Việt Nam chế tạo thành công vật liệu thủy tinh phát quang

Vật liệu thủy tinh phát quang nói chung cũng như vật liệu thủy tinh phốt phát pha tạp nói riêng đã và đang được quan tâm chế tạo, đi sâu nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật ứng dụng.

Vật liệu thủy tinh phát quang phốt phát với thành phần chính là điphotpho pentaoxit P₂O₅, là loại thủy tinh có độ trong suốt cao, sự ổn định nhiệt tốt, nhiệt độ nóng chảy thấp, đặc biệt có khả năng pha tạp các ion RE khá tốt.

Với công nghệ chế tạo khá đơn giản, không đòi hỏi trang thiết bị, dụng cụ quá phức tạp, phương pháp nóng chảy thường được sử dụng để chế tạo vật liệu thủy tinh phát quang nền thủy tinh phốt phát pha tạp các ion đất hiếm.

Các nguyên tố đất hiếm có cấu hình điện tử đặc trưng là lớp điện tử chưa được lấp đầy, được che chắn bởi các lớp điện tử bên ngoài là 5s và 5p. Chính vì vậy mà các điện tử lớp 4f ít bị ảnh hưởng của trường tinh thể khiến phổ quang học của các ion RE thường là tập hợp các vạch hẹp và có tính chất phổ đặc trưng cho từng nguyên tố. Trong đó, hai nguyên tố đất hiếm Eu và Dy thường được sử dụng để pha tạp vào các mạng nền khác nhau với mục đích tạo ra ánh sáng trắng.

Theo nhóm nghiên cứu, việc tìm hiểu và nghiên cứu phổ hấp thụ của hai nguyên tố này đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích cơ chế hấp thụ và bức xạ của từng ion đất hiếm trong thủy tinh phốt phát PCZ.

Đối với ion đất hiếm ở trạng thái tự do, các dịch chuyển hấp thụ bị cấm rất mạnh theo quy tắc chọn lọc chẵn lẻ. Tuy nhiên, khi có tác động của trường tinh thể thì quy tắc chọn lọc được nới lỏng, làm xuất hiện các dịch chuyển hấp thụ.

Nghiên cứu phổ hấp thụ và tiếp theo là phổ kích thích sẽ cho phép đoán nhận các dịch chuyển quang học từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích của các ion đất hiếm pha tạp trong một mạng nền khi chúng nhận năng lượng từ bên ngoài - năng lượng photon ánh sáng.

Trong nghiên cứu này, các mẫu vật liệu thu được sau chế tạo có dạng viên rắn, hình đĩa tròn, mỏng, cứng và trong suốt. Khi quan sát dưới ánh sáng tử ngoại, chúng phát quang với màu sắc tương ứng của các bức xạ đặc trưng cho tâm ion đất hiếm RE3+.

Kết quả phép đo giản đồ nhiễu xạ tia X, xác nhận rằng vật liệu thu được có cấu trúc thủy tinh, vô định hình. Như vậy, bằng phương pháp nóng chảy, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu thủy tinh phốt phát. Đồng thời, do mẫu có dạng viên rắn, khá đồng đều về kích thước nên rất thuận tiện cho việc thực hiện các phép đo khảo sát đặc trưng quang phổ của vật liệu cũng như thực hiện các ứng dụng sau này.

Kết quả nghiên cứu, bằng phương pháp nóng chảy, các nhà khoa học đã chế tạo thành công vật liệu thủy tinh phát quang PCZ: RE (RE: Eu, Dy). Nhờ quy tắc chọn lọc được nới lỏng khi ở trong mạng nền PCZ các dịch chuyển hấp thụ cũng như kích thích quang của các ion Eu3+, Dy3+ đã xảy ra trong nội bộ cấu hình điện tử tương ứng 4f⁶ và 4f⁹ của chúng. Các ion này giữ vai trò vừa là tâm hấp thụ vừa là tâm phát quang. Trong quá trình quang phát quang, bức xạ đặc trưng của ion Eu3+ (có bước sóng 612 nm) và ion Dy3+ (có bước sóng 573 nm) trong vật liệu nền PCZ được kích thích hiệu quả nhất khi sử dụng ánh sáng có bước sóng tương ứng là 393 nm và 349 nm.