Phân tích ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên phổ màu bức xạ của thuỷ tinh barate kim loại kiềm pha tạp ion đất hiếm sm3+, tb3+

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

------

PHẠM THỊ QUỲNH GIANG

PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ PHA TẠP
LÊN PHỔ MÀU BỨC XẠ CỦA THỦY TINH BORATE
KIM LOẠI KIỀM PHA TẠP ION ĐẤT HIẾM Sm3+, Tb3+

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
KHÓA: 2013 – 2017
NGÀNH: SƢ PHẠM VẬT LÝ

Quảng Bình, năm 2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

------

PHẠM THỊ QUỲNH GIANG

PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ PHA TẠP
LÊN PHỔ MÀU BỨC XẠ CỦA THỦY TINH BORATE
KIM LOẠI KIỀM PHA TẠP ION ĐẤT HIẾM Sm3+, Tb3+

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
KHÓA: 2013 – 2017

NGÀNH: SƢ PHẠM VẬT LÝ

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN:
PGS.TS. TRẦN NGỌC

Quảng Bình, năm 2017


Lời cảm ơn
Hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm
ơn quý thầy cô giáo Trường Đại học Quảng Bình, khoa Khoa học Tự
nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức, giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập. Với những kiến thức và kó năng tôi tiếp thu được không
chỉ vận dụng vào quá trình làm khóa luận mà còn là nền tảng, hành
trang quý báu cho sự nghiệp giảng dạy và nghiên cứu khoa học sau
này.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến Thầy
giáo – PGS.TS. Trần Ngọc, người đã cố vấn và tận tình hướng dẫn,
người đã truyền cho tôi sự đam mê khoa học, tinh thần học hỏi, sự tự
tin, người có công to lớn cho sự hoàn thành của khóa luận.
Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn đến Thầy giáo Hoàng Sỹ Tài Thạc sỹ Vật lý, Phụ trách phòng thí nghiệm Vật lý; đến quý thầy cô
giáo phụ trách phòng thí nghiệm Hóa học đã hướng dẫn và tạo điều
kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu làm
khóa luận.
Và sau cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người
thân, bạn bè và tập thể lớp Đại học Sư phạm Vật lý K55 – Trường
Đại học Quảng Bình đã quan tâm, cổ vũ, động viên và giúp đỡ để tôi
rất nhiều trong suốt thời gian học tập và hoàn thành khóa luận tốt
nghiệp.
Kính chúc tất cả quý thầy cô, gia đình, bạn bè sức khỏe và

thành công!
Quảng Bình, tháng 05 năm 2017
Sinh viên
Phạm Thò Quỳnh Giang


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả
nghiên cứu nêu trong khóa luận này là trung thực, chƣa từng công bố trong bất kì công
trình nào khác.
Quảng Bình, tháng 5 năm 2017
Tác giả khóa luận

Phạm Thị Quỳnh Giang


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
BẢNG KÍ HIỆU HOẶC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG KHÓA LUẬN
DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG KHÓA LUẬN
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
2 M c tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2
3 Đối tƣ ng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
4 Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
5. Cấu trúc của khóa luận ................................................................................................ 2
NỘI DUNG...................................................................................................................... 3

PHẦN I. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ........................................................................ 3
1.1. LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÁT QUANG ................................................................... 3
1.1.1. Hiện tƣ ng phát quang ....................................................................................... 3
1 1 1 1 Định nghĩa ..................................................................................................... 3
1.1.1.2. Tính chất của bức xạ phát quang .................................................................. 4
1.1.1.3. Phân loại hiện tƣ ng phát quang................................................................... 4
1 1 1 4 Các đặc trƣng của phổ phát quang ................................................................ 8
1.1.2. Tâm quang học ................................................................................................... 9
1.1.2.1. Các chuyển dời hấp th và bức xạ của các tâm quang học........................... 9
1.1.2.2. Quá trình truyền năng lƣ ng giữa các tâm khác nhau ................................ 11
1.1.2.3. Quá trình truyền năng lƣ ng giữa các tâm giống nhau............................... 15
1 1 3 Ảnh hƣởng của nồng độ pha tạp đến quá trình phát quang .............................. 16
1.2. SỰ PHÁT QUANG CỦA THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM PHA TẠP
CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM .................................................................................. 18
1.2.1. Thủy tinh từ nguyên liệu borate và kim loại kiềm .......................................... 18
1.2.2. Các nguyên tố pha tạp là các ion đất hiếm ....................................................... 21
1 2 2 1 Lý thuyết về đất hiếm ................................................................................. 21
1 2 2 2 Đặc trƣng của nguyên tố đất hiếm Sm ....................................................... 26


1 2 2 3 Đặc trƣng của nguyên tố đất hiếm Tb ........................................................ 27
1.3. SỰ PHÁT QUANG CỦA THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM ĐƠN PHA
TẠP Sm3+, Tb3+ VÀ ĐỒNG PHA TẠP Sm3+, Tb3+ ...................................................... 29
1.3.1. Sự phát quang của thủy tinh borate kim loại kiềm đơn pha tạp Sm3+ .............. 29
1.3.2. Sự phát quang của thủy tinh borate kim loại kiềm đơn pha tạp Tb3+ ............... 31
1.3.3. Sự phát quang của thủy tinh borate kim loại kiềm đồng pha tạp Sm3+, Tb3+ ... 33
Phần II. PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ PHA TẠP LÊN PHỔ
MÀU BỨC XẠ CỦA THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM PHA TẠP CÁC
ION ĐẤT HIẾM Sm3+, Tb3+ ....................................................................................... 35
2.1. PHỔ MÀU CỦA THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM PHA TẠP CÁC

ION ĐẤT HIẾM Sm3+, Tb3+ ......................................................................................... 35
2.1.1. Phổ màu của thủy tinh borate kim loại kiềm đơn pha tạp Sm3+ ....................... 35
2.1.2. Phổ màu của thủy tinh borate kim loại kiềm đơn pha tạp Tb3+ ........................ 36
2.1.3. Phổ màu của thủy tinh borate kim loại kiềm đồng pha tạp Sm3+, Tb3+ ............ 37
2.2. ẢNH HƢỞNG CỦA NỒNG ĐỘ PHA TẠP LÊN PHỔ MÀU BỨC XẠ CỦA
THỦY TINH BORATE KIM LOẠI KIỀM PHA TẠP CÁC ION ĐẤT HIẾM Sm3+,
Tb3+ ................................................................................................................................ 38
2.2.1. Ảnh hƣởng của nồng độ Sm3+ lên phổ màu của thủy tinh borate kim loại kiềm
đơn pha tạp Sm3+ ........................................................................................................... 38
2.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ Tb3+ lên phổ màu của thủy tinh borate kim loại kiềm
đơn pha tạp Tb3+ .......................................................................................................... 38
2.2.3. Ảnh hƣởng của nồng độ Sm3+, Tb3+ lên phổ màu của thủy tinh borate kim loại
kiềm đồng pha tạp Sm3+, Tb3+ ....................................................................................... 39
PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................. 45
3.1. KẾT LUẬN............................................................................................................45
3.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................................ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 49


BẢNG KÍ HIỆU HOẶC CHỮ VIẾT TẮT
RE

Rare - Earth (Nguyên tố đất hiếm)

BLN

B2O3 - Li2O - Na2O

UV

Vùng tử ngoại

IR

Vùng hồng ngoại

CIE

Commission Internationle Eclairage

R

Red (Đỏ)

G

Green (Xanh lá cây)

B

Blue (Xanh da trời)


DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG KHÓA LUẬN

Hình
Hình 1.1.a

Chú thích

Trang

Quá trình phát quang tâm bất liên t c

5

Hình 1.1.b Quá trình phát quang tâm bất tái h p

5

Hình 1 2

Sơ đồ năng lƣ ng quá trình kích thích và phát quang vật liệu

6

Hình 1 3

Sơ đồ vùng năng lƣ ng của điện môi và bán dẫn

10

Hình 1.4

Sơ đồ các chuyển dời quang học

11

Hình 1.5

Quá trình kích thích

12

Hình 1.6

Sự truyền năng lƣ ng giữa các tâm S và A có khoảng cách R

13

Hình 1.7

Giản đồ cơ chế dập tắt huỳnh quang theo nồng độ

17

Hình 1 8

Vị trí các nguyên tố đất hiếm trong bảng tuần hoàn Menđêlêép

21

Hình 1 9

Giản đồ mức năng lƣ ng của các ion RE3+ - Giản đồ Dieke

24

Hình 1.10

Các vòng tròn cấu hình điện tử Sm

26

Hình 1.11

Sự phân bố điện tử của Tb

28

Hình 1.12

Các chuyển dời bức xạ (a) và phổ PL của tâm ion Tb3+trong vật

29

liệu TbPO4 (b)
Hình 1.13

Phổ phát quang của ion Sm3+ trong thuỷ tinh BLN đơn pha tạp
Sm3+

30

Hình 1.14

Sơ đồ năng lƣ ng của ion Sm3+ và các chuyển dời bức xạ

31

Hình 1.15

Phổ phát quang của ion Tb3+ trong thuỷ tinh BLN đơn pha tạp
Tb3+

32


Hình 1.16

Phổ phát quang của hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+,Sm3+

33

với nồng độ 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75)
Phổ phát quang của hệ thủy tinh BLN đồng pha tạp Tb3+, Sm3+
Hình 1.17

với nồng độ 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5)

34

Hình 2.1

Giản đồ tọa độ màu CIE 1931

35

Hình 2.2

Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN đơn pha tạp 1Sm3+

36

Hình 2.3

Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN đơn pha tạp 0,75Tb3+

36

Hình 2.4

Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN: 0,75Tb3+1Sm3+

37

Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN đơn pha tạp xSm3+
Hình 2.5

(x = 0,25; 0,5; 0,75; 1)

38

Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN đơn pha tạp yTb3+
Hình 2.6

Hình 2.7

(y = 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25)
Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN: 0,75Tb3+xSm3+ (x = 0,75;

39

40

1; 1,25; 1,5; 1,75)
Hình 2.8

Tọa độ màu CIE của thủy tinh BLN: 1Sm3+yTb3+ (y = 0,5; 0,75;
1; 1,25)

42


DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG KHÓA LUẬN

Bảng

Chú thích

Trang

Bảng 1 1

Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE3+

22

Bảng 2 1

Tọa độ màu (x,y,z) và tỉ lệ R/G/B của thủy tinh BLN

43

đồng pha tạp Sm3+, Tb3+


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu huỳnh quang đã và đang thu hút đƣ c
sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong nƣớc cũng nhƣ thế giới Không
những thế trong thời gian gần đây, các thiết bị quang hoạt động trong vùng hồng ngoại
cũng nhƣ trong vùng ánh sáng nhìn thấy đang đƣ c phổ biến rộng rãi với yêu cầu ngày
càng cao về số lƣ ng cũng nhƣ chất lƣ ng và sự đa dạng của chúng Đặc biệt là nhu
cầu về các thiết bị, linh kiện quang học dùng trong viễn thông, khuếch đại quang, laser
rắn, hiển thị 3D, thiết bị màn hình siêu phẳng, bộ cảm biến UV…[1, 2] Để đáp ứng
yêu cầu này thì các vật liệu nền đƣ c tạo ra phải trong suốt, có độ truyền qua tốt, có độ
ổn định cao, đó là thủy tinh Vì vậy thủy tinh là sự lựa chọn hàng đầu cho các nghiên
cứu trong lĩnh vực này, do công nghệ chế tạo thủy tinh khá đơn giản, sản phẩm có độ
truyền qua tốt, nhiệt độ nóng chảy thấp, ổn định cơ, hóa cao [3].
Các nghiên cứu cho thấy, ngƣời ta thƣờng chọn các nguyên liệu có khả năng tạo
thuỷ tinh (former) từ trạng thái nóng chảy và đƣ c làm lạnh đủ nhanh là các oxide,
nhƣ: B2O3, P2O5, SiO2, GeO2 Sự có mặt của các former có thể tạo ra liên kết mạnh và
làm tăng độ nhớt trong thủy tinh lỏng Từ đó có thể phá hủy trạng thái trật tự trong tinh
thể và làm ổn định trạng thái bất trật tự của chất nóng chảy Để thay đổi các tính chất
vật lý của trong chế tạo thủy tinh nhƣ điểm nóng chảy, độ hòa tan, độ dẫn thƣờng
ngƣời ta thêm vào một số oxide nhƣ PbO, CaO, K2O, Na2O và Li2O với một tỷ lệ nhất
định Các oxit này có thể làm thay đổi cấu trúc mạng của thủy tinh (gọi là thành phần
biến tính - network modifier) Sau cùng là dùng công nghệ pha tạp một phần rất nhỏ
các nguyên tố đất hiếm (rare-earth: RE) hoặc các oxide, muối kim loại chuyển tiếp làm

chất “nhuộm màu” cho thuỷ tinh để tạo ra những tính chất đặc trƣng của chúng [4].
Trong các thuỷ tinh sử d ng các former là các ôxit thì thủy tinh borat kim loại
kiềm khi đƣ c pha tạp các ion đất hiếm có khá nhiều tính chất đặc biệt bởi thành phần
nền và tạp tạo nên
Vì vậy, tôi đã chọn thành phần nền cố định và thay đổi nồng độ tạp để nghiên
cứu ảnh hƣởng của nồng độ tạp đến các tính chất quang học của vật liệu. Những kết
quả từ các nghiên cứu này giúp ta không chỉ hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của các vật
liệu mà còn cho ta các ý tƣởng để lựa chọn vật liệu. Do đó tôi lựa chọn đề tài: “Phân
tích các ảnh hƣởng của nồng độ pha tạp lên phổ màu bức xạ của thủy tinh borat
kim loại kiềm pha tạp ion đất hiếm Sm3+, Tb3+” làm khóa luận tốt nghiệp cho mình.

1


2 M c tiêu nghi n cứu
Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ pha tạp lên phổ màu bức xạ của thủy tinh
borat kim loại kiềm pha tạp ion đất hiếm Sm3+, Tb3+.
3 Đ i tƣ ng v phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các tính chất quang của thủy tinh borate kim loại kiềm pha tạp ion
đất hiếm Sm3+ và Tb3+.
4 Phƣơng pháp nghi n cứu
- Phương pháp lý thuyết
Sử d ng cơ sở lý thuyết liên quan đến lý thuyết về sự phát quang và thủy tinh.
- Phương pháp thực nghiệm
+ Xác định quy trình chế tạo các mẫu bằng phƣơng pháp nóng chảy với các
thành phần và tỷ lệ khác nhau của tạp để thu đƣ c các mẫu thủy tinh có thành phần và
đặc tính lý, hóa… nhƣ mong muốn là bền về mặt hóa học, cơ học, có độ trong suốt
rộng trong cả vùng nhìn thấy, tử ngoại và hồng ngoại gần.
+ Kiểm tra chất lƣ ng của thủy tinh chế tạo đƣ c, bao gồm: nhiễu xạ tia X, xác
định chiết suất, tỷ trọng.

+ Nghiên cứu các tính chất quang của vật liệu thông qua phổ phát quang, phổ tọa độ
màu CIE.
5. Cấu trúc của khóa luận
Nội dung của khóa luận ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo gồm
có ba phần chính:
Phần I. Tổng quan lý thuyết
Phần II. Phân tích ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên phổ màu bức xạ của thủy
tinh borat kim loại kiềm pha tạp ion đất hiếm Sm3+, Tb3+
Phần III. Kết luận và kiến nghị

2


NỘI DUNG
Phần I
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1. LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÁT QUANG [5]
1.1.1. Hiện tƣ ng phát quang
Trong thiên nhiên có rất nhiều chất hấp th năng lƣ ng từ bên ngoài để biến đổi
nội tại, rồi sau đó bức xạ ánh sáng. Các chất có khả năng biến dạng năng lƣ ng khác
nhƣ: quang năng, nhiệt năng, hóa năng … sang quang năng gọi là các chất phát quang,
hiện tƣ ng nhƣ vậy gọi là hiện tƣ ng phát quang.
Phát quang là sự bức xạ ánh sáng của vật chất dƣới tác động của một tác nhân
kích thích nào đó mà không phải là sự đốt nóng thông thƣờng Bƣớc sóng của ánh
sáng phát quang đặc trƣng cho vật liệu phát quang, nó hoàn toàn không ph thuộc vào
bức xạ chiếu lên nó. Các nghiên cứu về hiện tƣ ng phát quang phần lớn đều quan tâm
đến bức xạ trong vùng khả kiến, tuy nhiên cũng có một số hiện tƣ ng bức xạ có bƣớc
sóng thuộc vùng hồng ngoại (IR) và vùng tử ngoại (UV) đƣ c nghiên cứu tùy thuộc
vào m c đích sử d ng riêng.

1.1.1.1 Định nghĩa
Khi chiếu bức xạ vào vật chất (ánh sáng khả kiến, tia tử ngoại, tia X …) một
phần năng lƣ ng có thể bị hấp th tùy theo môi trƣờng vật chất và tái phát xạ với bức
xạ riêng, không cân bằng, có thành phần quang phổ rất khác với thành phần quang phổ
của bức xạ kích thích, bức xạ riêng này đƣ c xác định bởi thành phần hóa học và cấu
tạo của các chất đó Hiện tƣ ng này đƣ c gọi là hiện tƣ ng phát quang và bức xạ phát
ra là bức xạ phát quang.
Chúng ta cần lƣu ý rằng: Khái niệm bức xạ riêng để chỉ hiện tƣ ng phát quang
với ý muốn phân biệt hiện tƣ ng phát quang với các hiện tƣ ng quang học khác nhƣ
phản xạ, tán xạ, khuếch tán. Còn khái niệm bức xạ không cân bằng là để phân biệt với
bức xạ nhiệt (bức xạ của những vật bị nung nóng trên 4000 C). Từ các khái niệm trên,
ta có thể định nghĩa hiện tƣ ng phát quang nhƣ sau: Hiện tượng phát quang là hiện
tượng phát ra ánh sáng của khối vật chất dưới tác dụng của năng lượng bên ngoài
nhưng không phải là năng lượng nhiệt.

3


1.1.1.2. Tính chất của bức xạ phát quang
- Bức xạ phát quang là bức xạ riêng của mỗi chất phát quang và các phổ phát
quang riêng đặc trƣng của nó.
- Sự phát quang của một số chất còn tiếp t c kéo dài trong một khoảng thời gian
sau khi ngừng kích thích. Khoảng thời gian này còn đƣ c gọi là khoảng thời gian phát
quang còn dƣ hay thời gian sống phát quang. Thời gian phát quang đối với các chất
khác nhau rất khác nhau, có thể vài mili giây (ms) đến vài giờ thậm chí là hàng ch c
giờ.
- Ở cùng một nhiệt độ, bức xạ phát quang có tần số lớn hơn tần số bức xạ nhiệt,
chẳng hạn: ở nhiệt độ phòng chất phát quang phát ánh sáng ở vùng khả kiến và tử
ngoại, trong khi đó bức xạ nhiệt chỉ phát ở vùng hồng ngoại.
1.1.1.3. Phân loại hiện tƣ ng phát quang

Hiện tƣ ng phát quang đƣ c phân loại dựa trên những đặc điểm nhƣ thời gian
phát quang kéo dài; tính chất động học của quá trình phát quang; phƣơng pháp kích
thích của quá trình phát quang.
a. Phân loại phát quang dựa vào thời gian phát quang kéo dài
Trong trƣờng h p phân biệt hiện tƣ ng phát quang dựa vào thời gian sống kéo
dài, thƣờng để phân biệt hai hiện tƣ ng huỳnh quang và lân quang, ta phải căn cứ vào
thời gian sống của bức xạ phát quang τ (khoảng thời gian lƣu lại của hạt tải trên mức
kích thích).
Nếu thời gian sống τ < 10-8 s thì gọi là hiện tƣ ng huỳnh quang Nhƣ vậy ánh
sáng huỳnh quang hầu nhƣ tắt ngay sau khi ngừng kích thích. Bản chất của hiện tƣ ng
huỳnh quang hầu nhƣ tắt ngay sau khi ngừng kích thích. Bản chất của hiện tƣ ng
huỳnh quang là sự hấp th diễn ra ở nguyên tử, phân tử nào (hay còn gọi là các tâm
hấp th ) thì bức xạ cũng xảy ra ở các tâm đó
Nếu thời gian sống τ > 10-8 s nghĩa là ta vẫn còn quan sát đƣ c bức xạ phát quang
sau khi ngừng kích thích thì gọi là hiện tƣ ng lân quang. Bản chất của hiện tƣ ng lân
quang là sự hấp th có thể xảy ra ở tâm này nhƣng lại bức xạ ở một tâm khác.
Ta có thể phân biệt hai quá trình huỳnh quang và lân quang nhƣ sau: Hiện tƣ ng
huỳnh quang là hiện tƣ ng xảy ra do một hoặc vài chuyển dời tự phát; còn nếu bức xạ
xảy ra, nó lƣu lại ở một trạng thái trung gian rồi từ đó dịch chuyển, phát bức xạ khi
nhận thêm năng lƣ ng kích thích từ môi trƣờng xung quanh thì hiện tƣ ng đó gọi là
4


hiện tƣ ng lân quang. Thực nghiệm đã chỉ ra rằng thời gian phát quang trong quá trình
lân quang ph thuộc rất lớn vào nhiệt độ và bản chất của vật liệu, còn thời gian phát
quang của quá trình huỳnh quang thì lại chịu ảnh hƣởng ít của nhiệt độ.
b. Phân loại phát quang dựa vào tính chất động học của quá trình phát quang
Dựa vào tính chất động học của quá trình phát quang thì ta có thể chia hiện tƣ ng
phát quang thành hai loại:
+ Phát quang của các tâm bất liên tục: Là loại phát quang trong đó quá trình

hấp th năng lƣ ng ở tâm nào thì bức xạ ở tâm đó Quá trình xảy ra trong các tâm là
độc lập với nhau. Sự tƣơng tác giữa các tâm với nhau và môi trƣờng là không đáng kể.

Hình 1.1.a. Quá trình phát quang tâm
bất liên tục A; X là kích thích; M là
bức xạ và H là giao động nhiệt.

Hình 1.1.b. Quá trình phát quang tâm bất
tái hợp A; X là kích thích tâm S; truyền
năng lượng T và M bức xạ tâm A.

+ Phát quang tái hợp: Là loại phát quang trong đó quá trình chuyển hóa từ năng
lƣ ng hấp th thành năng lƣ ng bức xạ xảy ra trong toàn bộ chất phát quang. Trong
trƣờng h p này, sự hấp th xảy ra ở tâm này nhƣng bức xạ có thể xảy ra ở tâm khác có
thể trực tiếp hoặc phải qua những quá trình trung gian phức tạp.
Lƣu ý rằng, trong cả hai loại phát quang của các tâm bất liên t c và phát quang
tái h p thì ở khâu cuối cùng chuyển hệ (chuyển tâm bức xạ) đều từ trạng thái kích
thích về trạng thái cơ bản mà ta có: phát quang tự phát hay phát quang cƣỡng bức.
Phát quang tự phát: nếu các tâm bức xạ tự phát chuyển từ trạng thái kích thích về
trạng thái cơ bản để phát ra ánh sáng thì sự phát quang đó gọi là phát quang tự phát.
Phát quang cƣỡng bức: nếu các tâm bức xạ chuyển từ trạng thái kích thích về
trạng thái cơ bản để phát ra ánh sáng là do quá trình cƣỡng bức của các tác nhân bên
ngoài nhƣ ánh sáng, nhiệt độ, điện trƣờng … thì sự phát quang đó gọi là phát quang
cƣỡng bức.

5


c. Phân loại phát quang dựa vào dạng năng lƣ ng kích thích
Tùy theo phƣơng pháp kích thích khác nhau mà ngƣời ta phân loại các hiện

tƣ ng phát quang Tuy nhiên, phƣơng pháp kích thích không làm thay đổi bản chất của
hiện tƣ ng phát quang, vì vậy phân loại phát quang theo phƣơng pháp kích thích đƣ c
sử d ng nhƣ một công c hữu hiệu để nghiên cứu đánh giá các sai hỏng, khuyết tật của
vật liệu. Trong nhiều phƣơng pháp kích thích đã đƣ c sử d ng, có hai loại phát quang
quan trọng thƣờng đƣ c nghiên cứu nhiều là quang phát quang và nhiệt phát quang.
+ Hiện tượng quang phát quang
Hiện tƣ ng quang phát quang là hiện tƣ ng phát ra ánh sáng khi vật chất tƣơng
tác với các bức xạ hay các chùm hạt khác (không kể bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt
đối) Quang phát quang là phƣơng pháp kích thích trực tiếp các tâm phát quang mà
không gây ra một ion hóa nào, nên sự kích thích cũng nhƣ bức xạ phát quang xảy ra do
quá trình chuyển dời điện tử trong những tâm cô lập.
Quá trình kích thích và phát quang của vật liệu đƣ c giả thiết có sơ đồ năng
lƣ ng đƣ c minh họa:

Hình 1 2 Sơ đồ năng lượng quá trình kích thích và phát quang vật liệu
Trong giản đồ, trạng thái cơ bản có năng lƣ ng E0 còn có trạng thái năng lƣ ng
từ E1 đến E5 biểu diễn các trạng thái kích thích. Giả sử rằng, khe năng lƣ ng giữa E2
đến E5 là rất bé, trong khi giữa E1 và E2 lớn, vì vậy khi từ kích thích cao trở về giữa các
khe năng lƣ ng bé thì không bức xạ photon, chỉ bức xạ phonon hay nói cách khác là
giải phóng năng lƣ ng dƣới dạng nhiệt. Chuyển dời bức xạ từ mức cao xuống mức
thấp hơn gắn liền với bức xạ photon chỉ xảy ra khi khe năng lƣ ng vƣ t quá giá trị
ngƣỡng nào đó

6


Do đó, ở trên hình khi vật liệu đƣ c kích thích đến mức 5, nó mất năng lƣ ng
dƣới dạng nhiệt bằng bức xạ từng đ t từ 5 đến 4, rồi đến mức 3 sau đó đến mức 2. Với
giả thiết khe năng lƣ ng giữa 2 và 1 lớn hơn giá trị ngƣỡng, khi đó các chuyển dời đến
mức 1 sau đó nó sẽ suy giảm không bức xạ qua khe hẹp đến trạng thái cơ bản (mức 0).

Hai chuyển dời phát quang khả dĩ xảy ra với tần số ν1 và ν2 hoặc tần số gốc ω0 và
ω1 cho bởi: ћν1 = ћω1 = E1 - E2 (từ 2 về 1).
- Định luật Stoke về sự phát quang
Ánh sáng phát quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích:

hq  kt .
Dựa vào thuyết lƣ ng tử ta có thể giải thích đƣ c định luật Stoke. Thực vậy, mỗi
nguyên tử hay phân tử có chất phát quang hấp th hoàn toàn một photon của ánh sáng
kích thích có năng lƣ ng ћνkt để chuyển sang 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 lƣ ng. Khi trở về trạng thái cơ bản nó sẽ phát ra một photon hνhq có năng lƣ ng
nhỏ hơn hνhq < hνkt nên hq  kt .
+ Hiện tượng nhiệt phát quang
Nhiệt phát quang là hiện tƣ ng bức xạ ánh sáng của chất điện môi hay bán dẫn
khi nó đƣ c nung nóng sau khi đã bị chiếu xạ hay ở nhiệt độ thấp hơn (nhiệt độ phòng
hay nitơ hóa lỏng …) bởi các bức xạ ion hóa nhƣ tia UV, tia X, tia γ…
Vậy điều kiện để có hiện tƣ ng nhiệt phát quang là:
- Vật liệu phải là chất bán dẫn hoặc điện môi, kim loại không phải là vật liệu phát
quang.
- Sự phát quang xảy ra khi nung nóng vật.
- Trƣớc khi nung nóng, vật liệu phải đƣ c chiếu xạ nghĩa là vật liệu ở trạng thái
trữ năng lƣ ng.
- Không thể nung nóng vật liệu lại để thu đƣ c ánh sáng nhiệt phát quang mà muốn
thu lại đƣ c ánh sáng nhiệt phát quang phải chiếu xạ lại trƣớc khi nung nóng lần 2.
Quá trình nhiệt phát quang đƣ c giải thích là do sự có mặt của mức siêu bền m
trong vùng cấm giữa trạng thái cơ bản e và trạng thái kích thích g Khi điện tử đƣ c
kích thích do chiếu xạ sẽ chuyển từ trạng thái g lên e nhƣng sau đó có thể bị bắt ở m.
Nó sẽ giữ ở m cho đến khi đủ năng lƣ ng để trở về vùng dẫn e, để từ đó nó có thể trở
7

về trạng thái cơ bản kèm theo quá trình bức xạ ánh sáng. Thời gian trễ giữa kích thích
với phát quang tƣơng ứng với thời gian điện tử lƣu lại trong bẫy m. Lý thuyết nhiệt
động đã chỉ ra rằng thời gian điện tử lƣu lại trên bẫy m ở nhiệt độ T ph thuộc vào độ
sâu của bẫy theo biểu thức:   s 1 exp( E / kT )
Nhƣ vậy bản chất của hiện tƣ ng nhiệt phát quang là hiện tƣ ng lân quang với
thời gian trễ dài từ vài phút đến 4,6.109 năm và ph thuộc nhiều vào nhiệt độ. Nói cách
khác kể từ lúc đƣ c kích thích đến lúc về trạng thái cơ bản thì hệ này tồn tại ở mức m
trong khoảng thời gian rất dài.
1.1 1 4 Các đặc trƣng của phổ phát quang
Quá trình phát quang mang bản chất ngƣ c với quá trình hấp th , đó là quá trình
hồi ph c của điện tử từ trang thái năng lƣ ng cao về trang thái năng lƣ ng thấp hơn và
giải phóng photon (ánh sáng).
+ Định nghĩa: Phổ phát quang là sự phân bố cường độ ánh sáng bức xạ phát
quang theo bước sóng hoặc tần số.
+ Tính chất:
Theo định luật Stoke, năng lƣ ng đƣ c giải phóng dƣới dạng bức xạ ánh sáng có
bƣớc sóng dài hơn bức xạ kích thích Thông thƣờng phần lớn các nghiên cứu về hiện
tƣ ng phát quang đều xét đến bức xạ ở vùng khả kiến, hồng ngoại và cả tử ngoại tùy
theo các chuyển dời bức xạ và tùy thuộc m c tiêu nghiên cứu.
Phổ phát quang phản ánh một cách sâu sắc tính chất và vị trí của các tâm phát
quang. Phân tích một cách cẩn thận phổ phát quang và kết h p với phổ hấp th sẽ cho
ta một bức tranh khá rõ nét về vi cấu trúc của vật liệu thông qua cấu trúc các mức năng
lƣ ng và quá trình truyền năng lƣ ng giữa các tâm quang học trong quá trình hấp th ,
biến đổi năng lƣ ng và bức xạ.
Phổ phát quang chủ yếu là do chất pha tạp (kích hoạt) quyết định, mỗi chất kích
hoạt cho một phổ phát quang riêng, ít ph thuộc vào chất nền trừ khi chất nền làm thay
đổi hóa trị của ion chất kích hoạt đó Thƣờng thì ánh sáng phát quang của các vật liệu
tinh thể không bị phân cực. Trong quá trình phát quang của vật liệu tinh thể có cả phát
quang kéo dài và phát quang tức thời. Thời gian phát quang tức thời rất ngắn (<10-8)

trong khi đó thời gian phát quang kéo dài có thể rất lớn (hàng ngày hoặc lâu hơn) Tùy
theo điều kiện kích thích, công nghệ chế tạo và bản chất vật liệu mà hai loại phát
quang này có thể xảy ra và cạnh tranh nhau trong cùng một vật liệu.
8


Quy luật tắt dần của ánh sáng phát quang sau khi ngừng kích thích thƣờng tuân
theo quy luật hàm hyperbol bậc hai:
J = J0 (n0Pt+1)-2
Trong đó: J0 và J là cƣờng độ phát quang tại thời điểm ngừng kích thích và tại
thời điểm t sau đó; n0 là số tâm phát quang tại thời điểm ngừng kích thích; P là xác
suất tái h p.
Các đặc trƣng của phổ phát quang toàn phần của vật liệu tinh thể chỉ ph thuộc
vào thành phần hóa học, trang thái hóa lý của nó Đặc biệt, đối với các vật liệu đồng
pha tạp thì phổ phát quang của nó có thể bao gồm một số dải bức xạ khác nhau. Ngoài
ra, khi các điều kiện kích thích khác nhau, phổ phát quang có thể chỉ thể hiện một hoặc
vài dải phổ thành phần. Nói cách khác khi thay đổi phƣơng pháp kích thích ta có thể
làm thay đổi thành phần phổ phát quang.
Trong thực tế, với đa số các vật liệu phát quang, khi bị kích thích bằng chùm bức
xạ hạt năng lƣ ng cao (nhƣ tia âm cực; chùm hạt α, β) thƣờng cho sự phát quang tức
thời khá mạnh, phổ phát quang gồm các dải nằm cả trong vùng khả kiến, thậm chí có
một phần trong vùng tử ngoại gần Nhƣng nếu kích thích bằng bức xạ tử ngoại hoặc
khả kiến (ở nhiệt độ phòng) thì phổ phát quang chỉ bao gồm các dải bức xạ trong vùng
hồng ngoại.
Một điều cần lƣu ý rằng: Khi cƣờng độ ánh sáng kích thích thay đổi thƣờng dẫn
đến sự thay đổi thành phần phổ phát quang, nhƣng nếu bƣớc sóng ánh sáng kích thích
thay đổi sẽ dẫn đến cƣờng độ phát quang thay đổi. Ngoài ra quá trình phát quang
thƣờng có liên hệ chặt chẽ với sự thay đổi độ dẫn điện của vật liệu.
Đây là những thông tin quan trọng cho việc định hƣớng nghiên cứu ứng d ng và
chế tạo vật liệu quang học.

1.1.2. Tâm quang học
1.1.2.1. Các chuyển dời hấp th và bức xạ của các tâm quang học
a Cơ sở lí thuyết vùng năng lƣ ng
Lí thuyết vùng năng lƣ ng là công c giúp chúng ta giải thích quá trình phát
quang của các vật liệu khá hiệu quả. Theo lí thuyết thì mỗi một điện tử riêng biệt chỉ
có thể tồn tại trên các trạng thái đƣ c mô tả bởi các mức năng lƣ ng gián đoạn thu
đƣ c từ việc giải phƣơng trình Schrodinger Khi các nguyên tử và ion kết h p với
nhau tạo thành mạng tinh thể thì sự tƣơng tác giữa chúng làm cho các mức năng lƣ ng
9


điện tử bên ngoài mở rộng thành các dải năng lƣ ng cho phép phân bố liên t c và tách
đôi bởi một khoảng cách năng lƣ ng đƣ c gọi là vùng cấm Eg. Dải có mức năng lƣ ng
cao nhất đƣ c lấp đầy điện tử đƣ c gọi là vùng hóa trị Ev, dải có mức năng lƣ ng thấp
nhất không đƣ c lấp đầy điện tử đƣ c gọi là vùng dẫn Ec.
Do các sai hỏng mạng hay các khuyết tật của mạng tinh thể khi sự có mặt của các
tạp chất mà tính chất tuần hoàn của các cấu trúc bị vi phạm, dẫn đến sự xuất hiện các
mức năng lƣ ng định xứ trong vùng cấm. Các mức năng lƣ ng định xứ này có thể chia
thành hai loại:
+ Các mức nằm bên dƣới đáy vùng dẫn và mức trên Fermi (Ef) có xu hƣớng bắt
các điện tử thƣờng gọi là các mức Donor (ED) (hay bẫy điện tử).
+ Các mức nằm trên đỉnh vùng hóa trị và bên dƣới Ef có xu hƣớng bắt các lỗ
trống thì đƣ c gọi là các mức acceptor EA (hay bẫy lỗ trống).
Vì lí do này mà vùng dẫn và vùng hóa trị còn đƣ c gọi là vùng năng lƣ ng không
định xứ, còn vùng cấm đƣ c gọi là vùng năng lƣ ng định xứ.

Hình 1 3 Sơ đồ năng lượng quá trình kích thích và phát quang vật liệu

b Phân tích các quá trình chuyển dời hấp th v bức xạ của các tâm quang
học

Quá trình quang học trong các tâm bao gồm các chuyển dời kích thích (hấp th )
và bức xạ đƣ c mô tả bởi sơ đồ mức năng lƣ ng nhƣ ở hình 1.4.

10


Hình 1.4. Sơ đồ các chuyển dời quang học
Chuyển dời không bức xạ
Chuyển dời bức xạ
Ta thấy, khoảng cách năng lƣ ng giữa các mức này không đều nhau. Ta có thể
kích thích các điện tử vốn nằm ở mức cơ bản E0 lên một trong các mức cao hơn Theo
phân bố Boltzman-Marxwell các điện tử có khuynh hƣớng chuyển dời xuống các mức
năng lƣ ng thấp hơn Lúc đó xuất hiện hai khả năng:
+ Nếu chuyển dời xảy ra giữa các mức năng lƣ ng có khoảng cách đủ hẹp thì
tâm trở về trạng thái cơ bản không phát photon mà chỉ phát phonon, ta gọi là chuyển
dời không phát xạ.
+ Nếu chuyển dời xảy ra giữa các mức năng lƣ ng có khoảng cách đủ lớn, c thể
là lớn hơn một giá trị ngƣỡng nào đó thì quá trình chuyển dời sẽ kèm theo sự phát
photon và ta gọi là chuyển dời phát xạ.
Nhƣ vậy, để hiểu quá trình quang học của các tâm, ta phải biết vị trí mức năng
lƣ ng của điện tử của chúng và bản chất các quá trình kích thích và bức xạ. Con
đƣờng hiệu quả nhất để đạt đƣ c điều đó là khảo sát các quá trình hấp th và huỳnh
quang của các vật liệu chứa các tâm.
1.1.2.2. Quá trình truyền năng lƣ ng giữa các tâm khác nhau
a Sự truyền năng lƣ ng
Khi có sự kích thích trực tiếp vào tâm kích hoạt A tâm sẽ hấp th năng lƣ ng và
chuyển lên trạng thái kích thích, sau đó chuyển về trạng thái cơ bản phát ra ánh sáng.
Ở trƣờng h p này gọi là trƣờng h p kích thích trực tiếp (hình 1.5a)

