Đề tài : phương pháp phân tích phổ được sử dụng trong quá trình nghiên cứu vật liệu phát quang pdf

TS Nguyễn Ngọc Trung LỜI NÓI ĐẦU Phổ học(Spectroscopy) phương pháp đo phân tích xạ điện từ đựơc hấp thụ hay phát xạ điện tử, phân tử, nguyên tử hay ion mẫu đo dịch chuyển từ mức lượng cho phép đến mức lượng khác Việc xác định thành phần hố học, cấu trúc, tính chất hố lý bề mặt khối vật liệu có ý nghĩa quan trọng Công nghệ Vi điện tử, Quang điện tử, Công nghệ Vật liệu Hiện ngày có nhiều phương pháp thiết bị ứng dụng lý thuyết phổ học sử dụng khơng phịng thí nghiệm mà công nghiệp nhằm kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm, xác định tính chất đặc biệt công nghệ chế tạo vật liệu thiết bị sử dụng lĩnh vực sống Trong tiểu luận này, tác giả đề cập đến phương pháp phân tích phổ sử dụng trình nghiên cứu vật liệu phát quang Một phương pháp phổ huỳnh quang, bao gồm có phổ huỳnh quang (Photoluminescence) phổ kích thích huỳnh quang (Photoluminescence Excitation) Một số kết thực nghiệm đưa bước đầu đánh giá vật liệu phát quang TS Nguyễn Ngọc Trung MỤC LỤC I Tổng quan lý thuyết Tương tác ánh sáng vật chất Sự nở rộng vạch phổ Phổ PL PLE Sự phụ thuộc cường độ huỳnh quang vào nồng độ Sự dập tắt huỳnh quang II Thực nghiệm Hệ đo Quy trình đo PL PLE III Kết Thảo luận IV Kết Luận V Tài liệu Tham khảo TS Nguyễn Ngọc Trung I.TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.Tương tác ánh sáng vật chất Khi chiếu ánh sáng vào vật chất tuỳ theo ánh sáng chiếu vào mà ánh sáng va chạm bị hấp thụ vật chất Khi va chạm, va chạm đàn hồi ta có tán xạ Rayleigh, cịn va chạm không đàn hồi ta co tán xạ Raman Tán xạ Raman thường có vạch : vạch Stokes ứng với photon tán xạ không đàn hồi bị lượng, vạch Anti-Stokes ứng với vạch tán xạ khơng đàn hồi thu lượng Hình Khi nguyên tử hay phân tử hấp thụ photon chuyển trạng thái từ trạng thái lên trạng thái kích thích Các trạng thái kích thích cao thấp tuỳ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu vào Phân tử trạng thái kích thích khoảng thời gian ngắn bị phân rã Phân rã phát xạ khơng phát xạ Nếu trạng thái kích thích phân rã phát xạ photon, tốc độ hồi phục tổng xác suất dịch chuyển tới tất trạng thái cuối i Tổng tốc độ hồi phục nghịch đảo thời gian sống τ trạng thái kích thích : = ∑ A fi τ f Hình mơ tả q trình hấp thụ trình phân rã phân tử Khi hấp thụ photon, phân tử chuyển từ mức G → S3 thời gian ngắn (10-15s) Sau phân tử chuyển trạng thái từ S → S1 TS Nguyễn Ngọc Trung thời gian 10-11 s, từ S1 → G thời gian dài 10 -9 s Các chuyển mức S → S2 bị cấm Hình Các dịch chuyển đặc trưng cho loại nguyên tử phân tử Mỗi nguyên tử phân tử có sơ đồ lượng đặc trưng Dưới sơ đồ lượng ion kim loại chuyển tiếp : Hình Ion kim loại chuyển tiếp lớp 3d có e (Cr 3+,Mn4+) e (Mn2+,Fe3+) chiếm trạng thái Tuỳ theo môi trường ma tương ứng với tính chất phổ khác Khi tinh thể ion bao quanh TS Nguyễn Ngọc Trung anion,nên bền vững Trong trường hợp cấu trúc bát diện với cấu hình 3d orbital 3d suy biến bội năm phân thành suy biến bội ba suy biến bội hai Hai kiểu gọi orbital t orbital e Năng lượng t e khác 10Dq Khi có nhiều điện tử, điện tử tương tác với Nếu điện trường tinh thể mạnh bỏ qua điện trường tĩnh, trạng thái lượng với cấu hình dN electron phụ thuộc vào số e chiếm mức t e Với dN có N+1 mức lượng : eN, t2eN-1, …,t2N Năng lượng với mức t2n eN-n : E(n,N-n)= [-4+6(Nn)] Dq Quá trình tương tác photon –phân tử bao gồm : hấp thụ phát xạ Phát xạ có loại : phát xạ tự phát phát xạ kích thích Hình mơ tả chế Hình Photon phát trình phát xạ có chung đặc điểm với photon bị hấp thụ Năng lượng photon : hυ mn = E m − E n Quá trình phát xạ tự phát liên quan đến phổ huỳnh quang Xác suất dịch chuyển từ trạng thái i tới trạng thái f hấp thụ lượng photon xác định công thức sau : Pfi = ( 2π /  ) V fi δ ( E f − Ei −  ω ) TS Nguyễn Ngọc Trung Vfi phần tử ma trận dịch chuyển f V i , V toán tử lượng biểu thị cho lượng tương tác trường xạ với tâm phát quang Nếu dịch chuyển trình lưỡng cực điện số hạng tương tác V= p.E, với E cường độ điện trường p toán tử tương tác lưỡng cực điện có dạng sau: p = ∑ e.ri i Trong trường hợp phần tử ma trận p.E trạng thái i f khơng q trình lưỡng cực điện bị cấm Khi dịch chuyển trình lưỡng cực từ, số hạng tương tác phần tử ma trận V= µ B, µ tốn tử mơmen lưỡng cực từ B độ lớn xạ từ trường Tốn tử mơmen lưỡng cực từ cho cơng thức sau: µ =∑ i e ( li + 2si ) 2m µ tính tất điện tử tâm phát quang, l i si tương ứng toán tử quỹ đạo toán tử spin Các phần tử dịch chuyển lưỡng cực từ khác không, trừ ∆ S = ∆ L = 0, điều quy tắc lựa chọn spin Tốn tử r q trình lưỡng cực điện có tính lẻ, hàm sóng trạng thái i f có tính chẵn lẻ, nghĩa hai chẵn lẻ, khí f r i = nói q trình lưỡng cực điện bị cấm quy tắc chẳn lẻ, hay dịch chuyển bên cấu hình bị cấm Tốn tử tương tác lưỡng cực từ µ có tính chẵn, có quy tắc lựa chọn dịch chuyển lưỡng cực từ cho phép, trạng thái ban đầu trạng thái cuối phải tính chẵn lẻ Một đại lượng quan tâm tính chất quang xác suất dịch chuyển tự phát trạng thái kích thích f trạng thái thấp i biết xác suất dịch chuyển tự phát Einstein A fi Khi dịch chuyển xạ trình lưỡng cực điện, xác suất dịch chuyển tự phát Einstein Afi là: TS Nguyễn Ngọc Trung A fi = gi  E eff 4e ∑ 4πε 3 c ω  E   i, f     n < f | r | i >     ε số điện,  số Planck rút gọn, c vận tốc ánh sáng chân không, n chiết suất mạng nền, ω tần số photon, gi số suy biến trạng thái ban đầu, g i = 2Ji+1, (Eeff/E0)2 liên quan đến trường cục để diễn tả khác điện trường vị trí tâm tới trường trung bình xung quanh Đối với ion trường hợp đối xứng cao Eeff/E0 = (n2+3)/2 Đối với hai trình xạ lưỡng cực điện lưỡng cực từ, xác suất dịch chuyển tăng với ω ,  ω lượng photon Kết ion trạng thái kích thích chuyển tới trạng thái thấp hơn, xác suất phân rã xạ thay đổi theo luỹ thừa bậc khe lượng trạng thái ban đầu trạng thái cuối Trong phân rã khơng phát xạ lượng giải phóng phonon, xác suất phân rã khơng xạ tăng khe lượng giảm, ngược với trình phát xạ Đây vấn đề quan trọng để biết có hay khơng giá trị tới hạn khe lượng, mà lớn giá trị trình phát xạ trội nhỏ q trình khơng phát xạ trội W(n) xác suất trình hồi phục n phonon giả thuyết tỉ số trình hồi phục phonon thứ n tới phonon thứ (n-1) không đổi, đặc trưng cho tinh thể mạng nền, đặc trưng ion không phụ thuộc vào n W ( n) = γ