Năm 1969, F.W. Ostermayer cùng các cộng sự đã tiến hành khảo sát quá trình tương tác của Yb3+ và Tb3+ trong vật liệu YF3 và chứng tỏ hiệu ứng chuyển đổi năng lượng kết hợp tồn tại theo cơ chế 2 ion Yb3+[2F5/2]Tb3+[5D4]. Công trình
được đăng trên tạp chí Physical Review vào tháng 6 năm 1970. Các dịch chuyển từ
trạng thái Tb3+ [5D4] đến Tb3+ [7F6; 7F5; 7F4; 7F3] tương ứng tại bước sóng 490; 546; 585 và 620 nm được quan sát thông qua phổ phát quang sau khi kích thích vật liệu YF3 pha tạp Tb3+-Yb3+ (Y0.3Yb0.5Tb0.2F3) bằng nguồn laser diode GaAs:Si bước sóng 930 nm. Nhóm tác giả khẳng định, hiện tượng hấp thụ năng lượng từng bậc không thể xảy ra do độ chênh lệch giữa các mức Tb[7F6]Tb[7F0]; Tb[7F0]Tb[5D4] và Yb[2F5/2]Yb[2F7/2] quá lớn. Ngoài ra, trạng thái Tb[7F0] kém bền và dễ bị hồi phục về các mức thấp hơn. Nhưng ngược lại, vì khoảng cách năng lượng Tb[7F65D4] vừa đúng gấp đôi Yb[2F5/22F7/2] nên ion Tb3+ở trạng thái cơ
bản dễ dàng nhận đồng thời năng lượng từ 2 ion Yb3+ ở mức 2F5/2 đểđạt trạng thái kích thích Tb3+[5D4] và tạo ra các bức xạ nhưđã quan sát. Những kết quả tiếp theo của nhóm khi khảo sát về thời gian sống và cường độ bức xạ giúp cơ chế chuyển
đổi trên có độ tin cậy cao. Bên cạnh đó, nhóm tác giả cũng giải thích sự hình thành trạng thái Tb[5D3]. Tuy nhiên, khi nồng độ Tb3+ trong mẫu đạt giá trị tới hạn, hiện tượng dập tắt ở mức 5D3 xảy ra rất mạnh do tương tác giữa các ion Tb3+ với nhau. [21]
Thời gian gần đây, cơ chế tương tác giữa Tb3+ - Yb3+ trở nên phổ biến hơn khi chúng được khảo sát với nhiều loại vật liệu nền khác nhau. Năm 2006, công trình nghiên cứu hiệu ứng năng lượng giữa Tb3+ và Yb3+ trong thủy tinh oxyfluoride (một loại vật liệu có độ bền hóa, bền nhiệt cao, ứng dụng nhiều trong lĩnh vực sợi quang học) của nhóm tác giả LiFeng (Trung Quốc) được công bố trên tạp chí
Trang 44
Luận văn Thạc sĩ - khóa K17 Học viên: Tống Hoàng Tuấn
Spectrochimina Acta part A. Hiệu ứng năng lượng và sự phụ thuộc của chúng vào nồng độ Tb3+ - Yb3+ là nội dung quan trọng trong quá trình nghiên cứu của tác giả. Khi nồng độ Tb3+ thay đổi từ 0.2 đến 2 mol%, các dịch chuyển Tb3+[5D3; 5G6-7F5] bị
suy giảm, mất đi và thay thế bằng dịch chuyển Tb3+[5D47FJ] với J=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Nếu Tb3+được giữ cố định ở nồng độ 2 mol%, phổ phát quang thu được có dạng tương tự, mạnh nhất ở vùng xanh lá cây tuy nhiên cường độ bức xạ sẽ phụ thuộc vào nồng độ Yb3+. Cường độ bức xạ tăng dần, đạt cực đại khi nồng độ Yb3+ tăng và giảm nếu nồng độ Yb3+ vượt quá 2 mol%. Ngoài cơ chế hấp thụ đồng thời năng lượng từ 2 ion Yb3+ bị kích thích, ion Tb3+ ở trạng thái 5D4 có thể nhận thêm năng lượng từ 1 ion Yb3+ khác để đạt trạng thái 5D1 và trở về trạng thái 5G6, 5D3 sau các quá trình hồi phục phonon. [34].
Năm 2008, hiệu ứng tương tác giữa Tb3+ và Yb3+ trong nền thủy tinh Borosilicate được nghiên cứu. Việc vận dụng lý thuyết Judd-Ofelt để xác định hiệu suất chuyển đổi, tương tác năng lượng, hướng đến xây dựng hệ laser hoặc khuếch
đại quang học trong vùng xanh lá cây là điểm nổi bật trong các khảo sát của nhóm tác giả Tatsuya Yamashita. [48]. Khi kích thích hệở bước sóng hồng ngoại 980 nm, quá trình trao đổi năng lượng kết hợp giữa Tb3+ và Yb3+ xảy ra trong hệ. Bức xạ
xanh lá cây hoàn toàn chiếm ưu thế so với các bức xạ khác. Hiệu suất lượng tử của quá trình chuyển đổi năng lượng được xác định thông qua thời gian sống của các mức kích thích và nồng độ pha tạp của các ion. Hiệu suất lượng tử tăng dần khi nồng độ pha tạp tăng và đạt cực đại ở giá trị 60% khi nồng độ pha tạp Tb3+ và Yb3+ tương ứng bằng 1.05x1021 và 0.51x1.021 ion/cm3. Dựa trên lý thuyết J-O và các kết quả tính toán, quá trình tương tác năng lượng giữa Tb3+ và Yb3+ được khảo sát rõ ràng và cụ thể hơn. Chúng bao gồm một tổ hợp nhiều cơ chế như minh họa ở hình 4.1. [50]
Trang 45
Luận văn Thạc sĩ - khóa K17 Học viên: Tống Hoàng Tuấn
Hình 4.1: Các hiệu ứng có thể xảy ra khi kích thích hệ Yb3+-Tb3+ bằng laser diode hồng ngoại bước sóng 980 nm.