Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu huỳnh quang lanthanum phosphate pha tạp đất hiếm

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 1 Đại học Quốc gia Hà Nội



















ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
o0o



Dương Thị Liên



NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA

VẬT LIỆU HUỲNH QUANG LANTHANUM
PHOSPHATE PHA TẠP ĐẤT HIẾM


Chuyên ngành : Vật lý Chất rắn
Mã số : 604407



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẤN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC LONG



HÀ NỘI - 2011

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 4 Đại học Quốc gia Hà Nội
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 8
1.1. Một số khái niệm cơ bản [1] 8
1.1.1. Hiện tượng phát quang 8
1.1.2. Các đặc trưng của sự phát quang 8
1.1.3. Phân loại phát quang. 9
1.2. Các tính chất quang của tâm đất hiếm 11
1.2.1. Đặc trưng quang phổ của các tâm phát quang loại ion đất hiếm [2] 11

1.2.2. Đặc trưng quang phổ của tâm phát quang Tb
3+
18
1.3. Các phương pháp chế tạo 19
1.3.1. Phương pháp thủy nhiệt [17-19] 19
1.3.2. Phương pháp sol-gel [14-16] 20
1.3.3. Phương pháp vi sóng [23, 24, 27]. 23
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 30
2.1. Phương pháp chế tạo bột LaPO
4
:Tb. 30
2.1.1. Hệ vi sóng 30
2.1.2. Tiền chất 31

2.1.3. Quy trình thực hiện 32
2.2. Các phương pháp nghiên cứu La
1-x
Tb
x
PO
4
. 34
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X. 34
2.2.2. Hiển vi điện tử quét SEM 36
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 5 Đại học Quốc gia Hà Nội
2.2.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy dispersive spectroscopy – EDS
hay EDX ) 39
2.2.4. Phép đo huỳnh quang. 40
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43
3.1. Tính chất cấu trúc, hình thái học của bột nano LaPO

4
. 43
3.1.1. Tính chất cấu trúc 43
3.1.2. Hình thái học (SEM). 47
3.1.3. Thành phần hóa học (phổ EDX). 48
3.2. Tính chất huỳnh quang của bột nano LaPO
4
:Tb 50
3.2.1. Phổ huỳnh quang 50
3.2.2. Phổ kích thích huỳnh quang 55
KẾT LUẬN 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60






Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 6 Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

Quá trình chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học của các vật liệu nano
thấp chiều chứa các ion đất hiếm trên nền hợp chất chứa các ion Y
3+
, Zr
3+
,
La

3+
…đang là một trong những hướng nghiên cứu nóng bỏng thu hút sự quan tâm
của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Các vật liệu này hứa hẹn có nhiều ứng
dụng mới trong khoa học và đời sống như: xúc tác, quang điện tử, quang tử, vật liệu
composit, chất màu thân thiện với môi trường, các sensor nano huỳnh quang dùng
trong y sinh và đánh dấu sinh học.
Vật liệu huỳnh quang LaPO
4
là vật liệu có điểm nóng chảy trên 1900
0
C,
hằng số điện môi thấp, hệ số giãn nở nhiệt tương tự như của alumina, không phản
ứng với các kim loại và nhiều oxit ở nhiệt độ cao. Đặc biệt, LaPO
4
có khả năng dẫn
proton ở trạng thái rắn và khi pha tạp các ion đất hiếm thì phát quang rất mạnh.
Trong một vài năm qua, chúng đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thiết bị
quang, lazer rắn, các đèn LED trắng, các bảng hiển thị, các ống tia catot, thiết bị
cảm biến, các bảng hiển thị plasma và điện tử thang nano [5, 6, 9, 12, 16, 17, 20, 22,
26], do các tính chất vật lý và tính chất hóa học đặc biệt của chúng. Ph
ốt phát đất
hiếm nói chung và LaPO
4
nói riêng đã được thừa nhận là các vật liệu rất tiềm năng.
Thêm vào đó LaPO
4
và LaPO
4
pha tạp đất hiếm còn là vật liệu rẻ tiền và không độc
hại. Chính những yếu tố này đã cuốn hút các nhà nghiên cứu trên thế giới.

 Có nhiều phương pháp chế tạo LaPO
4
như: Phương pháp sol-gel [18, 19, 24],
phương pháp thủy nhiệt [7, 11, 25], phương pháp đồng kết tủa [8, 13, 23], phương
pháp vi sóng [10, 21]. Người ta đã thu được các cấu trúc nano LaPO
4
với các hình
thái khác nhau như dây nano [23, 25], thanh nano [19, 24], màng mỏng [26] và hạt
nano [7, 8, 11, 13, 24]. Tuy nhiên, việc chế tạo các tinh thể nano LaPO
4
và LaPO
4

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 7 Đại học Quốc gia Hà Nội
pha đất hiếm với sự phân bố kích thước hẹp hình thái học đồng đều và phát quang
mạnh vẫn còn là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu.
Chính vì các lý do trên, chúng tôi đã chọn vật liệu huỳnh quang LaPO
4
làm
đối tượng nghiên cứu chính của mình. Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi tập
trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất phát quang của vật liệu huỳnh quang
LaPO
4
pha tạp kim loại khí hiếm Tb
3+
.
Luận văn có tiêu đề: “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu huỳnh
quang lanthanum Phosphate

pha tạp đất hiếm”. Luận văn bao gồm các phần như
sau:
Phần Mở đầu làm rõ mục đích làm rõ mục đích tiến hành luận văn này. đây
là phần giới thiệu vào đề của luận văn.
Phần chính bao gồm ba chương:
Chương I với tiêu đề là “Tổng quan”, tập trung trình bày những khái niệm
và những hiểu biết cơ bản về: Hiện tượng phát quang; Các tính chấ
t quang của tâm
tạp chất đất hiếm (đặc trưng quang phổ của các tâm phát quang loại ion đất hiếm)
nói chung và của tâm phát quang Tb
3+
nói riêng; Vật liệu LaPO
4
; Và một số phương
pháp chế tạo mẫu thường gặp.
Chương II là phần “ Thực nghiệm’’ trình bày phương pháp chế tạo mẫu mà
chúng tôi đã sử dụng và các phương pháp nghiên cứu tính chất của LaPO
4
:Tb
3+
.
Chương III “Kết quả và thảo luận”, đây là chương rất quan trọng trình bày
những kết quả đạt được và những phân tích, đánh giá của chúng tôi về kết quả thu
được.
Kết luận chung của luận văn.
Cuối cùng là tài liệu tham khảo.

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 8 Đại học Quốc gia Hà Nội
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN

Trong chương 1 chúng tôi sẽ trình bày những khái niệm và những hiểu biết
cơ bản về hiện tượng phát quang, sau đó là các tính chất quang của tâm tạp chất
đất hiếm nói chung và của tâm phát quang Tb
3+
nói riêng, tiếp theo sẽ trình bày về
vật liệu LaPO
4
, cuối cùng là một số phương chế tạo mẫu thường gặp.
1.1. Một số khái niệm cơ bản [1].
1.1.1. Hiện tượng phát quang.
Bức xạ (hiện tượng phát ra năng lượng dưới dạng sóng điện từ: photon) là
quá trình ngược của hấp thụ. Khi tinh thể bị kích thích, nghĩa là nhận được một
năng lượng nào đó, electron chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn trạng thái
trong đi
ều kiện cân bằng. Electron chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong một
khoảng thời gian rất ngắn, sau đó nó chuyển về trạng thái trống có năng lượng thấp
hơn. Chuyển dời này có thể kèm theo bức xạ hoặc không kèm theo bức xạ. Trong
các chuyển dời không kèm theo bức xạ, năng lượng giải phóng ra được truyền cho
mạng tinh thể (phonon), các hạt tải điện khác (hiệu ứng Auger) hoặc plasma điện
tử-lỗ trống (dao động plasma).
Trong các chuyển dời có kèm theo bức xạ, toàn bộ hoặc phần lớn năng lượng
chênh lệch giữa hai trạng thái được giải phóng bằng cách phát ra sóng điện từ (phonon).
Khi đó trong tinh thể xảy ra quá trình phát quang hay quá trình tái hợp bức xạ.
1.1.2. Các đặc trưng của sự phát quang.
Sự phát quang của một mẫu thường được đặc trưng bởi một số thông số sau:

Cườ
ng độ phát quang I: Cường độ phát quang được tính bằng số photon phát
ra trong một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian.
Phổ phát quang (hay phổ huỳnh quang): Sự phụ thuộc của cường độ phát quang
vào năng lượng hay bước sóng của photon phát ra gọi là phổ phát quang I=I(h
υ
) hoặc I
= I(
λ
). Nghiên cứu cấu trúc phổ cho ta biết cơ chế phát quang trong mẫu.
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 9 Đại học Quốc gia Hà Nội
Phổ kích thích huỳnh quang: Phổ kích thích huỳnh quang là sự phụ thuộc của
cường độ huỳnh quang ở một bước sóng nào đó vào năng lượng của ánh sáng kích thích.
Nói chung phổ kích thích và phổ hấp thụ ứng với một cơ chế (một tâm) là gần như nhau
vì trong phổ kích thích huỳnh quang, quá trình hấp thụ được quan sát một cách gián tiếp
thông qua ánh sáng huỳnh quang do vật phát ra nhờ quá trình hấp thụ trên.
Nghiên cứu phổ kích thích huỳnh quang có thể cho ta nhữ
ng hiểu biết về cơ
chế phát huỳnh quang.
Thời gian sống: Thời gian phát quang tiếp diễn sau khi ngừng kích thích
được gọi là thời gian sống của sự phát quang.
Hiệu suất lượng tử phát xạ
η
k
: Nếu nguồn kích thích là ánh sáng thì hiệu suất
lượng tử η
k
được tính bằng số photon phát ra trên số photon được hấp thụ (trong
một đơn vị thời gian).

η
k
= Số photon phát ra / Số photon được hấp thụ.
1.1.3. Phân loại phát quang.
Sự phát quang được phân loại theo thời gian sống τ. Nếu thời gian sống τ
nhỏ hơn 10
-8
s thì sự phát quang được gọi là huỳnh quang. Cũng có thể hiểu rằng
huỳnh quang là sự phát quang trong thời gian mẫu bị kích thích. Nếu sự phát quang
kéo dài sau khi đã ngừng kích thích, thời gian sống τ lớn hơn 10
-8
s thì sự phát
quang được gọi là lân quang.
Huỳnh quang được phân loại theo phương pháp kích thích.
- Quang huỳnh quang xuất hiện khi chiếu ánh sáng có bước sóng λ thích
hợp vào mẫu.
- Điện huỳnh quang xuất hiện khi kích thích bán dẫn bằng điện trường hoặc
dòng điện qua các lớp tiếp xúc dị thể hay chuyển tiếp p – n.
- Catot huỳnh quang xuất hiện khi chiếu chùm tia điện tử có năng lượng cao
vào chất bán dẫn.
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 10 Đại học Quốc gia Hà Nội
- Nhiệt huỳnh quang xuất hiện khi đốt nóng chất bán dẫn trước đó đã có các
hạt tải không cân bằng bị bắt trên các bẫy.
- Ma sát huỳnh quang xuất hiện dưới tác dụng kích thích cơ học.
- Hóa huỳnh quang xuất hiện trong các phản ứng hóa học đối với các chất
bán dẫn.
Huỳnh quang phân tử và huỳnh quang giả bền xảy ra khi sự hấp thụ và bức
xạ ánh sáng xảy ra trong nội bộ m
ột tâm phát quang khi điện tử từ trạng thái kích

thích chuyển về trạng thái cơ bản.
Hầu như không phụ thuộc vào phương pháp kích thích, quá trình tái hợp bức
xạ trong các chất bán dẫn thực hiện qua các cơ chế tái hợp cơ bản được thể hiện trên
hình 1.1 như sau:









