Nghiên cứu ảnh hưởng của đồng pha tạp lên tính chất quang của ion đất hiếm sm3+ trong thuỷ tinh borate kiềm

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ LƢƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ ĐỒNG PHA TẠP LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA ION ĐẤT HIẾM Sm3+ TRONG THỦY TINH BORATE - KIỀM NGÀNH HỌC: ĐẠI HỌC SƢ PHẠM VẬT LÝ Hệ đào tạo: Chính quy Khóa học: 2013 – 2017 QUẢNG BÌNH, 2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ LƢƠNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ ĐỒNG PHA TẠP LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA ION ĐẤT HIẾM Sm3+ TRONG THỦY TINH BORATE - KIỀM NGÀNH HỌC: ĐẠI HỌC SƢ PHẠM VẬT LÝ Hệ đào tạo: Chính quy Khóa học: 2013 – 2017 GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN NGỌC QUẢNG BÌNH, 2017 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô giáo Trƣờng Đại học Quảng Bình, khoa Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện, giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thành khóa luận Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo – PGS.TS Trần Ngọc, ngƣời cố vấn tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ em, truyền đạt cho em kiến thức quan trọng, đam mê khoa học tinh thần học hỏi, ngƣời có cơng to lớn cho hồn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến thầy giáo - Th.S Hoàng Sỹ Tài, phụ trách phòng thí nghiệm Vật lý, q thầy giáo phụ trách phòng thí nghiệm Hóa học tận tình hƣớng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho em q trình nghiên cứu hồn thành khóa luận Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, bạn bè tập thể lớp Đại học sƣ phạm Vật lý K55- Trƣờng Đại học Quảng Bình cỗ vũ động viên tinh thần giúp đỡ em suốt trình học tập hồn thành khóa luận tốt nghiệp Kính chúc q thầy giáo, giáo, gia đình, bạn bè sức khỏe thành cơng! Quảng Bình, tháng 05 năm 2017 Sinh viên Trần Thị Lƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Hiện tƣợng phát quang 1.1.1 Khái niệm tƣợng phát quang 1.1.2 Phân loại tƣợng phát quang 1.2 Tâm quang học 1.2.1 Phân loại tính chất tâm quang học 1.2.2 Các tâm quang học mạng 1.2.3 Các tâm quang học thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp 1.2.4 Các tâm quang học thuộc nhóm đất (RE+) 1.2.5 Nhóm tâm màu 1.3 Lý thuyết trình truyền lƣợng 1.3.1 Quá trình truyền lƣợng tâm khác 1.3.2 Quá trình truyền lƣợng tâm giống 12 1.4 Lý thuyết thủy tinh 14 1.4.1 Khái niệm chung vật liệu thủy tinh 14 1.4.2 Các tính chất thủy tinh 15 1.5 Các phƣơng pháp chế tạo thủy tinh 17 1.5.1 Phƣơng pháp nóng chảy 17 1.5.2 Phƣơng pháp Sol - gel 18 1.6 Lý thuyết đất 19 1.6.1 Khái niệm chung đất 19 1.6.2 Tính chất ứng dụng đất 20 1.6.3 Lý thuyết nguyên tố đất Sm 20 CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ ĐỒNG PHA TẠP LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA ION ĐẤT HIẾM Sm3+TRONG THỦY TINH BORATE-KIỀM 24 2.1 Đơn pha tạp Sm3+ 24 2.1.1 Phổ hấp thụ ion Sm3+ thủy tinh BLN:Sm3+ 24 2.1.2 Phổ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN:Sm3+ .26 2.2 Đồng pha tạp Sm3+, Ce3+ Sm3+, Tb3+ mạng BLN 28 2.2.1 Thủy tinh đồng pha tạp BLN:Sm3+, Ce3+ 28 2.2.2 Thủy tinh đồng pha tạp BLN: Sm3+, Tb3+ 29 2.3 Phân tích ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate-kiềm 30 2.3.1 Phổ phát quang ion Sm3+, Ce3+ đồng pha tạp thủy tinh BLN 30 2.3.2 Phổ phát quang ion Tb3+, Sm3+ đồng pha tạp thủy tinh BLN 31 2.4 Giản đồ tọa độ màu 33 2.4.1 Khi đơn pha tạp ion Sm3+ 33 2.4.2 Khi đồng pha tạp ion Sm3+, Ce3+ Sm3+, Tb3+ mạng BLN 34 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Các chữ viết tắt LED Đi-ốt phát quang (lingt-emiting diode) W-LED Đi-ốt phá quang ánh sáng trắng (white LED) RE Đất (Rare Earth) BLN Borate-kiềm (B2O3, Li2CO3, Na2CO3) CIE Giản đồ tọa độ màu (Commisson Internationale de L’ecslairage) UV Vùng tử ngoại IR Vùng hồng ngoại UV-VIS Vùng tử ngoại - Khả kiến Các kí hiệu E Năng lƣợng kích hoạt G Tính chất cần tính gi Tính chất riêng phần cấu tử i Nồng độ cấu tử i Bƣớc sóng Hệ số giản nở nhiệt DANH MỤC BẢNG BIỂU STT bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Cấu hình điện tử trạng thái ion RE hóa trị Bảng 1.2 Các hệ số Baillih 16 Bảng 1.3 Các hệ số English Turner để tính hệ số giản nở nhiệt 16 Bảng 2.1 Bƣớc sóng λ (nm); số sóng (cm-1) lƣợng E (eV) tƣơng ứng với đỉnh phổ hấp thụ Sm3+ (trong vùng tử ngoại nhìn thấy) 25 Bảng 2.2 Cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN đồng 31 pha tạp Sm3+, Ce3+ Bảng 2.3 Cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN đồng 32 pha tạp Sm3+, Tb3+ Bảng 2.4 Tọa độ màu (x,y,z) tỉ lệ R/G/B thủy tinh đồng pha tạp Sm3+,Ce3+ 36 Bảng 2.5 Tọa độ màu (x,y,z) tỉ lệ R/G/B thủy tinh đồng pha tạp Sm3+,Tb3+ 40 DANH MỤC HÌNH ẢNH STT hình Tên hình Trang Hình 1.1 Q trình kích thích Hình 1.2 Sự truyền lƣợng tâm S A có khoảng cách R 10 Hình 1.3 Sự tƣơng tác nguyên tử tách mức lƣợng ion 22 đất Hình 1.4 Giản đồ mức lƣợng Dieke 23 Hình 2.1 Phổ hấp thụ ion Sm3+ thủy tinh borate kim loại kiềm 24 vùng tử ngoại - nhìn thấy Hình 2.2 Giản đồ lƣợng ion Sm3+ chuyển dời hấp thụ 25 Hình 2.3 Phổ quang phát quang ion Sm3+ thuỷ tinh 26 BLN:1.0Sm3+ Hình 2.4 Sơ đồ lƣợng ion Sm3+ chuyển dời xạ 27 Hình 2.5 Phổ hấp thụ ion Sm3+ Ce3+ thủy tinh BLN 28 Hình 2.6 Phổ phát quang Sm3+, Ce3+ đồng pha tạp thủy tinh 29 BLN Hình 2.7 Phổ phát quang Tb3+ Sm3+ đồng pha tạp thủy tinh 29 BLN Hình 2.8 Phổ phát quang Sm3+, Ce3+ đồng pha tạp thủy tinh 30 BLN Hình 2.9 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ 31 với nồng độ 0,75Tb3+,xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) Hình 2.10 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+ , Sm3+ 32 với nồng độ 1Sm3+ yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Hình 2.11 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đơn pha tạp Sm3+ 33 Hình 2.12 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đồng pha tạp Ce3+ Sm3+ 35 Hình 2.13 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:0,75Tb3+,xSm3+ 38 Hình 2.14 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+ Tb3+ (y = 0,5; 0,75; 39 1; 1,25) phụ thuộc nồng độ tạp Sm3+ MỞ ĐẦU Hiện tƣợng phát quang từ ion