nệmCcệC nệmCcệC
3.4. Tớnh chất phỏt quang của vật liệu Zn2SiO4: Eu3+
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu gần đõy cho thấy cú thể làm thay đổi màu bức xạ phỏt quang của vật liệu Zn2SiO4 bằng cỏch thay đổi ion pha tạp. Do đú, để mở rộng nội dung đề tài, chỳng tụi đó tiến hành nghiờn cứu thờm về nhúm vật liệu Zn2SiO4: Eu3+ để so sỏnh tớnh chất quang với vật liệu Zn2SiO4: Mn2+ mà chỳng tụi đang nghiờn cứu.
Phổ phỏt quang của mẫu Zn2SiO4: Eu3+ (0.8 %mol) nung ở 1150oC trong mụi trường khụng khớ được chỉ ra trờn hỡnh 3.26.
Phổ phỏt quang của mẫu được đo ở nhiệt độ phũng và kớch thớch bởi bức xạ 365nm được chỉ ra trờn hỡnh 3.26. Kết quả cho thấy rằng cỏc dải phổ phỏt quang trong vựng bước súng 450 - 720 nm bao gồm cỏc vạch hẹp đặc trưng của chuyển dời điện tử 5D0 - 7Fj (j = 0, 1, 2, 3, 4) của Eu3+. Trong cỏc chuyển dời 5D0 - 7Fj thỡ chuyển dời 5D0 - 7F1 là chuyển dời lưỡng cực từ được phộp, ớt phụ thuộc trường tinh thể định xứ. Cũn chuyển dời 5D0 - 7F2, 4 là chuyển dời lưỡng cực điện cho phộp, chuyển dời này chịu ảnh hưởng lớn trường tinh thể
[1], [4], [24]. Trong vật liệu này, thỡ vạch 5D0 - 7F2 (λ=614nm) cú cường độ mạnh nhất. Vỡ thế vật liệu này cú bức xạ màu đỏ.
Bờn cạnh đú, phổ kớch thớch của mẫu ứng với chuyển dời 5D0 - 7F2 được thể hiện trờn hỡnh 3.27. Cỏc vạch hẹp kớch thớch ứng với bước súng 361, 380, 394, 414, 464, 525, 532 và 577 nm trong vựng bức xạ 320 nm - 580 nm, tương ứng với cỏc chuyển dời từ cỏc trạng thỏi cơ bản 7Fj đến cỏc trạng thỏi kớch thớch 5Dj của ion Eu3+. Vựng bức xạ nay thuộc vựng hoạt động của cỏc nguồn laser và LED cung cấp ỏnh sỏng UV, tớm, xanh dương và xanh lục hiện nay. Như vậy, cỏc nguồn sỏng đú là những nguồn bơm hiệu quả để thu được ỏnh sỏng đỏ 614 nm của Eu3+ ion trong nền silicate này [1].
450 500 550 600 650 700 750 0.0 0.5 1.0 5D0- 7F4 5D0- 7F3 5D0- 7F0 5D0- 7F1 5D0- 7F2 C ờ ng đ ộ PL (Đ vt đ) B ớc sóng (nm)
Hỡnh 3.26: Phổ phỏt quang của mẫu Zn2SiO4: Eu3+ (0.8 %mol)
300 350 400 450 500 5500.0 0.0 6.0x106 1.2x107 7F0 - 5D0 7F1 - 5D1 7 F0 - 5 D1 7F0 - 5D2 7 F1 - 5 D3 7 F0 - 5 L6 7F1 - 5L7 7 F0 - 5 D4 C ờn g độ P L (Đ vt đ) B ớc sóng (nm)
Hỡnh 3.27: Phổ kớch thớch của mẫu Zn2SiO4: Eu3+ (0.8 %mol)
Cũng như vật liệu Zn2SiO4: Mn2+, để tỡm hiểu sai hỏng mạng của liệu, chỳng tụi cũng tiến hành đo đạc đường cong nhiệt phỏt quang tớch phõn của Zn2SiO4: Eu3+.
Hỡnh 3.28 là đường cong nhiệt phỏt quang tớch phõn của vật liệu Zn2SiO4: Eu3+ đo ở hai chế độ chiếu xạ khỏc nhau, cựng tốc độ nhiệt 2 0C/s.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.0 2.0x106 4.0x106 6.0x106 8.0x106 1.0x107 1.2x107 1.4x107 1.6x107 1.8x107 (2) (1) I TL ( Đ v tđ ) Nhiệt độ (oC) (1): chiếu đèn D2 (2): không chiếu xạ
Hỡnh 3.28: Đường cong nhiệt phỏt quang tớch phõn của mẫu Zn2SiO4: Eu3+(0.8 %mol).
Trong trường hợp khụng chiếu xạ, đường cong TL của vật liệu Zn2SiO4: Eu3+ cú cường độ khỏ lớn, cực đại bức xạ ứng với nhiệt độ 310 oC và cú dạng đỉnh đơn khụng phải bậc một. Điều này cú nghĩa là trong vật liệu tồn tại mức bẫy cú khả năng bắt cỏc điện tử ngay cả trong điều kiện ỏnh sỏng tự nhiờn. Cỏc thụng số động học TL của cỏc đỉnh trờn đường cong nhiệt phỏt quang tớch phõn được xỏc định bằng phương phỏp phõn tớch động học nhiệt phỏt quang của R. Chen và phương phỏp vựng tăng ban đầu.
Khi mẫu được chiếu xạ bằng đốn D2, đường cong nhiệt phỏt quang của vật liệu Zn2SiO4: Eu3+ khụng cũn là đỉnh đơn, mà gồm hai đỉnh cú cường độ bức xạ cực đại vào khoảng 112 oC (đỉnh 1) và 300 oC (đỉnh 2), và cỏc vai ở nhiệt độ 165 oC, 240 oC. Dựng phương phỏp vựng tăng ban đầu và phương phỏp dạng đỉnh (R. Chen) để tớnh cỏc thụng số động học TL của hai đỉnh bức xạ nhiệt phỏt quang mạnh của vật liệu Zn2SiO4: Eu3+ như chỉ ra ở bảng 3.2.
Bảng 3.7:Cỏc thụng số động học TL của Zn2SiO4: Eu3+
Đỉnh
Năng lượng kớch hoạt E (eV) Phương phỏp
vựng tăng ban đầu Phương phỏp dạng đỉnh (R. Chen)
k E
E(eV) T1 ( oC) Tmax( oC) T2 ( oC) E (eV)
1 6842 0,59
2 11912 1,025 270 314 358 1,021
Hiện tượng nhiệt phỏt quang thu được nguyờn nhõn cơ bản là do cỏc sai hỏng. Để làm rừ vấn đề này, chỳng tụi so sỏnh đường cong nhiệt phỏt quang của vật liệu Zn2SiO4 khi pha tạp Mn2+ và Eu3+ được chỉ ra trờn hỡnh 3.29. Khi được chiếu xạ đốn D2 trong 20s, cỏc vật liệu cú khả năng bắt điện tử ở cỏc mức năng lượng định xứ cú khả bắt điện tử. Tuy nhiờn mức độ nụng sõu của
cỏc bẫy này là khỏc nhau, tựy thuộc vào ion pha tạp vào mạng nền. Cường độ nhiệt phỏt quang của vật liệu Zn2SiO4: Eu3+ lớn hơn nhiều so với Zn2SiO4: Mn2+, đồng thời cũn xuất hiện cỏc đỉnh cú cường độ mạnh ở phớa nhiệt độ cao.
Như vậy cú thể thấy khi pha phạp Eu3+ vào mạng nú cú khả năng phỏ vỡ cấu trỳc mạng tinh thể của vật liệu, hỡnh thành cỏc bẫy sõu, cú khả năng bắt nhiều điện tử. Do đú, nú cần một năng lượng đủ lớn để giải phúng cỏc điện tử ra khỏi bẫy. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.0 2.0x106 4.0x106 6.0x106 8.0x106 1.0x107 1.2x107 1.4x107 1.6x107 1.8x107 (2) (1) I TL (Đ vt đ) Nhiệt độ (oC) (1): Zn2SiO4: Mn2+ (2): Zn2SiO4: Eu3+
Hỡnh 3.29: Đường cong nhiệt phỏt quang tớch phõn của cỏc mẫu được chiếu xạ bởi đốn D2. (1): Zn2SiO4: Mn2+, (2): Zn2SiO4: Eu3+.
Cỏc kết quả nhiệt phỏt quang của vật liệu Zn2SiO4 pha tạp ion Mn2+ và Eu3+ cho thấy, khi thay đổi ion pha tạp, đỉnh bức xạ cú cực đại tại nhiệt độ khoảng 100oC (đỉnh 1) hầu như khụng cú sự thay đổi nhiều mặc dự cường độ
TL cú thay đổi. Tuy nhiờn, khi pha tạp Eu3+ vật liệu lại xuất hiện một đỉnh cú cường độ lớn ở khoảng nhiệt độ 300 oC. Như vậy cú thể khẳng định đỉnh bức xạ nhiệt phỏt quang thứ nhất là do rằng sai hỏng mạng nền thường do SiO4-
gõy ra. Trong khi đú, sai hỏng do pha tạp hỡnh thành bởi ion Eu3+ sẽ làm đỉnh nhiệt phỏt quang thứ hai với cường độ TL mạnh. Đõy chớnh là sai hỏng chủ đạo gõy nờn hiện tượng nhiệt phỏt quang trong cỏc vật liệu phỏt quang Zn2SiO4: Eu3+. Vật liệu này cú đặc trưng nhiệt phỏt quang mạnh với hiệu suất cao trong khoảng nhiệt độ thớch hợp để chế tạo vật liệu nhiệt phỏt quang cho nhiều ứng dụng khỏc nhau.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện luận văn với đề tài: “Chế tạo và nghiờn cứu tớnh chất quang phổ của Zn2SiO4: Mn2+ ” chỳng tụi đó thu được cỏc kết quả sau:
1. Đó tỡm hiểu một cỏch hệ thống về cấu trỳc tinh thể, đặc trưng quang học của vật liệu Zn2SiO4: Mn2+. Trỡnh bày một số đặc điểm của ion kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là ion Mn2+.
2. Chế tạo thành cụng cỏc vật liệu Zn2SiO4: Mn2+
, Zn2SiO4: Eu3+ bằng
phương phỏp phản ứng pha rắn. Trong cụng nghệ này, hàm lượng chất chảy B2O3 tối ưu được xỏc định là 3%wt và nhiệt độ nung 1150 oC.
- Vật liệu Zn2SiO4: Mn2+cú cấu trỳc đơn pha, pha mặt thoi, dạng bột cú kớch thước hạt cỡ micromet.
- Trong vật liệu Zn2SiO4: Mn2+ion Mn2+ đúng vai trũ là tõm phỏt quang. Phổ bức xạ của mẫu cú dạng dải rộng, cực đại bức xạ ứng với bước súng 525
nm do dịch chuyển điện tử của cấu hỡnh 3d5 từ mức 4T1 về mức 6A1 của ion Mn2+.
- Cường độ bức xạ phỏt quang của vật liệu thay đổi theo nồng độ ion Mn2+ và đạt giỏ trị lớn nhất khi nồng độ ion Mn2+ là 9 %mol.
3. Trong liệu Zn2SiO4: Mn2+ion Mn2+ chiếm cỏc vị trớ của Zn2+, với hai vị trớ thay thế khỏc nhau, tuy nhiờn xỏc suất thay thế vào vị trớ Zn1 là lớn nhất. Điều này giải thớch sự dịch chuyển bức xạ của mẫu về phớa màu đỏ khi nồng độ tạp tăng.
4. Việc phõn tớch đường cong nhiệt phỏt quang tớch phõn của mẫu Zn2SiO4: Mn2+