intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện chế tạo lên phổ phát quang của ZnS:Mn chế tạo bằng phương pháp thuỷ nhiệt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST
Báo xấu
19
lượt xem 5
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn gồm 3 chương trình bày cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng và một số tính chất quang của ZnS, ZnS:Mn, một số phương pháp chế tạo ZnS:Mn và thiết bị thực nghiệm; kết quả thực nghiệm và biện luận. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện chế tạo lên phổ phát quang của ZnS:Mn chế tạo bằng phương pháp thuỷ nhiệt

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- HOÀNG THỊ THU HƯỜNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA ZnS:Mn CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUỶ NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI- 2011
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Hoàng Thị Thu Hường KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO LÊN PHỔ PHÁT QUANG CỦA ZnS : Mn CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUỶ NHIỆT Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM VĂN BỀN Hà Nội - 2011
  3. Bộ môn Quang lượng tử MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. 1 LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 2 Chương 2:Mộtsố phương pháp chế tạo ZnS:Mn và thiết bị thực nghiệm ...................... 3 CHƢƠNG 1: ............................................................................................................. 4 CHƢƠNG 2 :MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO ........................................ 18 ZnS, ZnS:Mn VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ................................................. 18 2.1. Một số phƣơng pháp chế tạo ZnS, ZnS:Mn ......................................................... 18 2.1.1 Phương pháp phún xạ catốt ................................................................................18 2.1.2 Phương pháp sol – gel ........................................................................................18 2.1.3 Phương pháp gốm ..............................................................................................19 2.1.4 Phương pháp đồng kết tủa ..................................................................................21 2.1.5 Phương pháp thủy nhiệt .....................................................................................22 2.2 Thiết bị thực nghiệm.......................................................................................... 26 2.2.1. Hệ chế tạo mẫu .............................................................................................26 2.2.1.3.Hệ thủy nhiệt ....................................................................................................26 2.2.2 Hệ lò nung mẫu ................................................................................................28 2.2.3 Nhiễu xạ tia X (XRD) của mạng tinh thể ...........................................................29 a) Mạng không gian - nút mạng...................................................................................29 2.2.4 Hệ thu phổ kích thích và phổ phát quang ..........................................................35 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN ........................... 38 3.1. Quy trình chế tạo bột nano ZnS:Mn bằng phƣơng pháp thủy nhiệt ................. 38 3.2. Tính chất cấu trúc và hình thái bề mặt của bột nano ZnS:Mn .......................... 43 3.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu ZnS:Mn.........................................43 3.2.2. Phổ tán sắc năng lượng của bột nano ZnS:Mn ..............................................45 3.2.3 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM ................................................................48 3.3. T ính chất quang của bột nano ZnS: Mn .............................................................. 49 3.3.1. Phổ phát quang củabột nano ZnS và ZnS:Mn ................................................49 3.3.2. Phổ kích thích phát quang của ZnS và ZnS:Mn.................................................55 3.3.3. Phổ hấp thụ của ZnS và ZnS:Mn ....................................................................57 3.4Bản chất đám phát quang trong bột nano ZnS:Mn ............................................. 60 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 64 1 Luận văn thạc sĩHoàng Thị Thu Hường
  4. Bộ môn Quang lượng tử LỜI NÓI ĐẦU Các hợp chất bán dẫn A2 B6 là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình khoa học do chúng có độ rộng vùng cấm lớn, chuyển mức thẳng… Hợp chất bán dẫn vùng cấm rộng ZnS (Eg ≈ 3,67 eV ở 300 K) được biết đến như một loại vật liệu điện-huỳnh quang truyền thống. ZnS có độ rộng vùng cấm rộng do đó có thể tạo ra những bẫy bắt điện tử khá sâu trong vùng cấm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa các tâm tạp (các chất kích hoạt) vào để tạo nên trong vùng cấm những mức năng lượng xác định. Các chất kích hoạt thường sử dụng là các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầy như Mn, Fe, Ni, Co, Cu. Ngoài ra thì ZnS còn là chất tự kích hoạt nghĩa là tự trong khối chất đã có sẵn các ion Zn2+ và S2- còn dư hoặc nút khuyết của chúng để tạo thành các tâm bắt điện tử hoặc bắt lỗ trống. Khi pha tạp Mn vào ZnS thì trở thành bán dẫn bán từ. Trong bán dẫn này do xảy ra tương tác trao đổi s-d giữa các điện tử dẫn và các điện tử 3d của các ion từ Mn2+ nên chúng thể hiện những tính chất quang và từ hết sức thú vị như: sự xuất hiện đám phát quang da cam- vàng đặc trưng cho các ion Mn2+, sự giảm độ rộng vùng cấm khi tăng nồng độ Mn trong một khoảng nồng độ Mn xác định. Có nhiều phương pháp tổng hợp ZnS:Mn như phương pháp sol- gel, đồng kết tủa, vi sóng và thủy nhiệt... Các phương pháp này đều dùng các muối axetat kẽm, axetat mangan để tạo ra nguồn Zn2+ và Mn2+, còn nguồn S2- có thể tạo ra bởi nhiều loại tiền chất khác nhau như Na2S, Na2S.9H2O, C2H4O2S… Với mục đích chế tạo bột nano ZnS:Mn có cấu trúc và tính chất quang ổn định trong khoảng nồng độ Mn khá lớn và khảo sát một số đặc trưng quan trọng phổ phát quang của chúng, chúng tôi đã tiến hành: „‟Khảo sát ảnh hưởng của một số điều kiện chế tạo lênphổ phát quang của ZnS:Mn chế tạo bằng phương pháp thuỷ nhiệt”. Phương pháp thuỷ nhiệt được lựa chọn bởi phương pháp này đơn giản, dễ chế tạo, độ ổn địnhtương đối tốt. Ngoài lời nói đầu và kết luận luận văn gồm ba chương: 1 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  5. Bộ môn Quang lượng tử Chương 1: Cấu trúc tinh thể, cấu trúc vùng năng lượng và một số tính chất quang của ZnS, ZnS:Mn Chương 2: Mộtsố phương pháp chế tạo ZnS:Mn và thiết bị thực nghiệm Chương 3: Kết quả thực nghiệm và biện luận 2 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  6. Bộ môn Quang lượng tử CHƢƠNG 1: 1.1. CÁC CƠ CHẾ HẤP THỤ TRONG TINH THỂ Khi chiếu một chùm bức xạ vào các tinh thể bán dẫn. Do sự tương tác của chum photon với các tinh thể đó luôn xảy ra hai quá trình hấp thụ và bức xạ. Đối với bán dẫn vùng cấm rộng loại A2 B6 pha tạp các kim loại chuyển tiếp có lớp vỏ điện tử 3d chưa lấp đầyở nhiệt độ phòng thường xảy ra 3 loại hấp thụ cơ bản: + Hấp thụ riêng lien quan đến chất cơ bản. + Hấp thụ donor –acxeptor liên quan đến các nút khuyết của vùng tinh thể. + Hấp thụ nội trong tâm liên quan đến tạp chất . 1.1.1 Hấp thụ riêng Ta hãy xét quá trình hấp thụ trong các chất bán dẫn. Khi hấp thụ photon, nếu electron được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, thì hấp thụ khi đó được gọi là hấp thụ riêng hay hấp thụ cơ bản. Căn cứ vào cấu trúc vùng năng lượng, có thể chia bán dẫn thành 2 loại: Hình 1.1: (a) Bán dẫn vùng cấm thẳng; (b) Bán dẫn vùng cấm nghiêng. 3 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  7. Bộ môn Quang lượng tử - Nếu đỉnh vùng hóa trị được xác định bởi vectơ sóng k và đáy vùng dẫn được xác định bởi vectơ sóng đều nằm tại cùng một điểm trong vùng Brillton, thì chất bán dẫn đó được gọi là bán dẫn vùng cấm thẳng (hình 1.1a). - Nếu đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn nằm tại các vectơ sóng k khác nhau, thì bán dẫn đó được gọi là bán dẫn vùng cấm nghiêng( hình 1.1b) Ta hãy xét quá trình hấp thụ riêng trong các chất bán dẫn. Theo lý thuyết lượng tử, hệ số hấp thụ riêng  h  tỉ lệ với xác suất chuyển dời giữa các vùng của electron, đồng thời tỷ lệ với số trạng thái bị chiếm đầy trong vùng hóa trị và số trạng thái trống trong vùng dẫn:  h   Afk k ' g r h  (1.1) Trong đó A là một hằng số, f k k ' là cường độ của dao động tử (oscillator strength) đối với quá trình chuyển từ trạng thái có vectơ sóng k đến trạng thái có vectơ sóng k ' , g r h  là mật độ trạng thái dẫn suất (reduced density) của các trạng thái đầu và cuối. Cường độ dao động tử f k k ' tỉ lệ với xác suất chuyển dời từ trạng thái có vectơ sóng k đến trạng thái có vectơ sóng k ' . Nếu f k k '  0 thì chuyển dời được gọi là chuyển dời được phép, nếu f k k '  0 thì chuyển dời được gọi là chuyển dời bị cấm. Hấp thụ riêng trong bán dẫn vùng cấm thẳng Ta hãy xét hấp thụ riêng trong các bán dẫn có mặt đẳng năng ở vùng dẫn, vùng hóa trị có đối xứng cầu và giả sử vùng hóa trị hoàn toàn đầy, vùng dẫn hoàn toàn trống. Theo định luật bảo toàn chuẩn xung lượng, do xung lượng của photon k ph  h /  rất bé so với chuẩn xung lượng của electron trong tinh thể, nên có thể bỏ qua, do đó: 4 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  8. Bộ môn Quang lượng tử P'  P (1.2) nghĩa là trong quá trình tương tác của electron với bức xạ điện từ, chỉ có thể xảy ra các chuyển dời mà trong đó chuẩn xung lượng hay vectơ sóng của electron không thay đổi. Biểu thức (1.2) gọi là quy tắc lọc lựa đối với các chuyển dời electron. Những chuyển dời thỏa mãn điều kiện (1.2) được gọi là các chuyển dời thẳng. Chuyển dời thẳng tuân theo định luật bảo toàn năng lượng: E'  E  h (1.3) Trong trường hợp vùng đối xứng cầu: 2k 2 2k 2 E '  EC  , E  EV  (1.4) 2me* 2mh* do đó từ (10.28) suy ra: 2k 2 h  E g  (1.5) 2mr* ở đây E g  EC  EV là độ rộng vùng cấm, mr* là khối lượng hiệu dụng rút gọn của electron và lỗ trống, được xác định bởi hệ thức: 1 1 1   (1.6) mr* me* mh* Người ta đã tính được hệ số hấp thụ  đối với hai trường hợp: - Đối với các chuyển dời được phép:  .h  A(h  Eg )1/ 2 (1.7) trong đó A là một hằng số. - Đối với các chuyển dời bị cấm:  .h  B(h  E g )3 / 2 (1.8) trong đó B là một hằng số. 5 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  9. Bộ môn Quang lượng tử Đường biểu diễn sự phụ thuộc của ( .h ) vào h theo (1.8) được vẽ trên (hình 1.2a) Hình 1.2 : Sự phụ thuộc của ( .h ) và ( .h ) 2 vào h Từ biểu thức (1.8) ta suy ra: ( .h ) 2  A2 (h  E g ) (1.9) Biểu thức (1.9) rất thuận tiện trong việc xử lý kết quả thực nghiệm. Thật vậy, đường biểu diễn sự phụ thuộc của ( .h ) 2 vào h theo (1.9) là đường thẳng (hình 1.2b). Bằng cách kéo dài đường thẳng, cho tới khi cắt trục năng lượng h , ta xác định được độ rộng vùng cấm Eg của vật liệu bán dẫn. 1.1.2Hấp thụ exciton Khi chất bán dẫn hấp thụ photon, trong bán dẫn hình thành cặp electron – lỗ trống (e-h). Cặp e-h này có thể liên kết với nhau bằng thế tương tác coulomb, tao thành một chuẩn hạt gọi là exciton, tương tự như một electron liên kết với proton để tạo thành nguyên tử hydro trung hòa. Thông thường tồn tại 2 loại exciton. Nếu liên kết electron – lỗ trống là khá mạnh và xảy ra trong một nguyên tử thì đó là exciton Frenkel. Exciton loại này có bán kính nhỏ và thường tồn tại trong các tinh thể kiềm halogenua. Nếu liên kết electron – lỗ trống là yếu, sao cho bán kính của exciton lớn cỡ hằng số mạng thì đó là exciton Mott-Wannier. Exciton loại này thường tồn tại 6 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  10. Bộ môn Quang lượng tử trong các tinh thể bán dẫn như Si, Ge, các hợp chất III-V và II-VI. Sau đây, chúng ta chỉ xét loại exciton Mott-Wannier. Phương trình Schrodinger đối với cặp e-h liên kết có dạng như s  2 2 2 e2   r  2 r    (r e , r h )  Eexc (r e , r h ) (1.10)  2me e 2mh h 4 0 r e  r h  * *   Giải phương trình này ta nhận được năng lượng của exciton * mr*e 4 1 E exc Eexc  2   (1.11) 2 (4 0 ) 2 n 2 n2 mr*e 4 với E *exc  là một hằng số; n là các số tự nhiên: 1, 2, 3…; mr* là 2 (4 0 ) 2 2 khối lượng hiệu dụng rút gọn của electron và lỗ trống Hình 1.3. Sơ đồ các mức năng lượng của exciton, Hình 1.4. Phổ hấp thụ exciton trong bán dẫn vùng cấm thẳng. Đường đứt n = 1 ứng với trạng thái cơ bản, n = 2, 3 nét biểu diễn sự phụ thuộc của  hv  … ứng với trạng thái kích thích của vào hv khi không tính đến trạng thái exciton. exciton. 7 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  11. Bộ môn Quang lượng tử Các mức năng lượng của exciton nằm dưới sát đáy vùng dẫn E C và được biểu * diễn trên hình 1.3. Đại lượng Eexc gọi là năng lượng liên kết của exciton. Trạng thái ứng với n  1 gọi là trạng thái cơ bản, các trạng thái ứng với n  2,3... là trạng thái kích thích của exciton. * Eexc h  E g  2 n (1.12) Trong bán dẫn vùng cấm thẳng, khi có tính đến các trạng thái exciton, đối với các chuyển dời cho phép, hệ số hấp thụ  (h ) tại các giá trị năng lượng xấp xỉ Eg , có dạng: - Phổ gồm các vạch với hệ số hấp thụ 1  * Eexc  (h  ( E g  n 2 )  (h ) ~ n 3   (1.13) h  E g tại các giá trị năng lượng - Phổ liên tục với hệ số hấp thụ  (h ) ~ (h  E g ) 1/ 2 (1.14) h  E g tại các giá trị năng lượng 1.1.3. Hấp thụ nội trong một tâm Khi pha tạp các nguyên tử thuộc kim loại chuyển tiếp có lớp vở điện tử 3d chưa lấp đầy như Mn (3d5 ), Co (3d7 )… và các nguyên tử của nguyên tổ đất hiếm có lớp vỏ 4f chưa lấp đầy như Eu, Tb, Sm, vào ZnS hoặc ZnO thì các ion của kim loại này thay thế các ion Zn2+. Dưới tác dụng của trường tinh thể của chất chủ ZnS, ZnO, các mức năng lượng ion kim loại chuyển tiếp bị phân mức và tạo ra các mức năng lượng xác định trong vùng cấm của bán dẫn. Vì thế khi chiếu chùm bức xạ vào có thể xảy ra sự hấp thụ đặc trưng cho sự chuyển dời điện tử từ các trạng thái cơ bản lên các trạng thái kích thích của các ion. Đó là sự hấp thụ của các tâm tạp chất hay hấp thụ nội trong một tâm. 1.1.4. Hấp thụ cặp D-A Khi trong bán dẫn tồn tại hai tạp chất donor và acceptor thì ngay cả ở nhiệt độ thấp tạp chất cũng bị ion hoá một phần hay toàn phần. Dưới tác dụng của ánh 8 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  12. Bộ môn Quang lượng tử sáng với năng lượng photon thích hợp có thể gây ra chuyển mức giữa trạng thái acceptor ion hoá và donor ion hoá và làm cho các tạp chất này trở thành trung hoà. Năng lượng hấp thụ trong trường hợp này không những chỉ phụ thuộc vào năng lượng ion hoá donor và acceptor mà còn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa chúng. Đó là vì tương tác Coulomb giữa hai điện tích trái dấu sẽ làm thay đổi mức năng lượng đặc trưng cho trạng thái của điện tử. Trong trường hợp này năng lượng photon hấp thụ với chuyển mức donor-acceptor có dạng. e2 h  Eg  ( E A  ED )  (1.15) r Số hạng cuối trong công thức trên mô tả năng lượng tương tác Coulomb giữa ion donor và ion acceptor định vị cách nhau một khoảng r. Vì các nguyên tử tạp chất không thể chiếm vị trí bất kỳ trong tinh thể nên khoảng cách r giữa hai ion sẽ gián đoạn phù hợp với tính tuần hoàn của tinh thể. Với một nồng độ các tạp chất cho trước NA và ND người ta có thể tính được xác suất các cặp có khoảng cách nhất định. Ứng với mỗi khoảng cách r có một giá trị h khác nhau. EC D DAP A D EV Hình 1.5: Sơ đồ dịch chuyển hấp thụ của cặp D_A trong bán dẫn Số cặp trung bình có khoảng cách xa nhiều hơn và sự sai khác trong năng lượng hấp thụ cũng nhỏ hơn  vì vậy các vạch hấp thụ ứng với các cặp ion nằm xa nhau thường che lấp nhau (phủ nhau), trở thành một vùng phổ liên tục. 9 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  13. Bộ môn Quang lượng tử Các vạch phổ ứng với các cặp ion nằm gần nhau sẽ có dạng các đỉnh nhọn gián đoạn nằm về phía sóng ngắn của vùng phổ liên tục. Vùng phổ này thường kéo dài đến phần bờ hấp thụ cơ bản và lẫn vào vùng hấp thụ cơ bản. Phổ hấp thụ đặc trưng cho cặp D-A thường có độ rộng lớn và xuất hiện ở cả nhiệt độ thấp và cao. Trong đó ở nhiệt độ thấp thì cường độ mạnh. 1.2 Cơ chế bức xạ 1.2.1. Tái hợp bức xạ vùng- vùng Tái hợp vùng – vùng là tái hợp bức xạ giữa các electron tự do trong vùng dẫn và lỗ tróng tự do trong vùng hóa trị.có thể xảy ra trực tiếp hoặc gián tiếp Trong tái hợp trực tiếp, đồng thời thủ tiêu cặp điện tử - lỗ trống(e- - h+). Tùy theo sự kích thích yếu hoặc mạnh mà quy luật tắt dần của ánh sáng huỳnh quang tuân theo hàm e mũ hoặc hypebol. Nếu kích thích yếu thì sự tắt ánh sáng huỳnh quang tuân theo hàm e mũ còn kích thích mạnh thì sự tắt dần của ánh sáng huỳnh quang tuân theo quy luật hypebol. Tái hợp gián tiếp thường thông qua các mức năng lượng nằm sâu trong vùng cấm. Các mức này tạo nên những tâm bắt điện tử. Nguồn gốc sinh ra các mức sâu có thể do sai hỏng mạng tạo nên các khuyết tật, hoặc trong bán dẫn có những tạp chất hoặc chất kích hoạt. - EC - EV Hình 1.6 :Biểu diễn tái hợp bức xạ giữa các electron tự do trong vùng dẫn và lỗ tróng tự do trong vùng hóa trị. Đặc điểm của tái hợp bức xạ là + Tái hợp vùng – vùng thường xảy ra ở nhiệt độ cao khi không tồn tại trạng thái ecxiton trong tinh thể 10 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  14. Bộ môn Quang lượng tử + Năng lượng bức xạ rất gần độ rộng vùng cấm Eg của bán dẫn + Cường độ vạch hoặc đám bức xạ tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích Ihq ~ (JKT)n + Độ rộng của vach hoặc đám là lớn Δhν>KT 1.2.2 Tái hợp bức xạ vùng – tạp chất Trong các chất bán dẫn loại n hoặc loại p có thể xảy ra các chuyển dời bức xạ từ mức đono xuống vùng hóa trị hoặc từ vùng dẫn điện xuống mức axepto . Để làm thí dụ, ta hãy xét chuyển dời từ mức đono xuống vùng hóa trị. Quá trình bức xạ xảy ra như sau: đầu tiên các electron tự do trong vùng dẫn điện bị bắt bởi các đono, sau đó các electron định xé trên các đono này sẽ tái hợp với các lỗ trống tự do trong vùng hóa trị và phát ra photon. Năng lượng của các photon phát ra được tính gần đúng bằng biểu thức: h  E g  ED (1.16) Trường hợp có sự tham gia của phonon, năng lượng của photon bằng: h  Eg  ED   p (1.17) Nếu giả thiết không có sự tương tác giữa các đono, tiết diện bắt lỗ trống không phụ thuộc năng lượng lỗ trống và vùng hóa trị là parabol không suy biến, thì dạng phổ huỳnh quang do tái hợp của electron trên đono và lỗ trống trong vùng hóa trị được biểu diễn bằng biểu thức: I (h )  A.h exp( h / k BT ) (1.18) trong đó h  E g  ED  E , E là năng lượng của lỗ trống, A là hằng số. Từ biểu thức này, suy ra phổ có cực đại tại h max  E g  ED  k BT và có độ rộng bán cực đại từ -0,77kBT đến +1,68kBT Trong trường hợp nồng độ tạp chất đủ cao, thì mức tạp chất mở rộng thành vùng tạp chất và có thể hóa trộn vào vùng dẫn điện hoặc vùng hóa trị. Khi đó vị trí 11 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  15. Bộ môn Quang lượng tử đỉnh và độ rộng phổ sẽ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Trong chất bán dẫn loại n, vị trí đỉnh phổ dịch chuyển về phía năng lượng cao khi nồng độ đono tăng vượt quá 1018 cm-3 do dịch chuyển mức Fermi về phía năng lượng cao. Trong chất bán dẫn loại p, xảy ra hiệu ứng ngược lại: vị trí đỉnh phổ dịch chuyển về phía năng lượng thấp khi tăng nồng độ axepto. 1.2.3 Tái hợp đono-axepto Khi trong chất bán dãn có cả tạp chất đono và axepto với nồng độ đủ cao thì tương tác Coulomb giữa đono và axepto sẽ làm thay đổi năng lượng liene kết của chúng (so với khi tạp chất đứng cô lập) .Khoảng cách năng lượng giữa các trạng thái đono và axepto trong cặp là: e2 h  E g  E D  E A  (1.19) r trong đó r là khoảng cách giữa đono và axepto trong cặp, e là điện tích của electron ,  là hằng số điện môi của chất dẫn dẫn. Sơ đồ mức năng lượng của cặp đono-axepto (DA) được mô tả trên hình 1.22Khi electron trên đono tái hợp với lỗ trống trên axepto, năng lượng của photon phát ra được tính bằng biểu thức (1.16). Bởi vì trong tinh thể, đono và axepto chỉ chiếm các nút mạng hoặc vị trí giữa các nút mạng, nên khoảng cách r biến thiên một cách gián đoạn. Các cặp DA với khoảng cách nhỏ (r trong khoảng từ 10 Å đến 40 Å ) khi tái hợp sẽ tạo ra các vạch huỳnh quang hẹp. 12 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  16. Bộ môn Quang lượng tử 1.2.4 Tái hợp bức xạ nội trong một tâm Khi đưa chất kích hoạt vào chất cơ bản của bán dẫn thì các nguyên tử của chất kích hoạt đã thay thế một số vị trí của chất cơ bản vì thế tính chất tuần hoàn của mạng tinh thể bị vi phạm. Những chất kích hoạt tạo những mức năng lượng nằm sâu trong vúng cấm của bán dẫn, tạo lên những cái bẫy điện tử, và đóng vai trò quan trọng trong sự phát quang kéo dài của bán dẫn . + Một số chất kích hoạt tuy đã nằm sâu trong mạng tinh thể của chất cơ bản, nhưng do tính chất đặc biệt của cấu trúc lớp vỏ điện tử mà chúng vẫn còn tồn tại các mưc năng lương xác định đặc trưng cho các ion riêng biệt. Do ảnh hương của trường tinh thể mà các mức này có thể bị tách thành các mức con. Khi bị kích thích các điện tử chỉ cò thể chuyển rơi giữa các mức năng lương của các ion chất kich hoạt đó là bức xạ nội trong một tâm. * Đặc điểm của bức xạ nội trong một tâm là: + Bức xạ nội trong một tâm xảy ra ở mọi nhiệt độ: từ vùng nhiệt độ thấp đến nhiệt độ cao, nhưng ở nhiệt độ thấp thì cường độ của đám và của vạch khá mạnh. + Tùy theo tùng trường hợp của chất kích hoạt trong các chất cơ bản mà phổ của bức xạ đặc trưng cho nó có thể dưới dạng đám khá rộng hoặc vạch hẹp. Nếu chất kích hoạt nào bị ảnh hưởng mạnh của trường tinh thể thì phổ bức xạ của nó là phổ đám rất rộng. Nếu chất kích hoạt nào ít bị ảnh hưởng của trường tinh thể thì phổ bức xạ của nó là phổ vạch. 1.3 Phổ kích thích phát quang và phổ phát quang của ZnS, ZnS:Mn 1.3.1 Phổ phát quang và kích thích phát quang của ZnS Phổ phát quang của ZnS chủ yếu nằm trong vùng tử ngoại khả kiến, trong đó có hai đám cơ bản: Đám xanh lam với cực đại trong khoảng bước sóng 420nm đến 450nm và đám xanh lá cây với cực đại trong khoảng bước sóng 500nm đến 525nm. Các đám này đặc trưng cho các nút khuyết của Zn (VZn), S (VS). Các nguyên tử điền kẽ của chúng và các trạng thái bề mặtphụ thuộc chất lượng mẫu chế tạo bằng các phương pháp khác nhau mà các đám phát quang này càng biểu hiện khác nhau.[4] 13 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  17. Bộ môn Quang lượng tử Trong hình 1.8 là phổ phát quang của ZnS chế tạo bằng hai phương pháp thủy nhiệt và thuỷ nhiệt- vi nhũ tương đi từ các tiền chất Zn(NO3)2.6H2O và Na2S. Kết quả cho thấy khi sử dụng hai phương pháp trên thì trên hình 1.8a, vị trí đỉnh phổ và cường độ của hạt nano ZnS có cường độ lớn hơn mẫu khối ZnS trong hình 1.6b, đỉnh phát xạ quan sát được nằm trong dải bước sóng đặc trưng cơ bản của phổ vật liệu ZnS. Điều này chứng tỏ, năng lượng bức xạ của các trạng thái bề mặt đúng với hiệu ứng lượng tử liên quan đến kích thước hạt.[9] Hình1.8: Phổ phát quang của hạt nano ZnS thủy nhiệt ở 1600C trong 12h (a) Thủy nhiệt vi nhũ tương , (b) thủy nhiệt[9] Hình1.9 là phổ kích thích phát quang và phổ huỳnh quang của thanh nano ZnS được chế tạo sử dụng hai phương pháp thủy nhiệt từ các tiền chất Zn(CH3COO)2.2H2O và SC(NH2)2 . Tên hình 1.9 chỉ ra phổ kích thích huỳnh quang và phổ huỳnh quang của ZnS có cấu trúc cubic và cấu trúc hexagonal thủy nhiệt ở 1800C trong 6h. Trên hình 1.9, phổ kích thích của thanh nano ZnS có cấu trúc hexagonal nằm ở dải màu xanh da trời ở bước sóng 395nm có bề rộng phổ rộng hơn so với cấu trúc cubic. Phổ huỳnh quang của bước sóng kích thích 380nm của thanh nano ZnS cấu trúc hexagonalphats xạ mạnh hơn và rộng hơn tại bước sóng 440nm và so với thanh nano ZnS cấu trúc cubic trong dải sóng màu xanh.[10]. 14 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  18. Bộ môn Quang lượng tử Hình 1.9: Phổ huỳnh quang của thanh nano ZnS thủy nhiệt ở 1800C trong 6h (a) cấu trúc hexagonal, (b) cấu trúc cubic [10] 1.3.2 Phổ phát quang và phổ kích thích phát quang ZnS : Mn Khi pha tạp Mn vào ZnS thì sự có mặt của Mn đã làm thay đổi cơ bản thành phần phổ của các vật liệu nano ZnS các đám đặc trưng cho các defect của ZnS bị dập tắt, trong phổ xuất hiện một đám da –vàng ở khoảng bước sóng từ 580 đến 600nm có cường độ và độ rộng lớn. Đám này đặt trưng cho sự chuyển dời bức xạ của các electron trong lớp vỏ 3d chưa lấp đầy của các ion Mn2+ Hình 1.10 là phổ kích thích phát quang và phổ phát quang của ZnS:Mn/ USY Phổ kích thích phát quang và phổ phát quang chế tạo bằng phương pháp gốm đi từ tiền chất Na2S, Zn(NO3)2.6H2O và Mn(NO3)2 . Phổ phát quang của ZnS:Mn chủ yếu xuất hiện một đám da cam – vàng có vị trí đỉnh phổ ở cùng một vị trí ở bước sóng 586nm với cường độ và độ rộng phổ lớn với kích thước hạt thay đổi là 3.5nm, 4.5nm và 10nm. Khi tăng kích thước hạt thì vị trí của đám dịch dần về bước sóng ngắn và cường độ của phổ giảm dần. Nguyên nhân của hiện tượng này là do giam cầm lượng tử liên quan đến kích thước hạt. 15 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  19. Bộ môn Quang lượng tử Hình 1.10: Phổ phát quang và phổ kích thích phát quang của hạt nano ZnS:Mn và ZnS:Mn2+/USY bằng phương pháp gốm với kích thước khác nhau Phổ kích thích phát quang của ZnS:Mn/ USY thay đổi theo kích thước hạt được đo trong khoảng bước sóng từ 200 đến 500nm. Sự dịch chuyển hấp thụ của các hạt nano ZnS:Mn có kích thước 3.5nm và 4.5nm nằm trong dải màu xanh lam so với hạt nano ZnS ở bước sóng 342nm và dịch chuyển excitor sang mức năng lượng cao hơn khi các hạt nhỏ hơn, được chỉ ra do hiệu ứng lượng tử liên quan đến kích thước hạt.Tuy nhiên khi hạt có kích thước là 10nm thì dịch chuyển excitor tại bước sóng 358nm[11] 16 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
  20. Bộ môn Quang lượng tử CHƢƠNG 2 :MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO ZnS, ZnS:Mn VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 2.1. Một số phƣơng pháp chế tạo ZnS, ZnS:Mn Để chế tạo ZnS và ZnS:Mn hiện nay có rất nhiều phương pháp. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng. Để có một cái nhìn tổng quan về chế tạo ZnS và ZnS:Mn chúng tôi trình bày một số phương pháp cơ bản sau : 2.1.1 Phương pháp phún xạ catốt Cơ sở của phương pháp này là dựa vào hiện tượng bắn phá của các hạt có năng lượng cao vào bề mặt của vật rắn làm bia (được gần với catốt) làm bật ra các nguyên tử của vật liệu làm bia. Các nguyên tử này được gia tốc trong một điện trường giữa bia và đế (được gắn với anốt) bay đến bám vào đế rồi lắng đọng tạo thành màng mỏng. Các hạt thường dùng để bắn phá bia là khí trơ như argon hoặc hỗn hợp khí argon với khí kích hoạt là oxi hay nitơ. Màng mỏng được chế tao bằng phương pháp này có chất lượng rất tốt như: độ sạch, độ đồng nhất, độ định hướng cao và có thể điều khiển được độ dày của màng [4]. 2.1.2 Phương pháp sol – gel Cơ sở của phương pháp này là dựa vào sự lắng đọng của các vật liệu trong phản ứng hóa học, thường là sự lắng đọng của các halogenua hoặc các muối hữu cơ của các hợp chất bán dẫn. Sol là gì? Sol là trạng thái tồn tại của các hạt thể keo rắn bên trong chất lỏng và để cho các hạt rắn tồn tại ở trạng thái ổn định thì kích thước hạt phải đủ nhỏ để lực cần cho phân tán phải lớn hơn trọng lực. Hệ keo là các hạt thấy được mà không thể đi qua màng bán thấm, trên thực tế có kích thước từ 200 nm đến 2 mm và trong mỗi hạt có khoảng từ 103 đến 109 phân tử. 17 Luận văn thạc sĩ Hoàng Thị Thu Hường
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng
172 tài liệu
838 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2