Phương phỏp nghiờn cứu cấu trỳc vật rắn bằng nhiễu xạ tia X cú nguyờn lý dựa trờn hiện tượng nhiễu xạ tia X lờn tinh thể vật rắn Đú là hiện tượng khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể, ta thấy xuất hiện cỏc tia nhiễu xạ với cường độ và hướng khỏc nhau, do bước súng tia X cú độ dài vào cỡ khoảng cỏch giữa cỏc mặt phẳng tinh thể trong vật rắn Cỏc hướng này bị khống chế bởi bởi bước súng của bức xạ tới và bản chất của mẫu tinh thể Nhiễu xạ tia X xảy ra trờn tinh thể vật rắn thỏa món điều kiện nhiễu xạ Bragg:
2dhkl. Sinθ = nλ
Trong đú λ là bước súng chựm tia X, θ là gúc hợp bởi tia X và cỏc mặt phẳng nguyờn tử trong tinh thể, dhkl là khoảng cỏch giữa cỏc mặt phẳng nguyờn tử, n là cỏc số nguyờn dương được gọi là bậc nhiễu xạ
Cỏc thụng số thu được từ phương phỏp nhiễu xạ tia X là cỏc thụng số của mạng tinh thể, tớnh đối xứng của mạng và một số thụng tin liờn quan khỏc Ngoài ra, từ phổ nhiễu xạ tia X cũn thu được cỏc thụng tin về cấu trỳc phõn tử như: tọa độ nguyờn tử trong khụng gian tinh thể, độ dài cỏc liờn kết, gúc giữa cỏc liờn kết
27
- Giai đoạn 1: Xỏc định cấu trỳc mạng (xỏc định cỏc thụng số mạng tinh thể, tớnh đối xứng của mạng và một số thụng tin liờn quan)
- Giai đoạn 2: Xỏc định cấu trỳc phõn tử (xỏc định tọa độ của cỏc nguyờn tử trong khụng gian tinh thể, độ dài của cỏc liờn kết, gúc giữa cỏc liờn kết)
2.2.2. Phƣơng ph p phổ ph t quang
Nguyờn lý hệ của hệ đo phổ phỏt quang được mụ tả trờn hỡnh 2 11 Chựm ỏnh sỏng từ nguồn kớch thớch 1 đi qua hệ thống thấu kớnh 2 sẽ hội tụ lờn mẫu 3 để kớch thớch mẫu phỏt quang Khi chiếu bức xạ kớch thớch nằm trong vựng hấp thụ của mẫu, mẫu sẽ phỏt quang Chựm bức xạ phỏt quang của mẫu sẽ hội tụ lờn khe của mỏy đơn sắc nhờ hệ thống thấu kớnh hội tụ 4 Trước khi đi vào khe của mỏy đơn sắc chựm ỏnh sỏng sẽ bị biến điệu cú cường độ nhấp nhỏy
Hỡnh 2.12: Sơ đồ nguyờn lý của hệ đo phổ phỏt quang
Sau khi đi vào mỏy đơn sắc chựm ỏnh sỏng phỏt quang sẽ bị tỏn sắc và ở khe ra mỏy đơn sắc thu được bức xạ đơn sắc cú bước súng xỏc định Cỏc tia
1 10 2 3 4 5 6 7 8 9 Trong đú:
1: Nguồn sỏng kớch thớch 6: Motor bước 2,4: Hệ thống thấu kớnh hội tụ 7: Mỏy đơn sắc 3: Giỏ mẫu 8: Nhõn quang điện 5: Bộ điều biến 9: Khuếch đại
28
sỏng đơn sắc được thu nhận nhờ nhõn quang điện, tại đõy tớn hiệu ỏnh sỏng sẽ được chuyển thành tớn hiệu điện Tớn hiệu điện sẽ được khuyếch đại bằng kĩ thuật lọc lựa hoặc tỏch súng đồng bộ sử dụng Lock – in Amplifier, kĩ thuật này nhằm loại bỏ nhiễu và làm tăng tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu, tớn hiệu thu được ở lối ra của bộ lock – in Amplifier là tớn hiệu tương tự (Analog) được đưa vào card chuyển đổi ADC, tại đõy tớn hiệu tương tự sẽ được chuyển thành tớn hiệu số (Digital) để đưa vào mỏy vi tớnh, mỏy vi tớnh sẽ ghi lại kết quả và xử lý Để tạo ra tớn hiệu chuẩn, người ta dựng một bộ điều biến quang học (chopper), bộ phận này vừa điều biến tớn hiệu quang vừa tạo tớn hiệu chuẩn cho bộ khuyếch đại lock – in Amplifier Đõy là tớn hiệu chuẩn (reference) để so sỏnh với tớn hiệu lối vào về tần số pha dao động của chỳng Việc thay đổi bước súng sử dụng motor bước để quay cỏch tử trong mỏy đơn sắc
Việc điều khiển motor bước được thực hiện nhờ mỏy vi tớnh qua card chuyển đổi DAC, điều này phự hợp với việc điều khiển hệ thống từ mỏy vi tớnh qua motor bước ghộp nối với mỏy đơn sắc nhờ một chương trỡnh phần mềm Kết quả thu được cường độ bức xạ IPL là hàm bước súng bức xạ của mẫu, đõy chớnh là phổ bức xạ PL
29
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
Cấu trỳc vật liệu thủy tinh Borate pha tạp Ce được chế tạo bằng phương phỏp núng chảy tại Phũng thớ nghiệm Vật lớ Trường Đại học Quảng Bỡnh đó được xỏc định bằng phương phỏp X-ray. Phộp đo nhiễu xạ được thực hiện trờn hệ Siemens D5000 tại Viện Khoa Học Vật Liệu - Hà Nội Kết quả phõn tớch cấu trỳc được chỉ ra trờn Hỡnh 3.1.
Hỡnh 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu BLN
Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X, chỳng ta cú thể thấy ảnh nhiễu xạ của vật liệu cho cỏc đỉnh mở rộng và khụng đổi Vị trớ của cỏc đỉnh khỏ liờn tục và trựng với vị trớ của cỏc đỉnh của tinh thể tương ứng Điều này hoàn toàn phự hợp với giả thuyết khụng tinh thể của thủy tinh hay núi đỳng hơn thủy tinh cú cấu trỳc vi tinh thể Hiện tượng cỏc đỉnh mở rộng trong cấu trỳc của thủy tinh là do trật tự sắp xếp là trật tự gần (ngược lại với trật tự xa trong tinh thể).
30
3.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH BORATE PHA TẠP Ce3+ TINH BORATE PHA TẠP Ce3+
3.2.1. Phổ hấp thụ của Ce3+ trong thủy tinh BLN
Với mục tiờu tỡm kiếm vật liệu quang học trờn nền BLN cú cỏc tớnh chất đặc biệt để làm vật liệu chế tạo LED trắng, chỳng tụi đó tiến hành nghiờn cứu cỏc tớnh chất quang của thủy tinh BLN pha tạp Ce3+
. Thủy tinh pha tạp Ce3+ hấp thụ mạnh ỏnh sỏng tử ngoại và phỏt quang trong vựng ỏnh sỏng xanh. Chỳng tụi đó chế tạo thành cụng loại thủy tinh này với chất lượng khỏ tốt
Phổ hấp thụ của ion Ce3+ trong thủy tinh BLN đo ở nhiệt độ phũng xuất hiện trong vựng bước súng từ 240 nm - 400 nm (hấp thụ mạnh ở vựng tử ngoại), cú cỏc vị trớ cực đại nằm trong khoảng 263 nm – 340 nm.
200 250 300 350 400 450 500 550 600 0 1 2 3 BLN:Ce Đ ộ h ấ p t h ụ ( đ vt đ ) B-ớc sóng (nm) Hỡnh 3 2: Phổ hấp thụ của ion Ce3+
trong hệ thủy tinh BLN
Trong một số nghiờn cứu trước đú của Hirokazu Masai và đồng nghiệp về vật liệu thủy tinh Borate pha tạp Ce+3
thỡ nồng độ của Ce+3 tỉ lệ thuận với hệ số hấp thụ của nú mà khụng hỡnh thành bất kỡ một dải hấp thụ nào Điều này cú nghĩa là trong cấu trỳc thủy tinh, cỏc ion Ce+3
phõn tỏn một cỏch đồng đều [5]
263 nm 340 nm
31
Hỡnh 3 3 Dịch chuyển 4f - 5d
Cỏc nghiờn cứu đều cho thấy, ion Ce+3
hấp thụ cỏc photon vựng tử ngoại để thực hiện cỏc chuyển dời từ trạng thỏi cơ bản 4
F5/2 lờn cỏc trạng thỏi cao hơn Phổ hấp thụ dói rộng đặc trưng cho chuyển dời 4f - 5d Khụng giống như trong cỏc ion đất hiếm khỏc, cỏc chuyển dời quang học trong ion Ce3+ phụ thuộc mạnh vào trường tinh thể Sự tỏch mức năng lượng và khoảng cỏch giữa chỳng phụ thuộc vào trường tinh thể xung quang ion Ce3+
điều này đó được chứng minh ở cỏc nghiờn cứu trước đú [4], [6].
Cơ chế thực hiện cỏc chuyển dời như sau: Cỏc ion Ce3+
hấp thụ năng lượng để tạo ra sự dịch chuyển tử trạng thỏi cơ bản 4f1
(4F5/2) đến cỏc trạng thỏi kớch thớch 5d1 (2D3/2, 2D5/2).
3.2.2. Phổ ph t quang
Phổ phỏt quang của ion Ce3+
trong nền thủy tinh BLN được kớch thớch bằng đốn tử ngoại 365 nm ở nhiệt độ phũng được thể hiện ở Hỡnh 3 4
32 400 450 500 550 600 650 700 0.00 2.50x104 5.00x104 7.50x104 1.00x105 0.5Ce C-ờng độ phá t qua ng (đv tđ) B-ớc sóng (nm)
Hỡnh 3 4: Phổ quang phỏt quang của ion Ce3+ trong thủy tinh BLN
Ta thấy rằng phổ cú dạng đặc trưng dải rộng (phổ đỏm), cú vị trớ cực đại ở 404 nm (phỏt quang màu tớm), đõy là đặc trưng cho chuyển dời 4f-5d. Cỏc nghiờn cứu về sự phỏt quang của ion Ce3+
trong nền thủy tinh đều chỉ ra rằng: Cỏc chuyển dời 4f-5d là cỏc chuyển dời cú năng lượng cao thường quan sỏt được ở cỏc ion đất hiếm như Ce3+
, Pr3+[4], [6]. Hỡnh 3 3 biểu diễn sự tỏch mức năng lượng do trường tinh thể của hai mức năng lượng 4f1
(2F5/2, 2F7/2) và 5d1 (2D3/2, 2D5/2) cấu hỡnh điện tử của ion Ce3+ Trong quang phổ thực nghiệm khụng quan sỏt được chuyển dời đến 2
D5/2 vỡ nú nằm ở trạng thỏi năng lượng quỏ cao Cỏc nghiờn cứu cũng chỉ ra rằng sự phỏt quang của ion Ce3+
cú thể xuất hiện trong khoảng từ 300 đến 500 nm, tựy thuộc vào trường tinh thể của mạng nền mà trong đú cỏc ion đất hiếm được đưa vào, do tỏc động của trường tinh thể vào trạng thỏi kớch thớch 5d1
là khỏ lớn
33 400 450 500 550 600 650 700 0.0 2.0x104 4.0x104 6.0x104 8.0x104 1.0x105 1.2x105 1.4x105 C - ờ n g đ ộ ( đ v tđ ) B-ớc sóng (nm) 0.5Ce 1.0Ce 2.0Ce
Phổ phỏt quang của thủy tinh BLN pha tạp ion Ce3+ với cỏc nồng độ khỏc nhau cũng được tiến hành nghiờn cứu Quan sỏt phổ phỏt quang của hệ mẫu ta thấy cỏc đỉnh phỏt quang dịch nhẹ về bước súng đỏ (Red – shift) khi tăng nồng độ ion Ce3+ từ 0,5 1,0 2,0.
Mặt khỏc, sự thay đổi cường độ phỏt quang theo nồng độ cũng được ước tớnh và biểu diễn trờn hỡnh 3 6 Dựa vào biểu đồ này cú thể thấy sự phụ thuộc (thực tế là giảm dần) của cường độ phỏt quang vào nồng độ của Ce3+ (tăng dần từ 0,5 1,0 2,0). 0 1 2 3 0.0 2.0x104 4.0x104 6.0x104 8.0x104 1.0x105 1.2x105 1.4x105 C - ờ n g đ ộ ( c h u ẩ n h ó a ) Giá trị x Hỡnh 3 5: Phổ phỏt quang của hệ thủy tinh BLN pha tạp Ce3+ với cỏc nồng độ khỏc nhau
Hỡnh 3 6: Sự thay đổi cường độ đỉnh Ce3+
34
KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện đề tài khúa luận “Ch tạo thủy tinh Borate pha tạp Ce3+
và hảo s t t nh chất quang nhằm ứng dụng trong đốn LED”, chỳng tụi đó thu được một số kết quả:
- Chế tạo thành cụng thủy tinh Borate pha tạp Ce3+ tại Phũng thớ nghiệm Vật lớ Trường Đại học Quảng Bỡnh bằng phương phỏp núng chảy
- Cấu trỳc của cỏc mẫu thủy tinh BLN pha tạp Ce3+ đó chế tạo được nghiờn cứu bằng phương phỏp nhiễu xạ tia X Kết quả thu được chứng tỏ thủy tinh BLN pha tạp Ce3+
cú cấu trỳc vi tinh thể cho cỏc đỉnh mở rộng và khụng đổi
- Phõn tớch phổ hấp thụ của cỏc mẫu cho kết quả thủy tinh BLN pha tạp Ce3+ hấp thụ mạnh vựng bước súng 240 nm – 400 nm (vựng tử ngoại) Phổ hấp thụ cú dạng đỏm rộng đặc trưng cho chuyển dời 4f – 5d. Ion Ce+3
hấp thụ cỏc photon vựng tử ngoại để thực hiện cỏc chuyển dời từ trạng thỏi cơ bản 4
F5/2 lờn cỏc trạng thỏi cao hơn
- Phổ phỏt quang của cỏc mẫu thủy tinh BLN pha tạp Ce3+ cho thấy phổ cú dạng đặc trưng dải rộng (phổ đỏm), cú vị trớ cực đại ở 404nm (phỏt quang màu tớm), đõy là đặc trưng cho chuyển dời 4f-5d.
Mặt khỏc, so sỏnh phổ phỏt quang của cỏc mẫu thủy tinh BLN pha tạp Ce3+ với nồng độ khỏc nhau chỳng tụi thấy rằng cỏc đỉnh phỏt quang dịch nhẹ về bước súng đỏ (Red – shift) khi tăng nồng độ ion Ce3+ từ 0,5 1,0 2,0 và sự phụ thuộc của cường độ phỏt quang vào nồng độ của Ce3+
35
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Ngọc, Bài giảng Lớ thuyết thủy tinh; Trường Đại học Quảng Bỡnh
2 Trần Thị Hoài Giang (2009), Ảnh hưởng cỏc tõm bẫy đến hiện tượng
phỏt quang của vật liệu aluminate kiềm thổ, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại
học Huế
3 Trần Văn Phỳ (2014), Chế tạo và nghiờn cứu tớnh chất quang của thủy
tinh Borate kiềm pha tạp đất hiếm, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại
học Khoa học Huế
Tài iệu Ti ng Anh:
4. Christane Gửrller, Walrand and K. Binnemans, “Handbook on the
Physics and Chemistry of Rare Earths”. Vol.25, pp 101 – 252.
5. Hirokazu Masai and Takayuki Yanagida (2015), “Emission property
of Ce3+ - doped Li2O - B2O3 - SiO2 glasses”.
6. Judd B.R. (1962), Optical absorption intensities of Rare – Earth ion, Phys. Rev. Vol. 127, No3, pp. 750 – 761.