Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ al2o3 đến phổ phát quang của vật liệu aluminate kiềm thổ pha tạp mn
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.66 MB, 44 trang )
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ
----------------
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ
Đề tài:
KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ AL2O3 ĐẾN
PHỔ PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU ALUMINATE KIỀM
THỔ PHA TẠP MN
Người hướng dẫn:
ThS. Lê Văn Thanh Sơn
Người thực hiện:
Đặng Nữ Hồng Thơm
Đà Nẵng, tháng 5/2013
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
a
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
MỤC LỤC
Lời mở đầu .......................................................................................................................i
Danh mục hình ............................................................................................................... ii
Danh mục bảng .............................................................................................................. iii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG...................................3
1.1. Tìm hiểu về chất phát quang và hiện tượng phát quang. ......................................3
1.1.1. Chất phát quang. .............................................................................................3
1.1.2. Hiện tượng phát quang. ..................................................................................3
1.2. Phân loại các dạng phát quang. .............................................................................4
1.2.1. Phân loại theo tính chất động học của chất phát quang. .................................4
1.2.2. Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài. ..................................................4
1.2.3. Phân loại theo phương pháp kích thích. .........................................................5
1.3. Cơ chế phát quang.................................................................................................5
1.3.1. Cơ chế phát quang của nguyên tử...................................................................5
1.3.2. Cơ chế phát quang của phân tử.......................................................................6
CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ ION MN2+, MN4+. ..8
2.1. Sơ lược về kim loại chuyển tiếp. ..........................................................................8
2.2. Tìm hiểu về Mn2+ ..................................................................................................9
2.3. Tìm hiểu về Mn4+ ................................................................................................10
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP GỐM..................................................10
CHƯƠNG IV: MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG ...............12
4.1. Đèn huỳnh quang. ...............................................................................................12
4.2. Một số loại màn hình. .........................................................................................13
4.2.1. Màn hình CRT (Cathode Ray Tube) ............................................................13
4.2.2. Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) .....................................................15
4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua. .........................................................................18
4.4. Ứng dụng trong y học .........................................................................................19
4.4.1. Phát hiện vi khuẩn E.coli bằng phức hợp kháng thể và silicat phát quang. .19
4.4.2. Tạo ảnh sinh học. ..........................................................................................20
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
b
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
CHƯƠNG V: THỰC NGHIỆM....................................................................................23
5.1. Thơng tin về các chất dùng để chế tạo Mal2O4(M: Ba, Zn, Mg, Sr). .................23
5.1.1. Al2O3 .............................................................................................................23
5.1.2. BaCO3 ...........................................................................................................23
5.1.3. Zn(CH3COO)2.2H2O ....................................................................................23
5.1.4. MgCl2 ............................................................................................................23
5.1.5. SrCO3 ...........................................................................................................24
5.1.6. MnCO3 ..........................................................................................................24
5.3. Chế tạo mẫu ........................................................................................................24
5.3. Hệ đo phát quang QE65000. ...............................................................................25
5.4. Kết quả. ...............................................................................................................29
5.4.1. Mẫu BaAl2O4 ................................................................................................29
5.4.2. Mẫu Zn Al2O4 ...............................................................................................31
5.4.2. Mẫu MgAl2O4 ...............................................................................................33
5.4.2. Mẫu SrAl2O4 .................................................................................................35
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN ..........................................................................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................38
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
c
Khúa lun tt nghip
Khoa Vt Lý
Lời Cảm Ơn!
u tiờn tụi xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo của Trường Đại Học Sư
Phạm- Đại học Đà Nẵng , đặc biệt là các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý đã dạy dỗ,
truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu bằng cả tâm huyết và sự
nhiệt tình của thầy cơ trong suốt bốn năm học qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Thanh Sơn đã hướng
dẫn và giúp đỡ tận tình cho tơi trong thời gian thực hiện đề tài này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các bạn sinh viên đã giúp
đỡ tơi trong thời gian học tập tại trường.
Đà nẵng, tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Đặng Nữ Hồng Thơm
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
i
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ cơ chế phát quang của nguyên tử …………………………………5
Hình 1.2.Cơ chế phát quang của phân tử …………………………………………. 7
Hình 2.1. Giản đồ Tanabe-Sugano cho cấu hình d5………………………………...9
Hình 3.1. Sơ đồ quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp gốm………………..10
Hình 4.1. Đèn huỳnh quang………………………………………………………...12
Hình 4.2. Cấu tạo đèn huỳnh quang………………………………………………..12
Hình 4.3. Ti vi màn hình ống phóng điên tử………………………………………'.13
Hình 4.4. Cấu tạo tivi ống phóng điện tử……………………………………………14
Hình 4.5. Tivi LCD………………………………………………………………….15
Hình 4.6. Hình ảnh phóng to của các điểm ảnh…………………………………….16
Hình 4.7. Màn hình tinh thể lỏng dùng nguồn sáng tự cấp
(thường dành cho màn hình màu của máy tính hay TV)……………………… 16
Hình 4.8.Cấu tạo màn hình LCD…………………………………………………....17
Hình 4.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua…………………………………………..18
Hình 4.10. Ảnh huỳnh quang phức hợp Silica – E. coli O157:H7:
chụp bằng kính hiển vi đồng tiêu Nikon C1plus – Ti-E. ……………………....20
Hình4.11. Hạt nano CdSe bám vào tế bào và phát quang khi được kích
hoạt bởi ánh sáng xanh cho thấy sự phân bố của tế bào……………………………21
Hình4.12. Phân tử sinh học (□) và hạt nano phát quang (O) được kết hợp
trên bề mặt liposome…………………………………………………………..22
Hình4.13. Ống tải thuốc nano có gắn các hạt nano phát quang……………………..22
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
ii
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Hình 5.1. Máy quang phổ QE65000………………………………………………...26
Hình 5.2. Sơ đồ khối máy quang phổ……………………………………………….28
Hình 5.3. Phổ phát quang của vật BaAl2O4 ứng với cường độ thay đổi
khi thay tỉ lệ Ba : Al………………………………………………………..….29
Hình 5.4. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của Iphát quang vào tỉ lệ Ba :Al…………..…30
Hình 5.5. Phổ phát quang của vật ZnAl2O4 ứng với cường độ thay đổi
khi thay tỉ lệ Zn : Al………………………………………………………...…31
Hình 5.6. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của Iphát quang vào tỉ lệ Zn :Al…………..…33
Hình 5.7 Phổ phát quang của vật MgAl2O4 ứng với cường độ thay đổ
khi thay tỉ lệ Mg : Al…………………………………………………………..33
Hình 5.8. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của Iphát quang vào tỉ lệ Mg :Al…………….34
Hình 5.9. Phổ phát quang của vật SrAl2O4 ứng với cường độ thay đổi
khi thay tỉ lệ Sr : Al…………………………………………………………….35
Hình 5.10. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của Iphát quang vào tỉ lệ Sr :Al……………..36
DANH MỤC BẢNG
Bảng 5.1. Tỉ lệ các chất chết tạo …………………………….……………………..25
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
iii
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
MỞ ĐẦU
Từ xa xưa trong tự nhiên đã tồn tại những loại đá có khả năng phát sáng một
cách kì lạ ngay cả trong bóng tối. Thời bấy giờ khoa học chưa phát triển, con người đã
gắn những vật thể phát quang kì lạ đó với những vị thần. Và vơ tình ánh sáng đối với
người cổ đại là đi liền với yếu tố tâm linh.
Năm 1669, nhà kim giả thuật H.Brand ở Hamburg tìm ra được Photpho phát sáng
nhưng lại cất giấu bí quyết đó. Sau đó một nhà hóa học người Đức tên là Logan
Cunken đã điều chế được cái mà mọi người thời đó gọi là “ngọn lửa lạnh” này. Ơng đã
cơng bố cả phương pháp điều chế. Dần dần con người cũng thay đổi quan điểm về
những vật thể sáng kì lạ. Khoa học dần phát triển thì việc nghiên cứu về các chất phát
quang ngày càng được mở rộng và nâng cao hơn.
Năm 1830 – 1882, Becquerel đã nghiên cứu khá nhiều về hiện tượng lân quang
và đã chế tạo máy lân quang nghiệm đầu tiên. Becquerel cũng đã nghiên cứu một số
chất phát quang. Năm 1886 – 1888 , Verneuil phân tích tỉ mỉ các tinh thể phát quang
và phát hiện ra rằng ngồi chất cơ bản ra cịn có những vết của các kim loại khác như
Cu, Bi, Mn, v.v…Ông cùng Frimy tạo ra hồng ngọc nhân tạo từ BaF2 và Al2O3 nóng
chảy với chất tạo màu crơm. Năm 1903 Verneuil thơng báo có thể sản xuất hồng ngọc
tổng hợp ở mức độ thương mại từ quá trình nóng chảy.
Từ thế kỉ 20 đến nay, khoa học về vật liệu phát quang tiếp tục phát triển không
ngừng. Nhiều vật liệu phát quang ra đời có được những tính chất phát quang tốt. Các
vật liệu này ra đời có ý nghĩa to lớn và đóng góp nhiều trong đời sống cũng như trong
khoa học, nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực không chỉ trong chiếu sáng
và trang trí thơng thường mà cả trong một số lĩnh vực khoa học khác như y học, đo
bức xạ ion, khảo cổ, ứng dụng thiệt bị và linh kiện điện tử, ….Chính vì sự cần thiết và
ý nghĩa quan trọng đó, nhiều nhóm nghiên cứu đã tập trung tìm ra những vật liệu có
ưu điểm, chế tạo từ những thành phần dễ kiếm và chi phí ngày càng rẻ hơn.
Có rất nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu phát quang như: phương pháp
nhiệt, phương pháp gốm, phương pháp sol-gel. Mỗi phương pháp có những ưu nhược
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
1
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
điểm riêng, trong đó phương pháp gốm được sử dụng ở khá nhiều phịng thí nghiệm
nhỏ như ở các trường đại học vì tính đơn giản dễ thực hiện.
Tại phịng thí nghiệm chun đề của trường Đại học sư phạm- Đại học Đà
Nẵng đã có một số đề tại nghiên cứu về vật liệu phát quang như: “Nghiên cứu sự ảnh
hưởng của nồng độ ion Mn lên phổ phát quang của nhóm vật liệu ( Mg,Ca)SiO3 và
( Mg,Ca)Al2O4”, “Sự ảnh hưởng của ion đất hiếm Ce3+ đến cường độ phát quang của
các ion kim loại chuyển tiếp Mn2+, Cr3+
trong các vật liệu nền Aluminate và
Silicate”…….Hầu hết các đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tạp chất đến
cường độ phát quang, chưa có đề tài nào nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ các chất nền đến
sự phát quang các vật liệu. Chính vì lí do đó tơi chọn đề tài: “ Khảo sát sự ảnh hưởng
của nồng độ Al2O3 đến phổ phát quang của vật liệu Aluminate kiềm thổ pha tạp Mn”.
Mục đích của đề tài là kiểm tra xem nồng độ Al2O3 có ảnh hưởng như thế nào đến
phổ phát quang của vật liệu aluminate kiềm thổ pha tạp Mn. Kiểm tra xem ở nồng độ
Al2O3 như thế nào thì cường độ phát quang là tốt nhất và tỉ lệ đó giống nhau với mọi
vật liệu hay không.
Hi vọng rằng đề tài này góp phần làm tài liệu cho các bạn sinh viên nghiên cứu các
vấn đề có liên quan sau này.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
2
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG
1.1. Tìm hiểu về chất phát quang và hiện tượng phát quang.
1.1.1. Chất phát quang.
Chất phát quang là chất có khả năng biến các dạng năng lượng khác (điện năng,
quang năng, nhiệt năng…) thành quang năng.
Những chất này bức xạ ánh sáng là do chúng hấp thụ năng lượng từ bên ngồi, và
dùng năng lượng đó đưa phân từ, nguyên tử lên trạng thái kích thích. Từ trạng thái
kích thích, các phân tử, nguyên tử chuyển về trạng thái cơ bản và bức xạ ánh sáng.
Các vật liệu phát quang nói chung là hệ gồm có mạng chủ chính là các tinh thể
đóng vai trị làm nền và tâm kích hoạt là các chất hoạt hóa được thêm vào, thường
được gọi là activator (tâm này có thể là đơn kích hoạt hay các đồng kích hoạt). Ngồi
ra, vật liệu phát quang cịn có thể có thêm một số chất phụ gia tăng nhạy. Các bức xạ
kích thích được các tâm kích hoạt hấp thụ, tâm này nâng lên trạng thái kích thích rồi
tồn tại trong thời gian ngắn và quay trở về trạng thái cơ bản, phát ra bức xạ hoặc được
hấp thụ bởi các ion tăng nhạy hay mạng chủ và có sự truyền năng lượng đến ion kích
hoạt, làm các ion này bức xạ quang học.
1.1.2. Hiện tượng phát quang.
Phát quang là sự bức xạ ánh sáng của vật chất dưới sự tác động của một tác nhân
kích thích nào đó.
Có thể kích thích sự phát quang bằng nhiều loại năng lượng từ tử ngoại đến hồng
ngoại. Nếu kích thích bằng bức xạ hạt thì sự phát quang có thể là bức xạ nằm trong
vùng tử ngoại.
Để tránh sự nhầm lẫn của bức xạ quang với một số bức xạ khác như bức xạ nhiệt,
ánh sáng phản xạ hoặc khuếch tán khi chiếu vật bằng một nguồn sáng bên ngoài…,
Va-vi-lốp đã đưa ra định nghĩa: “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 cịn dư
đó kéo dài trong khoảng thời gian 10-16(s)”
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
3
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
1.2. Phân loại các dạng phát quang.
1.2.1. Phân loại theo tính chất động học của chất phát quang.
- Phát quang của tâm bất liên tục: là loại phát quang mà các quá trình từ hấp thụ
năng lượng đến bức xạ đều xãy ra tại một tâm nhất định. Tâm đó có thể là ion, phân tử
hay tập hợp phân tử. Các quá trình xãy ra trong tâm bất liên tục độc lập với nhau và rất
ít chịu ảnh hưởng của mơi trường bên ngồi và sự tương tác của những tâm bất liên tục.
- Phát quang tái hợp: là loại phát quang mà các quá trình chuyển hóa năng
lượng kích thích sang bức xạ có sự tham gia của toàn bộ chất phát quang. Vị trí kích
thích khơng trùng với vị trí bức xạ. Q trình trao đổi năng lượng từ vị trí kích thích
đến vị trí bức xạ có trải qua các q trình trung gian. Các q trình đó liên quan đến
sự dịch chuyển của các hạt mạng điện.
Đối với hai loại phát quang tái hợp và phát quang của tâm bất liên tục đều có giai
đoạn cuối là q trình chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản để bức xạ.
Q trình này cũng có sự khác nhau nên người ta chia làm 2 loại:
+ Bức xạ tự phát: Các tâm bức xạ tự phát chuyển từ trạng thái kích thích về trạng
thái cơ bản để phát ra ánh sáng, không cần sự chi phối của một yếu tố nào từ bên ngoài.
+ Bức xạ cưỡng bức: Sự phát quang xảy ra khi các tâm bức xạ chuyển từ trạng
thái kích thích về trạng thái cơ bản nhờ tác động từ bên ngồi (ví dụ : ánh sáng hoặc
nhiệt độ). Quá trình nhờ sự tăng nhiệt độ gọi là cưỡng bức nhiệt hay nhiệt phát quang.
1.2.2. Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài.
- Huỳnh quang (Fluorescence): các phân tử dịch quang nhận năng lượng kích
thích và chuyển năng lượng này thành năng lượng của electron ở các trạng thái lượng
tử có năng lượng cao và khơng bền. Sau đó electron trở về trạng thái cũ gần như tức
thời và bức xạ photon. Sự phát quang của dịch quang tắt ngay sau khi ngừng kích thích.
- Lân quang (Phosphorescence): các phân tử chất lân quang nhận năng lượng
kích thích và electron chuyển lên trạng thái lượng tử có năng lượng cao hơn và bền.
Sau đó trở về trạng thái cơ bản một cách chậm chậm và phát ra photon. Từ trạng thái
kích thích khá bền trở về trạng thái cơ bản bị cấm bởi một số quy tắc năng lượng. Quá
trình trở về trạng thái cơ bản chỉ thực hiện được khi dao động nhiệt đẩy electron sang
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
4
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
trạng thái khơng bền gần đó, rồi từ đó mới trờ về trạng thái cơ bản. Do đó hiện tượng
lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ.
1.2.3. Phân loại theo phương pháp kích thích.
+ Quang phát quang: Kích thích bằng chùm tia tử ngoại.
+ Cathod phát quang: Kích thích bằng chùm điện tử của ống tia cathode.
+ Điện phát quang: Kích thích bằng hiệu điện thế.
+ X – ray phát quang: Kích thích bằng tia X.
+ Hố phát quang: Kích thích bằng năng lượng phản ứng hoá học….
1.3. Cơ chế phát quang.
1.3.1. Cơ chế phát quang của nguyên tử.
Cơ chế phát quang của nguyên tử được mơ tả theo sơ đồ sau:
Hình 1.1. Sơ đồ cơ chế phát quang của nguyên tử
Điện tử chỉ tồn tại ở trạng thái dừng có mức năng lượng xác định bởi các số
lượng tử: n (số lượng tử chính), l ( số lượng tử quỹ đạo), j( số lượng tử mơmen tồn
phần)
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
5
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Sự phân bố điện tử trên các mức năng lượng tuân theo phân bố Boltzman –
Maxwell:
n ~ no e
Ei
kT
Ei : năng lượng của trạng thái i có nhiệt độ tuyệt đối T
k : hằng số Boltzman
no : số điện tử ở trạng thái cơ bản.
n : số điện tử ở trạng thái có mức năng lượng Ei
Theo công thức trên, ở điều kiện nhiệt độ phịng thì hầu hết ở mức cơ bản Eo .
Khi bị kích thích các electron chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn, sau
đó trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và xãy ra hai khả năng:
+ Sự chuyển dời giữa các mức năng lượng có khoảng cách đủ hẹp thì các
electron sẽ trở về trạng thái cơ bản không phát quang mà chỉ phát phonon.
+ Nếu các khoảng cách năng lượng đủ lớn, (ngưỡng của giá trị khoảng cách
phụ thuộc vào bản chất nguyên tử) thì q trình chuyển dời có phát quang.
Khi photon dịch chuyển từ mức năng lượng Ei xuống E j thì bước sóng phát ra
được xác định :
ij
hc
Ei E j
Sự chuyển dời giữa các mức năng lượng của electron để phát xạ ra photon tuân
theo các quy tắc lựa chọn:
Số lượng tử quỹ đạo l: l 1
Số lượng tử mơmen tồn phần j: j 0;1
1.3.2. Cơ chế phát quang của phân tử.
Như chúng ta đã biết, năng lượng phân tử bao gồm: tổng năng lượng điện tử,
năng lượng dao động của hạt nhân, năng lượng quay của phân tử. Trong đó, năng
lượng điện tử lớn nhất, năng lượng quay của phân tử bé nhất và các năng lượng này
đều bị lượng tử hóa.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
6
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Hình 1.2.Cơ chế phát quang của phân tử
Trong hình vẽ ta thấy:
Mức 0 và mức 0’ là các mức dao động thấp nhất của trạng thái cơ bản I và trạng
thái kích thích II. Mỗi giá trị năng lượng điện tử ứng với một giá trị khả dĩ của năng
lượng dao động. Bỏ qua năng lượng quay thì ứng với trạng thái I và II sẽ có các mức
năng lượng 0, 1, 2, 3, … và 0’, 1’, 2’, 3’, …
Sự phân bố của các phân tử trên các mức dao động tuân theo phân bố Boltzman:
Ni N oe
Ei
kT
No : là tổng số phân tử.
N i : số phân tử ở mức i
Ei : năng lượng dao động ở mức i
Từ công thức trên ta nhận thấy với điều kiện nhiệt độ phịng thì kT << Ei , lúc đó phần
lớn các phân tử nằm ở mức dao động thấp nhất. Khi bị kích thích, các phân tử sẽ
chuyển từ mức 0 lên 0’, 1’, 2’, …tồn tại ở các mức đó đến khi được sắp xếp thỏa mãn
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
7
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
cơng thức Boltzman, phân tử sẽ chuyển về mức có năng lượng bé hơn và phát ra
photon.
CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ ION MN2+,
MN4+.
2.1. Sơ lược về kim loại chuyển tiếp.
Kim loại chuyển tiếp là kim loại mà nguyên tố tạo thành ít nhất một ion với quỹ
đạo (orbital) d được điền đầy một phần trừ Zn và Sc, có cấu hình điện tử là dn
(0
Các quỹ đạo s của những nguyên tố thuộc về khối quỹ đạo d lại có trạng thái năng
lượng thấp hơn là các lớp d. Nguyên tử có xu hướng đi đến trạng thái thấp nhất nên
các quỹ đạo s được điền trước. Có một số trường hợp ngoại lệ như Cr và Cu chỉ có
một điện tử ở quỹ đạo ngoài cùng, do điện tử đẩy nhau, chia các điện tử ra trong quỹ
đạo s và quỹ đạo d để dẫn đến trạng thái năng lượng thấp hơn là điền 2 điện tử vào
quỹ đạo ngoài cùng ở các nguyên tử này.
Khi tần số bức xạ của điện tử thay đổi chúng ta nhận thấy được các màu khác
nhau. Do đặc điểm về cấu trúc nên các kim loại chuyển tiếp tạo thành nhiều ion và
phức chất có màu khác nhau. Màu cũng thay đổi ngay tại cùng một nguyên tố. Việc
tạo phức chất có thể đóng một vai trị cơ bản trong việc tạo màu bởi vì các phối tử có
ảnh hưởng lớn đến lớp 3d. Chúng hút một phần các điện tử 3d và chia các điện tử này
ra thành các nhóm có năng lượng cao và các nhóm có năng lượng thấp hơn. Nếu so
với các ion thơng thường thì các ion của các chất phức có thể hấp thụ nhiều tần số
khác nhau và vì thế mà có thể quan sát thấy nhiều màu khác nhau. Màu của một chất
phụ thuộc vào:
+ Số lượng điện tử trong các quỹ đạo d
+ Cách sắp xếp các phối tử chung quanh ion.
+ Loại phối tử xung quanh ion. Khi chúng có tính phối tử càng nhiều thì hiệu số
năng lượng giữa hai nhóm 3d bị tách ra càng cao.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
8
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Kim loại chuyển tiếp có các tính chất sau:
- Làm lớp chất có màu.
- Có nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau.
- Là chất xúc tác tốt.
- Tạo phức chất.
2.2. Tìm hiểu về Mn2+
Nguyên tố Mn nằm ở vị trí 25 trong bảng hệ thống tuần hồn. Cấu hình điện tử
của Mn2+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5
Hình 2.1. Giản đồ Tanabe-Sugano cho cấu hình d5
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
9
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Các mức 3d của ion Mn2+ cũng bị tách rất mạnh trong trường tinh thể.
Ion Mn2+ có phát xạ là một đám rộng, vị trí của nó phụ thuộc mạnh vào mạng
chủ. Phát xạ có thể thay đổi từ xanh lá cây đến đỏ xẫm tương ứng với dịch chuyển 4T1
→ 6A1. Dải phổ rộng được giải thích do độ nghiêng khác nhau của các mức năng
lượng,. Sự phụ thuộc của màu phát xạ vào mạng chủ do sự phụ thuộc vào trường tinh
thể. Trong trường tinh thể yếu thường cho phát xạ xanh, trường tinh thể mạnh cho phát
xạ da cam tới đỏ.
2.3. Tìm hiểu về Mn4+
Ion này đồng điện tử với Cr3+, nhưng trường tinh thể tại ion điện tích cao hơn
Mn4+ là mạnh hơn, do vậy phát xạ của Mn4+ luôn luôn là 2E → 4A2. Thông thường dao
động là mạnh hơn đối với Cr3+.
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP GỐM
Phương pháp gốm là một phương pháp chế tạo vật liệu phát quang đơn giản dễ
thực hiện và được sử dụng ở nhiều phịng thí nghiệm.
Các vật liệu phát quang được nghiên cứu trong đề tài này cũng được chế tạo
theo phương pháp gốm.
Vật liệu chế tạo bằng phương pháp gốm thông qua các q trình được mơ tả ở
sơ đồ sau:
Hình 3.1. Sơ đồ quá trình chế tạo vật liệu bằng phương pháp gốm.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
10
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
(1) Chuẩn bị nguyên liệu với tỉ lệ thích hợp
(2) Nghiền mịn nguyên liệu để tăng khả năng tiếp xúc giữa các chất và khuếch
tán đồng đều.
(3) Thực hiện phản ứng pha rắn.
Vật liệu được chế tạo bằng phương pháp gốm sẽ xãy ra quá trình phản ứng giữa
các pha rắn. Phản ứng này ít phụ thuộc vào nồng độ nhưng phụ thuộc nhiều vào sự sắp
xếp các cấu tử trong mạng lưới tinh thể, đặc điểm cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng.
Phản ứng chỉ xãy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa các chất tham gia. Tốc độ phản ứng
chậm và không có trạng thái cân bằng.
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố:
- Nhiệt độ nung: nhiệt độ cao các cấu tử nhận năng lượng đủ lớn để có thể
khuếch tán. Nhiệt độ còn làm cho cấu trúc của các chất ban đầu bị phá vỡ, sự sắp xếp
của các ion cũng thay đổi và quá trình khuếch tán diễn ra dễ dàng hơn.
- Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng: ảnh hưởng đến khả năng
xãy ra phản ứng. Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn góp phần hạ thấp nhiệt độ nung. Có thể
làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của chất tham gia phản ứng bằng cách nghiền nhỏ
vật liệu.
- Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu: những chất kém bền hoặc có nhiều
khuyết tật mạng thì dễ xãy ra phản ứng hơn so với các chất có cấu trúc bền vững.
- Chất khống hóa hay cịn gọi là chất chảy: có tác dụng làm ướt các hạt rắn
giúp cho quá trình khuếch tán diễn ra dễ dàng hơn. Nhờ đó tốc độ phản ứng xãy ra
nhanh hơn và nhiệt độ phản ứng cũng thấp hơn.
Việc chế tạo vật liệu phát quang bằng phương pháp gốm có những ưu nhược
điểm sau:
Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện , chi phí thấp phù hợp với nhiều phịng thí
nghiệm.
Nhược điểm:
+ Sản phẩm thu được có độ đồng nhất khơng cao
+ Dải phân bố kích thước hạt rộng
+ Kích thước hạt lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
11
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
CHƯƠNG IV: MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG
4.1. Đèn huỳnh quang.
Năm 1902, kỹ sư người Mỹ Peter Cooper Hewitt sáng chế ra đèn huỳnh quang
và được phổ biến từ 1939 đến nay.
Hình 4.1. Đèn huỳnh quang
Cấu tạo của đèn gồm hai phần chính: ống thủy tinh và hai điện cực ở hai đầu.
Hình 4.2. Cấu tạo đèn huỳnh quang.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
12
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
+ Ống tuýp đèn được hút chân khơng, bên trong có một hơi thủy ngân và được
bơm đầy khí trơ (argon hay neon). Mặt trong ống được tráng một lớp huỳnh quang.
+ Hai điện cực ở hai đầu, được nối với mạch điện xoay chiều.
Nguyên lý phát sáng trong đèn huỳnh quang:
Khi dòng điện đi vào các điện cực làm cho các điện cực nóng lên, phát xạ ra
các electron di chuyển trong ống với vận tốc lớn từ đầu này đến đầu kia. Trong q
trình chuyển động, chúng va chạm và làm ion hóa khí trơ có trong đèn. Khi các
electron và ion di chuyển trong ống, chúng sẽ va chạm vào các nguyên tử hơi thủy
ngân. Những va chạm này sẽ làm các nguyên tử thủy ngân phát xạ ra các photon ánh
sáng cực tím tức là các tia tử ngoại mà mắt thường không thấy được. Để giải quyết vấn
đề này, người ta đã phủ bên trong ống thủy tinh một lớp bột huỳnh quang chuyển đổi
sang ánh sáng trắng mà mắt ta có thể nhìn thấy.
4.2. Một số loại màn hình.
4.2.1. Màn hình CRT (Cathode Ray Tube)
Cấu tạo: Màn hình CRT được cấu tạo từ một ống phóng điện tử và cụm màn hình
bằng thuỷ tinh. Tồn bộ phần bên trong được hút chân khơng để đảm bảo rằng khơng
có khơng khí thơng thường.
Hình 4.3. Ti vi màn hình ống phóng điên tử
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
13
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Ngun lí hoạt động:
Màn hình CRT sử dụng phần màn huỳnh quang dùng để hiển thị các điểm ảnh.
Để các điểm ảnh phát sáng theo đúng màu sắc cần hiển thị cần các tia điện tử tác động
vào chúng để tạo ra sự phát xạ ánh sáng. Ống phóng CRT sẽ tạo ra các tia điện tử đập
vào màn huỳnh quang tạo ra sự phát xạ ánh sáng để hiển thị các điểm ảnh theo mong
muốn.
Đối với màn hình màu có ống phóng, trong mỗi ống có một sợi đốt. Khi có
dịng điện thì sợi đốt được nung nóng đến nhiệt độ nhất định để các điện tử tự do trong
kim loại của sợi dây tóc thốt khỏi bề mặt. Khi các điện tử thốt ra thì chúng đã được
nằm trong một điện trường có hiệu điện thế rất lớn nhờ các nam châm tạo ra và chúng
bị hút vào điện trường đó thành các chùm tia điện tử.
Để đảm bảo các tia điện tử thu hẹp thành dạng điểm theo kích thước điểm ảnh
thiết đặt, ống CRT có các thấu kính điện từ (hồn tồn khác biệt với thấu kính quang
học) bằng các cuộn dây để hội tụ chùm tia.
Hình 4.4. Cấu tạo tivi ống phóng điện tử.
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
14
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Tia điện tử được quét lên bề mặt lớp huỳnh quang theo từng hàng, lần lượt từ
trên xuống dưới, từ trái qua phải một cách rất nhanh để tạo ra các khung hình tĩnh,
nhiều khung hình tĩnh như vậy thay đổi sẽ tạo ra hình ảnh chuyển động. Các chùm tia
điện tử đã được điều khiển theo các toạ độ khác nhau bởi các cuộn lái tia thì sẽ hội tụ
tại các điểm lỗ của mặt nạ, xuyên qua các lỗ này thì chúng đập vào lớp phốt pho mà ở
đó sẽ hiển thị đối với các màu sắc khác nhau. Mỗi lỗ trên mặt nạ là một điểm ảnh,
tương ứng với ba màu đỏ-xanh lục-xanh lam.
4.2.2. Màn hình LCD (Liquid Crystal Display)
Màn hình LCD là loại thiệt bị hiển thị cấu tạo bởi các điểm ảnh chứa tinh thể
lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh
sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực.
Hình 4.5. Tivi LCD
Màn hình LCD có sự kết hợp của các phân tử chất rắn và chất lỏng. Trật tự sắp
xếp của các phân tử chất lỏng quyết định mức độ ánh sáng xuyên qua.
Các hình ảnh được mã hóa và hiển thị dưới dạng bản đồ ma trận điểm ảnh. Mỗi
điểm ảnh là một ô chứa ba màu red, blue và green. Tập hợp điểm ảnh này sẽ tạo thành
chi tiết hình ảnh và màu sắc của chúng.
Nguyên lí tắt sáng của một điểm ảnh:
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
15
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Hình 4.6. Hình ảnh phóng to của các điểm ảnh.
Nếu điện cực của một điểm ảnh con khơng được áp một điện thế, thì phần tinh
thể lỏng ở nơi ấy khơng bị tác động gì cả, ánh sáng sau khi truyền qua chỗ ấy vẫn giữ
nguyên phương phân cực, và cuối cùng bị chặn lại hồn tồn bởi kính lọc phân cực thứ
hai. Điểm ảnh con này lúc đó bị tắt và đối với mắt đây là một điểm tối. Để bật một
điểm ảnh con, cần đặt một điệp áp vào điện cực của nó, làm thay đổi sự định hướng
của các phân tử tinh thể lỏng ở nơi ấy; kết quả là ánh sáng sau khi truyền qua phần
tinh thể lỏng ở chỗ điểm ảnh con này sẽ bị xoay phương phân cực đi, có thể lọt qua lớp
kính lọc phân cực thứ hai, tạo ra một điểm màu trên tấm kính trước.
Hình 4.7. Màn hình tinh thể lỏng dùng nguồn sáng tự cấp (thường dành cho màn hình
màu của máy tính hay TV).
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
16
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Hình ảnh hiện ra trên tấm kính trước là do sự cảm nhận tổng thể tất cả các điểm
ảnh, ở đó mỗi điểm ảnh mang một màu sắc và độ sáng nhất định, được qui định, theo
quy tắc phối màu phát xạ, bởi mức tỉ lệ của ba màu đỏ, lục, lam trên điểm ảnh. Để làm
điều này, cùng một lúc các điện thế thích hợp sẽ được đặt vào các điểm ảnh con nằm
trên cùng một hàng, đồng thời phần mềm trong máy tính sẽ ra lệnh áp điện thế vào
những cột có các điểm ảnh con cần bật.
Ở mỗi thời điểm, các điểm ảnh ở một trạng thái bật hay tắt nhất định - ứng với
một ảnh trên màn hình. Việc thay đổi trạng thái bật hay tắt của các điểm ảnh tạo ra
một hình ảnh chuyển động. Điều này được thực hiện bằng cách áp điện thế cho từng
hàng từ hàng này đến hàng kế tiếp (gọi là sự quét dọc) và áp điện thế cho từng cột từ
cột này đến cột kế tiếp (sự quét ngang). Thông tin của một ảnh động từ máy tính được
chuyển thành các tín hiệu quét dọc và quét ngang và tái tạo lại hình ảnh đó trên màn
hình.
LCD khơng tự phát quang, vì vậy, người ta dùng 1 nguồn sáng chiếu từ phía
sau của tấm LCD, gọi là backlight để hình ảnh trở nên rõ ràng đối với mắt thường.
Nguồn sáng phía sau này phát ra ánh sáng trắng.
Hình 4.8.Cấu tạo màn hình LCD
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
17
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Trước đây nguồn sáng phía sau là các đèn huỳnh quang đặt song song nhau sau
tấm LCD. Để cho ánh sáng trải đều và đồng nhất, người ta đặt ở giữa một tấm tản sáng.
Về sau đèn huỳnh quang được thay bằng đèn LED vì LED có độ sáng tốt và ít tiêu thụ
năng lượng. Thông thường các đèn LED được sắp xếp kế tiếp nhau theo dạng ma trận
chữ nhật rồi đặt chúng sau tấm LCD, và xen vào giữa chúng 1 tấm tản sáng. Hoặc
người ta cũng có thể bố trí các đèn LED ở các cạnh của hình chữ nhật và dùng vật liệu
khúc xạ để dàn đều ánh sáng.
Ở một mức độ sáng như nhau, đèn LED tiêu thụ ít năng lượng hơn đèn huỳnh
quang, đồng thời cũng tỏa ra ít nhiệt lượng hơn. Sử dụng LED tiết kiệm. Khơng có tia
cực tím, khơng bức xạ tia hồng ngoại, phát nhiệt của ánh sáng thấp, không chứa thủy
ngân và những chất có hại…, khơng gây ơ nhiễm mơi trường.
4.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua.
Hình 4.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
18
Khóa luận tốt nghiệp
Khoa Vật Lý
Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn,
sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử
dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh
có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các
máy chụp kỹ thuật số
Trên kính hiển vi điện tử có một bộ phận ứng dụng hiện tượng phát quang đó là
Màn huỳnh quang và phim quang học. Đó là dụng cụ ghi nhận điện tử dựa trên nguyên
lý phát quang của chất phủ trên bề mặt. Trên bề mặt của màn hình, người ta phủ một
lớp vật liệu huỳnh quang. Khi điện tử va đập vào màn hình, vật liệu sẽ phát quang và
ảnh được ghi nhận thông qua ánh sáng phát quang này. Cũng tương tự nguyên lý này,
người ta có thể sử dụng phim ảnh để ghi lại ảnh và ảnh ban đầu được lưu dưới dạng
phim âm bản và sẽ được tráng rửa sau khi sử dụng.
4.4. Ứng dụng trong y học
4.4.1. Phát hiện vi khuẩn E.coli bằng phức hợp kháng thể và silicat
phát quang.
Trước đây người ta có một số phương pháp để phát hiện vi khuẩn E.coli nhưng
chỉ với nồng độ cao mới cho kết quả. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã và đang
ứng dụng các loại vật liệu nano phát quang như hạt silica chứa tâm màu chứa các
nhóm chức năng sinh học trên bề mặt như một chất đánh dấu huỳnh quang để phát
hiện nhanh và chính xác số lượng vi khuẩn gây bệnh thực phẩm bằng kỹ thuật miễn
dịch huỳnh quang. Khâu cốt lõi của kỹ thuật sử dụng hạt nano silica chứa tâm màu là
việc chế tạo ra được phức hợp giữa kháng thể đặc hiệu vi khuẩn đích với hạt silica
phát quang bền vững.
Phức hợp hạt nano silica + kháng thể đặc hiệu có thể được tạo ra bởi nhiều cơ
chế khác nhau. Sau khi tạo được phức hợp kháng thể đặc hiệu + hạt nano silica, tiến
hành kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang để phát hiện và xác định số lượng vi khuẩn đích.
Có nhiều cách phát hiện vi khuẩn đích như: quan sát và đếm trực tiếp các tế bào vi
khuẩn phát quang dưới kính hiển vi huỳnh quang; xác định số lượng vi khuẩn đích
bằng đường chuẩn giữa cường độ phát quang của hạt nano và số lượng vi khuẩn trong
GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn
SVTH: Đặng Nữ Hồng Thơm
19