đất (rare-earth: RE) hƣớng đƣợc quan tâm nghiên cứu ứng dụng thực tế vật liệu lĩnh vực nhƣ: phát quang chiếu sáng, khuếch đại quang, laser… Trong đó, việc tìm kiếm vật liệu cho linh kiện quang nguồn sáng hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy (white LED) với yêu cầu ngày cao số lƣợng nhƣ chất lƣợng đƣợc quan tâm nghiên cứu nƣớc Thủy tinh loại vật liệu dễ chế tạo, dễ tạo dáng, dễ điều chỉnh thành phần, dễ pha tạp chất với nồng độ biến thiên dải rộng, dễ thu mẫu khối Vì thủy tinh lựa chọn hàng đầu cho nghiên cứu lĩnh vực Thủy tinh borate - kiềm (BLN) đƣợc nghiên cứu nhiều số thủy tinh oxit tính chất đặc biệt nhƣ: độ suốt cao, điểm nóng chảy thấp độ hòa tan đất cao Ngoài đồng pha tạp ion đất thủy tinh borate - kiềm gây ảnh hƣởng lên tính chất quang ion đất Cụ thể ảnh hƣởng trực tiếp đến cƣờng độ phát quang phổ màu Với mục tiêu chế tạo vật liệu cho nguồn sáng LED trắng, việc nghiên cứu công nghệ, thành phần tỉ lệ tạp tối ƣu khâu quan trọng cho công việc Vì chúng tơi lựa chọn họ vật liệu thủy tinh borate - kiềm pha tạp ion đất để phát triển nghiên cứu cho khóa luận Samarium (Sm) số nguyên tố đất tiêu biểu Trong hợp chất, Sm thƣờng trạng thái ion hoá trị (Sm3+) đặc trƣng lớp 4f5 không lấp đầy đƣợc che chắn hai lớp bọc ngồi 5s2 5p6, nhƣ nguyên tố đất khác, dịch chuyển điện tử quang học (thuộc lớp 4f) bị ảnh hƣởng trƣờng tinh thể mạng Khi đƣợc đồng pha tạp với Cerium (Ce) phổ hấp thụ Sm3+ nằm vùng xạ Ce3+ Vì vậy, phát quang Sm3+ có nhiều thay đổi Trong khóa luận này, chúng tơi lựa chọn ion đất Sm3+ nghiên cứu ảnh hƣởng trình pha tạp lên tính chất quang ion thủy tinh BLN Tên khóa luận: “Nghiên cứu ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate – kiềm” 1 Mục tiêu khóa luận - Nghiên cứu phổ quang học: phổ hấp thụ, phổ phát quang, đơn pha tạp đồng pha tạp ion đất Sm3+ thủy tinh borate - kiềm - Nghiên cứu giản đồ tọa độ màu đơn pha tạp đồng pha tạp ion đất Sm3+ thủy tinh borate - kiềm Đ i tƣ ng phạm vi nghiên cứu Thực nghiên cứu hệ vật liệu chế tạo, cụ thể nghiên cứu tính chất quang học đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate - kiềm Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết phương pháp thực nghiệm việc: Nghiên cứu tính chất quang vật liệu thơng qua phổ hấp thụ, phổ quang phát quang đánh giá giản đồ tọa độ màu mẫu vật liệu Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tính chất quang vật liệu chứa ion đất Sm3+ (hấp thụ, phát quang ) Nghiên cứu trình truyền lƣợng ion tạp để điều chỉnh nồng độ pha tạp nghiên cứu giản đồ tọa độ màu nhằm tạo đƣợc vật liệu có hiệu suất phát quang tối ƣu cƣờng độ vùng phổ (vùng ánh sáng trắng) - Tập hợp thông tin tƣ liệu, viết báo cáo, tổ chức seminar kết nghiên cứu, tính chất quang mẫu chế tạo Cấu trúc khóa luận Ngồi phần mở đầu, kết luận, danh mục hình ảnh, bảng biểu, tài liệu tham khảo cấu trúc khóa luận gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết Chƣơng 2: Phân tích ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate – kiềm mức 7F5 lớp 4f có nguồn gốc từ lƣỡng cực điện, dải phổ 487nm không mạnh nhƣ 541nm nhƣng có nguồn gốc từ lƣỡng cực điện Kết cho thấy hệ thủy tinh tồn loại tâm phát quang Tb3+ Sm3+ phát quang tâm độc lập với Bức xạ thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+ Tb3+ tổng hợp hai xạ nằm vùng ánh sáng trắng (từ màu đỏ - cam đến màu vàng - xanh cây) 2.3 Phân tích ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate-kiềm 2.3.1 Phổ phát quang ion Sm3+, Ce3+ đồng pha tạp thủy tinh BLN Hình 2.8 phổ quang phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Ce3+ Sm3+ đo nhiệt độ phòng với bƣớc sóng kích thích 350 nm 40.0k C-êng ®é PL (®vt®) x x x x = = = = BLN:0.5Ce,xSm 0.25(%mol) 0.5 (%mol) 0.75(%mol) 1.0 (%mol) 20.0k 0.0 400 450 500 550 600 650 700 B-íc sãng (nm) Hình 2.8 Phổ phát quang Sm3+, Ce3+ đồng pha tạp thủy tinh BLN theo nồng độ mol Ta thấy dải phát quang từ 375 nm - 500 nm với cực đại 430 nm đặc trƣng chuyển dời 4f - 5d ion Ce3+, chuyển dời electron từ trạng thái kích thích 5d1 (2D3/2, 2D5/2) trạng thái 4f1(2F5/2, F7/2) Dải phát xạ từ 500nm - 710nm ion Sm3+ với vạch hẹp đặc trƣng cho chuyển dời xạ từ 4F9/2  6Hj (j=5/2, 7/2, 9/2, 11/2, 13/2 15/2) Kết cho thấy hệ thủy tinh tồn loại tâm phát quang Ce3+ Sm3+ phát quang tâm phụ thuộc lẫn 30 Bảng 2.2: Cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+, Ce3+ Mẫu Cƣờng độ phát quang Tỉ lệ Đỉnh Đỉnh Đỉnh BLN:0.5Ce3+, 0.25Sm3+ 6,5.103 12,2.103 4,7.103 1,4:2,6:1 BLN:0.5Ce3+, 0.5Sm3+ 8,6.103 16,4.103 8,5.103 1:1,9:1 BLN:0.5Ce3+, 0.75Sm3+ 11.103 21,7.103 9,3.103 1,2:2,3:1 BLN:0.5Ce3+, 1.0Sm3+ 12.103 24,8.103 10,1.103 1,2:2,5:1 Xét cƣờng độ phát quang ion Sm3+ đỉnh có bƣớc sóng 562 nm, 599nm, 646 nm Theo bảng 2.2, ta thấy cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thay đổi theo nồng độ pha tạp có mẫu Xét theo tỉ lệ cƣờng độ phát quang đỉnh, thấy có truyền lƣợng khơng giống nhau, phụ thuộc vào chuyển dời tâm phát quang Cƣờng độ phát quang mạnh mẫu BLN:0.5Ce3+, 1.0Sm3+ Tôi cho tỉ lệ tối ƣu cho thủy tinh đồng pha tạp BLN Sm3+, Ce3+ thay đổi nồng độ pha tạp Sm3+ có mẫu 2.3.2 Phổ phát quang ion Tb3+, Sm3+ đồng pha tạp thủy tinh BLN * Theo nồng độ Sm3+ Hình 2.9 mô tả phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 0,75Tb3+,xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) 3+ 3+ 3+ hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb , Sm Hìnhphát 2.9.quang Phổ phát Phổ củaquang ion Sm gồm dải phát xạ (từ 550 nm – 720 n Phổ phát quang ion Sm3+ gồm dải phát xạ (từ 550 nm – 720 nm) đặc trƣng ion Sm3+, dải phát xạ tƣơng ứng với lƣợng đƣợc giải phóng q trình hồi phục điện tử từ mức 4G5/2 xuống mức 6Hx 31 (x = 5/2; 7/2; 9/2; 11/2) , dịch chuyển 4G5/2 → 6H7/2 có cƣờng độ lớn Vị trí xuất cực đại xạ ion Sm3+ không chịu ảnh hƣởng từ phổ Tb3+ Bảng 2.3: Cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+, Tb3+ theo nồng độ Sm3+ Cƣờng độ phát quang Mẫu Đỉnh Đỉnh Đỉnh BLN:0.75Tb3+, 1Sm3+ 1,4.105 3,0.105 1,2.105 BLN:0.75Tb3+, 1.25Sm3+ 1,2.105 2,5.105 0,9.105 BLN:0.75Tb3+, 0.75Sm3+ 0,9.105 2,1.105 0,7.105 BLN:0.75Tb3+, 1.5Sm3+ 0,8.105 1,7.105 0,6.105 BLN:0.75Tb3+, 1.75Sm3+ 0,6.105 1,5.105 