1.2. Vật liệu ZnO
1.2.3.3. Các quá trình tái hợp bức xạ
Khi nguyên tử chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng, các cặp hạt tải điện (điện tử và lỗ trống) đƣợc hình thành. Điện tử ở trạng thái kích thích một thời gian ngắn rồi chuyển về trạng thái có năng lƣợng thấp hơn, q trình đó gọi là q trình tái hợp. Quá trình tái hợp có bản chất ngƣợc với q trình hấp thụ, nó làm biến mất các hạt tải điện trong bán dẫn. Q trình tái hợp có thể xảy ra kèm theo bức xạ hay không bức xạ photon. Trong trƣờng hợp tái hợp không kèm theo bức xạ, tất cả năng lƣợng giải phóng ra đƣợc truyền cho dao động mạng (phonon), hoặc truyền cho hạt tải điện tự do thứ ba (tái hợp Auger), hoặc đƣợc dùng để kích thích các dao động plasma (plasma điện tử - lỗ trống) trong chất bán dẫn (tái hợp plasma). Trong trƣờng hợp tái hợp có kèm theo bức xạ, tất cả hoặc một phần năng lƣợng đƣợc giải phóng dƣới dạng lƣợng tử ánh sáng (photon). Khi đó trong tinh thể xảy ra quá trình phát quang hay quá trình tái hợp bức xạ. Phổ hấp thụ và phổ bức xạ của tinh thể có liên quan tới nhau, những điểm đặc biệt trong phổ hấp thụ sẽ gây nên những điểm
đặc biệt trong phổ bức xạ tái hợp. Ví dụ trong một vùng phổ nào đó hệ số hấp thụ có giá trị lớn thì trong vùng phổ đó, bức xạ tái hợp cũng mạnh. Điều này giải thích tại sao trong bán dẫn vùng cấm thẳng cƣờng độ bức xạ tái hợp giữa các vùng lại lớn hơn nhiều khi so sánh với trƣờng hợp bán dẫn vùng cấm xiên. Chính vì vậy, để có tái hợp bức xạ lớn ngƣời ta dùng bán dẫn vùng cấm thẳng. Tuy nhiên phổ bức xạ và hấp thụ có một điểm khác nhau quan trọng, đó là: tất cả các trạng thái trong tinh thể đều có thể tham gia vào quá trình hấp thụ, kết quả là gây nên một phổ rộng. Trong khi đó, q trình bức xạ chỉ liên quan đến một vùng hẹp các trạng thái chứa các electron cân bằng nhiệt và một vùng hẹp các trạng thái trống chứa các lỗ trống cân bằng nhiệt, do đó gây ra một phổ hẹp [6].
Lý thuyết vùng của chất rắn và những thực nghiệm nghiên cứu các tính chất của bán dẫn đã chứng tỏ rằng: huỳnh quang của tinh thể và tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn có cùng bản chất [3]. Do vậy quá trình tái hợp bức xạ ánh sáng đƣợc gọi là huỳnh quang. Điều kiện cơ bản để xuất hiện huỳnh quang là bán dẫn phải ở trạng thái không cân bằng nhiệt động.
Tinh thể sẽ phát quang nếu nó bị kích thích lệch khỏi trạng thái cân bằng. Tùy theo phƣơng pháp kích thích, ngƣời ta chia huỳnh quang thành các loại: Quang huỳnh quang là hiện tƣợng phát quang xảy ra khi chiếu vào tinh thể bức xạ có bƣớc sóng thỏa mãn h > Eg, điện huỳnh quang là hiện tƣợng phát sáng khi mẫu đƣợc kích thích bằng dịng điện hay điện trƣờng, catot huỳnh quang là hiện tƣợng phát quang khi bắn phá mẫu bằng chùm e năng lƣợng cao (1-100keV), nhiệt huỳnh quang là hiện tƣợng phát quang khi gia nhiệt cho mẫu... Chú ý, huỳnh quang là sự phát quang xảy ra chỉ trong thời gian kích thích, lân quang là sự phát quang còn tiếp diễn một thời gian sau khi ngừng kích thích.
Q trình tái hợp bức xạ trong chất bán dẫn không phụ thuộc vào phƣơng pháp kích thích và đƣợc thực hiện qua các cơ chế tái hợp sau (hình 1.12):
+ Tái hợp của các điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống tự do trong vùng hóa trị (chuyển dời vùng - vùng, C-V).
+ Tái hợp exciton (exciton tự do, exciton liên kết, phân tử exciton, plasma điện tử-lỗ trống... (E-V)).
+ Tái hợp của các hạt tải điện tự do với các hạt tải điện định xứ trên các tâm tạp chất – electron tự do trong vùng dẫn với lỗ trống trên acceptor hoặc electron trên donor với lỗ trống tự do trong vùng hóa trị, (chuyển dời vùng - tạp chất, C-A, D-V, DD-V, C-DA).
+ Tái hợp giữa các electron trên donor và các lỗ trống trên acceptor (chuyển dời cặp donor - acceptor, D-A).
+ Tái hợp bên trong các sai hỏng.
VB CB Kíc h thí ch C C C E D A DD DA V V V V
Chƣơng 2
PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ***
Nhƣ đã giới thiệu ở phần mở đầu, trong luận văn này chúng tôi sử dụng điện