MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển kh ng ngừng của khoa học c ng nghệ đã k ch th ch con ngƣời tìm tòi và phát minh ra những điều mới lạ đế đáp ng nhu cầu thiết yếu cho nhân loại. Một trong số đó là tìm hiểu những t nh chất vƣợt bậc có t nh ng dụng thực tiễn của các vật liệu phát quang vào sự tiến bộ khoa học. Bên cạnh những ng dụng rất quan trọng nhƣ trong th ng tin quang, trong y học, trong quân sự,… thì vật liệu phát quang đóng vai trò rất quan trọng trong việc chế tạo các loại đèn huỳnh quang, đèn LED, đó là các loại đèn chiếu sáng có hiệu suất cao, tiết kiệm năng lƣợng và t gây nguy hại cho s c khỏe con ngƣời.
Trong đề tài này, t i quan tâm đến nhóm vật liệu phát quang là Aluminate pha tạp các nguyên tố đất hiếm và ion kim loại chuyển tiếp. Một số ion đất hiếm Sm3+, Eu2+ và ion kim loại chuyển tiếp nhƣ Mn2+. Nếu so với các ion th ng thƣờng thì các ion của các chất ph c có thể hấp thụ nhiều tần số khác nhau và vì thế mà có thể quan sát thấy nhiều màu khác nhau. Chế tạo vật liệu phát quang là một trong những định hƣớng c ng nghệ cao mà con ngƣời đang hƣớng đến.
Hiện nay nhiều nghiên c u tập trung vào việc tổng hợp các vật liệu phát quang pha tạp đất hiếm, vì khả năng đáp ng tốt nhu cầu trong thực tế. Ch nh vì thế mà nhu cầu khám phá và tìm kiếm những vật liệu phát quang hữu hiệu hơn. Trong phạm vi khóa luận này t i chọn đề tài: “ Nghiên cứu các đặc trưng phát quang của vật liệu Aluminate đồng pha tạp ion Eu2+, Mn2+, Sm3+ ”. Mục đích nghiên cứu - Khảo sát phổ của vật liệu Aluminate đồng pha tạp ion Eu2+, Mn2+, Sm3+.
- Kiểm tra t nh chất phát quang của vật liệu Aluminate có sự pha tạp của ion kim loại chuyển tiếp Mn2+ và ion đất hiếm Eu2+, Sm3+. Nhiệm vụ nghiên cứu - Xác định đƣợc phƣơng pháp cân mẫu và xây dựng quá trình chế tạo vật liệu. - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, c ng dụng và cách sử dụng các thiết bị phục vụ quá trình chế tạo và hoàn thành mẫu vật liệu. Lê Văn Thanh Sơn 8 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Luan van Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Tra c u và tổng hợp các tài liệu về lý thuyết vật liệu phát quang và các phổ của vật liệu Aluminate đồng pha tạp Eu2+, Mn2+, Sm3+.
- Nghiên c u ng dụng của các vật liệu trong quá trình phát quang và hƣớng phát triển của các vật liệu. - Thu thập, tổng hợp, xử l mẫu vật liệu. - Viết đề tài và chỉnh sửa hoàn chỉnh, bảo vệ đề tài. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4.
Đối tƣợng nghiên cứu - Lý thuyết phát quang, hiện tƣợng phát quang, lý thuyết các kim loại chuyển tiếp, ion đất hiếm. - Đối tƣợng nghiên c u: Ion đất hiếm: Eu2+, Sm3+ ion kim loại chuyển tiếp: Mn2+, mạng CaSiO3. Phạm vi nghiên cứu - Chế tạo vật liệu phát quang và khảo sát quá trình phát quang của các ion Eu2+, Mn2+, Sm2+ trong nền Aluminate. Phƣơng pháp ngiên cứu - Phƣơng pháp phân t ch và tổng hợp lý thuyết.
- Phƣơng pháp thực nghiệm. Lê Văn Thanh Sơn 9 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Luan van Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG 1. Hiện tƣợng phát quang 1. Khái niệm về hiện tƣợng phát quang Ngƣời ta làm một số th nghiệm, v dụ nhƣ : chiếu tia tử ngoại (UV) có bƣớc sóng λ vào dung dịch rƣợu fluorêxêin thì dung dịch này phát ra ánh sáng màu xanh lục nhạt có bƣớc sóng λ và (λ >λ).
Sự phát sáng biến mất ngay sau khi ngừng k ch th ch ánh sáng tử ngoại. Hay chiếu tia UV và tinh thể ZnS có pha một lƣợng rất nhỏ Cu và Co thì tinh thể cũng phát ra ánh sáng màu xanh lục, ánh sáng này tồn tại khá lâu sau khi ngừng k ch th ch. Hiện tƣợng tƣơng tự cũng xảy ra với nhiều chất rắn, lỏng và chất kh khác đồng thời với các tác nhân k ch th ch. Chúng có tên chung là hiện tƣợng phát quang (Luminescence).
Nhƣ vậy, phát quang là sự b c xạ ánh sáng của vật chất dƣới sự tác động của một tác nhân k ch th ch nào đó kh ng phải là sự đốt nóng th ng thƣờng. Bƣớc sóng của ánh sáng phát quang đ c trƣng cho vật liệu phát quang, nó hoàn toàn kh ng phụ thuộc vào b c xạ chiếu lên đó. Đa số các nghiên c u về hiện tƣợng phát quang đều quan tâm đến b c xạ trong vùng khả kiến, bên cạnh đó cũng có một số hiện tƣợng b c xạ có bƣớc sóng thuộc vùng hồng ngoại (IR) và tử ngoại. Theo Vivalôp “ Hiện tƣợng phát quang là hiện tƣợng các chất phát quang phát ra bức xạ còn dƣ đối với bức xạ nhiệt trong trƣờng hợp bức xạ còn dƣ đó kéo dài trong khoảng thơì gian 10-16(s) hoặc lớn hơn”.
Chất phát quang Trong tự nhiên và nhân tạo có rất nhiều chất có khả năng hấp thụ năng lƣợng từ bên ngoài, sau đó phát ra năng lƣợng duới dạng ánh sáng. Quá trình này đƣợc m tả nhƣ sau: Năng lƣợng đƣợc hấp thụ đƣa đến các phân tử, nguyên tử lên trạng thái k ch th ch. Từ trạng thái k ch th ch của phân tử, nguyên tử nó đƣa về trạng thái cơ bản và b c xạ ánh sáng. Các chất có khả năng biến dạng các năng lƣợng khác nhau (quang năng, điện năng, nhiệt năng,.) thành quang năng đƣợc gọi là chất phát quang.
Lê Văn Thanh Sơn 10 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Luan van Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 1. Phân loại hiện tƣợng phát quang 1. Phân loại theo tính chất động học của những quá trình xảy trong chất phát quang Phát quang tâm bất liên tục: là loại phát quang mà những quá trình từ hấp thụ đến b c xạ năng lƣợng đều xảy ra trong cùng một nội tâm nhất định. Tâm này có thể là phân tử, tập hợp phân tử hay ion.
Những quá trình xảy ra trong tâm bất liên tục hoàn toàn độc lập với nhau, sự tƣơng tác giữa những tâm bất liên tục cũng nhƣ ảnh hƣởng m i trƣờng bên ngoài đối với chúng nói chung là kh ng đáng kể. Do vậy, đ c trƣng của phát quang tâm bất liên tục là khả năng phát quangdo những quá trình xảy ra trong nội bộ tâm phát quang quy định mà kh ng có sự tham gia của các tác nhân bên ngoài. Phát quang tái hợp: là loại phát quang trong đó những quá trình chuyển hóa năng lƣợng k ch th ch b c xạ quang học đều có sự tham gia của toàn bộ chất phát quang. Trong phát quang tái hợp vị tr k ch th ch kh ng trùng với vị tr b c xạ và sự trao đổi năng lƣợng từ vị tr k ch th ch đến vị tr b c xạ phải trải qua những vị tr trung gian.
Những quá trình này liên quan đến sự dịch chuyển của những hạt mang điện (điện tử, lỗ trống hay ion) tiến triển qua một số giai đoạn. Đầu tiên khi k ch th ch trong chất phát quang xảy ra quá trình phân ly thành những thành phần mang điện trái dấu, thƣờng thì với những thành phần mới ch kh ng phải với những thành phần bắt đầu phân ly. Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau khi ngừng kích thích Dựa vào thời gian phát quang sau khi ngừng k ch th ch, ngƣời ta phân hiện tƣợng phát quang thành hai loại: Quá trình huỳnh quang (Fluorescence) và quá trình lân quang (Phosphorescence). - Quá trình huỳnh quang: là sự phát quang mà trong đó các phân tử chất huỳnh quang hấp thụ năng lƣợng k ch th ch, chuyển hóa năng lƣợng k ch th ch này thành năng lƣợng của electron ở một số trạng thái lƣợng tử có m c năng lƣợng cao nhƣng kh ng bền trong phân tử.
Sau đó, electron rơi về trạng thái cũ gần nhƣ t c thì khiến photon đƣợc giải phóng. Kết quả là sự phát quang của các chất huỳnh quang kết thúc khi ngừng k ch th ch[1]. Lê Văn Thanh Sơn 11 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Luan van Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý - Quá trình lân quang: là sự phát quang mà trong đó phân tử các chất lân quang hấp thụ năng lƣợng k ch th ch, chuyển hóa năng lƣợng k ch th ch này thành năng lƣợng của electron ở một số trạng thái lƣợng tử có m c năng lƣợng cao nhƣng bền vững trong phân tử. Sau đó, electron rơi về trạng thái có m c năng lƣợng thấp hơn một cách chậm chạp, và giải phóng một phần năng lƣợng dƣới dạng photon.
Kết quả là sự phát quang của các chất lân quang kéo dài khá lâu sau khi ngừng k ch th ch[2]. Phân loại theo phƣơng pháp kích thích - Quang phát quang(Photoluminescence-PL): Là loại phát quang k ch th ch bằng chùm tia tử ngoại. - Cathod phát quang(Cathodoluminescence-CAL): Là loại phát quang k ch th ch bằng chùm điện tử. - Điện phát quang(Electroluminescence-EL): Là loại phát quang k ch th ch bằng hiệu điện thế.
- X-ray phát quang(X-ray luminescence-XL): Là loại phát quang k ch th ch bằng tia X. - Hóa phát quang(Chemiluminescence-CL): Là loại phát quang k ch th ch bằng năng lƣợng phản ng hóa học. Phân loại theo cách thức chuyển dời từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản - Phát quang tự phát: Là loại phát quang có các tâm b c xạ tự phát chuyển từ trạng tháik ch th ch về trạng thái cơ bản để phát ra ánh sáng, kh ng cần sự chi phối của một yếu tố nào từ bên ngoài. - Phát quang cƣỡng b c(phát quang cảm ng): Là sự phát quang xảy ra khi các tâm b c xạ chuyển từ trạng thái k ch th ch về trạng thái cơ bản nhờ tác động từ bên ngoài (v dụ: ánh sáng ho c nhiệt độ).
Quá trình nhờ sự tăng nhiệt độ gọi là cƣỡng b c nhiệt hay nhiệt phát quang. - Phát quang tái hợp: Là sự kết hợp lại của các thành phần tâm phát quang bị tách ra khi bị k ch th ch. Lê Văn Thanh Sơn 12 SVTH:Nguyễn Thị Thảo Luan van Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật Lý 1. Cơ chế của hiện tƣợng phát quang 1.