Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 533 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ION CE 3+ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁT QUANG CỦA ION MN 2+ , CR 3+ TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN THE EFFECTS OF ION CE 3+ TO INTENSION LUMINESCENT OF ION MN 2+ , CR 3+ IN SOME BASE MATERIAL SVTH: Đặng Thị Lệ Hằng Lớp 06SVL, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm GVHD: Nguyễn Văn Cường Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm TÓM TẮT Bài báo đưa ra một số kết quả khảo sát phổ phát quang của các vật liệu Aluminate, Silicate có pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Mn 2+ , Cr 3+ . Và phổ phát quang của các mẫu này có pha thêm ion đất hiếm Ce 3+ . Từ các kết quả thu được tác giả đi đến một số kết luận về sự truyền năng lượng từ các ion đất hiếm sang ion kim loại chuyển tiếp trong các vật liệu nền khác nhau. ABSTRACT This paper advances some result on luminescent spectral survey of Aluminate, Silicate material doped with Mn 2+ , Cr 3+ and luminescent spectral of this sample codoped with (Mn 2+ , Ce 3+ ), (Cr 3+ , Ce 3+ ) . By experimental result, the author abstracts some conclusion about energy transfer from Rare – Earth ion to transition metal ion in some base material. 1. Đặt vấn đề Vật liệu phát quang đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống: kĩ thuật chiếu sáng, kĩ thuật hiển thị và cảnh báo, đo bức xạ ion…Vì vậy việc tìm ra các vật liệu phát quang mới có phổ phát quang thích hợp với mục đích sử dụng là vấn đề được các nhà khoa học và các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới quan tâm. Truyền năng lượng là một trong những phương pháp hiện đại để chế tạo các vật liệu phát quang có màu sắc mong muốn. Đó là phương pháp sử dụng hệ thống các vật liệu phát quang đã biết để chế tạo các chất phát quang mới bằng cơ chế truyền năng lượng. Trong cơ chế này, các tâm tăng nhạy sử dụng năng lượng phát xạ của mình để kích thích sự phát xạ của các tâm kích hoạt khác để tạo ra các chất phát quang với yêu cầu đặc biệt về màu sắc. Sự truyền năng lượng đã được nghiên cứu rất nhiều trong thời gian gần đây đặc biệt là từ Ce 3+ , Eu 2+ sang Mn 2+ trong mạng chủ CaSiO 3 bởi tiềm năng ứng dụng của chúng trong việc tạo ra ánh sáng trắng của đèn LED[4]. Ce 3+ , Eu 2+ có thể hấp thụ ánh sáng tử ngoại đặc biệt là gần vùng tử ngoại trong vài mạng chủ và Mn 2+ có thể phát xạ ánh sáng đỏ qua sự truyền năng lượng từ Ce 3+ , Eu 2+ sang Mn 2+ . Trên những nền tảng đã có, tác giả đã nghiên cứu “ Sự ảnh hưởng của ion đất hiếm Ce 3+ đến cường độ phát quang của các ion kim loại chuyển tiếp Mn 2+ , Cr 3+ trong các vật liệu nền Aluminate và Silicate”. Mục đích của đề tài là kiểm tra trong mạng chủ Aluminate, Silicate có xảy ra sự truyền năng lượng từ Ce 3+ đến Mn 2+ . Và cũng là ion kim loại chuyển tiếp có cấu hình tương tự Mn 2+ (3d 5 ) thì liệu ion Cr 3+ (3d 3 ) có nhận được năng lượng từ Ce 3+ truyền sang như Mn 2+ hay không? Nếu có thì cường độ phát quang của vật liệu sẽ tăng bao nhiêu lần? Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 534 2. Thực nghiệm Các mẫu vật liệu được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Mẫu vật liệu nền CaSiO 3 : Khối lượng của các chất CaCO 3 , thủy tinh vô định hình SiO 2 , MnCl 2 .4H 2 O, CeO, Li 2 CO 3 được lấy theo tỉ lệ công thức Ca 0.95 SiO 3 : 0.05Mn 2+ , Ca 0.93 SiO 3 : 0.05Mn 2+ , 0.02(Ce 3+ ,Li + ) nghiền trong 3 giờ và nung ở 1000 0 C/2giờ + 1200 0 C/4giờ. Mẫu vật liệu nền CaAl 2 O 4 : Hỗn hợp CaCO 3 , Al 2 O 3 , MnCl 2 .4H 2 O, CeO, Li 2 CO 3 lấy theo tỉ lệ phù hợp với các công thức Ca 0.993 Al 2 O 4 : 0.007Mn 2+ , Ca 0.9916 Al 2 O 4 : 0.007Mn 2+ , 0.0014(Ce 3+ ,Li + ) được nghiền trong 3 giờ và nung ở 1300 trong 6 giờ. Mẫu vật liệu nền ZnAl 2 O 4 : Hỗn hợp Zn(CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Al 2 O 3 , MnCl 2 .4H 2 O, CeO, Li 2 CO 3 lấy theo tỉ lệ phù hợp với các công thức Zn 0.99 Al 2 O 4 : 0.01Mn 2+ , Zn 0.986 Al 2 O 4 : 0.01Mn 2+ , 0.004(Ce 3+ ,Li + ) được nghiền trong 3 giờ và nung ở 1300 0 C trong 6 giờ. Hỗn hợp Zn(CH 3 COO) 2 .2H 2 O, Al 2 O 3 , Cr(NO 3 ) 3 , Ce 3+ cũng lấy theo tỉ lệ trong ZnAl 2 O 4 :1% Cr 3+ ; ZnAl 2 O 4 : 1% Cr 3+ , 0,5% Ce 3+ được nghiền trong 3 giờ và nung ở 1300 0 C trong 6 giờ. Các mẫu được làm sạch, sau đó đo nhiễu xạ tia X trên máy SIMENS D5005 để kiểm tra mẫu và tiến hành đo phổ phát quang trên hệ đo huỳnh quang FL3 của trường Đại Học khoa học tự nhiên Hà Nội. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Mẫu vật liệu nền CaSiO 3 Theo [4] thì có sự truyền năng lượng từ Ce 3+ đến Mn 2+ trong mạng chủ CaSiO 3 . Để kiểm tra điều này, tác giả đã tiến hành chế tạo các mẫu vật liệu nền CaSiO 3 thành phần hóa học chỉ có Mn 2+ mà không có Ce 3+ , và mẫu có pha tạp đồng thời cả Mn 2+ và Ce 3+ . 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0 20000 40000 60000 80000 100000 Intensity (a.u.) Wavelength (nm) CaSiO 3 : Ce 3+ ,Li 1+ ,Mn 2+ CaSiO 3 : Mn 2+ Hình 3.1. Phổ phát quang của Ca 0,95 SiO 3 : 0.05Mn 2+ và phổ phát quang của Ca 0,93 SiO 3 : 0.05Mn 2+ , 0.02(Ce 3+ ,Li + ) Nhận xét: - Dạng phổ phát quang của hai mẫu giống nhau, đều có đỉnh ở 600nm - Cường độ phát quang của mẫu pha Ce 3+ cao hơn mẫu không pha Ce 3+ 2.5 lần. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 535 3.2. Mẫu vật liệu nền CaAl 2 O 4 450 500 550 600 650 700 750 800 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 Intensity (a.u.) Wavelength (nm) CaAl 2 O 4 :Ce 3+ ,Li 1+ ,Mn 2+ CaAl 2 O 4 :Mn 2+ Hình 3.2. Phổ phát quang của Ca0,993 Al2O4: 0,007Mn2+ và Ca0,9916 Al2O4: 0,007Mn2+,0,0014(Ce3+,Li+) Nhận xét: - Dạng phổ phát quang của hai mẫu không thay đổi, đều có đỉnh ở 544nm. - Mẫu có pha thêm Ce 3+ thì cường độ phát quang cao xấp xỉ 2 lần so với mẫu không pha Ce 3+ . 3.3. Mẫu vật liệu nền ZnAl 2 O 4 pha Mn 2+ 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 Intensity (a.u.) Wavelength (nm) ZnAl 2 O 4 : Ce 3+ ,Li 1+ ,Mn 2+ ZnAl 2 O 4 : Mn 2+ Hình 3.3. Phổ phát quang của Zn 0,99 Al 2 O 4 : 0,01Mn 2+ và phổ phát quang của Zn 0,986 Al 2 O 4 : 0,01Mn 2+ , 0,004 (Ce 3+ ,Li + ) Nhận xét: - Dạng phổ phát quang của hai mẫu không thay đổi, đều có đỉnh ở 509nm. - Mẫu có pha thêm Ce 3+ thì cường độ phát quang cao xấp xỉ 3 lần so với mẫu không pha Ce 3+ . Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 536 3.4. Mẫu vật liệu nền ZnAl 2 O 4 pha Cr 3+ 650 700 750 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 16000000 Intensity (a.u.) Wavelength (nm) ZnO.Al 2 O 3 : Ce 3+ , Cr 3+ ZnO.Al 2 O 3 : Cr 3+ x10 Hình 3.4. Phổ phát quang của ZnAl 2 O 4 : 1%Cr 3+ và phổ phát quang của ZnAl 2 O 4 : 1% Cr 3+ , 0,5% Ce 3+ Nhận xét: - Dạng phổ phát quang của hai mẫu giống nhau, đều có đỉnh ở 686nm. - Mẫu có pha thêm Ce 3+ thì cường độ phát quang cao xấp xỉ 35 lần so với mẫu không pha Ce 3+ . Thảo luận: - Các ion Mn 2+ , Cr 3+ , Ce 3+ thay thế cho các ion kim loại kiềm trong mạng chủ. Li + được pha vào để bù đắp sự chênh lệch điện tích giữa Ce 3+ và Mn 2+ . - Mn 2+ , Cr 3+ đóng vai trò là các tâm phát quang, Ce 3+ là đồng kích hoạt giúp tăng cường độ phát quang của vật liệu. - Sự tăng cường độ phát quang được giải thích là do sự truyền năng lượng từ Ce 3+ đến Mn 2+ và Cr 3+ . - Sở dĩ có sự truyền năng lượng là do phát xạ của ion Ce 3+ che phủ một vài dịch chuyển hấp thụ của Mn 2+ và Cr 3+ . Hay nói cách khác phổ kích thích của Mn 2+ , Cr 3+ có sự tương đương với phổ phát xạ của Ce 3+ dẫn đến có sự truyền năng lượng từ Ce 3+ đến Mn 2+ và Cr 3+ . 4. Kết luận - Theo các nghiên cứu trước đây cũng như kết quả của đề tài, cho thấy có truyền năng lượng từ ion Ce 3+ đến ion Mn 2+ và Cr 3+ . Và sự truyền năng lượng này không chỉ xảy ra trong các vật liệu nền Silicate mà còn xảy ra ở các vật liệu nền Aluminate. - Hiệu quả tăng cường độ phát quang của các đồng pha tạp (Ce 3+ , Mn 2+ ), (Ce 3+ , Cr 3+ ) đã mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp truyền năng lượng từ các ion đất hiếm sang ion kim loại chuyển tiếp để tạo ra nhiều vật liệu phát quang với màu sắc mong muốn. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 537 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Thích, Hiện tượng huỳnh quang và kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại học tổng hợp Hà Nội. [2] Nguyễn Văn Đến (2002), Quang phổ nguyên tử và ứng dụng, Nhà xuất bản Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. [3] Long persisten phosphor (2006), Journal of luminescene. [4] Shi Ye, Xiao – Ming Wang, and Xi – Ping Jing, Energy Transfer among Ce 3+ , Eu 2+ , and Mn 2+ in CaSiO 3 , Journal of The Electrochemical Society (2008) [5] Đinh Thanh Khẩn (2008), “Ảnh hưởng của ion Mn 2+ lên phổ phát quang của vật liệu CaAl 2 O 4” , Hội nghị Sinh viên nghiên cứu khoa học thành phố Đà Nẵng lần thứ 6. . 2010 533 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ION CE 3+ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁT QUANG CỦA ION MN 2+ , CR 3+ TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN THE EFFECTS OF ION CE 3+ TO INTENSION LUMINESCENT OF ION MN 2+ , CR 3+ IN. Trên những nền tảng đã c , tác giả đã nghiên cứu “ Sự ảnh hưởng của ion đất hiếm Ce 3+ đến cường độ phát quang của các ion kim loại chuyển tiếp Mn 2+ , Cr 3+ trong các vật liệu nền Aluminate. CaAl 2 O 4 :Mn 2+ Hình 3.2. Phổ phát quang của Ca 0,9 93 Al2O4: 0,0 0 7Mn2+ và Ca 0,9 916 Al2O4: 0,0 0 7Mn2 +, 0,0 014 (Ce3 +, Li+) Nhận xét: - Dạng phổ phát quang của hai mẫu không thay đổi, đều có đỉnh ở 544nm.