3.2. Những cơ sở của lý thuyết vùng để giải thích sự phátquang của Phốt pho tinh thể. quang của Phốt pho tinh thể.
Tinh thể tạo nên từ những nguyên tử theo nhiều cách khác nhau có cách đơn giản, có cách phức tạp. Một số tinh thể nh các tinh thể của khí hiếm có thể cấu tạo từ những nguyên tử trung hoà bị biến dạng đôi chút do lực hút tinh thể gây ra. Nhiều loại tinh thể có thể xem nh tạo nên từ các ion mang điện dơng và âm...
Ta biết mẫu electron tự do trong kim loại đã giải thích đúng đắn nhiều tính chất vật lý của kim loại. Tuy nhiên không thể giải thích đợc tại sao một số nguyên tố hoá học trong trạng thái tinh thể có tính chất cách điện, bán dẫn... Mà ta phải dùng cấu trúc vùng năng lợng mới giải thích đợc điều này là lý do tại sao ta lại phải dùng lý thuyết vùng năng lợng để giải thích các cơ chế phát quang của phốt pho tinh thể. Tức là trong tinh thể electron phân bố theo vùng năng lợng và ngoài ra có những vùng năng lợng mà ở đó không có điện tử nào.gọi là vùng không cho phép. Các khoảng năng lơng không đợc phép ấy của electron gọi là khe năng lợng
( vùng cấm). Nếu số electron trong tinh thể phân bố nh thế nào đó mà tất cả các vùng năng lợng đợc phép đều đã chiếm đầy hết thì các electron tự do sẽ không có thì tinh thể sẽ là chất cách điện. Nếu tất cả các vùng đều đợc chiếm đầy từ 2 vùng là gần trống hay gần đầy thì chúng ta nói rằng tinh thể là chất bán dẫn.
+ Để giải thích phổ năng lợng ta sử dụng phơng pháp gần đúng chuyển động của điện tử trong tinh thể có thể diễn tả gần đúng nhờ phơng pháp Schrodinger:
( ) 0 2 2 − Ψ= + ∆Ψ m E U (3.1)
E – là năng lợng toàn phần. m – là khối lợng điện tử.
Thế năng của điện tử liên kết mạnh với hạt nhân nguyên tử. Có thể viết:
U = Ua+ δU (3.2)
Trong đó: Ua – là thế năng của điện tử trong nguyên tử cô lập.
δU – là số hiệu chỉnh do tính đến ảnh hởng của nguyên tử lân cận đến thế năng Ua. Thế năng Ua có tính chất tuần hoàn với chu kỳ bằng hằng số mạng a. Nghĩa là Ua sẽ lặp lại khi chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.
Đặc tính cơ bản của tinh thể là cấu trúc của nó có tính chất tuần hoàn, tịnh tiến. Tính chất này có ảnh hởng quyết định đến tất cả tính chất vật lý của tinh thể. Cụ thể ta sẽ xét ảnh hởng của tính chất tuần hoàn, tịnh tiến lên các loại chuyển động khác nhau xảy ra trong tinh thể, đó là:
+ Tác động của tinh thể lên các chuyển động của các loại sóng khác nhau.
+ Dao động của các nguyên tử trong tinh thể.
+ Chuyển động của các điện tử nằm trong tinh thể. Hình 3.1
+ Bây giờ ta hãy xét vùng năng lợng đợc hình thành nh thế nào theo lý thuyết lợng tử về cấu tạo nguyên tử trong một nguyên tử riêng biệt, các điện tử chỉ có thể nằm ở các mức năng lợng gián đoạn nhất định nào đó. Để có thể có đợc một vật liệu có thể coi là các nguyên tử đang từ khoảng cách xa vô cùng tiến lại gần nhau khi nguyên tử tiến lại gần nhau một khoảng 10 – 10 m (cỡ A0 ) thì lúc này điện tử chuyển động trong điện trờng mạnh do các nguyên tử lân cận gây ra ( hiệu ứng Stark) nên các mức năng lợng bị tách ra thành các vùng năng lợng ( mỗi mức tách
Ua a 0 Vùng cho phép Vùng cấm Vùng được phép 2s 1s r
ra thành vùng ) và nh vậy trong một số trờng hợp có thể nói vùng 3s, 4p... đợc sinh ra từ các mức năng lợng tơng ứng của nguyên tử ( ta chỉ nói là trong một số tr- ờng hợp vì nói chung bức tranh vùng năng lợng rất phức tạp do sự chồng lẫn giữa các vùng với nhau, sự tách thành các vùng con).
Hình 3.2
Nếu gọi N là số nguyên tử tạo nên tinh thể thì lúc đầu khi các nguyên tử còn tách xa nhau thì một mức năng lơng nguyên tử là trùng lặp ( hoặc suy biến) N lần. Do đó khi nguyên tử đã xích lại gần nhau để tạo nên tinh thể thì mỗi một vùng năng lợng sẽ bao gồm N mức năng lợng nằm rất gần nhau đến mức ta có thể coi là một vùng năng lợng chúng phân bố hầu nh liên tục theo năng lợng.
- Các điện tử thuộc các lớp ngoài của nguyên tử, nhất là các điện tử hoá trị t- ơng tác rất mạnh với nhau do đó vùng năng lợng lúc này rất rộng.
- Các điện tử thuộc các lớp càng sâu bên trong bao nhiêu thì càng tơng tác yếu hơn bấy nhiêu và vùng năng lợng lúc này là hẹp, xen kẽ giữa các vùng năng l- ợng (đợc phép) trên đây là các vùng cấm ( nói chung không có điện tử có giá trị nằm trong các vùng cấm này). Nh ta đã biết, theo nguyên lý Pauli thì ở mỗi một trạng thái khác nhau ( một mức năng lợng của vùng năng lợng) chỉ có thể có 1 không có điện tử. Các vùng năng lợng tơng ứng với các mức bên trong của nguyên tử ( có năng lợng thấp hơn) bao giờ cũng đợc lấp đầy chỉ còn vùng ngoài ( vùng hoá trị) là có thể cha đợc lấp đầy hoàn toàn.
Do chỗ vô số các ion trong phốt pho tinh thể có tơng tác với nhau nên các mức con trong vùng nằm rất gần nhau và trong thực tế chúng ta có thể xem là liên tục. Phốt pho tinh thể là chất không dẫn điện nên ta có thể vận dụng theo lý thuyết chất rắn về vùng năng lợng ( vùng cấm có độ rộng đủ lớn đẻ tất cả các trạng thái dới vùng cấm này hoàn toàn lấp đầy gọi là vùng hoá trị) còn vùng trên vùng cấm hoàn toàn rổng gọi là vùng dẫn để giải thích các quá trình động học trong phốt pho tinh thể. Dịch chuyển các điện tử trong vùng hoá trị chỉ làm cho các điện tử đổi chỗ lẫn nhau, vì vậy không làm thay đổi trạng thái của tinh thể vì thế không gây dòng điện dịch chuyển của các điện tử trong vùng dẫn trái lại với các điện tử tự do nếu không có điện trờng ngoài tác dụng thì sẽ chuyển động hỗn loạn, chuyển động của điện tử trong
trờng hợp này giữ vai trò chủ yếu trong quá trình phát quang tái hợp.
Nếu có điện trờng ngoài tác dụng thì chuyển động của điện tử sẽ theo một hớng xác định và nh vậy sẽ xuất hiện dòng điện.