Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm silcat pha tạp mangan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan ứng dụng trong vật liệu quang học và công nghệ chiếu sáng hiện đại

• Tác giả: Lưu Thị Ngọc Hà
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Trọng Uyển
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Chất Phát Quang Kẽm Silicat Pha Tạp Mangan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Giới thiệu chung về chất phát quang
• 0.2. Định nghĩa chất phát quang
• 0.3. Phân loại chất phát quang
• 0.4. Ứng dụng của chất phát quang
• 0.5. Chất phát quang vô cơ
• 0.6. Cấu tạo chất phát quang vô cơ
• 0.7. Quá trình phát quang của các chất phát quang vô cơ dạng tinh thể
• 0.8. Giản đồ cấu hình năng lượng của quá trình phát quang
• 0.9. Sơ đồ cơ chế phát quang
• 0.10. Chất phát quang Kẽm silicat kích hoạt bởi Mangan (Zn2SiO4:Mn)
• 0.10.1. Giới thiệu chung về Silicat
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT PHÁT QUANG
• 1.1. Định nghĩa chất phát quang
• 1.2. Phân loại chất phát quang
• 1.3. Ứng dụng của chất phát quang
• 1.4. Chất phát quang vô cơ
• 1.5. Cấu tạo chất phát quang vô cơ
• 1.6. Quá trình phát quang của các chất phát quang vô cơ dạng tinh thể
• 1.7. Giản đồ cấu hình năng lượng của quá trình phát quang
• 1.8. Sơ đồ cơ chế phát quang
• 1.9. Chất phát quang Kẽm silicat kích hoạt bởi Mangan (Zn2SiO4:Mn)
• 1.9.1. Giới thiệu chung về Silicat
• 2. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu và thiết bị thí nghiệm
• 2.2. Quy trình thực nghiệm
• 2.2.1. Chuẩn bị các dung dịch ban đầu
• 2.2.2. Tổng hợp Zn2SiO4:Mn theo phương pháp precursor
• 2.3. Các phương pháp phân tích
• 2.3.1. Phương pháp chuẩn độ Complexon III
• 2.3.2. Phương pháp đo phổ huỳnh quang
• 2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Phương pháp precursor dùng NaOH
• 3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaOH
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt sorbitol
• 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt Tween 80
• 3.2. Phương pháp precursor dùng NH4OH
• 3.2.1. Khảo sát cường độ phát quang của hệ dùng NH4OH so với hệ dùng NaOH
• 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NH4OH
• 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng amoni citrat
• 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất hoạt động bề mặt Tween 80
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan

Chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan (Zn2SiO4:Mn) là một trong những vật liệu phát quang vô cơ được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chất này có khả năng phát quang mạnh mẽ và độ bền cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Nghiên cứu về chất phát quang này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất phát quang mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển công nghệ chế tạo vật liệu mới.

1.1. Định nghĩa và phân loại chất phát quang

Chất phát quang được định nghĩa là các hợp chất có khả năng hấp thụ năng lượng và phát ra ánh sáng. Chúng được phân loại thành hai nhóm chính: chất phát quang vô cơ và hữu cơ. Trong đó, chất phát quang vô cơ thường có độ bền cao hơn và được ứng dụng nhiều hơn trong công nghiệp.

1.2. Ứng dụng của chất phát quang kẽm silicat

Chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo đèn LED, màn hình điện tử, và các thiết bị bảo mật. Đặc biệt, chúng có vai trò quan trọng trong việc tạo mã vạch và đánh dấu sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu chất phát quang

Mặc dù chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các vấn đề như độ ổn định của chất phát quang, khả năng phát quang dưới các điều kiện khác nhau, và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ ổn định và hiệu suất phát quang

Độ ổn định của chất phát quang là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất phát quang. Nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và môi trường xung quanh có thể làm giảm hiệu suất phát quang của Zn2SiO4:Mn.

2.2. Chi phí sản xuất và khả năng ứng dụng

Chi phí sản xuất chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan vẫn còn cao so với một số vật liệu khác. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng của chúng trong các sản phẩm tiêu dùng hàng ngày. Cần có các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí.

III. Phương pháp tổng hợp chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan

Có nhiều phương pháp tổng hợp chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan, trong đó phương pháp precursor được sử dụng phổ biến. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện tổng hợp, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Quy trình tổng hợp bằng phương pháp precursor

Phương pháp precursor bao gồm các bước chuẩn bị dung dịch, tổng hợp và xử lý nhiệt. Quy trình này giúp tạo ra các hạt chất phát quang với kích thước và hình dạng đồng nhất, từ đó nâng cao hiệu suất phát quang.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian xử lý và nồng độ các thành phần trong dung dịch có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của chất phát quang. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phát quang của Zn2SiO4:Mn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan có khả năng phát quang mạnh mẽ và ổn định. Các ứng dụng thực tiễn của chất này đã được chứng minh trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến y tế.

4.1. Kết quả khảo sát cường độ phát quang

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng cường độ phát quang của Zn2SiO4:Mn có thể đạt được mức cao nhất khi sử dụng các phụ gia thích hợp. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các sản phẩm chất lượng cao.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan đã được ứng dụng trong nhiều sản phẩm như đèn LED, màn hình điện tử và các thiết bị bảo mật. Sự phát triển của công nghệ chế tạo chất phát quang này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho xã hội.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu phát quang. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến mới trong công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu phát quang.

5.1. Tương lai của chất phát quang kẽm silicat

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan có tiềm năng lớn trong việc phát triển các sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và phát triển các ứng dụng mới cho chất phát quang này. Điều này sẽ giúp nâng cao giá trị và khả năng cạnh tranh của Zn2SiO4:Mn trên thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chất phát quang vô cơ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, từ chế tạo đèn ống, sơn trang trí đến các ứng dụng bảo mật như mã vạch, thẻ tín dụng và tiền giấy. Trong đó, kẽm silicat kích hoạt bởi mangan (Zn2SiO4:Mn) nổi bật với độ bền cao và cường độ phát quang mạnh, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính ổn định và độ nhạy cao. Theo ước tính, các vật liệu phát quang vô cơ chiếm tỷ trọng lớn trong ngành công nghiệp vật liệu phát quang toàn cầu, với nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng và hiệu suất phát quang.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và nâng cao khả năng phát quang của Zn2SiO4:Mn bằng phương pháp precursor, khảo sát ảnh hưởng của các phụ gia như NaOH, NH4OH, sorbitol, Tween 80 và amoni citrat đến đặc tính phát quang và cấu trúc vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2015, với mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình tổng hợp nhằm đạt hiệu suất phát quang cao nhất và cấu trúc tinh thể đồng nhất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu phát quang bền vững, hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp và bảo mật, đồng thời góp phần hoàn thiện công nghệ tổng hợp vật liệu phát quang ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn, giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về chất phát quang vô cơ, đặc biệt là:

• Lý thuyết phát quang của chất vô cơ dạng tinh thể: Quá trình phát quang gồm ba giai đoạn chính là kích thích và hấp thụ năng lượng, chuyển hóa năng lượng và phát xạ ánh sáng. Cơ chế phát quang được mô tả qua sơ đồ mức năng lượng, bao gồm phát quang tái hợp tức thời và phát quang tái hợp kéo dài.

• Cấu trúc tinh thể và vai trò của khuyết tật tinh thể: Các khuyết tật như lỗ trống, thâm nhập và thay thế trong mạng tinh thể ảnh hưởng đến hiệu suất phát quang. Ion Mn2+ hoạt động như trung tâm kích hoạt phát quang trong mạng tinh thể Zn2SiO4.

• Mô hình tổng hợp precursor: Phương pháp đồng kết tủa từ dung dịch muối kẽm, mangan và silicat, với các phản ứng hóa học tạo kết tủa trung gian, sau đó nung kết để tạo vật liệu phát quang.

Các khái niệm chính bao gồm: chất phát quang vô cơ, precursor, phát quang tái hợp, khuyết tật tinh thể, và các chất hoạt động bề mặt (sorbitol, Tween 80).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu tinh khiết gồm Zn(CH3COO)2.2H2O, MnSO4.H2O, Na2SiO3.9H2O, NaOH, NH4OH, sorbitol, Tween 80, amoni citrat. Dữ liệu thu thập từ các phép đo phổ huỳnh quang, nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM) và chuẩn độ Complexon III.

• Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc tinh thể bằng XRD, kích thước và hình thái hạt bằng SEM, cường độ phát quang và bước sóng cực đại bằng phổ huỳnh quang. Chuẩn độ Complexon III dùng để xác định nồng độ ion Zn2+ trong dung dịch.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp precursor tại nhiệt độ thường, sấy khô ở 85°C trong 8 giờ, nung kết ở 900°C trong 30 phút với tốc độ tăng nhiệt 10°C/phút. Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các biến số như hàm lượng NaOH, NH4OH, sorbitol, Tween 80, amoni citrat theo từng bước, mỗi bước có thời gian thực hiện và phân tích cụ thể.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu tổng hợp theo tỷ lệ mol Mn/Zn cố định 1%, thay đổi các thành phần phụ gia và điều kiện phản ứng để đánh giá ảnh hưởng đến hiệu suất phát quang và cấu trúc vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của NaOH: Hiệu suất tổng hợp và cường độ phát quang tăng dần khi tăng hàm lượng NaOH, đạt cực đại tại tỷ lệ mol Zn:Si:Mn:NaOH = 2:1:0:0.0878 với hiệu suất mẫu sau nung đạt 98% và cường độ phát quang 12544 counts. Giản đồ XRD và ảnh SEM cho thấy cấu trúc tinh thể wilemite Zn2SiO4 đồng nhất với kích thước hạt sơ cấp khoảng 1 μm.

2. Ảnh hưởng của sorbitol: Khi thêm sorbitol với tỷ lệ mol Sorbitol/Zn = 5%, cường độ phát quang tăng lên gấp 1.55 lần so với mẫu không phụ gia (19434 counts so với 12544 counts). Hạt tinh thể có dạng hình cầu, kích thước kết tụ 5-10 μm, hạt nhỏ dưới 0.1 μm, cấu trúc tinh thể wilemite đồng nhất.

3. Ảnh hưởng của Tween 80 (hệ dùng NaOH): Cường độ phát quang đạt cực đại tại tỷ lệ Tween 80/V phản ứng = 0.3% với giá trị 30557 counts, gấp 2.43 lần so với mẫu không dùng Tween. Hạt tinh thể có kích thước nhỏ hơn 0.1 μm, cấu trúc tinh thể wilemite đồng nhất.

4. So sánh hệ dùng NH4OH và NaOH: Hệ dùng NH4OH có hiệu suất tổng hợp cao hơn (80% so với 73%) và cường độ phát quang cao hơn (12993 counts so với 12544 counts). Điều này do NH4OH tạo dung dịch đệm giúp ion Mn2+ khó bị oxy hóa hơn.

5. Ảnh hưởng của amoni citrat (hệ NH4OH): Tỷ lệ mol amoni citrat/Zn = 1:2 cho cường độ phát quang cực đại 30991 counts, tăng 1.5 lần so với mẫu không dùng amoni citrat. Hạt tinh thể kết tụ mạnh, kích thước hạt sơ cấp khoảng 1 μm, cấu trúc tinh thể sắc nét hơn.

6. Ảnh hưởng của Tween 80 (hệ NH4OH): Cường độ phát quang đạt cực đại 36580 counts tại tỷ lệ Tween 80/V phản ứng = 0.8%, cao hơn so với hệ dùng NaOH và các mẫu trước đó. Cấu trúc tinh thể wilemite đồng nhất, hạt phân tán đồng đều.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc điều chỉnh hàm lượng NaOH và NH4OH ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất kết tủa và khả năng phát quang của Zn2SiO4:Mn. NH4OH ưu việt hơn do tạo môi trường pH ổn định, hạn chế oxy hóa ion Mn2+, từ đó nâng cao cường độ phát quang và hiệu suất tổng hợp. Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt như sorbitol và Tween 80 giúp cải thiện sự phân tán hạt, kích thước hạt nhỏ và đồng đều hơn, từ đó tăng cường hiệu suất phát quang.

Phân tích XRD và SEM minh chứng cho sự đồng nhất pha wilemite Zn2SiO4 trong tất cả các mẫu, đảm bảo tính ổn định cấu trúc vật liệu. Sự kết tụ hạt và kích thước hạt nhỏ dưới 1 μm là yếu tố quan trọng giúp tăng cường hiệu quả phát quang do tăng diện tích bề mặt và giảm khuyết tật tinh thể.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng sử dụng phương pháp precursor và các phụ gia để tối ưu hóa vật liệu phát quang vô cơ, đồng thời giảm nhiệt độ nung kết so với phương pháp truyền thống. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ phát quang theo tỷ lệ mol phụ gia và bảng so sánh hiệu suất tổng hợp, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng biến số.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa sử dụng NH4OH làm chất kết tủa: Khuyến nghị sử dụng NH4OH với tỷ lệ mol Zn:Si:Mn:NH4OH = 2:1:0.02:2 để đạt hiệu suất tổng hợp và cường độ phát quang cao nhất. Thời gian thực hiện trong vòng 1 tháng để chuẩn hóa quy trình, chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm vật liệu phát quang.

2. Ứng dụng Tween 80 làm chất hoạt động bề mặt: Sử dụng Tween 80 với tỷ lệ 0.8% thể tích trong dung dịch phản ứng để tăng cường sự phân tán hạt và cường độ phát quang. Thời gian áp dụng trong 2 tháng, chủ thể là các nhà sản xuất vật liệu phát quang.

3. Sử dụng amoni citrat làm chất tăng nhạy: Thêm amoni citrat với tỷ lệ mol 1:2 (amoni citrat/Zn) để cải thiện cấu trúc tinh thể và tăng cường phát quang. Khuyến nghị áp dụng song song với Tween 80, thời gian 2 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

4. Phát triển quy trình tổng hợp precursor ở nhiệt độ thấp: Tiếp tục nghiên cứu giảm nhiệt độ nung kết dưới 900°C nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất, đồng thời duy trì chất lượng vật liệu. Thời gian nghiên cứu 6 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Vật liệu: Nghiên cứu chi tiết về tổng hợp và đặc tính phát quang của Zn2SiO4:Mn, cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp phân tích hiện đại.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu phát quang: Áp dụng quy trình tổng hợp precursor và sử dụng phụ gia để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu suất phát quang.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ chiếu sáng và bảo mật: Tìm hiểu về vật liệu phát quang bền vững, ứng dụng trong mã vạch, tiền giấy và các thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao.

4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Tham khảo để xây dựng chính sách hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu phát quang, thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp precursor có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phương pháp precursor giúp tạo ra vật liệu có kích thước hạt nhỏ, đồng đều và tinh khiết hơn, đồng thời giảm nhiệt độ nung kết từ 1200-1400°C xuống còn khoảng 900°C, tiết kiệm năng lượng và chi phí sản xuất.

2. Tại sao NH4OH được ưu tiên hơn NaOH trong tổng hợp Zn2SiO4:Mn?
   NH4OH tạo môi trường đệm pH thấp hơn, giúp ion Mn2+ khó bị oxy hóa hơn, từ đó nâng cao hiệu suất phát quang và hiệu suất tổng hợp so với NaOH.

3. Vai trò của Tween 80 và sorbitol trong quá trình tổng hợp là gì?
   Tween 80 và sorbitol là chất hoạt động bề mặt giúp cải thiện sự phân tán hạt, giảm kích thước hạt và tăng cường cường độ phát quang của vật liệu.

4. Cường độ phát quang được đo như thế nào?
   Cường độ phát quang được đo bằng phương pháp phổ huỳnh quang, xác định bước sóng phát quang cực đại và cường độ phát quang tính bằng counts, phản ánh hiệu quả phát sáng của mẫu.

5. Kích thước hạt ảnh hưởng thế nào đến đặc tính phát quang?
   Kích thước hạt nhỏ và đồng đều giúp tăng diện tích bề mặt, giảm khuyết tật tinh thể, từ đó tăng hiệu suất phát quang và độ bền của vật liệu.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công chất phát quang Zn2SiO4:Mn bằng phương pháp precursor với hiệu suất tổng hợp đạt tới 99% và cường độ phát quang cao nhất 36580 counts.
• Sử dụng NH4OH làm chất kết tủa ưu việt hơn NaOH, giúp tăng cường độ phát quang và hiệu suất tổng hợp.
• Các phụ gia Tween 80 và amoni citrat đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện cấu trúc tinh thể và tăng cường phát quang.
• Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện công nghệ tổng hợp vật liệu phát quang ở nhiệt độ thấp, phù hợp ứng dụng công nghiệp và bảo mật.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu giảm nhiệt độ nung kết và mở rộng ứng dụng vật liệu trong các lĩnh vực mới.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình tối ưu vào sản xuất thử nghiệm quy mô lớn và nghiên cứu mở rộng các vật liệu phát quang tương tự. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát triển sản phẩm ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, các chất phát quang vô cơ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống. Chúng được dùng trong chế tạo các đèn ống, trang trí, các loại sơn… Trong đó, chất phát quang kẽm silicat kích hoạt bởi mangan đang được quan tâm do độ bền cao, cường độ phát quang mạnh, thích hợp sử dụng trong lĩnh vực bảo mật như tạo mã vạch, đánh dấu sản phẩm, các ngân phiếu tiền giấy… Hiện tại trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu với mục đích nâng cao chất lượng và hoàn thiện công nghệ chế tạo kẽm silicat kích hoạt bởi mangan. Trong phạm vi luận văn này chú trọng tới 2 nhiệm vụ chính: - Chế tạo chất phát quang kẽm silicat hoạt hóa bằng mangan. - Nghiên cứu nâng cao khả năng phát quang của sản phẩm bằng một số phụ gia thích hợp.

Do thời gian có hạn, luận văn không thể tránh khỏi còn nhiều sai sót, kính mong nhận được sự chỉ bảo đóng góp của các thầy cô và các bạn. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG I. Giới thiệu chung về chất phát quang 1. Định nghĩa chất phát quang [1, 2, 4, 6] Chất phát quang đầu tiên được phát hiện trên thế giới là hợp chất của Phôtpho.

Năm 1669, nhà giả kim Hennig Brand (người Đức) khi đang nghiên cứu nguyên tố Phôtpho đã điều chế được một chất bột trắng có khả năng phát sáng trong bóng tối. Từ đó, thuật ngữ “Phosphors” thường được dùng để chỉ các chất có khả năng phát sáng mà không nhận thấy dấu hiệu của quá trình cháy như lửa hay sự tỏa nhiệt bằng mắt thường. Ngày nay, các nhà khoa học đã điều chế thêm được nhiều chất phát quang mới có thể phát sáng dưới tác dụng của bức xạ, nhiệt. Như vậy, chất phát quang được định nghĩa chung nhất là các hợp chất có khả năng hấp thụ năng lượng dưới các dạng khác nhau và phát ra ánh sáng nhìn thấy được.

Phân loại chất phát quang [1, 3, 6] 1. Phân loại theo thành phần: - Chất phát quang vô cơ. - Chất phát quang hữu cơ. Phân loại theo thời gian phát quang sau khi ngừng kích thích: - Chất huỳnh quang (flourescence) là các chất phát quang không kéo dài quá 10-8 giây sau khi ngừng kích thích.

- Chất lân quang (phosphorescence) là các chất phát quang phát quang kéo dài hơn 10-8 giây sau khi ngừng kích thích. Phân loại theo các nguồn kích thích: - Quang phát quang kích thích bằng phôtôn ánh sáng. - Điện phát quang kích thích bằng điện trường. - Nhiệt phát quang kích thích bằng nhiệt lượng.

- Phát quang dùng nguồn tia âm cực để kích thích. - Cơ phát quang kích thích bằng tương tác cơ học. - Hóa phát quang do năng lượng phản ứng hóa học. - Chất phát quang kích thích bằng tia X.

2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Chất phát quang kích thích bằng dòng ion. - Chất phát quang do phản ứng sinh hóa. Ứng dụng của chất phát quang Chất phát quang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực: - Chế tạo các loại màn hình điện tử, các thiết bị bức xạ điện tử. - Làm chất dạ quang trong các loại đèn ống, đèn catôt.

- Làm chất màu trong công nghiệp sản xuất đồ chơi, các vật dụng trang trí, sơn vẽ. - Trong các thiết bị diệt khuẩn bằng tia bức xạ sử dụng cho lĩnh vực y tế, sinh học. - Dùng trong lĩnh vực bảo mật như các mã vạch, thẻ tín dụng, hình vẽ chìm trên tiền. Các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng các vật liệu phát quang trên các lĩnh vực mới.

Chất phát quang vô cơ Các chất phát quang hữu cơ dễ bị phân hủy hơn dưới tác dụng của nguồn kích thích nên có tuổi thọ ngắn hơn nhiều so với các chất vô cơ. Vì vậy, người ta thường ưu tiên tổng hợp các chất phát quang vô cơ có độ bền và tuổi thọ cao để ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Cấu tạo chất phát quang vô cơ [1, 2, 3, 4, 6, 7] 1. Cấu tạo chung Các chất phát quang vô cơ được chế tạo từ các hợp chất dạng tinh thể có khả năng hấp thụ năng lượng từ nguồn kích thích và sau đó phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng hay bức xạ nhiệt.

Chất phát quang ngày nay chủ yếu gồm hai thành phần sau: - Thành phần chính gọi là chất mang (chất nền). Chất mang dạng tinh thể; là các ôxit , các hợp chất sunfua, silicat. của các kim loại chuyển tiếp như Zn, Cd, Al, Mn. - Yếu tố hoạt động (chất kích hoạt) chiếm một lượng rất ít; thường dùng là các nguyên tố chuyển tiếp Mn, Bi, Cu, Ag.

hoặc các kim loại đất hiếm khác. - Trong một số trường hợp, chất phát quang còn chứa thêm một chất phụ gia khác gọi là chất tăng nhạy. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chất phát quang vô cơ có cấu trúc tinh thể chủ của chất nền và yếu tố kích hoạt có vai trò tạo ra các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể chủ đó. Có một số dạng khuyết tật thông thường trong cấu trúc tinh thể chất rắn như: khuyết tật lỗ trống, khuyết tật thâm nhập, khuyết tật thay thế.

Khuyết tật lỗ trống Khuyết tật thâm nhập Khuyết tật thay thế Hình 1.1: Một số dạng khuyết tật trong tinh thể Đặc tính phát quang của chất nói chung phụ thuộc chủ yếu vào tính chất vật liệu nền và chất kích hoạt. Sự tác động qua lại giữa chúng sẽ quyết định hiệu quả phát quang. Vì vậy khi tổng hợp chất phát quang cần chú trọng đến các đặc tính của vật liệu chế tạo và tỷ lệ thích hợp của chúng. Một số loại chất phát quang vô cơ thông dụng - Nhóm Sunfua: gồm các loại chất phát quang được biết đến nhiều nhất như ZnS:Mn, ZnS:Cu, ZnS:Ag, CaS:Sr-Bi.

Các chất phát quang ZnS, CdS là những vật liệu được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp hiện nay. - Nhóm Silicat: có tuổi thọ và độ bền cao như Zn2SiO4:Mn, Y2SiO5:Ce, BaSi2O5:Pb. - Nhóm Ôxit: chất phát quang đáng chú ý nhất của nhóm này là Y2O3:Eu. Ngoài ra còn có ZnO:Zn, Ga2O3:Dy.

- Nhóm Aluminat: Y3Al5O12:Ce, MgAl11O19:Ce. 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Nhóm Phôtphat và Halôphôtphat: Zn3(PO4)2:Mn, 3Sr3(PO4)2-SrCl2:Eu. - Nhóm Sunfat: CaSO4:Mn, CaSO4:Ce. - Nhóm Asênat: 6MgO-As2O5:Mn.

- Nhóm Vanadat: YVO4:Eu. - Nhóm Germanat:Zn2GeO4:Mn. Quá trình phát quang của các chất phát quang vô cơ dạng tinh thể [6, 7] Sự phát quang của các chất phát quang tinh thể vô cơ bao gồm 3 quá trình chính: (1) Kích thích và hấp thụ. (2) Chuyển hóa năng lượng.

Quá trình kích thích Năng lượng kích thích phải là dạng năng lượng mà chất phát quang có thể hấp thụ được. Đối với mỗi loại nguồn kích thích khác nhau thì quá trình kích thích cũng khác nhau. Sự kích thích bởi phôtôn Các chất phát quang kích hoạt bởi phôtôn ánh sáng được gọi là quang phát quang (photoluminescence). Thông thường, nguồn kích thích là các phôtôn có mức năng lượng cao.

Khi phôtôn kích thích có đủ năng lượng để chuyển electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn thì sự phát quang sẽ xảy ra. Như vậy, đối với mỗi chất phát quang nhất định thì sự phát quang mạnh chỉ diễn ra khi phôtôn kích thích có năng lượng lớn hơn một giá trị xác định. Để làm tăng độ nhạy của các chất phát quang với phôtôn có năng lượng xác định, người ta có thể thêm vào trong cấu trúc tinh thể của chúng các ion có khả năng hấp thụ mạnh phôtôn này. Sự kích thích bởi electron Các chất phát quang được kích hoạt bởi electron gọi là điện phát quang (electroluminescence).

5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khi dùng dòng electron tác động lên chất phát quang, các electron sẽ va chạm với các ion trong mạng lưới tinh thể chất phát quang, một phần electron sẽ phản xạ đàn hồi trở lại. Do đó, có sự mất mát năng lượng trong quá trình kích thích. Hệ số tán xạ η được tính theo công thức: η=(lnZ – 1.5)/6 (Trong đó Z là số nguyên tử trung bình) VD: chất phát quang có chất nền ZnS ZZn=30, ZS=16, số nguyên tử trung bình ZZnS=23 Áp dụng công thức trên, η=0. Vậy, có 27% năng lượng cung cấp không được sử dụng cho quá trình phát quang.

Các electron không phản xạ đàn hồi trở lại sẽ xâm nhập vào mạng lưới tinh thể của chất phát quang, khuếch tán trong mạng lưới, truyền năng lượng và trở thành các electron thứ cấp. Trong quá trình khuếch tán đó, năng lượng của electron giảm dần theo công thức: 2  NZe 4 dE E   ln dx E E1 Trong đó: E là năng lượng của electron. N là số electron trong 1cm3. Z là số nguyên tử.

e là điện tích của electron. E1 là năng lượng ion hóa trung bình của các electron. x là khoảng cách electron di chuyển được trong chất phát quang. Đối với các electron sơ cấp có năng lượng cao (>30keV), mức độ xâm nhập sâu trong mạng lưới tinh thể tuân theo quy luật Thomson-Whidelington sau:  E x  ax 2 2 E Trong đó: E là năng lượng ban đầu của electron sơ cấp.

Ex là năng lượng electron sau khi di chuyển một đoạn x trong tinh thể. a là hằng số. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khi Ex=0, độ xâm nhập sâu tổng cộng của electron là R=x=E2/a. Các electron không tán xạ đàn hồi và các electron thứ cấp tạo ra các phần tử mang điện tích trong chất phát quang, sau đó tổ hợp lại kèm theo sự phát xạ trực tiếp hoặc sau khi di chuyển trong mạng tinh thể.

Sự kích thích bởi tia X Các chất phát quang kích thích bởi tia X gọi là phát quang tia X (X-ray luminescence). Các tia X và γ thuộc dạng bức xạ điện từ. Do đó, chúng tuân theo các quy tắc hấp thụ tương tự như đối với các phôtôn. Tuy nhiên, vì các electron thứ cấp tạo ra trong quá trình hấp thụ khá cao nên cơ chế kích thích bằng tia X gần với sự kích thích bởi electron hơn là phôtôn.

Quá trình này được biểu diễn theo công thức:  x I  Ioe Trong đó: Io là cường độ của tia X tới. I là cường độ tia X sau khi di chuyển trong mạng tinh thể một khoảng x. μ là hệ số hấp thụ bức xạ trên cm. Trong thực nghiệm, μ được thay thế bằng hệ số tắt μ/ρ với ρ là khối lượng riêng của vật liệu.

Khi chất phát quang hấp thụ tia X sẽ chủ yếu tạo ra các electron quang có động năng nhỏ hơn hoặc bằng động năng của lượng tử tia X. Do vậy, quá trình tiếp theo diễn ra tương tự như sự kích thích bởi electron.