Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
538
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ION CR3+
LÊN PHỔ HẤP THỤ CỦA SIO2 : CR3+
RESEACH ON THE EFFECTS OF ION CR3+
CONCENTRATION THE ABSORPTION SPECTRUM OF SIO2 : CR3+
SVTH: Nguyễn Thị Hồng Loan
Lớp 06SVL, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm
GVHD: ThS. Lê Văn Thanh Sơn
Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm
TÓM TẮT
Trong bài báo này, tác giả đưa ra các kết quả về phổ hấp thụ của mạng thủy tinh SiO2 pha
tạp ion Cr3+ theo các nồng độ khác nhau. Từ các kết quả đó tác giả đưa ra nhận xét về sự ảnh
hưởng của nồng độ ion Cr3+ lên phổ hấp thụ của SiO2.
ABSTRACT
In this paper, the author presents some results about absorption spectrum of glass SiO2
dope ion Cr3+ with difference concentration. By the obtained results, the author draws some
attached about the impact of the ion Cr3+ concentration on the absorption spectrum of SiO2.
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, thủy tinh đã được nghiên cứu và sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực
khoa học và kĩ thuật. Và có nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các vật liệu đó. Trong
đó, phương pháp sol – gel được đặc biệt chú ý vì ứng dụng của nó trong công nghệ chế tạo
thuỷ tinh với dạng khuôn mẫu trước, các sợi thuỷ tinh được kéo từ dung dịch thành các
dạng khuôn mẫu để kéo ra sợi quang. Thuỷ tinh pha tạp đất hiếm đã được nghiên cứu và
ứng dụng rất nhiều trong thông tin cáp quang. Tuy nhiên giá thành của nó rất cao vì vậy
kim loại chuyển tiếp đang được nghiên cứu để thay thế ion đất hiếm. Và một trong những
ion kim loại chuyển tiếp là Cr3+, nó đã được nghiên cứu nhiều trong các mạng chủ khác
nhau. Vậy thì nồng độ ion Cr3+ sẽ có ảnh hưởng như thế nào đến phổ hấp thụ trong mạng
chủ thủy tinh SiO2 để làm sợi thông tin cáp quang. Với điều kiện hiện có của Phòng thí
nghiệm chuyên đề Khoa Vật Lý Trường Đại học Sư phạm, tác giả đã tiến hành khảo sát
phổ hấp thụ của mạng thủy tinh SiO2 pha tạp ion Cr3+ theo các nồng độ khác nhau bằng
phương pháp quang phổ hấp thụ UV-Vis. Và từ đó rút ra một số kết luận. Và đó là lý do
mà tác giả đã lựa chọn đề tài: “ Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ ion Cr3+ lên phổ
hấp thụ của SiO2: Cr3+” .
2. Thực nghiệm
2.1. Nghiên cứu phương pháp chế tạo mẫu
Vật liệu thủy tinh SiO2 pha tạp ion Cr3+ với các nồng độ khác nhau được chế tạo
bằng phương pháp sol – gel ở Viện khoa học vật liệu – Viện khoa học công nghệ Quốc gia.
Phương pháp này được mô tả bởi hai quá trình cơ bản là phản ứng thủy phân và
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
539
polymer hóa ngưng tụ với hóa chất ban đầu là các alkoxide kim loại.
Tiến hành phản ứng thủy phân:
Si(OCH3)4 + H2O Si-OH(OCH3)3 + CH3OH
Si-OH(OCH3)3 + H2O Si-(OH)2(OCH3)2 + CH3OH
Si-(OH)2(OCH3)2 + H2O Si-(OH)3(OCH3) + CH3OH
Si-(OH)3(OCH3) + H2O Si-(OH)4 + CH3OH
Dung dịch chứa ion kim loại chuyển tiếp được đưa vào hỗn hợp dung dịch đã được
thủy phân ở trên. Ion Cr3+ được đưa vào phản ứng dưới dạng muối Cr(NO3)3. Muối này
được hòa tan trong nước cất. Nồng độ của Cr3+ so với mạng nền SiO2 được tính để phù hợp
với yêu cầu của sản phẩm cuối cùng.
Tiếp đến là giai đoạn ngưng tụ để tạo thành các liên kết :
Keo SiO2 và chất điều khiển trong quá trình làm khô được đưa vào và khuấy trộn
đều, ở nhiệt độ phòng, đến khi thu được hỗn hợp dung dịch đồng nhất. Hỗn hợp dung dịch
này, được đổ ra các khuôn bằng plastic, đậy kín, cho chúng tiếp tục phản ứng cho đến khi
tạo thành gel ướt. Khối gel ướt được để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng, chúng sẽ bị co ngót
và giảm thể tích thành một khối.
Tiếp đó, các khối này được nung nhiệt trong lò nung có chương trình điều khiển
nhiệt, với tốc độ rất chậm (10C – 30C/phút). Cuối cùng ta được các mẫu dạng thủy tinh
trong suốt.
2.2. Kết quả thí nghiệm đo phổ hấp thụ
Các mẫu SiO2 pha tạp ion Cr3+ với các nồng độ 200ppm; 500ppm; 1000ppm;
2000ppm; 5000ppm và máy đo phổ hấp thụ hiện có ở phòng thí nghiệm chuyên đề Khoa
Vật Lý Trường Đại học Sư phạm. Tiến hành đã tiến hành đo và thu được các kết quả:
- Si – O – Si – O – Si – O -
200 400 600 800 1000 1200
0
2
4
6
8
10
optical density - D
wavelength
SiO2:Cr3+.200ppm
200 400 600 800 1000 1200
0
2
4
6
8
10
optical density - D
wavelength
SiO2:Cr3+.500ppm
Hình 1. Phổ hấp thụ của mạng SiO2 : Cr3+
nồng độ 200ppm
Hình 2. Phổ hấp thụ của mạng SiO2 : Cr3+
nồng độ 500ppm
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
540
200 400 600 800 1000 1200
0
2
4
6
8
10
optical density - D
wavelength
SiO2:Cr3+.2000ppm
200 400 600 800 1000 1200
0
2
4
6
8
10
wavelength
optical density - D
SiO2:Cr3+.1000ppm
Hình 3. Phổ hấp thụ của mạng SiO2 : Cr3+
nồng độ 1000ppm.
Hình 4. Phổ hấp thụ của mạng SiO2 : Cr3+
nồng độ 2000ppm.
Hình 5. Phổ hấp thụ của mạng SiO2: Cr3+ nồng độ 5000ppm.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
541
Nhận xét: Trong phổ hấp thụ của SiO2 : Cr3+ có hai vùng phổ đặc trưng:
- Vùng 190nm – 400nm đó là sự hấp thụ của mạng nền thủy tinh SiO2.
- Vùng 400nm – 800nm là do sự hấp thụ của ion Cr3+ trong mạng nền SiO2. Ở
khoảng bước sóng 600nm là đỉnh phổ hấp thụ của Cr3+ tương ứng với sự dịch chuyển của
ion Cr3+ từ trạng thái cơ bản
2
4A
lên trạng thái kích thích
2
4T
[2].
2.3. Kết quả thí nghiệm đo chiết suất
Với mẫu có độ hấp thụ lớn nhất SiO2 : Cr3+ nồng độ 5000ppm, tiến hành đo chiết
suất bằng kính hiển vi ở Phòng thí nghiệm Vật lý đại cương – Khoa vật lý – trường Đại
học Sư phạm Đà Nẵng.
Giá trị trung bình và sai số tuyệt đối trung bình của d1 và d
013.0365.4
111 ddd
0048.0794.6ddd
Sai số tương đối trung bình của chiết suất n
365.4
013.0
794.6
0048.0
1
1
d
d
d
d
n
n
= 0.004
Giá trị trung bình của chiết suất n
365.4
794.6
1
d
d
n
= 1.556
Sai số tuyệt đối của chiết suất
500 550 600 650 700 750 800
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
optical density - D
wavelength
SiO2:Cr3+.200ppm
SiO2:Cr3+.500ppm
SiO2:Cr3+.1000ppm
SiO2:Cr3+.2000ppm
SiO2:Cr3+.5000ppm
Hình 6. Phổ hấp thụ của mạng SiO2 : Cr3+ với các nồng độ khác nhau.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
542
nn
= 0.004 . 1.556 = 0.006
Kết quả chiết suất của SiO2 : Cr3+ (5000ppm)
006.0556.1nnn
Nhận xét: Chiết suất của SiO2 : Cr3+ lớn hơn chiết suất của SiO2 không pha tạp. Vậy
SiO2: Cr3+ thỏa mãn yêu cầu làm vật liệu chế tạo lõi sợi quang.
3. Kết quả và thảo luận
Thực hiện theo mục tiêu và nhiệm vụ đề ra của đề tài, sau một thời gian nghiên cứu
và tiến hành thí nghiệm đã đạt được các kết quả sau:
Tìm hiểu được phương pháp Sol – gel và thấy được các ưu điểm trong việc chế tạo
vật liệu làm sợi quang.
Đo được phổ hấp thụ của SiO2 : Cr3+ và rút ra các kết luận:
Phổ hấp thụ của mạng nền thủy tinh SiO2 không phụ thuộc vào nồng độ ion Cr3+.
Cường độ phổ trong vùng phổ hấp thụ của Cr3+ phụ thuộc vào nồng độ của ion
Cr3+.
Chiết suất của vật liệu SiO2 : Cr3+ phù hợp với yêu cầu để làm vật liệu chế tạo lõi
sợi quang.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Văn Thanh Sơn (2009), Thiết bị và phương pháp phân tích quang phổ, Trường đại
học sư phạm – Đại học Đà Nẵng.
[2] Michael D. Lumb (1978), Luminescence Spectroscopy
[3] Trần Lê Ngọc Trâm (2007), Tìm hiểu máy quang phổ UV – Vis. Khảo sát sự ảnh
hưởng của nhiệt độ đển phổ hấp thụ của một số vitamin thông thường, Luận văn tốt
nghiệp, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng.
[4] Phùng Văn Vận, Trần Hồng Quân, Nguyễn Cảnh Tuấn, Phạm Hồng Ký, Nguyễn Hoài
Nam (2002), Hệ thống thông tin sợi quang, Nhà xuất bản KHKT Hà Nội.
[5] TS. Lê Quốc Cường, ThS. Đỗ Văn Việt Em, ThS. Phạm Quốc Hợp (2009) , Kĩ thuật
thông tin quang 1, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, Hà Nội.
[6] http://en.wikipedia.org/wiki
[7] http://enews.agu.edu.vn/index.php?act=VIEW&s=71&page=2 - 28k