11

Ngoài trƣờng h p trên, thực tế còn có nhiều quá trình phức tạp hơn, một trong
những trƣờng h p này là tâm A không nhận năng lƣ ng kích thích trực tiếp mà đƣ c
nhận từ các ion bên cạnh. Các ion này hấp th năng lƣ ng rồi truyền cho tâm phát
quang A, các phần tử hấp th năng lƣ ng đó gọi là các phần tử cảm quang S. Sự
truyền năng lƣ ng kích thích từ tâm S* tới tâm khác A, sơ đồ: S* + A

A* + S

Sự truyền năng lƣ ng có thể kéo theo sự bức xạ của tâm A, lúc đó tâm S đƣ c
gọi là tâm làm nhạy của tâm A Tuy nhiên, A cũng có thể suy giảm không bức xạ,
trƣờng h p này A đƣ c gọi là phần tử dập tắt bức xạ của tâm S (hình 1 5b)

Hình 1.5. Quá trình kích thích
(a) Kích thích trực tiếp lên tâm phát quang A
(b) Kích thích gián tiếp qua phần tử nhạy sáng S, S truyền năng lượng cho tâm A
Thực tế trong vật liệu phát quang có thể xuất hiện hai trƣờng h p: Tâm A và tâm
S hoàn toàn khác nhau về thành phần và bản chất Tâm S và tâm A có cùng nhau thành
phần và bản chất Khi đó quá trình truyền năng lƣ ng của hai trƣờng h p này khác
nhau, ta hãy phân tích quá trình đó trên cơ sở quan điểm lƣ ng tử về động học quá
trình phát quang.
b Quá trình truyền năng lƣ ng giữa các tâm khác nhau
Xét hai tâm S và A cách nhau một khoảng R trong chất rắn. Giả sử khoảng cách
R là đủ ngắn để tƣơng tác giữa các tâm không bị triệt tiêu. Nếu S ở trạng thái kích
thích và A ở trạng thái cơ bản, khi S hồi ph c năng lƣ ng nó có thể truyền cho A.
Sự truyền năng lƣ ng chỉ có thể xuất hiện nếu:
- Sự khác nhau về năng lƣ ng giữa hai trạng thái kích thích và cơ bản của tâm S
và tâm A bằng nhau.
- Khi tồn tại sự tƣơng tác thích h p giữa hai hệ Tƣơng tác có thể là tƣơng tác

trao đổi hoặc là tƣơng tác đa cực điện hoặc đa cực từ.

12


Hình 1.6. Sự truyền năng lượng giữa các tâm S và A có khoảng cách R
(a) Sơ đồ mức năng lượng và Hamintonien tương tác
(b) Sự che phủ
Trong thực tế, điều kiện cộng hƣởng có thể đƣ c kiểm tra bằng việc xem xét sự
chồng lấn phổ bức xạ của tâm S và hấp th của tâm A. Kết quả tính toán theo Dexter
nhƣ sau:
|

|

2

|

| ∫

(E) dE (1)

Trong đó, tích phân trong (1) mô tả sự che phủ của hai phổ, gx(E) là hai hình ảnh
vạch phổ đã chuẩn hóa của tâm X.
Hệ thức trên cho biết tốc độ truyền năng lƣ ng pSA triệt tiêu khi sự che phủ hai
phổ triệt tiêu (không che phủ). Yếu tố ma trận trong biểu thức mô tả sự tƣơng tác (HSA
là Hamiltonien tƣơng tác) giữa trạng thaí ban đầu
|

|

và trạng thái cuối cùng

.
Tốc độ truyền năng lƣ ng ph thuộc vào khoảng cách thể hiện sự ph thuộc vào

loại tƣơng tác Đối với tƣơng tác đa cực điện, sự ph thuộc khoảng cách đƣ c cho bởi
R-n (n = 6,8… tƣơng ứng với tƣơng tác lƣỡng cực – lƣ ng cực, lƣỡng cực – tứ cực,
…) Đối với tƣơng tác trao đổi, sự ph thuộc khoảng cách là hàm e mũ do tƣơng tác
trao đổi đòi hỏi sự che phủ hàm sóng Để có đƣ c tốc độ truyền cao, tức PSA lớn, đòi
hỏi phải thoả mãn:
- Sự cộng hƣởng lớn, tức là mức độ che phủ phổ bức xạ của tâm S đối với phổ
hấp th của tâm A cần phải lớn
- Sự tƣơng tác mạnh, tƣơng tác có thể là loại đa cực - đa cực hoặc tƣơng tác trao
đổi Trong một vài trƣờng h p đặc biệt ta mới có thể biết c thể loại tƣơng tác đó
Cƣờng độ của các dịch chuyển quang xác định cƣờng độ của các tƣơng tác đa cực
điện Tốc độ truyền lớn chỉ có thể đạt đƣ c khi các dịch chuyển quang học liên quan là
13


những dịch chuyển lƣỡng cực điện cho phép Nếu cƣờng độ hấp th triệt tiêu thì tốc độ
truyền đối với tƣơng tác đa cực điện cũng bị triệt tiêu theo Tuy nhiên, tốc độ truyền
tổng cộng không nhất thiết triệt tiêu do có thể có đóng góp của tƣơng tác trao đổi Tốc
độ truyền tƣơng tác trao đổi ph thuộc vào sự che phủ hàm sóng nhƣng không ph
thuộc vào các đặc trƣng phổ của các dịch chuyển liên quan
Để xác định đƣ c khoảng cách tới hạn để xảy ra sự truyền năng lƣ ng theo theo
cách này, ta cần hiểu những hạn chế khi tâm S * chuyển về trạng thái cơ bản: Nếu quá
trình truyền năng lƣ ng với tốc độ PSA và sự hồi ph c bức xạ với tốc độ bức xạ PS. Khi
bỏ qua sự hồi ph c không bức xạ (có thể nó bao gồm trong PS) thì khoảng cách tới hạn

đối với sự truyền năng lƣ ng (RC) đƣ c định nghĩa là khoảng cách ở đó PSA = PS. Khi
R > RC sự phát xạ của S chiếm ƣu thế, ngƣ c lại khi R < RC sự truyền năng lƣ ng tà S
tới A chiếm ƣu thế.
Nếu dịch chuyển quang của S và A đều là những dịch chuyển lƣỡng cực điện cho
phép với sự che phủ đáng kể thì khoảng cách RC vào cở 30A0. Nếu những dịch chuyển
đó bị cấm chúng ta cần có tƣơng tác trao đổi để xảy ra sự truyền năng lƣ ng, lúc đó
giá trị của RC giới hạn trong khoảng 5 – 8 A0.
Tuy nhiên khi sự che phủ đáng kể của một dải phổ bức xạ lên dải phổ hấp th
cho phép thì có thể có sự truyền năng lƣ ng bức xạ đáng kể: S* hồi ph c bức xạ và bức
xạ phát ra bị tái hấp th . Thực tế điều này đƣ c quan sát thấy khi dải bức xạ triệt tiêu
tại bƣớc sóng xảy ra sự hấp th mạnh của tâm A.
Quá trình truyền năng lƣ ng đƣ c mô tả bằng hệ thức (1) là sự truyền năng
lƣ ng không bức xạ. Nó có thể phát hiện đƣ c bằng thực nghiệm. Bằng cách do phổ
kích thích của tâm A thì các dải hấp th của tâm S cũng đƣ c phát hiện, do sự kích
thích tâm S dẫn đến bức xạ của A thông qua truyền năng lƣ ng. Nếu bị kích thích một
cách chọn lọc thì sự tồn tại của bức xạ A trong phổ bức xạ chỉ ra sự truyền năng lƣ ng
từ S đến A. Cuối cùng thời gian suy giảm bức xạ của tâm S bị ngắn đi do sự tồn tại của
quá trình truyền năng lƣ ng không bức xạ, bởi vì quá trình truyền năng lƣ ng làm rút
ngắn thời gian sống của trạng thái kích thích S*.
Ta có thể đánh giá c thể về sự truyền năng lƣ ng và khoảng cách tƣới hạn bằng
cách thực hiện một vài tính toán sau. Giả sử tƣơng tác thuộc loại lƣỡng cực điện thì lúc
này dựa vào hệ thức (1) và điều kiện PSA (RC) sẽ đƣa đến công thức tính sau :
(2)
14


Trong đó :

là lực dao động tử của dịch chuyển hấp th quang trên tâm A; E là

năng lƣ ng của sự che phủ phổ cực đại; SO là tích phân phần che phủ phổ trong (1)
1.1.2.3. Quá trình truyền năng lƣ ng giữa các tâm gi ng nhau
Trong trƣờng h p các tâm S giống nhau, sự truyền năng lƣ ng không phải một
bƣớc mà dƣờng nhƣ sẽ là một quá trình gồm rất nhiều bƣớc nối tiếp nhau, và nhƣ vậy
năng lƣ ng kích thích đƣ c truyền đi xa vị trí mà nó hấp th
truyền năng lƣ ng trong môi trƣờng hấp th

Nói cách khác, có sự lan

Theo cách này năng lƣ ng kích thích

trong quá trình lan truyền sẽ bị suy giảm nên khi đƣ c truyền tới vị trí nó bị mất và
không thể kích thích bức xạ gọi là vị trí dập tắt (killer site) Khi đó hiệu suất phát
quang của h p chất đó sẽ thấp, hiện tƣ ng này gọi là sự dập tắt do nồng độ Nhƣ vậy,
hiện tƣ ng dập tắt do nồng độ sẽ không xuất hiện khi nồng độ tâm phát quang thấp, vì
lúc đó khoảng cách trung bình giữa các ion S là đủ lớn, sự lan truyền năng lƣ ng bị
cản trở và các vị trí dập tắt không tạo thành
Nếu ta chỉ quan tâm tới trƣờng h p ion S tuân theo sơ đồ tƣơng tác yếu, nhƣng
trong trƣờng h p đối với các ion RE+ thì quá trình có tốc độ chậm do tƣơng tác giữa
chúng yếu khi lớp điện tử 4f đƣ c che chắn tốt bởi lớp lấp đầy bên ngoài. Tuy nhiên,
mặc dù tốc độ bức xạ nhỏ nhƣng sự che phủ phổ khá lớn, do thực tế

nên các

vạch bức xạ và hấp th trùng khớp nhua Hơn thế nữa, do tốc độ bức xạ là nhỏ nên tốc
độ truyền sẽ dể dàng vƣ t trội so với tốc độ bƣc xạ Trên thực tế, đã phát hiện thấy sự
lan truyền năng lƣ ng trong nhiều h p chất chứa RE và sự dập tắt do nồng độ thƣờng
xảy ra ở nồng độ một vài phần trăm nguyên tử ion pha tạp
Các nghiên cứu loại này, sử d ng nguồn kích thích là các xung laser hoặc laser
thay đổi bƣớc sóng và các ion RE đƣ c kích thích một cách chọn lọc để phân tích sựu

suy giảm bức xạ sau khi ngừng kích thích Hình dạng đƣờng cong suy giảm đặc trƣng
cho các quá trình vật lí trong h p chất nghiên cứu
Chúng ta xem xét một số trƣờng h p đặc biệt :
Giả sử đối tƣ ng nghiên cứu là h p chất của ion S (RE) trong đó cũng có chứa
một số tâm ion A có thể bắt năng lƣ ng kích thích của S bằng sự truyền năng lƣ ng từ
S đến A Xảy ra các trƣờng h p sau :
a Nếu sự kích thích lên tâm S kéo theo sự bức xạ của chính ion S hoặc kéo theo
sự bức xạ của ion S sau một vài sự lan truyền năng lƣ ng thì sự suy giảm bức xạ theo
quy luật hàm e mũ và đƣ c mô tả bằng hệ thức:
15