- Tái hợp vùng-vùng (e-h) là tái hợp bức xạ giữa các electron tự do trong
vùng dẫn và lỗ trống tự do trong vùng hóa trị.
- Tái hợp exciton (exciton t
ự do, exciton liên kết, phân tử exciton, plasma
điện tử-lỗ trống…).
Hình 1.1. Các quá trình tái hợp bức xạ
A

D‐A
D

D‐h
D

A

e‐A

e‐h
E
exc
Vùng dẫn điện

e‐h
Kích thích
Vùng hóa trị

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 11 Đại học Quốc gia Hà Nội
- Tái hợp vùng-tạp chất (e-A, D-h) là tái hợp bức xạ của các hạt tải điện tự
do và các hạt tải điện bị bắt trên các tâm tạp chất (electron tự do trong vùng dẫn
điện với lỗ trống trên axepto hoặc electron trên đono với lỗ trống tự do trong vùng
hóa trị).
- Tái hợp cặp donor-acceptor (D-A) là tái hợp bức xạ giữa các electron trên
donor và các lỗ trống trên axepto.
- Chuyển dời bức xạ bên trong một tâm quang họ
c.
1.2. Các tính chất quang của tâm đất hiếm.
1.2.1. Đặc trưng quang phổ của các tâm phát quang loại ion đất hiếm [2].
Hầu hết các ion lantan được khám phá vào đầu thế kỷ 19 và vào thế kỷ 20. Tuy
nhiên, những khám phá gần đây cho thấy tầm quan trọng của các ion lantan trong
công nghệ tăng nhanh chóng. Các nguyên tố đất hiếm RE (Rare Earth) là các
nguyên tố thuộc họ lantan, được đặc trưng bởi lớp điện tử chưa được lấp
đầy 4f.
Quỹ đạo 4f của các ion RE được che chắn bởi các quỹ đạo đã được lấp đầy nằm bên
ngoài là 5s
2
và 5p

6
. Do vậy, ảnh hưởng của trường tinh thể mạng chủ lên các dịch
chuyển quang trong cấu hình 4f
n
là nhỏ.
• Trong các oxit kim loại đất hiếm RE
2
O
3
, thì các dịch chuyển hấp thụ bị cấm
rất mạnh theo quy tắc chọn lọc chẵn-lẻ. Do đó, các oxit kim loại đất hiếm thường
không màu.
• Khi ở trong trường tinh thể, do ảnh hưởng yếu của trường tinh thể mà đặc
biệt là các thành phần lẻ của trường tinh thể, các thành phần này xuất hiện khi các
ion RE chiếm các vị trí không có tính đối xứng đảo. Các thành phần lẻ này trộn một
phần nh
ỏ các hàm sóng có tính chẵn - lẻ ngược lại (như 5d) với hàm sóng 4f. Bằng
cách này thì quy tắc chọn lọc chẵn lẻ được nới rộng trong nội cấu hình 4f, dẫn đến
có thể thực hiện một vài dịch chuyển quang.
Các nguyên tố họ đất hiếm: Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gb, Tb, Dy, Ho, Er, Tm,
Yb có số nguyên tử từ 58 đến 70 giữ vai trò hết sức quan trọng trong sự phát quang
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 12 Đại học Quốc gia Hà Nội
của phốt pho tinh thể. Cấu hình điện tử của các ion hoá trị 3, với sự lấp đầy của các
điện tử lớp 4f: 1s
2
2s
2
2p
6

3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
( 4f
n
) 5s
2
5p
6
với n = 1 ÷ 13, có thể
được biểu diễn ở bảng 1.1
Bảng 1.1: Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của một số ion đất hiếm hoá trị 3
+
Số nguyên tử
Ion đất
hiếm
Cấu hình điện tử
Trạng thái cơ
bản theo quy
tắc Hund
57 La

3+
1s
2
2s
2
2p
6
… (4f
0
)
5s
2
5p
6
O
58 Ce
3+
1s
2
2s
2
2p
6
… (4f
1
)
5s
2
5p
6

2
F
5/2
59 Pr
3+
1s
2
2s
2
2p
6
…

(4f
2
)

5s
2
5p
6

3
H
4
60 Nd
3+
1s
2

2s
2
2p
6
…

(4f
3
)

5s
2
5p
6

4
I
9/2

61 Pm
3+
1s
2
2s
2
2p
6
…

(4f

4
)

5s
2
5p
6

5
I
4

62 Sm
3+
1s
2
2s
2
2p
6
…

(4f
5
)

5s
2
5p
6

6
H
5/2

63 Eu
3+
1s
2
2s
2
2p
6
…

(4f
6
)

5s
2
5p
6

7
F
0

64 Gd
3+
1s

2
2s
2
2p
6
…

(4f
7
)

5s
2
5p
6

8
S
7/2

65 Tb
3+
1s
2
2s
2
2p
6
…

(4f
8
)

5s
2
5p
6

7
F
6

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 13 Đại học Quốc gia Hà Nội
Theo thuyết cấu tạo hoá học thì cấu trúc các lớp điện tử trong nguyên tử

của
các nguyên tố đất hiếm hình thành như sau: sau khi bão hoà lớp điện tử s của lớp
thứ sáu 6s
2
bằng hai điện tử thì lớp điện tử 4f được lấp đầy dần dần bằng 14 điện
tử, tức là cấu hình điện tử có lớp chưa lấp đầy là 4f.
Nói chung, tất cả các nguyên tố đất hiếm có tính chất hoá học giống nhau. Do
sự khác nhau về cấu trúc lớp vỏ điện tử của các nguyên tử nên chúng khác nhau về
tính chấ
t vật lý, đặc biệt là sự hấp thụ và bức xạ năng lượng (photon ánh sáng).
Như vậy, việc pha tạp các nguyên tố RE có thể nâng cao hiệu suất phát quang
của tinh thể phốt pho, đem lại nhiều khả năng ứng dụng cho nhiều mục đích khác
nhau nên việc phát triển nghiên cứu, chế tạo vật liệu phát quang này đã trở nên

thông dụng trong thực tế.
Hình 1.2 trình bày giản đồ cấu trúc mức nă
ng lượng của các ion đất hiếm hóa
trị 3, RE
3+
, còn được gọi là giản đồ Dieke. Các mức năng lượng điện tử 4f là đặc
điểm tiêu biểu của các ion đất hiếm. Do các điện tử lớp 4f chưa lấp đầy nằm sâu bên
trong so với các lớp 5s, 5p, 5d, 6s đã được lấp đầy và bị che chắn bởi các lớp này
nên điện tử lớp 4f của các nguyên tố đất hiếm tương tác rất yếu v
ới mạng tinh thể
(phần năng lượng đóng góp do tương tác này chỉ khoảng 0.01 eV, nhỏ hơn so với
tương tác spin quỹ đạo một bậc) nhưng chúng vẫn tương tác với nhau khá mạnh.
Mặc dù các nguyên tố đất hiếm đã nằm tại các nút mạng tinh thể nhưng chúng
vẫn có các mức năng lượng xác định đặc trưng riêng cho mình. Các mức này ít chịu
ảnh hưởng của trường tinh thể. Khi có sự chuyể
n dời của các điện tử giữa các mức
năng lượng của lớp 4f sẽ cho bức xạ đặc trưng của tâm đó. Phổ phát quang của tinh
thể phốt pho pha tạp các nguyên tố đất hiếm gồm cả những dải rộng và các vạch
hẹp đặc trưng cho từng nguyên tố. Nếu tâm kích hoạt quang học nào bị ảnh hưởng
mạnh của trường tinh thể thì phổ bức xạ có dạng phổ đám (dải rộng). Ngược lại,
nếu tâm kích hoạt nào ít bị ảnh hưởng của trường tinh thể thì phổ bức xạ của nó là
phổ vạch.
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 14 Đại học Quốc gia Hà Nội
Hình 1.2 mô tả những mức năng lượng của các ion đất hiếm hoá trị 3. Độ
rộng của mức đặc trưng cho sự tách vạch trong trường tinh thể của chúng. Các
trạng thái được viết theo ký hiệu của Russell-Sauders, những nửa vòng tròn chỉ
rõ những mức phát xạ.

Hình 1.2. Giản đồ Dieke của các ion đất hiếm [20]
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 15 Đại học Quốc gia Hà Nội
Khi các ion đất hiếm ở trong trường tinh thể tĩnh, sẽ có hiện tượng tách các
mức năng lượng. Sự tách mức năng lượng do nhiều nguyên nhân, hình 1.3 thể hiện
sơ đồ tách mức năng lượng theo các nguyên nhân khác nhau.
- Tách mức do lực nguyên tử: theo vật lý chất rắn và cơ học lượng tử, khi các
nguyên tử ở gần nhau thì chúng sẽ tương tác với nhau và dẫn tới sự tách mức.
- Tách mức do trường vật li
ệu nền: khi pha các nguyên tố đất hiếm vào một
mạng nền nào đó, có sự tương tác của trường vật liệu nền với các ion đất hiếm, làm
cho hàm sóng của các ion này bị nhiễu loạn và cũng gây ra sự tách mức.
- Tách mức do tương tác spin: ion đất hiếm có lớp vỏ 4f chưa được điền đầy
điện tử, dẫn tới hình thành cấu hình điện tử khác nhau với các mức năng l
ượng khác
nhau do tương tác spin-spin và tương tác spin-quỹ đạo.



Mỗi năng lượng của điện tử 4f được xác định bằng số lượng tử J. Dưới ảnh
hưởng của trường tinh thể, các mức này bị tách thành một số phân mức do hiệu ứng
Hình 1.3. Sơ đồ tách mức năng lượng của Pr
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 16 Đại học Quốc gia Hà Nội
Stark. Số phân mức tách không những phụ thuộc vào J mà còn phụ thuộc vào tính
chất đối xứng của các ion đất hiếm trong trường tinh thể.
Khi các tâm phát quang tương tác với điện từ trường ngoài, sự tương tác đó
hiển nhiên phải thông qua điện trường (quá trình lưỡng cực điện) hoặc từ trường
(quá trình lưỡng cực từ) của từ trường ngoài. Do sự tương tác đó, các tâm sẽ chuyển
từ
mức ban đầu sang mức cuối kèm theo sự hấp thụ hay bức xạ photon có năng
lượng bằng sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức đầu và cuối. Sẽ có hai khả năng
chuyển dời đó là quá trình lưỡng cực điện và lưỡng cực từ. Trong đó, quá trình
lưỡng cực điện mạnh hơn nhiều so với lưỡng cực từ, chỉ khi nào lưỡng cực đ
iện bị
cấm, thì quá trình lưỡng cực từ mới thể hiện. Chuyển dời lưỡng cực điện trong các
ion tự do bị cấm do tính chẵn lẻ. Quy tắc lọc lựa trong trường hợp này là ΔJ≤6
(ngoại trừ 0→0, 0→1, 0→3, 0→5). Mức độ chuyển dời phụ thuộc vào tính đối
xứng của ion trong chất nền.Trong khi đó các chuyển dời lưỡng c
ực từ ít chịu ảnh
hưởng của tính đối xứng do các chuyển dời này là được phép do tính chẵn lẻ. Quy
tắc lọc lựa trong trường hợp này là ΔJ = 0,±1 (ngoại trừ 0→0). Trong vùng năng
lượng của các mức 4f, có hai chuyển dời hấp thụ quang học:
- Chuyển dời truyền điện tích: 4f
n
→ 4f

n-1
L
-1
trong đó L là trường ligan (ligan
là số anion bao quanh tạp)
- Chuyển dời 4f
n
→ 4f
n-1
5d
Trong khi chuyển dời truyền điện tích, các điện tử của anion lân cận được
truyền đến quỹ đạo 4f của ion tạp. Ngược lại chuyển dời 4f
n
→4f
n-1
5d xảy ra trong
ion tạp khi một điện tử 4f được truyền từ 4f tới quỹ đạo 5d. Cả hai chuyển dời đều
được phép và thể hiện quá trình hấp thụ quang học mạnh. Các chuyển dời 4f→5d
trong Ce
3+
, Pr
3+
, Tb
3+
và chuyển dời hấp thụ trong Eu
3+
, Yb
3+
có năng lượng nhỏ
hơn 40×10

3
cm
-1
. Mức năng lượng này rất gần với mức kích thích thấp nhất ở trạng
thái 4f có giá trị khoảng 30×10
3
cm
-1
. Vì vậy, tương tác giữa các mức này với các
mức 4f có thể xảy ra và có thể phát xạ ứng với chuyển dời f→f. Trong trường hợp
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 17 Đại học Quốc gia Hà Nội
các mức năng lượng của trạng thái chuyển dời truyền điện tích hoặc 4f
n-1
5d thấp
hơn năng lượng của các mức 4f, chuyển dời quang học trực tiếp từ mức kích thích
này xuống trạng thái cơ bản được quan sát, ví dụ như chuyển dời 5d→4f trong ion
Eu
2+
. Phổ phát quang trong trường hợp này là thay đổi theo sự tách mức năng lượng
trong ion tạo bởi trường tinh thể khi các nguyên tố đất hiếm nằm trong chất nền
khác nhau. Thực tế môi trường xung quanh ion tạp là môi trường động, vì các ion
trong mạng tinh thể luôn dao động quanh một vị trí cân bằng nào đó. Chính trường
động này ảnh hưởng lên trạng thái điện tử của các tâm quang học, ngược lại chính
môi trường xung quanh lại bị ảnh hưởng c
ủa sự thay đổi trạng thái điện tử của các
tâm quang học. Mức độ ảnh hưởng tương hỗ này được thể hiện qua lực liên kết giữa
các ion tạp và các ion trong mạng nền và đặc trưng bởi Hamilton V
c
là năng lượng

tương tác của các ion tạp và trường tinh thể của mạng. Ta phân biệt ba trường hợp :
rất yếu, yếu, và mạnh.
Trong trường hợp liên kết V
c
= 0, nghĩa là tương tác trường tinh thể và trạng
thái ion tạp không ảnh hưởng gì đến nhau. Với các ion đất hiếm hoá trị 3, sự điều
biến của trường tinh thể yếu, quang phổ học liên quan đến chuyển dời điện tử giữa
các mức trong trạng thái 4f đặc trưng chủ yếu bởi các vạch hẹp.
Vấn đề tương tác sẽ trở nên phức tạp hơn khi lực liên k
ết giữa các tâm quang
học và trường tinh thể mạnh. Trong trường hợp này, các trạng thái của hệ ion tạp và
mạng nền có thể hình dung như sau:
- Khi ion tạp ở trạng thái cơ bản, sự liên kết giữa các ion này và mạng có một
lực nhất định, ảnh hưởng tới sự sắp xếp trung bình của các ion xung quanh. Tất cả
các ion sẽ dao động xung quanh vị trí trung bình theo một tần số cho phép nào đó.
- Khi ion tạp ở trạ
ng thái kích thích, liên kết giữa chúng và mạng sẽ khác đi, sự
sắp xếp của các ion xung quanh cũng thay đổi và phổ của các mode dao động cũng
thay đổi.

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 18 Đại học Quốc gia Hà Nội
1.2.2. Đặc trưng quang phổ của tâm phát quang Tb
3+
.
Tb là một nguyên tố đất hiếm có đặc tính phát quang mạnh liên quan tới sự
chuyển dời điện tử bên trong ion đất hiếm Tb
3+
. Tb và Tb
3+

có cấu hình tương ứng:
Tb(Z=65): 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
(4f
9
)5s
2
5p
6
6s
2

Tb
3+

: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6
4d
10
(4f
8
)5s
2
5p
6
Nguyên nhân của các chuyển dời quang học ở ion Tb
3+
có thể được giải thích
do các điện tử lớp 4f chưa lấp đầy được che chắn bởi các lớp điện tử bên ngoài là 5s
và 5p. Phổ huỳnh quang của ion Tb
3+

thường có dạng vạch hẹp nằm trong dải bước
sóng từ 480 – 700 nm. Các vạch này được giải thích do các chuyển dời giữa trạng
thái kích thích đầu tiên
5
D
4
và các mức bội (multiple) của trạng thái cơ bản
7
F
J
(J=0,
1, 2, 3, 4, 5, 6). Mức bội được ký hiệu bằng:
2s+1
L
J
với S, L, J là các số lượng tử của
mô men spin, mô men quỹ đạo và mô men toàn phần J của ion Tb
3+
. Các chuyển
dời phát xạ quan sát được là minh chứng rõ ràng do sự tách mức của trạng thái cơ
bản F
J
(J=0, 1, 2, 3, 4, 5) dưới ảnh hưởng của tương tác spin-quỹ đạo.
Vật liệu huỳnh quang LaPO
4

Vật liệu huỳnh quang (hay còn gọi là vật liệu phát quang) là các vật liệu có
thể phát ra ánh sáng (từ hồng ngoại đến tử ngoại) dưới tác dụng của các kích thích
bên ngoài. Như phần trên đã nêu, năng lượng kích thích bên ngoài có thể tồn tại
dưới dạng ánh sáng (photon), electron năng lượng cao (tia catot) hoặc điện trường,

v.v…Thông thường vật liệu huỳnh quang bao gồm hai thành phần chính: vật liệu
nền và một lượng nhỏ tạp ch
ất được pha vào nền, đóng vai trò các tâm kích hoạt
quang học.
Phốt phát lantan (LaPO
4
) là vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt như: ít tan
trong nước, độ ổn định nhiệt cao, chiết suất cao, v.v… vì thế vật liệu này đã được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: vật liệu phát quang, vật dẫn proton, vật
liệu gốm, vật liệu chịu nhiệt, xúc tác. Các phốt phát đất hiếm nói chung và LaPO
4

nói riêng còn thể hiện tính ổn định rất cao đối với phản ứng quang hóa và các bức
xạ năng lượng cao.
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 19 Đại học Quốc gia Hà Nội
Trong khoảng chục năm trở lại đây, LaPO
4
, thuộc lớp vật liệu có vùng cấm
rộng cỡ 7-8 eV, được coi là vật liệu nền lý tưởng để pha tạp kim loại đất hiếm. Việc
pha tạp các ion đất hiếm khác nhau như Eu
3+
, Nd
3+
, Gd
3+
, Pr
3+
, Yb
3+

