Khảo sát ảnh hưởng của ion Mn2+ lên phổ phát quang của vật liệu CaAl2O4

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 347 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ION MN2+ LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU CAAL2O4 STUDING THE EFFECTS OF ION MN2+ ON LUMINESCENT SPECTRAL OF MATERIAL CAAL2O4 GVHD: Th.S LÊ VĂN THANH SƠN 1 SVTH: ĐINH THANH KHẨN 2 1-Lớp 04VL, Trường Đại học sư phạm Đà Nẵng . 2. Khoa vật lý, Trường Đại học sư phạm- Đại học Đà Nẵng. TÓM TẮT Trong bài báo này, tác giả đưa ra một số kết quả đo phổ phát quang của vật liệu CaAl2O4 pha tạp Mn 2+ . Từ những kết quả thực nghiệm thu được, tác giả đưa ra một số kết luận về ảnh hưởng của ion Mn 2+ lên phổ phát quang của vật liệu này. ABSTRACT In this paper, the author presents some results on luminescent spectral of material CaAl2O4 doped with Mn 2+ . By the obtained results, the author presents some conclusions on the influence of ion Mn 2+ on luminescent spectral of this material. 1. MỞ ĐẦU Hiện tượng lân quang dài có nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và đời sống. Các chất lân quang dài được ứng dụng để tạo ra nguồn sáng cho các tình huống tạm thời thiếu ánh sáng nhưng không cần tiêu thụ năng lượng để nuôi. Năng lượng phát sáng đã được tích trữ từ lúc chất này được chiếu sáng tự nhiên. Ví dụ: Chúng được gắn trên mặt đồng hồ đeo tay, gắn trên kim chỉ la bàn, hoặc gắn trên công tắc đèn điện. Chúng cũng được dùng để làm đồ trang trí, chế tạo mực phát sáng. Việc chế tạo laser cũng có thể sử dụng các chất lân quang. Lý do là các electron có thể tồn tại trên trạng thái kích thích lâu, đủ để đợi các photon khác đi qua và gây ra phát xạ kích thích đồng pha. Màn hình tia âm cực, màn hình ghi nhận các dòng hạt năng lượng cao (electron, tia X, neutron, ...) cũng có thể chứa các chất lân quang. Những nghiên cứu và phát triển của hiện tượng lân quang dài đã có cách đây trăm năm và con người đã tìm ra nhiều vật liệu lân quang cho thời gian phát quang dài. Chất lân quang dài đầu tiên được phát hiện là ZnS:Cu+. Khoảng những năm 70 của thế kỷ 20, các sunfua kiềm thổ đã được sử dụng làm vật liệu nền của chất lân quang dài. Ví dụ: CaS:Bi3+, CaS:Eu2+, CaS:Ce 3+…Năm 1996, Matsuzawa đã tìm ra một loại chất phát quang mới là SrAl2O4:Eu 2+ , Dy 3+. Sau đó không lâu người ta đã chế tạo được CaAl2O4:Eu 2+ , Nd 3+. Nhiều chất lân quang dài đã được phát hiện trong thập kỉ này, ví dụ: Aluminate kiềm thổ pha tạp Ce3+, Mn2+, Tb3+; silicate kiềm thổ pha tạp Eu2+, Mn2+, Dy3+; oxit kiềm thổ pha tạp Eu2+; oxit và oxitsunfua của đất hiếm pha tạp Er3+, Eu3+, Ti4+; kẽm photphat pha tạp Mn2+… Là sinh viên vật lý, tuy nhiên chúng tôi chưa được tìm hiểu nhiều về hiện tượng phát quang, đặc biệt là hiện tượng lân quang dài. Với các lý do trên cùng với các điều kiện hiện có, tôi chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của ion Mn2+ lên phổ phát quang của vật liệu CaAl2O4”. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Thí nghiệm 2.1.1. Chế tạo mẫu Các mẫu vật liệu được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, theo phương trình phản ứng sau:  242323 COOCaAlOAlCaCO Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 348 Khối lượng của các chất 323 , OAlCaCO được lấy theo tỷ lệ thích hợp, pha tạp thêm 2Mn ( lấy từ MnCl2 ) với các thành phần phần trăm: 0,2% ; 0,5% ; 0,7% ; 1%. Các hỗn hợp được nghiền trong thời gian 3 giờ và được nung trong lò nhiệt độ cao lần lượt qua các nhiệt độ 12000C; 12250C; 12500C; 12750C; 13000C. Các mẫu được làm sạch và sau đó đo nhiễu xạ tia X để khảo sát vật liệu nền và tiến hành đo phổ phát quang. 2.1.2. Hệ đo phổ phát quang 2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Kết quả VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau CaAl2O4 - 5%Cu 23-1036 (Q) - C alc ium A luminum O xide - C aA l2O4/C aO·A l2O3 - Y : 26.79 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 23-1037 (* ) - Grossi te, syn - C aA l4O7/C aO·2A l2O3 - Y : 13.46 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 24-0217 (* ) - K atoi te, syn - C a3A l2(OH )12 - Y : 2.94 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 09-0413 (* ) - Mayenite, syn - C a12A l14O33 - Y : 15.18 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 11-0661 (D ) - A luminum Oxide - A l2O3 - Y : 3.35 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056 File: B ang-D C -mau 0,5% C u3.raw - Type: 2Th/Th locked - S tart: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 0.7 s - Temp.: 25.0 ° C (R oom) - A node: C u - C reation: 05/07/07 15:28:48 File: B ang-D C -mau 0,5% C u2.raw - Type: 2Th/Th locked - S tart: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 0.7 s - Temp.: 25.0 ° C (R oom) - A node: C u - C reation: 05/07/07 15:03:53 File: B ang-D C -mau 0,5% C u1.raw - Type: 2Th/Th locked - S tart: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 0.7 s - Temp.: 25.0 ° C (R oom) - A node: C u - C reation: 05/07/07 15:39:14 Lin (C ps ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 Sau khi tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X, tác giả nhận thấy với các nhóm mẫu vật liệu được nung ở nhiệt độ 12750C thì thành phần chủ yếu là CaAl2O4 . So sánh với các kết quả thu được của các tác giả trước ( cũng thực hiện chế tạo mẫu và đo phổ nhiễu tia X trong cùng một điều kiện phòng thí nghiệm ), tác giả nhận thấy với vật liệu CaAl2O4 chỉ cần nung tới nhiệt độ 1275 0C là đã cho kết quả tốt. Vì vậy, tác giả chọn nhóm mẫu vật liệu nung ở nhiệt độ 12750C để khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ ion Mn2+ lên phổ phát quang của chúng. Sau đây là một số kết quả đo phổ phát quang của vật liệu CaAl2O4:Mn 2+ : Hình B.2.2.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 349 500 550 600 650 700 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7000000 nong do: 0,2 Int en sit y ( a.u ) Wavelength (nm) 500 550 600 650 700 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5 6000000 7000000 nong do: 0,5 In ten sit y (a .u ) Wavelength (nm) 500 550 600 650 700 0 1000000 2000000 3000000 4000000 50 00 6000000 7000000 nong do: 0.7 In ten sit y (a .u ) Wavelength (nm) Hình B.2.2.1.4. Phổ phát quang của CaAl2O4:0,7%Mn 2+ Hình B.2.2.1.2. Phổ phát quang của CaAl2O4:0,2%Mn 2+ Hình B.2.2.1.3. Phổ phát quang của CaAl2O4:0,5%Mn 2+ Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 350 500 550 600 650 700 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7000000 nong do: 1.0 In ten sit y Wavelength (nm) 500 550 600 650 700 0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7 00 Int en sit y ( a.u ) Wavelength (nm) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 4000000 4500000 5000000 5500000 6000000 6500000 7000000 7500000 cuo ng do (a.u ) nong do (%) Hình B.2.2.1.6 Phổ phát quang của CaAl2O4:Mn 2+ khi thay đổi nồng độ MN 2+ 0,2% Mn 2+ 0,2% Mn 2+ 0,5% Mn 2+ 1,0% Mn 2+ 0,7% Mn 2+ Hình B.2.2.1.7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang vào nồng độ ion Mn2+ Hình B.2.2.1.5. Phổ phát quang của CaAl2O4:1, %Mn 2+ Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 351 2.2.2. Nhận xét Qua phổ phát quang của CaAl2O4:Mn 2+, tôi rút ra một số nhận xét sau: 1. Phổ phát quang là một dải rộng có tính đối xứng, gồm hai đỉnh phổ ứng với các bước sóng khoảng 550 nm và 650 nm. Trong đó đỉnh 650 nm có cường độ rất bé so với đỉnh 550 nm, có dạng phổ và cường độ không đổi khi thay đổi nồng độ ion Mn2+. Điều này chứng tỏ đó không phải là bước chuyển của Mn2+, đó có thể là sự phát quang của tạp chất lạ hoặc của một khuyết tật nào đó trong mạng tinh thể. Đỉnh 550 nm là bước chuyển của ion Mn2+ trong trường tinh thể của vật liệu nền CaAl2O4. 2. Dựa vào đồ thị (hình B.2.2.1.7), ta thấy: Khi tăng nồng độ Mn2+ từ 0,2  0,7% thì cường độ phát quang cũng tăng. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ Mn2+ thì cường độ phát quang bắt đầu giảm. Vậy với vật liệu CaAl2O4 pha tạp Mn2+, để có sự phát quang với cường độ lớn nhất thì pha tạp Mn2+ với nồng độ khoảng 0,7 % là tốt nhất. 3. KẾT LUẬN Hiện tượng lân quang dài đã và đang được quan tâm nghiên cứu trong thập niên qua. Các chất lân quang có thời gian phát quang dài mở ra một hướng phát triển mới của ngành vật liệu phát quang. Trong hiện tượng lân quang dài, vai trò của ion chất kích hoạt được xác định là các tâm bắt điện tử (bẫy điện tử), có độ sâu khác nhau. Chúng ảnh hưởng đến thời gian phát quang và màu sắc phát quang của chất lân quang dài. Trong quá trình nghiên cứu đề tài cùng với việc so sánh các kết quả của các tác giả trước, tôi rút ra một số kết luận sau: 1. Để chế tạo vật liệu nền CaAl2O4 ta chọn các hoá chất thích hợp:CaCO3, Al2O3. Hỗn hợp được nghiền trong một thời gian để phá vỡ cấu trúc của các chất (phá vỡ bằng cơ học). Sau đó hỗn hợp được tiếp tục phá vỡ bằng nhiệt trong lò thêu kết nhiệt độ cao (12750C). 2. Mn là nguyên tố kích hoạt tốt đối với vật liệu nền CaAl2O4 ngoài các nguyên tố đất hiếm: Ce, Dy, Eu, Tm... TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lý Hòa (1975), Cấu trúc phổ phân tử, Nxb Đại học – Trung học Chuyên nghiệp. [2] Đinh Văn Hoàng (1974), Cấu trúc phổ nguyên tử, Nxb Đại học - Trung học Chuyên nghiệp. [3] Vũ Xuân Quang (1999), Quang phổ của các tâm điện tử trong vật rắn, Viện khoa học vật liệu. [4] Nguyễn Mạnh Sơn, Lên Văn Tuất (2007), “Các nghiên cứu phát quang của vật liệu laluminate pha tạp nguyên tố đất hiếm”, Đại học Huế. [5] Phan Văn Thích, Hiện tượng huỳnh quang và kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại học tổng hợp Hà Nội. [6] “Long persistent phosphor”(2006), Journal of Luminescence