Khi vật liệu bị chiếu xạ bởi photon điện tử có thể bị bứt ra khỏi vật liệu. Điện tử bị bứt ra gọi là quang electron, động năng EK của quang electron bằng năng lƣợng của photon tới (hν) trừ đi năng lƣợng ngƣỡng là năng lƣợng tối thiểu để quang electron có thể bứt khỏi bề mặt vật liệu:
EK hv (2.7)
h hằng số Planck, ν tần số của photon.
Hình 2.4 Hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện đƣợc sử dụng trong các thiết bị nhạy sáng. Bởi phụ thuộc vật liệu, sensor đƣợc thiết kế cho những bƣớc sóng riêng biệt. Các cực với cấu trúc nano bề mặt là giải pháp tối ƣu trong việc sử dụng thiết bị quang điện và sensor. có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi hƣớng của vật liệu. Tỷ lệ bề mặt-thể tích lớn của cấu trúc nano có thể làm tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng năng-lƣợng của thiết bị quang điện. Ngoài ra sự giải phóng các hạt tích điện nhanh hơn ở vật liệu nano đồng nghĩa với việc nó có thời gian đáp ứng nhanh.
Hiệu ứng quang dẫn xuất hiện khi chùm photon tác động vào vật liệu bán dẫn làm cho nó thay đổi tính chất dẫn. Tính dẫn là kết quả của sự kích thích các hạt mang điện tự do bởi các photon tới, các hạt này xuất hiện khi ánh sáng tới đủ năng lƣợng. Hiệu ứng này đƣợc sử dụng rộng rãi trong các sensor bức xạ điện từ, những thiết bị này đƣợc gọi là thiết bị quang dẫn, điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR-Light
Dependent Resistor) hay quang điện trở.
CdS, CdSe là hai vật liệu phổ biến dùng để chế tạo thiết bị quang dẫn và sensor. Thiết bị chế tạo từ CdS có dải điện trở rộng từ vài Ω khi nó đƣợc chiếu bởi ánh sáng mạnh và tới vài MΩ khi để trong bóng tối. Nó có khả năng tƣơng tác với một dải rộng của tần số photon bao gồm: hồng ngoại, tử ngoại và vùng ánh sáng khả kiến.
b) Hiệu ứng quang thế
Ở hiệu ứng này một điện thế gây ra bởi sự hấp thụ photon tại lớp tiếp giáp của hai vật liệu khác loại. Sự hấp thụ photon giải phóng các hạt mang điện tự do, điện thế sinh ra tại lớp tiếp giáp của vật liệu làm dịch chuyển hạt tải điện gây ra dòng điện ở mạch ngoài. Vật liệu đƣợc sử dụng để chế tạo thiết bị ghép đôi này là những chất bán dẫn.
Một thiết bị quang điện thế thông thƣờng bao gồm một vùng rộng chuyển tiếp p-n hoặc diode. Một photon ở vùng chuyển tiếp bị hấp thụ nếu năng lƣợng của nó lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn. Sự hấp thụ này làm electron bị kích thích nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, để lại một lỗ trống, thực chất là tạo ra một cặp electron-lỗ trống tự do lƣu động. Nếu cặp electron-lỗ trống nằm trong vùng giải phóng điện tử của chuyển tiếp p-n, sự tồn tại của điện trƣờng sẽ kéo electron về phía bán dẫn loại n và lỗ trống về phía bán dẫn loại p, kết quả là tạo ra một dòng điện:
/
[ qV kT 1]
S
I I e (2.8)
Với q là điện tích của e (1,602.10-19 C) k là hằng số Botman (1,38.10-23 J/K) T là nhiệt độ Kelvin của chuyển tiếp p-n
Tế bào quang thế và sensor thông thƣờng làm từ vật liệu hấp thụ photon ở dải khả kiến và dải UV, ví dụ GaAs (năng lƣợng vùng cấm 1.43eV) hợp chất của nó và một số vật liệu khác với bƣớc sóng tƣơng ứng: Si (190-1100 nm), Ge (800-1700 nm) ...
Thiết bị quang thế đƣợc sử dụng rộng rãi trong: máy đo ảnh phổ, kiểm soát bức xạ, hệ tự động điều chỉnh ánh sáng trong các tòa nhà…
2.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện
Hiện tƣợng vật chất phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua hay khi nó đƣợc đặt dƣới một điện thế gọi là hiện tƣợng phát sáng quang điện. Hiệu ứng này sử dụng để chuyển đổi điện năng thành năng lƣợng bức xạ.
Có hai phƣơng pháp làm xuất hiện hiệu ứng phát sáng quang điện. Thứ nhất nó xuất hiện khi có một dòng điện đi qua biên giới của lớp chuyển tiếp có độ phẳng cao (ví dụ chuyển tiếp p-n của vật liệu bán dẫn). Electron có thể tái hợp với lỗ trống gây ra sự rơi về mức năng lƣợng thấp hơn và giải phóng năng lƣợng dƣới dạng photon. Những thiết bị này đƣợc gọi là diode phát quang (LED- Light Emitting
Diode). Bƣớc sóng của ánh sáng bức xạ xác định bởi độ rộng vùng cấm của vật liệu
chế tạo lớp chuyển tiếp. Vật liệu sử dụng làm LED phải có vùng cấm thẳng. Chúng bao gồm các yếu tố ở nhóm III và nhóm V trong bảng tuần hoàn. Những chất này thƣờng dùng để chế tạo LED. Vùng cấm của những vật liệu này và bƣớc sóng bức xạ có thể biến đổi đƣợc bằng cách tăng sự tinh khiết của vật liệu. Ví dụ LED làm từ GaP đơn phát ánh sáng màu xanh bƣớc sóng 555 nm, Nitrogen phủ ngoài bởi GaP phát ánh sáng vàng xanh bƣớc sóng 565 nm.
Một cách khác làm xuất hiện hiện tƣợng điện quang là dựa vào các electron bị kích thích bởi điện trƣờng trong vật liệu lân quang.
2.3.3 Hiện tƣợng phát sáng quang hóa
bức xạ năng lƣợng dƣ thừa dƣới dạng photon và trở về mức năng lƣợng thấp hơn. Năng lƣợng của ánh sáng bức xạ liên quan đến sự chênh lệch giữa mức năng lƣợng của trạng thái kích thích và trạng thái cân bằng. Sự huỳnh quang và sự lân quang là những ví dụ về hiện tƣợng phát sáng quang hóa. Sự phát sáng quang hóa có thể đƣợc giải thích bởi thuyết lƣợng tử. Nó phụ thuộc vào cấu trúc electron của nguyên tử và phân tử. Phân tử có nhiều trạng thái electron trong mỗi trạng thái có sự khác nhau về mức dao động và trong mỗi mức dao động lại tồn tại những mức quay. Sau khi nhận năng lƣợng dƣới dạng photon một electron đƣợc kích thích lên trạng thái cao hơn. Với hầu hết các phân tử, trạng thái electron có thể phân thành S (Singlet) và T (Triplet) phụ thuộc vào spin của electron. Sau khi phân tử bị kích thích tới trạng thái năng lƣợng cao hơn nó nhanh chóng mất năng lƣợng dƣới rất nhiều phƣơng thức.
Hình 2.5 Quá trình huỳnh quang và lân quang.
Trong hiện tƣợng huỳnh quang sự hồi phục dao động làm phân tử trở về trạng thái dao động có năng lƣợng thấp nhất , V’=1, ở trạng thái Singlet kích thích đầu tiênS1. Các electron nằm ở trạng thái năng lƣợng dao động thấp nhất của S1
sẽ nhảy về bất kỳ trạng thái dao động nào của S0. Với hiệu ứng lân quang electron ở trạng thái S1 xuyên qua nhiều lớp của T1 mới trở về trạng thái S0.
Do có nhiều sự sắp xếp lại trong cả quá trình lân quang có thời gian dài hơn so với huỳnh quang. Với huỳnh quang thời gian giữa hấp thụ và bức xạ thông
thƣờng khoảng 8 4
10 10 s. Đối với lân quang thời gian này rơi vào khoảng
4 2
10 10 s[11].
2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9]
Vật liệu có các thuộc tính điện môi thay đổi khi chiếu sáng gọi là vật liệu quang điện môi. Các phép đo quang điện môi đƣợc sử dụng rộng rãi trong quang hóa học nhƣ nghiên cứu về các dạng động lực học trong vật liệu chụp ảnh và vật liệu bán dẫn. Nó phục vụ những phép đo điện trƣờng xoay chiều ở vật liệu quang dẫn mà không cần tiếp xúc và có thể áp dụng vào những chất bán dẫn phức tạp có những đơn tinh thể khó kiểm soát.
2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay
Hiệu ứng Faraday xoay đƣợc tìm ra bởi M. Faraday vào năm 1845. Nó là một hiệu ứng từ - quang trong đó mặt phẳng phân cực của một sóng điện từ phát ra dọc một vật liệu sẽ bị xoay khi đặt vào một từ trƣờng song song với hƣớng phát sóng.
Góc quay của mặt phẳng phân cực tỷ lệ với cƣờng độ từ trƣờng tác động và đƣợc xác định bằng phƣơng trình:
VBl
(2.9) Với B là mật độ từ thông, V là hằng số Verdet và l là chiều dài vật liệu mà
áng sáng đi qua.
Verdet là một hằng số phẩm chất sử dụng để so sánh hiệu ứng này giữa các vật liệu và có đơn vị góc quay trên đơn vị của trƣờng tác động và đơn vị dài của vật liệu. Một vật liệu từ-quang phổ biến sử dụng cho cảm biến là Terbium gallium garnet nó có hằng số Verdet bằng 0.5min / (G cm). Có thể xây dựng một từ kế từ- quang với độ nhạy 30 pT để phát hiện những chuỗi từ nano cho những cảm biến ứng dụng. Ƣu điểm nổi trội của sensor từ-quang là có thời gian đáp ứng nhanh (cỡ GHz).
2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect)
Năm 1877 John Kerr nhận thấy mặt phẳng phân cực của tia tới trên bề mặt từ tính quay một góc nhỏ sau khi phản xạ ra khỏi bề mặt. Góc quay phụ thuộc vào độ từ hóa M. Điều này là do điện trƣờng của tia tới E tác động một lực F lên các điện tử ở bề mặt của vật liệu làm cho chúng dao động trong mặt phẳng phân cực của sóng tới. Cả hiệu ứng từ-quang Kerr và hiệu ứng Faraday xoay xuất hiện do sự từ hóa vật liệu làm sản sinh sự thay đổi tensor điện môi của chính vật liệu đó.
Hình 2.7 Sự quay của mặt phẳng phân cực trên bề mặt từ tính là kết quả của hiệu ứng từ-quang Kerr.
Hiệu ứng Kerr có thể sử dụng để chế tạo sensor cho rất nhiều ứng dụng. Ví dụ Karl phát triển một sensor áp suất dựa trên một màng micro chế tạo từ tấm film từ giảo mỏng. Áp suất khác nhau trên mỗi vùng của màng là nguyên nhân làm biến dạng, thực tế là độ căng trên lớp từ giảo. Sự biến dạng của màng dẫn đến sự thay đổi thuộc tính từ của lớp film từ giảo, những thay đổi này có thể đƣợc đo nhƣ là thay đổi trong thuộc tính MOKE. Nó đƣợc sử dụng rộng rãi để xác định sự từ hóa của vật liệu. Hiệu ứng từ-quang cũng có thể sử dụng để nghiên cứu từ trƣờng bất đẳng hƣớng của các lớp film sắt từ mỏng.
2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10]
Phát hiện bởi John Kerr vào năm 1875, là hiệu ứng điện-quang trong đó vật liệu thay đổi hệ số khúc xạ khi đặt trong điện trƣờng. Khi một điện trƣờng tác động tới chất lỏng hay khí, các phân tử của nó (phân tử có lƣỡng cực điện) có thể bị định hƣớng một phần theo trƣờng. Điều này gây ra hiện tƣợng dị thƣờng và là nguyên nhân của hiệu ứng khúc xạ kép đối với ánh sáng truyền qua vật liệu. Tuy nhiên, chỉ ánh sáng đi từ môi trƣờng gặp đƣờng sức điện trƣờng mới có hiệu ứng khúc xạ kép này.
Hình 2.8Hiệu ứng Kerrand Pockels.
Trong đó E là cƣờng độ điện trƣờng, K là hằng số Kerr-Pockels và 0 là bƣớc sóng trong môi trƣờng tự do. Hai chỉ số quan trọng là n0 và ne lần lƣợt là chỉ số khúc xạ bình thƣờng và chỉ số khúc xạ bất thƣờng. Hiệu ứng khúc xạ kép dùng để chế tạo rất nhiều thiết bị quang học. Hiệu ứng này tƣơng tự với hiệu ứng Faraday nhƣng với trƣờng điện.
Sensor quang học chế tạo dựa trên hiệu ứng Pockels đƣợc ứng dụng trong công nghiệp, đặt trong hệ thống cung cấp điện sinh hoạt hay trong các nguồn điện sử dụng trong phòng thí nghiệm. Sensor trƣờng Pockels đƣợc ứng dụng trong đo lƣờng không chỉ trƣờng điện tĩnh mà cả xung ánh sáng, thay đổi xung điện thế [10].
2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10]
Sự phát sáng do phản ứng hóa học tạo ra đƣợc gọi là sự phát quang bằng phản ứng hóa học. Bƣớc sóng thƣờng quan sát đƣợc nằm từ gần miền tử ngoại đến gần miền hồng ngoại. Sự phát quang bằng phản ứng hóa học có thể miêu tả bằng phƣơng trình phản ứng sau:
[A] + [B] [◊] [Sản phẩm] +[Ánh sáng]
ở đây A, B là những chất phản ứng dễ kích thích lên trạng thái trung gian ◊, ◊ là trạng thái bao gồm sản phẩm phản ứng và ánh sáng. Sự phát quang bằng phản ứng hóa học quan sát đƣợc ở hạt nano kim loại hay hạt nano bán dẫn trong hóa học hoặc trong các phản ứng điện hóa. Khi sự phát quang hóa học có nguồn gốc từ các tổ chức sống, thì đƣợc gọi là sự phát quang sinh học. Sự phát quang sinh học có vai trò quan trọng nổi bật là công cụ hữu ích trong sinh học và các phát minh y khoa.
2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện 2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9] 2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9]
Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trƣờng vuông góc với hƣớng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trƣờng vuông góc với cả hƣớng của dòng điện và hƣớng của từ trƣờng. Đây là một trong những hiệu ứng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor.
Hình 2.9 mô tả một từ trƣờng vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng điện. Từ trƣờng tác dụng một lực theo phƣơng ngang FB vào hạt tải chuyển động và đẩy chúng về một phía. Trong khi những hạt tải này đƣợc tích lũy tại một bên thì các hạt tải trái dấu lại tích tụ về phía đối diện. Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện trƣờng, điện trƣờng này gây ra lực điện FE. Khi lực điện cân bằng với lực từ thì không diễn ra sự phân tách hạt tải nữa. Kết quả là có một điện thế có thể đo đƣợc giữa hai cực của vật liệu, gọi là thế Hall, VHall đƣợc tính theo phƣơng trình:
Hall
IB V
ned
(2.11)
Với I là dòng điện chạy trong vật liệu
B: cảm ứng từ, n: mật độ hạt tải của vật liệu e: điện tích của electron ( 19
1.602 10 C)
d: độ dày của vật liệu
Hình 2.9 Hiệu ứng Hall.
Sensor hiệu ứng Hall đƣợc sử dụng thƣờng xuyên nhất trong các phép đo từ trƣờng. Sensor Hall hai chiều đã đƣợc sử dụng để kiểm soát trƣờng từ trong dải
FB - Lƣ̣c tƣ̀ FE - Lƣ̣c điê ̣n VHall
B I
từ trƣờng rất nhỏ). Một ví dụ về chuỗi từ nano đƣợc cung cấp bởi Ejsing, ngƣời đã cải tiến những sensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA. Những sensor của họ hoạt động với từ trƣờng của hạt từ kích cỡ 250 nm thƣờng đƣợc sử dụng trong những ứng dụng sinh học.
2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall
Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spin ngang với điện trƣờng đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tƣơng tác spin-quỹ đạo. Đó là lý thuyết đƣợc dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel. Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử.
Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. Ví dụ Gerber chứng minh rằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hƣớng và từ trƣờng tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy đơn lớp với bề dày nhỏ hơn 0.01 nm.
Hình 2.10 Hiệu ứng spin Hall.
2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9]
Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng một điện trƣờng đƣợc tạo ra khi thay đổi một từ trƣờng (hình 2.11). Michael Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tƣợng điện từ. Các sensor và thiết bị
Dòng điện
âm thanh thời kỳ đầu (nhƣ micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tƣơng tự, và rơle lƣỡi gà sử dụng hiệu ứng này.
Hình 2.11 Hiệu ứng Faraday-Henry
Mối quan hệ giữa điện trƣờng E và mật độ từ thông B đƣợc xác định bởi: