Thông số động học của MGB4O7dy 1

Thông số động học của MGB4O7dy

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 4 Chương I TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÁT QUANG I.1.Đònh nghóa hiện tượng nhiệt phát quang Nhiệt phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence, viết tắt là TSL hay Thermo-Luminescence, TL) là hiện tượng một vật liệu cách điện hay bán dẫn phát ra ánh sáng khi bò nung nóng nếu trước đó vật liệu này đã được chiếu xạ bởi các nguồn ion hóa (tia α , β , γ , X, ánh sáng, . . .). Khi bò nung nóng, vật liệu phát ra năng lượng ánh sáng tỉ lệ với năng lượng mà nó đã hấp thụ. Một số điểm chúng ta cần lưu ý đối với vật liệu nhiệt phát quang: • Vật liệu nhiệt phát quang phải là vật liệu cách điện hoặc bán dẫn, kim loại không có hiện tượng nhiệt phát quang. • Năng lượng nhiệt mà ta cung cấp cho vật liệu khi nung nóng chỉ là yếu tố kích thích, không phải là nguyên nhân gây ra sự phát quang. • Nguyên nhân gây ra sự phát quang là do vật liệu đã hấp thụ năng lượng ion hóa từ trước đó. • Vật liệu sau khi đã phát quang, ta không thể làm cho nó phát quang trở lại bằng cách nung nhiệt. Muốn vật liệu phát quang trở lại thì vật liệu phải được chiếu xạ bằng bức xạ ion trước khi nâng nhiệt. I.2. Giải thích cơ chế hiện tượng nhiệt phát quang Đối với vật liệu nhiệt phát quang: Trong điều kiện lý tưởng thì vùng cấm hoàn toàn trống. Tuy nhiên, các chất điện môi và bán dẫn thực luôn có các Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 5 khuyết tật. Sự tồn tại của các khuyết tật này dẫn tới sự tồn tại của các mức năng lượng được phép trong vùng cấm. Đó là các bẫy electron T (Trap) và các bẫy lỗ trống R (Recombination). Để có thể giải thích cơ chế hiện tượng nhiệt phát quang, ta giả sử rằng trong vùng cấm của vật liệu chỉ tồn tại một mức bẫy T và một tâm tái hợp Rï. Khi vật liệu được chiếu xạ bằng các tia bức xạ thì các tia này sẽ ion hóa nguyên tử trung hòa làm bật các electron lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống trong vùng hóa trò. Electron sẽ chuyển động tự do trong vùng dẫn đến khi bò bắt tại bẫy electron T. Lỗ trống chuyển động tự do trong vùng hóa trò đến khi bò bắt tại bẫy lỗ trống R (hình I.1a). Hình I.1. Mô hình một mức bẫy và một tâm tái hợp. electron là các chấm tròn đen, lỗ trống là các chấm tròn trắng. (a). Quá trình bắt electron và lỗ trống (b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống Gọi E là độ sâu bẫy được tính từ mức E c (đáy vùng dẫn), τ là thời gian electron bò bắt tại bẫy electron T. Các giá trò E, τ, T liên hệ với nhau qua công thức Arrhenius: hν E c T Vùng dẫn Vùng hóa trò E { Bức xạ ion hóa R T E } R Vùng dẫn E c E v Vùng hóa trò E v (a) (b) Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 6       == − kT E s p exp 1 1 τ hay       −== kT E sp exp 1 τ (I.1) Trong đó: p: xác suất electron thoát khỏi bẫy trong thời gian một giây (s -1 ). τ : gian thời sống của electron tại bẫy (s). s: một hệ số tỉ lệ, có thứ nguyên là s -1 do đó được gọi là “tần số thoát” của electron. E: độ sâu của bẫy hay còn được gọi là năng lượng kích hoạt (eV). k: hằng số Boltzmann, (k = 8.62×10 -5 eV/K) T: nhiệt độ (K). Bảng I.1. Sự phụ thuộc của τ vào E và T. E (eV) T ( 0 C) -40 28 100 200 300 0.75 13 ngày 9.1 phút 0.94 s 9.7 ms 270 µs 1.00 9200 năm 125 ngày 37 phút 3.1 s 43 ms 1.25 8.6×10 11 năm 6.8×10 4 năm 61 ngày 24 phút 6.8 s 1.50 2.2×10 17 năm 4.9×10 10 năm 401 năm 7.6 ngày 18 phút Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 7 Bảng I.1 [11] cho ta thấy sự phụ thuộc của thời gian sống của electron tại bẫy vào độ sâu bẫy E và nhiệt độ T. Các số liệu được tính theo công thức (I.1) với giá trò điển hình s=2.10 20 s -1 . Nếu mẫu được giữ ở nhiệt độ phòng thì electron bò giữ tại bẫy rất lâu. Muốn giải phóng electron khỏi bẫy ta cần cung cấp cho nó một động năng lớn hơn hoặc bằng E. Năng lượng này có thể được cung cấp cho electron bằng cách chủ động nâng nhiệt độ của mẫu. Đây là cách người ta thường làm trong thí nghiệm đo đường cong phát quang của mẫu. Khi thoát khỏi bẫy và nhảy lên vùng dẫn electron sẽ không thể ở lâu trên vùng dẫn vì vật liệu không phải là kim loại, do đó electron phải tái hợp với lỗ trống bò bắt từ trước tại tâm lỗ trống R (Tâm tái hợp). Năng lượng dư thừa trong quá trình tái hợp được bức xạ ra ngoài dưới dạng một photon ánh sáng theo công thức: c R E E h ν − = (I.2) Trong đó: h là hằng số Planck (h = 6.626×10 -34 J.s), ν là tần số ánh sáng, E c =0 và E R là độ sâu của tâm tái hợp. Trong thực nghiệm, người ta ghi lại cường độ ánh sáng phát ra khi nâng nhiệt độ của mẫu (thường thì nhiệt độ mẫu được làm tăng tuyến tính theo thời gian) và vẽ đồ thò biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang I theo nhiệt độ T. Đồ thò I(T) gọi là đường cong phát quang (Glow curve). Phép đo đường cong phát quang là phép đo cơ bản nhất trong nghiên cứu nhiệt phát quang. Hình I.2 giới thiệu sự hình thành đường cong nhiệt phát quang ứng với mô hình một bẫy và một tâm tái hợp. Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 8 Hình I.2. Giải thích sự hình thành đường cong nhiệt phát quang. Hình I.2a biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất thoát bẫy theo nhiệt độ. Ta thấy rằng, từ nhiệt độ T i nào đó thì xác suất thoát bẫy có một giá trò khác không đáng kể và tăng dần theo nhiệt độ. Đến nhiệt độ T f và lớn hơn thì mọi điện tích bò bắt tại bẫy đều có xác suất thoát bẫy bằng 1, tức là mọi bẫy đều trống khi nhiệt độ tức thời của mẫu lớn hơn nhiệt độ này. Hình I.2b cho biết sự phân bố điện tích tại các bẫy. Khi nhiệt độ tăng số điện tích tại bẫy giảm dần và bằng 0 khi nhiệt độ là T f . Hình I.2c cho thấy sự phụ thuộc của cường độ phát quang theo Mọi điện tích đều thoát khỏi bẫy ở nhiệt độ này Sự phân bố điện tích tại bẫy Nhiệt độ tối thiểu cho phép thoát khỏi bẫy một cách đáng kể n T f Xác suất thoát khỏi bẫy T 0 p 1 T f T 0 n 0 I T 0 T f Cường độ phát quang T m I m (a) (b) (c) T i T i T i Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 9 nhiệt độ. Cường độ phát quang đạt cực đại tại nhiệt độ T m và bắt đầu giảm dần khi số điện tích tại bẫy bắt đầu giảm. Từ sự hình thành đường cong phát quang, ta cần lưu ý một số thông tin sau: • Biên độ cực đại I m của cường độ phát quang. Giá trò này có quan hệ với nồng độ ban đầu n 0 của các điện tích bò bắt tại bẫy. • Nhiệt độ T m tại đó cường độ phát quang là cực đại. Giá trò này có quan hệ với độ sâu E của bẫy. E càng lớn thì T m càng lớn và ngược lại. • Hình dạng đường cong phát quang. Hình dạng đường cong phát quang có liên quan đến bậc động học của bẫy. Như vậy, từ phép đo đường cong phát quang của mẫu bằng thực nghiệm chúng ta có thể rút ra được các thông tin quan trọng về bản chất của các khuyết tật cũng như các cơ chế vật lý xảy ra trong quá trình nâng nhiệt để phát quang của mẫu. Tóm lại, mô hình ở hình (I.1) cho ta bức tranh cơ bản về hiện tượng nhiệt phát quang. Quá trình nâng nhiệt độ của mẫu làm dòch chuyển những hạt tích điện giữa các mức năng lượng. Mô hình lý thuyết mô tả các dòch chuyển này gọi là mô hình động học của hiện tượng nhiệt phát quang. Hiện nay, trong nhiệt phát quang có ba mô hình động học cơ bản: mô hình động học bậc một, mô hình động học bậc hai và mô hình động học bậc tổng quát. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt khảo sát từng mô hình động học. Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 10 I.3. Các mô hình động học của hiện tượng nhiệt phát quang I.3.1. Mô hình động học bậc một I.3.1.1. Biểu thức và hình dạng đường cong phát quang Mô hình này được Randall và Wilkins [12] đưa ra với giả thiết bỏ qua quá trình tái bẫy của electron, tức là khi electron được giải phóng nhờ năng lượng nhiệt và nhảy lên vùng dẫn thì chúng sẽ tái hợp với lỗ trống mà không bò bắt lại bẫy như khi vật liệu được chiếu xạ ion hóa. Biểu thức (I.3) [1], [5] dưới đây là công thức của động học bậc 1. Trong biểu thức của động học bậc 1, cường độ I(T) phụ thuộc vào nồng độ ban đầu n 0 của electron bò bắt tại bẫy theo lũy thừa bậc một.         −−−= ∫ T T dT kT Es kT E snTI 0 )exp(exp)exp()( 0 β (I.3) Từ công thức trên ta thấy: • Đường nhiệt phát quang theo nhiệt độ của một đỉnh tuân theo mô hình động học bậc một phụ thuộc vào bốn thông số vật lý: nồng độ ban đầu n 0 của electron bò bắt tại bẫy (phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ lên vật liệu), thừa số tần số s, độ sâu năng lượng E của bẫy và tốc độ nâng nhiệt β của mẫu mà ta sử dụng trong thực nghiệm. • Hình dạng đường nhiệt phát quang (đường TL) tuân theo động học bậc một được vẽ từ công thức (I.3) với các thông số n 0 = 400 m -3 , E =1 eV, s=10 12 s -1 , β =1 0 C/s có dạng như hình (I.3) dưới đây: Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 11 Hình I.3. Dạng đường TL của đỉnh động học bậc một. Ta nhận thấy hình dạng tiêu biểu của đường cong động học bậc một là một đường cong bất đối xứng: phần diện tích giới hạn bởi đường cong và trục hoành ở phía bên phải của T m nhỏ hơn phần diện tích phía bên trái. Đây là một đặc điểm quan trọng giúp chúng ta có thể đoán nhận một cách đònh tính bậc động học của một đỉnh phát quang xem nó có tuân theo động học bậc một hay không. I.3.1.2. Sự phụ thuộc của đường cong động học bậc một theo các thông số • Cường độ chiếu xạ n 0 Hình I.4 dưới đây trình bày các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trò khác nhau của n 0 . Các đồ thò này được tính theo công thức (I.3) với các thông số sau: E =1,2 eV, s =10 11 s -1 , β =1 0 C/s . Các giá trò của n 0 (m -3 ) được ghi trực tiếp trong hình. Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 12 Hình I.4. Các đường TL bậc một ứng với các giá trò n 0 khác nhau. Từ đồ thò trên ta nhận thấy: khi n 0 càng lớn thì cường độ phát quang càng lớn, diện tích giới hạn giữa đường cong và trục hoành càng lớn. Tuy vậy, vò trí T m tại đó cường độ phát quang cực đại gần như không phụ thuộc vào n 0 . • Độ sâu của bẫy E Hình I.5 dưới đây giới thiệu các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trò khác nhau của E. Các đồ thò này được tính theo công thức (I.3) với các thông số sau: n 0 =1500m -3 , s =1.2×10 12 s -1 , β =1 0 C/s. Hình I.5. Các đường TL bậc một ứng với các giá trò E khác nhau. 1: n 0 =1000m -3 2: n 0 =2000m -3 3: n 0 =3000m -3 4: n 0 =4000m -3 1 2 3 4 1: E=1 eV 2: E=1,1 eV 3: E=1,2 eV 4: E=1,3 eV 1 2 3 4 First-order curves T(C) [...]... thông số s (động học bậc một), s’ (động học bậc hai), s’’ (động học bậc tổng quát) • Thông số s ứng với động học bậc một phụ thuộc vào bản chất của bẫy và đóng vai trò là tần số thoát của electron • Thông số s’=s/N ứng với động học bậc hai Thứ nguyên của s’ không phải là tần số Do vậy, nó không có ý nghóa là tần số thoát mà chỉ liên quan tới tần số thoát b 1 • Thông số s '' = s ' n( ) ứng với động học. .. động học bậc một, đường cong phát quang động học bậc hai cũng phụ thuộc vào bốn thông số: n0, E, β và s’ (ở bậc một là s) • Hình I.8 là dạng đường TL tuân theo động học bậc hai dưới đây được vẽ từ công thức (I.4) với các thông số n0 = 400 m-3, E =1. 25 eV, s’ = 10 11 m-3s -1, β =10 C/s Hình I.8 Dạng đường TL của đỉnh động học bậc hai Từ đồ thò trên ta thấy đường cong phát quang của đỉnh tuân theo động học. .. Tần số thoát s Hình I.6 dưới đây giới thiệu các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trò khác nhau của s Các đồ thò này được tính theo công thức (I.3) với các thông số sau: n0 =15 00 m-3, E =1 eV, β =1. 40C/s First-order curves 1: s =10 12s -1 2: s =10 11s -1 1 2 3 3: s =10 10s -1 4 4: s =10 9s -1 T(C) Hình I.6 Các đường TL bậc một ứng với các giá trò s khác nhau Ta thấy từ đồ thò rằng: Khi s tăng, vò trí... thấy hình dạng đường cong phát quang tuân theo động học bậc một, bậc hai và bậc tổng quát với cùng các thông số: n0 =500 m-3, E = 1, 2eV, s′′ = 10 10s -1, β = 30C/s 1: b =1. 1 2: b =1. 3 1 2 3: b=2 3 Hình I .10 Hình dạng đường TL theo các bậc động học khác nhau Từ đồ thò trên ta nhận thấy vò trí cực đại Tm của các đường cong không thay đổi nhưng khi bậc động học b tăng thì cường độ phát quang giảm Điều này... Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 16 I.3.2.2 Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc hai theo các thông số • Cường độ chiếu xạ n0 Hình I.9 biểu diễn sự phụ thuộc của I(T) của đỉnh bậc hai theo các giá trò n0 khác nhau Các đường cong được tính theo công thức (I.4) với các thông số: s’ =10 9s -1, E =1, 2eV, β =1, 40C/s First-order curves 4 1: n0=300m-3 3 2: n0=500m-3 3: n0=700m-3 4: n0=900m 2 -3 1 T(C) Hình I.9 Các đường... trở thành các biểu thức của động học bậc một (I.3) và động học bậc hai (I.4) Từ công thức (I.5) trên ta có một số nhận xét về đường cong phát quang tuân theo động học bậc tổng quát: • Cường độ phát quang của đỉnh động học bậc tổng quát phụ thuộc vào 5 thông số: n0, E, s′′, b vàβ Đại lượng s′′ có thứ nguyên là s -1 và gọi là thừa số Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 18 nằm trước hàm lũy thừa... và vai trò của các thông số vật lý n0, E, s, b, β II .1 Các thông số vật lý ảnh hưởng đến đường cong nhiệt phát quang Năm thông số trên được chia làm hai loại: các thông số thực nghiệm và các thông số đặc trưng cho bẫy II .1. 1 Các thông số thực nghiệm •β Là thông số do hệ đo đường cong phát quang quy đònh, không ảnh hưởng đến bản chất vật lý của các bẫy nhiệt phát quang Trong đề tài này chúng tôi sẽ... = 1, 2, 3, 5, 8 và 10 0C/s • n0 Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 21 Ở những phần trước ta đã biết, n0 là nồng độ electron bò bắt tại bẫy Thông số này chỉ phụ thuộc vào công nghệ chế tạo mẫu và cường độ chiếu xạ lên vật liệu II .1. 2 Các thông số đặc trưng cho bẫy Ba thông số còn lại E, s (s’ hoặc s’’), b là các thông số đặc trưng cho bẫy Hai thông số E và b phụ thuộc vào bản chất vật lý của. .. lý nó không có nghóa là tần số thoát như trong động học bậc một Mô hình động học bậc tổng quát chỉ là mô hình mở rộng của mô hình động học bậc hai chứ không được dẫn ra từ một cơ sở lý thuyết nào • Vò trí, cường độ và hình dạng các đỉnh không thay đổi nhiều so với động học bậc hai khi thay đổi các thông số n0, E, s’’, β nhưng thông số b thay đổi một cách rõ ràng Hình I .10 dưới đây cho thấy hình dạng...  E  T − T  Ln  1  m 2   =  m1 m 2       β 2  Tm1   k  Tm 2Tm1    (II .10 ) Từ công thức (II .10 ) ta rút ra được công thức xác đònh độ sâu bẫy E: Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản 24 2  Tm 2Tm1   1  Tm 2   E = k  T − T  Ln  β  T       m1 m 2   2  m1     (II .11 ) Nếu Tm có thể xác đònh được với mức chính xác 10 C thì công thức (II .11 ) trên cho ta giá . trí của đỉnh xuất hiện ở nhiệt độ thấp và ngược lại. • Tốc độ nâng nhiệt β 1: s =10 12 s -1 2: s =10 11 s -1 3: s =10 10 s -1 4: s =10 9 s -1 1 . 300 0.75 13 ngày 9 .1 phút 0.94 s 9.7 ms 270 µs 1. 00 9200 năm 12 5 ngày 37 phút 3 .1 s 43 ms 1. 25 8.6 10 11 năm 6.8 10 4 năm 61 ngày 24