TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THỊ HÀ TỐI ƢU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATE ĐỒNG PHA TẠP Sm VÀ Tb ĐỊNH HƢỚNG CHẾ TẠO ĐÈN LED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHÓA: 2013 - 2017 Ngành: Sƣ phạm Vật Lý Quảng Bình, 2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - TRẦN THỊ HÀ TỐI ƢU HÓA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATE ĐỒNG PHA TẠP Sm VÀ Tb ĐỊNH HƢỚNG CHẾ TẠO ĐÈN LED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHÓA: 2013 - 2017 Ngành: Sƣ phạm Vật Lý NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN NGỌC Quảng Bình, 2017 i ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG vii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu 5 Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc khóa luận Chƣơng TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 SƠ LƢỢC LÝ THUYẾT VỀ THỦY TINH 1.1.1 Khái niệm chung thủy tinh 1.1.2 Phân loại đặc điểm loại thủy tinh 1.1.2.1 Nhóm thủy tinh đơn nguyên tử 1.1.2.2 Nhóm thủy tinh ơxyt 1.1.2.3 Nhóm thủy tinh Halogen 10 1.1.2.4 Nhóm thủy tinh Khancon 10 1.1.2.5 Nhóm thủy tinh hỗn hợp 11 1.1.3 Các tính chất thủy tinh 11 1.1.3.1 Nhóm tính chất đơn giản 11 1.1.3.2 Nhóm tính chất phức tạp 11 1.1.4 Cấu trúc thủy tinh 11 1.1.4.1 Giả thuyết cấu trúc vi tinh 11 1.1.4.2 Giả thuyết cấu trúc liên tục vơ định hình 12 1.1.5 Thủy tinh từ nguyên liệu Borate kim loại kiềm 14 1.1.5.1 Nguyên liệu cung cấp oxit B2O3 14 iii 1.1.5.2 Nguyên liệu cung cấp oxit kim loại kiềm 14 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO THỦY TINH 15 1.2.1 Phƣơng pháp nóng chảy 15 1.2.2 Phƣơng pháp Sol - gel 16 1.3 ĐẶC TRƢNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM 17 1.3.1 Sơ lƣợc nguyên tố đất 17 1.3.1.1 Khái niệm chung đất 17 1.3.1.2 Tính chất ứng dụng đất 18 1.3.1.3 Các mức lƣợng điện tử 4f ion RE3+ 20 1.3.2 Đặc trƣng nguyên tố đất Tb 23 1.3.2.1 Cấu hình điện tử 23 1.3.2.2 Ion Tb3+ 23 1.3.3 Đặc trƣng nguyên tố đất Sm 24 1.3.3.1 Cấu hình điện tử 24 1.3.3.2 Sự tách mức lƣợng ion Sm3+ 25 Chƣơng 2: TỐI ƢU HÓA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATKIỀM PHA TẠP Sm3+,Tb3+ 27 2.1 CHẾ TẠO THỦY TINH 27 2.1.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu phƣơng pháp chế tạo 27 2.1.1.1 Cơ sở lựa chọn vật liệu tạp 27 2.1.1.2 Cơ sở lựa chọn phƣơng pháp chế tạo vật liệu 29 2.1.2 Quy trình chế tạo thủy tinh Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ 30 2.1.2.1 Quy trình chế tạo thủy tinh Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ 30 2.1.2.2 Các phép đo 33 2.1.2.2.1 Phép đo phổ phát quang 33 2.1.2.2.2 Phép đo phổ kích thích phát quang 34 2.2 TỐI ƢU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATE-KIỀM PHA TẠP Sm3+, Tb3+ 35 2.2.1 Tối ƣu hóa điều kiện nhiệt độ thời gian nung 35 iv 2.2.2 Ảnh hƣởng nồng độ tạp đến hiệu suất lƣợng tử kích thích phát quang thủy tinh BorateKiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ 36 2.2.2.1 Phổ kích thích phát quang Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ theo nồng độ Sm3+ 37 2.2.2.2 Phổ kích thích phát quang Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ theo nồng độ Tb3+ 37 2.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp đến cƣờng độ phát quang màu sắc phát quang thủy tinh Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ 38 2.2.3.1 Theo nồng độ Sm3+ 38 2.2.3.2 Theo nồng độ Tb3+ 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 Các kết đề tài đạt đƣợc 46 Các kiến nghị 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Đƣờng biên bậc thang (màu xanh) Hình 1.2 Mơ hình tứ diện bát diện cấu trúc mạng thủy tinh 13 Hình 1.3 Một số oxit đất hiếm: (a) Ce2O3; (b) Sm2O3 18 Hình 1.4 Giản đồ mức lƣợng ion RE3+ - Giản đồ Dieke 21 Hình 1.5 Sự phân bố điện tử Tb 23 Hình 1.6 Các chuyển dời xạ (a) phổ PL tâm ion Tb3+trong vật liệu TbPO4(b) [9] 24 Hình 1.7 Các vịng trịn cấu hình điện tử Sm 25 Hình 2.1 Cân điện tử 31 Hình 2.2 Khn than dùng để chế tạo mẫu 31 Hình 2.3 Quy trình nung mẫu 32 Hình 2.4 Lấy mẫu khỏi lị (a) để nguội (b) 32 Hình 2.5 Máy đo phổ huỳnh quang 34 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ kích thích phát quang 34 Hình 2.7: Giản đồ phân tích nhiệt vi sai (DTG) mẫu thủy tinh trình nung Hình 2.8 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu thủy tinh BLN:Sm,Tb Hình 2.9 Phổ kích thích thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) Hình 2.10 Phổ kích thích thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Hình 2.11 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, 3+ 3+ 3+ Sm với nồng độ 0,75Tb xSm (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) 35 36 37 38 39 Hình 2.12 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+0,75Sm3+ 40 Hình 2.13 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1Sm3+ 40 Hình 2.14.Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1,25Sm3+ 41 Hình 2.15.Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1,5Sm3+ 41 vi Hình 2.16 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1,75Sm3+ Hình 2.17 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) 42 42 Hình 2.18 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+0,5Tb3+ 43 Hình 2.19 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+0,75Tb3+ 44 Hình 2.20 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+1Tb3+ 44 Hình 2.21 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+1,25Tb3+45 45 Hình 2.22 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+1,5Tb3+ 45 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Cấu hình điện tử trạng thái ion RE3+ 19 Bảng 2.1 Các hệ mẫu với nồng độ tạp khác đƣợc chế tạo 33 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đèn LED (Light Emitting Diodes) phát ánh sáng đỏ đƣợc chế tạo thành công vào năm 1962 Nick Holonyak Jr Năm 1970, LED thật đƣợc thƣơng mại hóa cơng ty Fairchild Semiconductor (Hoa kỳ) bán thị trƣờng xu Mỹ cho bóng LED đƣợc sản xuất quy trình Planar tiến sĩ Jean Hoerni phát minh Phƣơng pháp sản xuất LED theo quy trình đƣợc cơng ty dùng để sản xuất đèn chiếu sáng LED phạm vi toàn cầu Tuy nhiên “cha đẻ” LED M George Craford, ngƣời phát minh bóng đèn LED màu vàng có cƣờng độ sáng lớn sử dụng lĩnh vực chiếu sáng vào năm 1972 Năm 1976, T.P Pearsall tạo LED hiệu suất cao để ứng dụng lĩnh vực thông tin liên lạc sợi quang năm đánh dấu việc LED đƣợc thƣơng mại hóa để thay cho đèn thị làm đèn dây tóc, đèn neon hình bảy đoạn [12,14,15] Cho đến nguồn chiếu sáng thị trƣờng sở LED gồm loại: LED(RGB) (đèn LED tổ hợp màu: đỏ (red) xanh (green) xanh dƣơng (blue)) LED(PC) (đèn LED dùng phosphor change - chuyển đổi ánh sáng) Cả hai loại LED có cấu tạo gồm hai phần đƣợc thực giai đoạn quy trình chế tạo [9, 14]: Chíp LED gồm tim đèn khối bán dẫn có vùng cấm rộng loại tiếp giáp pn hai điện cực (anot catot) Phần gói phủ bao ngồi để tạo ánh sáng trắng (có thể kết hợp loại chíp LED đỏ, xanh xanh dƣơng gồm chíp LED với phosphor change - chuyển đổi ánh sáng kết hợp xanh dƣơng vàng) Hiệu suất phát quang đèn LED phụ thuộc nhiều (tỷ lệ ngƣợc) vào nhiệt độ LED tỏa Hầu hết vật liệu làm chíp LED bán dẫn có vùng cấm rộng thƣờng có chiết suất cao, điều dẫn đến phần lớn ánh sáng phát quang quay ngƣợc vào bên thay phát ngồi khơng khí Do làm tăng phát nhiệt (nóng lên) chip LED làm giảm hiệu suất phát quang Vì vậy, cơng nghệ trích xuất ánh sáng từ LED ngồi quan trọng, cần nhiều nghiên cứu phát triển [12, 3] 2.2 TỐI ƢU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATE-KIỀM PHA TẠP Sm3+, Tb3+ 2.2.1 Tối ƣu hóa điều kiện nhiệt độ thời gian nung Sử dụng phổ DTA để tối ƣu hóa cơng nghệ chế tạo Cơng nghệ chế tạo quan trọng có tính định đến chất lƣợng mẫu vật liệu Để có đƣợc mẫu có chất lƣợng tốt nhƣ mục tiêu đặt đề tài, ta phải kiểm sốt q trình hóa-lý xảy q trình chế tạo, để làm đƣợc điều tiến hành kiểm tra phổ DTG (nhiệt vi sai) trình nung mẫu Kết kiểm tra nhiệt vi sai đƣợc thực hệ đo phân tích nhiệt DTA Trung tâm Khoa học Vật liệu, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, kết đƣợc hình 2.7 Trên sở kết phân tích nhiệt vi sai chúng tơi điều chỉnh cơng nghệ chế tạo mẫu (chủ yếu điều chỉnh q trình nung) + Tại vị trí 1750C có xảy phản ứng hóa học làm tăng khối lƣợng mẫu, chúng tơi phải xử lý nhiệt khoảng thời gian 30 phút Tại vị trí 345 0C 3950C xãy phản ứng oxy hóa giải phóng CO2 làm cho khối lƣợng mẫu bị giảm xuống 3.54mg (6,57%) tƣơng ứng vị trí chúng tơi dừng nhiệt độ khoảng 30 phút với mục đích tạo điều kiện cho phản ứng xãy hết Ở nhiệt độ 9700C xảy trình hóa lỏng mẫu làm cho khối lƣợng mẫu giảm mạnh 4.14 mg (8,62%) Để tăng độ hòa tan khử bọt tốt nhiệt độ mẫu đƣợc nâng lên 10500C giữ nhiệt độ tối thiểu Hình 2.7: Giản đồ phân tích nhiệt vi sai (DTG) mẫu thủy tinh trình nung 35 Trên sở nhƣ chế tạo thành cơng hệ mẫu thủy tinh có chất lƣợng tốt Phép kiểm tra nhiễu xạ tia X phép đo chiết suất, khối lƣợng riêng phép đo quang khác cho thấy điều Mẫu sau chế tạo xong, để kiểm tra chất lƣợng pha kết tinh thủy tinh cần phải thực phép nhiễu xạ tia X Mẫu đƣợc nghiền, rây sàng để đƣợc lấy hạt có kích thƣớc từ 76 - 150 μm dùng thực phép đo nhiễu xạ tia X Phép đo đƣợc thực hệ Siemens D5000 Viện Khoa Học Vật Liệu – Viện hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Hình 2.8 phổ nhiễu xạ tia X mẫu thủy tinh BLN:Ce,Tb sau tối ƣu hóa cơng nghệ chế tạo Giản đồ nhiễu xạ tia X đƣợc ghi vùng góc 2θ có giá trị từ 150 đến 800 Phổ gồm dải nhiễu xạ rộng với vùng nhiễu xạ cực đại tƣơng ứng với góc 2θ khoảng 270 Điều cho thấy vật liệu có cấu trúc dạng vơ định hình, đặc trƣng vật liệu thủy tinh, kết thu đƣợc phù hợp với số cơng bố thủy tinh góc 2θ khoảng 250-300 cho thấy cấu trúc thủy tinh mẫu chế tạo đƣợc hồn hảo Hình 2.8 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu thủy tinh BLN:Sm,Tb 2.2.2 Ảnh hƣởng nồng độ tạp đến hiệu suất lƣợng tử kích thích phát quang thủy tinh BorateKiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ Nhƣ biết, phổ kích thích phát quang thực chất phổ hiệu suất phát quang ánh sáng kích thích với bƣớc sóng khác để tạo xạ phát quang bƣớc sóng Trong phần này, chúng tơi muốn dùng phổ kích thích phát quang để đánh giá cách trực tiếp hiệu suất phát quang tâm phát quang khác mẫu thủy tinh BLN:Tb3+, Sm3+ 36 2.2.2.1 Phổ kích thích phát quang Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ theo nồng độ Sm3+ Hình 2.9 mơ tả phổ kích thích mẫu BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) Hình 2.9 Phổ kích thích thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) Phổ kích thích ion Sm3+ có cƣờng độ kích thích mạnh vùng bƣớc sóng từ 330 nm - 480 nm Trong vùng bƣớc sóng chuyển dời từ mức 6H5/2 lên mức kích thích 4I11/2 (470 nm), 4I13/2 (459 nm), 4G9/2 (435 nm), 4M19/2 (415 nm), 6P3/2 (401 nm), 6P5/2 (377 nm), 6P7/2 (369 nm), 4D3/2 ( 358 nm), 4D7/2 (342 nm) Có thể dễ dàng quan sát thấy dải kích thích hầu nhƣ nằm vùng hoạt động nguồn sáng laser LED cung cấp ánh sáng UV, Đỏ cam thị trƣờng Trong đó, vạch kích thích mạnh có đỉnh bƣớc sóng 377 nm, ứng với chuyển dời 6H5/2→ 6P5/2 , chuyển dời thƣờng đƣợc sử dụng kích thích phát quang ion Sm3+ Trong vùng bƣớc sóng từ 290 nm - 330 nm, ion Sm3+ hồn tồn khơng bị kích thích (khơng xuất phổ), xuất cực đại phát quang ion Tb3+ Hiệu suất kích thích phát quang phụ thuộc vào nồng độ Sm đƣa vào BLN, với nồng độ Sm 1% mol có mẫu hiệu suất kích thích phát quang đạt cực đại 2.2.2.2 Phổ kích thích phát quang Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ theo nồng độ Tb3+ Hình 2.10 mơ tả phổ kích thích mẫu BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với 37 nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Hình 2.10 Phổ kích thích thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Phổ kích thích ion Tb3+ có cƣờng độ kích thích mạnh vùng bƣớc sóng từ 300 nm - 390 nm Trong vùng bƣớc sóng chuyển dời từ mức 7F6 lên mức kích thích 5D3 (377 nm), 5G6-2 (370 nm), 5D2 (351 nm), 5H7-4 (341 nm), D1 (317 nm), 5D0 (302 nm) Trong đó, vạch kích thích mạnh có đỉnh bƣớc sóng 377 nm, ứng với chuyển dời 7F6→ 5D3 Trong vùng bƣớc sóng từ 390 nm - 450 nm, ion Tb3+ hồn tồn khơng bị kích thích (khơng xuất phổ), xuất cực đại phát quang ion Sm3+ Hiệu suất kích thích phát quang phụ thuộc vào nồng độ Tb đƣa vào BLN, với nồng độ Tb 0.75% mol có mẫu hiệu suất kích thích phát quang đạt cực đại 2.2.3 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp đến cƣờng độ phát quang màu sắc phát quang thủy tinh Borate-Kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ 2.2.3.1 Theo nồng độ Sm3+ 2.2.3.1.1 Phổ phát quang Hình 2.11 mơ tả phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) 38 Hình 2.11 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) Phổ phát quang ion Sm3+ gồm dải phát xạ (từ 550 nm – 720 nm) đặc trƣng ion Sm3+, dải phát xạ tƣơng ứng với lƣợng đƣợc giải phóng q trình hồi phục điện tử từ mức 4G5/2 xuống mức 6Hx (x = 5/2; 7/2; 9/2; 11/2) , dịch chuyển 4G5/2 → 6H7/2 có cƣờng độ lớn Vị trí xuất cực đại xạ ion Sm3+ không chịu ảnh hƣởng từ phổ Tb3+ Kết vật liệu thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+, Tb3+ phát quang màu đỏ cam ứng dụng làm vật liệu chế tạo LED phát quang ánh sáng màu đỏ cam 2.2.3.1.2 Phổ tọa độ màu CIE xạ phát quang vật liệu Nhằm định hƣớng ứng dụng vật liệu chế tạo vật liệu quang học Chúng tiến hành tính tốn xác định toạ độ màu CIE (Commission Internationle Eclairage 1931) Hình 2.12-2.16 mơ tả tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:0.75Tb3+; xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75) phụ thuộc nồng độ tạp Tb3+ có mặt mẫu 39 Hình 2.12 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+0,75Sm3 Coordinates x, y, z: x = 0.4158147, y = 0.5121400, z = 0.0720453 Color RGB(Red, Green, Blue)Index R = 243,Index G = 255,Index B = 50 Hình 2.13 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1Sm3+ Coordinates x, y, z: x = 0.4289773, y = 0.5041797, z = 0.0668430 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 255, Index G = 244, Index B = 46 40 Hình 2.14.Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1,25Sm3+ Coordinates x, y, z: x = 0.3904318, y = 0.5274906, z = 0.0820776 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 200, Index G = 255, Index B = 52 Hình 2.15.Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1,5Sm3+ Coordinates x, y, z: x = 0.3904318, y = 0.5274906 , z = 0.0820776 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 200, Index G = 255, Index B = 52 41 Hình 2.16 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1,75Sm3+ Coordinates x, y, z: x = 0.3785819, y = 0.5346570, z = 0.0867611 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 181, Index G = 255, Index B = 54 Chúng thấy thay đổi nồng độ Sm3+ giản đồ tọa độ màu có thay đổi, cụ thể: nồng độ Sm3+ tăng từ 0,75 %mol đến %mol tọa độ màu đến gần vị trí tối ƣu, cịn nồng độ Sm3+ tiếp tục tăng từ %mol đến 1,75 %mol tọa độ màu xa vị trí tối ƣu Có thể thấy hình 2.13 tối ƣu có tọa độ x = 0.42898 ; y = 0,0.50418 ứng với Sm3+ có nồng độ 1%mol 2.2.3.2 Theo nồng độ Tb3+ 2.2.3.2.1 Phổ phát quang Hình 2.13 mơ tả phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Hình 2.17 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+ với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) 42 Phổ phát quang ion Tb3+ gồm dải phát xạ (từ 480 nm – 660 nm) đặc trƣng ion Tb3+, dải phát xạ tƣơng ứng với lƣợng đƣợc giải phóng q trình hồi phục điện tử từ mức 5D4 xuống mức 7Fj (j = 3; 4; 5; 6) , dịch chuyển 5D4 → 7F5 có cƣờng độ lớn Vị trí xuất cực đại xạ ion Tb3+ không chịu ảnh hƣởng từ phổ Sm3+ Kết vật liệu thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+, Tb3+ phát quang màu vàng xanh ứng dụng làm vật liệu chế tạo LED phát quang ánh sáng màu vàng xanh Kết cho thấy hệ thủy tinh tồn loại tâm phát quang Tb3+ Sm3+ phát quang tâm độc lập với 2.2.3.2 Tọa độ màu CIE xạ phát quang vật Nhằm định hƣớng ứng dụng vật liệu chế tạo vật liệu quang học Chúng tơi tiến hành tính tốn xác định toạ độ màu CIE (Commission Internationle Eclairage 1931) Hình 2.18-2.22 mơ tả tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) phụ thuộc nồng độ tạp Sm3+ có mặt mẫu Hình 2.18 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+0,5Tb3+ Coordinates x, y, z: x = 0.4636074, y = 0.4832368, z = 0.0531559 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 255, Index G = 194,Index B = 33 43 Hình 2.19 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+0,75Tb3+ Coordinates x, y, z: x = 0.4479204, y = 0.4927236, z = 0.0593559 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 255, Index G = 215, Index B = 38 Hình 2.20 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN:1Sm3+1Tb3+ Coordinates x, y, z: x = 0.4758702, y = 0.4758207, z = 0.0483091 Color RGB(Red, Green, Blue)Index R = 255, Index G = 180, Index B = 29 44 Hình 2.21 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+1,25Tb3+ Coordinates x, y, z: x = 0.4966470, y = 0.4632557, z = 0.0400973 Color RGB(Red, Green, Blue) Index R = 255, Index G = 158, Index B = 23 Hình 2.22 Tọa độ màu CIE thủy tinh BLN: 1Sm3+1,5Tb3+ Chúng tơi thấy thay đổi nồng độ Tb3+ giản đồ tọa độ màu có thay đổi, cụ thể: nồng độ Tb3+ tăng từ 0,5 %mol đến 0,75 %mol tọa độ màu đến gần vị trí tối ƣu, nồng độ Tb3+ tiếp tục tăng từ 0,75 %mol đến 1,5 %mol tọa độ màu xa vị trí tối ƣu Có thể thấy hình 2.19 tối ƣu có tọa độ x = 0.42898 ; y = 0,0.50418 ứng với Tb3+ có nồng độ 0,75%mol Bức xạ thủy tinh BLN đồng pha tạp Sm3+ Tb3+ tổng hợp hai xạ nằm vùng ánh sáng trắng (từ màu đỏ - cam đến màu vàng - xanh cây) Nhƣ kết cho thấy vật liệu đồng pha tạp Tb3+ Sm3+ xạ ánh sáng kép (hai màu) đƣợc kích thích cách hiệu ánh sáng tử ngoại tử ngoại gần, thích hợp để chế tạo đèn LED trắng sử dụng kỹ thuật chiếu sáng hiển thị, đặc biệt nguồn ánh sáng màu trắng [13] 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết khóa luận đạt đƣợc Thực mục tiêu khóa luận là: chế tạo nghiên cứu tính chất quang thủy tinh borate-kiềm pha tạp Sm3+, Tb3+ Sau năm thực nghiên cứu, nội dung mà nhóm đề tài thực đạt đƣợc nhƣ sau: Các kết đạt Đã nghiên cứu thiết lập đƣợc quy trình cơng nghệ chế tạo thủy tinh boratkiềm pha tạp đồng pha tạp nguyên tố đất (Sm3+, Tb3+) phƣơng pháp nóng chảy (phân tích nhiệt (DTA) để xác định nhiệt độ xác lập quy trình xử lý nhiệt thích hợp việc hình thành thuỷ tinh, khảo sát cấu trúc mẫu thu đƣợc bao gồm chiết suất, tỷ trọng, nhiễu xạ tia X); Tối ƣu hóa quy trình cơng nghệ chế tạo mẫu vật liệu (chuẩn bị hỗn hợp vật liệu; quy trình nung, ủ mẫu; bƣớc gia công mẫu); Chế tạo thành công hệ mẫu thủy tinh borat-kiềm (BLN) pha tạp Sm3+, Tb3+ với nồng độ tạp Sm Tb khác Đã thực nghiên cứu tính chất quang vật liệu (phát quang, phát quang kích thích), cụ thể là: - Kết nghiên cứu cho thấy cƣờng độ phát quang Sm3+ hoặc/và Tb3+ thủy tinh BLN:Sm,Tb chịu ảnh hƣởng nồng độ ion Sm3+ hoặc/và Tb3+, nồng độ tối ƣu Sm3+ Tb3+ lần lƣợt 1% mol 0,75 mol% tƣơng ứng - Sự phát quang thủy tinh BLN: Sm3+, Tb3+ đƣợc xác định trình dịch chuyển 4f-5d ion Sm mức lƣợng khác f - f ion Tb, nên vật liệu phát xạ kép từ đỏ - cam (Red – ogrange ) đến màu vàng - xanh (yellowish – green)) - Đánh giá đƣợc tọa độ màu xạ phát quang vật liệu, kết thủy tinh BLN: Sm, Tb có tiềm ứng dụng LED trắng - Đã củng cố đƣợc kiến thức môn học nhƣ: Vật lý chất rắn, Cơ học lƣợng tử, Quang học Các công việc cụ thể mà nhóm đề tài thực gồm: - Tập hợp thông tin tƣ liệu, viết báo cáo, trình bày seminar thủy tinh borate-kiềm chứa đất phƣơng pháp chế tạo thủy tinh để lựa chọn công nghệ phƣơng pháp chế tạo phù hợp cho kết tốt 46 - Lắp đặt thiết bị chuẩn bị điều kiện cần thiết để chế tạo mẫu (lò nung, tủ sấy, khn, cốc nung ) - Chế tạo thăm dị mẫu có thành phần theo dự kiến, kết hợp với việc phân tích nhiệt (DTA) để xác định nhiệt độ xác lập quy trình xử lý nhiệt thích hợp việc hình thành thuỷ tinh, khảo sát cấu trúc mẫu thu đƣợc bao gồm chiết suất, tỷ trọng, nhiễu xạ tia X từ tối ƣu hóa cơng nghệ chế tạo vật liệu - Thực nghiên cứu thực nghiệm tính chất quang vật liệu (phổ hấp thụ, phổ quang phát quang, kích thích phát quang ) - Thực tính tốn tọa độ màu xạ phát quang vật liệu, sở kết để đề xuất nồng độ tối ƣu tạp để có xạ gần vùng ánh sáng trắng Các kiến nghị Vật liệu thủy tinh cao cấp pha tạp đất ngày khẳng định vị trí qua ứng dụng khoa học công nghệ nhƣ đời sống Vì đề tài có ý nghĩa khoa học công nghệ nhƣ đào tạo Theo chúng tơi để có đƣợc sản phẩm tốt cần có nghiên cứu có tính hệ thống theo hƣớng: nhiều tạp khác loại nền; loại khác cho loại tạp đề xuất hƣớng phát triển đề tài 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alajerami Y.S.M, Hashim S, Hassan W.M.S.W, Ramli A.T, Kasim A; Optical properties of lithium magnesium borate glasses doped with Dy3+and Sm3+ ions, Physica B 407 (2012), p2398 - p2403 [2] Tran Ngoc, Bài giảng thủy tinh [3] Nakamura S and Fasol G, The Blue Laser Diode (Berline: Springer) (1996) [4] Ofelt G.S (1962), Intensities of crystal spectra of rate earth ions, J.Chem.Phys 37, p511 - p520 [5] Vũ Xuân Quang (1999), Quang phổ tâm điện tử vật rắn, Viện khoa học vật liệu, Hà Nội [6] Christane Gorller, Walrand, K Binnemans (1999), Spectral intensities of f-f transition, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, Vol.26, p101-p252 [7] Vũ Xuân Quang (2008), Lý thuyết Judd - Ofelt Quang phổ vật liệu chứa đất hiếm, proceedings of the 2nd international Workshop on Spectroscopy and its application - Da Nang, Viet Nam [8] Lê Văn Tuất (2004), Bài giảng chuyên đề Vật liệu phát quang, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Huế [9] Lin, H., Pun, E Y B, Wang, X, and Liu, X, Intense visible fluorescence and energy transfer in Dy3+, Tb3+, Sm3+ and Eu3+ doped rare - earth borate glasses J Alloys Compounds 390 (2005), pp197 - 201 [10] Judd B R (1962), Optical Absorption intensities of Rare - Earth ion, Phys Rev 127, (No3), p750 - p761 [11] Alajerami Y.S.M, Hashim S, Hassan W.M.S.W, Ramli A.T, Kasim A (2012), Optical properties of lithium magnesium borate glasses doped with Dy3+and Sm3+ ions, Physica B 407, p2398 - p2403 [12] Ofelt G.S, Intensities of crystal spectra of rate earth ions, J.Chem.Phys 37 (1962), pp 511 - 520 [13] Tripathi G, Rai VK, Rai SB, Spectrochim Acta A,(2005); 62:1120–4 [14] P V Do, V.P.Tuyen, V.X.Quang, L.X.Hung, L.D.Thanh, T.Ngoc,N.V.Tam, B.T.Huy; Opt Mater., 55(2016), pp 62-67 48 [15]Y.C Ratnakaram; D Thirupathi Naidu, , Spectral studies of Sm3+ and Dy3+ doped lithium cesium mixed alkali borate glasses, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol 352 (2006), Issue 8, pp 3914 - 3922 [16] Christane Görller, Walrand and K Binnemans, Handbook on the Physics and Chemistry of RE Vol.25 (2009), pp101– 252 [17] T Ngoc; Internal Journal of Engineering and Innovative Technology, Vol 4, Issue 10 (2015) 152-154 [18] T Ngoc; Internal Journal of Engineering and Innovative Technology, Vol 8, Issue (2015) 6-9 49 ... 2.2 TỐI ƢU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATE- KIỀM PHA TẠP Sm3 +, Tb3 + 2.2.1 Tối ƣu hóa điều kiện nhiệt độ thời gian nung Sử dụng phổ DTA để tối ƣu hóa cơng nghệ chế tạo Cơng nghệ chế tạo. .. QUẢNG BÌNH KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN - - TRẦN THỊ HÀ TỐI ƢU HĨA CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO THỦY TINH BORATE ĐỒNG PHA TẠP Sm VÀ Tb ĐỊNH HƢỚNG CHẾ TẠO ĐÈN LED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHÓA: 2013 - 2017 Ngành:... thích thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3 +, Sm3 + với nồng độ 1Sm3 +yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5) Hình 2.11 Phổ phát quang hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3 +, 3+ 3+ 3+ Sm với nồng độ 0,7 5Tb xSm (x