intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tính chất màng mỏng ZnO pha tạp nguyên tố đất hiếm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST
Báo xấu
24
lượt xem 6
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về cấu trúc của vật liệu ZnO, cơ chế phát quang của vật liệu ZnO, cơ chế phát quang của màng mỏng ZnO pha tạp đất hiếm; chế tạo màng ZnO pha tạp Eu3+ (2% và 4%) ở một số nhiệt độ đế và nhiệt độ ủ 400oC sử dụng phương pháp phun tĩnh điện; khảo sát một số tính chất của màng mỏng ZnO pha tạp Eu3+ (2% và 4%) phát quang trong vùng ánh sáng đỏ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tính chất màng mỏng ZnO pha tạp nguyên tố đất hiếm

  1. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ––––––––––––––––––––––––– Nguyễn Thị Thảo NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG ZnO PHA TẠP NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014
  2. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ––––––––––––––––––––––––– Nguyễn Thị Thảo NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG ZnO PHA TẠP NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60.44.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Nguyên Hải Hà Nội - Năm 2014
  3. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Phạm Nguyên Hải là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn CN. Nguyễn Văn Thanh là người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm việc thực nghiệm để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các Thầy cô trong Bộ môn Vật lý chất rắn đã dạy dỗ và trang bị cho tôi những tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Quang Hòa, thầy Sái Công Doanh và Dương Thị Mai Hương đã giúp đỡ tôi trong các phép đo. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình và bạn bè – nguồn động viên quan trọng nhất về mặt tinh thần cũng như vật chất giúp tôi có điều kiện học tập và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay. Xin chân trọng cảm ơn!!! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Thảo
  4. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Nguyên Hải. Các số liệu và kết quả trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không có bất cứ sao chép nào từ các công bố của người khác mà không có trích dẫn trong mục tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thảo
  5. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danhmụcbảngbiểu Lời mở đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ................................................................... 3 1.1. Một số tính chất vật lý của ZnO ...................................................................... 3 1.1.1. Cấu trúc mạng lục giác Wurtzite ................................................................... 3 1.1.2. Cấu trúc mạng lập phương giả kẽm ............................................................. 4 1.1.3. Cấu trúc mạng lập phương đơn giản kiểu NaCl...................................... 5 1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO dạng lục giác wurtzite .................. 6 1.3. TínhchấtquangcủavậtliệuZnO ....................................................................... 8 1.4. Cácnguyêntốđấthiếm ........................................................................................ 9 1.4.1. Giới thiệu về các nguyên tố đất hiếm .......................................................... 9 1.4.2. Sự phát xạ của ion đất hiếm .......................................................................... 10 1.4.3. Ion Europium III (Eu3+) ................................................................................... 11 1.5. VậtliệuZnOphatạp Eu3+vàứngdụng ........................................................... 13 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................. 15 2.1. Chế tạo mẫu bằng phương pháp phun tĩnh điện....................................... 15 2.2. Các phương pháp thực nghiệm xác định tính chất của mẫu ............... 16 2 2 1 hương phap nhieu xa tia ............................................................ 17 2 2 2 hương phap quan at anh hien vi đien tư quet M .................... 18 2.2.3. Ảnh hiển vi lực nguyên tử AFM ................................................................... 20 2 2 4 hổ tán ắc năng lượng ........................................................................... 20
  6. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo 2.2.5. Phổquanghuynh quang .................................................................................. 21 2.2.6 hương pháp đo phổ tán xạ Raman .......................................................... 22 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 24 3.1. Nghiên cứu tính chất màng mỏngZnO:Eu3+ ................................................... 24 3.1.1. Hình thái bề mặt màng mỏng ZnO:Eu3+ ................................................... 24 3.1.2. Đặc trưng cấu trúc tinh thể của màng mỏng ZnO:Eu3+ .......................... 26 3 1 3 hổ tán xạ aman .............................................................................................. 29 3.1.4. Tính chất quang của màng ZnO:Eu3+ ......................................................... 31 3.2. Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên tính chất màng mỏng ZnO:Eu3+36 KẾT LUẬN. ................................................................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 42 BÀI BÁO LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............................................................................. 44
  7. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kýhiệu TênTiếngViệt A2B6 Hợp chất nguyên tố nhóm 2 và nguyên tố nhóm 6 Góc therta T Nhiệt độ Zn Kẽm O Oxi Eu Europium Năng lượng cùng cấm nm Nano met Khí Nitơ ZnO Oxit kẽm PL Huỳnh quang EDS Tán sắc năng lượng SEM Kính hiển vi điện tử quét XRD Nhiễu xa tia X Ion Eu3+ Ion
  8. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo DANH MỤC HÌNH ẢNH Tên hình vẽ Trang Hình 1.1. Cấu trúc lục giác Wurtzite củaZnO 3 Hình 1.2. Cấu trúc lập phương giả kẽm của tinh thể ZnO 5 Hình 1.3. Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl 6 Hình 1.4. Vùng Brillouin mạng tinh thể ZnO 7 Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể ZnO 7 Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng (a)- theo Birman và(b)- 8 theo Thomas của ZnO ở lân cận k=0 Hình 1.7. Giản đồ năng lượng của các ion RE3+ - Giản đồ Dieke 11 Hình1.8. Giản đồ các mức năng lượng của ion Eu3+ và các chuyển 12 dời kích thích, phát xạ Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ phun tĩnh điện 16 Hình 2.2. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể 17 Hình 2.3. Nhiễu xạ kế tia X Brucker D5005 (Bruker, Đức) tại Khoa 18 Vật lý, Trường đại học Khoa học Tự nhiên Hình 2.4. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét SEM 19 Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM 5410 LV 19 Hình 2.6.Kính hiển vi nguyên tử AFM XE-100 (Park Systems) 20 Hình 2.7. Thiết bịđo huỳnh quang Fluorolog FL3-22 (Jobin Yvon 22 Spex) Hình 2.8. Thiết bị đo phổ tán xạ Raman Labram HR800 23 Hình 3.1. Ảnh SEM mẫu ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ đế ở 160 (a) và 24 200°C (b) Hình 3.2. Ảnh SEM đo trên mẫu ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ đế ở 25 250°C Hình 3.3. Ảnh SEM (a) và AFM (b) đo trên mẫu ZnO:Eu3+ (2%) 25 ở nhiệt độ đế ở 400°C Hình 3.4.Phổ tán sắc năng lượng EDS mẫu màng ZnO:Eu3+ (2% ) ở 26
  9. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo nhiệt độ đế 200°C Hình 3.5.Phổ XRD của các mẫu màng ZnO:Eu3+ (2%) tại các nhiệt độ 27 lắng đọng 160oC, 200oC, 250oC và 400oC Hình 3.6 . Phổ XRD của các mẫu màng ZnO:Eu3+ (4%) tại các nhiệt 27 độ lắng đọng 200oC, 250oC, 300oC và 400oC Hình 3.7. Phổ tán xạ Raman của mẫu màng ZnO: Eu3+ (2%) tại các 30 nhiệt độ 160°C, 200° C và 400°C Hình 3.8. Phổ tán xạ Raman của mẫu màng ZnO: Eu3+ (4%) tại các 30 nhiệt độ 250°C, 300° C và 400°C Hình 3.9. Phổ kích thích huỳnh quang của ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ 31 đế 400°C Hình 3.10. Phổ PL tại bước sóng kích thích tại λex = 340 nm của màng mỏng Zn:Eu3+ (2%) tại các nhiệt độ đế: 160oC, 200oC, 250oC và 33 400oC Hình 3.11. Phổ PL tại bước sóng kích thích tại λex = 340 nm của màng mỏng Zn:Eu3+(4%) tại các nhiệt độ đế: 200oC, 250oC, 300oC và 33 400oC. Hình 3.12. Phổ PL bước sóng kích thích tại λex = 395 nm của màng mỏng ZnO:Eu3+ (2%) tại các nhiệt độ đế khác nhau: 200oC, 250oC và 33 400oC Hình 3.13. Phổ PL tại bước sóng kích thích tại λex = 395 nm của màng mỏng Zn:Eu3+ (4%) tại các nhiệt độ đế khác nhau: 200oC, 34 250oC, 300oC và 400oC Hình 3.14. Phổ PL kích thích tại λex=467nm của màng mỏng 35 ZnO:Eu3+ (2%) tại các nhiệt độ đế:160°C, 200°C, 250°C và 400°C Hình 3.15. Phổ PL kích thích tại λex=467nm của màng mỏng 36 ZnO:Eu3+ (4%) tại các nhiệt độ đế:200°C, 250°C, 300°C và 400°C Hình 3.16. Cơ chế truyền năng lượng trong mạng tinh thể ZnO pha 37 tạp Eu3+ Hình 3.17. Ảnh SEM của mẫu màng ZnO:Eu3+ (2%) nhiệt độ đế ở 38 400°C ủ N2 trong 4h
  10. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 3.18. Phổ XRD của mẫu màng ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ đế 38 250°C, ủ N2 tại 400oC trong 4 h và không ủ. Hình 3.19. Phổ tán xạ Raman của mẫu màng ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt 39 độ đế 250°C và 400°C, ủ N2 tại 400oC trong 4 h. Hình 3.20. Phổ PL kích thích tại bước sóng 340 nm của màng 40 ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ đế 400°C ủ N2 trong 4h. Hình 3.21. Phổ PL kích thích tại bước sóng 340 nm của màng 40 ZnO:Eu3+ (4%) ở nhiệt độ đế 400°C ủ N2 trong 4h. Hình 3.22. Phổ PL của mẫu màng ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ đế 41 200°C , ủ N2 trong 4h và không ủ N2 với bước sóng kích thích 395 nm. Hình 3.23. Phổ PL của mẫu màng ZnO:Eu3+ (2%) ở nhiệt độ đế 41 250°C, ủ N2 và không ủ N2 với bước sóng kích thích 467 nm.
  11. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảngbiểu Trang Bảng 1.1.Một số thông số vật lý của vật liệu ZnO dạng lục giác ở 4 300K Bảng 3.1.Giá trị hằng số mạng tinh thể mẫu phun tĩnh điện ZnO:Eu 28 (2% và 4%) tại một số nhiệt độ đế
  12. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo LỜI MỞ ĐẦU Trong các xu hướng nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano gần đây, các phương pháp chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu ZnO đang được quan tâm do khả năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau. ZnO là hợp chất thuộc nhóm AIIBVI có nhiều tính chất nổi bật như: độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3,37 eV ở nhiệt độ phòng), độ bền vững, độ rắn và nhiệt độ nóng chảy cao. Vật liệu ZnO được ứng dụng để chế tạo các linh kiện quang điện tử hoạt động trong vùng phổ tử ngoại, với các chuyển mức phát quang xảy ra với xác suất lớn. Ngoài ra ZnO cũng được sử dụng để chế tạo laser, đầu đo nhạy khí, pin mặt trời… Hiện nay ZnO có cấu trúc nano đang được tập trung nghiên cứu nhiều để tìm các tính chất vật lý mới. Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu ZnO kích thước nano trong các điều kiện công nghệ khác biệt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để tối ưu hóa vật liệu cho các ứng dụng khác nhau. Vật liệu nano phát quang chứa đất hiếm cũng nhận được sự quan tâm trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. Các vật liệu này có tính năng vật lý và hóa học cho phép triển khai các ứng dụng kỹ thuật với nhiều đặc tính mới từ macro đến micro và nano trong công nghệ lượng tử ánh sáng, hiển thị hình ảnh[3- 5,13,14], đánh dấu sinh y học [6,7], in bảo mật [6], … Vật liệu nano chứa ion đất hiếm có tính chất đa dạng khác nhau, khi kết hợp với mạng nền khác nhau thì chúng thể hiện những đặc tính phát quang mới. Nhiều công trình trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu về vật liệu ZnO pha tạp ion đất hiếm như Eu3+, Sm3+, Er3+, Pr3+, Tm3+, Tb3+. Trong đó ion Eu3+ được chú ý quan tâm do khả năng phát quang mạnh trong vùng khả kiến cho phát xạ màu đỏ với tại bước sóng lân cận 615 nm [4,6,7-8,10-15]. Tạp đất hiếm Eu3+ trong mạng nền ZnO cho phép mở nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế bởi hiệu suất phát quang cao, thời gian sống dài và bền trong các điều kiện ứng dụng khác nhau. Vì vậy vật liệu ZnO pha tạp đem lại nhiều tiềm năng ứng dụng trong hiển thị hình ảnh [14], các thiết bị màn hình phẳng, linh kiện/thiết bị phát quang [13-15], đặc biệt ứng dụng tốt trong linh kiện phát ánh sáng màu đỏ. 1
  13. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo Với mong muốn tìm hiểu sâu hơn tính chất của màng mỏng ZnO tạp pha tạp nguyên tố đất hiếm chế tạo tại nhiệt độ thấp (
  14. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Trong chương này tập trung trình bày về một số khái niệm cơ bản về vật liệu ZnO, ZnO pha tạp các nguyên tố đất hiếm (trong đó có ion Eu3+) và một số ứng dụng của vật liệu ZnO:Eu3+ trong thực tế. 1.1. Một số tính chất vật lý của ZnO Tinh thể ZnO tồn tại dưới 3 dạng cấu trúc: Cấu trúc lục giác Wurtzite ở điều kiện thường, cấu trúc lập phương kiểu NaCl xuất hiện ở áp suất cao và cấu trúc lập phương giả kẽm ở nhiệt độ cao. 1.1.1. Cấu trúc mạng lục giác Wurtzite Cấu trúc lục giác Wurtzite (Hình 1.1) là cấu trúc bền vững và ổn đinh trong điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Nhóm đối xứng không gian tinh thể học của tinh thể này là C46v – P63mc [1,2,5]. Trong cấu trúc này, mỗi ô đơn vị có 2 phân tử ZnO, trong đó 2 nguyên tử Zn nằm ở vị trí có tọa độ (0;0;0) và (1/3;2/3;1/3) còn 2 nguyên tử O nằm ở vị trí có tọa độ (0;0;u) và (1/3;2/3;1/3 + u) với u=3/5. Mạng lục giác Wurtzite gồm 2 phân mạng lục giác xếp chặt lồng vào nhau, một mạng chứa các cation Zn2+ và một mạng chứa các anion O2- được dịch đi một khoảng bằng u=3/5 chiều cao. Mỗi nguyên tử Zn liên kết với 4 nguyên tử O, nằm ở lân cận 4 đỉnh của một tứ diện. Xung quanh mỗi nguyên tử có 12 nguyên tử lân cận bậc hai, trong đó: + 6 nguyên tử ở đỉnh lục giác trong cùng một mặt phẳng với nguyên tử ban đầu và cách nguyên tử ban đầu một khoảng a. + 6 nguyên tử khác ở đỉnh lăng trụ tam giác, cách nguyên tử ban đầu một khoảng(1/3a2 + 1/4c2)1/2. Hình 1.1. Cấu trúc lục giác Wurtzite của ZnO. 3
  15. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo Ở 300K, hằng số mạng của cấu trúc lục giác được xác định dựa vào phương pháp nhiễu xạ tia X là a = b = 3,2507 Å, c = 5,20131 Å (JPCDS – 36 1451), tương ứng với thể tích ô cơ sở V= 47,632 Å3. Liên kết hóa học trong mạng tinh thể ZnO là liên kết hỗn hợp của liên kết cộng hóa trị và liên kết ion. Trong mạng tồn tại trục phân cực song song với mặt (001), khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng có chỉ số Miller (hkl) trong hệ lục giác Wurtzite được xác định theo công thức: 1 d hkl  4 ( h 2  hk  k 2 ) 3 l2  a2 c2 (1.1) Trong đó: h, k, l là các chỉ số mặt Miller (hkl) và a, c là hằng số mạng Wurtzite. a= 3.2507 Ǻ Hằng số mạng c = 5.20131 Ǻ Năng lượng vùng cấm 3,37 eV (ở 300K) Khối lượng riêng 5,606 g/cm3 Điểm nóng chảy 19750C Năng lượng liên kết exciton 60 MeV Khối lượng hiệu dụng điện tử 0.24 Khối lượng hiệu dụng lỗ trống 0.59 Độ linh động electron Khoảng 200 cm2/V.s Bảng 1.1. Một số thông số vật lý của vật liệu ZnO dạng lục giác ở 300K. 1.1.2. Cấu trúc mạng lập phƣơng giả kẽm: Cấu trúc khác như lập phương giả kẽm (Hình 1.2), đây là trạng thái giả bền của ZnO nhưng xuất hiện ở nhiệt độ cao. - Vị trí của 4 nguyên tử Zn là: (1/4;1/4;1/4), (1/4;3/4;3/4), (3/4;1/4;3/4), (3/4;3/4;1/4). 4
  16. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo - Vị trí của 4 nguyên tử O là: (0;0;0), (0;1/2;1/2), (1/2;0;1/2), (1/2;1/2;0). Trong cấu trúc này, một nguyên tử bất kỳ được bao bọc bởi 4 nguyên tử khác loại. Mỗi nguyên tử O được bao quanh bởi 4 nguyên tử Zn nằm ở đỉnh của tứ diện có khoảng cách a 3 2 , với a là thông số của mạng lập phương. Mỗi nguyên tử Zn (O) còn được bao bọc bởi 12 nguyên tử cùng loại, là lân cận bậc hai, nằm tại khoảng cách a 2. Hình 1.2. Cấu trúc lập phương giả kẽm của tinh thể ZnO. 1.1.3. Cấu trúc mạng lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl là cấu trúc giả bền của ZnO xuất hiện ở áp suất thủy tĩnh cao. Ô mạng cơ sở của cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl có thể được xem như gồm hai phân mạng lập phương tâm mặt của cation Zn2+ và anion O2- lồng vào nhau, trong đó phân mạng anion được dịch đi một đoạn bằng a/2, với a là cạnh hình lập phương. Mỗi ô cơ sở gồm bốn phân tử ZnO: - Vị trí của 4 nguyên tử Zn là: (0;0;0), (1/2;1/2;0), (1/2;0;1/2), (0;1/2;1/2). - Vị trí của 4 nguyên tử O là: (1/2;1/2;1/2), (0;0;1/2), (0;1/2;0), (1/2;0;0). 5
