Luận án Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng quang phổ của vật liệu phát quang trên nền Silicate Alumino kiềm thổ pha tạp

 Khi mẫu thiêu kết với thời gian từ 60 
đến 90 min, vật liệu chỉ tồn tại pha Ca2Al2SiO7 mà không còn tồn tại các pha không 
mong muốn. Nhƣ vậy, thời gian thiêu kết ảnh hƣởng rất lớn đến quá trình tạo pha 
cấu trúc của vật liệu. 
 37 
2.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất chảy B2O3 đến cấu trúc của vật 
liệu Ca2Al2SiO7: Eu
3+ 
Từ hai kết quả khảo sát trên, nhiệt độ thiêu kết và thời gian thiêu kết tƣơng 
ứng là 1280 oC và 60 min đƣợc chọn không đổi. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất 
chảy B2O3 đến cấu trúc của vật liệu đƣợc khảo sát với hàm lƣợng B2O3 thay đổi từ 0 
đến 5 %kl sản phẩm. Kết quả khảo sát XRD thể hiện trên hình 2.5, các mẫu đều có 
cấu trúc pha Ca2Al2SiO7. Tuy nhiên, khi hàm lƣợng chất chảy B2O3 từ 0 đến 1 %kl 
sản phẩm, xuất hiện 2 pha không mong muốn là Ca2SiO4 và CaAl4O7. Nếu tiếp tục 
tăng hàm lƣợng chất chảy B2O3 từ 2 đến 3 %kl sản phẩm vẫn còn xuất hiện 1 pha 
không mong muốn là Ca2SiO4 nhƣng với tỉ lệ rất nhỏ. Vật liệu có pha tối ƣu ứng với 
hàm lƣợng B2O3 từ 4 đến 5 %kl sản phẩm. Qua đó cho thấy, hàm lƣợng chất chảy 
B2O3 giữ vai trò quan trọng trong việc hình thành pha của vật liệu khi chế tạo bằng 
phƣơng pháp phản ứng pha rắn. 
Hình 2.5. Giản đồ XRD của mẫu CAS: Eu3+ (0,25 %mol), hàm lƣợng chất chảy B2O3 khác 
nhau, nhiệt độ thiêu kết 1280 oC và thời gian thiêu kết 60 min 
 Sau khi khảo sát ảnh hƣởng của các điều công nghệ nhƣ: Nhiệt độ thiêu kết, 
thời gian thiêu kết, hàm lƣợng chất chảy B2O3. Công nghệ chế tạo vật liệu CAS tối 
 38 
ƣu đƣợc lựa chọn là: Mẫu thiêu kết ở 1280 oC, thời gian thiêu kết hiệu quả từ 60 đến 
90 min và hàm lƣợng chất chảy B2O3 4 %kl sản phẩm. Sơ đồ tối ƣu chế tạo vật liệu 
CAS pha tạp các nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn đƣợc đƣa ra 
nhƣ ở hình 2.6. So sánh với các công trình công bố trên thế giới chế tạo vật liệu 
CAS pha tạp các nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn có sử dụng 
chất chảy [38], [99], [104]. Cho thấy, quy trình chế tạo chúng tôi đã giảm nhiệt độ 
thiêu kết từ 50 đến 100 oC, đều này rất có ý ngh a trong quá trình làm thực nghiệm. 
Hình 2.6. Sơ đồ chế tạo vật liệu CAS pha tạp các nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản 
ứng pha rắn 
2.4. Khảo sát điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu phát quang Sr2Al2SiO7 pha 
tạp các nguyên tố đất hiếm 
Tƣơng tự nhƣ quy trình chế tạo vật liệu CAS: Eu3+, trong phần này chúng tôi 
khảo sát sự ảnh hƣởng của các điều kiện công nghệ đến việc chế tạo vật liệu SAS: 
Eu
3+ 
(0,25 % mol) bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn. Các điều kiện công nghệ 
gồm có: Nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết và hàm lƣợng chất chảy B2O3. Trong 
đó: Nhiệt độ thiêu kết thay đổi từ 1120 đến 1280 oC, thời gian thiêu kết từ 15 đến 
120 min, hàm lƣợng chất chảy B2O3 thay đổi từ 2 đến 5 %kl sản phẩm. 
Thiêu kết ở 1280 oC trong 60 min 
Phối liệu ban đầu: Al2O3, 
SiO2 và CaCO3, và RE2O3 
Chất chảy B2O3 
4 %kl sản phẩm 
Hỗn hợp đƣợc nghiền 60 min 
Ép viên 
Sản phẩm 
 39 
2.4.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu Sr2Al2SiO7: Eu
3+
Để khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu SAS: 
Eu
3+ 
(0,25 %mol), chúng tôi chọn thời gian thiêu kết 120 min và hàm lƣợng chất 
chảy B2O3 4 %kl sản phẩm, đƣợc giữ không đổi. Cấu trúc của vật liệu đƣợc khảo 
sát ở các nhiệt độ thiêu kết khác nhau, lần lƣợt là: 1120, 1150, 1180, 1210. 1250 và 
1280 
o
C. Giản đồ XRD của vật liệu SAS: Eu3+ (0,25 %mol) ở nhiệt độ thiêu kết 
khác nhau nung trong môi trƣờng không khí đƣợc biểu diễn ở hình 2.7. 
Hình 2.7. Giản đồ XRD của mẫu SAS: Eu3+ (0,25 %mol), thiêu kết ở các nhiệt độ khác 
nhau, thời gian thiêu kết 120 min và B2O3 4 %kl sản phẩm 
Kết quả XRD trên hình 2.7 cho thấy, vật liệu chế tạo ở các nhiệt độ thiêu kết 
này đều hình thành chủ yếu pha Sr2Al2SiO7 mong muốn. Tuy nhiên, khi thiêu kết 
với các nhiệt độ từ 1120 đến 1210 oC, bên cạnh pha Sr2Al2SiO7 với tỉ phần khá lớn, 
vật liệu còn tồn tại pha SrAl2O4 và pha SrSiO3 với tỉ phần nhỏ, khi nhiệt độ tăng lên 
tỉ phần 2 pha SrAl2O4 và SrSiO3 giảm. Ở nhiệt độ thiêu kết 1250 đến 1280
 o
C, vật 
liệu chỉ tồn tại pha Sr2Al2SiO7, cấu trúc pha tứ giác, phù hợp với thẻ chuẩn JCPDS: 
75-1234 [69]. 
 40 
2.4.2. Ảnh hƣởng của thời gian thiêu kết đến cấu trúc của vật liệu Sr2Al2SiO7: 
Eu
3+
Chúng tôi khảo sát ảnh hƣởng của thời gian thiêu kết đến quá trình tạo pha 
của vật liệu SAS. Ở đây, nhiệt độ thiêu kết là 1250 oC và hàm lƣợng B2O3 4 %kl sản 
phẩm đƣợc chọn không đổi, khoảng thời gian thiêu kết khảo sát lần lƣợt: 15, 30, 60, 
90 và 120 min. Giản đồ XRD của vật liệu SAS: Eu3+ (0,25 %mol) ở các khoảng thời 
gian thiêu kết khác nhau đƣợc biểu diễn ở hình 2.8. 
Hình 2.8. Giản đồ XRD của mẫu SAS: Eu3+ (0,25 %mol), thiêu kết với các thời gian khác 
nhau, nhiệt độ thiêu kết 1250 oC và B2O3 4 %kl sản phẩm 
Kết quả XRD trên hình 2.8 cho thấy, vật liệu chế tạo thiêu kết ở 1250 oC với 
các khoảng thời gian khác nhau ảnh hƣởng rất lớn đến việc hình thành pha của vật 
liệu. Vật liệu thiêu kết trong thời gian 15 min pha Sr2Al2SiO7 xuất hiện với tỉ phần 
rất nhỏ, khi tăng thời gian thiêu kết từ 30 đến 90 min pha Sr2Al2SiO7 xuất hiện với tỉ 
phần lớn. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại 2 pha không mong muốn SrAl2O4 và pha 
SrSiO3. Khi mẫu thiêu kết với thời gian 120 min, vật liệu chỉ tồn tại một pha 
Sr2Al2SiO7, cấu trúc pha tứ giác, phù hợp với thẻ chuẩn JCPDS: 75-1234 [69]. 
 41 
2.4.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng chất chảy B2O3 đến cấu trúc của vật liệu 
Sr2Al2SiO7: Eu
3+ 
Từ hai kết quả khảo sát trên, chúng tôi lựa chọn nhiệt độ thiêu kết 1250 oC và 
thời gian thiêu kết 120 min đƣợc giữ không đổi. Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của 
hàm lƣợng chất chảy B2O3 đến cấu trúc của vật liệu, với hàm lƣợng B2O3 thay đổi 
từ 2 đến 5 %kl sản phẩm. Kết quả khảo sát XRD đƣợc thể hiện trên hình 2.9, các 
mẫu đều có cấu trúc pha Sr2Al2SiO7. Tuy nhiên, với hàm lƣợng B2O3 nhỏ hơn 3 
%kl sản phẩm, trong mẫu tồn tại một lƣợng rất nhỏ pha của SrAl2O4 và SrSiO3. Vật 
liệu chỉ tồn tại một pha Sr2Al2SiO7 ứng với hàm lƣợng B2O3 từ 4 đến 5 %kl sản 
phẩm. 
Hình 2.9. Giản đồ XRD của mẫu SAS: Eu3+ (0,25 %mol), hàm lƣợng chất chảy B2O3 khác 
nhau, nhiệt độ thiêu kết 1250 oC và thời gian thiêu kết 120 min 
Qua quá trình khảo sát ảnh hƣởng của các điều kiện công nghệ nhƣ: Nhiệt độ 
thiêu kết, thời gian thiêu kết, hàm lƣợng chất chảy B2O3, sơ đồ chế tạo vật liệu SAS 
pha tạp các nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn đƣợc đƣa ra trên 
hình 2.10. So sánh với công trình công bố của nhóm tác giả Jadhaw năm 2017 chế 
tạo vật liệu SAS pha tạp các nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn có 
sử dụng chất chảy H3BO3 [34]. Cho thấy, quy trình chế tạo của chúng tôi đã giảm 
 42 
đƣợc nhiệt độ thiêu kết 150 oC, đều này rất có ý ngh a trong quá trình chế tạo vật 
liệu. 
Hình 2.10. Sơ đồ chế tạo vật liệu SAS pha tạp các nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản 
ứng pha rắn 
2.5. Cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu Ca2Al2SiO7 đơn và đồng pha tạp nguyên 
tố đất hiếm 
Hình 2.11. Giản đồ XRD của hệ mẫu CAS: Dy3+ (x %mol),với x = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 
3,5 
 43 
Hình 2.12. Giản đồ XRD của hệ mẫu CAS: Eu3+ (1 %mol), Dy3+ (x %mol), với x = 0; 0,5; 
1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5 
 Giản đồ XRD của hệ mẫu CAS đơn pha tạp và đồng pha tạp ion RE3+ đƣợc 
biểu diễn trên hình 2.11, hình 2.12. Kết quả phân tích cho thấy, vật liệu có cấu trúc 
pha mong muốn là Ca2Al2SiO7, với nhóm không gian P421m, thuộc pha tứ giác 
(Tetragonal) phù hợp với thẻ chuẩn của pha Ca2Al2SiO7 (JCPDS: 35-0755) [40], 
[92], [103]. Cấu trúc pha Ca2Al2SiO7 có độ lặp lại rất cao khi thay đổi tạp và nồng 
độ ion RE3+. Chứng tỏ quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn đối 
với hệ vật liệu silicate alumino kiềm thổ có độ ổn định và lặp lại cao. 
2.6. Các hệ vật liệu đã chế tạo sử dụng nghiên cứu trong luận án 
Từ việc tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ vật liệu phát 
quang silicate alumino kiềm thổ pha tạp các nguyên tố RE. Chúng tôi nhận thấy hệ 
vật liệu CAS: RE3+ vẫn chƣa đƣợc công bố nhiều. Chính vì vậy, trong luận án này 
chúng tôi tập trung chế tạo các hệ vật liệu CAS: RE3+ (với RE: Sm, Dy, Ce, Tb, Eu) 
thay đổi theo nồng độ tạp, nghiên cứu đặc trƣng quang phổ và tìm hiểu cơ chế phát 
quang của các ion RE3+. Bên cạnh đó, chúng tôi chế tạo các hệ vật liệu đồng pha tạp 
một hoặc hai ion RE3+ nghiên cứu hiện tƣợng ET. Các hệ vật liệu sử dụng nghiên 
cứu trong luận án đƣợc liệt kê ở bảng 2.1. 
 44 
Bảng 2.1. Các hệ vật liệu sử dụng nghiên cứu trong luận án 
TT Hệ vật liệu chế tạo 
Đơn pha tạp 
01 CAS: RE
3+
 (0,5 %mol), (RE: Eu, Ce, Tb, Dy, Sm) 
02 CAS: Eu
3+
 (x %mol), với x = 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 
03 CAS: Ce
3+
 (x %mol), với x = 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0 
04 CAS: Dy
3+
 (x %mol), với x = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5 
05 CAS: Tb
3+
 (x %mol), với x = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,5 
06 CAS: Sm
3+
 (x %mol), với x = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,5 
Đồng pha tạp 
07 CAS: Ce
3+ 
(x %mol), Dy
3+
 (1 %mol), với x = 0; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 
3,0; 4,0 
08 CAS: Dy
3+
 (x %mol), Eu
3+
 (1 %mol), với x = 0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5 
09 SAS: Ce
3+ 
(0,5 %mol); SAS: Eu
3+ 
(0,5 %mol); SAS: Ce
3+ 
(x %mol); Eu
3+ 
(1 %mol); với x = 0; 0,5; 1,0; 1,5 
10 CAS: Ce
3+ 
(0,5 %mol), Dy
3+
 (1 %mol), Eu
3+
 (0,5 %mol) 
2.7. Kết luận chƣơng 2 
 Trong chƣơng này, chúng tôi đã đi sâu nghiên cứu các điều kiện công nghệ 
ảnh hƣởng đến quy trình chế tạo vật liệu silicate alumino kiềm thổ pha tạp các 
nguyên tố RE bằng phƣơng pháp phản ứng pha rắn. Xác định đƣợc các điều kiện 
công nghệ và thông số tối ƣu để chế tạo vật liệu nhƣ sau: 
+ Đối với hệ vật liệu CAS 
- Nhiệt độ thiêu kết 1280 oC; 
- Thời gian thiêu kết 60 min; 
- Hàm lƣợng chất chảy B2O3 là 4 %kl sản phẩm.
+ Đối với hệ vật liệu SAS 
- Nhiệt độ thiêu kết 1250 oC; 
- Thời gian thiêu kết 120 min; 
- Hàm lƣợng chất chảy B2O3 là 4 %kl sản phẩm.
 45 
Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT 
QUANG Ca2Al2SiO7: RE
3+
 (RE: Sm, Dy, Ce, Tb, Eu) 
Trong chương này, chúng tôi tập trung nghiên cứu tính chất quang của hệ 
vật liệu CAS: RE3+ (với RE: Sm, Dy, Ce, Tb, Eu). Với mục đích cụ thể là khảo sát 
ảnh hưởng của nồng độ pha tạp các nguyên tố RE đến cường độ phát quang, cơ chế 
dập tắt cường độ phát quang do nồng độ pha tạp, tọa độ màu CIE, cơ chế phát 
quang của từng nguyên tố RE trong vật liệu CAS. Để có được những kết quả về tính 
chất quang của các mẫu chế tạo chúng tôi đã sử dụng các phép đo khảo sát sau: 
Phép đo phổ PL và PLE, phương pháp xác định tọa độ màu CIE ánh sáng phát 
quang. 
3.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất quang của vật liệu 
3.1.1. Phƣơng pháp phổ PL và PLE 
Phổ PL biểu diễn sự phụ thuộc của cƣờng độ ánh sáng phát quang theo bƣớc 
sóng ứng với một bức xạ kích thích xác định. Hình dạng phổ PL ứng với sự chuyển 
dời giữa các mức năng lƣợng điện tử có thể là các vạch hẹp hoặc dải rộng tùy thuộc 
vào tâm quang học và trƣờng tinh thể. 
Phổ PLE biểu diễn sự phụ thuộc của cƣờng độ phát quang ứng với một bức 
xạ xác định theo các bƣớc sóng kích thích khác nhau. Nghiên cứu phổ PL và phổ 
PLE sẽ cho chúng ta biết đƣợc cấu trúc, vị trí và bản chất của các mức năng lƣợng 
đó. 
Phép đo PL và PLE đối với hệ vật liệu silicate alumino kiềm thổ khi pha tạp 
các nguyên tố RE trong luận án thực hiện trên thiết bị FL3-22 (hình 3.1) của hãng 
Horiba Jobin Yvon, tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ cao, Đại học Duy 
Tân, Đà Nẵng hoặc khoa Vật lý, trƣờng Đại học Sƣ phạm Đà Nẵng. Phổ PL ghi ở 
nhiệt độ phòng, sử dụng bƣớc sóng kích thích từ nguồn đèn Xenon dải rộng XBO-
450 W. Thiết bị FL3-22 là một hệ đo có độ phân giải phổ cao nhờ các đơn sắc kế 
cách tử kép cho cả phần kích thích và phần thu bức xạ. Ống nhân quang điện R928 
có độ nhạy cao và đáp ứng dải phổ rộng từ 185-900 nm. Hệ thống đƣợc điều khiển 
bằng máy tính với phần mềm chuyên dụng. Dựa trên các kết quả đo PL và phổ PLE 
 46 
ta có thể xác định giản đồ mức năng lƣợng hấp thụ và bức xạ của ion RE3+, đồng 
thời nghiên cứu các quá trình kích thích, bức xạ hoặc ET giữa các tâm. 
Hình 3.1. Hệ đo quang phổ FL3-22 Horiba Jobin Yvon 
3.1.2. Phƣơng pháp xác định tọa độ màu CIE của ánh sáng phát quang 
Năm 1931, Ủy ban Quốc tế về chiếu sáng (International Commission on 
Illumination-CIE) đƣa ra tiêu chuẩn về quan sát màu sắc gọi là không gian màu 
CIExyz 1931 (hay giản đồ màu CIExyz 1931), mọi màu sắc quan sát trong thực tế 
đều phải thuộc không gian màu này (hình 3.2) [6]. 
Hình 3.2. Không gian màu CIExyz 1931 
Các kết quả khảo sát tọa độ màu CIE của vật liệu chế tạo trong luận án thực 
hiện trên chƣơng trình xác định tọa độ màu bằng ngôn ngữ lập trình C# của nhóm 
tác giả Lê Văn Tuất và cộng sự tại Khoa Vật lý, (nay là Khoa Điện, Điện tử và 
 47 
Công nghệ vật liệu) Trƣờng Đại học Khoa học, Đại học Huế [6]. Từ kết quả xác 
định tọa độ màu CIE của ánh sáng phát quang có thể bƣớc đầu đánh giá về khả năng 
ứng dụng của vật liệu phát quang silicate alumino kiềm thổ pha tạp các nguyên tố 
RE vào thực tiễn. 
3.2. Tính chất quang của vật liệu Ca2Al2SiO7 pha tạp ion RE
3+ 
3.2.1. Đặc trƣng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Sm
3+
Hình 3.3. Phổ PL của hệ mẫu CAS: Sm3+ (x 
%mol), λex = 402 nm 
Hình 3.4. Phổ PLE của mẫu CAS: Sm3+ (1,5 
%mol), λem = 602 nm 
Trên hình 3.3 cho thấy, phổ PL của các mẫu CAS: Sm3+ (x %mol), với x = 
0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,5 đo trong khoảng bƣớc sóng từ 540 đến 690 nm đƣợc kích 
thích bằng bức xạ 402 nm, phép đo đƣợc thực hiện tại nhiệt độ phòng và trong cùng 
điều kiện đo hoàn toàn giống nhau. Kết quả thu đƣợc cho thấy, tất cả các phổ PL 
đều giống nhau về hình dạng, chúng chỉ khác nhau về cƣờng độ phát quang. Có ba 
cực đại bức xạ chính tại các bƣớc sóng khoảng 565, 602 và 648 nm tƣơng ứng với 
các chuyển dời 4G5/2→
6
H5/2, 
4
G5/2→
6
H7/2, 
4
G5/2→
6
H9/2, đặc trƣng cho chuyển dời 
trong cấu hình 4f5 của ion Sm3+ [75], [81]. Trong đó, dịch chuyển 4G5/2→
6
H9/2 là 
chuyển dời ED, trong khi dịch chuyển 4G5/2→
6
H5/2 và 
4
G5/2→
6
H7/2 là chuyển dời 
MD [24], [60], [62]. Do quá trình chuyển dời ED, nên cƣờng độ phát quang của 
chuyển dời 4G5/2→
6
H9/2 phụ thuộc mạnh vào tính bất đối xứng của trƣờng tinh thể. 
Trong khi cƣờng độ của dịch chuyển 4G5/2→
6
H7/2 ít bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố đó. 
 48 
Do đó, tỷ lệ cƣờng độ O/R (cam/đỏ) của chuyển dời 4G5/2→
6
H7/2 so với chuyển đổi 
4
G5/2→
6
H9/2 thƣờng đƣợc sử dụng để đánh giá về tính bất đối xứng của trƣờng cục 
bộ quanh các ion Sm3+ trong mạng nền [60], [62], [89]. Tỷ lệ O/R của các mẫu chế 
tạo thay đổi từ 3,72 đến 3,94, sự thay đổi nhỏ này cho thấy sự bất đối xứng của 
trƣờng tinh thể là ít phụ thuộc vào sự thay đổi của nồng độ pha tạp ion Sm3+. So với 
các mạng nền khác, tỷ lệ O/R của ion Sm3+ thƣờng nhận đƣợc các giá trị nhỏ trong 
mạng nền thủy tinh và giá trị lớn hơn trong các vật liệu oxit: 1,68 đối với thủy tinh 
kali fluorophosphate [89] và 1,732 đối với thủy tinh boro-tellurite [60] nhƣng 4,7 
đối với vật liệu LaGdPO4 [62]. Ngoài ra, tỷ lệ O/R trong CAS: Sm
3+ 
(x %mol) có 
giá trị lớn cho thấy sự bức xạ màu cam (602 nm) đóng góp chính cho sự phát quang 
của ion Sm3+ trong mạng nền CAS và các ion Sm3+ chiếm vị trí đối xứng nghịch 
đảo [62]. 
Phổ PLE của mẫu CAS: Sm3+ (1,5 %mol) đo ở bƣớc sóng bức xạ 602 nm 
(
4
G5/2→
6
H7/2) đƣợc thể hiện trong hình 3.4. Các vạch hẹp trong khoảng bƣớc sóng 
từ 300 đến 500 nm đƣợc quy cho sự dịch chuyển từ trạng thái cơ bản 6H5/2 đến trạng 
thái kích thích khác nhau của ion Sm3+. Trong đó, cực đại kích thích mạnh nhất 
đƣợc xác định ở bƣớc sóng 402 nm ứng với dịch chuyển 6H5/2→
6
P3/2 của ion Sm
3+
. 
Các đỉnh kích thích yếu khác nằm ở bƣớc sóng 299, 304, 316, 331, 343, 360, 374, 
390, 411, 422, 437 và 472 nm tƣơng ứng với các dịch chuyển từ trạng thái cơ bản 
6
H5/2 sang trạng thái kích thích 
3
H9/2, 
4
F11/2, 
4
D7/2,
 4
G8/2, 
3
H7/2, 
4
D3/2, 
6
P7/2, 
4
G11/2, 
6
P5/2, 
4
P5/2, 
4
G9/2 và 
4
I13/2,11/2, tƣơng ứng [63], [81], [94]. 
Sự phụ thuộc của cƣờng độ phát quang cực đại 602 nm vào nồng độ pha tạp 
ion Sm
3+ 
trên hình 3.5 cho thấy, sự thay đổi cƣờng độ bức xạ theo các nồng độ ion 
Sm
3+
 khác nhau. Đầu tiên, cƣờng độ bức xạ tăng khi tăng nồng độ pha tạp ion Sm3+ 
từ 0,5 đến 1,5 %mol, sau đó giảm dần khi nồng độ ion Sm3+ cao hơn 1,5 %mol do 
hiện tƣợng dập tắt vì nồng độ. Cơ chế dập tắt cƣờng độ phát quang vì nồng độ của 
ion Sm
3+
 trong mạng nền CAS sẽ đƣợc khảo sát ở phần 3.3 của chƣơng này. Các 
chuyển dời hấp thụ và bức xạ của ion Sm3+ trong mạng nền CAS đƣợc trình bày 
nhƣ trên hình 3.6. 
 49 
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của cƣờng độ phát quang cực đại 602 nm vào nồng độ ion Sm3+ 
 Chuyển dời không bức xạ 
Hình 3.6. Các chuyển dời hấp thụ và bức xạ của ion Sm3+ trong mạng nền CAS 
3.2.2. Đặc trƣng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Dy
3+ 
Phổ PL của hệ vật liệu CAS: Dy3+ (x %mol), với x = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 
3,5 kích thích bằng bức xạ có bƣớc sóng 350 nm, phép đo thực hiện tại nhiệt độ 
phòng và trong cùng điều kiện đo hoàn toàn giống nhau đƣợc thể hiện trong hình 
 50 
3.7. Phổ PL bao gồm các vạch hẹp, ứng với cực đại bức xạ ở bƣớc sóng 478, 575 và 
664 nm. Trong đó, hai vạch ứng với bƣớc sóng 478 và 575 nm có cƣờng độ mạnh, 
đó chính là các chuyển dời 4F9/2→
6
H15/2 và chuyển dời 
4
F9/2→
6
H13/2 của ion Dy
3+
. 
Trong đó, chuyển dời 4F9/2→
6
H13/2 với ΔJ = 2 nên là dịch chuyển rất nhạy [10], [19], 
[53], [114]. Ngoài ra, bức xạ 664 nm tƣơng ứng với chuyển dời 4F9/2→
6
H11/2 của ion 
Dy
3+
 có cƣờng độ yếu. Kết quả cho thấy, ion Dy3+ khi pha tạp vào mạng nền CAS 
giữ vai trò là tâm phát quang. 
Hình 3.7. Phổ PL của hệ mẫu CAS: Dy3+ (x 
%mol), λex = 350 nm 
Hình 3.8. Phổ PLE của hệ mẫu CAS: Dy3+ 
(x %mol), λem = 575 nm 
Phổ PLE của hệ vật liệu CAS: Dy3+ (x %mol) khảo sát ứng với bức xạ phát 
quang có bƣớc sóng 575 nm đƣợc chỉ ra trên hình 3.8. Phổ PLE bao gồm các vạch 
hẹp, có đỉnh ở 322 nm (6H15/2→
6
P3/2), 350 nm (
6
H15/2→
4
M15/2,
6
P7/2), 363 nm 
(
6
H15/2→
4
I11/2), 383 nm (
6
H15/2→
4
I13/2, 
4
F7/2), 425 nm (
6
H15/2→
4
G11/2,), 451 nm 
(
6
H15/2→
4
I15/2), tƣơng ứng với các chuyển dời đặc trƣng từ trạng thái cơ bản 
6
H15/2 
đến các trạng thái kích thích khác nhau của cấu hình điện tử 4f9 của ion Dy3+ [30], 
[53], [98], [111]. Các phổ PL và PLE của hệ mẫu CAS: Dy3+ (x %mol) đều giống 
nhau về hình dạng và vị trí các đỉnh, chỉ khác nhau về cƣờng độ bức xạ cực đại. 
Hình 3.9 mô tả sự thay đổi của cƣờng độ phát quang cực đại vào nồng độ ion Dy3+. 
Kết quả thu đƣợc cho thấy, khi pha tạp ion Dy3+ với nồng độ từ 0,5 đến 1,5 %mol 
cƣờng độ bức xạ tại bƣớc sóng 575 nm của ion Dy3+ tăng dần và đạt cực đại ứng với 
nồng độ 1,5 %mol, khi nồng độ ion Dy3+ vƣợt trên 1,5 %mol cƣờng độ bức xạ bắt 
đầu giảm dần, nguyên nhân do hiệu ứng dập tắt vì nồng độ. 
 51 
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của cƣờng độ phát quang cực đại 575 nm vào nồng độ ion Dy3+ 
Hình 3.10. Các chuyển dời hấp thụ và bức xạ của ion Dy3+ trong mạng nền CAS 
Các kết quả thu đƣợc từ phổ PL và phổ PLE của vật liệu CAS: Dy3+ có thể 
mô tả các chuyển dời hấp thụ và bức xạ của ion Dy3+ trong mạng nền CAS nhƣ trên 
hình 3.10. Giản đồ chỉ ra các chuyển dời tham gia vào quá trình phát quang của vật 
liệu CAS: Dy3+. Khi vật liệu CAS: Dy3+ đƣợc kích thích bởi các bức xạ trong vùng 
tử ngoại đến ánh sáng xanh, các ion Dy3+ đƣợc kích thích và chuyển dời từ trạng 
thái cơ bản 6H15/2 đến trạng thái kích thích khác nhau. Do sự chênh lệch năng lƣợng 
giữa các mức năng lƣợng cao là nhỏ, các điện tử ở trạng thái kích thích dịch chuyển 
 52 
hồi phục không bức xạ đến trạng thái kích thích thấp 4F9/2, sau đó chúng hồi phục 
bức xạ, tƣơng ứng với các chuyển dời 4F9/2→
6
HJ, (J = 15/2, 13/2, 11/2) có cực đại ở 
478, 575 và 664 nm [10], [19], [53], [114]. 
3.2.3. Đặc trƣng quang phổ của vật liệu Ca2Al2SiO7: Ce