I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Sm3 LaPO4
Vật liệu nano phát quang đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học trong và ngoài nước. Với đặc tính phát quang mạnh và kích thước nano, chúng hứa hẹn nhiều ứng dụng đột phá trong xúc tác, quang điện tử, vật liệu composite, chất màu thân thiện môi trường, và cảm biến nano huỳnh quang dùng trong y sinh và đánh dấu sinh học. Về cấu tạo, vật liệu phát quang thường gồm một vật liệu nền trong suốt và các tâm kích hoạt quang chứa trong đó. Các tâm kích hoạt quang thường là các ion kim loại đất hiếm hoặc kim loại chuyển tiếp. Do vậy, vấn đề tìm kiếm vật liệu nền và pha các tâm kích hoạt quang thích hợp luôn được các nhà khoa học quan tâm nhằm tạo ra vật liệu phát quang mạnh. Phốt phát lantan là muối của kim loại đất hiếm La3+. Vật liệu huỳnh quang LaPO4 có điểm nóng chảy gần 2000°C, hằng số điện môi thấp, hệ số giãn nở nhiệt tương tự alumina, không phản ứng với kim loại và oxit ở nhiệt độ cao. Đặc biệt LaPO4 khi pha tạp các ion đất hiếm thì phát quang rất mạnh.
1.1. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Vật Liệu LaPO4 Sm3 Phát Quang
Trong những năm gần đây, vật liệu này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thiết bị quang, laser rắn, đèn LED trắng, bảng hiển thị, ống tia catot, thiết bị cảm biến, bảng hiển thị plasma và điện tử thang nano. Gần đây các nghiên cứu cho thấy vật liệu LaPO4 pha đất hiếm là một trong những vật liệu có ứng dụng rất hiệu quả trong y sinh như dùng để truyền năng lượng cộng hưởng phát sáng, đánh dấu sinh học, tạo ảnh sinh học. Tài liệu gốc cho thấy LaPO4 có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp như: phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp vi sóng.
1.2. Vai Trò Của Ion Đất Hiếm Trong Vật Liệu Phát Quang
Dãy đất hiếm bao gồm: Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb và Lu. Sở dĩ có tên là đất hiếm vì thứ nhất, các nguyên tố này rất khó chiết ra từ lòng đất. Thứ hai, chúng tồn tại rất thưa thớt trong tự nhiên ở số lượng không lớn. Chúng chỉ chiếm tỷ lệ so với silicon. Tuy nhiên, các nguyên tố này có giá trị lớn vì những tính chất riêng biệt của chúng, ví dụ, tính chất quang đặc trưng của chúng rất cần cho công nghệ laser.
II. Vấn Đề Nghiên Cứu Tính Chất Quang Phổ Sm3 Trong LaPO4
Từ đầu thế kỷ 20 các nhà khoa học đã rất quan tâm đến việc nghiên cứu quang phổ của các ion đất hiếm. Tuy nhiên, các nguyên tố đất hiếm đã gây lúng túng cho các nhà khoa học khi cố gắng hiểu tính chất quang phổ của chúng theo quan điểm lý thuyết lượng tử và vào thời điểm đó việc tính toán một cách định lượng cường độ của các chuyển dời quang học trong ion đất hiếm là một nhiệm vụ bất khả thi. Sự ra đời của lý thuyết Judd-Ofelt đánh dấu một bước ngoặt trong việc nghiên cứu quang phổ của ion đất hiếm. Điểm đặc biệt của lý thuyết này là đưa ra một biểu thức lý thuyết của cường độ vạch hay lực vạch – line strength, yếu tố cơ bản để tính cường độ của các vạch hấp thụ và huỳnh quang.
2.1. Lý Thuyết Judd Ofelt và Các Thông Số Cường Độ
Các thông số cường độ (Ωλ = 2, 4, 6) là chìa khóa của lý thuyết Judd-Ofelt, chúng chỉ phụ thuộc vào mạng nền và ion đất hiếm mà không phụ thuộc vào chuyển dời cụ thể nào và được tính từ phổ hấp thụ và huỳnh quang. Chỉ với 3 thông số này chúng ta có thể đánh giá được tính bất đối xứng của trường tinh thể cũng như tính chất liên kết giữa ion đất hiếm và mạng nền. Ngoài ra, từ các thông số cường độ, ta còn có thể sử dụng để tiên đoán các tính chất quang học khác của vật liệu như: xác suất chuyển dời, thời gian sống, hiệu suất lượng tử, tỉ số phân nhánh huỳnh quang. Dựa vào các thông số quang học này ta có thể biết được khả năng ứng dụng của vật liệu.
2.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Vật Liệu Huỳnh Quang LaPO4 Sm3
Vì các lý do trên, chúng tôi đã chọn vật liệu huỳnh quang LaPO4:Sm3+ làm đối tượng nghiên cứu chính của mình. Trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu chế tạo và các tính chất của vật liệu được tạo ra, sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ lên các tính chất, đặc biệt là tính chất quang của vật liệu huỳnh quang LaPO4 pha tạp kim loại đất hiếm Sm3+ và tính toán các thông số quang học của vật liệu theo lý thuyết Judd-Ofelt. Luận văn của chúng tôi có tiêu đề: “Nghiên cứu tính chất quang và các thông số cường độ Judd-Ofelt của ion Sm3+ trong LaPO4”.
III. Phương Pháp Chế Tạo LaPO4 Sm3 và Đo Tính Chất Quang
Luận văn bao gồm các phần như sau: Phần mở đầu: Giới thiệu vào đề của luận văn. Ở phần này chúng tôi đã làm rõ mục đích cũng như lý do để tiến hành luận văn này. Phần chính: bao gồm ba chương Chương 1: Tổng quan tập trung trình bày những khái niệm và những hiểu biết cơ bản về: hiện tượng phát quang, các tính chất quang của tâm tạp chất đất hiếm, vật liệu LaPO4, một số phương pháp chế tạo vật liệu, lý thuyết Judd-Ofelt và mô hình truyền năng lượng.
3.1. Quy Trình Chế Tạo Mẫu LaPO4 Sm3 Bằng Kỹ Thuật Thủy Nhiệt
Chương 2: Thực nghiệm trình bày quy trình chế tạo mẫu LaPO4 pha tạp Sm3+ bằng kỹ thuật thủy nhiệt và các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu LaPO4: Sm3+. Chương 3: Kết quả và thảo luận trình bày những kết quả nghiên cứu tính chất cấu trúc, hình thái học, thành phần hóa học, tính chất quang (hấp thụ, huỳnh quang, kích thích huỳnh quang, thời gian sống); kết quả phân tích tính chất quang của ion Sm3+ trong nền LaPO4 theo lý thuyết Judd-Ofelt.
3.2. Các Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Vật Liệu LaPO4 Sm3
Kết luận chung của luận văn. Cuối cùng là tài liệu tham khảo. Trong chương 1 chúng tôi sẽ trình bày những khái niệm và những hiểu biết cơ bản về hiện tượng phát quang, sau đó là các tính chất quang của tâm tạp chất đất hiếm nói chung và của tâm phát quang Sm3+ nói riêng, tiếp theo là phần trình bày về cấu trúc tinh thể, một số tính chất của vật liệu huỳnh quang LaPO4 và các phương pháp phổ biến dùng trong chế tạo vật liệu, cuối cùng là những hiểu biết về lý thuyết Judd-Ofelt và mô hình truyền năng lượng.
IV. Phân Tích Phổ Hấp Thụ và Phát Xạ Của Ion Sm3 Trong LaPO4
Phát quang là hiện tượng phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ (photon), ngược với quá trình hấp thụ. Khi tinh thể nhận được năng lượng kích thích, electron chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn trạng thái trong điều kiện cân bằng. Electron chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong một khoảng thời gian rất ngắn, sau đó nó chuyển về trạng thái trống có năng lượng thấp hơn. Chuyển dời này giải phóng năng lượng chênh lệch giữa hai mức năng lượng. Chuyển dời có thể kèm theo bức xạ (emission, radiation) hoặc không kèm theo bức xạ. Trong các chuyển dời không kèm theo bức xạ, năng lượng giải phóng ra được truyền cho mạng tinh thể (phonon), các hạt tải điện khác (hiệu ứng Auger) hoặc plasma điện tử-lỗ trống (dao động plasma).
4.1. Đặc Trưng Của Sự Phát Huỳnh Quang và Các Thông Số
Sự phát huỳnh quang xảy ra trong thời gian mẫu bị kích thích gọi là huỳnh quang. Sự phát huỳnh quang của một mẫu thường được đặc trưng bởi một số thông số sau: Cường độ huỳnh quang I: Cường độ huỳnh quang được tính bằng số photon phát ra trong một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian. Phổ huỳnh quang: Sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào năng lượng hay bước sóng của photon phát ra gọi là phổ huỳnh quang I = I(hν) hoặc I = I(λ). Nghiên cứu phổ huỳnh quang cho ta biết cơ chế phát quang trong mẫu.
4.2. Phổ Kích Thích Huỳnh Quang và Thời Gian Sống Phát Quang
Phổ kích thích huỳnh quang: Phổ kích thích huỳnh quang là sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang ở một bước sóng nào đó vào năng lượng của ánh sáng kích thích. Nói chung phổ kích thích và phổ hấp thụ ứng với một cơ chế (một tâm) là gần như nhau vì trong phổ kích thích huỳnh quang, quá trình hấp thụ được quan sát một cách gián tiếp thông qua ánh sáng huỳnh quang do vật phát ra nhờ quá trình hấp thụ trên. Nghiên cứu phổ kích thích huỳnh quang có thể cho ta những hiểu biết về cơ chế phát huỳnh quang và hấp thụ. Thời gian sống: Thời gian trung bình mà tâm phát quang còn tồn tại ở trạng thái kích thích sau khi ngừng kích thích được gọi là thời gian sống huỳnh quang.
V. Ứng Dụng Tiềm Năng Của LaPO4 Sm3 Trong Laser Rắn
Các nguyên tố kim loại thuộc họ đất hiếm hay nhóm lantan gồm các nguyên tố La (Z=57), Ce (58), Pr (59), Nd (60), Pm (61), Sm (62), Eu (63), Gd (64), Tb (65), Dy (66), Ho (67), Er (68), Tm (69), Yb (70), Lu (71). Cấu hình điện tử của chúng có dạng: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64f 5dm6s2. Vì các ion này có lớp vỏ ngoài cùng như nhau là 6s2 nên các yếu tố đất hiếm có tính chất hóa học khá giống nhau. Tuy nhiên, tính chất quang học của các nguyên tố đất hiếm lại khác hẳn nhau, do phổ hấp thụ và phổ phát quang của chúng liên quan tới chuyển dời của các điện tử giữa các mức chưa lấp đầy 4f.
5.1. Pha Tạp Ion Đất Hiếm Để Nâng Cao Hiệu Suất Huỳnh Quang
Bằng các pha tạp các nguyên tố RE có thể nâng cao hiệu suất huỳnh quang của tinh thể phốt pho, đem lại nhiều khả năng ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Vì thế việc pha tạp các ion RE vào một vật liệu nền trở thành một phương pháp thông dụng để chế tạo vật liệu huỳnh quang. Các oxit kim loại đất hiếm RE2O3, thì các dịch chuyển hấp thụ bị cấm rất mạnh theo quy tắc chọn lọc chẵn-lẻ. Do đó, các oxit kim loại đất hiếm thường không màu.
5.2. Ảnh Hưởng Của Trường Tinh Thể Lên Tính Chất Quang Phổ
Khi ở trong trường tinh thể, do ảnh hưởng yếu của trường tinh thể mà đặc biệt là các thành phần lẻ của trường tinh thể, các thành phần này xuất hiện khi các ion RE chiếm các vị trí không có tính đối xứng đảo. Các thành phần lẻ này trộn một phần nhỏ các hàm sóng có tính chẵn - lẻ ngược lại (như 5d) với hàm sóng 4f. Bằng cách này thì quy tắc chọn lọc chẵn lẻ được nới rộng trong nội cấu hình 4f, dẫn đến có thể thực hiện một vài dịch chuyển quang.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu LaPO4 Sm3
Luận văn đã trình bày một cách hệ thống về quá trình nghiên cứu và phân tích tính chất quang của ion Sm3+ trong vật liệu LaPO4. Các kết quả thu được đã cung cấp những thông tin quan trọng về cấu trúc, hình thái và đặc tính phát quang của vật liệu. Việc ứng dụng lý thuyết Judd-Ofelt đã giúp làm sáng tỏ các thông số quang học cơ bản, mở ra hướng đi mới trong việc tối ưu hóa vật liệu cho các ứng dụng thực tế.
6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính
Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu LaPO4:Sm3+ có tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như laser rắn, cảm biến quang học và y sinh. Việc điều chỉnh các thông số chế tạo có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phát quang của vật liệu.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Thực Tế
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo để tạo ra vật liệu có kích thước nano và độ tinh khiết cao hơn. Ngoài ra, việc nghiên cứu các ứng dụng cụ thể của vật liệu trong các thiết bị quang học và y sinh cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.
