Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang kẽm orthosilicat pha tạp mangan ở nhiệt độ thấp

Nghiên cứu tổng hợp chất phát quang đơn pha từ kẽm orthosilicat pha tạp mangan và các chất khác ở nhiệt độ thấp, mở ra ứng dụng mới trong công nghệ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Xuân Thành
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chất Phát Quang Kẽm Orthosilicat Pha Tạp Mangan Ở Nhiệt Độ Thấp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Chất Phát Quang Kẽm Orthosilicat Zn2SiO4 Mn

Chất phát quang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống, từ đèn ống đến màn hình điện tử. Trong số các vật liệu phát quang vô cơ, kẽm orthosilicat (Zn2SiO4:Mn) là một vật liệu nền lý tưởng. Kẽm orthosilicat pha tạp mangan phát ra ánh sáng màu xanh lục, được ưa chuộng vì độ tinh khiết màu cao, độ bền hóa học, bền nhiệt và cường độ phát quang lớn. Ứng dụng của chất phát quang này rất đa dạng, bao gồm cả đèn LED và màn hình hiển thị. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc cải thiện hiệu suất phát quang và giảm chi phí sản xuất. "Do được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, các chất phát quang luôn được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu," như luận án đã chỉ ra. Việc tìm kiếm các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn là một ưu tiên.

1.1. Ứng Dụng Đa Dạng của Chất Phát Quang Zn2SiO4 Mn

Chất phát quang kẽm orthosilicat pha tạp mangan có nhiều ứng dụng quan trọng. Chúng được sử dụng trong đèn LED để tạo ra ánh sáng xanh lục hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Trong lĩnh vực màn hình hiển thị, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hình ảnh sắc nét và sống động. Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng trong cảm biến và các thiết bị y tế. Nghiên cứu về tính chất quang học của vật liệu này tiếp tục mở ra những ứng dụng mới tiềm năng. Phát triển vật liệu Zn2SiO4:Mn hiệu quả hơn sẽ góp phần vào sự tiến bộ của nhiều ngành công nghiệp.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Kẽm Orthosilicat Pha Tạp Mangan

Kẽm orthosilicat pha tạp mangan (Zn2SiO4:Mn) sở hữu nhiều ưu điểm so với các vật liệu phát quang khác. Chúng có độ tinh khiết màu cao, cho phép tạo ra ánh sáng xanh lục rất chính xác. Vật liệu này cũng có độ bền hóa học và bền nhiệt tốt, đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt. Quan trọng hơn, Zn2SiO4:Mn có cường độ phát quang cao, giúp tăng hiệu quả của các thiết bị sử dụng chúng. Những ưu điểm này khiến kẽm orthosilicat trở thành một lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng phát quang.

II. Thách Thức trong Tổng Hợp Zn2SiO4 Mn ở Nhiệt Độ Cao

Phương pháp truyền thống để tổng hợp chất phát quang kẽm orthosilicat pha tạp mangan là phản ứng pha rắn. Mặc dù đơn giản về mặt kỹ thuật, phương pháp này đòi hỏi nhiệt độ nung cao và thời gian dài. Điều này dẫn đến tiêu thụ năng lượng lớn và sản phẩm có kích thước hạt không đồng đều, đôi khi cần nghiền lại và nung lại. Ngoài ra, việc bảo vệ ion Mn(II) khỏi bị oxy hóa đòi hỏi môi trường khí trơ hoặc khử, làm tăng chi phí và độ phức tạp. Theo luận án, "phương pháp phản ứng pha rắn... tiêu tốn năng lượng lớn vì phối liệu cần phải nghiền và sau đó nung ở nhiệt độ cao trong thời gian dài." Do đó, cần có những phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.

2.1. Nhược Điểm của Phương Pháp Phản Ứng Pha Rắn Truyền Thống

Phương pháp phản ứng pha rắn, mặc dù phổ biến, có nhiều nhược điểm khi tổng hợp Zn2SiO4:Mn. Nhiệt độ nung cao, thường trên 900°C, tiêu thụ nhiều năng lượng. Thời gian nung kéo dài, có thể lên đến vài giờ, làm chậm quá trình sản xuất. Kích thước hạt của sản phẩm thường không đồng đều, ảnh hưởng đến tính chất quang học. Quan trọng hơn, việc kiểm soát môi trường nung để tránh oxy hóa mangan là một thách thức kỹ thuật lớn. Những hạn chế này thúc đẩy việc tìm kiếm các phương pháp tổng hợp thay thế.

2.2. Vấn Đề Kiểm Soát Oxy Hóa Mangan trong Quá Trình Nung

Trong quá trình nung ở nhiệt độ cao, ion Mn(II) có xu hướng bị oxy hóa thành Mn(III) hoặc Mn(IV), làm giảm hiệu suất phát quang. Để ngăn chặn điều này, cần phải nung trong môi trường khí trơ (ví dụ: N2) hoặc môi trường khử (ví dụ: H2/N2). Tuy nhiên, việc sử dụng khí hydro tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ và đòi hỏi các biện pháp an toàn nghiêm ngặt. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc sử dụng các chất khử khác hoặc các phương pháp tổng hợp khác để giảm thiểu vấn đề oxy hóa mangan.

2.3. Ảnh hưởng của Kích Thước Hạt không Đồng đều đến Tính Chất Phát Quang

Kích thước hạt không đồng đều ảnh hưởng đến tính chất phát quang của Zn2SiO4:Mn. Hạt lớn có thể có ít khuyết tật bề mặt hơn, dẫn đến cường độ phát quang cao hơn. Tuy nhiên, hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn hơn, có thể tương tác tốt hơn với ánh sáng kích thích. Sự phân bố kích thước hạt rộng có thể làm mờ phổ phát xạ và giảm hiệu quả tổng thể. Do đó, việc kiểm soát kích thước và hình dạng hạt là rất quan trọng để tối ưu hóa tính chất quang học của vật liệu.

III. Phương Pháp Sol Gel Tổng Hợp Zn2SiO4 Mn Nhiệt Độ Thấp

Phương pháp sol-gel là một lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho phản ứng pha rắn. Nó cho phép tổng hợp kẽm orthosilicat pha tạp mangan ở nhiệt độ thấp, giảm tiêu thụ năng lượng và tạo ra sản phẩm có kích thước hạt nhỏ và đồng đều hơn. Phương pháp này dựa trên quá trình thủy phân và ngưng tụ các tiền chất kim loại trong dung dịch, tạo thành một mạng lưới oxit ba chiều. Bằng cách kiểm soát các điều kiện phản ứng, có thể điều chỉnh cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và hình thái học của sản phẩm. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số sol-gel để đạt được hiệu suất phát quang cao nhất.

3.1. Ưu Điểm của Phương Pháp Sol Gel So Với Pha Rắn

Phương pháp sol-gel mang lại nhiều lợi thế so với phương pháp phản ứng pha rắn. Đầu tiên, nó cho phép tổng hợp ở nhiệt độ thấp, thường dưới 500°C, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Thứ hai, nó cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước hạt và hình thái học, tạo ra sản phẩm có độ đồng đều cao. Thứ ba, nó dễ dàng tích hợp các ion pha tạp vào mạng lưới oxit, cải thiện hiệu suất phát quang. Những ưu điểm này khiến sol-gel trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho việc sản xuất Zn2SiO4:Mn.

3.2. Kiểm Soát Cấu Trúc Tinh Thể và Kích Thước Hạt bằng Sol Gel

Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát chặt chẽ cấu trúc tinh thể và kích thước hạt của Zn2SiO4:Mn. Bằng cách điều chỉnh các thông số như nồng độ tiền chất, pH dung dịch, nhiệt độ và thời gian phản ứng, có thể điều chỉnh quá trình hình thành và phát triển của các hạt nano. Việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt cũng có thể giúp kiểm soát hình thái học của sản phẩm. Việc kiểm soát này rất quan trọng để tối ưu hóa tính chất quang học của vật liệu.

3.3. Tối Ưu Hóa Các Thông Số Sol Gel để Tăng Hiệu Suất Phát Quang

Để đạt được hiệu suất phát quang cao nhất, cần phải tối ưu hóa các thông số của quá trình sol-gel. Điều này bao gồm việc lựa chọn tiền chất phù hợp, điều chỉnh pH dung dịch, kiểm soát nhiệt độ và thời gian phản ứng, và sử dụng các chất phụ gia thích hợp. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm ra các điều kiện sol-gel tối ưu để tạo ra Zn2SiO4:Mn với cấu trúc tinh thể hoàn hảo, kích thước hạt đồng đều và nồng độ ion mangan tối ưu.

IV. Phương Pháp Thủy Nhiệt Tổng Hợp Vật Liệu Phát Quang Nano

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật khác để tổng hợp chất phát quang kẽm orthosilicat pha tạp mangan ở nhiệt độ thấp. Phương pháp này được thực hiện trong một bình kín (autoclave) dưới áp suất cao, cho phép các phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn so với điều kiện thường. Phương pháp thủy nhiệt thích hợp để tổng hợp các vật liệu nano có cấu trúc tinh thể tốt và độ tinh khiết cao. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc khám phá ảnh hưởng của các thông số thủy nhiệt, chẳng hạn như nhiệt độ, thời gian và thành phần dung dịch, đến tính chất quang học của Zn2SiO4:Mn.

4.1. Đặc Điểm và Ưu Thế của Phương Pháp Thủy Nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật tổng hợp vật liệu trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng tạo ra các vật liệu có cấu trúc tinh thể tốt, độ tinh khiết cao và kích thước hạt nano. Nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp khác giúp giảm thiểu sự mất mát mangan do bay hơi và kiểm soát tốt hơn nồng độ mangan trong sản phẩm. Môi trường áp suất cao thúc đẩy quá trình hòa tan và phản ứng, dẫn đến hiệu suất cao hơn.

4.2. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ và Áp Suất trong Quá Trình Thủy Nhiệt

Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng trong quá trình thủy nhiệt. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và độ hòa tan của các tiền chất. Áp suất cao giúp duy trì trạng thái lỏng của nước ở nhiệt độ cao hơn, tạo điều kiện cho các phản ứng diễn ra. Điều chỉnh nhiệt độ và áp suất một cách cẩn thận có thể kiểm soát cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và hình thái học của sản phẩm.

4.3. Tối Ưu Hóa Thành Phần Dung Dịch Thủy Nhiệt để Cải Thiện Phát Quang

Thành phần của dung dịch thủy nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát tính chất quang học của Zn2SiO4:Mn. Việc sử dụng các chất điều chỉnh pH, chất hoạt động bề mặt hoặc các ion khoáng hóa có thể ảnh hưởng đến quá trình kết tinh và sự phân bố của mangan trong mạng lưới oxit. Tối ưu hóa thành phần dung dịch có thể cải thiện hiệu suất phát quang, độ tinh khiết màu và độ bền của vật liệu.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng của Chất Phát Quang Zn2SiO4 Mn

Chất phát quang kẽm orthosilicat pha tạp mangan có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như đèn LED, màn hình hiển thị, cảm biến và y học. Trong đèn LED, chúng được sử dụng để tạo ra ánh sáng xanh lục hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Trong màn hình hiển thị, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hình ảnh sắc nét và sống động. Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng trong các thiết bị cảm biến để phát hiện các chất hóa học hoặc sinh học. Các nghiên cứu đang tiếp tục khám phá những ứng dụng mới tiềm năng của vật liệu này.

5.1. Zn2SiO4 Mn trong Đèn LED Thế Hệ Mới Tiết Kiệm Năng Lượng

Zn2SiO4:Mn là một vật liệu quan trọng trong đèn LED thế hệ mới. Chúng được sử dụng làm lớp phủ phát quang trên chip LED xanh lam để tạo ra ánh sáng trắng. Hiệu suất phát quang cao và độ bền của Zn2SiO4:Mn giúp tăng hiệu quả và tuổi thọ của đèn LED, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì.

5.2. Ứng Dụng Zn2SiO4 Mn trong Màn Hình Hiển Thị Chất Lượng Cao

Zn2SiO4:Mn đóng vai trò quan trọng trong màn hình hiển thị chất lượng cao. Chúng được sử dụng trong các màn hình LCD và OLED để tạo ra màu xanh lục chính xác và sống động. Độ tinh khiết màu cao và độ bền của Zn2SiO4:Mn giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và tuổi thọ của màn hình hiển thị.

5.3. Tiềm Năng của Zn2SiO4 Mn trong Cảm Biến và Ứng Dụng Y Tế

Zn2SiO4:Mn có tiềm năng lớn trong cảm biến và các ứng dụng y tế. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất hóa học hoặc sinh học bằng cách theo dõi sự thay đổi trong tính chất phát quang. Ngoài ra, chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng chẩn đoán và điều trị bằng ánh sáng. Các nghiên cứu đang tiếp tục khám phá những ứng dụng mới tiềm năng của vật liệu này trong lĩnh vực y tế.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Chất Phát Quang Zn2SiO4 Mn

Nghiên cứu về chất phát quang kẽm orthosilicat pha tạp mangan tiếp tục là một lĩnh vực đầy hứa hẹn. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp, sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và cải thiện tính chất quang học của vật liệu. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc khám phá các chất pha tạp mới, tối ưu hóa cấu trúc tinh thể và hình thái học, và phát triển các ứng dụng mới trong các lĩnh vực như đèn LED, màn hình hiển thị, cảm biến và y học. Với những tiến bộ không ngừng, Zn2SiO4:Mn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ phát quang.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Phát Quang Mới

Hướng nghiên cứu quan trọng là phát triển các vật liệu phát quang mới với hiệu suất phát quang cao hơn, độ bền tốt hơn và giá thành thấp hơn. Điều này bao gồm việc khám phá các chất nền khác nhau, các chất pha tạp mới và các phương pháp tổng hợp tiên tiến. Các kỹ thuật mô phỏng máy tính cũng có thể được sử dụng để dự đoán tính chất của các vật liệu mới và hướng dẫn quá trình nghiên cứu thực nghiệm.

6.2. Tối Ưu Hóa Cấu Trúc Tinh Thể và Hình Thái Học Vật Liệu

Tối ưu hóa cấu trúc tinh thể và hình thái học là một hướng nghiên cứu quan trọng khác. Việc kiểm soát kích thước hạt, hình dạng và sự sắp xếp của các hạt nano có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất quang học. Các kỹ thuật như sol-gel, thủy nhiệt và lắng đọng pha hơi có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu với cấu trúc được thiết kế riêng.

6.3. Phát Triển Ứng Dụng Mới trong Nhiều Lĩnh Vực Công Nghiệp

Phát triển các ứng dụng mới cho chất phát quang trong nhiều lĩnh vực công nghiệp là một hướng nghiên cứu quan trọng. Điều này bao gồm việc cải thiện hiệu suất của đèn LED, phát triển các màn hình hiển thị tiên tiến hơn, tạo ra các cảm biến nhạy hơn và ứng dụng trong các phương pháp điều trị y tế mới. Sự hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và các nhà sản xuất là rất quan trọng để đưa những phát minh này vào thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Chất phát quang 1. Một số thuật ngữ liên quan đến chất phát quang Phát quang là hiện tượng phát ra ánh sáng của chất sau khi hấp thụ năng lượng bên ngoài. Một photon có năng lượng cao hơn được hấp thụ và một photon có năng lượng thấp hơn được phát xạ, nghĩa là tia sáng được phát ra có bước sóng dài hơn so với tia kích hoạt [1].

Có nhiều nguồn bức xạ kích thích khác nhau. Quang phát quang là sự phát quang do tác dụng của photon ánh sáng. Điện phát quang là phát quang do tác dụng của năng lượng điện, phát quang tia âm cực là dùng tia âm cực hoặc chùm electron có năng lượng đủ lớn để gây ra sự phát quang [1]. Phát quang có thể chia ra 2 loại huỳnh quang và lân quang.

Huỳnh quang: sự phát sáng chỉ kéo dài được 10-8 giây (khoảng 10-9 ÷ 10-3 giây) sau khi ngừng kích thích, tức là dừng lại hẳn ngay sau khi dừng nguồn kích thích. Lân quang: sự phát sáng còn tiếp tục kéo dài thêm một thời gian nữa (thường là từ 10-3 ÷ 100,0 giây) sau khi ngừng kích thích. Lân quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng của các photon thành năng lượng của các e ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng bền trong phân tử để sau đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một phần năng lượng trở lại ở dạng photon. Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở lại trạng thái cũ kèm theo nhả ra photon rất chậm.

Trong huỳnh quang sự rơi về trạng thái cũ của electron gần như tức thời, photon được giải phóng ngay. Các chất lân quang do đó hoạt động như bộ dự trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả ánh sáng sau đó [1]. Sự hấp thụ ánh sáng và màu sắc 1. Bức xạ điện từ và ánh sáng Bức xạ điện từ được chia thành các dải theo bước sóng như hình 1.

1 Dải bức xạ điện từ [2] Ánh sáng nhìn thấy nằm trong một vùng phổ với bước sóng từ 0,4 µm đến 0,7 µm. Như vậy chất rắn vô cơ có thể chia thành 2 nhóm: các chất hấp thụ ánh sáng (tạo màu) và các chất phát xạ ánh sáng (chất phát quang và laze trạng thái rắn). Các chất màu dùng cho sơn và các chất phát quang dùng cho màn hình tivi hoặc đèn, … Theo quan điểm cổ điển, bức xạ điện từ là sóng gồm hai thành phần điện trường và từ trường vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền. Ánh sáng và nhiệt (hay là bức xạ năng lượng), sóng rađio, sóng rađa, tia Rơnghen, đều là các dạng bức xạ điện từ [2].

Mỗi một dạng bức xạ điện từ được đặc trưng bởi một phạm vi đặc thù của bước sóng và kỹ thuật tạo ra nó. 2 Sóng điện từ [2] 1. Hấp thụ, phản xạ và truyền qua [2, 3] Theo thuyết lượng tử, khi chùm photon chiếu vào một chất rắn, sẽ diễn ra sự tương tác. Theo nguyên lý tán xạ bức xạ điện từ của Huygen, khi các photon đến gần tiếp xúc với một chất rắn, các vectơ điện trường và từ trường của các photon tới cặp đôi với các vectơ điện trường và từ trường của các electron trong các nguyên tử của chất rắn.

Cơ chế này được minh họa ở hình 1.3 như sau: 10 R - bức xạ được phản xạ; A - bức xạ được hấp thụ; T - bức xạ được truyền qua ; S - bức xạ được tán xạ. 3 Cơ chế tương tác của photon với chất rắn [2] Một phần cường độ ban đầu Io được hấp thụ, phần khác được truyền qua, phần khác được tán xạ và một phần khác nữa được phản xạ. Các thành phần S và T không phụ thuộc vào bước sóng của photon tới; trong khi R và A chủ yếu phụ thuộc vào bước sóng. Chất phát quang vô cơ Chất phát quang vô cơ là các chất được chế tạo từ các hợp chất vô cơ dạng tinh thể, có khả năng phát ra ánh sáng sau khi hấp thụ năng lượng.

Năng lượng bức xạ của chất phát quang nhỏ hơn năng lượng kích thích, nghĩa là sự phát sáng của chất rắn chuyển dịch về phía có bước sóng dài hơn so với tia kích thích [4]. Cấu tạo Vật liệu phát quang vô cơ loại có pha tạp hầu hết thường gồm chất nền và chất kích hoạt. Chất nền chiếm thành phần chủ yếu trong vật liệu, chất kích hoạt chiếm một lượng rất nhỏ [3]. - Chất nền là những chất có vùng cấm rộng, có tính trong suốt đối với bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng bức xạ kích thích của các tâm phát quang.

Chất làm nền, ngoài tính trơ về quang học còn cần có độ bền về cơ lý hóa, ổn định về cấu trúc và có khả năng đính các nguyên tử pha tạp trong nút mạng. Các chất nền thông thường là các oxit, sunfua, silicat, aluminat, borat, photphat, vanadat và tungstat, chẳng hạn như Y2O3, ZnS, Zn2SiO4, Y3Al5O12, LaPO4, YVO4, CaWO4 [5]. - Chất kích hoạt thường là cation của các nguyên tố chuyển tiếp Mn, Bi, Cu, Ag, … hoặc các nguyên tố đất hiếm như Tb, Eu, Ce, … Đặc điểm của các ion này là có nhiều các obitan trống, đó là các vị trí để electron nhảy lên khi bị kích thích và sau đó trở về trạng thái năng lượng thấp hơn kèm theo phát xạ [1]. 11 Yêu cầu chung của chất nền và chất kích hoạt như sau: - Cation chất kích hoạt và cation chất nền cần phải phù hợp về kích thước (bán kính ion) để thu được chất phát quang có cường độ phát quang cao nhất.

Nếu kích thước của 2 cation này không khớp nhau sẽ làm biến dạng mạng lưới và hạn chế khả năng của chất kích hoạt đi vào trong mạng chất nền. Chất kích hoạt thường có trạng thái oxi hóa tương tự các cation chất nền để chúng có thể đi vào mạng lưới chất nền dưới dạng tạp chất thay thế, tạp chất lỗ trống hay xâm nhập [4]. - Ngoài ra, vật liệu phát quang còn có thể bổ sung thêm một lượng chất phụ gia thứ hai gọi là chất tăng nhạy. Chất phát quang được ký hiệu: MnYOb:Nx, trong đó MnYOb: chất nền (M: cation, YOb: anion); N: chất kích hoạt.

Đặc tính phát quang của vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của vật liệu nền và chất kích hoạt, sự tác động qua lại giữa chúng sẽ quyết định hiệu quả phát quang. Chất nền đóng vai trò làm cấu trúc tinh thể chủ, chất kích hoạt có thể đi vào các vị trí khuyết tật bên trong cấu trúc đó như khuyết tật xâm nhập, khuyết tật thay thế,. Các cation chất kích hoạt thay thế một phần các cation của chất nền trong mạng tinh thể, khi đó chất phát quang được biểu diễn bằng công thức M(n – x)NxYOb. Một dạng khuyết tật thường gặp trong mạng tinh thể được thể hiện ở hình 1.

4 Một số dạng khuyết tật thường gặp trong mạng tinh thể [7] 1. Ứng dụng Các chất phát quang vô cơ được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực: - Đèn huỳnh quang [8], bảng hiển thị plasma ống tia catot [8-10], … - Chế tạo các màn hình điện tử, thiết bị bức xạ điện tử [8, 10], … - Chất màu trong các loại sơn [8], … - Mực in bảo mật mã vạch, thẻ tín dụng, hóa đơn [8],… - Các thiết bị diệt khuẩn y tế, sinh học sử dụng bức xạ [11],… 12 1. Cơ chế phát quang Khi chiếu nguồn bức xạ kích thích vào chất phát quang thì xảy ra các quá trình biến đổi năng lượng (hình 1. 5 Sơ đồ mức năng lượng của chất phát quang [5] Chuỗi quá trình này bao gồm: - Quá trình hấp thụ năng lượng (từ nguồn năng lượng).

- Quá trình kích thích bên trong tâm hoạt tính để chuyển lên trạng thái kích thích. - Quá trình nghỉ của trạng thái kích thích (ở đây năng lượng bị mất cho trạng thái dao động của mạng tinh thể). - Quá trình phát xạ photon có năng lượng thấp hơn từ trạng thái kích thích, và quá trình nghỉ trở về trạng thái cơ bản (trạng thái nền). Trong chất phát quang, quá trình hấp thụ năng lượng có thể xảy ra trong chất nền hoặc trực tiếp trong tâm hoạt hóa.

Tâm hoạt hóa hấp thụ năng lượng và thay đổi trạng thái năng lượng điện tử của nó từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích [3, 4, 5]. Theo giản đồ mức năng lượng của chất phát quang rắn ở hình 1.5, sự phát xạ có thể xảy ra trong quá trình chuyển hóa giữa 2 trạng thái năng lượng của chất kích hoạt, hoặc giữa vùng dẫn và một trạng thái năng lượng của chất kích hoạt. Điện tử có thể bị kích thích nhiệt chuyển từ bẫy lên vùng dẫn. Trạng thái năng lượng của chất kích hoạt là trạng thái mà điện tử có thể dễ dàng đi vào và đi ra.

Nói cách khác, điện tử có thể tái hợp trực tiếp, bằng cách quay trở về vùng dẫn.5 thể hiện hai khả năng tái hợp của điện tử: - Khả năng thứ nhất: điện tử chuyển lên trạng thái kích thích của chất kích hoạt, và phát xạ bằng cách chuyển về trạng thái cơ bản của chất kích hoạt. 13 - Khả năng thứ hai: điện tử bị giữ lại trong các bẫy nằm trong các mức năng lượng không cho phép các chuyển hóa liên quan đến phát xạ. Sau đó, điện tử được kích thích nhiệt chuyển lên vùng dẫn, và cuối cùng phát xạ bằng cách chuyển về mức năng lượng của chất kích hoạt.6 minh họa thêm về cơ chế phát bức xạ của chất phát quang vô cơ trong trường hợp có thêm chất tăng nhạy [4, 12]. 6 Cơ chế phát quang có chất tăng nhạy [4] a) mạng tinh thể nền H, chất kích hoạt A b) Mạng tinh thể nền H, chất kích hoạt A và chất tăng nhạy S Sự chuyển năng lượng không bức xạ trong chất phát quang có chứa chất tăng nhạy xảy ra khi có các điều kiện sau: - Mức năng lượng của chất kích hoạt và chất tăng nhạy ở trạng thái kích thích gần nhau.

- Ion kích hoạt và ion tăng nhạy chiếm vị trí gần nhau trong mạng lưới tinh thể nền. Dưới tác dụng của nguồn kích thích, các ion chất tăng nhạy nhảy lên trạng thái kích thích và sau đó sẽ chuyển năng lượng cho ion kích hoạt bên cạnh. Lúc này, quá trình chuyển không xảy ra sự mất năng lượng (hoặc chỉ mất một phần năng lượng), còn ion của chất tăng nhạy lại chuyển về trạng thái cơ bản. Cuối cùng ion kích hoạt chuyển sang trạng thái cơ bản và phát ra ánh sáng [1].