khảo sát ảnh hưởng của ion Mn lên phát quang vật liệu Caal2O4

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


347
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ION MN
2+

LÊN

PHỔ
PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU CAAL
2
O
4
STUDING THE EFFECTS OF ION MN
2+
ON LUMINESCENT SPECTRAL OF
MATERIAL CAAL
2
O
4

GVHD: Th.S LÊ VĂN THANH SƠN
1
SVTH: ĐINH THANH KHẨN
2
1-Lớp 04VL, Trường Đại học sư phạm Đà Nẵng .
2. Khoa vật lý, Trường Đại học sư phạm- Đại học Đà Nẵng.

TÓM TẮT
Trong bài báo này, tác giả đưa ra một số kết quả đo phổ phát quang của vật liệu CaAl

2
O
4
pha
tạp Mn
2+
. Từ những kết quả thực nghiệm thu được, tác giả đưa ra một số kết luận về ảnh
hưởng của ion Mn
2+
lên phổ phát quang của vật liệu này.
ABSTRACT
In this paper, the author presents some results on luminescent spectral of material CaAl
2
O
4

doped with Mn
2+
. By the obtained results, the author presents some conclusions on the
influence of ion Mn
2+
on luminescent spectral of this material.
1. MỞ ĐẦU
Hiện tượng lân quang dài có nhiều ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và đời sống. Các
chất lân quang dài được ứng dụng để tạo ra nguồn sáng cho các tình huống tạm thời thiếu ánh
sáng nhưng không cần tiêu thụ năng lượng để nuôi. Năng lượng phát sáng đã được tích trữ từ
lúc chất này được chiếu sáng tự nhiên. Ví dụ: Chúng được gắn trên mặt đồng hồ đeo tay, gắn
trên kim chỉ la bàn, hoặc gắn trên công tắc đèn điện. Chúng cũng được dùng để làm đồ trang
trí, chế tạo mực phát sáng. Việc chế tạo laser cũng có thể sử dụng các chất lân quang. Lý do là
các electron có thể tồn tại trên trạng thái kích thích lâu, đủ để đợi các photon khác đi qua và

gây ra phát xạ kích thích đồng pha. Màn hình tia âm cực, màn hình ghi nhận các dòng hạt năng
lượng cao (electron, tia X, neutron, ...) cũng có thể chứa các chất lân quang.
Những nghiên cứu và phát triển của hiện tượng lân quang dài đã có cách đây trăm năm và
con người đã tìm ra nhiều vật liệu lân quang cho thời gian phát quang dài. Chất lân quang dài
đầu tiên được phát hiện là ZnS:Cu
+
. Khoảng những năm 70 của thế kỷ 20, các sunfua kiềm thổ
đã được sử dụng làm vật liệu nền của chất lân quang dài. Ví dụ: CaS:Bi
3+
, CaS:Eu
2+
,
CaS:Ce
3+
…Năm 1996, Matsuzawa đã tìm ra một loại chất phát quang mới là SrAl
2
O
4
:Eu
2+
,
Dy
3+
. Sau đó không lâu người ta đã chế tạo được CaAl
2
O
4
:Eu
2+
, Nd

3+
. Nhiều chất lân quang
dài đã được phát hiện trong thập kỉ này, ví dụ: Aluminate kiềm thổ pha tạp Ce
3+
, Mn
2+
, Tb
3+
;
silicate kiềm thổ pha tạp Eu
2+
, Mn
2+
, Dy
3+
; oxit kiềm thổ pha tạp Eu
2+
; oxit và oxitsunfua của
đất hiếm pha tạp Er
3+
, Eu
3+
, Ti
4+
; kẽm photphat pha tạp Mn
2+
…


Là sinh viên vật lý, tuy nhiên chúng tôi chưa được tìm hiểu nhiều về hiện tượng phát

quang, đặc biệt là hiện tượng lân quang dài. Với các lý do trên cùng với các điều kiện hiện có,
tôi chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng của ion Mn
2+
lên phổ phát quang của vật liệu
CaAl
2
O
4
”.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Thí nghiệm
2.1.1. Chế tạo mẫu
Các mẫu vật liệu được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, theo phương trình
phản ứng sau:


242323
COOCaAlOAlCaCO

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


348
Khối lượng của các chất
323
, OAlCaCO
được lấy theo tỷ lệ thích hợp, pha tạp
thêm
2
Mn

( lấy từ MnCl
2
) với các thành phần phần trăm: 0,2% ; 0,5% ; 0,7% ; 1%. Các hỗn
hợp được nghiền trong thời gian 3 giờ và được nung trong lò nhiệt độ cao lần lượt qua các
nhiệt độ 1200
0
C; 1225
0
C; 1250
0
C; 1275
0
C; 1300
0
C. Các mẫu được làm sạch và sau đó đo
nhiễu xạ tia X để khảo sát vật liệu nền và tiến hành đo phổ phát quang.
2.1.2. Hệ đo phổ phát quang

2.2. Kết quả và thảo luận
2.2.1. Kết quả

VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau CaAl2O4 - 5%Cu
23-1036 (Q) - Calcium A luminum O xi de - CaA l2O4/C aO·A l2O3 - Y : 26.79 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056
23-1037 (* ) - Grossite, syn - C aA l4O7/C aO·2A l2 O3 - Y : 13.46 % - d x by : 1.000 - W L: 1.54056
24-0217 (* ) - K atoite, syn - C a3A l2(OH)12 - Y : 2.94 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056
09-0413 (* ) - May enite, syn - C a12A l14O 33 - Y : 15.1 8 % - d x by : 1.000 - W L: 1.54056
11-0661 (D ) - A lumi num O x ide - A l2O3 - Y : 3.35 % - d x by: 1.000 - W L: 1.54056
File: B ang-D C -mau 0,5% C u3.raw - Type: 2Th/Th locked - S tart: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 0.7 s - Temp.: 25 .0 ° C (Room) - A node: C u - C reation : 05/07/07 15:28:48
File: B ang-D C -mau 0,5% C u2.raw - Type: 2Th/Th locked - S tart: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 0.7 s - Temp.: 25 .0 ° C (Room) - A node: C u - C reation : 05/07/07 15:03:53
File: B ang-D C -mau 0,5% C u1.raw - Type: 2Th/Th locked - S tart: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 0.7 s - Temp.: 25 .0 ° C (Room) - A node: C u - C reation : 05/07/07 15:39:14

Lin (Cps)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
2-Theta - Scale
10 20 30 40 50 60 70




Sau khi tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X, tác giả nhận thấy với các nhóm mẫu vật liệu
được nung ở nhiệt độ 1275
0
C thì thành phần chủ yếu là CaAl

2
O
4
. So sánh với các kết quả thu
được của các tác giả trước ( cũng thực hiện chế tạo mẫu và đo phổ nhiễu tia X trong cùng một
điều kiện phòng thí nghiệm ), tác giả nhận thấy với vật liệu CaAl
2
O
4
chỉ

cần nung tới nhiệt độ
1275
0
C là đã cho kết quả tốt. Vì vậy, tác giả chọn nhóm mẫu vật liệu nung ở nhiệt độ 1275
0
C
để khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ ion Mn
2+
lên phổ phát quang của chúng. Sau đây là một
số kết quả đo phổ phát quang của vật liệu CaAl
2
O
4
:Mn
2+
:
Hình B.2.2.1.1. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu
Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008

349

500 550 600 650 700
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
nong do: 0,2
Intensity (a.u)
Wavelength (nm)




500 550 600 650 700
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
nong do: 0,5
Intensity (a.u)

Wavelength (nm)




500 550 600 650 700
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
nong do: 0.7
Intensity (a.u)
Wavelength (nm)



Hình B.2.2.1.4. Phổ phát quang của CaAl
2
O
4
:0,7%Mn
2+


Hình B.2.2.1.2. Phổ phát quang của CaAl
2

O
4
:0,2%Mn
2+


Hình B.2.2.1.3. Phổ phát quang của CaAl
2
O
4
:0,5%Mn
2+


Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


350


500 550 600 650 700
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
nong do: 1.0

Intensity
Wavelength (nm)



500 550 600 650 700
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
6000000
7000000
Intensity (a.u)
Wavelength (nm)








0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
4000000
4500000
5000000
5500000
6000000

6500000
7000000
7500000
cuong do (a.u)
nong do (%)



Hình B.2.2.1.6 Phổ phát quang của CaAl
2
O
4
:Mn
2+
khi thay đổi nồng độ
MN
2+

0,2% Mn
2+


0,2% Mn
2+

0,5% Mn
2+

1,0% Mn
2+

0,7% Mn
2+

Hình B.2.2.1.7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang vào
nồng độ ion Mn
2+

Hình B.2.2.1.5. Phổ phát quang của CaAl
2
O
4
:1,0%Mn
2+


Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008


351
2.2.2. Nhận xét
Qua phổ phát quang của CaAl
2
O
4
:Mn
2+
, tôi rút ra một số nhận xét sau:
1. Phổ phát quang là một dải rộng có tính đối xứng, gồm hai đỉnh phổ ứng với các bước
sóng khoảng 550 nm và 650 nm. Trong đó đỉnh 650 nm có cường độ rất bé so với đỉnh 550

nm, có dạng phổ và cường độ không đổi khi thay đổi nồng độ ion Mn
2+
. Điều này chứng tỏ đó
không phải là bước chuyển của Mn
2+
, đó có thể là sự phát quang của tạp chất lạ hoặc của một
khuyết tật nào đó trong mạng tinh thể. Đỉnh 550 nm là bước chuyển của ion Mn
2+
trong trường
tinh thể của vật liệu nền CaAl
2
O
4
.
2. Dựa vào đồ thị (hình B.2.2.1.7), ta thấy: Khi tăng nồng độ Mn
2+
từ 0,2  0,7% thì
cường độ phát quang cũng tăng. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ Mn
2+
thì cường độ phát
quang bắt đầu giảm. Vậy với vật liệu CaAl
2
O
4

pha tạp Mn
2+
, để có sự phát quang với cường
độ lớn nhất thì pha tạp Mn
2+

với nồng độ khoảng 0,7 % là tốt nhất.
3. KẾT LUẬN
Hiện tượng lân quang dài đã và đang được quan tâm nghiên cứu trong thập niên qua. Các
chất lân quang có thời gian phát quang dài mở ra một hướng phát triển mới của ngành vật liệu
phát quang. Trong hiện tượng lân quang dài, vai trò của ion chất kích hoạt được xác định là
các tâm bắt điện tử (bẫy điện tử), có độ sâu khác nhau. Chúng ảnh hưởng đến thời gian phát
quang và màu sắc phát quang của chất lân quang dài.
Trong quá trình nghiên cứu đề tài cùng với việc so sánh các kết quả của các tác giả
trước, tôi rút ra một số kết luận sau:
1. Để chế tạo vật liệu nền CaAl
2
O
4
ta chọn các hoá chất thích hợp:CaCO
3
, Al
2
O
3
. Hỗn
hợp được nghiền trong một thời gian để phá vỡ cấu trúc của các chất (phá vỡ bằng cơ học).
Sau đó hỗn hợp được tiếp tục phá vỡ bằng nhiệt trong lò thêu kết nhiệt độ cao (1275
0
C).
2. Mn là nguyên tố kích hoạt tốt đối với vật liệu nền CaAl
2
O
4

ngoài các nguyên tố đất

hiếm: Ce, Dy, Eu, Tm...

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lý Hòa (1975), Cấu trúc phổ phân tử, Nxb Đại học – Trung học Chuyên nghiệp.
[2] Đinh Văn Hoàng (1974), Cấu trúc phổ nguyên tử, Nxb Đại học - Trung học Chuyên
nghiệp.
[3] Vũ Xuân Quang (1999), Quang phổ của các tâm điện tử trong vật rắn, Viện khoa học vật
liệu.
[4] Nguyễn Mạnh Sơn, Lên Văn Tuất (2007), “Các nghiên cứu phát quang của vật liệu
laluminate pha tạp nguyên tố đất hiếm”, Đại học Huế.
[5] Phan Văn Thích, Hiện tượng huỳnh quang và kỹ thuật phân tích huỳnh quang, Đại học
tổng hợp Hà Nội.
[6] “Long persistent phosphor”(2006), Journal of Luminescence