CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.13. Phương pháp xác định tính chất hóa lý và cấu trúc vật liệu
1.13.3. Phương pháp đo phổ huỳnh quang (Photoluminescence, PL)
Quang phổ huỳnh quang là công cụ tốt để nghiên cứu cấu trúc điện tử của các tâm định xứ (đôi khi rất phức tạp) và quá trình truyền năng lượng giữa các tâm khác nhau trong chất bán dẫn. Q trình phát quang này có thể mơ tả là q trình dùng năng lượng kích thích (ví dụ là photon) để kích thích điện tử từ trạng thái cơ bản lên một trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, đối với chất bán dẫn thì năng lượng này cần phải lớn hơn hoặc là bằng Eg (độ rộng vùng cấm), điện tử sau đó quay trở lại trạng thái cơ bản bằng cách tái hợp với lỗ trống ở trạng thái cơ bản, kèm theo sự phát xạ photon. Trong nghiên cứu này, phổ huỳnh quang có nguồn gốc từ quá trình tái hợp phát xạ của cặp điện tử - lỗ trống bị giam giữ trong QD. Phổ quang huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu cấu trúc điện tử và nhiều tính chất quan trọng khác nhau của vật liệu. Ánh sáng từ nguồn kích thích đơn sắc chiếu tới mẫu là các QD đã được phân tán
68
trong dung môi. Khi đo, mẫu được chứa trong cuvet thạch anh, nhựa hoặc thủy tinh. Phát xạ huỳnh quang phát ra từ mẫu được thu vào một đầu của sợi quang để phân tích, thành các bước sóng riêng biệt. Sau đó, tín hiệu quang được đưa vào bộ detector và được xử lý để biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó được xử lý bằng máy tính và phụ kiện - thiết bị xử lý để lưu giữ [71].
Nguyên lý của hệ đo huỳnh quang được trình bày trên hình:
Hình 1.21: Sơ đồ khới của một hệ đo PL thông thường.
Các phổ tương ứng ghi nhận được phân giải càng cao càng giúp xác định chính xác các q trình vật lý quang học liên quan. Tùy thuộc vào cường độ nguồn sáng kích thích mà có hai q trình: huỳnh quang tuyến tính và huỳnh quang phi tuyến. Trong quá trình huỳnh quang tuyến tính, cường độ huỳnh quang tỷ lệ với cường độ nguồn sáng kích thích. Trong q trình phi tuyến, cường độ huỳnh quang tỷ lệ bậc hai hoặc lớn hơn cường độ nguồn sáng kích thích. Các yêu cầu về độ phân giải của máy đơn sắc dựa trên thực tế đối tượng phát huỳnh quang dải rộng hay vạch hẹp. Nguồn ánh sáng kích thích ban đầu là đèn thuỷ ngân, đèn xenon, các diod phát quang và laser. Ánh sáng có thể kích thích trực tiếp vào mẫu thơng qua hệ gương phản xạ và thấu kính hội tụ. Ánh sáng phát ra từ mẫu đo gồm ánh sáng phản xạ và ánh sáng huỳnh quang. Sau khi che chắn ánh sáng phản xạ, tín hiệu được đưa vào máy đơn sắc. Tín hiệu sau đó sẽ được hướng đến bề mặt của nhân quang điện, tín hiệu từ nhân quang điện được xử lý bằng máy tính và phụ kiện thiết bị xử lý để lưu giữ [70].
Ưu điểm của phương pháp phổ huỳnh quang:
− Độ nhạy rất cao.
− Là một phương pháp không tương tác trực tiếp với mẫu và không phá hủy mẫu.
− Đơn giản trong cách đo.
69
− Những khó khăn liên quan đến việc giải thích q trình bức xạ và khơng bức xạ canh tranh phức tạp, sự kết hợp bề mặt, và sự hiện diện của những khuyết tật khác nhau với mật độ khơng biết.
− Thiếu những mẫu chuẩn thích hợp.
− Để có độ phân giải quang phổ thích hợp (phân giải những đường phát xạ), yêu cầu đo tại nhiệt độ đông lạnh (nhiệt độ của heli lỏng) [70].