CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.5 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng của vật liệu
2.5.5 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến UV-vis DRS
Phương pháp UV-vis DRS sử dụng kỹ thuật đo phản xạ khuếch tán là một phương pháp phổ biến được sử dụng để nghiên cứu đặc tính quang học của vật liệu rắn. Khảo sát phổ UV-Vis-DRS cho biết những thông tin về đỉnh hấp thụ của các chất xúc tác và cho phép tính các năng lượng vùng cấm (Eg) - một trong những tính chất quan trọng nhất của vật liệu bán dẫn rắn.
a. Nguyên tắc
Phương pháp UV-vis DRS được xây dựng tương tự như phương pháp UV-vis áp dụng cho các dung dịch. Cụ thể, đối với vật liệu hấp thụ ánh sáng khi dòng tia tới có cường độ (Io) chiếu vào vật liệu hấp thụ qua một lớp mỏng có độ dày là l, với hệ số hấp thụ α. Cường độ (I) của tia ló được tính theo định luật hấp thụ Lambert-Beer (2.7):
46
Đối với các mẫu lỏng hay khí có độ trong suốt, ánh sáng có thể truyền qua được, chế độ đo thường áp dụng là chế độ truyền qua, tức là hiện tượng khúc xạ và tán xạ có thể bỏ qua được và tồn bộ phần chùm sáng còn lại khi đi qua cuvet đo sẽ đến thẳng detector. Đối với các mẫu rắn khơng trong suốt thì chùm sáng khơng xun qua được mà bị phản xạ theo nhiều hướng khác nhau do bề mặt của chất rắn không thực sự bằng phẳng. Do đó, kỹ thuật đo đối với các mẫu rắn đòi hỏi thêm một số bộ phận đặc biệt có thể đo được cường độ phản xạ khuếch tán.
Cụ thể, việc đo cường độ phản xạ khuếch tán được thực hiện trên một phổ kế UV -Vis gắn với một quả cầu tích phân có khả năng tập hợp dịng phản xạ. Quả cầu tích phân là một quả cầu rỗng được phủ bên trong vật liệu trắng có mức độ phản xạ khuếch tán xấp xỉ 1. Quả cầu có một khe có thể cho dịng ánh sáng đi qua và tương tác với vật liệu cần đo và vật liệu so sánh. Vật liệu trắng với hệ số khuếch tán cao thường là polytetrafluoroethylene (PTFE) hay barium sulfate (BaSO4).
Giá trị năng lượng vùng cấm Eg có thể tính tốn được dựa vào phương trình Tauc:
PT 2. 8 Trong đó: h – Hằng số Planck (h = 6,62607015×10−34 J.Hz-1); ν – Tần số kích thích (Hz); 𝛼 – Hệ số hấp thụ; A – Hằng số năng lượng;
Eg – Năng lượng vùng cấm (eV).
Vẽ đồ thị (α.h.ν)2 theo h.ν, đường thẳng tuyến tính đi qua điểm uốn của đường cong này cắt trục hồnh, giá trị hồnh độ ở điểm cắt chính bằng năng lượng vùng cấm của vật liệu. Cơ sở lý thuyết của phương pháp này được nghiên cứu và phát triển bởi Tauc từ năm 1968 [51].
47
b. Thực nghiệm
Mẫu được đo tại Viện Vật lý, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, sử dụng thiết bị Shimazu UV-2900 spectrophotometer với quả cầu tích phân ISR-2600 Plus. Vật liệu trắng sử dụng trong các mẫu đo là BaSO4.