6. Cấu trúc luận văn
2.3.7. Phương pháp phổ huỳnh quang (PL – Photoluminescence)
Một chất khi hấp thụ năng lượng ở giới hạn nào đó sẽ làm kích thích hệ electron phân tử. Ở trạng thái kích thích phân tử chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn, nó lập tức trở về trạng thái cơ bản ban đầu và giải tỏa năng lượng dưới dạng ánh sáng, hiện tượng này gọi là phát quang. Khi tác nhân kích thích là các tia tử ngoại hoặc phần có bước sóng ngắn của ánh sáng khả kiến ta có
hiện tượng phát quang quang học hay còn gọi là huỳnh quang.
* Nguyên tắc:
Theo thuyết lượng tử, mỗi hạt sơ cấp (ion, nguyên tử, phân tử) có một hệ thống duy nhất các trạng thái năng lượng. Trạng thái năng lượng thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản. Khi bị kích thích, hạt được hấp phụ photon ánh sáng thì năng lượng của photon sẽ được truyền sang hạt và hạt sẽ được chuyển sang năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích, sau một thời gian rất ngắn các hạt ở trạng thái kích thích sẽ trở về trạng thái cơ bản ban đầu theo một trong các hiện tượng dưới đây:
- Hiện tượng bất hoạt: Các phân tử ở mức năng lượng cao của trạng thái này trở về mức năng lượng thấp nhất của trạng thái và giải phóng ra năng lượng dưới dạng nhiệt do va chạm giữa các phân tử làm tăng nhiệt độ môi trường, gọi là hiện tượng phục hồi không bức xạ (thời gian phục hồi thường nhỏ hơn giây).
- Hiện tượng chuyển nội: Các nguyên tử từ mức thấp nhất của trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản giải phóng ra năng lượng bằng cách bức xạ ra các photon ánh sáng, gọi là sự phục hồi có bức xạ. Ánh sáng có bức xạ này gọi là huỳnh quang.
- Hiện tượng vượt nội hệ: Các phân tử ở trạng thái kích thích không chuyển về trạng thái cơ bản mà chuyển sang trạng thái siêu bền, sau đó từ T1 chuyển về S0 và bức xạ các photon ánh sáng làm cho quá trình phát quang chậm gọi là huỳnh quang chậm hoặc lân quang.
Trong hiện tượng phát quang, một phần năng lượng của ánh sáng kích thích bị tiêu tốn chuyển thành nhiệt năng do hiện tượng bất hoạt vì vậy năng lượng ánh sáng kích thích bao giờ cũng lớn hơn năng lượng ánh sáng bức xạ, hay nói cách khác bước sóng của ánh sáng bức xạ luôn dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích, tạo ra sự dịch chuyển cực đại phát quang về phía bước
sóng dài hơn so với cực đại hấp thụ, đó là sự dịch chuyển Stokes. Chất nào có độ dịch chuyển Stokes càng lớn thì phép đo huỳnh quang càng chính xác (vì ít bị ảnh hưởng của phổ hấp thụ)
Quang phổ quang phát quang (PL) là sự phát xạ tự phát ánh sáng từ một vật liệu theo kích thích quang học. Quang phổ PL được sử dụng để xác định bề mặt, mức độ tạp chất và để đánh giá hợp kim và độ nhám bề mặt,…
Electron ở trạng thái cơ bản S0 hấp thu năng lượng hνA (hνA> Eg) chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lượng S2 cao hơn.
S2 → S1: dịch chuyển nội (dịch chuyển bên trong - Internal conversion) S1 → S0: phát huỳnh quang (Fluorescence)
S1 → T1: dịch chuyển qua (Inter system crossing) T1 → S0: lân quang (phosphorescence)
Hình 2.5: Sơ đồ chuyển mức Jablonskii
*Thực nghiệm:
Phổ huỳnh quang được đo trên máy Fluoromax-4, HORIBA Jobin Yvon tại phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong phát triển xanh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.