Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và quá trình truyền năng lượng trong các nano tinh thể ZnO đồng pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+

Bài viết Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và quá trình truyền năng lượng trong các nano tinh thể ZnO đồng pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+ trình bày các kết quả chế tạo các NC bán dẫn ZnO đồng pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+ bằng phương pháp Sol-Gel.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và quá trình truyền năng lượng trong các nano tinh thể ZnO đồng pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+ Nghiên cứu khoa học công nghệ Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và quá trình truyền năng lượng trong các nano tinh thể ZnO đồng pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+ Nguyễn Thị Minh Thủy1, Nguyễn Thanh Bình1, Đặng Thị Hương1, Ngô Tuấn Ngọc1, Nguyễn Xuân Ca2, Nguyễn Thị Hiền2, Phạm Minh Tân3* 1 Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên; 2 Viện Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên; 3 Khoa Khoa học Cơ bản và Ứng dụng, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. * Email: tanpm@tnut.edu.vn Nhận bài: 01/10/2022; Hoàn thiện: 16/11/2022; Chấp nhận đăng: 12/12/2022; Xuất bản: 28/12/2022. DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.84.2022.101-108 TÓM TẮT Các nano tinh thể (NC) ZnO đồng pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+ đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp Sol-Gel. Sự hiện diện và hàm lượng của các nguyên tố có trong mẫu được khảo sát thông qua phổ tán sắc năng lượng (EDX). Cấu trúc, kích thước tinh thể và sự pha tạp thành công các ion đất hiếm (RE) vào mạng nền ZnO được nghiên cứu và chứng minh bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Tính chất quang của các NC ZnO đồng pha tạp các ion Ce 3+ và Tb3+ được nghiên cứu thông qua phổ kích thích (PLE) và quang huỳnh quang(PL). Quá trình truyền năng lượng từ các ion Ce3+ tới các ion Tb3+ đã được nghiên cứu và giải thích chi tiết. Các NC ZnO pha tạp các ion Ce3+ và Tb3+ hoàn toàn không độc hại và có thể được điều khiển các đặc trưng quang học nhờ thay đổi nồng độ ion Tb3+. Kết quả nghiên cứu này mở ra nhiều khả năng ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực chiếu sáng và đánh dấu sinh học. Từ khoá: ZnO; Ion Ce3+ và Tb3+; Pha tạp; Tính chất quang; Truyền năng lượng. 1. MỞ ĐẦU Trong vài thập kỷ gần đây, các nano tinh thể (NC) bán dẫn được quan tâm và nghiên cứu nhiều do các tính chất quang học độc đáo của chúng mà các bán dẫn khối cùng loại không có được như thay đổi bước sóng phát xạ khi thay đổi kích thước hạt, hiệu suất phát xạ cao và thời gian sống huỳnh quang dài. Các NC bán dẫn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực chiếu sáng, đánh dấu sinh học, quang điện tử và pin mặt trời [1-3]. Các NC bán dẫn đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu nhiều của các nhà khoa học chủ yếu là các hợp chất bán dẫn họ A 2B6 như CdSe, CdS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO [4-7]. Các hợp chất chứa Cd thường khá độc với con người và môi trường nên không thích hợp cho các ứng dụng sinh học. Trong các NC bán dẫn kể trên, ZnO là một hợp chất bán dẫn thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu do các tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử, pin mặt trời, và các ứng dụng y sinh [8-10]. ZnO là chất bán dẫn vùng cấm thẳng với độ rộng vùng cấm khoảng 3,4 eV và bán kính Bohr exciton nhỏ cỡ 2,5 nm. ZnO không độc hại, thân thiện với môi trường và ổn định về mặt hóa học hơn các hợp chất khác trong nhóm bán dẫn họ A2B6 [9]. Do năng lượng vùng cấm lớn nên ZnO rất thích hợp là vật liệu nền để pha tạp các ion kim loại chuyển tiếp (KLCT) hoặc các ion đất hiếm (RE) để tăng cường thêm tính chất điện, từ và quang của vật liệu. Các nguyên tố đất hiếm hóa trị ba là các tâm quang học có khả năng phát quang rất tốt với đặc trưng phổ phát xạ hẹp, ít chịu ảnh hưởng của mạng nền và thời gian sống huỳnh quang dài. Các NC bán dẫn vùng cấm rộng là các vật liệu nền phù hợp để pha tạp các ion đất hiếm, khi đó, các ion đất hiếm sẽ đóng vai trò là các tâm phát xạ [11]. Các NC bán dẫn pha tạp với các ion đất hiếm hóa trị ba giúp cải thiện đáng kể hiệu suất quang lượng tử, tăng độ bền nhiệt và thời gian phát quang cũng như giảm hiện tượng tự dập tắt huỳnh quang do không có sự tự hấp thụ và chuyển hóa năng lượng [12]. Bước sóng và thời gian phát xạ của các NC pha tạp các ion RE có Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 84, 12 - 2022 101 Vật lý thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi thành phần và nồng độ của các ion RE. Các ion RE hoạt động như những tâm phát quang trong các NC bán dẫn pha tạp, do đó, các NC pha tạp các ion RE được coi là những ứng cử viên đầy triển vọng cho các ứng dụng chiếu sáng [13]. Trong số các ion RE, xeri (Ce) là một nguyên tố có khá nhiều trong tự nhiên và thường được sử dụng để chế tạo vật liệu phát quang màu xanh lam trong khi Terbium (Tb) chủ yếu được sử dụng để chế tạo vật liệu phát quang màu vàng và cam. Do phổ huỳnh quang của Ce3+ chồng chập với các dải PLE của một số ion RE3+ (ví dụ Sm3+, Eu3+, Tb3+,…) nên Ce3+ thường được sử dụng như các tâm tăng nhạy cho huỳnh quang của các ion đất hiếm khác khi chúng được đồng pha tạp trong các vật liệu huỳnh quang. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong các vật ...