Nghiên cứu tính chất quang của một số tinh thể pha tạp đất hiếm EU3+ ứng dụng cho scintillator

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHAN THỊ KHÁNH LY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MỘT SỐ TINH THỂ PHA TẠP ĐẤT HIẾM EU3+ ỨNG DỤNG CHO SCINTILLATOR KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHÓA: 2013 - 2017 Ngành: Sƣ phạm Vật Lý Quảng Bình, 2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - PHAN THỊ KHÁNH LY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MỘT SỐ TINH THỂ PHA TẠP ĐẤT HIẾM EU3+ ỨNG DỤNG CHO SCINTILLATOR KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHÓA: 2013 - 2017 Ngành: Sƣ phạm Vật Lý NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: ThS TRẦN THỊ HỒI GIANG Quảng Bình, 2017 Lời cảm ơn Trong thời gian học tập Trường Đại học Quảng Bình, em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ quý thầy cô, gia đình bạn bè Lời em xin chân thành cảm ơn giảng viên môn Vật lí Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quảng Bình tạo điều kiện để em tiếp thu kinh nghiệm quý giá thời gian học tập trường Đặc biệt với lòng biết ơn sâu sắc em xin tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo PGS.TS Trần Ngọc cô giáo ThS Trần Thò Hoài Giang tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Thầy cô luôn theo sát, động viên hướng dẫn em; trang bò cho em kiến thức hữu ích để em trưởng thành hơn; nguồn động lực để em phấn đấu vươn lên học tập sống Em xin cảm ơn thầy giáo Hoàng Sỹ Tài nhiệt tình giúp đỡ, bảo tận tình em trình làm thực nghiệm Nhờ mà em học hỏi nhiều kinh nghiệm, nhiều hiểu biết làm đề tài Cuối em xin cảm ơn gia đình, bạn lớp Đại học sư phạ#m Vật Lý K55 tất người động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình thực khóa luận Khóa luận thực thời gian ngắn kiến thức em hạn chế nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô giáo bạn sinh viên để khóa luận tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Quảng Bình, tháng 05 năm 2017 Sinh viên Phan Thò Khaùnh Ly MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn khóa luận Cấu trúc khóa luận Chƣơng TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 SƠ LƢỢC LÝ THUYẾT VỀ TINH THỂ 1.1.1 Khái niệm chung tinh thể 1.1.2 Phân loại đặc điểm loại tinh thể 1.1.2.1 Tinh thể nguyên tử 1.1.2.2 Tinh thể ion 1.1.2.3 Tinh thể kim loại 1.1.2.4 Tinh thể phân tử 1.1.2.5 Tinh thể thực 1.1.3 Cấu trúc tinh thể 1.1.3.1 Cấu trúc đơn chất 1.1.3.2 Cấu trúc hợp chất ion nguyên tố 10 1.1.4 Các phƣơng pháp nuôi đơn tinh thể 10 1.1.4.1 Kỹ thuật Czochralski 11 1.1.4.2 Kỹ thuật Bridgman 12 1.1.5 Giản đồ pha đơn tinh thể 13 1.1.5.1 Hệ cấu tử (hệ bậc một) 13 1.1.5.2 Hệ hai cấu tử (hệ bậc hai) 14 1.3 TÂM QUANG HỌC LÀ CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM 20 1.3.1 Các tâm quang học thuộc nhóm đất (RE) 20 1.3.2 Đặc trƣng tâm phát quang Eu3+ 25 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 2.1 Chế tạo mẫu 26 2.1.1 Phƣơng pháp chế tạo mẫu 26 2.1.2 Quy trình chế tạo 26 2.1.3 Kết kiểm tra cấu trúc phổ nhiễu xạ tia X 28 2.1.3.1 Khảo sát cấu trúc 28 2.1.