(Luận văn dài 54 trang)

Mục lục

Danh sách các hình iii

Lời mở đầu 1

PHẦN MỘT: LÝ THUYẾT 2

CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 2

1.1. Hiện tượng nhiệt phát quang 2

1.1.1. Định nghĩa hiện tượng nhiệt phát quang 2

1.1.2. Cơ chế đơn giản giải thích hiện tượng nhiệt phát quang 2

1.2. Các loại khuyết tật trong tinh thể 4

1.2.1 Khuyết tật điểm 4

1.2.2 Khuyết tật đường 5

1.2.3 Khuyết tật mặt 5

1.2.4 Khuyết tật khối 5

1.3. Các tâm màu 6

1.4. Sự hình thành đường cong phát quang 6

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 10

2.1. Các vùng năng lượng và các mức định xứ trong tinh thể 10

2.2. Các bẫy và các tâm tái hợp 11

2.3. Các quá trình tái hợp 13

2.4. Các mô hình nhiệt phát quang 13

2.4.1. Mô hình đơn giản nhất 13

2.4.2. Một số bổ sung cho mô hình đơn giản 16

CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 18

3.1. Động học bậc một 18

3.1.1. Biểu thức của cường độ phát quang 18

3.1.2. Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc một theo các thông số 19

3.2. Động học bậc hai 23

3.2.1. Biểu thức của cường độ phát quang 23

3.2.2. Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc hai theo các thông số 24

3.3. Động học bậc tổng quát 27

CHƯƠNG IV: HỆ THIẾT BỊ ĐO ĐƯỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI CHẬP ĐƯỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG 30

4.1. Hệ thiết bị đo đường cong phát quang 30

4.2. Các phương pháp giải chập đường cong nhiệt phát quang 31

4.2.1. Phương pháp làm khớp (fitting) 31

4.2.2. Phương pháp sườn lên ban đầu 32

PHẦN HAI: THỰC NGHIỆM 35

CHƯƠNG V: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ RUBY TỰ NHIÊN 35

5.1. Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể 36

5.1.1. Thành phần hóa học 36

5.1.2. Cấu trúc tinh thể 36

5.2. Các tính chất vật lý và quang học 38

5.2.1. Tính chất vật lý 38

5.2.2. Tính chất quang học 38

5.3. Đặc điểm bao thể 39

CHƯƠNG VI: XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BẪY CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG 40

6.1. Đường cong nhiệt phát quang 40

6.3. Giải chập đường cong nhiệt phát quang, xác định thông số bẫy của Ruby tự nhiên 41

6.2.1. Dùng phương pháp sườn lên ban đầu 41

6.2.2. Phương pháp fitting tự do 42

6.3. Một số kết quả tham khảo 43

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

Danh sách các hình

Hình 1.1: (a). Quá trình bắt electron và lỗ trống 3

(b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống 3

Hình 1.2: Một số dạng sai hỏng điểm gây ra bởi nguyên tử từ vật liệu chủ. 5

Hình 2.1: Cấu trúc vùng năng lượng của chất điện môi và bán dẫn. 10

Hình 2.2: Các dịch chuyển của các hạt điện tích 12

trong vật liệu bán dẫn, điện môi. 12

Hình 2.3: Mô hình đơn giản hai mức của nhiệt phát quang 14

và các dịch chuyển cho phép. 14

Hình 2.4: Dạng đường cong nhiệt phát quang. 16

Hình 2.5: Sơ đồ các mức năng lượng định xứ mở rộng với nhiều mức của vật liệu phát quang. 17

Hình 3.1: Dạng đường cong phát quang của động học bậc một. 19

Hình 3.2: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị khác nhau của n0. 20

Hình 3.3: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị E khác nhau. 20

Hình 3.4: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị s khác nhau. 21

Hình 3.5: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các tốc độ quét nhiệt β khác nhau. 22

Hình 3.6: Đường cong phát quang động học bậc hai. 24

Hình 3.7: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị n0 khác nhau. 24

Hình 3.8: Đường cong phát quang của động học bậc hai theo các giá trị E khác nhau. 25

Hình 3.9: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị s’ khác nhau. 26

Hình 3.10: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các tốc độ quét nhiệt β khác nhau. 27

Hình 3.11: Các đường cong bậc tổng quát với các giá trị b khác nhau. 29

: b=1.01, : b=1.3, : b=1.7, : b=2 29

Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thiết bị đo đường cong phát quang 30

Hình 4.2: Fitting tự do đường cong phát quang của vật liệu MgB4O7:Dy 32

Đường thực nghiệm là đường có các ô tròn đen, đường fitting là đường đậm liền nét. Các đỉnh đơn thành phần là các đường đứt nét. 32

Hình 4.3: Phương pháp sườn lên ban đầu. 33

Hình 5.1: Tinh thể Ruby nguồn gốc tự nhiên 35

Hình 5.2: Corindon với nhiều màu khác nhau 36

và viên Ruby tự nhiên của Việt Nam 36

Hình 5.3: Mô hình cấu trúc tinh thể của Ruby 37

Hình 5.4: Mô hình một số dạng tinh thể thường gặp của Ruby 38

Hình 5.5: Các bao thể rutin, canxit, trong Ruby Việt Nam và các dạng bao thể lụa của rutin gây nên hiệu ứng “sao” trong Ruby 39

Hình 6.1: Đường cong phát quang của Ruby tự nhiên 40

Hình 6.2: Áp dụng phương pháp sườn lên ban đầu 41

cho 12 cặp giá trị thực nghiệm. 41

Hình 6.3: Giải chập đường cong phát quang của Ruby tự nhiên 43

bằng phương pháp fitting tự do. 43

Hình 6.4: Đường nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên 44

Đường 1 được chiếu xạ bằng tia γ: Tmax = 2990C, E = 1.49 eV 44

Hình 6.5: Đường cong nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên chiếu xạ bằng chùm tia X trong thời gian 4 giờ, Tmax = 3400C. 45

Lời mở đầu

Vào thế kỷ XVII Boyle đã khám phá ra hiện tượng Nhiệt phát quang (Thermally Stimulated Luminescence –TSL hay Thermoluminescence - TL), nhưng lúc bấy giờ, nó chỉ biết đến như hiện tượng một số tinh thể phát sáng khi được cấp nhiệt. Mãi tới năm 1960 ứng dụng của nhiệt phát quang mới được khai thác.

Trong những năm gần đây, lĩnh vực nhiệt phát quang được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm do những ứng dụng thực tiễn của nó trong đo liều phóng xạ, và trong việc định tuổi các công trình cổ được xây dựng từ vật liệu vô cơ (gạch, ngói, đá, .)

Trên phương diện nghiên cứu cơ bản, nhiệt phát quang đóng góp nhiều hiểu biết về cơ chế vật lý và các sai hỏng (khuyết tật) xảy ra trong mạng tinh thể cũng như cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu. Sự hiểu biết các hiện tượng này sẽ giúp chúng ta giải quyết được các vấn đề gặp phải khi áp dụng hiện tượng nhiệt phát quang vào trong ứng dụng thực tế của mỗi vật liệu.

Trong đề tài, em đã tìm hiểu về lý thuyết nhiệt phát quang và áp dụng những kiến thức này để giải chập đường cong phát quang, xác định các thông số động học cơ bản của Ruby tự nhiên, bước đầu tìm hiểu mô hình khuyết tật của Ruby, yếu tố quan trọng liên quan đến màu sắc cũng như giá trị hoàn hảo của loại đá quý này.