Chế tạo và khảo sát tính chất quang của thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1. Các nguyên tố đất hiếm

1.2. Cấu hình điện tử và quang phổ của các nguyên tố đất hiếm

1.3. Các mâu thuẫn trong quang phổ của ion RE3+

1.4. Các mức năng lượng của ion RE3+ trong trường tinh thể

1.5. Đặc điểm quang phổ của ion Sm3+

1.6. Thủy tinh pha tạp đất hiếm

1.7. Khái niệm, tính chất và phân loại thủy tinh

1.8. Cấu trúc và thành phần của thủy tinh

1.9. Thủy tinh borate

1.10. Cường độ của các chuyển dời f-f

1.11. Lực vạch trong chuyển dời f-f

1.12. Lực vạch của một chuyển dời lưỡng cực từ (MD)

1.13. Lực vạch của một chuyển dời lưỡng cực điện

1.14. Lý thuyết Judd-Ofelt

1.14.1. Tóm tắt nguyên lý của lý thuyết JO

1.14.2. Tính các thông số cường độ Ωλ

1.14.3. Quá trình phân tích các thông số quang học theo lý thuyết JO

2. CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

2.1. Phương pháp chế tạo thủy tinh

2.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu

2.3. Đo chiết suất của vật liệu

2.4. Đo khối lượng riêng của vật liệu

2.5. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu

2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.5.2. Phương pháp phổ tán xạ Raman

2.5.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại (FT-IR)

2.6. Các phương pháp nghiên cứu tính chất quang của vật liệu

2.6.1. Phương pháp phổ hấp thụ quang học

2.6.2. Phương pháp phổ quang huỳnh quang, kích thích huỳnh quang

2.6.3. Đo thời gian sống của bức xạ huỳnh quang

3. CHƯƠNG III: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA THỦY TINH AKALI-ALUMINO-BORATE PHA TẠP Sm3+

3.1. Kết quả chế tạo và phân tích cấu trúc của vật liệu

3.2. Kết quả chế tạo mẫu, đo chiết suất và khối lượng riêng

3.3. Nghiên cứu cấu trúc của vật liệu

3.4. Ảnh nhiễu xạ tia X của thủy tinh BPNA

3.5. Phổ hấp thụ hồng ngoại và phổ tán xạ Raman

3.6. Phổ hấp thụ và thông số cường độ JO

3.7. Phổ hấp thụ quang học của ion Sm3+

3.8. Tính chất của liên kết Sm3+-ligand trong thủy tinh

3.9. Các thông số cường độ JO

3.10. Phổ kích thích, phổ huỳnh quang và các thông số phát xạ của ion Sm3+

3.10.1. Phổ kích thích

3.10.2. Phổ huỳnh quang

3.10.3. Các thông số phát xạ ion Sm3+

3.11. Thời gian sống của mức 4G5/2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Chế tạo thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3

Quá trình chế tạo thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3+ được thực hiện thông qua phương pháp nóng chảy. Nguyên liệu chính bao gồm B2O3, PbO, Na2O và Al2O3. Việc lựa chọn tỉ lệ các thành phần này rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và tính chất quang của thủy tinh. Các mẫu thủy tinh được chế tạo với nồng độ khác nhau của ion Sm3+ nhằm khảo sát ảnh hưởng của tạp chất này đến các tính chất quang học. Kết quả cho thấy rằng, việc pha tạp Sm3+ không chỉ làm thay đổi cấu trúc mà còn cải thiện đáng kể các tính chất quang của thủy tinh. Đặc biệt, các thông số như độ trong suốt và khả năng phát quang của mẫu thủy tinh được cải thiện rõ rệt khi nồng độ Sm3+ tăng lên. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu quang học ứng dụng trong công nghệ laser và chiếu sáng.

1.1. Phương pháp chế tạo

Phương pháp chế tạo thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3+ được thực hiện bằng cách trộn đều các nguyên liệu theo tỉ lệ đã xác định, sau đó nung chảy trong lò ở nhiệt độ cao. Quá trình này yêu cầu kiểm soát nhiệt độ và thời gian nung để đảm bảo sự hòa tan hoàn toàn của các thành phần. Sau khi nung, thủy tinh được làm nguội từ từ để tránh hiện tượng nứt vỡ. Các mẫu thủy tinh sau khi chế tạo được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc và độ tinh khiết của vật liệu. Kết quả cho thấy rằng, các mẫu thủy tinh có cấu trúc đồng nhất và không có sự xuất hiện của các pha không mong muốn, điều này chứng tỏ rằng quá trình chế tạo đã được thực hiện thành công.

II. Khảo sát tính chất quang của thủy tinh

Tính chất quang của thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3+ được khảo sát thông qua các phương pháp quang học như phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang và thời gian sống. Kết quả khảo sát cho thấy rằng, phổ hấp thụ của mẫu thủy tinh có sự xuất hiện của các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho ion Sm3+. Các đỉnh này tương ứng với các chuyển dời điện tử trong cấu hình 4f của ion Sm3+, cho thấy rằng ion này có khả năng phát quang tốt trong môi trường thủy tinh. Đặc biệt, phổ huỳnh quang cho thấy cường độ phát quang tăng lên khi nồng độ Sm3+ tăng, điều này cho thấy rằng ion Sm3+ có thể hoạt động như một trung tâm phát quang hiệu quả trong thủy tinh. Thời gian sống của mức 4G5/2 cũng được đo và cho thấy giá trị cao, điều này cho thấy rằng ion Sm3+ có khả năng lưu trữ năng lượng tốt, mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang học.

2.1. Phổ hấp thụ và phát quang

Phổ hấp thụ của mẫu thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3+ cho thấy các đỉnh hấp thụ rõ ràng, tương ứng với các chuyển dời điện tử trong ion Sm3+. Các đỉnh này không chỉ xác định được sự hiện diện của ion Sm3+ mà còn cho thấy sự tương tác giữa ion này với môi trường xung quanh. Phổ huỳnh quang của mẫu cũng cho thấy sự phát quang mạnh mẽ, với các đỉnh phát xạ rõ ràng. Điều này chứng tỏ rằng ion Sm3+ có khả năng phát quang tốt trong môi trường thủy tinh, mở ra khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như chiếu sáng và laser. Các thông số quang học như hiệu suất lượng tử và thời gian sống cũng được tính toán, cho thấy rằng ion Sm3+ có thể được sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng quang học.

III. Đánh giá các thông số quang học theo lý thuyết Judd Ofelt

Lý thuyết Judd-Ofelt được áp dụng để đánh giá các thông số quang học của ion Sm3+ trong thủy tinh alkali alumino borate. Các thông số cường độ JO được tính toán dựa trên phổ hấp thụ và phát quang của mẫu. Kết quả cho thấy rằng, các thông số này có mối liên hệ chặt chẽ với cấu trúc của thủy tinh và nồng độ của ion Sm3+. Đặc biệt, độ đồng hóa trị trong liên kết Sm3+-ligand và độ bất đối xứng của trường tinh thể được xác định, cho thấy rằng ion Sm3+ có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường thủy tinh. Việc tính toán các thông số này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất quang của ion Sm3+ mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu quang học ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

3.1. Các thông số cường độ Judd Ofelt

Các thông số cường độ Judd-Ofelt được tính toán từ phổ hấp thụ của mẫu thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3+. Kết quả cho thấy rằng, các thông số này phản ánh chính xác sự tương tác giữa ion Sm3+ và môi trường xung quanh. Đặc biệt, độ đồng hóa trị trong liên kết Sm3+-ligand cho thấy rằng ion Sm3+ có khả năng tương tác mạnh với các ligand trong thủy tinh, điều này góp phần làm tăng hiệu suất phát quang. Ngoài ra, độ bất đối xứng của trường tinh thể cũng được xác định, cho thấy rằng ion Sm3+ có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường thủy tinh, mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị quang học hiện đại.

Luận văn thạc sĩ: Chế tạo và khảo sát tính chất quang của thủy tinh alkali alumino borate pha tạp Sm3