Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ sral2o4 pha tạp mn4+bằng phương pháp sol gel

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC VƯƠNG THỊ HƯỜNG CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ SrAl2O4 PHA TẠP Mn4+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa phân tích Hà Nội – 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC VƯƠNG THỊ HƯỜNG CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ SrAl2O4 PHA TẠP Mn4+ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa phân tích Người hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Duy Hùng Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Duy Hùng, TS Nguyễn Văn Quang, ThS Nguyễn Thị Huyền hướng dẫn, giúp đỡ em suốt q trình hồn thiện khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô mơn Phân tích, khoa Hóa Học trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ em sở vật chất tận tình bảo em suốt q trình tiến hành thí nghiệm Em xin chân thành cảm ơn Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST)Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ em việc đo đạc, khảo sát tính chất quang sản phẩm Cuối em xin chân thành cảm ơn trao đổi, đóng góp ý kiến bạn nhóm nghiên cứu khoa học giúp đỡ em nhiều q trình hồn thiện khóa luận lịng biết ơn sâu sắc đến người thân, gia đình bạn bè động viên khích lệ tạo niềm tin giúp em phấn đấu học tập hồn thiện khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Xuân Hòa, ngày tháng năm Tác giả Vương Thị Hường MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung phương pháp nghiên cứu Bố cục nghiên cứu Chương I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu huỳnh quang 1.1.1 Cơ chế phát quang vật liệu 1.1.2 Các đặc trưng quang phát quang 1.2 Các phương pháp tổng hợp vật liệu huỳnh quang 1.2.1 Kỹthuậtgốmcổtruyền 1.2.2 Phươngphápđồngkếttủa 1.2.3 Phươngphápsol-gel 1.3 Vật liệu SrAl2O4 10 1.3.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu SrAl2O4 10 1.3.2 Đặc điểm cấu trúc vật liệu SrAl2O4 13 1.3.3.Giản đồ lượng tanabe-sugano chuyển dời ion Mn4+ chất rắn 13 Chương THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Giới thiệu phương pháp sol-gel chế tạo vật liệu huỳnh quang 17 2.2 THỰC NGHIỆM 18 2.2.1 Thiết bị hóa chất 18 2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu 19 2.3 Nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu 20 2.3.1 Cấu trúc tinh thể bột vật liệu huỳnh quang( nhiễu xạ tia X-XRD) 20 2.3.2 Khảo sát hình thái bề mặt thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ trường( FESEM) 22 2.3.3 Phương pháp phân tích thành phần hóa học phổ tán sắc lượng tia X 25 2.3.4 Phương pháp đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang 26 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1.Kết khảo sát thuộc tính vật liệu 28 3.2 Kết khảo sát hình thái bề mặt vật liệu 29 3.3 Kết phân tích thành phần hóa học mẫu 31 3.4 Kết phân tích tính chất quang vật liệu 32 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt EDS Energy dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia spectroscopy X Field emission scanning electron Hiển vi điện tử quét phát microscopy xạ trường LED Light emitting điốt Điốt phát quang Phosphor phosphor Vật liệu huỳnh quang PL Photoluminescence spectrum Pho huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation Phổ kích thích huỳnh spectrum quang TEM Transmission electron microscope Hiển vi điện tử truyền qua UV Utraviolet Tử ngoại XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X WLED White LED Điôt phát ánh sáng trắng FESEM DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các chuyển dời quang học Hình 1.2: Phổ phát xạ pha α β mẫu bột SrAl2O4 chế tạo nhiệt độ phòng 11 Hình 1.3: Phổ phát xạ pha α β mẫu SrAl2O4 dạng viên chế tạo nhiệt độ phòng 11 Hình 1.4: Phổ huỳnh quang kích thích huỳnh quang SrAl2O4: Eu2+ 12 Hình 1.5: Phổ PL nung thiêu kết nhiệt độ từ 900-13000C phổ PLE SrAl2O4: Mn4+ nung thiêu kết 11000C 12 Hình 1.6: Cấu trúc mạng tinh thể α- SrAl2O4 13 Hình 1.7: Giản đồ Tanabe- sugano cho cấu hình d3 15 Hình 1.8: Giản đồ Tanabe- Sugano cho cấu hình d5 15 Hình 1.9: Sự tách mức lượng ion Mn4+ vị trí tinh thể đối xứng D3h với hiệu ứng tương tác spin- quỹ đạo 16 Hình 2.1: Sơ đồ quy trình phương pháp sol-gel 18 Hình 2.3: Hệ thiết bị phân tích cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X 21 Hình 2.4: Hiện tượng nhiễu xạ tia X tinh thể 22 Hình 2.5: Ảnh thiết bị chụp ảnh FESEM tích hợp với đầu đo EDS 23 Hình 2.6: Các tín hiệu sóng điện từ phát xạ từ mẫu tán xạ 24 Hình 2.7: Sơ đồ kính hiển vi điện tử qt (a); Đường tia điện tử SEM (b) 25 Hình 2.8: Hệ đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang (NanoLog spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon) 27 Hình 3.1a Phổ nhiễu xạ tia X bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung thiêu kết nhiệt độ từ 900-12800C 28 Hình 3.1b:Phổ nhiễu xạ tia X bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung khơng khí nhiệt độ 1280 0C 29 Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu nung nhiệt độ khác ủ nhiệt giờ, 10000C (a), 11000C (b), 12000C (c), 12800C (d) 30 Hình 3.3a: Ảnh FESEM mẫu bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung nhiệt độ 12800C khơng khí ủ nhiệt vị trí vùng quét để đo phổ EDS vật liệu 31 Hình 3.3b: Phổ tán sắc lượng EDS bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung 12800C không khí 32 Hình 3.4: Phổ PL mẫu nung từ 900 đến 12800C (a) phổ PLE mẫu nung nhiệt độ 12800C (b) 32 Hình 3.5: Phổ kích thích huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ đo vị trí đỉnh khác 33 Hình 3.6: Phổ huỳnh quang SrAl2O4 pha tạp Mn4+ với nồng độ khác nhiệt độ 1280 0C 41 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ánh sáng chiếu sáng nhu cầu thiếu người Nó khơng phục vụ người đời sống sinh hoạt mà ánh sáng nguồn lượng vô quan trọng quang hợp xanh.Chính lượng tiêu thụ cho vấn đề chiếu sáng ngày tăng cao Để tiết kiệm lượng chiếu sáng, việc thay loại bóng đèn có hiệu suất chuyển đổi lượng thấp bóng đèn chiếu sáng hiệu suất cao nhà nghiên cứu quan tâm [2] Hiện nguồn sáng nhân tạo chủ yếu đèn huỳnh quang, đèn compact, đèn LED WLED có hiệu suất phát quang cao dần thay đèn sợi đốt Những năm 1930 đèn huỳnh quang thương mại giới thiệu dần chiếm lĩnh thị trường nhanh chóng bột huỳnh quang truyền thống sử dụng đèn huỳnh quang – bột halophosphate có độ bền kém, hiệu suất thấp phổ phát xạ tập trung hai vùng xanh lam vàng cam, nên ánh sáng đèn huỳnh quang sử dụng bột halophosphate thường không đủ màu quang phổ ánh sáng trắng dẫn đến độ trả màu CRI thấp [2] Vì nhà nghiên cứu nghiên cứu loại đèn phátánh sáng trắng có hiệu suất cao thời gian sống dài hơn, dễ điều khiển thân thiện với môi trường đèn WLED Đa số WLED thị trường chế tạo từ kết hợp bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng vàng YAG (Y3Al5O12): Ce3+ kết hợp với BLUE LED (điốt phát xạ màu xanh lam) kết hợp chip LED bule, green red Trong YAG:Ce3+ bột huỳnh quang nghiên cứu ứng dụng cho chế tạo WLED trở thành huỳnh quang thương mại, hấp thụ mạnh vùng ánh sáng màu lam (450 – 470 nm) phát xạ mạnh vùng ánh sáng màu vàng (500 – 650 nm) Tuy nhiên, ánh sáng nguồn WLED tạo thành có hệ số truyền đạt màu CRI thấp nhiệt độ màu cao phát xạ bột huỳnh quang YAG: Ce3+ thiếu ánh sáng đỏ [5, 10].Trong đó, việc kết hợp chip LED blue, green, red để tạo ánh sáng trắng giá thành lại cao để chất lượng ánh sáng tốt giá thành lại rẻ ngồi việc sử dụng bột huỳnh quang YAG: Ce 3+ cần bổ sung thêm bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ Hiện loại bột huỳnh quang phát ánh sáng đỏ chế tạo vật liệu có chứa gốc nito nhà nghiên cứu quan tâm M2Si5N8 : Eu2+ (M=Sr, Ca) chế tạo vật liệu có chứa gốc silic vật liệu có giá thành cao q trình chế tạo vật liệu phải giữ mơi trường khí bảo quản nghiêm ngặt nhằm tránh oxy hóa, nhiệt độ tạo thành pha tinh thể mạng cao >18000C [3] Vì bột phophors dựa mạng có chứa nito có giá thành cao [8,12] Thay chế tạo vật liệu có chứa gốc nito nghiên cứu gần chế tạo vật liệu chứa gốc oxit kim loại đất hiếmvới nhiều ưu điểm ổn định hóa học độ bền nhiệt cấu trúc mạng Đồng thời loại vật liệu huỳnh quang có dải kích thích dải phát xạ rộng, cường độ phát quang mạnh Eu có giá thành cao để tiết kiệm người ta nghiên cứu theo hướng tìm vật liệu lân quang khơng pha tạp Eumà pha tạp kim loại chuyển tiếp phát xạ ánh sáng màu đỏ Trong số kim loại chuyển tiếp Mn, kim loại chuyển tiếp thu hút nhiều ý năm gần đây, sử dụng làm tâm phát quang nhiều mạng khác ZnS, YAG, MgAl2O4, BAM,… Trong hầu hết mạng ion Mn2+ cho phát xạ màu xanh lục khoảng xấp xỉ 520 nm nhiên ion Mn4+ mạng YAG, MgAl2O4 cho phát xạ đỏ- đỏ xa với hiệu suất quang cao hấp thụ kích thích dải rộng từ vùng tử ngoại (NUV) đến vùng ánh sáng khả kiến (xanh lam, xanh lục).Có nhiều gốc để chế tạo mạng SrAl2O4 vật liệu lân quang có độ bền hóa học, nhiệt độ cao chưa nghiên cứunhiều Năm 1996 Matsuzawa cộng chế tạo vật liệu SrAl2O4: Eu2+, Dy3+ nghiên cứu chế lân quang vật liệu [9] Nhưng nghiên cứu chế tạo vật liệu SrAl2O4 pha tạp Mn có người nghiên cứu Vì nghiên cứu chúng tơi nghiên cứu đề tài “Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ SrAl2O4 pha tạp Mn4+bằng phương pháp Sol-gel” Mục tiêu nghiên cứu + Chế tạo thành công vật liệu SrAl2O4 phát xạ ánh sáng đỏ phương pháp Hình 2.5:Ảnh thiết bị chụp ảnh FESEM tích hợp với đầu đo EDS Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt SEM), loại kính hiển vi điện tử tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật rắn cách sử dụng chùm điện tử (chùm electron) hẹp quét bề mặt mẫu Việc tạo ảnh mẫu vật thực thông qua việc ghi nhận phân tích xạ phát từ tương tác chùm điện tử với bề mặt mẫu vật 23 Hình 2.6: Các tín hiệu sóng điện từ phát xạ từ mẫu tán xạ Nguyên lí hoạt động phương pháp giống việc tạo chùm điện tử kính hiển vi điện tử truyền qua, tức điện tử phát từ súng phóng điện tử (có thể phát xạ nhiệt, hay phát xạ thường…) sau tăng tốc Tuy nhiên, tăng tốc SEM thường từ 10kV đến 50kV hạn chế thấu kính từ, việc hội tụ chùm điện tử có bước sóng nhỏ vào điểm kích thước nhỏ khó khắn Điện tử phát ra, tăng tốc hội tụ thành chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhớ hệ thống thấu kính từ, sau quét bề mặt mẫu nhờ cuộn quét tĩnh điện Độ phân giải SEM xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước chùm điện tử bị hạn chế bới quang sai Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, có xạ phát ra, tạo ảnh SEM phép phân tích thực thơng qua việc phân tích xạ Các xạ chủ yếu gồm: 24 Hình Sơ hiển đồ kính hiểntửviquét điện(a); tử quét (a).điĐường củatửtiatrong điệnSEM tử Hình 2.7: Sơ 3.3 đồ kính vi điện Đường tiađiđiện SEM (b) (b) + Điện thứ cấp: chế độ ghi ảnh thông dụng kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có lượng thấp (thường nhỏ hợn 50eV)được ghi nhận ống nhân quang nhấp nháy Vì chúng có lượng thấp nên chủ yếu điện tử phát từ bề mặt mẫu với độ sâu vài nanomet chúng tạo ảnh hai chiều bề mặt mẫu + Điện tử tán xạ ngược: Điện tử tán xạ ngược chùm điện tử ban đầu tương tác với bề mặt mẫu bị ngược trở lại chúng thường có lượng cao Sự tán xạ phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học bề mặt mẫu, ảnh điện tử tán xạ ngược hữu ích cho việc phân tích độ tương phản thành phần hóa học Ngồi ra, điện tử tán xạ ngược dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử) 25 Mặc dù SEM có độ phân giải khơng tốt TEM kính hiển vi điện tử qt lại có ưu điểm phân tích mà khơng làm phá hủy mẫu vật hoạt động chân khơng thấp thể người ta sử dụng SEM để phân tích hình thái bề mặt nhiều 2.3.3 Phương pháp phân tích thành phần hóa học phổ tán sắc lượng tia X Để xác định có mặt nguyên tố mẫu nghiên cứu người ta sử dụng thiết bị phân tích EDS (Energy Dispersive X-ray) Khi hoạt động chùm điện tử phát từ súng điện tử thiết bị quét bề mặt mẫu Các điện tử bắn phá vào nguyên tố bề mặt mẫu, điện tử thuộc lớp bề mặt mẫu bị bật khỏi mẫu Các điện tử nằm sâu bên có mức lượng cao nhanh chóng chiếm vị trí trống mà điện tử bật ngồi để lại Quá trình chuyển mức làm xạ sóng điện từ có bước sóng tương tự bước sóng tia X Cơng thức xác định bước sóng xạ phát  = hc/E E lượng photon xạ phát Với nguyên tố khác giá trị lượng khác Một detector thu nhận xạ chuyển thành tín hiệu điện để phân tích so sánh với bảng nguyên tố chuẩn cho biết mẫu có mặt nguyên tố Quan sát ảnh phổ EDX ta đánh giá hàm lượng tỷ đối nguyên tố có mặt mẫu dựa vào độ mạnh yếu khác vạch phổ 2.3.4 Phương pháp đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang Các phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL) phổ kích thích huỳnh quang (PLE) sử dụng để nghiên cứu tính chất quang vật liệu Chúng khảo sát phổ huỳnh quang hệ đo phổ huỳnh quang kích thích huỳnh quang NanoLog spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) Đại học Bách khoa Hà Nội (hình 2.8) Để so sánh cường độ huỳnh quang mẫu thực đo điều kiện như: lượng mẫu tương đương, thời gian phân tích, bước quét…Tất mẫu nghiên cứu đo nhiệt độ phịng 26 Hình 2.8: Hệ đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang (NanoLog spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon) 27 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Như trình bày chương bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ chế tạo cách hệ thống phương pháp sol-gel với nồng độ Mn4+ pha tạp từ 0.01-10% thiêu kết nhiệt độ khác Trong chương chúng tơi trình bày chi tiết phân tích kết nhận từ phép đo khảo sát cấu trúc tinh thể tính chất quang loại bột huỳnh quang chế tạo Trên sở so sánh số liệu nhận được, điều kiện tối ưu nhiệt độ thiêu kết nồng độ pha tạp cho cường độ phát quang cao xác định 3.1.Kết khảo sát thuộc tính vật liệu Hình 3.1a Phổ nhiễu xạ tia X bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung thiêu kết nhiệt độ từ 900-12800C Kết phân tích phổ XRD hình 3.1a cho thấy bột huỳnh quang nung thiêu kếttại nhiệt độ từ 900-12800Ctrong thời gian hình thành pha tinh thể mạng SrAl2O4 có cấu trúc đơn tà ứng với số thẻ chuẩn JPPDS 00-0340379 có thơng số mạng a= 8.442 Å, b= 8.882 Å, c= 5.1067 Å, z= 4.00 Å Bên cạnh cịn quan sát thấy tinh thể SrMnAl11O19 Pha SrMnAl11O19 hình thành nồng độ pha tạp ion Mn4+ (5%) cao nên số ion Mn4+ chưa vào thay vị trí cho ion Sr2+ mạng nên có khả liên kết thêm với 28 ion O2- bên cạnh để tạo thành pha SrMnAl11O19 Khi nhiệt độ nung thiêu kết thấp cường độ đỉnh phổ SrMnAl11O19 cao đỉnh phổ SrAl2O4 nguyên tử chưa khuếch tán vào vị trí để hình thành pha mạng Ngược lại tăng nhiệt độ nung lên ion Mn4+ thay ion Sr2+ dẫn đến cường độ đỉnh XRD SrAl2O4 tăng lên cường độ đỉnh XRD SrMnAl11O19 giảm có dịch đỉnh nhiễu xạ phía góc lớn Ngồi tăng nhiệt độ cịn thấy bán độ rộng đỉnh phổ giảm, cường độ đỉnh phổ tăng điều chứng tỏ tăng nhiệt độ thiêu kết kích thước hạt tăng Hình 3.1b:Phổ nhiễu xạ tia X bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+5%nung khơng khí nhiệt độ 12800C Ở nhiệt độ 12800C hình 3.1b phổ XRD ta nung thiêu kết thời gian khác từ 3h-8h thấy nung thiêu kết thời gian 3h, 4h đỉnh phổ có cường độ yếu, nung thời gian 5-6h cường độ đỉnh phổ cao đạt tối ưu 5h 3.2.Kết khảo sát hình thái bề mặt vật liệu Hình thái bề mặt kích thước hạt vật liệu huỳnh quang có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang vật liệu chúng ảnh hưởng tới hiệu suất hấp thụ phát xạ vật liệu Vật liệu huỳnh quang ứng dụng thiết bị chiếu sáng 29 phải có kích thước hạt đồng phù hợp cho hiệu suất hấp thụ thấp phát xạ vật liệu tốt Do cần thiết phải khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hình thái bề mặt kích thước hạt bột Vì cần phải khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hình thái bề mặt kích thước hạt bột Nhiệt độ nung thiêu kết yếu tố ảnh hưởng đến hình thái bề mặt kích thước hạt bột huỳnh quang Để khảo sát hình thái bề mặt kích thước hạt bột, sử dụng phương pháp hển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu nung nhiệt độ khác ủ nhiệt giờ, 10000C (a), 11000C (b), 12000C (c), 12800C (d) Kết khảo sát FESEM bột huỳnh quang cho thấy vật liệu thu nung thiêu kết nhiệt độ 10000C 11000C có cấu trúc dạng hạt kích thước đồng đều, biên hạt sắc nét rõ ràng nung thêu kết nhiệt độ cao 12000C 12800C hạt nhỏ có kích thước khoảng vài trăm nm nóng chảy, co cụm liên kết với tạo thành hạt lớn cấu trúc dạng hạt khơng đồng với kích thước từ 1-10 µm 30 3.3 Kết phân tích thành phần hóa học mẫu Để kiểm tra thành phần nguyên tố có vật liệu, tiến hành đo phổ tán sắc lượng EDS mẫu vật liệu nhiệt độ phịng Hình 3.3a trình bày ảnh FESEM mẫu bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung thiêu kết ở12800Ctrong vị trí vùng quét để đo phổ EDS vật liệu Hình 3.3b biểu diễn kết phân tích phổ EDS vị trí vùng qt đánh dấu hình 3.3a Kết cho thấy vật liệu chứa đầy đủ thành phần hóa học nguyên tố Sr, Al, O mạng nguyên tố pha tạp Mn Hình 3.3a: Ảnh FESEM mẫu bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung nhiệt độ 12800C không khí ủ nhiệt vị trí vùng quét để đo phổ EDS vật liệu 31 Hình 3.3b: Phổ tán sắc lượng EDS bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% nung 12800C không khí 3.4 Kết phân tích tính chất quang vật liệu Phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL) phổ kích thích huỳnh quang (PLE) hai phương pháp mà chúng tơi sử dụng để khảo sát tính chất quang bột huỳnh quang Hình 3.4 phổ huỳnh quang mẫu nung thiêu kết từ 900-12800C phổ PLE mẫu nung nhiệt độ 12800C a b Hình 3.4: Phổ PL mẫu nung từ 900 đến 12800C (a)và phổ PLE mẫu nung nhiệt độ 12800C(b) 32 Khi nung nhiệt độ 9000C cường độ huỳnh quang yếu nung lên 10000C từ phổ huỳnh quang ta quan sát thấy có đỉnh phổ 659 nm có độ bán rộng hẹp Khi nung tiếp lên nhiệt độ 12800C từ phổ huỳnh quang quan sát thấy phổ huỳnh quang thay đổi rõ rệt với đỉnh phát quang 644 nm, 659 nm 673 nm Nguồn gốc đỉnh phát xạ giải thích liên quan đến dịch chuyển điện tử từ trạng thái kích thích 2E trạng thái 4A2g ion kim loại chuyển tiếp Mn4+ nằm vị trí D3d mạng SrAl2O4 Khi nung nhiệt độ lên cao 12000C 12800C ta thấy dạng phổ phát quang sắc nét ưu cường độ vượt trội mẫu ủ nhiệt độ 1280oC Như nhiệt độ nung tăng cường độ huỳnh quang mạnh khơng có dập tắt huỳnh quang Điều giải thích nhiệt độ thiêu kết thấp hình thành pha mạng thấp ion khuếch tán chưa vào vị trí, nhiệt độ thiêu kết tăng pha mạng ổn định dẫn đến ion Mn4+ khuếch tán vào vị trí thay tăng dẫn đến cường độ huỳnh quang tăng Hình 3.4 (b) cho thấy phổ PLE mẫu nung thiêu kết 12800C cho thấy bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ có khả hấp thụ mạnh UV bước sóng khoảng 300 nm UV blue 460 nm a:PLE 643 nm b: PLE 659 nm c: PLE 673 nm Hình 3.5: Phổ kích thích huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+đo vị trí đỉnh khác 33 Ở hình 3.5 phổ kích thích huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ cho thấy phổ kích thích huỳnh quang 659 nm phát xạ đỏ kích thích mạnh bước sóng 329 nm 475 nm Nguyên nhân chuyển mức lượng từ 4A2g2T2gvà 4A2g4T1g ion Mn4+ mạng Sau xác đinh nhiệt độ thời gian tối ưu để hình thành pha vật liệu phát huỳnh quang mẫu, bột huỳnh quang pha tạp với nồng độ khác nhằm tìm nồng độ pha tạp tốt cho bột huỳnh quang phát quang mạnh Trong nghiên cứu này, nồng độ pha tạp thay đổi từ 0,01 đến 0,08%mol Kết đo phổ PL mẫu cho thấy nồng độ pha tạp Mn tăng cường độ huỳnh quang mẫu tăng Khi nồng độ pha tạp đạt khoảng 0,04%mol cường độ đạt cực đại suy giảm nồng độ pha tạp tăng Suy giảm cường độ huỳnh quang tiếp tục tăng nồng độ pha tạp 0,04%mol cho tượng dập tắt huỳnh quang nồng độ Hình 3.6: Phổ huỳnh quang SrAl2O4 pha tạp Mn4+với nồng độ khác nhiệt độ 1280 0C 34 KẾT LUẬN Bột huỳnh quang phát quang SrAl2O4 pha tạp Mn4+ chế tạo phương pháp sol-gel Kết phân tích XRD cho thấy bột huỳnh quang nung thiêu kết nhiệt độ khác từ9000C đến 12800Ctrong hình thành pha tinh thể mạng SrAl2O4 Bột huỳnh quang phát huỳnh quang mạnh vùng ánh sáng đỏ với đỉnh phát quang cực đại 659 nm có khả hấp thụ bước sóng vùng UV gần UV có cực đại 300 nm Bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ 5% có cường độ mạnh nhiệt độ nung 12800C thời gian 5h Từ kết cho thấy vật liệu SrAl2O4: Mn4+ phát xạ ánh sáng đỏ phương pháp sol-gel có tiềm ứng dụng chế tạo điơt phát quang trắng 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Hồ Văn Tuyến, “Nghiên cứu chế tạo tính chất quang vật liệu borate Sr3B2O6: Eu3+ Sr3B2O6: Eu2+” (2017) [2] Lê Tiến Hà, “Nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang SrPB, SrCl Y2O3 ứng dụng đèn huỳnh quang” (2016) [3] Nguyễn Kim Chi, Ngô Trần Phương Vy, Huỳnh Minh Nhật, Nguyễn Trí Tuấn, Nguyễn Duy Hùng “ Bột huỳnh quang SrAl2O4: Mn4+ phát xạ ánh sáng đỏ chế tạo phương pháp đồng kết tủa” Hội nghị Vật liệu Công nghệ Nano Tiên tiến WANN 2017 Tiếng Anh [4] Blasse G., Grabmainer B G (1994), Luminescent Materials, Springer –Verlag [5] Chen W.Q., Jo D.S., Song Y.H., Masaki T., Yoon D.H, - Synthesis and photoluminescence properties of YAG:Ce3+phosphor using a liquid-phase precursor method Journal of Luminescence 147 (2014) 304-309 [6] Dexter D L and H Schulman (1954), “Theory of concentrationquenching in inorganic phosphors”, J Chem Phys., Vol 22, pp 1063-1070 [7] Leverenz H.W (1950), An introduction to luminescence of solids, John Wiley & Sons, Inc [8] Li YQ, Van Steen JEJ, Van Krevel JWH, Botty G, Delsing ACA, Disalvo FJ, De With G, Hintzen HT, J Alloys Compd , 417, 2006, 273–279 [9] Matsuzawa T., Aoki Y., Takeuchi N., Murayama Y (1996), “A newlong phosphorescent phosphor with high brightness SrAl2O4: Eu2+,Dy3+”, Journal of The Electrochemical Socciety, Vol 143, Issue 8, pp.2670-2673 [10] Song Y.H., Choi T.Y., Senthil K., Masaki T., Yoon D.H - Enhancement of photoluminescence properties of green to yellow emitting Y3Al5O12: Ce3+ phosphor by AlN addition for white LED applications Materials Letter 67 (2012) 184-186 [11] Ronda C (2008), Luminescence From Theory to Applications, WILEYVCHVerlag GmbH & Co KgaA, Weinheim, Germany [12] Xie RJ, Hirosaki N, Li YQ, Takeda T, Mater , 3, 2010, 3777–3793 36 [13] Yen William M., Shionoya Shigeo, Yamamoto Hajime (2007),Fundamentals of Phosphors, CRC Press [14] Yukihara E.G., McKeever S.W.S (2011), Optically Stimulated LuminescenceFundamentals and Applications, A John Wiley and Sons, Ltd 37 ... bày quy trình chế tạo vật liểu SrAl2O4 phương pháp sol- gel 2.1 Giới thiệu phương pháp sol- gel chế tạo vật liệu huỳnh quang Phương pháp sol- gel phương pháp phản ứng pha rắn phương pháp truyền thống... nghiên cứu chế tạo vật liệu SrAl2O4 pha tạp Mn có người nghiên cứu Vì nghiên cứu nghiên cứu đề tài ? ?Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ SrAl2O4 pha tạp Mn4+bằng phương pháp Sol- gel? ?? Mục... VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu phát quang khác phương pháp sol- gel, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp thủy nhiệt… Mỗi phương