7. Cấu trúc luận văn
2.2.6. Phổ huỳnh quang (PL)
- Nguyên tắc:
Phổ quang phát quang là một phương pháp phổ dùng để thăm dị cấu trúc điện tử của vật liệu, thu được do sự phát xạ của vật liệu khi được kích thích quang. Khi ánh sáng chiếu vào mẫu, chúng được hấp thụ và truyền năng lượng dư vào vật liệu gọi là sự kích thích quang. Năng lượng dư cĩ thể hao hụt thơng qua sự phát xạ. Sự phát quang trong trường hợp này gọi là quang phát quang.
Kích thích quang làm cho electron trong vật liệu chuyển sang trạng thái kích thích. Việc di chuyển lên trạng thái kích thích cĩ thể diễn ra dễ dàng khi khơng cĩ sự thay đổi spin mà chỉ cĩ sự thay đổi về năng lượng. Khi các electron này trở về trạng thái cơ bản, năng lượng dư được giải phĩng dưới dạng phát quang hoặc dao động nhiệt. Năng lượng phát quang liên quan đến sự khác biệt về mức năng lượng giữa hai trạng thái electron, bao gồm sự
chuyển giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản. Số lượng ánh sáng phát ra cĩ liên quan đến đĩng gĩp tương đối của quá trình kích thích.
Hình 2.6. Giản đồ các bƣớc chuyển trong phân tử khi đƣợc kích thích quang
Quan sát hình 2.6, các bước chuyển cĩ thể xảy ra gồm:
+ Electron ở trạng thái cơ bản So hấp thu năng lượng hν(hν > Eg) chuyển lên trạng thái kích thích cĩ mức năng lượng S2 cao hơn.
+ Bước chuyển S2S1 gọi là dịch chuyển nội (Internal conversion). + Bước chuyển S1Sogọi là phát huỳnh quang (Fluorescence).
+ Bước chuyển S1 T1 gọi là dịch chuyển qua (Intersystem crossing). + Bước chuyển T1 So gọi là phát lân quang (phosphorescence).
Do đĩ, các dạng quang phát quang cĩ thể xảy ra như bức xạ cộng hưởng, phát huỳnh quang và phát lân quang.
+ Trong bức xạ cộng hưởng, một photon cĩ bước sĩng cụ thể được hấp thụ và một photon tương đương được phát ra ngay lập tức, qua đĩ khơng cĩ sự chuyển đổi năng lượng bên trong và quá trình này thường diễn ra trong 10 nano giây.
+ Khi điện tử của vật liệu phải trải qua quá trình chuyển đổi năng lượng bên trong trước khi trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra photon. Một phần năng lượng hấp thụ được hao hụt, do đĩ các photon ánh sáng được phát ra. Một trong những hiện tượng thường gặp nhất là phát huỳnh quang, quá trình này thường diễn ra trong 10-8 đến 10-4
s. Thơng tin phổ thu được từ phép đo huỳnh quang gọi là phổ huỳnh quang (PL).
+ Phát lân quang là một quá trình truyền bức xạ, trong đĩ năng lượng hấp thụ trải qua hệ thống giao nhau và xuyên qua các trạng thái với độ bội số spin khác nhau. Cụ thể, một phần nhỏ electron ở trạng thái kích thích cĩ thể chuyển sang trạng thái cĩ spin khác, làm thay đổi spin nhưng năng lượng khơng đổi. Trạng thái này cĩ spin và năng lượng khác với spin và năng lượng của trạng thái cơ bản, khơng dễ dàng trở về được trạng thái cơ bản do bị cấm bởi quy tắc cơ học lượng tử. Thời gian phát lân quang thường từ 10-4 đến 10-2 giây, lâu hơn so với phát huỳnh quang. Do đĩ, lân quang thậm chí cịn hiếm hơn huỳnh quang.
- Thực nghiệm: Mẫu được đo trên hệ đo huỳnh quang iHR-550 với bước sĩng kích thích laser 355 nm tại Phịng hiển vi điện tử, Viện Khoa học vật liệu - Viện hàn lâm khoa học và cơng nghệ Việt Nam.