5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1. Giới thiệu về vật liệu BaMgAl10O17 pha tạp ion Mn4+ và Cr3+
Vật liệu BaMgAl10O17 được quan tâm nghiên cứu từ những năm cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI. Vật liệu BaMgAl10O17 đã và đang được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau. BaMgAl10O17 có cấu trúc và tính chất quang học tốt, thích hợp sử dụng trong các thiết bị quang học mới. Mạng nền BaMgAl10O17 có tính chất vật lý như: độ bền nhiệt, bền cơ học cao, dẫn nhiệt tốt, là chất điện môi điển hình (độ rộng vùng cấm ~6.5eV) với hằng số điện môi thấp và mang lại sự hồi phục bức xạ của các trạng thái kích thích một cách hiệu quả.
Tinh thể BaMgAl10O17 có cấu trúc kiểu hexagonal-𝛽 aluminates, thuộc nhóm không gian 𝑃63|mmC, ô cơ sở có kích thước a = b ≠ c, 𝛼 = 𝛽= 𝛾 = 90°, bao gồm khối spinel (MgAl10O16) chứa các bát diện [AlO6] và các khối tứ diện [AlO4] bị ngăn cách bởi mặt tinh thể gương (BaO). Hình 1.13 là cấu trúc tinh thể BaMgAl10O17 kiểu hexanogal - β aluminates.
Các ion kim loại chuyển tiếp trong mạng tinh thể được sử dụng như các tâm phát quang trong mạng nền. Với cấu hình điện tử không điền đầy ở phân lớp ngoài cùng 3d, các ion kim loại chuyển tiếp sẽ tương tác mạnh với trường tinh thể khi nằm trong mạng nền, dẫn đến sự tách mức năng lượng của ion. Chính sự tách các mức năng lượng làm cho vùng hấp thụ và phát xạ của ion kim loại chuyển tiếp có thể kéo dài từ vùng UV đến vùng nhìn thấy nên có tiềm năng ứng dụng lớn trong chiếu sáng. Các ion kim loại chuyển tiếp Mn4+
và Cr3+cho phát xạ đỏ, đỏ xa được sử dụng để bổ sung thành phần phát xạ đỏ ứng dụng trong các đèn LED màu chuyên dụng cho cây trồng.
Hình 1.13. Tinh thể BaMgAl10O17 có kiểu cấu trúc hexanogal - β aluminates[33]
Cấu trúc nguyên tử và phân tách các mức năng lượng của ion Mn4+ và Cr3+
Mn và Cr là kim loại chuyển tiếp. Mn có điện tích nguyên tố Z = 25 có màu trắng xám, cứng và tương đối giòn, nhiệt độ nóng chảy cao và có nhiều trạng thái oxi hóa. Trạng thái oxi hóa phổ biến là +2, +3, +4, +6 và +7, trong đó +4 là trạng thái bền.
Cấu hình điện tử ứng với ion Mn4+ là: 1s22s22p63s23p63d3.
Cr có điện tích nguyên tố Z = 24 có ánh bạc, nhiệt độ nóng chảy cao và có nhiều trạng thái oxi hóa. Trạng thái oxi hóa phổ biến của Cr là +2, +3, +6, trong đó +3 là trạng thái bền.
Cấu hình điện tử ứng với ion Cr3+ là: 1s22s22p63s23p63d3.
Như vậy, trong cấu hình điện tử của ion Mn4+ và Cr3+ lớp 3d3 chưa được lấp đầy hoàn toàn; các điện tử sắp xếp ở các lớp ngoài cùng nên chúng chịu ảnh hưởng khá mạnh bởi tác động của trường tinh thể.
phức chất tương tự như các ion kim loại chuyển tiếp khác.
Sự phân tách mức năng lượng của ion Mn4+ được thể hiện như hình 1.14
Hình 1.14. Sự phân tách mức năng lượng của Mn4+[26]
Trong nhiều vật liệu phát quang, ion Mn4+ và Cr3+ có cùng cấu hình điện tử (d3) vì thế quá trình hấp thụ và bức xạ của hai ion có khả năng giống nhau trong cùng mạng nền tinh thể.
Khi ion Mn4+ và Cr3+ pha tạp vào mạng nền BaMgAl10O17, chúng sẽ có xu hướng thay thế vào vị trí của ion Al3+ do sự chênh lệch không quá lớn về kích thước ion. Trong mạng nền BaMgAl10O17, ion Al3+ là ion trung tâm trong phối trí bát diện [AlO6] và phối trí tứ diện [AlO4] và các phối tử O2-. Ion Mn4+
và Cr3+ sẽ thay vào các tâm Al3+ trong phối trí bát diện [AlO6] vì chúng có xu hướng tạo liên kết trong trường tác dụng mạnh lên nó. Chính điều này làm cho bước sóng đỉnh phát xạ sẽ thuộc vùng đỏ.