Đang tải... (xem toàn văn)
Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang
ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN -------------------------------- SEMINAR TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG SVTH: Trần Thị Anh CBHD: Th.S Phan Thị Minh Điệp ---------------------------------- TP HỒ CHÍ MINH – 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN -------------------------------- SEMINAR TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG SVTH: Trần Thị Anh CBHD: Th.S Phan Thị Minh Điệp ---------------------------------- TP HỒ CHÍ MINH – 2009 Lời cảm ơn Những lời đầu tiên em xin chân thành ghi ơn đến quý thầy cô trong khoa Vật Lý trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã dày công giảng dạy, truyền thụ kiến thức và những kinh nghiệm sống quý giá cho em trong suốt 4 năm học qua. Đặc biệt, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phan Thị Minh Điệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tiểu luận. Xin gửi lời cảm ơn đến Cha Mẹ lời tri ân sâu sắc đã yêu thương, quan tâm và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con trong suốt quá trình học tập. Gửi lời cảm ơn các bạn bè đã chia sẻ động viên khích lệ tôi hoàn thành tiểu luận này. Em xin chân thành ghi nhận tất cả những gì em có ngày hôm nay là nhờ tình yêu và lòng quý mến sâu xa của mọi người, xin ghi nhận nơi đây tấm lòng biết ơn sâu sắc nhất. Xin kính chúc mọi người sức khỏe, hạnh phúc và tình yêu trong cuộc sống. Mặc dù đã cố gắng, nhưng không tránh khỏi sai sót trong bài tiểu luận, kính mong quý Thầy Cô và Hội Đồng bảo vệ bỏ qua và góp ý để đề tài này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2009 Sinh viên thực hiện Trần Thị Anh Mục lục Mục lục i 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 15 CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 17 3.1. Động học bậc một 17 3.1.1. Biểu thức của cường độ phát quang .17 3.1.2. Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc một theo các thông số .18 3.2. Động học bậc hai .22 i 3.2.1. Biểu thức của cường độ phát quang .22 3.2.2. Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc hai theo các thông số 23 3.3. Động học bậc tổng quát .26 CHƯƠNG IV: HỆ THIẾT BỊ ĐO ĐƯỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI CHẬP ĐƯỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG .29 4.1. Hệ thiết bị đo đường cong phát quang .29 4.2. Các phương pháp giải chập đường cong nhiệt phát quang 30 4.2.1. Phương pháp làm khớp (fitting) 30 4.2.2. Phương pháp sườn lên ban đầu .31 PHẦN HAI: THỰC NGHIỆM .34 CHƯƠNG V: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ RUBY TỰ NHIÊN 34 5.1. Thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể .35 5.1.1. Thành phần hóa học .35 5.1.2. Cấu trúc tinh thể .35 5.2. Các tính chất vật lý và quang học 37 5.2.1. Tính chất vật lý .37 5.2.2. Tính chất quang học .37 5.3. Đặc điểm bao thể .37 CHƯƠNG VI: XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ BẪY CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG .38 6.1. Đường cong nhiệt phát quang .38 6.3. Giải chập đường cong nhiệt phát quang, xác định thông số bẫy của Ruby tự nhiên .39 6.2.1. Dùng phương pháp sườn lên ban đầu .39 6.2.2. Phương pháp fitting tự do .40 6.3. Một số kết quả tham khảo 42 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 ii 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 13 và các dịch chuyển cho phép 13 Hình 2.4: Dạng đường cong nhiệt phát quang 15 Hình 2.5: Sơ đồ các mức năng lượng định xứ mở rộng với nhiều mức của vật liệu phát quang .16 Hình 3.1: Dạng đường cong phát quang của động học bậc một 18 Hình 3.2: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị khác nhau của n0 .19 Hình 3.3: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị E khác nhau. 19 Hình 3.4: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị s khác nhau. 20 Hình 3.5: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các tốc độ quét nhiệt β khác nhau 21 Hình 3.6: Đường cong phát quang động học bậc hai .23 Hình 3.7: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị n0 khác nhau 23 Hình 3.8: Đường cong phát quang của động học bậc hai theo các giá trị E khác nhau 24 Hình 3.9: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị s’ khác nhau 25 Hình 3.10: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các tốc độ quét nhiệt β khác nhau .26 .26 iii Hình 3.11: Các đường cong bậc tổng quát với các giá trị b khác nhau 28 [1]: b=1.01, [2]: b=1.3, [3]: b=1.7, [4]: b=2 28 Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thiết bị đo đường cong phát quang .29 Hình 4.2: Fitting tự do đường cong phát quang của vật liệu MgB4O7:Dy .31 Đường thực nghiệm là đường có các ô tròn đỏ, đường fitting là đường đen đậm liền nét. Các đỉnh đơn thành phần là các đường đứt nét 31 Hình 4.3: Phương pháp sườn lên ban đầu 32 Hình 5.1: Tinh thể Ruby nguồn gốc tự nhiên .34 Hình 5.2: Corindon với nhiều màu khác nhau .35 và viên Ruby tự nhiên của Việt Nam .35 Hình 5.3: Mô hình cấu trúc tinh thể của Ruby .36 Hình 5.4: Mô hình một số dạng tinh thể thường gặp của Ruby .37 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 .38 Hình 6.1: Đường cong phát quang của Ruby tự nhiên .39 Hình 6.2: Áp dụng phương pháp sườn lên ban đầu .40 cho 12 cặp giá trị thực nghiệm .40 Hình 6.3: Giải chập đường cong phát quang của Ruby tự nhiên .42 bằng phương pháp fitting tự do .42 Hình 6.4: Đường nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên .43 Đường 1 được chiếu xạ bằng tia γ: Tmax = 2990C, E = 1.49 eV 43 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 44 iv Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang 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. 1 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang PHẦN MỘT: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 1.1. Hiện tượng nhiệt phát quang 1.1.1. Định nghĩa hiện tượng nhiệt phát quang Nhiệt phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence hay ngắn ngọn là Thermo-Luminescence) là hiện tượng một vật liệu cách điện (điện môi) hoặc một chất bán dẫn phát ra ánh sang khi bị nung nóng nếu trước đó vật liệu đã được chiếu xạ một cách có chủ đích hay tình cờ bởi các tia bức xạ ion hóa (tia α, β, γ, X …). Các đặc điểm của hiện tượng nhiệt phát quang rút ra từ định nghĩa: • Vật liệu phải là chất điện môi hoặc bán dẫn, kim loại không có hiện tượng nhiệt phát quang. • Vật liệu phải được chiếu xạ ion hóa trước quá trình nâng nhiệt. • Sau khi vật liệu đã phát quang, muốn cho vật liệu phát quang trở lại chúng ta phải chiếu xạ lại vật liệu trước khi nung. Qua đó chúng ta thấy rõ nhiệt không phải là nguyên nhân gây ra hiện tượng, nó chỉ là nhân tố kích thích. Nguyên nhân phát quang nằm ở chỗ vật liệu đã hấp thụ năng lượng ion hóa từ trước. 1.1.2. Cơ chế đơn giản giải thích hiện tượng nhiệt phát quang Trong phần này chúng ta đưa ra một mô hình đơn giản để giải thích hiện tượng nhiệt phát quang. Đó là mô hình nguyên tử cô lập. Để mô hình có tính hiện thực hơn, chúng ta đặt các nguyên tử trong cấu trúc mạng tinh thể của chúng. Vì vật liệu nhiệt phát quang là các chất điện môi hoặc bán dẫn nên theo lý thuyết vùng năng lượng, giữa vùng hóa trị và vùng dẫn có một vùng năng lượng không được phép gọi là vùng cấm. Chúng ta kí hiệu độ rộng vùng cấm là E g , 2 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang mức năng lượng của đáy vùng dẫn là E c và mức năng lượng của đỉnh vùng hóa trị là E v . Hiệu (E c - E v ) = E g chính là độ rộng vùng cấm. Ở trường hợp lý tưởng, trong vùng cấm của điện môi và bán dẫn không tồn tại một mức năng lượng được phép nào của electron. Tuy nhiên, với chất bán dẫn và điện môi thực, trong vùng cấm sẽ tồn tại một số các mức năng lượng được phép của electron. Các mức năng lượng này do các khuyết tật gây ra. Trong trường hợp này, ta giả sử trong vùng cấm chỉ có hai mức năng lượng định mức T (trap-bẫy) và mức R (recombination-tái hợp). Khi chiếu xạ mẫu bằng tia bức xạ ion hóa thì các tia này ion hóa nguyên tử trung hòa làm bật electron lên vùng dẫn và để lại vùng hóa trị một ion dương gọi là lỗ trống. Trong hình electron được kí hiệu bằng một chấm tròn đen, còn lỗ trống là chấm tròn trắng. Electron chuyển động tự do trong vùng dẫn còn lỗ trống chuyển động tự do trong vùng hóa trị cho đến khi electron bị bắt tại bẫy T (gọi là bẫy electron) còn lỗ trống bị bắt tại bẫy R (gọi bẫy lỗ trống). (a) (b) Hình 1.1: (a). Quá trình bắt electron và lỗ trống (b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống Gọi E là độ sâu của bẫy (được tính từ E c là đáy của vùng dẫn). Thời gian τ mà electron nằm tại bẫy phụ thuộc vào độ sâu E và nhiệt độ T của mẫu. Nếu mẫu nằm ở nhiệt độ phòng thì electron bị giữ tại bẫy rất lâu. Muốn giải phóng 3 [...]... phía nhiệt độ cao và cường độ phát quang cũng tăng theo như trong động học bậc một 25 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang Hình 3.10: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các tốc độ quét nhiệt β khác nhau Đến đây ta tóm tắt lại các đặc điểm của các đỉnh động học bậc một và hai • Các đặc điểm chung: khi độ sâu E của bẫy và tốc độ quét nhiệt β tăng thì các đỉnh động. .. cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị n0 khác nhau 23 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang Từ đồ thị ta thấy khi n0 tăng thì, khác với động học bậc một, các cực đại của đường cong phát quang bậc hai không ở cùng một vị trí mà có xu hướng dịch sang phái trái, tức là dịch về phía nhiệt độ thấp Đây là một đặc điểm nổi bật để phân biệt động học của một đỉnh phát quang. .. phép đo nhiệt phát quang khi định tuổi (thuật ngữ tiếng Anh là dating) các công trình cổ người ta thường chọn tốc độ nâng nhiệt của mẫu rất cao (từ 15 0 C / s đến 20 21 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang 0 C / s ) để tăng cường độ phát quang của mẫu vì thường các mẫu trong định tuổi có cường độ phát quang rất yếu nếu ta sử dụng tốc độ nâng nhiệt nhỏ 3.2 Động học bậc... bị bè ra 28 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang CHƯƠNG IV: HỆ THIẾT BỊ ĐO ĐƯỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI CHẬP ĐƯỜNG CONG NHIỆT PHÁT QUANG 4.1 Hệ thiết bị đo đường cong phát quang Hệ thiết bị đo đường cong nhiệt phát quang của vật liệu được đo tại Bộ môn Vật lý Chất rắn bao gồm ba khối cơ bản như sau: • Khối nâng nhiệt độ và đọc nhiệt độ của mẫu tại... sự phụ thuộc của các đường cong phát quang bậc hai vào độ sâu E của bẫy Các giá trị độ sâu E của bẫy được ghi rõ trong hình Các đường cong được tính theo các thông số sau: s’=1x10 11 m3s-1, n0=5000 m-3, β=10C/s Hình 3.8: Đường cong phát quang của động học bậc hai theo các giá trị E khác nhau 24 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang Cũng giống như trong động học bậc một,... vật lý xảy ra trong quá trình nâng nhiệt để phát quang của mẫu 9 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG Ở phần này, chúng ta sẽ sử dụng lý thuyết vùng năng lượng để giải thích hiện tượng nhiệt phát quang 2.1 Các vùng năng lượng và các mức định xứ trong tinh thể Ứng dụng của cơ học lượng tử vào việc mô tả các electron... 14 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang T = T0 + βt (2.3) Trong đó: β: Tốc độ nâng nhiệt (thường trong phòng thí nghiệm thiết lập β=1-30C/s) T0: Nhiệt độ ban đầu của mẫu T: Nhiệt độ tức thời của mẫu Đường nhiệt phát quang I(T) (glow curve) là đường biểu diễn cường độ phát quang theo nhiệt độ với mô hình đơn giản có dạng như hình 2.4 Hình 2.4: Dạng đường cong nhiệt phát quang. .. lớn • Nhiệt độ Tm tại đó cường độ phát quang cực đại hoàn toàn không phụ thuộc n0 Nói khác đi, vị trí cực đại của đỉnh giữ nguyên theo n0 Đặc điểm này cùng với dạng bất đối xứng của đường cong phát quang là hai đặc điểm nổi bật của động học bậc một 18 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang Hình 3.2: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị khác nhau của n0... này (a) O Tf T (nhiệt độ) Sự phân bố điện tích bị bẫy n n0 (b) O Tf T (nhiệt độ) I Im (c) O Ti Tm Tf T (nhiệt độ) Hình 1.3: Giải thích sự hình thành đường cong nhiệt phát quang Từ sự hình thành của đường cong phát quang, có thể thu nhận các thông tin sau đây mà ta cần lưu ý: 8 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang • Biên độ cực đại I m của đường cong phát quang Giá trị này... mức năng lượng định xứ có thể là các mức gián đoạn hoặc cũng có thể là các mức gần như liên tục Khi đó ta không quan sát thấy các đỉnh của đường phát quang một cách rõ ràng và có rất nhiều đỉnh kế tiếp nhau không thể phân ly được 16 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang CHƯƠNG III: CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG Hiện nay, trong nhiệt phát quang có ba . nâng nhiệt để phát quang của mẫu. 9 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT. hảo của loại đá quý này. 1 Xác định thông số động học của Ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang PHẦN MỘT: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG
