KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA NHÓM VẬT LIỆU MO.SiO2 .B2 O3 :Mn2+

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
----------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG
CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG LÊN PHỔ PHÁT QUANG
CỦA NHÓM VẬT LIỆU MO.SiO2.B2O3:Mn2+
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ THIỆP
Lớp

: 11SVL

Khóa

: 2011 – 2015

Ngành

:SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn :ThS. LÊ VĂN THANH SƠN

Đà Nẵng, 04/2015


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Vật lý, trường Đại học Sư Phạm – Đại
học Đà Nẵng đã tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp

này. Tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi
những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Thanh Sơn đã kiên nhẫn hướng dẫn, trợ giúp
và động viên tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp. Sự hiểu
biết sâu sắc cũng như kinh nghiệm của thầy là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và
kinh nghiệm quý báu.
Tôi xin cảm ơn các bạn trong nhóm thực nghiệm đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá
trình chế tạo vật liệu thực hiện đề tài này.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi vượt
qua những khó khăn để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Tuy nhiên,
do điều kiện thực hiện đề tài có giới hạn, cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm
nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được. Tôi rất mong
nhận được sự thông cảm và góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các bạn để khóa luận được
hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, tháng 04 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thiệp


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ PHỔ PHÁT QUANG
Hình 1: Cơ chế phát quang cưỡng bức
Hình 2: Phổ hấp thụ và phổ phát quang chồng lên nhau
Hình 3: Quá trình phát quang khi tâm kích hoạt A hấp thụ bức xạ kích thích EXC
Hình 4: Sự truyền năng lượng từ tâm S tới A
Hình 5: So sánh cấu trúc của tinh thể và thủy tinh
Hình 6: Hình ảnh phân bố của các nguyên tử
Hình 7: Sự sắp xấp ngẫu nhiên thành tứ diện và bát diện của các quả cầu

Hình 8: Sơ đồ đèn hình quang
Hình 9: Đồng hồ phát sáng vào ban đêm
Hình 10: Lân quang ứng dụng trên đồ vật trang trí
Hình 11: Màn hình đèn CRT
Hình 12: Cấu tạo nhân đèn LED
Hình 13: Cấu tạo bên trong đèn LED
Hình 14: Đèn LED dùng trang trí
Hình 15: Giản đồ Tanabe-Sugano cho cấu hình d5 (Mn2+ )
Hình 16: Phổ phát quang của vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 12500C
Hình 17: Phổ phát quang của vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 12750C
Hình 18: Phổ phát quang của vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13000C
Hình 19: Phổ phát quang của vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13250C
Hình 20: Phổ phát quang của vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13500C
Hình 21: Phổ phát quang của nhóm vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi nhiệt độ
nung
Hình 22: Sự phụ thuộc của cường độ phát quang vào nhiệt độ nung mẫu vật liệu
BaO.SiO2.B2O3:Mn2+
Hình 23: Phổ phát quang của vật liệu CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 12500C
Hình 24: Phổ phát quang của vật liệu CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 12750C
Hình 25: Phổ phát quang của vật liệu CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13000C


Hình 26: Phổ phát quang của vật liệu CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13250C
Hình 27: Phổ phát quang của vật liệu CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13500C
Hình 28: Phổ phát quang của nhóm vật CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi nhiệt độ nung
Hình 29: Sự phụ thuộc của cường độ phát quang vào nhiệt độ nung mẫu vật liệu
CaO.SiO2.B2O3:Mn2+
Hình 30: Phổ phát quang của vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 12500C
Hình 31: Phổ phát quang của vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 12750C
Hình 32: Phổ phát quang của vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13000C

Hình 33: Phổ phát quang của vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13250C
Hình 34: Phổ phát quang của vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ nung ở nhiệt độ 13500C
Hình 35: Phổ phát quang của nhóm vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi nhiệt độ
nung.
Hình 36: Sự phụ thuộc của cường độ phát quang vào nhiệt độ nung mẫu vật liệu
SrO.SiO2.B2O3:Mn2+
Hình 37: Phổ phát quang của ba nhóm vật liệu MO.SiO2.B2O3:Mn2+


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài .................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ............................................................................. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 1
4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 2
5. Nhiệm vụ nghiên cứu............................................................................................. 2
6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 2
PHẦN 1. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT ....................................................................... 3
CHƯƠNG 1. SƠ LƯỢC VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG ................................ 3
1.1. Định nghĩa hiện tượng phát quang ..................................................................... 3
1.2. Phân loại các dạng phát quang ........................................................................... 3
1.2.1. Phân loại theo tính chất động học của những quá trình xảy ra trong chất
phát quang ............................................................................................................. 3
1.2.2. Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài ............................................... 6
1.2.3. Phân loại theo phương pháp kích thích ....................................................... 7
1.3. Những định luật cơ bản về sự phát quang. ......................................................... 8
1.3.1. Định luật về sự không phụ thuộc của phổ phát quang vào bước sóng của
ánh sáng kích thích ................................................................................................ 8
1.3.2. Định luật Stock-Lomen ............................................................................... 8
1.3.3. Định luật đối xứng gương của phổ hấp thụ và phổ phát quang. ................. 9

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU PHÁT QUANG ............................................................... 10
2.1 Quá trình phát quang của vật liệu ...................................................................... 10
2.2. Vật liệu thủy tinh .............................................................................................. 11
2.3. Vật liệu phát quang tinh thể (phosphor tinh thể) .............................................. 13
2.3.1. Cấu trúc của phosphor tinh thể.................................................................. 13
2.3.2. Bản chất phát quang của phosphor tinh thể .............................................. 14
2.4 Một số ứng dụng của vật liệu huỳnh quang ...................................................... 14
2.4.1. Lớp bột huỳnh quang trong đèn huỳnh quang .......................................... 14
2.4.2. Ứng dụng của vật liệu lân quang............................................................... 15


2.4.3. Màn hình đèn CRT .................................................................................... 16
2.4.4. Ứng dụng trong công nghệ đèn LED ........................................................ 17
CHƯƠNG III. TÌM HIỂU VỀ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP MANGAN .... 18
3.1. Sơ lược về ion kim loại chuyển tiếp ................................................................. 19
3.2. Ion kim loại chuyển tiếp Mn2+ .......................................................................... 19
PHẦN 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................................... 22
1. Tìm hiểu các tiền chất dùng để chế tạo các mẫu vật liệu MO. SiO2.B2O3:Mn (M:
Ba, Ca, Sr)................................................................................................................ 22
1.1. Bari Cacbonat BaCO3 .................................................................................. 22
1.2. Canxi Cacbonat CaCO3 ................................................................................ 22
1.3. Stronti Cacbonat SrCO3 ............................................................................... 22
1.4. Silic Đoxit SiO2 ............................................................................................ 22
1.5. Axit Boric H3BO3 ......................................................................................... 22
1.6. Mangan Caconat MnCO3 ............................................................................. 23
2. Chế tạo mẫu vật liệu ............................................................................................ 23
3. Kết quả thực nghiệm............................................................................................ 24
3.1. Nhóm vật liệu BaO.SiO2.B2O3:Mn .............................................................. 24
3.2. Nhóm vật liệu CaO.SiO2.B2O3:Mn .............................................................. 29
3.3. Nhóm vật liệu SrO.SiO2.B2O3:Mn ............................................................... 34

PHẦN 3: KẾT QUẢ .................................................................................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 41


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-1-

Khoa Vật Lý

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Vật liệu phát quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong khoa học, kĩ thuật cũng
như đời sống, và nó trở nên rất quen thuộc với chúng ta. Làm thế nào để tạo ra các vật liệu
phát quang phù hợp cho từng mục đích sử dụng là câu hỏi luôn được các nhà nghiên cứu
khoa học quan tâm.
Đèn LED là một ứng dụng nổi bật của hiện tượng phát quang, với những ưu việc nổi
trội thì đèn LED được cho là cuộc cách mạng lần thứ ba trong lịch sử công nghệ chiếu sáng
sau đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang. Tuy nhiên, đèn LED vừa là cơ hội, vừa là thách thức
đối với Việt Nam trong việc chế tạo.
Với những điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm thuộc khoa Vật Lý trường Đại Học
Sư Phạm Đà Nẵng cung cấp đủ điều kiện cho việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu phát quang
màu đỏ cam - một trong ba màu cơ bản hình thành nên đèn LED và họ vật liệu chế tạo là
Borac Silicate pha tạp ion kim loại chuyển tiếp Mangan. Trong quá trình chế tạo vật liệu
thì nhiệt độ nung được thay đổi, từ đó sẽ khảo sát cường độ phát quang, dạng phổ phát
quang phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào, và ở nhiệt độ nung nào thì vật liệu cho phát
quang tốt nhất, phù hợp với mục đích chế tạo. Chính vì vậy, đề tài được chọn là : “Khảo
sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên phổ phát quang của nhóm vật liệu phát quang
MO.SiO2.B2O3:Mn2+ với M là Ba, Ca, Sr”.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên cường độ phổ phát quang nhóm vật liệu
MO.SiO2.B2O3:Mn2+ ( M: Ba, Ca, Sr)
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên độ rộng phổ, đỉnh phổ của nhóm vật liệu
MO.SiO2.B2O3:Mn2+ ( M: Ba, Ca, Sr)
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Lý thuyết phát quang; Lý thuyết kim loại chuyển tiếp; Các
vật liệu nền Borac Silicate pha tạp ion Mn2+

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-2-

Khoa Vật Lý

- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát sự phát quang của nhóm vật liệu MO.SiO2.B2O3:Mn2+
khi nhiệt độ thay đổi ở 12500C, 12750C, 13000C, 13250C, 13500C.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan lí thuyết về hiện tượng phát quang và các đặc trưng quang phổ
của vật liệu nền Borac Silicate pha tạp ion Mn2+.
- Khảo sát các đặc trưng quang phổ của vật liệu chế tạo được, từ đó chọn ra nhiệt độ
nung thích hợp tương ứng với từng vật liệu sao cho cường độ phát quang và dạng phổ phù
hợp với mục đích chế tạo.
- Nghiên cứu ứng dụng của vật liệu phát quang.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
Các nhiệm vụ cần thực hiện để hoàn thành đề tài nghiên cứu này là:

- Đọc, tìm hiểu, tổng hợp các tài liệu về lí thuyết phát quang, vật liệu phát quang Borac
Silicat.
- Nghiên cứu, tìm hiểu khả năng ứng dụng và hướng phát triển của vật liệu.
- Xác định phương pháp nghiên cứu và xây dựng quy trình chế tạo vật liệu.
- Chế tạo các mẫu vật liệu.
- Tiến hành đo phổ phát quang trên hệ máy QE65000 và thu thập số liệu.
- Xử lý, tính toán các số liệu thực nghiệm; viết bài, trao đổi, tham khảo ý kiến của
Thầy hướng dẫn để hoàn chỉnh đề tài.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
- Phương pháp thực nghiệm:
+ Tiến hành chế tạo mẫu vật liệu bằng phương pháp phản ứng pha rắn.
+ Sử dụng các phần mềm chuyên dụng để xử lý số liệu.

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-3-

Khoa Vật Lý

PHẦN 1. TỔNG QUAN LÍ THUYẾT
CHƯƠNG 1. SƠ LƯỢC VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG

1.1. Định nghĩa hiện tượng phát quang
Một số chất có khả năng hấp thụ năng lượng bên ngoài từ những sóng điện từ ngắn

(ánh sáng khả kiến, ánh sáng tử ngoại, tia X hay tia γ) hoặc những bức xạ hạt ( tia âm cực,
tia dương cực, tia β); để đưa các phân tử của mình lên trạng thái kích thích. Sau đó chuyển
về trạng thái cơ bản và phát xạ ánh sáng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phát quang.
Theo Vavilôp, hiện tượng phát quang là hiện tượng các chất phát quang phát ra
bức xạ còn dư đối với bức xạ nhiệt trong trường hợp mà bức xạ còn dư đó kéo dài trong
khoảng thời gian 10-16(s) hoặc lớn hơn.
1.2. Phân loại các dạng phát quang
1.2.1. Phân loại theo tính chất động học của những quá trình xảy ra trong chất phát
quang
Sơ đồ sự phân loại phát quang:
Phát quang

Phát quang của những
tâm bất liên tục

Phát quang
tự phát

Phát quang
cưỡng bức

Phát quang
tự phát

Phát quang tái hợp

Phát quang do tái
hợp trực tiếp

Phát quang do tái hợp

phức tạp qua những
khâu trung gian

Phát quang
cưỡng bức
Phát quang
tự phát

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

Phát quang
cưỡng bức

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-4-

Khoa Vật Lý

Trong đó:
 Phát quang của những tâm bất liên tục
Là loại phát quang mà những quá trình diễn biến 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, tập hợp phân
tử hay ion. Những quá trình xảy ra trong những tâm bất liên tục hoàn toàn độc lập với nhau.
Sự tương tác giữa những tâm liên tục cũng như ảnh hưởng của môi trường bên ngoài đối
với chúng nói chung là không đáng kể. Đặc trưng của loại phát quang này là khả năng phát
quang chỉ do những quá trình xảy ra trong nội bộ tâm phát quang quy định mà không có sự

tham gia của những tác nhân bên ngoài.
 Phát quang tái hợp
Là loại phát quang trong đó những quá trình chuyển hóa năng lượng kích thích sang
bức xạ quang học đều có sự tham gia của toàn bộ chất phát quang. Trong trường hợp này
vị trí kích thích không trùng với vị trí bức xạ. Sự trao đổi năng lượng từ vị trí kích thích
đến vị trí bức xạ phải qua những quá trình trung gian. Những quá trình này liên quan đến
sự dịch chuyển của những hạt mang điện (điện tử, lỗ trống hay ion) tiến triển qua một số
giai đoạn. Đầu tiên, khi kích thích trong chất phát quang xảy ra quá trình phân ly thành
những thành phần mang điện trái dấu. Sau đó, những thành phần này sẽ dịch chuyển một
đoạn đường khá lớn và cuối cùng tái hợp lại với những thành phần mang điện trái dấu,
thường thì với những thành phần mới chứ không phải những thành phần khi bắt đầu phân
ly.
Trong hai loại phát quang trên dù cho quá trình có xảy ra ở tại một vị trí duy nhất hay
nhiều vị rí trung gian, giai đoạn cuối cùng vẫn là khâu chuyển từ trạng thái kích thích về
trạng thái cơ bản để phát xạ. Tính chất sự chuyển này có khác nhau, do đó có thể dựa vào
những tính chất này để phân loại hẹp hơn. Có thể chia làm 2 loại: Phát quang tự phát và
Phát quang cưỡng bức.
 Phát quang tự phát
Phát quang tự phát xảy ra khi phân tử ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ
bản dưới tác dụng của trường nội tại phân tử. Đặc điểm của sự phát quang tự phát là không
phụ thuộc gì vào tác dụng của những yếu tố bên ngoài.
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-5-

Khoa Vật Lý

 Phát quang cưỡng bức
Phát quang cưỡng bức là phát quang chỉ xảy ra dưới tác dụng của yếu tố bên ngoài.
Nó bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 là chuyển điện tử từ mức siêu bền III lên mức II do
tác dụng bên ngoài. Giai đoạn 2 là chuyển điện tử từ mức II về mức cơ bản I.

II
(1)
III

(2)

I
Hình 1: Cơ chế phát quang cưỡng bức
Sự khác nhau cơ bản giữa phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái
hợp thể hiện trong bảng sau:
Phát quang của những tâm

Phát quang tái hợp

bất liên tục

Sự

phụ

Phát quang

Phát quang

Tái hợp trực

Tái hợp qua những khâu

tự phát

cưỡng bức

tiếp

trung gian

Có

Có

Không

Không

thuộc giữa
phổ

hấp

thụ và phổ
huỳnh
quang

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-6-

Thời gian Đối với

10-3 – 10 s

Vài phần

Vài giờ

mười giây

kéo dài của dịch
sự

Khoa Vật Lý

phát chuyển cho
phép: 10-10

quang

– 10-9 s

Đối với
dịch
chuyển bị
cấm: 10-5 –
10 s
Định

luật Hàm số

Hàm số mũ:

mũ:

tắt dần

J = J0e-t

J = J0e-t

Ảnh hưởng
của

Hypecbol cấp Hyperbol cấp phân số:
hai:

J
Tăng nhanh

Không

J

0
(at  1) 2
Tăng

p 1  2
dn
J  
dt   1   
Tăng nhanh

  Ae E / kT

nhiệt

độ vào vận
tốc tắt dần
Biến thiên
của

tính

chất

điện

khi

kích

Không

Có

thích

1.2.2. Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài
- Dịch quang: là sự phát quang mà trong đó các phân tử của chất dịch quang hấp thụ
năng lượng kích thích, chuyển hóa năng lượng kích thích này thành năng lượng của các
electron ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng không bền trong phân
tử. Để sau đó electron rơi về trạng thái cũ gần như tức thì, khiến photon được giải phóng

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-7-

Khoa Vật Lý

ngay. Như vậy, đối với các chất dịch quang thì sự phát quang của chúng bị tắt ngay sau khi
ngừng kích thích. Những chất dịch quang thường là các chất khí và lỏng.
- Lân quang: là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ
năng lượng kích thích, chuyển hóa năng lượng kích thích này thành năng lượng của các
electron ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng bền trong phân tử. Để
sau đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng, và giải phóng một

phần năng lượng trở lại ở dạng các photon.
Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số các
trạng thái kích thích khá bền. Chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái cơ bản bị cấm bởi
một số quy tắc lượng tử. Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể thực hiện khi dao
động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để từ đó nó rơi về trạng thái cơ
bản. Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt, nhiệt độ càng lạnh thì trạng
thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn. Đa số các chất lân quang có thời gian tồn tại của
trạng thái kích thích chỉ cỡ vài miligiây. Tuy nhiên, thời gian này ở một số chất có thể lên
tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Như vậy, đối với các chất lân quang thì sự phát quang
của chúng có khả năng kéo dài khá lâu sau khi ngừng kích thích. Các chất lân quang thường
là chất rắn.
1.2.3. Phân loại theo phương pháp kích thích
- Quang phát quang (Photoluminescence) : là sự phát quang khi kích thích bởi ánh
sáng trong vùng quang học (tử ngoại đến hồng ngoại).
- Cathod phát quang (Cathodoluminescence): là sự phát quang khi kích thích bằng
chùm điện tử.
- Ma sát phát quang (Triboluminescence): là sự phát quang khi kích thích bởi năng
lượng cơ học (có nghĩa khi bị chà sát hay xay nghiền).
- Tia X phát quang (X-Ray luminescence): là sự phát quang khi kích thích bằng tia X.
- Hóa phát quang (Chemiluminescence): là sự phát quang do các phản ứng hóa học.
- Điện phát quang (Electroluminescence): là sự kích thích vật liệu phát quang dưới
tác dụng của dòng điện.
- Sinh phát quang (Bioluminescence): là sự phát ra ánh sáng từ các cơ thể sống.
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-8-

Khoa Vật Lý

- Phóng xạ phát quang (Radioluminescence): là sự phát quang khi kích thích bằng
phóng xạ hạt nhân như tia 𝛾, tia 𝛽, tia X,…
1.3. Những định luật cơ bản về sự phát quang
1.3.1. Định luật về sự không phụ thuộc của phổ phát quang vào bước sóng của ánh
sáng kích thích
Thực tế nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng “Phổ phát quang của các phân tử phức
tạp trong các môi trường tích tụ (rắn, lỏng) không phụ thuộc vào ánh sáng kích thích”.
Điều này có thể giải thích như sau: Các phân tử bị kích thích lên các mức dao động khác
nhau khi nhận năng lượng từ những ánh sáng kích thích khác nhau. Những phân tử chỉ tồn
tại ở đây trong một thời gian ngắn hơn thời gian trung bình của trạng thái kích thích và
chuyển về mức năng lượng của điện tử, phần năng lượng dao động đã bị tiêu hao trong thời
gian này. Lúc này hệ là các phân tử kích thích có sự phân bố ổn định về năng lượng. Sự
phân bố này chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào ánh sáng kích thích. Do đó,
khi phân tử chuyển từ trạng thái này xuống trạng thái cơ bản sẽ bức xạ ra các ánh sáng có
phổ như nhau, không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích.
1.3.2. Định luật Stock-Lomen
Năm 1852, Stocke phát biểu định luật như sau: “ Ánh sáng huỳnh quang bao giờ cũng
có bước sóng dài hơn là sáng sáng dùng để kích thích”.
Định luật này có thể giải thích như sau: Mỗi nguyên tử hay phân tử của chất huỳnh
quang hấp thụ hoàn toàn một phôtôn của ánh sáng kích thích có năng lượng ℎ𝜐ℎ𝑡 để chuyển
sang trạng thái kích thích. Khi ở trong trạng thái kích thích, nguyên tử hay phân tử này có
thể va chạm với các nguyên tử hay phân tử khác và bị mất một phần năng lượng E. Khi trở
về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn thì nó sẽ phát ra một phôtôn ℎ𝜐𝑝𝑞 có năng lượng
nhỏ hơn, do đó chúng ta có hệ thức sau:
εht = εpq + E
Như vậy, εht > εpq ⇔ hfht > ℎfpq ⇔

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

hc
λht

>

hc
λpq

⇔ λht < λpq

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

-9-

Khoa Vật Lý

I

(a)

(b)

λ

Hình 2: Phổ hấp thụ và phổ phát quang chồng lên nhau
(a): Phổ hấp thụ - (b): Phổ phát quang
Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp phổ hấp thụ và phố phát quang có phần chồng
chập lên nhau. Như vậy theo “Định luật về sự không phụ thuộc của phổ phát quang vào
bước sóng của ánh sáng kích thích” nếu dùng áng sáng kích thích nằm trong vùng chồng
chập của phổ hấp thụ và phổ phát quang để kích thích thì ta cũng thu được phổ phát quang
không đổi. Lúc này, λht = λpq định luật stocke không được thỏa mãn. Phần phổ không thỏa
định luật stocke được gọi là phần đối stocke. Từ biểu thức εht = εpq + E, Nếu E = 0 thì εht =
εpq do đó λht = λpq . Sự phát quang này là sự phát quang cộng hưởng.
Về sau, Lomen chính xác hóa định luật Stock như sau: “Toàn bộ phát quang và cực đại
của nó bao giờ cũng dịch về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó.”
1.3.3. Định luật đối xứng gương của phổ hấp thụ và phổ phát quang.
Định luật được B.Lopsin phát biểu như sau: “Phổ hấp thụ và phổ phát quang biểu diễn
theo hàm số của tần số đối xứng gương qua đường thẳng vuông góc với trục tần số và đi
qua giao điểm của hai phổ”

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 10 -

Khoa Vật Lý

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU PHÁT QUANG
Vật liệu phát quang hay còn gọi là phosphor, là một chất rắn có thể chuyển đổi một
số dạng năng lượng thành bức xạ điện từ ở trên và dưới bức xạ nhiệt. Bức xạ điện từ được

phát xạ bởi vật liệu huỳnh quang thường nằm trong vùng nhìn thấy nhưng có thể nằm trong
vùng tử ngoại và hồng ngoại.
Vật liệu phát quang có hai thành phần chính: chất tinh thể đóng vai trò nền ( ví dụ
ZnS, CaWO4, Zn2SiO4,...), chất hoạt hóa ( hay chất kích hoạt ) thêm vào tinh thể nền một
lượng rất ít ( ví dụ các ion Mn2+, Cr3+, Eu2+, Dy2+,…) đôi khi còn có thêm một lượng chất
phụ gia gọi là chất phụ gia tăng nhạy.
2.1 Quá trình phát quang của vật liệu
Phát quang của một vật liệu được thể hiện dưới sơ đồ sau:

EM

EXC

A
HEAT

Hình 3: Quá trình phát quang khi tâm kích hoạt A hấp thụ bức xạ kích thích EXC
Quá trình phát quang xảy ra như sau: Bức xạ kích thích EXC được hấp thụ bởi tâm
kích hoạt A, tâm này được nâng lên trạng thái kích thích. Trạng thái kích thích sẽ phát xạ
bức xạ EM quay về trạng thái cơ bản.
Nhưng sự phát xạ bức xạ này có sự cạnh tranh với sự chuyển dời trở về không bức xạ
tới trạng thái cơ bản, trong quá trình này năng lượng của trạng thái kích thích được dùng
để kích thích dao động mạng, tức là làm nóng mạng chủ. Để tạo ra các vật liệu phát quang
hiệu quả, cần phải loại bỏ quá trình không bức xạ này.
Ở nhiều vật liệu, quá trình phát quang phức tạp hơn, được biểu diễn trên hình sau:

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp

Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 11 -

Khoa Vật Lý

EXC
EM

S

A
ET

Hình 4: Sự truyền năng lượng từ tâm S tới A
Bức xạ kích thích không bị hấp thụ bởi các ion kích hoạt A mà bởi các ion S khác.
Ion S này hấp thụ bức xạ kích thích rồi truyền năng lượng này cho ion kích hoạt A. Ion S
này được gọi là ion tăng nhậy.
Trong một số trường hợp, thay cho việc kích thích vào các ion kích hoạt hay là vào
các ion tăng nhậy, chúng ta có thể kích thích ngay vào mạng chủ, mạng chủ sẽ truyền
năng lượng kích thích của nó tới các ion kích hoạt. Như vậy, mạng chủ có vai trò như ion
tăng nhậy.
2.2. Vật liệu thủy tinh
Theo định nghĩa của các nhà khoa học thuộc Hiệp hội Khoa học Vật liệu của Mỹ (năm
1941) thì thủy tinh là sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm nguội đột ngột để có cấu trúc
tuy rắn chắc nhưng lại là chất vô định hình. Có nghĩa là thủy tinh không có véc tơ chuyển
dịch tịnh tiến, cũng đồng nghĩa với cấu trúc của nó không có trật tự xa, nhưng có thể nó có
trật tự gần.

a)

b)

Hình 5: So sánh cấu trúc của tinh thể và thủy tinh
a) Tinh thể

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

b) Thủy tinh

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 12 -

Khoa Vật lý

Các nguyên tử bên trong thủy tinh sắp xếp như sau:
+ Các nguyên tử phân bố hỗn độn, ngẫu nhiên, không có nhiều chỗ trống.

Hình 6: Hình ảnh phân bố của các nguyên tử.
+ Sự sắp xếp của các nguyên tử trong thủy tinh tựa như sự sắp xếp ngẫu nhiên của
các quả cầu cứng. Năm 1960, Bernal đã làm thí nghiệm thả ngẫu nhiên 3000 quả cầu kim
loại cứng và kết quả là các quả cầu đó hầu như sắp xếp thành các tứ diện và bát diện trong
không gian ba chiều. Điều này đã được Finney và Bennett lặp lại năm 1970 và 1972.

Hình 7: Sự sắp xấp ngẫu nhiên thành tứ diện và bát diện của các quả cầu.

Như vậy, trong thủy tinh nguyên tử sắp xếp tựa như các quả cầu cứng, càng sít chặt
càng tốt nhưng lại không có trật tự xa. Điều này có nghĩa rất khó khi mô tả hoặc phân tích
trạng thái thủy tinh bằng các phương pháp vẫn dùng cho vật liệu có cấu trúc tinh thể.

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 13 -

Khoa Vật lý

Đối với thủy tinh, tương tác trật tự gần chiếm ưu thế hơn trật tự xa. Tuy nhiên xử lí
nhiệt thích hợp có thể tạo nên sự cân bằng giữa trật tự gần và xa để phục vụ cho mục đích
riêng theo mong muốn của con người hoặc để nghiên cứu cấu trúc mới trong hệ thống khá
phức tạp nhiều thành phần.
2.3. Vật liệu phát quang tinh thể (phosphor tinh thể)
Phosphor tinh thể là những chất vô cơ tổng hợp phức tạp, có khuyết tật trong mạng
tinh thể và có khả năng phát quang trong và sau kích thích. Chất cơ bản trong phosphor tinh
thể thường là những hợp chất sunfua của kim loại ở nhóm 2: CaS, SrS, BaS, ZnS và CdS,
các hợp chất xêlênua và Oxyt cũng của các kim loại này.
Chất kích hoạt là các ion kim loại nặng. Tuy nhiên, không phải kim loại nặng nào
cũng có thể làm chất kích hoạt tốt mà thường là tùy theo chất cơ bản được dùng.
Cũng có thể trong một loại phosphor tinh thể có đến hai hay nhiều chất kích hoạt. Các
chất này được gọi là đồng kích hoạt.
Chất chảy trong phosphor tinh thể thường dùng là các muối LiCl, NaCl, Na2SO4,
CaF2, B2O3,…

2.3.1. Cấu trúc của phosphor tinh thể
Cấu trúc tinh thể có sự sắp xếp đều đặn có tính chất chu kỳ của các thành phần mạng.
Thường thì chất cơ bản trong phần lớn các phosphor tinh thể sắp xếp theo hình lập phương.
Tuy nhiên, trong phosphor tinh thể do còn có các chất kích hoạt và các chất chảy nên mạng
tinh thể của chất cơ bản sẽ vi phạm tính chất tuần hoàn. Những vị trí vi phạm tính chất tuần
hoàn của mạng tinh thể gọi là những khuyết tật. Trong nhiều trường hợp ion dương của
chất kích hoạt tham gia vào mạng tinh thể và chiếm chỗ ion dương của chất cơ bản hoặc có
thể nằm giữa các mắt mạng.
Hiện nay người ta cho rằng các kim loại làm chất kích hoạt phần lớn nằm trong mạng
tinh thể dưới dạng ion. Trường nội tại ở xung quanh ion của chất kích hoạt rõ ràng là bị
biến dạng so với những vị trí khác và do đó tạo thành những nơi có thể định xứ các điện tử
tự do. Các nơi này được gọi là các bẫy điện tử và chính các ion của chất kích hoạt xác định
tính chất quang của phosphor tinh thể.
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 14 -

Khoa Vật lý

Điểm đặc trưng trong sự phát quang của phosphor tinh thể khi mạng tinh thể bị khuyết
tật là sự phát quang kéo dài. Như vậy để có được sự phát quang kéo dài của phosphor tinh
thể nhất thiết phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các vị trí vi phạm tính chất tuần hoàn với
các mạng còn lại của tinh thể. Trong đó khâu chủ yếu là quá trình truyền năng lượng kích
thích từ vị trí hấp thụ nằm trong mạng tinh thể của chất cơ bản đến vị trí bức xạ nằm trong
các ion của chất kích hoạt.

2.3.2. Bản chất phát quang của phosphor tinh thể
Sự phát quang của phosphor tinh thể là phát quang tái hợp. Có những chứng cớ sau
đây khẳng định sự phát quang của phosphor tinh thể là phát quang tái hợp.
- Không có sự liên hệ trực tiếp giữa phổ hấp thụ và phổ bức xạ. Phổ hấp thụ có
dạng là những đám rộng trong khi phổ bức xạ trong nhiều trường hợp là những đám hẹp
hoặc những vạch khá đặc trưng cho nguyên tố đang xét.
- Một điểm khá đặc trưng trong sự phát quang của phosphor tinh thể là thời gian
phát quang kéo dài khá lớn. Thời gian này có thể đến hàng giờ và quy luật tắt dần tuân theo
hàm hyperpol. Điều này chứng tỏ rằng sự phát quang của phosphor tinh thể thực ra bao
gồm nhiều quá trình phức tạp và sự tắt dần tuân theo hàm hyperbol là một chứng cứ về sự
phát quang tái hợp.
- Phosphor tinh thể thuộc nhóm các chất không dẫn điện và chất bán dẫn cho nên
có thể dùng sơ đồ vùng năng lượng áp dụng trong lý thuyết chất rắn để giải thích những
hiện tượng xảy ra trong phosphor tinh thể. Chúng ta biết rằng dưới tác dụng của ánh sáng
trong chất bán dẫn xuất hiện hiệu ứng quang điện và làm thay độ dẫn điện cũng như điện
tử của chất bán dẫn. Do kết quả của hiệu ứng quang điện mà trong phosphor tinh thể xuất
hiện những điện tử tự do nên hiệu ứng quang điện liên quan chặt chẽ với sự phát quang tái
hợp.
2.4 Một số ứng dụng của vật liệu huỳnh quang
2.4.1. Lớp bột huỳnh quang trong đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang gồm một ống thủy tinh bên trong phủ một lớp bột huỳnh quang.
Trong ống chứa đầy hơi thủy ngân. Khi phóng điện qua bóng đèn, các electron va đập vào
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 15 -

Khoa Vật lý

các nguyên tử Hg đưa các nguyên tử Hg lên trạng thái kích thích sau đó quay về trạng thái
cơ bản thì bức xạ. Bức xạ chủ yếu ở hai bước sóng 254nm và 185nm.

Hình 8: Sơ đồ đèn hình quang
Nếu sử dụng bột huỳnh quang halophotphate calcium chứa các ion kích hoạt Sb3+ và
Mn2+ thì chúng sẽ hấp thụ các bức xạ và phát ra ánh sáng trắng. Thực tế thì khi các ion
Sb3+ hấp thụ các bức xạ ở bước sóng 254nm thì sẽ phát ra ánh sáng màu xanh da trời, một
phần năng lượng ion Sb3+ hấp thụ được truyền cho những ion Mn2+ và phát ra ánh sánh đỏ
cam. Các ion Mn2+ hấp thụ một cách khó khăn các bức xạ 254nm. Sự kết hợp của các ánh
sáng xanh da trời và đỏ cam tạo ra ánh sáng trắng.
2.4.2. Ứng dụng của vật liệu lân quang
Các chất lân quang 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 như chúng được gắn trên mặt đồng hồ đeo tay, giúp đọc thời giờ trong bóng tối;
gắn trên kim chỉ la bàn, để xác định phương hướng trong bóng đêm; hoặc gắn trên công tắc
đèn điện, cho biết vị trí công tắc đèn khi chưa bật đèn.

Hình 9: Đồng hồ phát sáng vào ban đêm
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 16 -

Khoa Vật lý

Chúng cũng được dùng để làm đồ trang trí, chế tạo mực phát sáng (tuy rằng các loại
mực phát sáng hay dùng chất huỳnh quang hơn).

Hình 10: Lân quang ứng dụng trên đồ vật trang trí
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.
2.4.3. Màn hình đèn CRT
Vật liệu phát quang được dùng để phủ một lớp lên màn hình đèn CRT. Vật liệu phát
quang này đồng chất và phát ra ba màu đỏ, lục, lam ( gọi là các điểm màu) khi có điện tử
bắn vào.
Các điểm màu này được xếp xen kẽ để tạo thành các tam điểm RGB gọi là điểm ảnh,
một điểm màu thì chỉ phát ra một màu có cường độ sáng thay đổi phụ thuộc vào cường độ
của dòng tia điện tử, nhưng một điểm ảnh thì do vô số màu tạo ra thông qua nguyên lý trộn
màu. Tuy các điểm màu chỉ đứng cạnh nhau nhưng do điểm màu quá nhỏ và khoảng cách
giữa chúng quá ngắn, mắt thường không phân biệt hai điểm riêng biệt và có cảm giác là
một màu tổng hợp.
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 17 -

Khoa Vật lý

Hình 11: Màn hình đèn CRT
2.4.4. Ứng dụng trong công nghệ đèn LED
Vật liệu phát quang (phosphor) được dùng phủ lên nhân đèn LED. Tạo ánh sáng
phát quang mong muốn.

Hình 12: Cấu tạo nhân đèn LED

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp


Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 18 -

Khoa Vật lý

Hình 13: Cấu tạo bên trong đèn LED
Với rất nhiều ưu điểm từ hiệu suất phát sáng, tuổi thọ, độ bền, độ an toàn, thân thiện
với môi trường và đặc biệt là khả năng tiết kiệm, đèn LED chính là sự lựa chọn tốt cho công
nghệ chiếu sáng. Đèn LED được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực.

Hình 14: Đèn LED dùng trang trí

GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

SVTH: Nguyễn Thị Thiệp

Khóa Luận Tốt Nghiệp

- 19 -

Khoa Vật lý

CHƯƠNG III. TÌM HIỂU VỀ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP MANGAN
3.1. Sơ lược về ion kim loại chuyển tiếp
Các ion kim loại chuyển tiếp có lớp d chưa lấp đầy, có nghĩa là cấu hình điện tử của
nó là dn ( 0 < n < 10 ). Các mức năng lượng original từ một cấu hình dn được tính toán bởi
Tanabe và Sugano bằng cách lấy tương tác tương hỗ giữa các electron d cũng như trường
tinh thể, tạo thành giản đồ Tanabe-Sugano.
Đồ thị Tanabe-Sugano biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng của ion d n
trong trường phối tử bát diện. Đồ thị được xây dựng dựa trên các nguyên tắc sau:
- Khi đặt trong trường phối tử, năng lượng của các số hạng là hàm của 4 biến số
E = f(A,B,C,Δ) trong đó A, B, C là các thông số Racah nó xuất hiện khi tính đến tương tác
của electron, Δ là thông số đặc trưng cho tương tác trường phối tử còn gọi là năng lượng
tách.
-Đối với mỗi cấu hình dn phần đóng góp của A vào năng lượng tất cả các số hạng là
như nhau, còn tỉ lệ C/B gần bằng 4
- Hiệu giữa 2 mức năng lượng quyết định đến bước sóng của phổ, nên phần đóng
góp của A ở các số hạng có thể bỏ qua. Nếu biểu diễn C theo B thì E/B chính là năng lượng
của các số hạng nó là hàm của Δ/B hay 10Dq/B (Δ/B hay 10Dq/B chính là lực trường tinh
thể).
- Số hạng cơ bản trùng với trục tung.
- Trên đồ thị của cấu hình d4 đến d7 các đường biểu diễn năng lượng có điểm gãy
khúc khi chuyển từ trường yếu sang trường mạnh.
3.2. Ion kim loại chuyển tiếp Mn2+
* Kim loại chuyển tiếp Mangan: Mangan thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp chu kỳ 4

phân nhóm VIIB trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev có cấu trúc lớp vỏ điện tử
(n-1)d5ns2.
Mangan là kim loại màu trắng bạc hay xám nhạt, cứng và giòn, bột rất mịn. Phản ứng
với hơi nước, axit, halogen, oxi, lưu huỳnh. Hấp thụ H2 nhưng không phản ứng với nó.
- Cấu hình electron của Mn
GVHD: Lê Văn Thanh Sơn

: [Ar]3d54s2.
SVTH: Nguyễn Thị Thiệp