0,5.105 Xét cƣờng độ phát quang ion Sm3+ đỉnh có bƣớc sóng 562 nm, 599nm, 646 nm bảng 2.3 Ta thấy cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thay đổi theo nồng độ pha tạp có mẫu Thấy cƣờng độ phát quang đỉnh xét mạnh mẫu BLN:0.75Tb3+, 1Sm3+ Tôi cho tỉ lệ tối ƣu cho thủy tinh đồng pha tạp BLN Sm3+, Tb3+ thay đổi nồng độ pha tạp Sm3+ có mẫu *Theo nồng độ Tb3+ Hình 2.10 mơ tả phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Hình 2.10 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) 32 Phổ phát quang ion Tb3+ gồm dải phát xạ (từ 480 nm – 660 nm) đặc trƣng ion Tb3+, dải phát xạ tƣơng ứng với lƣợng đƣợc giải phóng q trình hồi phục điện tử từ mức 5D4 xuống mức 7Fj (j = 3; 4; 5; 6) , dịch chuyển 5D4 → 7F5 có cƣờng độ lớn Vị trí xuất cực đại xạ ion Tb3+ không chịu ảnh hƣởng từ phổ Sm3+ Cƣờng độ phát quang ion Sm3+ đỉnh có bƣớc sóng 562 nm, 599nm, 646 nm có giá trị khơng đổi Kết cho thấy hệ thủy tinh tồn loại tâm phát quang Tb3+ Sm3+ phát quang tâm độc lập với 2.4 Giản đồ tọa độ màu 2.4.1 Khi đơn pha tạp ion Sm3+ Hình 2.11 tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đơn pha tạp Sm3+ phụ thuộc nồng độ tạp Sm3+ có mặt mẫu Ta thấy toạ độ x y màu xạ đƣợc tính tốn cho giá trị tƣơng ứng với nồng độ tạp 0.1, 0.25, 0.5, 1.0 2.0%mol, phổ nằm vùng ánh sáng màu vùng đỏ cam phụ thuộc lớn vào cƣờng độ dải phát quang 599 nm Hình 2.11 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đơn pha tạp Sm3+ phụ thuộc nồng độ tạp Sm3+ có mặt mẫu 33 2.4.2 Khi đồng pha tạp ion Sm3+, Ce3+ Sm3+, Tb3+ mạng BLN  Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đồng pha tạp Ce3+ Sm3+ a) 0,5Sm3+;0,25Ce3+ Coordinates x, y, z x = 0.4480194 y = 0.3106484 z = 0.2413322 **************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 110 Index B = 113 b) 0,5Sm3+;0,5Ce3+ Coordinates x, y, z x = 0.3016092 y = 0.1898899 z = 0.5085008 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 168 Index G = 101 Index B = 255 c) 0,5Sm3+;0,75Ce3+ Coordinates x, y, z x = 0.3188755 y = 0.2041311 z = 0.4769933 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 197 Index G = 111 Index B = 255 34 d) 0,5Sm3+;1.0Ce3+ Coordinates x, y, z x = 0.3436592 y = 0.2245726 z = 0.4317682 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 243 Index G = 127 Index B = 255 e) 0,5Sm3+;1.25Ce3+ Coordinates x, y, z x = 0.3802192 y = 0.2547272 z = 0.3650536 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 122 Index B = 199 Hình 2.12 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đồng pha tạp Ce3+ Sm3+ Hình 2.12 a, b, c, d, e tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: Sm3+,Ce3+ phụ thuộc nồng độ tạp Ce3+ có mặt mẫu Tại giá trị x = 0.25, chủ yếu ánh sáng đỏ Khi tăng nồng độ Ce3+ có giá trị x = 0,5; 0,75, thu đƣợc chủ yếu ánh sáng tím Khi tăng nồng độ Ce3+ có giá trị x = 1,0, thu đựơc ánh sáng tƣơng quan hai màu Tăng nồng độ Ce3+ lên giá trị x =1.25 ta thấy ánh sáng tăng dần phía đỏ 35 Bảng 2.4: Tọa độ màu (x,y,z) tỉ lệ R/G/B thủy tinh đồng pha tạp Sm3+,Ce3+ Ký hiệu mẫu 3+ 3+ BLN:0.5Sm , 0.25Ce 3+ 3+ BLN:0.5Sm , 0.5Ce 3+ 3+ BLN:0.5Sm , 0.75Ce 3+ 3+ BLN:0.5Sm , 1.0Ce 3+ 3+ BLN:0.5Sm , 1.25Ce x y z R G B R:G:B 0.4480194 0.3106484 0.2413322 255 110 113 2:1:1 0.3016092 0.1898899 0.5085008 168 101 255 1,6:1:2,5 0.3188755 0.2041311 0.4769933 197 111 255 1,8:1:2,3 0.3436592 0.2245726 0.4317682 243 127 255 2:1:2 0.3802192 0.2547272 0.3650536 255 122 199 2,1:1:1,6 Nhƣ đƣợc biết tỉ lệ tối ƣu cho ánh sáng trắng 1:1:1 tƣơng ứng với tỉ lệ màu Red:Green:Blue 255:255:255 Theo bảng 2.4, tăng dần nồng độ pha tạp Ce3+ có mặt mẫu, ta thấy màu xạ cho thấy nồng độ tối ƣu để đạt đƣợc tỉ lệ cƣờng độ xạ đóng góp vào trộn màu đồng pha tạp 0,5 %mol Sm3+ %mol Ce3+ với tỉ lệ R:G:B 2:1:2 Tôi cho nồng độ tối ƣu để thu đƣợc ánh sáng tƣơng quan hai màu mẫu thủy tinh đồng pha tạp BLN: Sm3+,Ce3+ Nhƣ kết cho thấy vật liệu đồng pha tạp Ce3+ Sm3+ xạ ánh sáng kép (hai màu) đƣợc kích thích cách hiệu ánh sáng tử ngoại tử ngoại gần, thích hợp để chế tạo đèn LED trắng sử dụng kỹ thuật chiếu sáng hiển thị đặc biệt nguồn ánh sáng màu trắng Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+ Sm3+ *Theo nồng độ Sm3+ a)0,75Sm3+;0,75Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4289773 y = 0.5041797 z = 0.0668430 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 244 Index B = 46 36 b)1Sm3+;0,75Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4158147 y = 0.5121400 z = 0.0720453 **************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 243 Index G = 255 Index B = 50 c)1,25Sm3+;0,75Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4028999 y = 0.5199504 z = 0.0771497 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 220 Index G = 255 Index B = 51 d)1,5Sm3+;0,75Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.3904318 y = 0.5274906 z = 0.0820776 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 200 Index G = 255 Index B = 52 37 Hình 3.5.2 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) phụ thuộc nồng độ tạp Sm3+ e)1,75Sm3+;0,75Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.3785819 y = 0.5346570 z = 0.0867611 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 181 Index G = 255 Index B = 54 Hình 2.13 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:0,75Tb3+,xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) phụ thuộc nồng độ tạp Tb3+ Khi thay đổi nồng độ Sm3+ giản đồ tọa độ màu có thay đổi, cụ thể: nồng độ Sm3+ tăng từ 0,75 %mol đến %mol tọa độ màu đến gần vị trí tối ƣu, nồng độ Sm3+ tiếp tục tăng từ %mol đến 1,75 %mol tọa độ màu xa vị trí tối ƣu Có thể thấy hình 2.13b tối ƣu có tọa độ x = 0.4158147; y = 0.5121400 ứng với Sm3+ có nồng độ 1%mol *Theo nồng độ Tb3+ a)1Sm3+;0,5Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4636074 y = 0.4832368 z = 0.0531559 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 194 Index B = 33 38 b)1Sm3+;0,75Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4479204 y = 0.4927236 z = 0.0573559 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 215 Index B = 38 c)1,0Sm3+;1,0Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4758702 y = 0.4758207 z = 0.0483091 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 180 Index B = 29 d)1Sm3+;1,25Tb3+ Coordinates x, y, z x = 0.4966470 y = 0.4632557 z = 0.0400973 *************** Color RGB (Red, Green, Blue) Index R = 255 Index G = 158 Index B = 23 Hình 2.14 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25) phụ thuộc nồng độ tạp Sm3+ 39 Hình 2.14 mơ tả tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; Khi thay đổi nồng độ Tb3+ giản đồ tọa độ màu có thay đổi, cụ thể: nồng độ Tb3+ tăng từ 0,5 %mol đến 0,75 %mol tọa độ màu đến gần vị trí tối ƣu, nồng độ Tb3+ tiếp tục tăng từ 0,75 %mol đến 1,5 %mol tọa độ màu xa vị trí tối ƣu Có thể thấy hình 2.14b tối ƣu có tọa độ x = 0.4479204; y = 0.4927236 ứng với Tb3+ có nồng độ 0,75%mol Bức xạ thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+ Tb3+ tổng hợp hai xạ nằm vùng ánh sáng trắng (từ màu đỏ - cam đến màu vàng - xanh cây) Bảng 2.5: Tọa độ màu (x,y,z) tỉ lệ R/G/B thủy tinh đồng pha tạp Sm3+,Tb3+ Ký hiệu mẫu X y z R G B R:G:B BLN:0.75Tb3+, 0.75Sm3+ 0.4158147 0.5121400 0.0720453 255 244 46 6:5:1 BLN:0.75Tb3+, 1Sm3+ 0.4289773 0.5041797 0.0668430 243 255 50 5:5:1 BLN:0.75Tb3+, 1.25Sm3+ 0.4028999 0.5199504 0.0771497 220 255 51 4:5:1 BLN:0.75Tb3+, 1.5Sm3+ 0.3904318 0.5274906 0.0820776 200 255 52 4:5:1 BLN:0.75Tb3+, 1.75Sm3+ 0.3785819 0.5346570 0.0867611 181 255 54 3:5:1 BLN:1Sm3+, 0.5Tb3+ 0.4636074 0.4832368 0.0531559 255 194 33 8:6:1 BLN:1Sm3+, 0.75Tb3+ 0.4479204 0.4927236 0.0593559 255 215 38 7:6:1 BLN:1Sm3+, 1Tb3+ 0.4758702 0.4758207 0.0483091 255 180 29 9:6:1 BLN:1Sm3+, 1.25Tb3+ 0.4966470 0.4632557 0.0400973 255 158 23 11:7:1 Từ kết ta thấy rằng: Phổ phát xạ thủy tinh BLN đơn pha tạp Sm3+ nằm vùng đỏ cam, phổ phát xạ thủy tinh BLN đơn pha tạp Tb3+ nằm vùng màu xanh Tuy nhiên, pha tạp đồng thời hai ion phổ phát xạ dịch chuyển gần vùng ánh sáng đỏ - xanh Do ảnh hƣởng nồng độ pha tạp ion đất Sm3+, Tb3+ thủy tinh Borate – kiềm, phổ màu ánh sáng xạ dịch chuyển sang đỏ sang vàng – xanh nhiều Màu xạ cho thấy nồng độ tối ƣu để đạt đƣợc tỉ lệ cƣờng độ xạ đồng pha tạp 0,75 %mol Tb3+ %mol Sm3+ Nhƣ kết cho thấy vật liệu đồng pha tạp Tb3+ Sm3+ xạ ánh sáng kép (hai màu) đƣợc kích thích cách hiệu ánh sáng tử ngoại tử ngoại gần, thích hợp để chế tạo đèn LED trắng sử dụng kỹ thuật chiếu sáng hiển thị, đặc biệt nguồn ánh sáng màu trắng 40 KẾT LUẬN Với mục tiêu khóa luận: “Nghiên cứu ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate - kiềm”, sau trình tìm hiểu nghiên cứu, khóa luận thu đựơc số kết sau: Đã phân tích đƣợc phổ hấp thụ phổ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+,Sm3+ Ce3+, Sm3+ Đƣa đƣợc số tích chất quang đặc biệt từ phổ đồng pha tạp mẫu thủy tinh BLN Nghiên cứu đƣợc tính chất quang ion đất Sm3+ mẫu thủy tinh đơn pha tạp đồng pha tạp Từ rút đƣợc nhận xét việc ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate - kiềm Lập bảng cƣờng độ phát quang ion Sm3+ thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+, Ce3+ Sm3+, Tb3+ Từ thấy đƣợc nồng độ tối ƣu cho tỉ lệ cƣờng độ phát quang cho hiệu suất