Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp

Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA: vật lý
Nguyễn Thành Trung
Lớp: B2_K50_Vật lý chất rắn
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA
ZnAl
2
O
4
: Eu
3+
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN
Hà Nội - 2009
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
1
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA: vật lý
Nguyễn Thành Trung
Lớp: B2_K50_Vật lý chất rắn
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA
ZnAl
2
O
4

: Eu3
+
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN
Cán bộ hướng dẫn:PGS.TS.Lê Hồng Hà
Hà Nội - 2009
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
2
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Mở đầu
ác ion đất hiếm được đặc trưng bởi lớp vỏ 4f chưa được lấp
đầy. Các lớp quỹ đạo 4f nằm ở bên trong ion và được che chắn
khỏi tác động từ môi trường xung quanh bởi các quỹ đạo 5s và
5p. Bởi vậy, ảnh hưởng của mạng chủ tới các dịch chuyển quang học bên
trong cấu hình 4f là nhỏ.
C
Spinel có công thức tổng quát AB
2
O
4
là một loại vật liệu điện môi,có độ
rộng vùng cấm lớn, khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị ứng với bức
xạ của photon tử ngoại. Do đó, các spinel AB
2
O
4
có dạng tinh thể trong suốt
và không hấp thụ các bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Điều này có thể

giải thích như sau: khi tham gia liên kết, cả 3 nguyên tử A, B, O đều có cấu
hình ion lấp đầy (Ví dụ: ZnAl
2
O
4
, Zn
2+
: 1s22s22p63s23p63d10; Al3+:
1s22s22p6 và O
2-
: 1s22s22p6 ).
Spinel pha tạp đất hiếm trở thành vật liệu huỳnh quang, được nhiều nhà
khoa học trên thế giới quan tâm bởi chúng có nhiều đặc tính quan trọng như
độ trong suốt, độ bền hóa học, cơ học, khả năng chịu nhiệt, hiệu suất phát
quang cao, khong ưa nước, độ chua thấp…Với nhiều đặc tính vậy nên chúng
có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học kỹ thuật để chế tạo lade, cảm
biến ứng suất cơ quang, phủ quang học, màn hình mỏng huỳnh quang, chất
xúc tác, vật liệu chịu nhiệt cao…
Spinel tồn tại sẵn trong tự nhiên và có thể tổng hợp trong các phòng thí
nghiệm. Khi chế tạo chúng ta có thể điều chỉnh quá trình tạo mẫu để phục vụ
cho mục đích nghiên cứu. Có rất nhiều vật liệu spinel pha tạp kim loại đất
hiếm được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau.Trong luận văn này
chúng tôi tiến hành tổng hợp cá mẫu spinel ZnAl
2
O
4
pha tạp in kim loại đất
hiếm Eu
3+
với các nồng độ tạp khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt ở

nhiệt độ thấp (200
o
C) và phương pháp sol-gel. Tinh chất cáu trúc và hình thái
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
3
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
học của các mẫu tổng hợp được xác định qua các phép đo XRD, tính chất
quang được xác định qua cá phép đo huỳnh quang và kích thích huỳnh quang.
Luận văn này gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan vè cấu trúc và tính chất quang của spinel.
Chương 2: Thực nghiệm.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
Chương I: Tổng quan
1.1.Cấu trúc spinel [18.23]
Công thức tổng quát của spinel có dạng AB
2
O
4
(trong đó A là cation
hoá trị 2, B là cation hoá trị 3). Spinel có cấu trúc tinh thể lập phương tâm
mặt với các cation A
2+
và B
3+
được sắp xếp vào các hốc tứ diện và bát diện
tương ứng (hình 1.1). Mỗi tế bào mạng gồm có 8 phân tử AB
2
O
4

, trong đó có
32 ion ôxi, 16 cation B và 8 cation A.
(b)
(a) (b)

Hình 1.1. a - Cấu hình bát diện, b - Cấu hình tứ diện
Ta có thể tính được số cation, số anion và số hốc tứ diện T, số hốc bát
diện O khi tưởng tuợng ghép 8 khối lập phương tâm mặt lại với nhau.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
4
Al
3+
Zn
2+
O
2-
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Số ion ôxi gồm:
8 đỉnh của lập phương lớn : 8 x 1/8 = 1
6 mặt lập phương lớn: 6 x 1/2 = 3
12 mặt nhỏ trong lập phương: 12 x 1 = 12
24 mặt nhỏ phía ngoài: 24 x 1/2 = 12
12 cạnh của lập phương lớn: 12 x 1/4 = 3
tâm của lập phương lớn: = 1
Tổng số có 32 ion ôxi.
Số hốc T (phân mạng A): vì mỗi lập phương nhỏ có 8 hốc T nên tế bào
mạng spinel có 8 x 8 = 64 hốc T.
Số hốc O (phân mạng B) gồm:
8 tâm của 8 lập phương bé: 8 x 1 = 8

24 cạnh biên của lập phương bé: 24 x 1/4 = 6
24 cạnh của 6 mặt biên: 24 x 1/2 = 12
6 cạnh nằm trong lập phương: 6 x 1 = 6
tổng số có 32 hốc O.
Như vậy mỗi tế bào spinel có 64 + 32 = 96 hốc T và hốc O. Do tổng số
cation chỉ có 8 + 16 = 24 cation, nên chỉ có 1/4 hốc trống chứa cation, còn 3/4
hốc trống để không.
 Nếu 8 cation A
2+
nằm trong 8 hốc T, 16 cation B
3+
nằm vào
hốc O thì mạng spinel được gọi là thuận hay hoàn hảo.
 Nếu 8 cation A
2+
nằm trong 8 hốc O, 8 cation B
3+
nằm vào
hốc O và 8 cation B
3+
nằm vào hốc T thì mạng spinel được gọi là đảo.
 Nếu 24 cation A
2+
, B
3+
được phân bố một cách thống kê vào
các hốc T và O thì ta có mạng spinel trung gian.
Cấu trúc ô mạng spinel thuận được mô tả trên hình 1.2.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009

5
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng spinel thuận
Sự phân bố các cation A
2+
, B
3+
vào vị trí tứ diện, bát diện được quyết
định bởi các yếu tố sau:
- Bán kính ion: Hốc T có thể tích nhỏ hơn hốc O do đó chủ yếu các
cation có kích thước nhỏ hơn được phân bố vào hốc T. Thông thường
2
A
r
+
lớn
hơn
3
B
r
+
nghĩa là xu thế tạo thành spinel đảo là chủ yếu.
- Cấu hình electron: tuỳ thuộc vào cấu hình electron của cation mà
chúng thích hợp với một kiểu phối trí nhất định.
- Năng lượng tĩnh điện: năng lượng tĩnh điện của mạng spinel tạo nên
bởi các ion lân cận khi tạo thành cấu trúc spinel. Sự phân bố sao cho các
cation A
2+
nằm vào hốc T, B
3+

nằm vào hốc O là thuận lợi về mặt năng lượng.
Tuy nhiên, trong một số loại spinel lại có hiện tượng đảo cation, nghĩa
là một phần kim loại nhóm II (A) đổi chỗ cho kim loại nhóm III (B). Ví dụ,
trong số các spinel ZnAl
2
O
4
, MgAl
2
O
4
, … thì MgAl
2
O
4
là loại có hiện tượng
đảo cation khá đặc trưng, trong khi hiện tượng đó lại xảy ra ít đối với
ZnAl
2
O
4
, ZnGa
2
O
4
.
Spinel có cấu hình điện tử kín của các cation, do đó chúng có tính chất
trơ với ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên khi các ion kim loại chuyển tiếp hoặc
đất hiếm có cấu trúc điện tử lấp đầy một phần được pha tạp vào cấu trúc nền
spinel thì lại tương tác mạnh với ánh sáng và trở thành vật liệu huỳnh quang.

Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
6
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
1.1.1. Một số tính chất vật lý của spinel
Spinel là vật liệu điện môi có đọ rộng vùng cấm lớn tương ứng với bức
xạ tử ngoại, có một số đặc tính vật lý sau:
- nhiệt độ nóng chảy cao: 2150
o
C.
- độ cứng cao : 8 Mohs.
- có khả năng chống lại sự ăn mòn của tất cả các loại axit.
- độ truyền qua là trong suốt.
- huỳnh quang có tâm tạp mạnh nhất ở vùng đỏ.
1.2. Các ion kim loại đất hiếm
1.2.1. Tương tác của bức xạ với các tâm kích hoạt quang học [20]
Một số ion tạp chất trong vật liệu nền trơ quang học có vai trò là các
tâm kích hoạt quang học. Sự tương tác của bức xạ với các tâm kích hoạt
quang học phải thông qua trường điện (quá trình lưỡng cực điện) hoặc trường
từ (quá trình lưỡng cực từ) của trường ngoài. Sự tương tác này làm cho các
tâm chuyển từ trạng thái ban đầu i sang trạng thái cuối f kèm theo quá trình
hấp thụ hoặc bức xạ photon. Trong trường hợp không phonon, khoảng cách
năng lượng giữa hai trạng thái i và f bằng với năng lượng của photon. Xác
suất chuyển dời từ trạng thái i đến trạng thái f kèm theo sự hấp thụ một
photon có năng lượng
ω

được viết:

( )

ωδ
π


−−






=
ififif
EEVP
2
2

(1.1)
Trong đó,
iVfV
if
=
là yếu tố của ma trận chuyển dời, V là toán tử
mô tả năng lượng tương tác của tâm với bức xạ.
• Nếu chuyển dời là một quá trình lưỡng cực điện thì
EpV


=
, với

∑
=
i
i
rep

là mômen lưỡng cực điện và
E

là cường độ điện trường của trường
bức xạ.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
7
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
• Nếu chuyển dời là một quá trình lưỡng cực từ thì số hạng tương tác
sẽ là
BV


µ
=
, với
( )
∑
+=
i
ii
sl
m

e



2
2
µ
là toán tử lưỡng cực từ và
B

là cường độ
từ trường của bức xạ.
Do yếu tố ma trận của
B


µ
nhỏ hơn nhiều so với yếu tố ma trận của
Ep


nên quá trình lưỡng cực điện mạnh hơn nhiều so với quá trình lưỡng cực
từ.
Trong cơ lượng tử, người ta đã tính được năng lượng bức xạ ra sau mỗi
giây trong phần tử góc khối dΩ đối với các bức xạ lưỡng cực điện là:

( )
Ω
+
=

dd
c
n
dI
if
kk
θ
π
ω
α
2
2
3
4
sin
2
1
(1.2)
Trong đó, ω
k
là tần số dao động, d
if
= - er là toán tử mômen lưỡng cực
của điện tử (- e), n
k
α
là số các photon có trước quá trình phát xạ, θ là góc giữa
phương của mômen lưỡng cực điện và vectơ sóng
k


.
Đối với các bức xạ lưỡng cực từ và tứ cực từ:

( )( ){ }
Ω=
dkrre
c
e
dI
if
k
k
θ
π
ω
α
2
2
3
42
sin
2
(1.3)
Trong đó, e
ke
là vectơ đơn vị phân cực.
So sánh các cường độ (1.2) và (1.3) ta thấy e
2
r
2

∼ d
2
, (kr)
2
∼ (ka)
2
∼
(a/λ)
2
(a là bán kính hiệu dụng). Như vậy, đối với ánh sáng nhìn thấy, cường
độ của bức xạ lưỡng cực từ và tứ cực từ nhỏ hơn cường độ của bức xạ lưỡng
cực điện 10
8
lần. Chính vì vậy mà chỉ khi nào quá trình lưỡng cực điện bị cấm
thì quá trình lưỡng cực từ mới được thể hiện rõ.
Không phải mọi dịch chuyển giữa i và f đều xẩy ra như một dịch
chuyển quang học, bởi vì các dịch chuyển này bị khống chế bởi các quy tắc
chọn lọc. Sau đây là hai quy tắc chọn lọc quan trọng:
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
8
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
 Quy tắc chọn lọc spin: Xác suất chuyển dời của mọi quá trình
(điện và từ) sẽ bằng 0 nếu spin tổng cộng của hai trạng thái khác nhau,
0
≠∆
S
.
 Quy tắc chọn lọc chẵn lẻ: Toán tử r cho chuyển dời lưỡng cực
điện là toán tử lẻ nên cấm các dịch chuyển lưỡng cực điện giữa các trạng thái

có cùng số chẵn lẻ. Ví dụ như các dịch chuyển lưỡng cực điện bên trong lớp
d, bên trong lớp f, và giữa các lớp d và s. Ngược lại với toán tử r, toán tử µ
cho chuyển dời lưỡng cực từ chỉ diễn ra khi hàm sóng của trạng thái đầu và
trạng thái cuối có cùng số chẵn lẻ.
Tuy nhiên trong chất rắn, các quy tắc chọn lọc này ít khi được coi là
các quy tắc tuyệt đối. Các quy tắc này bị vi phạm do tương tác spin-quỹ đạo,
điện tử-mạng, các số hạng của trường tinh thể...[23].
1.2.2. Tính chất quang của các ion kim loại đất hiếm
Các nguyên tố đất hiếm thường được biết là 14 nguyên tố thuộc họ
lantan (lanthanide) với lớp 4f không đầy đủ điện tử. Nếu kể cả La, trong bảng
hệ thống tuần hoàn (BHTTH) các nguyên tố, chúng có ký hiệu và số thứ tự
như trình bày trong Bảng 1. Trong đó L: mômen quĩ đạo được ký hiệu bằng
S, P, D, F, G, I, K, L, M … tương ứng với L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, … và S:
mômen spin. Cấu hình đầy đủ của các nguyên tử đất hiếm có dạng
1s
2
2s
2
2p
6
…(4f
n
)5s
2
5p
6
5d
1
6s
2

với n ( 0 ≤ n ≤ 14) là số điện tử ở lớp 4f tuỳ
thuộc vào từng loại ion đất hiếm. Các nguyên tố này thường hình thành các
ion hoá trị 3 (RE
3+
) khi nó được pha vào các mạng nền rắn do 3 điện tử lớp
ngoài cùng 5d
1
6s
2
(hoá trị) tham gia vào liên kết nguyên tử với các nguyên tử
khác trong mạng. Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm hoá trị 3 do đó có
dạng 1s
2
2s
2
2p
6
…(4f
n
)5s
2
5p
6
. Như vậy các ion đất hiếm hoá trị 3 (RE
3+
) có lớp
4f không đầy, được bao bọc bởi lớp 5s, 5p đầy. Sự phủ hàm sóng của các lớp
4f với các lớp 5s, 5p không lớn nên phát quang không tốt. Khi đặt các ion đất
hiếm vào trong mạng nền nào đó thì sự phủ hàm sóng trên là lớn dẫn đến các
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp

Khóa : 2005 - 2009
9
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
điện tử lớp 4f nhảy lên mức kích thích cao hơn dễ dàng hơn và phát quang tốt
hơn.
Bảng 1. Các ion nguyên tố đất hiếm.
STT trong
bảng
HTTH
Ion Cấu hình điện tử (L+S)
Trạng
thái cơ
bản
57 La
3+
…4d
10
4f
0
5s
2
5p
6
0
58 Ce
3+
…4d
10
4f
1

5s
2
5p
6
5/2
2
F
5/2
59 Pr
3+
…4d
10
4f
3
5s
2
5p
6
4
3
H
4
60 Nd
3+
…4d
10
4f
4
5s
2

5p
6
9/2
5
I
9/2
61 Pm
3+
…4d
10
4f
5
5s
2
5p
6
4
5
I
4
62 Sm
3+
…4d
10
4f
6
5s
2
5p
6

5/2
6
H
5/2
63 Eu
3+
…4d
10
4f
7
5s
2
5p
6
0
7
F
0
64 Gd
3+
…4d
10
4f
8
5s
2
5p
6
7/2
8

S
7/2
65 Tb
3+
…4d
10
4f
9
5s
2
5p
6
6
7
F
6
66 Dy
3+
…4d
10
4f
10
5s
2
5p
6
15/2
6
H
15/2

67 Ho
3+
…4d
10
4f
11
5s
2
5p
6
8
5
I
8
68 Er
3+
…4d
10
4f
12
5s
2
5p
6
15/2
4
I
15/2
69 Tm
3+

…4d
10
4f
13
5s
2
5p
6
6
3
H
6
70 Yb
3+
…4d
10
4f
14
5s
2
5p
6
7/2
2
F
7/2
Trong tinh thể bán dẫn hay tinh thể phốt pho, các nguyên tố đất hiếm
thay thế các nguyên tố cơ bản và tính chất tuần hoàn của mạng tinh thể bị vi
phạm. Các điện tử 4f của ion kim loại đất hiếm nằm sâu bên trong các lớp
5s

2
5p
6
lấp đầy và được che chắn bởi các mức lấp đầy này nên chúng tương tác
yếu với mạng tinh thể nhưng chúng lại tương tác khá mạnh với nhau. Vì thế
nên mặc dù các ion đất hiếm nằm tại các nút mạng song chúng vẫn có các
mức năng lượng xác định đặc trưng cho riêng mình. Các mức này ít chịu ảnh
hưởng của trường tinh thể. Điều này rất khác so với các ion kim loại chuyển
tiếp, có các electron lớp 3d nằm ở lớp ngoài cùng nên chịu ảnh hưởng nhiều
hơn với môi trường hay trường tinh thể.
Đặc điểm các mức năng lượng 4f của các ion đất hiếm hoá trị 3 đã
được khảo sát một cách cẩn thận bởi Dicke và các cộng sự [8]. Giản đồ này
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
10
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
được đưa ra trong hình 1.3. Các mức năng lượng và trạng thái tương ứng
được nhận biết bởi các ký hiệu theo cách làm gần đúng Russelt – Saunder cho
nguyên tử.
Các mức năng lượng này được xác định bằng thực nghiệm qua quang
phổ của từng ion trong tinh thể LaCl
3
. Giản đồ này hầu như không đổi khi các
ion đất hiếm nằm trong các mạng nền khác vì khi đó các mức năng lượng chỉ
thay đổi vào cỡ vài trăm cm
-1
.
Mỗi mức năng lượng của điện tử lớp 4f được xác định bởi lượng tử số
J. Dưới ảnh hưởng của trường tinh thể, các mức này bị tách thành một số
phân mức do hiệu ứng Stack. Số phân mức tách ra phụ thuộc vào J (số phân

mức được tách ra tối đa là (2J + 1) khi J nguyên và (J +1/2) khi J bán
nguyên) và tính chất đối xứng của trường tinh thể xung quanh các ion đất
hiếm.
Khi các ion đất hiếm chuyển từ mức kích thích cao về mức kích thích
thấp hơn hoặc mức cơ bản sẽ phát huỳnh quang. Huỳnh quang của chúng nằm
trong vùng hồng ngoại và vùng ánh sáng nhìn thấy. Phổ huỳnh quang của
phốt pho tinh thể pha tạp nguyên tố đất hiếm gồm cả những dải rộng và vạch
hẹp đặc trưng cho từng nguyên tố.
Nguồn gốc của sự phát quang do chuyển dời điện tử giữa các mức 4f
chủ yếu do các tương tác lưỡng cực điện (lưỡng cực điện) hay lưỡng cực từ
(lưỡng cực từ). Quá trình lưỡng cực điện mạnh hơn nhiều quá trình lưỡng cực
từ, chỉ khi nào quá trình lưỡng cực điện bị cấm thì quá trình lưỡng cực từ mới
thể hiện. Chuyển dời lưỡng cực điện trong các ion đất hiếm tự do bị cấm chẵn
lẻ. Hàm sóng của trạng thái 4f trong các ion đất hiếm đều là chẵn nên chuyển
mức trong cấu hình 4f là lưỡng cực điện bị cấm, nhưng trở nên được phép
từng phần khi trộn các hàm sóng có tính chẵn lẻ đối lập (như 5d) với các hàm
sóng của điện tử 4f. Quy tắc lọc lựa trong trường hợp này là
6≤∆J
(trừ
50,30,10,00 →→→→
). Ví dụ điển hình của cơ chế này là sự phát quang từ
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
11
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
các trạng thái
j
D
5
của Eu

3+
, mức độ chuyển dời này phụ thuộc mạnh vào đối
xứng vị trí của tinh thể gốc. Trong khi đó các chuyển dời lưỡng cực từ f – f ít
bị chịu ảnh hưởng của tính chất đối xứng do các chuyển dời này là được phép
chẵn lẻ. Quy tắc lọc lựa chọn trong trường hợp này là
1,0 ±=∆J
(trừ 0 → 0) .
Nói chung các nguyên tố đất hiếm có thể được phân thành 2 nhóm theo
khả năng phát quang như sau:
Eu
3+
, Sm
3+
, Dy
3+
, Tb
3+
, Tm
3+
là các ion phát xạ mạnh trong vùng nhìn
thấy. Ví dụ, ion Eu
3+
phát xạ rất mạnh trong vùng phổ có màu cam đậm (590 –
600 nm, tương ứng với chuyển dời
1
7
0
5
FD −
) hoặc đỏ (610 – 630 nm, do sự

dịch chuyển của điện tử
2
7
0
5
FD −
); Sm
3+
: 643 nm (
211
6
25
4
HG −
); Dy
3+
: 573 nm (
213
6
29
4
HF −
); Tb
3+
: 545 nm (
4
7
4
5
FD −

); Tm
3+
: 465 nm (
1
4
2
4
FD −
).
Er
3+
, Pr
3+
, Nd
3+
, Tm
3+
, Yb
3+
là các ion phát xạ trong vùng hồng ngoại
gần do tách mức năng lượng tương ứng giữa các trạng thái. Đối với ion Er
3+
,
bên cạnh một số dịch chuyển spin bị cấm (4f
n-1
- 5d – 4f
n
), còn có hai dịch
chuyển đặc trưng: vùng nhìn thấy ở khoảng 550 nm (
4

S
3/2
-
4
I
15/2
) và vùng
hồng ngoại gần (vùng cửa sổ thông tin quang) 1550 nm (
4
I
13/2
- I
15/2
). Er
3+
trong tinh thể silica hiện nay được nghiên cứu nhiều do triển vọng ứng dụng
trong thông tin quang sợi, và là vật liệu cho chế tạo lade dây, cho khuếch đại
quang.
1.2.2.1. Các dịch chuyển 4f
n-1
5d
1
và truyền điện tích (charge – transfer –
stat CTS)

Trong vùng năng lượng của các mức 4f có hai loại chuyển dời hấp thụ
quang học:
- Chuyển dời truyền điện tích 4f
n
→ 4f

n+1
, trong chuyển dời này các
điện tử của anion lân cận được truyền đến quỹ đạo 4f của ion tạp.
- Chuyển dời 4f
n
→ 4f
n-1
5d
1
. Chuyển dời này xảy ra trong ion tạp khi
một điện tử 4f được truyền tới quỹ đạo 5d.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
12
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Cả hai quá trình đều được phép và làm cho các quá trình hấp thụ quang
học trở nên mạnh, dải hấp thụ rộng xuất hiện trong phổ.
Năng lượng của trạng thái 4f
n-1
5d
1
và CTS phụ thuộc vào môi trường
xung quanh hơn là vào các mức năng lượng của trạng thái 4f. Các mức năng
lượng từ trạng thái cơ bản sang các trạng thái này được chỉ ra trong hình 1.4.
Hình 1.4 cho thấy các chuyển dời 4f → 5d trong Ce
3+
, Pr
3+
, Tb
3+

và
chuyển dời hấp thụ CTS trong Eu
3+
và Yb
3+
có năng lượng nhỏ hơn 40x10
3
cm
-1
. Các mức năng lượng này rất gần với mức kích thích thấp nhất của trạng
thái 4f, có giá trị khoảng 30x10
3
cm
-1
. Vì thế tương tác giữa các mức này với
các mức 4f có thể xảy ra và cho phát xạ ứng với chuyển dời f – f. Trong
trường hợp các mức năng lượng của các trạng thái CTS hoặc 4f
n-1
5d thấp hơn
năng lượng của các mức 4f, chuyển dời quang học trực tiếp từ các mức kích
thích này xuống trạng thái cơ bản được quan sát, ví dụ như chuyển dời 5d →
4f trong Eu
3+
. Phổ huỳnh quang trong trường hợp này thay đổi phụ thuộc vào
sự tách mức năng lượng trong ion tạp bởi trường tinh thể khi các nguyên tố
đất hiếm nằm trong các chất nền khác nhau.
Thí dụ về chuyển dời hấp thụ CTS trong Y
2
O
2

S:Eu
3+
được đưa ra trong
hình 1.5. Các quá trình kích thích, hồi phục, phát xạ được giải thích như sau:
Sự kích thích của Eu
3+
xảy ra xuất phát từ đáy của đường
0
7
F
đi lên dọc
theo đường thẳng đứng, cho đến khi gặp đường biểu diễn trạng thái truyền
điện tích (CTS). Sự hồi phục xảy ra dọc theo đường CTS, ở gần đáy của
đường CTS, sự kích thích được truyền cho các trạng thái
j
D
5
. Sự hồi phục
tiếp theo từ đáy của trạng thái
j
D
5
xuống các trạng thái
j
F
7
nhờ phát quang.
Mô hình này có thể giải thích một số kết quả thực nghiệm sau:
1. Không tìm được sự phát quang từ
3

5
D
trong Y
2
O
2
S:Eu
3+

2. Hiệu suất phát quang là cao hơn đối với các chất phát quang
(phosphor) có năng lượng CTS cao hơn.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
13
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
3. Nhiệt độ để dập tắt sự phát quang từ
j
D
5
là lớn hơn khi J(0, 1, 2, 3)
giảm.
``
Hình 1.4. Năng lượng của các chuyển mức 4f → 5d và CTS của các ion đất hiếm
Hình 1.5. Mô hình toạ độ cấu hình đối với Eu
3+
trong Y
2
O
2
S [12

1.2.2.2. Sự truyền năng lượng
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
14
Năng lượng (10
3
cm
-1
)
20 30 40 50 60 70 80 90
CTS
4f – 5d
f = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Ce Nd Sm Gd Dy Er Yb
Pr Pm Eu Tb Ho Tm
Năng lượng (10
2
cm
-1
)
r
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Trạng thái kích thích của một ion có thể truyền cho một ion khác cùng
loại đang ở trong trạng thái cơ bản, đây là kết quả của sự truyền năng lượng
cộng hưởng khi chúng định vị chặt chẽ với nhau. Xác suất truyền năng lượng
và phát quang là đáng kể khi khoảng cách giữa các ion ở lân cận một vài
0
A
.
Quá trình truyền năng lượng làm tăng khả năng bẫy năng lượng kích thích

quang học ở các vị trí sai hỏng hoặc tạp chất (impurity) và làm tăng sự hồi
phục không phát xạ. Điều này gây ra sự dập tắt nồng độ, nghĩa là khi tăng
nồng độ các ion kích hoạt thì cũng làm tăng quá trình hồi phục không phát xạ.
Mặt khác nếu giảm nồng độ ion kích hoạt thì cũng làm giảm năng lượng dự
trữ do các ion này tạo ra. Như vậy, với nồng độ ion kích hoạt quá thấp hay
quá cao thì đều cho hiệu suất phát huỳnh quang thấp. Do đó hiệu suất phát
huỳnh quang cao chỉ ứng với một khoảng nồng độ thích hợp. Với ion đất
hiếm, theo tác giả [8] khoảng nồng độ đó là 1% → 5mol % .
Không phải toàn bộ năng lượng kích thích luôn được truyền đi. Nếu chỉ
một phần năng lượng của nó được truyền thì được gọi là quá trình hồi phục
ngang. Ở nồng độ cao, các mức phát xạ cao như
1
5
D
của Eu
3+
và
3
5
D
của Tb
3+
truyền năng lượng cho các ion lân cận cùng loại nhờ cơ chế hồi phục ngang
như sau:
)()()()(
)()()()(
3
0
73
4

53
6
73
3
5
3
6
73
0
53
0
73
1
5
++++
++++
+→+
+→+
TbFTbDTbFTbD
EuFEuDEuFEuD
Như vậy, phát xạ từ mức năng lượng cao hơn bị dập tắt để tạo thuận lợi
cho phát xạ từ mức thấp hơn. Ví dụ: Với 3% Eu
3+
trong Y
2
O
3
, phổ phát xạ
chiếm ưu thế bởi phát xạ từ
0

5
D
do sự phát xạ từ các mức cao hơn bị dập tắt
bởi hồi phục ngang [19].
Sự truyền năng lượng giữa hai ion khác loại có thể xảy ra nếu sự khác
nhau về năng lượng giữa các trạng thái cơ bản và kích thích của hai ion bằng
nhau (điều kiện cộng hưởng) và tồn tại tương tác phù hợp giữa cả hai hệ.
Tương tác này có thể là tương tác trao đổi (nếu có sự che phủ hàm sóng) hoặc
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
15
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
tương tác đa cực điện hoặc từ. Sự truyền năng lượng giữa các mức 4f đã được
chỉ ra nguồn gốc từ tương tác lưỡng cực điện từ - tứ cực điện (the – electric –
lưỡng cực – electric quadrupole interaction). Sự truyền năng lượng có thể làm
tăng cường hoặc dập tắt sự phát xạ. Ảnh hưởng của các tạp chất lên cường độ
phát quang của các ion đất hiếm trong Y
2
O
3
được chỉ ra trong [8].
Trong nhiều trường hợp, mạng chủ truyền năng lượng kích thích cho
các ion kích hoạt. Khi đó có thể thay vì việc kích thích vào các ion kích hoạt
ở nồng độ thấp hay các ion tăng nhậy (sensitizer) ta có thể kích thích ngay
vào mạng chủ cũng gây ra phát xạ từ các ion kích hoạt. Sự thay đổi hoá trị
của các ion kích hoạt được xác định bởi sự giam giữ điện tử hay lỗ trống của
chính các ion này. Trong mạng chủ Y
2
O
3

S, ở trạng thái bắt đầu kích thích
mạng chủ, các ion Tb
3+
và Pr
3+
sẽ giam giữ lỗ trống còn Eu
3+
giam giữ điện
tử. Trong trạng thái tiếp theo, các ion này sẽ giam giữ một điện tích trái dấu
với lúc trước và tạo ra các mức kích thích 4f. Sự truyền năng lượng từ các
mức kích thích của mạng chủ cho các ion đất hiếm đã được tìm thấy ở các
hợp chất: CaWO
4
:Sm
3+
, YVO
4
:Eu
3+
vàY
2
WO
6
:Eu
3+
[12]. Khi kích thích bằng
bức xạ tử ngoại, nghĩa là kích thích vào mạng chủ nhưng phát xạ lại là của
Eu
3+
[8]. Điều này chỉ ra rằng mạng chủ có thể truyền năng lượng kích thích

của mình tới các ion Eu
3+
.
1.2.3. Cường độ của các chuyển dời f - f trong các ion kim loại đất
hiếm [21]
1.2.3.1. Cường độ của chuyển dời lưỡng cực điện
Công thức tính lực dao động tử P của một thành phần chuyển dời lưỡng
cực điện từ trạng thái cơ bản
| A >
lên trạng thái kích thích
| B >
của một
chuyển dời nào đấy, như đã biết, nó cho bởi phương trình:
2
2
8 mc
P A B
h
 
π σ
= χ < >
 
 
1q
D
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
16
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Trong đó, m là khối lượng điện tử, h là hằng số Planck, c là vận tốc ánh

sáng,
σ
là năng lượng của chuyển dời tính bằng cm
-1
và
χ
là hiệu chính
trường Lorentz cho chiết xuất của môi trường.
1q
D
chính là thành phần của
mômen lưỡng cực điện. Như ta đã biết, các yếu tố ma trận của toán tử lưỡng
cực điện sẽ triệt tiêu giữa những trạng thái có cùng đối xứng chẵn lẻ tức là
giữa những trạng thái xuất phát từ cùng một cấu hình điện tử.
Cường độ chuyển dời lưỡng cực điện chịu ảnh hưởng nhiều của trường
tinh thể.
Quy tắc lựa chọn của chuyển dời lưỡng cực điện:
Từ lý thuyết Judd-Ofelt, ta có thể rút ra các điều kiện tồn tại của
ED
P
, tức là
các quy tắc lọc lựa. Cần nhấn mạnh là nhiều quy tắc lọc lựa được suy ra trực
tiếp từ các tính chất của các symbol và 6j và các hàm delta kronecker:
l 1 S 0 L 6∆ = ± ∆ = ∆ ≤
J 6, J 2,4∆ ≤ ∆ =
, 6 nếu J = 0 hoặc
/
J 0=
/
M M (p q)− = − +

1.2.3.2. Cường độ chuyển dời lưỡng cực từ
Cũng như bức xạ lưỡng cực điện nói trên, các chuyển dời f-f có thể hấp
thụ các bức xạ lưỡng cực từ và các bức xạ đa cực điện khác (tứ cực, 12 cực,
64 cực).
Cũng với kỹ thuật tính toán như trên, ta thu được biểu thức cho lực dao
động tử của lưỡng cực từ sau:
2
N N / / 2 1
M.D
2
P f J || 2 || f J (2J 1)
3hmc
−
 
π
= χ < ψ + Ψ > +
 
 
L S
u

Tương tự như ở lưỡng cực điện, lực vạch của chuyển dời lưỡng cực từ
được định nghĩa:
2 N N / 2
MD B
S | f J || L 2S || f J |= µ < + >


Xác xuất bức xạ ngẫu nhiêu của mô men từ:
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp

Khóa : 2005 - 2009
17
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
2 3
2
2
N N /
MD B
3
64 v
A ' f J L 2S f J
3hc (2J 1)
π
= χ µ < + >
+
2 3
MD MD
3
6
A 'S
3hc (2J 1)
ππ ν
= χ
+
χ’=n
3
Quy tắc lọc lựa của chuyển dời lưỡng cực từ:
S 0 L 0 J 0 1∆ = ∆ = ∆ = ±
nhưng
0 0↔

bị cấm
/
M p M 0− + + =
trong đó
p 0, 1.= ±
p ứng với 3 trạng thái phân cực (
, và 0)σ π
của lưỡng cực từ.
Cần lưu ý từ biểu thức trên ta thấy cường độ của chuyển dời lưỡng cực
từ độc lập tương đối với nền xung quanh các ion KLĐH. Như vậy tính chất
của ligand hay đối xứng của cấu hình xung quanh các ion KLĐH không ảnh
hưởng lớn tới cường độ lưỡng cực từ.
Nhưng trong các qui tắc lọc lựa nói trên của chuyển dời lưỡng cực từ
thì qui tắc cho ΔS và ΔL không hoàn toàn chặt chẽ, bởi vì điều đó chỉ đúng
cho sơ đồ Russell- Saunder, ở đó S và L là những số lượng tử tốt. Nhưng
trong thực tế các ion KLĐH thích hợp với intermediated coupling, ở đây chỉ
có số lượng tử J còn là số lượng tử tốt. Vì vậy, qui tắc lọc lựa ΔL =0, ±1 là rất
quan trọng. Ứng với 3 trường hợp đó, ta thu được các giá trị của các yếu tố
ma trận lưỡng cực từ như sau:
1) J`= J
<f
N
αSLJ||(
L
uu
+
2S
uu
) ||f
N

α SLJ> = g[J(J+1)(2J+1)]
1/2
trong đó g = 1+[J(J+1) - L(L+1) + S(S+1)] / 2J(J+1)
g là thừa số Lande mô tả momen từ hiệu dụng của một nguyên tử hay một
điện tử trong đó momen góc quĩ đạo và momen góc spin được liên kết để tạo
ra momen góc tổng cộng J.
2) J`= J-1
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
18
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
<f
N
αSLJ||(
L
uu
+
2S
uu
)||f
N
αSL(J-1)> = [
J4
1
(S+L+J+1)(S+L+J-1)(J+S-L)(J+L-
S)]
1/2
3) J`= J+1
<f
N

αSLJ||(
L
uu
+
2S
uu
)||f
N
αSL(J+1)> == [
)1(4
1
+
J
(S+L+J+2)(S+J+1-L)(S+L-J)
(L+J+1-S)]
1/2
Cần nhấn mạnh rằng chỉ có một số ít chuyển dời lưỡng cực từ tồn tại
trong các ion R.E, nhưng những chuyển dời lưỡng cực từ rất quan trọng vì
cường độ của chúng hầu như không phụ thuộc vào trường ligand và do đó có
thể dùng chúng như những tiêu chuẩn nội. Tuy nhiên trong thực tế các
chuyển dời lưỡng cực từ vẫn chịu ảnh hưởng từ tác động của trường tinh thể,
đặc biệt là chịu ảnh hưởng của các ion kim loại đất hiếm khi pha tạp vào
trong spinel. Bởi vậy, khi spinel chưa được pha tạp thì cường độ chuyển dời
lưỡng cực từ rất nhỏ. Khi nồng độ tạp được tăng dần đến môt nồng độ nhất
định nào đó thì cường độ chuyển dời lưỡng cự từ tăng lên. Điều này là do ảnh
hưởng của sự tương tác giữa các ion của kim loại đất hiếm đến cường độ
chuyển dời. Chình vì vậy mà đã ảnh hưởng đến tỷ số giữa cường độ chuyển
dời lưỡng cực điện và cường độ chuyển dời lưỡng cực từ. Khi chưa pha tạp
kim loại đất hiếm, tỷ số này cao do cường độ chuyển dời lưỡng cực từ yêu.
Khi mẫu được pha tạp kim loại đất hiếm với nồng độ nhất định thì tỷ số này

giảm đi do ảnh hưởng của những tương tác giữa các ion kim loại đất hiếm với
ion của nền, đồng thời cũng do ảnh hưởng mạnh của tương tác giữa các ion
kim loại đất hiếm với nhau. Qua đó có khả năng tạo ra đối xứng tâm đảo của
ion kim loại đất hiếm.
1.2.4. Tính chất quang của Eu
3+
Giản đồ năng lượng của ion Eu
3+
được chỉ ra trên hình 1.6
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
19
5
L
6
5
D
3
5
D
2
5
D
1
5
D
0
7
F
6

7
F
5
7
F
4
7
F
3
7
F
2
7
F
1
7
F
0
4
,
5
9

e
V
2
7
0

n
m
2
3
0

n
m
3
9
0

n
m
4
2
0

n
m
4
7
0

n
m
5
3
5

n
m
3.15 eV
3.02 eV
2.67 eV
2.36 eV
2.14 eV
0.62 eV
0.49 eV
0.35 eV
0.23 eV
0.12 eV
0.04 eV
0.00 eV
5
7
9

n
m
5
9
0

n
m
6
1
3

n
m
6
4
9

n
m
6
9
2

n
m
7
5
1

n
m
8
1
5

n
m
Hấp thụ Huỳnh quang
Hình 1.6. Giản đồ năng lượng của các chuyển dời quang học trong ion Eu
3+
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Quá trình hấp thụ ánh sáng của các điện tử của ion Eu3+ xảy ra trong
vùng bước sóng 270 - 535 nm. Khi một điện tử từ mức cơ bản hấp thụ năng
lượng của phôton bằng hoặc lớn hơn hiệu 2 mức năng lượng (mức kích thích
và mức cơ bản ) thì nó sẽ dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn đó (mức
kích thích). Trong trường hợp này, các điện tử của ion Eu
3+
khi được hấp thụ
năng lượng sẽ dịch chuyển từ mức cơ bản
7
F
0
lên các mức năng lượng kích
thích
5
D
j
(j = 1,2,3) hoặc
5
L
6
…
Sự phát xạ của các ion này gồm các vạch trong vùng phổ đỏ (570 ÷ 700
nm). Các vạch này tương ứng với các dịch chuyển từ mức bị kích thích
0

5
D

xuống các mức
j
F
7
(j = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6) của cấu hình 4f
6
. Mức
0
5
D
không bị
tách bởi trường tinh thể (do j = 0). Sự tách mức trong các chuyển dời phát xạ
thể hiện là do sự tách của các mức
j
F
7
(j = 1, 2, 3, 4, 5, 6) dưới ảnh hưởng của
trường tinh thể.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
20
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Theo tác giả [8] sự phát xạ ở lân cận 600 nm là do chuyển mức lưỡng
cực điện
2
7
0

5
FD →
gây ra nhờ sự thiếu tính đối xứng đảo ở vị trí Eu
3+
, và quá
trình này mạnh hơn nhiều quá trình chuyển mức về trạng thái
1
7
F
là chuyển
mức lưỡng cực từ.
Sự phát quang mạnh nhờ quá trình chuyển mức lưỡng cực điện đã được
khảo sát trong thực tế. Nếu vị trí Eu
3+
có cấu trúc đối xứng đảo như khi được
pha vào Ba
2
GdNbO
5
, NaLuO
2
và InBO
3
thì sự phát xạ lưỡng cực điện (
2
7
0
5
FD →
) yếu thế và chuyển mức lưỡng cực từ (

1
7
0
5
FD →
) trở nên khá mạnh
và chiếm ưu thế (hình 1.7)
Hình 1.7. Phổ huỳnh quang của Eu
3+
từ các vị trí có cấu trúc đối xứng đảo
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
21
Bước sóng (nm)
Cường độ (cps)
5
D
0
→
7
F
1
5
D
0
→
7
F
1
5

D
0
→
7
F
2
5
D
0
→
7
F
2
Ba
2
(Gd,Eu)NbO
5
Na(Lu,Eu)O
2
580 600 620
580 600 620
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm
2.1. Phương pháp chế tạo mẫu
Trong luận văn này chúng tôi đã sử dụng phương pháp chế tạo mẫu là
phương pháp thuỷ nhiệt và phương pháp sol- gel.
2.1.1.Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thuỷ nhiệt được dùng để chế tạo mẫu ZnAl
2
O

4
:Eu
3+
. Quy
trình chế tạo mẫu bằng phương pháp thuỷ nhiệt được mô tả trên hình 2.1.
Bột
2 2
( )CO NH
,
3 2
.6AlCl H O
và
2
ZnCl
được hoà tan hoàn toàn trong 15 ml
nước cất 2 lần, thu được một dung dịch trong suốt. Pha tạp Eu3+ dưới dạng
muối nitrat vào dung dịch trên và khuấy đều trong thời gian 30 phút. Bổ xung
vào dung dịch này một lượng NaOH, khuấy đều trong 30 phút. Lại bổ xung
tiếp một lượng rượu C2H5OH 98 độ, khuấy đều rồi cho dung dịch trên vào
nồi hấp. Tiếp theo nồi hấp được đậy kín và đặt trong tủ sấy ở 2000C trong
thời gian khác nhau. Sau quá trình thuỷ nhiệt nồi hấp được để nguội tự nhiên
xuống nhiệt độ phòng. Sản phẩm thu được chứa một chất kết tủa mầu trắng.
Sau khi lọc, rửa kết tủa bằng nước cất 2 lần và sấy khô ở 1000C, ta thu được
bột ZnAl2O4:Eu
3+
.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
22
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp

Thay đổi thể tích NaOH, thời gian thuỷ nhiệt, nhiệt độ nung mẫu, nồng
độ tạp Eu3+…ta sẽ thu được các mẫu có tính chất vật lý đặc biệt là cấu trúc
tinh thể và tính chất quang khác nhau.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
23
Dung dịch trong suốt
Kết tủa trắng
Nồi hấp
Kết tủa trắng xanh
Dung dịch trong suốt
AlCl
3
.6H
2
O
ZnAl
2
O
4
: Eu
3+
ZnCl
2
CO(NH
2
)
2
Hoà tan hoàn toàn
trong H

2
O
Pha tạp Eu
3
+
C
2
H
5
OH
NaOH
T = 200
0
C
Rửa sạch và sấy khô
Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp các mẫu bột ZnAl
2
O
4
: Eu
3+
2.1.2. Phương pháp sol-gel
Các mẫu ZnAl
2
O
4
:Eu
3+
được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel theo

con đường tạo phức.
Có rất nhiều phối tử hữu cở có thể tạo phức tốt với tất cả các kim loại nhử
axít naphtanic, axít stearic, ….Trong luận văn này, chúng tôi chon axít citric
(AC) làm phối tử tạo phức. Công thức cấu tạo của axit citric có dạng:
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
24
ZnNO
3
(Không có) Al(NO
3
)
3
(Al(NO
3
)
3
) Cr(NO
3
)
3
(Cr(NO
3
)
3
)
Dung dịch trong suốt
NH
3
Axít citric

Nghiên cứu tính chất quang của spinel pha tạp
Hình 2.2: Qui trình tổng hợp bột spinel bằng phương pháp sol-gel
Sol: là hệ phân tán vi dị thể rắn phân tán trong lỏng, kích thước hạt rắn
khoảng m.
Gel: là hệ phân tán vi dị thể lỏn phân tán trong rắn và rắn phân tán trong lỏng.
Rắn tạo ra khung 3 chiều, lỏng nằm trong hổng của khung đó.
Xerogel: là gel được sấy khô ở khoảng 90 .
Quá trình sol-gel theo con đường tạo phức phụ thuộc vào 3 yếu tố chính sau:
-Nồng độ tuyệt đối của các ion kim loại.
-Độ PH của dung dịch.
-Tỷ lệ mol AC/ ( : Tổng số mol của các cation trong mẫu)
Để tạo phức cần tìm ra điều kiện để các ion kim loại cùng vào trong một
phức. Trong khoá luận này, tỷ lệ mol AC/ = 1.5.
Sinh viên: Nguyễn Thành Trung Luận văn tốt nghiệp
Khóa : 2005 - 2009
pH= 6÷7
60 ÷ 70
0
C
Sấy 24 giờ
ở 100
0
C
Nung
Sol
Gel
Xerogel
Bột spinel
25