4. Các ứng dụng của vật liệu bán dẫn CdS và vật liệu nano bán dẫn từ
2.2.5. Thời gian sống huỳnh quang
Thời gian sống của mức kích thích là nghịch đảo của xác suất phát xạ tự nhiên của chuyển dời phát xạ đó. Ngay sau quá trình kích thích, mật độ tích lũy điện tử ở trạng thái kích thích sẽ suy giảm (quá trình phục hồi trạng thái) theo thời gian. Thời gian sống hay thời gian suy giảm phát quang là một thông số động học có ý nghĩa quan trọng. Giả sử một mẫu phát quang được kích thích bằng một xung ánh sáng, kết quả là có một độ tích lũy ban đầu
0
n trên trạng thái kích thích. Độ tích lũy trên trạng thái kích thích sẽ giảm dần với tốc độ suy giảm k :
nr
dn t
k n t
dt (2.3)
Với n t là độ tích lũy trạng thái trên trạng thái kích thích tại thời điểm
t, là tốc độ phát xạ và knr là tốc độ suy giảm không phát xạ. Sự phát xạ là ngẫu nhiên và mỗi trạng thái kích thích cho cùng xác suất phát xạ trong cùng thời gian. Độ tích lũy trạng thái trên trạng thái kích thích do đó giảm dần theo hàm exponential: 0 exp t n t n (2.4) Với 1 nr k
là thời gian sống tổng cộng trên trạng thái kích thích.
Trong thực nghiệm, chúng ta không thể quan sát được độ tích lũy trên trạng thái kích thích nhưng chúng ta có thể quan sát thông qua cường độ phát xạ tương ứng tỷ lệ với n t . Bởi vậy phương trình trên có thể viết lại dưới dạng sự phụ thuộc vào thời gian của cường độ phát xạ I t :
0 exp t I t I (2.5)
Trong đó I 0 là cường độ phát quang tại thời điểm ban đầu, chúng ta thường biểu diễn thang cường độ theo thang logarit cơ số 10, logI t :
0
1
logI t loge t logI
(2.6)
Theo đó ta có thể tính được thời gian sống phát quang . Thời gian sống phát quang được tính tại thời điểm cường độ phát quang cực đại giảm đi e lần (I0 e) hoặc từ độ dốc của đường thực nghiệm theo thang logarit cơ số 10. Tuy nhiên thời gian sống phát quang đo được không phải khi nào cũng có dạng đơn hàm e mũ (single exponential) như phương trình 2.5, nó có thể có dạng đa hàm e mũ (multi exponential) hay dưới dạng không phải đơn hàm e mũ (non-single exponential). Do đó từ giá trị thực nghiệm chúng ta phải đưa ra các giả thuyết mô hình một tâm phát xạ, hai tâm phát xạ hay ba tâm phát xạ cho phù hợp và khớp dữ liệu thực nghiệm theo nó. Thời gian sống là tổng số
thời gian trung bình trên trạng thái kích thích sau khi mẫu được kích thích. Điều này có thể được thấy được bằng cách tính thời gian trung bình t trong trạng thái kích thích. Giá trị này được tính bằng cách lấy trung bình thời gian qua sự suy giảm cường độ của mẫu:
0 0 0 0 0 0 0 0 exp exp exp exp tI t dt tI t dt t t dt t I t dt I t dt t dt (2.7)
Phương trình 2.7 cho thấy đối với dạng suy giảm đơn hàm e mũ thì thời gian trung bình trên trạng thái kích thích bằng thời gian sống:
t (2.8)
Ghi nhận thời gian sống huỳnh quang ở một vùng phổ nào đó cho phép đoán nhận về bản chất của chuyển dời phát quang, hay quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống. Khi so sánh cường độ huỳnh quang giữa các dải phổ thành phần tại từng thời điểm ghi nhận tín hiệu huỳnh quang sẽ thấy tốc độ tái hợp hay xác suất chuyển dời của từng quá trình tương ứng, trong một tổng thể gồm nhiều quá trình tái hợp chuyển dời sau khi vật liệu bị kích thích. Mục đích của phổ PL phân giải thời gian để nghiên cứu các tính chất động học của mẫu, tính chất truyền năng lượng, tính chất huỳnh quang.
Các phép đo thời gian sống được thực hiện trên hệ quang phổ FLS1000, Edingburgh thuộc viện Khoa học công nghệ, Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên. Hệ làm việc dựa trên nguyên tắc đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC). Chuẩn bị mẫu đo phổ PL phân giải thời gian cũng giống như chuẩn bị mẫu đo phổ PL thông thường.
2.2.6. Kỹ thuật phân tích thành phần vật chất EDX ( hay EDS ) bằng phổ tán sắc năng lượng tia X