ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN ÁI QUỲNH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU MO.SiO2: Eu2+, Mn2+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng, 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ NGUYỄN ÁI QUỲNH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƢNG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU MO.SiO2: Eu2+, Mn2+ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Vật lý học Khóa học: 2014 – 2018 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Đinh Thanh Khẩn Đà Nẵng, 2018 Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn TS Đinh Thanh Khẩn Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết chân thành đến thầy Đinh Thanh Khẩn thầy Lê Văn Thanh Sơn dẫn dắt tận tình động viên trình thực với hai thành viênMai Phƣớc Đạt, Lƣơng Thu Huyền đồng hành, hỗ trợ q trình thực đề tài Tơi xin đƣợc cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ Phạm – Đại học Đà Nẵng quý thầy khoa Vật lí – Trƣờng Đại học Sƣ Phạm tạo điều kiện cho thực đề tài khóa luận tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh nhƣng lần đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực tếcũng nhƣ hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng thể tránh khỏi saixót định Tơi mong nhận đƣợc góp ý củaq thầy bạn để khóa luậnđƣợc hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 25 tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Ái Quỳnh GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n I SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 NỘI DUNG PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG 1.1 Chất phát quang tƣợng phát quang 1.2 Phân loại dạng phát quang .3 1.2.1 Phân loại theo tính chất động học chất phát quang .3 1.2.2 Phân loại theo cách thức chuyển dời từ TTKT TTCB 1.2.3 Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài 1.2.4 Phân loại theo phƣơng pháp kích thích 1.3 Sự khác phổ phát quang tâm bất liên tục phát quang tái hợp 1.3.1 Phổ hấp thụ phổ xạ 1.3.2 Thời gian kéo dài phát quang 1.3.3 Định luật tắt dần phát quang .7 1.3.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ .9 1.3.5 Tính chất điện chất phát quang .9 1.4.1 Định luật khơng phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng kích thích 10 1.4.2 Định luật Stock- Lomen .10 1.4.3 Định luật đối xứng gƣơng phổ hấp thụ phổ phát quang 11 1.5 Hiện tƣợng dập tắt nồng độ trình phát quang 12 CHƢƠNG 2: SỰ PHÁT QUANG CỦA PHOSPHOR TINH THỂ 13 2.1 Thành phần cấu trúc phosphor tinh thể 13 2.2 Phổ hấp thụ phosphor tinh thể .14 2.3 Phổ xạ phosphor tinh thể 14 2.4 Sự liên hệ phổ hấp thụ phổ xạ 15 2.5 Ảnh hƣởng tác nhân bên vào thành phần phổ xạ 15 2.5.1 Ảnh hƣởng phƣơng pháp kích thích 15 2.5.2 Ảnh hƣởng bƣớc sóng kích thích 16 2.5.3 Ảnh hƣởng cƣờng độ ánh sáng kích thích 16 2.5.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ .17 2.6 Bản chất phát quang phosphor tinh thể .17 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n II SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí 2.6.1 Sự phát quang phosphor tinh thể phát quang tái hợp 17 2.6.2 Những sở thuyết vùng để giải thích phát quang phosphor tinh thể 17 CHƢƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ ION ĐẤT HIẾM, ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 20 3.1 Lý thuyết nguyên tố đất (Rare Earth Elements) 20 3.1.1 Sơ lƣợc nguyên tố đất 20 3.1.2 Lý thuyết ion Eu2+ 22 3.2 Lý thuyết ion kim loại chuyển tiếp 23 3.2.1 Sơ lƣợc ion kim loại chuyển tiếp 23 3.2.2 Lý thuyết ion Mn 2+ .24 CHƢƠNG 4: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆUPHÁTQUANG 26 4.1 Đèn huỳnh quang .26 4.2 Ống tia Cathode (CRT) 27 4.2.1 Nguyên tắc tạo hình ảnh (display) 27 4.2.2 Vật liệu phát quang dùng cho tia Cathode 28 4.3 Đèn LED ( Light Emitting Diod) .28 PHẦN B: THỰC NGHIỆM 30 Chế tạo mẫu .30 Kết thảo luận 31 2.1 Phổ kích thích 2ZnO.SiO2:Mn2+ 31 2.2 Phổ phát quang 2ZnO.SiO2:Mn2+ 32 2.3 Sự phụ thuộc cƣờng độ phát quang 2ZnO.SiO2:Mn2+ vào nồng độ Mn2+ 34 KẾT LUẬN .35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Ý KIẾN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN 37 GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n III SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Các chữ viết tắt CRT : Ống tia Ca-tốt (Cathode Ray Tube) LED : Đi-ốt phát quang (Light Emiting Diode) PL : Quang phát quang (Photoluminescence) PLE : Phổ kích thích (Photoluminescence Excitation) RE : Đất (Rare Earth) RE3+ : Ion đất hóa trị TL : Nhiệt phát quang (Thermoluminescence) UV : Tia tử ngoại (Ultraviolet) TTCB : Trạng thái TTKT : Trạng thái kích thích Các ký hiệu λEM : Bƣớc sóng xạ λEX : Bƣớc sóng kích thích EC : Năng lƣợng vùng dẫn EV : Năng lƣợng vùng hóa trị GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n IV SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các mẫu chế tạo DANH MỤC HÌNH HÌNH NỘI DUNG HÌNH VẼ TRANG Hình 1.1 Cơ chế phát quang cƣỡng Hình 1.2 Tính đối xứng gƣơng phổ hấp thụ phổ phát quang 11 Hình 2.1 Phổ xạ phosphor tinh thể 15 Hình 3.1 Vị trí nguyên tố đất bảng tuần hồn ngun tố 20 Hình 3.2 Giản đồ mức lƣợng Dieke 21 Hình 3.3 Sơ đồ mức lƣợng ion Eu2+ 23 Hình 3.4 Vị trí nguyên tố kim loại chuyển tiếp bảng tuần hồn 23 Hình 3.5 Giản đồ Tanabe – Sugano cho cấu hình d5 24 Hình 4.1 Cấu tạo đèn ống huỳnh quang 27 Hình 4.2 Màn hình CRT (Cathode Ray Tube) đƣợc chiếu sángbằng ống tia Cathode 27 Hình 4.3 Đèn Led để trang trí 29 Phổ kích thích của2ZnO.SiO2:Mn2+với λEM = 524 nm Phổ phát quang của2ZnO.SiO2:Mn2+ với λEX = 423 nm Phổ phát quang 2ZnO.SiO2:Mn2+ với λEX = 423 nm Phổ phát quang 2ZnO.SiO2:Mn2+ với λEX = 423 nm Sự phụ thuộc cƣờng độ phát quang 2ZnO.SiO2:Mn2+ vào nồng độ Mn2+ 31 Hình Hình Hình Hình Hình GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n V 32 32 33 34 SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Trong vài thập niên trở lại đây, vật liệu phát quang đƣợc ứng dụng rộng rãi khoa học nhƣ đời sống nhƣ laser, kỹ thuật chiếu sáng, hiển thị, trang trí,…Đặc biệt kỹ thuật chiếu sáng hiển thị, vật liệu phát quang đóng vai trị quan trọng việc chế tạo loại đèn huỳnh quang, CRT, LED Việc tìm vật liệu phát quang có phổ phát quang thích hợp với mục đích sử dụng đề tài đƣợc nhà nghiên cứu khoa học quan tâm Vật liệu pha tạp ion đất Eu2+ phát xạ ánh sáng xanh đƣợc ứng dụng cho đèn huỳnh quang, hình tinh thể lỏng,các bảng hiển thị hình ảnh, LED,…và đƣợc sử dụng rộng rãi kỹ thuật chiếu sáng có hiệu suất phát xạ độ sắc nét cao Cùng với vật liệu pha tạp ion đất Eu2+ thìvật liệu huỳnh quang pha ion chuyển tiếp Mn2+ phát xạ màu xanh đƣợc quan tâm nghiên cứu nhằm sử dụng thiết bị chiếu sáng, hình plasma khả hấp thụ lƣợng tốt cho hiệu suất phát quang cao Chính tầm quan trọng khả ứng dụng rộng rãi vật liệu phát quang MO.SiO2 pha tạpEu2+,Mn2+ mà chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu đặc trưng phát quang vật liệu MO.SiO2:Eu2+,Mn2+” Mục đích đề tài chế tạo vật liệu phát quang khảo sát đặc trƣng phổ phát quang vật liệu MO.SiO2:Eu2+,Mn2+ Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát đặc trƣng phát quang vật liệu MO.SiO2:Eu2+,Mn2+ - Khảo sát thay đổi nồng độ Eu2+, Mn2+ ảnh hƣởng nhƣ thể đến phổ phát quang vật liệu Silicate Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập tổng hợp tài liệu lý thuyết tƣợng phát quang các đặc trƣng phát quang vật liệu Silicate pha tạp Eu2+,Mn2+ - Xác định phƣơng pháp xây dựng quy trình chế tạo vật liệu - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách sử dụng thiết bị phục vụ cho việc chế tạo mẫu thực phép đo GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí - Chế tạo mẫu vật liệu phát quang MO.SiO2:Eu2+,Mn2+ - Nghiên cứu chất ion đất Eu2+và ion kim loại chuyển tiếp Mn2+ ảnh hƣởng đến khả phát quang vật liệu - Nghiên cứu đặc trƣng phát quang vật liệu MO.SiO2:Eu2+,Mn2+ Nội dung nghiên cứu - Tổng quan lý thuyết tƣợng phát quang đặc trƣng phát quang ion Eu2+, Mn2+ - Khảo sát đặc trƣng phát quang vật liệu chế tạo thơng qua phép đo để giải thích chế phát quang vật liệu, từ chọn vật liệu có cƣờng độ bƣớc sóng thích hợp cho mục đích ứng dụng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a Đối tƣợng nghiên cứu - Lý thuyết tƣợng phát quang, lý thuyết ion đất hiếm, kim loại chuyển tiếp - Đối tƣợng nghiên cứu: ion đất Eu2+, ion kim loại chuyển tiếp Mn2+, mạng chủ MO.SiO2 b Phạm vi nghiên cứu: - Chế tạo vật liệu phát quang khảo sát đặc trƣng phát quang mẫu vật liệu MO.SiO2:Eu2+,Mn2+ - Ứng dụng vật liệu vào đời sống kĩ thuật Phƣơng pháp nghiên cứu: - Chế tạo vật liệu phát quang phản ứng pha rắn - Đo phổ PLE (Photoluminescence Excitation), phổ PL (Photoluminescence) - Sử dụng phần mềm chuyên dụng để xử lý số liệu Tổng quan vấn đề nghiên cứu: Kết đề tài khảo sát đƣợc đặc trƣng phát quang vật liệu MO.SiO2:Eu2+,Mn2+ thay đổi nồng độ ion Eu2+,Mn2+ảnh hƣởng đến phổ phát quang vật liệu Silicate GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí NỘI DUNG PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG 1.1 Chất phát quang tƣợng phát quang 1.1.1 Chất phát quang[1][2] Trong tự nhiên nhân tạo có nhiều chất có khả hấp thụ lƣợng từ bên dùng lƣợng hấp thụ để đƣa phân tử, nguyên tử lên trạng thái kích thích Từ trạng thái kích thích phân tử, nguyên tử chuyển trạng thái xạ ánh sáng Các chất có khả biến dạng lƣợng khác (quang năng, điện năng, nhiệt năng…) thành quang đƣợc gọi chất phát quang Vật liệu phát quang hệ gồm mạng chủ tâm phát quang hay thƣờng đƣợc gọi tâm kích hoạt (tâm đơn kích hoạt hay đồng kích hoạt) Q trình phát quang hệ xảy nhƣ sau: Bức xạ kích thích đƣợc hấp thụ tâm kích hoạt, tâm đƣợc nâng lên đến trạng thái kích thích Trạng thái kích thích quay trở trạng thái cách phát xạ xạ 1.1.2 Hiện tƣợng phát quang[1] Bức xạ quang học chất phát quang sau đƣợc kích thích đƣợc gọi tƣợng phát quang Thơng thƣờng phát quang nằm vùng quang học (từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại) Nếu dùng xạ hạt để kích thích phát quang xạ nằm vùng tử ngoại Theo Vavilôp, “hiện tƣợng phát quang tƣợng chất phát quang phát xạ dƣ xạ nhiệt trƣờng hợp mà xạ dƣ kéo dài khoảng thời gian 10-16(s) lớn hơn” 1.2 Phân loại dạng phát quang[3] 1.2.1 Phân loại theo tính chất động học chất phát quang Gồm loại: Phát quang tâm bất liên tục phát quang tái hợp GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí Hình 3.3 Sơ đồ mức lượng ion Eu2+ 3.2 Lý thuyết ion kim loại chuyển tiếp[5] 3.2.1 Sơ lƣợc ion kim loại chuyển tiếp Kim loại chuyển tiếp 40 nguyên tố hóa học có số nguyên tử từ 21 đến 30, 39 đến 48, 57 đến 80 89 đến 112 Nguyên nhân tên vị trí chúng bảng tuần hồn bắt đầu chuyển tiếp có thêm điện tử quỹ đạo ngun tử lớp d Hình 3.4 Vị trí nguyên tố kim loại chuyển tiếp bảng tuần hoàn GVHD: TS Đinh Thanh Khẩ n 23 SVTH: Nguyễn Ái Quỳnh Luận văn tốt nghiệp Khoa Vật lí Các nguyên tố kim loại chuyển tiếp nhữngnguyên tố tạo thành ion với lớp quỹ đạo (orbital) d đƣợc điền đầymột phần, tức nguyên tố khối d ngoại trừ scandi kẽm.Các ion kim loại chuyển tiếp có lớp d chƣa lấp đầy, có nghĩa cấu hình điệntử dn (0 < n