TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Lêi nãi ®Çu

Phæ häc(Spectroscopy) lµ ph¬ng ph¸p ®o vµ ph©n tÝch bøc x¹ ®iÖn tõ

®ù¬c hÊp thô hay ph¸t x¹ khi c¸c ®iÖn tö, ph©n tö, nguyªn tö hay c¸c ion

trong mÉu ®o dÞch chuyÓn tõ mét møc n¨ng lîng cho phÐp ®Õn mét møc

n¨ng lîng kh¸c.

ViÖc x¸c ®Þnh thµnh phÇn ho¸ häc, cÊu tróc, tÝnh chÊt ho¸ lý trªn bÒ

mÆt còng nh trong khèi cña vËt liÖu cã ý nghÜa quan träng trong C«ng

nghÖ Vi ®iÖn tö, Quang ®iÖn tö, vµ C«ng nghÖ VËt liÖu míi. HiÖn nay

ngµy cµng cã nhiÒu ph¬ng ph¸p còng nh c¸c thiÕt bÞ míi øng dông lý

thuyÕt cña phæ häc ®îc sö dông kh«ng chØ trong phßng thÝ nghiÖm mµ

c¶ trong c«ng nghiÖp nh»m kiÓm tra, ®¸nh gi¸ chÊt lîng cña s¶n phÈm, x¸c

®Þnh nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt trong c«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu míi vµ

c¸c thiÕt bÞ ®îc sö dông trong c¸c lÜnh vùc cña cuéc sèng.

Trong tiÓu luËn nµy, t¸c gi¶ ®Ò cËp ®Õn ph¬ng ph¸p ph©n tÝch phæ ®-

îc sö dông trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu vËt liÖu ph¸t quang .Mét trong c¸c ph-

¬ng ph¸p lµ phæ huúnh quang, bao gåm cã phæ huúnh quang

(Photoluminescence) vµ phæ kÝch thÝch huúnh quang (Photoluminescence

Excitation). Mét sè kÕt qu¶ thùc nghiÖm còng ®îc ®a ra vµ bíc ®Çu ®¸nh

1

gi¸ ®îc vÒ vËt liÖu ph¸t quang.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Môc lôc

I. Tæng quan lý thuyÕt

1. T¬ng t¸c gi÷a ¸nh s¸ng vµ vËt chÊt

2. Sù në réng v¹ch phæ

3. Phæ PL vµ PLE

4. Sù phô thuéc cña cêng ®é huúnh quang vµo nång ®é

5. Sù dËp t¾t huúnh quang

II. Thùc nghiÖm

1. HÖ ®o

2. Quy tr×nh ®o PL vµ PLE

III. KÕt qu¶ vµ Th¶o luËn

IV. KÕt LuËn

2

V. Tµi liÖu Tham kh¶o

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

I.Tæng Quan Lý ThuyÕt 1.T¬ng t¸c gi÷a ¸nh s¸ng vµ vËt chÊt

Khi chiÕu ¸nh s¸ng vµo vËt chÊt th×

tuú theo ¸nh s¸ng chiÕu vµo mµ ¸nh s¸ng

va ch¹m hoÆc bÞ hÊp thô bëi vËt chÊt. Khi va ch¹m, nÕu va ch¹m lµ ®µn håi

ta cã t¸n x¹ Rayleigh, cßn khi va ch¹m lµ

kh«ng ®µn håi ta co t¸n x¹ Raman. T¸n x¹

Raman thêng cã 2 v¹ch : v¹ch Stokes øng

víi c¸c photon t¸n x¹ kh«ng ®µn håi bÞ

mÊt n¨ng lîng, v¹ch Anti-Stokes øng víi

c¸c v¹ch t¸n x¹ kh«ng ®µn håi thu n¨ng lîng.

H×nh 1 Khi nguyªn tö hay ph©n tö hÊp thô photon th× chuyÓn tr¹ng th¸i tõ tr¹ng

th¸i c¬ b¶n lªn tr¹ng th¸i kÝch thÝch. C¸c tr¹ng th¸i kÝch thÝch cao hoÆc

thÊp lµ tuú thuéc vµo bíc sãng ¸nh s¸ng chiÕu vµo. Ph©n tö ë tr¹ng th¸i kÝch

thÝch trong mét kho¶ng thêi gian ng¾n th× bÞ ph©n r·. Ph©n r· nµy cã thÓ

lµ ph¸t x¹ hoÆc lµ kh«ng ph¸t x¹. NÕu tr¹ng th¸i kÝch thÝch chØ ph©n r· bëi

sù ph¸t x¹ c¸c photon, th× tèc ®é håi phôc lµ tæng x¸c suÊt cña c¸c dÞch

chuyÓn tíi tÊt c¶ c¸c tr¹ng th¸i cuèi cïng i cã thÓ. Tæng tèc ®é håi phôc lµ nghÞch ®¶o cña thêi gian sèng t ë tr¹ng

(cid:229)=

fiA

1 t

f

th¸i kÝch thÝch :

H×nh 2 m« t¶ qu¸ tr×nh hÊp thô vµ qu¸

3

tr×nh ph©n r· cña ph©n tö.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Khi hÊp thô photon, ph©n tö chuyÓn tõ møc G fi S3 trong thêi gian ng¾n

(10-15s). Sau ®ã ph©n tö chuyÓn tr¹ng th¸i tõ S3 fi S1 trong thêi gian 10-11 s,

tõ S1 fi G trong thêi gian dµi nhÊt 10-9 s. C¸c chuyÓn møc S3 fi S2 lµ bÞ

cÊm.

C¸c dÞch chuyÓn nµy ®Æc trng cho mçi lo¹i nguyªn tö vµ ph©n tö. Mçi H×nh 2

nguyªn tö ph©n tö cã 1 s¬ ®å n¨ng lîng ®Æc trng. Díi ®©y lµ s¬ ®å n¨ng l-

îng cña c¸c ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp :

4

H×nh 3

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp ë líp 3d cã 3 e (Cr3+,Mn4+) hoÆc 5 e (Mn2+,Fe3+)

chiÕm nh÷ng tr¹ng th¸i ngoµi cïng. Tuú theo ë trong m«i trêng ma t¬ng øng

víi nh÷ng tÝnh chÊt phæ kh¸c nhau. Khi ë trong tinh thÓ c¸c ion ®îc bao

quanh bëi c¸c anion,nªn bÒn v÷ng. Trong trêng hîp cÊu tróc b¸t diÖn víi cÊu

h×nh 3d1 th× c¸c orbital 3d suy biÕn béi n¨m sÏ ph©n thµnh suy biÕn béi ba

vµ suy biÕn béi hai. Hai kiÓu nµy gäi lµ orbital t2 vµ orbital e. N¨ng lîng gi÷a

t2 vµ e kh¸c nhau lµ 10Dq. Khi cã nhiÒu ®iÖn tö, c¸c ®iÖn tö t¬ng t¸c víi

nhau. NÕu ®iÖn trêng tinh thÓ m¹nh th× cã thÓ bá qua ®iÖn trêng tÜnh,

N .N¨ng lîng víi

tr¹ng th¸i n¨ng lîng khi ®ã víi cÊu h×nh dN electron phô thuéc vµo sè e chiÕm

n eN-n lµ : E(n,N-n)= [-4+6(N-n)] Dq.

møc t2 vµ e. Víi dN th× cã N+1 møc n¨ng lîng : eN, t2eN-1, …,t2

møc t2

Qu¸ tr×nh t¬ng t¸c cña photon –ph©n tö bao gåm : hÊp thô vµ ph¸t x¹. Ph¸t

x¹ cã 2 lo¹i : ph¸t x¹ tù ph¸t vµ ph¸t x¹ kÝch thÝch. H×nh 4 m« t¶ c¸c c¬ chÕ

nµy.

H×nh 4

u

=

Photon ph¸t ra trong qu¸ tr×nh ph¸t x¹ cã chung ®Æc ®iÓm víi photon bÞ

h

E

E

m

mn

n

- hÊp thô. N¨ng lîng cña mçi photon lµ : . Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ tù

5

ph¸t chÝnh lµ liªn quan ®Õn phæ huúnh quang.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

X¸c suÊt dÞch chuyÓn tõ tr¹ng th¸i i tíi tr¹ng th¸i f khi hÊp thô mét n¨ng l-

2

îng photon ®îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau :

(

(

)

=

d

)w

p /2

V

E

E

fi

P fi

f

i

iVf

- -

, V lµ to¸n tö n¨ng l- trong ®ã Vfi lµ phÇn tö cña ma trËn dÞch chuyÓn

îng biÓu thÞ cho n¨ng lîng t¬ng t¸c cña trêng bøc x¹ víi t©m ph¸t quang.

NÕu dÞch chuyÓn lµ qu¸ tr×nh lìng cùc ®iÖn th× sè h¹ng t¬ng t¸c V=

p.E, víi E lµ cêng ®é ®iÖn trêng vµ p lµ to¸n tö t¬ng t¸c lìng cùc ®iÖn cã

p

d¹ng nh sau:

(cid:229)=

. ire

i

Trong trêng hîp phÇn tö ma trËn cña p.E gi÷a tr¹ng th¸i i vµ f b»ng kh«ng

th× qu¸ tr×nh lìng cùc ®iÖn bÞ cÊm.

Khi sù dÞch chuyÓn lµ qu¸ tr×nh lìng cùc tõ, sè h¹ng t¬ng t¸c cña phÇn tö ma trËn lµ V= m .B, trong ®ã m lµ to¸n tö m«men lìng cùc tõ vµ B lµ ®é lín

cña bøc x¹ tõ trêng. To¸n tö m«men lìng cùc tõ ®îc cho bëi c«ng thøc sau:

(

)

+

=

m

2

s

l

i

i

i

e 2 m m ®îc tÝnh trªn tÊt c¶ c¸c ®iÖn tö cña t©m ph¸t quang, li vµ si t¬ng øng lµ

(cid:229)

to¸n tö quü ®¹o vµ to¸n tö spin. C¸c phÇn tö cña dÞch chuyÓn lìng cùc tõ lµ

kh¸c kh«ng, chØ trõ khi D S = 0 vµ D L = 0, ®iÒu nµy lµ do quy t¾c lùa chän

spin.

To¸n tö r ®èi víi qu¸ tr×nh lìng cùc ®iÖn cã tÝnh lÎ, do ®ã c¸c hµm sãng

irf

®èi víi c¸c tr¹ng th¸i i vµ f cã cïng tÝnh ch½n lÎ, nghÜa lµ c¶ hai cïng ch½n

hoÆc cïng lÎ, khÝ ®ã = 0 vµ cã thÓ nãi r»ng qu¸ tr×nh lìng cùc ®iÖn

bÞ cÊm bëi quy t¾c ch¼n lÎ, hay c¸c dÞch chuyÓn bªn trong cÊu h×nh bÞ cÊm. To¸n tö t¬ng t¸c lìng cùc tõ m cã tÝnh ch½n, do vËy còng cã quy t¾c

lùa chän ®èi víi dÞch chuyÓn lìng cùc tõ cho phÐp, tr¹ng th¸i ban ®Çu vµ

6

tr¹ng th¸i cuèi ph¶i cïng tÝnh ch½n lÎ.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Mét ®¹i lîng rÊt ®îc quan t©m trong c¸c tÝnh chÊt quang lµ x¸c suÊt dÞch

chuyÓn tù ph¸t gi÷a tr¹ng th¸i kÝch thÝch f vµ tr¹ng th¸i thÊp h¬n i ®îc biÕt

nh lµ x¸c suÊt dÞch chuyÓn tù ph¸t Einstein Afi. Khi dÞch chuyÓn bøc x¹ lµ

2

qu¸ tr×nh lìng cùc ®iÖn, th× x¸c suÊt dÞch chuyÓn tù ph¸t Einstein Afi sÏ lµ:

2

E

2

1

3

=

w

<

>

A

n

f

|

| ir

fi

3

1 g

pe 4

eff E

4 e  3 c

, fi

i

0

0

e h»ng sè ®iÖn,  lµ h»ng sè Planck rót gän, c lµ vËn tèc cña ¸nh

0

ø Ø (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) œ Œ (cid:229) (cid:247) (cid:231) œ Œ ł Ł ß º

trong ®ã s¸ng trong ch©n kh«ng, n lµ chiÕt suÊt cña m¹ng nÒn, w lµ tÇn sè cña

photon, gi lµ sè suy biÕn cña tr¹ng th¸i ban ®Çu, gi = 2Ji+1, (Eeff/E0)2 liªn

quan ®Õn trêng côc bé ®Ó diÔn t¶ sù kh¸c nhau cña ®iÖn trêng ë vÞ trÝ

cña t©m tíi trêng trung b×nh xung quanh. §èi víi c¸c ion trong trêng hîp ®èi

xøng cao th× Eeff/E0 = (n2+3)/2.

3w

w

§èi víi c¶ hai qu¸ tr×nh bøc x¹ lìng cùc ®iÖn vµ lìng cùc tõ, x¸c suÊt dÞch

chuyÓn t¨ng víi , trong ®ã lµ n¨ng lîng cña photon. KÕt qu¶ lµ khi mét

ion ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch chuyÓn tíi tr¹ng th¸i thÊp h¬n, x¸c suÊt ph©n r·

bøc x¹ thay ®æi theo luü thõa bËc 3 cña khe n¨ng lîng gi÷a tr¹ng th¸i ban

®Çu vµ tr¹ng th¸i cuèi. Trong ph©n r· kh«ng ph¸t x¹ n¨ng lîng lµ sù gi¶i phãng

c¸c phonon, v× thÕ x¸c suÊt cña ph©n r· kh«ng bøc x¹ t¨ng khi khe n¨ng lîng

gi¶m, ngîc víi qu¸ tr×nh ph¸t x¹. §©y lµ mét vÊn ®Ò rÊt quan träng ®Ó biÕt

®îc cã hay kh«ng gi¸ trÞ tíi h¹n cña khe n¨ng lîng, mµ khi lín h¬n gi¸ trÞ nµy

c¸c qu¸ tr×nh ph¸t x¹ sÏ tréi h¬n vµ nhá h¬n th× qu¸ tr×nh kh«ng ph¸t x¹ sÏ tréi

h¬n.

W(n) lµ x¸c suÊt cña qu¸ tr×nh håi phôc n phonon vµ gi¶ thuyÕt r»ng tØ

sè gi÷a qu¸ tr×nh håi phôc phonon thø n tíi phonon thø (n-1) lµ kh«ng ®æi,

®Æc trng cho tinh thÓ m¹ng nÒn, ®Æc trng nµy cã thÓ lµ cña ion nhng

=

g

< < 1

kh«ng phô thuéc vµo n.

nW )( ( nW

)1

7

-

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

w

th× D E = n

NÕu khe n¨ng lîng lµ D E vµ n¨ng lîng cña mçi phonon lµ w . Khi ®ã W sÏ ®îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau:

= AW

exp(

)

E w

D -

w

trong ®ã W lµ x¸c suÊt x¶y ra dÞch chuyÓn kh«ng ph¸t x¹ qua kho¶ng c¸ch

n¨ng lîng D E, víi mçi m¹ng nÒn lµ nh nhau ®èi víi tÊt c¶ c¸c ion t¹p, tham

sè A lµ hÖ sè dÆc trng cña m¹ng nÒn vµ phô thuéc vµo sù gi·n ra cña møc

n¨ng lîng cña ion pha t¹p.

2. Sù në réng v¹ch phæ

Hai kh¸i niÖm ®îc nãi ®Õn vÒ ®é réng cña v¹ch phæ : HWHM (Half –

Width at Half-Maximum) vµ FWHM (Full –Width at Half-Maximum).

Sù në réng do thêi gian sèng

u

C¸c nguyªn nh©n g©y ra sù në réng v¹ch phæ :

1= pt 2

D

Sù në réng do va ch¹m

t lµ thêi gian sèng cña 1 tr¹ng th¸i

NÕu va ch¹m lµ kh«ng ®µn håi : cã sù thay ®æi n¨ng lîng nªn cã thÓ

x¶y ra sù në réng do thêi gian sèng

NÕu va ch¹m lµ ®µn håi : cã sù thay ®æi ngÉu nhiªn vÒ pha cña ¸nh

s¸ng dÉn ®Õn sù në réng v¹ch phæ

fcoll lµ tÇn sè va ch¹m ,sù në réng v¹ch phæ do va ch¹m cã thÓ ®îc biÓu

u

diÔn nh sau :

f= coll p

Sù në réng kh«ng ®ång nhÊt

D

Sù në réng cã thÓ liªn quan ®Õn c¸c nguyªn nh©n kh¸c lµm thay ®æi

8

kiÓu cña sãng truyÒn.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

3. Phæ huúnh quang vµ phæ kÝch thÝch huúnh quang

Phæ huúnh quang cã vai trß quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh lo¹i t¹p chÊt

trong vËt liÖu. §é nh¹y vµ ®é chÝnh x¸c cña phæ huúnh quang lµ rÊt cao.

§é nh¹y cao lµ do cã sù kh¸c vÒ bíc sãng kÝch thÝch vµ bíc sãng huúnh

quang. §é chÝnh x¸c cao lµ do kÕt qu¶ ghi ®îc cã 2 phæ : PL vµ PLE. H¬n

n÷a phæ huúnh quang khi cã mÆt cña nh÷ng chÊt kh«ng ph¸t huúnh quang

vÉn cã thÓ ®îc ph©n tÝch thËm chÝ lµ khi hçn hîp cã phæ hÊp thu che phñ

lªn nhau. Phæ huúnh quang cho c¸c th«ng tin vÒ cÊu tróc vËt liÖu tèt h¬n

phæ hÊp thô.

CÇn ph¶i ph©n biÖt 2 lo¹i phæ : Phæ huúnh quang (PL) vµ phæ kÝch

thÝch huúnh quang (PLE). Phæ PLE thêng ®îc ph©n tÝch t¹i bíc sãng cùc

®¹i cña phæ PL. Phæ PL lµ sö dông nguån kÝch thÝch ®¬n s¾c. Cßn phæ

PLE l¹i chØ ghi nhËn t¹i 1 bíc sãng x¸c ®Þnh.

4. Sù phô thuéc cña cêng ®é phæ huúnh quang vµo nång ®é

Mèi quan hÖ gi÷a cêng ®é phæ huúnh quang vµ nång ®é cã thÓ diÔn t¶

qua ®Þnh luËt Beer. XÐt ¸nh s¸ng truyÒn qua m«i trêng tÝch cùc : Io lµ cêng

®é ¸nh s¸ng chiÕu, I lµ cêng ®é ¸nh s¸ng truyÒn qua.

=

I

I

e- exp( bC

)

o

Ta cã :

=

e-

Víi b lµ thÓ tÝch mÉu, C lµ nång ®é, e lµ h»ng sè

I

I

I

1[

exp(

bC

)]

o

o

- - PhÇn bÞ hÊp thô lµ :

Cêng ®é huúnh quang sÏ tû lÖ víi sè photon hÊp thô vµ hiÖu suÊt huúnh

F -lµ tû sè gi÷a sè photon ph¸t x¹ vµ photon hÊp thô, phô thuéc vµo

quang F

nång ®é :

F f(q ) g(l ) = Io F

F [1-exp(-e bC)] f(q ) g(l )

F = (Io-I) F

9

Víi f(q ) : hÖ sè kÝch thíc x¸c ®Þnh bëi gãc khèi cña bøc x¹ huúnh quang

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

g(l ): hiÖu suÊt cña detector, phô thuéc vµo bíc sãng huúnh quang

chiÕu vµo detector.

2

3

n

Ngêi ta thêng khai triÓn thµnh d¹ng ®a thøc :

e 3,2(

)

e 3,2(

)

e 3,2(

)

n

1

+

-+

q l e 3,2)()(

g

f

bC

...

)1(

F= IF o

F

bC !2

bC !3

bC ! n

ø Ø - - - œ Œ ß º

Khi nång ®é thÊp, phÇn n¨ng lîng bÞ hÊp thô trong mÉu nhá, cêng ®é

huúnh quang cã thÓ coi lµ :

F f(q ) g(l ) e bC

F = 2,3 Io F

Do ¸nh s¸ng kÝch thÝch thêng cã cêng ®é thay ®æi theo thêi gian, tÝn

hiÖu huúnh quang sÏ kh«ng ®o nh 1 gi¸ trÞ tuyÖt ®èi mµ thêng biÓu diÔn

thµnh d¹ng t¬ng ®èi tøc lµ ®· so s¸nh víi gi¸ trÞ chuÈn cña nång ®é ®· biÕt.

§êng ph©n tÝch sù phô thuéc vµo nång ®é nh sau :

F(au)

Nång ®é

H×nh 5

5. Sù dËp t¾t huúnh quang

Nh ta ®· thÊy ë trªn h×nh 5 : Cã 1 gi¸ trÞ nång ®é x¸c ®Þnh t¹i ®ã cêng

®é huúnh quang lµ cùc ®¹i. NÕu nång ®é lín h¬n gi¸ trÞ nµy th× cêng ®é

huúnh quang bÞ suy gi¶m . Ta gäi ®ã lµ sù suy gi¶m cêng ®é huúnh quang

10

lµ dËp t¾t huúnh quang.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Sù dËp t¾t huúnh quang cã rÊt nhiÒu nguyªn nh©n g©y ra. Mét trong

c¸c nguyªn nh©n lµ do t¹p chÊt. Víi lo¹i vËt liÖu ph¸t quang nhÊt thiÕt ph¶i

 Sù tù dËp t¾t huúnh quang : Lµ do c¸c t©m quang va ch¹m víi nhau

cã t©m quang. Sù dËp t¾t huúnh quang cã thÓ cã 2 lo¹i :

 Sù dËp t¾t huúnh quang do t¹p chÊt : Do c¸c t©m quang va ch¹m víi

vµ mÊt n¨ng lîng

c¸c ph©n tö t¹p, hoÆc lµ liªn kÕt víi t¹p do vËy mÊt n¨ng lîng.

Díi ®©y ta xÐt huúnh quang tõ vËt liÖu pha t¹p cao : Khi pha t¹p c¸c ion

víi nång ®é cao môc ®Ých lµ t¨ng hiÖu suÊt ph¸t huúnh quang. Tuy nhiªn

khi nång ®é pha t¹p lín h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n cã thÓ dÉn ®Õn lµm gi¶m hoÆc

dËp t¾t huúnh quang. §iÒu nµy ®îc gäi lµ sù dËp t¾t do nång ®é vµ nã

xuÊt ph¸t tõ hiÖu øng truyÒn n¨ng lîng gi÷a c¸c ion x¶y ra ë nång ®é cao.

X¸c suÊt truyÒn n¨ng lîng tíi c¸c ion bªn c¹nh lín h¬n x¸c suÊt ph©n r· ph¸t x¹,

do vËy c¸c di chuyÓn kÝch thÝch ë trong mÉu cã thÓ qua hµng triÖu ion tr-

HÊp thô

HÊp thô

TruyÒn n¨ng l- î ng

Ph©n r· kh«ng ph¸t x¹

Ph¸t huúnh quang

a)

b)

H×nh 6: Sù ph¸t huúnh quang khi néng ®é pha t¹p thÊp (a) vµ sù dËp t¾t huúnh quang do pha t¹ p ví i nång ®é cao (b)

Nguån Ngu?n

íc khi ph¸t ra bøc x¹. §iÒu nµy cã thÓ ®îc gi¶i thÝch trªn h×nh 6.

HÖ thèng ®iÖn tö vµ H? th?ng đi?n t? thiÕt bÞ ®Çu ra và thi?t b? đ?u ra

ơ

Bé ®¬n s¾c(kÝch thÝch) B? đ n s?c(kích thích)

II Thùc nghiÖm

1. HÖ ®o

Chï m bøc x¹ kÝch thÝch

Huúnh quang

MÉU M?u

B? đ n s?c ơ Bé ®¬n s¾c (ph¸ t x¹ ) (phát x?) 11

Bé thu

Mét hÖ ®o phæ huúnh quang : PL & PLE cã cÊu tróc nh sau :

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

H×nh 7

2. Quy tr×nh ®o phæ huúnh quang PL vµ PLE

1. Thay ®æi ®¬n s¾c kÕ kÝch thÝch cho ®Õn khi xuÊt hiÖn phæ

huúnh quang

2. §Æt ®¬n s¾c kÕ kÝch thÝch t¹i mét bíc sãng x¸c ®Þnh. BËt ®¬n s¾c

kÕ ph¸t x¹ ®Ó quÐt t×m bíc sãng ph¸t x¹

3. §Æt ®¬n s¾c kÕ ph¸t x¹ t¹i bíc sãng mµ ë ®ã phæ huúnh quang ë bíc

2 cã cêng ®é m¹nh nhÊt. QuÐt ®¬n s¾c kÕ kÝch thÝch ®Ó thu ®îc

phæ PLE

4. §Æt ®¬n s¾c kÕ kÝch thÝch t¹i bíc sãng kÝch thÝch m¹nh nhÊt.

QuÐt ®¬n s¾c kÕ ph¸t x¹ ®Ó thu phæ PL

§ång thêi cã thÓ thu ®îc phæ hÊp thô b»ng c¸ch quÐt ®¬n s¾c kÕ

kÝch thÝch trong vïng sãng hÊp thô khi ®¬n s¾c kÕ ph¸t x¹ ®Æt t¹i b-

íc sãng ph¸t x¹ m¹nh nhÊt.

12

III. KÕt qu¶ vµ th¶o luËn

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

Bµi tiÓu luËn nµy dùa trªn nh÷ng kÕt qu¶ t×m hiÓu vÒ vËt liÖu ph¸t

quang ZnS pha t¹p Mn2+. Díi ®©y lµ c¸c kÕt qu¶ thu ®îc.

1. Phæ huúnh quang PL

H×nh8 Phæ PL cña ZnS : 0.5%Mn2+víi l exc=337nm

H×nh 8 chØ ra phæ PL cña nano ZnS : 0.5%Mn2+.

Hai peak xuÊt hiÖn trong phæ PL lµ t¹i 420nm vµ 590 nm. Peak 590 lµ t-

¬ng øng víi chuyÓn møc 4T1 – 6A1 øng víi ion Mn2+.V¹ch 420nm kh«ng ®Æc

trng cho Mn2+ , nã còng xuÊt hiÖn trong phæ nano ZnS. §iÒu nµy ®îc minh

13

ho¹ trong h×nh 9.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

H×nh 9.Phæ PL cña a)nano ZnS b)nano ZnS pha t¹p Mn2+

2. Phæ kÝch thÝch huúnh quang

Phæ PLE ghi nhËn t¹i bíc sãng 587nm víi ZnS : Mn2+ (h×nh 10). Cùc ®¹i

phæ PLE t¹i ¸nh s¸ng kÝch thÝch lµ 337 nm. V¹ch nµy dÞch ®i so víi v¹ch

cùc ®¹i 342nm trong PLE cña vËt liÖu khèi ZnS. §iÒu nµy ®îc gi¶i thÝch lµ

do hiÖu øng lîng tö kÝch thíc lµm cho tr¹ng th¸i kÝch thÝch dÞch lªn møc

14

n¨ng lîng cao h¬n víi vËt liÖu nano.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

H×nh 10 Phæ PLE cña nano ZnS:Mn2+

3. Kh¶o s¸t sù phô thuéc cña cêng ®é huúnh quang vµo nång ®é

TiÕn hµnh ®o phæ PL t¹i cïng l exc = 337 nm víi c¸c mÉu nano cã nång

®é Mn2+ kh¸c nhau. Cêng ®é huúnh quang t¨ng theo nång ®é chØ tíi 5%at

Mn2+ , sau ®ã t¨ng nång ®é huúnh quang sÏ lµm gi¶m cêng ®é.

