Nghiên cứu quá trình truyền năng lượng giữa các ion đất hiếm trong thủy tinh borate kim loại kiềm đồng pha tạp ce3+, dy3+ (tt)

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1.Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 2
2.Mục tiêu của đề tài ............................................................................................. 3
3.Đối tượng, phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 3
3.1. Đối tượng nghiên cứu..................................................................................... 3
3.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 3
4.Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ............................................................ 4
4.1. Cách tiếp cận .................................................................................................. 4
4.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4
5. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 4
6. Cấu trúc đề tài ................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT JUDD-OFELT ..................... 6
1. Lực dao động tử thực nghiệm và cách tính thông số JO từ phổ hấp thụ ......... 6
2. Tính chất bức xạ ............................................................................................... 7
CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 10
1. Các nghiên cứu về phổ quang học của thủy tinh Borate pha tạp Sm ............. 10
1.1. Mẫu thủy tinh borate pha tạp đất hiếm ........................................................ 10
1.2. Nghiên cứu từ phổ hấp thụ của vật liệu: ...................................................... 10
1.2.1. Hấp thụ vùng năng lượng cao. .................................................................. 12
1.2.2. Hấp thụ trong vùng năng lượng thấp ........................................................ 13
1.3. Sơ đồ chuyển dời hấp thụ giữa các mức năng lượng của ion Sm3+ ............. 15
2. Các kết quả nghiên cứu áp dụng lý thuyết Judd-Ofelt cho thủy tinh hỗn hợp
BLiNa:Sm............................................................................................................ 16
2.1. Lực dao động tử thực nghiệm ...................................................................... 16
2.2. Lực dao động tử tính toán từ lý thuyết JO ................................................... 17
2.3. Phổ quang phát quang và đặc trưng chuyển dời bức xạ .............................. 21
2.3.1. Phổ quang phát quang ............................................................................... 21
2.3.2. Các đặc trưng chuyển dời bức xạ .............................................................. 22
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 23
1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, một trong những lĩnh vực nghiên cứu được quan tâm nhất là phát
triển các linh kiện quang học dùng trong viễn thông, sợi quang chuyển đổi ngược,
khuếch đại quang học, lazer rắn, hiển thị 3D dựa trên các vật liệu pha tạp đất hiếm. Để
làm được điều đó, đầu tiên người ta chú ý tìm các vật liệu có năng lượng phonon nhỏ
để giảm xác suất các quá trình phát xạ nhiệt đa phonon và nâng cao tiết diện quang của
các ion đất hiếm. Đó là những vật liệu nền fluoride và chaleogenide pha tạp đất hiếm,
thí dụ họ vật liệu ZBLAN. Tuy nhiên, từ năm 1993 Wang và Ohwaki đã tìm ra loại vật
liệu thích hợp hơn, đó là các vật liệu thủy tinh trong suốt thuộc họ

oxy – fluoride

pha tạp đất hiếm. Có thể kể ra các công trình tiêu biểu công bố gần đây như: Agarwal
A., Seth V. P., Sanghi S., Gahlot P. and Khasa S. (2004), Mixed alkali effect in optical
properties of lithium – potassium bismuth borate glass system; Babu P., Jayasankar
C.K. (2000), Optical spectroscopy of

Eu3+ ions in lithium borate and lithium

fluoroborate glasses; Binnemans K., Gorller-Walrand C (1998), Are the Judd – Ofelt
intensity parameters sensitive enough to reflect small compositional changes in
lanthanide-doped glasses….
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo Thủy tinh chứa các nguyên tố đất hiếm đã
được thực hiện trong những năm gần đây, đó là: Tác giả Ngô Quang Thành trong công
trình luận án tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng phát quang cưỡng bức nhiệt của một số
vật liệu rắn nhằm ứng dụng trong đo liều bức xạ, (2009) trong đó có nghiên cứu thủy
tinh Li2B4O7 chế tạo bằng phương pháp nóng chảy. Tuy nhiên mục tiêu chính của luận
án là tìm kiếm vật liệu để chế tạo liều kế đo liều xạ trị sử dụng trong y học. Tác giả

Bùi Thế Huy: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang Li2B4O7 và LiF pha tạp nhằm
mục đích đo liều bức xạ, Luận án tiến sĩ, (2009) trong đó cũng nghiên cứu đến loại vật
liệu Li2B4O7 nhưng cũng vì mục đích đo liều bức xạ. Gần đây vật liệu thủy tinh pha tạp
đất hiếm được nghiên cứu chế tạo thành công và đã được tối ưu hóa công nghệ của
nhóm tác Trần Ngọc với nền tinh Borate – Kim loại kiềm pha tạp Sammarium và
dysposium và triển vọng ứng dụng trong tương lai gần rất cao.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lý thuyết Judd-Ofelt ( J-O) được xây dựng cho kim loại đất hiếm, các thông số
rút ra từ lý thuyết này cho phép ta đánh giá được nhiều đại lượng vật lý quan trọng
như: cường độ chuyển dời, ước lượng thời gian sống của các chuyển dời, tiên đoán

2


dạng phổ của các ion đất hiếm. Ngoài ra, thông số cường độ được xác định theo lý
thuyết Judd-Ofelt cũng cho phép ta đánh giá nhiều đặc trưng của môi trường xung
quanh các ion đất hiếm như độ bất đối xứng (asymmetry), độ đồng hóa trị (covalence),
độ bền chắc (rigidity)…Đặc biệt, lý thuyết này sẽ cho phép ta tính toán các yếu tố ma
trận trên một cách đơn giản hơn nhiều. Từ đó ta có thể tiên đoán và tính toán nhiều
thông số của quá trình huỳnh quang như: thời gian sống của trạng thái kích thích,
cường độ các chuyển dời huỳnh quang khác nhau….Để góp phần nghiên cứu sâu hơn
về các vật liệu quang học, và đặc biệt là nâng cao hiểu biết về lý thuyết Judd – Ofelt,
chúng tôi chọn hướng nghiên cứu “Vận dụng lý thuyết Judd-Ofelt để nghiên cứu tính
chất quang của thủy tinh borate kim loại kiềm pha tạp Sm3+” cho đề tài nghiên cứu
này.
2. Mục tiêu của đề tài
Sử dụng lý thuyết Judd-Ofelt (J-O) được xây dựng cho kim loại đất hiếm, để
tính toán các thông số vật lý của vật liệu như: cường độ các chuyển dời, ước lượng
thời gian sống của các chuyển dời, tiên đoán dạng phổ của các ion đất hiếm từ đó đưa
ra tính chất quang của vật liệu.

3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
+ Lý thuyết Judd-Ofelt
3+

+ Các hệ mẫu thủy tinh borat - kim loại kiềm pha tạp Sm với các nồng độ tạp
khác nhau chế tạo bằng phương pháp nóng chảy.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
+ Trong đề tài này lý thuyết Judd – Ofelt của quang phổ đất hiếm cần được
tính toán và áp dụng một cách có hệ thống cho tất cả các phổ đo được và với độ chính
xác cao nhất có thể để thu được các thông tin tin cậy về tính chất của từng chuyển
dời (A) xác suất chuyển dời tổng cộng (AT), thời gian sống của các kích thích (τR),
tỷ số cường độ giữa các mức huỳnh quang (βR) và tiết diện ngang của bức xạ cưỡng
bức của từng chuyển dời (δ(λR)). Từ đó ta có thể đánh giá được giá trị thực tiễn và ý
nghĩa khoa học của các vật liệu đã nghiên cứu.
+Ý nghĩa thứ hai của sự phân tích Judd – Ofelt là chúng ta có thể đánh giá về
tính đối xứng và cấu trúc xung quanh các ion RE, độ đồng hóa trị trong tương tác

3


giữa ion RE và các ion Oxygen hay Flour xung quanh, hiệu ứng nephelauxetic của
các ion RE trong vật liệu, độ ổn định (rigidity) của vật liệu…
4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu\
4.1. Cách tiếp cận
Để đạt được mục tiêu của đề tài, cách tiếp cận tốt nhất là kết hợp những kết quả
thực nghiệm với việc sử dụng lý thuyết Judd – Ofelt của quang phổ đất hiếm để có thể
thu được các thông tin về tính chất huỳnh quang của vật liệu (xác suất chuyển dời phát
xạ, thời gian sống của các trạng thái kích thích…), tính đối xứng và cấu trúc xung
quanh các ion RE, độ đồng hóa trị trong tương tác giữa RE và các ion Oxygen hay kim

loại kiềm xung quanh để từ đó ta có thể đánh giá được giá trị thực tiễn và ý nghĩa khoa
học của các vật liệu đã nghiên cứu.
4.2. Phương pháp nghiên cứu
Đây là đề tài bán thực nghiệm nên số liệu thu thập phải từ thực nghiệm để là
luận cứ khoa học cho việc áp dụng lý thuyết JO để tính toán các thông số vật lý. Trên
cơ sở các phổ quang học thu thập được của vật liệu BLiNa:Sm, đề tài sẽ sử dụng lý
thuyết J-O để tính toán xác định các đại lượng vật lý đặc trưng cho phổ từ đó nêu lên
những tính chất của vật liệu và khả năng ứng dụng của nó.
5. Nội dung nghiên cứu
+ Nội dung nghiên cứu (trình bày dưới dạng đề cương nghiên cứu chi tiết)
+ Kết hợp những kết quả thực nghiệm với việc sử dụng lý thuyết Judd – Ofelt
của quang phổ đất hiếm để có thể thu được các thông tin tin cậy về tính chất huỳnh
quang của vật liệu ( xác suất chuyển dời phát xạ, thời gian sống của các trạng thái
kích thích…) và tính đối xứng và cấu trúc xung quanh các ion RE, độ đồng hóa trị
trong tương tác giữa ion RE và các ion Oxygen hay kim loại kiềm xung quanh để từ
đó ta có thể đánh giá được giá trị thực tiễn và ý nghĩa khoa học của vật liệu đã nghiên
cứu.
+Tìm sự khác biệt tính chất quang của các ion RE trong thủy tinh có và không
có nano-tinh thể.
6. Cấu trúc đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của bản tổng
kết dề tài được trình bày trong hai chương
Chương I. Tổng quan lý thuyết J-O

4


+ Trình bày tổng quan về lý thuyết Judd-Oflet của các chyển dời f – f trong ion
đất hiếm
+ Phương pháp xác định cường độ vạch chuyễn dời và các đại lượng vật lý liên

quan bằng phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang
Chương II. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
+ Trình bày nghiên cứu về phổ quang học của thủy tinh Borate pha tạp

Sm3+
+ Trình bày các kết quả nghiên cứu áp dụng lý thuyết Judd-Oflet cho thủy
tinh hỗn hợp BLiNa:Sm thông qua phổ hấp thụ
KẾT LUẬN

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT JUDD-OFELT
Lý thuyết Judd-Ofelt (J.O) được xây dựng cho kim loại đất hiếm, các thông số
rút ra từ lý thuyết này cho phép ta đánh giá được nhiều đại lượng vật lý quan trọng
như: cường độ các chuyển dời, thời gian sống của các chuyển dời, tiên đoán dạng phổ
của các ion đất hiếm,…Ngoài ra, thông qua các thông số JO cũng cho phép ta đánh giá
được nhiều đặc trưng của môi trường xung quanh các ion đất hiếm như tính đối xứng
và cấu trúc xung quanh các ion RE, độ đồng hóa trị trong tương tác giữa i4on RE và
các ion Oxygen hay kim loại kiềm xung quanh…Cơ sở của lý thuyết JO là dựa vào
phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang thực nghiệm.
1. Lực dao động tử thực nghiệm và cách tính thông số JO từ phổ hấp thụ
Lực dao động tử được xác định bằng công thức thực nghiệm:
fexp  4,138.109   (v)dv

(1)

Trong đó:  (v) là molar absorptivity ở tần số 
Đại lượng này được tính từ độ hấp thụ A theo công thức Lambert – Beer:

 (v ) 

A(v)
c.d

Trong đó: A(v) xác định trực tiếp từ phổ hấp thụ  lg( I 0 / I 
d là độ dày mẫu;
c là nồng độ ion đất hiếm (mol/lít) (có thể xác định từ công thức:
c (ion/cm3 =NA.d/M ; với NA là số Avogadro,
d là tỷ trọng (mol % của ion đất hiếm ) và M là khối lượng phân tử).
Theo lý thuyết JO, biểu thức mô tả lực dao động tử của chuyển dời dipole điện từ
trạng thái cơ bản A lên trạng thái kích thích B là:
fcal 

8 2 mc v (n2  2)2
 J U   ' J '

3h 2 J  1 9n  2,4,6

2

(2)

Trong đó   gọi là thông số cường độ, nó không phụ thuộc vào chuyển dời hấp
thụ hay huỳnh quang mà chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của trường tinh thể, đại lượng này
có thể tính được từ thực nghiệm.
Đại lượng J U   ' J ' 2 gọi là yếu tố ma trận rút gọn kép,

6

U l toỏn t tenx n v, nú ch ph thuc vo ion t him v trng thỏi

chuyn di u cui
So sỏnh lc dao ng t t hai cụng thc thc nghim v tớnh toỏn lớ thuyt ta
cú h n phng trỡnh tng ng vi n chuyn di ang kho sỏt trong ph hp th:
2
4
6
exp
n 2U n 4U n 6U n

(3)

Gii h phng trỡnh (3) bng phng phỏp bỡnh phng ti thiu 3 cho ta kt qu:
2 , 4 , 6 vi sai s lch ton phng trỡnh l:

ộ
ự1/2
exp
cal 2
rms = ờồ ( fedi - fedi ) / (n - 3) ỳ
ỳ
ởờ i
ỷ

(4)

2. Tớnh cht bc x
Trong quỏ trỡnh bc x hunh quang, xỏc sut chuyn di phỏt x ngu nhiờn t

trng thỏi

J ' J ' trong ph hunh quang c xỏc nh bi:

A( J , ' J ') Aed Amd

Hay:
A( R ) (Yj , Y' j ') =

2
ộ ổ 2
ự
64p 4 v3
3
ờn ỗ n + 2 ử
ỳ
ữ
S
+
n
S
md ỳ
ỗ 3 ữ ed
3hc3 (2 J '+1) ờ
ứ
ờ ố
ỳ
ở
ỷ

(5)

Trong ú n l chit sut ca vt rn
Jl moment gúc tng cng ca mc kớch thớch trờn
Vỡ cỏc vt liu quang hc l in mụi (chit sut n>1), cn cú s hiu chnh
trng cc b Lorentz ED v MD cho cỏc tng tỏc vi momen lng cc in v
n(n2 2)2 3
momen lng cc t cỏc h s
, n c a vo biu thc( 3) v (4), c th:
3

i vi quỏ trỡnh hp th :

ED

(n2 2)2

ng vi chuyn di dipole in
9n

v MD n i vi chuyn di dipole t.
i vi quỏ trỡnh phỏt x:

ED

n(n2 2)2
ng vi chuyn di dipole in
9

v MD n3 ng vi chuyn di dipole t.

7


Bên cạnh lực dao dộng tử fcal và hệ số phát xạ ngẫu nhiên A(R), lý thuyết JO còn
đưa ra khái niệm lực vạch chuyển dời (transition line strength) được định nghĩa bởi:

SED  e2

 a U  b  

 2,4,6

2

(6)

Và
Smd

æ e ö2
n
n
÷
= çç
÷ f y J L + 2S f y ' J '
2
mc
è
ø

2

(7)

Trong đó SED và SMD là lực vạch dipole điện và từ tương ứng.
1

+ Thời gian sống của trạng thái kích thích  ( J ) :    A( R ) ( J )  .
Ta có :  

 exp
 cal

Căn cứ vào giá trị  , ta có thể biết được trong các chuyển dời từ một trạng thái
kích thích nào đó xuống tất cả các mức thấp hơn nó, có ít hay nhiều chuyển dời không
phát ra photon (chỉ phát ra phonon); đại lượng này được gọi là hiệu suất huỳnh quang.
+ Vì trạng thái kích thích có thể phục hồi đến một trạng thái nằm thấp hơn, tạo thành
một số vạch phổ. Cường độ tỷ đối của các vạch phổ đó được đánh giá bởi tỷ số phân
nhánh, được định nghĩa như sau:
 R ( J , ' J ') 

A( J , ' J ')
AT ( J )

(8)

Ta có thể dung tỷ số phân nhánh để tiên đoán cường độ tương đối của tất cả các
vạch huỳnh quang phát sinh từ mức kích thích đã cho. Tỷ số phân nhánh thực nghiệm
có thể xác định bằng diện tích tương đối của các vạch huỳnh quang.

+ Một điều rất được quan tâm là khả năng phát bức xạ cưỡng bức (tức là bức xạ
laser) của một chuyển dời phát xạ nào đó. Khả năng đó được đặc trưng bởi tiết diện
ngang bức xạ cưỡng bức đỉnh, giữa các trạng thái  J và  ' J ' có xác suất
A( J , ' J ') được mô tả bởi công thức

 ( p )( J , ' J ')   p4 / 8 cn2 eff  A( J , ' J ')

(9)

Trong đó,  p bước sóng của bức xạ đỉnh; eff là độ rộng vạch hiệu dụng của chuyển dời
được tính bằng cách chia diện tích tổng cộng của dải bức xạ cho độ cao của đỉnh.

8




1 



100
(10)

Đại lượng này đặc trưng cho sự tương tác của ion đất hiếm với các ion khác nền xung
quanh, nói cách khác đại lượng này mô tả liên kết trong vật liệu
Nếu:   0  liên kết cộng hóa trị
  0  liên kết ion

9

CHƯƠNG 2
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1. Các nghiên cứu về phổ quang học của thủy tinh Borate pha tạp Sm3+
1.1. Mẫu thủy tinh borate pha tạp đất hiếm
Thuỷ tinh là loại vật liệu dễ chế tạo, dễ tạo dáng, dễ điều chỉnh thành phần,
dễ pha các tạp chất với nồng độ biến thiên trong một dải rộng, dễ thu các mẫu
khối. Đặc biệt các thuỷ tinh dạng ôxit là các vật liệu có cấu trúc khá ổn định đối
với các biến động về hoá học cũng như về nhiệt.
Ngoài ra môi trường thuỷ tinh là môi trường đẳng hướng vì vậy ta có thể
vận dụng lý thuyết Judd-Ofeld để tính toán các đại lượng vật lý đặc trưng cho
các chuyển dời quang học. Thường thì môi trường thuỷ tinh không tính đến hiệu
ứng Stark và số lượng tử J được xem như số lượng tử tốt. Vì vậy việc áp dụng lý
thuyết J-O trong các mẫu thuỷ tinh pha tạp đất hiếm đặc biệt thuận lợi.
Như đã giới thiệu, vật liệu BLiNa:Sm dạng thủy tinh có nhiều hứa hẹn sử dụng
trong đo liều lớn, đo liều notron, kỹ thuật đếm nhấp nháy (scinsilator), lĩnh vực chiếu
sáng... là vật liệu quang học có nhiều ứng dụng hiện tại và tương lai. Với những định
hướng như vậy, chúng tôi đã lựa chọn các mẫu thủy tinh được chế tạo bằng phương
pháp nóng chảy do nhóm nghiên cứu của TS Trần Ngọc chế tạo tại phòng thí nghiệm
Hóa – Lý trường Đại học Quảng Bình thực hiện với thành phần
(70-x)B2O3-15Li2CO3 -15Na2CO3- xSm2O3; Ký hiệu: BLiNa
(trong đó x = 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 và 5,0 mol%)
Các mẫu chúng tôi có được có màu trong hồng đỏ. Bằng mắt thường thấy mẫu có
độ truyền qua tốt, đồng đều, không có bọt đây là sản phẩm thủy tinh tạp Samarium
dưới dạng ion Sm3+ đặc trưng. Hình 2.1 là một số mẫu thủy tinh hỗn hợp borate kim
loại kiềm mà chúng tôi có được.
1.2. Nghiên cứu từ phổ hấp thụ của vật liệu:
Từ các mẫu chúng tôi có được, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các tính chất

quang của vật liệu này. Như chúng ta đã biết, các tính chất quang của vật liệu được
nghiên cứu thường được bắt đầu từ phổ hấp thụ.
Phân tích phổ hấp thụ ta có thể biết được các chuyển dời hấp thụ cho phép xảy
ra trong các tâm quang học có trong vật liệu. Các thông số từ phổ hấp thụ như cường

10


độ, vùng hấp thụ, độ rộng phổ .. quan hệ với xác suất chuyển dời của các điện tử giữa
các mức năng lượng của quỹ đạo. Xác suất của các bước chuyển này phải tuân theo
một số các quy tắc chọn lọc. Ngoài ra quang phổ hấp thụ còn được gọi là quang phổ
trường tinh thể vì nó cung cấp cho ta thông tin về cấu hình điện tử (trạng thái ôxy hoá
và trạng thái spin..) [4].

Hình 2.1 Các mẫu thủy tinh với thành phần BLiNa:Sm
(trước khi cắt mài và sau khi cắt mài)
S

Hình 2.1 Các mẫu thủy tinh với thành phần BLiNa:Sm
Đối với các ion đất hiếm, khi nằm trong trường thuỷ tinh nó sẽ đóng vai trò là
tâm quang học trong các vật liệu nền và thể hiện tính chất riêng của nó (ít chịu ảnh
hưởng của nền). Samarium (Sm) là một trong những nguyên tố đất hiếm tiêu biểu,

11


trong các hợp chất Sm thường ở trạng thái ion hoá trị 3 (Sm3+) đặc trưng bởi lớp 4f5
không lấp đầy được che chắn bởi hai lớp bọc ngoài 5s2 và 5p6 vì vậy cũng như các
nguyên tố đất hiếm khác các điện tử quang học (thuộc lớp 4f) ít bị ảnh hưởng của
trường tinh thể mạng nền, vì vậy phổ quang học sẽ là tập hợp các vạch hẹp và có tính

chất đặc trưng riêng cho Sm [6].
Các kết quả nghiên cứu về phổ hấp thụ của Sm3+ trong trường thuỷ tinh hỗn
hợp borate-kim loại kiềm đều cho thấy: phổ được phân bố thành 2 dải:
+ Dải trong vùng năng lượng cao (UV-VIS)
+ Dải trong vùng năng lượng thấp (IR)
1.2.1. Hấp thụ vùng năng lượng cao.
Phổ hấp thụ của Sm3+ trong nền các nền thủy tinh hỗn hợp borate với kim loại
kiềm (BLiNa) trong vùng năng lượng cao được trình bày trong hình 2.2. Từ phổ thu
được ta có một số nhận xét như sau:
+ Căn cứ vào hình dạng và vị trí các cực đại hấp thu, chúng ta có nhận xét rằng:
khi các thuỷ tinh hỗn hợp BLiNa pha tạp Samarium được chế tạo bằng phương pháp
nóng chảy này Samarium tồn tại dưới dạng ion hoá trị 3 (Sm3+) [16].
6

6

H5/2

P3/2

§ é hÊp thô (ln(I 0/I)

4

P3/2 4G9/2

6

4
4

5

P
D3/2 7/2

4

D7/2

4

M19/2 G9/2
4
I13/2

4

I1/2

BLiNa
300

400

500

B- í c sãng (nm)
Hình 2.2: Phổ hấp thụ của Sm3+ trong nền thuỷ tinh (BLiNa: 0.5Sm3O3)

+ Độ hấp thụ được mô tả thông qua cường độ phổ ta thấy trong thuỷ tinh nền
BLiNa sự xuất hiện rõ nét và cường độ phổ mạnh, hay nói cách khác có độ hấp thụ
mạnh nhất và đây cũng là cơ sở để chúng tôi chọn nghiên cứu sâu hơn về thuỷ tinh có
nền BLiNa pha tạp Sm.
+ Căn cứ vị trí các cực đại xuất hiện trên phổ, chúng tôi đã xác định được các
chuyển dời tương ứng: Tất cả các chuyển dời được xác định từ mức cơ bản của Sm3+

12


6

H5/2 lên các trạng thái kích thích (ứng với các trạng thái:4IJ (J=11/2 và 15/2) ;4G9/2; 6PJ

(J=3/2, 5/2, 7/2); 4M19/2 và 4DJ (J=3/2,7/2) tương ứng với các cực đại đã được nêu ra
trên hình vẽ).
+ Trong các chuyển dời hấp thụ, qua thực nghiệm đều quan sát được các
chuyển dời từ trạng thái cơ bản 6H5/2 lên các mức kích thích của các mức trạng thái PJ
và DJ có cường độ mạnh nhất (trong đó chuyển dời 6H5/2 đến 6P3/2 là mạnh nhất, sau đó
là các chuyển dời từ 6H5/2 đến 4D7/2; 4D3/2 và 6P7/2).
Bước sóng λ(nm), năng lượng v(cm-1) và năng lượng E(eV) tương ứng với các
chuyển dời trên đã được xác định (từ trạng thái cơ bản lên tất cả các trạng thái kích
thích) và được trình bày ở bảng 1.
Bảng 1: Bước sóng λ(nm); năng lượng v(cm-1) và năng lượng E(eV) tương ứng với các
đỉnh phổ hấp thụ của Sm3+ (trong vùng năng lượng cao).
TT

6

H5/2 

λ(nm)

v (cm-1)

E (eV)

1

4

I11/2

470

21276

2,62

2

4

I13/2

460

21739

2,68

M19/2

422

23696

2,92

4

6

P3/2

401

24937

3,07

5

6

P7/2

374

26737

3,30

6

4

D3/2

360

27777

3,43

7

4

D7/2

343

29154

3,60

8

4

316

31645

3,90

3

4

P3/2

1.2.2. Hấp thụ trong vùng năng lượng thấp
Phổ hấp thụ của Sm3+ trong các nền thủy tinh hỗn hợp borate (BliNa) ở vùng
năng lượng thấp được trình bày trong hình 2.3
So với dải trong vùng năng lượng cao, phổ hấp thụ thể hiện các chuyển dời
trong vùng năng lượng thấp ghi nhận được có cường độ lớn hơn rất nhiều lần và rõ nét
hơn, đây chính là đặc trưng tính chất hấp thụ của ion Sm3+.

13


6

2.0

6

H5/2

F7/2

6

§ é hÊp thô (a.u))

F9/2
6

F5/2
6

F3/2

6

F11/2

6

H15/2

1.5

800

6

F1/2

1000

1200

1400

1600

1800

B- í c sãng (nm))

Hình 2.3: Phổ hấp thụ của Sm3+
trong nền thuỷ tinh (BLiNa: 0.5Sm3O3) vùng năng lượng thấp.
Từ phổ thu được trong vùng năng lượng thấp, ta có một số nhận xét như sau:
+ Cũng giống như trong vùng năng lượng cao, hình dạng và vị trí xuất hiện các
cực đại (tương ứng với các bước sóng hấp thụ) của Sm3+ trong nền thủy tinh borate
phù hợp tốt với các công bố mới đây trên thế giới mà chúng tôi nhận được.
+ Căn cứ vị trí các cực đại xuất hiện trên phổ, chúng tôi đã xác định được các
chuyển dời tương ứng. Tất cả các chuyển dời được xác định từ mức cơ bản là 6H5/2 lên
các trạng thái kích thích ứng với các trạng thái 6FJ (J=3/2, 5/2, 7/2, 9/2, 11/2 và 15/2).
Ngoài ra ta còn quan sát được chuyển dời từ 6H5/2 lên trạng thái kích thích 5H13/2
với dải hơi rộng và cường độ yếu.
+ Kết qủa thực nghiệm cho thấy cường độ phổ của các chuyển dời từ trạng thái
6

H5/2 lên các mức kích thích thuộc trạng thái 6FJ (J= 5/2, 7/2, 9/2) là mạnh nhất, sau đó

là các chuyển dời từ 6H5/2 đến 6FJ (J=3/2, 11/2 và 15/2).

Bước sóng, năng lượng v và năng lượng E tương ứng với các chuyển dời được
xác định và được trình bày ở bảng 2.

14


Bảng 2: Bước sóng(nm), năng lượng v (cm-1) và năng lượng E (eV) tương ứng với các
đỉnh phổ hấp thụ của Sm3+ (trong vùng năng lượng cao).
TT
1
2
3
4
5
6
7

6

H5/2 
6
F1/2
6
H15/2
6
F3/2
6
F5/2
6
F7/2

6
F9/2
6
F11/2

λ (nm)
1590
1525
1476
1372
1228
1079
947

E (eV)

v (cm-1)
6289
6557
6775
7288
8143
9267
10565

0,77
0,81
0,83
0,90
1,01

1,14
1,30

1.3. Sơ đồ chuyển dời hấp thụ giữa các mức năng lượng của ion Sm3+
4

PJ

4

P3/2
4

DJ

4

D5/2

6

PJ

6

P5/2

4

GJ

6

FJ

Hình 2.4: Giãn đồ năng lượng của ion Sm và các chuyển dời hấp thụ (biễu
diễn trong thang số sóng và bước sóng các chuyển dời)

15


Từ phổ hấp thụ thu được từ các phép đo hấp thụ của mẫu (thông qua bảng số
liệu) ta có thể mô tả các chuyển dời hấp thụ có xác suất đủ lớn mà ta đã ghi nhận được
giữa các mức năng lượng của ion Sm3+ trong trường thuỷ tinh BLiNa [15,17], giãn đồ
được mô tả như hình 2.4.
Giãn đồ năng lượng của ion Sm+3 và các chuyển dời hấp thụ được biễu diễn
trong thang năng lượng và bước sóng các chuyển dời. Các chuyển dời hấp thụ đều bắt
đầu từ mức cơ bản 6H5/2 lên các trạng thái kích thích thuộc lớp 6FJ; 4GJ; 6PJ; 4DJ và 4PJ
2. Các kết quả nghiên cứu áp dụng lý thuyết Judd-Ofelt cho thủy tinh hỗn hợp
BLiNa:Sm
Trong phần này, chúng tôi đi sâu vào một nội dung hẹp, đó là dùng samarium
như một đầu dò để tìm hiểu về tính đối xứng và các liên kết trong vật liệu thuỷ tinh
BliNa:Sm tại những vị trí lân cận của các ion đất hiếm này. Trên cơ sở đó chúng tôi sử
dụng các phương pháp như sau:
+ Phương pháp thực nghiệm: từ các kết quả của các phép đo hấp thụ để xác
định lực giao động tử của các chuyển dời thực nghiệm fexp
+ Phương pháp lý thuyết: Lý thuyết J-O áp dụng tính toán cho môi trường đẳng
hướng của thuỷ tinh pha tạp đất hiếm đặc biệt thuận lợi và cho kết quả khá tốt vì
tro0ng môi trường thủy tinh, ta không tính đến hiệu ứng Stark và số lượng tử J được
xem như số lượng tử tốt. Chúng tôi sẽ áp dụng lý thuyết Judd-Ofelt (J-O) để tính toán

các đại lượng vật lý liên quan đến cấu trúc và liên kết trong vật liệu, cụ thể là: xác xuất
chuyển dời phát xạ, thời gian sống của các trạng thái kích thích; tính đối xứng và cấu
trúc xung quanh các ion RE, độ đồng hoá trị trong tương tác giữa ion RE và các ion kim
loại kiềm xung quanh để từ đó ta có thể đánh giá được giá trị thực tiễn và ý nghĩa khoa
học của các vật liệu đã nghiên cứu.
2.1. Lực dao động tử thực nghiệm
Nói chung, ta có thể áp dụng lý thuyết J-O để tính toán các tham số cường độ Ω2,
Ω4 và Ω6 trên cơ sở các số liệu thực nghiệm của phổ hấp thụ hoặc huỳnh quang. Đối
với các mẫu chứa Sm3+ việc phân tích J-O thông qua phổ hấp thụ khá thuận lợi vì phổ
hấp thụ vùng UV-VIS và IR-NIR đều khá mạnh cho phép ta có thể tính được ba tham
số Ωλ một cách tin cậy [4].
Để xác định các tham số cường độ Ωλ từ phổ hấp thụ, đầu tiên ta phải lấy các kết
quả thực nghiệm về lực dao động tử của tương tác lưỡng cực điện làm số liệu chuẩn.

16


Lực dao động tử thực nghiệm này dễ dàng tính từ công thức:
f exp =4,32.10-9  ()d =4,32.10-9 

trong đó ()=

A()
d
c.d

A()
là hệ số hấp thụ ở tần số ν, nồng độ c được tính là số ion hoạt
c.d

tính Sm3+ chứa trong 1 cm3, d là độ dày mẫu [3,5,6,7].
Trên cơ sở phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh BMxMy:Sm đã chế tạo (được
trình bày ở hình 2.2 và 2.3), cùng với các số liệu về độ dày mẫu (bảng 1) khối lượng
riêng, chiết suất (bảng 2), sử dụng công thức tính: Lực dao động tử thực nghiệm
Smakula, kết quả được trình bày trong bảng 3
Bảng 3: Năng lượng v ; năng lượng Eexp và lực dao động tử fexp ứng với các chuyển
dời hấp thụ của Sm3+trong thủy tinh hỗn hợp kim loại kiềm BLiNa:Sm
TT

6

H5/2 

v (cm-1)

Eexp(eV)

fexp (10-6)

1

4

I11/2

21276

18976

2

4

I13/2

21739

18976

M19/2

23696

21696

-

4

6

P3/2

24937

24957

4,63

5

6

P7/2

26737

25837

2,41

6

4

D3/2

27777

27457

2,16

7

4

D7/2

29154

27851

2,07

8

4

P3/2

31645

29465

1,57

9

6

F1/2

6289

6679

0,50

H15/2

6557

-

-

11

6

F3/2

6775

6475

0,79

12

6

F5/2

7288

6788

2,55

13

6

F7/2

8143

7436

5,85

14

6

F9/2

9267

8577

4,15

15

6

F11/2

10565

9232

0,8

3

10

4

6

rms

1,75

0,61

2.2. Lực dao động tử tính toán từ lý thuyết JO

17


Theo lý thuyết JO thì lực dao động tử tính toán fcal được của một chuyển dời hấp
thụ từ trạng thái cơ bản ΨJ lên trạng thái kích thích Ψ’J’ phụ thuộc vào các tham số
cường độ Ωλ như sau:

fcal 

82 mc  (n 2  2)2
3h 2J  1 9n



 2,4,6

 J U  'J '

2

trong đó ν là năng lượng(cm-1) của chuyển dời ΨJ→Ψ’J’, n là chiết suất của môi
2

trường, U   J U  'J'

2

là các yếu tố ma trận rút gọn kép được đánh giá gần

đúng trong “liên kết intermediated” cho chuyển dời ΨJ→Ψ’J’, đại lượng này phụ
thuộc vào bản chất các ion RE và hầu như độc lập với môi trường. Trên thực tế, các
2

yếu tố ma trận U   J U  'J'

2

đã được tính toán bởi các nhà lý thuyết và đã

công bố trên các bảng tính[6,15]. Như nhiều tác giả khác, chúng tôi sử dụng trực tiếp
các kết quả đó[1]. Kết quả tính lực dao động tử fcal được trình bày trong bảng 4
Bảng 4: Năng lượng v ; năng lượng Eaquo và lực dao động tử fcal tương ứng với các
chuyển dời hấp thụ của Sm3+trong thủy tinh hỗn hợp kim loại kiềm BLiNa:Sm
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

6

H5/2 
4

I11/2
4

I13/2
4
M19/2
6
P3/2
6
P7/2
4
D3/2
4
D7/2
4
P3/2
6
F1/2
6
H15/2
6
F3/2
6
F5/2
6

F7/2
6
F9/2
6
F11/2

v (cm-1)

Eaquo(eV)4

21276
21739
23696
24937
26737
27777
29154
31645
6289
6557
6775
7288

18276
18739
20696
24937
25737
26457
27451
28465
6578
6397
6641

8143
9267

10565
rms

7131
7977
9136

18

Fcal (10-6)
0,55
2,85
1,74
1,57
1,43
1,32
1,21
3,79
3,74
4,45
2,79
1,81
0,78


Chúng tôi nhận thấy rằng các giá trị lực dao động tử thực nghiệm và lực dao
động tử tính toán lý thuyết của bộ mẫu là khá gần nhau và độ lệch rms khá nhỏ. Mặt
khác các giá trị lực dao động tử cả thực nghiệm fexp và tính toán fcal của chuyển dời từ
mức cơ bản của Sm3+ là 6H5/2 lên các trạng thái kích thích (ứng với : 4IJ (J=11/2 và
15/2) ;4G9/2; 6PJ (J=3/2, 5/2, 7/2); 4PJ (J=3/2, 5/2) và 4DJ (J=3/2,7/2) tương ứng trong

các chuyển dời hấp thụ đều phù hợp với thực nghiệm quan sát được trên phổ hấp thụ.
So sánh lực dao động tử thực nghiệm với lý thuyết và giải hệ phương trình ta
thu được giá trị các thông số cường độ Ω. Kết quả được trình bày trong bảng 5
Bảng 5: Thông số cường độ (Ωλ  10-20 cm2) của mẫu BLiNa
Hợp thức hóa học
69.5B2O3-15Li2CO3-15Na2CO30.5Sm3O3

Kí hiệu

Ω2

BLiNa:Sm 0,585

Ω4

Ω

Ω6

6,207 6,785 13,577

So sánh các giá trị của Ωλ tính được của các chuyển dời trong ion Sm3+ trong
trường thuỷ tinh hỗn hợp của các mẫu chế tạo với một số kết quả được công bố mới
đây cũng trong một số thuỷ tinh hoặc tinh thể. Kết quả được trình bày ở bảng 6.
Bảng 6: Các thông số JO(Ωλx10-20cm2) của ion Sm3+ pha tạp trong các nền khác nhau
Mạng nền

2

4

6

69B2O3.15Li2O3.15Na2CO3.1Sm2O3

0,585

6,207

6,785

Chế tạo

67B2O3.12Li2O3.20K2O.1 Sm2O3.

0.76

6.39

7.09

[18]

67B2O3.12Li2O3.20Na2O.1Sm2O3

0.88

3.93

4.65

[18]

K2YF5 (tinh thể)

0.38

3.55

2.18

[13]

50.5Li2CO3-39.5H2BO3

6.99

12.00

8.47

[12]

49.5Li2CO3-49.5H2BO3

6.21

9.68

7.16

[6]

39.5Li2CO3-59.5H2BO3

4.71

10.33

6.50

[6]

LiF-H2BO3 (tinh thể)

2.34

7.54

5.40

[6]

PbO-PbF2(tinh thể)

1.16

2.60

1.40

[6]

Từ định nghĩa của thông số cường độ Ωλ :

19

Ref.


 

A tp

2

4f r nl

2

nl r t 4f

2

hay       A t,p  2 (t, )(2t  1)1
2

E ( ")
2

p,t

(trong đó t và λ có hệ thức: t = |λ ± 1| (với λ = 2,4,6))
Như vậy thông số Ω6 sẽ phụ thuộc mạnh vào số hạng nl r t 4f , vì t bằng 5 hoặc
7. Theo Gorller Walrand [1, 13] thì thông số Ω6 liên quan đến độ cứng (rigidity) của
môi trường chứa ion RE, nghĩa là Ω6 sẽ tăng với sự tăng biên độ dao động của khoảng
cách RE - O. Mặt khác theo Reisfeld và Jorgensen[14] thì Ω4 cũng có nguồn gốc gần
với Ω6 như nói ở trên.
Còn thông số Ω2 được xem như một dấu hiệu của liên kết đồng hoá trị (covalent).
Giá trị Ω2 lớn được tìm thấy ở những vật liệu có đặc trưng đồng hoá trị mạnh. Điều đó
có thể thấy ở biểu thức Ω2, số hạng tích phân bán kính nl r t 4f ít quan trọng nhất vì
ở đây t bằng 1 hay 3 mà thôi. Ω2 phụ thuộc mạnh vào nghịch đảo của ΔE2(Ψ”). Mà rõ
ràng ΔE(Ψ”) càng nhỏ nếu độ đồng hoá trị càng lớn.
Ngoài ra Ω2 còn phụ thuộc vào |Atp|2, ở đây Atp chính là số hạng lẻ của trường
tinh thể. Như vậy, Ω2 sẽ càng mạnh nếu độ bất đối xứng (asymmetry) của trường tinh
thể tại vị trí ion RE càng lớn [9].
Nếu so sánh lực dao động tử fexp của các bộ mẫu đã chế tạo thì các mẫu có
thành phần BLiNa có giá trị lớn nhất và cũng ở chính các mẫu này cho giá trị Ω2 lớn
nhất.
Nếu xét đến các chuyển dời ta thấy chuyển dời 6H5/2 → 6F7/2 và 6H5/2 → 6P3/2 là
những chuyển dời có giá trị lực dao động tử và giá trị Ω2 đều lớn, đây là những chuyển
dời siêu nhạy như đã đề cập trong phần lý thuyết (chương 1) và điều đó cũng hoàn
toàn phù hợp với các kết quả thực nghiệm.
Sử dụng các công thức (8) và (10) ta xác định đươc các giá trị  cho mỗi chuyển
dời, từ đó ta có thể xác định được giá trị  và thông số liên kết  bằng công thức :
 = [(1-  )/  ]x100

(trong đó  =∑/n)

Kết quả trong bảng 7

Bảng 7: Tỷ số Nephelauxetic và thông liên kết trong các nền khác nhau

20

[13].


Hợp thức hóa học
69.5B2O3-15Li2CO3-15Na2CO305Sm3O3



Kí hiệu

BLiNa:Sm

1.015



-0.15

Vì giá trị của  < 0 (đều mang giá trị âm), chứng tỏ liên kết RE – O trong các
thủy tinh hỗn hợp này đều là liên kết ion [10,11,16,17].
Trên cơ sở đó ta có thể lý giải tại sao giá trị của Ω2 là khá nhỏ ở thủy tinh kim
loại kiềm như sau: Các ion O-2 có độ điện âm cao do đó có độ phân cực thấp hơn các
ion kim loại kiềm (M), có nghĩa rằng O-2 có độ đồng hóa trị với các ion RE thấp hơn
so với M dẫn đến độ phân cực cũng như độ đồng hóa trị giữa ion RE và các ion này sẽ
tăng dần và vì vậy vậy Ω2 nhỏ. Như vậy giá trị của Ω2 xác định được nhỏ hơn so với
các nền khác có thể liên quan tới tính bất đối xứng nhỏ và liên kết giữa RE và O- là

liên kết ion nên có độ phân cực nhỏ [8,10,11,16,17].
2.3. Phổ quang phát quang và đặc trưng chuyển dời bức xạ
Việc áp dụng lý thuyết J-O đã và đang được thực hiện rất rộng rãi và hiệu quả
trong hàng loạt vật liệu quang học, nhất là thủy tinh chứa đất hiếm [4] nhưng chưa
nhiều đối với các vật liệu thủy tinh lithium borat chứa Sm3+ . Vì vậy chúng tôi muốn
dùng lý thuyết J-O để đánh giá các tính chất phát xạ của các mức năng lượng của Sm3+
trong từng vật liệu như xác suất chuyển dời phát xạ lưỡng cực điện và lưỡng cực từ Aed
và Amd, thời gian sống của trạng thái kích thích  ...[7,8,16]
2.3.1. Phổ quang phát quang
Phổ quang phát quang đo được trong dải bước sóng từ 500nm đến 800nm của
Sm3+ trong các nền thủy borate kim loại kiềm BLiNa: Sm quan sát được 4 dải bức xạ
ở các vị trí 562nm, 600nm 646nm và một dãi cường độ bé ở 707nm tương ứng với các
dịch chuyển từ mức kích thích cao 4G5/2 về các mức 6H5/2 , 6H7/2 , 6H9/2, 6H11/2 [2,3,6] .
Các dải có cường độ lớn nhưng độ rộng vạch phổ hẹp ở 600nm và 646nm. Độ bán
rộng lấy ở 1/2 cường độ có giá trị 370 cm-1 ứng với dịch chuyển 4G5/2  6H7/2 và từ
290 cm-1 cho dịch chuyển 4G5/2  6H9/2, hai dải ở 562nm và 707nm đều có cường độ
bé hơn nhưng là các dải rộng. Mặt khác từ phổ huỳnh quang ta cũng thấy tất cả 4 dải
đều có sự chồng chập lẫn nhau của 2 cực đại (dạng đều giống nhau), theo lý giải của
các tác giả trong [15] thì đó là sự tách mức của các chuyển dời cho phép của dipole
điện

21


6

1.2x10

2-5b

(2-5c): 69H3BO3-15Li2O3-15Na2CO3-1 Sm2O3
(2-5b): 69,5H3BO3-15Li2O3-15Na2CO3-0,5 Sm2O3
(2-5a): 69,75H3BO3-15Li2O3-15Na2CO3-0,25 Sm2O3

6

1.0x10

5

8.0x10

5

6.0x10

2-5c
2-5a

5

4.0x10

5

2.0x10

0.0
550

600

650

700

750

Hình 2.5: Phổ quang phát quang của ion Sm3+ trong các nền
thuỷ tinh kim loại kiềm BLiNa với nồng độ Sm khác nhau
2.3.2. Các đặc trưng chuyển dời bức xạ
Trên cơ sở phổ huỳnh quang , bằng cách sử dụng các công thức từ (5) đến (10)
,ta có thể xác định được các đặc trưng chuyển dời bức xạ tương ứng với các chuyển
dời có cường độ lớn (ứng với lực dao động tử lớn từ 4G5/2 đến 6H5/2 , 6H7/2 , 6H9/2,
6

H11/2) của ion Sm3+ trong các nền thuỷ tinh hỗn hợp borate kim loại kiềm. Các kết quả

ghi nhận được ở bảng 8

Bảng 8: Các đặc trưng chuyển dời bức xạ: Tỷ số phân nhánh (cường độ huỳnh quang
tương đối) tính toán βcal và thực nghiệm βexp; thời gian sống; tiết diện bức xạ
Thuỷ tinh BLiNa:Sm

22


4

G5/2

λp
(nm)

6

H11/2

Sedx1020

/e2

-3

E (x10 )

Aed (s-

βcal

1

(%)

)

βexp (%)

σ(λp)x10-22
(cm-2)

-

-

1.40

35.0

12.60

-

-

6

H9/2

646

6.57

1.55

70.6

25.50

31.10

0.465

6

H7/2

600

9.79

1.67

145.0

52.40

49.30

0.600

6

H5/2

562

5.72

1.78

6.04

2.18

19.6

0.26

AT = 277, τ = 3.61 ms
Ta thấy rằng tỷ số phân nhánh  R cũng như tiết diện phát xạ  cho giá trị lớn
nhất ứng với chuyển dời 4G5/2 → 6H7/2 , tiếp theo là 4G5/2 → 6H9/2 ; 4G5/2 → 6H5/2 . Như
vậy chuyển dời đáng lưu ý nhất ở đây là 4G5/2 → 6H7/2 có  R và  lớn, điều đó rất có
ý nghĩa khi sử dụng vật liệu cho chế tạo lasers [15,16,17]
Thời gian sống huỳnh quang ở mức kích thích 4G5/2 của vật liệu tính toán được
là khá dài (τ = 3.61 ms), dài hơn thời gian sống thực nghiệm mà một số tác giả khác đã
công bố và nằm trong nhóm các vật liệu huỳnh quang có thời gian sống ở mức kích dài
[13,15], điều đó liên quan đến quá trình truyền năng lượng và sự hồi phục bức xạ và
không bức xạ xảy ra trong vật liệu.

KẾT LUẬN
Trong thời gian nghiên cứu đề tài khoa học, chúng tôi đã thu được các kết quả sau:

23


1. Các nghiên cứu về phổ hấp thụ cho thấy các chuyển dời hấp thụ đặc trưng cho
ion Sm+3, phổ thu được gồm 2 vùng: vùng năng lượng cao (từ 300 nm đến 550 nm) và
vùng năng lượng thấp (từ 900 nm đến 1700 nm) ứng với các chuyển dời từ mức cơ
bản 6H5/2 lên các trạng thái kích thích tương ứng với: 4IJ (J=11/2 và 15/2) ;4G9/2; 6PJ

(J=3/2, 5/2, 7/2); 4M19/2 và 4DJ (J=3/2,7/2). Từ những kết quả trên rút ra cơ chế và giãn
đồ năng lượng mô tả các chuyển dời hấp thụ xảy ra trong ion Sm3+ đóng vai trò là tâm
quang học trong vật liệu.
2. Tính toán xác định lực dao động tử thực nghiệm (fexp) cho mẫu thủy tinh
BLiNa:Sm làm cơ sở xác định các thông số cường độ theo lý thuyết JO.
3. Nâng cao hiểu biết về lý thuyết quang phổ của các ion đất hiếm và đặc biệt là lý
thuyết Judd – Ofelt về các chuyển dời quang học f-f trong các vật liệu phát quang chứa
các nguyên tố đất hiếm.
+ Vận dụng thành công lý thuyết Judd – Ofelt để tính ra các thông số cường độ
Ω2, Ω4 và Ω6 từ đây có thể tính ra được tất cả các thông số huỳnh quang của vật liệu
như xác suất phát xạ, tỷ số phân nhánh, tiết diện phát xạ, tỷ số cường độ huỳnh quang,
thời gian sống của trạng thái kích thích…
+ Phân tích các kết quả thu được từ việc vận dụng lý thuyết JO để có thể suy ra
độ bất đối xứng, độ đồng hóa trị và cả huỳnh quang siêu nhạy của thủy tinh hỗn hợp
BLiNa:Sm.
+ Xác định được các giá trị tỷ số cường độ huỳnh quang R, xác suất chuyển dời
phát xạ tổng cộng AT, tiết diện phát xạ  và tỷ số phân nhánh R từ đó chỉ ra khả năng
ứng dụng vật liệu cho Laser.
+ Xác định được thời gian sống tính toán (cal) của trạng thái kích thích phát
quang 4G5/2 và so sánh với kết quả thực nghiệm (exp) từ đó đưa ra cơ chế giải thích sự
lệch nhau của hai giá trị này. Thời gian sống ở mức kích thích huỳnh quang 4G5/2 là
khá lớn so với các vật liệu khác gợi ý triển vọng ứng dụng vật liệu trong laser.
Do điều kiện thời gian, những hạn chế về chủ quan và khách quan, bản báo cáo
chắc chắn có nhiều thiếu sót, do đó rất mong sự đóng góp bổ sung của quý thầy cô
giáo và bạn bè.
Để hoàn thành đề tài này chúng tôi trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của chương
trình sinh viên nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Quảng Bình.

24

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
[1] Ngô Quang Thành, Nghiên cứu hiện tượng phát quang cưỡng bức nhiệt của một
số vật liệu rắn nhằm ứng dụng trong đo liều bức xạ, luận án tiến sỹ (2009).
[2] Trần Ngọc, Ngô Văn Tâm, Võ Việt Cường (2012), Các quá trình hấp thụ và bước
xạ của ion Sm3+ trong thủy tinh borate,

proceedings of the

2nd international

Workshop on Spectroscopy and its application-Danang VietNam, pp 209-218.
[3] Trần ngoc (2012), Bài giảng về lý thuyết thủy tinh, trường Đại học Quảng Bình.
[4] Vũ Xuân Quang (2008), Lý thuyết Judd - Ofelt và Quang phổ của các vật liệu
chứa Đất hiếm, proceedings of the 2nd international Workshop on Spectroscopy and
its application-Danang VietNam, pp 219-263.
Tiếng anh
[5] Brian M.Walsh, Judd-ofelt theory: principles and practices, NASA Langley
Research Center Hampton, VA 23681 USA (2007).
[6] Christane Görller, Walrand and K. Binnemans, Spectral intensities of f – f
transition, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Vol.25, pp 101 –
252.
[7] Carnall W.T., Fields P.R., and Rajnak K. (1968), Electronic Energy Levels in the
Trivalent Lanthanide Aquo Ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, and
Tm3+, J. Chem. Phys., Vol. 49, No 10, pp. 4424-4442.
[8] C.K. Jorgensen, Orbitals in Atoms and Molecules, Academic Press, London, 1962.
[9] Fang Y. Z., Hu L. L., Wen L., Liao M.S. (2007), Judd–Ofelt intensity parameters
of Er3+ doped mixed alkali aluminophosphate glasses, J. Alloys and Compounds 431
246-249.

[10] Imre Á. W., Sergiy V. Divinski, Stephan Voss, Frank Berkemeier and Helmut
Mehrer (2006), A revised view on the mixed-alkali effect in alkali borate glasses,
Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 352, Issue 8, pp. 783-788.
[11] Judd B. R. (1962), Optical absorption intensities of Rare-Earth ion, Phys. Rev.
Vol. 127, No 3, pp. 750-761.
[12] G.Lakshminarayana, J. Qiu, Photoluminescense of Pr3+, Sm3+ and Dy3+: SiO2 –
Al2O3 – LiF – GdF3 glass ceramics and Sm3+, Dy3+:GeO2- B2O3 – ZnO – LaF3,
Physica B. 404 (2009) 1169 – 1180

25