Trình bày tổng quan vật liệu SnO2 Phương pháp chế tạo vật liệu các phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X

Trình bày tổng quan vật liệu SnO2 Phương pháp chế tạo vật liệu các phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X Trình bày tổng quan vật liệu SnO2 Phương pháp chế tạo vật liệu các phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Nguyễn Thị Thùy Linh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Nguyến Thị Thùy Linh

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

KHÓA ITIMS - 2009

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN NGỌC KHIÊM

Xin cảm ơn các anh chị trong nhóm đã truyền đạt kinh nghiệm và giúp tôi trong việc tìm tại liệu cũng như giải quyết các vấn đề thực nghiệm

Cảm ơn ban lãnh đạo cũng như toàn bộ nhân viên của Viện ITIMS đã tạo điều kiện về trang thiết bị cũng như thời gian ngoài hành chính để tôi có thể hoàn thành sớm phần thực nghiệm

Cảm ơn các bạn trong lớp đã đoàn kết, giúp đỡ và cung cấp thông tin học tập cũng như tài liệu khi tôi ở xa nơi học

Cảm ơn những người thân, gia đình đã giúp đỡ về mặt tinh thần để tôi có thể đi đến đích và hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Tác giả NGUYỄN THỊ THÙY LINH

Trong công nghệ chế tạo vật liệu quang và quang tử thường sử dụng các oxít của nguyên tố nhóm III và nhóm IV như SiOR 2 R, AlR 2 ROR 3 R, TiOR 2 R Trong đó SnOR 2 Rlà vật liệu bán dẫn loại n với vùng cấm rộng (ER g R = 3,6 eV ở 300 K) được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử

Nguyên tố đất hiếm như europium có rất nhiều tính chất quan trọng và ứng dụng trong lĩnh vực quang điện, các linh kiện như dẫn sóng quang, lọc quang,

khuếch đại quang, Ion EuP

3+

P khi phân tán trong một số mạng nền như silica sẽ cải thiện đáng kể khả năng phát xạ của ion EuP

3+

P Việc nghiên cứu chế tạo và cơ chế truyền năng lượng từ mạng nền sang ion EuP

3+

Pvẫn là một vấn đề mới

Vì vậy chúng tôi lựa chọn phương pháp sol-gel để thực hiện đề tài sau :

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO

3+

Kết quả thu được như sau :

• Đã chế tạo thành công vật liệu SnOR 2 R : EuP

3+

Pphân tán trên nền silica bằng phương pháp sol-gel dưới dạng màng với quy trình chế tạo vật liệu ồn định

• Kết quả phổ nhiễu xạ tia X cho thấy tinh thể nano SnOR 2 R: EuP

3+

Pphân tán tốt trong mạng nền silica

3+

P

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn nên chúng tôi chưa giải thích được đầy đủ

về các tính chất quang của vật liệu, , chúng tôi sẽ thực hiện thêm các phép đo cấu trúc và tính chất của vật liệu để làm sáng tỏ vấn đề này

Danh mục các hình vẽ và bảng biểu

Chương I: TỔNG QUAN

hạt nhân nguyên tử

3+

Ptheo điện tích hạt nhân

tinh thể của mạng nền

do pha tạp với nồng độ cao

3+

3 +

P

Bảng 1.1 Các ion nguyên tố đất hiếm hoá trị 3

Chương II: THỰC NGHIỆM

3+

Pbằng sol-gel

Bảng 2.1 Thể tích của EuCl3cho vào dung dịch tương ứng với nồng độ pha tạp Eu3+

Pvới tỉ lệ TEOS / SnClR 2 R.2HR 2 RO thay đổi

3+

Pvới số lần Spin-coating và tỉ lệ TEOS / SnClR 2 R.2HR 2 RO thay đổi

Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3+

P 5%

3+

P 7%

3+

P5% được chế tạo bằng phương pháp nhiệt sol-gel

3+

P3% với tỉ lệ 90TEOS /5SnOR 2 R được chế tạo bằng phương pháp nhiệt sol-gel

3+

P1% được chế tạo bằng phương pháp sol-gel đo ở bước sóng kích thích 325 nm

chế tạo bằng phương pháp sol-gel đo ở bước sóng kích thích 325 nm

nm

3+

Pđược chế tạo bằng phương pháp sol-gel quay phủ 35 lớp đo ở bước sóng kích thích 325 nm

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

I.1 Vật liệu SnOR2

1.1 Đặc trưng cấu trúc tinh thể SnO 2

1.2 Tính chất quang của vật liệu SnOR2R

1 2.1 Dây nanô

1.2.2 Nanô hạt, màng SnOR 2 R

I.2 Ion đất hiếm

2.1 Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm

2.2 Sự tách mức năng lượng của các ion tạp

2.3 Sự phát xạ của các ion đất hiếm

2.4 Các dịch chuyển phát xạ và không phát xạ của các ion đất hiếm

2.5 Sự dập tắt huỳnh quang

2.6 Ion Europium 2.7 Sự truyền năng lượng từ mạng nền SnOR2R sang EuP 3+ P

I.3 Vật liệu SiOR2 Chương II THỰC NGHIỆM II.1 Phương pháp chế tạo vật liệu

2.1 Một số phương pháp chế tạo vật liệu đang được sử dụng

2.1.1 Phương pháp sol-gel

2.1.2 Phương pháp nhiệt thủy phân

2.2 Chế tạo vật liệu phát huỳnh quang SnOR2Rpha tạp EuP 3+ P

2.2.1 Hóa chất và thiết bị

2.2.2 Chế tạo vật liệu SnOR 2 R:EuP 3+ P

II.2 Các phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu

2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.2 Phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt qua ảnh SEM

2.3 Phổ huỳnh quang PL

2.4 Phổ kích thích huỳnh quang PLE

Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1 Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X

III.2 Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét

III.3 K ết quả chụp phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của vật liệu SnOR2R:EuP 3+ P -SiOR2R

3.1 Phổ huỳnh quang của nano tinh thể SnO2

3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp

3.1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ mạng nền SnOR 2 R- SiOR 2 R 3.2.Phổ huỳnh quang PL của tinh thể nano SnOR 2 R

MỞ ĐẦU

Thế kỷ 21 là thế kỷ của các ngành công nghệ mũi nhọn như công nghệ sinh học, công nghệ thông tin và công nghệ chế tạo vật liệu mới trong đó chế tạo vật liệu quang và quang tử là một thử thách hấp dẫn đối với các nhà khoa học

Trong công nghệ chế tạo vật liệu quang và quang tử thường sử dụng các oxít của nguyên tố nhóm III và nhóm IV như SiOR 2 R, AlR 2 ROR 3 R, TiOR 2 R Trong đó SnOR 2 R là vật liệu bán dẫn loại n với vùng cấm rộng (ER g R= 3,6 eV ở 300 K) được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử, đặc biệt là trong các linh kiện điện huỳnh quang như điện cực dẫn, lớp phủ trong suốt, pin mặt trời và vật liệu xúc tác do vật liệu SnOR 2 Rdạng khối có sự khác nhau về kích thước hạt, nồng độ các nút

khuyết ôxy và tính chất điện Vật liệu SnOR 2 Rdạng màng mỏng đã được nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây Các kết quả đã được công

bố chứng tỏ rằng các nút khuyết ôxy hoạt động như các tâm phát xạ và có vai trò cực kỳ quan trọng đối với tính chất huỳnh quang của vật liệu bán dẫn ôxít kim loại

Nguyên tố đất hiếm như europium có rất nhiều tính chất quan trọng và ứng dụng trong lĩnh vực quang điện, các linh kiện như dẫn sóng quang, lọc quang, khuếch đại quang, Ion EuP

3+

P

có mức năng lượng điện tử tự do Khi vật liệu SnOR 2 R không pha tạp , sự chuyển tiếp của lưỡng cực điện và lưỡng cực từ để tạo ra khả năng nhạy cảm, từ đó khảo sát vị trí kim loại khí hiếm / vị trí đối xứng Sự chuyển tiếp của ion EuP

3+

P giảm xuống tại môi trường đối xứng, khi đó lưỡng cực điện không bị ảnh hưởng bởi môi trường và cường độ tán xạ rất mạnh Ion EuP

3+

Pkhi pha tạp vào trong vật liệu có một số đỉnh phát xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy do vậy rất thích hợp ứng dụng chế tạo các linh kiện điện huỳnh quang trong vùng nhìn thấy Một số kết quả nghiên cứu mới đây cho thấy, vật liệu SnOR 2 R pha tạp EuP

đặc điểm là có thể chế tạo được các hạt nanô có kích thước ở nhiệt độ thấp, hoà trộn một cách đồng đều nhiều ôxít với nhau ,dễ pha tạp có thể điều khiển được độ xốp và độ bền cơ học thông qua việc sử lý nhiệt, chế tạo được những vật liệu với

độ tinh khiết cao, hoá chất sử dụng thường là không độc phù hợp với các điều kiện sẵn có của phòng thí nghiệm Vì vậy chúng tôi lựa chọn phương pháp sol-gel

để thực hiện đề tài sau :

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO

quang của các ion đất hiếm,cấu trúc và tính chất của SnOR 2 R và SiOR 2 R

Trình bày quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu SnOR 2 R: EuP

3+

Pphân tán trong mạng nền silica bằng phương pháp sol-gel và các kỹ thuật phân tích cấu trúc, tính chất vật liệu

hiển vi điện tử quét SEM và các kết quả về phép đo huỳnh quang Từ đó đưa ra một số kết luận và đề xuất về triển vọng và hướng nghiên cứu tiếp

Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

I.1.1 Đặc trưng cấu trúc tinh thể SnO 2

SnOR 2 R có cấu trúc rutile tương tự như một số ôxít khác như TiOR 2 R, RuOR 2 R, CrOR 2 R, VOR 2 R Mỗi nguyên tử Sn được 6 nguyên tử oxi bao quanh kiểu bát diện và mỗi nguyên tử oxi được 3 nguyên tử kim loại bao quanh kiểu tam giác Mỗi ô đơn

vị tetragonal chứa 2 nguyên tử Sn chiếm vị trí (0,0,0) và (1/2,1/2,1/2) và 4 nguyên tử ôxyP Pchiếm các vị trí ±(u,u,0) và ±(1/2+u,1/2-u,1/2), trong đó u là thông

số nội có giá trị 0,307 Thông số mạng a=b= 4,7384 Å và c= 3,1871 Å Tỉ số c/a

=0,6726 Liên kết giữa các nguyên tử là liên kết ion mạnh

Do năng lượng bề mặt nhỏ nhất nên mặt (110) là mặt được ưu tiên nhất, tiếp theo là các mặt (100), (101), (001) Vì vậy các nghiên cứu thường tập trung vào mặt (110) của tinh thể SnOR 2 R Theo hướng [110] vuông góc với mặt (110), cấu trúc pha rutile được xây dựng từ ba lớp (O), (2Sn + O), (O) xếp xen kẽ nhau Cả ba lớp này đều có thể là lớp ngoài cùng của mặt tinh thể Cấu trúc đầy đủ như vậy gọi là cấu trúc stoichiometric (Hình 1.1b, mặt trên) Tinh thể với cấu trúc stoichiometric hoàn chỉnh chỉ có thể được tạo ra trong điều kiện vật liệu được ủ dưới áp suất cao của một khí ôxy hóa nào đó chẳng hạn như OR 2 R, NOR 2 R, plasma ôxy Nói chung, trên mặt SnOR 2 R luôn tồn tại các nút khuyết ôxy Khi ủ lại mẫu có mặt stoichiometric

stoichiometric, đáy dưới là mặt reduce

trong chân không tới 650 K, các nguyên tử ôxy cầu nối mất đi, ta thu được mẫu có mặt (110) “reduced” (Hình 1.1b, mặt dưới); ủ lại mẫu có mặt stoichiometric trong chân không tới 700 K sẽ có thêm nút khuyết của một số nguyên tử ôxy ở mặt bên trong và ta thu được mặt sai hỏng [1]

Khi nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu SnOR 2 R người ta thường sử dụng các phương pháp phân tích thông dụng là phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X Hình 1.2 đưa ra phổ nhiễu xạ tia X điển hình của vật liệu này Trên hình cho thấy xuất hiện đỉnh phổ với cường độ mạnh nhất ở góc quét 2θ = 26,54P

I.1.2 Tính chất quang của vật liệu SnOR2

Cấu trúc hình học mặt (110) stoichiometric và mặt (110) reduce được mô tả trên hìn 1.1 Khi các nguyên tử ôxy bị mất, SnP

4+

Ptrở thành SnP

2+

Pvà thừa ra hai điện

tử, các điện tử này có độ phân cực cao hướng ra bề mặt Sự dư thừa điện tử Sn làm tăng nồng độ hạt dẫn (điện tử) trên vật liệu, kết quả là độ dẫn vật liệu tăng và SnOR 2 Rtrở thành bán dẫn loại n, bề rộng vùng cấm ER g R= 3.6 eV

Vậy bản chất mức donor trong bán dẫn SnOR 2 Rloại n là các nút khuyết ôxy, mức donor nằm ngay sát vùng dẫn (cách vùng dẫn cỡ 0,003 đến 0,15 eV) nên hầu như

bị ion hóa hoàn toàn ở nhiệt độ thấp[3]

Độ linh động của điện tử trong ôxít SnOR 2 R µ= 80 cmP

2

P/V.s ở 500K và 200

và nhiệt cao mà vật liệu SnOR 2 R hiện đang được nghiên cứu rộng rãi trong các ứng dụng làm cảm biến khí

I 1.2.1.Dây nano SnOR2

Phổ huỳnh quang (PL) là một kỹ thuật thích hợp để xác định chất lượng tinh thể và sự có mặt của tạp chất cũng như các trạng thái exciton Phổ huỳnh quang dây nanô SnOR 2 R được kích thích bằng nguồn laser He-Cd ở bước sóng 325 nm Dây nanô SnOR 2 Rphát xạ mạnh bức xạ màu vàng với cường độ cực đại khoảng 570

nm Bức xạ ở gần bờ (cỡ 320 nm) thì không phát hiện được Sự mở rộng của đỉnh phổ huỳnh quang là kết quả của sự chồng chập nhiều đường bức xạ (ít nhất là 2 đường), các nghiên cứu cho thấy đó là sự chồng chập của hai đỉnh cơ bản tại 460

nm và 570 nm [4]

Dựa vào phổ hấp thụ UV/Vis người ta xác định được bề rộng vùng cấm của dây nanô SnOR 2 R là 3,74 eV (tương ứng với bước sóng λ=1,24/E=331 nm) Do đó hai đường PL có đỉnh ở 460 nm và 570 nm không thể do tái hợp trực tiếp vùng- vùng, nghĩa là một điện tử dẫn nằm trong dải 4d của nguyên tử Sn tái hợp với một

lỗ trống nằm trong dải hóa trị 2p của O Sự xuất hiện của 2 đỉnh PL có thể được

giải thích như sau : Đỉnh 460 nm liên quan đến một mức nông ( shallow energy level) mà các điện tử ở mức này thường kém ổn định nhiệt Khi nhiệt độ tăng lên trên 100 K thì các điện tử ở trạng thái này bị ion hóa chuyển lên vùng dẫn và có thể tái hợp thông qua chuyển mức không bức xạ, vì vậy cường độ huỳnh quang sẽ giảm nhanh khi nhiệt độ tăng Ngược lại, đỉnh bức xạ tại 570 nm cho thấy ít phụ thuộc nhiệt độ, nó liên quan đến một mức sâu nằm trong vùng cấm, các điện tử được kích thích đến trạng thái này thường ổn định nhiệt và sẽ trở về trạng thái ban đầu thông qua các chuyển mức bức xạ Chuyển mức bức xạ dựa trên các mức sâu nằm trong vùng cấm này là do các vị trí khuyết ôxy trên bề mặt Sự vắng mặt của bức xạ gần bờ ( ∼ 331 nm) cho thấy ý nghĩa hết sức quan trọng của các trạng thái

bờ mặt so với các tính chất khối của dây nanô [5]

1.2.2 Nanô hạt, màng SnOR2R

Trong linh kiện điện huỳnh quang, vật liệu phát quang đóng vai trò quan trọng đến hiệu suất phát quang của linh kiện và nó cũng quyết định màu sắc ánh sáng phát ra như: các vật liệu ZnS:Mn, SnS:TbOF, ZnS:Tb phát ra ánh sáng màu xanh

lá cây, SrS:Cu, SrS:Eu, ZnS:Cl phát ra ánh sáng đỏ còn đối với SrS:Cu, GaR 2 RSR 4 R:Ce

cho ta ánh sáng màu xanh da trời [6]

Với hiệu ứng giam giữ lượng tử, năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào kích thước khi tinh thể có kích thước nanô do vậy phổ quang phát

ra của vật liệu cũng phụ thuộc vào kích thước của tinh thể

R

e m

m R m E E

o h

e o

=

επε

π

4

8 , 1 1

1 2

2

*

* 2

2 2



Trong những năm gần đây việc nghiên cứu các vật liệu có kích thước nanô đang thu hút được nhiều sự quan tâm trong nước và trên thế giới, người ta hy vọng rằng sẽ tìm ra được những loại vật liệu cho phổ màu đa dạng hơn, hiệu suất phát quang lớn hơn Nanô tinh thể SnOR 2 R được sử dụng như một mạng nền để pha tạp europium là một trong những loại vật liệu được chế tạo ứng dụng tốt cho những linh kiện điện huỳnh quang phát ánh sámg màu đỏ

Vật liệu SnOR 2 Rđược xem là một trong những vật liệu quan trọng và được sử dụng khá nhiều trong chế tạo cảm biến khí Cảm biến khí SnOR 2 Rđầu tiên có măt trên thị trường vào những năm 1968, nó được sử dụng để kiểm tra sự có mặt của các khí như : CO, HR 2 R, NOR 2 R, HR 2 RS, CHR 4 R trong môi trường Khả năng nhạy khí của SnOR 2 R là sự thay đổi độ dẫn của oxít bề mặt hoặc gần bề mặt, độ dân thay đổi là kết quả của phản ứng bề mặt giữa bán dẫn và khí ( có thể là sự phản ứng bề mặt hoặc sự hấp phụ của các phân tử bề mặt ) Màng SnOR 2 Rlà ôxít bán dẫn bề mặt hoạt động khá ổn định, nhiệt độ làm việc thường khoảng 300P

0

P

C Kích thước tinh thể nano SnOR 2 R dùng trong cảm biến khí thường từ vài nm đến vài chục nm Các tinh thể nano có diện tích bề mặt riêng lớn và các hiệu ứng kích thước cũng thể hiện rõ rệt khi hạt tinh thể ở kích thước nano

I.2.1 Cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm

Các nguyên tố đất hiếm bao gồm các nguyên tố thuộc họLanthanide có số hiệu nguyên tử từ N = 57 (Lanthane) đến N = 103 (Lawrencium) bao gồm : N = 57 ÷ 71:

La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), các nguyên tố này

2

P3pP

6

P4sP

2

P3dP

10

P5sP

2

P4pP

6

P4dP

10

P R4fP

n

P 5dP

x

P 5pP

6

P 6sP

2

P

Các nguyên tố đất hiếm tồn tại ở khắp nơi trên thế giới và được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như luyện kim, nam châm, gốm, điện tử học, hóa học, quang học, y học…[7].Đặc biệt tinh thể được ứng dụng nhiều trong khuếch đại sợi quang

Vì thế các nguyên tố họ Lanthanide là những kim loại được đặc trưng bởi sự lấp chưa đầy lớp điện tử 4f Các nguyên tố này thường hình thành các ion hoá trị 3 (LnP

3+

P

) khi nó được cấy vào các mạng nền rắn Ngoài ra các nguyên tố Ce, Pr có thể

có số oxi hóa +4; Sm, Eu có thể có số oxi hóa +2 Cấu trúc của các ion hoá trị 3 trong cấu hình cơ bản là [Xe] 4fP

n

P5sP

2

P5pP

6

P, trong đó n = 0 ÷ 14 được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các ion nguyên tố đất hiếm hoá trị 3[7]

0

P 5dP

1

P 6s2 LaP

3+

P [Xe]4fP

0

P

2

P 5dP

0

P 6sP

3+

P [Xe]4fP

1

P

3

P 5dP

0

P 6sP

2

P

4

P 5dP

0

P6sP

3

P

5

P 5dP

0

P 6sP

4

6

P 5dP

0

P6sP

5

P

7

P 5dP

0

P 6sP

6

P

Từ Bảng 1.1 chúng ta thấy các ion đất hiếm có hàm sóng quỹ đạo của điện tử lớp 4f nằm ở bên trong và được che chắn khỏi môi trường xung

quanh bởi các lớp bên ngoài 5sP

có thể xác định trước được, và tương đối ít chịu ảnh hưởng của mạng nền Sự phủ hàm sóng của lớp 4f với các lớp 5s, 5p không lớn nên phát quang không tốt

Nhưng khi nó được cấy vào các mạng nền rắn thì sự phủ các hàm sóng

là lớn, các điện tử ở lớp 4f có thể nhảy lên mức kích thích cao hơn dễ dàng

và phát quang tốt hơn Do vậy phổ phát xạ của các ion đất hiếm trong tinh thể tương tự như phổ phát xạ của các ion tự do và rất ít chịu ảnh hưởng của trường tinh thể vật liệu nền Có thể minh họa bằng đồ thị các hàm sóng 5s, 5p và 4f của ion CeP

3+

P trên hình 1.3[8]

Như vậy, việc tăng điện tử lớp 4f chỉ một phần nào đó chắn được sự ảnh hưởng của việc tăng điện tích hạt nhân Do đó, khi số hiệu nguyên tử tăng thì cũng tăng lực hút giữa hạt nhân với các điện tử ở lớp ngoài cùng, làm giảm bán kính nguyên tử và ion (sự co Lantan) Sự thay đổi bán kính ở các nguyên tử Ln và ion LnP

3+

Ptheo chiều tăng điện tích hạt nhân nguyên tử được biểu diễn như hình 1.4

và 1.5 dưới đây

Hình 1.5 Sự thay đổi bán kính của các ion Ln 3+ theo điện tích hạt nhân [8]

tích hạt nhân nguyên tử [8]

Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân thì nhìn chung bán kính nguyên

tử và ion P

3+

Pcủa các nguyên tố Lantan giảm dần do lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân

và các electron lớp ngoài cùng tăng lên Tuy nhiên đối với các nguyên tố Ce, Eu

và Yb có bán kính nguyên tử thay đổi không theo quy luật này Điều này được giải thích như sau : vì nguyên tử Eu (Z = 63) và Yb (Z = 70) có xu hướng duy trì cấu trúc điện tử bền 4fP

có một điện tử 4f và nó có xu hướng cung cấp bốn điện tử dẫn để duy trì cấu hình điện tử bền Vì vậy, phần phủ nhau của những điện tử này cũng lớn hơn dẫn tới khoảng cách giữa các nguyên tử cạnh nhau nhỏ hơn so với những nguyên tố Lantan khác[8]

Hình ảnh quang phổ của các nguyên tố đất hiếm được quan sát lần đầu tiên vào những năm 1900 bởi J Becquerel Đó là quang phổ vạch của muối đất hiếm được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp (<100K) [10] Lý thuyết giải thích cho hiện tượng này được đưa ra lần đầu tiên bởi M.Mayer và cộng sự vào năm 1941 Ông

đã tính toán cấu trúc nguyên tử của các nguyên tố thuộc nhóm Lantan Khi xem xét bức tranh cổ điển về các nguyên tử, thì thấy rằng hạt nhân được bao bọc bởi các lớp vỏ điện tử, các lớp này được điền đầy một cách từ từ khi tiến dần theo chiều tăng điện tích của bảng hệ thống tuần hoàn Nói chung bán kính của các lớp

kế tiếp tăng một cách đơn điệu, nhưng tại nguyên tử có điện tử số Z=57 lại có sự giảm đột ngột bán kính lớp điện tử Nguyên nhân là do lớp 5s và 5p (5sP

2

P5pP

2

P) ở bên ngoài đã được điền đầy điện tử, trong khi đó lớp 4f ở bên trong thì lại chưa được lấp đầy điện tử Điều này dẫn tới bán kính của lớp 4f bị co lại và được bao bọc bởi các lớp 5s 5p Do đó điện tử của lớp 4f sẽ tương tác yếu với hạt nhân nguyên tử của nó

Điều này được giải thích một cách đơn giản khi Mayer đưa ra công thức tính thế hiệu dụng xuyên tâm của điện tử [9]:

18

/11

r

l l m

h r

Z r

e r

+

−+

−

=

πµϕ

Trong đó, V(r) bao gồm thế Culong và thế xuyên tâm, r là khoảng cách từ điện tử đến hạt nhân

h: hằng số Plank m: khối lượng của điện tử l: số lượng tử mômen quỹ đạo góc φ(r/ ) :Hàm Thomas-Fecmi

Thế V(r) này nhận được khi giải phương trình Srodinger với V(r) coi là thế hiệu dụng, bằng cách phân chia các điện tử thành những loại khác nhau để giải quyết bài toán dễ dàng hơn Với điện tử thuộc lớp 4f ứng với l=3 thì những giá trị cực tiểu của V(r) phụ thuộc nhiều vào điện tử số Z của các nguyên tố, thế V(r) được phác họa ở hình 1.6

Từ đồ thị ta thấy:

+ Đối với những nguyên tố mà điện tử số Z có giá trị thấp, V(r) chỉ có 1 cực tiểu tại vị trí ro ~ 6A

+ Khi Z lớn hơn, V(r) có 2 giá trị cực tiểu, một cực tiểu đạt tại vị trí r < ro, hàm sóng của điện tử lớp 4f bị chập lại khi thế V(r) trở nên đủ sâu

Theo mô hình Mayer, người ta đã dự đoán sự thay đổi đột ngột của thế

V(r) xảy ra tại Z=60, nhưng trong thực tế nó đã xảy ra với nguyên tố đầu tiên của dãy Lantan ứng với Z=57

Theo chiều tăng điện tích của dãy Lantan, bán kính trung bình của lớp 4f giảm chậm, điều này được gọi là sự co Lantan Tính từ nguyên tố đầu tiên đến nguyên tố cuối cùng của dãy độ giảm của bán kính vào khoảng 10% Bán kính trung bình của lớp 4f cỡ 0,7 lần bán kính Borh

Dạng tồn tại phổ biến nhất của các nguyên tố đất hiếm là dạng ion, đặc biệt

là trạng thái ion hóa trị 3 (LnP

3+

P) Các mức năng lượng của ion đất hiếm ở trạng thái tự do là các trạng thái suy biến và khi đó, các chuyển mức là bị cấm

I.2.2 Sự tách mức năng lượng của ion tạp

Do cấu trúc các quỹ đạo chưa được điền đầy nên hình thành các mức bội của điện tử 4f, lực tương tác Coulomb giữa các điện tử 4f mạnh (~10 eV) để tạo ra số hạng liên kết Rusell-Saunders, được ký hiệu là P

l L

s S

LR j R được phân tách thành các cấu trúc tế

vi bởi trường tinh thể, mỗi mức bội P

2S+1

P

L suy biến thành (2S+1)(2L+1) bậc Ở đây,

J là tổng mômen toàn phần, có vectơ mômen toàn phần J được xác định:

S L

Về độ lớn J có thể nhận giá trị từ │L-S│ đến (L + S) Nếu L > S, mômen J nhận (2S + 1) giá trị từ (L - S) đến (L + S) Nếu L < S, mômen J nhận 2L giá trị từ (S - L ) đến (L + S)

Hình 1.7 Gi ản đồ mức năng lượng của một số ion đất hiếm [10]

Trên hình 1.7 là sơ đồ mức năng lượng chính của một số ion đất hiếm, các mức năng lượng này được ký hiệu theo Russell-Saunders

Nếu năng lượng tương tác spin - quỹ đạo rất nhỏ so với khoảng cách giữa các mức bội thì năng lượng tương tác spin - quỹ đạo được tính theo công thức:

LS r

r

e r

Ze m

−+

tử, còn số hạng thứ tư là tương tác spin - quỹ đạo với λ là hằng số tương tác

H = HR ion tự do R+ VR ion- mạng tĩnh R + VR ion- mạng động R + VR ion- trường điện từ R + VR ion-ion R (1.6)

Với HR ion tự do R là Hamilton của ion tự do, VR ion-mạng tĩnh R và VR ion-mạng động Rtương ứng

với tương tác tĩnh và động của ion với mạng nền, VR ion-trường điện từ R thể hiện tương

tác của ion với trường điện từ, VR ion-ion Rbiểu diễn tương tác của ion đất hiếm đang xét với các ion đất hiếm khác

Hình 1.8 là sơ đồ các mức năng lượng của ion đất hiếm bị tách mức do tương tác với trường tinh thể

Ảnh hưởng của mạng nền lên tạp đất hiếm chỉ đề cập đến tương tác tĩnh điện bằng cách thay mạng nền bằng một trường tinh thể hiệu dụng tại vị trí của ion Khi đó, Hamilton có thể được viết như sau:

(4f) 2

Trường xuyên tấm

Tương tác trường tĩnh điện

Tương tác spin-quỹ đạo Trường tinh thể (ion-mạng)

k q mangtinh

thể hiện sơ đồ tách mức năng lượng theo các nguyên nhân khác nhau

Tách mức do lực nguyên tử: Theo vật lý chất rắn và cơ học lượng tử, khi các nguyên tử ở gần nhau thì chúng sẽ tương tác với nhau và dẫn tới sự tách mức

Tách mức do trường vật liệu nền: Khi pha các nguyên tố đất hiếm vào

một mạng nền nào đó, có sự tương tác của trường vật liệu nền với các ion đất hiếm, làm cho hàm sóng của các ion này bị nhiễu loạn và cũng gây ra sự tách

mức

Tách mức do tương tác spin: Ion đất hiếm có lớp vỏ 4f chưa được điền đầy điện tử, dẫn tới hình thành cấu hình điện tử khác nhau với các mức năng

lượng khác nhau do tương tác tương tác spin-spin và tương tác spin-quỹ đạo

I 2 3 Sự phát xạ của các ion đất hiếm

Trong các ion đất hiếm, các dịch chuyển hấp thụ và phát xạ xảy ra giữa các

mức năng lượng còn tách từ các mức J xác định do hiệu ứng Stark gây bởi

trường tinh thể Độ rộng của một dịch chuyển được xác định bởi độ rộng đồng nhất và không đồng nhất của các mức con Sự mở rộng không đồng nhất là do sự thay đổi tới vị trí khác của ion trong trường tinh thể Còn sự mở rộng đồng nhất được hình thành do cơ chế độ rộng phổ (do sự thăng giáng nhiệt hoặc do thời gian sống nội tại của mức) và nó không thay đổi theo vị trí của ion đất hiếm Các dịch chuyển 4f - 4f của các ion đất hiếm tự do phải tuân theo quy tắc lựa chọn Laporte, các dịch chuyển chỉ được phép khi chúng cùng tính chẵn lẻ trong một tâm đối xứng của phân tử hoặc ion Do chịu tác dụng của trường tinh thể không đối xứng bên ngoài, các ion bị mất đi sự đối xứng và các dịch chuyển trở nên được phép

Sự phát xạ của các ion đất hiếm xuất hiện từ các dịch chuyển giữa các mức năng lượng trong cấu hình điện tử 4fP

n

Pcủa chúng Sự không có mặt của bất kỳ tương tác nào giữa n điện tử này thì các mức năng lượng sẽ bị suy biến Tuy nhiên do tương tác Coulomb giữa các điện tử, sự suy biến được xoá bỏ và các mức năng lượng được tách ra thành một dải khoảng 20000 cmP

−1

P Hơn nữa sự tách các mức năng lượng còn do tương tác spin - quỹ đạo, tạo thành dải khoảng 1000 cmP

−1

P Các nguyên tố đất hiếm có thể được phân thành hai nhóm theo khả năng phát quang:

3+

P, DyP

3+

P, EuP

3+

P: 545

3+

P, PrP

3+

P, NdP

3+

P, HoP

3+

P, TmP

ion phát xạ yếu trong vùng hồng ngoại gần Sự phát xạ yếu của các ion đất hiếm này thực chất là do khoảng cách giữa các mức năng lượng của các ion này rất gần nhau, dễ dàng tạo ra dịch chuyển không phát xạ Đối với ion

1 eV; thứ hai là miền phát xạ dịch chuyển về phía năng lượng thấp hơn so với miền phổ hấp thụ vào khoảng 1eV hoặc hơn

I 2.4 Các dịch chuyển bức xạ của các ion đất hiếm

Sự dịch chuyển từ trạng thái năng lượng này đến các trạng thái năng lượng khác của các ion có thể theo hai cách:

xuống trạng thái có mức năng lượng ER 1 Rthì nó phát ra một photon có năng lượng

hυ=ER 2 R-ER 1 R

lượng ER 1 Rkhông kèm photon, khi đó năng lượng sinh ra được truyền cho các

phonon (dao động mạng) hoặc cho một hạt thứ 3 và làm vật nóng lên Dịch

chuyển không bức xạ đòi hỏi có sự tham gia của các cầu phonon

* Các quy tắc dịch chuyển:

Các dịch chuyển lượng tử quang học ở các ion đất hiếm hoá trị 3 chủ yếu

do sự đóng góp của các lưỡng cực điện Tuy nhiên ở một số dịch chuyển thì đặc trưng chủ yếu là do các dịch chuyển lưỡng cực từ

Quy tắc lựa chọn các dịch chuyển lưỡng cực điện cảm ứng:

ΔJ≤6; ΔJ= 2,4,6 nếu J=0 ΔS=0, ΔL=±1 Quy tắc lọc lựa mà các dịch chuyển lưỡng cực từ phải tuân theo đó là:

ΔJ=0; 1; -1 ΔL=0, ΔS=0 Một chú ý là J=0 đến J=1 thì dịch chuyển bị cấm và không có dịch chuyển ngang hàng Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dịch chuyển lưỡng cực từ được phép xảy ra trong lớp vỏ 4f [13]

Trong chuyển dời giữa các trạng thái kích thích và trạng thái kích thích thấp hơn của các ion đất hiếm, xác suất chuyển dời phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai mức Khi khoảng cách giữa hai mức lớn, chuyển dời giữa hai mức thường là chuyển dời bức xạ

Các mức năng lượng của ion đất hiếm có cùng cấu hình 4fP

n

P (đều do lớp 4f tạo nên) do đó tất cả các trạng thái có cùng tính chẵn lẻ Nếu một ion tự

do chiếm một vị trí có đối xứng đảo trong mạng tinh thể thì các dịch chuyển giữa các mức 4fP

n

P bị cấm đối với dịch chuyển lưỡng cực điện Nó chỉ có thể xảy ra đối với các dịch chuyển lưỡng cực từ, và tuân theo quy tắc chọn lọc

∆L = 0, ∆S = 0 và ∆J = 0, ±1 Tuy nhiên, ở vị trí không có đối xứng đảo thì

quy tắc lựa chọn được bỏ qua và quá trình lưỡng cực điện có thể xảy ra các dịch chuyển nhưng yếu Trong trường hợp này, số hạng trường tinh thể chứa thêm một thành phần lẻ VR u R Thành phần lẻ này của trường tinh thể là sự pha trộn một số trạng thái 4fP

n−1

P5d vào trạng thái 4fP

n

P Các điện tử 4f được che chắn bởi điện trường của các ion bên cạnh, số lượng pha trộn là nhỏ, hoặc các trạng thái nằm thấp hơn phần lớn là các trạng thái 4fP

n

Pvà do vậy phần lớn là cùng tính chẵn lẻ Do

đó, các đường dịch chuyển thường phát xạ rất mạnh

Theo lý thuyết, khi điện tử từ trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản sẽ bức

xạ Thực tế, điều này không thường xuyên xảy ra, hơn nữa còn có rất nhiều tâm không phát xạ Lý do chính dẫn đến quá trình dịch chuyển không phát xạ là do sự truyền năng lượng giữa các ion, sự phát xạ đa phonon và nhiệt độ

I.2.5 Sự dập tắt huỳnh quang

Sự dập tắt huỳnh quang có thể có rất nhiều nguyên nhân gây ra Một trong các nguyên nhân là do tạp chất Với loại vật liệu phát quang thì tâm phát quang

là phần hết sức quan trọng Tuy nhiên, lại xuất hiện sự dập tắt huỳnh quang do tạp chất do các tâm quang va chạm với các phân tử tạp, hoặc là liên kết với tạp

do vậy mất năng lượng

Để tăng hiệu suất phát huỳnh quang, chúng ta thường pha tạp các ion tạp với nồng độ cao, tuy nhiên, khi nồng độ pha tạp lớn hơn giá trị tới hạn dẫn tới hình thành các đám tạp chất có thể làm giảm hoặc dập tắt huỳnh quang Điều này được gọi là sự dập tắt do nồng độ và nó xuất phát từ hiệu ứng truyền năng lượng giữa các ion xảy ra ở nồng độ cao Xác suất truyền năng lượng tới các ion bên cạnh lớn hơn xác suất phân rã phát xạ, do vậy các di chuyển kích thích ở trong mẫu có thể qua hàng triệu ion trước khi phát ra bức xạ[7],[14]

I.2.6 Ion Europium

Nguyên tố Europium là nguyên tố thuộc họ Lanthanide, khi được cấy trong mạng nền rắn, Europium thường ở trạng thái hoá trị 3 (EuP

3+

P) Ion EuP

3+

Pcó cấu hình điện tử dạng [Xe]4fP

6

P5sP

2

P5pP

6

P, lớp 4f có 6 điện tử Do các tương tác spin - spin, spin - quỹ đạo nên hình thành các cấu hình điện tử khác nhau với các mức năng lượng khác nhau Khi ion EuP

3+

P tự do, các dịch chuyển phát xạ hầu hết bị cấm bởi quy tắc lựa chọn Nhưng khi nằm trong mạng nền rắn, có sự nhiễu loạn của các hàm sóng 4f làm cho mạng nền có thể đưa các trạng thái lẻ vào trong các hàm sóng 4f của ion EuP

3+

P, tạo nên các dịch chuyển phát xạ yếu Hơn nữa, mạng

Hấp thụ

Phát huỳnh quang

Truyền năng lượng

Hấp thụ

Phân rã không phát xạ

và sự dập tắt huỳnh quang do pha tạp với nồng độ cao (b) [13]

nền gây nên sự tách Stark của các mức năng lượng Kết quả dẫn đến sự mở rộng của các dịch chuyển quang [7,10,14]

Từ các dịch chuyển yếu cho phép trong ion EuP

3+

P, các tiết diện bắt đối với sự phát xạ kích thích và kích thích quang là rất nhỏ, và thời gian sống phát xạ đối với các trạng thái kích thích là dài

Khi ion EuP

3+

P được kích thích lên mức năng lượng cao, nó sẽ nhanh chóng hồi phục về mức năng lượng thấp hơn và phát xạ các vạch trong vùng khả kiến tương ứng với các dịch chuyển từ mức bị kích thích P

5

P

DR 0 Rkhông bị tách bởi trường tinh thể (J =

0), sự tách các dịch chuyển phát xạ sinh ra sự tách trường tinh thể trên các mức P

5

P

DR 0 Rxuống mức P

0,04 eV 0,12 eV 0,23 eV 0,35 eV 0,49 eV 0,62 eV

2,14 eV 2,36 eV 2,67 eV 3,02 eV 3,15 eV

Phát xạ ánh sáng: năng lượng được giải phóng dưới dạng photon

Vì cấu trúc điện tử của ion đất hiếm có dạng 4fP

n

P 5sP

2

P5pP

6

P nên các đỉnh chuyển pha f-f được quan sát bằng phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang Nói chung, sự phát

xạ của các ion đất hiếm pha tạp trong các nanô tinh thể bán dẫn thể hiện các vạch phổ cố định mà được xác định bởi các cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm và hầu hết không phụ thuộc vào vật liệu chủ Tuy nhiên, bề rộng và cường độ tương đối của các đỉnh này thường phụ thuộc vào tính đối xứng mạng chủ Một vài đỉnh thể hiện sự phụ thuộc vào vật liệu chủ, trong khi những đỉnh khác thì không Điều này có thể được sử dụng cho việc chế tạo những vật liệu có tính ứng dụng đặc biệt

I.2.7 Sự truyền năng lượng từ SnOR2R sang các ion EuP

n

P 5sP

2

P5pP

6

P Với cấu trúc này, các peak (shape lines) bởi chuyển pha f-f được quan sát bằng phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang Nói chung, sự phát xạ của các ion đất hiếm pha tạp trong các nanô tinh thể

bán dẫn thể hiện các vạch phổ cố định mà được xác định bởi các cấu trúc điện tử của các ion đất hiếm và hầu hết không phụ thuộc vào vật liệu chủ Tuy nhiên, bề rộng và cường độ tương đối của các peak này thường phụ thuộc vào tính đối xứng mạng chủ Một vài peak thể hiện sự phụ thuộc vào vật liệu chủ, trong khi những peak khác thì không Điều này có thể được sử dụng cho việc chế tạo những vật liệu có tính ứng dụng đặc biệt

Trong bài báo nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các nanô tinh thể SnOR 2 Rlên sự phát xạ của các ion EuP

pha tạp EuP

3+

P/SnOR 2 R bị kích thích ở 345nm (tương ứng với 1 dải sóng của SnOR 2 R) thì sự phát xạ của các ion EuP

3+

P Hơn nữa, kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra sự chuyển năng lượng này có thể đạt được thông qua trạng thái chuyển bề mặt

Hình 1.13 Sự truyền năng lượng từ SnO 2 sang EuP

FR j Rở bước sóng 590 nm là chuyển mức lưỡng cực từ và ít bị biến đổi bởi cường

độ trường tinh thể xung quanh các ion EuP

3+

Để đặc trưng cho tính đối xứng tinh thể trong mạng nền người ta sử dụng chỉ

số bất đối xứng, đó là tỉ số giữa cường độ huỳnh quang của chuyển mức lưỡng cực điện P

3+

P, do bán kính của ion EuP

3+

P(0,95 Å) lớn hơn bán kính của SnP

5

P

LR 6 Rcủa ion EuP

3+

Nghiên cứu đã chỉ ra nếu tăng thêm lượng nano tinh thể SnOR 2 Rtrong mạng nền

vô định hình silica có thể tăng sự phát xạ của các ion EuP

3+

PTrong trường hợp này,

sự truyền năng lượng hiệu dụng có thể đạt được giữa các ion EuP

3+

Pvà các nanô tinh thể SnO2

Đã từ lâu, vật liệu thủy tinh được con người biết đến và sử dụng để chế tạo các vật dụng nhằm phục vụ cho cuộc sống Ngày nay vật liệu thủy tinh ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau nhất là trong công nghệ điện

tử và thông tin quang

Vật liệu thủy tinh trên cơ sở silica được sử dụng rộng rãi trong viễn thông

và thông tin quang bởi nó có một số ưu điểm sau:

- Có tính trong suốt trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại: Đây là yêu cầu quan trọng đối với vật liệu truyền dẫn quang

- Có suy hao quang thấp nhất đối với tín hiệu xung quanh bước sóng 1530

nm (trùng với cửa sổ quang học thứ 3)

- Bền cơ học và thân thiện với môi trường

- Nguyên liệu sẵn có, rẻ tiền

Silica có thể tồn tại ở 2 pha: pha tinh thể và pha vô định hình

Cấu trúc tinh thể Cấu trúc vô định hình

Hình 1.14 Cấu trúc tinh thể và vô định hình của thủy tinh

Với vật liệu dùng để truyền dẫn tín hiệu thì silica được sử dụng ở trạng thái

vô định hình

Vật liệu thuỷ tinh silica chế tạo bằng phương pháp sol-gel có cấu trúc vô định hình Tuy nhiên vẫn tồn tại trật tự gần, trật tự đó có cấu trúc tứ diện, tâm là ion SiP

0

P Khi pha tạp iôn đất hiếm vào mạng nền thuỷ tinh silica, các iôn đất hiếm có thể nằm bên cạnh tứ diện đều, cũng có thể chúng làm khối tứ diện này bị méo đi Do vậy, sự tách mức năng lượng 4f còn phụ thuộc vào sự biến dạng của khối tứ diện và sự xắp xếp các khối này xung quanh iôn đất hiếm Các cation đất hiếm có khuynh hướng kết đám tới những vị trí thiếu cầu oxi, các đám này không những có thể là kết quả của việc giảm hiệu ứng laze của

vật liệu mà nó còn có thể dẫn tới sự phân pha trong vật liệu Đó là sự hình thành những pha giàu và pha nghèo ion Eu3+, không tạo được sự đồng đều cần thiết Đồng thời SiOR 2 Rcó liên kết cộng hóa trị bền vững gây khó khăn cho việc pha tạp EuP

C hương II: THỰC NGHIỆM

2.1 Một số phương pháp chế tạo vật liệu đang được sử dụng

Trong thời gian gần đây để chế tạo hạt nanô, nhiều nhóm nghiên cứu trong nước

đã sử dụng các phương pháp hóa như: Sol-gel, nhiệt thủy phân, đồng kết tủa

Phương pháp sol-gel đã được nghiên cứu, phát triển và sử dụng mạnh trong vài chục năm trở lại đây Phương pháp này không chỉ được ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu phát quang mà còn có thể sử dụng để tạo nhiều loại vật liệu khác nhau, có khả năng đáp ứng yêu cầu thực tiễn Phương pháp sol-gel mà nó được lựa chọn để chế tạo vật liệu phát quang có pha tạp đất hiếm do phương pháp này có một số ưu điểm sau :

 Sol-gel là một quy trình tương đối đơn giản và ít tốn kém

 Không đòi hỏi chân không hoặc nhiệt độ cao (có thể tiến hành ở nhiệt độ phòng thí nghiệm), do đó tiết kiệm năng lượng, giảm thìểu được quá trình mất mát do bay hơi, ít ô nhiễm môi trường

 Các thành phần chất ban đầu đa dạng, dễ kiếm, dễ gia công chế tạo vật liệu nghiên cứu

 Sản phẩm thu được có độ đồng đều cao

 Từ các chất có cùng thành phần hoá học có thể tạo được các vật liệu có độ xốp, tỷ trọng khác nhau như mong muốn

Nguyên lý của phương pháp sol-gel dựa vào quá trình thuỷ phân và ngưng tụ của các tiền chất trong các dung môi phù hợp Quá trình thuỷ phân là phản ứng của các chất ban đầu (prescusor) (ví dụ như các alkoxide kim loại) với dung môi Quá trình ngưng tụ là các phản ứng ngưng tụ loại rượu hoặc loại nước

Phương pháp sol-gel có thể chia thành ba dạng chính tuỳ thuộc vào bản chất của chất ban đầu được chọn: Đi từ thuỷ phân các muối; đi từ thuỷ phân các phức chất hoặc

đi từ thuỷ phân các alkoxide kim loại

Nếu phương pháp sol-gel đi từ thủy phân các alkoxide kim loại thì các alkoxide kim loại được thuỷ phân và ngưng tụ trong một dung môi phù hợp tạo thành một hệ