CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU KZNSO4 CL: TB 3

UBND TỈNH QUẢNG NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM

KHOA LÝ – HÓA – SINH
------------

HUỲNH NGỌC HẢI

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG
PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU KZnSO4Cl: Tb3+

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Quảng Nam, tháng 5 năm 2017

i

UBND TỈNH QUẢNG NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM

KHOA LÝ – HÓA – SINH
------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Tên đề tài:

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG
PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU KZnSO4Cl: Tb3+

Sinh viên thực hiện

HUỲNH NGỌC HẢI
MSSV: 2113010211.00
CHUYÊN NGÀNH: SƯ PHẠM VẬT LÝ
KHÓA: 2013 – 2017

Cán bộ hướng dẫn
Th.S NGUYỄN DUY LINH
MSCB:...................................

Quảng Nam, tháng 5 năm 2017

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn là kết
quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của Th.S Nguyễn Duy Linh.
Các số liệu và kết quả trong luận văn này là hoàn tồn trung thực và khơng có bất
cứ sao chép nào từ các cơng bố của người khác mà khơng có trích dẫn trong mục
tư liệu tham khảo.

Quảng Nam, tháng 5 năm 2017
Tác giả khóa luận
Huỳnh Ngọc Hải

iii

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được thực hiện tại khoa Lý – Hóa – Sinh trường Đại học
Quảng Nam dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Th.S. Nguyễn Duy Linh. Tơi xin

bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy, người đã định hướng cho tôi
trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tơi trong
suốt q trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận.

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành nhất đến thầy giáo TS. Phạm Anh Sơn
– khoa Hóa học – Đại học khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội; TS. Sái
Công Doanh – khoa Vật lý – Đại học khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà
Nội; Th.S Hồ Văn Tuyến – Viện Khoa học vật liệu – Viện nghiên cứu và phát triển
công nghệ cao – Đại học Duy Tân Đà Nẵng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi
thực hiện một số phép đo quang phổ và đã tận tình giúp đỡ tơi một số tư liệu
trong q trình thực hiện khóa luận.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Ban Giám hiệu, Lãnh
đạo khoa Lý – Hóa – Sinh trường Đại học Quảng Nam, các thầy cô giáo cùng
các bạn sinh viên trong lớp sư phạm Vật lý K13 đã giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi cho tơi trong suốt q trình thực hiện khóa luận.

Cuối cùng, tơi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người
thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, chia sẻ những khó khăn, thơng cảm,
hỗ trợ tơi về tinh thần cũng như vật chất trong suốt thời gian tơi nghiên cứu và
thực hiện khóa luận.

Xin chân thành cảm ơn!
Quảng Nam, tháng 5 năm 2017
Tác giả khóa luận

Huỳnh Ngọc Hải

iiiv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Ý nghĩa
KZnSO4Cl: Tb3+ KZnSO4Cl pha tạp Tb3+
CCD Giản đồ tọa độ cấu hình
PL
XRD Quang phát quang
Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang:

Bảng 1. Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hóa trị 3+ ...... 271

Bảng 2. Các hóa chất ban đầu để chế tạo vật liệu .............................................. 27
Bảng 3. Bảng phối liệu dùng để điều chế 2g KZnSO4Cl: Tb3+ 2.5% mol ........... 30

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang:

Hình 1.1. Sự phát quang của dung dịch fluorescein ............................................. 5
Hình 1.2. Quá trình phát quang cưỡng bức .......................................................... 8
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ đo phổ khích thích......................................................... 10
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ đo phổ phát quang ........................................................ 10
Hình 1.5. Sơ đồ vùng năng lượng của điện mơi và bán dẫn ............................... 11
Hình 1.6. Các chuyển dời trong phốt pho tinh thể .............................................. 12
Hình 1.7. Cơ chế khích thích trực tiếp lên tâm kích hoạt (a) và giản đồ năng
lượng mơ tả cơ chế (b) ......................................................................................... 15

Hình 1.8. Cơ chế khích thích gián tiếp lên tâm kích hoạt (a) và giản đồ năng
lượng mô tả cơ chế (b) ......................................................................................... 16
Hình 1.9. Cấu trúc perovskite lý tưởng ABO3 ..................................................... 19
Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể của KMgSO4Cl ...................................................... 20
Hình 1.11. Giản đồ mức năng lượng của các ion RE3+ – Giản đồ Dieke ........... 22
Hình 1.12. Các chuyển dời bức xạ của ion Tb3+ . Error! Bookmark not defined.
Hình 1.13. Sơ đồ chế tạo vật liệu bằng phương pháp hóa ướt ........................... 25
Hình 2.1. Một số thiết bị để tiến hành chế tạo vật liệu ....................................... 28
Hình 2.2. Các hóa chất ban đầu.......................................................................... 30
Hình 2.3. Muối khan Tb2(SO4)3 ......................... Error! Bookmark not defined.0
Hình 2.4. Vật liệu sau khi sấy ở 800C (a) và nghiền mịn (b) .............................. 31
Hình 2.5. Vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ sấy ở 1400C và nghiền mịn......................... 31
Hình 2.6. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ bằng phương pháp
hóa ướt ................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1. Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra trên các mặt mạng .................................. 33
Hình 3.2. Máy nhiễu xạ tia X – D8 – Advance Bruker – Germany..................... 34
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ ......................... 36
Hình 3.4. Hệ đo thương mại FL3-22 ................................................................... 37
Hình 3.5. Phổ PL của vật liệu KZnSO4Cl:Tb3+ với nồng độ pha tạp là 2.5% mol
kích thích bằng bức xạ 370 nm ............................................................................ 38

vi

Hình 3.6. Phổ kích thích của vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ với nồng độ pha tạp là
2.5% mol ứng với bức xạ phát quang 450 nm ..................................................... 38

vii

MỤC LỤC
Trang:

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................... v
DANH MỤC CÁC B̉ANG ................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................ vi
PHẦN I. MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1
2. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................... 2
3. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 2
5. Đóng góp của đề tài .......................................................................................... 3
6. Lịch sử nghiên cứu ........................................................................................... 3
7. Cấu trúc đề tài .................................................................................................. 4
PHẦN II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU............................................................... 5
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG
VÀ VẬT LIỆU PHÁT QUANG .......................................................................... 5
1.1. Hiện tượng phát quang ................................................................................. 5
1.1.1. Khái niệm hiện tượng phát quang ............................................................ 5
1.1.2. Phân loại hiện tượng phát quang.............................................................. 6
1.2. Phổ kích thích, phổ phát quang của vật liệu phát quang .......................... 8
1.2.1. Khái niệm .................................................................................................... 8
1.2.2. Đặc trưng của phổ phát quang ................................................................. 9
1.2.3. Kĩ thuật thực nghiệm đo phổ kích thích .................................................. 9
1.2.4. Kĩ thuật thực nghiệm đo phổ phát quang.............................................. 10
1.3. Cơ sở lý thuyết vùng năng lượng để giải thích cho sự phát quang......... 11
1.4. Các chuyển dời bức xạ của photpho tinh thể ........................................... 12
1.5. Vật liệu phát quang ..................................................................................... 13
1.5.1. Khái niệm vật liệu phát quang................................................................ 13

viii

1.5.2. Đặc điểm vật liệu phát quang.................................................................. 14
1.5.3. Cơ chế kích thích và phát quang của vật liệu phát quang................... 17
1.5.4. Ứng dụng của vật liệu phát quang.......................................................... 17
1.5.5. Một số vật liệu phát quang ...................................................................... 18
1.6. Vật liệu phát quang KZnSO4Cl: Tb3+ ....................................................... 20
1.6.1. Đặc điểm chung của các tâm phát quang loại ion đất hiếm................. 20
1.6.2. Đặc trưng quang phổ của tâm phát quang Tb3+ ................................... 24
1.6.3. Phương pháp hóa ướt chế tạo vật liệu phát quang ............................... 24
Kết luận chương 1 .............................................................................................. 26
Chương 2. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHÁT QUANG
KZnSO4Cl: Tb3+ ............................................................................................... 266
2.1. Chuẩn bị hóa chất, dụng cụ thí nghiệm để chế tạo vật liệu .................... 26
2.1.1. Các hóa chất ban đầu để chế tạo vật liệu ............................................... 26
2.1.2. Một số tính chất hóa lý của các hóa chất ban đầu để chế tạo vật liệu. 27
2.1.3. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm để chế tạo vật liệu ................................... 27
2.2. Chế tạo vật liệu phát quang KZnSO4Cl: Tb3+ bằng phương pháp
hóa ướt................................................................................................................. 28
2.2.1. Phương trình phản ứng ........................................................................... 28
2.2.2. Cách tính phối liệu ................................................................................... 28
2.2.3. Quy trình chế tạo vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ bằng phương pháp
hóa ướt................................................................. Error! Bookmark not defined.
Kết luận chương 2 .............................................................................................. 32
Chương 3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU
KZnSO4Cl: Tb3+ ................................................................................................. 33
3.1. Xác nhận vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ ........................................................... 33
3.1.1. Phép đo nhiễu xạ tia X ............................................................................. 33
3.1.2. Kết quả nhiễu xạ tia X ............................................................................. 34
3.2. Khảo sát đặc trưng quang phổ KZnSO4Cl: Tb3+ ..................................... 35

3.2.1. Phép đo phổ phát quang và phổ kích thích ........................................... 35
3.2.2. Kết quả đo phổ quang phát quang của vật liệu..................................... 37

ix

3.2.3. Kết quả đo phổ kích thích ....................................................................... 38
Kết luận chương 3 .............................................................................................. 38
PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 40
PHẦN IV. TÀI LIỆU KHAM KHẢO .............................................................. 42
PHẦN V. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN .................................... 44

x

PHẦN I. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu phát quang đã có từ rất sớm. Cho đến
ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học cơng nghệ, vật liệu
phát quang có những bước tiến nhảy vọt nhằm đáp ứng như cầu ngày càng cao
của xã hội. Vật liệu phát quang đã và đang ứng dụng thiết thực trên nhiều lĩnh
vực khác nhau như: kĩ thuật chiếu sáng, kĩ thuật hiển thị, đo bức xạ ion, đồ trang
trí, biển báo giao thông, mực phát sáng, laser…và đặc biệt là chế tạo đèn LED.
Bên cạnh đó, vật liệu phát quang đã giúp khoa học tiến thêm một bước trong việc
tìm kiếm nguồn sáng thay thế một phần các vật liệu chiếu sáng truyền thống để
giảm tải công suất sử dụng điện năng. Do đó, việc tìm kiếm các vật liệu mới có
đặc trưng phát quang phù hợp với những ứng dụng thực tế, đồng thời cải tiến
phương thức chế tạo vật liệu là cơng việc thường xun của nhiều nhóm khoa
học trên thế giới, đó cũng là động lực thúc đẩy sự phát triển ngành quang phổ
ứng dụng, đặc biệt là trong kĩ thuật chiếu sáng và hiển thị hiện đại.

Trong những năm gần đây, họ vật liệu phát quang nền halosulphate mà điển
hình là nhóm vật liệu KZnSO4Cl pha tạp hoặc đồng pha tạp các ion đất hiếm
(RE) đã được quan tâm nghiên cứu để hướng tới ứng dụng trong kỹ thuật chiếu
sáng và một số ứng dụng khác. Cụ thể là các cơng trình nghiên cứu của nhóm tác
giả người Ấn Độ gồm S.I.Dhoble, S.C.Gedam, S.V.Muharil và một số cộng sự.
Các nghiên cứu đó cho thấy đây là nhóm vật liệu có nhiều triển vọng ứng dụng
trong thực tế có một số ưu thế như: quy trình chế tạp bằng phương pháp hóa ướt
tương đối đơn giản, hiệu suất quang phát quang cao, có thể ứng dụng dưới dạng
vật liệu quang nhấp nháy,...

Trên cơ sở các cơng trình nghiên cứu của nhóm tác giả Ấn Độ cũng đã nghiên
cứu chế tạo bằng phương pháp hóa ướt và bước đầu tìm hiểu các đặc trưng quang
phổ của vật liệu phát quang nền halosulphate KXSO4Cl (X là Mg hoặc Zn) pha
tạp và đồng pha tạp các ion đất hiếm (như Eu3+, Sm3+, Dy3+, Ce3+).

Các nghiên cứu đã được công bố cho thấy vật liệu KMgSO4Cl: Eu2+ cho bức
xạ màu xanh lam (blue) đặc trưng của Eu2+ có giá trị bước sóng của đỉnh bức xạ

1

ở khoảng 435nm và KMgSO4Cl: Eu3+ cho bức xạ màu đỏ (red) đặc trưng của
Eu3+ có giá trị bước sóng của đỉnh bức xạ ở khoảng 612nm và 619nm. Cả hai vật
liệu này đều có hiệu suất phát quang tương đối cao.

Như vậy, nếu chế tạo được vật liệu phát quang KZnSO4Cl pha tạp ion Tb3+
thì phát ra bức xạ màu xanh lá cây (green) và có thể cho hiệu suất phát quang rất
cao. Nhằm tạo điều kiện để có thể triển khai chế tạo vật liệu phát quang tại
trường Đại học Quảng Nam, tôi mạnh dạn chọn đề tài “Chế tạo và nghiên cứu
đặc trưng phát quang của vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+” để thực hiện nghiên cứu
khoa học phục vụ cho khóa luận tốt nghiệp của mình.

2. Mục tiêu của đề tài

Đề tài này đặt ra các mục tiêu như sau:
- Nắm được cơ sở lý thuyết về hiện tượng phát quang, vật liêu phát quang
nói chung và vật liệu phát quang KZnSO4Cl: Tb3+.
- Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng phát quang của vật liệu phát quang
KZnSO4Cl: Tb3+ bằng phương pháp hóa ướt.
3. Đối tượng nghiên cứu

Để đạt được mục đích nghiên cứu tơi xác định đối tượng nghiên cứu của
đề tài là vật liệu phát quang nền halosulphate KZnSO4Cl pha tạp và đồng pha tạp
ion Tb3+.

Đề tài này tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát được đặc trưng phát
quang của vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+ bằng phương pháp hóa ướt.
4. Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu khóa luận tơi đã sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu giáo trình, một số bài viết,
sách báo trên mạng, các tạp chí khoa học, dịch tài liệu tiếng anh để tổng hợp, xử
lí, khái quát, phân tích tài liệu thu được.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
+ Chế tạo vật liệu: sử dụng phương pháp hóa ướt.
+ Khảo sát các đặc trưng quang phổ của vật liệu chế tạo được: phương
pháp đo phổ quang phát quang.

2

+ Sử dụng phần mềm chuyên dụng Origin 8.5.1 để xử lí số liệu.
5. Đóng góp của đề tài

Bổ sung và làm phong phú thêm những kiến thức về hiện tượng phát
quang, vật liệu phát quang, vật liệu nền halosulphate.

Tạo cơ hội tiếp thu và áp dụng phương pháp hóa ướt chế tạo các vật liệu
phát quang nói chung và vật liệu nền halosulphate nói riêng tại trường Đại học
Quảng Nam.

Khóa luận hồn thành sẽ góp thêm tài liệu tham khảo cho những sinh viên
và những người nghiên cứu quang phổ học.
6. Lịch sử nghiên cứu

Từ trước đến nay đã có nhiều đề tài chế tạo và nghiên cứu vật liệu phát
quang. Ví dụ như: bài báo của Nguyễn Xuân Hoàn, Nguyễn Thị Cẩm Hà đã đề
cập đến phương pháp thủy nhiệt để nghiên cứu tổng hợp vật liệu BaTiO3; cơng
trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Duy Linh (2009), Nghiên cứu chế tạo
vật liệu phát quang phát xạ xanh trên nền halosulphate, Luận văn Thạc sĩ
khoa học Vật lý, Đại học Khoa học, Đại học Huế,…

+ Bài báo nghiên cứu đặc trưng phát quang của vật liệu BaMgAl10O17: Eu2+
chế tạo bằng phương pháp nổ của nhóm tác giả Nguyễn Mạnh Sơn, Hồ Văn
Tuyến, Phạm Nguyễn Thùy Trang, Võ Thị Hồng Anh, trường Đại học Khoa học,
Đại học Huế.

+ Nguyễn Thị Phấn (2015), Luận văn tốt nghiệp, đề tài: Nghiên cứu một số
phương pháp chế tạo vật liệu phát quang dạng rắn và vận dụng chế tạo vật liệu
KMgSO4Cl: Mn2+, trường Đại học Quảng Nam.

+ Đối với vật liệu phát quang KMgSO4Cl thì cũng đã có một số cơng trình
nghiên cứu chế tạo khi pha tạp với các nguyên tố đất hiếm như: cơng trình

nghiên cứu của tác giả Lê Văn Tuất và Nguyễn Duy Linh nghiên cứu đặc trưng
phát quang của vật liệu KMgSO4Cl: Ce3+, Tb3+; bài báo về nghiên cứu chế tạo
và khảo sát đặc trưng phát quang của vật liệu phát quang KMgSO4Cl: Dy3+, Tb3+
của nhóm tác giả S.C. Gedama, S.J. Dhobleb, S.V. Moharilc. Tuy nhiên việc pha
tạp ion Tb3+ trong vật liệu nền KZnSO4Cl thì chưa được quan tâm nhiều và việc

3

nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang KZnSO4Cl: Tb3+ tại trường Đại học
Quảng Nam đến hiện tại thì chưa có một cơng trình nghiên cứu nào.
7. Cấu trúc đề tài

Cấu trúc khóa luận gồm các phần chính sau:
PHẦN I. MỞ ĐẦU
PHẦN II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1. Tổng quan lý thuyết về hiện tượng phát quang và vật liệu phát
quang

Chương 2. Thực nghiệm chế tạo vật liệu phát quang KZnSO4Cl: Tb3+
Chương 3. Nghiên cứu đặc trưng phát quang của vật liệu KZnSO4Cl: Tb3+
PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
PHẦN IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHẦN V. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

4

PHẦN II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG

VÀ VẬT LIỆU PHÁT QUANG

1.1. Hiện tượng phát quang
1.1.1. Khái niệm hiện tượng phát quang

Khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng  vào dung dịch fluorescein đựng
trong một ống nghiệm ta thấy dung dịch fluorescein phát ra ánh sáng màu xanh
lục, sự phát sáng biến mất ngay khi tắt ánh sáng tử ngoại khích thích. Chiếu tia tử
ngoại vào tinh thể ZnS có pha một lượng nhỏ Cu và Co thì tinh thể cũng phát ra
ánh sáng màu xanh lục, ánh sáng này tồn tại khá lâu khi ngừng kích thích.

Hình 1.1. Sự phát quang của dung dịch fluorescein
Hiện tượng tương tự xảy ra với nhiều chất rắn, lỏng, khí khác, đồng thời
với nhiều tác nhân kích thích. Chúng có tên gọi là hiện tượng phát quang
(luminescence) và những chất như vậy gọi là vật liệu phát quang (material
luminescence). Như vậy sự phát quang là sự bức xạ ánh sáng của vật chất dưới
tác động của một tác nhân kích thích nào đó khơng phải là sự đốt nóng thơng
thường. Hay nói cách khác phát quang là sự chuyển đổi một dạng năng lượng
nào đó thành năng lượng bức xạ điện từ bên cạnh bức xạ nhiệt.
Định luật Stocke nói rằng khi vật liệu được chiếu sáng bằng bức xạ ion
hóa thì một phần năng lượng của bức xạ ion hóa bị hấp thụ và phát xạ lại dưới
dạng bước sóng có ánh sáng dài hơn.

5

Bước sóng của ánh sáng phát xạ đặc trưng cho vật liệu phát quang, nó
hồn tồn khơng phụ thuộc vào bức xạ ion chiếu lên nó. Các chất cho hiện tượng
phát quang được gọi là vật liệu phát quang, nó gồm tâm kích hoạt và mạng chủ.
1.1.2. Phân loại hiện tượng phát quang

Người ta có thể phân loại hiện tượng phát quang thành các dạng khác
nhau tùy theo các phương pháp phân loại.

Sự phát quang
Luminescence

Dựa vào Dựa vào Dựa vào Dựa vào
phương thời gian tính chất cách thức
pháp kích phát quang động học và chuyển dời
thích: kéo dài sau cách thức từ trạng thái
Quang phát khi ngừng dịch chuyển kích thích
quang, kích thích: trạng thái về trạng thái
Cathod phát quá trình của tâm bức cơ bản cho
quang, Hóa huỳnh xạ: phát bức xạ phát
phát quang, quang và quang của quang: phát
Điện phát quá trình tâm bất liên quang tự
quang, X- lân quang. tục và phát phát và phát
ray phát quang tái quang
quang hợp. cưỡng bức.

* Phân loại dựa vào phương pháp kích thích, gồm có:
- Quang phát quang (photoluminescence): sự phát quang xảy ra khi vật
liệu phát quang được kích thích bằng bức xạ tử ngoại.
- Cathod phát quang (Cathodoluminescence): sự phát quang xảy ra khi vật
liệu phát quang được kích thích bằng chùm điện tử.
- Điện phát quang (Electronluminescence): sự phát quang xảy ra khi vật
liệu phát quang được kích thích bằng hiệu điện thế.

6

- X-ray phát quang (X-rayluminescence): sự phát quang xảy ra khi vật liệu
phát quang được kích thích bằng tia X.

- Hóa phát quang (Chemiluminescence): sự phát quang xảy ra khi vật liệu
phát quang được kích thích bằng năng lượng phản ứng hóa học.

* Phân loại dựa vào thời gian phát quang kéo dài sau khi ngừng
kích thích:

- Quá trình huỳnh quang (fluorescence): là sự bức xạ xảy ra trong và ngay
sau khi ngừng kích thích và suy giảm trong khoảng thời gian nhỏ hơn 108 s .

Hiện tượng này xảy ra phổ biến đối với hầu hết các vật liệu phát quang
dưới dạng chất lỏng, chất khí và một số chất rắn.

- Quá trình lân quang (phosphorescence): là bức xạ suy giảm chậm
(  108 s ), thời gian suy giảm có thể kéo dài từ vài phút cho tới hàng tuần sau khi
ngừng kích thích. Hiện tượng này xảy ra phổ biến đối với vật liệu phát quang
dưới dạng rắn.

* Phân loại dựa vào q trình vi mơ, tính chất động học của những quá
trình xảy ra trong vật liệu và cách thức dịch chuyển trạng thái của tâm bức xạ:

- Phát quang của tâm bất liên tục: là loại phát quang mà quá trình diễn ra
từ khi hấp thụ năng lượng đến khi bức xạ đều xảy ra trong cùng một tâm nhất
định, tâm này có thể là phân tử hoặc ion, tuy nhiên hai quá trình này xảy ra độc
lập với nhau. Sự tương tác giữa các tâm với nhau và với môi trường xung quanh
là không đáng kể. Do vậy, khả năng phát quang chỉ do những quá trình xảy ra
trong nội bộ tâm qui định mà khơng có sự tham gia của các tác nhân ngoài.

- Phát quang tái hợp: là quá trình phát quang trong đó, những q trình
chuyển hóa năng lượng kích thích sang năng lượng phát quang đều có sự tham
gia của tồn chất phát quang. Khi đó, vị trí kích thích khơng trùng với vị trí bức
xạ. Sự trao đổi năng lượng từ vị trí kích thích sang vị trí bức xạ phải qua một q
trình trung gian - quá trình phân ly và quá trình tái hợp của những hạt mang điện.

* Phân loại dựa vào cách thức chuyển dời từ trạng thái kích thích về trạng
thái cơ bản cho bức xạ phát quang:

7

- Phát quang tự phát (Spontaneousluminescence): các tâm bức xạ tự phát
chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản do tác động của trường nội tại
tại phân tử. Đặc điểm của sự phát quang tự phát không phụ thuộc vào tác dụng
của những yếu tố bên ngoài.

- Phát quang cưỡng bức (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 bên ngồi.
Q trình phát quang cưỡng bức gồm hai giai đoạn:

+ Giai đoạn I: chuyển điện tử từ mức III về mức II do tác dụng ngoài của
năng lượng kích thích.

+ Giai đoạn II: chuyển điện tử từ mức II về mức I và phát quang.
II

III

I
Hình 1.2. Quá trình phát quang cưỡng bức

Quá trình nhờ ánh sáng gọi là phát quang cưỡng bức quang, nhờ sự gia
tăng nhiệt độ gọi là cưỡng bức nhiệt.
1.2. Phổ kích thích, phổ phát quang của vật liệu phát quang
1.2.1. Khái niệm
Phổ kích thích là đường cong biểu diễn sự phân bố năng lượng ánh sáng
phát quang do vật liệu phát ra theo tần số hoặc theo bước sóng của bức xạ
kích thích.
Phổ phát quang là đường cong biểu diễn sự phân bố năng lượng ánh sáng
phát quang do vật liệu phát ra ra theo tần số hoặc theo bước sóng của bức xạ đó.
Phổ phát quang cũng như phổ hấp thụ được xác định bởi:
+ Thành phần, cấu trúc của tâm phát quang quyết định sự hình thành các
mức năng lượng, tính chất của mức năng lượng, xác suất chuyển dời giữa các
mức năng lượng, đặc biệt là mức siêu bền.

8

+ Môi trường bên ngồi: làm thay đổi vị trí các mức và tách các mức, thay
đổi xác suất chuyển dời đặc biệt có thể làm mức chuyển bị cấm khơng cịn tác
dụng thủ tiêu các mức siêu bền tương ứng, giải phóng điện tử ở mức siêu bền
bằng cách chuyển lên các mức năng lượng cao do trao đổi nhiệt, phân bố lại các
tâm theo các mức dao động có năng lượng khác nhau.
1.2.2. Đặc trưng của phổ phát quang

Trong trường hợp quang phát quang, phổ phát quang không phụ thuộc vào
phổ ánh sáng kích thích. Sỡ dĩ như vậy là ngay sau khi nhận năng lượng kích
thích sự phân bố các phân tử trên trạng thái kích thích sẽ tuân theo qui luật phân
bố Boltzmann và do vậy phổ phát quang do bản chất vật liệu qui định hồn tồn
khơng phụ thuộc vào phổ ánh sáng kích thích.

Phổ phát quang do bản chất vật liệu qui định nên nó phụ thuộc rất mạnh

vào nồng độ tạp chất trong mẫu. Những tạp chất này ảnh hưởng rất lớn đến
cường độ phát quang: có thể gia tăng rất mạnh một bức xạ nào đó nhưng cũng có
thể hạn chế hoặc dập tắt hồn tồn một bức xạ trong phổ phát quang.

Phổ phát quang toàn phần của phốt pho tinh thể chỉ phụ thuộc vào thành
phần hóa học, trạng thái lý hóa của nó. Đối với các vật liệu đồng pha tạp thì phổ
phát quang của nó có thể bao gồm một số dải bức xạ khác nhau.

Trong những điều kiện kích thích khác nhau, phổ phát quang của chúng có
thể chỉ thể hiện một hoặc một vài dải phổ thành phần. Nói cách khác, khi thay
đổi phương pháp kích thích ta có thể làm thay đổi thành phần phổ phát quang.
1.2.3. Kĩ thuật thực nghiệm đo phổ kích thích

Phương pháp quang phổ kích thích nghiên cứu khả năng hấp thụ bức xạ
phụ thuộc vào bước sóng hay tần số. Phổ kích thích là một công cụ trong việc
nghiên cứu sự tương tác của vật liệu với ánh sáng chiếu vào, từ đây có thể biết
được các thơng tin về các q trình hấp thụ xảy ra tương ứng với các chuyển dời
quang học từ trạng thái cơ bản mi lên trạng thái kích thích nj. Khi dùng ánh sáng
kích thích, chủ yếu hệ điện tử trong vật liệu sẽ phản ứng trước tiên, sau đó có thể
là các q trình biến đổi thành quang hoặc nhiệt, tỷ lệ giữa hai thành phần này
phụ thuộc tùy vào bản chất của vật liệu.

9

Bằng cách ghi phổ trải trong vùng năng lượng photon rộng, có thể được
các quá trình hấp thụ xảy ra tương ứng với các chuyển dời quang học.

Mẫu Máy Ống nhân Máy
Tấm ép đơn quang điện tính
PMT hoặc

sắc

Teflon Nguồn sáng

Đèn halogen

Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ đo phổ khích thích
1.2.4. Kĩ thuật thực nghiệm đo phổ phát quang

Phương pháp phổ phát quang cho phép nghiên cứu các chuyển dời điện tử
từ các mức năng lượng cao hơn xuống các mức năng lượng thấp hơn trong các hệ
vật liệu hữu cơ, bán dẫn hay điện môi…Trong phương pháp này, người ta kích
thích vào vật liệu bằng một nguồn năng lượng từ bên ngoài và nghiên cứu sự
tương tác giữa vật liệu và nguồn năng lượng này. Sau khi nhận được năng lượng
kích thích, hệ điện tử hóa trị của vật liệu chuyển trạng thái từ trạng thái cơ bản
lên các trạng thái kích thích khác nhau. Khi khơi phục về trạng thái cân bằng,
điện tử giải phóng năng lượng có thể ở các dạng khác nhau như nhiệt hoặc
photon. Ánh sáng phát ra trong quá trình hồi phục được gọi là phát quang.

Mẫu đo CCD Máy
Máy
đơn tính

Nguồn sáng kích thích

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ đo phổ phát quang
Tín hiệu kích thích từ nguồn sáng được chiếu trực tiếp lên mẫu để kích
thích các điện tử từ trạng thái năng lượng thấp lên năng lượng bị kích thích, tín

10