Phổ huỳnh quang cho biết vùng phát quang của vật liệu khi được kích thích bởi nguồn sáng có năng lượng xác định. Khi photon kích thích đến vật liệu huỳnh quang (thời gian phát quang từ 10 ns đến 100 ns), các điện tử bên trong vật liệu sẽ hấp thụ photon tới để dịch chuyển lên mức cao hơn. Ở trạng thái kích thích các điện tử có xu hướng trở về trạng thái cơ bản và phát ra năng lượng. Khi năng lượng là photon, ta có chuyển dời phát xạ; ngược lại là phonon sẽ được gọi là chuyển dời không phát xạ. Nếu năng lượng của nguồn kích thích lớn hơn năng lượng phát xạ của vật liệu, thì quá trình phát quang được cho là chuyển đổi thuận; ngược lại là chuyển đổi ngược. Chuyển đổi ngược cần hai hay nhiều photon có năng lượng thấp cùng cung cấp năng lượng cho điện tử, đểđiện tử có thể nhảy lên mức xác định. Tại đây khi điện tử trở về mức cơ bản sẽ phát ra photon mới có năng lượng bằng hoặc nhỏ hơn tổng năng lượng của các photon tới. Như vậy hiệu suất phát xạ của quá trình chuyển đổi thuận cao hơn nhiều lần so với hiệu xuất của quá trình chuyển đổi ngược.
Phổ kích thích huỳnh quang cho biết vùng hấp thụ năng lượng của vật liệu. Đối với vật liệu huỳnh quang phát quang dựa vào các tâm quang, thì ứng một năng lượng nhất định, mà tại đó điện tử của các tâm quang sẽ hấp thụ mạnh nhất để nhảy lên mức cần thiết và phát ra photon sau khi trở về trạng thái cơ bản. Còn
28
vật liệu là bán dẫn photon có mức năng lượng lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu thì vật liệu sẽ phát quang.
Mỗi một tâm quang, bán dẫn đều có các đỉnh phát quang hay hấp thụ đặc trưng (được trình bày ởchương 1). Dựa vào phổ PL có thểxác định được độ rộng vùng cấm nếu vật liệu là bán dẫn, xác định được các mức năng lượng có thể có nếu tâm phát quang. Với vật liệu nano có thể gián tiếp xác định được kích thước hạt dựa vào bán độ rộng phổ thu được. Ngoài ra ở phổ PL còn có sự xuất hiện của dịch chuyển Stoke và Anti-Stoke giống như phổ Raman. Với các điện tử sau khi nhận được năng lượng của photon tới trong quá trình đi lên mức cao hơn còn chịu sự tương tác của các dao động nút mạng. Sự dao động này có thể truyền thêm năng lượng cho điện tử, khi đóphổ PL sẽ xuất hiện đỉnh Anti-Stoke. Ngược lại, điện tử bị mất năng lượng cho dao động mạng thì phổ xuất hiện đỉnh Stoke. Còn sau quá trình tương tác với dao động nút mạng, năng lượng điện tử không bị thay đổi thì phổ xuất hiện đỉnh ZLP [59].
Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang của vật liệu trong đề tài này được đo trên thiết bị NanoLog (Horiba Jobin Yvon), nguồn kích thích là Xenon 450W tại Viên Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội.