(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu sự tương quan giữa cấu trúc và tính chất quang của vật liệu sno2 eu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU SnO2:Eu GVHD: TRẦN THỊ THANH VÂN LÊ THỤY THANH GIANG SVTH: CAO MINH TRÍ MSSV: 16130073 SKL007582 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU SnO2:Eu GVHD: PGS.TS TRẦN THỊ THANH VÂN TS LÊ THỤY THANH GIANG SVTH: CAO MINH TRÍ MSSV: 16130073 Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BM CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng năm 2020 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thanh Vân Cơ quan công tác giảng viên hướng dẫn: Khoa Khoa học Công nghệ Vật liệu – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh Sinh viên thực hiện: Cao Minh Trí MSSV: 16130073 Tên đề tài: Nghiên cứu tương quan cấu trúc tính chất quang vật liệu SnO pha tạp Eu Nội dung khóa luận:  Chế tạo vật liệu SnO pha tạp Eu phương pháp thủy nhiệt  Khảo sát cấu trúc vật liệu SnO theo thông số chế tạo như: thay đổi chất hoạt động, nhiệt độ thời gian thủy nhiệt,…  Nghiên cứu tương quan cấu trúc tính chất quang 3+ 3+ vật liệu SnO2 pha tạp Eu Các sản phẩm dự kiến   3+ Vật liệu phát quang SnO2 pha tạp Eu Bản thảo báo đăng tạp chí nước quốc tế Ngày giao đồ án: 02/12/2019 Ngày nộp đồ án: 25/5/2020 i Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) Tiếng Việt Tiếng Việt GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên ii KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Cao Minh Trí MSSV: 16130073 Ngành: Cơng Nghệ Vật liệu Tên đề tài: Nghiên cứu tương quan cấu trúc tính chất quang vật liệu SnO2 pha tạp Eu Họ tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Thanh Vân Cơ quan công tác GV hướng dẫn: Khoa Khoa học Công nghệ Vật liệu – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh Địa chỉ: 227 Nguyễn Văn Cừ, phường 4, quận 5, Thành phố Hồ Chí Minh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Tinh thần học tập, nghiên cứu sinh viên: Ưu điểm: iii Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Điểm: (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iv KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU Đợc lập – Tự – Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MSSV: 16130073 Họ tên Sinh viên: Cao Minh Trí Ngành: Tên đề tài: Nghiên cứu tương quan cấu trúc tính chất quang vật liệu SnO2 pha tạp Eu Họ tên Giáo viên phản biện: Cơ quan công tác GV phản biện: Địa chỉ: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Kiến nghị câu hỏi: v Đề nghị cho bảo vệ hay không? Điểm: (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) vi LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận tốt nghiệp, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Thị Thanh Vân, TS Lê Thụy Thanh Giang hướng dẫn, truyền đạt cho em kiến thức quý giá giúp đỡ em vấn đề liên quan đến đề tài Cô tận tình dạy em cách tìm kiếm tài liệu, cách phân tích kết thực nghiệm việc viết luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô Khoa Khoa học Ứng dụng cố gắng truyền đạt kiến thức, khả phân tích suốt năm học trường giúp em tự tin việc hồn thành khóa luận Em xin chân thành anh chị nghiên cứu sinh cao học nhóm truyền đạt kinh nghiệm cách phân tích việc giải vấn đề liên quan đến đề tài Xin chân thành cảm ơn thầy, trực thuộc phịng thí nghiệm vật liệu đa chức giúp đỡ, tạo điều kiện cở sở vật chất để em hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp, phát huy khả nghiên cứu khoa học kỹ thuật Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình người thân ln quan tâm, động viên chỗ dựa tinh thần vật chất cho em suốt trình học tập trường Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh ngày 20 tháng năm 2020 Cao Minh Trí vii Bảng 3.3: Bảng thống kê thông số cấu trúc mạng SnO theo nồng độ pha tạp Hợp chất thể SnO2 Tet P4/ Hình 3.9 Phổ tán xạ Raman mẫu SnO2 pha tạp Eu với nồng độ khác Cấu trúc Tetragonal SnO2 được xác định quang phổ Raman Hình 3.9 cho thấy phổ SnO2: Eu -1 -1 3+ với nồng độ khác Tất phổ xuất ba -1 cực đại 485cm , 630cm 775cm tương ứng với mode dao động E g, A1g, E2g cấu trúc Rutile Dựa vào hình 3.9, ta khơng quan sát thấy đỉnh lạ phổ 3+ mẫu pha tạp Eu , chứng tỏ khơng có hình thành pha trung gian bột việc pha tạp không ảnh hưởng đến cấu trúc SnO Sự giảm cường độ đỉnh kèm với thay đổi mode A 1g sang số sóng thấp với gia tăng nồng độ pha tạp Eu 3+ giảm kích thước tinh thể 35 3.2.2 Tính chất quang vật liệu SnO2:Eu 3.2.2.1 Phổ quang phát quang vật liệu SnO2:Eu phụ thuộc pha tạp ion Eu 3+ Phổ phát xạ huỳnh quang được dùng để khảo sát sử ảnh hưởng nồng độ pha tạp ion Eu 3+ vai trò vật liệu SnO2 tâm kích hoạt Phổ 3+ phát xạ chuỗi nồng độ SnO2:Eu thơng qua việc kích thích gián tiếp vào vật liệu SnO2 bước sóng 325nm được biểu diễn hình 3.10 Khi kích thích gián tiếp, tất phổ phát xạ xuất vạch sắc nét tương ứng với dịch chuyển 4f Phổ huỳnh quang bao gồm đỉnh cực đại vị trí 588, 594, 599, 3+ 615 718nm tương ứng với dịch chuyển D0- Fj (j = 0,1,2,3,4) ion Eu Đặc biệt, kích thích bước sóng 325nm, cường độ phát xạ huỳnh quang xung quang vị trí 590nm tăng lên tăng dần nồng độ pha tạp Eu lên 1,5%mol giảm nồng độ pha tạp Eu đạt 2%mol Khi kích thích bước sóng 532nm, có gia tăng cường độ phát xạ huỳnh quang xung quanh vị trí 610nm tăng dần nồng độ pha tạp Eu lên 2%mol Nguyên nhân tượng tượng dập tắt nồng độ, tăng dần nồng độ lên đến khoảng 1,5% hàm lượng tâm hoạt động mạng đạt đến trạng thái bão hòa q trình kích thích huỳnh quang Nếu nồng độ pha tạp lớn không làm tăng lượng tâm kích hoạt mà cịn gây q trình dập tắt nồng độ, dẫn đến cường độ phát xạ quang bị suy giảm tắt hoàn toàn Với kết trên, ta nhận thấy hầu hết ion pha tạp thay vị trí D2h tinh thể SnO2 Hình 3.10 Phổ huỳnh quang đo nhiệt độ phòng mẫu SnO2 pha tạp với nồng độ khác bước sóng kích thích 325nm 532nm 36 Từ kết phổ PL, nhận thấy thay đổi nồng độ pha tạp Eu bước sóng kích thích huỳnh quang cường độ phát quang có thay đổi 7 dịch chuyển D0- F1 D0- F2 Vì vậy, tỉ lệ đỏ-cam (R/O) có thể coi tham số 3+ quan trọng để phát vị trí ion Eu Tỉ lệ có được cách lấy tích 7 phân cường độ chuyển tiếp D0- F2 D0- F1 Hình 3.11 biểu diễn tỉ lệ R/O mẫu pha tạp với nồng độ khác Khi kích thích bước sóng 325nm, tỉ lệ 0,6 nồng độ pha tạp 0,1% mol giảm nồng độ pha tạp tăng từ 0,1-0,4% mol đạt giá trị bão hòa tăng nồng độ pha tạp cao Khi kích thích bước sóng 532nm, tỉ lệ 0,3 nồng độ pha tạp 0,5% tăng dần nồng độ pha tạp tăng lên 1% đạt giá trị bão hòa tiếp túc tăng nồng độ pha tạp Xu 3+ 3+ hướng gia tăng nồng độ pha tạp Eu thúc đẩy nhiều ion Eu được kết hợp tinh thể SnO2, kích thước tinh thể SnO2 giảm hoàn toàn phù hợp với kết XRD Từ kết trên, ta có thể kết luận Eu kết hợp hai vị trí mạng tinh thể SnO2, vị trí Sn 4+ 3+ được nút mạng tinh thể bề 3+ mặt hạt Các ion Eu nằm vị trí đối xứng khác có thể bị kích thích cách chọn lọc cách kích thích gián tiếp trực tiếp gia tăng hàm lượng pha tạp 3+ 4+ dẫn đến xuất nhiều thay Eu -Sn Hình 3.11 Hình biểu diễn tỉ lệ R/O theo nồng độ pha tạp Eu với bước sóng kích thích 325nm 532nm 3.2.2.2 Thời gian sống xạ huỳnh quang Bên cạnh thông tin cường độ phát quang hay xác định nồng độ tới hạn gây trình dập tắt huỳnh quang trình bày thời gian sống xạ thông số quan trọng để đánh giá đặc trưng quang học vật liệu Trong phần trình bày thời gian sống xạ ion Eu 3+ thực nghiệm đo được Kết 37 đo thời gian sống thực nghiệm được tiến hành phép đo đường cong suy giảm cường độ phát quang vật liệu Kết đường cong suy giảm cường độ quang được biểu diễn hình 3.12 3.13 Đường cong suy giảm cường độ quang được làm khít hàm exponential dựa theo cơng thức (1.3) Hình 3.12 Đường cong suy giảm cường độ huỳnh quang mẫu SnO2:1Eu vị trí 590nm 617nm kích thích bước sóng 320nm Các giá trị thời gian sống vật liệu SnO pha tạp Eu với nồng độ khác được ghi nhận bảng 3.4 Thời gian sống điện tử trạng thái kích thích D0 được trì khoảng từ 9-12ms khoảng nồng độ từ 0,5-2%mol Dựa vào kết phân tích, dập tắt huỳnh quang nồng độ không xảy 3+ nồng độ Eu cao tới 2% mol 38 Hình 3.13 Đường cong suy giảm cường độ quang vật liệu SnO2 pha tạp nồng độ khác vị trí 592nm ( D0- F1) 39 Bảng 3.4 Bảng thống kê thời gian sống mẫu SnO2 theo nồng độ pha tạp Nồng độ pha tạp %mol Eu 40 KẾT LUẬN CHUNG Trong q trình nghiên cứu, chúng tơi xây dựng thành cơng quy trình chế tạo vật liệu SnO2 SnO2:Eu phương pháp thủy nhiệt với quy trình chế tạo ổn định đạt được thành công: Chế tạo thành công vật liệu SnO2 có cấu trúc Rutile với số mạng tinh thể = b = 4,738 (Å) c = 3,188 (Å), tinh thể có ưu tiên phát triển theo hướng (110) (101) (211) Khảo sát thành công ảnh hưởng hàm lượng Trisodium citrate đến đặc tính cấu trúc hình thái học bề mặt Chúng tơi nhận thấy với hàm lượng 6mmol Trisodium citrate, vật liệu SnO có dạng hình que, kích thước trung bình khoảng 140-170nm, 40-50nm Với cấu trúc này, vật liệu SnO2 có nhiều tiềm ứng dụng lĩnh vực: điện tử quang học, … 3+ Sự cạnh tranh phát xạ Eu màu đỏ da cam bị ảnh hưởng đáng 3+ 4+ kể nồng độ pha tạp thay Eu -Sn bước sóng kích thích Hơn nữa, cường độ phát quang có thể được tăng cường cách pha tạp nồng 3+ độ cao hàm lượng Eu tối ưu khoảng 1,5 mol% Kết liệu PL phép đo thời gian sống chứng minh 3+ ion Eu được kết hợp vị trí D 2h bề mặt SnO tồn việc truyền lượng từ trạng thái khuyết tật SnO sang 3+ 3+ ion Eu Thời gian sống Eu bước sóng 590nm 617nm thu được tất mẫu có pha tạp chất quán ~ 11 ms Với đặc tính 3+ bật này, bột SnO2: Eu nguyên liệu phốt-pho tiềm cho ứng dụng quang điện tử quang tử 41 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Vì thời gian thực đề tài có giới hạn nên chúng tơi chưa nghiên cứu sâu cấu trúc tính chất quang vật liệu SnO Đề tiếp tục được mở rộng theo hướng sau: hồn thiện quy trình chế tạo SnO có hình thái dạng bơng hoa nano, khảo sát ảnh hưởng thông số chế tạo đến hình dạng kích thước tính chất quang bôt nano SnO2 (pH, nhiệt độ thời gian thủy nhiệt,…) Tiến hành pha tạp thêm ion đất khác để phổ huỳnh quang thu được ánh sáng với màu sắc đa dạng, ứng dụng việc chế tạo linh kiện điện tử, cảm biến khí,… 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Bùi Quang Thanh (2018), “Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang vật liệu 3+ nano SnO2 SiO2-SnO2 pha tạp Eu ,” Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội, trang 16-30 [2] Vũ Thị Trà (2009), “Nghiên cứu chế tạo tính chất huỳnh quang vật liệu 3+ nanô SnO2:Eu ,” Luận văn thạc sỹ khoa học vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội, trang 25-31 [3] Đặng Hữu Phúc (2017), “Chế tạo nghiên cứu tính chất quang điện màng suốt dẫn điện loại p dựa vật liệu SnO 2,” Luận án tiến sĩ vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh, trang 34-36 [4] Phan Thị Mỹ Linh (2015), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu SnO cấu trúc nano phương pháp thủy nhiệt,” Luận văn tốt nghiệp đại học, Đại học Cần Thơ, trang 7-9 [5] Tống Thị Hảo Tâm (2010), “Nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang akermanite 2+ M2MgSi2O7:Eu ,” Luận án tiến sĩ vật lý, Đại học Bách khoa Hà Nội, trang 10-50 [6] Hoàng Như Vân (2017), “Nghiên cứu chế tạo tính chất quang vật liệu HA, HA-F, β-TCP, β-TCPSr pha tạp Eu, Er, Dy Mn,” Luận án tiến sĩ, Đại học Bách khoa Hà Nội, trang 9-16 Tài liệu Tiếng Anh [7] Bogdan Cojocaru, Daniel Avram, Vadim Kessler, Vasile Parvulescu (2007) “Nanoscale insights into doping behavior, particle size and surface effects in trivalent metal doped,” Scientific Reports, vol 7, no 1, pp 4–12, doi: 10.1038/s41598-017-09026-2 [8] Bruno L Caetano, Florian Meneau, Celso V Santilli, Sandra H Pulcinelli, Marina Magnani (2014) “Mechanisms of SnO nanoparticles formation and growth in acid ethanol solution derived from SAXS and combined raman-XAS time-resolved studies,” Chemistry of Materials, vol 26, no 23, pp 6777–6785, doi: 10.1021/cm5032688 [9] Concepción Cascales, Rolindes Balda, Sara García-Revilla, Luis Lezama and a J Fernández (2018) “Site symmetry and host sensitizationdependence of Eu 43 3+ real time luminescence in tin dioxide nanoparticles,” Optics Express, vol 26, no 13, p 16155, doi: 10.1364/oe.26.016155 [10] Feng Gu, Shu Fen Wang, Meng Kai Lu, Yong Xin Qi , Guang Jun Zhou, Dong 3+ Xu (2004), “Luminescent characteristics of Eu in SnO2 nanoparticles,” Optical Materials, vol 25, no 1, pp 59–64, doi: 10.1016/S09253467(03)00226-X [11] D Jaque and F Vetrone (2012), “Luminescence nanothermometry,” Nanoscale, vol 4, no 15, pp 4301–4326, doi: 10.1039/c2nr30764b [12] V Inderan, S Y Lim, T S Ong, S Bastien, N Braidy, and H L Lee (2015) “Synthesis and characterisations of SnO2 nanorods via low temperature hydrothermal method,” Superlattices and Microstructures, vol 88, pp 396– 402, doi: 10.1016/j.spmi.2015.09.031 [13] D Mohanta