zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Khoa Học Tự Nhiên

Các tính chất quang học của ion europium trong thủy tinh xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. 10Na2O

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Các tính chất quang học của ion europium trong thủy tinh xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. 10Na2O báo cáo các kết quả khảo sát tính chất quang học thuỷ tinh xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO.10Na2O pha tạp 1Eu2O3. Từ phổ phát quang và sử dụng lý thuyết Judd- Ofelt (J-O) để tính toán các thông số Ωλ(λ=2, 4, 6), các thông số này cho các thông tin về tính đối xứng và cấu trúc xung quanh các ion đất hiếm (RE), độ đồng hóa trị trong tương tác giữa các ion RE và các ion oxygen, độ ổn định của vật liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các tính chất quang học của ion europium trong thủy tinh xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. 10Na2O

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 1 101 CÁC TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA ION EUROPIUM TRONG THỦY TINH xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. 10Na2O OPTICAL PROPERTIES OF ION EUROPIUM IN THE XB2O3.(80-X) TEO2.10ZnO. 10Na2O GLASSES Trần Thị Hồng Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; Emal: hongk22@gmail.com Tóm tắt - Các mẫu thủy tinh BTZN: xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. Abstract - Eu3+ doped glasses with various composition 10Na2O (với x =30, 40, 50, 60) pha tạp Eu3+ được chế tạo bằng xB2O3.(80-x)TeO2.10ZnO.10Na2O (x =30, 40, 50, 60) (BTZN) phương pháp nóng chảy trong môi trường không khí. Phổ phát were produced by the melting method in air. The quang và phổ kích thích của Eu3+ trong các mẫu thủy tinh đã được photoluminescence spectra (PL) and excitation luminescence khảo sát. Sử dụng phổ phát quang để tính toán các thông số Ω2, (PLE) of Eu3+ ions in these samples were observed. The obtained Ω4, Ω6 bằng lý thuyết Judd-Ofelt. Các thông số Ω2, Ω4, Ω6 này results have been used for calculating Ω2, Ω4, Ω6 parameters by cho phép xác định được các tính chất của ion Eu3+ trong các mẫu using Judd-Ofelt theory. These Ω2, Ω4, Ω6 parameters allow to thủy tinh như: xác suất chuyển dời, tỷ số phân nhánh, thời gian derive radiative properties of Eu3+ ions in glasses material such as sống của trạng thái kích thích và tỷ số cường độ huỳnh quang của transition probabilities, branching ratios, radiative life times and các chuyển dời 5D0→ 7FJ (j = 2, 4, 6). Mặt khác, từ các thông số peak stimulated emission cross-section for the 5D0→ 7FJ (J= 2, 4, này cho các thông tin về tính đối xứng, cấu trúc trường tinh thể, độ 6) transition. On the other hand, these parameters give the đồng hóa trị giữa Eu-O và độ bền vững của vật liêu. information about symmetry and local structure around Eu3+ ions and Eu-O covalence, rigidity of materials. Từ khóa - thủy tinh Tellurite; nguyên tố đất hiếm; ion Eu; tính chất Key words - Tellurite glass; Rare earth; Ion europium; Optical quang học; truyền năng lượng. properies; Energy transfer. rồi hạ nhiệt độ xuống 1150oC và giữ ở nhiệt độ này trong 1. Đặt vấn đề 15 phút, sau đó hạ từ từ xuống nhiệt độ phòng. Tất cả các Hiện nay, một trong những lĩnh vực nghiên cứu được mẫu đều trong suốt, sau đó được mài và đánh bóng các mẫu quan tâm nhất là phát triển các linh kiện quang học dùng trước khi tiến hành các phép đo quang học. trong viễn thông, sợi quang, laser rắn, hiển thị 3D… dựa trên các vật liệu pha tạp đất hiếm. Để như vậy, đầu tiên 3. Kết quả nghiên cứu và khảo sát người ta chú ý tìm các vật liệu có năng lượng phonon nhỏ 3.1. Các đặc tính về cấu trúc để giảm quá trình phát xạ nhiệt đa phonon và nâng cao tiết Tất cả các mẫu đều được tiến hành kiểm tra cấu trúc diện quang của các ion đất hiếm [1]. bằng nhiễu xạ tia X trên máy nhiễu xạ XRD-D5000 Trước đây, vật liệu chaleogenide có năng lượng thấp SIEMENS tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm (300cm-1), nhưng vật liệu này không có sự ổn định cơ, nhiệt Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Kết quả nhiễu xạ được và hoá. Trong khi đó, thuỷ tinh silica lại có sự ổn định cơ, trình bày trên Hình 1a-d. Từ giản đồ nhiễu xạ cho thấy tất nhiệt và hoá nhưng năng lượng khá lớn (1100cm-1). Vì vậy cả các mẫu đều có cấu trúc vô định hình. cần phải tìm một loại vật liệu có năng lượng phonon thấp mà độ bền hoá, bền cơ học cao... thì thuỷ tinh Tellurite (650-750cm-1) (thủy tinh BTZN) đại diện cho sự kết hợp này [1]. Trong bài báo này, chúng tôi báo cáo các kết quả khảo sát tính chất quang học thuỷ tinh xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO.10Na2O pha tạp 1Eu2O3. Từ phổ phát quang và sử dụng lý thuyết Judd- Ofelt (J-O) để tính toán các thông số Ωλ(λ=2, 4, 6), các thông số này cho các thông tin về tính đối xứng và cấu trúc xung quanh các ion đất hiếm (RE), độ đồng hóa trị trong tương tác giữa các ion RE và các ion oxygen, độ ổn định của vật liệu. 2. Thực nghiệm Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu thuỷ tinh: BTZN30 (a), BTZN40 (b), BTZN50 (c), BTZN60 (d) Tất cả các mẫu thuỷ tinh được chế tạo bằng phương pháp nóng chảy với các hoá chất ban đầu: H2BO3, TeO2, 3.2. Phổ phát quang ZnO, Na2CO3 và Eu2O3 theo tỷ lệ xH2BO3-(80-x)TeO2- Phổ phát quang của các mẫu được trình bày trên Hình 10ZnO-10Na2CO3-1Eu2O (với x= 30, 40, 50, 60). Ký hiệu 2a-d với bước sóng kích thích 394 nm trên hệ đo FL3-22 các mẫu lần lượt là: BTZN30, BTZN40, BTZN50, của Phòng Quang phổ- Đại học Duy Tân Đà Nẵng. Chúng BTZN60. Các hoá chất được trộn, nghiền với tỉ lệ thích hợp tôi quan sát được các chuyển dời phát quang khá mạnh và như trên và sấy ở nhiệt độ 500C trong thời gian 3 giờ. Sau quan sát được trên tất cả các mẫu là chuyển dời: 5D0→7F0 đó cho vào cốc Platin, đưa vào lò nung điện với tốc độ gia (578 nm), 5D0→7F1 (591 nm), 5D0→7F2 (612 nm), 5D0→7F3 nhiệt 100C/phút từ nhiệt độ phòng lên đến nhiệt độ 1250oC, (653 nm), 5D0→7F4 (703 nm)
102 Trần Thị Hồng Phổ phát quang của các mẫu có dạng như nhau, nhưng vùng tử ngoại, màu xanh lá cây và màu xanh da trời để kích cường độ khác nhau, cụ thể khi tăng H2BO3 thì cường độ thích đối với Eu3+. phát quang tăng lên rõ rệt. Với dịch chuyển 5D0 →F1 thì khi đối chiếu với quy tắc lọc lựa của chuyển dời lưỡng cực từ cũng như từ công bố rất quen thuộc về phát quang của Eu3+ thì đây chính là chuyển dời lưỡng cực từ. Về lý thuyết trong gần đúng bậc 1 thì lực dao động tử của các chuyển dời lưỡng cực từ là không phụ thuộc vào môi trường xung quanh ion. Những người nghiên cứu về phát quang của Eu3+ đều dùng chuyển dời lưỡng cực từ đó như một tiêu chuẩn nội của hiệu suất phát quang [2]. Cụ thể như sau: Tín hiệu phát quang quan trọng nhất của Eu3+ là chuyển dời 5D0 →7F2 và 5D0 → 7F4. Chúng đều là các chuyển dời lưỡng cực điện thỏa mãn quy tắc lọc lựa Judd- Ofelt (J-O) cho Eu3+ và mọi chuyển dời lưỡng cực điện đều phụ thuộc mạnh vào đối xứng xung quanh của ion tức là phụ thuộc vào môi trường được pha tạp. Hình 3. Phổ kích thích của các mẫu thuỷ tinh BTZN ứng với bức xạ 612 nm 3.4. Phân tích Judd-Ofelt Lý thuyết Judd-Ofelt cho phép mô tả và đánh giá định lượng tính chất quang học của các ion đất hiếm dựa trên phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang của các chuyển dời f-f. Việc áp dụng lý thuyết J-O đã và đang được thực hiện rất rộng rãi và hiệu quả trong hàng loạt vật liệu quang học, nhất là thủy tinh chứa đất hiếm [3, 4] Nói chung, có thể áp dụng lý thuyết J-O để tính toán các tham số cường độ Ω2, Ω4 và Ω6 trên cơ sở các số liệu thực nghiệm của phổ hấp thụ hoặc huỳnh quang. Đặc biệt với các mẫu chứa Eu3+ việc phân tích J-O thông qua phổ hấp thụ gặp khó khăn vì phổ hấp thụ vùng UV-VIS chỉ ghi các đỉnh có cường độ rất yếu. Cũng như nhiều tác giả khác, Hình 2. Phổ phát quang của các mẫu thuỷ tinh: BTZN30 (a), chúng tôi lựa chọn giải pháp tính các tham số Ωt trên các BTZN40 (b), BTZN50 (c), BTZN60 (d) (λexc=394 nm) số liệu thực nghiệm từ phổ phát quang. 3.3. Phổ kích thích Dịch chuyển 5D0→7F1: dịch chuyển lưỡng cực từ và xác suất chuyển dời lưỡng cực từ Amd là: 64 4  3 e2h2 2 Amd = n3 J L + 2 S  ' J ' 3h 2 J + 1 4m2c 2 Dịch chuyển 5D0→7FJ (J =2, 4, 6): dịch chuyển lưỡng cực điện và xác suất chuyển dời lưỡng cực điện là: ( 64 4e 2  3 n n 2 + 2 )2 Aed = 3h 2 J ' + 1 9   t  J U t  ' J '  2 t = 2, 4 , 6 Trong đó:  : tần số của chuyển dời; h: hằng số Planck; e: điện tích của điện tử; m: khối lượng của điện tử; n: chiết suất; c: vận tốc ánh sáng; Ωt: thông số cường độ; J’, J: Hình 4. Giản đồ các mức năng lượng của Eu3+ trong moment cơ toàn phần;  J U t  ' J '  2 : ma trận của chuyển các mẫu thuỷ tinh BTZN khi kích thích bởi bước sóng 394 nm dời từ trạng thái ψJ đến