Theo đánh giá của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, Việt Nam là mộtquốc gia có tiềm năng lớn về đá quý bởi vì so với nguồn đá quý trên thế giới thì tàinguyên đá quý ở Việt Nam cũng không kém phần đa dạng và phong phú bao gồmnhiều loại như: Ruby, kim cương, saphia…Và trong số đó spinel là một loại đá quýchỉ đứng sau ruby và kim cương đỏ về mặt giá trị và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Spinel có màu trắng tinh khiết nhưng tạp chất cho nó một loạt màu sắc khác nhau. Vì vậy, trong nhiều năm qua đã có nhiều tác giả nghiên cứu về cách chế tạo đáquý spinel bằng phương pháp gốm và khảo sát phổ phát quang của nó khi pha tạp cácion kích hoạt. Những bài viết của họ đã thu hút sự quan tâm nhiều độc giả và mang lạinhiều lợi ích trong các lĩnh vực đời sống. Qua tìm hiểu tôi nhận thấy hầu hết các màu sắc của spinel được dùng làm đồ trang sức nhưng có giá trị và phổ biến nhất là màu đỏ ruby. Với những viên spinel có màu quan sát được là đỏ hay hồng thì các ion kích hoạt chủ yếu là Cr+3 Với khá nhiều ứng dụng của spinel trong lĩnh vực phát quang và thẩm mỹ đãthôi thúc tôi tìm hiểu việc chế tạo đá quý spinel bằng phương pháp gốm và khảo sát sựảnh hưởng của ion Cr3+ đến phổ phát quang của vật liệu nền spinel nhân tạo và từ đó tìm ra điều kiện để có được hiệu quả phát quang tốt nhất của vật liệu spinel. Và với những điều kiện hiện có tại phòng thí nghiệm Vật lý trường ĐHSP Đà Nẵng, tôi quyết định chọn đề tài của mình là: “Khảo sát sự ảnh hƣởng của ion Cr3+ đến phổ phát quang của nhóm vật liệu MO.Al2O”.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA ION Cr3+ ĐẾN PHỔ PHÁT QUANG CỦA NHÓM VẬT LIỆU MO.Al2O3: Cr3+ Ngƣời thực Lớp Khoá Ngành Ngƣời hƣớng dẫn : VÕ THỊ THU SƢƠNG : 11SVL : 2011- 2015 : SƢ PHẠM VẬT LÝ : ThS LÊ VĂN THANH SƠN Đà Nẵng, 04/2015 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng, đặc biệt quý thầy cô Khoa Vật lý hết lòng dạy bảo, trang bị cho tơi nhiều kiến thức quý báu suốt thời gian học tập rèn luyện trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Lê Văn Thanh Sơn, tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt thời gian làm khóa luận tốt nghiệp Bên cạnh đó, xin cảm ơn đến bạn sinh viên nhóm làm quang phổ giúp đỡ tơi nhiều việc chế tạo mẫu vật liệu trao đổi kiến thức cần thiết việc làm khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè giúp đỡ, động viên tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập hồn thành khóa luận Đà Nẵng, tháng năm 2015 Sinh viên thực Võ Thị Thu Sương SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn MỤC LỤC A MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài .5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 6 Tính thực tiễn đề tài .6 Cấu trúc đề tài B NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT CHƢƠNG I: HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG 1.1 Khái niệm tượng phát quang 1.2 Cơ chế phát quang phân tử 1.3 Phân loại tượng phát quang 1.4 Vật liệu phát quang 16 1.5 Phổ phát quang 17 1.6 Cường độ phát quang 18 1.7 Những định luật phát quang 18 1.7.1 Định luật khơng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích 18 1.7.2 Định luật Stock-Lomem 19 1.7.3 Định luật đối xứng gương phổ hấp thụ phổ phát quang 20 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT VỀ SPINEL 21 2.1 Thành phần hoá học cấu trúc tinh thể spinel 21 2.2 Phổ hấp thụ spinel 23 2.3 Phát quang spinel 24 2.4 Bao thể 26 2.5 Các phương pháp xử lý tổng hợp 26 2.6 Các nguồn spinel ………………………………………………………………22 SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn CHƢƠNG III: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT VỀ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ ION KÍCH HOẠT Cr3+ 29 3.1 Sơ lược ion kim loại chuyển tiếp 29 3.2 Lí thuyết ion kích hoạt Cr3+ 30 PHẦN II: THỰC NGHIỆM 32 CHƢƠNG I: THÍ NGHIỆM .32 1.1 Các mẫu chế tạo 32 1.2 Các bước chế tạo mẫu 32 1.3 Phương pháp đo phổ phát quang …………………………………………… 29 CHƢƠNG II : KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT .34 2.1 Kết 34 2.1.1 Kết phổ phát quang nhóm vật liệu MO.Al2O3: Cr3+ 2% 34 2.1.2 Kết khảo sát phổ phát quang nhóm vật liệu MO.Al2O3: Cr3+ thay đổi nồng độ ion Cr3+ 37 2.2 Thảo luận .44 C KẾT LUẬN .46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn DANH MỤC HÌNH Hình 1: Cơ chế phát quang phân tử Hình 2: Cơ chế phát quang cưỡng Hình 3: Quá trình phát quang tâm bất liên tục A Hình 4: Quá trình phát quang tái hợp A Hình 5: Tế bào mạng spinel Hình 6: Phổ hấp thụ spinel màu đỏ (chứa nhiều Cr) Hình 7: Phổ phát quang spinel Hình 8: Các khu vực phân bố spinel chủ yếu giới Hình 9: Spinel màu nâu đỏ với humit đá hoa Lục Yên Hình 10: Tinh thể spinel đá hoa canxit viên spinel chế tác Hình 11: Giản đồ Tanabe – Sugano cho cấu hình d3 Hình 12: Máy đo quang phổ Hình 13: Phổ phát quang MgO.Al2O3: Cr3+ 2% Hình 14: Phổ phát quang ZnO.Al2O3: Cr3+ 2% Hình 15: Phổ phát quang BaO.Al2O3: Cr3+ 2% Hình 16: Phổ phát quang SrO.Al2O3: Cr3+ 2% Hình 17: Phổ phát quang MO.Al2O3: Cr3+ 2% (M: Mg, Ba, Zn, Sr) Hình 18: Phổ phát quang MgO.Al2O3: Cr3+ thay đổi nồng độ ion Cr3+ Hình 19: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc diện tích phổ phát quang vào nồng độ ion Cr3+ vật liệu MgO.Al2O3: Cr3+ Hình 20: Phổ phát quang ZnO.Al2O3: Cr3+ thay đổi nồng độ ion Cr3+ Hình 21: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc diện tích phổ phát quang vào nồng độ ion Cr3+ vật liệu ZnO.Al2O3: Cr3+ Hình 22: Phổ phát quang BaO.Al2O3: Cr3+ thay đổi nồng độ ion Cr3+ Hình 23: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc diện tích phổ phát quang vào nồng độ ion Cr3+ vật liệu BaO.Al2O3: Cr3+ Hình 24: Phổ phát quang SrO.Al2O3: Cr3+ thay đổi nồng độ ion Cr3+ Hình 25: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc diện tích phổ phát quang vào nồng độ ion Cr3+ vật liệu SrO.Al2O3: Cr3+ SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn A MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Theo đánh giá nhiều nhà nghiên cứu nước, Việt Nam quốc gia có tiềm lớn đá quý so với nguồn đá quý giới tài nguyên đá quý Việt Nam không phần đa dạng phong phú bao gồm nhiều loại như: Ruby, kim cương, saphia…Và số spinel loại đá quý đứng sau ruby kim cương đỏ mặt giá trị ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống Spinel có màu trắng tinh khiết tạp chất cho loạt màu sắc khác Vì vậy, nhiều năm qua có nhiều tác giả nghiên cứu cách chế tạo đá quý spinel phương pháp gốm khảo sát phổ phát quang pha tạp ion kích hoạt Những viết họ thu hút quan tâm nhiều độc giả mang lại nhiều lợi ích lĩnh vực đời sống Qua tìm hiểu tơi nhận thấy hầu hết màu sắc spinel dùng làm đồ trang sức có giá trị phổ biến màu đỏ ruby Với viên spinel có màu quan sát đỏ hay hồng ion kích hoạt chủ yếu Cr+3 Với nhiều ứng dụng spinel lĩnh vực phát quang thẩm mỹ thúc tơi tìm hiểu việc chế tạo đá q spinel phương pháp gốm khảo sát ảnh hưởng ion Cr3+ đến phổ phát quang vật liệu spinel nhân tạo từ tìm điều kiện để có hiệu phát quang tốt vật liệu spinel Và với điều kiện có phòng thí nghiệm Vật lý trường ĐHSP Đà Nẵng, tơi định chọn đề tài là: “Khảo sát ảnh hƣởng ion Cr3+ đến phổ phát quang nhóm vật liệu MO.Al2O3:Cr3+” Mục đích đề tài Mục đích đề tài nhằm: - Tìm hiểu lý thuyết phát quang - Tìm hiểu cách chế tạo spinel phương pháp gốm - Khảo sát ảnh hưởng ion Cr3+ lên phổ phát quang vật liệu spinel nhân tạo nồng độ ion Cr3+ để vật liệu spinel phát quang tốt Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: MO.Al2O3 pha tạp ion Cr3+ ( Với M Mg, Ba, Zn, Sr) SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn - Phạm vi nghiên cứu : Nghiên cứu khả chế tạo đá quý spinel phương pháp gốm, khảo sát ảnh hưởng ion Cr3+ đến phổ phát quang vật liệu spinel nhân tạo Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu vấn đề lí luận phát quang - Nghiên cứu thành phần, cấu trúc tinh thể, tính chất hấp thụ phát xạ đá quý spinel - Nghiên cứu thực nghiệm: + Nghiên cứu cách chế tạo mẫu vật liệu MO.Al2O3 pha tạp ion Cr3+ ( Với M Mg, Ba, Zn, Sr) + Tiến hành đo phổ phát quang ion Cr3+ vật liệu MO.Al2O3 ( Với M Mg, Ba, Zn, Sr) Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu tham khảo Chế tạo mẫu vật liệu phát quang phòng thí nghiệm vật lý trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng Đo phổ phát quang nhằm xác định cường độ phát quang phòng thí nghiệm trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng Tính thực tiễn đề tài Qua đề tài rút được: Cách chế tạo vật liệu MO.Al2O3 ( Với M Mg, Ba, Zn, Sr) tương đối Ảnh hưởng ion kích hoạt Cr3+ lên vật liệu MO.Al2O3 ( Với M Mg, Ba, Zn, Sr) Đề tài làm tài liệu tham khảo cho bạn sinh viên chế tạo khảo sát phổ phát quang vật liệu spinel nhân tạo sau Cấu trúc đề tài A MỞ ĐẦU B.NỘI DUNG PHẦN 1: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT CHƢƠNG I: HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn CHƢƠNG II: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ SPINEL CHƢƠNG III: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ ION KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP VÀ ION KÍCH HOẠT Cr3+ PHẦN 2: THỰC NGHIỆM CHƢƠNG I: THÍ NGHIỆM CHƢƠNG II: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT C KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn B NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT CHƢƠNG I: HIỆN TƢỢNG PHÁT QUANG 1.1 Khái niệm tƣợng phát quang: Một số chất rọi sáng (bằng tia tử ngoại, tia X, tia γ) phát xạ có thành phần quang phổ ánh sáng tới xác định với thành phần hóa học cấu tạo chất Dạng xạ gọi xạ phát quang Không phải tất chất phát quang Đối với chất có khả phát quang, muốn quan sát ánh sáng phát quang phải truyền cho lượng Bức xạ phát quang có tính chất đặc biệt: + Ở nhiệt độ, xạ phát quang có cường độ lớn so với cường độ xạ nhiệt (đối với khoảng quang phổ) + Sự phát quang chất tiếp tục kéo dài khoảng thời gian sau ngừng kích thích Khoảng thời gian gọi thời gian phát quang dư hay thời gian phát quang + Bức xạ phát quang xạ riêng: Mỗi chất có phổ phát quang riêng Theo Vavilơp “ Hiện tượng phát quang tượng chất phát quang phát xạ dư xạ nhiệt trường hợp mà xạ dư kéo dài khoảng thời gian 10-16 (s) lớn hơn.” Định nghĩa giúp ta phân biệt tượng phát quang với xạ nhiệt 1.2 Cơ chế phát quang phân tử: Năng lượng phân tử tổng lượng điện tử, lượng dao động hạt nhân lượng quay phân tử Trong đó, lượng điện tử lớn lượng quay phân tử bé Tất lượng bị lượng tử hố Trong Hình 1: Các mức 0’’ 0’ mức dao động thấp trạng thái I trạng thái kích thích II phân tử Mỗi giá trị lượng điện tử ứng với số lượng dao động Nếu bỏ qua lượng quay ứng với trạng thái I II có số mức lượng: 0’’, 1’’, 2’’, 3’’, 4’’… 0’, 1’, 2’, 3’, 4’… SVTH: Võ Thị Thu Sương Trang: Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Thanh Sơn Sự phân bố phân tử nằm mức dao động trạng thái tính theo công thức Boltzman: N i N 0e Ei kT Trong đó: Ni: số phân tử mức i N0: tổng số phân tử Ei: lượng dao động ứng với mức i k: số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối Từ cơng thức trên, nhiệt độ phòng điều kiện kT