Chế tạo vật liệu bằng phương pháp phản ứng nổ và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano YPO4 Tb(III) (2017)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ******** ĐÀO THỊ MẾN CHẾ TẠO VẬT LIỆU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẢN ỨNG NỔ VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO YPO4:Tb(III) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa học Vơ Người hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN VŨ HÀ NỘI – 2017 Lời cảm ơn Khóa luận hồn thành Phòng Quang hóa điện tử, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Vũ – người thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hồn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Anh Sơn (Khoa Hóa học – Trường ĐHKHTN), TS Trần Quang Huy (Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương), TS Nguyễn Trọng Nghĩa (Viện Vậtlí) giúp em đo giản đồ nhiễu xạ tia X, SEM, đo phổ huỳnh quang Em xin chân thành cảm ơn ThS NgôKhắc Không Minh, CN Đinh Thị Thu Trang anh chị nhóm hỗ trợ em cơng việc Trong thực khóa luận, em nhận giúp đỡ nhiệt tình cán nghiên cứu thuộc Phòng Quang hóa điện tử, Viện Khoa học Vật liệu Xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu cho phép em sử dụng trang thiết bị đại Phòng Thí nghiệm Trọng Điểm Vật liệu linh kiện điện tử Nhân dịp này, em xin cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa hóa học – Trường ĐHSP Hà Nội 2, thầy cô giáo tổ Hóa Vơ – Đại cương bạn nhóm hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em trình học tập Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè bên cạnh động viên, giúp đỡ chỗ dựa tinh thần cho em suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2017 Sinh viên Đào Thị Mến MỤC LỤC MỞ ĐẦU… CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung vật liệu huỳnh quang có cấu trúc nano 1.1.1 Vật liệu huỳnh quang 1.1.2 Ảnh hưởng mạng chủ 1.1.3 Vật liệu phát quang cấu trúc nano 1.1.4 Tổng quan vật liệu YPO4 11 1.2 Các nguyên tố đất 12 1.2.1 Khái niệm nguyên tố đất .12 1.2.2 Các định luật phân bố nguyên tố đất 13 1.2.3 Cấu tạo vỏ điện tử đặc tính phát quang ion đất 13 1.2.4 Các dịch chuyển phát xạ ion đất 18 1.2.5 Ứng dụng chất phát quang dùng nguyên tố đất 19 1.3 Giới thiệu phương pháp chế tạo vật liệu 19 1.3.1 Phương pháp đồng kết tủa (Co – precipitation method) 20 1.3.2 Phương pháp sol – gel 22 1.3.3 Phương pháp Mixen đảo .25 1.3.4 Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal method) 26 1.3.5 Phản ứng pha rắn 28 1.3.6 Phương pháp phản ứng nổ (Combustion method) 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 31 2.1 Tổng hợp vật liệu YPO 4:Tb(III) 31 2.1.1 Thiết bị hóa chất 31 2.1.2 Pha dung dịch muối tiền chất 31 2.1.3 Tổng hợp vật liệu YPO 4:1%Tb(III) biến đổi nhiệt độ .33 2.1.4 Tổng hợp vật liệu YPO 4:x%Tb(III) (x = 0,1; 1; 2; 3; 5; 7; 10) .34 2.2 Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc, tính chất vật liệu 35 2.2.1 Phương pháp phân tích nhiệt 35 2.2.2 Xác định cấu trúc giản đồ nhiễu xạ tia X .37 2.2.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) 39 2.2.4 Phương pháp phổ huỳnh quang .41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Nghiên cứu điều kiện tổng hợp vật liệu 43 3.1.1 Kết phân tích nhiệt, nghiên cứu cấu trúc vi hình thái vật liệu YPO4:Tb(III) .43 3.2 Tính chất quang vật liệu 47 3.2.1 Phổ huỳnh quang vật liệu YPO 4:1%Tb(III) thay đổi theo nhiệt độ 48 3.2.2 Phổ huỳnh quang vật liệu YPO 4:x%Tb(III) thay đổi theo nồng độ 50 3.2.3 Phổ kích thích huỳnh quang vật liệu YPO 4:Tb(III) 51 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Các chữ viết tắt DTA : phân tích nhiệt vi sai (Diferential Thermal Analysis) ET : truyền lượng EXC : kích thích (Excitation) FWHM : độ bán rộng (Full Width at Half Maximum) NR : không phát xạ R : phát xạ RE : đất (Rare Earth) SEM : hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) TGA : phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetry Analysis) XRD : nhiễu xạ tia X (X – Ray diffraction) Các kí hiệu  : bước sóng (wavelength) t : nhiệt độ nung β : độ bán rộng θ : góc nhiễu xạ tia X I : cường độ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Mối liên hệ kích thước số nguyên tử bề mặt 10 Bảng 1.2: Các ion nguyên tố đất 14 Bảng 2.1: Danh sách mẫu YPO 4:1%Tb(III) biến đổi nhiệt độ 34 Bảng 2.2: Danh sách mẫu YPO 4:x%Tb(III) (x = 0,1; 1; 2; 3; 5; 7; 10) 35 Bảng 3.1: Kích thước tinh thể vật liệu YPO 4:1%Tb(III) 46 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ tinh thể hay vật liệu huỳnh quang Hình 1.2: Sơ đồ mơ tả q trình huỳnh quang Hình 1.3: Sự truyền lượng từ tâm S (tăng nhạy) tới A Hình 1.4: Sự truyền lượng từ S tới A Hình 1.5: Cấu trúc hệ vật liệu phát quang đồng pha tạp Hình 1.6: Cấu trúc YPO 11 Hình 1.7: Giản đồ mức lượng ion RE3+ 16 Hình 1.8: Sơ đồ lượng chuyển mức electron ion Tb 3+ 18 Hình 2.1: Quy trình tổng hợp vật liệu YPO 4:Tb(III) phương pháp phản ứng nổ 32 Hình 2.2: Sơ đồ nhiễu xạ mạng tinh thể 38 Hình 2.3: Thiết bị đo X – ray D8 – ADVANCE – Bruker 39 Hình 2.4: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 40 Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang thông thường 41 Hình 3.1: Giản đồ phân tích nhiệt mẫu tiền chất vật liệu YPO 4:1%Tb 44 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu YPO 4:1%Tb nung 800oC giờ, vạch thẳng đứng thẻ chuẩn JCPDS 74 – 2429 YPO4 44 1000 Cờng độ (đ.v.t.đ) 800 600 D4 - F5 YPO :1%Tb f) e) d) c) b) a) D 4- F6 f e o 900 C o 800 C o 700 C o 600 C o 500 C o 300 C EXC =266nm 400 d D - F6 D - F5 D4 - F4 c 200 D3 - F4 D4 - F b a 350 400 450 500 550 600 650 700 B•íc sãng(nm) Hình 3.5: Phổ huỳnh quang vật liệu YPO 4:1%Tb(III) nung nhiệt độ khác nhau, vùng bước sóng từ 400 đến 700 nm Hình 3.6: Cường độ huỳnh quang bước sóng 493 nm với vật liệu nung nhiệt độ khác 3.2.2 Phổ huỳnh quang vật liệu YPO4:x%Tb(III) thay đổi theo nồng độ Hình 3.7 phổ huỳnh quang vật liệu YPO4:x%Tb(III) nung 800oC giờ, kích thích bước sóng 220 nm Tất mẫu thể chuyển dời đặc trưng Tb(III) YPO Có thể nhận thấy cường độ huỳnh quang thay đổi đáng kể nồng độ pha tạp tăng lên Khi nồng độ pha tạp tăng lên số tâm phát quang tăng, làm tăng cường độ phát quang Tuy nhiên, nồng độ pha tạp tăng đến mức cường độ phát quang cực đại giảm tiếp tục tăng nồng độ pha tạp – người ta nói hiệu ứng dập tắt huỳnh quang nồng độ Trong nghiên cứu này, hiệu ứng dập tắt huỳnh quang chưa nhận thấy dù nồng độ pha tạp lên tới 15% Trên 10% cường độ huỳnh quang dẫn đến gần bão hòa EXC = 220nm 800 YPO4 : x%Tb(III) D 4- F 15% 10% 7% 5% 3% 2% 1% 0.1% 600 D 4- F6 Cờng độ (đ.v.t.đ) 400 D 3- F 200 5 D 3- F 5 400 D 4- F 7 D -3 F 500 600 B•íc sãng (nm) 700 Hình 3.7: Phổ huỳnh quang vật liệu YPO 4:x%Tb(III) nung 800 oC giờ, vùng bước sóng từ 400 đến 700 nm Hình 3.8: Cường độ huỳnh quang đỉnh 545 nm theo nồng độ pha tạp mẫu nung 800 oC 3.2.3 Phổ kích thích huỳnh quang vật liệu YPO4:Tb(III) Một vật liệu huỳnh quang phát xạ xạ hấp thụ lượng kích thích, phép đo phổ kích thích cần thiết Hình 3.9: Phổ kích thích huỳnh quang mẫu YPO 4:5%Tb, bước sóng thị 545 nm Hình 3.9 trình bày phổ kích thích huỳnh quang ion Tb 3+ mẫu YPO4:5%Tb, bước sóng thị 545 nm Phổ gồm số vạch kích thích đặc trưng 220, 266, 342, 352 370 nm Các vạch kích thích quy cho chuyển dời hấp thụ từ trạng thái 7F6 lên trạng thái kích thích Hình 3.10 trình bày phổ huỳnh quang vật liệu YPO4:5%Tb bước sóng kích thích quét từ 200 – 380 nm Kết cho thấy, với bước sóng kích thích khác phổ huỳnh quang nhận có dạng tương tự (vị trí cường độ vạch phổ), đó, bước sóng kích thích mạnh 220 nm Hình 3.10: Phổ huỳnh quang mẫu YPO 4:5%Tb với bước sóng kích thích khác KẾT LUẬN Q trình tổng hợp nghiên cứu tính chất vật liệu nano phát quang YPO4:x%Tb(III) mang lại số kết sau: Đã tổng hợp thành công vật liệu nano phát quang YPO4:1%Tb(III) phương pháp phản ứng nổ với quy trình tổng hợp vật liệu ổn định Vật liệu thu đơn pha không ghi nhận xuất pha tạp chất Vật liệu có hình dạng tựa cầu với kích thước đồng khoảng 20 – 30 nm Sự thay đổi nhiệt độ nung mẫu từ 300 – 900oC khơng gây ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc, hình thái vật liệu kích thước hạt Nhiệt độ tối ưu để nung mẫu 800 – 900oC Vật liệu phát xạ ánh sáng xanh kích thích 220 nm 266 nm Phổ huỳnh quang vật liệu YPO4:1%Tb(III) thể chuyển dời phát xạ đặc trưng 5D3 – 7FJ 5D4 – 7FJ (J= – 6) Tb(III) Khi tăng nồng độ pha tạp, phổ huỳnh quang vật liệu YPO4:x%Tb(III) chưa quan sát hiệu ứng dập tắt nồng độ Tb(III) lên đến 15%, nhiên cường độ huỳnh quang vật liệu dần đến bão hòa nồng độ pha tạp Tb 10% TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thị Thu Hiền (2013), “Chế tạo nghiên cứu tnh chất vật liệu nano phát quang YBO3:Eu(III)”, Luận văn Thạc sĩ khoa học Hóa học, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội Đinh Xuân Lộc (2013), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano YVO4:Eu(III), CePO4:Tb(III) khảo sát tnh chất quang chúng”, Luận án Tiến Sĩ Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Phạm Đức Roãn, Phạm Hồng Nhung, Thái Thị Diệu Hiền, Lâm Thị Kiều Giang, Nguyễn Vũ (2016), “Tổng hợp vật liệu phát quang nano YPO 4:Eu (Y, Al)PO4:Eu”, Tạp chí Hóa học, 54(5e1,2), pp.197 – 200 Phạm Đức Rỗn, Nguyễn Thế Ngơn (2009), “Các ngun tố hóa phóng xạ”, Nhà xuất Đại học Sư phạm Nguyễn Hữu Tân (2013), “Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang sở ytri oxit ytri photphat pha tạp europi, tecbi xeri”, Luận án Tiến Sĩ Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa Học Công nghệ Việt Nam Phan Văn Thích, Nguyễn Đại Hưng (2004), “Giáo trình huỳnh quang”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Vũ (2007), “Chế tạo nghiên cứu tnh chất quang vật liệu nano Y2O3: Eu, Tb, Yb”, Luận án Tiến Sĩ Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Nguyễn Vũ, Phạm Đức Roãn, Tạ Minh Thắng, Trần Thị Kim Chi, Mẫn Hoài Nam Nguyễn Thị