Nghiên cứu tính chất quang của màng dẫn sóng phẳng trên cơ sở vật liệu nano composite sno2 – sio2 pha tạp đất hiếm

Th m vào đó, các ion đất hiếm có thể phân tán t t trong tinh thể SnO2 khoảng vài phần trăm mol mà không có hi n tượng kết đám... Tổng quan v ôxít SiO2, SnO2 và ion đất hiếm: Giới thi u c

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy giáo, cô giáo, các giáo sư, tiến sĩ vi n ào

T o Qu c Tế v Kho H c t Li u (ITIMS), i n S u i h c, Trường i h c Bách Kho Hà Nội đã giảng d y, giúp tôi nâng c o v kiến thức trong lĩnh vực v t li u

Có được kết quả như ngày hôm n y ngoài sự nỗ lực c gắng củ bản thân, tôi còn nh n được sự chỉ bảo t n tình củ thầy giáo hướng dẫn TS Trần Ng c Khi m, vi n ITIMS, Trường i h c Bách Kho Hà Nội à sự giúp đỡ, góp ý củ TS Ngô Ng c

Hà trong su t thời gi n h c t p, nghi n cứu làm lu n văn

ồng thời tôi xin chân thành cám ơn các thành vi n trong nhóm nghi n cứu củ nhóm qu ng đi n t đã cùng hợp tác trong nghi n cứu để có được các s li u, các kết quả giúp tôi hoàn thành lu n văn

Tôi xin chân thành cám ơn tất cả sự giúp đỡ quý báu đó!

Tác giả

g

LỜI C M O N

Tôi xin c m đo n nội dung bản lu n văn này là công trình nghi n cứu củ tôi, các s li u và kết quả là trung thực chư được công b ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới d ng lu n văn

Người cam đoan

g

M C L C

M C L C 3

N M C CÁC C I 6

N M C N I 7

N M C CÁC N 8

MỞ 11

C ư ng N N 13

I.1 t li u SiO2 13

1.1 T nh chất và cấu trúc tinh thể SiO2 13

1.1.1 Cấu trúc tinh thể SiO2 13

1.1.2 T nh chất v t lý củ v t li u SiO2 16

1.2 ng d ng củ v t li u SiO2 16

I.2 t li u SnO2 17

2.1 ặc trưng cấu trúc và t nh chất 17

2.1.1 Cấu trúc tinh thể 17

2.1.2 T nh chất củ SnO2 19

2.2 Một s ứng d ng củ v t li u SnO2 20

2.2.1 Tính chất của dây nano SnO2 và khả năng ứng d ng 20

2.2.2 Nanô h t, màng SnO2 và linh đi n huỳnh quang 22

I.3 Ion đất hiếm 27

3.1 Giới thi u chung v ion đất hiếm 27

3.2 Sự tách mức năng lượng củ ion ph t p 29

3.3 Sự phát x củ ion đất hiếm 32

3.4 Các d ch chuyển phát x củ ion đất hiếm 33

3.5 Sự d p tắt huỳnh qu ng 34

3.6 Ion Erbium 35

I.3 Sự truy n năng lượng t SnO2 s ng các ion Er3+ 38

I.4 ng d ng củ Erbium 42

C ư ng C N I M 43

II.1 Một s phương pháp chế t o v t li u 43

1.1 phương pháp Sol – gel 43

1.1.1 u điểm củ phương pháp Sol – gel 43

1.1.2 Phương pháp nhi t thủy phân (hydrothermal synthesis) 50

1.2 Chế t o v t li u phát huỳnh quang SnO2 pha t p Erbium 53

1.2.1 Thiết b và hóa chất 53

1.2.2 chế t o v t li u n n SnO2 ph t p đất hiếm Er3+ 54

II.2 Các phương pháp phân t ch cấu trúc của v t li u 58

2.1 Phương pháp nhiễu x tia X 58

2.2 Phương pháp nghi n cứu hình thái b mặt qua ảnh SEM 60

2.3 Phổ huỳnh quang (PL) 61

2.4 Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) 63

C ư ng O L N 64

3.1 Khảo sát cấu trúc và k ch thước tinh thể qu phổ nhiễu x ti 64

3.1.1 nh hưởng củ chất xúc tác 64

3.1.2 nh hưởng củ nhi t độ 66

3.2 Hình thái b mặt củ v t li u 67

3.2.1 nh hưởng củ chất xúc tác đến hình thái b mặt củ v t li u 67

3.2.2 nh hưởng củ nhi t độ đến hình thái b mặt củ v t li u 68

3.3 T nh chất qu ng củ v t li u n no composite SnO2 – SiO2]: Er3+ 69

3.3.1 nh hưởng củ chất xúc tác l n t nh chất qu ng củ v t li u 69

3.3.2 Khảo sát t nh chất qu ng củ v t li u theo nhi t độ 73

3.3.3 T nh chất qu ng củ v t li u khi th y đổi nồng độ ion Erbium 76

3.3.4 T nh chất qu ng củ v t li u khi th y đôi t l phần mol gi SnO2 và SiO2 78

L N 81

i i u t am o 82

N M C CÁC C I T

EDF Erbium Doped Fiber Sợi qu ng ph t p đất hiếm

PLE Photolumminescence Excitation K ch th ch huỳnh qu ng

MCVD Modified Chemical Vapor

Deposition

ng hơi hó chất b n trong

PCVD Plasma Chemical Vapor Deposition Lắng đ ng hơi hó chất pl sm

SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi đi n t quét

TEOS Tetraethylorthosilicate T n hó chất

N M C N I

Bảng 1.1: Các thông s v t lý của v t li u SiO2 16

Bảng 1.2 Tính chất của một s v t li u phát qu ng được s d ng chế t o linh ki n ACTFEL ho t động t i tần s 60Hz và hi u đi n thế 40V 26

Bảng 1.3 các nguy n t đất hiếm hó tr 3 27

Bảng 1.4 T nh chất vất lý và hó h c củ nguy n t Erbium 36

Bảng 2.1: H mẫu 10 SnO2 – 90%SiO2]: 0,5%Er3+ khi th y đổi t l củ nước 57

Bảng 2.3: H mẫu 10 SnO2 – 90%SiO2 khi th y đổi nồng độ mol củ Er3+ 58

Bảng 2.4: H mẫu SnO2 – SiO2]: 0,5%Er3+ khi th y đổi thành phần SnO2 – SiO2 58

Bảng 3.1: k ch thước h t n no SnO2 khi th y đổi nồng độ chất xúc tác 66

Bảng 3.2: K ch thước củ h t n no SnO2 trong v t li u 10 SnO2 – 90%SiO2]:0,5% Er3+ ở các nhi t độ: 900 oC, 1000 oC, 1100 oC và 1150 oC 67

N M C CÁC N

Hình 1.1: mô hình cấu trúc th ch anh 14

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc tridymite 14

Hình 1.3: Mô hình cấu trúc cristobalite 15

Hình 1.4: Sơ đồ chuyển hóa cấu trúc của SiO2 theo nhi t độ 15

Hình 1.5: Mô hình cấu trúc ô đơn v của v t li u SnO2 17

Hình 1.6: phổ nhiễu x tia X của SnO2 [5] 18

Hình 1.7: Giản đồ năng lượng vùng cấm cảu SnO2 19

Hình 1.9: Phổ huỳnh quang của dây nanô SnO2 t i nhi t độ phòng [7] 20

Hình 1.10: Dây nanô SnO2 với các h t xúc tác Pd [9] 22

Hình 1.11: Cấu trúc linh ki n đi n huỳnh quang một chi u d ng bột 24

Hình 1.12: Cấu trúc linh ki n đi n huỳnh quang xoay chi u chi u d ng bột 24

Hình 1.13: Cấu trúc linh ki n đi n huỳnh quang một chi u d ng màng 25

Hình 1.14 : Các hàm sóng 5s, 5p và 4f của ion Ce3+ [15] 29

Hình 1.15: giản đồ mức năng lượng củ một s ion đất hiếm 15 30

Hình 1.16: Sơ đồ mức năng lượng của các đi n t 4f b tách do tương tác với trường tinh thể của m ng n n [15] 32

Hình 1.17: Sự phát huỳnh quang khi nồng độ pha t p thấp (a) 35

và sự d p tắt huỳnh quang do pha t p với nồng độ cao (b) [14] 35

Hình 1.18: giản đồ vùng năng lượng củ ion Er3+ và sự chuyển d ch bức x gi các mức 38

Hình 1.19: quá trình truy n năng lượng t SnO2 sang ion Er3+ 39

Hình 1.20: phổ qu ng h c hấp th củ v t li u SnO2:Er3+ (0,3%mol Er3+) [20] 40

Hình 1.21: phổ hấp th v t li u màng 0,4SnO2 – 99,6SiO2:0,5%Er3+ chế t o 40

Hình 1.22: phổ PL ở vùng bước sóng 1550 nm, k ch th ch b ng l ser có bước sóng 514nm ở v t li u màng 0,4 SnO2 – 99,6%SiO2: 0,5%Er3+ chế t o b ng phương pháp Sol – Gel với b dày 1mm được nung ở 1050o C [21] 41

Hình 2.1: thời gi n t o gel ứng với các t l nước khác nh u 47

Hình 2.2: Các sản phẩm thu được t các quá trình solgel 50

Hình 2.3: Bình autoclauve trong nhi t thủy phân 52

Hình 2.4: Quy trình chế t o v t li u SnO2 – SiO2 ph t p Er3+ 57

Hình 2.5: Máy nhiễu x tia X 59

Hình 2.6: Sơ đồ hình h c t tiêu thu các cực đ i nhiễu x tia X 59

Hình 2.7: Mặt phản x Bragg 60

Hình 2.8: nh ch p máy đo SEM 61

Hình 2.9: Sơ đồ kh i h đo huỳnh quang 62

Hình 2.10: Sơ đồ kh i h đo phổ kích thích huỳnh 63

Hình 3.1: phổ nhiễu x ti củ SnO2 64

Hình 3.2: phổ nhiễu x ti củ v t li u n no d ng màng 10 SnO2 – SiO2]:0,5% Er3+: xH2O, khi th y đổi t phần mol củ nước 65

Hình 3.3: Phổ nhiễu x ti củ h v t li u SnO2 – SiO2]:0,5% Er3+: 2H2O 66

Hình 3.4: nh SEM củ v t li u n no SnO2 – SiO2]:0,5% Er3+ 68

Hình 3.5: ảnh SEM củ v t li u n no composite 10 SnO2 – 90%SiO2]: 0,5%Er3+, d ng màng được ủ nhi t ở 900o C, 90 phút 68

Hình 3.6: ảnh SEM củ v t li u 10 SnO2 – 90%SiO2]: 0,5%Er3+ ủ nhi t 1000oC, b ủ nhi t 1100 oC, thời gi n 90 phút 69

Hình 3.7: Phổ PL củ mẫu 10 SnO2 – 90%SiO2]:0,5%Er3+ khi th y đổi t phần mol củ nước, được ủ nhi t ở 850o C trong thời gi n 90 phút, k ch th ch 300 nm 70

Hình 3.8: Biểu đồ biểu diễn sự ph thuộc cường độ huỳnh qu ng củ v t li u theo t l phần mol củ nước 71 Hình 3.9: Phổ k ch th ch huỳnh qu ng 3D củ v t li u 10 SnO2 – 90%SiO2]:2H2O: 0,5%Er3+ 72 Hình 3.11: Phổ k ch th ch huỳnh qu ng củ mẫu SnO2 – SiO2]:xH2O ph t p

0,5%Er3+, với các giá tr củ x là 2,3,4 73 Hình 3.12: Biểu đồ biểu diễn sự ph thuộc củ cường độ huỳnh qu ng vào nhi t độ 74 Hình 3.13: Phổ PL củ v t li u n no 10 SnO2 – 90%SiO2]:0,5%Er3+ 75 khi ủ mẫu ở các nhi t độ khác nh u, trong thời gi n 90 phút 75 Hình 3.14: phổ k ch th ch huỳnh qu ng củ mẫu 10 SnO2-90 SiO2 :0,5 Er3 , ủ ở các nhi t độ 900 o

C, 1000 oC, 1100 oC và 1150 o

C 76 Hình 3.15: biểu đồ v sự ph thuộc cường độ huỳnh qu ng củ v t li u vào nồng độ

ph t p Erbium, ở bước sóng k ch th ch λkt = 300 nm 77 Hình 3.16: phổ huỳnh qu ng củ mẫu khi th y khảo sát theo nồng độ Erbium ủ nhi t ở 900o C, trong 90 phút 78 Hình 3.17: Biểu đồ v sự ph thuộc cường độ huỳnh qu ng củ v t li u vào thành phần SnO2 và SiO2, ở bước sóng k ch th ch λkt = 300 nm 79 Hình 3.18: Phổ huỳnh qu ng củ v t li u xSnO

2 – (100-x)SiO

2]: 0,5%Er3+, bước sóng

k ch th ch λ

kt = 300 nm 80

MỞ

Hi n n y tr n thế giới, nhi u tác giả đ ng t p trung ngh n cứu các v t li u dự

tr n n n Silic ph t p các ion đất hiếm, nh m chế t o các thiết b khuếch đ i t n hi u

và linh ki n qu ng đi n t , thông tin li n l c

Tuy nhi n, khi chế t o thiết b như tr n gặp nhi u khó khăn do hi u ứng d p tắt huỳnh qu ng Nguy n nhân củ sự d p tắt huỳnh qu ng có thể do nồng độ ph t p ion đất hiếm, đi u ki n nhi t độ, xúc tác,

SnO2 là v t li u bán dẫn lo i n với vùng cấm rộng n m trong khoảng 3,6 e đến 4,5 e , được ứng d ng để chế t o các v t li u linh ki n qu ng đi n t như đi n cực dẫn, lớp phủ trong su t, pin mặt trời và v t li u xúc tác Sự khác nh u v k ch thước

h t, nồng độ nút khuyết oxy và t nh chất đi n củ v t li u SnO2 d ng kh i và d ng màng m ng đ ng được nghi n cứu và ứng d ng rộng rãi

Trong lu n văn này, h t n no SnO2 đư vào m ng n n SiO2 do nó có một s t nh chất phù hợp với m c đ ch nghi n cứu Khi n no SnO2 được b o b c trong n n SiO2,

nó không nh ng th y đổi độ rộng vùng cấm mà còn có thể cách ly với môi trường b n ngoài, giúp cho năng lượng không b ti u ho Mặt khác, vi c ngăn chặn sự kết đám

gi các h t l i với nh u cho phép có khả năng làm tăng hi u suất và cường độ phát

qu ng củ v t li u khi được ph t p các ion đất hiếm trong m ng n n SiO2 Th m vào

đó, các ion đất hiếm có thể phân tán t t trong tinh thể SnO2 khoảng vài phần trăm mol

mà không có hi n tượng kết đám ồng thời, các đám n no tinh thể SnO2 hình thành trong n n v t li u SiO2 s làm cho v t li u này trở thành v t li u nh y qu ng ây là yếu t th ch hợp và cho thấy triển v ng ứng d ng vi c thiết kế các thiết b qu ng h c

ì ý nghĩ kho h c thực tiễn n u tr n, chúng tôi thực hi n đ tài nghi n cứu:

Ng i n c u t n c t quang c a m ng n s ng p ng tr n c sở v t i u nano composite SnO 2 – SiO 2 p a t p đ t i m

- Khảo sát cấu trúc và tính chất quang của v t li u nano composite

- Nghiên cứu cơ chế truy n năng lượng t nano SnO2 s ng các ion đất hiếm

ể thực hi n đ tài chúng tôi tiến hành nghi n cứu các nội dung s u:

C ư ng Tổng quan v ôxít SiO2, SnO2 và ion đất hiếm: Giới thi u chung v cấu trúc và tính chất của SnO2, các ion đất hiếm và cơ chế chuyển d ch và phát quang của các ion đất hiếm

C ư ng Thực nghi m: Trình bày nh ng ưu điểm, cơ chế và quy trình công ngh

củ phương pháp sol-gel, các kỹ thu t thực nghi m để khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất quang của v t li u; quy trình chế t o v t li u

C ư ng Kết quả và thảo lu n: Trình bày một s kết quả v nhiễu x tia X, hiển vi

đi n t quét SEM và các kết quả v phép đo huỳnh quang, k ch th ch huỳnh qu g và cơ chế truy n năng lượng t n no SnO2 sang ion Erbium T đó đư r một s kết lu n và

đ xuất v triển v ng và hướng nghiên cứu tiếp

C ư ng N N

I t i u iO 2

1.1 T c t v c u tr c ti t i 2

1.1.1 2

SiO2 là một trong nh ng chất oxit đi n môi thông d ng nhất để chế t o các lo i

v t li u quang h c và màng đ lớp quang h c Ngoài ra, SiO2 còn được s d ng vào làm các lớp bảo v các thiết b silic, ch ng sướt trong các lo i k nh đeo mắt và ứng

d ng trong các thiết b đi n t với chiết suất thấp, h hấp th và độ tán x thấp trong vùng khả kiến và vùng hồng ngo i

Cấu trúc đi n t của tinh thể được hình thành b ng vi c ghép các đỉnh tứ di n SiO4 l i với nh u qu các đỉnh ôxy chung Mỗi tứ di n [SiO4]4- bao gồm 4 nguyên t ôxy ở xung qu nh và tâm là một nguyên t Si trong đó các nion O2- và cation Si4+liên kết đồng hóa tr với nhau SiO2 có nhi u d ng cấu trúc khác nhau [18] Ở cấu trúc tinh thể nó tồn t i 3 d ng: Th ch anh, Tridymit, Cristobalite

Th ch nh: được cấu t o bởi một m ng liên t c các tứ di n SiO4, trong đó mỗi oxi chia

sẻ gi a hai tứ di n nên nó có công thức chung là SiO2 Biến thể nhi t độ cao của th ch anh kết tinh trong h l c phương β-th ch anh), biến thể th ch anh b n v ng ở nhi t độ dưới 573oC kết tinh trong h t m phương α-th ch anh) Ngoài hai h biến thể kết tinh

th ch anh còn có lo i ẩn tinh có kiến trúc tóc: Canxedon và th ch anh khác nhau chỉ do quang tính Th ch nh được s d ng trong nhi u lĩnh vực khác nh u như đi n t , quang h c, và trong ng c h c Các tinh thể th ch anh trong su t có màu sắc đ d ng: tím, hồng, đen, vàng,

α-th ch anh β-th ch anh

Hình 1.1: mô hình cấu trúc th ch anh

Tridymite: gồm 2 d ng biến thể: biến thể tridymite v ng b n hình thành dưới áp suất bình thường kết tinh trong h trực thoi α-tridymite) và biến thể nhi t độ cao của tridymite kết tinh trong h l c giác β-tridymite)

α-tridymite β-tridymite

Hình 1.2: Mô hình cấu trúc tridymite

Cristobalite: Cristobalite thuộc h l p phương Nguy n t Si chiếm vào v trí các đỉnh, tâm các mặt và 4 trong 8 h c tứ di n theo 2 hướng đường chéo khác nhau (hoặc

có thể hình dung chia kh i l p phương thành 8 kh i l p phương nh b ng nhau thì Si là tâm của 4 kh i l p phương nh ) Oxi là cầu n i gi a các nguyên t Si Mỗi ô cơ sở có

8 phân t SiO2 S oxihóa của Si b ng 4 và của Oxi b ng 2 Cristob lite cũng có 2

d ng biến thể: biến thể cristobalite b n v ng hình thành dưới áp suất bình thường cristobalite) và biến thể nhi t độ cao củ cristob lite β-cristobalite)

α-α-cristobalite β-cristobalite

Hình 1.3: Mô hình cấu trúc cristobalite

Quá trình chuyển hóa của các cấu trúc SiO2: [14]

Hình 1.4: Sơ đồ chuyển hóa cấu trúc của SiO2 theo nhi t độ

Hình 1.4 cho thấy các d ng cấu trúc của SiO2 ở áp suất khí quyển Trong thực

tế, nhi t độ chuyển pha các d ng cấu trúc khác nhau của SiO2 còn ph thuộc vào nhi u yếu t như sự có mặt thành phần khoáng chất, chế độ nung nhi t độ,

V t li u SiO2 là một trong nh ng v t li u có nhi u trong tự nhiên và tồn t i dưới

nh ng d ng khác nhau , trong nhi u lĩnh vực, SiO2 đã được khai thác và s d ng một cách tri t để vào vi c chế t o v t li u theo phương pháp nóng chảy truy n th ng như trong quá trình sản xuất g m sứ

Cùng một hợp chất hóa h c nhưng được chế t o nh ng sản phẩm có tính chất khác

nh u thì cũng đã và đ ng được s d ng vào nh ng lĩnh vực khác nh u như chế t o thủy tinh tấm, màng phún x , sợi quang h c

Trong các v t li u huỳnh quang được ứng d ng trong thực tế với nhi u ứng d ng đặc

bi t thì v t li u SiO2 có vai trò quan tr ng trong lĩnh vực như chế t o l c qu ng, đi n t viễn thông, công ngh thông tin, linh ki n qu ng đi n t , photonic,

Hình 1.5: Mô hình cấu trúc ô đơn v của v t li u SnO2

a Mô hình ô đơn v tetragonal

b Mô hình ô đơn v othorhobic:

đáy trên là mặt stoichiometric, đáy dưới là mặt reduce

SnO2 có cấu trúc rutile tương tự như một s ôx t khác như TiO2, RuO2, CrO2,

VO2 Mỗi ô đơn v tetragonal chứa 2 nguyên t Sn chiếm v trí (0,0,0) và (1/2,1/2,1/2)

và 4 nguyên t ôxy chiếm các v trí ±(u,u,0) và ±(1/2+u,1/2-u,1/2 , trong đó u là thông

s nội có giá tr 0,307 Thông s m ng a=b= 4,7384 Å và c= 3,1871 Å Tỉ s c/a

=0,6726 Liên kết gi a các nguyên t là liên kết ion m nh Thông thường mặt được ưu tiên nhất là mặt (110) ứng với năng lượng b mặt nh nhất tiếp theo là các mặt (100),

101 , 001 Thông thường các nghiên cứu khoa h c thường t p chung vào mặt (110)

của tinh thể SnO2 Theo hướng (110) vuông góc với các mặt (110), cấu trúc rutile được xây dựng bởi 3 lớp Oxi, (2Sn + O), (O) xếp xen k nhau Cả 3 lớp đ u có thể là lớp ngoài cùng của các tinh thể, cấu trúc đầy đủ của v t li u là cấu trúc stoichiometric (hình 1.5a, mặt trên) Tinh thể với cấu trúc stoichiometric hoàn chỉnh chỉ có thể được

t o r trong đi u ki n v t li u được ủ dưới áp suất cao của một kh ôxy hó nào đó chẳng h n như O2, NO2, plasma ôxy Nói chung, trên mặt SnO2 luôn tồn t i các nút khuyết ôxy Khi ủ l i mẫu có mặt stoichiometric trong chân không tới 650 K, các nguyên t ôxy cầu n i mất đi, t thu được mẫu có mặt 110 “reduced” Hình 1.5b, mặt dưới); ủ l i mẫu có mặt stoichiometric trong chân không tới 700 K s có thêm nút khuyết của một s nguyên t ôxy ở mặt b n trong và t thu được mặt sai h ng [25] Khi nghiên cứu cấu trúc vi đi n t của v t li u SnO2 các nhà nghiên cứu đã s d ng các phương pháp thông d ng là phương pháp phân t ch cấu trúc b ng phổ nhiễu x tia Hình 1.6 đư r phổ nhiễu x it điển hình của v t li u này Trên hình cho thấy xuất hi n đỉnh phổ với cường độ m nh nhất ở góc quét 2θ = 26,54o; 33,7o; 51,7o tương ứng với mặt phản x (110), (101) và (211) [23]

Hình 1.6: phổ nhiễu x tia X của SnO2 [5]

Thông thường, trong m ng tinh thể SnO2 chứa khá nhi u sai h ng, đó là nh ng nút khuyết Oxi Nhờ nh ng nút khuyết Oxi này giúp cho 2 electron của nguyên t Sn

kế c n trở thành 2 electron tự do, nên tinh thể SnO được xem như là một bán dẫn lo i

n với cấu trúc vùng năng lượng chứa 2 mức donor ED1 và ED2 ộ rộng vùng cấm của tinh thể SnO2 trong khoảng 3,6eV ÷ 4,5 eV, với mức ED1 cách đáy vùng dẫn 0,03eV, mức ED2 cách đáy vùng dẫn 0,15eV

Hình 1.7: Giản đồ năng lượng vùng cấm cảu SnO2

0,03 ÷ 0,15e do đó nó b ion hóa

gần như hoàn toàn ở nhi t độ thường

[9 ộ linh động đi n t trong v t

li u SnO2 (µ =160 cm2/V.s), ở nhi t

độ 300 K µ =200 cm2/V.s và ở 500

K thì µ =80 cm2/V.s SnO2 có độ ổn

đ nh hóa và nhi t cao Chính vì tính

Hình 1.8 Nhìn t phía trên của

a Mặt (110) stoichiometric

b Mặt (110) reduce, trên mặt reduce có sự

co lạ đ đạ được tố ư ề ă g ượng

ổn đ nh hóa và nhi t cao mà SnO2 đ ng được nghiên cứu rộng rãi trong các ứng d ng làm các v t li u quang h c và làm cảm biến khí Cấu trúc mặt (110) Stoichiometric và mặt 110 reduce được mô tả trên hình 1.8 Khi các nguyên t Oxi b mất, Sn4+ trở thành Sn2+ và th r 2 đi n t , c o hướng ra b mặt Sự dư th đi n t Sn làm tăng nồng độ h t dẫn đi n t ) trên các v t li u, kết quả là độ dẫn đi n v t li u tăng và SnO2trở thành bán dẫn lo i n, b rộng vùng cấm Eg = 3.6 eV

Dựa vào phổ hấp th UV/Vis

người t xác đ nh được b rộng vùng

cấm của dây nanô SnO2 là 3,74 eV

tương ứng với bước sóng λ

=1,24/E=331 nm)

Do đó h i đường PL có đỉnh ở

460 nm và 570 nm không thể do tái

hợp trực tiếp vùng- vùng, nghĩ là

một đi n t dẫn n m trong dải 4d của

nguyên t Sn tái hợp với một lỗ tr ng

1,5.10 4 2.10 4

Hình 1.9: Phổ huỳnh quang của dây

nanô SnO2 t i nhi t độ phòng [22]

n m trong dải hóa tr 2p của O Sự xuất hi n củ 2 đỉnh PL có thể được giải th ch như

s u ỉnh 460 nm li n qu n đến một mức nông ( shallow energy level mà các đi n t

ở mức này thường kém ổn đ nh nhi t Khi nhi t độ tăng l n tr n 100 K thì các đi n t ở

tr ng thái này b ion hóa chuyển lên vùng dẫn và có thể tái hợp thông qua chuyển mức không bức x , vì v y cường độ huỳnh quang s giảm nhanh khi nhi t độ tăng Ngược

l i, đỉnh bức x t i 570 nm cho thấy ít ph thuộc nhi t độ, nó li n qu n đến một mức sâu n m trong vùng cấm, các đi n t được k ch th ch đến tr ng thái này thường ổn đ nh nhi t và s trở v tr ng thái b n đầu thông qua các chuyển mức bức x Chuyển mức bức x dựa trên các mức sâu n m trong vùng cấm này là do các v trí khuyết ôxy trên

b mặt Sự vắng mặt của bức x gần bờ ( ~ 331 nm) cho thấy ý nghĩ hết sức quan

tr ng của các tr ng thái bờ mặt so với các tính chất kh i của dây nanô [7]

b ứng d ng

SnO2 đ ng là v t li u hứa hẹn đ i với các thiết b qu ng đi n t , thìết b dẫn

đi n trong su t, và cảm biến kh ặc bi t SnO2 thể hi n tính chất nh y ch n l c đ i với các kh như CO, CO2, và NOx Cũng như ZnO, SnO2 có thể phát hi n khí kh và

kh ôxy hó Các nghi n cứu gần đây cho thấy cấu trúc nanô của SnO2 cũng được s

d ng để phát hi n nhi u lo i khí khác, vì v y có rất nhi u nghiên cứu v cảm biến khí dựa trên v t li u SnO2 Cảm biến s d ng dây n nô đơn tinh thể SnO2 có nhi u ưu điểm hơn hẳn cảm biến ôxít màng m ng thông thường: Nhi t độ ho t động thấp, rào thế t i các tiếp xúc cao, và t s b mặt trên thể tích lớn

Kolm kov cùng đồng nghi p đã chế t o một cảm biến khí dây nanô SnO2 nh y

c o đ i với H2 và O2 [2] H đã lắng đ ng các h t Pd lên trên b mặt của các cấu trúc nanô làm xúc tác Các h t Pd này làm th y đổi b mặt và động lực hấp ph ôxy, Pd là chất xúc làm tách rời ôxy, vì v y làm tăng s ion ôxy có thể được hấp th , kết quả này làm cho độ dẫn thay đổi nhi u hơn và thời gi n đáp ứng nh nh hơn Sơ đồ quá trình hấp ph có xúc tác Pd thể hi n ở hình 1.10 Có 3 bước chủ yếu:

1 Sự hấp ph ion ôxy t i các v tr khuyết củ b mặt dây n nô

2 Sự tách rời phân t ôxy tr n các h t Pd s u đó l n rộng các phân t này tr n ôx t

3 Sự bắt gi tiếp các phân t ôxy hấp ph yếu bởi các h t n nô Pd Các phân t ôxy này khuếch tán d c theo b mặt củ ôx t thiếc đến vùng lân c n củ h t Pd s u đó xảy r quá trình thứ 2 , với RS trong hình 1.10b là bán kính hi u d ng củ vùng l n rộng ôxy, và RC là bán k nh vùng t p hợp Hình 1.10c cho thấy độ nh y khác nh u

củ cấu trúc n nô SnO2 và cấu trúc n nô SnO2 s d ng xúc tác Pd đ i với ôxy và hyđrô

2.2.2 Nanô hạt, màng SnO 2 à đ n huỳnh quang

Sự r đời củ linh ki n đi n huỳnh qu ng EL là một trong nh ng thành tựu kho h c lớn nhất củ thế k 20 Trong nh ng năm qu , v t lý và công ngh chế t o linh ki n đi n huỳnh qu ng phát triển nh nh chóng và có nh ng ảnh hưởng trực tiếp đến các lĩnh vực khác nh u củ kho h c và công ngh

Hi u ứng đi n huỳnh qu ng được phát hi n vào năm 1936 [26 đó là hi u ứng phát sáng củ v t li u dưới tác động củ đi n trường ét v cơ chế phát qu ng người

t chi r làm h i lo i linh ki n đi n huỳnh qu ng: Thứ nhất đó là các linh ki n phát

Hình 1.10: Dây nanô SnO2 với các h t xúc tác Pd [9]

5.1071.108

qu ng dự tr n sự tái hợp củ cặp đi n t -lỗng tr ng trong tiếp giáp p-n LED , lo i thứ h i đó là các linh ki n mà ánh sáng phát r do các đi n t trong các tâm phát qu ng

b k ch th ch Trong lo i linh ki n này các tâm phát qu ng đóng v i trò quyết đ nh đến

t nh chất v t lý củ ánh sáng phát r cũng như hi u suất chuyển đổi năng lượng đi n thành năng lượng qu ng củ linh ki n ét v cấu trúc, linh ki n đi n huỳnh qu ng

được chi làm b n lo i: Linh ki n EL d ng màng m ng đi n áp xo y chi u ac thin

film EL devices , d ng màng m ng đi n áp một chi u dc thin film EL devices , d ng

bột đi n áp xo y chi u ac powder EL devices và linh ki n d ng bột đi n áp một chi u (dc powder EL devices Trong đó có h i lo i linh ki n EL được qu n tâm đến nhi u đó

là linh ki n EL d ng màng đi n áp xo y chi u v t li u phát qu ng là ZnS:Mn dùng trong thiết b hiển th phẳng củ máy t nh xách t y và lo i EL xo y chi u d ng bột dùng làm lớp phản qu ng trong thiết b hiển th tinh thể l ng

Trong linh ki n đi n huỳnh qu ng, v t li u phát qu ng đóng v i trò qu n tr ng đến hi u suất phát qu ng củ linh ki n và nó cũng quyết đ nh màu sắc ánh sáng phát r như: các v t li u ZnS:Mn, SnS:TbOF, ZnS:Tb phát r ánh sáng màu x nh lá cây, SrS:Cu, SrS:Eu, ZnS:Cl phát r ánh sáng đ còn đ i với SrS:Cu, G 2S4:Ce cho ta ánh sáng màu x nh d trời 19]

Với hi u ứng giam gi lượng t , năng lượng vùng cấm của v t li u bán dẫn ph thuộc vào k ch thước khi tinh thể có k ch thước nanô do v y phổ quang phát ra của v t li u cũng ph thuộc vào k ch thước của tinh thể

R

e m

m R m E

E

o h

e o

1 2

2

*

* 2

2 2



Trong nh ng năm gần đây vi c nghiên cứu các v t li u có k ch thước n nô đ ng thu hút được nhi u sự qu n tâm trong nước và trên thế giới, người ta hy v ng r ng s tìm r được nh ng lo i v t li u cho phổ màu đ d ng hơn, hi u suất phát quang lớn hơn N nô tinh thể SnO2 được s d ng như một m ng n n để pha t p Erbium là một

trong nh ng lo i v t li u được chế t o ứng d ng t t cho nh ng linh ki n đi n huỳnh

qu ng phát ánh sámg màu đ

L k đ ỳ g mộ ề dạ g bộ

Cấu trúc linh ki n đi n huỳnh qu ng một

chi u d ng bột lần đầu ti n được đư r

bởi echt 5 Cấu trúc gồm lớp phát

quang dày 30-50 m được làm t ZnS

Linh ki n đi n huỳnh qu ng

d ng này lần đầu ti n được phát triển

bởi Sylv nia [7 ến bây giờ nó

Hình 1.11: Cấu trúc linh ki n đi n

huỳnh quang một chi u d ng bột

th y tinh

i n cực trong suốt

V t li u phát quang (50-100 nm)

i n cực Al

Hình 1.12: Cấu trúc linh ki n đi n huỳnh

quang xoay chi u chi u d ng bột

tránh sự đánh thủng đi n môi i n trường ho t động của linh kiên này khoảng 106-107 /m Màu ánh sáng phát r được đi u khiển b ng vi c th y đổi v t li u phát quang Ví

d v t li u ZnS pha t p Cu, Cl phát ra ánh sáng màu xanh da trời blue có bước sóng

~460 nm) hoặc x nh lá cây green có bước sóng ~510 nm) ph thuộc vào lượng Cl Sự phát x đi n huỳnh qu ng này là do tái hợp donor-aceptor DCl-ACu u điểm củ lo i linh ki n này là dễ dàng điểu khiển màu ánh sáng phát r b ng vi c th y đổi hợp chất phát quang

L k ỳ g mộ ề dạ g mà g mỏ g

Cấu trúc gồm: Một lớp ITO dày 0,5 µm phủ

l n tr n đế thu tinh, b n tr n là lớp phát qu ng

dày 1µm tiếp l n tr n là lớp chắn đi n t có thể

là v t li u ZnSe dày 0,1µm H i đi n cực nhôm

Linh ki n hiển th đi n huỳnh quang

xoay chi u d ng màng m ng ACTFEL được

cấu thành t nhi u lớp màng m ng khác nhau, mỗi lớp trong đó có v i trò khác nh u trong quá trình ho t động của linh ki n Linh ki n bao gồm một lớp v t li u huỳnh quang, một hay hai lớp đi n môi, một đi n cực chắn sáng, một đi n cực trong su t và

đế của linh ki n V trí của các lớp màng m ng được b tr như sau: Lớp phát quang

n m kẹp gi a một hay hai lớp đi n môi m ng, ngoài cùng là hai lớp đi n cực Mặt để

Hình 1.13: Cấu trúc linh ki n đi n

huỳnh quang một chi u d ng màng

thuỷ tinh

limitingLayer

2

Lớp h n dòng

V t li u phát quang ZnS:Mn

Lớp h n dòng

Lớp b o v

ánh sáng truy n r ngoài là đi n cực trong su t thường là ITO còn lớp đi n cực kia thường là nhôm Dưới đây s mô tả c thể các v t li u được s d ng trong t ng lớp

* t i u ớp p át qu g

ây là lớp v t li u qu n tr ng nhất trong linh ki n đi n huỳnh qu ng Lớp phát

qu ng trong linh ki n ACTFEL có nhi m v chuyển đổi năng lượng đi n thành năng lượng ánh sáng Các t nh chất đi n củ linh ki n ACTFEL ph thuộc rất lớn vào bản chất lớp phát qu ng Thông thường v t li u s d ng trong linh ki n ACTFEL là v t

li u gồm chất phát qu ng n n có ph t p các nguy n t khác đóng v i trò làm các tâm phát qu ng t li u n n có v i trò t o n n m ng n n để các nguy n t t p th y thế vào

đó Có rất nhi u v t li u được nghi n cứu và s d ng làm m ng n n củ lớp v t li u phát qu ng Hầu hết các v t li u được s d ng hi n n y là các v t li u thuộc h Sulfide

ể t o n n được màu sắc đ d ng linh ki n đi n huỳnh qu ng phải phát r được

b màu cơ bản: , x nh lá cây, x nh d trời Các màu khác nh u được t o r bởi các

v t li u phát qu ng khác nh u H i thông s qu n tr ng nhất củ v t li u phát qu ng được s d ng để chế t o linh ki n đi n huỳnh qu ng đó là độ sáng và hi u suất phát

qu ng Bảng 1.1 cho biết t nh chất củ một s v t li u phát qu ng được s d ng chế t o linh ki n ACTFEL ho t động t i tần s 60Hz và hi u đi n thế 40 4]

Các nguy n t đất hiếm gồm các nguy n t có s hi u nguy n t t Z = 57

L nth nide đến Z = 103 L wrencium trong bảng h th ng tuần hoàn các nguy n t

hó h c Trong đo Erbium là nguy n t thuộc h L nth nide gồm Z = 57 ÷ 71: L , Ce,

Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, b, Lu Khi ở d ng đơn chất các nguy n t này có màu trắng b c, các mu i củ chúng có màu hồng Cấu trúc đi n t

củ các nguy n t này được biễu diễn như s u:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 5s2 4p6 4d104fn 5dx 5p6 6s2

Như v y, các nguy n t h L nth nide là nh ng kim lo i được đặc trưng bởi các orbit n chư được lấp đầy ở phân lớp 4f, t o r các đi n t tự do ở phân lớp này Khicác nguy n t b mất đi n t thì các đi n t lớp ngoài cùng s b mất trước n n các nguy n t h L nth nide thường có hó tr 3 khi đó lớp đi n t ngoài cùng được viết: 4fn5p5 6s trong đó n =0 ÷ 14 được trình bày trong bảng 1.3 8]

ng các nguy n t đất hiếm hó tr 3

Nhưng khi các ion đất hiếm được ph t p vào các m ng n n rắn thì sự phủ các hàm sóng rất lớn, các đi n t ở phân lớp 4f có thể nhảy l n mức k ch th ch c o hơn dễ dàng và phát

qu ng t t hơn Do v y phổ phát x củ ion đất hiếm trong tinh thể tương tự như phổ phát

x củ các ion tự do và t ch u ảnh hưởng củ trường tinh thể v t li u n n Có thể minh

h b ng đồ th các hàm sóng 5s, 5p và 4f củ ion Ce3+ tr n hình 1.14

tác c g g c i p t p

Trong các ion đất hiếm do cấu trúc các quỹ đ o chư đi n đầy ở phân lớp 4f n n hình thành các mức bội đi n t , khi tương tác lực Coulomb gi các đi n t 4f m nh ~10e t o r s h ng li n kết Rusell-S unders, được ký hi u là 2s+1L, trong đó L và S tương ứng là tổng mômen quỹ đ o và mômen spin được xác đ nh theo các công thức sau :

L

L với n

i i

l L

1

Hàm sóng 4f Hàm sóng 5s Hàm sóng 5p

0 -1

trường tinh thể, mỗi mức bội 2s+1Lj suy biến thành 2S 1 2L 1 b c Ở đây, J là tổng mômen toàn phần, có vector mômen toàn phần J được xác đ nh :

S L

độ lớn có thể nh n giá tr t L-S đến L S Nếu L > S, mômen J nh n 2S 1 giá tr t L – S đến L S Nếu L < S, mômen nh n 2L giá tr t S – L đến (L + S)

ìn giản đồ mức năng lượng củ một s ion đất

đi n t được coi là một chuyển động độc l p trong một trường thế đ i xứng cầu gây bởi h t nhân và tất cả các đi n t khác Toán t H miton đ i với đi n t tự do:

LS r

r

e r

Ze m

H = Hion tự do + Vion-m ng tĩnh + Vion-m ng động + Vion-trường đi n t + Vion-ion (1.6)

ới Hion tự do là H miton củ ion tự do, ion-m ng tĩnh và ion-m ng động tương ứng với các tương tác tĩnh động củ ion với m ng n n, ion-trường đi n t thể hi n tương tác củ các ion trường đi n t , ion-ion biểu diễn tương tác củ đất hiếm đ ng xét với các ion đất hiếm khác

nh hưởng củ m ng n n l n t p đất hiếm chỉ đ c p đến tương tác tĩnh đi n

b ng cách th y m ng n n b ng một trường tinh thể hi u d ng t i v tr củ ion Khi đó,

H miton có thể viết như s u:

k q mangtinh

củ mức và nó không th y đổi theo v tr củ ion đất hiếm

(4f)2

Trường xuyên tấm

Tương tác trường tĩnh đi n

Tương tác spin-quỹ đ o

Trường tinh thể (ion-m ng)

Hình 1.16: Sơ đồ mức năng lượng của các đi n t 4 b

tách do tương tác với trường tinh thể của m ngn n

Các d ch chuyển 4f – 4f củ ion đất hiếm tự do phải tuân theo quy tắc lự ch n

L porte, các d ch chuyển chỉ được phép khi chúng có cùng t nh ch n lẻ trong một tâm

đ i xứng b n ngoài, các ion b mất đi sự đ i xứng và d ch chuyển trở n n được phép

Sự phát x củ các on đất hiếm xuất hi n t các d ch chuyển gi các mức năng lượng trong cấu hình đi n t 4fn củ chúng Sự không có mặt củ bất kỳ tương tác nào

gi n đi n t này thì các mức năng lượng s b suy biến Tuy nhi n do tương tác Coulomb gi các đi n t , sự suy biến được xó b và các mứ năng lượng được tách r thành một dải khoảng 20000 cm-1 Hơn n sự tách mức năng lượng còn do tương tác spin-quỹ đ o, t o thành dải khoảng 1000cm-1 Các nguy n t đất hiếm có thể được phân tách thành h i nhóm theo khả năng phát quang:

m ứ b o gồm các ion: Tb3+

, Dy3+, Eu3+ và Sm3+, đây là các ion phát x

m nh, tất cả đ u có huỳnh qu ng trong vùng nhìn thấy Tb3+: 545 nm (5D4 → 7F4),

Dy3+: 573 nm (4F9/2 → 6H13/2), Sm3+: 643 nm (4G5/2 → 4H11/2) Ion Eu3+ phát x rất

m nh trong vùng nhìn thấy có màu đ đặc trưng 613 nm là do sự d ch chuyển củ

đi n t 5D0→ 7F2, với năng lượng k ch th ch t i thiểu là 2,18 e 16, 17

m ứ gồm các ion: Er3+, Pr3+, Nd3+, Ho3+, Tm3+ và Yb3+, là các ion phát

x yếu trong vùng hồng ngo i gần Sự phát x yếu củ các ion đất hiếm này thực chất

là do khoảng cách gi các mức năng lượng rất gần nh u củ các ion này, dễ dàng t o

d ch chuyển không phát x i với ion Er3+, b n c nh một s đường d ch chuyển spin

Các mức năng lượng củ ion đất hiếm có cùng cấu hình 4fn đ u do lớp 4f t o n n

do đó tất cả các tr ng thái có cùng t nh ch n lẻ Nếu một ion tự do chiếm một v tr đ i xứng đảo trong m ng tinh thể thì các d ch chuyển gi các mức 4fn b cấm đ i với d ch chuyển lưỡng cực đi n Nó chỉ xảy r đ i với các d ch chuyển lưỡng cực t , và tuân theo quy tắc ch n l c L = 0, S = 0, J = 0, ±1 Tuy nhiên, ở v tr không có đ i xứng đảo thì quy tắc lựa ch n được b qu và quá trình lưỡng cực đi n có thể xảy

ra các d ch chuyển nhưng yếu Trong trường hợp này, s h ng trường tinh thể chứa thêm một thành phần lẻ Vu Thành phần lẻ này củ trường tinh thể là sự pha trộn một s tr ng thái 4fn−15d vào tr ng thái 4fn Các đi n t 4f được che chắn bởi đi n trường của các ion bên c nh, s lượng pha trộn là nh , hoặc các tr ng thái n m thấp hơn phần lớn là các tr ng thái 4fn và do v y phần lớn là cùng tính ch n lẻ Do đó, các đường

d ch chuyển thường phát x rất m nh

Theo lý thuyết, khi đi n t t tr ng thái kích thích trở v tr ng thái cơ bản s bức x Thực tế, đi u này không thường xuyên xảy r , hơn n a còn có rất nhi u tâm không phát

x Lý do chính dẫn đến quá trình d ch chuyển không phát x là do sự truy n năng lượng

gi a các ion, sự phát x đ phonon và nhi t độ

hi n tượng d p tắt huỳnh qu ng Nếu t ion đất hiếm thì khoảng cách gi các tâm phát

qu ng x nh u, năng lượng s b mất trong quá trình truy n năng lượng t các phân t

m ng n n đến các tâm phát qu ng do đó cường độ huỳnh qu ng s rất yếu Nếu nồng

độ ion đất hiếm quá c o thì s xảy r hi n tượng kết đám gi các phân t đất hiếm ở

bi n h t, như v y ngoài vi c năng lượng gi m ng n n cho ion đất hiếm thì các ion

đất hiếm cũng tương tác với nh u như v y năng lương s b suy yếu dần ể v t li u phát qu ng t t nhất thì nồng độ ion đất hiếm phải th ch hợp, để phân tán đ u vào trong các m ng n n và nút khuyết oxy trong m ng n n T o r khoảng cách đủ nh để năng lượng không b ti u h o trong quá rình truy n năng lượng t m ng n n vào các ion đất hiếm, để tăng cường huỳnh qu ng t t nhất cho v t li u

ác suất truy n năng lượng tới các ion b n c nh lớn hơn xác suất phân rã phát

x , do v y các di chyển k ch th ch ở trong mẫu có thể qu hàng tri u ion trước khi phát bức x i u này được giải th ch qu hình 1.17 12, 20]

3.6 Ion Erbium

a ề g y ố b m à o 3+

Erbium là nguy n t hó h c thuộc nhóm L nth n Ở d ng đơn chất nó có màu trắng b c, các mu i củ nó có màu hồng Nguy n t này có dải hấp phổ th đặc trưng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, t ngo i và hồng ngo i gần

Các nguy n lý ứng d ng củ Erbium li n qu n đến màu hồng củ ion Er3+, các ion này có t nh huỳnh qu ng đặc bi t h u ch trong các ứng d ng l ser nhất đ nh K nh

Hấp th

Phát huỳnh quang

Truy n năng lượng

Hấp th

Phân rã không phát x

Hình 1.17: Sự phát huỳnh quang khi nồng độ pha t p thấp (a)

và sự d p tắt huỳnh quang do pha t p với nồng độ cao (b) [4]

Erbium-doped hoặc các tinh thể có thể được sự d ng trong các thiết b khuếch đ i

qu ng h c, ở đây các ion Er3+ được k ch th ch qu ng ở bước sóng khoảng 980nm hoặc

1440 nm và s u phát ánh sáng k ch th ch ở vùng lân c n 1550 nm, ứng với quá trình chuyển mức phát x t tr ng thái 4I13/2 → 4I15/2 và phát Bước sóng lân c n 1550 nm đặc bi t qu n tr ng trong lĩnh vực thông tin qu ng h c, vì các sợi qu ng khi truy n t n

hi u s có sự mất mát cực tiểu ở bước sóng ri ng bi t này

b bium

Nguy n t kim lo i Er tinh khiết hó tr 3 dễ u n hoặc dễ đ nh hình , m m, ổn

đ nh trong không kh , và không b oxy hó nh nh như kim lo i đất hiếm khác Erbium

có t nh sắt t dưới nhi t độ 19k, phản sắt t trong khoảng nhi t độ 19k đến 80k, và thu n t tr n nhi t độ 80k

ng T nh chất vất lý và hó h c củ nguy n t Erbium

- Phát x không bức x : năng lượng được giải phóng dưới d ng photon t o r sự d o động trong phân t m ng

- Phát x ánh sáng: năng lượng giải phóng dưới d ng photon

ặc bi t, khi d ch chuyển năng lượng t tr ng thái 4I13/2 → 4I15/2 cho phát x bước sóng ở vùng hồng ngo i gần là 1550 nm, có ý nghĩ rất qu n tr ng trong lĩnh vực

qu ng h c và các v t li u linh ki n đi n t

ìn : giản đồ vùng năng lượng củ ion Er3+ và sự chuyển d ch bức x gi các

mức

I.3 Sự truy n năng lượng t SnO2 s ng các ion Er3+

Cấu trúc đi n t củ ion đất hiếm có d ng 4fn 5s25p6 Với cấu trúc này, các peak (shape lines) bởi chuyển pha f-f được quan sát b ng phổ hấp th và phổ huỳnh quang Nói chung, sự phát x củ các ion đất hiếm pha t p trong các nanô tinh thể bán dẫn thể

hi n các v ch phổ c đ nh mà được xác đ nh bởi các cấu trúc đi n t củ các ion đất hiếm và hầu hết không ph thuộc vào v t li u chủ Tuy nhiên, b rộng và cường độ tương đ i củ các pe k này thường ph thuộc vào t nh đ i xứng m ng chủ Một vài peak thể hi n sự ph thuộc vào v t li u chủ, trong khi nh ng pe k khác thì không i u này có thể được s d ng cho vi c chế t o nh ng v t li u có tính ứng d ng đặt bi t Hình 1.19, là sơ đồ truy n năng lượng t SnO2 sang iôn Er3+, khi SnO2 nh n được một k ch th ch s có hi n tượng t i hợp vùng – vùng Quá trình tái hợp đó s truy n

F

7/2 2

năng lượng k ch th ch s ng ion Er3+, khi nh n được k ch th ch thì các ion Er3+ s nhảy

l n mức năng lượng c o hơn, s u đó nó tái hợp và phát huỳnh qu ng ở bước sóng 1550

nm, ứng với mức chuyển năng lượng t 4

I13/2 → 4I15/2

ìn quá trình truy n năng lượng t SnO2 sang ion Er3+

* Một s đặc t nh qu ng phổ củ ion Erbium ph t p trong v t li u n n SnO2 được chế

t o b ng phương pháp Sol – gel

t li u n no SnO2 ph t p ion Erbium với 3 mol Er3+ b o gồm 10 đỉnh phổ hấp th ri ng bi t t i các bước sóng: 1536,6; 981,4; 811,5; 674,5; 530,8; 518,3; 491,6; 450,8; 443,6 và 417,8 nm, ứng với các mức d ch chuyển t tr ng thái cơ bản 4

I15/2 l n các tr ng thái k ch th ch 4

I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S9/2, 4S3/2, 2H11/2, 4F7/2, 4F5/2, 4F3/2,

2G9/2.năng lượng củ ion Erbium hấp th được truy n đến t các tinh thể n no SnO2; năng lượng này hoặc truy n trực tiếp t các s i h ng củ cấu trúc m ng, hoặc được truy n gián tiếp qu sự kết hợp lỗ tr ng với các ion Er3+

[3]

ìn : phổ qu ng h c hấp th củ v t li u SnO2:Er3+

(0,3%mol Er3+) [3]

Một s đặc t nh qu ng phổ củ ion Erbium ph t p trong v t li u n n xSnO2 – x)SiO2 chế t o b ng phương pháp Sol – gel

(100-Hình 1.21: phổ hấp th v t li u màng 0,4SnO2 – 99,6SiO2:0,5 Er3 chế t o

b ng phương pháp Sol – gel với b dày 1 mm được nung ở nhi t độ 1050o C [1]