Nghiên cứu và chế tạo vật liệu phát quang chứa đất hiếm trên nền florit Nghiên cứu và chế tạo vật liệu phát quang chứa đất hiếm trên nền florit Nghiên cứu và chế tạo vật liệu phát quang chứa đất hiếm trên nền florit luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN NGỌC ĐẠT NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM TRÊN NỀN FLORIT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Ngọc Đạt NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM TRÊN NỀN FLORIT Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 60 44 0104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Lê Quốc Minh Hà Nội - 2013 LỜI CẢM ƠN Lời xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới GS TS Lê Quốc Minh, người Thầy trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Sự tận tâm dạy bảo Thầy lĩnh vực khoa học sống giúp trưởng thành hơn, vững tin đường nghiên cứu khoa học mà lựa chọn Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Lâm Thị Kiều Giang, người Thầy thứ hướng dẫn, bảo giúp đỡ nhiều sống trình làm việc thực nghiệm để tơi hồn thành luận văn Tơi xin trân trọng cám ơn đề tài NCCB thuộc quỹ Nafosted, “Chế tạo tính chất vật liệu nano Ytri, Ziconi pha tạp ion Er(III) Yb(III) nhằm ứng dụng công nghệ quang sinh y học chuyển hóa lượng mặt trời” (ĐTNCCB MS: 103.06-2011.39), chủ nhiệm đề tài: TS Lâm Thị Kiều Giang, cung cấp kinh phí hỗ trợ tơi thực luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể thầy cô giáo môn Vật lý Chất rắn thầy cô trường Đại học Khoa học Tự nhiên dạy bảo, giúp đỡ thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS Trần Kim Anh, TS Nguyễn Thanh Bình, TS Nguyễn Thanh Hường, TS Trần Thu Hương, TS Hoàng Thị Khuyên, KS Đinh Mạnh Tiến tồn thể cán phịng Quang hóa Điện tử Viện Khoa học Vật liệu hướng dẫn, giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu cho tơi q trình thí nghiệm để thực luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến tập thể anh em công tác Viện Khoa học Vật liệu (TS Nguyễn Vũ, TS Trần Kim Chi, ThS Đỗ Hùng Mạnh, CN Trần Thanh Thủy, CN Phạm Thị Thanh) giúp đỡ trình làm việc thực phép đo đạc để thực luận văn Tơi xin gửi lời cám ơn tới Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Vật liệu Linh kiện Điện tử, viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ, hỗ trợ nhiều trình thí nghiệm để hồn thành luận văn Trong q trình thực luận văn này, tơi nhận nhiều quan tâm, động viên, giúp đỡ anh chị, bạn bè đồng nghiệp viện Khoa học Vật liệu, viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới họ, người ln dành tình cảm tốt đẹp cho tơi suốt thời gian hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện Khoa học Vật liệu, Bộ giáo dục Đào tạo quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Sự động viên, khích lệ bạn bè ln nguồn động lực mạnh mẽ giúp tơi vượt qua khó khăn thời gian thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn Nhân dịp này, tơi xin bày tỏ tình cảm trân trọng thiêng liêng tới người thân gia đình tơi, người ln sát cánh bên tơi, giúp tơi vượt qua khó khăn để hoàn thành việc học tập thực luận văn Kết ngày hôm xin làm quà nhỏ để gửi tới Bố Mẹ : người ủng hộ mặt, cho niềm tin vững vàng sống! Hà Nội, tháng 11 năm 2013 Tác giả Trần Ngọc Đạt Lời cam đoan Tôi xin cam đoan tất kết đƣợc trình bày luận văn kết nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn khoa học GS.TS Lê Quốc Minh TS Lâm Thị Kiều Giang Hầu hết kết đƣợc trích dẫn từ báo tơi nhóm nghiên cứu Tất kết hoàn toàn trung thực, khơng có chép từ cơng bố ngƣời khác mà khơng có trích dẫn mục tài liệu tham khảo Tác giả Trần Ngọc Đạt MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM 1.1 Giới thiệu vật liệu nano phát quang chứa đất 1.2 Đặc điểm nguyên tố đất 1.3 Quá trình phát quang hợp chất chứa đất 1.3.1 Phát quang chuyển đổi ngƣợc 13 3.2 Quá trình phát quang chuyển đổi ngƣợc hợp chất đồng pha tạp Er3+ Yb3+ 16 1.4 Ảnh hƣởng mạng cấu trúc loi/vỏ đến tính chất quang vật liệu 17 1.4.1 Ảnh hƣởng mạng đến hiệu suất phát quang vật liệu nano 17 1.4.2 Nghiên cứu chế tạo cấu trúc lõi/ vỏ loại khảo sát ảnh hƣởng chúng đến tính chất phát quang vật liệu nano 21 1.5 Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano phát quang chứa đất 24 1.5.1 Phƣơng pháp đồng kết tủa 24 1.5.2 Phƣơng pháp thủy nhiệt 25 1.5.3 Phƣơng pháp nhiệt phân 25 1.5.4 Phƣơng pháp keo tụ trực tiếp dung môi nhiệt độ sôi cao 27 1.5.5 Phƣơng pháp khuôn mềm 29 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 30 2.1 Chế tạo vật liệu nano NaYF4:Er3+,Yb3+ 30 2.1.1 Chế tạo vật liệu nano NaYF4:Er3+,Yb3+ dạng β 30 2.1.2 Chế tạo vật liệu nano NaYF4:Er3+,Yb3+ dạng α 32 2.2 Chế tạo vật liệu nano cấu trúc lõi/vỏ NaYF4:Er3+,Yb3+ @NaYF4 34 2.3 Chế tạo vật liệu nano cấu trúc lõi/vỏ SiO2-x(OH)x@NaYF4:Er3+,Yb3+ 35 2.3.1 Chế tạo cầu silica (SiO2-x (OH)x) 35 2.3.2 Chế tạo hạt nano trúc lõi/vỏ SiO2-x(OH)x@ NaYF4:Er3+,Yb3+ 38 2.4 Các thiết bị nghiên cứu cấu trúc, vi hình thái tính chất vật liệu 41 2.4.1 Hệ nhiễu xạ tia X 41 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 41 2.4.3 Phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai phân tích nhiệt trọng lƣợng 42 2.4.4 Phƣơng pháp đo phổ hồng ngoại (IR) 42 2.4.5 Phƣơng pháp đo phổ huỳnh quang 43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ tới hình dạng hình thái học cấu trúc pha tinh thể vật liệu 44 3.2 Ảnh hƣởng khn mềm đến hình dạng, kích thƣớc vật liệu 47 3.3 Ảnh hƣởng lớp vật liệu vỏ NaYF4 đến cƣờng độ huỳnh quang chuyển đổi ngƣợc vật liệu β-NaYF4:Er3+,Yb3+ 49 3.4 Ảnh hƣởng vật liệu lõi SiO2-x(OH)x đến tính chất quang chuyển đổi ngƣợc vật liệu 54 3.5 Nghiên cứu tính chất quang chuyển đổi ngƣợc vật liệu nano αNaYF4:Er3+,Yb3+ 58 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Cấu hình điện tử trạng thái ion RE hoá trị 3+ .6 Bảng 1.2: Cường độ phát xạ xanh chuẩn hóa kích thích hồng ngoại mạng chủ đồng pha tạp Yb3+, Er3+ 19 Bảng 2.1: Danh sách mẫu NaYF4:2%Er,19%Yb chế tạo 33 Bảng 2.2: Danh sách mẫu NaYF4:Er3+,Yb3+@NaYF4 chế tạo 35 Bảng 2.3: Danh sách mẫu SiO2-x(OH)x chế tạo phương pháp Stöber 37 Bảng 2.4: Danh sách mẫu SiO2-x(OH)x@ NaYF4: Er3+,Yb3+ chế tạo 41 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ mức lượng ion đất Hình 1.2: Các q trình phát quang có vật liệu kích thích .10 Hình 1.3: Sơ đồ mức lượng (a) trình xạ kích thích hấp thụ trực tiếp (b) q trình xạ kích thích bị hấp thụ ion nhóm ion khác 10 Hình 1.4: Sơ đồ mơ tả chế chuyển đổi ngược thời gian sống mức pSiO2-x(OH)x@αNaYF4:Er3+,Yb3+ sau xử lý nhiệt 680oC thời gian cho thấy, đỉnh nhiễu xạ pha tinh thể dạng α β-NaYF4 cịn xuất đỉnh lạ, có nghĩa pha tinh thể vật liệu có thay đổi so với vật liệu chƣa xử lý nhiệt Nhƣ vậy, trình xử lý nhiệt làm thay đổi cấu trúc pha tinh thể vật liệu, từ ảnh hƣởng tới tính chất vật liệu Điều đƣợc thể qua kết khảo sát tính chất phát quang chuyển đổi ngƣợc đƣợc hình 3.21 64 Hình 3.21: Phổ huỳnh quang mẫu α-NaYF4:Er3+,Yb3+ SiO23+ 3+ x(OH)x@α-NaYF4:Er ,Yb xử lý nhiệt 680oC thời gian giờ, bước sóng kích thích 980 nm Kết thu đƣợc cho thấy, so với vật liệu α-NaYF4:Er3+,Yb3+ có cƣờng độ phát quang vùng màu đỏ (ứng với chuyển dịch ion Er3+ từ mức 4F9/2 mức 4I15/2) chiếm ƣu so với cƣờng độ phát quang vùng màu xanh (tƣơng ứng với dịch chuyển 2H11/2-4I15/2 4S3/2 -4I15/2 ) Còn vật liệu SiO2-x(OH)x@αNaYF4:Er3+,Yb3+ cho kết ngƣợc lại, tức cƣờng độ phát quang vùng màu xanh chiếm ƣu so với vùng màu đỏ Cơ chế phát quang chuyển đổi ngƣợc vật liệu SiO2-x(OH)x@α-NaYF4:Er3+,Yb3+ giống chế phát quang chuyển đổi ngƣợc vật liệu β-NaYF4:Er3+,Yb3+ trình bày Cũng nhƣ trƣờng hợp vật liệu β-NaYF4:Er3+,Yb3+, có dịch chuyển tƣơng quan cƣờng độ vùng phát quang màu xanh tƣơng ứng với chuyển dịch 2H11/2-4I15/2 4S3/2 -4I15/2 so với vùng phát quang màu đỏ tƣơng ứng với chuyển dịch 4F9/2 - 4I15/2 Có nhiều yếu tố tạo dịch chuyển nhƣ: mạng nền, tỉ lệ donor Yb3+ aceptor Er3+, hay công suất laser hồng ngoại, nhiệt độ xử lý…Trong luận văn chọn điều kiện mạng nền, tỉ lệ pha tạp, công suất laser, nhiệt độ xử lý mẫu nhƣ Vì vậy, cho vật liệu 65 lõi cầu silica làm ảnh hƣởng đến tính chất phát quang chuyển đổi ngƣợc vật liệu nano NaYF4:Er3+,Yb3+ Cụ thể trƣờng hợp với mẫu βNaYF4:Er3+,Yb3+, tạo cấu trúc lõi/vỏ SiO2-x(OH)x@β-NaYF4:Er3+,Yb3+ phát trình truyền lƣợng ET với photon thứ ba (3) Điều mặt tăng cƣờng vùng phát quang đỏ làm xuất đỉnh phát quang 408nm vùng phổ màu tím tƣơng ứng với dịch chuyển 2H9/2-4I15/2 Trong trƣờng hợp với mẫu α-NaYF4:Er3+,Yb3+, phát quang vùng xanh chiếm ƣu vùng phát quang đỏ Điều cho thấy cấu trúc lõi/vỏ ảnh hƣởng làm thay đổi xác suất chuyển dời làm cho có thay đổi tƣơng quan vùng xanh vùng đỏ nhƣ quan sát đƣợc Tuy nhiên phát ban đầu, cần có nghiên cứu tiếp tục khơng để xác định rõ vai trị đặc biệt cầu nanô silica làm “lõi” cho cấu trúc SiO2-x(OH)x@ NaYF4:Er3+,Yb3+ với hai thù hình α β 66 ... VỀ VẬT LIỆU NANO PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM 1.1 Giới thiệu vật liệu nano phát quang chứa đất 1.2 Đặc điểm nguyên tố đất 1.3 Quá trình phát quang hợp chất chứa đất 1.3.1 Phát. .. HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Ngọc Đạt NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHÁT QUANG CHỨA ĐẤT HIẾM TRÊN NỀN FLORIT Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 60 44 0104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA... suất phát quang vật liệu nano 17 1.4.2 Nghiên cứu chế tạo cấu trúc lõi/ vỏ loại khảo sát ảnh hƣởng chúng đến tính chất phát quang vật liệu nano 21 1.5 Một số phƣơng pháp chế tạo vật liệu