, Ce
3+
, Tb
3+

v.v… vào tinh thể lớn cũng như tinh thể nano LaPO
4
đã cho phép chế tạo các vật
liệu có thể phát ra ánh sáng có màu sắc trải rộng từ đỏ đến xanh lam. Các vật liệu
này được ứng dụng trong linh kiện quang điện tử, laze rắn, điot phát quang, khuếch
đại quang, màn hiển thị, v.v Rất gần đây, các vật liệu phát quang nano LaPO
4
pha
tạp đất hiểm được phát hiện là có thể hứa hẹn nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh
học như: đánh dấu, tạo ảnh sinh học, truyền năng lượng cộng hưởng trong các cảm
biến sinh học, v.v…
1.4. Các phương pháp chế tạo.
1.4.1. Phương pháp thủy nhiệt [7, 11, 25].
Thủy nhiệt là một quá trình đặc biệt dùng để chỉ một phản ứng hóa học mà
có sự tham gia c
ủa nước hay các dung môi khác dưới tác dụng của nhiệt độ và áp
suất cao. Theo định nghĩa của Byrappa và Yoshimura, thủy nhiệt chỉ là quá trình
hóa học xảy ra trong một dung dịch (có nước hoặc không có nước) ở nhiệt độ cao
và áp suất trên 1 atm. Việc thúc đẩy nhanh phản ứng giữa các pha rắn được thực
hiện bằng phương pháp thủy nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao
và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình th
ường. Lúc đó nước thực hiện hai chức năng:
thứ nhất vì nó ở trạng thái lỏng hoặc hơi nên đóng chức năng môi trường truyền áp
suất, thứ hai nó đóng vai trò như một dung môi có thể hoà tan một phần chất phản
ứng dưới áp suất cao, do đó phản ứng được thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự

tham gia một phần của pha lỏng hoặc pha hơi. Phương pháp thủy nhiệt cũng được
sử dụng để nuôi tinh thể. Thiết bị sử dụng trong phương pháp này thường là nồi
hấp (autoclave).
Cấu tạo của bình thủy nhiệt gồm:
- Bình Teflon là bình trơ đựng các dung dịch các tiền chất và không phản ứng
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 20 Đại học Quốc gia Hà Nội
với các hóa chất.
- Bình thép chịu được nhiệt độ cao và áp suất cao.
Vì rằng các quá trình thủy nhiệt được thực hiện trong bình kín nên thông tin
quan trọng nhất là giản đồ sự phụ thuộc áp suất hơi nước trong điều kiện đẳng tích
(hình 1.4).








Ưu điểm: Phương pháp này có hiệu suất phản ứng cao, khi có mặt phản ứng
thì nhiệt độ phản ứng thấ
p hơn. Nó thích hợp để chế tạo các hạt nano, có kích thước
đồng đều, độ tinh khiết cao, điều khiển được kích thước cũng như tính chất lý hóa
của nó…
1.4.2. Phương pháp sol-gel [18, 19, 24].
Trong những năm gần đây, phương pháp sol-gel được nghiên cứu nhiều và
ứng dụng rộng rãi trong việc tổng hợp vật liệu. Công nghệ sol-gel đã được áp dụng
để chế tạo nhiều loại vật liệu có cấ
u trúc và hình dạng khác nhau như: bột, sợi, khối,

màng, và vật liệu có cấu trúc nanô.
Sol-gel có thể đi theo các con đường khác nhau như thủy phân các muối, thủy
100200300400500
o
C
Hình 1.4. Sự phụ thuộc áp suất hơi vào nhiệt độ trong điều kiện đẳng
tích (Đường chấm chấm chỉ áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ khi nồi hấp
đựng một lượng nước ứng với 10, 20, 30,…, 90 phần trăm thể tích nồi).
ÁpSuất
K bar
1
0,8
90 80 70
60
10
20
30
50
40
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 21 Đại học Quốc gia Hà Nội
phân các alkoxit hay bằng con đường tạo phức. Sol-gel là quá trình phức tạp và có rất
nhiều biến thể khác nhau phụ thuộc vào các loại vật liệu và các mục đích chế tạo cụ thể.
Phương pháp sol-gel theo con đường tạo phức lần đần tiên được biết đến vào
năm 1967 qua bằng sáng chế của M.P. Pecchini với việc sử dụng axit citric làm tác
nhân tạo sol. Tuy nhiên sau đó bài báo này bị lãng quên một thời gian dài. Năm
1987 khi nghiên cứu về vật li
ệu siêu dẫn, Bednorg và Müller cần tổng hợp ra vật liệu
đơn pha có độ tinh khiết hóa học cao. Hai tác giả này nhận thấy với phương pháp sol-
gel alkoxit của Cu rất khó điều chế và dễ bị thủy phân. Bởi vậy hai ông đã quan tâm

đến bài báo của Pecchini. Ngày nay, phương pháp sol-gel citrat được quan tâm nghiên
cứu nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, Tây Ban Nha và Braxin…
Trong phương pháp sol-gel theo con đường tạo phức người ta thường sử dụng
axit citric và etylen glycol: axit citric (AC) C
6
H
8
O
7
+ etylen glycol (EG) C
2
H
6
O
2
+
dung dịch muối kim loại M
n+
→ khuấy, đun → gel → sấy để thu được xerogel →
nung để thu được oxit phức hợp.
Trong phương pháp sol-gel theo con đường tạo phức người ta thường sử dụng
citric acid để tạo phức với các alkoxit hoặc các muối kim loại.
Axit citric có ba nhóm cacboxyn và một nhóm alcol có công thức phân tử
C
6
H
8
O
7
hoặc H

3
C
6
H
5
O
7
và công thức cấu tạo:


Axit citric được kí hiệu là H
3
Cit, điều đó nhấn mạnh tính axit của nó. H
3
Cit
có 4 càng, ba nhóm cacboxyn, phối trí với ion nguyên tố đất hiếm quanh nguyên tử
oxi tạo nên 3 càng, còn càng thứ tư phối trí qua nguyên tử oxi của nhóm alcol và
tối đa có thể là 7 càng nếu ion nguyên tố đất hiếm phối trí với 2 nguyên tử của
nhóm cacboxyn (nếu mỗi nhóm có 2 càng).
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 22 Đại học Quốc gia Hà Nội
Trong phương pháp pieechini cải tiến quá trình tạo phức của axit citric với
kim loại còn được gọi là quá trình chelate hóa (chelate – tạo càng). Trong phản ứng
chelate các gốc cacboxyl sẽ tạo liên kết với các ion kim loại, tạo tiền đề cho việc
hình thành hạt kích thước nhỏ khi phân tử citric bị loại bỏ bởi quá trình nung nhiệt.
Do vậy, khi hòa tan các ion kim loại với dung dịch axit citric cần khuấy trong một
thời gian nhất định. Gốc OH
-
và các gốc cacboxyl móc nối các phân tử với nhau
tạo thành chuỗi polymer. Còn trong phương pháp pieechini EG tham gia vào quá

trình tạo liên kết polymer. Độ pH ảnh hưởng đến độ phân ly của các gốc OH
-
. Nếu
môi trường bazơ : gốc OH
-
ít

bị phân ly do vậy phản ứng ngưng tụ xảy ra nhanh.
Các chuỗi polyme tạo thành các đám nhỏ tạo tiền đề cho kích thước hạt bé. Nếu
môi trường axit, các gốc OH
-
bị phân ly mạnh phản ứng ngưng tụ xảy ra chậm, tạo
tiền đề cho các chuỗi polyme tạo thành các đám lớn và là tiền đề cho hạt kích
thước lớn.
Quá trình sol- gel theo con đường tạo phức phụ thuộc vào ba yếu tố chính:
+ Nồng độ tuyệt đối của các ion kim loại
+ Độ pH của dung dịch (Điều chỉnh pH bằng dung dịch NH
3
)
+ Tỷ lệ axit citric / Tổng số mol kim loại.
Vì một số ưu điểm sau mà phương pháp sol-gel có thể được lựa chọn để chế
tạo vật liệu phát quang có pha tạp đất hiếm.
1. Không đòi hỏi chân không hoặc nhiệt độ cao (có thể tiến hành ở nhiệt độ
phòng thí nghiệm), do đó tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu được quá trình mất mát
do bay hơi, ít ô nhiễm môi trường.
2. Quá trình ch
ế tạo bằng phương pháp sol-gel cho phép hoà trộn một cách
đồng đều nhiều thành phần với nhau.
3. Cho phép chế tạo các vật liệu lai hoá giữa vô cơ và hữu cơ, cái không có
trong tự nhiên.

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 23 Đại học Quốc gia Hà Nội
4. Dễ pha tạp.
5. Có thể chế tạo được các vật liệu có hình dạng khác nhau như bột, khối,
màng, sợi và vật liệu có cấu trúc nanô.
6. Có thể điều khiển được độ xốp và độ bền cơ học thông qua việc xử lý nhiệt.
7. Chế tạo được những vật liệu với độ tinh khiết cao.
8. Hoá chất sử dụng thường là không độc.
9. Phù hợp với yêu cầu ch
ế tạo các loại vật liệu bột có kích thước micro và nano.
Tuy nhiên, phương pháp sol-gel cũng có một số nhược điểm sau:
1. Hoá chất ban đầu thường nhạy cảm với hơi ẩm.
2. Khó điều khiển quá trình phản ứng, khó tạo sự lặp lại các điều kiện của
quy trình.
3. Xảy ra quá trình kết đám và tăng kích thước hạt ở nhiệt độ cao trong quá
trình ủ nhiệt
1.4.3. Phương pháp vi sóng [10, 15, 21].
Trong phổ sóng điện từ, bức xạ vi sóng nằm giữa bức xạ hồng ngoại và sóng
vô tuyến. Vi sóng có bước sóng nằm trong khoảng từ 1 mm đến 1 m, tương ứng với
dải tần số trong khoảng từ 0,3 đến 300 GHz. Vi sóng được phát hiện đã lâu (1946)
và đã được ứng dụng trong công nghiệp sấy thực phẩm. Tuy nhiên, mãi đến năm
1986, bức xạ vi sóng mới được áp dụng trong hóa học để tổng h
ợp các loại vật liệu.
Tương tác giữa vi sóng và vật chất dẫn đến sự đốt nóng vật và thúc đẩy các phản
ứng hóa học. Sự đốt nóng vật bằng vi sóng thường được giải thích nhờ hai cơ chế
chủ yếu, đó là cơ chế phân cực lưỡng cực điện (dipolar polarization mechanism) và
cơ chế dẫn (conduction mechanism).

Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 24 Đại học Quốc gia Hà Nội

Cơ chế phân cực lưỡng cực điện
Trong các phân tử chất lỏng có cực (polar liquid) như nước, methanol,
ethanol, v.v… thường có các momen lưỡng cực điện. Các momen lưỡng cực điện
này rất nhạy đối với điện trường ngoài. Khi các chất này được đặt trong một điện
trường ngoài dao động tuần hoàn, các phân tử lưỡng cực có xu hướng quay để định
hướng theo điện tr
ường như chỉ ra trên hình 1.5. Điện trường ngoài sẽ cung cấp
năng lượng cho chuyển động quay đó.








