Tài liệu Báo cáo thực tập chuyên đề " Vật liệu Ruby Al2O3 : Cr3+ nhâm tạo " doc

Tỷ trọng của corundum thường được cho là bằng 3,98g/cm3 I.2 Tính chất quang học Corundum kết tinh trong lớp tam tà của hệ lục giác, là vật liệu khúc xạkép và đơn trục.. Mỗi tia sáng đi t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Phần chính của thực tập 3

I 1 Tính chất vật lý 5

I.1.1 Hiện tượng tách, nứt 5

I.1.4 Điểm nóng chảy và điểm sôi 6

I.1.5 Tỷ trọng và tỷ trọng riêng 6

I.2 Tính chất quang học 6

I.2.1 Độ lấp lánh 7

I.2.2 Tính chất đa màu, màu sắc của ruby 7

I.2.3 Quá trình phát quang của ruby 8

I.2.4 Phổ hấp thụ [3] 10

II 3 Kỹ thuật thẩm định ruby nhân tạo 11

Hệ thấu kính 17

Bộ Lock-in Amplifier 17

Nhóm thực tập 25

MỞ ĐẦU

1 Nơi thực tập:

Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học KhoaHọc Huế

Giáo viên hướng dẫn thực tập: TS Nguyễn Mạnh Sơn

Nhóm Học viên cùng thực tập: Thái Ngọc Ánh, Bùi Tiến Đạt

Nguyễn Ngọc Trác, Lê Văn Khoa Bảo và Lê Thị Thảo Viễn

Tập duyệt cách hợp tác nghiên cứu khoa học, làm việc theo nhóm

3 Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu Ruby Al2O3: Cr3+ nhân tạo Mẫu đã có sẳn chỉ tiến hành các phépđo

Hệ đo đã có sẳn và đã được tự động hoá tại Phòng Thí nghiệm của khoavật lý

Phần chính của thực tập

I Tổng quan lý thuyết về Ruby Al 2 O 3 : Cr 3+ [3,6,7]

Ruby (hồng ngọc hay đá đỏ) là một trong những chủng loại đá quý hiếmnhất Ngày nay ruby có thể sản xuất được Ruby nhân tạo thường có tính chất hoànhảo, màu sắc đồng đều, độ trong tốt, kích thước lớn

Vật liệu nền của ruby đó là Al2O3 Được tạo nên từ nhôm và oxi Nhôm

và oxi nắm vị trí thứ 13 và 16 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố

Màu đỏ của hồng ngọc là do tâm phát quang Cr3+ phát ra Crom là kimloại chuyển tiếp thuộc nhóm d Có vị trí và cấu hình như trình bày bên dưới

Hình 1: Vị trí của nhôm và oxi trong bảng tuần hoàn.

Tâm phát quang Cr3+ Crom là kim loại chuyển tiếp có nằm ở vị trí 24trong bảng tuần hoàn các nguyên tố

Hình 2: Vị trí của Crom trong bảng tuần hoàn các nguyên tố.

Al 2 O 3 (nhôm oxit) Al Al 2 2 O O 3 3 :Cr :Cr 3+ 3+ (ruby) (ruby)

trang sức thì ruby có rất nhiều ứng

dụng trong khoa học kỹ thuật mà điểm

hình là làm môi trường hoạt tính cho

laser ruby Đây là loại laser ra đời đầu

tiên đánh một mốc lịch sử cho ngành

khoa học laser

Hình 4: Laser ruby

I 1 Tính chất vật lý

Ruby nằm trong số đá quý bền nhất tìm thấy trên trái đất Với độ cứng chỉthua kim cương và ít bị hiện tượng vỡ tách, ruby có thể chịu được mọi va chạm,mài mòn trong quá trình sử dụng

I.1.1 Hiện tượng tách, nứt

Các hiện tượng này xảy ra do khoáng vật chịu ảnh hưởng của áp suất vàngoại lực

Các công trình nghiên cứu năm 1904 cho rằng corundum không có mặttách nhưng những công trình nghiên cứu gần đây nhất đối với corumdum nhân tạocho thấy rằng corumdum có thể bị tách dọc theo mặt hình thoi (1011) và lăng kínhlục giác (Hexagonal prism 1120) Tinh thể corundum có thể bị nứt dọc theo mặtyếu nhất của tinh thể thường do các sai hỏng về cấu trúc gây nên Tinh thểcorundum cũng như tinh thể của các loại đá quý khác có thể có vết nứt bất kỳ Cácvết nứt này hình thành trong những điều kiện nhất định của quá trình mọc tinh thểhoặc chế tác

Về độ bền thì ruby tương đối giòn, dễ vỡ, tuy nhiên ít hơn các loại khác

Độ cứng, tính chịu cào, xước của mặt bóng tinh thể biểu hiện độ cứng của nó

I.1.2 Độ giãn nở nhiệt:

Độ giãn nở nhiệt của đơn tinh thể corundum được xác định bởi Belyaevnăm 1980 như sau

20 – 500C = 6.66.10-6 (deg –1) (song song trục C)

Độ trơ về nhiệt của corundum =0,262 cal.cm2 CS1/2, lớn gấp 2 lần spinel

và 3 lần garnet Phép thử xác định giá trị độ trơ về nhiệt có thể rất có lợi trong việc

phân biệt corundum với các loại khoáng vật khác Phép thử nhiệt được tiến hànhbởi những dụng riêng như “phép thử alpha”, trên nguyên tắc đốt nóng 1 đầu dònhọn đến một nhiệt độ xác định được lựa chọn, sau đó cho đầu nhọn tiếp xúc vớikhoáng vật và đo xem nó bị nguội nhanh như thế nào.

I.1.4 Điểm nóng chảy và điểm sôi

Điểm nóng chảy của corundum theo Belayev (1980) là 20300C, theo một

số tác giả khác là 20500C Điểm sôi của corundum là 35000C rất cao

Độ tan của corundum là 9,8.10-5 g trong 100 g nước ở 290C Corundumtan kém trong HNO3 sôi và axit photphoric ở 3000C, nhưng hoà tan tốt trong borax

ở 800 – 10000C và trong KHSO4 ở 400 – 6000C Do borax có khả năng hoà tanruby nên hết thức thận trọng khi đốt nóng borax gần sát ruby

I.1.5 Tỷ trọng và tỷ trọng riêng

Tỷ trọng là trọng lượng tính bằng g trong 1 cm3 vật chất Tỷ trọng riêngthường ký hiệu SG là tỷ số giữa trọng lượng của cùng một thể tích chất và trọnglượng của cùng một thể tích như vậy của nước ở 40C

Tỷ trọng của corundum thường được cho là bằng 3,98g/cm3

I.2 Tính chất quang học

Corundum kết tinh trong lớp tam tà của hệ lục giác, là vật liệu khúc xạkép và đơn trục Mỗi tia sáng đi tới tinh thể corundum theo mọi hướng đều bị táchthành hai tia (trừ hướng song song với quang trục C), trong đó mỗi tia dao độngtrong một mặt phẳng vuông góc với phương lan truyền và vuông góc với mặtphẳng dao động của tia kia Tia thứ nhất (o-ray) luôn luôn dao động vuông góc vớitrục C nên có chỉ số khúc xạ (w) không đổi bằng 1,770 Tia thứ hai 9 (e – ray) daođộng trong mặt phẳng chứa trục C và có chỉ số khúc xạ () thay đổi Khi ánh sángtới song song với trục C thì tia e dao động vuông góc với C và do đó cùng chỉ sốkhúc xạ w Khi ánh sáng tới vuông góc với C thì tia e dao động song song với C.Tại điểm này sự khác nhau giữa hai chỉ số khúc xạ w và  đạt giá trị lớn nhất Hiện

tượng khúc xạ kép của corundum xảy ra mạnh nhất khi ánh sáng tới vuông góc vớitrục C và giảm tới 0 khi hướng ánh sáng tới trùng với trục C.

Trong corundum tia o chuyển động chậm hơn (có chỉ số khúc xạ lớn hơn)tia e nên đặc tính quang học là đơn trục âm Phương pháp để xác định đặc tínhquang học âm hay dương là dùng hình ảnh giao thoa hoặc ghi chỉ số khúc xạ (RI)của các vị trí khác nhau khi quay đá 1800

Nói chung giá trị chỉ số khúc xạ: RI1() trong khoảng từ 1,757 đến 1,772;

RI2 (w) từ 1,765 đến 1,780 tuỳ theo nguộn gốc khác nhau của vật liệu

I.2.1 Độ lấp lánh

Độ lấp lánh dùng để chỉ số lượng và chất lượng ánh sáng mà vật liệu đáquý phản xạ Độ bóng bên trong đóng góp vào độ lấp lánh phụ thuộc vào chỉ sốkhúc xạ, sự cân đối và độ đánh bóng Độ lấp lánh bên ngoài là độ bóng bề mặt, vàđược xác định bằng chỉ số khúc xạ

I.2.2 Tính chất đa màu, màu sắc của ruby

Vì sự khác nhau trong đối xứng và theo hướng dao động của các tia nhưtrên, mỗi tia bị hấp thụ khác nhau nên 1 tia này có màu này, tia khác có màu khác

Sự khác nhau về màu tại các hướng khác nhau gọi là đa màu Loại đơn trục nhưruby có hai hướng dao động (w và ) nên có hai màu Hậu quả là loại đơn trục nhưcorundum là “dicroic” Song song với trục C chỉ nhìn thấy tia o nên chỉ có mộtmàu, không nhìn thấy pleochroism, màu tương ứng với tia e thay đổi Sự khác biệtlớn nhất khi ánh sáng lan truyền vuông góc với trục C Hiện tượng pleochroismnhìn thấy mạnh nhất dưới góc vuông so với trục C, khi đó hai màu đỏ tía nhẹ của o-ray trộn với màu đỏ da cam của e-ray cho ra các màu trung gian Để xác định hiệuứng pleochroism dùng lưỡng sắc kế

I.2.3 Quá trình phát quang của ruby

Trong ruby crom có mặt ở dạng ion Cr3+ nghĩa là nguyên tử crom (có cấuhình điện tử 1s22s22p63s23p63d54s1 - thường viết gọn là 3d54s) bị mất ba điện tử nên

có cấu hình điện tử trở thành 3d3 với ba điện tử không liên kết đôi Ion Cr3+ có kíchthước lớn hơn Al3+ một chút (1,2A0 so với 1,1 A0) nên dễ tham gia vào cấu trúc của

corundum Trong trường tinh thể của sáu ligand oxi bao quanh xảy ra sự tách vạchnăng lượng của các orbitan 3d của Cr

Giản đồ hình 5a mô tả hiệu ứng của cường độ trường ligand lên các mứcnăng lượng, kí hiệu theo số hạng phổ A, B, C và D Trường thực tế của Cr3+ trong

Hình 5: Các mức năng lượng, các dịch chuyển và các màu hấp

thụ trong ruby[4,6,7]

Chú thích: ABSORPTION: hấp thụ; FLUORESCENCE: huỳnh quang; RED FLUORESCENCE: huỳnh quang đỏ;

RED TRNSM: truyền qua đỏ; VIOLET ABS:hấp thụ tím; SMALL BLUE TRNSM: truyền qua lam

ruby là đường chấm chấm dọc và các mức năng lượng thực tế cùng với các chuyểndời mức được mô tả trong hình 5b, hình 5c và hình 5d Hình 5b mô tả quá trình hấpthụ, hình 5b mô tả quá trình phát xạ nhiệt và hình 5d mô tả quá trình huỳnh quang.

Sơ đồ trên cho phép ta giải thích màu sắc của ruby: Có hai cơ chế hấp thụ(absorption) xảy ra (hình 5b) khi ánh sáng đi qua để chuyển Crom từ mức cơ bản

A lên mức kích thích C và thứ hai là lên mức kích thích D Kết quả là ruby có haicửa sổ truyền qua ở vùng xanh lam (SMALL BLUE TRNSM) có bước sóng cở480nm và vùng đỏ có bước sóng cở 610nm Vì mắt người nhạy với ánh sáng màu

đỏ nên ruby có màu đỏ

Ngoài ra còn vùng rộng ở 550nm và hàng loạt vạch trong vùng đỏ

I.2.5 Phổ phát xạ của ruby [6,7]

Hình 6: Phổ huỳnh quang của Ruby

Có hai đỉnh cực đại, đỉnh đặc trưng là đỉnh 694,24nm.

II Phương pháp chế tạo Ruby trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp [3,6,7]

Ruby đã chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm và chế tạo với sốlượng lớn trong công nghiệp Một số phương pháp chính thường được sử dụng đểnuôi tinh thể ruby, dưới đây để logic tôi trình bày sơ lược, tôi không có ý trình bàychi tiết

II.1 Phương pháp tổng hợp từ dụng dịch nóng chảy (melt growth)

Qua các bước như sau

Nóng chảy ngọn lửa

Nóng chảy bột Al2O3 + chất tạo thành tinh thể

Nuôi tinh thể bằng phương pháp Czochralski

Nóng chảy vùng

II 2 Phương pháp tổng hợp từ dung dịch (solution growth)

Quá trình thuỷ nhiệt

Nung chảy

II 3 Kỹ thuật thẩm định ruby nhân tạo

Ruby nhân tạo thường có cấu trúc và tính hoàn hảo, màu sắc đồng đều, độtrong tốt, kích thước lớn Tuy nhiên vì có thể sản dễ dàng với số lượng lớn nênkhông có tính “hiếm”, vì vậy giá trị của ruby nhân tạo so với ruby tự nhiên tronglĩnh vực đồ trang sức khác nhau rất xa Để phân biệt ruby nhân tạo và ruby tự nhiênngười ta thường phải kết hợp nhiều phương pháp để cho kết quả chính xác Quansát hình dáng, vẻ bề ngoài của viên đá trong một số trường hợp có thể cho ta một sốthông tin dự đoán ban đầu

III Phương pháp thực nghiệm

Để tiến hành thực nghiệm chúng tôi đã thực hiện các phép đo tại bộ mônVật lý chất rắn và phòng Thí nghiệm Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, Trường Đại học

Khoa học Huế dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Mạnh Sơn và cùng với học viên

Bùi Tiến Đạt, Nguyễn Ngọc Trắc, Lê Văn Khoa Bảo và Lê Thị Thảo Viễn

III.1 Các hệ đo của Khoa Vật lý - Trường Đại Học Khoa học Huế III.1.1 Hệ đo phổ hấp thụ [5]

Đây là hệ đo đơn giản, tại phòng Bộ môn Vật lý chất rắn

Sơ đồ nguyên lý hệ đo:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ hấp thụ tại phòng Bộ môn vật lý chất rắn

Đo phổ bức xạ của nguồn sáng, Io =f(): nguồn sáng kích thích là một

đèn halogien Sau đó cho viên ruby vào khe ta có kết quả cường độ truyền qua củaruby như sau: I=f() Ta có kết quả số liệu như sau

Bước sóng (nm) I0 10 (A) I10 (A)

) ( ) ( ) (

) 





I I

) ( ) ( ln )

4 4 4 3.5

0.3252 0.26316 0.21978 0.15909

1.1233 1.335 1.51513 1.83828

Nguồn

bức xạ

Máy đơn sắc

Mẫu đo Bộ thu

quang điện

Bộ hiển thị

Hình 8: Hệ đo phổ hấp thụ thực tại phòng Bộ môn vật lý chất rắn

3 2.5 2 1.5 1.3 1 1 0.9 0.8 0.8 1 1.2 2 3.3 5.5 9 13.8 19 25 30.5 34.8 38 39 38.5 36 32.8 28.5 24 20 16 12.5 9.5 7.2 5.5 4 3 2.5 1.8 1.3 1.2 1 1 1 1 1.2 1.5 1.8 2 2 2 2 2 2 1.8 1.5 1.2

0.11765 0.08475 0.0597 0.03896 0.03023 0.02083 0.01887 0.01565 0.01301 0.01231 0.01449 0.01655 0.02632 0.04177 0.06748 0.10588 0.15862 0.21469 0.2809 0.3427 0.38883 0.42938 0.44571 0.45029 0.43114 0.40494 0.36538 0.32215 0.28369 0.2406 0.20161 0.16522 0.13458 0.11224 0.08929 0.075 0.06906 0.0559 0.04483 0.04706 0.04545 0.05128 0.05882 0.06897 0.1 0.13636 0.17647 0.25 0.28571 0.38462 0.47619 0.625 0.71429 0.9 0.83333 1

2.14007 2.4681 2.8184 3.24519 3.49884 3.8712 3.97029 4.15715 4.34218 4.39753 4.23411 4.10127 3.63759 3.17553 2.69585 2.24543 1.84124 1.53856 1.26976 1.07091 0.94462 0.84542 0.80808 0.79786 0.84133 0.90402 1.0068 1.13275 1.25988 1.42461 1.60141 1.80049 2.0056 2.18707 2.41591 2.59027 2.67277 2.88418 3.10493 3.05636 3.09104 2.97041 2.83321 2.67415 2.30259 1.99243 1.7346 1.38629 1.25276 0.95551 0.74194 0.47 0.33647 0.10536 0.18232 0

680 1 1 1 0

Trên đó là kết quả đo được và được chúng tôi tính toán độ truyền qua, độ

hấp thụ Để vẽ độ thị trực quan để so sánh chúng tôi sữ dụng phần mềm Microcal

Origin để vẽ Chúng tôi đã có được kết quả như sau.

0 20 40 60 80 100

Từ các phổ trên các hình cho thấy rằng các kết quả đo của chúng ta gầnsát với lý thuyết về các phổ của ruby Tuy nhiên, về hình dạng phổ thì tương tựnhưng vị trí các đĩnh thì không trùng khớp nhau Theo chúng tôi có sự sai khác này

là cách tiến hành thực nghiệm của chúng tôi Một lý do khác theo chúng tôi đó là

do chúng tôi tiến hành trên mẫu ruby khác với mẫu mà các tài liều nghiên cứu và

đo đạc

III.1.2 Hệ đo phổ hấp thụ tự động [1]

Được chúng tôi thực hiện đo tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, KhoaVật lý Trường đại học Khoa học Huế

III.1.2a Nguyên lý hoạt động của hệ đo:

Nguồn kích thích là một đèn halogen 1 được chiếu qua hệ thấu kính hội tụ

7 Hệ thấu kính này hội tụ vào khe của máy đơn sắc 2, trước khi vào máy đơn sắc

2 chùm sáng phải qua bộ điều biến 8 để có chùm tia sáng nhấp nháy theo thời gian

Ở khe vào điều biến có một kính lọc tử ngoại Trước khe vào máy đơn sắc có mộttấm hình tròn có đục một lổ rất nhỏ có mục đích giảm cường độ chùm sáng đi vào

1: Nguồn kích thích 2: Máy đơn sắc 3: PTM

4: Khuyếch đại 5: Ghi và hiển thị PC 6: Mô tơ bước

7: Hệ thấu kính hội tụ 8: Điều biến

10: Mô tơ bước

Hình 11 : Sơ đồ nguyên lý hệ đo phổ quang phát quang

(đối với việc đo phổ đèn, còn để đo phổ truyền qua của ruby chúng tôi đã gắn mẫuruby vào trước khe vào của máy đơn sắc 2).

Sau khi đi vào máy đơn sắc 2 chùm ánh sáng phát quang sẽ bị tán sắc và

ở khe ra máy đơn sắc thu được bức xạ đơn sắc có tần số xác định Các tia sáng đơnsắc được thu nhận nhờ nhân quang điện 3, tại đây tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyểnthành tín hiệu điện Tín hiệu điện sẽ được khuếch đại bằng kỹ thuật lọc lựa hoặctách sóng đồng bộ sử dụng Lock-in Amplifier (đây là bộ khuyếch đại hiện có tạiphòng thí nghiệm), kỹ thuật này nhằm loại bỏ nhiễu và làm tăng tỉ số tín hiệu trênnhiễu, tín hiệu thu được ở lối ra của bộ Lock-in Amplifier 4 là tín hiệu tương tự(Analog) được đưa vào Card chuyển đổi ADC, tại đây tín hiệu tương tự sẽ đượcchuyển đổi thành tín hiệu số (Digital) để đưa vào máy vi tính PC 5, máy vi tính sẽghi lại kết quả và xữ lý Để tạo ra tín hiệu chuẩn, người ta dùng một bộ điều biếnquang học (chopper), bộ phận này vừa điều biến tín hiệu quang vừa tạo tín hiệuchuẩn cho bộ khuyếch đại Lock-in Amplifier Đây là tín hiệu chuẩn (reference) để

so sánh với tín hiệu lối vào về tần số và pha dao động của chúng Việc thay đổibước sóng sử dụng motor bước để quay cách tử trong máy đơn sắc Việc điều khiểnmotor bước được thực hiện nhờ máy vi tính qua Card chuyển đổi DAC, điều nàyphù hợp với việc điều khiển hệ thống từ máy vi tính qua motor 6 bước ghép nối vớimáy đơn sắc nhờ một chương trình phần mềm chuyên dụng

Kết quả ta thu được cường độ của phổ đèn I0 () (khi ở khe vào của máyđơn sắc chưa gắn mẫu) và cường độ độ truyền qua ruby I() (khi khe vào của máyđơn sắc đã có mẫu ruby)

Sơ đồ thiết bị thực của hệ đo này tại Phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn ,Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế

III.1.2 b Một số thiết bị thực tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn