Nghiên cứu các đặc trưng phát quang của vật liệu aluminate đồng pha tạp ion eu2+, mn2+, sm3+

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THẢO ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU ALUMINATE ĐỒNG 2+ 2+ PHA TẠP ION Eu , Mn , Sm 3+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà nẵng , 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THẢO ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU ALUMINATE ĐỒNG 2+ 2+ PHA TẠP ION Eu , Mn , Sm 3+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành : Vật lý học Khóa học : 2014-2018 Ngƣời hƣớng dẫn : Th.S Lê Văn Thanh Sơn Đà nẵng , 2018 Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý Mục lục LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài 2.Mục đ ch nghiên c u 3.Nhiệm vụ nghiên c u 4.Đối tƣợng phạm vi nghiên c u 4.1 Đối tƣợng nghiên c u 4.2 Phạm vi nghiên c 5.Phƣơng pháp ngiên c CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG 1.1 Hiện tƣợng phát quang 1.1.1 Khái niệm tƣợng phát quang…………………………… 1.1.2 Chất phát quang 1.2 Phân loại tƣợng phát quang 1.2.1 Phân loại theo t nh chất động học trình xảy quang 1.2.2 Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau ngừng k ch th 1.2.3 Phân loại theo phƣơng pháp k ch th ch 1.2.4 Phân loại theo cách th c chuyển dời từ trạng thái k ch th ch trạng thái bản…………………………………………………… 1.3 Cơ chế tƣợng phát quang 1.3.1 Phát quang nguyên tử 1.3.2 Phát quang phân tử 1.4.Những định luật phát quang 1.4.1 Định luật kh ng phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng k ch th ch 1.4.2 Định luật Stock-Lomen 1.4.3 Định luật đối x ng gƣơng phổ hấp thụ phổ phát quang CHƢƠNG II: TÍNH CHẤT PHÁT QUANG CỦA PHOSPHOR TINH THỂ 2.1 Cấu trúc phosphor tinh thể 2.2 Phổ hấp thụ phosphor tinh thể 2.3 Phổ b c xạ phosphor tinh thể 2.4.Bản chất phát quang cua phosphor tinh thể GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn Khóa luận tốt nghiệp 2.4.1 Sự phát quang phosphor tinh thể phát quang tái hợp 2.4.2 Những sở thuyết vùng để giải th ch phát quang phosphor tinh thể………………………………………………………………………… 13 2.4.3 Cơ chế bẫy khử bẫy 2.4.3.1 Động học trình bẫy 2.4.3.2 Cơ chế khử bẫy 2.5 Phƣơng pháp chế tạo phosphor tinh thể lân quang dài 2.5.1 Cơ chế tăng thời gian phát quang 2.5.2 Sự truyền lƣợng phát quang CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ION ĐẤT HIẾM, ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 18 3.1 Ion đất 3.1.1 Khái quát chung nguyên tố đất 3.1.2 T nh chất lý- hóa học NTĐH 2+ 3.1.3 Chuyển dời quang học Eu 3.2 Ion kim loại chuyển tiếp 3.2.1 Sơ lƣợc ion chuyển tiếp 2+ 3.2.2 Chuyển dời quang học Mn CHƢƠNG IV: THỰC NGHIỆM 4.1 Chế tạo mẫu 4.1.1 Các bƣớc chế tạo mẫu 4.1.2 Các mẫu chế tạo 4.2 Các khảo sát quang phổ thảo luận kết 4.2.1 Phổ phát quang mẫu A1: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, 2+ 2%, 3+ Eu 0%,Sm 2% với bƣớc sóng k ch th ch 365nm 4.2.2 Phổ phát quang mẫu A2: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 3+ Eu 0.5%, Sm 2% với bƣớc sóng k ch th ch 365nm 4.2.3 Phổ phát quang mẫu A3: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, Eu 1%, 3+ Sm 2% với bƣớc sóng k ch th ch 365nm 4.2.4 Phổ phát quang mẫu A4: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, 3+ Eu 1.5%, Sm 1% với bƣớc sóng k ch th ch 365nm 4.2.5 Phổ phát quang mẫu A5: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2%, Eu 2+ 2%, 3+ Sm 1% với bƣớc sóng k ch th ch 365nm 2+ 4.2.6 Sự phụ thuộc cƣờng độ phát quang vào nồng độ pha tạp ion Eu BaAl2O4 2+ 2+ 3+ 4.2.7 Phổ phát quang mẫu A6: BaAl2O4: Mn 2%, Eu 2%, Sm 1.5% với bƣớc sóng k ch th ch 365nm 2+ 4.2.8 Phổ phát quang mẫu A6: BaAl2O4: Mn 0%, Eu bƣớc sóng k ch th ch 365nm GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 2+ 2%, Sm 3+ 1.5% với Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 3+ 4.2.9 Sự phụ thuộc cƣờng độ phát quang vào nồng độ pha tạp ion Sm BaAl2O4 38 4.2.10 So sánh phổ phát xạ mẫu thay đổi nồng độ chất pha tạp .39 4.3 So sánh phổ phát quang mẫu A6 thay đổi bƣớc sóng k ch th ch 40 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý LỜI CẢM ƠN Đƣợc chấp thuận Thầy giáo hƣớng dẫn Th.S Lê Văn Sơn với đồng ý ban chủ nhiệm khoa Vật L cho phép t i tìm hiểu thực đề tài “ Nghiên cứu đặc trưng phát quang vật liệu Aluminate đồng pha tạp ion Eu2+, Mn2+, Sm3+ ” Để hồn thành khóa luận em xin chân thành cảm ơn đội ngũ giảng viên khoa Vật L tận tình dẫn, giảng dạy em suốt trình học tập, nghiên c u rèn luyện Trƣờng Đại học Sƣ Phạm – Đại học Đà Nẵng Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn Th.S Lê Văn Thanh Sơn, quan tâm giúp đỡ, tận tình hƣớng dẫn em hồn thành tốt khóa luận thời gian qua M c dù có nhiều cố gắng để thục đề tài cách hoàn chỉnh Tuy nhiên, buổi đầu làm quen với c ng tác nghiên c u, tiếp cận trực tiếp với thực nghiệm nên kh ng thể tránh khỏi sai xót q trình thực báo cáo mà thân em chƣa nhìn thấy đƣợc Ch nh em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến quý thầy c để khóa luận đƣợc hồn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn ! Đà Nẵng, ngày 24 tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thị Thảo GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Các chữ viết tắt RE : Đất (Rare earth) RE3+ : Ion đất hóa trị UV IR NTĐH : Tia tử ngoại : Vùng hồng ngoại : Nguyên tố đất Các kí hiệu E : Năng lƣợng kích hoạt k : Hằng số Bolztman Dq : Thông số tách trƣờng tinh thể B : Thông số lực đẩy điện tử : Thời gian sống huỳnh quang : Bƣớc sóng photon ∶ Tần số photon :Th ng lƣợng ánh sáng phát có tần số GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Nhóm vật liệu Aluminate đồng pha tạp Mn2+, Eu2+, Sm3+ DANH MỤC HÌNH HÌNH Hình 1.1 Cơ chế phát quang củ Hình 1.2 Cơ chế phát quang củ Hình 1.3 T nh đối x ng gƣơng Hình 2.1 Phổ b c xạ phosp Hình 2.2 Sự phân vùng Hình 3.1 Giản đồ m c Hình 3.2 Sơ đồ m c lƣợn Hình 3.3 Sơ đồ tọa độ cấu hình Hình 3.4 Giản đồ lƣợng c Hình 3.5 Sự tách m c 3d b Hình 3.6 Các m c lƣợng Hình 3.7 Tọa độ t diện bát d Hình 4.1 Phổ phát quang Ba n (λEX ≈ 365nm) Phổ phát quang B Hình 4.2 (λEX ≈ 365nm) Phổ phát quang Ba Hình 4.3 (λEX ≈ 365nm) GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Hình 4.4 Phổ phát quang B (λEX ≈ 365nm) Hình 4.5 Phổ phát quang B (λEX ≈ 365nm) Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn ph độ pha tạp ion Eu Hình 4.7 Phổ phát quang B (λEX ≈ 365nm) Hình 4.8 Phổ phát quang B (λEX ≈ 365nm) Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn ph độ pha tạp ion Mn Hình Phổ phát quang B 4.10 Hình 4.11 thay đổi nồng độ chất pha tạp (λEX ≈ 365nm) Phổ phát quang B (λEX1 ≈ 402nm), (λEX2 ≈ 375nm) GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn SVTH:Nguyễn Thị Thảo GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 37 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp 4.2 Các khảo sát quang phổ thảo luận kết 4.2.1 Phổ phát quang mẫu A1: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 3+ 2%, Eu 0%,Sm 2% với bƣớc sóng kích thích 365nm Hình 4.1 : Phổ phát quang BaAl2O4: Mn ( ≈ 365 ) 2+ 2+ 3+ 2% , Eu 0%, Sm 2% Nhận xét: - Phổ phát quang có đỉnh bƣớc sóng khoảng 497nm, qua ta nhận thấy 2+ ch nh đỉnh phát quang ion Mn GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 38 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 4.2.2 Phổ phát quang mẫu A2: BaAl2O4 đồng pha tạp ion 2+ Mn 2+ 2%, Eu 0.5%, Sm 3+ 2% với bƣớc sóng kích thích 365nm 2+ 2+ 3+ Hình 4.2 : Phổ phát quang BaAl2O4: Mn 2% ,Eu 0.5% , Sm 2% ( ≈ 365 ) Nhận xét: - Phổ phát quang có đỉnh bƣớc sóng khoảng 497nm, qua ta nhận thấy ch nh đỉnh phát quang ion Mn 2+ nhiên cƣờng độ bé có khả 2+ tồn phổ ion Eu GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 39 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 4.2.3 Phổ phát quang mẫu A3: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, Eu 1%, Sm 3+ 2% với bƣớc sóng kích thích 365nm Hình 4.3: Phổ phát quang BaAl2O4: Mn ( ≈ 365 ) 2+ 2+ 3+ 2%, Eu 1%, Sm 2% Nhận xét: - Phổ phát quang có đỉnh bƣớc sóng khoảng 490nm, qua ta nhận thấy 2+ ch nh đỉnh phát quang ion Eu GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 40 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 4.2.4 Phổ phát quang mẫu A4: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, Eu 1.5%, Sm 3+ 1% với bƣớc sóng kích thích 365nm 2+ 2+ 3+ Hình 4.4: Phổ phát quang BaAl2O4: Mn 2% ,Eu 1.5% , Sm 1% ( ≈ 365 ) Nhận xét: - Phổ phát quang có đỉnh bƣớc sóng khoảng 493nm, qua ta nhận thấy 2+ ch nh đỉnh phát quang ion Eu GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 41 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 4.2.5 Phổ phát quang mẫu A5: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, Eu 2%, Sm 3+ 1% với bƣớc sóng kích thích 365nm 2+ 2+ 3+ Hình 4.5: Phổ phát quang BaAl2O4: Mn 2% ,Eu 2% , Sm 1% ( ≈ 365 ) Nhận xét: - Phổ phát quang có đỉnh bƣớc sóng khoảng 495nm, qua ta nhận thấy 2+ ch nh đỉnh phát quang ion Eu GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 42 SVTH:Nguyễn Thị Thảo 4.2.6 Sự phụ thuộc cƣờng độ phát quang vào nồng độ pha tạp 2+ ion Eu BaAl2O4 Đường biểu diễn phụ thuộc cường độ phát quang Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ phát quang vào Nhận xét: - Khi ta thay đổi nồng độ pha tạp cƣờng độ phát quang ion Eu 2+ thay đổi tỉ lệ thuận với Nghĩa ta tăng nồng độ pha tạp cƣờng độ phát quang ion Eu 2+ GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn tăng 43 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 4.2.7 Phổ phát quang mẫu A6: BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn 2+ 2+ 2%, Eu 2%, Sm 3+ 1.5% với bƣớc sóng kích thích 365nm 2+ 2+ 3+ Hình 4.7: Phổ phát quang BaAl2O4: Mn 2% ,Eu 2% , Sm 1.5% ( ≈365 ) Nhận xét: - Phổ phát quang có đỉnh bƣớc sóng khoảng 495nm, qua ta nhận thấy 2+ ch nh đỉnh phát quang ion Eu GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 44 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 2+ 4.2.8 Phổ phát quang mẫu A6: BaAl2O4: Mn 0%, Eu 2+ 2%, Sm 3+ 1.5% với bƣớc sóng kích thích 365nm 2+ 2+ 3+ Hình 4.8: Phổ phát quang BaAl2O4: Mn 0% ,Eu 2% , Sm 2% ( ≈ 365 ) Nhận xét: - Ta thấy xuất đỉnh phổ phát quang có bƣớc sóng 459nm ch nh phổ phát quang ion Eu 2+ GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 45 SVTH:Nguyễn Thị Thảo 4.2.9 Sự phụ thuộc cƣờng độ phát quang vào nồng độ pha tạp 2+ ion Mn BaAl O Đƣờng biểu diễn phụ thuộc cƣờng độ phát quang Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ phát quang vào Nhận xét: - Khi ta thay đổi nồng độ pha tạp cƣờng độ phát quang ion Sm 3+ thay đổi tỉ lệ thuận với Nghĩa ta tăng nồng độ pha tạp cƣờng 3+ tăng GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 46 độ phát quang ion Sm SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 4.2.10 So sánh phổ phát xạ mẫu thay đổi nồng độ chất pha tạp Hình 4.10: Phổ phát quang BaAl2O4 pha tạp ion Mn2,Eu2+, Sm3+khi thay đổi nồng độ chất pha tạp ( ≈ 365 ) Nhận xét: - Do cƣờng độ phát xạ mẫu chênh lệch lớn nên để so sánh cƣờng độ phát quang so sánh đỉnh phổ chúng ta cần thay đổi k ch thƣớc vài mẫu có cƣờng độ thấp (A1, A2, A3, A4) lên 50 lần - Khi thay đổi nồng độ chất pha tạp cƣờng độ phát quang ion thay đổi, nồng độ pha tạp tỉ lệ thuận với cƣờng độ phát quang - Qua mẫu trên, chủ yếu xuất đỉnh phổ ion Eu phổ ionMn 2+ 2+ vài đỉnh nhƣng yếu Từ đó, ta thấy với bƣớc sóng k ch th ch 365nm phù hợp với ion Eu 2+ chủ yếu ion Mn 2+ phần nhỏ Riêng 2+ ion Sm bƣớc sóng hồn tồn kh ng phù hợp nên kh ng xuất đỉnh phổ GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 47 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp 4.3 Khoa Vật Lý So sánh phổ phát quang mẫu A6 thay đổi bƣớc sóng kích thích 2+ 2+ 3+ Hình 4.11: Phổ phát quang BaAl2O4 : Mn 2%, Eu 2%, Sm 1.5% ( ≈ 402 ) ( ≈ 375 ) , Nhận xét: - Khi k ch th ch bƣớc sóng k ch th ch khác cƣờng độ phát quang ion có thay đổi rõ rệt - Khi đo phổ với bƣớc sóng k ch 375 nm xuất hai đỉnh ion 2+ Eu vàSm 3+ đo phổ với bƣớc sóng k ch th ch 402nm xuất 3+ nhóm đỉnh ion Sm Qua ta thấy, bƣớc sóng k ch th ch 375nm phù hợp với ion Eu 2+ ion Sm 3+ nhiên nhóm đỉnh phổ ion Eu 2+ phát 3+ quang tốt ion Sm Còn bƣớc sóng k ch th ch 402nm phù hợp với ion Sm 3+ nên nhóm đỉnh phổ ion Sm GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 48 3+ phát quang mạnh SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý KẾT LUẬN 2+ 2+ - Chế tạo thành c ng vật liệu BaAl2O4 đồng pha tạp ion Mn , Eu , Sm 3+ - Khi ta đồng pha tạp vât liệu khác với bƣớc sóng k ch th ch khác cƣờng độ k ch th ch thay đổi tƣơng ng với màu sắc phát quang thay đổi - M c dù cố gắng nhiều làm đề tài nhƣng hạn chế điều kiện thời gian nghiên c u nên chắn kh ng tránh khỏi hạn chế, khiếm khuyết bất cập định.Vì vậy, em mong nhận đƣợc chia sẻ động viên nhƣ ý kiến đóng góp quý báu thầy c bạn Em xin chân thành cảm ơn! GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 49 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tiếng việt [1] Phan Văn Th ch, Hiện tượng huỳnh quang kỹ thuật phân tích huỳnh quang , ĐH Tổng hợp Hà Nội(1973) [3] Phạm Nguyễn Thùy Trang, Nguyễn Mạnh Sơn, Nguyễn Quang Liêm 2+ (2017), Chế tạo tính chất quang phổ vật liệu BaMgAl10O17: Eu , Mn  2+ Tài liệu tiếng anh [2] Yen William M., Shionoya Shigeo, Yamamoto Hajime (2007), Fundamentals of Phosphors, CRC Press [4]Blasse G., Grabmainer B G (1994), Luminescent Materials, Springer – Verlag [5]Shinji Okamoto and Hajime Yamamoto (2011),“Photoluminescence Properties of BaMgAl10O17 Doped with High Concentration of Mn 2+ for Blue- LEDBased Solid-State Lighting”,Journal of The Electrochemical Society, Vol 158, pp J363-J367 [6] Semjon Galajev (2008),Degradation processes in BaMgAl10O17: Eu 2+ and 2+ BaMgAl14O23: Eu , Master s Thesis, University of Tartu [7] Gedam S.C (2013),“Spectroscopic study of Inner Transition metal Mn 2+ ion in CeSO4Cl Phosphor”,Research Journal of Chemical Sciences, Vol 3(4), pp 84-86 GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 50 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý Ý KIẾN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN Nhận xét: (Về chất lƣợng Khóa luận cần) Ý kiến: Đánh dấu (X) vào lựa chọn Đồng ý th ng qua báo cáo Kh ng đồng ý th ng qua báo cáo Đà Nẵng, ngày 24 tháng năm 2018 NGƢỜI HƢỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) GVHD: ThS Lê Văn Thanh Sơn 51 SVTH:Nguyễn Thị Thảo ... Vật Lý Tra c u tổng hợp tài liệu lý thuyết vật liệu phát quang phổ 2+ 2+ 3+ vật liệu Aluminate đồng pha tạp Eu , Mn , Sm - Nghiên c u ng dụng vật liệu trình phát quang hƣớng phát triển vật liệu. .. kiếm vật liệu phát quang hữu hiệu Trong phạm vi khóa luận t i chọn đề tài: “ Nghiên cứu đặc 2+ 2+ trưng phát quang vật liệu Aluminate đồng pha tạp ion Eu , Mn , Sm 3+ ” Mục đích nghiên cứu 2+... phổ vật liệu Aluminate đồng pha tạp ion Eu , Mn , Sm - Kiểm tra t nh chất phát quang vật liệu Aluminate có pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Mn - 2+ 2+ 3+ ion đất Eu , Sm Nhiệm vụ nghiên cứu