Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ li lên phổ phát quang của vật liệu li2mgsio4 mn2+

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
----------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ
Đề tài:
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ LI LÊN PHỔ PHÁT
QUANG CỦA VẬT LIỆU LI2MGSIO4 : MN2+
Người hướng dẫn:
ThS. Nguyễn Văn Cường
Người thực hiện:
Nguyễn Thị Thu Hằng

Đà Nẵng, tháng 5/2013
1


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

2


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 3
PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I: KIM LOẠI LITI (Li), HỢP CHẤT Li2O, Li2CO3. ỨNG DỤNG VÀ
TRIỂN VỌNG TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN LITI Ở VIỆT NAM.
1.1 Kim loại Liti (Lithium-Li) ................................................................................. 4
1.2 Liti Oxit (Lithium oxide): Li2O.......................................................................... 4
1.3 Liti Cacbonat (lithium cacbonat): Li2CO3.......................................................... 5
1.4 Ứng dụng ............................................................................................................ 5
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG.
2.1. Chất phát quang, vật liệu phát quang và hiện tượng phát quang ...................... 8
2.1.1. Chất phát quang .................................................................................. 8
2.1.2. Vật liệu phát quang (phosphor tinh thể) ............................................. 8
2.1.3. Hiện tượng phát quang ........................................................................ 9
2.2. Phân loại các dạng phát quang .......................................................................... 9
2.2.1. Phân loại theo tính chất động học của chất phát quang ...................... 9
2.2.2. Phân loại theo phương pháp kích thích .............................................. 10
2.2.3. Phân loại theo thời gian phát quang .................................................. 10
2.2.4. Phân loại theo cách thức chuyển dời phát bức xạ .............................. 11
CHƯƠNG III: SỰ PHÁT QUANG CỦA PHOSPHOR TINH THỂ
3.1. Cấu trúc của phosphor tinh thể.......................................................................... 12
3.2. Phổ hấp thụ của phosphor tinh thể .................................................................... 12
3.3. Phổ bức xạ của phosphor tinh thể ..................................................................... 12
3.4. Bản chất phát quang của phosphor tinh thể ...................................................... 13
CHƯƠNG IV: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG
3

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

4.1. Một số ứng dụng đơn giản ................................................................................ 13
4.2. Màn hình tivi ..................................................................................................... 16
4.3. LED ( Light Emitting Diod) .............................................................................. 19

PHẦN B: THỰC NGHIỆM
1.Hệ đo quang phát quang QE65000 ...................................................................... 22
2.Chế tạo mẫu........................................................................................................... 23
3.Kết quả và thảo luận .............................................................................................. 27
4.Kết luận ................................................................................................................. 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO

4


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây ngành vật lý phát quang bắt đầu có những bước
phát triển nhanh chóng với nhiều ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Nhiều nghiên
cứu đã cho thấy Phosphor silicate hết sức bền vững vì ít chịu tác dụng của những
yếu tố bên ngoài, đặc biệt là độ ẩm, khác hẳn với Phosphor kiềm thổ cho nên
Phosphor silicate trong thực tế được sử dụng thuận tiện hơn, cùng với đó là thực

nghiệm về sự phát quang của ion kim loại chuyển tiếp trong các mạng chủ khác
nhau đều có được những kết quả khả quan. Vì vậy việc chế tạo vật liệu phát quang
trong trường tinh thể Silicate pha tạp ion kim loại chuyển tiếp đang thu hút sự quan
tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới.
Hiện nay, ở nước ta nguồn kim loại và các hợp chất của Li, Mg chiếm một
trữ lượng khá lớn và rẻ tiền cộng với nhu cầu về một nguồn sáng hữu dụng, độ trả
màu ổn định, êm dịu cho mắt, tính thẩm mĩ cao chính là động lực để con người tìm
kiếm, chế tạo vật liệu phát quang mới mà sự kết hợp ion (Li, Mg) trong trường tinh
thể Silicate pha tạp Mn2+ là một việc nghiên cứu thú vị.
Mục đích mà đề tài muốn hướng đến chính là: Chế tạo vật liệu phát quang
mới với chất cơ bản của Phosphor tinh thể này là sự kết hợp giữa ion kim loại hóa trị
I (Li) và ion kim loại hóa trị II (Mg) trong trường tinh thể silicate tạo màu đỏ tươiứng dụng trong việc chế tạo LED (màu đỏ) và nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của
nồng độ Li lên phổ phát quang của vật liệu Li2MgSiO4: Mn2+. Liệu rằng khi thay đổi
nồng độ Li thì dạng phổ có thay dổi hay khơng? Và nồng độ Li cỡ bao nhiêu phần
trăm thì sự phát quang của Li2MgSiO4: Mn2+ là tốt nhất?
Là sinh viên vật lý với điều kiện hiện có của phịng thí nghiệm Đại học Sư
Phạm Đà Nẵng để tìm hiểu về việc chế tạo vật liệu phát quang màu đỏ trong trường
tinh thể Silicate pha tạp Mn2+ đồng thời tìm ra câu trả lời thỏa đáng cho vấn đề trên.
Tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ Li lên phổ phát
quang của vật liệu Li2MgSiO4: Mn2+”.

5


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I: KIM LOẠI LITI (Li), HỢP CHẤT Li2O, Li2CO3

ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN VỌNG TÀI NGUYÊN KHOÁNG SẢN LITI Ở
VIỆT NAM
Li-kim loại nhẹ nhất trong các kim loại. Các hợp chất của nó có rất nhiều đặc
tính quý và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là các ngành công
nghệ cao. Tài nguyên liti trên thế giới khoảng 15 triệu tấn. Sản lượng khai thác, chế
biến liti hiện nay là trên 20.000 tấn/năm. Với kết quả thăm dò địa chất, đánh giá tiềm
năng khoáng sản Li thực hiện từ năm 2002 -2009, Việt Nam đã ghi tên vào danh sách
các nước có tiềm năng tài nguyên khoáng sản Li khá lớn trên thế giới.
1.1. LITI (Lithium-Li)
Liti (Lithium-Li) nằm ở vị trí thứ 3 trong Bảng tuần hồn các ngun tố hóa học,
là kim loại nhẹ nhất trong tất cả các kim loại. Li thuộc nhóm kim loại kiềm với các đặc
tính vật lý như sau:
-

Màu sắc: màu trắng bạc đến màu ghi.

-

Độ cứng (theo bảng Mohr): 0.6

-

Nhiệt độ nóng chảy: 180.5 oC; Nhiệt độ sôi: 1342 oC

-

Dẫn nhiệt và dẫn điện tốt ( hệ số dẫn nhiệt: 84.8 J/m sec oC ; điện trở suất tại

20 oC: 9.45 x 10-6 µohm-cm).
1.2. LITI OXIT (lithium oxide): Li2O.

Li có khả năng phản ứng cao, chính vì vậy trong thiên nhiên nó khơng tồn tại ở
dạng nguyên tố tự do mà thường ở dạng hợp chất. Ở nhiệt độ phòng, Li chỉ bền vững
lâu dài trong điều kiện khơng khí khơ tuyệt đối, nó dễ dàng bị chuyển hóa sang dạng
ơxít trong điều kiện mơi trường ẩm.
Lithium oxide (Li2O) là: Chất bột trắng, khối lượng riêng 2,023 g/cm3; tnc =
15700C. Rất bền nhiệt, tác dụng chậm với nước. Điều chế bằng cách nhiệt phân liti
6


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

hiđroxit, liti cacbonat hoặc liti nitrat. Dùng trong sản xuất đồ gốm, thuỷ tinh; làm chất
hấp thụ khí cacbonic (CO2); dùng điều chế tạo muối liti, vv...
1.3. LITI CACBONAT(lithium cacbonat): Li2CO3
Màu trắng, phân hủy khi nung trên nhiệt độ nóng chảy. Tan vừa phải trong
nước nguội, tan ít hơn trong nước nóng, không tạo nên tinh thể hidrat. Khối lượng mol
73,89 (g/mol); tnc = 6180C.
1.4. ỨNG DỤNG
Li và các hợp chất của nó có rất nhiều đặc tính q và được sử dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Theo Schmitt (2000), các ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều Li nhất
là gốm sứ, thủy tinh và luyện hợp kim nhôm (chiếm 50 % sản lượng Li tồn cầu), tiếp
đến là dầu mỡ bơi trơn (18 %), pin-acquy (9 %), tổng hợp cao su nhân tạo và dược
phẩm (9 %), cuối cùng là các ngành công nghiệp khác (14 %). Cụ thể, các đặc tính và
lĩnh vực sử dụng các hợp chất của Li như sau:
1.4.1. Điện phân nhôm
Rất nhiều nhà máy luyện nhôm trên thế giới đã cho thêm từ 1-3 % Li2CO3 vào
bể điện phân chứa muối cryolit (Na3AlF6) trong quá trình điện phân nhơm với các mục
đích sau: giảm nhiệt độ nóng chảy của vật liệu trong bể điện phân tức là tiết kiệm được

năng lượng thông qua việc tăng khả năng dẫn nhiệt và giảm độ chảy dính của hỗn hợp
vật liệu; Khi cho thêm Li2CO3, đã giảm được từ 20-30 % khí flo (F) phát tán vào khí
quyển phá hủy tầng ôzôn và như vậy, đáp ứng được các tiêu chuẩn cao hơn về môi
trường.
1.4.2. Pin và các thiết bị lưu trữ
Trong cơng nghiệp sản xuất pin, Li có khả năng tích điện lớn nhất trong tất cả các
kim loại với điện thế điện cực tiêu chuẩn là 3.045 V so với 2.71 V của Na hay 0.76 V của
Zn. Do đó có thể sinh ra dịng điện tích lớn nhất trên một đơn vị trọng lượng hay thể tích so
với bất kỳ kim loại nào. Ngồi ra, Li là kim loại thích hợp nhất cho sản xuất pin có khả năng
sạc lại nhiều lần.
7


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

1.4.3. Công nghiệp điện tử
Li2CO3 có độ tinh khiết cao được dùng trong sản xuất các chất dẫn ion rắn và
các vi tinh thể sử dụng trong cơng nghiệp điện tử. Ngồi ra, Li2CO3 cịn là nguồn vật
liệu thơ để sản xuất vật liệu anod sử dụng trong pin (LiCoO2; LiMnO2).
1.4.4. Công nghiệp men, thủy tinh và gốm sứ
Trong đời sống hàng ngày ta thường thấy các loại đồ sành sứ có lớp men bóng
như thủy tinh. Trong nguyên liệu sản xuất lớp men bóng này có chứa Liti vì Liti có khả
năng làm giảm nhiệt độ nóng chảy của men sành sứ, có tác dụng rút ngắn thời gian
nung sản phẩm và làm cho độ bóng của bề mặt sản phẩm được đồng đều. Liti đóng vai
trị khơng nhỏ trong việc sản xuất các loại men sứ, men sắt, các chất màu, đồ sứ và đồ
sành có chất lượng cao. Ngồi ra, Ơxít magiê cũng được dùng trong vật liệu gốm nhờ
hai đặc tính quan trọng là độ giãn nỡ nhiệt thấp và khả năng chống rạn men. Trong
men nung nhiệt độ cao, chất này là một chất trợ chảy (bắt đầu hoạt động từ 1170 độ C)

tạo ra men chảy lỏng có độ sệt cao, sức căng bề mặt lớn. Cũng như CaO, tác động làm
chảy men của MgO gia tăng rất nhanh khi nhiệt độ càng cao.

Liti đôi khi được sử dụng trong nấu thủy tinh và chế tạo gốm, có thể kể
đến là thủy tinh của kính thiên văn 200-inch (5,08 m) ở núi Palomar.

8


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

Với kính thiên văn thông thường, các nhà vật lý thiên văn không thể thu nhận
được bức xạ của những thiên hà ở rất xa. Trong số các vật liệu mà bộ mơn quang học
biết đến thì liti clorua có độ trong suốt cao nhất đối với tia tử ngoại. Các thấu kính làm
bằng các đơn tinh thể của chất này cho phép các nhà nghiên cứu xâm nhập sâu thêm rất
nhiều vào những bí mật của Vũ trụ.
Đặc biệt, liti cịn tham gia vào thành phần của thủy tinh dùng làm đèn hình trong
các máy thu hình.
1.4.5. Các sản phẩm quang học
LiNbO3 là một trong những hợp chất đa dụng nhất của Li và được sử dụng để
phát triển các loại vật liệu quang học có hoạt tính ưu việt. Các đặc tính cơ bản làm cho
LiNbO3 thích hợp để sử dụng bao gồm dải quang rộng, tính quang điện cao. Vật liệu
này cịn có tính kết hợp cơ-điện hiệu quả rất cao, bền hóa và bền cơ. Các sản phẩm
quang học đặc biệt như lăng kính quang phổ đều sử dụng Li2SiO3 hay LiF làm phụ gia
trong thành phần của thủy tinh.

9

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG
2.1. Chất phát quang, vật liệu phát quang và hiện tượng phát quang
2.1.1. Chất phát quang
Chất phát quang là những chất có khả năng hấp thụ năng lượng bên ngoài để
đưa các điện tử từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Khi các điện tử từ các
trạng thái kích thích này chuyển về trạng thái cơ bản thì sẽ bức xạ ra ánh sáng. Hay nói
một cách khác: Chất phát quang là chất có khả năng biến các dạng năng lượng khác
nhau (hóa năng, quang năng, điện năng, nhiệt năng...) thành quang năng.

2.1.2. Vật liệu phát quang (phosphor tinh thể)
Phốt pho tinh thể (phosphor) là những chất vô cơ tổng hợp (có thể là bán dẫn
hoặc điện mơi) có khuyết tật mạng tinh thể, chúng có khả năng phát quang cả trong và
sau khi kích thích. Đây là loại vật liệu phát quang có hiệu suất phát quang lớn và hiện
đang được ứng dụng nhiều nhất.
Nhìn chung, một phốt pho tinh thể thường gồm hai thành phần chính đó là: chất
cơ bản (còn gọi là chất nền, mạng chủ) và chất kích hoạt (cịn gọi là tâm kích hoạt, tâm
phát quang).
+Chất nền thường là các hợp chất sulphua của kim loại nhóm hai (như ZnS,
CdS, …) các oxít kim loại, hợp chất aluminate, sulphate, halosulphate, …
+Chất kích hoạt thường là các ion của kim loại nặng như Ag, Cu, Mn, Cr,… và
các nguyên tố đất hiếm RE (Rare Earth) trong họ Lanthan, thường có nồng độ rất nhỏ
so với chất nền nhưng lại quyết định tính chất phát quang. Số lượng chất kích hoạt có
thể là một ( gọi là đơn pha tạp), có thể là hai, ba hoặc nhiều hơn (gọi là đồng pha tạp).
Ngồi ra cịn có chất chảy trong phosphor tinh thể thường dùng là các muối
LiCl, NaCl, Na2SO4, CaF2 v.v…

Để ký hiệu các phosphor tinh thể người ta quy ước: viết các chất cơ bản trước,
sau đó đến chất kích hoạt và cuối cùng là chất chảy. Trong trường hợp cần thiết người
ta có thể ghi cả nồng độ của chất kích hoạt và chất chảy.
10


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

2.1.3. Hiện tượng phát quang (Luminescence).
Có thể hiểu hiện tượng phát quang là sự bức xạ ánh sáng của những chất phát
quang sau khi được kích thích dưới sự tác động của một tác nhân kích thích nào đó mà
khơng phải là sự đốt nóng thơng thường.
Sau này, để phân biệt rõ ràng giữa phát quang và các hiện tượng khác (bức xạ
nhiệt…) thì Vavilơp đã đưa ra định nghĩa hiện tượng phát quang cụ thể như sau:
Hiện tượng phát quang là hiện tượng các chất phát ra bức xạ còn dư đối với bức
xạ nhiệt trong trường hợp mà bức xạ cịn dư đó kéo dài trong khoảng thời gian 10-16 (s)
hoặc lớn hơn.
Bước sóng của ánh sáng phát quang đặc trưng cho vật liệu phát quang, phổ phát
quang của phosphor tinh thể hồn tồn khơng phụ thuộc vào bức xạ chiếu lên nó.

2.2. Phân loại các dạng phát quang
2.2.1. Phân loại theo tính chất động học của những q trình xảy ra trong chất
phát quang
Dựa trên tính chất này người ta phân ra thành 2 dạng phát quang:
Phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang của tâm tái hợp.
Đặc điểm

Phát quang của tâm

Phát quang của tâm

bất liên tục

tái hợp

1.Các chất

Thường là các chất

Thường là vật rắn và

phát quang

hữu cơ và dung dịch.

tinh thể.

Dạng PQ

2.Vị trí diễn ra sự hấp thụ Những quá trình diễn biến Sự trao đổi năng lượng từ
và bức xạ

từ khi hấp thụ năng lượng vị trí kích thích đến vị trí
đến khi bức xạ đều xảy ra bức xạ phải qua những quá
trong cùng một tâm nhất trình trung gian. (Diễn ra
định. Tâm này có thể là tại nhiều vị trí khác nhau.)
phân tử, tập hợp phân tử
hay ion.

11


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

3. Đặc trưng

Đặc trưng của loại phát Đây là loại phát quang mà

phát quang

quang này là khả năng trong đó những quá trình
phát quang chỉ do những chuyển hố năng lượng
q trình xảy ra trong nội kích thích sang bức xạ
bộ tâm phát quang quy quang học đều có sự tham
định mà khơng có sự tham gia của tồn bộ chất phát
gia của những tác nhân quang. Và có sự ảnh hưởng
nhất định bởi các yếu tố

bên ngoài.

bên ngoài.
2.2.2. Phân loại theo phương pháp kích thích:
Dựa vào sự khác nhau của các phương pháp kích thích người ta phân chia thành
các dạng phát quang sau:
+ Quang phát quang (Photoluminescence - PL): Kích thích bằng ánh sáng trong vùng
quang học.
+ Cathod phát quang (Cathodoluminescence - CAL): Kích thích bằng chùm điện tử

+ Điện phát quang (Electroluminescence - EL): Kích thích bằng hiệu điện thế
+ X – ray phát quang (X-ray luminescence - XL): Kích thích bằng tia X
+ Hố phát quang (Chemiluminescence - CL): Kích thích bằng năng lượng phản ứng
hố học….

2.2.3. Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài
Sau khi ngừng kích thích, người ta phân hiện tượng phát quang làm hai loại: Quá
trình huỳnh quang và quá trình lân quang.
+Quá trình huỳnh quang (dịch quang) (Fluorescence) là sự bức xạ xảy ra trong
và ngay sau khi ngừng kích thích và suy giảm trong khoảng thời gian pico – giây ( thời
gian phát quang nhỏ hơn 108 s ). Hiện tượng này xảy ra phổ biến đối với hầu hết các
vật liệu phát quang dạng chất lỏng, chất khí và một số chất rắn. Trong quá trình này, sự
12


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

phát quang của những chất bị tắt không phụ thuộc vào những tác nhân bên ngồi.
+Q trình lân quang (Phosphorescence) là sự phát quang của những chất có khả
năng kéo dài khá lâu sau khi ngừng kích thích. Đa số các chất lân quang có thời gian
tồn tại ở trạng thái kích thích chỉ vào cỡ miligiây. Tuy nhiên thời gian này ở một số
chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Hiện tượng này xảy ra phổ biến đối
với vật liệu dạng rắn.

2.2.4. Phân loại theo cách thức chuyển dời phát bức xạ
Dựa theo cách thức chuyển dời của điện tử từ trạng thái kích thích về trạng thái
cơ bản cho bức xạ phát quang người ta chia thành hai loại:
+ Phát quang tự phát: các tâm bức xạ chuyển từ trạng thái kích thích về trạng

thái cơ bản để phát ra ánh sáng mà không cần sự chi phối của một yếu tố bên ngoài
nào.
+ Phát quang cưỡng bức (phát quang cảm ứng): sự phát quang xảy ra khi các
tâm bức xạ chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản nhờ tác động từ bên
ngồi (ví dụ : ánh sáng hoặc nhiệt độ). Nó bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn (1) là
chuyển điện tử từ mức siêu bền II lên mức III khi nhận được năng lượng kích thích.
Giai đoạn (2) là chuyển điện tử từ mức III về mức cơ bản I.
III

I
I
I

II

I
I

I

1

(

)

1

)

)

)

2
)

I

)

(
2
)

)
Hình 2.2.4. Cơ chế phát quang
) cưỡng bức

13


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

CHƯƠNG III: SỰ PHÁT QUANG CỦA PHOSPHOR TINH THỂ
3.1. Cấu trúc của phosphor tinh thể
Điểm đặc sắc trong cấu trúc của tinh thể chính là sự sắp xếp đều đặn có tính chất
chu kỳ của các thành phần mạng. Thường thì chất cơ bản trong phần lớn các phosphor

tinh thể sắp xếp theo hình lập phương. Tuy nhiên, trong phosphor tinh thể do cịn có
các chất kích hoạt và các chất chảy nên mạng tinh thể của chất cơ bản sẽ vi phạm tính
chất tuần hồn. Những vị trí vi phạm tính chất tuần hoàn của mạng tinh thể gọi là
những khuyết tật. Trong nhiều trường hợp ion của chất kích hoạt tham gia vào mạng
tinh thể và chiếm chỗ ion dương của chất cơ bản hoặc có thể nằm giữa các mắt mạng.
Hiện nay người ta cho rằng các kim loại làm chất kích hoạt phần lớn nằm trong
mạng tinh thể dưới dạng ion. Trường nội tại ở xung quanh ion của chất kích hoạt rõ
ràng là bị biến dạng so với những vị trí khác và do đó tạo thành những nơi có thể định
xứ các điện tử tự do (các bẫy điện tử). Chính vì vậy mà các ion của chất kích hoạt sẽ
đóng vai trị quyết định tính đến tính chất phát quang của phosphor tinh thể.
3.2. Phổ hấp thụ của phosphor tinh thể
Sự hấp thụ của phosphor tinh thể là tổng số sự hấp thụ của chất cơ bản và chất
kích hoạt. Sự hấp thụ thường xảy ra ở vùng tử ngoại và phổ hấp thụ thường là những
đám rộng.
3.3. Phổ bức xạ của phosphor tinh thể
Phổ bức xạ của một số phosphor tinh thể có thể gồm nhiều đám rộng và có dạng
đối xứng.
J

Jo

O


Hình 3.3. Phổ bức xạ của phosphor tinh thể
o

14

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

3.4. Bản chất phát quang của phosphor tinh thể
Sự phát quang của phosphor tinh thể là phát quang tái hợp.
Có những chứng cớ sau đây khẳng định sự phát quang của phosphor tinh thể là
phát quang tái hợp.
- Khơng có sự liên hệ trực tiếp giữa phổ hấp thụ và phổ bức xạ. Phổ hấp thụ có
dạng là những đám rộng trong khi phổ bức xạ trong nhiều trường hợp là những đám
hẹp hoặc những vạch khá đặc trưng cho nguyên tố đang xét.
- Một điểm khá đặc trưng trong sự phát quang của phosphor tinh thể là thời
gian phát quang kéo dài khá lớn. Điều này chứng tỏ rằng sự phát quang của phosphor
tinh thể thực ra bao gồm nhiều quá trình phức tạp và sự tắt dần tuân theo hàm hyperbol
là một chứng cứ về sự phát quang tái hợp.
- Phosphor tinh thể thuộc nhóm các chất khơng dẫn điện và chất bán dẫn.
Chúng ta biết rằng dưới tác dụng của ánh sáng trong chất bán dẫn xuất hiện hiệu ứng
quang điện và làm thay độ dẫn điện cũng như mật độ điện tử của chất bán dẫn. Do kết
quả của hiệu ứng quang điện mà trong phosphor tinh thể xuất hiện những điện tử tự do.
Vì vậy, hiệu ứng quang điện liên quan chặc chẽ với sự phát quang tái hợp.

CHƯƠNG IV: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG
4.1. Những ứng dụng đơn giản:
4.1.1.Sơn dạ quang

15


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

Hình 4.1.1. Sơn Dạ Quang phát sáng trong đêm đến 12 h dùng cho các vật dụng bằng
nhựa, sắt, nhôm, sành sứ, thủy tinh … bền với thời gian, rất hạn chế sự bong tróc.

4.1.2.Đồng hồ dạ quang

Hình 4.1.2. Đồng hồ dạ quang, ngày (ảnh trái) và đêm (ảnh phải)
4.1.3.Đèn huỳnh quang

*Nguyên lý hoạt động của đèn huỳnh quang hơi thủy ngân được thể hiện qua hình ảnh
trực quan sau đây:

Hình 4.1.3. Nguyên lý hoạt động của đèn huỳnh quang hơi thủy ngân

16


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

4.1.4. Màn huỳnh quang và phim quang học trong kính hiển vi điện tử truyền
qua ( transmission electron microscopy, viết tắt: TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử
dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng
các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể
tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy
chụp kỹ thuật số. Khác với kính hiển vi quang học, TEM sử dụng chùm điện tử thay
cho nguồn sáng khả kiến nên cách quan sát ghi nhận cũng khác. Để quan sát ảnh, các

dụng cụ ghi nhận phải là các thiết bị chuyển đổi tín hiệu, hoạt động dựa trên nguyên lý
ghi nhận sự tương tác của điện tử với chất rắn.
Màn huỳnh quang và phim quang học trong TEM là dụng cụ ghi nhận điện tử
dựa trên nguyên lý phát quang của chất phủ trên bề mặt. Trên bề mặt của màn hình,
người ta phủ một lớp vật liệu huỳnh quang. Khi điện tử va đập vào màn hình, vật liệu
sẽ phát quang và ảnh được ghi nhận thơng qua ánh sáng phát quang này.

Hình 4.1.4. Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua
4.1.5. Màn tăng quang trong kĩ thuật chụp phim X-quang
+ Phim sử dụng với màn tăng quang :
Vật liệu chế tạo màn tăng quang là yếu tố quyết định màu ánh sáng phát ra.
Ngoài ra, một số chất nhuộm đặc biệt trong phim cũng được sử dụng để tạo sự tương
thích giữa màn tăng quang với phim. Màn tăng quang bằng calcium tungstate (CaWO4)
17


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

cho ánh sáng xanh lam và tia UV, tất cả phim đều tương thích với loại màn này. Màn
bằng nguyên tố đất hiếm cho ánh sáng màu xanh lam - xanh lục, màn này tương thích
với phim nhạy màu xanh lục (green sensitive film).

Việc sử dụng màn tăng quang giúp làm giảm liều chiếu lên bệnh nhân và kéo
dài tuổi thọ của ống phát tia X.

4.3.Màn hình Tivi
Tivi màn hình CRT và SED
Theo dịng thời gian, các thế hệ màn hình tivi cũng đã lần lượt ra đời để đáp ứng

nhu cầu và thị hiếu của người sử dụng. Khởi đầu đó chính là sự phát minh màn hình
tivi CRT sử dụng một súng phóng điện tử (cathod ray tube) để điều khiển sự phát sáng
của toàn bộ điểm ảnh trên màn huỳnh quang. Tiếp đến là tivi màn hình SED (Surfaceconduction electron-emitter display: màn hình phát xạ điện tử dẫn bề mặt) cũng với
nguyên lý hoạt động tương tự CRT nhưng nó có điểm ưu việt hơn ở chỗ: người ta đã sử
dụng riêng một súng phóng điện tử cho từng điểm ảnh nhằm khắc phục nhược điểm
của màn hình CRT (sử dụng một súng qt tồn bộ màn hình).

Màn hình CRT

Màn hình SED
18


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

Cấu tạo cơ bản của màn hình CRT và SED:
-Súng phóng điện tử.
-Hệ thống tạo từ trường để biến đổi quỹ đạo electron.
-Màn huỳnh quang.
Nguyên tắc hoạt động của tivi CRT và SED:
Dựa vào sự phát sáng của chất huỳnh quang khi bị electron đập vào màn hình.
Khi cung cấp năng lượng cho mẫu kim loại dưới dạng nhiệt, các electron sẽ được
truyền năng lượng để bứt ra khỏi liên kết mạng tinh thể kim loại. Các electron này sau
khi bứt ra được tăng tốc bởi một điện trường. Sau khi được tăng tốc bởi điện trường,
electron có quỹ đạo thẳng hướng về phía màn huỳnh quang. Trước khi đập vào màn
huỳnh quang, electron sẽ phải bay qua một vùng từ trường được tạo bởi hai cuộn dây,
một cuộn tạo từ trường ngang và một cuộn tạo từ trường dọc. Tuỳ theo cường độ của
hai từ trường này, quỹ đạo của electron trong từ trường sẽ bị lệch đi và đập vào màn

huỳnh quang tại một điểm được định trước. Electron đập vào màn huỳnh quang (được
tạo bởi ba lớp Phosphor tinh thể: Đối với màu xanh da trời, hợp chất ZnS: Ag+ liên tục
được dùng vì hiệu suất phát xạ của nó rất cao. Đối với màu xanh lá cây, ZnS: Cu+hoặc
Al3+. Đối với vật liệu phát xạ đỏ, (Zn, Cd)S: Ag+, Zn3(PO4)3: Mn2+ , Y2(WO4)3: Eu3+
,Y2O2S: Eu3+ đã được sử dụng.) sẽ khiến điểm đó phát sáng. Để tạo ra ba màu cơ bản
trong hệ màu RGB, người ta sử dụng ba súng phóng điện tử riêng, mỗi súng tương ứng
với một màu.
Ngày nay với sự nghiên cứu và sáng tạo của con người mà cơng nghệ màn hình
tivi đã có những bước tiến đột phá.
Để tái tạo lại hình ảnh, phương pháp phổ biến nhất hiện nay là hiển thị hình ảnh
dựa vào bản đồ ma trận điểm ảnh mà những thế hệ màn hình mới như: LCD, LED với
những tính năng ưu việt chính là minh chứng xác thực nhất.
Tivi màn hình LCD

19


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

Cấu tạo màn hình LCD

Hình 4.1.5. Cấu tạo một điểm ảnh con
Nguyên lý hoạt động của màn hình LCD với một điểm ảnh con:
Ánh sáng đi ra từ đèn nền là ánh sáng trắng, có vơ số phương phân cực. Sau khi
truyền qua kính lọc phân cực thứ nhất, chỉ cịn lại ánh sáng có phương phân cực dọc.
Ánh sáng phân cực này tiếp tục truyền qua lớp tinh thể lỏng. Nếu giữa hai đầu lớp tinh
thể lỏng không đựơc đặt một điện áp, các phân tử tinh thể lỏng sẽ ở trạng thái tự do,
ánh sáng truyền qua sẽ không bị thay đổi phương phân cực. Ánh sáng có phương phân

cực dọc truyền tới lớp kính lọc thứ hai có quang trục phân cực ngang sẽ bị chặn lại
hoàn toàn. Lúc này, điểm ảnh ở trạng thái tắt.
Nếu đặt một điện áp giữa hai đầu lớp tinh thể lỏng, các phân tử sẽ liên kết và
xoắn lại với nhau. Ánh sáng truyền qua lớp tinh thể lỏng đựơc đặt điện áp sẽ bị thay
đổi phương phân cực. Ánh sáng sau khi bị thay đổi phương phân cực bởi lớp tinh thể
lỏng truyền đến kính lọc phân cực thứ hai và truyền qua được một phần. Lúc này, điểm
ảnh được bật sáng. Cường độ sáng của điểm ảnh phụ thuộc vào lượng ánh sáng truyền
qua kính lọc phân cực thứ hai. Lượng ánh sáng này lại phụ thuộc vào góc giữa phương
20


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

phân cực và quang trục phân cực. Góc này lại phụ thuộc vào độ xoắn của các phân tử
tinh thể lỏng. Độ xoắn của các phân tử tinh thể lỏng phụ thuộc vào điện áp đặt vào hai
đầu tinh thể lỏng. Như vậy, có thể điều chỉnh cường độ sáng tại một điểm ảnh bằng
cách điều chỉnh điện áp đặt vào hai đầu lớp tinh thể lỏng. Trước mỗi điểm ảnh con có
một kính lọc màu, cho ánh sáng ra màu đỏ, xanh lá và xanh lam.Với một điểm ảnh, tuỳ
thuộc vào cường độ ánh sáng tương đối của ba điểm ảnh con, dựa vào nguyên tắc phối
màu phát xạ, điểm ảnh sẽ có một màu nhất định. Khi muốn thay đổi màu sắc của một
điểm ảnh, ta thay đổi cường độ sáng tỉ đối của ba điểm ảnh con so với nhau. Muốn thay
đổi độ sáng tỉ đối này, phải thay đổi độ sáng của từng điểm ảnh con, bằng cách thay đổi
điện áp đặt lên hai đầu lớp tinh thể lỏng.
Cũng với cấu tạo và cơ chế hoạt động như màn hình LCD, tivi màn hình LED
đã xuất hiện với đèn nền là một hệ thống LED để phản chiếu hình ảnh thay cho đèn
huỳnh quang (CCFL). So với TV LCD sử dụng đèn CCFL, TV LED tiêu thụ ít điện
hơn và cho phép nhà sản xuất chế tạo TV mỏng hơn nên ngày càng được ưa chuộng.

Hình 4.1.6. Tivi LED

4.4. Đi-ốt phát quang (Light Emitting Diode – LED)
LED là một nguồn sáng được biết đến từ những năm đầu của thế kỷ 20, công
nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và

21


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn cho hiệu quả chiếu sáng
cao...

LED là thiết bị chiếu sáng thơng minh với nhiều tính năng ưu việt:
- Hiệu quả chiếu sáng: LED có hiệu suất phát sáng cao hơn bóng đèn sợi đốt.
- Màu sắc: LED có thể phát ra màu sắc như ý muốn mà không cần bộ lọc màu như theo
phương pháp truyền thống.
- Kích thước: Kích thước của bóng LED rất nhỏ (có thể nhỏ hơn 2 mm2) vì vậy có thể
bố trí dễ dàng trên các vi mạch điện tử .
- Thời gian bật tắt nhanh: Led có thời gian bật và tắt rất nhanh kể từ lúc có tác
động(micro giây). Điều này rất quan trọng trong thông tin liêc lạc, lĩnh vực yêu cầu có
thời gian đáp ứng nhanh.
- Độ sáng tối: LED có thể dễ dàng điều khiển độ sáng tối bằng phương pháp điều chế
độ rộng xung hoặc tăng giảm dòng điện tác động.
- Tuổi thọ đèn cao: Đây là ưu điểm lớn nhất của đèn LED, tuổi thọ của đèn LED vào
khoảng 35000 đến 50000 giờ, lớn hơn nhiều lần so với bóng huỳnh quang và sợi đốt.
- Độ bền cao: LED được làm từ vật liệu bán dẫn, nên rất khó bị phá huỷ bởi sự va

đập...
- An tồn: LED không gây độc hại, thân thiện với môi trường.
Với những ưu điểm nổi bật đó, LED đã có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn:
- LED làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn
giao thơng...

22


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

- LED cịn ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng vì những ưu điểm của nó hồn tồn có
thể thay thế những nguồn sáng thơng thường khác.
- LED cịn được ứng dụng trong lĩnh vực điện tử viễn thông như trong thiết bị điều
khiển từ xa, cảm biến hồng ngoại, công nghệ truyền dữ liệu qua tia hồng ngoại(IrDA),
LED UV khử trùng nước...
Ngày nay, nhờ nghiên cứu về vật liệu bán dẫn, con người có thể chế tạo được
những LED có khả năng phát ra màu sắc như mong muốn, trong đó có ba màu cơ bản
của hệ màu RGB là: xanh, xanh lá và đỏ.

Đặc biệt, sự xuất hiện của LED trắng đã mở ra kỷ nguyên công nghệ chiếu sáng
rất hữu dụng cho con người. Nhất là cho nhu cầu tiết kiệm điện năng như hiện nay, vì
nếu sử dụng đèn LED cho 50% nhu cầu chiếu sáng thì mỗi năm sẽ tiết kiệm được 17
GigaWatt điện, tương đương công suất của 17 cụm nhà máy điện hạt nhân.

23

GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

Phổ phát xạ của đèn LED trắng được biểu diễn trên hình có cực đại phát xạ tại
bước sóng 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride,
còn vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp
phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer. Sự tổng hợp các bước sóng tạo ra
ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối cao, là vùng bước sóng thích hợp cho việc
chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học.
Có hai cách để tạo ra ánh sáng trắng bằng LED:
+Một là sử dụng những LED riêng biệt của ba màu cơ bản(đỏ, xanh lục, xanh
lam), sau đó kết hợp ba màu lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng.
+Cách thứ hai là dùng bột huỳnh quang phủ lên bề mặt bóng LED của LED
xanh lam hoặc UV LED.

PHẦN B: THỰC NGHIỆM
1. Hệ đo quang phát quang QE65000
QE65000 là sự kết hợp duy nhất của máy dị và cơng nghệ cáp quang cung cấp
cho người dùng những hình ảnh quang phổ cao.

24


GVHD: Th.S Nguyễn Văn Cường

SVTH: Nguyễn Thị Thu Hằng

*Nguyên tắc hoạt động:
Ánh sáng kích thích từ đèn LED (420nm) chiếu đến mẫu cần đo. Dưới tác dụng

của ánh sáng kích thích, mẫu sẽ phát quang. Ánh sáng phát quang được dẫn trong cáp
quang qua 2 thấu kính hội tụ đến khe của máy QE65000. Khe có độ rộng thích hợp để
điều chỉnh lượng ánh sáng vào máy. Ánh sáng tiếp tục chiếu đến gương chuẩn trực để
được chùm ánh sáng song song đến cách tử. Cách tử có nhiệm vụ tách ánh sáng trắng
thành chúm ánh sáng đơn sắc. Chùm ánh sáng đơn sắc này chiếu đến gương hội tụ để
điều chỉnh độ rộng thích hợp khi chiếu đến bộ tách sóng (CCD). Tại đây, detector sẽ
biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện được thu nhận và xử lý bằng
phần mềm Ocean Optic SpectraSuite cho ta kết quả là phổ phát quang của mẫu.

2. Chế tạo mẫu
*Chế tạo vật liệu phát quang Liti Silicate theo phương pháp phản ứng pha rắn
*Tất cả các mẫu đều được nung trong mơi trường hiếm khí.
*Đo phổ quang phát quang trên hệ đo QE65000 tại phịng thí nghiệm vật lý
chuyên đề trường đại học sư phạm - Đại học Đà Nẵng.

25