Khóa luận Phân tích các quá trình quang học trong thủy tinh borate kim loại kiềm chứa đất hiếm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHAN THỊ HOÀI THƯƠNG
PHÂN TÍCH CÁC QUÁ TRÌNH QUANG HỌC TRONG
THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM CHỨA
ĐẤT HIẾM
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
KHÓA 54
Ngành: Sư phạm Vật lí
Quảng Bình, 2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA: KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHAN THỊ HOÀI THƯƠNG
PHÂN TÍCH CÁC QUÁ TRÌNH QUANG HỌC TRONG
THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM CHỨA
ĐẤT HIẾM
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
KHÓA 54
Ngành: Sư phạm Vật lí
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN NGỌC
Quảng Bình, 2016
Lời cảm ơn
Hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn
quý thầy, cô giáo Trường Đại học Quảng Bình, khoa Khoa học Tự nhiên
đã tận tình truyền đạt kiến thức, giúp đỡ em trong suốt quá trình học
tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền
tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quý báu
để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Ngọc.
Thầy giáo không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành khóa
luận tốt nghiệp mà còn là người động viên, cổ vũ em trong suốt quá trình
làm khóa luận tốt nghiệp; truyền cho em sự lạc quan, lòng đam mê khoa
học, tinh thần học hỏi không ngừng.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên chủ nhiệm – Ths. Trần
Ngọc Bích và tập thể ĐHSP Vật lí K54 đã giúp đỡ động viên, khích lệ em
trong quá trình học tập.
Và sau cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong
gia đình. Bằng những tình cảm thân thương với sự cảm thông, sự quan
tâm và sẻ chia đã cho em nghị lực và tinh thần để hoàn thành khóa luận
tốt nghiệp.
Kính chúc tất cả quý thầy cô, gia đình, bạn bè sức khỏe và thành
công!
Quảng Bình, tháng 05 năm 2016
Sinh viên
Phan Thị Hoài Thương
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là
hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kì công
trình nào khác. Mọi tham khảo sử dụng trong khóa luận đều được trích dẫn rõ ràng
tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.
Quảng Bình, tháng 5 năm 2016
Tác giả khóa luận
Phan Thị Hoài Thương
iv
MỤC LỤC
Trang phụ bìa ................................................................................................... iii
Lời cảm ơn .......................................................................................................iiv
Lời cam đoan................................................................................................. viiii
MỤC LỤC.........................................................................................................iv
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1
1. Lí do chọn đề tài........................................................................................ 1
2. Lịch sử vấn đề nghiên cứu ........................................................................ 1
3. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................. 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu................................................................................ 2
5. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 2
6. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 2
7. Phạm vi nghiên cứu................................................................................... 3
8. Cấu trúc khóa luận .................................................................................... 3
NỘI DUNG........................................................................................................4
quang học.................................................................................................. 5
1.1.4.1. Định nghĩa.................................................................................... 8
v
1.2. Lí thuyết về đất hiếm............................................................................ 23
1.3. Sơ lược về thủy tinh............................................................................. 27
1.3.2. Phân loại thủy tinh ....................................................................... 28
2.1. Công nghệ chế tạo mẫu........................................................................ 31
2.1.2. Giai đoạn khử bọt.......................................................................... 31
2.2. Các phép đo.......................................................................................... 37
2.2.1. Nhiễu xạ tia X................................................................................ 37
3.1. Phổ hấp thụ........................................................................................... 40
3.2. Phổ kích thích....................................................................................... 44
3.3. Phổ phát quang..................................................................................... 45
3.4. Thời gian sống...................................................................................... 51
3.4.2. Thời gian sống............................................................................... 53
KẾT LUẬN.....................................................................................................55
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG KHÓA LUẬN
Trang
4
Hình
Chú thích
Hình 1.1. Sơ đồ vùng năng lượng của điện môi và bán dẫn
Hình 1.2. Các chuyển dời quang học
5
Hình 1.3. Mô tả định luật Beer – Lambert
6
Hình 1.4a. Quá trình huỳnh quang
10
10
12
12
15
16
22
25
Hình 1.4b. Quá trình lân quang
Hình 1.5a. Quá trình phát quang tâm bất liên tục A
Hình 1.5b. Quá trình phát quang tâm tái hợp A
Hình 1.6. Quá trình kích thích
Hình 1.7. Sự truyền năng lượng giữa các tâm S và A có khoảng cách R
Hình 1.8. Giãn đồ cho cơ chế dập tắt huỳnh quang theo nồng độ
Hình 1.9. Giãn đồ các mức năng lượng Dieke
Sơ đồ năng lượng đơn giản hóa của ion Ce3+
Sự tách mức năng lượng của ion Dy3+
Hình 1.10.
26
27
Hình 1.11.
Hình 2.1. Cân hóa chất
33
34
35
35
36
36
37
Hình 2.2. Khuôn than dùng để chế tạo mẫu
Hình 2.3. Lò nung phòng thí nghiệm Hóa, Trường Đại học Quảng Bình
Hình 2.4. Chế độ gia nhiệt trong quá trình chế tạo vật liệu
Hình 2.5. Hình ảnh máy cắt
Hình 2.6 Mẫu thủy tinh BLN sau khi mài và đánh bóng
Hình 2.7. Máy nhiễu xạ tia X
Giãn đồ nhiễu xạ tia X của mẫu thủy tinh BLN nồng độ tạp
2% mol Dy3+.
Hình 2.8.
38
Hình 2.9. Sơ đồ khối của hệ đo quang huỳnh quang
Hình 3.1. Phổ hấp thụ của ion Ce3+ trong thủy tinh BLN
Hình 3.2. Dịch chuyển 4f – 5d trong cấu hình D3h
39
40
40
Phổ hấp thụ của Dy3+ trong thủy tinh BLN
Hình 3.3
41
42
Hình 3.4 Các chuyển dời hấp thụ của Dy3+ trong vùng năng lượng cao
ix
của thủy tinh BLN đã chế tạo
Phổ hấp thụ của ion Dy3+ và Ce3+ trong thủy tinh BLN
Phổ kích thích phát quang của ion Dy3+ với các nồng độ khác
Hình 3.5
Hình 3.6
43
44
nhau trong thủy tinh BLN
Phổ kích thích của ion Ce3+ và Ce3+, Dy3+ đồng pha tạp với
Hình 3.7
45
các nồng độ khác nhau trong thủy tinh BLN
Phổ quang phát quang của ion Ce3+ trong thủy tinh BLN
Phổ quang phát quang của ion Dy3+ với các nồng độ khác
nhau trong thủy tinh BLN
Hình 3.8
Hình 3.9
46
46
Sự thay đổi cường độ (đỉnh 576nm) của thủy tinh BLN: xDy:
x= (0,1; 0,25; 0,5; 1; 2) % mol
Sơ đồ chuyển dời hấp thụ và bức xạ của ion Dy3+
Hình 3.10
Hình 3.11
47
48
48
Hình 3.12 Phổ quang phát quang của hệ thủy tinh
Phổ huỳnh quang của Ce3+ trong hệ BLN đồng pha tạp Ce3+
và Dy3+
Hình 3.13
49
Đường cong suy giảm phát quang của hệ thủy tinh BLN có
Hình 3.14
51
53
nồng độ: 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 và 5mol% Dy3+
Sơ đồ mức năng lượng cho thấy quá trình truyền năng lượng
Hình 3.15
hồi phục ngang của Dy3+ trong thủy tinh BLN
x
DANH SÁCH CÁC BẢNG TRONG KHÓA LUẬN
Bảng
Chú thích
Trang
Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hóa trị
24
Bảng 1.1
3
Bảng tính toán phối liệu trên Microsolt excel
33
36
Bảng 2.1
Các hệ mẫu với nồng độ tạp khác nhau đã được chế tạo
Bảng 2.2
Bước sóng λ(nm); năng lượng v(cm-1) và năng lượng E(eV)
Bảng 3.1 tương ứng với các đỉnh phổ hấp thụ của Dy3+ (trong vùng
41
43
năng lượng cao).
Bước sóng(nm), năng lượng v (cm-1) và năng lượng E (eV)
Bảng 3.2 tương ứng với các đỉnh phổ hấp thụ của Dy3+ (trong vùng
năng lượng thấp).
Sự thay đổi cường độ đỉnh huỳnh quang của ion Ce3+ trong
Bảng 3.3
49
51
hệ đơn pha tạp Ce3+ và hệ đồng pha tap Dy3+ và Ce3+
Thời gian sống huỳnh quang của mức F9/2 của ion Dy3+
4
Bảng 3.4
trong nền BLiNa có nồng độ khác nhau
Năng lượng chuyển dời (ν), tính chất chuyển dời bức xạ (Sed,
Bảng 3.5 Smd, A và AT), thời gian sống bức xạ (τR) và tỉ số phân nhánh
(βR) cho các trạng thái kích thích.
53
xi
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, việc tìm kiếm vật liệu cho các linh kiện quang và
nguồn sáng hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy (white LED) với yêu cầu ngày
càng cao về số lượng cũng như chất lượng. Thủy tinh là sự lựa chọn hàng đầu cho
các nghiên cứu trong lĩnh vực này ở các phòng thí nghiệm vật liệu quang học trên
thế giới, vì công nghệ chế tạo thủy tinh khá đơn giản, sản phẩm có độ truyền qua
tốt, có độ ổn định cơ, hóa cao.
Thủy tinh hỗn hợp borate kiềm có tập hợp các đặc tính ưu việt cần thiết của
một sản phẩm thủy tinh cao cấp vì: borate làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt, bền hoá;
có khả năng hòa tan lớn các tạp đất hiếm (RE). Thủy tinh pha tạp các ion đất hiếm
(RE) là vật liệu quan trọng đối với các ứng dụng quang học như lasers, cảm biến và
khuếch đại quang học.
Khi nền thủy tinh borate chứa các nguyên tố đất hiếm, sẽ phát quang ở các
bước sóng đặc trưng do đó ion RE có thể dùng như đầu dò rất hiệu quả để đánh giá
các môi trường cục bộ xung quanh ion RE, vì các chuyển dời f – f của nó cung cấp
nhiều thông tin hữu ích về cấu trúc của trường tinh thể xung quanh ion đó. Về bản
chất, các nguyên tố được pha tạp trở thành các tâm có hoạt tính quang học mạnh tạo
nên các khả năng hấp thụ và bức xạ các photon quang học trong các vùng sóng khác
nhau, đây là cơ sở cho ứng dụng trong chế tạo các linh kiện quang.
Từ những vấn đề đã nêu trên, tôi lựa chọn đề tài: “Phân tích các quá trình
quang học trong thủy tinh borate kim loại kiềm chứa đất hiếm” làm khóa luận tốt
nghiệp của mình.
2. Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo thuỷ tinh chứa các nguyên tố đất hiếm
hoặc các nguyên tố chuyển tiếp đã được thực hiện trong những năm gần đây ở các
phòng thí nghiệm, đó là: Phòng thí nghiệm Quang phổ ứng dụng và Ngọc học thuộc
Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam: Nghiên
cứu chế tạo thuỷ tinh Li2B4O7 bằng phương pháp nóng chảy với mục tiêu chính là
tìm kiếm vật liệu để chế tạo liều kế đo liều xạ trị sử dụng trong y học. Chế tạo và
1
nghiên cứu tính chất quang của vật liệu thủy tinh alkali aluminate borate pha tạp
Europium bằng phương pháp nóng chảy với mục tiêu làm linh kiện quang tử [8].
Nghiên cứu chế tạo thủy tinh borotellurite pha tạp Eu3+ cho mục tiêu làm vật liệu
cho truyền dẫn quang và viễn thông. Phòng thí nghiệm Vật lý Quang học của Đại
học Khoa học Huế: Nghiên cứu chế tạo thủy tinh photphats pha tạp các nguyên tố
đất hiếm hướng tới mục tiêu làm vật liệu cho laser. Song song với việc chế tạo vật
liệu là thực hiện các nghiên cứu cơ bản trên các hệ vật liệu này phục vụ cho mục
tiêu giảng dạy và nghiên cứu khoa học cho giảng viên và sinh viên ngành vật lý.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của khóa luận là nghiên cứu các quá trình quang học (hấp thụ, phát
quang) trong thủy tinh borate kim loại kiềm chứa đất hiếm thông qua việc đánh giá
thời gian sống và kết quả đo phổ của các mẫu thủy tinh borate kim loại kiềm chứa
đất hiếm.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên đây, các nhiệm vụ cụ thể bao gồm:
- Chế tạo các mẫu thủy tinh borate kim loại kiềm đồng pha tạp Ce3+, Dy3+ tại
trường Đại học Quảng Bình.
- Thực hiện các phép đo hấp thụ, phép đo huỳnh quang và phép đo thời gian
sống của thủy tinh borate kim loại kiềm chứa đất hiếm để từ đó phân tích các quá
trình quang học.
+ Nghiên cứu về phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang và thời gian sống của các
chuyển dời trong các tâm đất hiếm và kim loại chuyển tiếp liên quan đến các quá
trình truyền năng lượng giữa các tâm này.
+ Phân tích đánh giá các đại lượng vật lý liên quan đến các quá trình hấp thụ,
bức xạ, cấu trúc năng lượng, liên kết ion mạng nền, tạp và các quá trình truyền năng
lượng giữa các ion đất hiếm trong nền thuỷ tinh.
5. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu thủy tinh borate kim loại kiềm chứa đất hiếm.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lí thuyết
+ Sử dụng lý thuyết phát quang kết hợp với lí thuyết thủy tinh.
- Phương pháp thực nghiệm
2
+ Xác định qui trình công nghệ chế tạo các mẫu nói trên chủ yếu bằng phương
pháp nóng chảy với các thành phần và tỷ lệ khác nhau của tạp để thu được các mẫu
thủy tinh có thành phần và đặc tính lý, hóa …vv như mong muốn, đó là bền về mặt hóa
học, cơ học, có độ trong suốt rộng trong cả vùng nhìn thấy, tử ngoại và hồng ngoại gần.
+ Nghiên cứu các tính chất quang của vật liệu thông qua phổ hấp thụ, phổ
quang phát quang, phổ kích thích.
7. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài khóa luận này phân tích các quá trình quang học của thủy tinh borate
kim loại kiềm pha tạp đất hiếm và xác định được phương pháp chế tạo một số mẫu
thủy tinh borate kim loại kiềm pha tạp đất hiếm điển hình (Ce3+, Dy3+).
8. Cấu trúc khóa luận
Khóa luận gồm 3 phần chính: mở đầu, nội dung và kết luận.
Phần nội dung gồm các chương:
Chương I. Tổng quan về lí thuyết: Trình bày lí thuyết về hiện tượng phát
quang, vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm.
Chương II. Kỹ thuật thực nghiệm: Trình bày công nghệ chế tạo mẫu và
nguyên lí các phép đo sẽ sử dụng trong khóa luận.
Chương III. Kết quả và thảo luận: Trình bày các kết quả phép đo: phổ hấp
thụ, phổ kích thích, phổ huỳnh quang.
3
NỘI DUNG
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT
1.1. Tổng quan lý thuyết về hiện tượng phát quang
1.1.1. Cơ sở lí thuyết vùng năng lượng [9]
Lí thuyết vùng năng lượng là công cụ giúp chúng ta giải thích quá trình phát
quang của các vật liệu khá hiệu quả. Theo lí thuyết này thì mỗi một điện tử riêng
biệt chỉ có thể tồn tại trên các trạng thái được mô tả bởi các mức năng lượng gián
đoạn thu được từ việc giải phương trình Schrodinger. Khi các nguyên tử và ion kết
hợp với nhau tạo thành mạng tinh thể thì sự tương tác giữa chúng làm cho các mức
năng lượng điện tử bên ngoài mở rộng thành các dải năng lượng cho phép phân bố
liên tục và tách đôi bởi một khoảng cách năng lượng được gọi là vùng cấm Eg. Dải
có mức năng lượng cao nhất được lấp đầy điện tử được gọi là vùng hóa trị Ev, dải có
mức năng lượng thấp nhất không được lấp đầy điện tử được gọi là vùng dẫn Ec.
Hình 1.1. Sơ đồ vùng năng lượng của điện môi và bán dẫn
Do các sai hỏng mạng hay các khuyết tật của mạng tinh thể khi sự có mặt của
các tạp chất mà tính chất tuần hoàn của các cấu trúc bị vi phạm, dẫn đến sự xuất
hiện các mức năng lượng định xứ trong vùng cấm. Các mức năng lượng định xứ
này có thể chia thành hai loại:
+ Các mức nằm bên dưới đáy vùng dẫn và mức trên Fermi (Ef) có xu hướng
bắt các điện tử thường gọi là các mức Donor (ED) (hay bẫy điện tử).
+ Các mức nằm trên đỉnh vùng hóa trị và bên dưới Ef có xu hướng bắt các lỗ
trống thì được gọi là các mức acceptor EA (hay bẫy lỗ trống).
4
Vì lí do này mà vùng dẫn và vùng hóa trị còn được gọi là vùng năng lượng
không định xứ, còn vùng cấm được gọi là vùng năng lượng định xứ.
1.1.2. Phân tích các quá trình chuyển dời hấp thụ và bức xạ của các tâm quang
học [9]
Khi chiếu một chùm bức xạ vào khối vật chất, sự tương tác xảy ra thông qua
tương tác bức xạ với tâm quang học. Để đơn giản, chúng ta bắt đầu từ trường hợp
các tâm có nồng độ thấp nằm trong môi trường quang học, có thể bỏ qua sự tương
tác lẫn nhau do đó ta chỉ cần khảo sát tính chất từng tâm riêng biệt kết hợp với một
vài sự đánh giá thống kê thích hợp. Sau đó chúng ta xét trường hợp nồng độ các tâm
lớn hơn đủ để xuất hiện sự tương tác giữa các tâm lân cận, điều đó đòi hỏi phải
khảo sát các quá trình động học phức tạp hơn.
Tuy nhiên cho dù trường hợp nào thì các quá trình quang học trong các tâm
cũng bao gồm các chuyển dời kích thích và bức xạ có thể mô tả bởi sơ đồ mức năng
lượng như hình 1.2.
Hình 1.2. Các chuyển dời quang học
Chuyển dời bức xạ
Chuyển dời không bức xạ
Ta thấy, khoảng cách năng lượng giữa các mức này không đều nhau. Ta có thể
kích thích các điện tử vốn nằm ở mức cơ bản E0 lên một trong các mức cao hơn.
Theo phân bố Boltzman-Marxwell các điện tử có khuynh hướng chuyển dời xuống
các mức năng lượng thấp hơn. Lúc đó xuất hiện hai khả năng:
+ Nếu chuyển dời xảy ra giữa các mức năng lượng có khoảng cách đủ hẹp thì
tâm trở về trạng thái cơ bản không phát photon mà chỉ phát phonon, ta gọi là
chuyển dời không phát xạ.
5
+ Nếu chuyển dời xảy ra giữa các mức năng lượng có khoảng cách đủ lớn, cụ
thể là lớn hơn một giá trị ngưỡng nào đó thì quá trình chuyển dời sẽ kèm theo sự
phát photon và ta gọi là chuyển dời phát xạ.
Như vậy để hiểu các quá trình quang học của các tâm, ta phải biết các vị trí
mức năng lượng của điện tử, bản chất các quá trình kích thích và phát xạ. Con
đường hiệu quả nhất để đạt được điều đó là khảo sát các quá trình hấp thụ và huỳnh
quang của vật liệu chứa các tâm.
1.1.3. Sự hấp thụ quang học
Như chúng ta đã biết, các quá trình quang học xảy ra trong vật liệu thường bắt
đầu từ quá trình hấp thụ năng lượng từ bên ngoài, vì vậy phương pháp nghiên cứu phổ
hấp thụ thường cho ta các thông tin hữu ích làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo.
1.1.3.1. Định luật Beer – Lambert
Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua môi trường vật chất có chiều dày
d thì cường độ của tia sáng ban đầu I0 sẽ bị giảm đi chỉ còn là I (hình 1.3).
Vật
I0 (ν)
liệu
I (ν)
d
Hình 1.3. Mô tả định luật Beer – Lambert
Năng lượng ánh sáng (phụ thuộc vào tần số ) xác định được là:
E = h. = h.c/
Sự suy giảm cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường hấp thụ được xác định
theo định luật Beer - Lambert: I(0) = I0(0).exp(-d)
Trong đó: I(0) là cường độ ánh sáng sau khi qua môi trường hấp thụ;
I0(0) là cường độ ánh sáng tới;
d là độ dày mẫu (độ dài đường đi của photon trong môi trường);
là hệ số hấp thụ.
Như vậy, khi chùm ánh sáng đi qua môi trường hấp thụ sẽ xảy ra sự tương tác
giữa nó với môi trường, điều đó có thể làm suy giảm cường độ của chùm sáng tới.
Về bản chất thì hệ số hấp thụ là đại lượng phụ thuộc vào bản chất của môi trường
6
hấp thụ, nó cho ta biết độ dày tương ứng của môi trường mà ánh sáng đã đi qua làm
cho cường độ suy giảm đi e lần (bằng 2,7 lần).
1.1.3.2. Phổ hấp thụ quang học [9]
Khoa học nghiên cứu về phổ hấp thụ dựa trên nguyên tắc sau: Khi một bức xạ
điện từ truyền qua một khối vật chất nào đó, một phần năng lượng của nó bị khối
vật chất hấp thụ, điều này sẽ gây ra sự biến đổi quá trình dao động và quay của các
điện tử trong nguyên tử của chất này. Năng lượng của sự biến đổi này tương đương
với phần năng lượng của các lượng tử ánh sáng đã bị hấp thụ, về nguyên tắc ta có
thể ghi nhận được sự biến đổi đó thông qua một hệ phổ kế. Như vậy ta có thể hiểu
quang phổ hấp thụ như sau:
a. Định nghĩa
Phổ hấp thụ của một chất là tập hợp những hệ số hấp thụ đặc trưng cho khả
năng hấp thụ của chất đó đối với những bước sóng (hay tần số) khác nhau.
Các đặc trưng của phổ hấp thụ như cường độ, vùng hấp thụ, độ rộng phổ...
quan hệ với xác suất chuyển dời của các điện tử giữa các mức năng lượng của quỹ
đạo. Xác suất của các bước chuyển này phải tuân theo một số các quy tắc chọn lọc.
Ngoài ra, quang phổ hấp thụ đôi khi giống như quang phổ trường tinh thể, vì nó
cung cấp các thông tin về cấu hình điện tử (trạng thái ôxy hoá và trạng thái spin..)
của vật chất chất hấp thụ.
Thông thường, các phép đo phổ hấp thụ được xác định trên thang bước sóng
với độ chia không theo một đơn vị xác định, vì vậy tùy theo mục đích nghiên cứu ta
có thể chọn đơn vị cho phù hợp.
b. Tính chất
Khi kích thích cho vật liệu bằng các photon ánh sáng sẽ xảy ra sự hấp thụ lọc
lựa các photon làm thay đổi cường độ ánh sáng khi đi qua vật liệu.
c. Phổ hấp thụ quang học
Phổ hấp thụ cho một số thông tin về tâm tái hợp và mạng nền (mạng cơ sở).
Nếu ánh sáng đơn sắc đi qua tinh thể và năng lượng photon của nó phù hợp với các
mức năng lượng khác nhau của tâm kích hoạt hoặc độ rộng vùng cấm, nó sẽ được
hấp thụ. Từ khả năng phân giải năng lượng của các photon, ta có thể phân tích và có
được thông tin về trạng thái các mức kích thích của tâm kích hoạt hoặc vùng cấm.
Sự tách các mức năng lượng và các chuyển dời cho phép của điện tử ở bên trong
7
một tâm huỳnh quang khác với mạng cơ sở. Để xác định các ảnh hưởng này một
cách chính xác, ta có thể nghiên cứu cùng một loại tâm huỳnh quang trong các
mạng nền khác nhau bằng cách pha vào các vật liệu khác nhau cùng một loại
nguyên tố đóng vai trò là tạp.
1.1.4. Quá trình phát quang [9]
1.1.4.1. Định nghĩa
Khi chiếu bức xạ điện từ vào khối vật chất (ánh sáng khả kiến, tia tử ngoại, tia
X,…) một phần năng lượng này có thể bị hấp thụ tùy theo môi trường vật chất và tái
phát xạ với bức xạ riêng, không cân bằng, có thành phần quang phổ rất khác với
thành phần quang phổ của bức xạ kích thích. Bức xạ riêng này được xác định bởi
thành phần hóa học và cấu tạo của chất đó. Hiện tuợng như vậy được gọi là hiện
tượng phát quang và bức xạ phát ra gọi là bức xạ phát quang.
Chúng ta cũng cần lưu ý rằng: khái niệm bức xạ riêng dùng để chỉ hiện tượng
phát quang với mục đích phân biệt hiện tượng phát quang với các hiện tượng quang
học khác như phản xạ, tán xạ, khuếch tán ánh sáng... Còn khái niệm bức xạ không
cân bằng là để phân biệt với bức xạ nhiệt (bức xạ của những vật bị nung nóng trên
4000C). Từ các khái niệm trên, ta có thể định nghĩa một cách tóm tắt hiện tượng
phát quang như sau:
Hiện tượng phát quang là hiện tượng phát ra ánh sáng của khối vật chất dưới
tác dụng của năng lượng bên ngoài không phải là năng lượng nhiệt.
1.1.4.2. Tính chất của bức xạ phát quang
Ta cần lưu ý rằng, trong thực tế ngoài bức xạ phát quang còn có các bức xạ
khác, vì vậy định nghĩa cho hiện tượng phát quang phải mô tả được hai vấn đề quan
trọng là:
- Bản chất của hiện tượng phát quang;
- Phân biệt hiện tượng phát quang với các hiện tượng phát sáng khác như hiện
tượng phản xạ hoặc khuếch tán ánh sáng khi vật chất bị chiếu bằng ánh sáng từ bên
ngoài; hiện tượng bức xạ nhiệt của vật bị đốt nóng trên 4000C.
- Tính chất của bức xạ phát quang:
+ Bức xạ phát quang là bức xạ riêng của mỗi chất phát quang và có phổ phát
quang riêng, đặc trưng của chất phát quang.
+ Sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo dài trong một khoảng thời
8
gian sau khi ngừng kích thích. Khoảng thời gian này còn được gọi là khoảng thời
gian phát quang còn dư hay thời gian sống phát quang. Thời gian phát quang đối
với các chất khác nhau rất khác nhau, có thể vài mili giây (ms) đến vài giờ thậm chí
là hàng chục giờ.
+ Ở cùng một nhiệt độ, bức xạ phát quang có tần số lớn hơn tần số bức xạ
nhiệt (hay bước sóng nhỏ hơn). Chꢀng hạn như ở nhiệt độ phòng, chất phát quang
phát ánh sáng ở vùng khả kiến và tử ngoại, trong khi đó bức xạ nhiệt chỉ phát ánh
sáng ở vùng hồng ngoại.
1.1.4.3. Phân loại hiện tượng phát quang
Hiện tượng phát quang được phân loại dựa trên những đặc điểm như thời gian
phát quang kéo dài, tính chất động học của quá trình phát quang.
- Nếu phân loại dựa vào thời gian phát quang kéo dài, thì hiện tượng phát quang
được phân thành hai loại: huỳnh quang và lân quang
- Nếu phân loại dựa trên tính chất động học của quá trình phát quang, thì hiện
tượng phát quang được phân thành hai loại: sự phát quang của các tâm bất liên tục và
phát quang tái hợp. Sự phân loại này còn được phân loại cụ thể hơn khi dựa vào các
chuyển dời trong tâm bức xạ từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, khi đó ta có
phát quang tự phát hoặc phát quang cưỡng bức.
Ta hãy xét từng trường hợp cụ thể như sau:
a. Phân loại phát quang dựa vào thời gian phát quang kꢀo dài
Việc phân loại hiện tượng phát quang dựa vào thời gian phát quang kéo dài
thường để phân biệt hai hiện tượng phát quang: huỳnh quang và lân quang. Trong
trường hợp này ta phải căn cứ vào thời gian sống của bức xạ phát quang (ký hiệu là
τ) gọi tắt là thời gian sống. Đây là thời gian trễ từ khi ngừng kích thích đến khi tắt
ánh sáng phát quang, vì vậy đại lượng này liên quan đến khoảng thời gian lưu lại
của hạt tải trên các mức kích thích.
- Nếu thời gian sống τ < 10-8 s thì hiện tượng phát quang này gọi là hiện tượng
huỳnh quang. Như vậy, ánh sáng huỳnh quang hầu như tắt ngay sau khi ngừng kích
thích. Bản chất của hiện tượng huỳnh quang là sự hấp thụ diễn ra ở nguyên tử hay
phân tử nào (hay còn gọi là các tâm hấp thụ) thì bức xạ cũng xảy ra ở nguyên tử hay
phân tử đó (hay các tâm hấp thụ đó). Quá trình truyền năng lượng xảy ra ngay trong
cùng một tâm quang học.
9
Tải về để xem bản đầy đủ
68 trang
17440
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Phân tích các quá trình quang học trong thủy tinh borate kim loại kiềm chứa đất hiếm", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- khoa_luan_phan_tich_cac_qua_trinh_quang_hoc_trong_thuy_tinh.pdf
