Nghiên cứu sự hình thành các pha tinh thể trong thủy tinh tellurite sau khi xử lý nhiệt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH CÁC PHA TINH THỂ TRONG THỦY TINH TELLURITE SAU KHI XỬ LÝ NHIỆT Người thực : TRẦN THỊ ÁNH LY Lớp : 10SVL Khóa : 2010 – 2014 Ngành : SƯ PHẠM VẬT LÝ Người hướng dẫn : ThS TRẦN THỊ HỒNG Đà Nẵng, 05/2014 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo Khoa Vật lý hết lòng dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu suốt bốn năm em học tập rèn luyện trường, tạo điều kiện để em hồn thành tốt khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Trần Thị Hồng, người tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ em suốt thời gian làm khóa luận Con xin gửi lịng biết ơn vơ hạn đến cha mẹ sinh ra, chăm sóc, ni dạy nên người Xin chân thành cảm ơn toàn thể anh chị em, bạn bè, người bên cạnh, ủng hộ, giúp đỡ động viên nhiều suốt thời gian qua, đặc biệt cảm ơn người bạn nhóm quang phổ nghiên cứu để chế tạo nên mẫu vật liệu phục vụ cho đề tài Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng 05 năm 2014 Sinh viên thực Trần Thị Ánh Ly SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở lý thuyết tượng phát quang 1.1.1 Khái niệm phát quang .9 1.1.2 Cơ chế tượng phát quang 11 1.2 Cơ sở lý thuyết thuỷ tinh 12 1.2.1 Khái niệm thuỷ tinh 12 1.2.2 Phân loại thuỷ tinh 15 1.2.3 Vai trò thuỷ tinh .16 1.3 Tổng quan lý thuyết nguyên tố đất 18 1.3.1 Sơ lược nguyên tố đất 18 1.3.2 Nguyên tố đất Europium .19 1.3.2.1 Cấu hình điện tử 19 1.3.2.2 Các đặc điểm quang phổ Europium .20 1.4 Lý thuyết Judd – Ofelt cường độ chuyển dời f – f ion đất 22 1.4.1 Phổ quang học ion đất tự 22 1.4.2 Lý thuyết Judd – Ofelt, cường độ chuyển dời f – f 23 1.4.2.1 Cơ sở lý thuyết Judd – Ofelt 23 1.4.2.2 Cường độ chuyển dời lưỡng cực điện 24 1.4.2.3 Cường độ chuyển dời lưỡng cực từ 25 1.4.2.4 Các thông số cường độ Ωλ khả ứng dụng nghiên cứu phổ .27 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 29 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 29 2.2 Nghiên cứu cấu trúc dựa phương pháp nhiễu xạ tia X .30 2.3 Các khảo sát quang phổ 31 SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng 2.3.1 Phổ phát quang Ion Eu3+ 32 2.3.2 Phổ kích thích 33 2.4 Phân tích Judd – Ofelt 36 2.4.1 Lựa chọn phương pháp xác định Ω2, Ω4 Ω6 .36 2.4.2 Xác định thông số Judd – Ofelt từ phổ phát quang Ion Eu3+ 37 2.4.3 Ứng dụng lý thuyết Judd – Ofelt để đoán nhận đặc trưng quang phổ đất 42 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ BẢNG Hình 1.1 Hình 1.2 NỘI DUNG HÌNH VẼ TRANG Sơ đồ phân loại xạ phát quang 10 Các chuyển dời lượng trình phát quang lân 11 quang Hình 1.3 So sánh cấu trúc tinh thể thuỷ tinh 13 Hình 1.4 Ảnh nhiễu xạ vật liệu đơn tinh thể 13 Hình 1.5 Ảnh nhiễu xạ vật liệu đa tinh thể 14 Hình 1.6 Hình ảnh phân bố nguyên tử thủy tinh 14 Sự xếp ngẫu nhiên thành tứ diện bát diện 15 Hình 1.7 cầu Hình 1.8 Đường biên bậc thang 15 Hình 1.9 Một số hình ảnh ứng dụng thủy tinh 17 Hình 1.10 Các nguyên tố đất quặng đất 19 Hình 1.11 Các vịng trịn cấu hình điện tử Eu 19 Hình 1.12 Sơ đồ mức lượng ion Eu3+ 21 Hình 2.1a Hình ảnh số mẫu thủy tinh chế tạo trước ủ nhiệt 30 Hình 2.1b Hình ảnh số mẫu thủy tinh chế tạo sau ủ nhiệt 30 Hình 2.2 Máy đo nhiễu xạ tia X 30 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thuỷ tinh 70B2O3- 31 Hình 2.3 10TeO2-10ZnO-10Na2O.1Eu2O3 Hình 2.4 Hệ đo phổ kích thích phổ phát quang FL3-22 31 Hình 2.5 Phổ phát quang mẫu ủ 3500C/ 24h 32 Hình 2.6 Phổ phát quang mẫu ủ 4500C/ 24h 32 Hình 2.7 Phổ phát quang mẫu ủ 5500C/ 24h 32 Hình 2.8 Phổ phát quang mẫu thuỷ tinh nhiệt độ ủ 32 Hình 2.9 Phổ kích thích (λem=612nm) mẫu thuỷ tinh 33 SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng 70B2O3.10TeO2.10ZnO.10Na2O:1Eu2O3 Hình 2.10 Giản đồ mức lượng ion Eu3+ pha tạp thủy 34 tinh 70B2O3.10TeO2.10ZnO.10Na2O: 1Eu2O3 DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU BẢNG NỘI DUNG BẢNG SỐ LIỆU TRANG Diện tích đỉnh 591, 612 703 nm ứng với chuyển Bảng 2.1 dời 5D0-7F1, 5D0-7F2 5D0-7F4 rút từ phổ phát quang 36 mẫu kích thích 394nm Bảng 2.2 Chiết suất mẫu 40 Bảng 2.3 Các thông số Judd-Ofelt (Ωλ x 10-20cm2) 41 Bảng 2.4 Bảng tính xác suất chuyển dời lưỡng cực từ, lưỡng cực điện tổng cộng 43 Tỷ số phân nhánh thời gian sống điện tử trạng thái Bảng 2.5 kích thích chuyển dời 5D0→7F1, 5D0→7F2, 44 5D0→7F DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT RE : đất J-O : lý thuyết Judd-Ofelt ED : lưỡng cực điện MD : lưỡng cực từ EQ : tứ cực điện TL : nhiệt phát quang SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với phát triển lĩnh vực thông tin quang, nhà khoa học tập trung nghiên cứu phát triển linh kiện quang học dựa vật liệu pha tạp đất hiếm, đó, thủy tinh pha tạp đất mối quan tâm đặc biệt cho nhà nghiên cứu Cuộc cách mạng ứng dụng diễn cách mạnh mẽ, ứng dụng lasers, lasers dẫn sóng thiết bị khuếch đại quang, sợi quang… [5] Vậy thủy tinh pha tạp đất lại quan tâm đến vậy? Theo nghiên cứu trước đây, ion đất hóa trị Eu3+, Dy3+ hay Sm3+ … pha tạp vào thủy tinh Phosphate, Silicate, Germanate Tellurite vật liệu thích hợp để chế tạo thiết bị quang học hoạt động vùng hồng ngoại khả kiến [19] Yêu cầu đặt phải tìm loại vật liệu có lượng phonon nhỏ nhằm giảm xác suất trình phát xạ nhiệt đa phonon đồng thời nâng cao tiết diện quang ion đất Với thủy tinh Silicate lượng lớn (1100 cm-1) Trong đó, Chalcogenide có lượng phonon thấp (khoảng 300 cm-1) vật liệu lại khơng có tính chất Silicate ổn định cơ, bền hóa, bền học Vậy, đâu loại vật liệu có lượng phonon thấp mà có độ bền hóa độ bền học cao…? Thủy tinh Tellurite đại diện hồn hảo cho kết hợp (650-750 cm-1) [20] Trong số ion đất chúng tơi chọn Eu3+ ion Eu3+ (4f6) phát xạ đơn sắc, có thời gian sống trạng thái kích thích kéo dài Đây vật liệu đất (RE) quan trọng bậc lĩnh vực chiếu sáng vùng nhìn thấy Hơn nữa, Eu3+ln dùng đầu dị hiệu để đánh giá môi trường cục xung quanh ion RE chuyển dời f-f cung cấp nhiều thơng tin hữu ích cấu trúc xung quanh ion Trong luận văn này, chúng tơi sử dụng lý thuyết Judd-Ofelt để tính tốn thu thơng tin tin cậy tính chất quang mẫu Như biết, từ thơng SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng số phân tích từ lí thuyết Judd-Ofelt (J-O) đánh giá tính đối xứng cấu trúc xung quanh ion RE, độ đồng hóa trị tương tác ion RE ion oxygen, độ ổn định vật liệu … Trên sở đó, tơi chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH CÁC PHA TINH THỂ TRONG THỦY TINH TELLURITE SAU KHI XỬ LÝ NHIỆT” Mục tiêu, đối tƣợng, nội dung, cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu 2.1 Mục tiêu đề tài - Chế tạo mẫu thủy tinh 70B2O3.10TeO2.10ZnO.10Na2O:1Eu3+ - Khảo sát phổ phát quang mẫu thuỷ tinh B2O3.TeO2.ZnO.Na2O pha tạp Eu3+ sau xử lí nhiệt nhiệt độ khác - Áp dụng lý thuyết Judd-Ofelt để tính thơng số đặc trưng từ phổ phát quang vật liệu, sở đánh giá nhiều đặc trưng môi trường xung quanh ion đất (độ bất đối xứng, độ đồng hóa trị, độ bền chắc…) Với mục tiêu trên, luận văn gồm phần sau : Mở đầu Nội dung Chương 1: Tổng quan lý thuyết Chương 2: Thực nghiệm Kết luận kiến nghị 2.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 2.2.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Các mẫu thuỷ tinh B2O3.TeO2.ZnO.Na2O pha tạp Eu3+ - Lý thuyết Judd-Ofelt quang phổ đất 2.2.2 Phạm vi nghiên cứu - Các tính chất phát quang thuỷ tinh B2O3.TeO2.ZnO.Na2O pha tạp Eu3+ lý thuyết Judd-Ofelt 2.3 Nội dung nghiên cứu SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng - Tìm quy trình chế tạo mẫu thủy tinh nói phương pháp nóng chảy ủ mẫu nhiệt độ khác - Khảo sát cấu trúc mẫu thu bao gồm chiết xuất, nhiễu xạ tia X đánh giá hình thành pha tinh thể - Trong đề tài này, lý thuyết Judd - Ofelt quang phổ đất cần tính tốn áp dụng cách hệ thống cho tất phổ đo với độ xác cao để thu thơng tin tin cậy tính chất quang mẫu Từ ta đánh giá giá trị thực tiễn ý nghĩa khoa học vật liệu nghiên cứu 2.4 Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu 2.4.1 Cách tiếp cận - Tìm hiểu chế tạo mẫu thuỷ tinh pha tạp nguyên tố đất phương pháp nóng chảy - Tiếp cận số phép đo quang học 2.4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: + Đi sâu tìm hiểu nội dung luận văn qua sách báo, phương tiện thông tin đại chúng tài liệu tham khảo liên quan + Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp, so sánh, thống kê để làm rõ nội dung luận văn, đồng thời sử dụng phép tốn cơng thức để hoàn thành luận văn + Tiến hành thảo luận cở sở số liệu tính mẫu thuỷ tinh sau pha tạp - Nghiên cứu thực nghiệm: chế tạo mẫu thực số phép đo quang học phép đo phổ phát quang, phổ kích thích, phép đo nghiên cứu cấu trúc… SVTH: Trần Thị Ánh Ly Khóa luận tốt nghiệp GVHD: Th.S Trần Thị Hồng NỘI DUNG CHƢƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Cơ sở lý thuyết tƣợng phát quang 1.1.1 Khái niệm phát quang Trong tự nhiên nhân tạo có nhiều chất có khả hấp thụ lượng từ bên dùng lượng hấp thụ để đưa phân tử, ngun tử lên trạng thái kích thích Từ trạng thái kích thích phân tử, nguyên tử chuyển trạng thái xạ ánh sáng Các chất có khả biến dạng lượng khác (quang năng, điện năng, nhiệt năng…) thành quang gọi chất phát quang.[1] Quá trình phát quang thực chiếu xạ vào vật chất, phần lượng bị hấp thụ, phần bị tái phát xạ với xạ có bước sóng dài (định luật Stoke) Bước sóng ánh sáng phát xạ đặc trưng cho chất phát quang mà khơng phải ánh sáng tới [11], xạ quang học chất phát quang sau kích thích, xảy điều kiện thích hợp Theo Valilơp, tƣợng phát quang tƣợng chất phát quang phát xạ dƣ xạ nhiệt trƣờng hợp xạ cịn dƣ kéo dài khoảng thời gian 10-16 s lớn [2] Định nghĩa giúp phân biệt xạ phát quang với dạng xạ khác Sau ngừng kích thích ánh sáng phát quang khơng tắt mà kéo dài khoảng thời gian  c gọi thời gian phát quang kéo dài  c xem thông số vật lý đặc trưng cho loại trình phát quang phụ thuộc vào chuyển dời quang học xảy vật chất Do vậy, ta dựa vào tham số  c để phân loại tình phát quang sau: SVTH: Trần Thị Ánh Ly ... đó, tơi chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH CÁC PHA TINH THỂ TRONG THỦY TINH TELLURITE SAU KHI XỬ LÝ NHIỆT” Mục tiêu, đối tƣợng, nội dung, cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu 2.1 Mục tiêu đề... vật liệu đơn tinh thể 13 Hình 1.5 Ảnh nhiễu xạ vật liệu đa tinh thể 14 Hình 1.6 Hình ảnh phân bố nguyên tử thủy tinh 14 Sự xếp ngẫu nhiên thành tứ diện bát diện 15 Hình 1.7 cầu Hình 1.8 Đường... số mẫu thủy tinh chế tạo trước ủ nhiệt 30 Hình 2.1b Hình ảnh số mẫu thủy tinh chế tạo sau ủ nhiệt 30 Hình 2.2 Máy đo nhiễu xạ tia X 30 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu thuỷ tinh 70B2O3- 31 Hình 2.3