Phổ quang huỳnh quang trong chế độ kích thích trung bình và mạnh nhận được trên hệ đo quang huỳnh quang phân giải thời gian của Phòng Vật liệu Quang điện tử, Viện Khoa học Vật liệu.
Hình 3.5. Hệ đo huỳnh quang phân giải thời gian
Hình 3.6. Sơ đồ khối hệ huỳnh quang phân giải thời gian
Sơ đồ khối hệ đo được chỉ ra trên Hình 3.6. Mẫu (S) được gắn trên ngón tay lạnh của cryostat làm lạnh bằng khí heli theo chu trình kín (APD Cryogenic DE202A). Nhiệt độ mẫu được thay đổi trong khoảng (9–305) K nhờ bộ điều khiển nhiệt độ (LakeShore330). Trong thực nghiệm quang
huỳnh quang, ánh sáng 337,1 nm của laser nitơ xung (độ dài xung khoảng 6 ns, tốc độ lặp lại 15 xung/giây) được sử dụng như nguồn kích thích. Mật độ công suất kích thích có thể thay đổi từ 2 kW đến 5 MW/cm2 bằng cách sử dụng kết hợp các phin lọc cường độ trung tính. Trong tất cả các phép đo quang huỳnh quang, ánh sáng kích thích và tín hiệu quang huỳnh quang không phân cực. Tín hiệu quang huỳnh quang được tán sắc bởi máy đơn sắc hai cách tử có độ phân giải cao (Jobin Yvon HRD1). Tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện nhờ ống nhân quang Hamamatsu model H733. Sau đó tín hiệu được đưa vào dao động ký tần số 1,5 GHz LeCroy 9362 để nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu bằng cách trung bình xung tại mỗi điểm phổ.
Ghi nhận đặc trưng thời gian sống huỳnh quang (characteristics of the life–time): Nếu một vật liệu bị kích thích (bằng một nguồn quang nào đó thích hợp – laser chẳng hạn) sẽ chuyển tới trạng thái kích thích. Hệ điện tử kích thích có một thời gian sống nhất định, phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và trạng thái mà ở đó điện tử (lỗ trống) sẽ bị kích thích tới, có thể nằm trong khoảng một vài/một vài trăm pico giây (nếu là các trạng thái exciton) đến nhiều trăm năm (nếu là trạng thái bẫy, chỉ được giải phóng khi cấp tiếp năng lượng dạng nhiệt – quá trình nhiệt phát quang; hoặc kích thích quang phù hợp để giải phóng điện tử (lỗ trống) khỏi trạng thái bẫy này). Thông thường, các trạng thái liên quan tới sai hỏng mạng của bán dẫn cho thời gian sống của điện tử (lỗ trống) kích thích khoảng một vài chục/một vài trăm nano giây; các chuyển dời nội tại lớp 4f của ion đất hiếm cho thời gian sống huỳnh quang khoảng một vài micro giây đến một vài chục mili giây. Ghi nhận thời gian sống huỳnh quang ở một vùng phổ nào đó cho phép đoán nhận về bản chất của chuyển dời phát quang, hay quá trình tái hợp điện tử–lỗ trống phát quang.
Nếu huỳnh quang dừng ghi nhận tín hiệu huỳnh quang trong vùng phổ quan tâm, biểu diễn dưới dạng phổ cường độ huỳnh quang tương ứng tại từng bước sóng phát quang, thì việc phân giải cường độ tại từng khoảng thời gian trễ là quan trọng, cho phép tách các chuyển dời/tái hợp khác nhau trong cùng một quá trình kích thích quang. Tuy nhiên, nếu không thể tách các chuyển dời/tái hợp khác nhau này về mặt phổ dừng (ghi nhận tín hiệu trong một khoảng thời gian bằng đầu thu ống nhân quang điện – PMT hoặc CCD) thì vẫn còn khả năng là tuỳ thuộc vào thời gian sống huỳnh quang, nếu ghi nhận phổ theo một khoảng thời gian trễ (delay time) sau khi tắt xung laser kích thích, thì cường độ huỳnh quang ghi nhận được là khác nhau với mỗi chuyển dời/tái hợp khác nhau. Khi so sánh cường độ huỳnh quang giữa các dải phổ thành phần, tại từng thời điểm ghi nhận tín hiệu huỳnh quang (vì vậy mới gọi là “phân giải thời gian”), sẽ thấy tốc độ tái hợp (recombination rate) hay xác suất chuyển dời (transition probability) của từng quá trình quang tương ứng, trong một tổng thể gồm nhiều quá trình tái hợp/chuyển dời sau khi vật liệu bị kích thích.