Trong chất khí, các phân tử nằm cách nhau rất xa, vì thế sự định hướng theo
điện trường của các phân tử lưỡng cực xảy ra rất nhanh, gần như tức thời. Trong
chất lỏng, sự định hướng tức thời theo điện trường bị cả
n trở bởi tương tác giữa các
phân tử lưỡng cực nằm gần nhau. Khả năng định hướng theo điện trường của các
phân tử trong chất lỏng phụ thuộc mạnh vào tần số dao động của điện trường và độ
nhớt của chất lỏng.
Dưới tác dụng của điện trường tần số rất cao, do tương tác giữa các phân tử,
các lưỡ
ng cực không bắt kịp sự dao động của điện trường, do đó chúng đứng yên,
khi đó không xảy ra quá trình truyền năng lượng và không có nhiệt tỏa ra. Nếu tần


Hình 1.5. Các phân tử lưỡng cực quay để định hướng theo điện

trường dao động
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 25 Đại học Quốc gia Hà Nội
số dao động của điện trường rất thấp, các phân tử có thể quay cùng pha với điện
trường, nghĩa là các phân tử sẽ phân cực một cách đồng đều và không có một
chuyển động hỗn loạn nào được sinh ra, do đó cũng không có nhiệt tỏa ra. Nếu tần
số dao động của điện trường có giá trị trung gian, như tần số trong dải vi sóng, thì
hiện tượng xảy ra sẽ khác hai tr
ường hợp nêu trên. Thực vậy, đối với dải vi sóng tần
số dao động của điện trường đủ thấp để các lưỡng cực có đủ thời gian phản ứng và
quay theo điện trường. Tuy nhiên, tần số của điện trường cũng không thấp đến mức
để sự quay của các lưỡng cực bắt kịp, nghĩa là cùng pha với điện trường. Nói cách
khác, dao động của các lưỡng cực luôn trễ pha so với điện trường. Trong trường
hợp này, chuyển động hỗn loạn được sinh ra do ma sát và va chạm giữa các phân tử
lưỡng cực sẽ làm cho năng lượng bị mất mát và gây ra nhiệt, làm nóng các chất
lỏng có cực. Hình 1.6 trình bày kết quả thí nghiệm đối với nước (chất lỏng có cực)
và dioxane (chất lỏng không cực). Khi được chiếu bức xạ vi sóng, nước được đốt
nóng r
ất nhanh vì trong nước chứa các phân tử lưỡng cực (có momen lưỡng cực
lớn), trong khi đó dioxane không được đốt nóng vì nó không chứa các phân tử
lưỡng cực.

Nhiệt độ (
o
C)
Thời gian (s)
Hình 1.6. Sự tăng nhiệt độ của nước (đường cong phía trên)
và dioxane (đường cong phía dưới) khi được chiếu bức xạ vi
sóng công suất 150 W.
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 26 Đại học Quốc gia Hà Nội
Cơ chế dẫn
Nếu mẫu được chiếu bức xạ vi sóng là vật dẫn điện, thì các hạt tải điện
(electron, ion, v.v…) sẽ dao động trong mẫu dưới tác dụng của điện trường và gây
ra độ phân cực. Dòng điện cảm ứng sinh ra khi đó sẽ làm nóng mẫu vì điện trở.
Nếu mẫu dẫn điện rất tốt, như kim loại chẳ
ng hạn, thì hầu hết năng lượng của
vi sóng không thể xuyên qua, mà phản xạ trên bề mặt của mẫu.Tuy nhiên, cần lưu ý
là điện thế rất cao trên bề mặt có thể gây ra các tia lửa điện như thường quan sát
thấy khi đặt kim loại vào lò có bức xạ vi sóng.








Thực nghiệm chứng tỏ rằng nếu đem đun nóng bằng bức xạ vi sóng hai
lượng n
ước tinh khiết như nhau, nhưng ở bình thứ hai cho thêm một lượng nhỏ
muối ăn, thì người ta phát hiện thấy rằng tốc độ tăng nhiệt độ của bình thứ hai

nhanh hơn bình một rất nhiều. Nguyên nhân là do trong bình thứ hai cả hai cơ chế
(phân cực lưỡng cực và dẫn) đều xảy ra và đóng góp vào hiệu ứng nhiệt.
Người ta cũng nhận thấy rằng khả năng hấp th
ụ năng lượng vi sóng và biến
năng lượng đó thành nhiệt của một chất lỏng có thể được đặc trưng bằng một đại
lượng gọi là góc mất mát (loss angle)
với:


Hình 1.7. Các hạt tải điện trong chất lỏng chuyển động theo điện trường.
Luận văn tốt nghiệp Dương Thị Liên
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 27 Đại học Quốc gia Hà Nội
'
tg
ε
δ
ε
=

trong đó là hằng số điện môi, là đại lượng xác định hiệu suất biến đổi năng lượng
hấp thụ từ vi sóng thành nhiệt. Như vậy, khi đốt nóng bằng vi sóng hai chất lỏng có
hằng số điện môi xấp xỉ nhau, chất nào có góc mất mát lớn hơn sẽ có tốc độ đốt nóng
cao hơn. Thí dụ, ethanol và acetone có hằng số điện môi gần như nhau, nhưng ethanol
có góc mất mát lớn hơn, vì thế ethanol có tốc độ t
ăng nhiệt nhanh hơn.
Ưu điểm thường được nhắc đến đầu tiên của việc sử dụng vi sóng để tổng
hợp vật liệu là đẩy nhanh tốc độ phản ứng. Thực vậy, tốc độ phản ứng
có thể
được mô tả bởi phương trình Arrhenius:

trong đó là đại lượng mô tả độ linh động của phân tử, phụ thuộc vào tần số dao
động của phân tử;
là năng lượng kích hoạt tự do. Bức xạ vi sóng tác động lên cả
hai đại lương nêu trên, do đó đẩy nhanh tốc độ phản ứng










Hình 1.8. Sự phân bố nhiệt trong mẫu khi nung bằng phương pháp
gia nhiệt truyền thống(a) và phương pháp vi sóng (b)
a)
b)