Thanh (2015), “Tổng hợp vật liệu phương pháp phản ứng nổ tnh chất LaPO4:Eu(III) kích thước nanomet”, Tạp chí Hóa học, 53(4), pp.480 – 484 Tiếng Anh A Kaminskaa, A Kozaneckia, M O Ramirezb, L E Bausab, G Boulonc, M Betinellid, M (2016), “Spectroscopic study of radiatve intraconfguratonal 4f→4f transitons in Yb 3+ doped materials using high hydrostatc pressure”, Journal of Luminescence, 169, pp.507 – 515 10 A K Parchur, G S Okram, R A Singh, R Tewari, Lina Pradhan, R K Vatsa, and R S Ningthoujam (2010), “Efect Of EDTA On Luminescence Property Of Eu +3 Doped YPO4 Nanopartcles” 11 A K Parchura and R S Ningthoujam (2012), “Behaviour of electric and magnetc dipole transitons of Eu 3+, 5D0 – 7F0 and Eu – O charge transfer band in Li+ co – doped YPO4:Eu 3+” 12 Angiuli Fabio (2013), “Energy transfer and charge transfer processes in luminescent materials”, pp.117 – 135 13 Arnaud Huignard, Thierry Gacoin, and Jean Pierre Boilot – (2000) “Synthesis and luminescence propertes of colloidal YVO 4:Eu photphors, Chemistry of Masterials”, 12, pp.1090 – 1094 14 B Kahouadji, L Guerbous, L Lamiri, A Mendoud (2014), “Structural and Optcal Propertes of Ce3+ Doped YPO4 Nanophosphors Synthesis by Sol Gel Method” 15 Blasse G., B C Grabmaier (1994), “Luminescent Materials”, Springer, Berlin 16 Bredol M., Kynast U., Ronda C.(1991), Designing Luminescent Materials, “Advanced Materials”, 3, pp.361 367 – 17 Brown M E., Glasser L and Stewart B V (1974), “The thermal decompositon of ammonium meta vanadate, Journal of Thermal Analysis”, 6, pp.529 – 541 18 Chi L S., Liu R S., and Lee B J (2005), “Synthesis of Y2O3:Eu, Bi Red Phosphors by Homogeneous Coprecipitaton and Their Photoluminescence Behaviors”, Journal of The Electrochemical Society, 152(8), pp.93 – 98 19 G Du,W G Jabbar, M.K Al – zyadi, Y Han, P Liuand, Z Liu(2013), J.NanopartRes, 15:1619 20 G Phaomei, W.R Singh, N.S Singhand R.S Ningthoujam (2013), Journal of Luminescence, 134 , pp.649 – 656 21 Hai Huang, Guo Qui Xu, Wee Shong Chin, Leong Ming Gan and Chwee Har Chew (2002), “Synthesis and Characterizatonoof Eu:Y2O3 nanopartcle”, Nanotechonology, 13, pp.318 – 323 22 Haiping Zhang, Mengkai Lu, Zhiliang Xiu, Guangjun Zhou, Shufen Wang, Yuanyuan Zhou, Shumei Wang (2006), “Infuence of processing conditons on the luminescence of YVO 4:Eu3+ nanopartcles”, Materials Science and Engineering B, 130, pp.151 – 157 23 Huignard, A., Buissete, V., Laurent, G., Gacoin, T., Boilot, J.P (2002), “Sensitzing and protectng lanthanide ion emission using optcally actve nanocrystals”, Chemistry of Masterials, 14, pp.2264 – 2269 24 Jinyu Yang, Lin Luo, Zhou Chen, Xueyu Chen, Xiaoyu Tang (2016), “Tb – doped YPO4 phosphors: Polyacrylamide gel synthesis and optcal propertes”, Journal of Alloys and Compounds, 689, pp.837 – 842 25 Paras N Prasad (2004), "Nanophotonic", Wiley – Interscience 26 Qiuling Luo, Shaodian Shen, Guanzhong Lu, Xiuzhen Xiao, Dongsen Mao, Yanqin Wan (2002),“Synthesis of Cubic Ordered Mesoporous YPO4:Ln 3+ and TheirPhotoluminescence Propertes” 27 Riwotzki, K.; Haase, M Wet (1998), “Chemical synthesis of doped colloidal nanopartcles: YPO 4:Ln (Ln = Eu, Sm, Dy)”, J Phys Chem B, 102(50), pp.10129 – 10135 28 Robert Pazik, Adam Watras, Lucyna Macalik and Przemysław J Deren (2014), “One step urea assisted synthesis of polycrystalline Eu(III) doped KYP2O7 – luminescence and emission thermal quenching propertes” 29 S Ćulubrk, V Lojpur, V Đordjević, M D Dramićanin, (2013), “Annealing and Doping Concentraton Efects on Y2O3: Sm3+ Nanopowder Obtained by Self – Propagaton Room Temperature Reacton, Science of Sintering”, 45, pp.323 – 329 30 Sang Do Han (2006), “Synthesis, luminescence and efect of heat treatment on the propertes of Dy3+ – doped YVO4 phosphor”, Materials Science and Engineering B, 129, pp.126 – 130 31 Shafquat Majeed Mohsin BashirS A Shivashankar (2015), “Dispersible crystalline nanobundles of YPO and Ln (Eu, Tb) – doped YPO4: rapid synthesis, optcal propertes and bio – probe applicatons” 32 Shigeo Shionoya, Wiliam M Yen (1999), “Phosphor Handbook”, CRC Press LLC 33 Suyver J.F, A Aebischer, D Biner, P Gerner, J Grimm, S Heer, K.W Kramer, C Reinhard, H.U Gudel (2005), "Novel materials doped with trivalent lanthanides and transiton metal ions showing near – infrared to visible photon upconversion", Optcal Materials, 27, pp.1111 – 1130 34 Weihua Di, Xiaojun Wang, Baojiu Chen, Shaozhe Lu (2005), “Structure – induced change of luminescent propertes in the hydrated and dehydrated YPO4:Tb”, Materials Leters, 59, pp.2310 – 2313 35 Weihua Di, Xiaojun Wang, Baojiu Chen, Huasheng Lai, Xiaoxia Zhao (2005), “Preparaton, characterizaton and VUV luminescence property of YPO4:Tb phosphor for a PDP”, Optcal Materials, 27, pp.1386 – 1390 36 Wei Tang, Mingwen Wang, Xiangxue Meng, Wei Lin (2016), “Luminescence propertes of tunable white – light long – lastng phosphor YPO4:Eu3+, Tb 3+, Sr2+, Zr4+, Optcal Materials, 54, pp.120 – 125 37 William M Yen, Shigeo Shionoya, Hajime Yamamoto (2006), “Phosphor Handbook”, 2nd, CRC Press 38 Yajuan Sun, Hongjian Liu, Xin Wang, Xianggui Kong, and Hong Zhang (2006), “Optcal Spectroscopy and Visible Upconversion Studies of YVO4:Er3+ Nanocrystals Synthesized by a Hydrothermal Process”, Chem Mater, 18, pp.2726 – 2732 39 Ye Jin, Weiping Qin, Jisen Zhang, Yan Wang, Chunyan Cao, Jishuang Zhang, Xinguang 18RenGuofeng Wang, Guodong Wei, Lili Wang, Longzhen Jin, Peifen Zhu (2008), “La3PO7:Eu(III) nanopartcles A novel red phosphor” 40 Yinyao Liu, Zhaosong Zou, Xiaoluan Liang, Guorong Chen, “Energy Transfer and Photoluminescence of Zinc Phosphate Glasses Co – Doped with Tb 3+ and Mn 2+”, Journal of the American Ceramic Society, 93(7), pp.1891 – 1893 41 Zhiyao Hou, et al (2008), “Preparaton and Luminescence Propertes of YPO4:Ln and Y(V, P)O 4:Ln (Ln = Eu 3+, Sm3+, Dy3+) Nanofbers and Microbelts by Sol – Gel/Electrospinning Process”, Chem Mater, 20, pp.6686 ... nồng độ pha tạp đến tính chất quang vật liệu  Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Vật liệu nano phát quang YPO 4 :Tb(III)  Phương pháp nghiên cứu: – Phương pháp nghiên cứu phương pháp thực nghiệm:... vật liệu phương pháp nhiễu xạ tia X – Nghiên cứu tính chất huỳnh quang chế phát quang vật liệu nano chế tạo kĩ thuật huỳnh quang Khảo sát tối ưu hóa tính chất huỳnh quang vật liệu pha tạp Tb(III). .. vật liệu nano phát quang kết hợp với phân tích, đánh giá nhiều nhóm nghiên cứu ngồi nước vật liệu phát quang với mạng chủ YPO em chọn đề tài Chế tạo vật liệu phương pháp phản ứng nổ nghiên cứu