CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. Sự phát quang trong tinh thể nano
1.3.1. Định nghĩa sự phát quang
Khi một số chất hấp thụ năng lượng thì chúng có khả năng phát ra bức xạ điện từ (trong đó có vùng ánh sáng khả kiến). Hiện tượng đó được gọi là sự phát quang. Chú ý rằng không phải mọi sự phát sáng đều là sự phát quang. Chẳng hạn: phản xạ, tán xạ, bức xạ nhiệt cũng là sự phát sáng nhưng chúng không phải là sự phát quang [20]. Để phân biệt, Vavilop đã đưa ra định nghĩa về sự phát quang như sau: Sự phát quang của một chất là sự phát những bức xạ dư ngoài bức xạ nhiệt do chất đó phát ra và có thời gian phát quang (≥ 10-10s) lớn hơn nhiều so với chu kì dao động sáng (~ 10-14s).
1.3.2. Phân loại các dạng phát quang
Tùy vào phương pháp kích thích phát quang, người ta phân chia thành một số dạng phát quang sau:
44
• Quang phát quang (Photoluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát quang được kích thích bằng bức xạ quang học (tia X, UV...).
• Điện phát quang (Electroluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát quang được kích thích bằng cách đặt nó trong điện trường.
• Âm cực phát quang (Cathodoluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát quang được kích thích bằng cách chiếu vào nó một chùm electron.
• Hóa phát quang (Chemiluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát quang được kích thích bằng năng lượng lấy từcác phản ứng hóa học (sự phát sáng của đom đóm, photpho, cây mục...).
• Phóng xạ phát quang (Radioluminescence): là sự phát quang xảy ra khi chất phát quang được kích thích bằng sản phẩm của sự phân rã phóng xạ (như các hạt α, β, γ...). [20]
1.3.3. Cơ chế phát quang trong tinh thể nano
Khi tinh thể nano bán dẫn bị kích thích, nghĩa là nhận được một năng lượng nào đó, electron chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn trạng thái trong điều kiện cân bằng, tạo thành các cặp exciton – lỗ trống và chỉ tồn tại trong một thời gian cực ngắn sau đó chuyển về trạng thái cân bằng có mức năng lượng thấp hơn. Sự chuyển dời này có thể kèm theo bức xạ. Nếu năng lượng kích thích mà tinh thể nhận được là từ sự hấp thụ bức xạ ngồi thì sự phát photon trong chuyển dời trên được gọi là sự quang phát quang. Trong các chuyển dời có kèm theo bức xạ thì tồn bộ hoặc phần lớn năng lượng chênh lệch giữa hai trạng thái được giải phóng dưới dạng photon (sự phát quang).
Hình 1.2: Cơ chế phát quang của Quantum Dot [21]
• Vùng Hóa Trị
Đối với các vật liệu bán dẫn, vùng bị chiếm đầy bởi các hạt tải điện, có mức năng lượng thấp nhất gọi là vùng hóa trị.
45
• Vùng Cấm
Vùng cấm là vùng mà khơng có bất kì hạt tải điện nào được phép có mức năng lượng thuộc vùng này. Độ rộng vùng cấm là Eg (do hiệu ứng kích thước → vùng cấm càng rộng ra nếu vật liệu khối càng thu nhỏ kích thước).
• Vùng Dẫn
Vùng nằm ngay trên vùng hóa trị (và hồn tồn trống) là vùng dẫn. Các electron muốn từ vùng hóa trị nhảy lên đây thì phải có thêm một lượng năng lượng cỡ Eg.
• Cặp Exciton
Khi chất bán dẫn hấp thụ photon kích thích thì trong bán dẫn hình thành cặp electron – lỗ trống (e–h). Cặp e–h này có thể liên kết với nhau bằng thế Coulomb, tạo thành một chuẩn hạt gọi là exciton. Khi các exciton (cặp e–h) này tái hợp thì năng lượng có thể được giải phóng dưới dạng photon.
Chế độ giam giữ điện tử của các loại vật liệu Nano
Trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hoá trị chuyển động tự do trong tinh thể. Do lưỡng tính sóng-hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mơ tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nm. Nếu kích thước của khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt tải điện bị giam trong khối kích thước nm3 này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một hộp thế năng. Những chuyển dời của hạt tải điện giữa hai mức năng lượng gián đoạn nói trên sẽ tạo ra quang phổ vạch. Hệ hạt khi đó được gọi là hệ bị giam giữ lượng tử. Sự giam giữ lượng tử làm gián đoạn các mức năng lượng theo chiều giam giữ của các chuẩn hạt trong hệ và làm thay đổi mật độ trạng thái của chúng theo năng lượng như trình bày trên Hình 3 [22].
46