Nghiên cứu và chế tạo bột huỳnh quang (Y,Gd)BO3 Eu3 phát ánh sáng đỏ - Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG III
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu thu
được về sự ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết, tỉ lệ giữa nồng độ của các ion
kim loại đối với axit citric, nồng độ của của các ion pha tạp Gd
3+
và Eu
3+
đến
sự hình thành pha, tính chất phát quang, hình thái bề mặt hạt và kết quả thu
được từ việc chế tạo bột huỳnh quang ba màu từ các bột thành phần.
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến sự hình thành pha, tính chất
phát quang và hình thái bề mặt hạt
3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến sự hình thành cấu trúc của
mạng nền
Mẫu bột sau khi tổng hợp được khảo sát cấu trúc bằng phép đo phổ hấp
thụ hồng ngoại và nhiễu xạ tia X. Mẫu tổng hợp với hợp phần
(Y
0,65
Gd
0,35
)
0,95
BO
3
: Eu
0,05
3+
được thiêu kết ở các nhiệt độ 600, 700, 800, 900,
1000
o

C trong thời gian 2 giờ.
Hình 3.1 là phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu (Y
0,65
Gd
0,35
)
0,95
BO
3
: Eu
0,05
3+
trước khi thiêu kết. Đối với gel khô trước khi thiêu kết ở nhiệt độ cao, phổ
hồng ngoại gồm 4 vùng hấp thụ chính: vùng thứ nhất ứng với đỉnh ở 3457,52
cm
-1
do sự hấp thụ của dao động cộng hóa trị của nhóm O-H, vùng thứ 2 là
đỉnh hấp thụ ở 1702,58 cm
-1
đây có thể là do sự hấp thụ của nhóm C=O trong
nhóm COOH, vùng ba với một dải hấp thụ ở 1588,47 và 1434,26 cm
-1
do dao
động của nhóm C=O của các nhóm citrat và cuối cùng là một dải hấp thụ
tương đối rộng trong vùng từ 700-1000 cm
-1
tương ứng với các dao động của
các nhóm B-O.
41
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
906,87
607,70
1076,50
1434,26
1588,47
1702,58
3457,52
§é hÊp thô
Sè sãng (cm
-1
)
MÉu ch­a ñ
Hình 3.1. Phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu (Y
0,65
Gd
0,35
)
0,95
BO
3
: Eu
0,05
3+

trước
khi thiêu kết.
Sau khi thiêu kết ở các nhiệt độ 600
o
C và 700
o
C, các đỉnh hấp thụ của
các nhóm hữu cơ giảm. Sự hấp thụ do dao động của các nhóm O-H và các
nhóm chức hữu cơ gần như biến mất sau khi thiêu kết ở 900
o
C và 1000
o
C
(hình 3.2).
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
720,34
846,59
1334,09
1526,98
2931,99
3444,64
§é hÊp thô
Sè sãng (cm
-1

)
ñ
nhiÖt ë 600
o
C
42
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
727,00
912,05
840,67
1168,48
1327,90
1640,11
3433,34
§é hÊp thô
Sè sãng (cm
-1
)
ñ
nhiÖt ë 700

o
C
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0
1
2
3
4
5
A
B
§é hÊp thô
Sè sãng (cm
-1
)
A: ñ nhiÖt ë 900
o
C
B: ñ nhiÖt ë 1000
o
C
Hình 3.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu (Y
0.65
Gd
0.35
)
0.95
BO
3
: Eu

0.05
3+
thiêu
kết ở các nhiệt độ khác nhau.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu (Y
0,65
Gd
0,35
)
0,95
BO
3
: Eu
0,05
3+
được thiêu
kết ở các nhiệt độ thiêu kết khác nhau được trình bày trong hình 3.3. Dựa vào
giản đồ nhiễu xạ, ta nhận thấy các đỉnh nhiễu xạ là hoàn toàn phù hợp với thư
43
viện phổ PDF ( thẻ 74-1929), cho kết quả mẫu chế tạo được có cấu trúc pha
YBO
3
với cấu trúc lục giác (hexagonal) thuộc nhóm không gian P6
3
/mmc và
các thông số mạng lưới a = b = 0.3793 nm, c = 0.8832 nm.
20 30 40 50 60 70
C­êng ®é (®.v.t.ý)

(111)

(202)
(200)
(112)
(104)
(110)
(103)
(102)
(101)
(100)
A
B
C
D
E
2 Theta (®é)
A.........600
o
C
B.........700
o
C
C.........800
o
C
D.........900
o
C
E.........1000
o
C

Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu (Y
0,65
Gd
0,35
)
0,95
BO
3
: Eu
0,05
3+
được
thiêu kết ở các nhiệt độ thiêu kết khác nhau.
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể dễ dàng nhận thấy, đã có sự chuyển
pha từ trạng thái vô định hình (đối với mẫu ủ nhiệt độ 600
o
C) sang trạng thái
tinh thể (đối với mẫu ủ nhiệt ở nhiệt độ 700
o
C và cao hơn). Như vậy nhiệt độ
kết tinh của bột (Y
0,65
Gd
0,35
)
0,95
BO
3
: Eu
0,05

3+
nằm trong khoảng 600-700
o
C, đây
là nhiệt độ kết tinh khá thấp so với phương pháp phản ứng pha rắn truyền
thống. Sau khi kết tinh pha nền YBO
3
đã hình thành trong mẫu với cấu trúc
44
lục giác (hexagonal). Khi tăng nhiệt độ thiêu kết lên 800
o
C, cường độ các
đỉnh nhiễu xạ tăng lên. Điều đó cho thấy tính kết tinh (pha tinh thể) của vật
liệu tăng lên khi nhiệt độ thiêu kết tăng. Khi tăng nhiệt thiêu kết lên 900
o
C và
1000
o
C cường độ các đỉnh nhiễu xạ của mạng nền YBO
3
tăng lên rất mạnh so
với các mẫu thiêu kết ở nhiệt độ 700
o
C và 800
o
C. Ngoài ra cường độ và độ
rộng của các đỉnh nhiễu xạ hầu như không thay đổi khi thiêu kết ở 900
o
C và
1000

o
C. Điều này chỉ ra rằng vật liệu thu được đã có cấu trúc ổn định khi
thiêu kết ở 900
o
C. Đây chính là vật liệu mà chúng tôi cần chế tạo. Sự giống
nhau về độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ chứng tỏ không có sự khác nhau nhiều
về kích thước hạt khi mẫu được thiêu kết trong khoảng nhiệt độ 700-1000
o
C.
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến phổ huỳnh quang của
(Y,Gd)BO
3
: Eu
3+
550 575 600 625 650 675 700 725 750
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
655:
5
D
0
-
7
F
3

580:
5
D
0
-
7
F
0
590:
5
D
0
-
7
F
1
613:
5
D
0
-
7
F
2
705:
5
D
0
-
7

F
4
C­êng ®é (®.v.t.ý)
B­íc sãng (nm)
T = 600
o
C
Hình 3.4. Phổ huỳnh quang của mẫu bột thiêu kết ở 600
o
C.
45
Hình 3.4 là phổ huỳnh quang của mẫu bột nhận được sau khi thiêu kết
ở 600
o
C. Khi kích thích mẫu bằng bước sóng 325 nm của laser He-Cd ở nhiệt
độ phòng, mẫu phát ánh sáng đỏ, và phổ nhận được bao gồm 5 đỉnh phổ đặc
trưng tại các bước sóng 580, 590, 613, 655, và 705 nm tương ứng với các
chuyển mức
5
D
0
-
7
F
j
(j = 0,1, 2, 3, 4) của ion Eu
3+
. Tuy nhiên cường độ phát
quang của mẫu sau khi thiêu kết ở nhiệt độ này còn thấp với hai đỉnh 613 và
705 nm chiếm ưu thế. Kết hợp với kết quả đo nhiễu xạ tia X, có thể nhận

định rằng, mạng nền vô định hình chính là nguyên nhân của sự phát quang
yếu của vật liệu.
550 575 600 625 650 675 700 725 750
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
693:
5
D
0
-
7
F
4
655:
5
D
0
-
7
F
3
579:
5
D
0

-
7
F
0
707:
5
D
0
-
7
F
4
627:
5
D
0
-
7
F
2
612:
5
D
0
-
7
F
2
592:
5

D
0
-
7
F
1
C­êng ®é (®.v.t.ý)
B­íc sãng (nm)
T = 700
o
C
Hình 3.5. Phổ huỳnh quang của mẫu (Y,Gd)BO
3
: Eu
3+
được thiêu kết ở các
nhiệt độ 700
o
C.
Hình 3.5 là phổ huỳnh quang của mẫu (Y,Gd)BO
3
: Eu
3+
được thiêu kết
ở nhiệt độ 700
o
C. Khi tăng nhiệt độ thiêu kết lên 700
o
C các đỉnh ứng với các
chuyển mức

5
D
0
-
7
F
0
và
5
D
0
-
7
F
3
xuất hiện rõ ràng hơn đồng thời có sự tách
làm hai đỉnh đối với các chuyển mức
5
D
0
-
7
F
2
và
5
D
0
-
7

F
4.
Sự tách vạch này
được giải thích là do ảnh hưởng của trường tinh thể (crystal field) của mạng
nền lên các ion Eu
3+
. Đồng thời việc quan sát được sự tách vạch của các đỉnh
46
phát xạ do tương tác trường tinh thể cũng là một bằng chứng thực nghiệm cho
thấy sự kết tinh của màng nền sau khi mẫu được thiêu kết ở nhiệt độ 700
o
C.
Nhìn chung ở 700
o
C cường độ phát quang tăng lên rất nhiều so với mẫu được
thiêu kết ở 600
o
C.
550 575 600 625 650 675 700 725 750
F
E
D
C
B
A
C­êng ®é (®.v.t.ý)
B­íc sãng (nm)
A......600
o
C

B......700
o
C
C......800
o
C
D......900
o
C
E......1000
o
C
F......1100
o
C
Hình 3.6. Phổ huỳnh quang của mẫu (Y,Gd)BO
3
:Eu
3+
được thiêu kết ở các
nhiệt độ 600, 700, 800, 900, 1000 và 1100
o
C.
Phổ huỳnh quang của mẫu (Y,Gd)BO
3
: Eu
3+
được thiêu kết ở các nhiệt
độ 600, 700, 800, 900, 1000 và 1100
o

C được trình bày ở hình 3.6. Từ kết quả
thu được ta thấy, khi tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu kết lên 800, 900 và 1000
o
C
(đặc biệt là mẫu thiêu kết ở 1000
o
C), cường độ phát quang của các đỉnh tăng
lên rất mạnh so với mẫu thiêu kết ở 700
o
C. Sự tăng cường độ huỳnh quang
này có thể được giải thích là do sự kết tinh tốt của mạng nền YBO
3
khi tăng
nhiệt độ thiêu kết trong khoảng nhiệt độ này. Điều này hoàn toàn phù hợp với
47