nano ZnO hỡnh cầu.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Đó chế tạo thành cụng nhiều dạng mẫu vật liệu ZnO phục vụ cho việc nghiờn cứu laser ngẫu nhiờn gồm mẫu dạng viờn nộn bằng phương phỏp gốm truyền thống; mẫu màng mỏng bằng phương phỏp Sol-gel và phương phỏp phỳn xạ; mẫu bột nano bằng phương phỏp vi súng và phương phỏp thủy phõn.
Kết quả phõn tớch tớnh chất cấu trỳc bằng cỏc kỹ thuật như XRD, SEM, TEM cho thấy cỏc mẫu ZnO nhận được cú cấu trỳc lục giỏc wurtzite, khụng cú sự xuất hiện của cỏc đỉnh ứng với tạp chất hoặc đỉnh của kim loại kẽm, chứng tỏ mẫu ZnO là hoàn toàn tinh khi ết. Hằng số mạng phự hợp với cỏc cụng bố về tinh thể ZnO chuẩn: giỏ trị cỏc hằng số mạng trong khoảng a = 3,2472 - 3,2501 c và c = 5,2022 - 5,2071 c. Trờn giản đồ XRD của màng ZnO chỉ cú đỉnh (002) định hướng ưu tiờn mạnh (màng phỏt triển mạnh theo hướng trục c). Trong khi đú mẫu ZnO viờn nộn hoặc bột nano khụng cú định hướng ưu tiờn. Cỏc màng chế tạo được cú độ dày cỡ 500 – 600 nm; kớch thước hạt trờn cỏc màng là khỏ đồng đều, cỡ khoảng 40 - 50 nm. Cỏc mẫu bột được chỳ ý cú hạt dạng cầu kớch thước 10 - 15 nm (phương phỏp vi súng) hoặc 100 - 200 nm (phương phỏp thủy phõn).
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIấN TỪ CÁC MẪU ZnO DẠNG VIấN NẫN VÀ MÀNG MỎNG
3.1. XÂY DỰNG HỆ ĐO PHỔ PHÁT QUANG KÍCH THÍCH BẰNG LASER N2 Để khảo sỏt phổ bức xạ laser ngẫu nhiờn từ cỏc mẫu ZnO chế tạo được, cần Để khảo sỏt phổ bức xạ laser ngẫu nhiờn từ cỏc mẫu ZnO chế tạo được, cần phải xõy dựng một hệ đo phổ phỏt quang kớch thớch bằng laser. Hệ quang phổ này phải cú độ phõn giải cao cho phộp quan sỏt được cấu trỳc mode của bức xạ laser đồng thời phải cú độ nhạy tốt để thu được tớn hiệu phổ yếu từ cỏc màng mỏng ZnO cấu trỳc nano. Khảo sỏt cấu trỳc phổ sẽ tốt hơn nếu hệ thu phổ cú khả năng phõn giải thời gian. Hệ thiết bị này khụng sẵn cú ở PTN nờn chỳng tụi đó tiến hành nghiờn cứu xõy dựng một hệ đo phổ huỳnh quang phõn giải thời gian đỏp ứng cỏc yờu cầu trờn.
3.1.1. Kỹ thuật đo huỳnh quang phõn giải thời gian
Cỏc phộp đo phổ huỳnh quang cú thể được chia làm hai dạng chớnh, đú là phổ huỳnh quang trạng thỏi dừng và phổ huỳnh quang phõn giải thời gian. Trong đú, phổ huỳnh quang trạng thỏi dừng là phộp đo cường độ bức xạ huỳnh quang trung bỡnh theo thời gian. Phổ huỳnh quang trạng thỏi dừng biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ bức xạ theo bước súng, từ đú cú thể xỏc định được cỏc thụng số như cường độ, độ rộng phổ, vị trớ đỉnh phổ, độ phõn cực… Thụng thường, phổ huỳnh quang trạng thỏi dừng thu được khi sử dụng một nguồn sỏng liờn tục kớch thớch mẫu vật liệu.
Phổ huỳnh quang phõn giải thời gian là phộp đo sự phụ thuộc vào thời gian của phổ bức xạ sau khi được kớch thớch bởi xung ỏnh sỏng. So với phổ huỳnh quang dừng thụng thường, phổ huỳnh quang phõn giải thời gian đưa ra nhiều thụng tin hơn về cỏc quỏ trỡnh động học xảy ra trong vật liệu. Nú cú thể được sử dụng để nghiờn cứu cỏc sự kiện xảy ra cựng thang thời gian với sự phõn ró huỳnh quang như quỏ trỡnh tỏn xạ ngược, sự truyền năng lượng cộng hưởng, hay sự dập tắt động học… Ngoài ra, thời gian sống của một vật liệu ở trạng thỏi kớch thớch đo được bằng
phương phỏp này thường được dựng để tớnh toỏn ngưỡng kớch laser của hoạt chất bức xạ hoặc để phõn tớch cỏc quỏ trỡnh húa học, sinh học. Phổ huỳnh quang phõn giải thời gian cũng giỳp ta phõn tớch rừ ràng hơn cỏc quỏ trỡnh huỳnh quang cựng xảy ra trong vật liệu khi chỳng bị chồng chập lờn nhau về mặt năng lượng nhưng lại cú thời gian sống huỳnh quang khỏc nhau.
Cú hai phương phỏp đo phõn giải thời gian thường được sử dụng, đú là phương phỏp miền thời gian và phương phỏp miền tần số, tương ứng là kỹ thuật đo huỳnh quang xung và đo huỳnh quang dịch pha.
Bảng 3.1. Một số phương phỏp đo phõn giải thời gian.
Phƣơng phỏp đo phõn giải thời gian Đặc trƣng của tớn hiệu Nguồn sỏng kớch thớch
Kỹ thuật huỳnh quang xung
Đếm đơn photon
tương quan thời gian Rất yếu, nhanh cỡ ns, ps
Xung cực ngắn ps, fs Tần số lặp lại rất cao
Streak camera Khụng yếu, nhanh cỡ ps Xung ngắn ns, ps
Hiệu ứng phi tuyến
trộn tần số Yếu, rất nhanh cỡ 100fs
Xung cực ngắn ps Tần số lặp lại rất cao Tớch phõn
Boxcar Yếu, nhanh cỡ 100 ps Xung ngắn ns, ps
Tần số lặp thấp
Dao động ký Mạnh, nhanh cỡ ns Xung ngắn ns
Tần số lặp thấp Kỹ thuật huỳnh quang Dịch pha Điều biến bằng
tế bào Pockel Khụng yếu, nhanh cỡ ns Liờn tục
Về cơ bản, kỹ thuật huỳnh quang xung thực chất là phộp đo cỏc xung bức xạ khi mẫu được kớch thớch bằng một xung sỏng ngắn. Tựy thuộc vào những tớnh chất của xung huỳnh quang mà người ta đó phỏt triển một số phương phỏp đo [1] như: sử dụng streak camera; phương phỏp đếm đơn photon tương quan thời gian (TCSPC); sử dụng bộ tớch phõn cổng và trung bỡnh boxcar; phương phỏp trộn tần số tổng phi tuyến; phương phỏp tương quan quang học; kỹ thuật ghi xung… Cỏc phương phỏp
này đều yờu cầu nguồn sỏng kớch thớch phải cú dạng xung ngắn (từ nano giõy cho tới femto giõy) và tần số lặp lại tựy thuộc vào kỹ thuật được sử dụng (cú thể từ vài Hz đến hàng trăm MHz). Mỗi phương phỏp đo phõn giải thời gian đều cú những ưu và nhược điểm riờng. Việc lựa chọn phương phỏp đo chủ yếu được quyết định bởi đối tượng mà chỳng ta cần nghiờn cứu và cỏc trang thiết bị được sử dụng. Bảng 3.1 cho ta một số thụng tin cơ bản về cỏc phương phỏp đo phõn giải thời gian.
3.1.2. Kỹ thuật xõy dựng hệ đo
Trong phộp đo phổ phỏt quang phõn giải thời gian, một yờu cầu cần thiết là phải sử dụng cỏc nguồn sỏng kớch thớch dạng xung, thụng thường đú là đốn flash hoặc laser xung. Trong bài toỏn tỡm hiểu bức xạ laser ngẫu nhiờn từ vật liệu ZnO, cú thờm điều kiện là bước súng kớch thớch phải nhỏ hơn bước súng ứng với dịch chuyển tỏi hợp bức xạ vựng - vựng (380 nm). Nguồn kớch thớch được sử dụng là laser N2 cú cụng suất cao, phỏt xung đơn sắc ở bước súng 337,1 nm với độ rộng xung cỡ 6-8 nm, thỏa món cả hai điều kiện núi trờn.
Hệ thu phổ phõn giải cao để quan sỏt cấu trỳc mode của laser được xõy dựng trờn cơ sở cải tiến thiết bị hiện cú là mỏy quang phổ cỏch tử kộp GDM-1000 (Carl- Zeiss Jena, Đức). Chỳng tụi đó tiến hành thay thế mới nhõn quang điện cú sẵn trờn mỏy và loại bỏ phần tự ghi lỗi thời của hệ thu. Nhõn quang điện được dựng là loại độ nhạy cao R928 (Hamamatsu, Nhật), cú vựng hoạt động từ 185 - 900 nm, bước súng đỉnh vào khoảng 400 nm. Phần tự ghi được thay bằng dao động kớ số và ghộp nối mỏy tớnh. Dao động ký số nhớ TDS2014 (Tektronix, Mỹ) được sử dụng để thay thế cỏc bộ trung bỡnh Boxcar thụng thường nhờ khả năng ghi nhận và lưu trữ cỏc xung tớn hiệu bằng cỏc mạch xử lý tớn hiệu số tốc độ cao. Nú cũng cho phộp tỏi tạo lại tớn hiệu theo cỏc phương phỏp lấy mẫu thời gian thực nội suy và lấy mẫu thời gian tương đương giống như cỏc bột trung bỡnh Boxcar.
Do được ghộp nối với mỏy tớnh nờn cỏc quỏ trỡnh đo diễn ra hoàn toàn tự động, cỏc số liệu dễ dàng được lưu trữ và xử lý. Việc đo phổ tự động này cú tỏc dụng nõng cao độ chớnh xỏc của phộp đo lờn khỏ nhiều, thời gian đo cũng được rỳt
ngắn. Hệ xõy dựng được đó gúp phần quan trọng trong việc thực hiện luận ỏn cũng như đúng gúp cho hoạt động thớ nghiệm của Bộ mụn Quang lượng tử.
3.1.2.11JX͛QNtFKWKtFKSKiW quang, laser N2 TE - 999
Đõy là loại laser khớ N2 phúng điện ngang ỏp suất thấp, với mạch phúng điện được thiết kế theo nguyờn lý mạch tụ truyền, cụng suất đỉnh cú thể lờn tới 600 KW. Cấu tạo của laser TE - 999 gồm 3 phần chớnh: đầu laser, nguồn điện cao ỏp và hệ cung cấp khớ.
Đầu laser cú kớch thước 1030 x 400 x 270 mm gồm buồng laser, hệ tụ cao ỏp nạp phúng điện, phần điện tử điều khiển, van tinh chỉnh khớ điều khiển ỏp suất khớ N2 trong buồng.
Hệ cỏc tụ cao ỏp C1, C2 đều là những tụ gốm nhanh, chịu được điện ỏp một chiều lờn tới 30 kV, cú trở khỏng thấp, độ ổn nhiệt cao và nhỏ gọn. Cỏc tụ này được mắc thành hai hàng trờn và dưới buồng laser và được ghộp cỏch nhau một khoảng thớch hợp. Vị trớ lắp tụ vào cỏc điện cực laser được gia cụng chớnh xỏc đảm bảo tiếp điện tốt để trỏnh sự rũ, phúng điện cao ỏp khụng mong muốn và sử dụng được bền lõu. Cỏc tụ được liờn kết với nhau và với điện cực bằng cỏc lỏ đồng dày từ 0,3 đến 0,5 mm đó mạ bạc để dẫn điện tốt. Cỏc lỏ đồng cú bản rộng để giảm trở khỏng trong quỏ trỡnh truyền điện và được gia cụng theo những dạng hỡnh học hợp lý, sao cho đường truyền điện ngắn nhất. Cỏc gúc cạnh được cắt trũn để trỏnh sự phúng điện sang cỏc bộ phận khỏc.