  17. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 1.3. Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl. 1.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng của ZnO dạng lục giác Wurtzite a) Cấu trúc vùng năng lượng của mạng lục giác Wurtzite: Bằng một số phương pháp như phương thức giả thế, phương pháp sóng phẳng trực giao, người ta đã tính toán được các vùng năng lượng của các hợp chất AIIBVI. Tất cả các hợp chất AIIBVI đều có vùng cấm thẳng [1]. Độ rộng vùng cấm của các hợp chất AIIBVI giảm khi nguyên tử lượng tăng. Mạng tinh thể wurtzite cấu tạo từ hai mạng lục giác lồng vào nhau, một mạng chứa các cation, mạng còn lại chứa các anion. Các vector tịnh tiến cơ sở đối với mạng lục giác này là: r 1 r 1 r a1  a(1,  3,0); a2  a(1, 3,0); a3  c(0,0,1) 2 2 Ta biết mối liên hệ giữa vector tịnh tiến cơ sở của mạng thực và mạng đảo [21]; r r r r r r r a2  a3 r a3  a1 r a1  a2 b1  2 r r r ; b2  2 r r r ; b3  2 r r r a1 (a2  a3 ) a2 (a3  a1 ) a3 (a1  a2 ) Vì vậy mạng đảo cũng có cấu trúc lục giác với các vector tịnh tiến cơ sở là: r r r b1  2 a 1 (1,  3,0); b2  2 a 1 (1, 3,0); b3  2 c 1 (0,0,1) Vùng Brillouin thứ nhất là một khối bát diện được biểu diễn trên Hình 1.5. 6
  18. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 1.4. Vùng Brillouin mạng tinh Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc vùng năng thể ZnO. lượng của tinh thể ZnO. Do cấu trúc tinh thể của mạng lập phương và mạng lục giác có khác nhau nên thế năng tác dụng lên điện tử trong hai loại tinh thể khác nhau. Tuy nhiên đối với cùng một chất, khoảng cách giữa các nguyên tử trong hai mạng tinh thể là bằng nhau. Liên kết hóa học của các nguyên tử trong hai loại mạng tinh thể cũng như nhau. Chỉ có sự khác nhau của trường tinh thể và vùng Brillouin gây ra sự khác biệt trong thế năng tác dụng lên điện tử. Bằng phương pháp nhiễu loạn có thể tính được vùng năng lượng của mạng lục giác từ vùng năng lượng của mạng lập phương. Sơ đồ vùng dẫn (CB) và vùng hoá trị (VB) của hợp chất nhóm AIIBVI với mạng tinh thể lục giác được cho trên hình 1.5. So với sơ đồ vùng của mạng lập phươngta thấy rằng, mức Γ8 (J=3/2) và Γ7(J=1/2) của vùng hoá trị do ảnh hưởng của nhiễu loạn trường tinh thể, bị tách thành 3 phân vùng Γ9(A), Γ7(B) và Γ7(C) trong mạng lục giác. b) Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO: Tinh thể ZnO thường tồn tại ở dạng lục giác kiểu Wurtzite, do đó mang đặc điểm chung của các hợp chất AIIBVI là có cấu trúc vùng cấm thẳng: cực đại của vùng hóa trị và cực tiểu của vùng dẫn cùng nằm tại giá trị k=0, tức là ở tâm vùng Brillouin. Cấu hình đám mây điện tử của nguyên tử O là: 1s22s22p4 và của Zn là: 1s22s22p63s23p63d104s2. Trạng thái 2s, 2p và mức suy biến bội ba trong trạng thái 3d của Zn tạo nên vùng hóa trị. Trạng thái 4s và suy biến bội hai của trạng thái 3d trong Zn tạo nên vùng dẫn. Từ cấu hình điện tử và sự phân bố điện 7
  19. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo tử trong các quỹ đạo, Zn và Zn2+ không có từ tính bởi vì các quỹ đạo đều được lấp đầy các điện tử, dẫn đến mômen từ của các điện tử bằng không. Hình 1.6 mô tả cấu trúc vùng năng lượng (hình 1.6a là cấu trúc vùng năng lượng theo irman và hình 1.6b là cấu trúc vùng năng lượng). Theo mô hình cấu trúc năng lượng của ZnO thì cấu trúc vùng dẫn có đối xứng Γ7 và vùng hóa trị có cấu trúc suy biến bội ba ứng với 3 giá trị khác nhau Γ9, Γ7, Γ7 [1]. Hàm sóng của lỗ trống trong các vùng con này có đối xứng cầu lần lượt là: Γ9 (A)→ Γ7 ( )→ Γ7 (C). Nhánh cao nhất trong vùng hóa trị có cấu trúc đối xứng Γ9 còn hai nhánh thấp hơn có cấu trúc đối xứng Γ7. Chuyển dời Γ7→ Γ9 là chuyển dời với sóng phân cực, chuyển dời Γ7→ Γ7 là chuyển dời với mọi phân cực. Khoảng cách giữa 3 phân vùng A, B, C trong vùng hóa trị và vùng dẫn là: 3,3768 eV; 3,3828 eV và 3,4208 eV ở nhiệt độ T = 77 K. Tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho thấy thứ tự chuyển dời có sự thay đổi vị trí là: Γ7→ Γ9→ Γ7. Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng (a)- theo Birman và (b)- theo Thomas của ZnO ở lân cận k=0 [5]. 1.3. Tính chất quang của vật liệu ZnO Phổ huỳnh quang của ZnO thường tồn tại hai cực đại phát xạ. Cực đại thứ nhất ở lân cận bước sóng 380 nm (vùng UV) liên quan đến chuyển mức tái hợp exciton. Cơ chế phát xạ của đỉnh ở vùng UV có thể tóm tắt bằng sơ đồ sau: h '(UV ) ZnO  ZnOecb , hvb   ZnO  h (UV ) Trong đó, hν’(UV) là năng lượng kích thích bờ vùng, ecb là điện tử vùng dẫn, hvb là lỗ trống vùng hóa trị, hν(UV) là bức xạ tái hợp exciton. 8
  20. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Thảo Cực đại thứ hai ở vùng khả kiến có bước sóng trong khoảng 520 ÷ 650 nm, do tái hợp qua tâm bẫy liên quan đến các sai hỏng trong mạng tinh thể mà chủ yếu là nút khuyết oxy và các trạng thái bề mặt. Cơ chế của đỉnh phát xạ ở vùng khả kiến có thể tóm tắt bằng sơ đồ sau: h '(UV ) ZnO  ZnOecb , hvb   ZnOecb , hs   ZnO  h ( vis) Trong đó hs là lỗ trống bị bắt ở bề mặt, hν (vis) là bức xạ vùng nhìn thấy. Tỉ lệ cường độ hai đỉnh này tùy thuộc vào điều kiện chế tạo. 1.4. Các nguyên tố đất hiếm Các nhà khoa học đã nghiên cứu và nhận thấy rằng việc pha tạp các nguyên tố đất hiếm có thể nâng cao hiệu suất phát quang đồng thời có thể đem lại nhiều khả năng ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Chính vì thế, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu ZnO pha tạp các ion đất hiếm có hóa trị 3+ có nhiều ý nghĩa trong nghiên cứu cơ bản và ứng dụng. 1.4.1. Giới thiệu về các nguyên tố đất hiếm Các nguyên tố đất hiếm tồn tại trong các lớp trầm tích, các mỏ quặng, cát đen và có hàm lượng rất nhỏ trong lớp vỏ trái đất. Trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, các nguyên tố và kim loại đất hiếm là tập hợp của 17 nguyên tố hóa học gồm họ Lantanit và họ Actinit. Họ Lantanit là họ các nguyên tố đặc biệt, có 15 nguyên tố từ La57 đến Lu71. Các nguyên tử này có lớp vỏ 4f chưa được điền đầy và được bao bọc bởi các lớp điện tử 5s, 5p và 6s ở bên ngoài. Các lớp điện tử đã được điền đầy này có bán kính quỹ đạo lớn hơn bao bọc các điện tử 4f khỏi ảnh hưởng của môi trường xung quanh. Lớp 4f với độ định xứ cao nằm gần lõi hạt nhân nguyên tử nên có các đặc tính quan trọng như phát xạ và hấp thụ dải sóng hẹp, thời gian sống ở các trạng thái giả bền cao, các chuyển mức phát xạ ra photon có bước sóng thích hợp trong phát quang. Ở dạng nguyên chất chúng là các kim loại và khi kết hợp vào mạng nền rắn chúng thường có hóa trị III. Về tính chất quang có 13 trong tổng số 15 nguyên tố đất hiếm có thể phát quang, đó là Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, 9
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1247 lượt tải
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.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2