Nghiên cứu tính chất quang của thủy tinh oxit pha tạp nguyên tố đất hiếm ứng dụng trong chiếu sáng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ LAN NHI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH OXIT PHA TẠP NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ LAN NHI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH OXIT PHA TẠP NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Vật lý học Khóa học: 2016- 2020 Người hướng dẫn: TS Trần Thị Hồng Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập hồn thành luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đở quý báu thầy cô, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tối xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Các thầy, cô giáo Khoa Vật Lý - Trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng tạo điều kiện thuận lợi giúp đở tồn q trình học tập Tiến sĩ Trần Thị Hồng, người đáng kính cơng việc sống Cô động viên giúp đở dạy bảo, hướng dẫn cho nhiều để hồn thành luận văn Gia đình, anh chị bạn Khoa giúp đở, động viên hỗ trợ mặt Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng 07 năm 2020 Sinh viên TRẦN THỊ LAN NHI MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu .8 Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2 Phạm vi nghiên cứu .9 Phương pháp nghiên cứu PHẦN NỘI DUNG 10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10 1.1 Cơ sở lý thuyết tượng phát quang 10 1.1.1 Khái niệm phát quang .10 1.1.2 Cơ chế trình phát quang .11 1.2.Cơ sở lý thuyết thủy tinh đất 12 1.2.1 Khái niệm thủy tinh .12 1.2.2 Phân loại thủy tinh 13 1.3 Lý thuyết nguyên tố đất 15 1.3.1 Sơ lược nguyên tố đất 15 1.3.2 Lý thuyết nguyên tố đất Ce 19 1.3.3 Lý thuyết nguyên tố đất Tb 20 1.3.4 Lý thuyết nguyên tố đất Sm 22 CHƯƠNG 2:THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THẢO LUẬN 25 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 25 2.2 Phân tích cấu trúc vật liệu 27 2.3 Phổ phát quang phổ kích thích phát quang 27 2.3.1 Phổ kích thích phát quang phổ phát quang mẫu M1Ce 27 2.3.2 Phổ kích thích phát quang phổ phát quang mẫu M1Tb 29 2.3.3 Phổ kích thích phát quang phổ phát quang mẫu M1Sm 32 2.3.4 Phổ phát quang mẫu M050505 35 2.3.5 Phổ phát quang mẫu M10505 38 2.3.6 Phổ phát quang mẫu M05105 41 2.3.7 Phổ phát quang mẫu M05051 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 DANH MỤC HÌNH ẢNH STT Hình 1.1 TÊN HÌNH Các chuyển dời lượng trình huỳnh quang lân quang TRANG 11 Sự xếp nguyên tử mạng ngẫu nhiên liên tục vật liệu tinh thể thạch anh SiO2 (phải) thủy Hình 1.2 tinh silica SiO2 (trái), chấm nhỏ nguyên tử kim 13 loại, chấm to nguyên tử ôxy Mạng biểu diễn hai chiều Hình 1.3 Hình 1.4 Một số hình ảnh thủy tinh Các nguyên tố đất (bên trái) quặng đất (bên phải) 15 16 Hình 1.5 Giản đồ mức lượng Dieke 18 Hình 1.6 Xeri 19 Hình 1.7 Sơ đồ mức lượng giản hóa ion Ce3+ 19 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 2.1 Các vịng trịn điện tử Tb (bên trái) mẫu quặng có chứa Tb (bên phải) Sơ đồ tách mức lượng ion Tb3+ tương tác Các vòng tròn cấu hình điện tử Sm mẫu quặng có chứa Sm Một số hình ảnh mẫu thủy tinh chế tạo 21 22 23 26 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình2.12a Hình2.12b Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thủy tinh M1Ce Phổ kích thích phát quang mẫu thủy tinh pha tạp Ce3+ ứng với xạ λem = 400 nm Tọa độ màu mẫu thủy tinh pha tạp Ce3+ kích thích bước sóng λex= 350 nm Phổ phát quang mẫu M1Ce kích thích bước sóng λex=350 nm Phổ kích thích phát quang mẫu thủy tinh pha tạp Tb3+ ứng với xạ λem= 543 nm Tọa độ màu mẫu thủy tinh pha tạp Tb3+ kích thích bước sóng λex= 379 nm Phổ phát quang mẫu M1Ce kích thích bước sóng λex =350 nm Phổ kích thích mẫu thủy tinh pha tạp Sm3+ ứng với xạ λem =601 nm Tọa độ màu mẫu thủy tinh pha tạp Sm3+ kích thích bước sóng λex= 400 nm Phổ phát quang mẫu M1Sm kích thích bước sóng λex= 400 nm Phổ phát quang mẫu M050505 kích thích λex=335 nm Phổ phát quang mẫu M050505 kích thích λex= 27 28 28 29 30 31 32 33 33 34 35 35 350 nm Hình2.12c Hình2.12d Phổ phát quang mẫu M050505 kích thích λex= 375 nm Phổ phá tquang mẫu M050505 kích thích λex= 400 nm 35 35 Hình 2.13a Tọa độ màu mẫu M050505kích thích λex= 335 nm 36 Hình2.13b Tọa độ màu mẫu M050505 kích thích λex= 350 nm 36 Hình 2.13c Tọa độ màu mẫu M050505 kích thích λex= 375 nm 37 Hình 2.13d Hình 2.14a Hình 2.14b Hình 2.14c Hình 2.14d Tọa độ màu mẫu M050505 kích thích λex = 400 nm Phổ phát quang mẫu M10505 kích thích λex= 335 nm Phổ phát quang mẫu M10505 kích thích λex= 350 nm Phổ phát quang mẫu M10505 kích thích λex= 375 nm Phổ phát quang mẫu M10505 kích thích λex= 400 nm 37 38 38 39 39 Hình 2.15a Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 335 nm 39 Hình 2.15b Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 350 nm 40 Hình 2.15c Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 375 nm 40 Hình 2.15d Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 400 nm 41 Hình 2.16a Hình 2.16b Hình 2.16c Hình 2.16d Phổ phát quang mẫu M05105 kích thích λex= 335nm Phổ phát quang mẫu M05105 kích thích λex= 350 nm Phổ phát quang mẫu M05105 kích thích λex= 375 nm Phổ phát quang mẫu M05105 kích thích λex= 400 nm 42 42 42 42 Hình 2.17a Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex= 335 nm 43 Hình 2.17b Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex= 350 nm 43 Hình 2.17c Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex= 375 nm 44 Hình 2.17d Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex= 400 nm 44 Hình 2.18a Hình 2.18b Hình 2.18c Phổ phát quang mẫu M05051 kích thích λex= 335 nm Phổ phát quang mẫu M05051 kích thích λex= 350 nm Phổ phát quang mẫu M05051 kích thích λex= 375 nm 45 45 46 Hình 2.18d Phổ phát quang mẫu M05051 kích thích λex= 400 nm 46 Hình 2.19a Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex= 335nm 46 Hình 2.19b Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex= 350 nm 47 Hình 2.19c Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex= 375nm 47 Hình 2.19d Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex= 400 nm 48 Mẫu M050505 kích kích bước sóng 375 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.40369389, 0.4697770, 01265842) Mẫu M050505 kích kích bước sóng 400 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.5742038, 0.4032605, 0.0225357) Khi thay đổi bước sóng kích thích tọa độ màu mẫu thay đổi sử dụng bước sóng 350 nm để kích thích tọa độ dịch chuyển vùng ánh sáng trắng 2.3.5 Phổ phát quang mẫu M10505 Hình 2.14a, 2.14b, 2.14c, 2.14d trình bày kết đo phổ phát quang mẫu M050505 kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm, 375 nm, 400 nm Hình 2.14a Phổ phát quang mẫu Hình 2.14b Phổ phát quang mẫu M10505 kích thích λex=335 nm M10505 kích thíchλex=350 nm 38 Hình 2.14c Phổ phát quang mẫu Hình 2.14d Phổ phát quang mẫu M10505 kích thích λex=375 nm M10505 kích thích λex=400 nm Từ kết đo phổ phát quang cho thấy kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm vùng xạ đặc trưng ion Ce3+, Tb3+ Sm3+ Khi sử dụng bước sóng 375 nm vùng xạ đặc trưng ion Tb3+ Sm3+ thể rõ, vùng phát xạ ion Ce3+ yếu , sử dụng bước sóng 400 nm phổ phát quang mẫu có vùng đặc trưng ion Sm3+ Dựa vào kết đo phổ phát quang, tiến hành xác định tọa độ màu (X,Y,Z) mẫu trình bày hình 2.15a, 2.15b, 2.15c, 2.15d Hình 2.15a Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 335 nm 39 Hình 2.15b Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 350 nm Hình 2.15c Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex = 375 nm 40 Hình 2.15d Tọa độ màu mẫu M10505 kích thích λex= 400 nm Từ kết tọa đồ màu mẫu kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm 375 nm, 400 nm chúng tơi có nhận xét sau: Mẫu M10505 kích kích bước sóng 335 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.2994760, 0.4611793, 0.2393447) Mẫu M10505 kích kích bước sóng 350 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.2945423, 