Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu gốm MgF2 được biết đến với tính chất quang học ưu việt, cho phép truyền ánh sáng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại trung bình (0,12 – 10 µm), cùng với hệ số chiết suất thấp (n = 1,38) và khả năng chịu sốc nhiệt tốt. Theo ước tính, vật liệu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang học vùng hồng ngoại và đo liều bức xạ ion hóa. Tuy nhiên, các nghiên cứu về gốm MgF2 pha tạp ion đất hiếm Eu3+ còn hạn chế, đặc biệt là dạng gốm trong suốt. Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất quang học, phát quang và nhiệt phát quang của gốm MgF2 pha tạp và không pha tạp Eu3+, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng làm liều kế nhiệt phát quang (TSL) và cửa sổ quang học vùng hồng ngoại.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của ion Eu3+ lên đặc trưng nhiệt phát quang của MgF2, lựa chọn mẫu phù hợp cho ứng dụng liều kế TSL, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của điều kiện thiêu kết xung plasma (SPS) lên tính chất truyền qua vùng hồng ngoại của gốm MgF2. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu MgF2 pha tạp Eu3+ với nồng độ khác nhau, được tổng hợp và chế tạo tại Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên trong năm 2022. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu quang học đa chức năng, đáp ứng nhu cầu công nghiệp, y sinh và quốc phòng, đặc biệt trong đo liều bức xạ và chế tạo linh kiện quang học hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về ion đất hiếm và mô hình nhiệt phát quang trong vật liệu bán dẫn và điện môi.

  1. Lý thuyết ion đất hiếm Eu3+: Ion Eu3+ thuộc nhóm Lanthanides với cấu hình điện tử 4f6, có các mức năng lượng đặc trưng và phát xạ quang học chủ yếu do các chuyển dời điện tử 5D0 → 7FJ (J = 0,1,2,...). Các mức năng lượng 4f được che chắn bởi lớp vỏ ngoài nên ít bị ảnh hưởng bởi môi trường, tạo ra các vạch phổ hẹp và cường độ phát xạ cao. Sự phân bố và cường độ các vạch phát xạ phụ thuộc vào vị trí của ion Eu3+ trong mạng tinh thể và trường tinh thể xung quanh.

  2. Mô hình nhiệt phát quang (TSL): Hiện tượng phát quang khi nung nóng vật liệu đã được chiếu xạ trước đó, dựa trên sự tích lũy và giải phóng năng lượng của các hạt tải điện bị bắt giữ tại các mức bẫy năng lượng trong vùng cấm. Mô hình đơn giản gồm mức bẫy và tâm tái hợp, trong đó điện tử bị bắt ở mức bẫy và được giải phóng khi nung nóng, tái hợp với lỗ trống tại tâm tái hợp, phát ra ánh sáng. Nhiệt độ đỉnh TL và năng lượng bẫy liên quan mật thiết đến đặc tính vật liệu và ứng dụng đo liều.

Các khái niệm chính bao gồm: cấu trúc tinh thể MgF2 tứ phương, ion Eu3+ và các mức năng lượng 4f, hiện tượng phát quang cưỡng bức nhiệt (TSL), và ảnh hưởng của trường tinh thể lên phổ phát xạ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu vật liệu MgF2 pha tạp và không pha tạp Eu3+ được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng trao đổi trong dung dịch, với kích thước hạt nano (~100 nm) và độ sạch > 99,9%. Gốm MgF2 được chế tạo bằng kỹ thuật thiêu kết xung plasma (SPS) với các điều kiện nhiệt độ (540 – 600 °C), áp suất ép 80 MPa và thời gian giữ nhiệt 20 phút.

  • Phương pháp phân tích:

    • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha vật liệu.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) khảo sát hình thái bề mặt và kích thước hạt.
    • Phổ truyền qua vùng hồng ngoại (FT-IR) đo tính chất truyền quang của gốm.
    • Phổ quang phát quang (PL) và phổ kích thích phát quang (PLE) xác định các mức năng lượng và cường độ phát xạ của ion Eu3+.
    • Nhiệt phát quang (TSL) đo đặc trưng nhiệt phát quang và đánh giá khả năng ứng dụng làm liều kế.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp, chế tạo và phân tích mẫu được thực hiện trong năm 2022 tại các phòng thí nghiệm của Trường Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên và Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu MgF2 pha tạp Eu3+ với nồng độ từ 0 đến 5 mol% được nghiên cứu để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên tính chất quang học và nhiệt phát quang.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc và thành phần vật liệu: Giản đồ XRD cho thấy tất cả các mẫu MgF2, cả pha tạp và không pha tạp Eu3+, đều có cấu trúc tinh thể tứ phương đơn pha, không phát hiện pha lạ. Phân tích EDX xác nhận tỷ lệ Mg:F gần 1:2, độ sạch vật liệu đạt trên 99,9%.

  2. Tính chất phát quang: Phổ phát quang của MgF2:Eu3+ có hai dải chính: dải xanh dương rộng (350 – 700 nm) với đỉnh mạnh nhất tại 440 nm, và dải đỏ (570 – 750 nm) gồm các vạch đặc trưng của ion Eu3+ tại 576, 589, 614, 651 và 700 nm. Cường độ dải xanh dương giảm nhanh khi nồng độ Eu tăng từ 0,5 mol%, trong khi cường độ dải đỏ tăng mạnh đến nồng độ 1 mol% rồi giảm nhẹ ở 5 mol%, cho thấy hiện tượng dập tắt phát quang do nồng độ cao.

  3. Phổ kích thích phát quang: Các vạch kích thích đặc trưng của ion Eu3+ được quan sát trong vùng 200 – 550 nm, với cường độ mạnh nhất ở các chuyển dời 7F0 → 5H6 (317 nm), 7F0 → 5D4 (361 nm), và 7F0 → 5L6 (392 nm). Dải kích thích rộng ở 270 nm có thể liên quan đến các tâm khuyết tật mạng.

  4. Nhiệt phát quang (TSL): Đường cong TL tích phân của các mẫu MgF2:Eu3+ có ba đỉnh chính tại 110 °C, 190 °C và 380 °C. Đỉnh TL ở 190 °C có tỉ lệ diện tích lớn nhất khi nồng độ Eu là 5 mol%, phù hợp với yêu cầu ứng dụng làm liều kế TSL. Năng lượng bẫy tính toán theo phương pháp Urbach khoảng 0,36 eV.

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và EDX khẳng định thành công trong việc tổng hợp và chế tạo gốm MgF2 pha tạp Eu3+ với cấu trúc tinh thể ổn định và độ sạch cao, điều kiện cần thiết để đảm bảo tính chất quang học tốt. Phổ phát quang cho thấy sự tồn tại đồng thời của các tâm phát xạ từ ion Eu3+ và các khuyết tật mạng, trong đó sự truyền năng lượng từ dải phát xạ xanh dương (có thể do Eu2+ hoặc khuyết tật) sang ion Eu3+ làm tăng cường phát xạ đỏ, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu pha tạp đất hiếm.

Đường cong nhiệt phát quang với đỉnh TL ở 190 °C nằm trong dải nhiệt độ lý tưởng cho ứng dụng liều kế, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ nền và sự suy giảm năng lượng trong môi trường. Sự tăng tỉ lệ diện tích đỉnh TL 190 °C với nồng độ Eu cho thấy ion Eu3+ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các mức bẫy năng lượng hiệu quả.

Các kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ phổ phát quang với các đỉnh phát xạ rõ ràng, đồ thị phụ thuộc cường độ phát xạ theo nồng độ Eu, và đường cong TL tích phân minh họa các đỉnh nhiệt phát quang đặc trưng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ pha tạp Eu3+: Khuyến nghị sử dụng nồng độ Eu3+ khoảng 5 mol% để đạt hiệu suất phát quang và nhiệt phát quang tối ưu, phù hợp cho ứng dụng liều kế TSL. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu quang học đảm nhận.

  2. Điều chỉnh điều kiện thiêu kết SPS: Áp dụng nhiệt độ thiêu kết từ 550 đến 600 °C, áp suất 80 MPa và thời gian giữ nhiệt 20 phút để chế tạo gốm MgF2 trong suốt có độ truyền quang cao vùng hồng ngoại. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu vật liệu quang học trong 3 tháng tiếp theo.

  3. Nâng cao độ sạch và kiểm soát kích thước hạt: Đảm bảo kích thước hạt nano (~100 nm) và độ sạch > 99,9% trong quá trình tổng hợp để giảm thiểu tạp chất và lỗ xốp, tăng cường tính trong suốt và ổn định quang học. Thực hiện song song với quá trình tổng hợp vật liệu.

  4. Phát triển thiết bị đo liều bức xạ dựa trên MgF2:Eu3+: Thiết kế và thử nghiệm liều kế nhiệt phát quang sử dụng vật liệu MgF2:Eu3+ với khả năng đáp ứng tuyến tính trong dải liều từ 1 đến 18 Gy, phục vụ cho y tế và công nghiệp. Thời gian dự kiến 1 năm, phối hợp với các đơn vị y sinh và công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang học: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu gốm quang học trong suốt vùng hồng ngoại, phục vụ cho các linh kiện quang học và cảm biến.

  2. Chuyên gia đo liều bức xạ: Tham khảo đặc tính nhiệt phát quang của MgF2:Eu3+ để thiết kế liều kế TSL có độ nhạy cao, đáp ứng yêu cầu đo liều trong y tế và công nghiệp hạt nhân.

  3. Kỹ sư công nghệ vật liệu: Áp dụng phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS) và quy trình tổng hợp để sản xuất vật liệu gốm chất lượng cao, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất sản xuất.

  4. Người làm trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh: Sử dụng vật liệu gốm MgF2 trong các thiết bị quang học hồng ngoại, camera ảnh nhiệt, và hệ thống dò tìm mục tiêu, đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ion Eu3+ ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang học của MgF2?
    Ion Eu3+ tạo ra các mức năng lượng đặc trưng với phát xạ đỏ rõ rệt, tăng cường khả năng phát quang của vật liệu. Khi nồng độ Eu3+ tăng, cường độ phát xạ đỏ tăng đến mức tối ưu rồi giảm do dập tắt phát quang.

  2. Tại sao chọn phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS) để chế tạo gốm?
    SPS cho phép thiêu kết nhanh, ở nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp truyền thống, tạo ra gốm có tỷ trọng cao, ít lỗ xốp và tính chất quang học tốt hơn, phù hợp cho vật liệu quang học trong suốt.

  3. Đỉnh nhiệt phát quang ở 190 °C có ý nghĩa gì trong ứng dụng liều kế?
    Đỉnh TL ở 190 °C nằm trong dải nhiệt độ lý tưởng để đo liều bức xạ, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ nền và sự suy giảm năng lượng, đảm bảo độ chính xác và ổn định của liều kế.

  4. Kích thước hạt ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang học của gốm MgF2?
    Kích thước hạt nano (~100 nm) giúp giảm lỗ xốp và tán xạ ánh sáng, tăng tính trong suốt và đồng cấu tinh thể, từ đó cải thiện khả năng truyền quang và hiệu suất phát quang của gốm.

  5. Vật liệu MgF2:Eu3+ có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Ngoài đo liều bức xạ, vật liệu này còn được ứng dụng trong chế tạo cửa sổ quang học vùng hồng ngoại, linh kiện quang học cho laser, camera ảnh nhiệt, và các thiết bị quân sự, hàng không vũ trụ.

Kết luận

  • Đã tổng hợp và chế tạo thành công vật liệu gốm MgF2 pha tạp Eu3+ với cấu trúc tinh thể tứ phương, độ sạch > 99,9% và kích thước hạt nano ~100 nm.
  • Phổ phát quang cho thấy sự tồn tại đồng thời của phát xạ từ ion Eu3+ và các tâm khuyết tật mạng, với cường độ phát xạ đỏ đạt tối ưu ở nồng độ Eu3+ 5 mol%.
  • Đường cong nhiệt phát quang tích phân có đỉnh TL chính tại 190 °C, phù hợp cho ứng dụng làm liều kế nhiệt phát quang TSL.
  • Phương pháp thiêu kết xung plasma (SPS) hiệu quả trong việc chế tạo gốm MgF2 trong suốt với tính chất truyền quang tốt vùng hồng ngoại.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa điều kiện chế tạo và phát triển thiết bị liều kế dựa trên vật liệu MgF2:Eu3+ trong vòng 1-2 năm tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu gốm quang học đa chức năng, đồng thời khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả để phát triển sản phẩm công nghệ cao trong lĩnh vực quang học và đo liều bức xạ.