Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb bằng phương pháp pha rắn ứng dụng trong đo liều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong đề tài này, tác giả đã nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu pha tạp Tb3+ trong vật liệu nền K2GdF5 bằng phương pháp pha rắn, nghiên cứu tỉ lệ pha tạp để có được các liều kế với các độ nhạy khác nhau. Ngoài ra còn nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nung và nhiệt độ nung để vật liệu có độ nhạy nhiệt phát quang cao. Đề tài cũng đã xác định một số tính chất tinh thể và quang học của vật liệu và tính chất nhiệt phát quang.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb bằng phương pháp pha rắn ứng dụng trong đo liều

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Thanh Lam CHẾ TẠO VẬT LIỆU K2GdF5:Tb BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHA RẮN ỨNG DỤNG TRONG ĐO LIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Thanh Lam CHẾ TẠO VẬT LIỆU K2GdF5:Tb BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHA RẮN ỨNG DỤNG TRONG ĐO LIỀU Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8 52 04 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Hà Xuân Vinh Khánh Hòa - 2020
LỜI CAM ĐOAN Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Hà Xuân Vinh. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này. Khánh Hòa, tháng 7 năm 2020 Tác giả Trần Thị Thanh Lam
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo quản lý và giảng dạy lớp Vật lý kỹ thuật – 2018 Nha Trang tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Hà Xuân Vinh - Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn: - Học viện Khoa học và Công nghệ; Sở Giáo dục và Đào tạo Khánh Hòa; Thầy Nguyễn Quốc Đạt- Hiệu trưởng trường THPT Lê Hồng Phong đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. - Bên cạnh đó sự giúp đỡ của gia đình, đồng nghiệp, bạn bè và người thân đã ủng hộ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể tập trung nghiên cứu và hoàn thành đề tài này. Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong đề tài nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành từ các thầy cô giáo, đồng nghiệp và bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, tháng 7 năm 2020 Trần Thị Thanh Lam
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TL: Thermo-Stimulated Luminescence PL: Photoluminescence PLE: Photoluminescence Excitation SEM: Scanning Electron Microscope XRD: X-ray diffraction RE: Rare Earth NITRA: Nha trang Institute of Technology Reseach and Application JCPDS: Joint Committee on Powder Diffraction Standards
DANH MỤC CÁC BẢNG Nội dung Trang Bảng 2.1. Các thông số vật lí của nguyên liệu 26 Bảng 2.2. Các chỉ số Miller tương ứng vị trí các đỉnh 35 Bảng 3.1. Bảng khối lượng hóa chất tổng hợp vật liệu K2GdF5:Tb 38 Bảng 3.2. Sự phụ thuộc của nhiệt độ đỉnh, cường độ đỉnh vào tốc 52 độ gia nhiệt Bảng 3.3. Kết quả đo fading của K2GdF5:Tb chiếu xạ gamma 58 Bảng 3.4. Kết quả đo fading của mẫu K2GdF5:Tb chiếu xạ neutron 59 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ Tb 3+ lên TL khi chiếu xạ beta 61 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ lên đường TL khi chiếu neutron 63
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Nội dung Trang Hình 1.1. Giản đồ các mức năng lượng của ion đất hiếm của Dieke 11 Hình 1.2. Sơ đồ chuyển mức năng lượng của ion Tb3+ [18] 13 Hình 1.3. Sơ đồ chuyển mức năng lượng của ion Gd3+ 14 Hình 1.4. Mô hình đơn giản của nhiệt phát quang gồm 2 mức đối với 16 hạt tải điện là điện tử Hình 1.5. Nguồn bức xạ beta: Sr-90 / Y-90 23 Hình 1.6. Nguồn bức xạ gamma: Co-60 24 Hình 2.1. Cấu trúc mạng tinh thể GdF3 và TbF3 [22] 27 Hình 2.2. Các lọ hóa chất KF.2H2O, GdF3, TbF3 28 Hình 2.3. Thiết bị nung và hút chân không làm khan KF 28 Hình 2.4. Cho KF khan vào bì và cân các thành phần nguyên liệu 29 Hình 2.5. Nghiền hỗn hợp. 29 Hình 2.6. Các thiết bị cần thiết trong quá trình nung mẫu 31 Hình 2.7. Hình ảnh trong quá trình nghiền và sản phẩm K2GdF5:Tb 32 Hình 2.8. Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu 33 Hình 2.9. Giản đồ nhiễu xạ tia X của K2GdF5 trong JCPDS 34 Hình 2.10. Cấu hình không gian của tinh thể K2GdF5 [22] 36
Hình 3.1. Mẫu sau khi chế tạo đã được đóng gói để chiếu xạ 38 Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của K2GdF5:Tb với các nồng độ khác 40 nhau Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu K2GdF5:Tb (10 %) 41 Hình 3.4. So sánh các vạch nhiễu xạ của K2GdF5 và K2TbF5 41 Hình 3.5. Các liên kết không gian và cấu trúc mạng tinh thể K2GdF5 42 Hình 3.6. Cấu trúc mạng tinh thể của K2GdF5 [22] 43 Hình 3.7. So sánh hình thái bề mặt theo nồng độ pha tạp 44 Hình 3.8. Hình thái bề mặt theo nồng độ pha tạp Tb3+ (10 %) 45 Hình 3.9. Phổ PL của K2GdF5:Tb với các nồng độ Tb3+ khác nhau 46 Hình 3.10. Phổ PL của vật liệu K2GdF5:Tb (10 %) 46 Hình 3.11. Phổ PL của K2TbF5, K2GdF5 và K2GdF5:Tb (10 %) 47 Hình 3.12. Phổ kích thích của K2GdF5:Tb (10 %) với λmonitor = 545 nm 48 Hình 3.13. Phổ kích thích của K2TbF5, K2GdF5 và K2GdF5:Tb (10 %) 48 Hình 3.14. Phổ hấp thụ của K2GdF5:Tb (10 %) 49 Hình 3.15. Chuyển giao năng lượng của cặp ion Gd3+-Tb3+ 50 Hình 3.16. Đường cong nhiệt phát quang của vật liệu K2GdF5:Tb (10 51 %) khi chiếu gamma. Hình 3.17. Các đường TL của mẫu nghiên cứu 53
Hình 3.18. Dạng phổ của mẫu K2GdF5:Tb khi chiếu các nguồn bức xạ 54 khác nhau Hình 3.19. Các đường TL của mẫu chiếu xạ beta với các liều chiếu 55 khác nhau,  = 10 °C/s Hình 3.20. Các đường TL của mẫu chiếu xạ neutron với các liều chiếu 56 khác nhau,  = 10 °C/s Hình 3.21. Các đường TL của mẫu chiếu xạ gamma với các liều 57 chiếu khác nhau,  = 10 °C/s Hình 3.22. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lên đường cong TL chiếu 61 xạ beta Hình 3.23. Ảnh hưởng của nồng độ lên đường cong TL chiếu xạ 62 neutron
1 MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC 1 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 8 1.1. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU 8 1.1.1. Phương pháp phản ứng pha rắn 8 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng pha rắn 9 1.2. MỘT SỐ PHÉP ĐO XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CÁC VẬT 10 LIỆU 1.2.1. Phép đo XRD 10 1.2.2. Đo ảnh SEM 10 1.2.3. Đo phổ huỳnh quang, phổ kích thích 11 1.2.4. Tính chất quang học của các nguyên tố đất hiếm 11 1.3. TÍNH CHẤT NHIỆT PHÁT QUANG 15 1.3.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt phát quang 15 1.3.1.1. Khái niệm hiện tượng nhiệt phát quang 15 1.3.1.2. Giải thích hiện tượng nhiệt phát quang 16
2 1.3.2. Các vật liệu được sử dụng làm liều kế 18 1.3.3. Các tính chất của vật liệu làm liều kế nhiệt phát 20 quang 1.3.3.1. Tính chất của vật liệu làm liều kế nhiệt phát quang 20 1.3.3.2. Yêu cầu đáp ứng liều tuyến tính của vật liệu làm liều kế 21 1.3.4. Đặc tính của vật liệu dùng trong đo liều 22 1.4. TIA PHÓNG XẠ VÀ NGUỒN PHÓNG XẠ 23 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN 26 CỨU 2.1. CHẾ TẠO VẬT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP PHẢN ỨNG 26 PHA RẮN 2.1.1. Tính chất hóa lý các nguyên liệu 26 2.1.2. Chuẩn bị nguyên liệu 27 2.1.3. Quy trình chế tạo mẫu 28 2.1.3.1. Làm khan KF 28 2.1.3.2. Cân nguyên liệu 29 2.1.3.3. Trộn và nghiền mẫu 29 2.1.3.4. Nung mẫu để thực hiện phản ứng pha rắn 30 2.1.3.5. Nghiền, rửa và sấy nguyên liệu và sản phẩm 31 2.1.3.6. Ủ nhiệt và đóng gói 32 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VẬT LIỆU 34