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X 29 2.2 Nghiên cứu tính chất phát quang vật liệu 31 2.2.1 Phƣơng pháp đo phổ phát quang 31 2.2.2 Phổ phát quang 32 2.2.2.1 Sự phát quang ion Eu3+ khác 33 2.2.2.2 Nồng độ tối ƣu ion Eu3+ tinh thể 35 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG KHĨA LUẬN Hình Tên Trang Hình 1.1 Ơ mạng sở lập phƣơng tâm diện Hình 1.2 Cấu trúc lục phƣơng compact H (a); lăng trụ lục phƣơng compact (b) Hình 1.3 Cấu trúc lục phƣơng tâm khối I Hình 1.4 Cấu trúc kiểu kim cƣơng D 10 Hình 1.5 Cấu trúc phân tử NaCl 10 Hình 1.6 Mơ hình kỹ thuật Czochralski 11 Hình 1.7 Mơ hình kỹ thuật Bridgman 12 Hình 1.8 Giản đồ trạng thái nƣớc 13 Hình 1.9 Giản đồ trạng thái lƣu huỳnh 13 Hình 1.10 Hệ trục giản đồ pha cấu tử 14 Hình 1.11 Giản đồ pha loại 1, dạng tổng quát (a), hệ Pb-Sb (b) 15 Hình 1.12 Giản đồ pha loại 2, dạng tổng quát (a), hệ Cu-Ni (b) 17 Hình 1.13 Giản đồ pha loại 18 Hình 1.14 Giản đồ pha hệ Pb-Sn 18 Hình 1.15 Giản đồ pha loại 4, dạng tổng qt (a), hệ Mg-Cu 19 Hình 1.16 Các vòng tròn cấu hình điện tử nguyên tố đất 21 Hình 1.17 Sự tƣơng tác nguyên tử tách mức lƣợng 22 ion đất Hình 1.18 Giản đồ mức lƣợng ion RE3+ - Giản đồ 24 Dieke Hình 1.19 Giản đồ chuyển mức lƣợng ion Eu3+ 25 Hình 2.1 Mơ hình kỹ thuật Bridgman 26 Hình 2.2 Mẫu tinh thể CaEuF với vùng tạp khác 27 Hình 2.3 Mẫu tinh thể SrEuF với vùng tạp khác 28 Hình 2.4 Mẫu tinh thể BaEuF với vùng tạp khác 28 Hình 2.5 Phổ nhiễu xạ tia X tinh thể CaF2 pha tạp Eu3+ 29 Hình 2.6 Phổ nhiễu xạ tia X tinh thể SrF2 pha tạp Eu3+ 30 Hình 2.7 Phổ nhiễu xạ tia X tinh thể BaF2 pha tạp Eu3+ 30 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ quang phát quang 31 Hình 2.9 Phổ phát quang ion Eu3+ khác 32 Hình 2.10 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF 33 Hình 2.11 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể SrEuF 33 Hình 2.12 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể BaEuF 34 Hình 2.13 Cƣờng độ phát quang ion Eu3+ tinh thể 35 Hình 2.14 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF 35 Hình 2.15 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể SrEuF 36 Hình 2.16 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể BaEuF 37 DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG KHÓA LUẬN Bảng Tên Bảng 1.1 Cấu trúc điện tử trạng thái ion đất Trang 20 hóa trị Bảng 1.2 Cấu hình electron đất hóa trị III trạng thái 23 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Chất nhấp nháy (scintillator) chất đặc biệt nhạy với xạ ion hóa nhƣ tia X, nhấp nháy đƣợc chiếu xạ Vì chúng đƣợc sử dụng rộng rãi để ghi nhận tia X nhƣ: Bìa tăng quang cho phim thƣờng quy, máy tăng sáng truyền hình, lớp nhấp nháy cảm biến số…Scintillator thƣờng dùng cho cảm biến số Cesium Iodide (Cs(Na)) Hiện nay, ứng dụng tia X lĩnh vực hoạt động nguời thúc đẩy việc nghiên cứu vật liệu scintillator nhiều năm qua Do việc nghiên cứu tìm kiếm chất liệu scintillator tối ƣu hóa vật liệu thu hút quan tâm nhà khoa học nƣớc Đặc biệt nhu cầu cần thiết số lƣợng nhƣ chất lƣợng vật liệu cho máy gia tốc vật lí cao đại với phát triển máy chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) hứa hẹn công cụ nghiên cứu phƣơng pháp chuẩn đoán tuyệt vời lĩnh vực y tế [1] Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu đòi hỏi vật liệu cho thiết bị dò scintillator phải có đặc tính ƣu việt Các vật liệu đƣợc tạo phải suốt có độ truyền qua tốt, độ ổn định cao Các vật liệu có cấu trúc tinh thể đáp ứng đƣợc yêu cầu Sáu mƣơi năm trƣớc, việc phát minh NaI:Tl bắt đầu kỹ nguyên vật lý scintillators, nhƣng ngày tinh thể lựa chọn tối ƣu Việc nghiên cứu tính chất quang tinh thể pha tạp nguyên tố đất nguyên tố chuyển tiếp đƣợc thực năm gần Các nhà khoa học nghiên cứu đƣa đƣợc thallium pha tạp hiệu nhƣng chậm không ổn định mặt hóa học Trong Eu đồng pha tạp lại thể đặc tính vƣợt trội hiệu suất sáng khả đạt độ phân giải lƣợng tốt Eu pha tạp có chuyển tiếp xạ từ lớp d->f Các tâm phát quang cho dãi màu xanh tƣơi khoảng 410470 nm có thời gian phân rã ~1 s hứa hẹn chất kích hoạt tốt [1] Với mục tiêu nghiên cứu tìm kiếm vật liệu ứng dụng lĩnh vực scintillator thực nghiên cứu hệ vật liệu phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu khoa học cho sinh viên ngành Vật Lí Với lí tơi lựa chọn số tinh thể pha tạp đất Eu3+ để phát triển nghiên cứu cho đề tài Tên đề tài: Nghiên cứu tính chất quang số tinh thể pha tạp đất Eu 3+ ứng dụng cho scintillator Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tính chất quang ion đất Eu3+ tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF, từ nhận định định hƣớng ứng dụng cho loại vật liệu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Nghiên cứu tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF pha tạp ion đất Eu3+ - Phạm vi nghiên cứu: + Khảo sát cấu trúc mẫu tinh thể pha tạp ion đất Eu3+ phƣơng pháp nhiễu xạ tia X + Nghiên cứu tính chất quang ion đất Eu3+ tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF định hƣớng ứng dụng scintillator Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm hiểu phƣơng pháp chế tạo tinh thể pha tạp ion đất Eu3+ - Kiểm tra chất lƣợng tinh thể chế tạo đƣợc, bao gồm: nhiễu xạ tia X - Nghiên cứu tính chất quang vật liệu thông qua phổ huỳnh quang Ý nghĩa khoa học thực tiễn khóa luận - Nghiên cứu tinh thể pha tạp ion đất với thành phần, tỷ lệ thích hợp…để cho sản phẩm tinh thể phát quang có chất lƣợng tốt theo định hƣớng ứng dụng làm linh kiện quang học, đặc biệt ứng dụng scintillator - Vận dụng cách sáng tạo két nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết tính chất quang hệ vật liệu làm sở để tối ƣu hóa cơng nghệ chế tạo việc làm vừa có ý nghĩa khoa học vừa thực tiễn Cấu trúc khóa luận Ngồi phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, nội dung khóa luận gồm chƣơng: Chƣơng Giới thiệu tổng quan lý thuyết tinh thể, phƣơng pháp nuôi đơn tinh thể Trình bày đặc trƣng ion đất Eu3+ Chƣơng Tiến hành việc kiểm tra chất lƣợng mẫu chế tạo, trình bày kết phép đo: phổ nhiễu xạ tia X, phổ phát quang Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2.1 Chế tạo mẫu 2.1.1 Phƣơng pháp chế tạo mẫu Tinh thể đƣợc chế tạo kỹ thuật ni Bridgman Kỹ thuật đƣợc gọi kỹ thuật kết tinh