V¹ch 590 nm t¬ng øng víi chuyÓn dÞch 4T1 – 6A1.§©y lµ dÞch chuyÓn

cÊm spin gi÷a c¸c tr¹ng th¸i 3d5 cña Mn2+. V× thÕ qu¸ tr×nh truyÒn n¨ng lîng

gi÷a c¸c t©m Mn2+ kh«ng ph¶i lµ do t¬ng t¸c dipol-dipol mµ lµ qu¸ tr×nh

truyÒn gi÷a c¸c ion gÇn nhau nhÊt. Khi t¨ng nång ®é kho¶ng c¸ch c¸c t©m

gi¶m v× thÕ cêng ®é huúnh qunag t¨ng. Nhng khi nång ®é qu¸ cao th× xuÊt

hiÖn c¸c ion Mn3+, Mn4+ cã vai trß nh lµ t¹p chÊt g©y ra hiÖn tîng dËp t¾t

H×nh 11 Phæ PL cña nano ZnS:Mn2+ víi c¸c nång ®é : 0%at, 0.5%at,3%at, 5%at, 7.5%at, 12%at, vµ 14%at 15

huúnh quang.

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

4. Sù phô thuéc cña ®iÒu kiÖn ñ ®Õn cêng ®é phæ huúnh quang

Trong qu¸ tr×nh lµm thùc nghiÖm lu«n cÇn thiÕt ph¶i ñ nhiÖt. Díi ®©y

 MÉu 1 : Nano ZnS : 5%at Mn2+(h¹t thu ®îc b»ng sÊy kh« trong ch©n

tiÕn hµnh ®o phæ huúnh quang cña ba mÉu.

 MÉu 2 : Nano ZnS : Mn2+ nung 1h trong ch©n kh«ng

 MÉu 3 : Nano ZnS : Mn2+ nung 1h trong Argon

H×nh 12 Sù phô thuéc cña cêng ®é huúnh quang vµo ®iÒu kiÖn ñ

kh«ng )

KÕt qu¶ ®o cho thÊy cêng ®é gi¶m khi mÉu ®îc ñ. Theo lý thuyÕt h·m l-

îng tö th× cêng ®é PL cña nano tinh thÓ b¸n dÉn quan hÖ mËt thiÕt víi

kÝch thíc h¹t. h¹t cµng nhá th× cêng ®é huúnh quang cµng lín. Khi ñ nhiÖt

th× kÝch thíc h¹t t¨ng. Víi mÉu 1 th× sù t¨ng kÝch thíc h¹t lµ do mét hiÖu øng

16

duy nhÊt :sù khuÕch t¸n cña c¸c ph©n tö t¹o thµnh c¸c cluster. V× thÕ mÉu

TS. Nguy n Ng c Trung

ọ

ễ

1 cã cêng ®é huúnh quang lín nhÊt. Mét ®iÒu kh¸c còng ph¶i chó ý lµ ch©n

kh«ng ph¶i ®ñ cao, nÕu ch©n kh«ng chØ lµ 10-3 Torr th× ch¾c ch¾n cã t-

¬ng t¸c víi c¸c khÝ ga, nhÊt lµ víi oxi .

IV. KÕt luËn

Phæ huúnh quang vµ kÝch thÝch huúnh quang cã hiÖu qu¶ cao trong

c¸c nghiªn cøu vÒ vËt liÖu ph¸t quang. C¬ së vËt lý ®· tr×nh bµy ë trªn vµ

mét vµi kÕt qu¶ ®îc ghi nhËn. C¸c kÕt qu¶ ®· ®îc gi¶i thÝch. KÕt qu¶ quan

träng lµ t¹i nång ®é pha t¹p 5%at Mn2+ th× cã cùc ®¹i phæ huúnh quang.

ChÕ ®é ñ còng lµ vÊn ®Ò quan träng trong c«ng nghÖ, cÇn ph¶i ®îc kh¶o

s¸t thªm.

Tµi liÖu tham kh¶o

1. TS NguyÔn Ngäc Trung, Bµi gi¶ng Kü thuËt ph©n tÝch cÊu tróc

2. TrÇn Anh TuÊn, LuËn v¨n Th¹c sü ITIMS-2003

3. Phïng Hå,VËt Lý B¸n DÉn

17

4. NguyÔn V¨n Hïng, LuËn v¨n Th¹c sü ITIMS-2004