Khảo sát đặc trưng phát quang đồng kích hoạt ion eu3+, tb3+ trong một số vật liệu nền khác nhau, ứng dụng để chế tạo led trắng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ ĐẶNG THỊ DIỄM KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG ĐỒNG KÍCH HOẠT ION EU3+, TB3+ TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN KHÁC NHAU, ỨNG DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO LED TRẮNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng - 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ ĐẶNG THỊ DIỄM KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG ĐỒNG KÍCH HOẠT ION EU3+, TB3+ TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN KHÁC NHAU, ỨNG DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO LED TRẮNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành : Sƣ phạm vật lý Khóa học : 2013 – 2017 Ngƣời hƣớng dẫn : TS Đinh Thanh Khẩn Đà Nẵng - 2017 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trƣờng Đại học Sƣ Phạm, đặc biệt quý thầy cô khoa Vật Lý tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức khoa học kinh nghiệm quý báu cho chúng em suốt bốn năm học tập trƣờng Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thầy Đinh Thanh Khẩn thầy Lê Văn Thanh Sơn tận tình hƣớng dẫn, bảo, giải đáp thắc mắc giúp đỡ em suốt thời gian thực khóa luận tốt nghiệp Tiếp đến, em xin gửi lời cảm ơn đến bạn em sinh viên nhóm nghiên cứu nhiệt tình tham gia nghiên cứu hỗ trợ em suốt thời gian làm khóa luận Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè động viên tạo điều kiện để em hồn thành khóa luận Mặc dù cố gắng hồn thành khóa luận phạm vi khả cho phép nhƣng chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc thơng cảm đóng góp ý kiến q thầy cô tất bạn để báo cáo đƣợc hoàn thiện Đà Nẵng, 25 tháng năm 2017 Sinh viên thực Đặng Thị Diễm i GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC……………………………………………………………………… ii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU .1 1.Lí chọn đề tài .1 2.Mục đích nghiên cứu 3.Nhiệm vụ nghiên cứu .1 4.Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 5.Phƣơng pháp nghiên cứu 6.Cấu trúc đề tài CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÍ THYẾT 1.1.Tổng quan tƣợng phát quang 1.1.1 Hiện tƣợng phát quang 1.1.2 Phân loại tƣợng phát quang .3 1.1.2.1 Phân loại theo tính chất động học trình xảy chất phát quang 1.1.2.2 Phân loại theo tính chất chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái để phát xạ 1.1.2.3 Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài ngừng kích thích 1.1.2.4 Phân loại theo phƣơng pháp kích thích 1.1.3 Cơ chế tƣợng phát quang 1.1.3.1 Phát quang nguyên tử 1.1.3.2 Phát quang phân tử 1.1.3.3 Phổ phát quang .8 1.2 Lý thuyết phosphor tinh thể thủy tinh .8 1.2.1 Sự phát quang phosphor tinh thể 1.2.1.1 Hiện tƣợng phát quang phosphor tinh thể .8 ii GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp 1.2.1.2 Cấu trúc phosphor tinh thể 1.2.1.3 Phổ hấp thụ phosphor tinh thể .10 1.2.1.4 Phổ xạ phosphor tinh thể 10 1.2.1.5 Bản chất phát quang phosphor tinh thể 11 1.2.2 Cơ sở lí thuyết thủy tinh 15 1.2.2.1 Khái niệm chung trạng thái thủy tinh 15 1.2.2.2 Phân loại thủy tinh .16 1.2.2.3 Vai trò thủy tinh .16 1.3 Sơ lƣợc nguyên tố đất 17 1.3.1 Lý thuyết nguyên tố đất Eu .19 1.3.2 Lý thuyết nguyên tố đất Tb 20 1.4 Tổng quan truyền lƣợng 22 1.4.1 Sự truyền lƣợng 22 1.4.2 Sự truyền lƣợng tâm phát quang không giống 22 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM ……………………………………………… 25 2.1 Chế tạo mẫu 25 2.2 Kết thảo luận 27 2.2.1 Phổ kích thích Eu3+ Tb3+ .27 2.2.2 Phổ phát quang BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 (λex = 378nm) 28 2.2.3 So sánh phổ phát quang BaO.SiO2.B2O3.Eu2O3 BaO.SiO2.Eu2O3 30 2.2.4 Tọa độ màu phát quang tinh thể thủy tinh 31 KẾT LUẬN .34 TÀI LIỆU THAM KHẢO .35 iii GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Tên hình ảnh STT Trang Hình 1.1 Cơ chế phát quang cƣỡng Hình 1.2: Cơ chế phát quang nguyên tử Hình 1.3: Cơ chế phát quang phân tử Hình 2.1: Phổ xạ phosphor tinh thể 11 Hình 3.1: Giản đồ mức lƣợng Dieke 18 Hình 3.2: Cấu hình điện tử Eu 19 Hình 3.3: Cấu hình điện tử Tb 21 Hình 4.1: Q trình kích thích (a): Kích thích trực tiếp lên tâm phát quang A, (b): Kích thích gián tiếp qua phần tử nhạy sáng S, S 22 truyền lƣợng cho tâm A Hình 4.2: (a): Sự truyền lƣợng tâm S A có khoảng cách R (trên) Sơ đồ mức lƣợng Hamiltonien tƣơng tác( 23 dƣới), (b): Sự che phủ phổ 10 Hình 2.2.1 Phổ kích thích ion Eu3+ (λem = 612nm) 27 11 Hình 2.2.2 Phổ kích thích ion Tb3+ (λem = 543nm) 27 12 Hình 2.2.3 Phổ phát quang BaO.SiO2.Eu2O3 (λex = 370nm) 28 13 Hình 2.2.4 Sự truyền lƣợng Tb3+ sang Eu3+ 29 14 Hình 2.2.5 Phổ phát quang BaO.SiO2.B2O3.Eu2O3 30 Hình 2.2.7 Tọa độ màu mẫu vật liệu vơ định hình 15 31 ứng với bƣớc sóng 370nm Hình 2.2.8 Tọa độ màu mẫu vật liệu tinh thể ứng với 16 31 bƣớc sóng 370nm iv GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các mẫu vật liệu chế tạo……………………………………………… 25 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Nghĩa tiếng việt LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang RE Rare Earth Đất v GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong sống đại ngày nay, khoa học cơng nghệ khơng ngừng phát triển bên cạnh ngành vât lí phát quang phát triển khơng góp phần lớn vào việc cải thiện nâng cao chất lƣợng sống ngƣời Hiện tƣợng phát quang có nhiều ứng dụng đời sống khoa học-kỹ thuật nhƣ: kỹ thuật quang học, ống tia cathode, cơng nghệ hiển thị tín hiệu, diode phát quang … đặc biệt việc chế tạo LED để phục vụ cho chiếu sáng nhiều lĩnh vực khác LED đƣợc dùng để làm phận hiển thị thiết bị điện tử, quảng cáo, hình tivi… Mặc dù vậy, việc tìm tịi phát minh thiết bị chiếu sáng nhằm cải tiến tính chúng nhƣ tiêu thụ điện năng, tuổi thọ kéo dài công suất phát sáng lớn, đáp ứng nhu cầu ngày cao công nghệ chiếu sáng tiếp tục đƣợc nhà khoa học giới quan tâm, nghiên cứu Các nguyên tố đất có nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật Trong đó, ion Eu3+ Tb3+ đồng kích hoạt vật liệu khác ứng dụng để chế tạo LED trắng, sản xuất chất phát quang Thấy đƣợc ứng dụng có tính thực tiễn sống nhƣ khoa học, với điều kiện có sẵn phịng thí nghiệm chun đề khoa Vật Lý khiến em định thực đề tài: “Khảo sát đặc trưng phát quang đồng kích hoạt ion Eu3+, Tb3+ số vật liệu khác nhau, ứng dụng để chế tạo LED trắng.” Mục đích nghiên cứu - Khảo sát đặc trƣng phát quang đồng kích hoạt ion Eu3+, Tb3+ silicate, ứng dụng để chế tạo LED trắng Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết phát quang, vật liệu phát quang - Tìm hiểu ion đất hiếm, Silicate - Xác định phƣơng pháp quy trình chế tạo vật liệu GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp - Tìm cách sử dụng thiết bị trình thực nghiệm - Xử lý số liệu thực nghiệm rút kết luận Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng - Lý thuyết phát quang, phosphor tinh thể, thủy tinh, nguyên tố chứa ion đất - Vật liệu silicat  Phạm vi nghiên cứu: “Khảo sát đặc trƣng phát quang đồng kích hoạt ion Eu3+, Tb3+ số vật liệu khác nhau, ứng dụng để chế tạo LED trắng.” Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu - Chế tạo mẫu vật liệu phát quang phịng thí nghiệm - Tiến hành đo phổ phát quang mẫu vật liệu Cấu trúc đề tài MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết 1.1 Tổng quan lí thuyết tƣợng phát quang 1.2 Lí thuyết phosphor tinh thể thủy tinh 1.3 Sơ lƣợc nguyên tố đất 1.4 Tổng quan truyền lƣợng Chƣơng 2: Thực nghiệm 2.1 Chế tạo mẫu nghiên cứu thực nghiệm 2.2 Kết nhận xét KẾT LUẬN GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÍ THYẾT 1.1 Tổng quan tƣợng phát quang [1], [4] 1.1.1 Hiện tượng phát quang Theo Vivalôp “ Hiện tƣợng phát quang tƣợng chất phát quang xạ dƣ xạ nhiệt trƣờng hợp xạ cịn dƣ sau kéo dài khoảng thời gian 10-16 (s) lớn hơn.” 1.1.2 Phân loại tượng phát quang 1.1.2.1 Phân loại theo tính chất động học trình xảy chất phát quang - Phát quang tâm bất liên tục: loại phát quang mà trình từ hấp thụ lƣợng đến xạ xảy tâm định Khả phát quang trình xảy nội tâm phát quang khơng có tham gia yếu tố bên - Phát quang tái hợp: loại phát quang mà q trình chuyển hóa lƣợng kích thích sang xạ quang học xảy với tham gia toàn chất phát quang Trong phát quang tái hợp vị trí kích thích khơng trùng vị trí xạ, trao đổi lƣợng từ vị trí kích thích đến vị trí xạ phải qua q trình trung gian 1.1.2.2 Phân loại theo tính chất chuyển từ trạng thái kích thích trạng thái để phát xạ - Phát quang tự phát: xảy phân tử trạng thái kích thích chuyển trạng thái dƣới tác dụng trƣờng nội phân tử Đặc điểm tƣợng phát quang tự phát không phụ thuộc vào tác dụng yếu tố bên - Phát quang cƣỡng bức: phát quang xảy dƣới tác động yếu tố bên ngoài, bao gồm hai giai đoạn Giai đoạn chuyển điện tử từ mức siêu bền III lên mức kích thích yếu tố tác dụng bên Giai đoạn chuyển từ mức kích thích thích mức GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Tƣơng tác ion Tb3+ với trƣờng tinh thể dẫn đến tách mức 2s+1 LJ thành mức 1.4 Tổng quan truyền lƣợng [2] 1.4.1 Sự truyền lượng Hiện tƣợng truyền lƣợng q trình kích thích trực tiếp, tâm phát quang A (activator) nhận lƣợng để chuyển lên trạng thái kích thích sau chuyển trạng thái phát xạ Ngoài ra, tâm phát quang A khơng nhận lƣợng kích thích trực tiếp mà nhận lƣợng từ ion lân cận Các ion hấp thụ lƣợng truyền cho tâm kích hoạt A Các phần tử hấp thụ lƣợng đƣợc gọi tâm tăng nhạy S (sensitizer) Sự truyền lƣợng kích thích từ tâm (S*) tới tâm khác A, theo sơ đồ: S* + A → A* + S Sự truyền lƣợng kéo theo xạ tâm A, lúc tâm S đƣợc gọi tâm làm nhạy tâm A Tuy nhiên, A suy giảm khơng xạ, trƣờng hợp A đƣợc gọi phần tử dập tắt xạ tâm S (b) (a) Hình 4.1: Q trình kích thích (a): Kích thích trực tiếp lên tâm phát quang A, (b): Kích thích gián tiếp qua phần tử nhạy sáng S, S truyền lượng cho tâm A 1.4.2 Sự truyền lượng tâm phát quang không giống Xét hai tâm S A cách khoảng R chất rắn, có sơ đồ mức lƣợng tƣơng ứng đƣợc đƣa hình 5.2 Giả sử khoảng cách R đủ ngắn để tƣơng tác tâm không bị triệt tiêu Nếu S trạng thái kích thích A trạng thái S hồi phục lƣợng truyền cho A Tốc độ truyền lƣợng đƣợc Fưster tính tốn sau Dexter mở rộng cho loại tƣơng tác khác 22 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp (a) (b) Hình 4.2: (a): Sự truyền lượng tâm S A có khoảng cách R (trên) Sơ đồ mức lượng Hamiltonien tương tác( dưới), (b): Sự che phủ phổ Sự truyền lƣợng xuất nếu: - Sự khác lƣợng hai trạng thái kích thích tâm S tâm A (điều kiện cộng hƣởng) - Khi tồn tƣơng tác thích hợp hai hệ Tƣơng tác tƣơng tác trao đổi (khi hàm sóng chúng có che phủ nhau) tƣơng tác đa cực điện đa cực từ Trong thực tế, điều kiện cộng hƣởng đƣợc kiểm tra việc xem xét chồng lấn phổ xạ tâm S hấp thụ tâm A Kết tính tốn Dexter nhƣ sau: PSA  Trong đó: 2 | S , A* | H SA | S * , A |  g S ( E ).g A ( E )dE (5.1) gs(E), gA(E) hàm hình dáng vạch phổ chuẩn hố PSA xác suất truyền lƣợng ||2 yếu tố ma trận mô tả tƣơng tác trạng thái đầu trạng thái cuối ∫ ( ) ( ) : mô tả che phủ hai phổ Q trình truyền lƣợng đƣợc mơ tả hệ thức truyền lƣợng không xạ Tốc độ truyền phụ thuộc vào khoảng cách, thể qua phụ thuộc vào loại tƣơng tác Đối với tƣơng tác đa cực điện, khoảng cách phụ thuộc vào Rp với số tƣơng tác p Các giá trị p = 6, 8,… lần lƣợt ứng với tƣơng tác lƣỡng cựclƣỡng cực, lƣỡng cực-tứ cực,… Đối với tƣơng tác trao đổi, khoảng cách phụ thuộc 23 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp vào hàm