Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian ủ lên phổ phát quang của nhóm vật liệu MO sio2, b2o3 pha tạp mn

Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian ủ lên phổ phát quang của nhóm vật liệu MO sio2, b2o3 pha tạp mn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Để hoàn thành khóa luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn Khoa Vật lý, trường Đại học

Sư Phạm – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp này

Tôi cũng xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Thanh Sơn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn tới các bạn trong nhóm nghiên cứu khóa 2011 đã giúp tôi nhiều trong việc hoàn thành khóa luận

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành khóa luận trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi mong nhận được sự thông cảm và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đỗ Thị Phúc

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích, đối tượng, nội dung, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu 1

2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

2.2 Đối tượng nghiên cứu 1

2.3 Nội dung nghiên cứu 1

2.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

2.5 Phương pháp nghiên cứu 2

2.6 Cấu trúc của đề tài 2

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG 3

1.1.Vật liệu phát quang 3

1.2 Định nghĩa hiện tượng phát quang 3

1.3 Phân loại các dạng phát quang 4

1.3.1 Phân loại theo tính chất động học xảy ra trong chất phát quang 4

1.3.2 Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau khi ngừng kích thích 7

1.3.3 Phân loại theo phương pháp kích thích 7

1.3.4 Sự khác nhau giữa phổ phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái hợp 7

1.3.4.1 Phổ hấp thụ và phổ bức xạ 7

1.3.4.2 Thời gian kéo dài của trạng thái kích thích 8

1.3.4.3 Định luật tắt dần của sự phát quang 8

1.3.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 11

1.3.4.5 Tính chất điện của chất phát quang 12

1.4 Những tính chất quang học cơ bản của các chất phát quang 12

1.4.1 Phổ hấp thụ và phổ phát quang 12

1.4.2.Hiệu suất phát quang 13

1.4.3 Sự tắt dần ánh sáng phát quang 13

1.5 Những định luật cơ bản về sự phát quang 14

1.5.1 Định luật về sự không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích 14

1.5.2 Định luật Stock-Lomen 14

1.5.3 Định luật đối xứng gương của phổ hấp thụ và phổ phát quang 15

CHƯƠNG II: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG 16

2.1 Đèn huỳnh quang 16

2.2 Đèn LED ( Light Emitting Diod) 17

2.3 Ống tia Cathode 18

2.4 Tấm tăng quang trong chụp phim X - quang 19

3.1 Một số hợp chất của Canxi (Ca) 21

3.1.1 Canxi cacbonat (CaCO3) 21

3.1.2 Canxi Oxit (CaO) 21

3.2 Một số hợp chất của Bari (Ba) 21

3.2.1 Bari cacbonat (BaCO3) 21

3.2.2 Bari oxit (BaO) 21

3.3 Một số hợp chất của Stronti (Sr) 22

3.3.1 Stronti cacbonat (SrCO3) 22

3.3.2 Stronti oxit (SrO) 22

3.4 Một số hợp chất của Bo (Bo) 22

3.4.1 Axít Boric (H3BO3) 22

3.4.2 Bo oxit (B2O3) 22

3.5 Sơ lược về kim loại chuyển tiếp 22

3.5.1 Lý thuyết về mangan (Mn) 23

3.5.2 Lý thuyết về ion Mn2+ 23

PHẦN B: THỰC NGHIỆM 25

1.Chế tạo mẫu 25

1.1.Các bước chế tạo 25

1.2.Các vật liệu đã chế tạo 25

2.Kết quả 26

2.1.Phổ phát quang của các vật liệu khi chưa tiến hành ủ 26

2.2 Kết quả phổ phát quang trong cùng thời gian ủ 27

2.2.1 Kết quả 12 giờ 27

2.2.2 Kết quả 24 giờ 28

2.2.3 Kết quả 36 giờ 29

2.2.4 Kết quả 48 giờ 30

2.2.5 Kết quả 60 giờ 31

2.3 Kết quả phổ phát quang khi thay đổi thời gian ủ 32

2.3.1 Vật liệu 1_BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ 32

2.3.2 Vật liệu 2_CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ 34

2.3.3 Vật liệu 3_SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ 36

PHẦN C: KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

Hình 1 Quá trình phát quang tâm bất liên tục A; X là kích thích; M là bức xạ và H là dao

động nhiệt 1

Hình 2 Quá trình phát quang tâm tái hợp A; X là kích thích tâm S; truyền năng lượng T và M là bức xạ tâm A 1

Hình 3 Cơ chế phát quang cưỡng bức 1

Hình 5 Phát xạ cưỡng bức 9

Hình 6 Cấu tạo của đèn huỳnh quang 16

Hình 7 Cấu tạo đèn LED 17

Hình 8 Tivi màn hình LED 18

Hình 9 Màn hình CRT (Cathode Ray Tube) được chiếu sáng 19

Hình 10 Quá trình chụp phim X quang 20

Hình 11 Giản đồ Tanabe – Sugano cho cấu hình d5 24

Hình 12 Phổ phát quang của các vật liệu khi chưa tiến hành ủ 26

Hình 13 Phổ phát quang của các vật liệu khi tiến hành ủ trong 12 giờ 27

Hình 14 Phổ phát quang của các vật liệu khi tiến hành ủ trong 24 giờ 28

Hình 15 Phổ phát quang của các vật liệu khi tiến hành ủ trong 36 giờ 29

Hình 16 Phổ phát quang của các vật liệu khi tiến hành ủ trong 48 giờ………… …….30

Hình 17 Phổ phát quang của các vật liệu khi tiến hành ủ trong 60 giờ ………31

Hình 18 Phổ phát quang của vật liệu 1_BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi thời gian ủ 32 Hình 19 Đường biễu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang của vật liệu 1_BaO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi thời gian ủ 33

Hình 20 Phổ phát quang của vật liệu 2_CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi thời gian ủ 34 Hình 21 Đường biễu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang của vật liệu 2_CaO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi thời gian ủ 35

Hình 22 Phổ phát quang của vật liệu 3_SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi thời gian ủ 36

Hình 23 Đường biễu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang của vật liệu 3_SrO.SiO2.B2O3:Mn2+ khi thay đổi thời gian ủ 37

Hiện nay, ngành vật liệu phát quang luôn giữ vai trò rất quan trọng và trở thành một trong số các ngành mũi nhọn như điện tử với các màn hình oscilloscope, màn hình phẳng điện huỳnh quang mới, cũng như nhiều phần liên quan tới điện tử hàng không

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống, ngành vật liệu phát quang không ngừng phát triển để đưa ra nhiều vật liệu khác nhau với đặc tính tốt hơn đáp ứng nhu cầu trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Đây là lĩnh vực luôn được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu

Từ đặc tính phát quang của vật liệu, đặc biệt đối với các vật liệu phát ra các màu sáng

cơ bản: xanh lục, xanh lam, đỏ Lợi dụng đặc tính phát quang của vật liệu nền borate pha tạp Mn trong vùng ánh sáng đỏ, tôi tiến hành nghiên cứu phổ phát quang khi thay

đổi thời gian ủ vật liệu Với những lý do trên, đề tài được chọn : “ Khảo sát sự ảnh

hưởng của thời gian ủ lên phổ phát quang của nhóm vật liệu MO.SiO 2 B 2 O 3 pha tạp Mn“

2 Mục đích, đối tượng, nội dung, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Khảo sát phổ phát quang của vật liệu MO.SiO2.B2O3 pha tạp Mn khi thay đổi thời gian ủ

2.2 Đối tượng nghiên cứu

- Lý thuyết phát quang, lý thuyết kim loại chuyển tiếp

- Các vật liệu pha tạp Mn

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan lý thuyết về hiện tượng phát quang và các đặc trưng phổ phát quang của Mn2+ trong các nền khác nhau

- Nghiên cứu lý thuyết trường tinh thể, giản đồ Tanabe - Sugano

- Tìm hiểu hệ đo quang phổ QE6500

- Khảo sát các đặc trưng quang phổ của vật liệu chế tạo được thông qua các phép đo

để đưa ra kết luận về ảnh hưởng của thời gian ủ đến phổ phát quang của các vật liệu

2.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục đích và các nội dung nghiên cứu trên, tôi đề ra các nhiệm vụ cần

thực hiện như sau:

- Nghiên cứu các tài liệu về lý thuyết phát quang, lý thuyết kim loại chuyển tiếp

- Xác định phương pháp và xây dựng quy trình chế tạo vật liệu

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách sử dụng các thiết bị phục vụ cho quá trình chế tạo, ủ vật liệu và thực hiện các phép đo phổ phát quang

- Xử lý các số liệu thực nghiệm, viết và hoàn chỉnh đề tài

2.5 Phương pháp nghiên cứu

- Tiến hành chế tạo vật liệu bằng phương pháp pha rắn

- Tiến hành ủ trong lò nung

- Đo phổ phát quang

- Sử dụng phần mềm Orgin chuyên dụng để xử lý số liệu

2.6 Cấu trúc của đề tài

- Phần mở đầu: Gồm 2 trang giới thiệu chung về khóa luận

- Phần nội dung: Gồm 3 phần

Phần A: Tổng quan lý thuyết

Chương I: Hiện tượng phát quang

Chương II: Một số ứng dụng của vật liệu phát quang

Chương III: Tìm hiểu về một số hợp chất, ion kim loại chuyển tiếp

Phần B: Thực nghiệm

Phần C: Kết luận

PHẦN A: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG 1.1.Vật liệu phát quang

Trong tự nhiên và nhân tạo, nhiều chất có khả năng hấp thụ năng lượng bên ngoài

để đưa các phân tử lên trạng thái kích thích và chuyển về trạng thái cơ bản với bức xạ ánh sáng Các chất có khả năng biến đổi các dạng năng lượng khác nhau (quang năng, điện năng, nhiệt năng…) thành quang năng gọi là chất phát quang

Dưới dạng tinh thể hay thủy tinh, các vật liệu phát quang có thể chuyển đổi các dạng năng lượng thành bức xạ điện từ và bức xạ nhiệt Mỗi vật liệu phát quang khác nhau có phổ phát quang khác nhau, sự phát quang được kích thích bởi nhiều loại năng lượng

Vật liệu phát quang là hệ gồm mạng chủ, ion kích hoạt và ion tăng nhậy (nếu có) Các quá trình trong hệ xảy ra như sau: bức xạ kích thích có thể được hấp thụ bởi ion kích hoạt, ion tăng nhậy hoặc mạng chủ; trường hợp hấp thụ bởi ion kích hoạt thì ion được nâng lên trạng thái kích thích sau đó quay về trạng thái cơ bản bằng sự phát xạ bức xạ; trường hợp hấp thụ bởi các ion tăng nhạy hay mạng chủ thì xảy ra quá trình truyền năng lượng đến ion kích hoạt, sau đó kích thích ion kích hoạt phát xạ

Thực tế, quá trình phát xạ bức xạ cạnh tranh với quá trình chuyển dời không bức xạ,

để tạo ra những vật liệu phát quang hiệu quả thì phải loại bỏ những quá trình không bức xạ

Hầu hết các nhà nghiên cứu về vật liệu phát quang đều tập trung đến bức xạ trong vùng khả kiến, tuy nhiên cũng có trường hợp nghiên cứu phổ quay, phổ dao động phân

tử với bức xạ trong vùng hồng ngoại (IR) và tử ngoại (UV)

1.2 Định nghĩa hiện tượng phát quang

Sự bức xạ quang học của những phát quang được gọi là hiện tượng phát quang Thông thường phát quang nằm trong vùng quang học, nghĩa là vùng tử ngoại đến hồng ngoại Tuy nhiên, nếu dùng bức xạ hạt để kích thích thì sự phát quang cũng có thể là những bức xạ nằm trong vùng tử ngoại

Trong thiên nhiên, ngoài các bức xạ quang học, chúng ta còn có các bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối, ánh sáng phản xạ hoặc khuếch tán Các ánh sáng này cũng nằm trong vùng quang học Phát quang là dạng bức xạ riêng để phân biệt với ánh sáng khuếch tán hoặc phản xạ

Theo Vavilôp, hiện tượng phát quang là hiện tượng các chất phát quang phát ra

bức xạ còn dư đối với bức xạ nhiệt trong trường hợp mà bức xạ còn dư đó kéo dài trong khoảng thời gian 10 -16 (s) hoặc lớn hơn

Định nghĩa giúp phân biệt phát quang với các dạng bức xạ khác Ở nhiệt độ phòng,

bức xạ quang học của nhiều chất phát quang phát ra ánh sáng ở vùng khả kiến hoặc

đôi khi ở vùng tử ngoại; đối với vật đen tuyệt đối thì bức xạ nhiệt ở nhiệt độ phòng thực tế là không chứa ánh sáng khả kiến hay tử ngoại

1.3 Phân loại các dạng phát quang

1.3.1 Phân loại theo tính chất động học xảy ra trong chất phát quang

Gồm hai loại:

- Phát quang của tâm bất liên tục:

+ Định nghĩa: quá trình từ khi hấp thụ năng lượng đến khi bức xạ đều xảy ra trong cùng một tâm nhất định Tâm này có thể là phân tử, tập hợp phân tử hay ion

+ Đặc điểm của sự phát quang: quá trình xảy ra trong những tâm bất liên tục hoàn toàn độc lập với nhau; sự tương tác giữa những tâm liên tục cũng như ảnh hưởng của môi trường bên ngoài đối với chúng nói chung là không đáng kể Do đó, khả năng phát quang chỉ do những quá trình xảy ra trong nội tâm phát quang quy định mà không có

sự tham gia của những tá nhân bên ngoài Tác nhân bên ngoài trong nhiều trường hợp

- Phát quang tái hợp:

+ Định nghĩa: loại phát quang trong đó những quá trình chuyển hóa năng lượng kích thích sang bức xạ quang học đều có sự tham gia của toàn bộ chất phát quang

+ Đặc điểm: Vị trí kích thích không trùng với vị trí bức xạ Sự trao đổi năng lượng

từ vị trí kích thích đến vị trí bức xạ phải qua những quá trình trung gian Những quá trình này liên quan đến sự dịch chuyển của những hạt mang điện (điện tử, lỗ trống hay ion) tiến triển qua một số giai đoạn Đầu tiên, khi kích thích trong chất phát quang xảy

ra quá trình phân ly thành những thành phần mang điện tích trái dấu Sau đó, những thành phần này sẽ dịch chuyển một đoạn đường khá lớn và cuối cùng tái hợp lại với những thành phần mang dấu ngược, thường thì với những thành phần mới chứ không phải những thành phần khi bắt đầu phân ly

Trong hai loại phát quang trên, các quá trình có thể xảy ra tạo một vị trí duy nhất hay qua nhiều vị trí trung gian nhưng cuối cùng cũng chuyển từ trạng thái kích thích

về trạng thái cơ bản để phát ánh sáng phát quang Dựa vào tính chất khác nhau của sự chuyển về trạng thái cơ bản, Vavilop đã phân loại như sau:

- Phát quang tự phát: xảy ra khi phân tử ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái

cơ bản do tác dụng của trường nội tại của phân tử Đặc điểm của sự phát quang tự phát

là không phụ thuộc gì vào tác dụng của những yếu tố bên ngoài

- Phát quang 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 ngoài (ví dụ như ánh sáng, nhiệt độ,…) Gồm hai giai đoạn:

 Giai đoạn một: chuyển điện tử từ mức siêu bền III lên mức II do tác dụng bên ngoài

Hình 2 Quá trình phát quang tâm tái hợp A; X là kích thích tâm S; truyền

năng lượng T và M là bức xạ tâm A

A

T

S

 Giai đoạn hai: chuyển điện tử từ mức II về mức cơ bản I

Trong hai loại phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái hợp bao gồm cả sự phát quang tự phát và phát quang cưỡng bức Chúng ta có thể tóm tắt sự phân loại theo sơ đồ sau:

Phát quang tái hợp

Phát quang do tái hợp trực tiếp

Phát quang do tái hợp phức tạp qua những khâu trung gian

Phát quang

tự phát

Phát quang cưỡng bức

Phát quang

tự phát

Phát quang cưỡng bức Phát quang

1.3.2 Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau khi ngừng kích thích

- Huỳnh quang: hiện tượng phát quang tắt ngay sau khi ngừng kích thích Thời gian

sống  10-8(s) Bản chất của huỳnh quang là sự hấp thụ diễn ra ở các tâm hấp thụ thì bức xạ cũng xảy ra ở các tâm hấp thụ đó

- Lân quang: hiện tượng phát quang vẫn còn quan sát được sau khi ngừng kích thích

Thời gian sống  10-8(s) Bản chất của lân quang là sự hấp thụ có thể xảy ra ở tâm này nhưng lại bức xạ ở tâm khác

1.3.3 Phân loại theo phương pháp kích thích

- Quang phát quang: sự phát quang khi kích thích bởi ánh sáng trong vùng quang học

- Cathod phát quang: sự phát quang khi kích thích bằng chùm điện tử Cathod phát quang có thể chia làm hai loại: Âm cực phát quang và dương cực phát quang

- Ma sát phát quang: sự phát quang khi kích thích bởi năng lượng cơ học (có nghĩa khi bị chà sát hay xay nghiền)

- Tia X phát quang: sự phát quang khi kích thích bằng tia X

- Hóa phát quang: sự phát quang do các phản ứng hóa học

- Điện phát quang: sự kích thích vật liệu phát quang dưới tác dụng của dòng điện

- Sinh phát quang: sự phát ra ánh sáng từ các cơ thể sống

- Phóng xạ phát quang: sự phát quang khi kích thích bằng phóng xạ hạt nhân như tia

γ, tia β, tia X,…

1.3.4 Sự khác nhau giữa phổ phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái hợp

1.3.4.1 Phổ hấp thụ và phổ bức xạ

- Phát quang của tâm bất liên tục: Sự hấp thụ ánh sáng kích thích và sự bức xạ ánh

sáng phát quang xảy ra ở cùng một tâm phát quang Do đó, phổ hấp thụ và phổ bức xạ

có sự liên hệ chặt chẽ về cấu trúc

- Phát quang tái hợp: Sự hấp thụ ánh sáng kích thích và sự bức xạ ánh sáng phát

quang xảy ra ở hai nơi khác nhau Do đó, phổ hấp thụ và phổ bức xạ không có liên quan với nhau

1.3.4.2 Thời gian kéo dài của trạng thái kích thích

- Tâm bất liên tục: Thời gian kéo dài của sự phát quang của tâm bất liên tục tùy thuộc

vào tính chất trạng thái kích thích: thời gian kéo dài trạng thái kích thích bé thì thời gian phát quang cũng bé Bước chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản là

bước chuyển cho phép thì thời gian kéo dài trạng thái kích thích vào khoảng vài phần

triệu giây ; trường hợp bước chuyển bị cấm, điện tử ở trạng thái kích thích khá lâu

khoảng thời gian từ vài phần nghìn giây đến vài giây – thường ứng với mức siêu bền

III, sau đó các điện tử được giải phóng khỏi mức siêu bền dưới tác dụng của tác nhân bên ngoài (ví dụ như hấp thụ nhiệt)

Nếu không có tác động của tác nhân bên ngoài, điện tử cũng có thể phát quang tự phát từ mức siêu bền III về mức cơ bản I nhưng xác suất dịch chuyển rất thấp Do đó, thời gian phát quang kéo dài trong bước chuyển tự phát khỏi mức siêu bền lớn hơn

nhiều so với phát quang kéo dài trong bước chuyển cưỡng bức

Hình 4 Mức siêu bền ảnh hưởng đến thời gian kéo dài trạng thái kích thích

Tóm lại, sự phát quang của những tâm bất liên tục trong mọi trường hợp có thời

gian kéo dài từ vài phần triệu giây đến vài giây

- Phát quang tái hợp: Sự phát quang tái hợp có thời gian kéo dài có thể vào khoảng

10-7 đến 10-5 (s) Tuy nhiên, đa số trường hợp thường lớn hơn 10-3 (s)

1.3.4.3 Định luật tắt dần của sự phát quang

- Tâm bất liên tục

+ Phát quang tự phát:

Gọi  là xác suất của bước chuyển từ mức kích thích về mức cơ bản; n 0 là số điện

tử trên mức kích thích tại thời điểm ban đầu (khi bắt đầu tắt dần); n là số điện tử trên mức kích thích tại thời điểm t kể từ thời điểm ban đầu

Ta có: dn = - αndt (1.1)

Từ đó lấy tích phân, ta có: n = n e0 - t (1.2)

I III

II

Với J 0 và J là cường độ ánh sáng phát quang tại thời điểm ban đầu và tại thời điểm

t kể từ thời điểm ban đầu Ta có: 0 - t

+ Phát xạ cưỡng bức: Quá trình phát quang tiến triển theo hai giai đoạn Đầu tiên,

điện tử do tác dụng của các tác nhân bên ngoài từ mức siêu bền III nhảy lên mức kích thích II, sau đó từ mức kích thích II chuyển tự phát về mức cơ bản Trường hợp này, thời gian kéo dài của sự phát quang do quá trình đầu tiên (III → II) quy định vì xác suất chuyển dời từ mức II về mức I rất lớn nên thời gian kéo dài thấp hơn, hay nói cách khác điện tử sau khi chuyển lên mức II thì lập tức nhảy về mức I Sự thay đổi số điện tử trên mức siêu bền III cũng tuân theo phương trình (1.2) nên định luật tắt dần cũng là định luật hàm số mũ

Hình 5 Phát xạ cưỡng bức

Tuy nhiên vì bước chuyển từ mức III lên mức II phải có tác nhân bên ngoài (ở đây

là nhiệt độ) nên xác suất giải phóng điện tử khỏi mức siêu bền phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ càng lớn thì  càng lớn

- Phát quang tái hợp:

+ Tái hợp trực tiếp:

Gọi n là số ion dương tạo nên trong khi kích thích, n cũng chính là số điện tử hay

số ion âm Số lần tái hợp trong đơn vị thời gian rõ ràng phải phụ thuộc vào cả số ion

dương và số ion âm, tức là phụ thuộc vào n2 Do đó ta có:

2

Trong đó : p là xác suất tái hợp

I III

II

Tích phân hai vế phương trình (1.5)

n

n =

pn t+1Cường độ ánh sáng phát quang :

d n

J =

0 2

J (at+1)

Với J 0 = pn , a = pn20 0

Như vậy, định luật tắt dần của phát quang tái hợp trực tiếp là định luật hypecbol cấp hai

+ Tái hợp qua những khâu trung gian:

Trong thực tế, sự tái hợp không phải xảy ra ngay sau khi phân ly mà trước khi tái hợp các ion có thể bị định xứ ở những vị trí đặc biệt trong mạng tinh thể Do đó định luật tắt dần sẽ phức tạp hơn

Định luật tắt dần tuân theo hàm hyperbol cấp phân số:

2 1

pν μ dn

p : xác suất giải phóng điện tử khỏi các mức định xứ

γ : tỉ số giữa xác suất định xứ và xác suất tái hợp

Trong trường hợp phát quang tái hợp mà một thành phần nào đó (như ion dương) thừa quá nhiều so với thành phần kia thì định luật tắt dần vẫn tuân theo hàm số mũ:

Gọi N là số ion dương (là thành phần thừa nhiều so với số ion âm n) ta có:

Như vậy, định luật tắt dần tuân theo định luật hàm số mũ thì chưa có thể quyết đoán

là sự phát quang của tâm bất liên tục hay phát quang tái hợp

1.3.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Tâm bất liên tục:

+ Phát quang tự phát: Nhiệt độ hầu như không ảnh hưởng đến xác suất chuyển dời

tự phát Do đó, thời gian kéo dài phát quang tự phát của tâm bất liên tục không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

+ Phát quang cưỡng bức: Xác suất giải phóng điện tử khỏi các mức siêu bền của

những tâm bất liên tục được cho bởi công thức:

- E/kT

Trong đó: E- Năng lượng cần thiết để giải phóng điện tử

T – Nhiệt độ tuyệt đối

A – Hằng số

Đặc điểm: Khi T càng lớn thì  càng lớn, xác suất tái hợp cũng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ Vậy khi nhiệt độ thay đổi thì thời gian kéo dài của sự phát quang cưỡng bức của tâm bất liên tục sẽ thay đổi rất nhiều

- Phát quang tái hợp: Vận tốc di chuyển của điện tử càng lớn khi nhiệt độ càng tăng,

do đó xác suất tái hợp sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ

1.3.4.5 Tính chất điện của chất phát quang

Khi kích thích một bộ phận của chất phát quang bị ion hóa hay phân ly, số điện tử

tự do trong chất phát quang tăng lên, tính dẫn điện của chất phát quang tăng Như vậy,

sự xuất hiện các điện tử tự do liên quan đến tính điện của chất phát quang

- Tâm bất liên tục: Sự phát quang của tâm bất liên tục xảy ra trong từng phần riêng

biệt của chất phát quang nên khi kích thích không làm cho tính dẫn điện thay đổi

- Phát quang tái hợp: Sự xuất hiện các điện tử tự do là yếu tố quan trọng trong phát

quang tái hợp Khi kích thích thì tính dẫn điện của chất phát quang tái hợp thay đổi Như vậy nghiên cứu sự thay đổi tính chất điện của chất phát quang là vô cùng quan trọng để xác định tính chất của những quá trình xảy ra khi phát quang

1.4 Những tính chất quang học cơ bản của các chất phát quang

1.4.1 Phổ hấp thụ và phổ phát quang

1.4.1.1 Phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ của một chất phát quang là tập hợp những hệ số hấp thụ đặc trưng cho khả năng hấp thụ của chất đó đối với những bước sóng (hay tần số) khác nhau Phổ hấp thụ của các chất phát quang khác nhau là khác nhau, có thể là những dải hẹp hay những dải rộng

+ Tính chất của mức năng lượng

+ Xác suất chuyển dời giữa các mức, đặc biệt là tính siêu bền của một số mức do xác suất chuyển dời khá bé

Ảnh hưởng của môi trường ngoài:

+ Thay đổi vị trí mức và sự tách mức

+ Thay đổi xác suất chuyển dời, đặc biệt làm cho các dịch chuyển bị cấm không còn tác dụng

+ Giải phóng điện tử mức siêu bền bằng cách đưa chúng lên những mức cao hơn do

sự trao đổi nhiệt

Phổ phát quang có thể là các đám rộng, các vạch hẹp tùy vào từng vật liệu

1.4.2 Hiệu suất phát quang

Hiệu suất phát quang cho phép đánh giá khả năng biến đổi giữa năng lượng ánh sáng kích thích sang năng lượng ánh sáng phát quang Người ta đánh giá trên hai đại lượng: hiệu suất năng lượng và hiệu suất lượng tử

Hiệu suất năng lượng: NL P

Q HT

E B

E =

Trong đó, E PQ là năng lượng phát quang; E HT là năng lượng hấp thụ ánh sáng kích

thích

Hiệu suất lượng tử: LT P

Q HT

N

B =

N

Trong đó, N PQ là lượng tử phát quang; N HT là lượng tử hấp thụ ánh sáng kích thích

Thực tế, ánh sáng phát quang có cường độ bé nên việc đo B NL là phép đo khá phức tạp và khó khăn Những chất phát quang thì hiệu suất phát quang chỉ đáng kể ở những điều kiện nhất định Nếu thay đổi điều kiện thì năng lượng hấp thụ có thể chuyển hoàn toàn sang các dạng năng lượng khác mà không phải năng lượng phát quang Vavilop

đã chứng minh rằng trong điều kiện thuân lợi thì hiệu suất năng lượng xấp xĩ bằng một

và thậm chí lớn hơn một

1.4.3 Sự tắt dần ánh sáng phát quang

Khi ngừng không kích thích chất phát quang thì ánh sáng phát quang sẽ tắt dần Thời gian kéo dài của ánh sáng phát quang là một trong những tính chất đáng chú ý Việc xác định thời gian kéo dài của ánh sáng huỳnh quang liên hệ chặt chẽ với việc nghiên cứu quy luật tắt dần Để nghiên cứu, người ta đã tiêu chuẩn hóa cách kích thích

để có cơ sở so sánh giữa các chất phát quang khác nhau Phân thành hai loại:

- Kích thích tức thời: kích thích trong một khoảng thời gian rất ngắn so với chu kì

tắt Trường hợp này, tất cả các trung tâm phát quang được kích thích đồng thời hay toàn bộ năng lượng mà chất huỳnh quang dùng để bức xạ đều được nhận cùng lúc Quy luật tắt dần theo hàm số mũ thì thời gian kích thích tức thời vào khoảng 0.01 đến

0.056 (s) Quy luật tắt dần là quy luật hyberbon thì vấn đề kích thích tức thời phân làm hai loại Trong giai đoạn đầu, khi sự tắt dần tăng rất nhanh thời gian kích thích tức thời phải khá bé so với thời gian kéo dài của giai đoạn tắt dần đang xét Trong giai đoạn sau khi tắt dần giảm chậm hơn thì thời gian kích thích có thể lâu hơn mà vẫn là kích thích tức thời

- Kích thích dài vô hạn: kích thích khá lâu để có sự cân bằng giữa bức xạ và hấp

thụ Quy luật tắt dần theo hàm số mũ, thời gian kích thích dài vô hạn vào khoảng 5 đến

6 (s) Quy luật tắt dần là quy luật hyberbon thì sự tắt dần tương đối chậm hơn Muốn đạt đến sự cân bằng giữa bức xạ và hấp thụ có khi phải kích thích hàng giờ hoặc lâu hơn

Khi sự cân bằng được thực hiện, chất phát quang trong khoảng thời gian nào cũng hấp thụ một năng lượng kích thích đúng bằng năng lượng mà nó tiêu thụ trong quá trình bức xạ và các quá trình tắt khác Như vậy, kết quả của sự kích thích dài vô hạn là trạng thái phát quang đạt đến trạng thái dừng không thay đổi nếu tiếp tục kích thích

1.5 Những định luật cơ bản về sự phát quang

1.5.1 Định luật về sự không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích

Nhiều thí nghiệm đã chứng minh rằng “Phổ phát quang của các phân tử phức tạp trong các môi trường tích tụ (rắn, lỏng) không phụ thuộc vào ánh sáng kích thích.” Giải thích: Khi dùng các ánh sáng kích thích có bước sóng khác nhau, các phân tử

sẽ bị kích thích lên các mức dao động khác nhau Những phần tử chỉ tồn tại ở đây trong một thời gian ngắn hơn thời gian trung bình và chuyển về mức năng lượng của điện tử, phần năng lượng dao động đã bị tiêu hao trong thời gian này Lúc này hệ là các phân tử kích thích có sự phân bố ổn định về năng lượng Sự phân bố này hoàn toàn vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào ánh sáng kích thích Do đó, khi phân tử chuyển từ trạng thái này xuống trạng thái cơ bản sẽ bức xạ ra các ánh sáng có phổ như nhau, không phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích

1.5.2 Định luật Stock-Lomen

Thực nghiệm cho thấy không phải mọi bức xạ đơn sắc đều kích thích được sự phát quang của một chất mà chỉ những bức xạ đơn sắc nằm trong miền hấp thụ của chất đó mới có thể kích thích được sự phát quang Với các chất rắn, lỏng, khí và dung dịch thì

các bức xạ bị vật hấp thụ trải một cách liên tục trong một miền quang phổ gọi là phổ hấp thụ

Khi kích thích vật phát quang (dù chỉ bằng một bức xạ đơn sắc nằm trong miền hấp thụ) thì vật cũng phát ra một loại bức xạ trải một cách liên tục trong một miền quang phổ, gọi là phổ phát quang của chất

Khi nghiên cứu phổ hấp thụ và phát quang, Stock đã tim được định luật (năm

1852): “ Cực đại của phổ phát quang của một chất bao giờ cũng ở một bước sóng lớn

hơn bước sóng ứng với cực đại của phổ hấp thụ của chất đó.”

Giải thích: mỗi nguyên tử hay phân tử của chất huỳnh quang hấp thụ hoàn toàn một phôtôn của ánh sáng kích thích có năng lượng hfht để

chuyển sang trạng thái kích thích Khi ở trong trạng

thái kích thích, nguyên tử hay phân tử này có thể va

chạm với các nguyên tử hay phân tử khác và bị mất

một phần năng lượng Khi trở về trạng thái bình

thường nó sẽ phát ra một phôtôn hfpqcó năng lượng

Về sau, Lomen chính xác hóa định luật Stock như sau: “Toàn bộ phát quang và cực

đại của nó bao giờ cũng dịch về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó.”

1.5.3 Định luật đối xứng gương của phổ hấp thụ và phổ phát quang

Định luật được B.Lopsin phát biểu như sau: “Phổ hấp thụ và phổ phát quang biểu

diễn theo hàm số của tần số đối xứng gương qua đường thẳng vuông góc với trục tần

số và đi qua giao điểm của hai phổ”

PQ

CHƯƠNG II: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG 2.1 Đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang hay gọi là đèn típ gồm điện cực (vonfram), vỏ đèn và lớp bột huỳnh quang Ngoài ra người ta còn bơm vào đèn một ít hơi thủy ngân và khí trơ (Ne, Ar, ) để tăng độ bền của điện cực và tạo ánh sáng màu

Hình 6 Cấu tạo của đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang là dạng đèn phóng điện trong môi trường khí, đòi hỏi phải có một hiệu điện thế hay điện áp ban đầu đủ lớn giữa hai điện cực để tạo ra hồ quang điện kích thích sự phát sáng Do đó, bóng đèn cần phải mồi phóng điện nhờ hai bộ phận là chấn lưu (hay tăng phô) và tắc te (hay chuột) Chấn lưu được mắc nối tiếp với hai đầu điện cực với tác dụng điều chỉnh và ổn định tần số của dòng điện Tắc te được mắc song song với hai đầu điện cực với tác dụng khởi động đèn ban đầu Khi có dòng điện

đi qua, hai cực của nó tích điện đến mức nào đó thì phóng điện

Nguyên lý phát sáng của đèn huỳnh quang: Khi bật công tắc đèn, xảy ra hiện tượng

hồ quang điện tức là sự phóng điện trong khí trơ để kích thích tạo ra ánh sáng Khi dòng điện đi vào, gây ra một hiệu điện thế lớn giữa hai điện cực làm cho dây tóc trên hai đầu điện cực nóng lên, phát xạ các electron và các electron va chạm vào các phân

tử khí trơ làm phóng ra nhiều hạt ion Khi các electron và ion di chuyển trong ống, chúng va chạm vào các nguyên tử khí thủy ngân và phát xạ ra các photon ánh sáng cực tím Những tia cực tím này va chạm vào lớp bột huỳnh quang và phát ra ánh sáng trắng, mắt thường chúng ta nhìn thấy được

Đèn huỳnh quang phát xạ ánh sáng trắng được sinh ra bằng cách kết hợp ba ánh sáng màu xanh lá cây, xanh da trời và màu đỏ do các bột phát quang phát ra

Với ưu điểm, tỏa nhiệt ra môi trường thấp nên đèn huỳnh quang sẽ cho hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với đèn sợi đốt và tuổi thọ cao hơn Bình quân, dùng đèn

huỳnh quang tiết kiệm hơn đèn sợi đốt 8 đến 10 lần Hiện nay, ngoài thị trường xuất

hiện đèn huỳnh quang thu nhỏ (còn gọi là compact) Nó cũng rất giống với đèn huỳnh

quang nhưng hiệu suất phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn

2.2 Đèn LED ( Light Emitting Diod)

LED là các điôt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại

Cấu tạo: Bộ phận quan trọng nhất của đèn LED là chíp LED Chíp LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n Chíp LED phát sáng khi phân cực thuận Ngoài ra còn các bộ phận khác như lớp vỏ, các điện cực,…

Hình 7 Cấu tạo đèn LED

Nguyên lý phát quang của LED: Khối bán dẫn p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương, khối bán dẫn n chứa nhiều điện tử tự do mang điện tích âm Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hay các bức xạ điện từ Tùy theo mức năng lượng giải phóng mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau tức màu sắc của LED sẽ khác nhau

Ưu điểm:

- Đèn LED có thể tạo ra 16 triệu màu khác nhau

- Kích thước nhỏ, tiêu hao ít năng lượng, hiệu suất huỳnh quang cao và tuổi thọ lớn