CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO 2 /ZnO PHA TẠP ION Er 3+
4.2. Hệ mẫu vật liệu chế tạo theo quy trình 2
4.2.3. Phân tích phổ huỳnh quang vật liệu
4.2.3.2 Sự phụ thuộc của huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp Er 3+
Nghiên cứu sự phụ thuộc của huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp ion Er3+, chúng tôi đã chế tạo một hệ mẫu trong đó chọn tỉ lệ SiO2:ZnO tương ứng là 95:05. Đây là tỉ lệ nồng độ cho cường độ phát xạ cao nhất như kết quả ở mục trước đã nghiên cứu. Thay
86 đổi nồng độ % mol của ion Er3+ từ 0 % đến 0,7 %, các mẫu đƣợc ủ nhiệt ở nhiệt độ 700 oC.
Hệ mẫu chế tạo đƣợc thống kê trong Bảng 4.9.
Bảng 4. 9 Bảng hệ mẫu SiO2/ZnO:Er3+ chế tạo theo quy trình 2 thay đổi theo nồng độ % mol của ion Er3+
Tên mẫu
Tỉ lệ SiO2:ZnO (% mol)
Tỉ lệ Er3+
(% mol)
Nhiệt độ ủ (oC)
Er0-2 95:05 0 700
Er0,1-2 95:05 0,1 700
Er0,3-2 95:05 0,3 700
Er0,5-2 95:05 0,5 700
Er0,7-2 95:05 0,7 700
1400 1500 1600 1700
0 % 0,7 % 0,1 % 0,5 %
C-ờng độ (đ.v.t.y.)
B-íc sãng (nm)
0,3 %
ex=325 nm
4I13/2-4I15/2
Er3+
Hình 4. 13 Phổ phát xạ huỳnh quang của màng mỏng vật liệu SiO2/ZnO:Er3+ chế tạo theo quy trình 2 được ủ nhiệt ở 700 oC với tỉ lệ % mol của SiO2:ZnO tương ứng là 95:05, nồng
độ ion Er3+ thay đổi từ 0 đến 0,7 % dưới bước sóng kích thích 325 nm
87 Hình 4.13 là phổ huỳnh quang của màng mỏng vật liệu đƣợc ủ nhiệt ở 700 oC với tỉ lệ nồng độ % mol SiO2:ZnO tương ứng là 95:05, nồng độ % mol của ion Er3+ thay đổi từ 0;
0,1; 0,3; 0,5; và 0,7 %. Dưới bước sóng kích thích 325 nm, tất cả các mẫu vật liệu đều phát xạ bước sóng đặc trưng của ion Er3+ ở 1538 nm, vị trí đỉnh này không thay đổi khi thay đổi nồng độ ion Er3+. Đối với mẫu vật liệu có nồng độ % mol của ion Er3+ là 0 % không thấy phát xạ tại bước sóng 1538 nm. Tại nồng độ của Er3+ là 0,1 % có xuất hiện đỉnh phát xạ 1538 nm nhưng cường độ rất yếu, điều này cho thấy quá trình kích thích trực tiếp vào ion đất hiếm rất khó khăn và đạt hiệu quả phát quang kém. Khi nồng độ ion Er3+ tăng lên 0,3
%, cường độ đỉnh phát xạ 1538 nm tăng lên và đạt giá trị lớn nhất, lúc này khoảng cách giữa các tâm quang là tốt nhất, hiệu suất truyền năng lƣợng đạt cao nhất. Nồng độ ion Er3+
tiếp tục tăng lên 0,5 và 0,7 % mật độ ion đất hiếm dày hơn, khoảng cách giữa các tâm quang càng gần lại làm xuất hiện hiện tƣợng dập tắt huỳnh quang do nồng độ. Năng lƣợng đƣợc truyền qua lại giữa các tâm quang hoặc truyền cho các dao động mạng mà không phát xạ dẫn đến cường độ huỳnh quang bị suy giảm. Như vậy có thể thấy với quy trình chế tạo 2, mẫu vật liệu đạt hiệu quả phát xạ tối ƣu nhất khi tỉ lệ nồng độ % mol của SiO2:ZnO:Er3+ lần lƣợt là 95:05:0,3.
260 280 300 320 340 360 380 400 420 440
em=1540 nm
C-ờng độ (đ.v.t.y.)
B-íc sãng (nm) 260 nm
380 nm
Hình 4. 14 Phổ kích thích huỳnh quang mẫu Er0,3-2 đo tại bước sóng phát xạ 1540 nm
88 Khảo sát phổ huỳnh quang kích thích của mẫu vật liệu Er0,3-2 theo dõi ở bước sóng phát xạ mạnh 1540 nm bao gồm một dải rộng ở vùng bước sóng nhỏ hơn 300 nm và một đỉnh cường độ thấp ở 380 nm ( Hình 4.14). Đỉnh phát xạ ở 380 nm được cho là bắt nguồn từ sự chuyển đổi đặc trưng từ 4I15/2 – 4G11/2 của ion Er3+ [21], đỉnh này tương ứng với kích thích trực tiếp của ion Er3+. Dải rộng ở vùng có bước sóng nhỏ hơn 300 nm trong đó cường độ kích thích lớn nhất tại 260 nm đƣợc cho là kích thích gián tiếp từ ZnO.
Hình 4. 15 Sơ đồ khối cơ chế truyền năng lượng từ ZnO sang ion Er3+
Từ phổ kích thích huỳnh quang của Er0,3-2 cho thấy có hiệu ứng truyền năng lƣợng từ ZnO sang ion Er3+. Sơ đồ cơ chế truyền năng lƣợng có thể đƣợc mô tả giống nhƣ sơ đồ Hình 4.15. Các hạt ZnO hấp thụ năng lƣợng từ photon kích thích có năng lƣợng E > Eg của ZnO làm các điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Sau một thời gian ở trạng thái kích thích, hầu hết chúng nhanh chóng tái hợp với lỗ trống ở vùng hóa trị và phát xạ photon để trở về trạng thái cơ bản. Một số điện tử trong quá trình hồi phục có thể nhảy về các mức năng lượng tương ứng với các khuyết tật như là các vị trí khuyết thiếu oxy… dẫn đến sự phát xạ dải rộng tập trung ở vùng 400 nm, trong khi các mức năng lƣợng ở 4G11/2 của ion nguyên tố Er3+ có bước sóng cỡ 378 nm. Khoảng cách giữa các mức năng lượng này với các mức năng lƣợng của ion nguyên tố Er3+ đủ nhỏ làm năng lƣợng của các hạt ZnO truyền sang cho ion Er3+ làm các ion Er3+ ở trạng thái kích thích 4G11/2. Các điện tử sau đó tiếp tục phân rã không phát xạ về các mức năng lƣợng 4F7/2, 4S3/2, từ 4S3/2 - 4I9/2, 4I9/2 - 4I13/2 [21].
Các điện tử tiếp tục chuyển từ mức năng lƣợng 4I13/2 xuống mức năng lƣợng 4I15/2, quá trình này phát xạ ra bước sóng 1540 nm đặc trưng.
4I11/2
4I13/2
4I15/2 2H11/2 (4S3/2)
4F9/2 4G11/2
4G3/2 (4G5/2)
4I9/2 2H9/2
4F7/2
CB
VB
Eg(ZnO)=3.34 eV
1540 nm