tiểu luận vật liệu nano xúc tác quang

19 285 0
tiểu luận vật liệu nano xúc tác quang

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

LỜI NÓI ĐẦU 3 I.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4 1.Tương tác giữa ánh sáng và vật chất 4 2. Sự nở rộng vạch phổ 8 3. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang 9 4. Sự phụ thuộc của cường độ phổ huỳnh quang vào nồng độ 9 5. Sự dập tắt huỳnh quang 11 II THỰC NGHIỆM 12 1. Hệ đo 12 2. Quy trình đo phổ huỳnh quang PL và PLE 12 III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 13 1. Phổ huỳnh quang PL 13 2. Phổ kích thích huỳnh quang 14 3. Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào nồng độ 15 4. Sự phụ thuộc của điều kiện ủ đến cường độ phổ huỳnh quang 16 IV. KẾT LUẬN 18

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HĨA  - - BÁO CÁO TIỂU LUẬN MƠN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆT NANO Đề tài: Vật liệu Nano xúc tác quang Giáo viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Văn Mạnh Sinh viên thực : Nhóm SV Nhóm 10 Lớp : CĐ ĐH Hóa – K11 Hà Nội: 2017 Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Phổ học(Spectroscopy) phương pháp đo phân tích xạ điện từ đựơc hấp thụ hay phát xạ điện tử, phân tử, nguyên tử hay ion mẫu đo dịch chuyển từ mức lượng cho phép đến mức lượng khác Việc xác định thành phần hố học, cấu trúc, tính chất hố lý bề mặt khối vật liệu có ý nghĩa quan trọng Công nghệ Vi điện tử, Quang điện tử, Công nghệ Vật liệu Hiện ngày có nhiều phương pháp thiết bị ứng dụng lý thuyết phổ học sử dụng khơng phòng thí nghiệm mà công nghiệp nhằm kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm, xác định tính chất đặc biệt công nghệ chế tạo vật liệu thiết bị sử dụng lĩnh vực sống Trong tiểu luận này, tác giả đề cập đến phương pháp phân tích phổ sử dụng trình nghiên cứu vật liệu phát quang Một phương pháp phổ huỳnh quang, bao gồm có phổ huỳnh quang (Photoluminescence) phổ kích thích huỳnh quang (Photoluminescence Excitation) Một số kết thực nghiệm đưa bước đầu đánh giá vật liệu phát quang I.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.Tương tác ánh sáng vật chất Khi chiếu ánh sáng vào vật chất tuỳ theo ánh sáng chiếu vào mà ánh sáng va chạm bị hấp thụ vật chất Khi va chạm, va chạm đàn hồi ta có tán xạ Rayleigh, va chạm không đàn hồi ta co tán xạ Raman Tán xạ Raman thường có vạch : vạch Stokes ứng với photon tán xạ không đàn hồi bị lượng, vạch Anti-Stokes ứng với vạch tán xạ không đàn hồi thu lượng Hình Khi nguyên tử hay phân tử hấp thụ photon chuyển trạng thái từ trạng thái lên trạng thái kích thích Các trạng thái kích thích cao thấp tuỳ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu vào Phân tử trạng thái kích thích khoảng thời gian ngắn bị phân rã Phân rã phát xạ không phát xạ Nếu trạng thái kích thích phân rã phát xạ photon, tốc độ hồi phục tổng xác suất dịch chuyển tới tất trạng thái cuối i Tổng tốc độ hồi phục nghịch đảo thời gian sống τ trạng thái kích thích : = ∑ A fi τ f Hình 2: mơ tả q trình hấp thụ trình phân rã phân tử Khi hấp thụ photon, phân tử chuyển từ mức G → S3 thời gian ngắn (10-15s) Sau phân tử chuyển trạng thái từ S → S1 thời gian 10-11 s, từ S1 → G thời gian dài 10-9 s Các chuyển mức S3 → S2 bị cấm Các dịch chuyển đặc trưng cho loại nguyên tử phân tử Mỗi nguyên tử phân tử có sơ đồ lượng đặc trưng Dưới sơ đồ lượng ion kim loại chuyển tiếp : Hình Ion kim loại chuyển tiếp lớp 3d có e (Cr 3+,Mn4+) e (Mn2+,Fe3+) chiếm trạng thái Tuỳ theo môi trường ma tương ứng với tính chất phổ khác Khi tinh thể ion bao quanh anion,nên bền vững Trong trường hợp cấu trúc bát diện với cấu hình 3d orbital 3d suy biến bội năm phân thành suy biến bội ba suy biến bội hai Hai kiểu gọi orbital t orbital e Năng lượng t2 e khác 10Dq Khi có nhiều điện tử, điện tử tương tác với Nếu điện trường tinh thể mạnh bỏ qua điện trường tĩnh, trạng thái lượng với cấu hình d N electron phụ thuộc vào số e chiếm mức t e Với dN có N+1 mức lượng : e N, t2eN-1, …,t2N Năng lượng với mức t2n eN-n : E(n,N-n)= [-4+6(N-n)] Dq Quá trình tương tác photon –phân tử bao gồm : hấp thụ phát xạ Phát xạ có loại : phát xạ tự phát phát xạ kích thích Hình mơ tả chế Hình Photon phát q trình phát xạ có chung đặc điểm với photon bị hấp thụ Năng lượng photon : hυ mn = E m − E n Q trình phát xạ tự phát liên quan đến phổ huỳnh quang Xác suất dịch chuyển từ trạng thái i tới trạng thái f hấp thụ lượng photon xác định công thức sau : Pfi = ( 2π /  ) V fi δ ( E f − E i −  ω ) f Vi Vfi phần tử ma trận dịch chuyển , V toán tử lượng biểu thị cho lượng tương tác trường xạ với tâm phát quang Nếu dịch chuyển trình lưỡng cực điện số hạng tương tác V= p.E, với E cường độ điện trường p toán tử tương tác lưỡng cực điện có dạng sau: p = ∑ e.ri i Trong trường hợp phần tử ma trận p.E trạng thái i f khơng q trình lưỡng cực điện bị cấm Khi dịch chuyển trình lưỡng cực từ, số hạng tương tác phần tử ma trận V= µ B, µ tốn tử mơmen lưỡng cực từ B độ lớn xạ từ trường Tốn tử mơmen lưỡng cực từ cho cơng thức sau: µ=∑ i e ( li + 2si ) 2m µ tính tất điện tử tâm phát quang, l i si tương ứng toán tử quỹ đạo toán tử spin Các phần tử dịch chuyển lưỡng cực từ khác không, trừ ∆ S = ∆ L = 0, điều quy tắc lựa chọn spin Toán tử r q trình lưỡng cực điện có tính lẻ, hàm sóng trạng thái i f có tính chẵn lẻ, nghĩa hai chẵn lẻ, khí f ri = nói trình lưỡng cực điện bị cấm quy tắc chẳn lẻ, hay dịch chuyển bên cấu hình bị cấm Tốn tử tương tác lưỡng cực từ µ có tính chẵn, có quy tắc lựa chọn dịch chuyển lưỡng cực từ cho phép, trạng thái ban đầu trạng thái cuối phải tính chẵn lẻ Một đại lượng quan tâm tính chất quang xác suất dịch chuyển tự phát trạng thái kích thích f trạng thái thấp i biết xác suất dịch chuyển tự phát Einstein Afi Khi dịch chuyển xạ trình lưỡng cực điện, xác suất dịch chuyển tự phát Einstein Afi là: A fi = gi ε0 số điện, 4e  E eff ω  ∑ πε  c  E i, f    n  < f | r | i >    số Planck rút gọn, c vận tốc ánh sáng ω chân không, n chiết suất mạng nền, tần số photon, gi số suy biến trạng thái ban đầu, gi = 2Ji+1, (Eeff/E0)2 liên quan đến trường cục để diễn tả khác điện trường vị trí tâm tới trường trung bình xung quanh Đối với ion trường hợp đối xứng cao Eeff/E0 = (n2+3)/2 Đối với hai trình xạ lưỡng cực điện lưỡng cực từ, xác suất dịch chuyển tăng với ω3 , ω lượng photon Kết ion trạng thái kích thích chuyển tới trạng thái thấp hơn, xác suất phân rã xạ thay đổi theo luỹ thừa bậc khe lượng trạng thái ban đầu trạng thái cuối Trong phân rã không phát xạ lượng giải phóng phonon, xác suất phân rã không xạ tăng khe lượng giảm, ngược với trình phát xạ Đây vấn đề quan trọng để biết có hay khơng giá trị tới hạn khe lượng, mà lớn giá trị trình phát xạ trội nhỏ q trình khơng phát xạ trội W(n) xác suất trình hồi phục n phonon giả thuyết tỉ số trình hồi phục phonon thứ n tới phonon thứ (n-1) không đổi, đặc trưng cho tinh thể mạng nền, đặc trưng ion khơng phụ thuộc vào n W (n) = γ

Ngày đăng: 17/03/2018, 11:45

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • LỜI NÓI ĐẦU

  • I.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

    • 1.Tương tác giữa ánh sáng và vật chất

      • Khi nguyên tử hay phân tử hấp thụ photon thì chuyển trạng thái từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Các trạng thái kích thích cao hoặc thấp là tuỳ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu vào. Phân tử ở trạng thái kích thích trong một khoảng thời gian ngắn thì bị phân rã. Phân rã này có thể là phát xạ hoặc là không phát xạ. Nếu trạng thái kích thích chỉ phân rã bởi sự phát xạ các photon, thì tốc độ hồi phục là tổng xác suất của các dịch chuyển tới tất cả các trạng thái cuối cùng i có thể. Tổng tốc độ hồi phục là nghịch đảo của thời gian sống ở trạng thái kích thích :

      • Hình 2: mô tả quá trình hấp thụ và quá trình phân rã của phân tử.

      • Khi hấp thụ photon, phân tử chuyển từ mức G  S3 trong thời gian ngắn (10-15s). Sau đó phân tử chuyển trạng thái từ S3  S1 trong thời gian 10-11 s, từ S1  G trong thời gian dài nhất 10-9 s. Các chuyển mức S3  S2 là bị cấm.

      • Các dịch chuyển này đặc trưng cho mỗi loại nguyên tử và phân tử. Mỗi nguyên tử phân tử có 1 sơ đồ năng lượng đặc trưng. Dưới đây là sơ đồ năng lượng của các ion kim loại chuyển tiếp :

      • Xác suất dịch chuyển từ trạng thái i tới trạng thái f khi hấp thụ một năng lượng photon được xác định bởi công thức sau :

      • trong đó Vfi là phần tử của ma trận dịch chuyển , V là toán tử năng lượng biểu thị cho năng lượng tương tác của trường bức xạ với tâm phát quang.

      • Nếu dịch chuyển là quá trình lưỡng cực điện thì số hạng tương tác V= p.E, với E là cường độ điện trường và p là toán tử tương tác lưỡng cực điện có dạng như sau:

      • được tính trên tất cả các điện tử của tâm phát quang, li và si tương ứng là toán tử quỹ đạo và toán tử spin. Các phần tử của dịch chuyển lưỡng cực từ là khác không, chỉ trừ khi S = 0 và L = 0, điều này là do quy tắc lựa chọn spin.

      • Một đại lượng rất được quan tâm trong các tính chất quang là xác suất dịch chuyển tự phát giữa trạng thái kích thích f và trạng thái thấp hơn i được biết như là xác suất dịch chuyển tự phát Einstein Afi. Khi dịch chuyển bức xạ là quá trình lưỡng cực điện, thì xác suất dịch chuyển tự phát Einstein Afi sẽ là:

      • trong đó hằng số điện, là hằng số Planck rút gọn, c là vận tốc của ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của mạng nền, là tần số của photon, gi là số suy biến của trạng thái ban đầu, gi = 2Ji+1, (Eeff/E0)2 liên quan đến trường cục bộ để diễn tả sự khác nhau của điện trường ở vị trí của tâm tới trường trung bình xung quanh. Đối với các ion trong trường hợp đối xứng cao thì Eeff/E0 = (n2+3)/2.

      • Đối với cả hai quá trình bức xạ lưỡng cực điện và lưỡng cực từ, xác suất dịch chuyển tăng với , trong đó là năng lượng của photon. Kết quả là khi một ion ở trạng thái kích thích chuyển tới trạng thái thấp hơn, xác suất phân rã bức xạ thay đổi theo luỹ thừa bậc 3 của khe năng lượng giữa trạng thái ban đầu và trạng thái cuối. Trong phân rã không phát xạ năng lượng là sự giải phóng các phonon, vì thế xác suất của phân rã không bức xạ tăng khi khe năng lượng giảm, ngược với quá trình phát xạ. Đây là một vấn đề rất quan trọng để biết được có hay không giá trị tới hạn của khe năng lượng, mà khi lớn hơn giá trị này các quá trình phát xạ sẽ trội hơn và nhỏ hơn thì quá trình không phát xạ sẽ trội hơn.

      • W(n) là xác suất của quá trình hồi phục n phonon và giả thuyết rằng tỉ số giữa quá trình hồi phục phonon thứ n tới phonon thứ (n-1) là không đổi, đặc trưng cho tinh thể mạng nền, đặc trưng này có thể là của ion nhưng không phụ thuộc vào n.

      • Nếu khe năng lượng là E và năng lượng của mỗi phonon là thì E = n. Khi đó W sẽ được xác định bởi công thức sau:

      • trong đó W là xác suất xảy ra dịch chuyển không phát xạ qua khoảng cách năng lượng E, với mỗi mạng nền là như nhau đối với tất cả các ion tạp, tham số A là hệ số dặc trưng của mạng nền và phụ thuộc vào sự giãn ra của mức năng lượng của ion pha tạp.

    • 2. Sự nở rộng vạch phổ

      • Hai khái niệm được nói đến về độ rộng của vạch phổ : HWHM (Half –Width at Half-Maximum) và FWHM (Full –Width at Half-Maximum).

      • Các nguyên nhân gây ra sự nở rộng vạch phổ :

      • Sự nở rộng do thời gian sống

      • t là thời gian sống của 1 trạng thái

      • Sự nở rộng do va chạm

      • Nếu va chạm là không đàn hồi : có sự thay đổi năng lượng nên có thể xảy ra sự nở rộng do thời gian sống

      • Nếu va chạm là đàn hồi : có sự thay đổi ngẫu nhiên về pha của ánh sáng dẫn đến sự nở rộng vạch phổ

      • fcoll là tần số va chạm ,sự nở rộng vạch phổ do va chạm có thể được biểu diễn như sau :

      • Sự nở rộng không đồng nhất

      • Sự nở rộng có thể liên quan đến các nguyên nhân khác làm thay đổi kiểu của sóng truyền.

    • 3. Phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang

      • Phổ huỳnh quang có vai trò quan trọng trong việc xác định loại tạp chất trong vật liệu. Độ nhạy và độ chính xác của phổ huỳnh quang là rất cao. Độ nhạy cao là do có sự khác về bước sóng kích thích và bước sóng huỳnh quang. Độ chính xác cao là do kết quả ghi được có 2 phổ : PL và PLE. Hơn nữa phổ huỳnh quang khi có mặt của những chất không phát huỳnh quang vẫn có thể được phân tích thậm chí là khi hỗn hợp có phổ hấp thu che phủ lên nhau. Phổ huỳnh quang cho các thông tin về cấu trúc vật liệu tốt hơn phổ hấp thụ.

      • Cần phải phân biệt 2 loại phổ : Phổ huỳnh quang (PL) và phổ kích thích huỳnh quang (PLE). Phổ PLE thường được phân tích tại bước sóng cực đại của phổ PL. Phổ PL là sử dụng nguồn kích thích đơn sắc. Còn phổ PLE lại chỉ ghi nhận tại 1 bước sóng xác định.

    • 4. Sự phụ thuộc của cường độ phổ huỳnh quang vào nồng độ

      • Mối quan hệ giữa cường độ phổ huỳnh quang và nồng độ có thể diễn tả qua định luật Beer. Xét ánh sáng truyền qua môi trường tích cực : Io là cường độ ánh sáng chiếu, I là cường độ ánh sáng truyền qua.

      • Ta có :

      • Với b là thể tích mẫu, C là nồng độ, e là hằng số

      • Phần bị hấp thụ là :

      • Cường độ huỳnh quang sẽ tỷ lệ với số photon hấp thụ và hiệu suất huỳnh quang FF -là tỷ số giữa số photon phát xạ và photon hấp thụ, phụ thuộc vào nồng độ :

      • F = (Io-I) FF f(q) g(l) = Io FF [1-exp(-ebC)] f(q) g(l)

      • Với f(q) : hệ số kích thước xác định bởi góc khối của bức xạ huỳnh quang

      • g(l): hiệu suất của detector, phụ thuộc vào bước sóng huỳnh quang chiếu vào detector.

      • Người ta thường khai triển thành dạng đa thức :

      • Khi nồng độ thấp, phần năng lượng bị hấp thụ trong mẫu nhỏ, cường độ huỳnh quang có thể coi là :

      • F = 2,3 I­o FF f(q) g(l) ebC

      • Do ánh sáng kích thích thường có cường độ thay đổi theo thời gian, tín hiệu huỳnh quang sẽ không đo như 1 giá trị tuyệt đối mà thường biểu diễn thành dạng hụ thuộc vào nồng độ như sau :

    • 5. Sự dập tắt huỳnh quang

  • II THỰC NGHIỆM

    • 1. Hệ đo

    • 2. Quy trình đo phổ huỳnh quang PL và PLE

  • III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

    • 1. Phổ huỳnh quang PL

    • 2. Phổ kích thích huỳnh quang

    • Hình 10 Phổ PLE của nano ZnS:Mn2+

    • 3. Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào nồng độ

    • 4. Sự phụ thuộc của điều kiện ủ đến cường độ phổ huỳnh quang

  • IV. KẾT LUẬN

  • TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan