Chúng tôi nhận thấy rằng, vật liệu 10SnO2-90SiO2: xEr3+ mà chúng tôi tổng hợp là vật liệu trong suốt (có khảnăng cho ánh sáng truyền qua), vì vậy chúng tôi tiến
hành đo phổ hấp thụ vùng tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) để bổ sung thêm việc xác định
kích thước trung bình của hạt SnO2: Er3+có kích thước cỡ nano mét được pha tạp trong
nền SiO2, đồng thời để khảo sát thêm tính chất quang của vật liệu thông qua việc khảo
sát sự thay đổi độ rộng vùng cấm của hạt nano tinh thể.
Theo cơ sở lí thuyết của hiệu ứng suy giảm kích thước lượng tử cho thấy bờ
Trang 66
dịch chuyển bờ năng lượng liên quan đến kích thước hạt được tính theo phương trình
Kayanuma trong trường hợp đối với tinh thể SnO2:
Eg0 = 3.6eV: độ rộng vùng cấm tương ứng ở dạng khối của tinh thể SnO2.
ɛ = 13.5: hằng sốđiện môi của vật liệu SnO2.
µ = (1/m*e + 1/m*h)-1= 0.3mo: khối lượng hiệu dụng rút gọn.
m*e và m*h : khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống với m*e<< m*h ; mo: khối lượng tĩnh của điện tử tự do.
R: bán kính hạt tinh thể.
D = 2R: kích thước hạt tinh thể.
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng độ rộng vùng cấm Eg(R) theo bán kính hạt tinh thể.
Trang 67
Căn cứ vào kết quảtính toán kích thước trung bình của hạt SnO2: Er3+ pha tạp
trong nền SiO2 dựa theo phổ XRD của vật liệu 10SnO2-90SiO2: xEr3+ với x = 0.2; 0.4; 0,8 và 1.0% mol ở nhiệt độ 1000oC, chúng tôi nhận thấy kích thước trung bình của hạt
đo được khoảng từ 5-7nm. Tương ứng với kích thước này, thì hạt SnO2: Er3+ nằm trong
vùng suy giảm kích thước lượng tử trung bình, do đó chúng tôi vẫn có thể áp dụng hiệu ứng suy giảm kích thước lượng tử để tính năng lượng độ rộng vùng cấm của hạt nano SnO2: Er3+ pha tạp trong nền SiO2 ở 1000oC theo phương trình Kayanuma . Từ đó,
chúng tôi tiến hành đo phổ hấp thụ UV–Vis của vật liệu 10SnO2-90SiO2: xEr3+ (với x = 0.2; 0.4; 0,8 và 1.0% mol) ở nhiệt độ 1000oC bằng máy HALO RB-10 đặt tại phòng Vật Lí Ứng Dụng, trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM.
Hình 4.8: Phổ hấp thụ UV–Vis của vật liệu 10SnO2-90SiO2: xEr3+ với x = 0.2; 0.4; 0,8 và 1.0% mol được nung ở nhiệt độ 1000oC.
Trang 68
Bảng 4.3: Kích thước trung bình của hạt SnO2:Er3+ trong vật liệu 10SnO2-90SiO2: xEr3+ với x = 0.2; 0.4; 0.6; 0,8 và 1.0% mol được nung ở nhiệt độ 1000oC.
x (%mol) Kích thước hạt (2R) tính theo phương trình Scherrer (4.1) từ phổ XRD ở 1000oC (nm) Eg tính theo phương trình Kayanuma (4.2) (eV) Eg tính từ phổ hấp thụở 1000oC (hình 4.8) (eV) Kích thước hạt (2R) tính theo phương trình Kayanuma (4.2) từ phổ hấp thụ ở 1000oC (nm) 0.2 5.39 3.708 4.254 2.62 0.4 5.43 3.704 4.046 3.10 0.8 6.34 3.666 3.906 3.65 1.0 6.59 3.656 3.670 6.53
Theo kết quảtính toán được từ bảng 4.3 cho thấy kích thước hạt SnO2:Er3+ suy ra từphương trình có sự sai lệch tương đối lớn so với kết quả tính toán dựa theo phổ
XRD của vật liệu khi nồng độ pha tạp Er3+ tăng từ 0.2-0.8% mol, và khi nồng độ pha tạp Er3+ bằng 1.0% mol thì kết quả thu được trong 2 trường hợp gần như bằng nhau.
Điều này có thể được giải thích là do vật liệu mà chúng tôi tổng hợp là hỗn hợp gồm nano tinh thể SnO2, ion Er3+ và vật liệu nền SiO2, trong khi công thức Kayanuma được
dùng để tính toán cho vật liệu thuần SnO2.