0.4362793, 0.2691784) Mẫu M10505 kích kích bước sóng 375 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.4307982, 0.4900617, 0.0791402) Mẫu M10505 kích kích bước sóng 400 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.5852922, 0.4103341, 0.0043737) Khi thay đổi bước sóng kích thích tọa độ màu mẫu thay đổi sử dụng bước sóng 350 nm để kích thích tọa độ dịch chuyển vùng ánh sáng trắng 2.3.6 Phổ phát quang mẫu M05105 Hình 2.16a, 2.16b, 2.16c, 2.16d trình bày kết đo phổ phát quang mẫu M050505 kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm, 375nm, 400 nm 41 Hình 2.16a Phổ phát quang mẫu Hình 2.16b Phổ phát quang mẫu M05105 kích thích λex=335 nm M05105 kích thích λex=350 nm Hình 2.16c Phổ phát quang mẫu Hình 2.16d Phổ phát quang mẫu M05105 kích thích λex=375 nm M05105 kích thích λex=400 nm Từ kết đo phổ phát quang cho thấy kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm vùng xạ đặc trưng ion Ce3+, Tb3+ Sm3+ Khi sử dụng bước sóng 375 nm vùng xạ đặc trưng ion Tb3+ Sm3+ thể rõ, vùng phát xạ ion Ce3+ yếu , sử dụng bước sóng 400 nm phổ phát quang mẫu có vùng đặc trưng ion Sm3+ Dựa vào kết đo phổ phát quang, tiến hành xác định tọa độ màu ( R,G,B) mẫu trình bày hình 2.17a, 2.17b, 2.17c, 2.17d 42 Hình 2.17a Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex = 335 nm Hình 2.17b Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex= 350 nm 43 Hình 2.17c Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex= 375 nm 15 Hình 2.17d Tọa độ màu mẫu M05105 kích thích λex = 400 nm Từ kết tọa đồ màu mẫu kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm 375 nm, 400 nm chúng tơi có nhận xét sau: Mẫu M05105 kích kích bước sóng 335 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.3056994, 0.4991578, 0.1951428) Mẫu M05105 kích kích bước sóng 350 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.3095767, 0.5124757, 0.1779476) 44 Mẫu M05105 kích kích bước sóng 375 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.3975228, 0.5265850, 0.0758922) Mẫu M05105 kích kích bước sóng 400 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.5849350, 0.4116303, 0.0034347) 2.3.7.Phổ phát quang mẫu M05051 Hình 2.18a, 2.18b, 2.18c, 2.18d trình bày kết đo phổ phát quang mẫu M050505 kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm, 375 nm, 400 nm Hình 2.18a Phổ phát quang mẫu Hình 2.18b Phổ phát quang mẫu M05051 kích thích λex=335 nm M05051 kích thích λex=350 nm 45 Hình 2.18c Phổ phát quang mẫu Hình 2.18d Phổ phát quang mẫu M05051 kích thích λex=375 nm M05051 kích thích λex=400 nm Từ kết đo phổ phát quang cho thấy kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm vùng xạ đặc trưng ion Ce3+, Tb3+ Sm3+ Khi sử dụng bước sóng 375 nm vùng xạ đặc trưng ion Tb3+ Sm3+ thể rõ, vùng phát xạ ion Ce3+ yếu , sử dụng bước sóng 400 nm phổ phát quang mẫu có vùng đặc trưng ion Sm3+ Dựa vào kết đo phổ phát quang, tiến hành xác định tọa độ màu ( X,Y,Z) mẫu trình bày hình 2.19a, 2.19b, 2.19c, 2.19d Hình 2.19a Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex = 335 nm 46 Hình 2.19b Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex = 350 nm Hình 2.19c Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex = 375 nm 47 Hình 2.19d Tọa độ màu mẫu M05051 kích thích λex= 400 nm Từ kết tọa đồ màu mẫu kích thích bước sóng 335 nm, 350 nm 375 nm, 400 nm chúng tơi có nhận xét sau: Mẫu M05051 kích kích bước sóng 335 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.3236177, 0.4551460, 0.2212363) Mẫu M05051 kích kích bước sóng 350 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.2913887, 0.3604624, 0.3481489) Mẫu M05105 kích kích bước sóng 375 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.4643799, 0.4704954, 0.0651247) Mẫu M05105 kích kích bước sóng 400 nm có tọa đồ màu (X,Y,Z) (0.5829600, 0.4105307, 0.0065093) Như vậy, từ kết khảo sát tính chất quang tọa độ màu mẫu chúng tơi nhận thấy vị trí tọa độ màu khơng phụ thuộc vào nồng độ ion đất pha tạp mà cịn phụ thuộc vào bước sóng kích thích phát quang Trong tất mẫu đồng pha tạp mẫu M05051 kích thích bước sóng 350 nm tọa độ màu dịch chuyển gần vùng ánh sáng trắng 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu đề tài, rút số kết luận sau: ➢ Chế tạo thành công mẫu thủy tinh Oxit pha tạp đất ion Ce3+, Tb3+, Sm3+ phương pháp nóng chảy ➢ Tính chất quang ion Ce3+, Tb3+, Sm3+ pha tạp vật liệu thủy tinh Oxit nghiên cứu ➢ Đã xác định định hướng ứng dụng vật liệu thủy tinh Oxit pha tạp Ce3+, Tb3+, Sm3+ chiếu sáng ➢ Nếu có điều kiện, tiếp tục nghiên cứu theo hướng thay đổi nồng độ pha tạp ion đất hiếm, thay đổi bước sóng kích thích để tọa độ màu nằm vùng ánh sáng trắng Mặc dù cố gắng nhiều trình thực nghiên cứu đề tài hạn chế thời gian nghiên cứu đề tài đại dịch COVID-19 ảnh hưởng phần khơng nhỏ đến q trình thực đề tài nên chắn không tránh khỏi hạn chế, khiếm khuyết bất cập định Vì vậy, tơi mong nhận chia sẻ, động viên đóng góp quý báu thầy cô bạn Tôi xin chân thành cảm ơn! 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng anh : [1] A Thulasiramudu, S Buddhudu, (2007), Optical characterization of Sm3+ and Dy3+: ZnOPbO-B2O3 glasses, Spectrochim Acta A 67, 802 - 807 [2] Babu Y.N.Ch.Ravi, P Naik, Sree Ram, K Kumar, Vijaya, N Kumar Rajesh, Kumar A.Suresh, (2012), Spectral investigations of Sm3+ doped lead bismuth magnesium borophosphate glasses, J Quant Spectrosc Radiat Transfer 113, 1669 – 1675 [3] G Lakshminarayana, R Yang, J.R Qiu, M.G Brik, G.A Kumar, I.V Kityk, (2009), White light emission from Sm3+/Tb3+ codoped oxyfluoride aluminosilicate glasses under Uv light excitation, J Phys D: Appl Phys 42, 015414 - 015426 [4] J.C Zhang, C Parent, G Flem, P Hagenmuller, (1991), White light emitting glasses, J Solid State Chem 93(1), 17 – 29 [5] K Maheshvaran, K, Linganna, K Marimuthu, (2011), Composition dependent structural and optical properties of Sm3+ doped bora-tellurite glasses, J Lumin 131, 2746 - 2753 [6] L Huang, X Wang, H Lin, X Liu, (2001), Luminescence properties of Ce3+ and Tb3+ doped rare earth borate glasses, J Alloy Comp 316(1 - 2), 256 - 259 [7] L Yang, N Dai, Z Liu, Z Jiang, J Peng, H Li, J Li, M Yamashita, T Akai, (2011), Tailoring of clusters of active ions in sintered nanoporous silica glass for white light luminescence, J Mater Chem 21, 6274 - 6279 [8] L Zhu, C Zuo, Z Luo, A Lu, (2010), Photoluminescence of Dy3+ and Sm3+: SiO2- Al2O3-LiF-CaF2 glasses, Physica B 405, 4401 - 4406 [9].McKeever S W.S (1985), Thermoluminescence of solids, Cambrige University Press 50 [10] S Methfessel Ruhr University Bochum (1984), Structure and Magnetism in Metal glasses [11] S.S Sundari, K Marimuthu, M Sivaraman, S.S Babu, (2010), Composition dependent structural and optical properties of Sm3+ - doped sodium borate and sodium fluoroborate glasses, J.Lumin.130, 1313 - 1319 [12] T Tsuboi, (2004), Optical properties os Ce3+/Tb3+ -codoped borosilicate glasses, Eur Phys J Appl Phys 26, 95 - 101 51 Ý KIẾN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN Nhận xét: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ý kiến: Đánh dấu (X) vào ô lựa chọn Đồng ý thông qua báo cáo Không đồng ý thông qua báo cáo Đà Nẵng, ngày tháng năm 2020 NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) TS Trần Thị Hồng 52 ... HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ LAN NHI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH OXIT PHA TẠP NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Vật lý học Khóa... HIẾM ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG” Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu mẫu vật liệu thủy tinh pha tạp • Khảo sát đặc tính quang học ion đất thủy tinh Oxit • Xác định tọa độ màu mẫu Nhiệm vụ nghiên cứu. .. phát quang • Nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Các mẫu thủy tinh Oxit pha tạp nguyên tố đất 4.2 Phạm vi nghiên cứu Các tính chất phát quang