ψ’J’; S: spin; L: moment quỹ đạo. Phổ kích thích của các mẫu (ứng với bức xạ 612nm) có dạng tương tự nhau, bao gồm 15 dịch chuyển: 7F0 - 5F4 (299 Vì ||U6||2 = ||2 = 0,0003, trên thực tế người nm), 7F0 - 5F2 (304 nm), 7F0 – 5H6 (319 nm), 7F0 – 5H7 (327 ta coi bằng 0. Vì vậy trong trường hợp này chúng tôi không nm), 7F0 – 5D4 (361 nm), 7F1 – 5D4 (365 nm), 7F0 – 5G4 (377 tính Ω6. Vì ||U6||2 ≈ 0 [5], có nghĩa rằng xác suất chuyển dời nm), 7F1 – 5L7 (382 nm), 7F0 – 5L6 (394 nm), 7F1 – 5L6 (400 của 5D0 - 7F6 thực tế là bỏ qua, cho nên, ta chỉ cần đánh giá nm), 7F1 – 5D3 (414 nm), 7F0 – 5D2 (465 nm), 7F1 – 5D2 (472 xác suất chuyển dời A0-2 và A0-4 của các chuyển dời tương nm), 7F0 – 5D1 (526 nm), 7F1 – 5D1 (533 nm) ứng với các ứng 5D0 - 7F2 và 5D0 - 7F4. chuyển dời như Hình 3. Trong đó, cường độ kích thích ở Xác suất chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện AJ cho các vùng 394 nm, 465 nm và 533 nm là mạnh hơn. Điều chuyển dời 5D0 - 7FJ (J = 2, 4, 6) phụ thuộc chỉ vào Ω2, hoặc này cho thấy có thể dùng laser diot (LDs) và Leds phát ở Ω4 hoặc Ω6 tương ứng. Đặc điểm đó cho phép ta xác định
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 1 103 từng Ωt từ tỷ số sau đây: mới của thủy tinh. Mặt khác, tỷ số phân nhánh βR có giá trị lớn nhất ứng với chuyển dời 5D0 - 7F2, tiếp theo là 5D0 - 7F1 A J  IJ d e2 3J n J (n J2 + 2) 2 ( ) và cuối cùng là 5D0 - 7F4 trên tất cả các mẫu. Như vậy, 2 = = J U J A1  I1d SMD 13 9n1 3 chuyển dời đáng lưu tâm nhất là 5D0 - 7F2 có tỷ số phân nhánh lớn. Điều này cho thấy vật liệu thủy tinh BTZN là Trong đó SMD,1 là cường độ vạch lưỡng cực từ của vật liệu có nhiều triển vọng tốt cho Laser. 2 2 chuyển dời 5D0 - 7F1 và S MD = e h J L + 2S  ' J ' . Tỷ 2 Bảng 2. Thời gian sống của trạng thái kích thích 5D0 16 2 m 2c 2 và tỷ số phân nhánh của các mẫu thủy tinh số AJ/A1 chính là tỷ số giữa diện tích dải huỳnh quang 5D0 - 7FJ và diện tích dải huỳnh quang lưỡng cực từ 5D0 - 7F1. Mẫu τcal (ms) βR (%) 5 7 5 Từ đây tính được Ωt (t =2, 4) ở Bảng 1 D 0 - F1 D0 - 7F2 5 D0 - 7F4 Bảng 1. Các thông số Judd-Ofelt (Ωλ x 10-20cm2) BTZN30 2,75 22,81 73,43 3,76 của các mẫu thủy tinh BTZN40 2,91 23,01 73,16 3,83 Ωt BTZN30 BTZN40 BTZN50 BTZN60 BTZN50 3,03 23,15 72,92 3,93 Ω2 4,744 4,728 4,713 4,639 BTZN60 3,17 23,36 72,65 3,99 Ω4 0,517 0,527 0,541 0,567 4. Kết luận Ω6 ……. ……. ……… ……. Lựa chọn phổ phát quang để áp dụng lý thuyết Judd- Từ Bảng 1 cho thấy khi tăng hàm lượng B2O3 (tức giảm Ofelt tính toán các thông số đặc trưng cho thủy tinh hàm lượng TeO2) thì Ω2 giảm hay độ bất đối xứng giảm tức xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. 10Na2O. Đó là đánh giá được tính đối xứng xung quanh ion Eu3+ tăng và độ đồng hóa trị cường độ, ước lượng thời gian sống của các chuyển dời, giữa Eu-O giảm. Mặt khác, cũng từ Bảng 1 cho thấy Ω4 tiên đoán dạng phổ của các ion đất hiếm. Các thông số tăng theo hàm lượng của B2O3, điều này được giải thích là Judd-Ofelt cũng cho phép đánh giá nhiều đặc trưng của môi khi tăng hàm lượng B2O3 (tức giảm hàm lượng TeO2 thì độ trường xung quanh các ion đất hiếm như độ bất đối xứng bền vững (độ cứng) của vật liệu tăng lên. (asymmetry), độ đồng hoá trị (covalence), độ bền chắc Các thông số tính từ lý thuyết Judd-Ofelt không những (rigidity)…Cụ thể khi tăng hàm lượng B2O3 thì: cho các thông tin về tính bất đối xứng, độ đồng hoá trị, độ 1. Độ bất đối xứng của trường tinh thể xung quanh Eu3+ cứng của vật liệu... Mà từ các thông số Ωλ còn cho biết giảm dần hay tính đối xứng trường tinh thể xung quanh những thông tin về xác xuất dịch chuyển, thời gian sống Eu3+ tăng dần. của trạng thái kích thích, cũng như tỷ số phân nhánh. 2. Độ cứng của vật liệu tăng lên. Xác xuất dịch chuyển từ trạng thái ΨJ → Ψ’J’ là: 3. Thời gian sống của trạng thái kích thích 5D0 →7F2 A(ΨJ,Ψ’J’) = AED +AMD tăng dần. Thời gian sống: A (J ) = A(J ,  ' J ' ) = 1 /  total   'J ' cal 4. Tỷ số phân nhánh với chuyển dời 5D0 - 7F2 là lớn nhất. Điều này khẳng định thủy tinh xB2O3.(80-x) TeO2.10ZnO. Tỷ số phân nhánh: βR(ψJ,ψ’J’)=A(ψJ,ψ’J’)/Atotal (ψJ) 10Na2O có nhiều triển vọng trong lĩnh vực Laser. Xác xuất chuyển dời tổng cộng Atotal từ mức 5D0 xuống các mức 7FJ về lý thuyết chỉ là tổng xác xuất của ba chuyển TÀI LIỆU THAM KHẢO dời 5D0 - 7F2, 5D0 - 7F4, 5D0 - 7F1 cụ thể: [1] M. Clara Goncalves, Luis F. Santos, Rui M. Almeida, Rare earth- doped transparent glass ceramic, (2002) C.R. Chimie, Vol. 5, pp. A ED A ED A MD Atotal ( ΨJ ) = 0−2 + 0−4 + 0−1 845-854. [2] Judd B. R., Optical absorption intensities of Rare-Earth ion, (1962), Từ đây ta tính được thời gian sống của trạng thái 5D0 và Phys. Rev. Vol. 127, No 3, pp. 750-761. tỷ số phân nhánh βR trên các mẫu (Bảng 2). [3] Babu P., Jayasankar C.K., Optical spectroscopy of Eu3+ ions in Từ Bảng 2 cho thấy khi tăng hàm lượng của B2O3 thì lithium borate and lithium fluoroborate glasses, (2000), Physica B, thời gian sống của trạng thái 5D0 tăng lên đáng kể và tỷ số Vol. 279, pp. 262-281. phân nhánh cũng tăng lên. Tuy nhiên ta không thể loại bỏ [4] C.Goerller-Walrand, K.Binnemans, Handbook on Physics and Chemistry of Rare Earth, (1998), Spectral intensiries of f-f hoàn toàn TeO2 ra khỏi vật liệu để có một vật liệu tối ưu, transitions, Chapter 167, pp. 101-264. bởi lý do TeO2 trong vật liệu thủy tinh này là chất tạo thành [5] S. surendra Babu, P. badu, CK. Jayasarkar, W. sievers, Th. Troster, mạng chủ yếu (network former) với tần số dao động mạng G. Womtann, Optical absortion and photoluminescence studies of vào cỡ 417 – 750 cm-1, còn B2O3 đóng vai trò như một biến Eu3+ - doped phosphate and fluorophosphate glasses, (2007), Joural of luminescence, Vol. 126, pp. 109-120. thể của mạng (network modifier) để tạo nên một số đặc tính (BBT nhận bài: 15/09/2014, phản biện xong: 28/11/2014)

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.