đẳng hƣớng gradient nhiệt độ Vật liệu ban đầu đƣợc cho vào thuyền ni, đun nóng chảy, sau tái kết tinh cách di chuyển thuyền qua gradient nhiệt độ Thuyền ni thƣờng có dạng hình chóp nón phần đáy Mầm tinh thể thƣờng đƣợc đặt phía dƣới thuyền nuôi để đảm bảo tinh thể mọc lên theo chiều di chuyển thuyền Sau vật liệu đƣợc làm nóng chảy, thuyền đƣợc di chuyển chậm qua gradient nhiệt độ trinh hình thành tinh thể vị trí phần chóp nón thuyền Hình 2.1 Mơ hình kỹ thuật Bridgman 2.1.2 Quy trình chế tạo Vật liệu ban đầu đƣợc cho vào thuyền ni, đun nóng chảy lên, sau tái kết tinh cách di chuyển thuyền qua gradient nhiệt độ Hình dạng thuyền ni thƣờng hình chóp nón phần đáy Mầm tinh thể thƣờng đƣợc đặt phía dƣới thuyền nuôi 26 để đảm bảo tinh thể mọc lên theo chiều di chuyển thuyền Sau vật liệu đƣợc làm nóng chảy, thuyền đƣợc di chuyển chậm qua gradient nhiệt độ trình hình thành tinh thể vị trí phần chóp nón thuyền Một yêu cầu khắt khe kỹ thuật nuôi đơn tinh thể chế độ nhiệt hệ thống lò ni, phải biết đƣợc phân bố nhiệt bên lò nung gradient nhiệt Vì vậy, trƣớc tiến hành ni đơn tinh thể ta phải khảo sát phân bố nhiệt lò nung với chế độ nhiệt đốt ban đầu khác Các tinh thể đƣợc nuôi phƣơng pháp Bridgman với vật liệu ban đầu bao gồm CaF2, SrF2, BaF2 với độ >99,99% Tạp chất thêm vào dƣới dạng EuF3 tinh khiết độ >99,99% Thuyền nuôi đƣợc gia công từ graphit dạng khối, độ cao Đƣờng kính thuyền 20 mm, phần dƣới hình chóp nón với góc 90 độ Dƣới đáy nón có lỗ đƣờng kính mm, dài 50 mm đễ đặt mầm Sau lấy mẫu khỏi thuyền nuôi, mẫu đƣợc rửa Thực cắt, mài phẳng đánh bóng hai mặt để chuẩn bị cho phép đo quang học 1% 5% 35% Hình 2.2 Mẫu tinh thể CaEuF với vùng tạp khác 27 1% 20% 35% Hình 2.3 Mẫu tinh thể SrEuF với vùng tạp khác 1% 12.5% 35% Hình 2.4 Mẫu tinh thể BaEuF với vùng tạp khác 2.1.3 Kết kiểm tra cấu trúc phổ nhiễu xạ tia X 2.1.3.1 Khảo sát cấu trúc Để nghiên cứu cấu trúc vật rắn ta dùng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X có nguyên lý dựa tƣợng nhiễu xạ tia X lên tinh thể vật rắn Đó tƣợng chiếu tia X vào vật rắn tinh thể, ta thấy xuất tia nhiễu xạ với cƣờng độ hƣớng khác nhau, bƣớc sóng tia X có độ dài vào cỡ khoảng cách mặt phẳng tinh thể vật rắn Các hƣớng bị khống chế bƣớc sóng xạ tới chất mẫu tinh thể Nhiễu xạ tia X xảy tinh thể vật rắn thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg: 28 2d hkl sin   n (1.4) Trong λ bƣớc sóng chùm tia X, θ góc hợp tia X mặt phẳng nguyên tử tinh thể, d hkl khoảng cách mặt phẳng nguyên tử, bậc nhiễu xạ n số nguyên dƣơng Các thông số thu đƣợc từ phƣơng pháp nhiễu xạ tia X thơng số mạng tinh thể, tính đối xứng mạng số thông tin liên quan khác Ngoài ra, từ phổ nhiễu xạ tia X thu đƣợc thơng tin cấu trúc phân tử nhƣ: tọa độ nguyên tử không gian tinh thể, độ dài liên kết, góc liên kết Việc phân tích cấu trúc vật rắn nhiễu xạ tia X đƣợc chia làm hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: Xác định cấu trúc mạng (xác định thơng số mạng tinh thể, tính đối xứng mạng số thông tin liên quan) - Giai đoạn 2: Xác định cấu trúc phân tử (xác định tọa độ nguyên tử không gian tinh thể, độ dài liên kết, góc liên kết) Cƣờng độ (đvtđ) 2.1.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X Hình 2.5 Phổ nhiễu xạ tia X tinh thể CaF2 pha tạp Eu3+ 29 Cƣờng độ (đvtđ) Cƣờng độ (đvtđ) Hình 2.6 Phổ nhiễu xạ tia X tinh thể SrF2 pha tạp Eu3+ Hình 2.7 Phổ nhiễu xạ tia X tinh thể BaF2 pha tạp Eu3+ Với mục tiêu tìm vật liệu có tính chất đặc biệt để ứng dụng lĩnh vực Scintillator, chúng tơi tiến hành nghiên cứu tính chất quang số tinh thể CaF2, SrF2, BaF2 pha tạp Eu3+ Mẫu sau chế tạo xong, để kiểm tra chất lƣợng pha 30 kết tinh tinh thể cần phải thực phép nhiễu xạ tia X Phép đo đƣợc thực hệ Siemens D5000 Viện Khoa Vật Liệu – Hà Nội 2.2 Nghiên cứu tính chất phát quang vật liệu 2.2.1 Phƣơng pháp đo phổ phát quang Nguyên lý hệ đo phổ phát quang đƣợc mơ tả hình 2.11 Hình 2.8 Sơ đồ ngun lý hệ đo phổ quang phát quang 1: Nguồn sáng kích thích đơn sắc 7: Máy đơn sắc xạ 2, 4: Hệ thống thấu kính hội tụ 8: Nhân quang điện 3: Gá mẫu 9: Bộ khuếch đại 5: Bộ điều biến 10: Máy tính 6: Motor bước Chùm sáng từ nguồn kích thích (1) qua hệ thống thấu kính (2) hội tụ lên mẫu (3) để kích thích mẫu phát quang Khi chiếu xạ kích thích nằm vùng hấp thụ mẫu, mẫu phát quang Chùm xạ phát quang mẫu hội tụ lên khe máy đơn sắc nhờ hệ thống thấu kính hội tụ (4) Trƣớc vào khe máy đơn sắc (7) chùm ánh sáng bị biến điệu có cƣờng độ nhấp nháy Sau vào máy đơn sắc chùm ánh sáng phát quang bị tán sắc khe máy đơn sắc thu đƣợc xạ đơn sắc có bƣớc sóng xác định Các tia sáng đơn sắc đƣợc thu nhận nhờ nhân quang điện (8), tín hiệu ánh sáng đƣợc chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu điện đƣợc khuếch đại kỹ thuật khác khuếch đại (9) Tín hiệu sau khuếch đại đƣợc đƣa vào máy tính (10) xử lý thơng qua card ADC Việc tạo tính hiệu chuẩn đƣợc thực nhờ điều biến quang học (5), phận vừa điều biến tín hiệu quang vừa tạo tín hiệu chuẩn so sánh cho khuếch đại Việc điều khiển motor 31 bƣớc (6) đƣợc thực tự động máy tính thơng qua card chuyển đổi DAC, điều phù hợp với việc điều khiển hệ thống từ máy vi tính qua motor bƣớc ghép nối với máy đơn sắc nhờ chƣơng trình phần mềm Kết thu đƣợc cƣờng độ xạ IPL hàm bƣớc sóng xạ mẫu, phổ xạ PL 2.2.2 Phổ phát quang Cƣờng độ phát quang vật liệu phụ thuộc vào nồng độ tâm quang học (pha tạp) hình thành cấu trúc mạng Thông thƣờng nồng độ pha tạp không lớn, tăng nồng độ pha tạp từ thấp lên cao cƣờng độ phát quang tăng lên gia tăng mật độ tâm quang học Tuy nhiên, tăng nồng độ chất đến ngƣỡng (nồng độ tới hạn) cƣờng độ phát quang khơng tăng nữa, tiếp tục tăng lƣợng pha tạp cƣờng độ phát quang suy giảm Sự suy giảm nồng độ phát quang vật liệu nồng độ pha tạp vƣợt giá trị (tới hạn) đƣợc gọi tƣợng dập tắt cƣờng độ phát quang nồng độ pha tạp [8] Kết khảo sát cho ta hình dạng phổ phát quang ion Eu3+ Cƣờng độ (đvtđ) khác Bƣớc sóng (nm) Hình 2.9 Phổ phát quang ion Eu3+trong khác 32 2.2.2.1 Sự phát quang ion Eu3+ khác Cƣờng độ (đvtđ) 2.2.2.1.1 Vùng phổ phát quang Bƣớc sóng (nm) Hình 2.10 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF gồm dãi hẹp phân bố ba vùng phổ: từ 575 nm đến 600 nm có đỉnh khoảng 590 nm; từ 610 nm đến 660 nm có đỉnh rõ rệt với vị trí 615 nm 650 nm; từ 675 nm đến 710 nm có ba đỉnh vị Cƣờng độ (đvtđ) trí 680 nm, 690 nm vị trí 700 nm Bƣớc sóng (nm) Hình 2.11 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể SrEuF 33 Cũng nhƣ phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF, phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể SrEuF gồm dãi hẹp phân bố ba vùng phổ: từ 575 nm đến 610 nm có đỉnh khoảng 580 nm 590 nm; từ 610 nm đến 660 nm có đỉnh rõ rệt với vị trí 615 nm 650 nm; từ 680 nm đến 720 nm có hai đỉnh vị trí 685 nm vị trí 700 nm Thể hình 2.11 phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể SrEuF Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể BaEuF gồm dãi hẹp phân bố ba vùng phổ: từ 575 nm đến 610 nm có đỉnh khoảng 590 nm; từ 610 nm đến 660 nm có đỉnh rõ rệt với vị trí 620 nm 650 nm; từ 680 nm đến 720 nm có hai đỉnh vị trí 685 nm vị trí 700 nm Thể hình 2.12 phổ phát quang ion Cƣờng độ (đvtđ) Eu3+ tinh thể BaEuF Bƣớc sóng (nm) Hình 2.12 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể BaEuF 2.2.2.1.2 So sánh vùng phổ khác Từ kết phân tích phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF cho ta thấy với khác nhƣng vị trí vùng phổ gần nhƣ Phổ phát quang ion Eu3+ mạng khác gồm dãi hẹp phân bố ba vùng phổ: từ khoảng 575 nm đến 610 nm; từ 610 nm đến 660 nm từ 680 nm đến 720 nm Vị trí đỉnh phổ đƣợc xác định vào khoảng 590 nm, 620nm, 650nm 700nm Nhƣ phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF với vùng tạp khác có tƣơng quan tỉ lệ 34 vùng phổ Sự tƣơng quan đƣợc thể hình 2.13 cƣờng độ phát quang ion Cƣờng độ (đvtđ) Eu3+ tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF Bƣớc sóng (nm) Hình 2.13 Cường độ phát quang ion Eu3+ tinh thể Cƣờng độ (đvtđ) 2.2.2.2 Nồng độ tối ƣu ion Eu3+ tinh thể Bƣớc sóng (nm) Hình 2.14 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF 35 Từ phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể CaEuF ta thấy, với vùng pha tạp khác vị trí đỉnh không thay đổi mà thay đổi cƣờng độ vùng pha tạp Tinh thể CaEuF với nồng độ tạp Eu3+ từ 1% đến 5% phát quang mạnh tƣơng ứng với nồng độ tối ƣu Khi tăng nồng độ lên >5% tạp Eu 3+ tinh thể cƣờng độ phát quang khơng tăng mà suy giảm Điều thể đƣờng phổ phát quang tinh thể CaEuF pha tạp 35% ion Eu3+ Có thể xảy Cƣờng độ (đvtđ) tƣợng dập tắt nồng độ Bƣớc sóng (nm) Hình 2.15 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể SrEuF Cũng nhƣ phổ phát quang tinh thể CaEuF, phổ phát quang tinh thể SrEuF gồm đỉnh phổ rõ rệt Ứng với vùng pha tạp khác nhau, vị trí đỉnh khơng thay đổi thay đổi cƣờng độ phát quang Nồng độ tối ƣu tạp tinh thể 20% Khi tăng nồng độ tạp Eu3+ lên >20% cƣờng độ phát quang giảm, xảy tƣợng dập tắt cƣờng độ phát quang nồng độ pha tạp Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể BaEuF với nồng độ tạp khác xảy tƣợng dập tắt cƣờng độ phát quang nồng độ pha tạp Nồng độ tối ƣu ứng với nồng độ tạp Eu3+ hợp chất 12,5% Nếu tăng nồng độ tạp lên cƣờng độ phát quang khơng tăng mà suy giảm Phổ phát quang ion Eu3+ 1% 35% tinh thể BaEuF gần giống 36 Cƣờng độ (đvtđ) Bƣớc sóng (nm) Hình 2.16 Phổ phát quang ion Eu3+ tinh thể BaEuF 37 KẾT LUẬN Với mục tiêu khóa luận: “Nghiên cứu tính chất quang số tinh thể pha tạp đất Eu3+ ứng dụng cho scintillator” đạt đƣợc số kết sau: - Nắm vững số lý thuyết tinh thể, nghiên cứu phƣơng pháp nuôi đơn tinh thể, đặc trƣng ion đất Eu3+ - Đƣa đƣợc phƣơng pháp nuôi đơn tinh thể với vật liệu CaF2, SrF2 BaF2 pha tạp ion Eu3+ kỹ thuật Bridgman - Cấu trúc mẫu tinh thể pha tạp Eu3+ chế tạo đƣợc nghiên cứu phƣơng pháp nhiễu xạ tia X Kết thu đƣợc chứng tỏ tinh thể pha tạp ion đất Eu3+ có cấu trúc vi tinh thể cho đỉnh rõ rệt không đổi - Mặt khác ta so sánh phổ phát quang tinh thể pha tạp ion Eu3+ ta thấy khác nhau, ứng với vùng pha tạp khác nhau, vị trí đỉnh không thay đổi thay đổi cƣờng độ phát quang - Từ kết khảo sát phổ phát quang ta thấy tất tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF chế tạo đƣợc cho ta vạch phát xạ điển hình Eu3+ - Tinh thể BaEuF với nồng độ tạp 12,5% Eu3+ cho ta không dải phát xạ cao mà dày đặc, mật độ cao hứa hẹn ứng cử viên điển hình ứng dụng lĩnh vực scintillator 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Natalia V Shiran, Alexander V Gektin, Yanina Boyarintseva, Sergey Vasyukov, Andrej Boyarintsev, Vyacheslav Pedash, Sergej Tkachenko, Olga Zelenskaya, N Kosinov, O Kisil, L Philippovich, Eu Doped and Eu, Tl Co-Doped NaI Scintillators; Vol 57, No.3 (2010) [2] G.S Phạm Văn Tƣờng, Giáo trình tinh thể học; NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007; pp 67-93 [3] Trần Thị Hoài Giang, Growth and Optical characteristics of Eu -doped single crystals for scintillator application (2011) [4] Trần Thị Hoài Giang (2009), Ảnh hưởng tâm bẫy đến tượng phát quang vật liệu aluminate kiềm thổ, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Huế [5] Nông Ngọc Hồi, Nghiên cứu tính chất vật liệu nano ZnO pha tạp Eu3+, Luận văn thạc sĩ khoa học, Đại học quốc gia Hà Nội [6] Bùi Thế Huy_Luận văn thạc sĩ, Chế tạo nghiên cứu tính chất quang vật liệu phát quang Li2B4O7 LiF pha tạp nhằm mục đích đo liều xạ [7] Vũ Xuân Quang, Quang phổ tâm điện tử vật rắn, (1999), Viện khoa học vật liệu, Hà Nội [8] P V Do, V.P.Tuyen, V.X.Quang, L.X.Hung, L.D.Thanh, T.Ngoc, N.V.Tam, B.T.Huy; Opt Mater., 55(2016), pp 62-67 [9] Trần Ngọc, Nhiệt phát quang lý thuyết ứng dụng; Trƣờng Đại học Quảng Bình [10] GS Phạm Văn Tƣờng, Giải thích giản đồ pha; NXB Đại học quốc gia Hà Nội 39 40 ... nghiên cứu cho đề tài Tên đề tài: Nghiên cứu tính chất quang số tinh thể pha tạp đất Eu 3+ ứng dụng cho scintillator Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu tính chất quang ion đất Eu3+ tinh thể CaEuF,... HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - PHAN THỊ KHÁNH LY NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MỘT SỐ TINH THỂ PHA TẠP ĐẤT HIẾM EU3+ ỨNG DỤNG CHO SCINTILLATOR KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHÓA: 2013 -... mẫu tinh thể pha tạp ion đất Eu3+ phƣơng pháp nhiễu xạ tia X + Nghiên cứu tính chất quang ion đất Eu3+ tinh thể CaEuF, SrEuF BaEuF định hƣớng ứng dụng scintillator Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm