Electron spin resonance study of Cr3+ and Fe3+ in heat-treated natural sapphire

การศึกษาอิเล็กตรอนสปินเรโซเนนซ์ของไอออนโครเมียมและเหล็กในพลอยแซปไฟร์ธรรมชาติที่ผ่านกรรมวิธีโดยการเผา

Name: Supparesk Rittikulsittichai

LCSH: Electron paramagnetic resonance

LCSH: Metals -- Heat treatment

LCSH: Sapphires

Abstract: Since heat treatment of sapphire can improve their value, study of various treatments is useful for the jewel industry. Electron spin resonance spectra of untreated and heattreated Tanzania red sapphire (ruby) at various temperatures were recorded in X-band frequency (~9.05 GHz) by mounting the crystal with the c-axis both perpendicular and parallel to the applied magnetic field direction. The spectra were recorded in the range of 0 to 180 degrees for every 15 degrees of rotation angle. In the case where the c-axis of the crystal was perpendicular to the magnetic field, there were five main electron spin resonance absorption peaks occurring at the resonance magnetic fields of about 86, 150, 300, 502 and 702 millitesla. The resonance magnetic fields of about 150 and 502 millitesla corresponded to Cr3+ ion replacing the Al3+ site of corundum structure, and those of 86, 300 and 702 millitesla were assigned to the Fe3+ ion. When the ruby crystal was rotated in 1010 -plane starting with its c-axis parallel to the magnetic field, the absorption peaks were very complicated. One could not guess to which paramagnetic ions they belong. This is due to the fact that the natural sapphire contains several impure ions. However, some conspicuous peaks of Fe3+ and Cr3+ at various rotating angles were used to calculate the spin Hamiltonian parameters by least-squares fit method with the help of a computer program. The best spin Hamiltonian parameters were slightly adjusted for simulation of the powder electron spin resonance spectra of Cr3+ and Fe3+. The powder x-ray diffraction patterns revealed that all untreated and heat- treated sapphires at 1200°, 1300°, 1400°, 1500° and 1600° C are predominantly single phase and have hexagonal structure with R-3c symmetry. After heat treatment the unit cell parameters a and c, including unit cell volume, tend to decrease as the heat treatment temperature increases. The change in color and lightness of the natural Tanzania ruby before and after heat treatment in an oxygen atmosphere for 12 hours at 1200°, 1300°, 1400°, 1500° and 1600° C subsequently were measured using the CIE L*a*b* color index. The ruby appears the most intense red after heating at 1200° C, but higher temperatures process leads to slightly bluish red instead. This may be concluded that Tanzania ruby attains the best quality when subjected to the heat treatment at 1200° C.

Abstract: ได้วัดอิเล็กตรอสปินเรโซเนนซ์ของพลอยแซปไฟร์จากประเทศแทนซาเนียที่ไม่ได้ผ่านกรรมวิธี การเผาและผ่านกรรมวิธีการเผาแล้ว ทั้งในกรณีให้แกนผลึกตั้งฉากกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก และกรณีที่ แกนผลึกขนานกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก โดยมีการเปลี่ยนมุมระหว่างแกนผลึกกับทิศทางของ สนามแม่เหล็กจาก 0 ถึง 180 องศา และวัดทุก 15 องศา จากการทดลองพบว่าในกรณีที่แกนผลึกตั้งฉากกับ ทิศทางของสนามแม่เหล็กเกิดสเปกตรัมที่ตำแหน่งของสนามแม่เหล็ก 5 ค่า คือ 86, 150, 300, 502 และ 702 มิลลิเทสลา โดยสเปกตรัมที่ 150 และ 502 มิลลิเทสลา เกิดจากโครเมียมอิออนเข้าแทนที่ตำแหน่ง อลูมิเนียมอิออนในโครงสร้างของคอรันดัมและสเปกตรัมที่ตำแหน่ง 86, 300 และ 702 มิลลิเทสลา เกิดจาก เฟอริกอิออนที่อยู่ในโครงสร้างของคอรันดัม แต่ในกรณีที่หมุนผลึกในระนาบ(1010 ) โดยเริ่มต้นจาก ทิศของสนามแม่เหล็กขนานกับแกน c ของผลึก พบว่าสเปกตรัมที่ได้ไม่สามารถจำแนกได้ชัดเจนว่ามาจาก อิออนชนิดใด เนื่องจากมีอิออนมลทินเจือปนอยู่หลายชนิดในผลึกของพลอยแซปไฟร์ที่ได้มาจากธรรมชาติ อย่างไรก็ตามตำแหน่งสเปกตรัมของโครเมียมอิออนและเฟอริกอิออนที่สามารถจำแนกได้ชัดเจนเมื่อ สนามแม่เหล็กหมุนไปในทิศทางต่างๆ นำมาใช้คำนวณค่าสปินฮามิลโทเนียลพารามิเตอร์โดยใช้ระเบียบวิธี กำลังสองน้อยที่สุด ค่าของสปินฮามิลโทเนียลพารามิเตอร์ที่ได้นำไปใช้เป็นค่าเริ่มต้นในการสร้าง อิเล็กตรอนสปินเรโซเนนซ์สเปกตรัมของพลอยแซปไฟร์ชนิดผง การศึกษาการเลี้ยวแบนของรังสีเอ็กซ์เรย์ของพลอยแซปไฟร์ก่อนเผาและหลังเผาที่อุณหภูมิ 1200, 1300, 1400, 1500 และ 1600 องศาเซลเซียส มีโครงสร้างแบบเฮกซะโกนอลและมีสมมาตรแบบ R -3c หลังจาก เผาพลอยแซปไฟร์พบว่าค่าขนาดหน่วยเซลล์ a และ c รวมถึงปริมาตรของหน่วยเซลล์มีแนวโน้มลดลงเมื่อ อุณหภูมิการเผาเพิ่มมากขึ้น การลดและเพิ่มสีรวมถึงความสว่างของพลอยแซปไฟร์ก่อนเผาและหลังจากเผาที่1200, 1300, 1400, 1500 และ 1600 องศาเซลเซียส ในบรรยากาศออกซิเจนเป็นเวลา 12 ชั่วโมง พิจารณาโดยอาศัยการ เปลี่ยนแปลงค่า CIE L*a*b* color index พบว่าพลอยแซปไฟร์หลังเผาที่ 1200 องศาเซลเซียส จะให้ สีแดงเด่นชัดที่สุด แต่เมื่อเผาที่อุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้พลอยมีสีแดงแกมน้ำเงิน จึงสรุปได้ว่าควรเผาพลอย แซปไฟร์จากประเทศแทนซาเนียที่อุณหภูมิ 1200 องศาเซลเซียส

Mahidol University

Address: NAKHON PATHOM

Email: liwww@mahidol.ac.th

Name: Pongtip Winotai

Role: Thesis Advisors

Created: 2004

Modified: 2553-03-24

Issued: 2010-02-15

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

ISBN: 9740449794

CallNumber: TH S959e 2004

eng

DegreeName: Master of Science

Level: Master's Degree

Descipline: Physical Chemistry

Grantor: Mahidol University

©copyrights Mahidol University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	4437313.pdf	3.35 MB	32	2021-12-10 09:53:50

ใช้เวลา

0.214029 วินาที