp khó khăn phổ hấp thụ vùng UV-VIS ghi đỉnh có cường độ yếu Chỉ với chuyển dời khó tính ba tham số Ωλ cách tin cậy Cũng nhiều tác giả khác, chúng tơi lựa chọn giải pháp tính tham số Ωλ số liệu thực nghiệm từ phổ phát quang 2.4.1 Xác định thông số J-O từ phổ phát quang Như biết, phổ phát quang Eu3+ ta đặc biệt quan tâm tới bốn chuyển dời: chuyển dời ứng với lưỡng cực từ 5D0-7F1 ba chuyển dời ứng với lưỡng cực điện 5D0-7F2, 5D0-7F4 5D0-7F6 Ngoại trừ 5D0-7F6 tương đối yếu phóng đại 25 lần tất chuyển dời dễ dàng ghi máy quang phổ thông thường Tất chuyển dời đáp ứng quy tắc lọc lựa J-O chuyển dời lưỡng cực điện lưỡng cực từ Đại lượng đặc trưng cho trình phát quang từ mức ΨJ đến Ψ’J’ hệ số Einstein, tức xác suất chuyển dời ngẫu nhiên từ ΨJ đến Ψ’J’ Nó tính tốn theo lý thuyết J-O ký hiệu A(ΨJ,Ψ’J’):  Nếu chuyển dời tương tác lưỡng cực điện hệ số là: 6443 n(n  2)2 AED  SED 3h(2J  1) (2.1) Trong đó: SED cường độ vạch lưỡng cực điện (electric dipole line strength) SED  e2  2,4,6  J U  'J ' (2.2)  Nếu chuyển dời tương tác lưỡng cực từ hệ số là: AMD  6443 n SMD 3h(2J  1) SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT (2.3) Trang 35 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Trong đó: SMD cường độ vạch lưỡng cực từ SMD e2 h  J L  2S  'J ' 162 m2c2 (2.4) 3+ - Điều thuận lợi để xác định thông số J-O từ phổ phát quang Eu : + Trong chuyển dời 5D0-7F2 có yếu tố ||U2||2 khác khơng, lại ||U4||2 ||U6||2 không + Tương tự, chuyển dời 5D0-7F4 5D0-7F6 tương ứng với nó, có ||U4||2 ||U6||2 khác không Hai yếu tố ma trận rút gọn kép lại khơng Điều cho phép ta đơn giản hóa tính tốn nhiều, khơng cần lấy tổng giá trị λ + Vì phổ hấp thụ yếu nên chúng tơi tính Ωλ phổ phát quang Như nói, xác suất chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện AJ cho chuyển dời 5D0 - 7FJ (J = 2, 4, 6) phụ thuộc vào Ω2, Ω4 Ω6 tương ứng Đặc điểm cho phép ta xác định Ωλ từ tỷ số sau đây: A J  IJ d e2 3J n J (n J2  2)   J U J A1  I1d SMD 13 9n13   (2.5) Trong SMD cường độ vạch lưỡng cực từ chuyển dời D0 - F1 Tỷ số AJ/A1 tỷ số diện tích dải phát quang 5D0 - 7FJ diện tích dải phát quang lưỡng cực từ 5D0 - 7F1 Trước áp dụng công thức để tính tốn chúng tơi muốn giải thích rõ đại lượng tham gia công thức cách chọn đơn vị để tính tốn  Chỉ số J ứng với chuyển dời phát quang lưỡng cực điện 5D0 - 7FJ, mặt lý thuyết, J nhận ba giá trị: 2,  νJ tần số ứng với dải phát quang 5D0 - 7FJ  nJ chiết suất môi trường ứng với tần số ánh sáng phát quang νJ SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 36 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG  n1 chiết suất môi trường ứng với tần số ánh sáng phát quang lưỡng cực từ 5D0 - 7F1  Vì chuyển dời lưỡng cực từ độc lập với nền, mà phụ thuộc vào nguyên tử đất hiếm, nên đại lượng A1, SMD tính tốn cơng bố bảng, ví dụ cơng bố Carnall Mặt khác ta có mối liên hệ AMD=(n/n’)3A’MD với A’MD n’ xác suất chuyển dời lưỡng cực từ chiết suất vật liệu biết Ví dụ với thủy tinh lithium fluoroborate pha tạp Eu (1%mol) A’MD = 59,1s-1 , n’=1,539 (trên thực tế, tác giả thường chọn A1 = 59,1 s-1 để tiện tính tốn) Từ dễ dàng tính AMD mẫu (ở Bảng 2.3)  ||UJ||2 = ||2, J = 2, 4, yếu tố ma trận cho chuyển dời xuất phát từ mức 5D0 kết thúc 7FJ với J = 2, Đại lượng đặc trưng cho ion đất Eu3+ không phụ thuộc vào Các giá trị tính cơng bố bảng số liệu để sử dụng chúng Từ số liệu thực nghiệm bảng tính nói chúng tơi tính tham số cường độ Ω2, Ω4 Ω6 Eu3+ mẫu thuỷ tinh Tellurite chứa Eu3+ chế tạo Trong quang phổ, để thuận lợi cho tính toán người ta dùng hệ đơn vị CGS : e = 4,803.10-10 esu [M1/2L3/2T-1] (đơn vị tĩnh điện) me = 9,10904 10-28g [M] h = 6,6261.10-27 ergs-1 [ML2T-1] c = 2,997925.1010 cms-1[LT-1] ν số sóng cực đại, cm-1 [L-1] Trong tính Ω2 , Ω4 Ω6 mẫu chúng tơi dùng số liệu lấy từ : ||U2||2 = ||2 = 0,0032 ||U4||2 = ||2 = 0,0023 ||U6||2 = ||2 = 0,0003 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 37 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Từ dễ dàng tính được: Ω2, Ω4 Ω6 Eu3+ mẫu thuỷ tinh Tellurite chứa Eu3+ chế tạo (Bảng 2.2) Bảng 2.2: Các thông s Judd-Ofelt (Ωλ x 10-20cm2) Ωλ M30 M40 M50 M60 Ω2 4,6724 4,597 4,4526 4,4147 Ω4 1,0516 1,0836 1,1307 1,1635 Ω6 0,6454 0,6486 0,6520 0,6587 Nhận xét: Từ Bảng 2.2 ta thấy tăng hàm lượng B2O3 : - Thơng số Ω2 giảm Điều dẫn đến tính bất đối xứng giảm, tức tính đối xứng tăng lên độ đồng hóa trị Eu – O giảm - Thông số Ω4 Ω6 tăng tức độ bền vững vật liệu tăng lên 2.4.2 Ứng dụng lý thuyết Judd-Ofelt để đoán nhận đặc trưng quang phổ RE Các thơng số tính từ lý thuyết J-O cho thông tin từ tính bất đối xứng, độ đồng hố trị, độ cứng vật liệu Mà từ thông số Ωλ có thơng tin tỉ số phân nhánh  , xác xuất dịch chuyển, thời gian sống trạng thái kích thích - Xác xuất dịch chuyển từ trạng thái ΨJ  Ψ’J’ : A(ΨJ ,Ψ’J’) = AED +AMD - Thời gian sống: Atotal ( ΨJ ) =   (2.8) A(ΨJ ,Ψ’J’) = J   cal (2.9) Xác xuất chuyển dời tổng cộng Atotal từ mức 5D0 xuống mức 7FJ lý thuyết tổng xác xuất ba chuyển dời 5D0-7F2 , 5D0-7F4 , 5D0-7F1 cụ thể : MD Atotal ( ΨJ ) = A0ED2 + A0ED4 + A0 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT (2.10) Trang 38 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Bảng 2.3 Xác su t chuy n d ng c c từ ng c n xác su t tổng c ng AMD (s-1) AED (s-1) Atotal (s-1) D0–7F1 D0–7F2 D0– 7F4 D0– 7F6 5 D0– 7F1 D0– 7F2 D0– 7F4 5 D0– 7F6 M30 62,2307 0 0 267,3778 13,7065 0,0390 343,3540 M40 61,0958 0 0 251,0725 13,1525 0,0389 325,3597 M50 60,3097 0 0 240,3678 12,9663 0,0362 313,6800 M60 58,5382 0 0 229,2718 12,6065 0,0357 300,4522 Từ ta tính thời gian sống trạng thái 5D0 mẫu (Bảng 2.4) - Tỷ số phân nhánh : βR(ΨJ ,Ψ’J’) = A(ΨJ ,Ψ’J’) / ATotal(ΨJ ) (2.11) Bảng 2.4 Tỷ s phân nhánh c a chuy n d i 5D0 → 7F1, 5D0 → 7F2, D0 → 7F4, 5D0 → 7F6 th i gian s ng c n tử tr ng thái 5D0  cal  R (%) D0–7F1 D0–7F2 D0–7F4 D0–7F6 (ms) M30 18,124 77,872 3,991 0,114 2,9124 M40 18,778 77,168 4,042 0,119 3,0735 M50 19,227 76,628 4,134 0,115 3,1880 M60 19,483 76,309 4,196 0,118 3,2383 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 39 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Nhận xét : Từ Bảng 2.3 cho thấy xác suất chuyển dời tổng cộng Atotal từ trạng thái kích thích 5D0 mẫu thủy tinh Tellurite giảm dần tăng hàm lượng B2O3 Từ Bảng 2.4 cho thấy tất mẫu tỷ số phân nhánh βR có giá trị lớn ứng với chuyển dời 5D0 → 7F2 (612nm), 5D0 → 7F1 (591nm), 5D0 → 7F4 (703nm) cuối 5D0 → 7F6 (813nm) Như chuyển dời đáng quan tâm 5D0 → 7F2 (612nm bước sóng phát quang màu đỏ) có tỷ số phân nhánh βR lớn Điều cho thấy loại vật liệu có triển vọng tốt cho Laser 2.5 Phổ phonon sideband ion Eu3+ mẫu thủy tinh M30 liên quan đến chuyển dời 7F0→5D2 Hình 2.12 ổ B M30 F0→5D2 E 3+ Hình 2.13 (F IR) ổ M30 Phổ PSB Eu3+ sử dụng công cụ hữu hiệu để thu thông tin cấu trúc cục xung quanh ion đất thủy tinh cung cấp trực tiếp giá trị lượng mode dao động xung quang Eu3+ Khi kích thích điện tử mức 7F0 ánh sáng có lượng hiệu hai mức lượng (ch ng hạn 5D0,1,2,3 7F0) điện tử chuyển từ mức 7F0 lên 5D0,1,2,3 chuyển dời điện tử túy – vạch zero-phonon (ZPL) SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 40 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Tuy nhiên, kích thích chuyển dời 7F0 lên 5D0,1,2,3 ánh sáng có lượng cao chút ít; mode dao động xung quanh ion Eu3+ trạng thái điện tử đồng thời kích thích Do đó, ta thu chuyển dời zerophonon dải PSB, dải PSB có lượng lớn chút có cường độ nhỏ hàng trăm lần so với cường độ chuyển dời điện tử túy tương ứng Năng lượng phonon (  ) đặc trưng cho thành phần dao động mơi trường cục xung quanh vị trí ion đất xác định giá trị chênh lệch lượng (cm-1) vạch chuyển dời điện tử túy vạch PSB tương ứng Hình 2.12 biểu diễn phổ phát quang chuyển dời 7F0 - 5D2, dải kích thích mạnh vị trí lượng cỡ 21500cm-1, ứng với chuyển dời túy điện tử hay gọi vạch ZPL, ba đỉnh vị trí lượng cao đỉnh ZPL lượng 750, 1340, 1883 cm-1 (S1, S2 S3) ba dải PSB Kết hợp với kết phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại (Hình 2.13.) thấy lượng phonon dải PSB lượng dao động nhóm liên kết phổ hấp thụ hồng ngoại có liên quan với So sánh kết với nghiên cứu tương tự [10, 15] ta nhận định nguồn gốc dải lượng phonon lượng 750cm-1 (tương ứng 775cm-1 phổ FTIR) có liên quan đến diện cấu trúc đơn vị [TeO3] thủy tinh, dải lượng phonon khoảng 1340cm-1 (tương ứng 1378cm-1 phổ FTIR) có liên quan đến dao động kéo căng cấu trúc đơn vị [BO3] mạng Borate, lượng phonon quan sát lượng 1883cm-1 (tương ứng 1830cm-1 phổ FTIR) liên quan đến dao động vòng Boroxol Như vậy, thông qua việc khảo sát phổ PSB Eu3+, chúng tơi thấy ion Eu3+ vào nhóm cấu trúc đơn vị [TeO3], [BO3] vòng Boroxol thủy tinh Tellurite SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 41 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Để mô tả mức độ liên kết mode dao động mạng chuyển dời túy điện tử người ta thường dùng đại lượng g lực liên kết điện tử-phonon: g APSP  I PSBd  APET  I PET d Từ phổ PSB mẫu M30, M40, M50, M60 ta tính giá trị g tương ứng: Mẫu M30 M40 M50 M60 g 0,015 0,021 0,039 0,040 Bảng 2.5 L ử-phonon Từ Bảng 2.5 ta thấy tăng tỷ lệ B2O3 thủy tinh Tellurite mức độ liên kết mode dao động mạng chuyển dời túy điện tử tăng lên SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 42 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG PHẦN KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu đề tài, đến số kết luận sau:  Chế tạo thành công thủy tinh Tellurite pha tạp Eu3+ phương pháp nóng chảy  Sử dụng lý thuyết J-O để tính thơng số đặc trưng Ω2, Ω4, Ω6 từ phổ phát quang vật liệu  Chuyển dời 5D0 → 7F2 có tỷ số phân nhánh βR lớn Điều cho thấy loại vật liệu có triển vọng tốt cho Laser  Thông qua việc khảo sát phổ PSB Eu3+ chúng tơi thấy ion Eu3+ vào cấu trúc đơn vị [TeO3], [BO3] vòng Boroxol thủy tinh Tellurite Mặc dù cố gắng nhiều làm đề tài hạn chế điều kiện thời gian nghiên cứu nên chắn không tránh khỏi hạn chế, khiếm khuyết bất cập định Vì vậy, mong nhận chia sẻ động viên ý kiến đóng góp quý báu thầy cô bạn Tôi xin chân thành cảm ơn! SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 43 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt : [1] Đào Trần Cao, Cơ sở Vật lý chất rắn, nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội (2004) [2] Lê Văn Thanh Sơn (2009), Thí nghiệm quang phổ Đại học Sư Phạm Đà Nẵng [3] Lê Văn Thanh Sơn (2013), Vật lý phát quang Đại học Sư Phạm Đà Nẵng [4] Phan Văn Thích (1973), Hiện tượng huỳnh quang kĩ thuật phân tích huỳnh quang (Giáo trình chun đề) Đại học tổng hợp Hà Nội [5] Vũ Xuân Quang, Cường độ chuyển dời f-f ion đất lý thuyết Judd-Ofelt, giảng Phòng Quang phổ Ứng dụng Ngọc học (Viện Khoa học Vật liệu), Phòng Vật lý Ứng dụng (Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Nha Trang), lớp cao học Vật lý Nha Trang 5/2008, lớp học lần thứ Nhiệt huỳnh quang Đồng Hới 7/2008 [6] Vũ Xuân Quang (2001), Quang phổ tâm điện tử Vật rắn, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học công nghệ Việt Nam Tiếng anh: [7] Babu S S., Babu P., Jayasankar C.K., SieversW., Trooster Th., Wortmann G (2007) Optical absorption and photoluminescence studies of Eu3+doped phosphate and fluorophosphate glasses, J Lumin Vol 126, pp 109–120 [8] Brian, M.Walsh, Judd-Ofelt theory: principles and practices, Nasa Langley research center hampton, VA 23681 USA (2007) [9] Gokulakrishnan Soundararajan, Optical characterization of rare earth doped glasses, In the Departement of Electrical and Computer Engineering University ò Sakatchewan Sakatoon, July 2009, pp 8-12 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 44 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG [10] J.Tennyson, The calculation of the vibrational-rotation energies of triatomic using scattering coordinates, Department of Physics and Astronomy, University College London, England (1986) [11] Judd B R (1962), Optical absorption intensities of Rare-Earth ion, Phys Rev Vol 127, No 3, pp 750-761 [12] Ofelt G.S., (1963), Intensities of crystal spectra of Rare-Earth ion, J Chem Phys Vol 37, No 2, pp 511-522 [13] P.Giannozzi, Introduction to the calculation of phonons and of Vibrational spectra, University Udine and Democritos National Stimulation Center, Italy (2008) [14] S.Methfessel Ruhr University Bochum (1984), Structure and Magnetism in Metal glasses [15] S.Rada., V.Dan., M.Rada., E.Cubea., Gadalinium-evironment in borate-Tellurate glass ceramics studied by FTIR and EPR spectrosapy, J.NonCryst Solid 356(2010) 474-479 SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang 45 ... ion đất thủy tinh Tellurite chúng tơi sử dụng phương pháp thực nghiệm đo phổ phonon sideband Trên sở đó, chúng tơi chọn đề tài khóa luận : “NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ PHÁT XẠ VÀ LỰC LIÊN KẾT ĐIỆN TỬ-PHONON... TỬ-PHONON TRONG THỦY TINH TELLURITE PHA TẠP Eu3 +’’ SVTH: PHẠM THỊ NGUYỆT Trang KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S TRẦN THỊ HỒNG Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu mẫu vật liệu thủy tinh Tellurite pha tạp nguyên... xạ vào vật chất, phần lượng bị hấp thụ, phần bị tái phát xạ Bức xạ phát xạ phát quang có bước sóng đặc trưng cho chất phát quang đặc trưng cho xạ kích thích, xạ riêng chát phát quang có phổ phát