TS. Nguy n Ng c Trungễ ọ
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
gi¸ ®îc vÒ vËt liÖu ph¸t quang.
1
TS. Nguy n Ng c Trungễ ọ
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
V. Tµi liÖu Tham kh¶o
2
TS. Nguy n Ng c Trungễ ọ
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
τ
ë tr¹ng
th¸i kÝch thÝch :
∑
=
f
fi
A
τ
1
H×nh 2 m« t¶ qu¸ tr×nh hÊp thô vµ qu¸
tr×nh ph©n r· cña ph©n tö.
3
TS. Nguy n Ng c Trungễ ọ
Khi hÊp thô photon, ph©n tö chuyÓn tõ møc G → S3 trong thêi gian ng¾n
(10-15s). Sau ®ã ph©n tö chuyÓn tr¹ng th¸i tõ S3 → S1 trong thêi gian 10-11 s,
tõ S1 → G trong thêi gian dµi nhÊt 10-9 s. C¸c chuyÓn møc S3 → S2 lµ bÞ
cÊm.
C¸c dÞch chuyÓn nµy ®Æc trng cho mçi lo¹i nguyªn tö vµ ph©n tö. Mçi
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 2
H×nh 3
TS. Nguy n Ng c Trungễ ọ
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,
tr¹ng th¸i n¨ng lîng khi ®ã víi cÊu h×nh dN electron phô thuéc vµo sè e chiÕm
møc t2 vµ e. Víi dN th× cã N+1 møc n¨ng lîng : eN, t2eN-1, …,t2N .N¨ng lîng víi
møc t2n eN-n lµ : E(n,N-n)= [-4+6(N-n)] Dq.
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.
Photon ph¸t ra trong qu¸ tr×nh ph¸t x¹ cã chung ®Æc ®iÓm víi photon bÞ
hÊp thô. N¨ng lîng cña mçi photon lµ :
nmmn
EEh −=
υ
. Qu¸ tr×nh ph¸t x¹ tù
ph¸t chÝnh lµ liªn quan ®Õn phæ huúnh quang.
5
H×nh 4