Ứng dụng phần mềm origin để xử lý số liệu trong nghiên cứu vật liệu dựa trên phổ phát xạ huỳnh quang

TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG Đề tài nghiên cứu khoa học “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ORIGIN ĐỂ XỬ KHOA SƢ PHẠM LÝ SỐ LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU DỰA TRÊN PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG” tác giả Hồ Xuân Huy công tác Bộ môn vật lý - Khoa Sƣ phạm thực Tác giả báo cáo kết nghiên cứu đƣợc Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Sƣ phạm thông qua ngày…… /……./2018 Thƣ ký ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ORIGIN ĐỂ XỬ LÝ SỐ LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU DỰA TRÊN PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG Phản biện Phản biện Chủ tịch Hội đồng ThS HỒ XUÂN HUY AN GIANG, THÁNG 05 NĂM 2018 An Giang – 20… TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG LỜI CẢM TẠ KHOA SƢ PHẠM Tác giả xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu trƣờng Đại học An Giang, Phòng Quản lý Khoa học Hợp tác quốc tế, Phòng Kế hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Sƣ phạm tạo điều kiện, hƣớng dẫn thủ tục hành để tác giả hoàn thành đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp Bộ môn vật lý, Khoa Sƣ phạm giúp đỡ tác giả trình thực đề tài Tác giả xin chân thành gởi lời cảm ơn trân trọng đến GS.TS Phạm Thu Nga có hƣớng dẫn trao đổi hữu ích kết nghiên cứu đề tài Tác giả có nhiều cố gắng nhƣng thời gian lực có hạn, tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp đồng nghiệp để đề tài hoàn ỨNG PHẦN MỀM ĐỂ chỉnh DỤNG nhƣ định hƣớng nghiên cứuORIGIN đề tài XỬ LÝ SỐChân LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU thành cảm ơn! DỰA TRÊN PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG An Giang, ngày ……tháng 05 năm 2018 Tác giả Hồ Xuân Huy AN GIANG, THÁNG 05 NĂM 2018 Đề tài nghiên cứu khoa học “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ORIGIN ĐỂ XỬ LÝ SỐ LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU DỰA TRÊN PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG” tác giả Hồ Xuân Huy công tác Bộ môn vật lý - Khoa Sƣ phạm thực Tác giả báo cáo kết nghiên cứu đƣợc Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Sƣ phạm thông qua ngày 05/06/2018 Thƣ ký Trần Khánh Trinh Phản biện Đổng Thị Kim Phƣợng Phản biện Ngô Tú Trinh Chủ tịch Hội đồng Trần Văn Thạnh LỜI CẢM TẠ Tác giả xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học An Giang, Phòng Quản lý Khoa học Hợp tác quốc tế, Phòng Kế hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Sƣ phạm tạo điều kiện, hƣớng dẫn thủ tục hành để tác giả hoàn thành đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp Bộ môn vật lý, Khoa Sƣ phạm giúp đỡ tác giả trình thực đề tài Tác giả xin chân thành gởi lời cảm ơn trân trọng đến GS.TS Phạm Thu Nga có hƣớng dẫn trao đổi hữu ích kết nghiên cứu đề tài Tác giả có nhiều cố gắng nhƣng thời gian có hạn, tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp đồng nghiệp để đề tài hoàn chỉnh nhƣ định hƣớng nghiên cứu đề tài Chân thành cảm ơn! An Giang, ngày 19 tháng 05 năm 2018 Tác giả Hồ Xuân Huy i TÓM TẮT Phần mềm Origin phần mềm phân tích liệu mạnh mẽ, đầy đủ tính Các công cụ biểu diễn trực quan mạnh mẽ với tham số thống kê mô tả kèm giúp hỗ trợ kiểm tra giả thuyết, phát triển xác định mơ hình phân tích liệu Origin cung cấp giao diện dễ sử dụng cho ngƣời bắt đầu, kết hợp với khả thực tùy biến nâng cao ngƣời dùng trở nên quen thuộc với ứng dụng Thuỷ tinh SiO2-Al2O3 pha tạp đất với nồng độ cao nhƣ Er3+ vật liệu dùng để chế tạo sợi quang đặc biệt ứng dụng khuyếch đại quang sợi, laser sợi… Trong báo cáo chúng tơi trình bày số kết phổ phát xạ huỳnh quang vật liệu thủy tinh SiO2-Al2O3 đƣợc chế tạo bẳng phƣơng pháp Sol - Gel Từ khóa: Origin, pha tạp đất hiếm, quang phổ, phát xạ huỳnh quang , ion Er 3+ ABSTRACT Origin software is a powerful and full-featured data analysis software Powerful visual representation tools with accompanying descriptive statistics to assist with hypothesis testing, development and modeling and data analysis Origin provides an easy-to-use interface for beginners, combined with the ability to perform advanced customization when users become more familiar with the app Silica-alumina glasses doped Rare-earth ions such as Er3+ with high concentrations are excelent photonic material for making optical fibre amplifiers, fibre laser… In this paper we demonstrate some results of luminescent emission scatering spectra SiO2-Al2O3 glasses making by Sol-Gel method Keywords: Origin, oped Rare-earth, spectra, luminescent emission, ion Er3+ ii LỜI CAM KẾT Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các kết nêu đề tài có xuất xứ rõ ràng Những kết luận khoa học nghiên cứu chƣa đƣợc công bố cơng trình khác An Giang, ngày 05 tháng 06 năm 2018 Tác giả Hồ Xuân Huy iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm tạ i Tóm tắt ii Lời cam kết iii Mục lục iv Danh mục hình vẽ, đồ thị vi Danh mục bảng viii CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.3 MỤC TIÊU VÀ GIẢ THUYẾT NGHIÊN CỨU 1.4 ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI CHƢƠNG NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM ORIGIN 2.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ORIGIN 2.2 MÔI TRƢỜNG LÀM VIỆC CỦA PHẦN MỀM ORIGIN 2.3 BẢNG BIỂU VÀ NHẬP LIỆU 12 2.4 VẼ ĐỒ THỊ 14 2.5 LƢU TRỮ VÀ IN ẤN ĐỒ THỊ 16 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÁC MẪU THỰC NGHIỆM 18 3.1 SƠ LƢỢC VỀ SỰ PHÁT HUỲNH QUANG 18 3.2 VẬT LIỆU THỦY TINH PHA TẠP ĐẤT HIẾM 19 3.3 SỰ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG VÀ SỰ DẬP TẮT DO NỒNG ĐỘ 25 3.4 HỆ ĐO QUANG PHỔ - TRIAX 320 26 iv 3.5 CÁC MẪU ĐO PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG 28 3.6 NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CÁC PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG 29 CHƢƠNG 4.KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤ LỤC 40 v DANH MỤC HÌNH Trang Hình 2.1a Biểu tƣợng phần mềm Origin Hình 2.1b Phiên Oringin 6.1 Hình 2.2 Giao diện Origin Hình 2.3a Analysis với cửa sổ Worksheet Hình 2.3b.Analysis với cửa sổ Graph Hình 2.4 Tùy chọn thẻ lệnh công cụ 10 Hình 2.5 Cửa sổ worksheet 11 Hình 2.6 Cửa sổ Graph 11 Hình 2.7 Cửa sổ Notes 12 Hình 2.8 Cửa sổ Project Explorer 12 Hình 2.9a Chọn cửa sổ worksheet 13 Hình 2.10 Cửa sổ Import 13 Hình 2.11a liệu 14 Hình 2.11b Đồ thị đƣợc vẽ với liệu bảng 14 Hình 2.12a Tùy chỉnh trục đồ thị 14 Hình 2.12b Thêm ghi đồ thị 14 Hình 2.13 Thiết lập thơng số cho trục X,Y 15 Hình 2.14a Chọn Smooth\FFT Filtering 16 Hình 2.14b Làm mịn đồ thị 16 Hình 2.15a Chọn Pick Peaks\ Find Peaks 16 Hình 2.15b Tìm đỉnh đồ thị 16 Hình 2.16a Định dạng project (*.OPJ) 17 Hình 2.16b Định dạng ảnh (*.JPG) 17 Hình 2.17a Xem trƣớc in 17 Hình 2.17b In ấn Hình 3.1 Dạng tinh thể - Các chấm đen nguyên tử Si vòng tròn trắng nguyên tử Oxy 17 20 vi Hình 3.2 Mơ tả cấu trúc SiO2 dạng thủy tinh vơ định hình 21 Hình 3.3(a,b,c) a tinh thể SiO2 b thuỷ tinh SiO2 c Cấu trúc thuỷ tinh bao gồm ion 21 biến đổi mạng ion Oxy không cầu nối Hình 3.4 Sự xếp ion Er3+, O2- Al3+ mạng thuỷ tinh SiO2.Al2O3 Hình 3.5 Sơ đồ mức lƣợng ion đất bị tách tƣơng tác điện tử - điện tử điện tử - mạng 22 Hình 3.6 Sơ đồ mức lƣợng ion Er3+ 24 Hình 3.7 Hệ đo huỳnh quang vùng hồng ngoại TRIAX 320 27 Hình 3.8 