Xác định độ sâu bẫy bắt điện tử trong vật liệu thủy tinh phốt phát pha tạp TECBI (Tb)

44 
XÁC ĐỊNH ĐỘ SÂU BẪY BẮT ĐIỆN TỬ TRONG 
VẬT LIỆU THỦY TINH PHỐT PHÁT PHA TẠP TECBI (Tb) 
Nguyễn Duy Linh1 
Lê Thị Mến2 
Lê Văn Tuất3 
Tóm tắt: Thủy tinh phốt phát có hợp phần P2O5, CaO, Na2O và Tb2O3 – ký hiệu là 
PCN:Tb được chế tạo bằng phương pháp dập tắt nóng chảy. Các khảo sát thực nghiệm 
cho thấy thủy tinh thu được có hiệu ứng nhiệt phát quang khá mạnh khi sử dụng tác nhân 
kích thích là tia bêta với đường nhiệt phát quang tích phân có hai đỉnh ở khoảng 160 oC 
và 249oC. Dùng phương pháp vùng tăng ban đầu đã xác định được bẫy bắt điện tử liên quan 
đến đỉnh ở 249oC có độ sâu khoảng Et = 1,032eV. Có thể dùng đỉnh nhiệt phát quang này để 
đo liều bức xạ bêta trong khoảng liều chiếu khá rộng, từ một vài cho tới vài chục Gy. 
Từ khóa: Thủy tinh, phốt phát, tecbi, PCN:Tb, nhiệt phát quang 
1. Mở đầu 
Quá trình nhiệt phát quang - TL (Thermoluminescence) là dạng phát quang xảy ra 
khi đốt nóng các chất điện môi hoặc bán dẫn trước đó đã được chiếu xạ bằng bức xạ ion 
hoá (tia tử ngoại, tia X, tia gama). Lý thuyết động học của quá trình đã được khảo sát 
chi tiết dựa trên mô hình một tâm, một bẫy nhờ sự tồn tại của các mức năng lượng định xứ 
trong vùng cấm trên sơ đồ vùng năng lượng của các chất điện môi hoặc bán dẫn, chúng 
giữ vai trò bẫy bắt điện tử hoặc tâm tái hợp. Từ đó thiết lập được mối liên hệ giữa hình 
dạng đường nhiệt phát quang tích phân, nhiệt độ xuất hiện đỉnh, dạng hình học đỉnh nhiệt 
phát quang,  với các thông số độ sâu bẫy Et, tần số thoát s, mật độ điện tử bị bắt ban đầu 
trước khi đốt nóng và bậc động học của quá trình, v.v Đồng thời, đã xây dựng được các 
phương pháp phân tích động học để xác định các thông số bẫy bắt điện tử liên quan từ kết 
quả đo đường nhiệt phát quang tích phân: phương pháp hình dạng đỉnh, vị trí đỉnh, vùng 
tăng ban đầu, ... [1, 2]. 
Biểu thức xác định cường độ tín hiệu nhiệt phát quang ITL trong quá trình tương ứng 
với bậc động học tổng quát γ là: 
)exp(..)(
kT
EsnTI tTL −= γ 
trong đó n là số điện tử bị bắt trên bẫy có độ sâu Et tại nhiệt độ T, s là hệ số tần số 
(còn gọi là tần số thoát) và k = 8,617.10-5eV là hằng số Boltzman [1]. Garlick và Gibson 
[1, 2] đã xây dựng phương pháp vùng tăng ban đầu để xác định độ sâu bẫy Et có nội dung 
như sau: khi nhiệt độ đốt nóng mẫu đủ thấp, số điện tử n bị bắt trên bẫy gần như không 
đổi, thì ở phần tăng ban đầu trên đường cong TL tích phân cường độ nhiệt phát quang có 
thể xác định bằng biểu thức: 
1 ThS, Phòng Đào tạo, trường Đại học Quảng Nam. 
2 ThS, trường CĐSP Thừa Thiên Huế. 
3 ThS, trường ĐH Khoa học Huế. 
XÁC ĐỊNH ĐỘ SÂU BẪY BẮT ĐIỆN TỬ TRONG... 
 45 
)exp(.)(
kT
EconstTI tTL −= 
Khi đó, nếu vẽ đồ thị của lnITL theo 1/T ta thu được đường thẳng có hệ số góc: 
tEb
k
= − , 
từ đó có thể tính được Et = -b.k trong vùng tăng ban đầu. 
Yêu cầu đặt ra khi áp dụng phương pháp này là: phải thu được đường TL tích phân 
có một đỉnh độc lập, tương ứng với một bẫy bắt điện tử và vùng tăng ban đầu được xác 
định là vùng có cường độ ITL < 15% cường độ đỉnh. 
Trong quá trình tìm kiếm vật liệu phát quang dạng rắn, các vật liệu thủy tinh phát 
quang nói chung, thủy tinh phốt phát pha tạp nói riêng đang được đặc biệt quan tâm. Vật 
liệu này có thể chế tạo theo nhiều phương pháp: nóng chảy, hóa ướt, sol-gel..., thường gặp 
nhất là phương pháp dập tắt nóng chảy (melt quenching method) do tính đơn giản và dễ áp 
dụng ở quy mô công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của thủy tinh phát quang này là có khả năng 
pha tạp các nguyên tố đất hiếm (RE) với nồng độ cao. Thủy tinh phốt phát pha tạp erbi (Er) 
đã được chế tạo để làm ống dẫn sóng; pha tạp samari (Sm) và terbi (Tb) được dùng làm 
môi trường hoạt tính của laser; đồng pha tạp thuli (Tm), terbi và europi (Eu) để chế tạo 
điốt phát quang (LED) phát ánh sáng trắng  [4, 5, 6, 7]. 
Gần đây, bằng phương pháp nóng chảy, nhóm tác giả Y.C. Ratnakaram đã chế tạo 
thành công thủy tinh phát quang có hợp phần P2O5, Li2O (hoặc Na2O), K2O và Nd2O3, có 
tỉ lệ tương ứng là: 68, x, (30-x) và 2 (%wt). Vật liệu này có thể ứng dụng trong laser rắn, 
thiết bị hiển thị, cảm biến hồng ngoại [8]. Tuy nhiên, nhóm tác giả này chỉ mới tập trung 
khảo sát đặc tính quang phát quang - PL (Photoluminescence) của vật liệu chứ chưa có 
những nghiên cứu đầy đủ về đặc tính TL. Để có thể triển khai ứng dụng loại vật liệu này 
thì cần có những nghiên cứu sâu hơn và đầy đủ hơn, đặc biệt là hiệu ứng nhiệt phát quang. 
Bổ sung cho những thiếu sót đó, trong bài báo này chúng tôi trình bày các kết quả chính 
trong việc nghiên cứu chế tạo và tính toán thông số động học của bẫy bắt gây hiệu ứng TL 
trong thủy tinh phốt phát pha tạp nguyên tố đất hiếm terbi (Tb). 
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - PCNC 1% 900C
File: PCN C1percent-900C.raw - Type: 2Th/Th locked - Star t: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Tem p.: 25 °C (R oom) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5 .000 ° - Chi: 0 .
Li
n 
(C
ps
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
2-Theta - Scale
10 20 30 40 50 60 7
 (a) (b) 
Hình 1. Thủy tinh PCN:Tb sau khi cắt, mài (a) và kết quả đo giản đồ nhiễu xạ tia X (b). 
NGUYỄN DUY LINH - LÊ THỊ MẾN - LÊ VĂN TUẤT 
 46 
2. Nội dung 
2.1. Thực nghiệm chế tạo vật liệu 
 Thủy tinh có hợp phần: P2O5-CaO-Na2O-Tb 2O3 với tỉ lệ về %wt tương ứng là 
69,5-15-15-0,5 (ký hiệu là PCN:Tb), được chế tạo từ phối liệu NH4H2PO4, CaCO3, 
Na2CO3 và Tb4O7 theo quy trình: để thu được 5g thủy tinh, hỗn hợp 8,2781(g) phối liệu 
được cân theo tỷ lệ hợp thức, nghiền kỹ trong cối mã não và nung nóng chảy theo ba giai 
đoạn với nhiệt độ lò nung được nâng dần và giữ ổn định ở ba giá trị: 150oC trong 30 phút, 
400oC trong 30 phút và 800oC trong 60 phút. Sau đó, thủy tinh nóng chảy được đổ ra 
khuôn kim loại để định hình, ủ lại ở 300oC trong 60 phút để ổn định các tính chất cơ lý. 
Thủy tinh ph