trong màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+
Hỡnh 4.9. Phổ huỳnh 3D của màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+
Để nghiờn cứu một cỏch hệ thống hơn nữa về tớnh chất huỳnh quang của ion Er3+ trong màng nanocomposite SiO2:nano Si, thỡ việc tỡm hiểu về cơ truyền năng lƣợng từ mạng nền sang ion Er3+ là rất cần thiết. Hỡnh 4.9 là phổ huỳnh quang 3D của màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+. Nồng độ Er3+ là 0,5%, nồng độ Si là 4% và nhiệt độ ủ mẫu là 1000 o
C. Vựng phổ huỳnh quang đƣợc khảo sỏt trong dải bƣớc súng từ 1200 đến 1750 nm và vựng phổ kớch thớch huỳnh quang đƣợc đo từ 250 đến 320 nm. Kết quả cho thấy rằng phổ huỳnh quang đặc trƣng của ion Er3+ ở bƣớc súng 1530 nm đƣợc quan sỏt thấy ứng với vựng bƣớc súng kớch thớch từ 250 đến 270 nm. Ở vựng bƣớc súng kớch thớch
98
từ 280 đến 320 nm thỡ hầu nhƣ khụng quan sỏt thấy sự phỏt quang của ion Er3+ trong màng nanocomposite này ở bƣớc súng 1530 nm. Vựng hấp thụ trong vựng bƣớc súng từ 250 đến 270 nm khụng phải là do kớch thớch trực tiếp ion Er3+ bởi vỡ năng lƣợng kớch thớch trong trƣờng hợp này là rất cao lờn tới 4,96 - 4,58 eV. Vựng hấp thụ này cũng khụng phải là do hấp thụ từ nano tinh thể Si bởi vỡ năng lƣợng năng lƣợng cấm của nano tinh thể Si khoảng ~ 1,5-2,5 eV. Do đú, vựng hấp thụ ứng với bƣớc súng 250 đến 270 nm đƣợc quy cho liờn quan đến mạng nền SiO2. Do năng lƣợng vựng cấm của SiO2 là khoảng 9 eV cho nờn vựng hấp thụ ứng với bƣớc súng từ 250 đến 270 nm đƣợc cho là liờn quan đến cỏc mức năng lƣợng sai hỏng nằm trong vựng cấm của SiO2. Nhận định này cũng phự hợp với một số cụng bố trƣớc đõy [113] về cỏc mức sai hỏng trong mạng nền SiO2 trong vựng bƣớc súng từ 248 đến 280 nm. Việc mẫu cú thể phỏt quang trong vựng hồng ngoại khi đƣợc kớch thớch bởi một năng lƣợng rất cao chớnh là một bằng chứng thực nghiệm cho thấy thực sự đó cú một quỏ trỡnh truyền năng lƣợng từ mạng nền sang ion Er3+ trong màng nanocomposite SiO2:nano Si khi kớch thớch trong vựng bƣớc súng từ 250 đến 270 nm.
Cõu hỏi đặt ra là: Vậy cơ chế truyền năng lƣợng từ mạng nền sang ion Er3+ là gỡ và nano tinh thể Si trong mạng nền SiO2 cú vai trũ nhƣ thế nào đối với sự phỏt quang trong vựng hồng ngoại của ion Er3+? Để trả lời cõu hỏi này, chỳng tụi đó tiến hành đo phổ huỳnh quang của màng SiO2:nano Si pha tạp Er3+ và màng SiO2 pha tạp Er3+ khụng chứa nano tinh thể Si.
Hỡnh 4.10. Phổ huỳnh quang của màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+ (a) trong vựng hồng ngoại và (b) trong vựng nhỡn thấy. Phổ huỳnh quang của màng SiO2 pha tạp Er3+ cũng đƣợc đo trong vựng hồng ngoại để nghiờn cứu vai trũ của nano tinh thể Si
Hỡnh 4.10 (a) là phổ huỳnh quang của màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+ và màng SiO2 pha tạp Er3+ trong vựng hồng ngoại với bƣớc súng kớch thớch 260 nm. Quy trỡnh chế tạo hai mẫu này là tƣơng tự nhau, nồng độ Er3+ trong hai mẫu này là 0,5% và nồng độ Si trong màng nancomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+ là 4%. Kết quả cho thấy rằng cƣờng độ huỳnh quang của ion Er3+ trong màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+ mạnh hơn rất nhiều so với cƣờng độ huỳnh quang của ion Er3+ trong màng SiO2 pha tạp Er3+ khụng chứa nano tinh thể Si. Kết quả nhận đƣợc này rừ ràng đó chứng tỏ vai trũ
99
quan trọng của nano tinh thể Si trong màng SiO2 nhƣ là một nhõn tố trung gian hấp thụ và truyền năng lƣợng hiệu quả từ mạng nền đến ion Er3+ giỳp nõng cao hiệu suất hấp thụ và phỏt xạ của ion Er3+ trong mạng nền.
Hỡnh 4.10 (b) là phổ huỳnh quang của màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+ đo trong vựng nhỡn thấy với bƣớc súng kớch thớch 260 nm. Kết quả cho thấy rằng phổ huỳnh quang của màng nanocomposite này gồm 3 vựng phổ huỳnh quang rất rừ rệt: vựng huỳnh quang thứ nhất nằm trong dải bƣớc súng từ 350 đến 450 nm, vựng huỳnh quang thứ hai nằm trong dải bƣớc súng từ 450 đến 600 nm và vựng huỳnh quang thứ 3 nằm trong dải bƣớc súng từ 600 đến 900 nm. Vựng huỳnh quang thứ nhất trong dải bƣớc súng 350 đến 450 nm đƣợc cho là liờn quan đến cỏc sai hỏng trong mạng nền SiO2, vựng huỳnh quang thứ hai trong dải bƣớc súng 450 đến 600 nm là do quỏ trỡnh tỏi hợp liờn quan đến cỏc sai hỏng ở mặt phõn cỏch Si/SiO2 và vựng huỳnh quang thứ 3 là do quỏ trỡnh tỏi hợp liờn quan đến nano tinh thể Si. Nhận định này là phự hợp với một số cụng bố trƣớc đõy [32, 56]. Khi so sỏnh hai phổ huỳnh quang của màng nanocomposite SiO2:nano Si:Er3+ trong vựng nhỡn thấy và trong vựng hồng ngoại với cựng bƣớc súng kớch thớch 260 nm, chỳng tụi cú thể giả thiết một quỏ trỡnh truyền năng lƣợng từ cỏc sai hỏng sang ion Er3+ trong màng nanocomposite nhƣ sau: Khi màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+
đƣợc kớch thớch với bƣớc súng 260 nm, cỏc điện tử bị kớch thớch chuyển lờn cỏc mức sai hỏng nằm sõu trong vựng cấm của SiO2, một số điện tử tham gia vào quỏ trỡnh tỏi hợp bức xạ và phỏt ra vựng hai huỳnh quang ở trong dải bƣớc súng từ 350 đến 450 nm và 450 đến 600 nm, trong khi một số điện tử ở cỏc mức sai hỏng này tham gia vào quỏ trỡnh tỏi hợp khụng bức xạ và truyền năng lƣợng để kớch thớch điện tử nhảy từ vựng húa trị lờn vựng dẫn của nano tinh thể Si tạo nờn cỏc cặp điện tử lỗ trống trong nano tinh thể Si. Một số cặp điện tử-lỗ trống này tham gia vào quỏ trỡnh tỏi hợp khụng bức xạ và truyền năng lƣợng cho ion Er3+ và một số cặp điện tử -lỗ trống khỏc tham gia vào quỏ trỡnh tỏi hợp bức xạ và phỏt ra photon trong vựng bƣớc súng từ 600 đến 900 nm. Khi ion Er3+
nhận năng lƣợng từ cặp điện tử-lỗ trống của nano tinh thể Si thỡ điện tử ở mức cơ bản 4
I15/2 sẽ bị kớch thớch lờn cỏc mức năng lƣợng cao hơn và sau đú dịch chuyển khụng bức xạ về trạng thỏi kớch thớch thứ nhất 4I13/2 và tham gia vào quỏ trỡnh tỏi hợp bức xạ và phỏt ra photon ứng với dịch chuyển 4
I13/2 → 4I15/2 của ion Er3+. Hỡnh 4.11 là mụ hỡnh truyền năng lƣợng từ sai hỏng trong mạng nền sang ion Er3+. Theo mụ hỡnh này, quỏ trỡnh truyền năng lƣợng thụng qua nhiều bƣớc: từ sai hỏng sang nano tinh thể Si và sau đú tới ion Er3+.
100
Hỡnh 4.11. Mụ hỡnh truyền năng lƣợng từ cỏc sai hỏng trong mạng nền sang ion Er3+
Với cỏc kết quả nhận đƣợc ở trờn, chỳng tụi cú thể nhận định sơ bộ là đó cú sự truyền năng lƣợng từ mạng nền sang ion Er3+ thụng qua hạt nano tinh thể Si trong màng nanocomposite SiO2:nano Si pha tạp Er3+. Tuy nhiờn, để cú thể làm rừ quỏ trỡnh này, cỏc phộp đo một cỏch hệ thống sử dụng cỏc nguồn kớch thớch cú năng lƣợng khỏc nhau tƣơng ứng với năng lƣợng của cỏc sai hỏng và nano tinh thể Si cần đƣợc thực hiện (nguồn laser cú thể thay đổi bƣớc súng liờn tục từ vựng tử ngoại đến hồng ngoại gần). Tuy nhiờn, do hạn chế về điều kiện thiết bị trong nƣớc, trong khuụn khổ nghiờn cứu của luận ỏn chỳng tụi chƣa thể thực hiện đƣợc cỏc phộp đo này.
Theo hiểu biết của chỳng tụi, điểm mới về cụng nghệ chế tạo là đõy là một cỏch tiếp cận đơn giản để đƣa đồng thời đƣợc nano tinh thể Si và chất pha tạp Er vào mạng nền thuỷ tinh SiO2. Về tớnh mới trong cỏc kết quả khảo sỏt, rừ ràng cỏc kết quả nghiờn cứu trong chƣơng này đó cho thấy khả năng phỏt quang tốt hơn rất nhiều trong vựng hồng ngoại liờn quan đến dịch chuyển bức xạ nội tại từ 4I13/2 → 4
I15/2 của ion Er3+ trong màng composite so với cỏc mẫu dõy nano Si khỏc. Kết quả nhận đƣợc cũng cho thấy rừ ràng vai trũ của nano tinh thể Si nhƣ là một chất “nhạy sỏng” hấp thụ năng lƣợng kớch thớch và truyền năng lƣợng cho ion Er3+ dẫn tới tăng cƣờng độ phỏt xạ của Er3+ trong vựng hồng ngoại tại bƣớc súng ~ 1530 nm.