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu thuỷ tinh SiO2 29 Hình 3.9 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu thuỷ tinh SiO2 pha tạp Er3+ với nồng độ từ 1% - 5% trọng lƣợng 30 Hình 3.10 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3;850OC 31 Hình 3.11 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3;1000OC 32 Hình 3.12 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu SiO2.Er3+ (3% wt) 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 33 Hình 3.13 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 34 Hình 3.14 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 34 Hình 3.15 Phổ phát xạ huỳnh quang c¸c mÉu 35 23 (1) 93,5SiO2.3, 9Al2O3.1,95Y2O3.0,65Er2O3 (2) 54,15SiO2.42,4Al2O3.1,95Y2O3.1,5Er2O3 vii Các nguyên tố Erbium có mức chuyển lƣợng từ cao xuống thấp : + Năng lƣợng giải phóng dƣới dạng photon (phát xạ ánh sáng) + Phân rã khơng xạ q trình diễn giao động phân tử sợi quang nguồn lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng photon Trong trƣờng hợp thực bơm mức 980nm này, ion Er3+ liên tục đƣợc đẩy lên từ vùng lƣợng thấp 4I15/2 lên mức lƣợng 4I11/2 cao , tiếp chúng phân xuống mức lƣợng 4I13/2 tồn khoảng thời gian tƣơng đối lâu Tại mức phát xạ khơng có kích thích ánh sáng phù hợp để có đƣợc bƣớc sóng theo yêu cầu (Dieke,1972) Tại bƣớc sóng này, tồn hệ mức, mức 4I15/2 4I13/2 4I11/2 với khoảng thời gian sống khác Do tạo nên chênh lệch lớn nồng độ lớn Dịch chuyển phát xạ laser mạnh gần 1530nm, ion hố trị có dịch chuyển hấp thụ phát xạ xảy mức con, mức tách mức stark gây trƣờng tinh thể, độ lớn mức ảnh hƣởng đƣợc mơ tả hình 3.6 Các kết phổ phát xạ đám rộng Er3+ nghiên cứu mẫu thuỷ tinh đƣợc giải thích theo sở 3.3 SỰ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG VÀ SỰ DẬP TẮT DO NỒNG ĐỘ 3.3.1 Sự truyền lƣợng Sự truyền lƣợng phát xạ q trình ion phát photon photon bị hấp thụ lại ion khác, trình làm thay đổi phổ phát xạ suy giảm phát xạ, nhƣng đa số trƣờng hợp khơng có truyền lƣợng đáng kể Quá trình quan trọng truyền lƣợng kích thích ion nằm gần mà khơng có trao đổi photon thực Năng lƣợng kích thích ion truyền sang ion khác trạng thái truyền lƣợng cộng hƣởng chúng gần Để bảo toàn lƣợng, hấp thụ phát xạ phonon xảy có truyền lƣợng ion có lƣợng kích thích khác Sự truyền lƣợng xảy hai ion hai tâm khác loại chúng có mức lƣợng gần phù hợp (Phạm Thu Nga,1997) 3.3.2 Sự dập tắt nồng độ Các chế truyền lƣợng có gây bất lợi đến chất lƣợng khuyếch đại vùng IR gây photon bơm Tác dụng chế truyền lƣợng không phát xạ phụ thuộc vào ion lân cận nên 25 phụ thuộc vào nồng độ ion Sự dập tắt nồng độ giảm hiệu suất lƣợng tử ion tăng nồng độ ion loại Nồng độ ion tăng làm tăng q trình không xạ dẫn đến tiêu hao lƣợng kích thích (Phạm Thu Nga,1997) Khi ion đất đƣợc đƣa vào mạng thuỷ tinh, ion nằm vị trí đƣợc bao quanh ion Oxy, ion đất đòi hỏi số ion phối trí lớn mà cấu trúc SiO2 không đủ số lƣợng Oxy cầu nối cho toạ độ ion đất riêng biệt Silica Để cân điện tích, Oxy tạo điều kiện kết hợp ion đất lại gần dẫn đến tập hợp thành đám ion đất hiếm, kết đám ảnh hƣởng đến hiệu suất lƣợng tử vật liệu (Arai ,1986) Trong hệ khuyếch đại quang sợi với kích thƣớc nhỏ địi hỏi mật độ tâm kích hoạt cao nhƣng tăng mật độ ion đất phải tính đến tạo đám chúng ngƣời ta tìm cách phân tán ion đất SiO2 Để tăng nồng độ “hoà tan” ion đất ta thêm Al2O3 thuỷ tinh SiO2 Vai trị ion Al3+ đƣợc giải thích: Oxyt đất “hồ tan” tốt với có mặt Al2O3 mà khơng “hồ tan” tốt đƣợc SiO2 (Arai ,1986) Khi đồng pha tạp Al3+ vào hệ thuỷ tinh pha tạp ion đất làm tăng nồng độ tâm kích hoạt (tăng cƣờng độ dịch chuyển phát xạ) Nguyên nhân đƣa Al2O3 đồng pha tạp vào SiO2, Al3+ tạo lớp vỏ bao quanh ion đất hiếm, làm cho ion đất phân bố thuỷ tinh SiO2 tạo tứ diện AlO4 3.4 HỆ ĐO QUANG PHỔ - TRIAX 320 Nguồn sáng phát từ laser diode với kt = 980nm đƣợc làm nguồn kích thích phát xạ huỳnh quang cho mẫu nghiên cứu để ghi nhận tín hiệu phát xạ từ mẫu tƣơng ứng với dịch chuyển điện tử ion đất mẫu thuỷ tinh Hệ đo phổ Triax 320 sử dụng sợi dẫn quang để thu trực tiếp tín hiệu phát xạ IR, phát từ mẫu (Tài liệu hƣớng dẫn, hệ đo quang phổ Triax 320) Phƣơng pháp tiết kiệm đƣợc thời gian điều chỉnh quang học cho phép giảm đƣợc hao tổn việc thu tín hiệu đƣợc phát từ mẫu Sau đó, tín hiệu phát xạ dẫn sợi quang đƣợc đƣa vào thiết bị đo, chúng đƣợc hệ thống gƣơng điều chỉnh cho tất tín hiệu quang rơi vào khe máy, từ khe vào này, chúng đƣợc phân tích nhờ cách tử phù hợp với vùng phát xạ đƣợc tách riêng thành phần tín hiệu tƣơng ứng với bƣớc sóng 26 Hình 3.7 Hệ đo huỳnh quang vùng hồng ngoại TRIAX 320 Thành phần tín hiệu đƣợc đƣa đến detector photodiode InGaAs hoạt động vùng IR, sau tín hiệu từ detector đƣợc đƣa trực tiếp đến vi xử lý, đƣợc khuyếch đại đƣợc kết nối với máy tính Phần mềm kèm thiết bị đo xử lý tín hiệu nhận đƣợc từ cách tử detector, vẽ thành phổ, ghi nhận lƣu trữ dạng file số liệu Trong q trình thực nghiệm, để thu đƣợc phổ có độ phân giải cao cần thiết phải điều chỉnh khe vào khe máy, khoảng cách từ đầu thu đến mẫu, góc thu tín hiệu, thay đổi cơng suất kích thích v.v Thiết bị đƣợc sử dụng hệ đo quang phổ Triax 320 hãng JOBINYVON (Pháp), đặt phòng Vật liệu ứng dụng quang sợi-Viện Khoa học Vật liệu-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt nam 27 3.5 CÁC MẪU ĐO PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG Các mẫu thuỷ tinh Silica (SiO2) thuỷ tinh aluminosilicate (SiO2.Al2O3) pha tạp Er3+ với % trọng lƣợng khác đƣợc phòng “Vật liệu ứng dụng quang sợi” cung cấp dƣới dạng tập tin Text (*.TXT) - Bảng 4.1, để sử dụng nghiên cứu đề tài Bảng 3.1: Danh sách mẫu thuỷ tinh pha tạp Er3+ SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA MẪU TT CHẾ ĐỘ NUNG NHIỆT (OC) THỜI GIAN (GIỜ) SiO2 1000 SiO2 1100 SiO2.Er3+ (1% wt) 1000 SiO2.Er3+ (3% wt) 1000 SiO2.Er3+ (4% wt) 1000 SiO2.Er3+ (5% wt) 1000 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 850 0,5 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 1000 93,5SiO2.3,95Al2O3.1,95Y2O3.0,5Er2O3 1000 10 54,15SiO2.42,4Al2O3.1,95Y2O3.1,5Er2O3 1000 Trong thời gian gần đây, nhiều vật liệu quang học đƣợc chế tạo phƣơng pháp Sol - Gel Đây lĩnh vực đƣợc phát triển cách nhanh chóng đƣợc ứng dụng công nghệ chế tạo thuỷ tinh với định dạng khuôn mẫu trƣớc, sợi thuỷ tinh đƣợc kéo từ dung dịch, preform để kéo sợi quang, thuỷ tinh pha tạp đất nồng độ cao, vật liệu quang học phi tuyến, vật liệu bột đa tinh thể thuộc loại vật liệu siêu dẫn Phƣơng pháp Sol- Gel phƣơng pháp để chế tạo sợi quang dùng thông tin quang (Phạm Thu Nga,1998) Ƣu điểm kỹ thuật việc chế tạo thuỷ tinh SiO2 là: - Có thể nhận đƣợc thuỷ tinh có độ cao tuỳ thuộc vào hoá chất ban đầu lựa chọn 28 - Có thể chế tạo đƣợc thuỷ tinh pha tạp đất sở oxýt nhiều thành phần Việc chế tạo nhiệt độ tƣơng đối thấp cho phép tiết kiệm kinh phí đầu tƣ ban đầu so với phƣơng pháp khác - Hầu nhƣ loại ion đƣa vào mạng thuỷ tinh phƣơng pháp Sol-Gel - Độ xốp hình dáng thuỷ tinh (sợi, khối hay màng mỏng) đƣợc khống chế, tuỳ thuộc vào tỷ lệ nƣớc với hoá chất ban đầu sử dụng, nhiệt độ môi trƣờng nung mẫu So với thuỷ tinh SiO2 đƣợc chế tạo theo phƣơng pháp truyền thống làm nóng chảy vật liệu ban đầu nhiệt độ cao (~2000oC), với nồng độ pha tạp ion hoạt tính thấp, phƣơng pháp sol-gel cho phép chế tạo thuỷ tinh silica SiO2 nhiệt thấp nhiều (800oC ÷ 1400oC), đƣa vào lƣợng lớn ion đất pha tạp vào, đƣa nano tinh thể bán dẫn với