LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đƣợc thực
hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Mạnh Sơn, tại Khoa Vật lý,
Trƣờng Đại học Khoa học, Đại học Huế. Các số liệu và kết quả trong luận án
đƣợc đảm bảo chính xác, trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.

Nguyễn Trùng Dƣơng

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận án, ngoài nỗ lực của bản thân, tác giả
còn nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ quý báu cả về vật chất lẫn tinh thần.
Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến ngƣời hƣớng
dẫn khoa học PGS. TS. Nguyễn Mạnh Sơn, đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận án tiến sĩ.
Tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viên của
Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trƣờng Đại học Khoa học,
Đại học Huế) đã tạo mọi điều kiện để luận án này đƣợc hoàn thành.
Xin chân thành cảm ơn TS. Trƣơng Văn Chƣơng, ThS. Lê Ngọc Minh,
Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Huế về sự hỗ trợ tích cực
trong thảo luận và đăng tải các công trình liên quan đến nội dung luận án.
Tác giả tỏ lòng biết ơn đến các Nghiên cứu sinh của Khoa Vật lý,
Trƣờng Đại học Khoa học, Đại học Huế, các đồng nghiệp ở Phân hiệu Đại
học Huế tại Quảng Trị về những tình cảm tốt đẹp và sự giúp đỡ vô tƣ trong
những lúc tác giả khó khăn nhất.
Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình, bạn bè và tất cả
các đồng nghiệp.


Dye Sensitized Solar Cell: Pin mặt trời nhạy màu

Eg

Năng lƣợng vùng cấm

GGA

Generalised Gradient Approximation

MB

Methylene Blue: Methylene Xanh

NIR

Near-infrared: Hồng ngoại gần

Octahedra

Bát diện

Orthorhombic

Mặt thoi

R

Rutile


TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .......................................................................... 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 CÓ CẤU TRÚC NANO ................. 4
1.1.1. Giới thiệu về TiO2 có cấu trúc nano .................................................... 4
1.1.1.1. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý của TiO2.................. 4
1.1.1.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng của TiO2 ........................................... 6
1.1.1.3. Một vài ứng dụng của TiO2 nano................................................... 7
1.1.2. Các phƣơng pháp chế tạo TiO2 nano ................................................. 9
1.1.2.1. Phƣơng pháp thủy nhiệt .............................................................. 9
1.1.2.2. Phƣơng pháp sol – gel ............................................................... 10
1.1.2.3. Phƣơng pháp vi sóng ................................................................. 10
1.1.2.4. Phƣơng pháp siêu âm ................................................................ 11
1.1.2.5. Phƣơng pháp điện hóa ............................................................... 12
1.2. ĐẶC TRƢNG QUANG PHỔ CỦA CÁC ION ĐẤT HIẾM .................. 12
1.2.1. Tổng quan về các nguyên tố đất hiếm ............................................... 12
1.2.2. Đặc trƣng quang phổ của Europium và Samarium............................... 17
1.2.2.1. Đặc trƣng quang phổ của Europium ............................................. 17
iv


1.2.2.2. Đặc trƣng quang phổ của Samarium ........................................... 19
1.3. SƠ LƢỢC VỀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU TiO2 NANO VÀ TiO2
NANO PHA TẠP ............................................................................................ 21
1.3.1. Thực trạng nghiên cứu ở trong nƣớc ................................................. 21
1.3.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề khoa học ở ngoài nƣớc ..................... 22
CHƢƠNG 2.................................................................................................... 27
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU
TiO2 NANO PHA TẠP RE3+ (Eu3+, Sm3+) .................................................. 27
2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU TiO2 NANO ..................................................... 27
2.1.1. Tổng hợp TiO2 nano bằng phƣơng pháp siêu âm - thủy nhiệt........... 27
2.1.2. Tổng hợp TiO2 nano bằng phƣơng pháp sử dụng axit sulfuric ......... 28

4.2. ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2 NANO ......................... 733
4.3. ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2 NANO PHA TẠP RE.. 799
KẾT LUẬN .................................................................................................. 833
DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................. 855
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 866

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Cấu trúc anatase và rutile của TiO2.................................................. 4
Hình 1. 2. Sự sắp xếp của khối bát diện

.................................................. 5

Hình 1.3. Giản đồ vùng năng lƣợng của TiO2 .................................................. 7
Hình 1.4. Giản đồ mức năng lƣợng của các ion RE3+- Giản đồ Dieke ........... 14
Hình 1. 5. Phổ bức xạ của ion Eu2+ trên nền Al2O3 và ion Eu3+ trên nền TiO2
nano. ................................................................................................................ 18
Hình 1. 6. Phổ bức xạ của ion Sm3+ trên nền TiO2 nano. ................................ 20
Hình 2. 1. Quy trình chế tạo TiO2 nano bằng phƣơng pháp siêu âm – thủy
nhiệt ................................................................................................................. 27
Hình 2. 2. Quy trình chế tạo TiO2 nano bằng phƣơng pháp sử dụng axit
sulfuric ............................................................................................................. 28
Hình 2. 3. Ảnh SEM của TiO2 nano chế tạo bằng phƣơng pháp siêu âm – thủy
nhiệt nung ở 550oC trong 2h ........................................................................... 31
Hình 2. 4. Ảnh SEM của TiO2 nano chế tạo bằng phƣơng pháp sử dụng axit
sulfuric nung ở 550oC trong 2h ....................................................................... 31
Hình 2. 5. Ảnh TEM của TiO2 nano chế tạo bằng phƣơng pháp siêu âm – thủy
nhiệt nung ở 550oC trong 2h ........................................................................... 31

từ 350oC đến 950oC ......................................................................................... 44
Hình 3. 1. Phổ hấp thụ UV-Vis của Eu2O3 (a) và Sm2O3 (b) đo tại nhiệt độ
phòng ............................................................................................................... 47
Hình 3. 2. Phổ hấp thụ UV-Vis của TiO2 550oC pha tạp 1% mol Eu3+ (a), 1%
mol Sm3+ (b). ................................................................................................... 48

viii


Hình 3. 3. Phổ hấp thụ UV-Vis của TiO2 950oC pha tạp 1% mol Eu3+ (a),1%
mol Sm3+ (b). ................................................................................................... 49
Hình 3. 4. Phổ phát quang của TiO2: Eu (1% mol) theo nhiệt độ nung mẫu .. 50
Hình 3. 5. Phổ phát quang của TiO2: Sm (1% mol) theo nhiệt độ nung mẫu . 50
Hình 3. 6. Phổ phát quang của TiO2 nano pha tạp Eu3+ theo nồng độ nung ở
450oC ............................................................................................................... 52
Hình 3. 7. Phổ phát quang của TiO2 nano pha tạp Sm3+ theo nồng độ nung ở
550oC ............................................................................................................... 53
Hình 3. 8. Phổ kích thích ở bức xạ 615 nm của TiO2 nano pha tạp 1% mol
Eu3+ theo nhiệt độ nung mẫu ........................................................................... 53
Hình 3. 9. Phổ kích thích ở bức xạ 613 nm của TiO2 nano pha tạp 1% mol
Sm3+ theo nhiệt độ nung mẫu .......................................................................... 54
Hình 3. 10. Các vị trí của ion Eu3+ trong mạng tinh thể TiO2 nano [8]. ......... 56
Hình 3. 11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của TiO2, TiO2: Eu3+ (1% mol) và TiO2:
Sm3+ (1% mol) đƣợc nung tại 550oC .............................................................. 57
Hình 3. 12. Phổ Raman của TiO2 (a), TiO2: 1% mol Eu3+ (b)và TiO2: 1% mol
Sm3+ (c) đƣợc nung tại 550oC. ........................................................................ 58
Hình 3. 13. Phổ hấp thụ TiO2: Eu3+ (1% mol, 550oC) (a), TiO2: Sm3+ (1%
mol, 550oC) (b), TiO2: Eu3+ (1% mol, 950oC) (c), TiO2: Sm3+ (1% mol,
950oC) (d) ........................................................................................................ 59
Hình 3. 14. Ảnh TEM TiO2: Eu3+ (a), TiO2: Sm3+ (b) nung ở 500oC ............. 60

các nhiệt độ khác nhau .................................................................................. 788
Hình 4. 12. Phổ hấp thụ và khả năng phân hủy MB của TiO2: Eu3+ (1% mol)
nung ở 550oC ................................................................................................. 799
Hình 4. 13. Phổ hấp thụ và khả năng phân hủy MB của TiO2: Sm3+ (1% mol)
nung ở 550oC ................................................................................................. 799
Hình 4. 14. Đồ thị so sánh khả năng phân hủy chất màu MB của TiO2, TiO2:
Eu3+ (1% mol) và TiO2: Sm3+ (1% mol) ......................................................... 80
x


xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 có cấu trúc anatase và rutile ......... 6
Bảng 1. 2. Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hóa trị 3 .... 13
Bảng 1. 3. Các tính chất vật lí của TiO2 nano pha tạp RE3+ (A-anatase, Rrutile) ............................................................................................................... 25

Bảng 2.1. Tỉ lệ pha anatase (

), rutile (

) và kích thƣớc tinh thể ( ) của

TiO2 chế tạo bằng phƣơng pháp siêu âm - thủy nhiệt ..................................... 35
Bảng 2.2. Tỉ lệ pha anatase (

), rutile (

) và kích thƣớc tinh thể ( ) của

tiềm năng để pha tạp ion đất hiếm (RE). TiO2 nano có năng lƣợng phonon
thấp, do vậy, xác suất chuyển dời phát xạ cao. Vì vậy, vật liệu phát quang của
ion đất hiếm trên nền TiO2 cấu trúc nano với độ chói và hiệu suất phát quang
cao phát bức xạ trong vùng nhìn thấy đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát
triển. Đây là nhóm vật liệu có nhiều triển vọng ứng dụng tốt để chế tạo các
thiết bị hiển thị [20], các linh kiện quang điện tử [17], laser rắn [25], [35], [48].
Sự truyền năng lƣợng từ TiO2 nano tới các ion đất hiếm đƣợc thực hiện
dễ dàng hơn do chúng có nhiều mức năng lƣợng. Chẳng hạn, các chuyển dời
5

D1 → 7F1, 5D0 → 7FJ (J = 0, 1, 2, 3, 4) của ion Eu3+ sẽ phát các bức xạ trong

vùng khả kiến tại 543, 579, 595, 615, 655 và 701 nm [73], [81]. Ngƣời ta
cũng đã chỉ ra rằng, vật liệu TiO2 nano pha tạp RE có tính chất quang xúc tác
mạnh. Các ion đất hiếm sẽ tạo thành các phức chất với liên kết RE – O – Ti ở
bề mặt, làm ngăn cản quá trình chuyển cấu trúc từ anatase sang rutile và làm
gia tăng quá trình hấp thụ các ion lạ trên bề mặt của vật liệu.

1


Do TiO2 có nhiều dạng thù hình và bản thân các ion RE có cấu trúc
điện tử đặc biệt, vì vậy, việc nghiên cứu tính chất phát quang của chúng sẽ
mang lại nhiều thông tin mới. Nhƣ vậy, việc nghiên cứu các vấn đề trên
không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học mà cả về mặt thực tiễn. Cho đến nay,
câu hỏi về cơ chế truyền năng lƣợng giữa mạng nền TiO2 có cấu trúc tinh thể
khác nhau với các ion RE, cũng nhƣ vị trí của các ion RE trong mạng nền
TiO2 vẫn còn bỏ ngỏ. Hiệu ứng huỳnh quang chuyển đổi ngƣợc (đối Stocks)
của các ion RE trong nền mạng TiO2 nano là một đối tƣợng nghiên cứu đầy
hấp dẫn [44], [87].

đƣợc. Luận án trình bày một cách hệ thống kết quả nghiên cứu về các tính
chất vật lý của vật liệu TiO2 nano pha tạp các ion đất hiếm. Các kết quả trong
luận án là những đóng góp mới về mặt nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của hệ
vật liệu này.
Các nội dung chính của luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng
Chƣơng 1. Tổng quan lý thuyết;
Chƣơng 2. Công nghệ chế tạo, cấu trúc, vi cấu trúc của vật liệu TiO2
nano pha tạp ion đất hiếm (Eu3+, Sm3+);
Chƣơng 3. Đặc trƣng quang phổ của vật liệu TiO2 nano pha tạp ion
Eu3+, Sm3+;
Chƣơng 4. Ứng dụng TiO2 nano vào lĩnh vực quang xúc tác;
Mặc dù, tác giả đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình nghiên cứu,
nhƣng các kết quả đạt đƣợc trong luận án chƣa thể đáp ứng tốt kỳ vọng ban
đầu. Hy vọng, những ý kiến đóng góp của phản biện, các nhà khoa học và
những ngƣời quan tâm là cơ sở để hoàn thiện luận án này.

3


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 CÓ CẤU TRÚC NANO
1.1.1. Giới thiệu về TiO2 có cấu trúc nano
1.1.1.1. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý của TiO2
TiO2 là một bán dẫn điển hình, đƣợc hình thành ở nhiệt độ cao khi Ti
tác dụng với O. Trạng thái oxi hoá đặc trƣng và bền nhất của nguyên tố Ti là
+4 (TiO2) do các ion Ti4+ có cấu hình bền của khí hiếm (18 điện tử). Ngoài ra,
Ti có thể tồn tại ở các trạng thái oxi hoá thấp hơn là +2 (TiO) và +3 (Ti2O3),
nhƣng dễ chuyển sang trạng thái +4 bền hơn.
Tuỳ theo các điều kiện chế tạo mà TiO2 có thể có cấu trúc anatase,

Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của TiO2 có cấu trúc anatase và rutile

STT

Tính chất vật lý

Pha anatase

Pha Rutile

1

Nhóm không gian

I41 amd

I42 nmn

2

Khối lƣợng riêng (g/cm3)

3,84

4,2

3

Nhiệt nóng chảy (oC)


114

7

Nhiệt dung riêng
(cal/mol.độ)

12,96

13

Độ rộng vùng cấm (eV)

3,2

3,05

8

TiO2 kích thƣớc micro rất bền về mặt hóa học, trong khi TiO2 kích
thƣớc nano có thể tham gia phản ứng với các axit mạnh. Các dạng oxit,
hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính chất lƣỡng tính. Ngoài ra,
TiO2 có một số tính chất ƣu việt thích hợp để dùng làm chất quang xúc tác.
1.1.1.2. Cấu trúc vùng năng lƣợng của TiO2
TiO2 là một bán dẫn có bề rộng vùng cấm tƣơng đối lớn, vùng hóa trị
đƣợc lấp đầy electron, vùng dẫn hoàn toàn trống. TiO2 ở pha anatase có bề
rộng vùng cấm cỡ 3,2 eV tƣơng ứng với năng lƣợng của một lƣợng tử ánh
sáng với bƣớc sóng khoảng 388 nm, còn TiO2 pha rutile có bề rộng vùng cấm
cỡ 3,0 eV tƣơng ứng với năng lƣợng của một lƣợng tử ánh sáng với bƣớc
sóng khoảng 413 nm


Hình 1.3. Giản đồ vùng năng lƣợng của TiO2

1.1.1.3. Một vài ứng dụng của TiO2 nano
TiO2 là một vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp nano bởi vì nó
có nhiều tính chất vật lý và hóa học mới lạ, có độ bền cao và thân thiện với
môi trƣờng. Vì vậy, TiO2 có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống và khoa học
kỹ thuật nhƣ hóa mỹ phẩm, kem đánh răng, sơn màu, chế tạo men gốm chịu
nhiệt. Ở kích thƣớc nano, TiO2 còn sử dụng trong các lĩnh vực nhƣ chế tạo
pin mặt trời, các linh kiện điện tử, vật liệu tự làm sạch.
+ Ứng dụng trong lĩnh vực quang xúc tác
Nhờ hiệu ứng quang xúc tác rất mạnh, TiO2 kích thƣớc nano đƣợc dùng
để xử lý môi trƣờng rất hiệu quả [18], [57], [60]. Cơ chế quang xúc tác của
vật liệu này khá đơn giản. Sau khi hấp thụ photon có năng lƣợng lớn hơn
năng lƣợng vùng cấm, các điện tử đƣợc kích thích từ vùng hóa trị nhảy lên
vùng dẫn tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống. Các cặp điện tử - lỗ trống này di
chuyển ra bề mặt và thực hiện phản ứng oxi hóa – khử. Các lỗ trống có thể
tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham

7


gia vào quá trình trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động nhƣ (OH, O2).
Tƣơng tự, các điện tử sẽ tham gia vào các quá trình khử tạo thành các gốc tự
do. Các gốc tự do sẽ tiếp tục oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp thụ trên bề mặt
chất xúc tác tạo thành sản phẩm cuối cùng không độc hại là CO2 và H2O. Nhƣ
vậy, nếu tăng diện tích tiếp xúc bề mặt sẽ nâng cao hiệu quả quang xúc tác.
+ Ứng dụng làm pin mặt trời nhạy màu (DSSC)
TiO2 có thể hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy và chuyển đổi năng
lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện cho các ứng dụng trong pin mặt trời

của TiO2 là rất ít (so với vàng và gốm). Vì vậy, TiO2 đƣợc sử dụng trong phẫu
thuật chỉnh hình và nha khoa. Ngoài ra, ngƣời ta còn phát triển công nghệ gia
công bề mặt bằng cách sử dụng các ống TiO2 nano hoặc các dây TiO2 nano
vừa đảm bảo độ xốp và khả năng kháng khuẩn nhằm nâng cao sự tƣơng tác
giữa tế bào xƣơng và titan.
1.1.2. Các phƣơng pháp chế tạo TiO2 nano
1.1.2.1. Phƣơng pháp thủy nhiệt
Phƣơng pháp thủy nhiệt là phƣơng pháp sử dụng các dung dịch trong
điều kiện nhiệt độ và áp suất cao có tác dụng làm tăng độ hòa tan và tốc độ
phản ứng giữa các chất. Để thực hiện điều này, dung dịch hòa tan vật liệu
đƣợc đặt trong nồi hấp kín và đốt nóng, thông thƣờng nồi hấp đƣợc sử dụng là
autoclave. Dựa vào nhiệt độ và lƣợng dung dịch đƣa vào bình teflon ta có thể
biết đƣợc áp suất bên trong bình. Phƣơng pháp sử dụng TiO2 với các loại
bazơ khác nhau (nhƣ NaOH, KOH, LiOH, ...) sẽ cho sản phẩm có cấu trúc
đơn, kích thƣớc nhỏ (cỡ 10 nm đến 30 nm) và diện tích bề mặt lớn [23], [67],
[73], [81]. Việc tổng hợp TiO2 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt có nhiều ƣu
điểm so với các phƣơng pháp khác ở chỗ: phƣơng pháp này khá đơn giản, ít
tiêu thụ năng lƣợng và nhiệt độ kết tinh pha anatase thấp. Khi thay đổi các
điều kiện của phản ứng nhƣ nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất phản ứng cũng
nhƣ độ PH của dung dịch ta có thể thu đƣợc TiO2 nano có hình dạng và kích
thƣớc mong muốn. Sử dụng phƣơng pháp này, ta có thể thu đƣợc các tinh thể
9


TiO2 nano dạng thanh, dây hay ống. Nhiều nhóm tác giả đã nghiên cứu đã
tổng hợp TiO2 có kích thƣớc vào khoảng 7 – 25 nm bằng cách thủy nhiệt
titanium alkoxide trong dung dịch HNO3 – ethanol – nƣớc ở 250oC trong 4h.
Zhang và các cộng sự đã tổng hợp đƣợc các thanh nano khi thủy nhiệt dung
dịch TiCl4 trong môi trƣờng axít hoặc muối vô cơ ở 150oC trong 12h [47]. Để
nâng cao hiệu suất của các phản ứng thủy nhiệt, có thể kết hợp phƣơng pháp

góp của cơ chế phục hồi lƣỡng cực và ion xảy ra trong vật liệu. Sử dụng lò vi
sóng để tổng hợp vật liệu TiO2 có cấu trúc nano khác nhau, năm 2018 Jinju
Zhang và cộng sự [85] đã tổng hợp các ống TiO2 dài 200 đến 800 nm có
đƣờng kính từ 8 đến 12 nm bằng cách sử dụng tinh thể TiO2 anatase hoặc
rutile với dung dịch H2SO4.
1.1.2.4. Phƣơng pháp siêu âm
Phƣơng pháp chế tạo vật liệu sử dụng sóng siêu âm (gọi tắt là phƣơng
pháp siêu âm) là phƣơng pháp mới đƣợc phát triển trong những năm gần đây
[74]. Phƣơng pháp này sử dụng tác động đặc biệt của siêu âm công suất cao
để điều khiển các phản ứng hóa học. Sử dụng nguồn siêu âm công suất cao để
tạo ra các phản ứng hóa học thông qua hiệu ứng sinh lỗ hổng. Khi một chùm
siêu âm có cƣờng độ đủ mạnh đi vào một chất lỏng sẽ tạo ra các vùng nén,
giãn liên tiếp, làm xuất hiện sự bất đồng nhất về mật độ khối lƣợng của môi
trƣờng. Do đó có sự chênh lệch áp suất âm giữa các vùng này. Hậu quả là,
chất lỏng dƣờng nhƣ bị xé ra, làm cho môi trƣờng không liên tục. Nơi bị xé ra
lập tức hình thành túi khí (chứa không khí và hơi nƣớc bão hòa), gọi là các lỗ
hổng. Các túi khí này, lúc đầu, là các bọt khí có kích thƣớc nhỏ. Do chênh
lệch về áp suất, các túi khí này lớn dần và bị vỡ tung ra, chất lỏng lại lấp các
lỗ hổng đó. Quá trình lấp lỗ hổng xảy ra rất nhanh, kèm theo tiếng nổ lớn. Đó
là hiện tƣợng sinh lỗ hổng hay hiệu ứng cavitacy. Theo tính toán, tại nơi xảy
ra sự nổ tung các bọt khí, nhiệt độ có thể lên đến 5000 K và áp suất đạt cỡ
1000 atm. Năng lƣợng cần thiết để tạo thành các bọt khí trong chất lỏng tỉ lệ
thuận với sức căng bề mặt và áp suất hơi. Nhƣ vậy, áp suất hơi của chất lỏng
11


càng cao thì năng lƣợng cần thiết để tạo bọt khí càng cao và đồng thời năng
lƣợng sóng xung kích tạo ra khi các bọt khí bị vỡ tung cũng càng lớn. Hệ quả
cuối cùng của quá trình này là các phản ứng hóa học xảy ra dễ dàng. Áp suất
cao dẫn đến tăng số lƣợng phân tử va chạm do đó làm tăng tốc độ phản ứng

Tm, Yb có số nguyên tử từ 58 đến 70 giữ vai trò hết sức quan trọng trong sự
phát quang của tinh thể. Cấu hình điện tử của các ion hóa trị 3, với sự lấp đầy
của các điện tử lớp 4f: 1s22s22p63d104s24p64d10 (4fn) 5s25p6 với n = 1 ÷ 13,
đƣợc đƣa ra trong bảng 1.2.
Theo thuyết cấu tạo hóa học thì cấu trúc các lớp điện tử trong nguyên
tử của các nguyên tố đất hiếm hình thành nhƣ sau: sau khi bão hòa lớp điện tử
S của lớp thứ sáu 6s2 bằng hai điện tử thì lớp điện tử 4f đƣợc lấp đầy dần bằng
14 điện tử, tức là cấu hình điện tử có lớp chƣa lấp đầy là 4f. Nói chung, tất cả
các nguyên tố đất hiếm về cơ bản có tính chất hóa học giống nhau. Do sự
khác nhau về cấu trúc lớp vỏ điện tử 4f nên chúng khác nhau về tính chất vật
lý, đặc biệt là sự hấp thụ và bức xạ năng lƣợng (photon ánh sáng).
Bảng 1. 2. Cấu hình điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE hóa trị 3

Số nguyên tử Ion đất hiếm
57
La3+
58
Ce3+
59
Pr3+
60
Nd3+
61
Pm3+
62
Sm3+
63
Eu3+
64
Gd3+

13

Trạng thái cơ bản
O
2
F5/2
3
H4
4
I9/2
5
I4
6
H5/2
7
F0
8
S7/2
7
F6
6
H15/2
5
I8
4
I15/2
3
H6
2
F7/2