Tính chất quang của vật liệu được khảo sát bằng phổ huỳnh quang (PL) trên hệ đo quang với máy đo phân giải caoHệ phát laser của hệ đo PL (Viện khoa học Việt Nam) có thể phát laser ở hai bước sóng, ta chọn bước sóng kích thích ngắn hơn là 325 nm.
Huỳnh quang là hiện tượng phát ánh sáng nhìn thấy (không kể bức xạ của vật đen tuyệt đối) khi vật liệu tương tác với các hạt hay các bức xạ. Phổ huỳnh quang là đường cong biểu diễn sự phân bố cường độ phát quang theo tần số hay bước sóng của bức xạ.
Trong thực tế, người ta thường phân loại huỳnh theo phương pháp kích thích như quang huỳnh quang sinh ra do kích thích bởi các photon, hóa huỳnh quang được kích thích bởi các gốc hóa học, catốt huỳnh quang sinh ra do kích thích bằng các dòng điện tích... trong đó phương pháp chúng tôi đã sử dụng là quang huỳnh quang.
Quang huỳnh quang là phương pháp kích thích trực tiếp các tâm huỳnh quang và không gây nên một sự ion hóa nào. Có nhiều cách để khảo sát huỳnh quang, nguồn ánh sáng kích thích thường được dùng là đèn thủy ngân, đèn xenôn hoặc hyđrogen. Nhưng phải kể đến nguồn kích thích là hiệu quả nhất là dùng laser vì đó là nguồn kích thích lọc lựa cao.
Cơ chế kích thích huỳnh quang được mô tả như sau:
E1
E2
E3
Hình 2.6. Sơ đồ chuyển dời giữa các mức năng lượng của điện tử.
Bức xạ tới vật chất đã truyền năng lượng cho các điện tử, kích thích chúng chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn. Ở trạng thái không bền này điện tử truyền năng lượng cho các điện tử hay các phonon mạng và chuyển về mức có năng lượng thấp hơn rồi điện tử mới chuyển về trạng thái cơ bản giải phóng photon sinh ra huỳnh quang.
Nếu chuyển dời giữa các mức năng lượng có khoảng cách đủ hẹp thì sẽ không phát photon, các chuyển dời đó là các chuyển dời không phát xạ.
Các bức xạ thường được sử dụng để kích thích phổ huỳnh quang là những bức xạ có bước sóng nằm trong vùng hấp thụ của vật liệu.
Tùy theo mục đích, cách khảo sát mà có thể thu được các dạng phổ như :
Phổ bức xạ: là sự phân bố cường độ của ánh sáng pháp ra theo bước sóng của ánh sáng đó. Thông thường đó là một loạt các vạch hay các dải tương ứng với các chuyển đổi giữa các mức năng lượng của điện tử.
Phổ kích thích: là sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang của một dải huỳnh quang cụ thể nào đó vào bước sóng kích thích. Phổ kích thích
thường giống phổ hấp thụ, nhưng cũng có khi khác nhau về cường độ và thiếu đi một dải nhất định nào đó. Cường độ phổ hấp thụ chỉ liên quan tới lực dao động tử của một chuyển dời nào đó thì phổ kích thích còn liên quan tới không chỉ dao động tử của quá trình hấp thụ mà còn liên quan tới hiệu suất của quá trình chuyển mức về trạng thái cơ bản cũng như hiệu suất của quá trình phát bức xạ photon.
Hiện tượng huỳnh quang thường gắn liền với sự tồn tại của các tâm huỳnh quang, đó là các loại khuyết tật điểm hay những tập hợp của chúng và chúng có khả năng hấp thụ hay bức xạ các photon quang học.
Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang trong dải nhiệt độ 11 K - 300 K của các mẫu được đo trên phổ kế huỳnh quang FL3-22, Jobin Yvon – Spex Mỹ (hình 2.9a) với sơ đồ khối đưa ra trên hình 2.9b.
(a) (b)
Hình 2.7. (a) Phổ kế huỳnh quang FL3-22, Jobin Yvon-Spex, Mỹ; (b) Sơ đồ khối của hệ quang học của phổ kế huỳnh quang FL3-22. (1) Đèn Xe, (2) Máy đơn sắc kích thích cách tử kép, (3) Buồng gá mẫu, (4) Máy đơn sắc đo
bức xa cách tử kép, (5) Ống nhân quang điện
Đơn sắc thứ nhất cho phép tạo nguồn đơn sắc kích thích thay đổi bước sóng kích thích vào mẫu (trong dải 200 – 900 nm).
Đơn sắc thứ hai dùng để phân tích tín hiệu phát ra từ mẫu (tín hiệu huỳnh quang có thể trong dải phổ từ 250 – 900 nm).
Nguồn kích thích là đèn xênon XFOR- 450 W được nuôi bằng nguồn điện có thể cung cấp dòng điện với cường độ tối đa là 25 A. Đèn XFOR- 450 W được đặt trong hộp bảo vệ cùng với quạt làm nguội. Ánh sáng từ đèn xênon được chiếu qua máy đơn sắc thứ nhất, sau đó tới mẫu. Tín hiệu huỳnh quang từ mẫu phát ra được phân tích qua máy đơn sắc thứ hai và được thu nhận bởi ống nhân quang điện 1911 F, sau đó qua bộ tách sóng tín hiệu chuẩn DM302 và cuối cùng là đưa vào bộ xử lý SAC. Bộ xử lý SAC vừa có chức năng phân tích tín hiệu thu được, vừa có chức năng điều khiển tự động hệ FL3-22. Tín hiệu nhận được từ mẫu được ghép nối với máy tính.
Khi đo phổ huỳnh quang ta cố định một bước sóng kích thích thích hợp (λexc = const) của máy đơn sắc thứ nhất và quét bước sóng của đơn sắc thứ hai. Phổ huỳnh quang thu được cho biết sự phụ thuộc của tín hiệu huỳnh quang phát ra từ mẫu phụ thuộc vào bước sóng. Ngược lại, khi đo phổ kích thích huỳnh quang ta cố định một bước sóng bức xạ của máy đơn sắc thứ hai và quét các bước sóng của máy đơn sắc thứ nhất. Phổ kích thích huỳnh quang là tín hiệu huỳnh quang lấy tại một bước sóng bức xạ xác định (λem = const) khi thay đổi bước sóng kích thích. Vì vậy vị trí cực đại của phổ kích thích huỳnh quang cho biết tại vị trí bước sóng kích thích nào tín hiệu huỳnh quang nhận được có cường độ lớn nhất.
Phương pháp quang huỳnh quang được sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp huỳnh quang. Ưu điểm của phương pháp quang huỳnh quang là không cần gia công, xử lý mẫu một cách phức tạp như tạo điện cực trên mẫu đo...