mũ tƣơng tác trao đổi địi hỏi phải có chồng phủ phổ Để có đƣợc tốc độ truyền cao (tức PSA lớn) phải thỏa mãn điều kiện sau: - Sự cộng hƣởng lớn, tức mức độ chồng phủ phổ xạ tâm S phổ hấp thụ tâm A cần phải lớn - Sự tƣơng tác mạnh, tƣơng tác loại đa cực-đa cực tƣơng tác trao đổi Chỉ vài trƣờng hợp đặc biệt biết cụ thể loại tƣơng tác Cƣờng độ dịch chuyển quang xác định độ lớn tƣơng tác đa cực điện Tốc độ truyền lớn đạt đƣợc chuyển dời quang học liên quan chuyển dời lƣỡng cực điện đƣợc phép Nếu cƣờng độ hấp thụ triệt tiêu tốc độ truyền tƣơng tác đa cực điện triệt tiêu Tuy nhiên, tốc độ truyền tồn phần khơng thiết phải triệt tiêu có đóng góp tƣơng tác trao đổi Tốc độ truyền tƣơng tác trao đổi phụ thuộc vào che phủ phổ mà không phụ thuộc vào đặc trƣng phổ chuyển dời liên quan Với khoảng cách có đƣợc truyền lƣợng theo cách này? Để trả lời câu hỏi điều quan trọng cần nhận thức rõ tâm S* có vài cách trở trạng thái bản: truyền lƣợng với tốc độ PSA, hồi phục xạ với tốc độ xạ PS Chúng ta bỏ qua hồi phục khơng xạ (có thể bao gồm PS) Khoảng cách tới hạn truyền lƣợng (RC) đƣợc định nghĩa khoảng cách PSA = PS Khi R > RC phát xạ S thắng thế, ngƣợc lại R < RC truyền lƣợng từ S tới A chiếm ƣu Nếu dịch chuyển quang S A dịch chuyển lƣỡng cực điện cho phép với che phủ phổ đáng kể khoảng cách RC vào cở 30 A0 Nếu dịch chuyển bị cấm cần có tƣơng tác trao đổi để xảy truyền lƣợng, lúc giá trị RC giới hạn khoảng – A0 Nếu che phủ đáng kể dải phổ xạ lên dải phổ hấp thụ cho phép có truyền lƣợng xạ đáng kể: S* hồi phục xạ xạ phát bị tái hấp thụ Thực tế, điều đƣợc quan sát thấy dải xạ triệt tiêu bƣớc sóng xảy hấp thụ mạnh tâm A 24 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo mẫu Các mẫu vật liệu đƣợc chế tạo phƣơng pháp phản ứng pha rắn phịng thí nghiệm chun đề khoa Vật Lý trƣờng Đại học Sƣ Phạm – Đại học Đà Nẵng Các bƣớc trình chế tạo mẫu vật liệu: Bƣớc 1: Chuẩn bị khuôn Khuôn chén sứ đƣợc rửa cho vào máy siêu âm sau lấy sấy khơ tủ sấy nhiệt độ khoảng 500C Bƣớc 2: Cân nghiền hóa chất Các tiền chất đƣợc cân cân điện tử có độ xác 0,001 gam Các mẫu vật liệu thành phần phần trăm mẫu đƣợc thể rõ Tổng khối lƣợng tiền chất vật liệu gam Bảng 1: Các mẫu vật liệu chế tạo Mẫu vật liệu BaO.SiO2.Eu2O3 Tỉ lệ Điện kiện nung 12000C 1:1,1:0,5% BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 1:1,1:0,5%:0,25% 12000C BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 1:1,1:0,5%:0,5% 12000C Hóa chất sau cân xong đƣợc nghiền mịn trộn thời gian khoảng tiếng Bƣớc 3: Sấy hóa chất Hóa chất sau đƣợc trộn đƣợc cho vào cốc nung sấy khô tủ sấy nhiệt độ khoảng 500C Bƣớc 4: Nung mẫu 25 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Hóa chất sau đƣợc sấy khơ đƣợc cho vào lò điện nung nhiệt độ 12000C khoảng thời gian 5h, để nguội vài Bƣớc 5: Xử lí mẫu Các mẫu nguội đƣợc tách mẫu khỏi cốc nung cho vào ống nhựa để tiến hành đo phổ + Tiến hành đo phổ hệ đo FL3 – 22 trƣờng Đại học Duy Tân Đà Nẵng 26 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp 2.2 Kết thảo luận 2.2.1 Phổ kích thích Eu3+ Tb3+ Phổ kích thích Eu3+ Tb3+ vật liệu BaO.SiO2 với bƣớc sóng phát xạ tƣơng ứng đƣợc thể hình 2.2.1 hình 2.2.2 3+ Intensity (a.u) PLE Eu (EM=612nm) 330 360 390 420 450 480 510 Wavelength (nm) Hình 2.2.1 Phổ kích thích ion Eu3+ (λem = 612nm) 3+ Intensity (a.u) PLE Tb (EM=543nm) 280 300 320 340 360 380 400 Wavelength (nm) Hình 2.2.2 Phổ kích thích ion Tb3+ (λem = 543nm) 27 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Từ hình 2.2.1, ta thấy phổ kích thích Eu3+ bao gồm đỉnh tƣơng ứng với chuyển dời lƣợng từ 7F0 – 5D4 (360nm), 7F1 – 5D4 (364 nm), 7F0 – 5G4 (378nm), 7F0 – 5L6 (393nm), 7F1 – 5D3 (413nm), 7F0 – 5D2 (463nm), 7F0 – 5D1 (530nm) [7] Từ hình 2.2.2, ta thấy phổ kích thích Tb3+ bao gồm đỉnh tƣơng ứng chuyển dời lƣợng từ 7F6 –5L8 (354nm), 7F6 – 5D2 (358nm), 7F6 – 5L10 (370nm), 7F6 – 5G6 (379nm) [7] Từ phổ kích thích ion, ta nhận thấy ion cho cƣờng độ phát quang tƣơng đối cao xung quanh bƣớc sóng kích thích xung quanh vùng 370 nm Vì tác giả định chọn bƣớc sóng 378 nm để làm bƣớc sóng kích thích cho vật liệu BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 2.2.2 Phổ phát quang BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 (λex = 378nm) 0.5% Eu/0.5% Tb 613 nm 0.5% Eu/0.25% Tb Intensity (a.u) 0.5% Eu 544 nm 587 nm 487 nm 700 nm 430 nm 400 450 650 nm 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) Hình 2.2.3 Phổ phát quang BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 (λex = 378nm) 28 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Hình 2.2.3 mơ tả phổ phát quang BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 với nồng độ Tb4O7 thay đổi từ 0% đến 0,5% dƣới bƣớc sóng kích thích 378nm Từ hình 2.2.3, ta thấy dƣới bƣớc sóng kích thích 378nm, phổ phát quang mẫu BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 với nồng độ Tb4O7 khác có hình dạng phổ giống Phổ phát quang gồm đỉnh chính: + Các đỉnh phổ bƣớc sóng 487nm 544nm lần lƣợt ứng với chuyển dời từ 5D4 – 7F6 5D4 – 7F5 ion Tb3+ [7] Trong đó, dịch chuyển từ 5D4 – 7F5 (544nm) ứng với phát quang màu xanh có cƣờng độ mạnh + Các đỉnh phổ bƣớc sóng 587nm, 613nm 650nm lần lƣợt ứng với chuyển dời từ 5D0 – 7F1, 5D0 – 7F2 5D0 – 7F3 ion Eu3+ [7] Ngoài ra, phổ phát quang BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 bƣớc sóng 587nm 613nm cịn có đóng góp từ phát quang ion Tb3+ tƣơng ứng với chuyển dời từ 5D4 – 7F4 (587nm) 5D4 – 7F3 (613nm) Tb3+ Giản đồ chuyển mức lƣợng ion Tb3+ Eu3+ đƣợc thể hình 2.2.4 Nhƣ ta thấy đƣợc hình 2.2.3, nồng độ Tb3+ tăng, cƣờng độ phát quang đỉnh Eu3+ tăng lên nồng độ Eu3+ điều kiện khơng đổi Điều chứng tỏ có truyền lƣợng từ ion Tb3+ sang Eu3+ Cơ chế truyền lƣợng đƣợc giải thích dựa vào giản đồ chuyển mức lƣợng ion Tb3+ Eu3+ nhƣ đƣợc thể hình 2.2.4 Do mức 5D4 Tb3+ nằm gần mức 5D0 Eu3+ nên ion Tb3+ đƣợc kích thích lên mức lƣợng 5D4 phần trở trạng thái bản, phần truyền lƣợng sang mức 5D0 Eu3+ Sau Eu3+ từ mức 5D0 mức giải phóng lƣợng dƣới dạng xạ 29 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Tb3+ Eu3+ D F4 F F0 487 nm 544 nm 587 nm 613 nm 700 nm 650 nm 613 nm 587 nm D0 7 F3 F5 F1 F4 F6 Hình 2.2.4 Sự truyền lượng Tb3+ sang Eu3+ [7] Mặt khác, phổ phát quang nhóm vật liệu đƣợc kích thích bƣớc sóng 378nm cịn xuất đám rộng có đỉnh tƣơng đối thấp bƣớc sóng 430nm tƣơng ứng với chuyển điện tử 5d  4f [7] ion Eu2+ Điều chứng tỏ Eu2+ Eu3+ xuất mẫu vật liệu thu đƣợc 2.2.3 So sánh phổ phát quang BaO.SiO2.B2O3.Eu2O3 BaO.SiO2.Eu2O3 Để nghiên cứu phát quang Eu3+ Tb3+ khác nhau, tác giả so sánh phổ phát quang Eu3+ Tb3+ tinh thể BaO.SiO2.Eu2O3 với phổ phát quang chúng vật liệu thủy tinh BaO.SiO2.B2O3.Eu2O3 Tb4O7 đƣợc nghiên cứu trƣớc [3] Phổ phát quang BaO.SiO2.B2O3.Eu2O3 Tb4O7 với nồng độ thay đổi từ 0% đến 0,5% đƣợc thể hình 2.2.5 Từ hình 2.2.3 2.2.5, ta thấy cƣờng độ đỉnh phát quang Eu3+ trƣờng hợp tăng nồng độ Tb3+ tăng, điều chứng tỏ hai có truyền lƣợng từ Tb3+ sang Eu3+ Tuy nhiên trƣờng hợp tinh thể, cƣờng độ đỉnh phát quang Eu3+ bƣớc sóng 613 nm cao cƣờng độ đỉnh phát quang Tb3+ bƣớc sóng 544 nm Điều có lẻ truyền lƣợng từ Tb3+ sang Eu3+ xảy mạnh thủy tinh Với khác ánh sáng phát quang thu đƣợc từ tinh thể nghiêng phía màu đỏ so với ánh sáng phát quang thu đƣợc từ thủy tinh 30 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp 0.5% Eu/0.5% Tb 0.5% Eu/0.25% Tb 0.5% Eu Intensity (a.u) 544 nm 613 nm 487 nm 587 nm 700 nm 430 nm 400 450 650 nm 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) Hình 2.2.5 Phổ phát quang BaO.SiO2.B2O3.Eu2O3 [3] 2.2.4 Tọa độ màu phát quang tinh thể thủy tinh Tọa độ màu phát quang tinh thể thủy tinh đƣợc thể lần lƣợt hình 2.2.6 2.2.7 Trong đó, điểm chấm đen ứng với số 1, tọa độ màu thu đƣợc vật liệu thủy tinh tinh thể đồng pha tạp ion với nồng độ lần lƣợt 0.5% Eu3+/0%Tb3+, 0.5% Eu3+/0.25%Tb3+ 0.5% Eu3+/0.5%Tb3+ 31 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Hình 2.2.6 Tọa độ màu mẫu vật liệu tinh thể Hình 2.2.7 Tọa độ màu mẫu vật liệu thủy tinh [3] Từ hình 2.2.6 2.2.7, ta thấy tọa độ màu thu đƣợc từ tinh thể dịch chuyển phía ánh sáng đỏ, tọa độ màu thu đƣợc từ thủy tinh nằm gần vùng ánh sáng trắng Điều phù hợp với kết thu đƣợc từ phổ phát quang vật liệu Nhƣ nhìn thấy hình 2.2.3 2.2.5, việc pha tạp Tb3+ Eu3+ tinh thể cƣờng độ phát quang Eu3+ chiếm ƣu 32 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp Tb3+, với thủy tinh Tb3+ lại chiếm ƣu Eu3+ Điều làm cho tọa độ màu ánh sáng thu đƣợc tinh thể dịch chuyển vùng ánh sáng màu đỏ Trong khi, thủy tinh, tọa độ màu ánh sáng thu đƣợc dịch chuyển vùng gần ánh sáng trắng Từ kết này, bƣớc đầu so sánh phát quang Tb3+ Eu3+, tác giả nhận thấy thủy tinh, ta tăng cƣờng độ phát quang ánh sáng màu xanh bƣớc sóng 430 nm Eu2+ tọa độ màu ánh sáng phát quang dịch vùng ánh sáng màu trắng Nhƣ vậy, thủy tinh phù hợp để chế tạo LED trắng 33 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp KẾT LUẬN Từ kết trên, tác giả rút số kết luận sau đây: - Chế tạo thành công mẫu vật liệu đồng pha tạp Tb3+ Eu3+ tinh thể BaO.SiO2 - Phổ phát quang mẫu vật liệu BaO.SiO2.Eu2O3.Tb4O7 xuất vạch tƣơng đối hẹp - Khi tăng nồng độ Tb3+ giữ nguyên nồng độ Eu3+ cƣờng độ phát quang ứng với đỉnh Eu3+ tăng lên Điều chứng tỏ có truyền lƣợng từ Tb3+ sang Eu3+ - Có thể điều chỉnh màu ánh sáng phát quang cách thay đổi tỉ lệ mol Tb3+ Eu3+ cách thích hợp - Nền thủy tinh phù hợp để chế tạo LED trắng đồng pha tạp Tb3+ Eu3+ tinh thể thủy tinh 34 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] Phan Văn Thích, Hiện tượng huỳnh quang kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại học tổng hợp Hà Nội (1973) [2] Phạm Nguyễn Thùy Trang (2017), Luận án tiến sĩ vật lí chất rắn: “Chế tạo tính chất quang phổ vật liệu BaMgAl10O17: Eu2+, Mn2+”, Đại học Huế [3] Nguyễn Thị Diễm, Khảo sát phát quang Tb3+ vật liệu thủy tinh Borate, Khóa luận tốt nghiệp (2016) Tài liệu tiếng Anh: [4] G Blasse B C Grabmaier (1994), Luminescent Material, Berlin [5] S Methfessel Ruhr Uinversity Bochum (1984), Structure and Magnetism in Metal Gasses [6] The Jonhs Hopkins University Baltimor, Maryland, Spectra and Energy levels of Rare Earth Ions in Crystals, Gerhard Heinrich Dieke [7] C Zhu, S Chaussedent, S Liu, Y Zhang, A Monteil, N Gaumer and Y Yue, Composition dependence of luminescence of Eu and Eu/Tb doped silicate glasses for LED applications, Journal of Alloys and Compounds 555 (2013) 232–236 35 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩn Khóa luận tốt nghiệp ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Nhận xét: (Về chất lƣợng khóa luận cần) ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… 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 2017 NGƢỜI HƢỚNG DẪN (Kí ghi rõ họ tên) 36 ... khoa Vật Lý khiến em định thực đề tài: ? ?Khảo sát đặc trưng phát quang đồng kích hoạt ion Eu3+, Tb3+ số vật liệu khác nhau, ứng dụng để chế tạo LED trắng. ” Mục đích nghiên cứu - Khảo sát đặc trƣng... TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ ĐẶNG THỊ DIỄM KHẢO SÁT ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG ĐỒNG KÍCH HOẠT ION EU3+, TB3+ TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN KHÁC NHAU, ỨNG DỤNG ĐỂ CHẾ TẠO LED TRẮNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP... sát đặc trƣng phát quang đồng kích hoạt ion Eu3+, Tb3+ silicate, ứng dụng để chế tạo LED trắng Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết phát quang, vật liệu phát quang - Tìm hiểu ion đất hiếm,