Phương pháp nghiên cứu quang huỳnh quang cho phép nghiên cứu các chuyển dời điện tử xảy ra trong bán dẫn và các tâm phát quang. Các phổ tương ứng ghi nhận được phân giải càng cao càng giúp xác định chính xác các quá trình vật lý liên quan tới hạt tải.
Huỳnh quang là sự hồi phục bức xạ của điện tử từ mức kích thích xuống mức cơ bản. Khi hấp thụ bức xạ, điện tử chuyển dời từ mức năng lượng cơ bản lên mức năng lượng cao hơn. Nếu điện tử hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy hoặc vùng tử ngoại thì năng lượng hấp thụ sẽ ứng với các mức điện tử, như vậy sẽ có chuyển dời điện tử trong phân tử từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. Sau khi hấp thụ ánh sáng, điện tử nhảy từ trạng thái cơ bản S0 lên các trạng thái kích thích
đơn cao hơn S1, S2…Từ trạng thái kích thích, điện tử trở về trạng thái cơ bản bằng các con đường khác nhau: hồi phục không bức xạ và hồi phục bức xạ.
Hình 2.13. Sơ đồ chuyển dời quang học của các phân tử
Phổ huỳnh quang là hàm phân bố năng lượng bức xạ của chất huỳnh quang theo tần số hay bước sóng. Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của các tâm bức xạ, các tác nhân bên ngoài và có một số đặc điểm sau:
(1) Tần số huỳnh quang luôn bé hơn tần số của ánh sáng kích thích. Nghĩa là năng lượng huỳnh quang nhỏ hơn năng lượng dùng để kích thích huỳnh quang. Tần số huỳnh quang trong trường hợp này gọi là tần số Stokes.
(2) Dạng phổ huỳnh quang không phụ thuộc vào năng lượng ánh sáng kích thích vì sau khi kích thích chỉ cần một thời gian rất ngắn, sự phân bố các phân tử trên các trạng thái kích thích sẽ tuân theo phân bố Boltzmann.
(3) Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào các tạp chất nằm trong mẫu. Những tạp chất này ảnh hưởng lớn đến phổ huỳnh quang và trong nhiều trường hợp làm dập tắt ánh sáng huỳnh quang. Những chất này gọi là chất dập tắt.
Tuy nhiên, phổ huỳnh quang của các nano carbon (chấm lượng tử carbon) hoặc chấm lượng tử graphen thì nó phụ thuộc vào bước sóng kích thích [27, 28].
Hình 2.14. Hệ đo huỳnh quang FL3-22-Jobin-Yvon-Spex
Hệ đo huỳnh quang gồm hai máy đơn sắc có cách tử kép với độ phân giải là 0,2 nm.
+ Máy đơn sắc thứ nhất tạo nguồn đơn sắc kích thích cho phép thay đổi bước sóng kích thích từ 250 ÷ 900 nm.
+ Máy đơn sắc thứ hai để phân tích tín hiệu phát ra từ mẫu.Tín hiệu huỳnh quang có thể có dải phổ từ 300 ÷ 850 nm.
+ Nguồn sáng kích thích là một đèn xenon XFOR-450 công suất lớn (450 W) được nuôi bằng nguồn có thể cung cấp dòng điện cường độ tối đa 25 A. Đèn XFOR - 450 được đặt trong hộp bảo vệ cùng với quạt làm nguội.
Ánh sáng từ đèn xenon được chiếu qua đơn sắc thứ nhất sau đó tới mẫu. Tín hiệu huỳnh quang từ mẫu phát ra phân tích qua máy đơn sắc thứ hai và được thu bởi bộ phận quang điện - 1911 F, sau đó qua bộ tách sóng tín hiệu chuẩn - DM302 và cuối cùng là đưa vào bộ xử lý SAC. Bộ xử lý SAC vừa có chức năng phân tích tín hiệu thu được, vừa có chức năng điều khiển tự động FL3-22. Tín hiệu nhận được từ mẫu sẽ được ghép nối với máy tính.
Để đo được tín hiệu huỳnh quang ta cố định một giá trị bước sóng kích thích (λex = const) của máy đơn sắc thứ nhất và quét bước sóng của máy đơn sắc thứ hai. Phổ huỳnh quang thu được cho biết sự phụ thuộc của tín hiệu huỳnh quang phát ra từ mẫu vào bước sóng.Ưu điểm nổi bật của phương pháp huỳnh quang là
không phải gia công mẫu một cách phức tạp, thí dụ không cần tạo điện cực trên mẫu đo. Phép đo phổ huỳnh quang của chúng tôi được đo trên hệ đo FL3-22 Jobin- Yvon-Spex, USA, tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường ĐHKHTN - ĐHGG, Hà Nội.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN