b. Kớnh hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM-1010.
2.3.4. Hệ đo phổ catụt phỏt quang
Để kớch thớch cỏc vật liệu phỏt quang cú thể dựng cỏc bức xạ đơn sắc cú cường độ lớn của cỏc laser như He-Cd, N2; cỏc đốn phúng điện khớ như xenon, thủy ngõn (gọi là quang phỏt quang) hoặc bằng chựm electron (gọi là catụt phỏt quang) và một số phương phỏp khỏc [2,162]. So với phương phỏp quang phỏt quang, phương phỏp catụt phỏt quang cú một số đặc điểm sau:
Khi electron cú năng lượng hàng chục keV tương tỏc với vật chất tạo ra nhiều tớn hiệu khỏc nhau như electron thứ cấp, electron tỏn xạ ngược, tớn hiệu tia X và catụt phỏt quang. Tất cả cỏc loại tớn hiệu này đều mang cỏc thụng tin về vật liệu trong đú tớn hiệu catụt phỏt quang mang cỏc thụng tin điện tử và vật lý. Tớn hiệu này rất nhạy để
phỏt hiện cỏc biển đổi tinh tế trong thành phần vật liệu. Catụt phỏt quang cú ưu điểm là ngoài việc tạo ra cỏc cặp điện tử-lỗ trống sơ cấp cũn tạo ra cỏc cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp, độ phõn giải khụng gian cao, độ đõm sõu và tốc độ phỏt cặp điện tử-lỗ trống lớn
[162]. Độ phõn giải khụng gian được xỏc định bởi thể tớch tương tỏc của electron tới,
đú là vựng thể tớch mà electron tới va chạm đàn hồi và khụng đàn hồi. Sự va chạm này
dẫn đến phỏt cặp electron-lỗ trống [162]. Độ đõm sõu được xỏc định bằng cụng thức
[184]:
i ",''à (ả1 ) 22,4 − 1) (2. 7) trong đú E là năng lượng của electron (keV) và ã là khối lượng riờng (g/cm3)
Sự phỏt cặp điện tử -lỗ trống gõy ra bởi electron và bởi photon là khỏc nhau.
Trong khi một photon chỉ tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống thỡ một electron cú thể tạo ra hàng nghỡn cặp điện tử - lỗ trống trong thể tớch phỏt. Tốc độ phỏt cặp điện tử-lỗ trống
được xỏc định bằng cụng thức [181]:
á .%ạ.N
(*.f (2. 8) trong đú:
º là mật độ dũng kớch thớch
56
e là điện tớch của electron
,là năng lượng cần thiết để tạo cặp điện tử - lỗ trống, với hợp chất
bỏn dẫn A2B6 thỡ ,≈ 3(là độ rộng vựng cấm của vật liệu).
Theo (2.6) và (2.7), đối với ZnS cú khối lượng riờng ã 4,090 ẳ/X, Eg = 3,68 eV khi sử dụng chựm electron cú năng lượng E = 30 keV và mật độ dũng º 3,98 C/
thỡ độ đõm sõu i ≈ 3,8 và tốc độ phỏt cặp điện tử - lỗ trống G ≈ 183.1024
(cặp/s.cm3).
Nồng độ cỏc hạt tải điện khụng cõn bằng được liờn hệ với tốc độ phỏt cặp điện tử-lỗ trống bằng cụng thức [182]:
ne = nh = G. nếu ∆ẵắ>  (2.9a) ne = nh = G.∆ẵắ nếu ∆ẵắ<  (2.9b) trong đú ∆ẵắ : độ rộng xung kớch thớch
 : thời gian sống của cặp điện tử-lỗ trống
Đối với ZnS, thời gian sống của cặp điện tử-lỗ trống khoảng vài ns, do đú khi
∆ẵắ> Â (∆ẵắ khoảng vài trăm ns) thỡ nồng độ cỏc hạt tải điện khụng cõn bằng theo
(2.9a) là ne ≈ nh ≈ 6.1016 (cặp/cm3); ngược lại khi ∆ẵắ< Â (∆ẵắ < vài ns) thỡ nồng độ cỏc hạt tải điện khụng cõn bằng là ne ≈ nh ≈ 9.1016 (cặp/cm3).
Như vậy chựm electron cú khả năng kớch thớch sự phỏt quang của tất cả cỏc hợp chất bỏn dẫn với độ rộng vựng cấm tựy ý bằng cỏch thay đổi năng lượng, mật độ dũng kớch thớch. Ngoài ra, kớch thớch bằng chựm electron cú thể tạo ra tốc độ phỏt và nồng độ cỏc hạt tải điện khụng cõn bằng lớn. Tuy nhiờn nhược điểm chớnh của kớch thớch
phỏt quang bằng chựm electron là mất mỏt năng lượng lớn do sự nung núng mẫu và chuyển thành cỏc dạng năng lượng khỏc. Độ tăng nhiệt độ do sự nung núng được xỏc
định bằng cụng thức [182]:
∆ Xạ.N.∆¿À
à.[Áf (2. 10) trong đú Â] là nhiệt dung riờng.
Với ZnS thỡ Â] 0,469 Ã/ẳ, sử dụng cụng thức (2.10) cho trường hợp ∆ẵắ
khoảng vài trăm ns thỡ giỏ trị ∆ ≈ 1 .
Với những đặc điểm trờn, phương phỏp catụt phỏt quang đặc biệt là catụt phỏt quang trờn đơn hạt đó được ứng dụng để nghiờn cứu phổ bức xạ của cỏc vật liệu nano.
57
Phộp đo catụt phỏt quang trờn cỏc đơn hạt ZnS, ZnS:Mn từ 5 đến 300K được
thực hiện trờn hệ đo FEI quanta 200 CL tại viện Nộel - Cộng hũa Phỏp. Sơ đồ nguyờn lý của hệ đo này được dẫn ra ở hỡnh 2.12.
Hoạt động của hệ đo như sau: chựm electron từ sỳng phúng tia điện tử qua lỗ nhỏ (đường kớnh 2 mm khoột trờn gương parabol) tới mẫu (đặt trong buồng chứa mẫu cú chõn khụng cao: ỏp suất khoảng 10-6 mbar ), va chạm với bề mặt mẫu tạo ra tớn hiệu catụt phỏt quang. Tớn hiệu này sau khi qua gương parabol (tiờu cự 2,88 mm) và thấu kớnh (tiờu cự 100 mm) được hội tụ vào khe của mỏy quang phổ Jobin Yvon HR460 (độ phõn giải 0,1 nm). Tớn hiệu sau đú được đưa qua CCD (được làm mỏt bằng nitơ lỏng) và hệ xử lý phổ ghộp nối với mỏy tớnh. Để đo mẫu ở nhiệt độ thấp sử dụng thờm hệ làm lạnh bằng khớ He. Hệ làm lạnh này cú thể thay đổi nhiệt độ từ 5 đến 300 K bằng
cỏch điều khiển bộ khống chế nhiệt độ.
Hỡnh 2.12. Hệ đo phổ catụt phỏt quang FEI quanta 200 CL.