CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THỦY TINH VÀ LÝ THUYẾT JO
1.1. Thủy tinh pha tạp đất hiếm
1.1.1. Sơ lược về thủy tỉnh
Hình 1.1. Sự sắp xếp các nguyên tử trong mạng ngẫu nhiên liên tục của vật liệu tỉnh thể thạch anh SiO2 (trái) và thủy tinh silicat SiO2 (phải), các chấm nhỏ là nguyên tử Sĩ, chấm đen to là nguyên tử O. Mạng được biểu diễn theo hai chiều [1, 29]
Thủy tinh, theo định nghĩa (năm 1941) của các nhà khoa học thuộc Hiệp hội Khoa học Vật liệu của Mỹ, là sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm nguội đột ngột để có cấu trúc tuy rất rắn chắc nhưng lại là chất vô định hình. Điều đó có nghĩa là thủy tinh không có véc tơ chuyển dịch tịnh tiến, cũng đồng nghĩa với cấu trúc của nó không có trật tự xa, nhưng có thể nó có trật tự gần. Trong khi với vật liệu tinh thể thì các nguyên tử sắp xếp theo trật tự xa[29]. Hình 1.1 biểu diễn sự khác nhau trong cấu trúc hệ nguyên tử của tinh thể và thủy tinh SiO2[1, 29].
Đối với thủy tinh, tương tác trật tự gần chiếm ưu thế hơn trật tự xa. Tuy nhiên, việc xử lý nhiệt thích hợp có thể tạo nên sự cân bằng giữa trật tự gần và xa để phục vụ cho mục đích riêng theo mong muốn của nghiên cứu cấu trúc mới trong hệ thống khá phức tạp nhiều thành phần. Sự cạnh tranh giữa sắp xếp trật tự gần với trật tự xa trong cấu trúc đã tạo ra sự đa dạng về tính chất lý hóa mà những tính chất này được áp dụng trong nhiều lĩnh vực [17]. Thủy tinh có thể được chế tạo từ nhiều loạinguyên liệu khác nhau, một số chất có thể dễ dàngtạo thànhthủy tinh khi từ trạng thái nóng chảy được làm lạnhđủnhanhvàthường được gọi là chất tạo thủy tinh (glass former). Một số oxit như TeO2, SeO2, MeO3, WO3, Bi2O3, Al2O3không thể tự tạo thành thủy tinh nhưng khi phối hợp với một lượng phù hợpmột số loại oxitkhác, chúng sẽ có thể tạo thành thủy tinh. Do đóchúng được gọi làchất tạo nền thủy tinh có điều kiện (conditional glass formers). Một sốoxitnhưPbO, CaO, K2O, Na2O… tạo ra những thay đổimạnh mẽ trongtính chất (điểm nóng chảy, độ dẫn…) của nềnthủy tinhoxitkhi đượcthêm vàovới một lượng nhỏ. Cácoxit này cũngthay đổi cấu trúcmạngcủa thủy tinh và vì thế chúng được gọi là thành phần biến thể của mạng (network modifier). Các cationcủa thành phần biến tính nhưkiềm, kiềm thổvà các ioncó trạng thái hóa trịcao hơn được phân tánngẫu nhiêntrongmạng nền gần các anionkhôngliên kết.
Thủy tinh pha tạp đất hiếm đã và đang được nghiên cứurộng rãidocác ứng dụng thực tế của chúngtrong các thiết bịquang họcnhưlasertrạng thái rắn, sợi quang học, vật liệu huỳnh quang, hiển thị màu… Các vật liệu nàycó độ bền cơ học cao, dễ chế tạo với các hình dạngvà kích cỡ khác nhau với sự phân bố đồng đềucủa các ion RE. Chúng có độ trong suốt cao nên được sử dụng trong các cửa sổquang họcbao gồmvùngtia cực tím, khả kiếnvàhồng ngoại [94]. Thủy tinh vô cơ rất đa dạng, nhưng có thể được phân chia thành một số nhóm cơ bản sau[1]: thủy tinh oxit như borate, photphat, silicat…; thủy tinh halide như fluorozirconate, fluoroboratevafluorophosphate hay ZnCl2, CaF2, LaF3…; thủy tinh calcogenide:được hình thành khi các nguyên tố nhóm VI(S, Se và Te) kết hợp với các nguyên tốnhóm IV(Si và Ge) vàcác nguyên tốnhóm V(P, As, SbvàBi); thủy tinh metalic: gồm hai loại là hỗn hợp kim loại-phi kimvàkim loại-kim loại, thủy tinh tellurite với thành phần hình thành mạng chính là TeO2. Mỗi loại thủy tinh có các