phát quang lớn Tìm hiểu phân tích giản đồ tọa độ màu CIE hai mẫu thủy tinh đồng pha tạp Sm3+, Ce3+ Sm3+, Tb3+ Lập bảng tọa độ màu (x,y,z) tỉ lệ R/G/B thủy tinh đồng pha tạp Sm3+, Ce3+ Sm3+, Tb3+ theo nồng độ tạp chất có mặt mẫu Từ thấy đƣợc nồng độ tối ƣu cho tỉ lệ cƣờng độ xạ thích hợp cho việc tạo xạ kép (hai màu) thích hợp định hƣớng chế tạo đèn LED trắng sử dụng kỹ thuật chiếu sáng hiển thị, đặc biệt nguồn ánh sáng màu trắng Thơng qua khóa luận, giúp em hiểu đƣợc cách sâu sắc chế tạo vật liệu thủy tinh phƣơng pháp luận để nghiên cứu tính chất vật liệu thủy tinh BLN đặc biệt củng cố lý thuyết phát quang, lý thuyết quang phổ ion đất phục vụ cho trình học tập nghiên cứu mức cao Trong q trình làm khóa luận chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Em mong nhận góp ý nhận xét q thầy giáo để khóa luận hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngọc, Bài giảng Nhiệt phát quang lí thuyết ứng dụng; Trƣờng Đại học Quảng Bình [2] Trần Ngọc (2012), Bài giảng lý thuyết thủy tinh, Trƣờng Đại học Quảng Bình [3] Trần Ngọc, Bài giảng Phổ huỳnh quang; Trƣờng Đại học Quảng Bình [4] Võ Việt Cƣờng, (2013), Chế tạo nghiên cứu tính chất quang thủy tinh borat kim loại kiềm pha tạp Sm3+, Luận văn thạc sĩ khoa học Vật lý, Viện Vật lý, Hà Nội [5] Vũ Xuân Quang (2008), Lý thuyết Judd - Ofelt Quang phổ vật liệu chứa đất hiếm, proceedings of the 2nd international Workshop on Spectroscopy and its application - Da Nang, Viet Nam [6] Vũ Xuân Quang (1999), Quang phổ tâm điện tử vật rắn, Viện khoa học vật liệu, Hà Nội [7] Ofelt G.S (1962), Intensities of crystal spectra of rate earth ions, J.Chem.Phys 37, p511 - p520 [8] T Ngoc, (2015), IJEIT, Vol 4, Issue 10, p152 - p154 [9] Nguyễn Mạnh Sơn (1996), Vai trò tâm khuyết tật trình nhiệt quang phát quang số vật liệu phát quang chứa đất hiếm, Luận án Phó Tiến sĩ khoa học Toán - Lý, Viện Vật lý, Trung tâm Khoa học Tự nhiên Công nghệ Quốc gia [10]Tran Ngoc, Phan Van Do (2013), Energy transfer studies of Sm3+ ions doped borate glass, International conference Spectrocopy and applications, p287 - p292 42 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, chƣa cơng bố cơng trình khác Các số liệu kết nghiên cứu nêu khóa luận trung thực Quảng Bình, tháng 05 năm 2017 Tác giả khóa luận Trần Thị Lƣơng XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) XÁC NHẬN CỦA PHẢN BIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) XÁC NHẬN CỦA PHẢN BIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) ... trình pha tạp lên tính chất quang ion thủy tinh BLN Tên khóa luận: Nghiên cứu ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate – kiềm 1 Mục tiêu khóa luận - Nghiên cứu. .. phổ quang học: phổ hấp thụ, phổ phát quang, đơn pha tạp đồng pha tạp ion đất Sm3+ thủy tinh borate - kiềm - Nghiên cứu giản đồ tọa độ màu đơn pha tạp đồng pha tạp ion đất Sm3+ thủy tinh borate. .. tích ảnh hƣởng đồng pha tạp lên tính chất quang ion đất Sm3+ thủy tinh borate- kiềm 30 2.3.1 Phổ phát quang ion Sm3+, Ce3+ đồng pha tạp thủy tinh BLN 30 2.3.2 Phổ phát quang ion Tb3+, Sm3+