Nghiên cứu tính chất quang của màng mỏng nanocomposite SiO2-ZnO pha tạp ion Eu3+ và Er3+

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ĐẤT HIẾM

1.1. Giới thiệu nguyên tố Europium (Eu)

1.2. Tính chất vật lý của nguyên tố Eu

1.3. Cấu trúc năng lượng của ion Eu3+

1.4. Phổ huỳnh quang của ion Eu3+

1.5. Giản đồ năng lượng của ion Eu3+

1.6. Các ứng dụng của Europium

1.7. Giới thiệu nguyên tố Erbium (Er)

1.8. Tính chất vật lý của nguyên tố Er

1.9. Tính chất hóa học của nguyên tố Er

1.10. Giản đồ năng lượng của ion Er3+

1.11. Các ứng dụng của nguyên tố Erbium

1.12. Giới thiệu vật liệu ZnO

1.13. Cấu trúc tinh thể

1.14. Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO

1.15. Các dạng hình thái học của ZnO cấu trúc nano

1.16. Tính chất quang của vật liệu ZnO cấu trúc nano trong thủy tinh silica

1.17. Vật liệu nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp đất hiếm

1.17.1. Chế tạo vật liệu bột ZnO:Eu3+ bằng phương pháp hóa ướt

1.17.2. Chế tạo màng mỏng SiO2/ZnO:Eu3+ bằng phương pháp sol-gel

1.17.3. Chế tạo vật liệu dạng khối SiO2/ZnO:Eu3+ bằng phương pháp sol-gel

1.18. Vật liệu nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp ion Er3+

1.18.1. Chế tạo vật liệu bằng phương pháp sol-gel

1.18.2. Quá trình sol-gel trong vật liệu silica

1.18.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sol-gel

1.18.3.1. Ảnh hưởng của tiền chất

1.18.3.2. Ảnh hưởng của chất xúc tác (nồng độ pH)

1.18.3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ alkoxo/H2O:RW

1.18.3.4. Ảnh hưởng của dung môi

1.19. Phương pháp phủ màng spin-coating

1.20. Kết luận Chương 1

2. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SiO2-ZnO PHA TẠP ION Eu3+, Er3+

2.1. Chế tạo vật liệu SiO2/ZnO pha tạp ion Eu3+ bằng phương pháp sol-gel kết hợp với phủ màng spin-coating

2.1.1. Hóa chất và dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+

2.1.1.1. Hóa chất chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+

2.1.1.2. Dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+

2.1.2. Quy trình chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+

2.2. Chế tạo vật liệu SiO2/ZnO pha tạp ion Er3+ bằng phương pháp sol-gel kết hợp với phủ màng spin-coating

2.2.1. Hóa chất và dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+

2.2.1.1. Hóa chất chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+

2.2.1.2. Dụng cụ chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+

2.2.2. Quy trình chế tạo vật liệu SiO2/ZnO:Er3+

2.2.2.1. Quy trình chế tạo 1

2.2.2.2. Quy trình chế tạo 2

2.3. Các phương pháp phân tích vật liệu

2.3.1. Phương pháp nghiên cứu phổ huỳnh quang

2.3.1.1. Phổ huỳnh quang dừng

2.3.1.2. Phổ kích thích huỳnh quang

2.3.2. Phương pháp nghiên cứu phổ nhiễu xạ tia X (XRD)

2.3.3. Phương pháp phân tích hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)

2.3.4. Phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)

2.4. Kết luận Chương 2

3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Eu3+

3.1. Phân tích cấu trúc tinh thể và thành phần pha của vật liệu

3.2. Phân tích hình thái bề mặt vật liệu

3.3. Phân tích phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của vật liệu

3.4. Sự phụ thuộc của huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp ZnO

3.5. Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vật liệu SiO2/ZnO:Eu3+ vào nồng độ pha tạp Eu3+

3.6. Sự phụ thuộc của huỳnh quang vật liệu vào nhiệt độ ủ

3.7. Tính chất huỳnh quang của mẫu vật liệu M85151,25

3.8. Kết luận Chương 3

4. CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE SiO2/ZnO PHA TẠP ION Er3+

4.1. Hệ mẫu vật liệu chế tạo theo quy trình 1

4.2. Phân tích cấu trúc và thành phần pha của vật liệu

4.3. Phân tích hình thái bề mặt vật liệu

4.4. Phân tích phổ huỳnh quang của vật liệu

4.4.1. Sự phụ thuộc phổ huỳnh quang của vật liệu vào nồng độ pha tạp ZnO

4.4.2. Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp Er3+

4.4.3. Sự phụ thuộc huỳnh quang vật liệu vào nhiệt độ ủ

4.5. Hệ mẫu vật liệu chế tạo theo quy trình 2

4.6. Phân tích cấu trúc và thành phần pha của vật liệu

4.7. Phân tích hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu

4.8. Phân tích phổ huỳnh quang vật liệu

4.8.1. Sự phụ thuộc của huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp ZnO

4.8.2. Sự phụ thuộc của huỳnh quang vật liệu vào nồng độ pha tạp Er3+

4.8.3. Sự phụ thuộc của phổ huỳnh quang vào nhiệt độ ủ

4.9. Kết luận Chương 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu nanocomposite SiO2 ZnO pha tạp ion Eu3 và Er3

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và phân tích tính chất quang của màng mỏng nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+. Vật liệu này được phát triển nhằm cải thiện tính chất quang học và mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực quang tử. SiO2 và ZnO là hai thành phần chính, trong đó ZnO nổi bật với tính chất quang tốt và khả năng phát xạ huỳnh quang mạnh mẽ. Việc pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+ vào cấu trúc này không chỉ tăng cường tính chất quang mà còn tạo ra các đặc tính mới, có thể ứng dụng trong các thiết bị quang học như laser và đèn LED. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh nồng độ của các ion pha tạp có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang của vật liệu, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu quang học tiên tiến.

1.1. Giới thiệu về ion Eu3 và Er3

Ion Eu3+ và Er3+ là hai loại ion đất hiếm có tính chất quang đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quang học. Eu3+ có phổ huỳnh quang mạnh mẽ, đặc biệt trong vùng ánh sáng đỏ, trong khi Er3+ phát xạ ánh sáng hồng ngoại, rất hữu ích trong các ứng dụng truyền thông quang. Cả hai ion này đều có khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả, giúp tăng cường tính chất quang của vật liệu. Việc pha tạp các ion này vào nanocomposite SiO2/ZnO không chỉ cải thiện tính chất quang học mà còn tạo ra các ứng dụng mới trong lĩnh vực quang tử, như bộ khuếch đại quang và cảm biến quang. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sự kết hợp giữa SiO2, ZnO và các ion đất hiếm này có thể tạo ra các vật liệu với tính chất quang vượt trội, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng công nghệ cao.

II. Phương pháp chế tạo và phân tích vật liệu

Quá trình chế tạo màng mỏng nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+ được thực hiện thông qua phương pháp sol-gel kết hợp với phủ màng spin-coating. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó ảnh hưởng đến tính chất quang của vật liệu. Các yếu tố như nồng độ tiền chất, pH, và nhiệt độ ủ được tối ưu hóa để đạt được tính chất quang mong muốn. Phân tích tính chất quang của vật liệu được thực hiện thông qua các phương pháp như phổ huỳnh quang, phổ kích thích huỳnh quang và nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả cho thấy, tính chất quang của vật liệu phụ thuộc mạnh mẽ vào nồng độ pha tạp và điều kiện chế tạo. Việc nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất quang của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu quang học tiên tiến.

2.1. Kỹ thuật sol gel và phủ màng spin coating

Kỹ thuật sol-gel là một trong những phương pháp hiệu quả để chế tạo màng mỏng nanocomposite. Phương pháp này cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và phân bố tốt trong ma trận silica. Sau khi tạo ra dung dịch sol, quá trình phủ màng được thực hiện bằng kỹ thuật spin-coating, giúp tạo ra màng mỏng đồng nhất với độ dày kiểm soát được. Nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh tốc độ quay và thời gian phủ có ảnh hưởng lớn đến tính chất quang của vật liệu. Các mẫu vật liệu được chế tạo với các nồng độ khác nhau của ion Eu3+ và ion Er3+ cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong phổ huỳnh quang, cho thấy khả năng điều chỉnh tính chất quang thông qua các thông số chế tạo. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng quang học mới, từ cảm biến đến thiết bị phát quang.

III. Tính chất quang của vật liệu nanocomposite

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất quang của màng mỏng nanocomposite SiO2/ZnO pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+ có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào nồng độ của các ion pha tạp. Các mẫu vật liệu cho thấy sự phát xạ huỳnh quang mạnh mẽ trong vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, với cường độ phát xạ tăng lên khi nồng độ ion pha tạp được tối ưu hóa. Phổ huỳnh quang của các mẫu cho thấy các đỉnh phát xạ đặc trưng của ion Eu3+ và ion Er3+, cho thấy sự chuyển đổi năng lượng hiệu quả giữa các ion và ma trận vật liệu. Kết quả này không chỉ khẳng định khả năng cải thiện tính chất quang của vật liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các thiết bị quang học hiệu suất cao. Việc nghiên cứu sâu về tính chất quang của vật liệu sẽ giúp tối ưu hóa các ứng dụng trong lĩnh vực quang tử, từ cảm biến đến laser.

3.1. Phân tích phổ huỳnh quang

Phân tích phổ huỳnh quang là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá tính chất quang của vật liệu. Các mẫu màng mỏng SiO2/ZnO pha tạp ion Eu3+ và ion Er3+ được phân tích dưới các bước sóng kích thích khác nhau, cho thấy sự phát xạ mạnh mẽ và đặc trưng của từng ion. Kết quả cho thấy, ion Eu3+ phát xạ mạnh trong vùng ánh sáng đỏ, trong khi ion Er3+ phát xạ trong vùng hồng ngoại, rất hữu ích cho các ứng dụng trong truyền thông quang. Sự phụ thuộc của cường độ phát xạ vào nồng độ ion pha tạp và nhiệt độ ủ cũng được nghiên cứu, cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể cải thiện đáng kể tính chất quang của vật liệu. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng quang học mới, từ cảm biến đến thiết bị phát quang.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính chất quang của màng mỏng nanocomposite SiO2-ZnO pha tạp ion Eu3+ và Er3+