Phổ quang phát quang [71] là một phƣơng pháp phổ dùng để thăm dò cấu trúc điện tử của vật liệu, thu đƣợc do sự phát xạ của vật liệu khi đƣợc kích thích quang. Khi ánh sáng chiếu vào mẫu, chúng đƣợc hấp thụ và truyền năng lƣợng dƣ vào vật liệu gọi là sự kích thích quang. Năng lƣợng dƣ có thể hao hụt thông qua sự phát xạ. Sự phát quang trong trƣờng 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 có thể diễn ra dễ dàng khi không có sự thay đổi spin mà chỉ có sự thay đổi về năng lƣợng. Khi các electron này trở về trạng thái cơ bản, năng lƣợng dƣ đƣợc giải phóng dƣới dạng phát quang hoặc dao động nhiệt. Năng lƣợng phát quang liên quan đến sự khác biệt về mức năng lƣợng giữa hai trạng thái electron, bao gồm sự chuyển giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản. Số lƣợng ánh sáng phát ra có liên quan đến đóng góp tƣơng đối của quá trình kích thích.
Hình 2.1. Giản đồ các bƣớc chuyển trong phân tử khi đƣợc kích thích quang. Quan sát Hình 2.1, các bƣớc chuyển có thể xảy ra gồm:
Electron ở trạng thái cơ bản So hấp thu năng lƣợng hν (hν > Eg) chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lƣợng S2 cao hơn.
ƣớc chuyển S1 Sogọi là phát huỳnh quang (Fluorescence).
ƣớc chuyển S1 T1 gọi là dịch chuyển qua (Intersystem crossing). ƣớc chuyển T1 So gọi là phát lân quang (phosphorescence).
o đó, các dạng quang phát quang có thể xảy ra nhƣ bức xạ cộng hƣởng, phát huỳnh quang và phát lân quang.
Trong bức xạ cộng hƣởng, một photon có bƣớc sóng cụ thể đƣợc hấp thụ và một photon tƣơng đƣơng đƣợc phát ra ngay lập tức, qua đó không có sự chuyển đổi năng lƣợng bên trong và quá trình này thƣờng diễn ra trong 10 nano giây.
Khi điện tử của vật liệu phải trải qua quá trình chuyển đổi năng lƣợng bên trong trƣớc khi trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra photon. Một phần năng lƣợng hấp thụ đƣợc hao hụt, do đó các photon ánh sáng đƣợc phát ra. Một trong những hiện tƣợng thƣờng gặp nhất là phát huỳnh quang, quá trình này thƣờng diễn ra trong 10-8 đến 10-4
s. Thông tin phổ thu đƣợc từ phép đo huỳnh quang gọi là phổ huỳnh quang (PL).
Phát lân quang là một quá trình truyền bức xạ, trong đó năng lƣợng 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 có thể chuyển sang trạng thái có spin khác, làm thay đổi spin nhƣng năng lƣợng không đổi. Trạng thái này có spin và năng lƣợng khác với spin và năng lƣợng của trạng thái cơ bản, không dễ dàng trở về đƣợc trạng thái cơ bản do bị cấm bởi quy tắc cơ học lƣợng tử. Thời gian phát lân quang thƣờng từ 10-4 đến 10-2 giây, lâu hơn so với phát huỳnh quang. o đó, lân quang thậm chí còn hiếm hơn huỳnh quang.
Mẫu đƣợc đo trên hệ đo huỳnh quang iHR-550 với bƣớc sóng kích thích laser 355 nm tại Phòng hiển vi điện tử, Viện Khoa học vật liệu - Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam.