Luận án tiến sĩ vật lý: Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng quang phổ của vật liệu phát quang trên nền silicate alumino kiềm thổ

• Tác giả: Đỗ Thanh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Sơn
• Trường học: Đại học Khoa học, Đại học Huế
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu quang phổ vật liệu phát quang silicate alumino kiềm thổ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Huế

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
• 1.1. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu silicate alumino kiềm thổ
• 1.2. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu Ca2Al2SiO7
• 1.3. Đặc điểm cấu trúc của vật liệu Sr2Al2SiO7
• 1.4. Phương pháp chế tạo vật liệu silicate alumino kiềm thổ
• 1.5. Sự phát quang của các tâm đất hiếm
• 1.6. Sơ lược về các nguyên tố đất hiếm
• 1.7. Đặc điểm của mức năng lượng 4f
• 1.8. Các chuyển dời điện tích của trạng thái 4f
• 1.9. Đặc trưng quang phổ của ion Eu3+
• 1.10. Đặc trưng quang phổ của ion Ce3+
• 1.11. Đặc trưng quang phổ của ion Dy3+
• 1.12. Đặc trưng quang phổ của ion Tb3+
• 1.13. Đặc trưng quang phổ của ion Sm3+
• 1.14. Hiện tượng dập tắt cường độ phát quang do nồng độ pha tạp
• 1.15. Hiện tượng và hiệu suất truyền năng lượng
• 1.16. Hiện tượng truyền năng lượng giữa các tâm bức xạ khác nhau
• 1.17. Hiện tượng truyền năng lượng giữa các tâm giống nhau
• 1.18. Kết luận chương 1
• 2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ VẬT LIỆU SILICATE ALUMINO KIỀM THỔ PHA TẠP
• 2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.2. Chế tạo vật liệu phát quang silicate alumino kiềm thổ pha tạp các nguyên tố RE bằng phương pháp phản ứng pha rắn
• 2.3. Khảo sát điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu phát quang Ca2Al2SiO7 pha tạp các nguyên tố RE
• 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu Ca2Al2SiO7: Eu3+
• 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu Ca2Al2SiO7: Eu3+
• 2.6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất chảy B2O3 đến cấu trúc của vật liệu Ca2Al2SiO7: Eu3+
• 2.7. Khảo sát điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu phát quang Sr2Al2SiO7 pha tạp các nguyên tố đất hiếm
• 2.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu Sr2Al2SiO7: Eu3+
• 2.9. Ảnh hưởng của thời gian thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu Sr2Al2SiO7: Eu3+
• 2.10. Ảnh hưởng của hàm lượng chất chảy B2O3 đến cấu trúc của vật liệu Sr2Al2SiO7: Eu3+
• 2.11. Cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu Ca2Al2SiO7 đơn và đồng pha tạp nguyên tố đất hiếm
• 2.12. Các hệ vật liệu đã chế tạo sử dụng nghiên cứu trong luận án
• 2.13. Kết luận chương 2
• 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG Ca2Al2SiO7: RE3+ (RE: Sm, Dy, Ce, Tb, Eu)
• 3.1. Các phương pháp nghiên cứu tính chất quang của vật liệu
• 3.2. Phương pháp phổ PL và PLE
• 3.3. Phương pháp xác định tọa độ màu CIE của ánh sáng phát quang
• 3.4. Tính chất quang của vật liệu Ca2Al2SiO7 pha tạp ion RE3+
• 3.5. Đặc trưng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Sm3+
• 3.6. Đặc trưng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Dy3+
• 3.7. Đặc trưng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Ce3+
• 3.8. Đặc trưng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Tb3+
• 3.9. Đặc trưng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Eu3+
• 3.10. Cơ chế dập tắt cường độ phát quang do nồng độ trong vật liệu Ca2Al2SiO7: RE3+ (RE: Sm, Dy, Ce, Tb, Eu)
• 3.11. Ảnh hưởng của bức xạ kích thích đến sự phát quang của vật liệu Ca2Al2SiO7: RE3+
• 3.12. Tọa độ màu CIE của ánh sáng phát quang đối với hệ mẫu Ca2Al2SiO7: RE3+
• 3.13. Kết luận chương 3
• 4. NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC ION RE3+ TRONG VẬT LIỆU SILICATE ALUMINO KIỀM THỔ
• 4.1. Hiện tượng truyền năng lượng của vật liệu Ca2Al2SiO7: Ce3+, Dy3+
• 4.2. Hiện tượng truyền năng lượng của vật liệu Ca2Al2SiO7: Eu3+, Dy3+
• 4.3. Hiện tượng truyền năng lượng của vật liệu Sr2Al2SiO7: Ce3+, Eu3+
• 4.4. So sánh hiệu suất truyền năng lượng giữa các cặp ion Ce3+/Dy3+; Eu3+/ Dy3+ và Ce3+/Eu3+ trong vật liệu silicate alumino kiềm thổ
• 4.5. Sự thay đổi màu bức xạ theo tỉ lệ nồng độ đồng pha tạp của các cặp ion Ce3+/Dy3+; Eu3+/Dy3+ và Ce3+/Eu3+ trong vật liệu silicate alumino kiềm thổ
• 4.6. Hiện tượng truyền năng lượng giữa ba ion Ce3+/Dy3+/Eu3+ trong mạng nền Ca2Al2SiO7
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu quang phổ của các vật liệu phát quang dựa trên nền silicate alumino kiềm thổ. Các vật liệu quang học này được pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE) để tối ưu hóa tính chất phát quang. Luận án này nhằm mục đích khám phá các đặc tính quang học của các vật liệu này, đặc biệt là trong ứng dụng cho các thiết bị chiếu sáng như LED.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là chế tạo và nghiên cứu các vật liệu phát quang dựa trên nền silicate alumino kiềm thổ, đặc biệt là Ca2Al2SiO7 (CAS) và Sr2Al2SiO7 (SAS). Các vật liệu này được pha tạp các ion đất hiếm như Eu3+, Ce3+, Dy3+, Tb3+, và Sm3+ để tối ưu hóa hiệu suất phát quang và điều chỉnh màu sắc ánh sáng phát ra.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn

Các vật liệu phát quang này có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ chiếu sáng, đặc biệt là trong việc chế tạo LED phát ánh sáng trắng (w-LED). Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất phát sáng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án này dựa trên các lý thuyết về cấu trúc tinh thể và tính chất quang học của các vật liệu silicate alumino kiềm thổ. Các phương pháp nghiên cứu quang phổ như phổ phát quang (PL) và phổ kích thích phát quang (PLE) được sử dụng để phân tích các đặc tính quang học của vật liệu.

2.1. Cấu trúc vật liệu

Cấu trúc tinh thể của silicate alumino kiềm thổ được nghiên cứu chi tiết, đặc biệt là các đặc điểm của Ca2Al2SiO7 và Sr2Al2SiO7. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và độ tinh khiết của vật liệu.

2.2. Phương pháp chế tạo

Các vật liệu phát quang được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, với các điều kiện thiêu kết được tối ưu hóa để đạt được cấu trúc tinh thể mong muốn. Các yếu tố như nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết, và hàm lượng chất chảy B2O3 được nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình chế tạo.

III. Kết quả nghiên cứu và phân tích

Các kết quả nghiên cứu cho thấy các vật liệu phát quang pha tạp các ion đất hiếm có hiệu suất phát quang cao và khả năng điều chỉnh màu sắc ánh sáng phát ra. Các hiện tượng truyền năng lượng (ET) giữa các ion đất hiếm cũng được nghiên cứu chi tiết.

3.1. Đặc trưng quang phổ

Các vật liệu phát quang pha tạp Eu3+, Ce3+, Dy3+, Tb3+, và Sm3+ được nghiên cứu thông qua phổ PL và PLE. Kết quả cho thấy các vật liệu này có khả năng phát quang mạnh và có thể điều chỉnh màu sắc ánh sáng phát ra bằng cách thay đổi nồng độ pha tạp.

3.2. Hiện tượng truyền năng lượng

Hiện tượng truyền năng lượng (ET) giữa các ion đất hiếm như Ce3+/Dy3+, Eu3+/Dy3+, và Ce3+/Eu3+ được nghiên cứu chi tiết. Kết quả cho thấy hiệu suất truyền năng lượng cao, giúp tăng cường hiệu suất phát quang của vật liệu.

IV. Kết luận và ứng dụng

Luận án đã chứng minh tiềm năng ứng dụng lớn của các vật liệu phát quang silicate alumino kiềm thổ trong công nghệ chiếu sáng, đặc biệt là trong việc chế tạo w-LED. Các kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới cho các vật liệu phát quang trong tương lai.

4.1. Kết luận

Các vật liệu phát quang dựa trên nền silicate alumino kiềm thổ pha tạp các ion đất hiếm có hiệu suất phát quang cao và khả năng điều chỉnh màu sắc ánh sáng phát ra. Các hiện tượng truyền năng lượng (ET) giữa các ion đất hiếm cũng được nghiên cứu chi tiết, giúp tối ưu hóa hiệu suất phát quang của vật liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Các vật liệu phát quang này có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ chiếu sáng, đặc biệt là trong việc chế tạo LED phát ánh sáng trắng (w-LED). Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất phát sáng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng.