SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ION CE3+ ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁT QUANG CỦA ION MN2+ , CR3+ TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN ppsx

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
533
SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ION CE
3+
ĐẾN CƯỜNG ĐỘ PHÁT QUANG
CỦA ION MN
2+
, CR
3+
TRONG MỘT SỐ VẬT LIỆU NỀN
THE EFFECTS OF ION CE
3+
TO INTENSION LUMINESCENT
OF ION MN
2+
, CR
3+
IN SOME BASE MATERIAL

SVTH: Đặng Thị Lệ Hằng
Lớp 06SVL, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm
GVHD: Nguyễn Văn Cường
Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư Phạm

TÓM TẮT
Bài báo đưa ra một số kết quả khảo sát phổ phát quang của các vật liệu Aluminate,
Silicate có pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Mn
2+
, Cr
3+
. Và phổ phát quang của các mẫu này có pha

thêm ion đất hiếm Ce
3+
. Từ các kết quả thu được tác giả đi đến một số kết luận về sự truyền năng
lượng từ các ion đất hiếm sang ion kim loại chuyển tiếp trong các vật liệu nền khác nhau.
ABSTRACT
This paper advances some result on luminescent spectral survey of Aluminate, Silicate
material doped with Mn
2+
, Cr
3+
and luminescent spectral of this sample codoped with (Mn
2+
, Ce
3+
),
(Cr
3+
, Ce
3+
) . By experimental result, the author abstracts some conclusion about energy transfer
from Rare – Earth ion to transition metal ion in some base material.
1. Đặt vấn đề
Vật liệu phát quang đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống:
kĩ thuật chiếu sáng, kĩ thuật hiển thị và cảnh báo, đo bức xạ ion…Vì vậy việc tìm ra các vật
liệu phát quang mới có phổ phát quang thích hợp với mục đích sử dụng là vấn đề được các
nhà khoa học và các nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới quan tâm.
Truyền năng lượng là một trong những phương pháp hiện đại để chế tạo các vật liệu
phát quang có màu sắc mong muốn. Đó là phương pháp sử dụng hệ thống các vật liệu phát
quang đã biết để chế tạo các chất phát quang mới bằng cơ chế truyền năng lượng. Trong cơ
chế này, các tâm tăng nhạy sử dụng năng lượng phát xạ của mình để kích thích sự phát xạ

của các tâm kích hoạt khác để tạo ra các chất phát quang với yêu cầu đặc biệt về màu sắc.
Sự truyền năng lượng đã được nghiên cứu rất nhiều trong thời gian gần đây đặc biệt
là từ Ce
3+
, Eu
2+
sang Mn
2+
trong mạng chủ CaSiO
3
bởi tiềm năng ứng dụng của chúng
trong việc tạo ra ánh sáng trắng của đèn LED[4]. Ce
3+
, Eu
2+
có thể hấp thụ ánh sáng tử
ngoại đặc biệt là gần vùng tử ngoại trong vài mạng chủ và Mn
2+
có thể phát xạ ánh sáng đỏ
qua sự truyền năng lượng từ Ce
3+
, Eu
2+
sang Mn
2+
. Trên những nền tảng đã có, tác giả đã
nghiên cứu “ Sự ảnh hưởng của ion đất hiếm Ce
3+
đến cường độ phát quang của các ion
kim loại chuyển tiếp Mn

2+
, Cr
3+
trong các vật liệu nền Aluminate và Silicate”.
Mục đích của đề tài là kiểm tra trong mạng chủ Aluminate, Silicate có xảy ra sự
truyền năng lượng từ Ce
3+
đến Mn
2+
. Và cũng là ion kim loại chuyển tiếp có cấu hình
tương tự Mn
2+
(3d
5
) thì liệu ion Cr
3+
(3d
3
) có nhận được năng lượng từ Ce
3+
truyền sang như
Mn
2+
hay không? Nếu có thì cường độ phát quang của vật liệu sẽ tăng bao nhiêu lần?
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
534
2. Thực nghiệm
Các mẫu vật liệu được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn.
Mẫu vật liệu nền CaSiO
3

: Khối lượng của các chất CaCO
3
, thủy tinh vô định hình
SiO
2
, MnCl
2
.4H
2
O, CeO, Li
2
CO
3
được lấy theo tỉ lệ công thức Ca
0.95
SiO
3
: 0.05Mn
2+
,
Ca
0.93
SiO
3
: 0.05Mn
2+
, 0.02(Ce
3+
,Li
+

) nghiền trong 3 giờ và nung ở 1000
0
C/2giờ +
1200
0
C/4giờ.
Mẫu vật liệu nền CaAl
2
O
4
: Hỗn hợp CaCO
3
, Al
2
O
3
, MnCl
2
.4H
2
O, CeO, Li
2
CO
3
lấy
theo tỉ lệ phù hợp với các công thức Ca
0.993
Al
2
O

4
: 0.007Mn
2+
, Ca
0.9916
Al
2
O
4
: 0.007Mn
2+
,
0.0014(Ce
3+
,Li
+
) được nghiền trong 3 giờ và nung ở 1300 trong 6 giờ.
Mẫu vật liệu nền ZnAl
2
O
4
: Hỗn hợp Zn(CH
3
COO)
2
.2H
2
O, Al
2
O

3
, MnCl
2
.4H
2
O,
CeO, Li
2
CO
3
lấy theo tỉ lệ phù hợp với các công thức Zn
0.99
Al
2
O
4
: 0.01Mn
2+
,
Zn
0.986
Al
2
O
4
: 0.01Mn
2+
, 0.004(Ce
3+
,Li

+
) được nghiền trong 3 giờ và nung ở 1300
0
C trong
6 giờ. Hỗn hợp Zn(CH
3
COO)
2
.2H
2
O, Al
2
O
3
, Cr(NO
3
)
3
, Ce
3+
cũng lấy theo tỉ lệ trong
ZnAl
2
O
4
:1% Cr
3+
; ZnAl
2
O

4
: 1% Cr
3+
, 0,5% Ce
3+
được nghiền trong 3 giờ và nung ở
1300
0
C trong 6 giờ.
Các mẫu được làm sạch, sau đó đo nhiễu xạ tia X trên máy SIMENS D5005 để
kiểm tra mẫu và tiến hành đo phổ phát quang trên hệ đo huỳnh quang FL3 của trường Đại
Học khoa học tự nhiên Hà Nội.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Mẫu vật liệu nền CaSiO
3

Theo [4] thì có sự truyền năng lượng từ Ce
3+
đến Mn
2+
trong mạng chủ CaSiO
3
.
Để kiểm tra điều này, tác giả đã tiến hành chế tạo các mẫu vật liệu nền CaSiO
3
thành phần
hóa học chỉ có Mn
2+
mà không có Ce
3+

, và mẫu có pha tạp đồng thời cả Mn
2+
và Ce
3+
.

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
0
20000
40000
60000
80000
100000
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
CaSiO
3
: Ce
3+
,Li
1+
,Mn
2+
CaSiO
3
: Mn
2+

Hình 3.1. Phổ phát quang của Ca
0,95

SiO
3
: 0.05Mn
2+
và phổ phát quang của
Ca
0,93
SiO
3
: 0.05Mn
2+
, 0.02(Ce
3+
,Li
+
)
Nhận xét:
- Dạng phổ phát quang của hai mẫu giống nhau, đều có đỉnh ở 600nm
- Cường độ phát quang của mẫu pha Ce
3+
cao hơn mẫu không pha Ce
3+
2.5 lần.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
535
3.2. Mẫu vật liệu nền CaAl
2
O
4

450 500 550 600 650 700 750 800
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
CaAl
2
O
4
:Ce
3+
,Li
1+
,Mn
2+
CaAl
2
O
4
:Mn
2+

Hình 3.2. Phổ phát quang của Ca0,993 Al2O4: 0,007Mn2+ và Ca0,9916 Al2O4:
0,007Mn2+,0,0014(Ce3+,Li+)
Nhận xét:

- Dạng phổ phát quang của hai mẫu không thay đổi, đều có đỉnh ở 544nm.
- Mẫu có pha thêm Ce
3+
thì cường độ phát quang cao xấp xỉ 2 lần so với mẫu
không pha Ce
3+
.
3.3. Mẫu vật liệu nền ZnAl
2
O
4
pha Mn
2+

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
ZnAl
2
O
4
: Ce
3+
,Li

1+
,Mn
2+
ZnAl
2
O
4
: Mn
2+

Hình 3.3. Phổ phát quang của Zn
0,99
Al
2
O
4
: 0,01Mn
2+
và phổ phát quang của
Zn
0,986
Al
2
O
4
: 0,01Mn
2+
, 0,004 (Ce
3+
,Li

+
)
Nhận xét:
- Dạng phổ phát quang của hai mẫu không thay đổi, đều có đỉnh ở 509nm.
- Mẫu có pha thêm Ce
3+
thì cường độ phát quang cao xấp xỉ 3 lần so với mẫu không
pha Ce
3+
.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
536
3.4. Mẫu vật liệu nền ZnAl
2
O
4
pha Cr
3+


650 700 750
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
14000000
16000000

Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
ZnO.Al
2
O
3
: Ce
3+
, Cr
3+
ZnO.Al
2
O
3
: Cr
3+
x10

Hình 3.4. Phổ phát quang của ZnAl
2
O
4
: 1%Cr
3+
và phổ phát quang của
ZnAl
2
O
4
: 1% Cr

3+
, 0,5% Ce
3+

Nhận xét:
- Dạng phổ phát quang của hai mẫu giống nhau, đều có đỉnh ở 686nm.
- Mẫu có pha thêm Ce
3+
thì cường độ phát quang cao xấp xỉ 35 lần so với mẫu
không pha Ce
3+
.
Thảo luận:
- Các ion Mn
2+
, Cr
3+
, Ce
3+
thay thế cho các ion kim loại kiềm trong mạng chủ. Li
+

được pha vào để bù đắp sự chênh lệch điện tích giữa Ce
3+
và Mn
2+
.
- Mn
2+
, Cr

3+
đóng vai trò là các tâm phát quang, Ce
3+
là đồng kích hoạt giúp tăng
cường độ phát quang của vật liệu.
- Sự tăng cường độ phát quang được giải thích là do sự truyền năng lượng từ Ce
3+

đến Mn
2+
và Cr
3+
.
- Sở dĩ có sự truyền năng lượng là do phát xạ của ion Ce
3+
che phủ một vài dịch
chuyển hấp thụ của Mn
2+
và Cr
3+
. Hay nói cách khác phổ kích thích của Mn
2+
, Cr
3+
có sự
tương đương với phổ phát xạ của Ce
3+
dẫn đến có sự truyền năng lượng từ Ce
3+
đến Mn

2+

và Cr
3+
.
4. Kết luận
- Theo các nghiên cứu trước đây cũng như kết quả của đề tài, cho thấy có truyền
năng lượng từ ion Ce
3+
đến ion Mn
2+
và Cr
3+
. Và sự truyền năng lượng này không chỉ xảy
ra trong các vật liệu nền Silicate mà còn xảy ra ở các vật liệu nền Aluminate.
- Hiệu quả tăng cường độ phát quang của các đồng pha tạp (Ce
3+
, Mn
2+
),
(Ce
3+
, Cr
3+
) đã mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp truyền năng lượng từ các ion đất
hiếm sang ion kim loại chuyển tiếp để tạo ra nhiều vật liệu phát quang với màu sắc mong
muốn.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
537

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phan Văn Thích, Hiện tượng huỳnh quang và kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại học
tổng hợp Hà Nội.
[2] Nguyễn Văn Đến (2002), Quang phổ nguyên tử và ứng dụng, Nhà xuất bản Đại học
quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
[3] Long persisten phosphor (2006), Journal of luminescene.
[4] Shi Ye, Xiao – Ming Wang, and Xi – Ping Jing, Energy Transfer among Ce
3+
, Eu
2+
,
and Mn
2+
in CaSiO
3
, Journal of The Electrochemical Society (2008)
[5] Đinh Thanh Khẩn (2008), “Ảnh hưởng của ion Mn
2+
lên phổ phát quang của vật liệu
CaAl
2
O
4”
, Hội nghị Sinh viên nghiên cứu khoa học thành phố Đà Nẵng lần thứ 6.