CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Các phương pháp xác định cấu trúc và tính chất quang của vật liệu
2.2.3. Phổ kích thích huỳnh quang
Mỗi dải hay vạch huỳnh quang có thể được kích thích hiệu quả hay không tuỳ thuộc vào bước sóng và cường độ của ánh sáng kích thích, liên quan tới độ hấp thụ và xác suất chuyển dời phát xạ sau khi mẫu được kích thích. Phổ kích thích huỳnh quang là phân bố cường độ huỳnh quang của một dải vạch phổ xác định theo bước sóng hay tần số được quét của ánh sáng kích thích. Hình 2.5 chỉ ra sơ đồ khối của một hệ đo kích thích huỳnh quang.
ình 2.5. Sơ đồ khối của hệ đo kích thích huỳnh quang. ES-nguồn ánh sáng kích thích, SM-máy đơn sắc, BS-tấm tách ánh sáng, Sample-mẫu đo, Ref-tín
hiệu so sánh, PMT-ống nhân quang điện, F-kính lọc.
Cường độ huỳnh quang (số photon/s) có thể được viết như sau:
I() = Io()..(1-10-()d)
với I() là cường độ bức xạ tại tần số o xác định, Io() là cường độ kích thích tại tần số , tại đó mẫu có hệ số hấp thụ (), d là độ dày mẫu; là hiệu suất lượng tử phát quang.
2.2.4. P ương p áp p ổ huỳnh quang
Phương pháp nghiên cứu quang huỳnh quang cho phép nghiên cứu các chuyển dời điện tử xảy ra trong bán dẫn và các tâm phát quang, bao gồm cả nguyên tử, ion và phân tử. Các phổ tương ứng ghi nhận được phân giải càng cao càng giúp cho xác định chính xác các quá trình vật lý liên quan tới trạng thái kích thích và hồi phục của vật liệu. Để đạt được mục tiêu trên, một số kỹ thuật ghi phổ khác nhau đã được xây dựng: Huỳnh quang dừng phân giải phổ cao, huỳnh quang kích thích xung phân giải thời gian, huỳnh quang phụ thuộc nhiệt độ và mật độ kích thích,...
Hình 2.6 trình bày sơ đồ khối một hệ đo quang huỳnh quang thông thường. Tín hiệu kích thích từ nguồn sáng được chiếu trực tiếp lên mẫu để kích thích các điện tử từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái bị kích thích, tín hiệu huỳnh quang phát ra do quá trình hồi phục của điện tử được
phân tích qua máy đơn sắc và thu nhận qua ống nhân quang điện để biến đổi thành tín hiệu điện đưa ra xử lý.
Nguồn sáng kích thích
Buồng đặt mẫu
Máy đơn sắc
Ống nhân quang điện ình 2.6. Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang
Tuỳ thuộc vào mật độ kích thích, có hai quá trình: huỳnh quang tuyến tính và phi tuyến, trong quá trình quang huỳnh quang tuyến tính, cường độ huỳnh quang tỷ lệ với cường độ kích thích. Các quá trình phi tuyến cho thấy cường độ huỳnh quang tỷ lệ bậc hai hoặc bậc lớn hơn của cường độ kích thích. Sau khi nhận được năng lượng kích thích, vật liệu phát quang. Phổ huỳnh quang được phân tích qua máy đơn sắc. Yêu cầu phân giải của máy đơn sắc dựa trên thực tế đối tượng phát huỳnh quang dải rộng hay vạch hẹp.
Tín hiệu quang sau đó được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ vào ống nhân quang điện hoặc ma trận các phần tử bán dẫn để thu nhận tín hiệu quang điện (CCD). Có thể đo huỳnh quang dừng hay xung bằng việc sử dụng nguồn kích thích là dừng hay xung, phần xử lý tín hiệu điện tất nhiên cũng phải phù hợp để đạt hiệu quả, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu vật lý. Khi đo dừng, kỹ thuật tách sóng đồng bộ được áp dụng để loại bỏ nhiễu. Phổ ghi được trong quá trình này là tích phân các quá trình dừng.
Kết quả đầu tiên có thể thu nhận được từ huỳnh quang là cường độ (tỷ lệ với mật độ tâm phát quang và xác suất chuyển dời) của các chuyển dời điện tử tương ứng với các mức khác nhau. Các mức năng lượng này có thể thuộc về một số loại tâm riêng, như ion KLCT. Trong vật liệu thực bao giờ cũng xảy ra quá trình phát quang sau khi kích thích, các quá trình này có thể phân biệt với nhau theo phổ riêng phần nằm ở các mức năng lượng tương ứng khác nhau. Tuy nhiên nếu các phổ này nằm chồng chập lên nhau thì cần đo phổ phân giải thời gian để nghiên cứu riêng từng thành phần phổ, tương ứng từng
loại tâm phát quang. Do xác suất chuyển dời tỷ lệ nghịch với thời gian sống phát quang nên cường độ của mỗi quá trình quang khác nhau sẽ phụ thuộc vào thời điểm đo sau khi kích thích khác nhau. Trên cơ sở phân tích này, phép đo phân giải thời gian được tiến hành để tách các thành phần phổ chồng chập (có thời gian sống khác nhau) trong dải phổ huỳnh quang chung. Có thể dùng nguồn kích thích dừng đã được điều biến biên độ cho phép đo trên. Với nguồn kích thích xung (đèn chớp, lade, lade màu xung) có thể áp dụng kỹ thuật Sampling hay kỹ thuật Boxcar để đo thời gian sống phát quang và phổ huỳnh quang trễ sau thời điểm kích thích những khoảng thời gian khác nhau. Hiện nay, dao động ký nhớ số hoá được sử dụng hiệu quả trong các phép đo phân giải thời gian, cho phép tiến hành thí nghiệm thuận tiện lợi hơn nhiều và cho kết quả rất nhanh chóng, tin cậy. Với nguồn kích thích dừng đã được điều biến theo một tần số nào đó phù hợp, kỹ thuật xử lý điện tử Lock-in cho phép hạn chế những tín hiệu huỳnh quang có thời gian sống lớn hơn chu kỳ điều biến. Bằng cách thay đổi tần số điều biến ánh sáng kích thích, có thể ghi được những phổ huỳnh quang phân giải thời gian khác nhau.
Để so sánh cường độ huỳnh quang giữa các mẫu với nhau chúng tôi thực hiện đo trên cùng điều kiện như: Lượng mẫu tương đương, khe mở cho ánh sáng đi qua, thời gian tích phân, bước quét,…. Để khảo sát sự tách vạch năng lượng và sự phụ thuộc của tính chất quang vào nhiệt độ mẫu chúng tôi đo phổ huỳnh quang của vật liệu ở nhiệt độ phòng.
Hình 2.7. Hệ huỳnh quang (Nanolog, Horiba Jobin Yvon) nguồn kích thích là đèn Xenon công suất 450 W có bước sóng từ 250 ÷ 800 nm, tại viện Tiên tiến
Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.