Khi chiếu ỏnh sỏng vào trong vật rắn, điện tử nhảy từ trạng thỏi cơ bản lờn trạng thỏi kớch thớch và sau một thời gian trở về trạng thỏi cơ bản, điện tử giải phúng năng lƣợng dƣới dạng nhiệt hoặc photon. Ánh sỏng phỏt ra trong quỏ trỡnh tỏi hợp gọi là huỳnh quang. Phổ huỳnh quang của vật liệu là một đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa cƣờng độ huỳnh quang và bƣớc súng photon phỏt ra. Bằng việc đo sự phụ thuộc cƣờng độ huỳnh quang theo bƣớc súng photon, ngƣời ta cú thể xỏc định cỏc đỉnh phổ huỳnh quang phỏt ra và nguồn gốc phỏt quang của cỏc đỉnh phổ này. Phổ huỳnh quang của vật liệu cú thể tiến hành đo ở nhiệt độ phũng hoặc nhiệt độ thấp. Đối với phộp đo phổ huỳnh quang ở nhiệt độ thấp thỡ một bộ phận làm lạnh mẫu đƣợc gắn thờm vào hệ huỳnh quang. Cỏc mẫu vật liệu đƣợc đặt trong buồng mẫu sử dụng khớ He lỏng hoặc khớ N2 lỏng để làm lạnh. Nhiệt độ húa lỏng của He là 4 K (- 269 oC) và nhiệt độ húa lỏng của N2 là 77 K (-196 oC). Ngƣời ta cú thể tiến hành đo phổ huỳnh quang trong vựng nhỡn hoặc vựng phổ ngoại phụ vào vào vựng phỏt quang của vật liệu cần nghiờn cứu. Một thụng số rất quan trong khi đú phổ huỳnh quang là bƣớc súng kớch thớch. Tựy thuộc vào vật liệu cần nghiờn cứu mà chỳng ta lựa chọn bƣớc súng kớch thớch thớch hợp để đo phổ huỳnh quang. Trong luận ỏn này, phổ huỳnh quang của dõy nano Si đƣợc đo với bƣớc súng kớch thich 325 nm. Trong khi đú, phổ huỳnh quang quang của dõy nano Si:Er3+ trong vựng hồng ngoại đƣợc đo với bƣớc súng 514 nm. Đối với màng nanocomposite SiO2: nano Si:Er3+, bƣớc súng kớch thớch để đo phổ huỳnh quang trong vựng nhỡn thấy là 260 nm và trong vựng hồng ngoại là 260 nm và 514 nm.
60
CHƢƠNG 3
CHẾ TẠO DÂY NANO Si BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT HUỲNH QUANG CỦA Nể
Túm tắt:
Trong chƣơng này, dõy nano Si đƣợc chế tạo bằng phƣơng phỏp bốc bay nhiệt sử dụng cỏc nguồn vật liệu nguồn khỏc nhau nhƣ bột SiO, hỗn hợp bột Si+SiO2, và hỗn hợp bột Si +C. Bằng việc khảo sỏt ảnh hƣởng vật liệu nguồn đến sự hỡnh thành dõy nano Si, chỳng tụi đó xỏc định đƣợc mẫu dõy nano Si chế tạo từ vật liệu nguồn Si+C với nhiệt độ bốc bay 1200 oC là tốt nhất trờn khớa cạnh phỏt quang mạnh nhất trong vựng nhỡn thấy và ớt oxit silic nhất. Dõy nano Si trong mẫu này cú đƣờng kớnh khỏ đồng đều từ 30 đến 50 nm khi đo trực tiếp từ ảnh FESEM. Một điều khỏ ngạc nhiờn là mặc dự cú kớch thƣớc rất lớn so với kớch thƣớc giới hạn lƣợng tử, dõy nano Si nhận đƣợc phỏt quang mạnh ở nhiệt độ phũng với cực đại huỳnh quang nằm ở bƣớc súng 650 nm, tƣơng tự nhƣ phổ huỳnh quang của nano tinh thể Si liờn quan đến hiệu ứng kớch thƣớc lƣợng tử. Thụng thƣờng với kớch thƣớc dõy nano Si lớn nhƣ vậy thỡ sự phỏt quang của dõy nano Si liờn quan đến hiệu ứng kớch thƣớc lƣợng tử khụng thể xảy ra bởi vỡ đƣờng kớnh của dõy nano Si lớn hơn rất nhiều so với bỏn kớnh Bohr exciton của silic (~5 nm). Kết quả khảo sỏt chi tiết cấu trỳc của dõy nano Si nhận đƣợc bằng cỏc phộp đo ảnh TEM và phổ Raman cho thấy dõy nano Si cú cấu trỳc lừi-vỏ và cấu trỳc phõn lớp Si/SiOx trong lừi của dõy nano Si với độ dày lớp nano Si trong lừi dõy nano Si cỡ vài nm – một cấu trỳc mới chƣa bao giờ đƣợc cụng bố trƣớc đõy. Trờn cơ sở cỏc kết quả nhận đƣợc, chỳng tụi đó xuất một mụ hỡnh giải thớch cho sự hỡnh thành cấu trỳc lừi - vỏ và phõn lớp Si/SiOx của lừi dõy nano Si trong đú sự hỡnh thành cấu trỳc lừi-vỏ là do quỏ trỡnh phõn pha Si và SiO2 trong quỏ trỡnh hỡnh thành dõy nano Si khi cỏc phõn tử SiO hấp thụ, hoà tan và trở nờn quỏ bóo hoà trong hạt kim loại xỳc tỏc (Au) và do quỏ trỡnh phản ứng của dõy nano Si với oxy dƣ trong buồng phản ứng. Trong khi đú, sự hỡnh thành cấu trỳc phõn lớp lừi Si/SiOx là do sự cạnh tranh giữa hai quỏ trỡnh mọc và ụxy hoỏ dõy nano Si dƣới sự ảnh hƣởng của hiệu ứng tự giới hạn tốc độ ụxy hoỏ (self-limiting oxidation) xảy ra ở vật liệu Si kớch thƣớc nano. Với mụ hỡnh này, chỳng tụi khụng chỉ giải thớch tốt sự hỡnh thành cấu trỳc lừi-vỏ và phõn lớp lừi Si/SiOx của dõy nano Si nhận đƣợc, mà cũn lần đầu tiờn đƣa ra đƣợc lời giải thớch thuyết phục cho phổ phỏt quang trong vựng đỏ của dõy nano Si là do sự tỏi hợp exciton của cỏc cặp điện tử-lỗ trống giam cầm trong cỏc lớp nano Si trong lừi dõy nano Si. Hơn nữa, kết quả khảo sỏt sự phụ thuộc của phổ huỳnh quang vào nhiệt độ cho thấy: (i) năng lƣơng photon phỏt ra liờn quan đến tỏi hợp exciton giam cầm trong lớp nano Si dịch về phớa năng lƣợng cao khi nhiệt độ tăng từ 10 đến 300 K, (ii) cƣờng độ huỳnh quang của vựng phổ này tăng lờn khi nhiệt độ tăng từ 10 đến 200 K, đạt giỏ trị cực đại ở 200 K và sau đú giảm dần nếu tiếp tục tăng nhiệt độ từ 200 đến 300 K và (iii) khỏc với phổ huỳnh quang của dõy nano Si đo ở nhiệt độ cao từ 150 đến 300 K, phổ huỳnh quang của dõy nano Si đo ở nhiệt độ thấp từ 10 đến 120 K, cũn quan sỏt
61
thờm hai vựng phổ huỳnh quang ở 430 nm và 507 nm. Nguồn gốc về thay đổi năng lƣợng photon phỏt ra, sự phụ thuộc cƣờng độ huỳnh quang vào nhiệt độ và sự xuất hiện thờm hai vựng phổ huỳnh quang đối với cỏc phổ huỳnh quang đo ở nhiệt độ thấp đƣợc thảo luận một cỏch chi tiết trong chƣơng này.