mật độ cao vào 3.6 NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH CÁC PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu cho biết thông tin mức lƣợng tƣơng ứng với dịch chuyển, mở rộng vạch phổ dịch chuyển mức bội ion Er3+ mạng chủ Các mẫu đƣợc đo điều kiện nhằm so sánh cƣờng độ phát xạ tƣơng đối chúng Với: - Bƣớc sóng kích thích kt = 980nm laser diode, dùng để kích thích ion Er3+ từ mức 4I15/2 lên mức 4I11/2 (Hình 3.6 Sơ đồ mức lƣợng ion Er3+) 0.0022 1500 0.0020 o SiO2 nÒn; T=1100 C; t=1h =980nm; Plaser=400mW; T=300K 0.0018 0.0016 C-êng ®é (®.v.t.®) o SiO2 nÒn; T=1000 C; t=1h 0.0014 1548 0.0012 1589 0.0010 1501 0.0008 0.0006 1590 0.0004 0.0002 0.0000 -0.0002 -0.0004 -0.0006 -0.0008 -0.0010 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 B-íc sãng (nm) Hình 3.8 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu thuỷ tinh SiO2 29 - Công suất laser phát Plaser = 400mW T = 300K - Vùng phổ quan sát từ 1480nm – 1600nm Hình 3.8 trình bày phổ phát xạ huỳnh quang mẫu thuỷ tinh SiO2 đƣợc nung 1000oC (1) thuỷ tinh SiO2 đƣợc nung 1100oC (2) Phổ phát xạ mẫu ghi đƣợc đỉnh xung quanh 1500nm, 1548nm 1585nm tƣơng ứng với dịch chuyển mức 4I13/2 4I15/2 Trên hình 3.9, trình bày phổ phát xạ huỳnh quang mẫu thuỷ tinh SiO2 pha tạp Er3+ với nồng độ khác 0.030 3+ (1% wt) 3+ (5% wt) 3+ (3% wt) 1:SiO2.Er 1533 2:SiO2.Er 0.025 3:SiO2.Er 0.020 4:SiO2.Er (4% wt) =980nm; Plaser=400mW; T=300K C-êng ®é (®.v.t.®) 3+ 1549.5 0.015 1542 0.010 0.005 1500 0.000 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-íc sãng (nm) Hình 3.9 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu thuỷ tinh SiO2 pha tạp Er3+ với nồng độ từ 1% - 5% wt Phổ phát xạ mẫu ghi đƣợc hai dải rộng xung quanh đỉnh 1533nm xung quanh đỉnh 1550nm tƣơng ứng với dịch chuyển mức I13/2 4I15/2, ngồi có dải phát xạ yếu 1500nm Độ rộng dải phổ phát xạ quan sát đƣợc mở rộng không đồng mở rộng đồng với tách mức Stark trạng thái I15/2 trạng thái kích thích 4I13/2, ta thấy dải phổ có cƣờng độ độ rộng tăng lên hàm lƣợng ion Er3+ pha tạp tăng 30 Cƣờng độ phát xạ huỳnh quang mạnh mẫu có nồng độ 4% wt Với mẫu có nồng độ 5% wt có cƣờng độ phát xạ huỳnh quang yếu Có thể giải thích trƣờng hợp mẫu có nồng độ 5% wt xảy hiệu ứng dập tắt huỳnh quang nồng độ Các ion Er3+ kết tụ thành đám q trình đơng rắn nhiệt độ cao, tƣợng ảnh hƣởng đến phát xạ huỳnh quang ion Er3+ Khi bị tụ đám xảy trình truyền lƣợng phát xạ ion hồi phục không phát xạ mức nên làm giảm hiệu suất huỳnh quang vùng phổ phát xạ gần 1530 nm Trên hình 3.10, trình bày phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 đƣợc nung 850oC 0,5giờ 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 0.035 o t=850 C; t=0,5h; T=300K =980nm; Plaser=400mW 1530 0.030 C-êng ®é (®.v.t.®) 0.025 1550 0.020 0.015 0.010 1500 0.005 0.000 -0.005 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-íc sãng (nm) Hình 3.10 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 Ta thấy mẫu có pha thêm ion Al3+ đỉnh phát xạ mẫu dịch chuyển khoảng 3nm phía bƣớc sóng ngắn so với mẫu khơng có khơng chứa ion Al3+(hình 3.9), dạng phổ phát xạ tƣơng ứng với dịch chuyển mức 4I13/2 I15/2 ion Er3+, tƣơng tự nhƣ thuỷ tinh SiO2 pha tạp ion Er3+ nhƣng vạch phát xạ đƣợc mở rộng cƣờng độ phát xạ tăng lên nhiều lần Trên hình 3.11, Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 đƣợc nung 1000oC 1giờ, ta thấy mẫu có pha 31 thêm ion Al3+ đỉnh phát xạ mẫu dịch chuyển khoảng 3nm phía bƣớc sóng ngắn 0.14 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 1530 o t=1000 C; t=0,5h; T=300K =980nm; Plaser=400mW C-êng ®é (®.v.t.®) 0.12 1550,2 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-íc sãng (nm) Hình 3.11 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 So với mẫu không chứa ion Al 3+, dạng phổ phát xạ tƣơng ứng với dịch chuyển mức 4I13/2 4I15/2 ion Er3+, tƣơng tự nhƣ thuỷ tinh SiO2 pha tạp ion Er3+ nhƣng vạch phát xạ đƣợc mở rộng cƣờng độ phát xạ tăng lên nhiều lần Trên hình 3.12 trình bày phổ phát xạ huỳnh quang mẫu SiO2.Er3+(3%wt) đƣợc nung 1000oC 1giờ 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3, đƣợc nung 850oC 1giờ So sánh với mẫu SiO2 (hình 3.8) độ mở rộng vạch phổ với mẫu SiO2.Er3+ (3%wt) mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3, cƣờng độ vạch phổ tăng độ rộng vạch phổ đƣợc mở rộng có mặt ion Al3+ mạng Các ion Al3+ hình thành lớp phía ngồi ion ơxy kéo dãn liên kết Er-O, làm tăng số nhóm ơxy khơng cầu nối cấu trúc tạo điều kiện cho ion Er3+ phân tán tốt đƣa thêm ion Er3+ vào nhiều mạng nền, làm giảm tụ đám ion Er3+ làm tăng cƣờng độ phát xạ (Zhou cs,1997) Nhƣ vậy, có mặt ion Al3+ làm cho dải phát xạ Er3+ đƣợc mở rộng hơn, giải thích ion Er3+ đƣợc phân bố tốt bị tụ đám không đồng pha tạp ion Al3+ 32 0.14 1:98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 1530 3+ 2:SiO2.Er (3% wt);T=300K =980nm;Plaser=400mW 0.12 1550 C-êng ®é (®.v.t.®) 0.10 0.08 0.06 0.04 1533 1550,5 0.02 0.00 -0.02 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-íc sãng (nm) Hình 3.12 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu SiO2.Er3+ (3% wt) 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 Trên hình 3.13, trình bày phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3, với chế độ nung 1000oC 1giờ 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3, với chế độ nung 850oC 0,5giờ Ta thấy tín hiệu huỳnh quang từ ion Er3+ tăng lên nhiều lần nhiệt độ nung tăng lên 1000oC so với 850oC Điều đƣợc giải thích giảm nhóm OH cịn lại mẫu Các nhóm OH làm giảm phát xạ huỳnh quang ion đất mức lƣợng phonon cao làm cho xác suất hồi phục không xạ tăng lên Khi nung mẫu nhiệt độ cao lƣợng nhóm OH- giảm nhiều Với nhiệt độ 1000oC phổ phát xạ tăng lên đáng kể độ rộng vạch phổ mở rộng nhƣng không nhiều 33 0.14 o 1:98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3;T=850 C 1530 o 2:98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3;T=1000 C =980nm; Plaser=400mW; T=300K 0.12 1550 C-êng ®é (®.v.t.®) 0.10 0.08 0.06 0.04 1530 0.02 0.00 -0.02 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-íc sãng (nm) Hình 3.13 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 0.14 1530 0.12 1550 C-êng ®é (®.v.t.®) 0.10 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 1: Plaser=200mW 2: Plaser=300mW 3: Plaser=400mW =980nm;T=300K 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-íc sãng (nm) Hình 3.14 Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3 34 Trên hình 3.14, Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu 98SiO2.1,5Al2O3.0,5Er2O3, với chế độ nung 1000oC 1giờ Phổ đƣợc ghi với công suất phát khác laser diode Dạng phổ ghi đƣợc giống nhau, cƣờng độ phát xạ nhận đƣợc tăng theo cơng suất phát laser kích cơng suất 400mW thu đƣợc cƣờng độ mạnh Nhƣng với công suất q lớn cƣờng độ khơng tăng làm hỏng mẫu Ta thấy cơng suất phát 400mW độ rộng dải đƣợc mở rộng so với công suất phát 200mW, 300mW Vậy, với công suất phát laser diode phù hợp mức 400mW Trên hình 3.15, phổ phát xạ huỳnh quang mẫu theo tỉ lệ Al/Er khác (đƣờng số Al/Er=6/1 đƣờng số Al/Er=28/1).Các mẫu có chế độ ủ nhiệt 1000oC 1giờ 1:93,5SiO2.3,9Al2O3.1,95Y2O3.0,65Er2O3 2:54,15SiO2.42,4Al2O3.1,95Y2O3.1,5Er2O3 1530 =980nm; Plaser=400mW; T=300K 0.030 0.025 C-êng ®é (®.v.t.®) 1543 0.020 0.015 0.010 1500 0.005 0.000 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 B-ớc sóng (nm) Hình 3.15 Phổ phát xạ huỳnh quang cđa c¸c mÉu (1) 93,5SiO2.3, 9Al2O3.1,95Y2O3.0,65Er2O3 (2) 54,15SiO2.42,4Al2O3.1,95Y2O3.1,5Er2O3 Trên hình 3.15 cho thấy ảnh hƣởng pha tạp ion Al3+ mẫu đến cƣờng độ phát xạ ion Er3+ thuỷ tinh Các mẫu ghi phổ tỉ lệ 35 Al/Er=6/1 có cƣờng độ phát xạ lớn mẫu có thêm ion Y3+ Việc đồng pha tạp ion Al3+ làm tăng cƣờng độ phát xạ độ rộng vạch phổ đƣợc mở rộng đáng kể thuỷ tinh Silica, nhiên tỉ lệ Al/Er đƣa vào mạng thuỷ tinh Silica có giới hạn xác định hiệu suất phát xạ ion đất đạt kết tối ƣu Nhận xét chung: Phổ phát xạ huỳnh quang mẫu bảng 4.1 cho thấy hình dạng phổ thay đổi độ rộng vạch phổ tƣơng ứng với dịch chuyển 4I13/2 4I15/2 ion Er3+ tăng SiO2.Al2O3 Tỉ lệ Al/Er đƣa vào thuỷ tinh Silica cần xem xét để có hiệu suất phát xạ ion Er3+ đạt cao Nồng độ ion Er3+ đƣa vào nhiều từ 5%wt gây dập tắt huỳnh quang nồng độ Các kết nhận đƣợc phù hợp với kết tác giả báo khoa học (Arai,1986; Benatson & Bouazaoui,1997; Duve rger & cs…,2001; Zhou & cs…,1997) Ảnh phổ cho thấy ảnh hƣởng pha tạp ion Al3+ mẫu đến cƣờng độ phát xạ ion Er3+ thuỷ tinh Các mẫu ghi phổ tỉ lệ Al/Er=6/1 có cƣờng độ phát xạ lớn mẫu có thêm ion Y3+ 36 CHƢƠNG KẾT LUẬN Nghiên cứu mẫu vật liệu thủy tinh (bảng 4.1), mẫu thuỷ tinh SiO2, SiO2.Al2O3 , SiO2.Al2O3.Y2O3 pha tạp Er3+ với nồng độ khác chế tạo phƣơng pháp Sol-Gel.Tính chất quang phổ mẫu thuỷ tinh Silica thuỷ tinh nhiều thành phần pha tạp Er3+ đƣợc khảo sát thu đƣợc nhƣ sau: - Phổ phát xạ mẫu ghi đƣợc hai dải rộng có đỉnh xung quanh 1533nm 1550nm tƣơng ứng với dịch chuyển mức 4I13/2 4I15/2 Dịch chuyển phát xạ gần 1530nm đƣợc quan tâm ứng dụng lĩnh vực khuếch đại sợi quang laser sợi - Độ rộng dải phổ phát xạ đƣợc mở rộng mở rộng không đồng mở rộng đồng với tách mức Stark trạng thái I15/2 trạng thái kích thích 4I13/2, ta thấy dải phổ có cƣờng độ độ rộng tăng lên hàm lƣợng ion Er3+ pha tạp tăng Các mẫu thể tính chất quang phổ cần thiết cho ứng dụng laser sợi khuếch đại quang sợi dùng thông tin quang - Phổ phát xạ huỳnh quang ion Er3+ pha tạp mẫu thuỷ tinh SiO2, SiO2.Al2O3 , SiO2.Al2O3.Y2O3 đƣợc khảo sát Nồng độ pha tạp Er2O3 không ảnh hƣởng đến vị trí cực đại dải hấp thụ hay mức lƣợng kích thích ion Er3+ mẫu Việc thêm ion Al3+ vào mạng hầu nhƣ khơng làm thay đổi vị trí lƣợng mức kích thích ion Er3+ -Từ phổ phát xạ huỳnh quang mẫu, ta thấy nồng độ pha tạp ion Er vào thuỷ tinh SiO2 hiệu mức 4%wt cho phổ có cƣờng độ huỳnh quang lớn 3+ - Cƣờng độ phát xạ 1530nm ion Er3+ thuỷ tinh nhiều thành phần có ion Al3+ tăng lên nhiều lần, độ rộng vạch phổ đƣợc mở rộng đáng kể Vai trò đặc biệt ion Al3+ làm tăng độ “hoà tan” phân bố ion Er3+ thuỷ tinh SiO2 - Ảnh phổ cho thấy ảnh hƣởng pha tạp ion Al3+ mẫu đến cƣờng độ phát xạ ion Er3+ thuỷ tinh Các mẫu ghi phổ tỉ lệ Al/Er=6/1 có cƣờng độ phát xạ lớn mẫu có thêm ion Y3+ Việc đồng pha tạp ion Al3+ làm tăng cƣờng độ phát xạ độ rộng vạch phổ đƣợc mở rộng đáng kể thuỷ tinh Silica, nhiên tỉ lệ Al/Er đƣa vào mạng thuỷ tinh Silica có giới hạn xác định hiệu suất phát xạ ion đất đạt kết tối ƣu 37 - Chế độ nung nhiệt cho biết nhóm OH- cịn tồn mẫu ảnh hƣởng đến phát huỳnh quang ion Er3+ - Các kết nghiên cứu tính chất quang phổ mẫu, ta đƣợc dùng việc chế tạo thuỷ tinh silica thuỷ tinh silicate nhiều thành phần, có pha tạp đất với nồng độ khác Nghiên cứu ứng dụng hiệu phần mềm Origin để biễu diễn đồ thị phổ phát xạ huỳnh quang Từ nghiên cứu, phân tích phổ mẫu đo nêu đƣợc tính chất mẫu vật liệu Phần mềm Origin có tính năng: tùy chỉnh trục đồ thị, thêm ghi đồ thị, thiết lập thông số cho trục X,Y, điều chỉnh khung tọa độ, tự động tìm ghi vị trí đỉnh đồ thị,… - Qua đề tài nghiên cứu cho thấy tính ứng dụng hiệu phần mềm Origin nhƣ phân tích phổ phát xạ huỳnh quang mẫu cho biết thông tin