3 2.2.1. Xác định cấu trúc tinh thể bằng đo XRD 34 2.2.2. Đo hình dạng bề mặt bằng chụp ảnh SEM 37 2.2.3. Đo các phổ phát quang và phổ kích thích của vật liệu 37 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1. KẾT QUẢ CHẾ TẠO MẪU 38 3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT TINH THỂ BẰNG ĐO 40 XRD 3.3. KẾT QUẢ ĐO HÌNH DẠNG BỀ MẶT BẰNG CHỤP ẢNH 43 SEM 3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG 45 3.4.1. Kết quả đo phổ huỳnh quang và phổ kích thích 45 3.4.1.1. Kết quả đo phổ huỳnh quang 45 3.4.1.2. Kết quả đo phổ kích thích 47 3.4.2. Kết quả đo phổ hấp thụ 49 3.4.3. Vai trò tương tác của cặp ion Gd3+- Tb3+ 50 3.5. TÍNH CHẤT NHIỆT PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU 50 3.5.1. Phân tích đường cong nhiệt phát quang 51 3.5.2. Kết quả ảnh hưởng của liều chiếu lên đường TL 54
4 3.5.2.1. Kết quả đáp ứng liều đối với bức xạ beta 55 3.5.2.2. Kết quả đáp ứng liều đối với bức xạ neutron 56 3.5.2.3. Kết quả đáp ứng liều đối với bức xạ gamma 57 3.5.3. Ảnh hưởng của suy giảm cường độ theo thời gian 58 (fading) 3.5.3.1. Kết quả sự suy giảm cường độ TL khi chiếu xạ gamma 58 3.5.3.2 Kết quả sự suy giảm cường độ TL khi chiếu xạ neutron 59 3.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ Tb+3 pha tạp trong tinh thể 60 K2GdF5 3.5.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp khi chiếu beta 60 3.5.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp khi chiếu neutron 62 KẾT LUẬN CHUNG 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68
5 MỞ ĐẦU Nhiệt phát quang đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo liều xạ trị, đo liều môi trường và nghiên cứu vật liệu. Đây là phương pháp tin cậy để đo liều bức xạ tích lũy theo thời gian, được các cơ quan kiểm định liều chiếu cá nhân công nhận. Trong bối cảnh Việt Nam, ngày càng có nhiều cơ sở y tế ứng dụng các nguồn phóng xạ trong điều trị, chiếu xạ tiệt trùng nên nhu cầu liều kế có độ nhạy cao và tin cậy là hết sức cần thiết. Có nhiều loại liều kế nhiệt phát quang đã được nghiên cứu chế tạo như CaSO4:Dy; LiF:Mg,Ti … , đây là các liều kế thông dụng trong đo liều gamma. Hiện nay, đã có thêm các nguồn bức xạ mới như beta, neutron được đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, do đó chúng ta cần nghiên cứu các liều kế đáp ứng được với các loại bức xạ khác nhau. Trong hướng nghiên cứu liều kế dùng cho liều neutron, xuất phát từ tiết diện bắt neutron khá lớn của nguyên tố Gadolinium, nên có thể ứng dụng các hợp chất có Gadolinium làm liều kế trong lĩnh vực đo neutron. Về tính chất nhiệt phát quang, các hợp chất Fluoride pha tạp ion đất hiếm (RE) có cường độ nhiệt phát quang rất cao, trong đó có vật liệu K2GdF5. Việc pha tạp các nguyên tố đất hiếm có thể nâng cao hiệu suất phát quang, nên hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang K2GdF5 pha tạp Tb dùng làm liều kế bức xạ hạt nhân rất hứa hẹn trong thực tế. Vật liệu này có thể ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân, đặc biệt trong đo liều neutron. Do đó, việc chế tạo vật liệu nhiệt phát quang nền Fluoride pha tạp RE là nhu cầu cấp thiết trong khoa học và ứng dụng thực tiễn. Gần đây một số tinh thể K2GdF5 pha tạp RE đã được tập trung nghiên cứu, vật liệu này được chế tạo theo phương pháp phản ứng pha rắn. Tính chất nhiệt phát quang của K2GdF5 pha tạp RE đã được nghiên cứu và ứng dụng trong đo liều bức xạ hạt nhân. Dựa trên một số kết quả nghiên cứu của phòng Vật lý ứng dụng - Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã chế tạo một số vật liệu dùng làm liều kế trong đó có các vật liệu Fluoride pha RE.
6 Xuất phát từ các yêu cầu trên, tôi đã thực hiện đề tài “Chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb bằng phương pháp pha rắn ứng dụng trong đo liều”. Trong đề tài này, tôi đã nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu pha tạp Tb3+ trong vật liệu nền K2GdF5 bằng phương pháp pha rắn, nghiên cứu tỉ lệ pha tạp để có được các liều kế với các độ nhạy khác nhau. Ngoài ra còn nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nung và nhiệt độ nung để vật liệu có độ nhạy nhiệt phát quang cao. Đề tài cũng đã xác định một số tính chất tinh thể và quang học của vật liệu và tính chất nhiệt phát quang. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu chế tạo vật liệu K2GdF5 pha tạp Terbium (Tb) với nồng độ pha tạp khác nhau. - Xác định một số tính chất quang và nhiệt phát quang của vật liệu K2GdF5 pha tạp Terbium. Từ đó có thể xác định được khả năng ứng dụng vật liệu K2GdF5:Tb làm liều kế bức xạ hạt nhân. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu K2GdF5:Tb bằng phương pháp pha rắn. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu (nhiệt độ, thời gian nung, môi trường, nồng độ pha tạp) lên cấu trúc tinh thể và tính chất quang của K2GdF5:Tb. Xác định tính chất của vật liệu đã chế tạo bao gồm: Xác định cấu trúc tinh thể, xác định hình thái bề mặt, các quang phổ và tính chất nhiệt phát quang của vật liệu. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tính chất hóa lý và phản ứng của các vật liệu KF, GdF 3, TbF3, K2GdF5 pha tạp Tb3+. - Thực nghiệm chế tạo vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb3+ với nồng độ khác nhau theo phương pháp phản ứng pha rắn ở nhiệt độ cao.
7 - Nghiên cứu giản đồ XRD, ảnh SEM, phổ huỳnh quang (PL) và phổ kích thích (PLE), để xác định cấu trúc tinh thể và hình dạng bề mặt và các đặc tính quang của vật liệu. Phân tích đường cong nhiệt phát quang, từ đó tìm hiểu các tính chất nhiệt phát quang của vật liệu cũng như sự phụ thuộc của các tính chất đó vào thành phần vật liệu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Việc nghiên cứu luận văn sẽ hiểu rõ hơn về phương pháp chế tạo vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb3+, về cấu trúc tinh thể, về tính chất nhiệt phát quang cũng như ứng dụng của vật liệu này. Đây là một vật liệu mới có thể làm liều kế chuyên dụng cho bức xạ mà nhất là ứng dụng trong đo liều neutron. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được chia làm 3 chương: Chương I: Trình bày tổng quan về phương pháp chế tạo vật liệu, một số phép đo xác định tính chất các vật liệu và tính chất nhiệt phát quang. Chương II: Trình bày quá trình chế tạo mẫu, cách xác định cấu trúc vật liệu và đo nhiệt phát quang các mẫu đã chế tạo nhằm nghiên cứu ảnh hưởng suy giảm cường độ theo thời gian và của nồng độ pha tạp Tb3+. Chương III: Trình bày kết quả của quá trình thực nghiệm chế tạo mẫu, nêu tính chất của vật liệu và đánh giá tính chất nhiệt phát quang của vật liệu ở trên và đưa ra những ý kiến thảo luận về kết quả thu nhận được làm cơ sở cho những nhận xét, kiến nghị trong phần kết luận. Cuối cùng là phần kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận văn.
8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU Hiện nay vật liệu K2GdF5 được tổng hợp theo phương pháp thủy nhiệt hoặc phương pháp phản ứng pha rắn. Điều kiện thực hiện của phương pháp thủy nhiệt của các vật liệu này là rất phức tạp, với nhiệt độ 550 °C và áp suất 1000 atm. Do không có thiết bị để thực hiện phương pháp thủy nhiệt nên tôi nghiên cứu chế tạo vật liệu K2GdF5 pha tạp các ion đất hiếm theo phương pháp phản ứng pha rắn ở nhiệt độ cao [1], [6], [15]. 1.1.1. Phương pháp phản ứng pha rắn Phản ứng pha rắn là phản ứng được đặc trưng bằng tương tác giữa chất rắn và chất rắn khi nung khối nguyên liệu ở nhiệt độ cao [3], [4]. Khi đó, trong hệ có thể xảy ra nhiều quá trình hoá lý phức tạp như quá trình tạo thành khuyết tật trong mạng tinh thể, quá trình chuyển pha, quá trình thiêu kết, tương tác hoá học… Phản ứng chỉ xảy ra tại bề mặt tiếp xúc tại hai pha rắn của chất tham gia khi nung hỗn hợp. Tốc độ phản ứng pha rắn tỷ lệ với nhiệt độ phản ứng, các tâm phản ứng được hình thành ở bên cạnh các khuyết tật hoặc tại các cấu trúc tinh thể vừa mới bị phân hủy. Ban đầu các tâm phản ứng tăng dần do sự phát triển của mạng pha cũ bị xô lệch và tạo điều kiện cho tâm mới xuất hiện. Các tâm phản ứng này tồn tại độc lập hoặc phủ lên nhau thành một mặt thống nhất nên tốc độ phản ứng tăng lên nhanh chóng. Sau đó, bề mặt ranh giới pha giảm khiến cho tốc độ phản ứng giảm xuống. Tốc độ của phản ứng pha rắn được quyết định bởi quá trình khuếch tán các chất phản ứng trong sản phẩm. Tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào các khuyết tật trong mạng tinh thể, kích thước của hạt, thành phần của hỗn hợp, cấu trúc của nguyên liệu và sản phẩm . Cơ chế của phản ứng pha rắn: Chủ yếu dựa trên cơ chế khuếch tán. Trong đó, hầu hết sự khuếch tán trong tinh thể chất rắn xảy ra bằng cách di chuyển các nút trống, các ion hay các nguyên tử xen kẽ.
9 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới phản ứng pha rắn - Ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể Phản ứng pha rắn không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học và thành phần pha mà còn phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể. Trong quá trình khuếch tán để chuyển chất đến bề mặt phản ứng thì nồng độ và năng lượng hoạt hóa của chất rắn phụ thuộc vào trạng thái tinh thể. Sự tồn tại khuyết tật không cân bằng tác động đến việc làm sai lệch cấu trúc, điều này liên quan đến hình thái tinh thể, đóng vai trò quan trọng trong phản ứng [3]. - Ảnh hưởng của kích thước hạt Kích thước hạt ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khuếch tán, làm thay đổi tốc độ phản ứng, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Khi nguyên tử được nghiền nhỏ thì diện tích bề mặt riêng tăng lên làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt nguyên liệu. Mặt khác, cũng làm xuất hiện các khuyết tật ở bề mặt [6]. Đây là điều kiện cần thiết để phản ứng xảy ra ở những giai đoạn tiếp theo. Ngoài ra yêu cầu về độ đồng đều của sản phẩm cũng được đặt ra vì nó ảnh hưởng đến các yếu tố diện tích bề mặt, năng lượng bề mặt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ hòa tan, tương tác hóa học, bề dày của lớp sản phẩm… - Ảnh hưởng của nhiệt độ nung Nhiệt độ là một trong các thông số cơ bản ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. TheoVan Hoff, khi tăng nhiệt độ lên 10 °C thì phản ứng tăng lên 2 lần - 4 lần theo biểu thức sau: kt 10  (1.1) kt Trong đó:  là hệ số nhiệt độ. k là hằng số tốc độ. Biểu thức hệ số khuếch tán biến thiên theo nhiệt độ: Q  D  D0 e RT (1.2) Trong đó: Q là năng lượng hoạt hoá.
10 1.2. MỘT SỐ PHÉP ĐO XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CÁC VẬT LIỆU 1.2.1. Phép đo XRD Nhiễu xạ tia X (Powder X-ray diffraction) là phương pháp sử dụng với các mẫu là đa tinh thể, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinh thể, bằng cách sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu. Nhiễu xạ X-ray (XRD) là một kỹ thuật phân tích cho phép xác định thành phần tỷ lệ pha, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, giai đoạn, định hướng tinh thể và các thông số cấu trúc khác, chẳng hạn như kích thước trung bình hạt hay các khuyết tật tinh thể. Phép đo nhiễu xạ tia X dựa trên cơ sở định luật Bragg thể hiện thông qua biểu thức n  2d hkl sin  (1.3) trong đó dhkl là khoảng cách giữa các mặt nguyên tử phản xạ với chỉ số Miller (hkl),  là góc phản xạ,  là bước sóng tia X và n là bậc nhiễu xạ. Nếu chùm tia X là đơn sắc (không đổi), thì với các giá trị xác định của d hkl ta sẽ quan sát thấy chùm tia nhiễu xạ mạnh ở những hướng có góc thỏa mãn định luật Bragg. Dựa trên giản đồ nhiễu xạ có thể xác định được kiểu ô mạng, cấu trúc pha tinh thể. Biết khoảng cách giữa các mặt mạng với các chỉ số Miller có thể xác định các hằng số mạng của tinh thể [6]. 1.2.2. Đo ảnh SEM SEM (Scanning Electron Microscope) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Chùm điện tử sẽ tương tác với các nguyên tử nằm gần hoặc tại bề mặt mẫu sinh ra các tín hiệu (bức xạ) chứa các thông tin về hình ảnh của bề mặt mẫu, thành phần nguyên tố và các tính chất khác như tính chất dẫn điện [6].
11 1.2.3. Đo phổ huỳnh quang, phổ kích thích Huỳnh quang là sự phát quang khi nguyên tử hấp thụ năng lượng kích thích. Khi bị kích thích các electron nhận năng lượng sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái kích thích S*, sau đó electron sẽ chuyển về các trạng thái có năng lượng thấp hơn và phát năng lượng dưới dạng các photon. Quá trình phân tích sự khác nhau về năng lượng của các photon trong phổ huỳnh quang có thể cho ta biết được cường độ tương đối, cấu trúc của các mức năng lượng [7]. 1.2.4. Tính chất quang học của các nguyên tố đất hiếm Các nguyên tố đất hiếm thuộc hai nhóm chính lantan và actini. Phần lớn các chất đồng vị thuộc nhóm actini là các đồng vị không bền và người ta chỉ quan tâm nghiên cứu các nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm lantan. Nhóm lantan gồm 15 nguyên tố có số thứ tự từ 57 (La) đến 71 (Lu), cấu hình electron của chúng: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s24d105p64fn6s2, lớp ngoài cùng có đặc điểm chung là lớp 4fn 6s2 với n từ 1 (Ce) đến 14 như Yb và Lu (+5d1) vì thế chúng có một số tính chất hóa học và vật lý giống nhau [1], [5]. - Đặc điểm của mức năng lượng 4f Năng lượng (104 cm-1) Hình 1.1. Giản đồ các mức năng lượng của ion đất hiếm của Dieke