Nghiên cứu tính chất quang của ion nd3+ pha tạp trong tinh thể k2gdf5

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÂM VĂN DUẨN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA ION Nd PHA TẠP TRONG TINH THỂ K2GdF5 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020 3+ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÂM VĂN DUẨN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA ION Nd PHA TẠP TRONG TINH THỂ K2GdF5 Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Phan Văn Độ THÁI NGUYÊN - 2020 3+ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài cơng trình nghiên cứu riêng giúp đỡ mặt chuyên môn hướng dẫn khoa học TS Phan Văn Độ Các số liệu kết nghiên cứu luận văn hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Những tài liệu tham khảo công bố tạp chí trang web uy tín Các trích dẫn liệt kê đầy đủ danh mục tài liệu tham khảo luận văn Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Lâm Văn Duẩn ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Phan Văn Độ, người thầy tận tình hướng dẫn tơi thực hồn thành luận án Tôi xin trân trọng dành biết ơn đến Khoa vật lý, Trường Đại Học Khoa Học-Trường Đại Học Thái Nguyên, nơi tạo điều kiện cho hội học Cuối cùng, xin dành tình cảm sâu nặng đến người thân gia đình tơi: Cha, mẹ, anh chị em người thân gia đình; bạn bè tơi dành cho tơi tình cảm, động viên chia sẻ, cho nghị lực tinh thần để hồn thành cơng việc nghiên cứu Tác giả Lâm Văn Duẩn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .v DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN vi DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .4 1.1 Quang phổ ion đất 1.1.1 Các nguyên tố đất .4 1.1.2 Đặc điểm phổ quang học ion đất hoá trị ba (RE3+) .5 1.1.3 Các mức lượng ion đất hóa trị ba chất rắn 1.2 Lý thuyết Judd-Ofelt cường độ chuyển dời f-f .9 1.2.1 Lực dao động tử chuyển dời điện tử ion RE3+ 1.2.2 Lực dao động tử chuyển dời lưỡng cực điện 10 1.2.3 Phân tích thơng số quang học ion RE3+ theo lý thuyết JO 11 1.3 Đặc điểm quang phổ Nd3+ 14 1.4 Tổng quan vật liệu đơn tinh thể K2LnF5 .16 1.4.1 Các đặc điểm huỳnh quang tinh thể flouride pha tạp đất 16 1.4.2 Vật liệu đơn tinh thể K2LnF5 .17 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 21 2.1 Phương pháp chế tạo vật liệu đơn tinh thể K2GdF5:Nd3+ 21 2.2 Phương pháp nghiên cứu tính chất vật lý cấu trúc vật liệu 22 2.2.1 Đo chiết suất vật liệu 22 2.2.2 Phương pháp ảnh nhiễu xạ tia X .22 2.2.3 Phổ tán xạ Raman 23 iv 2.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ quang học 24 2.3.2 Phương pháp phổ quang huỳnh quang kích thích huỳnh quang 26 2.3.3 Đo thời gian sống mức kích thích 27 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA ĐƠN TINH THỂ K2GdF5:Nd3+ .28 3.1 Kết khảo sát cấu trúc vật liệu 28 3.1.1 Ảnh nhiễu xạ tia X 28 3.1.2 Phổ Raman 30 3.2 Khảo sát tính chất quang K2GdF5:Nd3+ 31 3.2.1 Phổ hấp thụ .31 3.2.2 Tính chất liên kết Nd3+-ligand 32 3.2.3 Lực dao động tử thông số cường độ 33 3.2.4 Đánh giá thông thông số huỳnh quang số chuyển dời 36 3.2.5 Giản đồ mức lượng Nd3+ K2GdF5:Nd3+ 40 3.2.6 Các thông số phát xạ Nd3+ K2GdF5:Nd3+ .41 3.2.7 Thời gian số hiệu suất lượng tử mức 4F3/2 43 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu AJJ’ Atp α β c C e f h ω I J η n m λ ν S τ Ω W σ Σ λeff U(λ) E vi DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN 3+ Bảng 1.1 Các toán tử chuyển dời quy tắc lọc lựa tương ứng ion RE tự [17] Bảng 3.1 Năng lượng chuyển dời ion Nd 3+ tự (νa, aquo) -1 tinh thể K2GdF5 (νc) Đơn vị tính lượng chuyển dời cm -6 -6 Bảng 3.2 Lực dao động tử thực nghiệm (fTN,10 ) tính tốn (fTT,10 ) chuyển dời lưỡng cực điện Nd 3+ -20 Bảng 3.3 Thông số cường độ Ωλ (10 cm ) Nd 3+ số Bảng 3.4 Thông số huỳnh quang số mức kích thích cho mẫu KGN5 4 Bảng 3.5 Các thông số phát xạ chuyển dời F3/2→ I9/2 K2GdF5:Nd bước sóng kích thích khác Bảng 3.6 Thời gian sống, hiệu suất K2GdF5:Nd3+ 3+ với vii DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1 Cấu hình điện tử ion đất (trái) ion kim loại chuyển tiếp (phải) [5] 3+ Hình 1.2 Phổ huỳnh quang 77 K ion Sm trong: (a) tinh thể K2YF5 (b) thuỷ tinh telluroborate [5] Hình 1.3 Sự tách mức lượng ion Dy Hình 1.4 Phổ hấp thụ ion Nd 3+ 3+ trường tinh thể [] tinh thể GdVO4 [19] 3+ 3+ Hình 1.5 Phổ phát xạ Nd Y2O3:Nd [20] Hình 1.6 Đa diện YF7 tinh thể K2YF5 [4] Hình 1.7 Tinh thể K2YF5 kết tinh hệ trực thoi (orthorhombic) [4] Hình 2.1 Giản đồ pha ba thành phần hình thành pha tinh thể từ tiền chất KF, GdF3 H2O [5] Hình 2.2 Hệ thiết bị đo nhiễu xạ tia X trường Đại học Khoa Học, Đại học Thái Nguyên Hình 2.3 Hệ thiết bị đo phổ tán xạ Raman ( MicroRaman XploraPlus) Hình 2.4 Thiết bị đo phổ hấp thụ Carry 5000 Hình 2.5 Hệ đo phổ phát quang FL3–22 trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng Hình 3.1 Ảnh minh hoạ mẫu tinh thể K2GdF5:Nd 3+ Hình 3.2 Ảnh nhiễu xạ tia X vật liệu K2GdF5:Nd 3+ Hình 3.3 Phổ Raman mẫu tinh thể K2GdF5:1,0%Nd Hình 3.4 Phổ hấp thụ mẫu tinh thể K2GdF5:Nd 3+ 3+ 3+ Hình 3.5 Phổ huỳnh quang Nd pha tạp tinh thể K2GdF5 (mẫu KGN5) 39 Hình Giản đồ số mức lượng q trình kích thích, huỳnh quang 3+ ion Nd pha tạp K2GdF5 Hình Sự suy giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian chuyển dời 4 F3/2→ I9/2 [9] D Wang, M Yin, S Xia, N.M Khaidukov, V.M Makhov, J.C Krupa, 3+ Upconversion fluorenscence of Nd ions in K2YF5 single crystal, J Alloys Compd 361 (2003) 294-298 viii W.T Carnall, P.R Fields, K Rajnak, Electronic Energy Levels in the [18] 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+ Trivalent Lanthanide Aquo Ions Pr , Nd , Pm , Sm , Dy , Ho , 3+ 3+ Er and Tm , J Chem Phys 49 (1968) 4424-4441 48 N Kristianpoller, D Weiss, N.M Khaidukov, V Makhov, R Chen, [28] Thermoluminescence of some Pr 3+ doped fluoride crystals, Radiat Meas 43 92008) 245–248 49 [29] J.A Nieto, N.M Khaidukov, A.S Ríguez, J.C.A Vega, Thermoluminescence of terbium-doped double fluorides, Phys Rev B 263 (2007) 36–40 49 H.K Hanh, N.M Khaidukov, V.N Makhov, V.X Quang, N.T Thanh, V.P [30] Tuyen V.P, Thermoluminescence properties of isostructural K2YF5 and K2GdF5 crystals doped with Tb 3+ in response to α, β and X- ray irradiation, Nucl Instrum Methods Phys Res., Sect B 268 (2010) 3344–3350 49 [31] V.N Makhov, N.M Khaidukov, D Lo, M Kirm, G Zimmerer, 3+ Spectroscopic properties of Pr Luminescence in complex flouride crystals, J Lumin 102-103 (2010) 638-643 49 [32] P.V Do, V.P Tuyen, V.X Quang, N.T Thanh, V.T.T Ha N.M Khaidukov J Marcazzó, Y.I Lee, B.T Huy, Optical properties and 3+ Judd–Ofelt parameters of Dy doped K2GdF5 single crystal, Opt Mater 35 (2013) 1636-1641 [33] 49 D Wang, Y Guo, Q Wang, Z Chang, J Liu, J Luo, Judd-Ofelt analysis of spectroscopic properties of Tm 3+ in K2YF5 crystal, J Alloys Compd 474 (2009) 23-25 49 35 dao động tử tổng cộng dải tổng lực dao động tử chuyển dời thành phần Kết tính tốn trình bày bảng 3.2 Kết cho thấy lực dao động tử thực nghiệm chuyển dời Nd 3+ không thay đổi đáng 3+ kể theo nồng độ Nd Thay giá trị fTN vào biểu thức fTT, thu hệ 10 phương trình với ba ẩn thơng số cường độ Ω 2, Ω4 Ω6 Với dải hấp thụ có chồng chập nhiều chuyển dời, yếu tố ma trận tổng cộng lấy tổng yếu tố ma trận chuyển dời thành phần Giải hệ phương theo phương pháp bình phương tối thiểu, thơng số cường độ Ω λ tính tốn trình bày bảng 3.3 với số kết thu thập thông số Ω λ số vật liệu công bố Bảng 3.3 Thông số cường độ Ωλ (10 -20 3+ cm ) Nd số Vật liệu 3+ K2GdF5:1,0Nd 3+ K2GdF5:5,0Nd 3+ K2GdF5:10,0Nd 3+ GdVO4:Nd SiO2–Na2CO3–PbO–ZnONd2O3 B2O3-Li2O-Na2O-Nd2O3 B2O3–CdO-TeO2-Li2O-Nd2O3 Lý thuyết JO thông số cường độ Ω λ cung cấp thông tin 3+ đặc điểm môi trường cục xung quanh ion RE (độ bất đối xứng, độ đồng hoá trị độ cứng) Theo lý thuyết này, thông số Ωλ tỉ lệ với số hạng [17]: A