mức lƣợng mẫu vật liệu - Góp phần hồn thiện việc nghiên cứu để phát tính chất vật liệu, giúp ngƣời nghiên cứu có thêm thơng tin để lựa chọn vật liệu ứng dụng kỹ thuật Hƣớng nghiên cứu - Nghiên cứu phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ tán xạ MicroRaman,… mẫu để biết thơng tin mạng thuỷ tinh, từ biết đƣợc cấu trúc tính chất vật liệu Các kết có đóng góp định đề tài định hƣớng nghiên cứu vật liệu huỳnh quang nhƣ thủy tinh nhiều thành phần có pha tạp đất để ứng dụng lĩnh vực khuếch đại sợi quang laser sợi thông tin quang 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO Arai K.(1986) Aluminium or phospharus co-doping sffects on fluorescence and structural properties of neodymium-doped silica glass J.Appl, phys.59,3430-3436 Benatson M and Bouazaoui.(1997) Fluorescenceproperties of sol-gel derived Er3+:SiO2.GeO2 planar waveguids Optics communi-cation 137, 143-150 Becker P.C., Olsson N A (1999) Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Fundamentals and Technology Lucent Technology, Academic Press, USA C.Hernandez, A.C Pierre.(2000) E volution of the texture abd structure of SiO2.Al2O3 xerogeels and Aerogels as a Function of Si to Al Molar Reatio journal of solgel and technology.20, 227-243 C.Duverger, M.momtagna, R.Rolli, S.Ronchin, L.Zampedri, M.Fossi,…, M.ferrari.(2001) journal of Non-crystalline solids 280, 261-268 Dejneka M and Samson B.(1999) Rare-Earth-Doped Fibers for telecommications Application Material Research Society Bulletin 24,39-45 Dieke G.H.(1972) Spectra and Energy Levels of Rare Earth Ion in Crystal American Institute of Physics handbook, 3rd edition, MeGraw-Hill7-25 Emmanued Desurvire.(1994) Erbium-doped, fibreamplifiers Principles and application Department of Electrical Engineening Columbia University Emmanuel Desurvire(1993) Erbium-doped, Fiber amplifibers, Columbia University Hoàng Hữu Tuệ.(2002) Optical fiber amplifier.Hà Nội:Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội Michel Jouan.(2000) Các phép đo quang phổ dao động: Quang phổ hấp thụ hồng ngoại tán xạ Raman Quang phổ ứng dụng Hà Nội Ngô Quốc Quýnh.(2002) Sợi quang ghép nối sợi quang Hà Nội:Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn đình Triệu.(1999) Các phương pháp vật lý ứng dụng hoá học Nguyễn Văn Hƣờng.(3-1998) Bài giảng lớp học Việt - Pháp Quang học Quang phổ, Đồ sơn Nguyễn Thế Khơi, Nguyễn Hữu Mình.(1992) Vật lý chất rắn Hà Nội:Nhà Xuất Giáo dục Ohring Milton (1995) Engineering materials science Academic Press, USA Phạm Thu Nga.(1998) Công nghệ Sol-gel ứng dụng Hà Nội:Viện Khoa học Vật liệu Phạm Thu Nga.(1997) Vật liệu huỳnh quang Hà Nội:Viện Khoa học Vật liệu Pucker G., C.Armellini, M Ferrari, M Motagna (1999) “Terbium( III ) doped silica-xerogels: Effect of aluminium(III) co-doping” Non-Crystalline Solids 245, pp 115121 Tài liệu hƣớng dẫn, hệ đo quang phổ Triax 320 Y.Zhou, Y.L.Lam, S.S.Wang, H.L.Liu, C.H.Kam,Y.C.Chan.(1997) Fluorescence enhancement of Er3+ doped sol-gel glass by aluminum codoping Appl Phys Lett 71, 587589 https://www.originlab.com 39 ... DỤNG PHẦN MỀM ORIGIN ĐỂ XỬ LÝ SỐ LIỆU TRONG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU DỰA TRÊN PHỔ PHÁT XẠ HUỲNH QUANG? ?? tác giả Hồ Xuân Huy công tác Bộ môn vật lý - Khoa Sƣ phạm thực Tác giả báo cáo kết nghiên cứu đƣợc... HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.3 MỤC TIÊU VÀ GIẢ THUYẾT NGHIÊN CỨU 1.4 ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI CHƢƠNG NGHIÊN... liệu Mẫu nghiên cứu: Dữ liệu đo phổ phát xạ huỳnh quang mẫu vật liệu phòng Vật liệu ứng dụng quang sợi - Viện Khoa học Vật liệu cung cấp 14.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tính phần mềm Origin: