Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm silcat pha tạp mangan, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Lưu Thị Ngọc Hà
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Trọng Uyển
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• 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 khoa học
• 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
• 2.3. Chuẩn bị các dung dịch ban đầu
• 2.4. Tổng hợp Zn2SiO4:Mn theo phương pháp precursor
• 2.5. Các phương pháp phân tích
• 2.5.1. Phương pháp chuẩn độ Complexon III
• 2.5.2. Phương pháp đo phổ huỳnh quang
• 2.5.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.5.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Phương pháp precursor dùng NaOH
• 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaOH
• 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt sorbitol
• 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt Tween 80
• 3.5. Phương pháp precursor dùng NH4OH
• 3.6. Khảo sát cường độ phát quang của hệ dùng NH4OH so với hệ dùng NaOH
• 3.7. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng NH4OH
• 3.8. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng amoni citrat
• 3.9. Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất hoạt động bề mặt Tween 80
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu 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. Chúng có khả năng phát sáng mạnh mẽ và bền bỉ, thích hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và cải thiện tính chất quang học của chất phát quang này.

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 ưa chuộng trong các ứng dụng 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, mã vạch, và các thiết bị bảo mật. Đặc tính phát quang mạnh mẽ của chúng giúp nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng này.

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 tổng hợp và cải thiện tính chất quang học của chúng. Các vấn đề này bao gồm việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ phát quang.

2.1. Thách thức trong quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát các điều kiện như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ các thành phần. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tính chất quang học của sản phẩm cuối cùng.

2.2. Vấn đề về tính ổn định và độ bền

Tính ổn định và độ bền của chất phát quang là một trong những vấn đề quan trọng. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc cải thiện khả năng chống lại các yếu tố môi trường như độ ẩm và nhiệt độ cao, nhằm đảm bảo hiệu suất lâu dài của sản phẩm.

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

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan, trong đó phương pháp precursor và phương pháp nung kết là hai phương pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

3.1. Phương pháp precursor

Phương pháp precursor sử dụng các hợp chất tiền chất để tổng hợp chất phát quang. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện phản ứng và tạo ra sản phẩm với tính chất quang học tốt hơn.

3.2. Phương pháp nung kết

Phương pháp nung kết là một trong những phương pháp truyền thống để tổng hợp chất phát quang. Tuy nhiên, phương pháp này thường yêu cầu nhiệt độ cao và thời gian dài, có thể ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm.

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 chúng đã được chứng minh trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến y tế.

4.1. Khảo sát cường độ phát quang

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng cường độ phát quang của chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh tỷ lệ các thành phần trong quá trình tổng hợp.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan đã được ứng dụng trong sản xuất đèn LED và các thiết bị bảo mật, cho thấy tiềm năng lớn trong việc nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm.

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 nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong công nghệ phát quang.

5.1. Triển vọng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và khám phá các ứng dụng mới cho chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của chất phát quang kẽm silicat pha tạp mangan có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp, từ sản xuất đến ứng dụng trong các thiết bị công nghệ cao.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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.