and M Ahmaruzzaman (2016) “Tin oxide nanostructured materials: an overview of recent developments in synthesis, modifications and potential applications,” RSC Advances, vol 6, no 112, pp 110996–111015, doi: 10.1039/C6RA21444D [14] Qiongyao He, Wen Zeng, Yang Wang, Bin Miao, Huiwu Long, Zichun Miao, Zheng Zhang (2013) “Large scale synthesis of flower-like SnO nanostructures via a facile hydrothermal route,” Materials Letters, vol 113, pp 42–45, doi: 10.1016/j.matlet.2013.09.081 [15] H Kaur, H S Bhatti, and K Singh (2019) “Europium doping effect on 3D flower-like SnO2 nanostructures: Morphological changes, photocatalytic performance and fluorescence detection of heavy metal ion contamination in drinking water,” RSC Advances, vol 9, no 64, pp 37450– 37466, doi: 10.1039/c9ra03405f [16] Jintao Kong, Wei Zheng, Yongsheng Liu, Renfu Li, En Ma, Haomiao Zhu 3+ (2015) “Persistent luminescence from Eu in SnO2 nanoparticles,” Nanoscale, vol 7, no 25, pp 11048–11054, doi: 10.1039/c5nr01961c [17] Tran T T Van, Nguyen Truc Ly, Le T T Giang (2016) “Tin Dioxide Nanocrystals as an Effective Sensitizer for Erbium Ions in Er-Doped SnO Systems for Photonic Applications,” Journal of Nanomaterials, vol 2016, no 3, doi: 10.1155/2016/6050731 44 [18] Xiaowei Zhang, Shaobing Lin, Tao Lin, Pei Zhang, Jun Xu (2015) “Improved 3+ sensitization efficiency in Er ions and SnO2 nanocrystals co-doped silica thin films,” Physical Chemistry Chemical Physics, vol 17, no 18, pp 11974– 11980, doi: 10.1039/c5cp00246j [19] Xiaowei Zhang, Ruowang Chen, Pengjun Wang, Zhixing Gan, Yuejun Zhang, Han Jin, Jiawen Jian (2019) “Investigation of energy transfer mechanisms in rare-earth doped amorphous silica films embedded with tin oxide nanocrystals,” Optics Express, vol 27, no 3, p 2783, doi: 10.1364/oe.27.002783 [20] Yalei Zhao, Wenlong Zhang, Bin Yang, Jingquan Liu, Xiang Chen, Xiaolin Wang (2017) “Gas-sensing enhancement methods for hydrothermal synthesized SnO2-based sensors,” Nanotechnology, vol 28, no 45, doi: 10.1088/1361-6528/aa86a2 [21] Yanping Zhao, Yuehua Li, Xingping Ren (2017) “The effect of Eu doping on microstructure, morphology and methanal-sensing performance of highly ordered SnO2 nanorods array,” Nanomaterials, vol 7, no 12, doi: 10.3390/nano7120410 [22] Zhaohui Wu, Shuanglei Yang (2016) “Shape control of inorganic nanoparticles from solution,” Nanoscale, vol 8, no 3, pp 1237–1259, doi: 10.1039/c5nr07681a [23] Morais Faustino, P J S Foot, and R A Kresinski (2019) “Lanthanide luminescence sensitization via SnO2 nanoparticle host energy transfer,” Journal of Luminescence, vol 206, pp 205–210, 2019, doi: 10.1016/j.jlumin.2018.10.067 45 ... MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU SnO2: Eu GVHD: PGS.TS TRẦN THỊ THANH VÂN TS LÊ THỤY... chất hoạt động, nhiệt độ thời gian thủy nhiệt,…  Nghiên cứu tương quan cấu trúc tính chất quang 3+ 3+ vật liệu SnO2 pha tạp Eu Các sản phẩm dự kiến   3+ Vật liệu phát quang SnO2 pha tạp Eu. .. Tên đề tài: Nghiên cứu tương quan cấu trúc tính chất quang vật liệu SnO pha tạp Eu Nội dung khóa luận:  Chế tạo vật liệu SnO pha tạp Eu phương pháp thủy nhiệt  Khảo sát cấu trúc vật liệu SnO theo