2. Mục tiêu, đối tƣợng, nội dung, cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
2.5. Khảo sát quá trình truyền năng lƣợng theo mô hình Inokuti và Hirayam a
Nhƣ trình bày ở trên thì hiện nay mô hình Inokuti và Hirayama đang là lựa chọn hàng đầu của các nhà nghiên cứu về sự truyền năng lƣợng. Dựa trên cơ sở đó nhóm chúng tôi cũng sử dụng mô hình này để nghiên cứu sựu truyền năng lƣợng giữa các ion Eu3+ trong các mẫu.
Theo trên xác suất của các quá trình chuyển dời này đƣợc biểu diễn theo công thức: AT = A + AMR (2.6)
Trong đó: AT là tổng xác suất chuyển dời từ trạng thái kích thích, A là xác suất chuyển dời phát xạ và AMR là xác suất chuyển dời không phát xạ.
Mặt khác, trong chuyển dời không phát xạ gồm có chuyển dời phát đa phonon và truyền năng lƣợng: AMR = AMP+ ATR (2.7)
Do đó công thức (2.6) có thể đƣợc viết lại:
TR MP cal A A 1 1 exp
Trong đó τexp và τcal lần lƣợt là thời gian sống của mức kích thích 5D0 đo đƣợc bằng thực nghiệm và thời gian sống đƣợc tính theo lý thuyết Judd–Ofelt, AMP và ACR lần lƣợt là xác suất phục hồi đa phonon và xác suất truyền năng lƣợng thông qua phục hồi ngang. Vì vậy để nghiên cứu tính toán xác suất truyền năng lƣợng giữa các ion, trƣớc hết phải tìm hiểu xác suất dịch chuyển đa phonon của các mẫu.
Để nhƣ vậy chúng tôi phải tìm số phonon cực đại của mạng nền từ đó dựa vào đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất dịch chuyển đa phonon vào số phonon để xác định xác suất AMP.
Từ hình 2.7b (giản đồ các mức năng lƣợng) ta thấy đối với các ion Eu3+ thì khoảng cách từ mức kích thích 5D0 đến mức năng lƣợng thấp hơn liền kề 7F6 khoảng 12300 cm-1, trong khi năng lƣợng phonon cực đại trong nền thủy tinh Tellurite là 1328cm-1 (hình 2.9). Tức là khe năng lƣợng tƣơng đƣơng với khoảng 9 lần năng lƣợng của phonon hay số phonon cực đại p 9. Theo tài liệu [13], sự phụ thuộc của AMP vào số phonon p đƣợc biểu diễn nhƣ đồ thị dƣới đây:
Ứng với số phonon xác định đƣợc khoảng 9 phonon thì xác suất phục hồi đa phonon là rất nhỏ (AMP 0) đó ta có thể bỏ qua đại lƣợng này. Vì vậy, xác suất dịch chuyển không bức xạ bằng xác suất truyền năng lƣợng. Xác suất truyền năng lƣợng thông qua phục hồi ngang là:
cal TR A 1 1 exp (2.8) Từ đây xác định đƣợc xác suất truyền năng lƣợng (ATR) đƣợc tính ở bảng 2.6:
Bảng 2.6. Xác suất truyền năng lƣợng trong các mẫu
Mẫu T01 T1 T2 T5
ATR (s-1) 3,292 49,526 85,565 220,574
- Quá trình truyền năng lƣợng giữa các ion Eu3+ sẽ ảnh hƣởng đến hình dạng của các đƣờng cong suy giảm cƣờng độ phát quang theo thời gian. Tại các nồng độ rất thấp (pha tạp dƣới 1,0 mol%) thì khoảng cách giữa các ion tạp là khá lớn nên
tƣơng tác giữa chúng là rất nhỏ, do đó quá trình truyền năng lƣợng là không đáng kể và đƣờng cong phát quang suy giảm theo thời gian có dạng một đƣờng
exponential đơn.
- Tuy nhiên, khi nồng độ pha tạp lớn (hơn 1,0 mol%) thì tƣơng tác giữa các ion tăng lên, dẫn đến năng lƣợng có thể đƣợc truyền từ một ion bị kích thích (donor) sang một ion đang ở trạng thái cơ bản (acceptor), dẫn đến đƣờng cong suy giảm cƣờng độ phát quang theo thời gian không tuân theo đƣờng exponential đơn mà tuân theo phƣơng trình :
S t Q t I t I / 3 0 0 exp ) 0 ( ) (
trong đó Q là thông số truyền năng lƣợng và τ0 là thời gian sống riêng khi không có sự truyền năng lƣợng (cụ thể ở đây là thời gian sống của mẫu T01). Các đƣờng cong phát quang suy giảm theo thời gian của mẫu pha tạp 5,0 mol% Eu3+ đƣợc làm khớp tốt nhất với giá trị S = 6 (Hình 2.8). Điều này chỉ ra rằng cơ chế chính của tƣơng tác trong quá trình truyền năng lƣợng thông qua phục hồi ngang là tƣơng tác d-d (tƣơng tác lƣỡng cực- lƣỡng cực). Kết quả khảo sát phù hợp với các nghiên cứu về cơ chế tƣơng tác giữa các ion Eu3+ trong một số công bố trƣớc [7], [14].
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu đề tài, chúng tôi đã đi đến một số kết luận ban đầu sau đây:
Chế tạo thành công mẫu thủy tinh Tellurite pha tạp Eu3+ bằng phƣơng pháp nóng chảy và khảo sát cấu trúc và phân tích phổ phát quang cũng nhƣ phổ kích thích trên mẫu thuỷ tinh đã chế tạo.
Sử dụng lý thuyết Judd – Ofelt để tính đƣợc một số các thông số đặc trƣng của mẫu từ phổ phát quang. Từ đó đã xác định đƣợc các thông số
Ωλ , xác suất chuyển dời, thời gian sống ở trạng thái kích thích, tỷ số phân nhánh…
Xác định đƣợc xác suất truyền năng lƣợng giữa các ion Eu3+, cụ thể khi nồng độ Eu3+ tăng lên thời gian sống của mức kích thích 5Do giảm là do xác suất truyền năng lƣợng giữa các tâm quang học cùng bản chất tăng.
Xác định đƣợc cơ chế tƣơng tác truyền năng lƣợng là lƣỡng cực – lƣỡng cực (d – d).
KIẾN NGHỊ
* Các kết quả nghiên cứu vật lý của vật liệu này là những cơ sở cho việc sử dụng và cải tiến nâng cao chất lƣợng của vật liệu, áp dụng trong lĩnh vực phát triển các linh kiện quang học dựa trên các vật liệu pha tạp đất hiếm. Vì vậy vật liệu này cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu theo hƣớng nhƣ: thay đổi nguyên tố đất hiếm, thay đổi các nhiệt độ ủ khác nhau để tìm ra vật liệu glass-ceramic, hay thay đổi các phần tử biến tính (modifier) của thủy tinh...
* Sự kết hợp lý thuyết Judd – Ofelt và mô hình Inokuti – Hirayama là một lựa chọn hữu hiệu để tính toán các thông số của quá trình phát quang và khảo sát quá trình truyền năng lƣợng giữa các ion đất hiếm. Sự kết hợp giữa hai lý thuyết này sẽ đƣa ra một bức tranh khá hoàn chỉnh về phổ quang học của các ion đất hiếm hóa trị 3 vì vậy cần tiếp tục đƣợc phát huy ở những nghiên cứu về sau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt:
[1] Lê Văn Thanh Sơn (2009), Thí nghiệm quang phổ. Đại học Sƣ Phạm Đà Nẵng. [2] Lê Văn Thanh Sơn (2013), Vật lý phát quang. Đại học Sƣ Phạm Đà Nẵng.
[3] Phan văn Thích (1973), Hiện tƣợng huỳnh quang và kĩ thuật phân tích huỳnh quang (Giáo trình chuyên đề). Đại học tổng hợp Hà Nội.
[4] Vũ Xuân Quang, cường độ các chuyển dời f-f trong ion đất hiếm lý thuyết Judd – Ofelt, bài giảng tại phòng quang phổ ứng dụng và Ngọc học (Viện Khoa học Vật liệu), Phòng Vật lý ứng dụng (Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang), lớp cao học Vật lý tại Nha Trang 5/2008, lớp học lần thứ 4 về Nhiệt huỳnh quang tại Đồng Hới 7/2008.
[5] Vũ Xuân Quang (2001), Quang phổ của các tâm điện tử trong vật rắn, Viện khoa học vật liệu, Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam.
Tiếng anh:
[6]. A.Mohan Babu, B.C.Jamalaiah, T.Suhasini, T.Srinivasa Rao, L.Rama Moorthy, Solid State Sci.13 (2011) 574-578.
[7]. Akshaya Kumar, D.K.Rai, S.B.Rai, Optical studies of Eu3+ ions doped in Tellurite glass, Spectrochimica Acta Part A 58 (2002) 2115 – 2125.
[8]. D. Parisi, A. Toncelli, M. Tonelli, E. Cavalli, E. Bovero, A. Belletti, Optical spectroscopy of BaY2F8:Dy3+, J. Phys.: Condens. Matter 17 (2005) 2783–2790 [9]. G. Blasses, B.C. Grabmair, Luminescence materials, Stringer_Verlag, Berlin Heidelberg, 1994.
[10]. Gao Tang, Jiqian Zhu, Yumei Zhu, Chaoyin Bai, J.Alloys Compd.453 (2008) 487-492.
[11]. Holand. W, Beall.G, Glass cersmic technology, The American ceramic society, 2002
[12]. Judd B. R. (1962), Optical absorption intensities of Rare-Earth ion, Phys. Rev. Vol. 127, No 3, pp. 750-761.
[13]. J. García Solé, L.E.Bausá and D. Jaque, An introduction to the optical spectroscopy of Imorganic solids, (2005).
[14]. K. Maheshvaran, K. Marimuthu, Concentration dependent Eu3+ doped boro- Tellurite glasses – struc tural and optical investigations. Journal of Luminescence
132 (2012) 2259 – 2267.
[15]. K.Marimuthu, R.T.Karunakaran, S. Surendra Babu, G.Muralidharan, S.Arumugam, C.K.Jayasankar, J.Solid State Sci.11 (2009) 1297-1302.
[16]. Michael D. Lumb, Luminescence Spectrorcopy, Academic Press INC.(Londen), 1978.
[17]. M.Inokuti, F.Hirayama, Influece of Energy transfer by the exchange mechanison on donor luminescence, Jour Chem phys, 43(1965) 1979-1989.
[18]. Ofelt G.S., (1963), Intensities of crystal spectra of Rare – Earth ion, J. Chem. Phys. Vol. 37, No 2, pp. 511 – 522.
[19]. P. Solarz, W.R. Romanowski, Luminescence and energy transfer processes of Sm3+ in K5Li2LaF10:Sm3+-K5Li2SmF10 single crystals, Phys Rev B 72, 075105 (2005)
[20]. P.Abdul Azeem, M.Kalidasan, K.Rama Gopal, R.R.Reddy, J.Alloys Compd.474 (2009) 536-540.
[21] R.Balakrishnaiah, R.Vijaya, P.Babu, C.K.Jayashankar, M.L.P.Reddy, J.Non- Cryst.Solids 353 (2007) 1397-1401.
[22] S.Methfessel Rurh University Bochum (1984), Structure and Magnetism in Metal glasses.
[23]. S. surendra Babu, P. badu, CK. Jayasarkar, W. sievers, Th. Troster, G. Womtann, Optical absortion and photoluminescence studies of Eu3+ - doped
phosphate and fluorophosphate glasses, joural of luminescence 126 (2007) 109- 120
[24]. T. Sasikala, L.R. Moorthy, A.M. Babu, Optical and luminescent properties of Sm3+doped Tellurite glasses, Spect Acta Part A 104 (2013) 445–450.
[25]. W.A. Pisarski, J. Pisarska, R. Lisiecki, G..D. Dzik, W.R. Romanowski, Luminescence quenching of Dy3+ions in lead bismuthate glasses, Chem Phys Lett 531 (2012) 114–118.
[26]. Walrand Ch. G. and Binnemans K.(1998), Spectral Intensities of f-f transitions, Handbook of Physics and Chemistry of Rare Earth, vol 25, chapter 167, pp 101 pp. 101-263.
[27]. Y.Tian, B.Chen, R.Hua, J.Sun, L.Cheng, H.Zhong, X.Li, J.Zhang, Y.Zheng, T.Yu, L.Huang and H.Yu, Optical transition, electron-phonon coupling and fluorescent quenching of La(MoO4)3:Eu3+, JAP 109,053511 (2011).