Luận án Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của vật liệu HA, HA-F, β-TCP, β-TCP-Sr pha tạp Eu, Er, Dy và Mn

Tên luận án:

Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của vật liệu HА, НА-F, В-ТСР, ẞ-TCP-Sr pha tạp Eu, Er, Dy và Mn.

Ngành:

Thông tin này không được cung cấp trực tiếp trong tài liệu.

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa các vật liệu huỳnh quang tiên tiến trên cơ sở nền Hydroxyapatite (HA) và β-Tricalcium Phosphate (β-TCP) pha tạp các ion đất hiếm (Eu, Er, Dy) và Mn. Mục tiêu là đáp ứng nhu cầu về chiếu sáng tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường và truyền tín hiệu quang học, đồng thời khắc phục những hạn chế của đèn LED trắng hiện tại như thiếu màu đỏ và hệ số trả màu (CRI) thấp.

HA và β-TCP được chọn làm vật liệu nền do tính tương thích sinh học, không độc hại, giá thành rẻ và cấu trúc linh hoạt, phù hợp cho cả ứng dụng chiếu sáng và y-sinh học. Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: tăng cường phát xạ đỏ của Eu³+ trong HA:Eu bằng cách pha tạp F và bổ sung Dy³+ để tạo ánh sáng trắng; tổng hợp β-TCP:Eu, Mn cho phổ phát xạ xanh (430 nm) và đỏ (660 nm) trùng với phổ hấp thụ của cây trồng, hướng tới ứng dụng trong đèn LED chiếu sáng nông nghiệp; và tổng hợp HA/β-TCP:Er cho phát xạ vùng hồng ngoại gần (1540 nm), tăng cường cường độ phát xạ của Er³+ bằng cách pha tạp Sr, hướng tới ứng dụng trong truyền tín hiệu quang học.

Luận án đã thành công trong việc chế tạo các vật liệu trên bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp ủ nhiệt. Các đóng góp nổi bật bao gồm: tăng hiệu suất phát quang của HA:Eu, F với nồng độ F tối ưu 0.3% và pH 10; tạo ánh sáng trắng từ HA:Eu, Dy bằng cách kết hợp phát xạ đỏ của Eu³+ với ánh sáng xanh và vàng của Dy³+ (nồng độ Dy tối ưu 1%); tổng hợp β-TCP:Eu, Mn có khả năng phát xạ xanh và đỏ phù hợp cho nông nghiệp (nồng độ Mn tối ưu 6%, Eu tối ưu 0.3%, Mn 7.5%); và chế tạo HA/β-TCP:Er, Sr-HA/β-TCP:Er phát xạ mạnh ở vùng hồng ngoại 1540 nm (nồng độ Er tối ưu 0.5%, Sr tối ưu 0.5%). Các nghiên cứu này đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu và làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố này đến tính chất quang của vật liệu, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới trong chiếu sáng và y-sinh học.

Mục lục chi tiết:

A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

• 1. Lý do chọn đề tài
• 2. Mục tiêu nghiên cứu
• 3. Các đóng góp mới của luận án
• 4. Bố cục luận án
• Chương 1: Trình tổng quan lý thuyết về vật liệu huỳnh quang trên cơ sở mạng nền HA/β-TCP.
• Chương 2: Trình bày phương pháp chế tạo các hệ vật liệu F- HA:Eu; HA:Eu, Dy; β-TCP:Mn; ẞ-TCP:Eu, Mn; HA/ẞ-TCP:Er; Sr-HA/ẞ-TCP:Er bằng phương pháp đồng kết tủa.
• Chương 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu F- HA:Eu; HA:Eu, Dy bằng phương pháp đồng kết tủa.
• Chương 4: Trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu ẞ-TCP:Mn; ẞ-TCP:Eu, Mn bằng phương pháp đồng kết tủa.
• Chương 5: Trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu HA/ẞ-TCP:Er; Sr- HA/β-TCP:Er bằng phương pháp đồng kết tủa.

B. NỘI DUNG LUẬN ÁN

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HUỲNH QUANG, TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU HA/B-TCP PHA TẠP

• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Vật liệu phát quang chứa đất hiếm
• 1.2.1. Cấu tạo vỏ điện tử và tính chất quang của ion đất hiếm
• 1.2.2. Qúa trình tách mức năng lượng của ion đất hiếm.
• 1.2.3. Qúa trình truyền năng lượng.
• 1.2.4. Huỳnh quang của các ion Eu3+, Eu2+, Dy3+, Er3+, Mn2+
• 1.3. Tổng quan về vật liệu huỳnh quang trên cơ sở nền HA
• 1.3.1. Cấu trúc của và tính chất của hydroxyapatite (HA)
• 1.3.2. Tính chất quang của vật liệu F-HA:Eu
• 1.3.2. Tính chất quang của vật liệu HA/ẞ-TCP:Eu, Mn
• 1.3.3. Tính chất quang của vật liệu HA:Eu, Dy
• 1.3.4. Tính chất quang của vật liệu HA/ẞ-TCP:Er
• 1.4 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Quy trình chế tạo vật liệu huỳnh quang trên cơ sở mạng nền HA/ẞ-TCP bằng phương pháp đồng kết tủa.
• 2.3. Tổng hợp vật liệu F- HA/ẞ-TCP:Eu
• 2.4. Tổng hợp vật liệu HA:Eu, Dy
• 2.5. Tổng hợp vật liệu ẞ-TCP:Mn và ẞ-TCP:Eu, Mn
• 2.6. Tổng hợp vật liệu HA/ẞ-TCP:Er và Sr- HA/β-TCP:Er
• 2.3. Các phương pháp thực nghiệm khảo sát tính chất của vật liệu
• 2.3.1. Phương pháp khảo sát hình thái và kích thước hạt
• 2.3.2. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)
• 2.3.3. Phương pháp xác định liên kết trong vật liệu bằng phổ hồng ngoại (FTIR)
• 2.3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.4. Các phương pháp khảo sát tính chất quang của vật liệu

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU HA:Eu, F và HA:Eu, Dy

• 3.1. Giới thiệu
• 3.2 Kết quả phân tích cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD).
• 3.2.1 Kết quả phân tích cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của hệ vật liệu F- HA:Eu.
• 3.2.2 Kết quả phân tích cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của hệ vật liệu HA/ẞ-TCP:Eu, Dy
• 3.2.3 Kết quả nghiên cứu cấu trúc hình thái bề mặt của vật liệu
• 3.3.1 Kết quả phân tích ảnh TEM của hệ vật liệu F-HA:Eu
• 3.3.2 Kết quả phân tích ảnh TEM và phổ EDS của hệ vật liệu HA:Eu, Dy
• 3.4 Kết quả phân tích phổ FTIR của hệ vật liệu F-HA:Eu
• 3.5 Kết quả phân tích phổ EDS của hệ vật liệu F-HA:Eu
• 3.6 Kết quả đo phổ huỳnh quang của hệ F-HA:Eu
• 3.6.1 Phổ huỳnh quang của vật liệu theo nồng độ flo ủ nhiệt ở 150 °C
• 3.6.2 Ảnh hưởng của nồng độ flo đến tính chất quang của vật liệu
• 3.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ mẫu đến tính chất quang của vật liệu
• 3.6.4 Ảnh hưởng của pH đến tính chất quang của vật liệu
• 3.6.5 Phổ phát xạ của vật liệu ủ trong môi trường khử (H2/Ar)
• 3.7 Kết quả đo phổ huỳnh quang của hệ HA:Eu, Dy
• 3.7.1 Kết quả đo phổ kích thích huỳnh quang
• 3.7.2 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của các mẫu bột HA:Dy, Eu vào nồng độ Dy.
• 3.7.3 Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của các mẫu bột HA:Dy, Eu vào thời gian ủ nhiệt
• 3.7.4 Sự phụ thuộc cường độ PL của các mẫu bột HA:Dy, Eu vào nhiệt độ ủ mẫu
• 3.8 Kết luận chương 3

CHƯƠNG 4

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU β-TCP:Mn và ẞ-TCP:Eu, Mn

• 4.1. Giới thiệu
• 4.2 Kết quả phân tích cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD).
• 4.2.1 Phổ XRD của các mẫu bột ẞ-TCP:Mn
• Phổ XRD của các mẫu bột ẞ-TCP:Mn với nồng độ Mn pha tạp khác nhau
• Phổ XRD của mẫu bột ẞ-TCP:6Mn ủ ở nhiệt độ khác nhau trong môi trường Ar và H2/Ar
• 4.2.2 Phổ XRD của các mẫu bột ẞ-TCP:Eu, Mn
• Phổ XRD của các mẫu bột ẞ-TCP:Eu, Mn với nồng độ Mn pha tạp khác nhau
• Phổ XRD của mẫu bột ẞ-TCP:Eu, Mn ủ ở các nhiệt độ khác nhau (900-1200 °C)
• 4.3 Kết quả phân tích ảnh FESEM
• 4.3.1 Ảnh FESEM của vật liệu ẞ-TCP:Mn
• Ảnh FESEM của các mẫu bột ẞ-TCP:Mn với nồng độ Mn pha tạp khác nhau
• 4.3.2 Ảnh FESEM của mẫu ẞ-TCP:Eu, Mn
• Ảnh FESEM của mẫu bột ẞ-TCP:3Eu,7.5Mn ủ ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau
• 4.4 Kết quả phân tích phổ EDS
• 4.5. Kết quả đo phổ huỳnh quang
• 4.5.1. Kết quả đo phổ kích thích huỳnh quang
• 4.5.2 Phổ PL của hệ ẞ-TCP:Mn
• Phổ PL của mẫu ẞ-TCP:Mn²⁺ theo bước sóng kích thích
• 4.5.3 Phổ PL của hệ ẞ-TCP:Eu, Mn
• Phổ PL của mẫu bột ẞ-TCP:xEu, 7,5Mn theo nồng độ Eu.
• Hình 4.18 là kết quả chuẩn hóa cường độ phát xạ của Mn²⁺ theo nồng độ Eu pha tạp.
• Phổ PL của mẫu bột ẞ-TCP:0,3Eu, 7,5Mn theo nhiệt độ ủ mẫu
• 4.6. Kết luận chương 4

CHƯƠNG 5

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU HA/ẞ-TCP:Er và HA/β-TCP-Sr:Er

• 5.1. Giới thiệu
• 5.2 Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình thái của hệ vật liệu HA/ẞ-TCP:Er và HA/β-TCP-Sr:Er
• 5.2.1 Kết quả nghiên cứu cấu trúc bằng giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
• Giản đồ XRD của các mẫu bột HA/β-TCP:Er ủ ở các nhiệt độ khác nhau
• 5.2.2 Kết quả đo giản đồ XRD đối với hệ vật liệu Sr-HA/β-TCP:Er
• Giản đồ XRD của các mẫu bột Sr-HA/ẞ-TCP:0,5Er với nồng độ Sr khác nhau
• 5.2.3 Kết quả phân tích hình thái bề mặt mẫu bằng ảnh FESEM và ảnh TEM.
• Kết quả phân tích hình thái bề mặt bằng ảnh TEM của hệ vật liệu HA/β-TCP:Er
• Kết quả phân tích hình thái bề mặt bằng ảnh FESEM của hệ vật liệu HA/ẞ-TCP:Er
• Kết quả phân tích hình thái bề mặt bằng ảnh FESEM của hệ vật liệu Sr-HA/ẞ-TCP:Er
• Ảnh FESEM của hệ Sr-HA/ẞ-TCP:0,5Er với nồng độ Sr khác nhau
• Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ mẫu đến hình thái, kích thước của sản phẩm Sr-HA/β-TCP:Er
• 5.3 Kết quả phân tích thành phần hóa học bằng phổ EDS.
• 5.4. Kết quả nghiên cứu tính chất quang
• 5.4.1. Kết quả đo phổ huỳnh quang của hệ vật liệu HA/β-TCP:Er
• Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của mẫu bột TCP:0,5Er theo nhiệt độ ủ mẫu
• 5.4.2 Kết quả đo phổ huỳnh quang của hệ vật liệu Sr- HA/ẞ-TCP:Er
• Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của mẫu Sr- HA/ẞ-TCP:Er vào nồng độ Er và Sr.
• Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang của mẫu Sr- HA/ẞ-TCP:Er vào nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt.
• 5.5 Kết luận chương 5