Tóm tắt Luận án Nghiên cứu chế tạo bột huỳnh quang đất hiếm phát xạ đỏ Y2O3: Eu3+ và cam - Đỏ xa YAG: Eu3 + ứng dụng trong chế tạo đèn huỳnh quang chuyên dụng cho cây trồng

1.4.1.1 Nhiệt độ màu (Colour Temperature) Nhiệt độ màu là màu của bản thân vật liệu phát ra, có đơn vị là Kelvin [13]. Nói chung nhiệt độ màu không phải là nhiệt độ thực của nguồn sáng mà là màu của vật đen tuyệt đối 6 phát ra khi nung nóng đến nhiệt độ này thì ánh sáng do nó bức xạ có phổ hoàn toàn giống phổ của nguồn sáng khảo sát. 1.4.1.2 Hệ số trả màu CRI (Colour Rendering Index) Chỉ số hoàn màu (hay hệ số trả màu) là một đặc trưng và cũng là chỉ tiêu rất quan trọng đối với mọi nguồn sáng, nó phản ánh độ trung thực của màu sắc vật được chiếu sáng bằng nguồn sáng ấy, so với trường hợp được chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày [32]. Người ta quy định, chỉ số CRI ánh sáng chuẩn tự nhiên hoặc bức xạ của vật đen tuyệt đối là 100. Hệ số trả màu của các nguồn sáng khác được so sánh với nguồn chuẩn và có giá trị từ 0 ÷ 100. Để xác định chính xác hệ số trả màu của nguồn sáng, người ta sẽ dùng các thiết bị đo lường chuyên dụng. Ở nước ta, một số cơ sở như trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, phòng đo lường công ty CP bóng đèn phích nước Rạng Đông, Viện đo lường Việt Nam có thể đo lượng chỉ số hoàn màu của các loại đèn. 1.4.2 Một số vật liệu phát quang trong đèn huỳnh quang chiếu sáng 1.4.2.1 Bột halophotphat Bột halophotphat có thành phần chính là Ca5(PO4)3X (X = Cl, F), là các hydroxy - apatit có trong răng và xương và tâm kích hoạt là các ion Mn2+, Sb3+. Đỉnh hấp thụ quang của mạng nền tinh khiết khoảng 150 nm: tất các các năng lượng kích thích do thủy ngân phát ra bị hấp thụ bởi tâm kích hoạt. Vị trí của các ion Mn2+ và Sb3+ trong mạng nền này vẫn chưa được xác định chính xác. Nhược điểm của đèn halophotphat là rất khó để thu được đồng thời cả độ sáng và hệ số trả màu (CRI) cao. Nếu độ sáng cao (hiệu suất sáng cỡ 80 lm/W) thì hệ số trả màu CRI đạt giá trị là 60; giá trị này có thể tăng lên đến 90 nhưng độ sáng lại giảm (hiệu suất sáng cỡ 50 lm/W) [73]. 1.4.2.2 Bột huỳnh quang ba màu Koedam và Opsteltan đã dự đoán rằng, khi kết hợp ba loại bột huỳnh quang phát xạ tại các bước sóng 450, 550 và 610 nm sẽ thu được đèn huỳnh quang có đồng thời cả hiệu suất sáng ( 80 lm/W) và hệ số trả màu cao (80 - 90) [34, 73]. Loại đèn này là đèn huỳnh quang ba màu (tri-color phosphor). 1.4.3 Vật liệu phát quang Y2O3:Eu3+ Vật liệu Y2O3 có cấu trúc không gian hình lập phương tâm khối dạng Ia3 trong đó mỗi đơn vị ô mạng cơ sở chứa hai nguyên tử Y không tương đương nằm ở vị trí 8(b) ) 4 1 , 4 1 , 4 1 ( (Y1) và 24(d) ) 4 1 ,0,(x (Y2) được bao quanh bởi các nguyên tử O nằm ở vị trí 48(e) có cấu trúc dạng bát diện [43]. 1.4.4 Vật liệu phát quang YAG:Eu3+ Yttri aluminum garnet, Y3Al5O12 (YAG) là một loại vật liệu nhân tạo thuộc họ garnet, có dạng bột, màu trắng, có chỉ số khúc xạ và tỷ trọng tương đối cao (bảng 1.5) và nếu chứa các kim loại chuyển tiếp hoặc các nguyên tố đất hiếm thì chúng có khả năng tạo màu trong vùng ánh sáng nhìn thấy [71]. Về mặt cấu trúc, họ garnet có cấu trúc dạng lập phương với nhóm không gian Ia3d trong đó các cation ở vị trí đặc trưng (tâm 24c, 16a và 24d) còn các anion oxy ở các vị trí tâm 96h. CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Chế tạo vật liệu  Hóa chất 7 Y2O3 99,99%, TQ; Eu2O3 99,99%, TQ; Al(NO3)3.9H2O, Merck; LiOH, TQ, dung dịch NH3 25%, TQ; dung dịch HNO3 65% dùng cho phân tích, Merck; các hóa chất phục vụ cho quá trình tráng phủ bột huỳnh quang lên đèn: polyox, chất khử bọt, Al2O3, dispex  Dụng cụ Máy khuấy từ gia nhiệt IKA RCT Basic - Đức; Tủ sấy Memmert - Đức; Lò nung Nabertherm - Đức; Bình cầu, ống đong, nhiệt kế, buret, pipet, micropipet và các loại cốc thủy tinh; một số thiết bị tại xưởng đèn công ty CP bóng đèn phích nước Rạng Đông: máy khuấy tốc độ cao, hầm sấy, máy gắn ống thủy tinh, máy rút khí và nạp thủy ngân, thiết bị bơm dung dịch huỳnh quang lên đèn. 2.1.1 Chế tạo vật liệu Y2O3:Eu3+  Lý do lựa chọn phương pháp  Nguyên tắc tổng hợp Bước 1: Lấy một lượng bột Eu2O3 đã được tính toán theo tỷ lệ phần trăm đem hòa tan trong dung dịch axit HNO3 2M và bột yttri oxit (đã tính toán chính xác lượng mẫu) phân tán trong nước tách ion. Trộn hai hỗn hợp vào nhau, khuấy đều. Bước 2: Hỗn hợp trên được kết tủa bằng cách nhỏ từ từ dung dịch NH4OH vào hỗn hợp phản ứng, sau khi kết tủa hoàn toàn thì ổn định ở pH = 8 - 9 (kiểm tra môi trường bằng giấy quỳ) và tiến hành khuấy đều trong vòng 3h. Bước 3: Tiến hành lọc lấy kết tủa rồi đem sấy khô và đem nung ở nhiệt độ cao (từ 600 - 1300ºC). Để tiến hành đồng pha tạp các ion kim loại đồng thời lên mạng nền Y2O3, một lượng chính xác các hóa chất Al(NO3)3 (chiếm 3% về số mol theo ytri), KNO3 (chiếm 1% về số mol theo ytri), NaNO3 (chiếm 2% về số mol theo ytri) và Li2CO3 (chiếm 6% về số mol theo ytri) sẽ được hòa tan trong nước tách ion tạo dung dịch rồi trộn với hỗn hợp ở bước 1. Các quá trình tổng hợp sau đó được tiến hành giống như chỉ pha tạp ion Eu3+. 2.1.2 Chế tạo vật liệu Y3Al5O12:Eu3+ Bước 1: Lấy một lượng bột europi oxit, bột yttri oxit và muối nhôm nitrat đã được tính toán theo tỷ lệ phần trăm đem hòa tan trong 40 ml dung dịch axit HNO3 đặc (68%), sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt để hỗ trợ quá trình hòa tan muối nhôm nitrat trong axit được thuận tiện. Trộn đều hỗn hợp cho đến khi thu được dung dịch trong suốt. Bước 2: Bổ sung từ từ dung dịch ammoniac 25% vào hỗn hợp phản ứng ở bước 1 cho đến khi thu được kết tủa màu trắng, tiếp tục bổ sung dung dịch ammoniac để kết tủa hoàn toàn và thu được giá trị pH hỗn hợp từ 8 - 9. Bước 3: Sấy sơ bộ kết tủa thu được ở 80 ºC trong một ngày (cho đến khi khô). Bột khô thu được được đem nghiền sơ bộ rồi nung trong khoảng nhiệt độ từ 600 - 1300ºC trong 3 giờ. 2.2. Quy trình tráng phủ bột lên đèn Bước 1:Pha bột Bước 2: Tráng bột lên ống thủy tinh (hình 2.6) Bước 3: Sấy khô (hình 2.7) Bước 4: Sấy khử keo (hình 2.8) Bước 5: Băng đầu, vít miệng (hình 2.9) – Quá trình gắn điện cực vào ống thủy tinh. Bước 6: Rút khí, nạp thủy ngân(hình 2.10) Các đèn làm ra sẽ được thử sáng 100%, sau đó sẽ vận chuyển đến khâu lắp ráp, hoàn thiện sản phẩm và đưa ra thị trường. 8 2.3. Các phương pháp xác định cấu trúc và tính chất quang của vật liệu 2.3.1 Phương pháp phổ hồng ngoại Các mẫu nghiên cứu của luận án được tiến hành đo phổ hồng ngoại FT-IR trên máy Shimazu tại Khoa Hóa trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2.3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X Các mẫu nghiên cứu của luận án được tiến hành đo XRD trên máy SIEMENS D5005 Bruker- Germany tại Khoa Hóa, máy Philip Xpert Pro, khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội với cường độ dòng điện bằng 30mA, điện áp 40kV, góc quét 2θ = 10º ÷70º, tốc độ quét 0,03 º/ giây. 2.3.3 Nghiên cứu ảnh vi hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Các mẫu tổng hợp được và nung ở các nhiệt độ khác nhau được phân tích với thiết bị FESEM-S4800 (Hitachi, Japan) tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương (Hà Nội) và FESEM- JEOL/JSM-7600F tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) Đại học Bách khoa Hà nội (hình 2.6). 2.3.4 Phương pháp phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang Đối với mẫu tổng hợp Y2O3:Eu và YAG:Eu, chúng tôi đã sử dụng nguồn kích thích thủy ngân với bước sóng 254 nm do phù hợp với điều kiện kích thích của đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact. Quá trình đo được tiến hành ở nhiệt độ phòng trên máy NanoLog spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon tại viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) Đại học Bách khoa Hà Nội. CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 VẬT LIỆU PHÁT XẠ ÁNH SÁNG ĐỎ Y2O3:Eu3+ 3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc pha, tính chất phát quang và hình thái bề mặt bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ Y2O3:Eu3+ 3.1.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành cấu trúc mạng nền Mẫu vật liệu Y2O3:Eu3+ (7% mol) được chuẩn bị bằng phương pháp khuếch tán bề mặt như trong mục 2.1.1 rồi được tiến hành nung ở các nhiệt độ khác nhau. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung mẫu tới sự hình thành pha tinh thể được khảo sát bằng phổ XRD, các mẫu được nung ở nhiệt độ từ 600 ºC cho đến 1300 ºC trong khoảng thời gian 3 giờ. Kết quả được trình bày trên hình 3.1: Hình 3. 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Y2O3:Eu3+ (7% mol) nung ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 3 giờ theo phương pháp khuếch tán bề mặt: (a) 600 ºC; (b) 800 ºC; (c) 1000 ºC; (d) 1100 ºC; (e) 1200 ºC; (f) 1300 ºC Các kết quả phân tích cho thấy, ở 600 ºC đã xuất hiện các pic đặc trưng cho cấu trúc lập phương của tinh thể Y2O3 với các mặt nhiễu xạ đặc trưng (222), (400), (440), (622) tương ứng với góc nhiễu xạ 2θ = 29º; 33º; 48º và 57º (theo thẻ chuẩn số 41-1105). Không có sự xuất hiện của bất kỳ thành phần pha tạp nào trên giản đồ nhiễu xạ tia X chứng tỏ rằng, ion Eu3+ đã đi vào mạng nền và pha thu được là đơn pha. Sự dịch chuyển của các pic về góc thấp hơn là do bán kính ion của ion Eu3+ lớn hơn một chút so với Y3+ (0,947 Å so với 0.900 Å), kết quả là các hằng số ô mạng lớn hơn (a = 10,604 Å so với a = 10,64 Å). 9 Kết quả của quá trình tăng nhiệt độ nung là cường độ vạch nhiễu xạ trở nên mạnh hơn, sắc nét hơn chứng tỏ sự hình thành pha tinh thể Y2O3 là tốt và kích thước hạt tinh thể tăng dần theo nhiệt độ nung. Do nguyên vật liệu ban đầu sử dụng Y2O3 dạng tinh thể rắn nên mức độ kết tinh hoá thay đổi không rõ ràng theo nhiệt độ so với phương pháp sol-gel hoặc đồng kết tủa (đi từ các nguyên liệu dạng muối hoặc alkoxide). 3.1.1.2 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FT-IR Hình 3.2 trình bày kết quả phổ hồng ngoại của mẫu vật liệu nung ở 600 ºC (đường màu đỏ) và 1300 ºC (đường màu xanh) trong 3h. Hình 3. 2:Phổ FT-IR của mẫu Y2O3:Eu3+ (7% mol) nung ở 600 ºC và 1300 ºC Các kết quả phân tích hồng ngoại cho thấy, trên phổ hồng ngoại của mẫu Y2O3:Eu3+ nung ở 1300 ºC có mặt 2 đỉnh hấp thụ có số sóng tương ứng là 565,1 và 513 cm-1. Đây là các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho dao động của liên kết kim loại - oxy trong tinh thể Y2O3 [93]. Các đỉnh hấp thụ ở 1385; 1520 cm-1 đặc trưng cho dao dộng góc và kéo dãn C-O. Sự xuất hiện của các đỉnh hấp thụ trên có thể được giải thích là do sự hấp thu khí CO2 trong không khí vào mẫu. Ngoài ra, còn một dải hấp thụ ở 3570 cm-1 đặc trưng cho dao động kéo dãn O- H. Sự xuất hiện của đỉnh hấp thụ này trong mẫu pha tạp được hiểu là do có sự hấp phụ phân tử nước trong quá trình tổng hợp mẫu (quá trình nén KBr [22]) hoặc sự hấp thụ nước trong không khí. Các nhóm hydroxyl (-OH) dạng vết này chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng dập tắt phát xạ của các ion đất hiếm dẫn đến hiện tượng giảm cường độ huỳnh quang. Tuy nhiên, dải hấp thụ này trở nên yếu dần khi tăng dần nhiệt độ nung và gần như biến mất ở nhiệt độ 1300 ºC trừ nhóm dao động của liên kết Y-O thể hiện mạnh hơn. Điều này chứng tỏ rằng, ở 600 ºC đã xuất hiện các đỉnh hấp thụ đặc trưng của liên kết kim loại - oxy nhưng chưa rõ ràng; khi tăng nhiệt độ nung lên, nhóm liên kết trên chiếm ưu thế và khẳng định có sự hình thành tinh thể mong muốn. Các kết quả này là hoàn toàn phù hợp với kết quả XRD khi ở 600 ºC vật liệu ở dạng cấu trúc tinh thể và ở 1300 ºC thì tinh thể được hoàn thiện hơn và các nhóm hydroxyl bị loại bỏ. 3.1.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hình thái bề mặt của vật liệu Y2O3: Eu3+ Để quan sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên hình thái bề mặt vật liệu, phương pháp kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) được sử dụng để khảo sát mẫu. Mẫu Y2O3:Eu3+ (7%) được tiến hành xử lý ở các nhiệt độ từ 600-1300 oC trong thời gian 3 giờ. Ảnh FESEM của các mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau được chỉ ra như trên hình 3.3: 10 Hình 3. 3: Ảnh FESEM của mẫu Y2O3:Eu3+(7%) ở các nhiệt độ nung khác nhau trong thời gian 3 giờ Từ ảnh FESEM chúng ta thấy, khi nhiệt độ nung ủ thấp (600 ºC), các hạt bột huỳnh quang hình thành có hình dạng và biên hạt chưa rõ ràng và có hiện tượng kết đám dính vào nhau (nguyên nhân có thể do lớp màng của hydroxit của Eu3+kết tủa trên bề mặt chưa chuyển hoá hết). Kết quả này tương đồng với kết quả của phổ FT-IR của mẫu ở 600oC còn tồn tại nhiều gốc OH. Khi tăng nhiệt độ thiêu kết lên 800 oC, kích thước hạt bột tăng dần, biên hạt giữa các hạt bột khá rõ nét, các hạt có dạng hình gần cầu với đường kính trung bình cỡ 700 nm. Tại các nhiệt độ thêu kết từ 1000 – 1300 oC, các hạt bột hình thành khá đồng đều, biên hạt rõ ràng, sắc nét và kết tinh khá tốt. Kích thước phân bố trung bình của các hạt bột thêu kết ở các nhiệt độ này vào khoảng1 - 3 m. Việc chế tạo được các hạt bột có dạng hình cầu được coi là thành công ban đầu của quá trình nghiên cứu do các hạt bột có dạng cầu sẽ thuận lợi hơn cho quá trình sắp xếp đặc khít nên khả năng phát quang của vật liệu sẽ tốt hơn [47]. Kết hợp FESEM với kỹ thuật phổ năng lượng tán xạ tia X (EDS-mapping) đối với mẫu Y2O3 pha tạp 7% mol Eu3+ nung ở 1000ºC cho thấy sự có mặt đầy đủ của các nguyên tố Y, O, Eu trong mẫu. Các nguyên tố phân bố khá đồng đều trong đó sự xuất hiện của nguyên tố Cu trong mẫu được giải thích là quá trình phân tích mẫu sử dụng đế kim loại đồng. Hình 3. 4:(a) Ảnh FESEM-EDS của mẫu Y2O3 pha tạp 7% mol Eu3+ nung ở 1000 ºC, (b) Ảnh mapping EDS xen phủ của các lớp nguyên tố hóa học, (c) Nguyên tố Y, (d) Nguyên tố Cu, (e) Nguyên tố O, (f) Nguyên tố Eu, (g) Phổ EDS 11 3.1.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến phổ huỳnh quang của vật liệu Y2O3: Eu3+ Để đánh giá chất lượng tinh thể cũng như khả năng ứng dụng quang học của vật liệu, chúng tôi đã tiến hành khảo sát phổ huỳnh quang (PL) và kích thích huỳnh quang (PLE) của các mẫu Y2O3:Eu3+ 7% mol nung ở 1300 ºC trong 3 giờ và kết quả được trình bày trên hình 3.5. Hình 3. 5: Phổ huỳnh quang (trái) và kích thích huỳnh quang (phải) của bột Y2O3:Eu3+ 7% mol nung ở 1300 ºC trong 3 giờ dưới bước sóng kích thích 254 nm Hình 3.5 (trái) là phổ huỳnh quang của bột Y2O3:Eu3+ 7% mol nung ở 1300 ºC trong 3 giờ được kích thích bởi bước sóng 254 nm của đèn Xenon tại nhiệt độ phòng. Phổ PL của mẫu nhận được trong vùng bước sóng 570 - 730 nm gồm 5 đỉnh đặc trưng cho chuyển mức phát xạ của ion Eu3+ (tại các bước sóng 580, 591, 611, 630 và 711 nm) tương ứng với bước chuyển năng lượng từ trạng thái kích thích 5D0 về mức 7Fj( j = 0,1,2,3,4) trong cấu hình 4f6 của ion Eu3+. Các đỉnh phát xạ thu được ở bước sóng  = 591, 611 và 632 nm tương ứng với chuyển mức 5D0 7F1, 5D0 7F2, 5D0 7F3 trong vùng cam - đỏ với cường độ đỉnh đạt 611 nm. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các công bố trước đó của các tác giả [4, 30, 57, 76]. Hình 3. 6: Phổ huỳnh quang của mẫu khi nung ở các nhiệt độ khác nhau Hình 3.7 trình bày phổ huỳnh quang của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau. Chúng ta thấy, khi thay đổi nhiệt độ nung khác nhau thì vị trí của đỉnh phát xạ cực đại của mẫu gần như không bị thay đổi (đỉnh phát xạ cực đại tại = 611 nm). Kết quả phân tích cho thấy khi nhiệt độ nung càng tăng thì cường độ phát xạ càng tăng, cường độ phát xạ mạnh nhất đạt được tại bước sóng 611 nm khi nhiệt độ nung là 1300 oC. Kết quả nhận được này cho thấy tại nhiệt độ 1300 oC vật liệu kết tinh tốt nhất và khả năng ion Eu3+ khuếch tán vào trong mạng nền Y2O3 cao. Để đối chứng, chúng tôi tiến hành khảo sát các mẫu đo trong cùng một điều kiện (bước sóng kích thích, trọng lượng bột, các thông số phép đo khác) và khảo sát đồng thời cả bột phát xạ màu đỏ thương mại (TM). Kết quả nhận được cho thấy bột thương mại có cường độ phát xạ thấp hơn so với loại bột chúng tôi chế tạo được tại nhiệt độ ủ tối ưu là 1300 oC trong thời gian 3 giờ và với 7% ion Eu pha tạp (cường độ phát xạ mẫu bột thương mại tương đương với mẫu chế tạo nung ủ ở 1000º). Như vậy, từ các kết quả nhận được ở trên chúng tôi có thể kết luận rằng bột Y2O3: Eu3+ (7% mol) có cấu trúc ổn định và cường độ phát quang tốt hơn bột huỳnh quang thương mại khi được nung thiêu kết ở nhiệt độ từ 1000 - 1300 ºC trong 3 giờ. 12 3.1.1.5 Tính toán Rietvelt cho vật liệu Y2O3:Eu3+ khi thay đổi nhiệt độ nung Tính toán Rietveld nhằm chính xác hóa cấu trúc vật liệu Y2O3: Eu3+ (7% mol) nung ở các nhiệt độ khác nhau được thực hiện trên phần mềm Fullprof sử dụng dữ liệu là kết quả XRD. Kết quả tính toán cho thấy vật liệu Y2O3:Eu3+ có cấu trúc lập phương (cubic) với nhóm không gian Ia3 (260),  =  =  = 90o với các thông số cấu trúc được trình bày trong bảng 3.1. Bảng 3. 1: Dữ liệu thông số cấu trúc đối với mẫu (Y0.93Eu0.07)2O3khi nung ở các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ nung mẫu (oC) 2θ Chỉ số Miller Thông số ô mạng Å dh,k,l (Å) Kích thước tinh thể (nm) Tỷ trọng (g/cm3) JCPDS Tính toán JCPDS Tính toán JCPDS Tính toán 800 29,115 (222) (222) 10,604 10,616 3,0599 3,064 25 5,303 900 29,158 (222) (222) 10,604 10,604 3,0599 3,060 37 5,343 1000 29,19 (222) (222) 10,604 10,593 3,0599 3,058 45 5,35 1100 29,19 (222) (222) 10,604 10,593 3,0599 3,058 55 5,35 1200 29,21 (222) (222) 10,604 10,58 3,0599 3,053 62 5,36 1300 29,21 (222) (222) 10,604 10,64 3,0599 3,062 76 5,303 Sỡ dĩ kích thước ô mạng cơ sở của mẫu sau nung ở các nhiệt độ khác nhau tăng lên so với mẫu chưa pha tạp (phổ chuẩn) có thể là do bán kính ion của Eu3+ lớn hơn so với Y3+ (0.9Å). Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các công bố trước đó [11, 30]. 3.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến cấu trúc pha, tính chất phát quang và hình tháibề mặt bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ Y2O3:Eu3+ 3.1.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến sự hình thành cấu trúc mạng nền Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến cấu trúc vật liệu, chúng tôi đã tiến hành thay đổi nồng độ của ion Eu3+ và tiến hành đồng pha tạp một số ion kim loại cùng ion Eu3+ trên mạng nền Y2O3. Hình 3.8 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu khi thay đổi nồng độ pha tạp từ 3 - 20% mol ion Eu3+ và đều được xử lý nhiệt ở 1300oC trong thời gian 3 giờ. Kết quả XRD cho thấy các mẫu tạo thành đều đơn pha tinh thể và không xuất hiện pha tinh thể khác của Eu2O3. Như vậy có thể kết luận rằng, với nồng độ pha tạp của ion Eu3+ nhỏ hơn 20% không làm ảnh hưởng đến sự hình thành pha tinh thể của mạng nền Y2O3 tổng hợp theo phương pháp khuếch tán bề mặt. Tuy nhiên, khi khảo sát tính chất quang của vật liệu thì nồng độ pha tạp này lại ảnh hưởng nhất định đến tính chất quang như thảo luận trong phần 3.1.2.3. Hình 3. 7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu Y2O3:Eu 3+(3%; 7%; 9%; 11%; 20% về số mol) nung ở nhiệt độ 1300oC trong thời gian 3 giờ. Hình 3. 8: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu Y2O3 khi đồng pha tạp một số ion kim loại khác nhau Theo tác giả L.H. Ju [47], khi thực hiện đồng pha tạp các ion kim loại trên mạng nền Y2O3 sẽ góp phần: (i) Các ion đồng pha tạp đóng vai trò như chất trợ chảy góp phần cải thiện hình thái của các hạt tinh thể, 13 (ii) việc pha tạp các ion kim loại sẽ góp phần cải thiện tính chất quang của vật liệu. Do vậy, trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã tiến hành đồng pha tạp một số ion kim loại: Al3+ (3% mol), Li+ (6% mol), Na+ (2% mol), K+ (1% mol) đồng thời vào mẫu Y2O3:Eu3+. Các kết quả phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy, việc đồng pha tạp các ion kim loại này vào vật liệu không làm ảnh hưởng tới cấu trúc pha của vật liệu, vật liệu thu được là đơn pha với cấu trúc lập phương điển hình của mạng nền Y2O3, không có sự có mặt của bất kỳ thành phần pha pha tạp nào trong mẫu. Các kết quả này là phù hợp với các công bố trước đó [29, 47]. 3.1.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến hình thái bề mặt của vật liệu Y2O3: Eu3+ Các mẫu Y2O3:Eu3+ được tổng hợp theo phương pháp khuếch tán bề mặt thường có kích thước phân bố trong khoảng từ 1-3 micromet theo kết quả ảnh FESEM hình 3.10 (d). Để chế tạo đèn huỳnh quang cần phải tổng hợp vật liệu có dải kích thước lớn hơn (2-7 micromet) để hạn chế sự suy giảm cường độ huỳnh quang theo thời gian. Nhằm tăng kích thước hạt bột huỳnh quang như mong muốn, chúng tôi đã tiến hành bổ sung các loại ion đồng pha tạp khác nhằm tác động đến quá trình hình thành pha của vật liệu. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành bổ sung thêm các ion Li+; Al3+; Na+và K+ với các mẫu chế tạo gồm: (Y0,93Eu0,07)2O3; (Y0,87Eu0,07Li0,06)2O3; (Y0,90Eu0,07Al0,03)2O3; (Y0,90Eu0,07Na0,02K0,01)2O3 nung ở 1300 ºC trong thời gian 3giờ. Ảnh hưởng của các ion kim loại đồng pha tạp đến hình thái của vật liệu được trình bày trên hình 3.10. Hình 3. 9: Ảnh FESEM của các mẫu (a).(Y0,87Eu0,07Li0,06)2O3.; (b).(Y0,90Eu0,07Na0,02K0,01)2O3; (c).(Y0,90Eu0,07Al0,03)2O3; (d)(Y0,93Eu0,07)2O3đều được nung 1300 ºCtrong 3 giờ Khi tiến hành đo FESEM các vật liệu, về cơ bản, các hạt bột huỳnh quang vẫn có dạng hình dạng và biên hạt rõ ràng. Kết quả chỉ ra rằng, quá trình pha tạp thêm các ion đồng pha tạp làm ảnh hưởng mạnh đến hình thái các hạt. Các đám kết khối xảy ra mạnh với kích thước các khối lên đến 5 - 7 m. Đặc biệt đối với mẫu đồng pha tạp Li thì hiện tượng kết đám là gần như không có đồng thời các hạt phân bố đồng đều hơn với kích thước hạt bị giảm đi đôi chút (kích thước hạt trung bình cỡ 0.8 m). Điều này có thể được giải thích là ở 1300 ºC, đây là nhiệt độ hóa hơi của Li nên các hơi này đã góp phần phân bố lại các hạt tinh thể khiến chúng trở nên đồng đều hơn [82]. Các mẫu đồng pha tạp Al3+ hoặc Na+và K+ đều (c) (Y0, 90E u0,0 7Al0 ,03)2 O3 (b) (a) (d) 14 cho vật liệu có kích thước lớn hơn. Các tính chất quang của các mẫu vật liệu này sẽ tiếp tục được khảo sát ở phần 3.1.2.3. 3.1.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến phổ huỳnh quang của vật liệu Y2O3: Eu3+ Theo những nghiên cứu trước đây trong nhóm thì nồng độ Eu3+ tối ưu pha tạp trong nền Y2O3 tổng hợp theo phương pháp sol-gel thường 7%mol. Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành tổng hợp vật liệu Y2O3:Eu3+ theo phương pháp khếch tán bề mặt với các nồng độ pha tạp của Eu3+ theo % mol so với Y3+ lần lượt là (3%, 7%, 9%, 11% và 20%). Các mẫu đều được xử lý nhiệt ở nhiệt độ 1300oC trong thời gian 3h. Nồng độ ion Eu3+pha tạp cũng ảnh hưởng đến khả năng phát quang của vật liệu. Kết quả phân tích phổ huỳnh quang cho thấy (hình 3.11), với tỷ lệ pha tạp khác nhau vật liệu vẫn phát xạ mạnh vùng ánh sáng màu đỏ từ 580 nm đến 720 nm, đỉnh phát xạ mạnh nhất tại bước sóng 611 nm tương ứng với quá trình dịch chuyển mức năng lượng từ 5D07F2 của ion Eu3+. Điều này chỉ được phép khi ion Eu3+ chiếm tâm C2. Hình 3. 10: Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp Eu3+ đến khả năng phát quang của vật liệu tổng hợp theo phương pháp khuếch tán bề mặt Khi tỷ lệ pha tạp ion Eu3+ tăng lên thì cường độ huỳnh quang tăng. Điều này được giải thích là khi ion Eu3+ tăng thì sự thay thế của ion Eu3+ vào các vị trí của ion Y3+ trong mạng nền Y2O3 tăng lên, làm tăng các tâm phát xạ dẫn tới cường độ huỳnh quang cũng tăng lên (đồ thì hình 3.11). Nhưng khi tỷ lệ pha tạp tăng quá cao, các tâm phát quang Eu3+ ở gần nhau gây ra sự hấp thụ năng lượng lẫn nhau giữa các tâm phát xạ này. Đây chính là hiện tượng suy giảm cường độ huỳnh quang do tỷ lệ pha tạp cao (hiện tượng dập tắt huỳnh quang). Như vậy, nồng độ pha tạp tối ưu của ion Eu3+ là 7% mol khá tương đồng so với các phương pháp tổng hợp vật liệu Y2O3:Eu3+ theo các phương pháp khác của nhóm như phương pháp sol-gel; đồng kết tủa [5]. Sau khi xác định được nồng độ tối ưu của ion Eu3+ là 7%, ảnh hưởng của các ion đồng pha tạp (Li+, Al3+, Na+, K+) cũng được nghiên cứu. Hình 3.12 cho biết ảnh hưởng của ion đồng pha tạp đến tính chất quang của vật liệu Y2O3: Eu3+ 7% mol. Hình 3. 11: Phổ huỳnh quang dưới bước sóng kích thích 254 nm: (Y0,93Eu0,07)2O3 (đường màu đỏ); (Y0,90Eu0,07Al0,03)2O3 (xanh lục); (3)(Y0,87Eu0,07Li0,06)2O3 (xanh lam); (Y0,90Eu0,07Na0,02K0,01)2O3 (màu xám) đều được nung 1300 ºC trong 3 giờ C ư ờ n g đ ộ ( đ .v .t .y ) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) C ư ờ n g đ ộ ( đ .v .t .y ) 15 Kết quả phân tích phổ PL ở hình 3.12 cũng cho thấy sự pha tạp các ion kim loại góp phần làm tăng cường độ phát quang của vật liệu. Đỉnh phát xạ cực đại cũng thu được tại bước sóng 611 nm và sự dịch đỉnh phát xạ khi thay đổi các ion đồng pha tạp khác nhau không đáng kể. Sở dĩ như vậy là bởi, theo [25], các kim loại này đã ưu tiên chiếm tâm C2 của mạng nền Y2O3, là quá trình chuyển đổi rất nhạy đối với sự thay đổi của môi trường bên ngoài dẫn đến làm tăng cường độ đỉnh phát xạ 611 nm. 3.1.2.4 Tính toán Rietvelt cho vật liệu Y2O3:Eu3+ khi thay đổi nồng độ pha tạp Kết quả tính toán cho thấy vật liệu Y2O3:Eu3+ có cấu trúc lập phương (cubic) với nhóm không gian Ia3 (260),  =  =  = 90o với các thông số cấu trúc được trình bày trong bảng 3.2. Bảng 3. 2:Dữ liệu thông số cấu trúc đối với mẫu (Y0.93Eu0.07)2O3khi thay đổi nồng độ pha tạp Mẫu 2θ Chỉ số Miller Thông số ô mạng Å dh,k,l (Å) Kích thước tinh thể (nm) JCPDS Tính toán JCPDS Tính toán JCPDS Tính toán (Y0.87Eu0.07Li0.06)2O3 29,13 (222) (222) 10,604 10,611 3,0599 3,063 25 (Y0.9Eu0.07Al0.03)2O3 29,13 (222) 10,618 3,065 32 (Y0.9Eu0.07Na0.02K0.01)2O3 29,13 (222) 10,613 3,064 30 Tính toán Rietveld cho phép khẳng định chính xác cấu trúc của vật liệu Y2O3:Eu3+. Vật liệu thu được là đơn pha tinh thể, có chất lượng cao, với sai khác giữa lý thuyết và thực nghiệm nhỏ. Hình 3. 12: Dữ liệu kiểm nghiệm mẫu (Y0.8Eu0.2)2O3 nung ở 1300 ºC-3h 3.1.3 Kết quả thử nghiệm tráng phủ bột tổng hợp trên đèn huỳnh quang Hình 3.14 là phổ huỳnh quang của bột thương mại nhập khẩu (ký hiệu trên hình là TM) và bột thực nghiệm Y2O3:Eu3+ (7% mol) tổng hợp theo phương pháp khuếch tán bề mặt. Kết quả chỉ ra rằng, bột thực nghiệm cho đỉnh phát xạ hoàn toàn trùng khớp với bột thương mại, đình phát xạ cực đại ở 611 nm dưới bước sóng kích thích 254 nm. Không những vậy, cường độ phát xạ của bột thực nghiệm còn cao hơn hẳn so với bột thương mại. Ngoài ra bột thương mại có xuất hiện phổ phát xạ ở vùng bước sóng 545nm. Các kết quả phân tích phổ huỳnh quang của bột thương mại và mẫu chế tạo được thể hiện trên hình 3.14 Hình 3. 13: Phổ huỳnh quang bột thương mại và bột thực nghiệm 2θ (độ) C ư ờ n g đ ộ ( đ v ty .) 500 550 600 650 700 0 1x104 2x10 4 3x10 4 4x10 4 5x104 6x10 4 7x10 4 Y2O3-Eu TM-PL 254 nm-0.1s-slit 0.5-1 Y2O3-Eu (7%) M2 (6-5-2014)-PL 254 nm-0.1s-slit 1-1 P L _ In te n s it y ( a .u .) Wavelength (nm) Xe Ex: 254 nm 611 Y2O3:Eu3+ (7%) Y2O3:Eu3+(TM ) 16 3.2 VẬT LIỆU Y3Al5O12:Eu3+ 3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúcpha, tính chất phát quang và hình tháibề mặt bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ Y3Al5O12:Eu3+ 3.2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành cấu trúc mạng nền Hình 3. 14: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu (Y0.93Eu0.07)3Al5O12 nung trong các khoảng nhiệt độ khác nhau theo phương pháp đồng kết tủa: (a) 600 ºC, (b) 800 ºC, (c) 1000 ºC, (d) 1100 ºC, (e) 1200 ºC, (f) 1300 ºC Hình 3.15 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khi thay đổi nhiệt độ nung từ 600 - 1300 ºC. Từ hình chúng ta thấy, đối với mẫu tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa thì ở 600 ºC chưa quan sát thấy có sự hình thành đỉnh nào rõ rệt chứng tỏ rằng ở nhiệt độ này bột vẫn ở trạng thái vô định hình. Khi tăng nhiệt độ lên 800 ºC bắt đầu có sự hình thành pha tinh thể ở 2theta  340 chứng tỏ rằng bắt đầu có sự chuyển pha từ vô định hình thành pha tinh thể. Khi tăng nhiệt độ nung lên 1000 ºC xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nét đặc trưng của YAG (theo thẻ chuẩn số 3300-40). Sự xuất hiện của các đỉnh này khẳng định ở nhiệt độ này pha vô định hình đã chuyển hóa hoàn toàn thành YAG tinh thể. Không có dấu hiện nào của các thành phần tạp chứng tỏ mẫu thu được là đơn pha cũng như khẳng định quá trình tổng hợp không dẫn đến sự hình thành của các pha trung gian như YAlO3 (YAP) và Y4Al2O9 (YAM). Tiếp tục tăng nhiệt độ nung lên 1300 ºC chúng ta thấy, độ sắc nét và cường độ các pic tăng lên chứng tỏ rằng quá trình hình thành tinh thể đang hoàn thiện. Sử dụng công thức Scherrer ứng với pic nhiễu xạ (4 2 0) chúng tôi tính toán được kích thước tinh thể cỡ 25 - 30 nm. 3.2.1.2 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FT-IR Hình 3.16 là phổ hồng ngoại của mẫu YAG: Eu 7% mol nung ở 600 ºC và 1300 ºC. Từ hình 3.16 chúng ta thấy, ở 600 ºC xuất hiện 2 vùng sóng đặc trưng trong vùng 3500 cm-1 và 1539 - 1386 cm-1. Đây là dải sóng thuộc nhóm dao động O-H và C- O tương ứng, tuy nhiên nhóm dao động O-H với cường độ không đáng kể. Các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng [90], chính nhóm hydroxyl (-OH) ở dải sóng 3500 cm-1 là nguyên nhân khiến cường độ phát quang giảm. Hình 3. 15: Phổ hồng ngoại của mẫu nung ở các nhiệt độ khác nhau Như vậy, trong mẫu của chúng tôi không thấy xuất hiện các đỉnh hấp thụ của nước chứng tỏ mẫu “khô” và là vật liệu huỳnhquang tốt. Ngoài ra, sự xuất hiện của nhóm C-O trong mẫu có thể liên quan đến quá trình hấp thụ CO2 trong khí quyển.Tuy nhiên, sự xuất hiện này gần như bị biến mất khi tăng nhiệt độ nung lên 1300 ºC. Thay vào đó, tại nhiệt độ nung cao xuất hiện một dải hấp thụ mạnh trong vùng 785 - 430 cm-1. Các đỉnh hấp thụ ở 719 và 786 cm-1 liên quan đến dao động hoá trị của bát diện AlO6, còn đỉnh hấp thụ ở 459 và 430 cm-1 liên quan đến dao động hoá trị tứ diện AlO4. Cuối cùng, các dải hấp thụ ở 687, 567 và 512 cm-1 17 đặc trưng cho dao động Y-O liên kết kim loại - oxy. Đó là các dải sóng đặc trưng cho cấu trúc garnet của YAG (hình 3.17). 3.2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hình thái bề mặt của vật liệuY3Al5O12: Eu3+ Hình 3. 16: Ảnh FESEM của mẫu (Y0.93Eu0.07)3Al5O12 ở các nhiệt độ nung khác nhau Hình 3.18 là ảnh FESEM của mẫu bột (Y0.93Eu0.07)3Al5O12 tổng hợp trong điều kiện nung ủ ở các nhiệt độ khác nhau. Từ ảnh FESEM chúng ta thấy, khi nhiệt độ nung thiêu kết thấp (1000 ºC), chưa có sự hình thành biên hạt rõ ràng, các hạt có xu hướng kết đám với nhau. Khi tăng nhiệt độ nung lên, đã bắt đầu xuất hiện các hạt tinh thể có dạng hình cầu với biên hạt rõ ràng hơn tuy nhiên sự kết đám vẫn diễn ra. Tại nhiệt độ nung 1300 ºC, sự kết đám của các hạt giảm rõ rệt, các hạt có dạng hình cầu với kích thước khá đồng đều, đường kính tinh thể cỡ 30 nm và đường kính các đám kết khối cỡ 100 nm. Như vậy, các kết quả tính kích thước tinh thể theo Scherrer khá phù hợp với kết quả thu được từ đo FESEM. 3.2.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến phổ huỳnh quang của vật liệu Y3Al5O12: Eu3+ Tính chất phát quang của vật liệu YAG:Eu được đánh giá dựa trên phổ phát xạ (PL) của các mẫu. Hình 3.19 là phổ huỳnh quang của mẫu Y3Al5O12:Eu3+ khi nung ở các nhiệt độ khác nhau dưới bước sóng kích thích 254 nm. Đây là bước sóng kích thích đặc trưng của hơi thủy ngân trong đèn huỳnh quang, huỳnh quang compact [92, 95]. Hình 3. 17: Phổ huỳnh quang của mẫu Y3Al5O12:Eu 3+ dưới bước sóng kích thích 254 nm Tất cả các mẫu YAG:Eu thể hiện khả năng phát quang đỏ - cam và đỏ xa với các dải phát xạ đặc trưng. Trong miền 580 - 650 nm có năm dải với cường độ các pic định cư ở 590 nm, 595, 610, 631 và 650 nm đặc trưng cho mức chuyển năng lượng từ 5D0 - 7Fj (j = 1-3) và dải đỏ xa ở 710 nm tương ứng với mức chuyển 5D0 - 7F4 của ion Eu3+. Khi thay đổi nhiệt độ nung mẫu, với cùng điều kiện đo quang chúng ta thấy, ở 800 ºC, phổ huỳnh quang của mẫu có hình dạng khác so với các mẫu ở nhiệt độ nung 1000 - 1300 ºC. Nguyên nhân là do quá trình chuyển đổi lưỡng cực từ 5D0 - 7F1 không nhạy đối với sự thay đổi của các nguyên tố lân cận trong khi quá trình chuyển đổi lưỡng cực điện 5D0 - 7F2 lại rất nhạy với bất kỳ sự thay đổi cấu trúc nào. Ngoài ra, đối với mẫu bột nung ở 800 ºC, có sự xuất hiện của quá trình chuyển đổi lưỡng cực 5D0 - 7F0 tại bước sóng 579 nm (được ký hiệu bằng dấu * trong hình) trong khi ở các nhiệt độ nung cao hơn không hề xuất hiện. Kết hợp với 18 các kết quả XRD trên đây, do ở 800 ºC, mẫu vẫn ở trạng thái vô định hình do vậy hầu hết các ion Eu3+ định cư ở tâm không có đối xứng đảo và các tâm hình học mà ion Eu3+ có thể định cư là Cs,Cn và Cnv. Đối với các mẫu nung ở 1100 ºC - 1300 ºC, pha YAG đã hình thành hoàn thiện với các pic định cư ổn định, không bị dịch phổ khi tiếp tục tăng nhiệt độ. 3.2.1.5 Tính toán Rietvelt cho vật liệu Y2O3:Eu3+ khi thay đổi nhiệt độ nung Để khẳng định cấu trúc của vật liệu tổng hợp được là lập phương phù hợp với lý thuyết, chúng tôi đã tiến hành kiểm nghiệm lại bằng phương pháp Rietveld sử dụng phần mềm Fullprof. Các kết quả kiểm chứng thực hiện với mẫu Y3Al5O12:Eu3+ nung ở 1000 ºC - 3 giờđược mô tả trên hình 3.20. Các kích thước ô mạng tính toán khi thay đổi nhiệt độ nung được chỉ ra trên bảng 3.3. Hình 3. 18: Dữ liệu kiểm nghiệm mẫu Y3Al5O12:Eu3+ nung ở 1000 ºC-3h Như đã trình bày ở trên, vật liệu YAG có cấu trúc lập phương tâm khối dạng Ia3d [109]. Các kết quả kiểm chứng theo Rietveld một lần nữa khẳng định mẫu tổng hợp được có cùng dạng cấu trúc với mẫu lý thuyết (lập phương). Bảng 3. 3: Dữ liệu thông số mạng tính toán đối với mẫu Y3Al5O12:Eu3+ Nhiệt độ nung 2θ Chỉ số hkl Thống số ô mạng Å dh,k,l (Å) JCPDS Tính toán JCPDS Tính toán JCPDS Tính toán 13000C - 3h 33,26 (420) (420) 12,00890 12,075 2,687 2,7 12000C - 3h 33,22 (420) (420) 12,00890 12,036 2,687 2,691 11000C - 3h 33,19 (420) (420) 12,00890 12,062 2,687 2,697 10000C - 3h 33,17 (420) (420) 12,00890 12,058 2,687 2,696 3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp cấu trúc pha, tính chất phát quang và hình tháibề mặt bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ Y3Al5O12:Eu3+ 3.2.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến sự hình thành cấu trúc mạng nền Nhằm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến độ kết tinh của vật liệu, chúng tôi đã tiến hành pha tạp ion Eu3+ với nồng độ 10% mol. Các kết quả đo giản đồ nhiễu xạ tia X được trình bày trên hình 3.21: Kết quả XRD từ hình 3.21 cho thấy, đối với mẫu pha tạp 10%, mẫu thu được là đơn pha với thành phần pha chính là Y3Al5O12 (theo thẻ chuẩn JCPDS số 33-0040). Không có sự xuất hiện của các pha trung gian cũng như thành phần pha pha tạp chứng tỏ ion pha tạp Eu3+ đã đi vào cấu trúc mạng nền và thay thế một phần vị trí ion Y3+. Điều này bước đầu cho phép dự đoán với các nồng độ pha tạp thấp hơn thì mẫu vẫn là đơn pha tinh thể. Hình 3. 19: Giản đồ nhiễu xạ tia X đối với mẫu YAG pha tạp 10% nung ở 1300 ºC - 3h 19 3.2.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến phổ huỳnh quang của vật liệu Y3Al5O12: Eu3+ Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng phát quang của vật liệu, chúng tôi đã tiến ành đo quang tại bước sóng kích thích 254 nm tại nhiệt độ phòng đối với các mẫu thay đổi nồng độ, kết quả được chỉ ra trên hình 3.22. Hình 3.22 là phổ huỳnh quang của các mẫu YAG khi thay đổi nồng độ pha tạp khác nhau. Phổ PL bao gồm các dải sóng đặc trưng của ion Eu3+ tương ứng với các quá trình chuyển đổi từ trạng thái kích thích 5D0 về trạng thái cơ bản 7Fj (j = 1-6). Các bước sóng đạt giá trị cực đại về cường độ huỳnh quang thu được tại bước sóng  = 589 nm (vùng cam - kí hiệu O) và = 710 nm (vùng đỏ xa - kí hiệu FR). Các đỉnh khác j = 2 ( = 610 nm - vùng đỏ - kí hiệu R) thu được cũng có cường độ huỳnh quang khá lớn với các đỉnh sắc nét. Cường độ của các chuyển đổi giữa các mức j này phụ thuộc vào tâm hình học của ion Eu3+. Hình 3. 20: Phổ huỳnh quang của các mẫu YAG:Eu khi thay đổi nồng độ pha tạp khác nhau dưới bước sóng kích thích 254 nm: hình (a) - đồ thì vẽ theo tỉ lệ tương đối và (b )-đồ thị vẽ theo cườngđộ đo được ở cùng chế độ đo Thông thường, ion Eu3+ sẽ thế một phần vào tâm mười hai mặt của Y3+ với dạng D2 của mạng chủ YAG. Theo qui tắc lựa chọn, quá trình chuyển đổi lưỡng cực từ (j = 1) là được phép trong khi đó quá trình chuyển đổi lưỡng cực điện (j = 2) bị cấm. Kết quả là cường độ huỳnh quang của mức j = 1 lớn hơn nhiều mức j = 2. Riêng mức j = 4 có cường độ phát xạ nổi trội (mạnh hơn cả mức j = 1) được coi là một hiện tượng bất thường của ion Eu3+. Các mức chuyển còn lại (j = 3,5,6) có cường độ không đáng kể, có thể bỏ qua. Hình 3.21: Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến tỷ lệ R/O Tỷ lệ về cường độ huỳnh quang giữa vùng đỏ và cam (R/O) cho chúng ta các thông tin về trạng thái và hình thái học của các ion xung quanh tâm phát quang [40]. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến tỷ lệ R/O được chỉ ra trên hình 3.23. Từ hình chúng ta thấy, dưới các bước sóng kích thích khác nhau, tỷ lệ R/O thay đổi tương ứng. Các kết quả phân tích huỳnh quang cho thấy (hình 3.24), khi tăng nồng độ pha tạp ion Eu3+ thì cường độ phát quang tăng. Nguyên nhân là do số tâm phát quang tăng lên. Tuy nhiên, với nồng độ >7% mol thì cường độ lại giảm đột ngột. Điều này có thể được giải thích là do hiện tượng dập tắt huỳnh quang theo nồng độ. Hiện tượng trên đúng trong cả hai trường hợp chuyển đổi 5D0 7D1 và 5D0 7D4. Từ các kết quả PL, chúng tôi đã lựa chọn hàm lượng pha tạp tối ưu là 7% mol ion Eu3+. Hình 3.22: Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ pha tạp C ư ờ n g đ ộ ( đ .v .t .y ) (b) 20 Để có cái nhìn tổng quát về ảnh hưởng của bước sóng kích thích tới cường độ phát quang của mẫu, chúng tôi đã tiến hành đo mẫu với các bước sóng kích thích ở 254 nm (bước sóng kích thích ở các ứng dụng hiệu quả) và 395 nm (bước sóng kích thích đặc trưng của YAG:Eu) [27] của mẫu ở 1300 ºC - 3h. Kết quả được trình bày dưới đây (hình 3.25): Hình 3.23: Phổ phát xạ của mẫu YAG:Eu ở các bước sóng kích thích khác nhau Mục tiêu của việc thay đổi bước sóng kích thích nhằm khảo sát xem sự phụ thuộc của bước sóng kích thích tới mức độ phát quang của tâm phát quang, đồng thời cho biết bước sóng kích thích nào sẽ phù hợp hoặc vùng phát quang phù hợp với bước sóng kích thích tương ứng. Kết quả chỉ ra rằng, khi thay đổi bước sóng kích thích thì khả năng phát quang của ion Eu3+ không thay đổi (chỉ thay đổi về cường độ còn các đỉnh phát xạ không bị dịch chuyển). Các kết quả trên hình 3.25 cũng chỉ ra tỷ lệ vùng đỏ xa và vùng đỏ cam (kí hiệu là FR/RO) thay đổi khi thay đổi bước sóng kích thích. Bảng 3. 4:Tỷ lệ FR/RO với các bước sóng kích thích khác nhau Bước sóng 254 395 Tỷ lệ FR/RO 1,26 1,89 Phổ kích thích huỳnh quang của mẫu YAG:Eu được trình bày trên hình 3.26. Hình 3.24: Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) của mẫu YAG:Eudưới bước sóng 710 nm Về mặt lý thuyết, phổ huỳnh quang kích thích của mẫu YAG thu được trong vùng 200 nm - 450 nm gồm 2 dải kích thích chính. Dải thứ nhất định cư chủ yếu trong vùng 220 - 250 nm, chứa dải chuyển đổi điện tích (CTB) Eu3+ và O2- với cường độ đỉnh tại 238nm. Dải thứ hai trong vùng 280 - 425 nm bao gồm một vài đỉnh với cường độ yếu đặc trưng cho quá trình chuyển đổi điện tử f - f của ion Eu3+. Tuy nhiên, trong quá trình đo, do vùng kích thích thứ nhất gần sát với ánh sáng của chân đèn đo nên chúng tôi chỉ thu được vùng kích thích thứ hai trong khoảng từ 260 - 450 nm (hình 3.26). Các kết quả chỉ ra phổ kích thích thu được gồm các đỉnh sắc nét với cường độ đỉnh đạt tại 394 nm tương ứng với bước chuyển 7F05L6. Các đỉnh kích thích khác đặc trưng cho ion Eu3+ cũng thu được tại 299 nm, 319 nm (7F05L8), 361 nm (7F05D4), 379 nm (7F05L7), 394 nm (7F05L6) và 460 nm (7F05D2) [93]. 3.3 Kết luận chương 3 - Bột đỏ Y2O3:Eu3+ được tổng hợp theo phương pháp khuếch tán bề mặt, nhiệt độ nung tối ưu trong khoảng 1000 - 1300 ºC trong 3 giờ. Các mẫu bột thu được có dạng hình cầu, kích thước tinh thể cỡ 1 - 3 m phù hợp với bột thương mại đang sử dụng. C ư ờ n g đ ộ ( đ .v .t .y ) C ư ờ n g đ ộ ( đ .v .t .y ) Bước sóng (nm) Bước sóng (nm) 21 - Nồng độ pha tạp tối ưu của ion Eu3+ đối với mẫu Y2O3 là 7%, nồng độ pha tạp cao hơn dẫn đến hiện tượng cường độ huỳnh quang giảm, nguyên nhân là do hiện tượng dập tắt huỳnh quang. - Các kết quả đo XRD khẳng định, mẫu bột Y2O3 thu được là đơn pha, việc pha tạp thêm ion đất hiếm và ion kim loại (đồng pha tạp) vào không làm ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của mạng nền. - Phổ huỳnh quang của bột Y2O3:Eu3+được chế bằng phương pháp khuếch tán bề mặt cho đỉnh phổ đặc trưng cho phát xạ của Eu3+ xảy ra do dịch chuyển từ 5D07F2của Eu3+ trong mạng nền Y2O3 tại bước sóng ~611 nm. Phương pháp khuếch tán bề mặt cho cường độ huỳnh quang mẫu bột cao hơn hẳn so với phương pháp đồng kết tủa, đồng thời, khi đồng pha tạp thêm ion kim loại vào vật liệu thì cường độ huỳnh quang của vật liệu tăng lên đáng kể. - Kết quả thử nghiệm tráng bột trên đèn huỳnh quang compact rất gần với kết quả thu được của bột thương mại, điều này dự đoán mẫu bột thử nghiệm có khả năng thay thế nguồn nguyên liệu nhập khẩu, ứng dụng trong sản xuất đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact hiệu suất cao. - Bột đỏ YAG:Eu3+được tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa, nhiệt độ nung tối ưu là 1300 ºC trong 3 giờ, nồng độ pha tạp tối ưu là 7% mol ion Eu3+. Các mẫu bột thu được có kích thước tinh thể cỡ 30 nm và có dạng hình cầu khá đồng nhất. Tuy nhiên, vẫn tồn tại các đám kết khối với kích thước các đám cỡ 100 nm - Các kết quả đo XRD khẳng định, mẫu bột thu được là đơn pha, việc pha tạp thêm ion đất hiếm vào không làm ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể của mạng nền. Điều này đã được kiểm chứng thông qua phương pháp phân tích Rietveld với các thông số tính toán gần khớp với thông số chuẩn theo thẻ chuẩn của bột YAG (thẻ số 33-0040) - Các kết quả đo phổ huỳnh quang cho thấy, tồn tại một đỉnh phát xạ mạnh tại bước sóng 710 nm tương ứng với quá trình chuyển đổi lưỡng cực điện 5D07F4 của ion Eu3+. Các đỉnh phát xạ này không bị dịch phổ khi thay đổi bước sóng kích thích. CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG BỘT HUỲNH QUANG TỔNG HỢP LÀM ĐÈN NÔNG NGHIỆP CHIẾU SÁNG CHO CÂY TRỒNG Phổ phát quang của vật liệu tổng hợp được so sánh như trên hình 4.1. Hình 4. 1:Phổ huỳnh quang của vật liệu YAG:Eu3+ (7%) - đường xanh và Y2O3:Eu3+(7%) - đường đỏ 4.1 Công nghệ tráng phủ bột huỳnh quang 4.1.1 Thực trạng 4.1.2 Hướng giải quyết 4.1.2.1 Quy trình chuẩn bị hệ keo: 4.1.2.2 Tỷ lệ các nguyên liệu đầu vào 4.2 Kết quả thử nghiệm C ư ờ n g đ ộ ( đ .v .t .y ) Bước sóng (nm) 22 Sử dụng các bột huỳnh quang chế tạo được là bột phát xạ màu đỏ (Y2O3:Eu), đỏ xa (YAG:Eu) và kết hợp với loại bột huỳnh quang thương mại phát xạ màu xanh lam, chúng tôi đã chế tạo một số loại đèn huỳnh quang ứng dụng cho chiếu sáng nông nghiệp như đèn phát xạ màu đỏ, Xanh lam – Đỏ, Đỏ xa như sau: a) Đèn huỳnh quang phát xạ ánh sáng màu đỏ sử dụng 100% bột huỳnh quang Y2O3:Eu tổng hợp (loại đèn 20W R). Hình 4. 4:Phổ đèn của mẫu đèn 20W-R Hình 4.4 là phổ đèn của đèn huỳnh quang (loại 20W) sử dụng bột Y2O3:Eu3+ (7%) được chế tạo thử nghiệm trên dây chuyền sản xuất đèn huỳnh quang tại công ty cổ phần Bóng Đèn Phích nước Rạng Đông. Trên phổ đèn cho thấy ngoài các vạch phát xạ của hơi thủy ngân (Hg) thì các vạch phổ phát xạ còn lại trùng khớp với phổ huỳnh quang của bột Y2O3:Eu3+và có đỉnh phổ mạnh nhất tại bước sóng 611 nm đặc trưng cho chuyển mức phát xạ của ion Eu3+. b) Đèn huỳnh quang phát xạ ánh sáng xanh lam – đỏ sử dụng bột phát xạ màu xanh lam thương mại và bột phát xạ màu đỏ Y2O3:Eu (loại đèn 20W B/R) Hình 4.5: Phổ đèn 20W B/R Hình 4.5 là phổ đèn của mẫu đèn huỳnh quang compact 20W B/R sử dụng bột huỳnh quang thương mại phát xạ màu xanh lam và bột Y2O3:Eu do chúng tôi chế tạo. Trên phổ đèn cho thấy một vùng phát xạ ánh sáng màu xanh lam từ 400 – 500 nm có đỉnh tại bước sóng 450 nm đây là vùng phát xạ của bột thương mại và một dải phát xạ đỏ từ 560 – 720 nm đặc trưng cho phát xạ của bột Y2O3:Eu, ngoài ra còn một số vạch phát xạ của hơi thủy ngân (Hg) (tại bước sóng 406; 440 và 550 nm). c) Đèn huỳnh quang phát xạ đỏ, đỏ xa sử dụng 100% bột huỳnh quang YAG:Eu3+ (loại đèn 20W R/Fr) Hình 4.6:Phổ đèn 20W R/Fr Hình 4.6 là phổ đèn của đèn huỳnh quang R/Fr loại đèn 20W sử dụng 100% bột huỳnh quang YAG:Eu3+. Trên phổ đèn cho thấy với kích thích của hơi thủy ngân (Hg) thì đèn phát xạ ra hai vùng đỏ: i) vùng phát xạ đỏ bước sóng từ 590 – 650 nm có đỉnh phát xạ mạnh nhất tại bước sóng 590 nm (vùng R); ii) vùng đỏ xa từ 650 – 720 nm, đỉnh phát xạ mạnh nhất trong vùng tại bước sóng 710 nm (vùng Fr). Hình 4. 7: Phổđèn của các loại đèn R, B-R và F-R 20W Hình 4.7 là phổ của ba loại đèn R, B-R và R-Fr 20W. Với ba loại đèn đã chế tạo thử nghiệm ở trên hoàn toàn có thể sử dụng để kích thích các loại cây khác nhau hoặc có thể sử dụng các loại đèn 23 này để kích thích vào từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển của cây xanh. So sánh tỷ lệ công suất bức xạ ánh sáng xanh (B), đỏ (R) trên 1W điện tiêu tốn và công suất hấp thụ phytocrom của các loại đèn chế tạo được được thể hiện trên bảng 4.2. Bảng 4. 2: Bảng so sánh một số thông số các loại đèn chiếu sáng Loại đèn Công suất điện Pin (W) Cấu trúc phổ bức xạ (% so với Pin) Công suất hấp thụ của Phytocrom (% so với Pin) R (600- 700)nm Fr (700 - 800) nm Pr Pfr Đèn 20W R 17,2 10,76 1,6 5,78 2,72 Đèn 20W B/R 17,1 7,22 0,89 3,83 2,15 Đèn 20W R/Fr 18,7 8,71 0,59 4,41 1,81 Đèn 6500K 20W 17,85 4,08 0,4 2,3 1,3 *Công suất hấp thụ phytocrom được xác định định tính bằng cách so sánh giữa phổ năng lượng phát quang của đèn đo được so với phổ hấp phụ Phytocrom lý thuyết. Như vậy, đối với các đèn chế tạo, năng lượng bức xạ trong dải phổ đỏ chiếm 1,85 W; 1,53W; 1,63W và 0,73W (theo thứ tự tương ứng trong bảng) so với đèn chiếu sáng thông thường (6500K) có năng lượng bức xạ dải phổ đỏ chỉ chiếm 0,7W so với tổng công suất tiêu thụ. Các thông số phổ đèn chế tạo hoàn toàn phù hợp với các phổ phát minh trước đó [84] và có khả năng ứng dụng tốt cho cây trồng. 4.3 Một số kết quả ứng dụng trên đèn thử nghiệm 4.3.1 Trong nuôi cấy mô Hình 4. 2 (a - bên trái): Kết quả thử nghiệm trên cây khoai tây sử dụng đèn huỳnh quang thường 40W - thân cây mảnh hơn, lá bé, cây và lá có màu xanh nhạt Hình 4. 3 (b - bên phải): Kết quả thử nghiệm trên cây khoai tây sử dụng đèn huỳnh quang B/R- cây có lá xanh đậm, thân mập hơn, số lá tăng nhanh hơn và tán lá rộng hơn 4.3.2 Trên cây hoa cúc Hình 4. 9: Sử dụng đèn R cho cây hoa cúc Hình 4.9 là ảnh thử nghiệm thực tế đèn R trong kích thích cây hoa cúc. Đối với cây hoa cúc là cây ngắn ngày trong điều kiện phát triển bình thường cây sẽ ra hoa rất sớm khi thân và lá chưa kịp phát triển nên giá trị về mặt kinh tế và thẩm mỹ không cao. Khi sử dụng đèn R để kích 24 thích cây hoa cúc thương phẩm có thể cho chiều dài thân cây từ 30 – 45 cm (cây thông thường ra hoa chỉ khoảng 15 – 25 cm, hoa nhỏ, thân gầy), có nhiều nhánh hoa, thân cây mập hơn và hoa to hơn. Kết luận chương 4 - Đã đưa ra một số giải pháp về quy trình chuẩn bị hệ keo và chuẩn bị các nguyên liệu đầu vào với tỷ lệ thích hợp cho giai đoạn tráng phủ bột lên đèn. Đây là giai đoạn quan trọng nhất, ảnh hưởng chính đến chất lượng đèn đầu ra. - Đã tiến hành chế tạo thử nghiệm một số đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact ứng dụng trong chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao trên cơ sở vật liệu tổng hợp được với phổ ánh sáng đặc trưng trong vùng xanh lam, đỏ, đỏ xa. - Các thử nghiệm ban đầu trong chiếu sáng kích thích cây trồng cho thấy kết quả khá khả quan khi sử dụng kích thích cho cây hoa cúc. KẾT LUẬN LUẬN ÁN Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi đã tổng hợp thành công hai hệ bột huỳnh quang: Y2O3 pha tạp Eu3+ phát xạ ánh sáng đỏ bằng phương pháp khuếch tán bề mặt và bột huỳnh quang Y3Al5O12 pha tạp Eu3+ phát xạ ánh sáng đỏ xa bằng phương pháp đồng kết tủa. Các nghiên cứu cho thấy các thông số chế tạo ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tinh thể, hình thái hạt và các đặc trưng quang của vật liệu. Chúng tôi đã tìm ra được một số thông số phù hợp để tạo ra vật liệu có chất lượng tốt và khả năng phát quang cao. Cụ thể như sau: 1. Vật liệu Y2O3:Eu3+ - Bột tổng hợp được là đơn pha tinh thể, bột có cấu trúc tinh thể tốt nhất ở nhiệt độ nung 1300 ºC trong 3 giờ; nồng độ pha tạp Eu3+ tối ưu là 7% mol và phát quang mạnh với cực đại tại 611 nm của chuyển dời 5D0 - 7F2. Đặc biệt về kích thước, bột Y2O3:Eu3+ có kích thước 1 - 3 m. - Bột Y2O3 pha tạp 7% mol Eu3+ được tiến hành đồng pha tạp với một số ion kim loại (Li+, Al3+, Na+, K+). Các kết quả cho thấy, bột thu được là đơn pha tinh thể, các đám kết khối xảy ra mạnh với kích thước các khối lên đến 5 - 7 m. Đỉnh phát xạ chính vẫn thu được ở bước sóng 611 nm nhưng cường độ huỳnh quang tăng lên đáng kể. 2. Vật liệu YAG:Eu3+ - Lần đầu tiên đã tổng hợp thành công bột huỳnh quang YAG:Eu3+ đơn pha tinh thể bằng phương pháp đồng kết tủa. Các kết quả chỉ ra đơn pha tinh thể YAG bắt đầu được hình thành ở 1000 ºC trong 3 giờ và nồng độ pha tạp tối ưu của ion Eu3+ là 7% mol, phát quang mạnh với hai cực đại tại 592 và 710 nm của chuyển dời 5D0 - 7F1 và 5D0 - 7F4 (tương ứng) . Việc thu được phổ huỳnh quang với cường độ phát xạ đạt cực đại tại hai bước sóng trên là phát hiện khá mới của luận án và được coi là điểm thành công trong quá trình nghiên cứu; đạt mục tiêu nghiên cứu ban đầu đặt ra của luận án. 3. Đã đưa ra một số các biện pháp khắc phục thực trạng tại khâu tráng phủ bột lên đèn, góp phần đồng bộ hóa chất lượng đèn đầu ra. - Đã tiến hành thử nghiệm tráng phủ bột lên đèn và chế tạo một số nguồn sáng phục vụ cho chiếu sáng nông nghiệp từ hai hệ bột huỳnh quang chế tạo được. Các kết quả khảo sát bước đầu trên một số đối tượng nghiên cứu (nuôi cấy mô, cây hoa cúc) cho thấy cây có chất lượng khá tốt khi được sử dụng hệ thống đèn chuyên dụng chiếu sáng. - Năng lượng bức xạ trong dải phổ đỏ của các đèn chuyên dụng cao hơn so với đèn chiếu sáng thông thường (trên tổng công suất tiêu thụ), phù hợp với mục tiêu ứng dụng chiếu sáng nông nghiệp.