Như trờn đó trỡnh bày, vật liệu huỳnh quang cú thể coi là một hệ bao gồm vật liệu nền và cỏc tõm quang học, cũn gọi là cỏc tõm kớch hoạt (activator). Quỏ trỡnh phỏt quang xảy ra như sau: Khi chiếu bức xạ kớch thớch vào mẫu, cỏc tõm quang học hấp thụ bức xạ, chuyển lờn trạng thỏi kớch thớch. Khi chuyển từ trạng thỏi kớch thớch về trạng thỏi cơ bản, tõm quang học bức xạ ỏnh sỏng, khi đú ta núi vật liệu phỏt huỳnh quang. Tuy nhiờn, cú thể xảy ra trường hợp tõm kớch hoạt khụng bức xạ ỏnh sỏng, khi đú năng lượng giải phúng ra dựng để kớch thớch cỏc dao động của mạng nền, nghĩa là làm núng mạng nền, trong trường hợp này tõm kớch hoạt được gọi là tõm khụng bức xạ hoặc tõm dập tắt. Như vậy, để tạo ra vật liệu huỳnh quang hiệu suất cao, cần phải triệt khử quỏ trỡnh khụng bức xạ.
Trong nhiều vật liệu huỳnh quang, quỏ trỡnh xảy ra khụng đơn giản như trờn, mà phức tạp hơn nhiều, bởi vỡ tõm quang học cú thể khụng trực tiếp hấp thụ năng lượng bức xạ kớch thớch, mà là cỏc ion (cỏc tõm) khỏc hoặc chớnh mạng nền. Năng lượng kớch thớch sau đú được truyền tới tõm quang học, đưa tõm này lờn trạng thỏi kớch thớch, và khi quay trở về trạng thỏi cơ bản, tõm quang học sẽ phỏt ra bức xạ đặc trưng của mỡnh.
Quỏ trỡnh truyền năng lượng cú thể xảy ra giữa cỏc ion khỏc loại như Sb3+
và Mn2+ trong vật liệu Ca5(PO4)F:Sb3+,Mn2+, trong đú Sb3+
là tõm nhạy quang (sensitizer), hấp thụ bức xạ tử ngoại, rồi truyền năng lượng cho tõm quang học Mn2+
, kớch thớch tõm này phỏt ra bức xạ vàng da cam [37]. Quỏ trỡnh truyền năng lượng cũng cú thể xảy ra giữa cỏc ion cựng loại như Eu3+
trong vật liệu EuAl3B4O12 [14].
Quỏ trỡnh truyền năng lượng cú thể diễn ra theo cỏc cơ chế sau: cơ chế tương tỏc đa cực điện hoặc từ (electric or magnetic multipolar interaction), cơ chế tương tỏc trao
đổi (exchange interaction) và tương tỏc với cỏc ion mạng nền, nghĩa là truyền năng lượng với sự trợ giỳp của cỏc phonon (phonon-assisted energy transfer).
Quỏ trỡnh truyền năng lượng cú thể làm tăng hiệu suất huỳnh quang, thớ dụ, sự truyền năng lượng từ cỏc tõm nhạy quang Sb3+
, Pb2+ và Ce3+ đến tõm quang học Mn 2+ trong cỏc vật liệu nền silicat, phosphate và sulfua pha tạp chất Mn đó làm tăng cường độ huỳnh quang của cỏc vật liệu này [56]. Ngược lại, sự truyền năng lượng từ tõm quang học đờn tõm khụng bức xạ cú thể gõy ra hiện tượng dập tắt huỳnh quang, thị dụ, trong vật liệu ZnS:Cu,Al pha một lượng rất nhỏ (~10 ppm) Fe, Ni, Co, sự truyền năng lượng đến cỏc tõm dập tắt Fe2+
, Ni2+ và Co2+ đó làm giảm đỏng kể cường độ huỳnh quang xanh lỏ cõy trong cỏc vật liệu này [56].
Hiện tượng dập tắt huỳnh quang cũng được quan sỏt thấy trong cỏc vật liệu pha tạp chất với nồng độ cao. Sự tăng nồng độ vượt quỏ một giỏ trị xỏc định nào đú sẽ dẫn đến sự giảm hay dập tắt huỳnh quang. Đú là hiện tượng dập tắt huỳnh quang do nồng độ. Thật vậy, trong vật liệu pha tạp chất với nồng độ cao, xỏc suất truyền năng lượng tới cỏc ion gần như cựng loại cú thể rất lớn hơn xỏc suất bức xạ, kết quả là năng lượng kớch thớch được truyền loanh quanh đõu đú trước khi phỏt ra bức xạ. Trong vật liệu dự sạch đến đõu đi nữa cũng vẫn luụn luụn tồn tại cỏc khuyết tật, cỏc trạng thỏi bề mặt và cỏc ion lạ. Năng lượng kớch thớch cú thể truyền tới cỏc tõm này, một số tõm này cú thể tiờu tỏn năng lượng dưới dạng nhiệt, nghĩa là chỳng trở thành cỏc tõm dập tắt huỳnh quang. Nếu gọi olà thời gian phõn ró huỳnh quang của ion bị kớch thớch trong vật liệu với nồng độ tạp chất thấp, trlà thời gian trung bỡnh truyền năng lượng tới tõm dập tắt, thỡ thời gian phõn ró huỳnh quang của ion bị kớch thớch trong vật liệu với nồng độ tạp chất cao được cho bởi biểu thức sau [37]:
1 1 1
o tr
Sự giảm thời gian phõn ró huỳnh quang là một thụng số quan trọng, đặc trưng cho hiện tượng dập tắt huỳnh quang do nồng độ.
Hiện tượng dập tắt huỳnh quang nồng độ cú thể sinh ra do một trong cỏc nguyờn nhõn sau đõy:
- Năng lượng kớch thớch bị mất do quỏ trỡnh hồi phục chộo (cross-relaxation) giữa cỏc tõm kớch hoạt, nghĩa là hồi phục nhờ sự truyền năng lượng cộng hưởng giữa cỏc ion cựng loại.
- Sự truyền năng lượng cộng hưởng giữa cỏc tõm kớch hoạt tăng lờn khi nồng độ tăng, kết quả là năng lượng kớch thớch cú thể đi tới cỏc tõm dập tắt ở xa hơn, hoặc đi tới cỏc trạng thỏi bề mặt, cỏc trạng thỏi này tỏc dụng như cỏc tõm dập tắt.
- Cỏc ion kớch hoạt tạo cặp hoặc kết tụ với nhau và bản thõn chỳng biến thành cỏc tõm dập tắt.
1.5. Tổng quan cỏc kết quả nghiờn cứu tớnh chất quang huỳnh quang của cỏc ion Cr3+ trong trƣờng tinh thể bỏt diện ZnAl2O4, Al2O3 và Co2+