Đề tài nghiên cứu vật liệu Aluminate và Silicate 2014

MỤC LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...38 [1] S.W.S Mc KEEVER 1985, Thermouminescence of Solids, Department of Physics, Oklahoma State University...39 [2] Đặng Thị Lệ Hằng 2010, Khảo sát sự truyền

Em xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo Trường Đại học Sư Phạm-Đại học Đà Nẵng, các quý thầy cô khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu.

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Văn Cường, Thầy Lê Văn Thanh Sơn, đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ và chỉ bảo từng bước để

em hoàn thành đề tài

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ, quan tâm động viên tôi, đặc biệt là các bạn trong nhóm đã giúp đỡ và chia sẽ những kinh nghiệm trong quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn !!!

MỤC LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 [1] S.W.S Mc KEEVER (1985), Thermouminescence of Solids, Department of Physics, Oklahoma State University 39 [2] Đặng Thị Lệ Hằng (2010), Khảo sát sự truyền năng lượng từ các ion đất hiếm sang ion kim loại chuyển tiếp trong các vật liệu nền Aluminate và Silicate, Luận văn tốt nghiệp, Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng 39 [4] Lê Văn Thanh Sơn (2009), Thiết bị và phương pháp phân tích quang phổ, Trường đại học sư phạm – Đại học Đà Nẵng 39

MỞ ĐẦU

Những hiện tượng liên quan đến phát quang cũng như nhiệt phát quang đã dành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới từ những năm 70 với việc ra đời của rất nhiều công trình nghiên cứu về hiện tượng phát quang Về thực nghiệm thì lĩnh vực mới mẻ này đã thu hút được nhiều sự quan tâm và ủng hộ trên khắp lĩnh vực như: địa chất, y học, vật lý chất rắn, sinh vật…

Việc nghiên cứu và ứng dụng nhiệt phát quang tiếp tục phát triển và có nhiều thành tựu vượt bậc vào những năm 80 gắn với sự phát hiện ra chất lân quang Và vào những năm 90 thì đã có nhiều chất lân quang mới được tạo ra Tuy nhiên do thời gian phát quang còn ngắn nên những ứng dụng của chúng còn hạn chế

Năm 1971, Abbruscato đã chế tạo ra chất lân quang SrAl2O4:Eu2+ Trên cơ sở này, năm 1996 , Matsarawa đã tạo ra chất lân quang mới SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ có khả năng phát quang ở bước sóng 520 nm và kéo dài trong thời gian 16 giờ Chỉ một thời gian ngắn sau người ta đã chế tạo được CaAl2O4:Eu2+,Nd3+ có thể phát quang ở bước sóng 450 nm kéo dài trong 16 giờ Điều này đã mở ra nhiều ứng dụng của chất lân quang và thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới vào lĩnh vực này

Những ứng dụng của hiện tượng phát quang có mặt ở hầu hết các lĩnh vực của khoa học, kỹ thuật cũng như đời sống Quang phát quang và điện phát quang được ứng dụng trong các đèn huỳnh quang để thắp sáng hoặc lân tinh để trang trí Các tia Cathod (tia âm cực-chùm electron) được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện như màn hình tivi, rada… Ngoài ra nhiệt phát quang và hiện tượng phát quang còn được dùng để xác định thành phần hóa học cũng như hàm lượng của các chất trong một hợp chất; và tính tuổi của cổ vật

Ngày nay, việc nghiên cứu hiện tượng phát quang thường theo hai hướng Hướng thứ nhất tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo các chất lân quang mới, hướng thứ hai nghiên cứu cấu trúc năng lượng của mẫu ở trạng thái cơ bản và kích thích, các bẫy điện tử và lỗ trống thông qua việc nghiên cứu sự phát quang cưỡng bức của mẫu vật liệu

Trong đề tài này, với các điều kiện hiện có, em đã tìm hiểu cách chế tạo vật liệu nền Kẽm Aluminate ZnAl2O4 có pha tạp Mn2+ và khảo sát sự phát quang của

vật liệu này, từ đó rút ra các kết luận Vì vậy nên em chọn đề tài: "Nghiên cứu các bẫy sâu trong nhóm vật liệu Aluminate và Silicate"

PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG [1][2][3] 1.1 Hiện tượng phát quang và chất phát quang [1][2][3]

1.1.1 Hiện tượng phát quang

Người ta làm thí nghiệm: Chiếu tia UV vào tinh thể ZnS có pha một lượng rất nhỏ Cu thì tinh thể phát ra ánh sáng có màu xanh lục, ánh sáng này tồn tại khá lâu sau khi ngừng kích thích Hiện tượng này cũng xảy ra với nhiều chất rắn, lỏng

và khí khác với các tác nhân kích thích khác Chúng có tên chung là hiện tượng phát quang

Như vậy, phát quang là sự bức xạ quang học của vật chất sau khi được tác động của một tác nhân kích thích nào đó không phải là sự đốt nóng thông thường Bước sóng của ánh sáng phát quang đặc trưng cho vật liệu phát quang, nó hoàn toàn không phụ thuộc vào bức xạ chiếu lên đó Sự phát quang có thể được kích thích bởi nhiều loại năng lượng và nằm trong vùng quang học nghĩa là từ tử ngoại đến hồng ngoại Nếu dùng bức xạ hạt để kích thích thì sự phát quang cũng có thể là những bức xạ nằm trong vùng tử ngoại Đa số các nghiên cứu về hiện tượng phát quang

đều quan tâm đến bức xạ trong vùng khả kiến, bên cạnh đó cũng có một số hiện tượng bức xạ có bước sóng thuộc vùng hồng ngoại (IR) và tử ngoại.

Tuy nhiên bên cạnh bức xạ phát quang còn có các bức xạ khác như bức xạ nhiệt, ánh sáng phản xạ hoặc khuếch tán khi chiếu vật bằng một nguồn sáng bên ngoài…Các loại bức xạ này cũng nằm trong vùng quang học như bức xạ phát quang Vì vậy việc nhận ra bức xạ phát quang cũng gặp nhiều khó khăn [3]

Theo Vavilôp, hiện tượng phát quang là hiện tượng các chất phát quang phát ra bức xạ còn dư đối với bức xạ nhiệt trong trường hợp mà bức xạ còn dư

đó kéo dài trong khoảng thời gian 10 -16 (s) hoặc lớn hơn.

1.1.2 Chất phát quang

Trong tự nhiên và nhân tạo có nhiều chất có khả năng hấp thụ năng lượng từ bên ngoài, sau đó phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ ánh sáng Quá trình này được mô tả: năng lượng được hấp thụ để đưa các phân tử, nguyên tử lên trạng thái kích thích Từ trạng thái kích thích các phân tử, nguyên tử chuyển về trạng thái cơ bản và bức xạ ánh sáng Các chất có khả năng biến các dạng năng lượng khác nhau (quang năng, điện năng, nhiệt năng…) thành quang năng được gọi là chất phát quang

1.2 Phân loại các dạng phát quang

1.2.1 Phân loại theo tính chất động học của những quá trình xảy ra trong chất phát quang.

- Phát quang của những tâm bất liên tục: là loại phát quang mà những quá trình diễn biến từ khi hấp thụ năng lượng đến khi bức xạ đều xảy ra trong cùng một tâm nhất định Tâm này có thể là phân tử, tập hợp phân tử hay ion Những quá trình xảy ra trong những tâm bất liên tục hoàn toàn độc lập với nhau Sự tương tác giữa những tâm liên tục cũng như ảnh hưởng của môi trường bên ngoài đối với chúng nói chung là không đáng kể Do vậy, đặc trưng của loại phát quang này là khả năng

phát quang chỉ do những quá trình xảy ra trong nội bộ tâm phát quang quy định mà không có sự tham gia của những tác nhân bên ngoài.

- Phát quang tái hợp: Là loại phát quang trong đó những quá trình chuyển hóa năng lượng kích thích sang bức xạ quang học đều có sự tham gia của toàn bộ chất phát quang Trong trường hợp này vị trí kích thích không trùng với vị trí bức xạ Sự trao đổi năng lượng từ vị trí kích thích đến vị trí bức xạ phải qua những quá trình trung gian Những quá trình này liên quan đến sự dịch chuyển của những hạt mang điện (điện tử, lỗ trống hay ion) tiến triển qua một số giai đoạn Đầu tiên, khi kích thích trong chất phát quang xảy ra quá trình phân ly thành những thành phần mang điện trái dấu Sau đó, những thành phần này sẽ dịch chuyển một đoạn đường khá lớn và cuối cùng tái hợp lại với nhưng thành phần mang điện trái dấu, thường thì với những thành phần mới chứ không phải những thành phần khi bắt đầu phân ly

1.2.2 Phân loại theo phương pháp kích thích:

- Quang phát quang : Kích thích bằng chùm tia tử ngoại

- Điện phát quang : Kích thích bằng hiệu điện thế

- Cathod phát quang: Kích thích bằng chùm điện tử

- X-ray phát quang: Kích thích bằng tia X

- Hóa phát quang: Kích thích bằng năng lượng phản ứng hóa học

1.2.3 Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau khi ngừng kích thích:

- Huỳnh quang: là sự phát quang mà trong đó, các phân tử của chất dịch quang hấp thụ năng lượng kích thích, chuyển hóa năng lượng kích thích này thành năng lượng của các electron ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng không bền trong phân tử Sau đó electron rơi về trạng thái cũ gần như tức thì, khoảng 10-12s, khiến photon được giải phóng ngay Hiện tượng này xảy ra phổ biến đối với hầu hết các vật liệu phát quang dạng chất lỏng, chất khí

- Lân quang: là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ năng lượng kích thích, chuyển hóa năng lượng kích thích này thành năng lượng của các electron ở một số trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng

bền trong phân tử Để sau đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng, và giải phóng một phần năng lượng trở lại ở dạng các photon.

Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số các trạng thái kích thích khá bền Chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái cơ bản

bị cấm bởi một số quy tắc lượng tử Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể thực hiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để

từ đó nó rơi về trạng thái cơ bản Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt, nhiệt độ càng lạnh thì trạng thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn Đa

số các chất lân quang có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ cỡ vài miligiây Tuy nhiên, thời gian gần đây người ta đã phát hiện ở một số chất có thể lên tới vài ngày cho tới hàng tuần Như vậy, đối với các chất lân quang thì sự phát quang của chúng có khả năng kéo dài khá lâu sau khi ngừng kích thích Các chất lân quang thường là chất rắn

1.2.4 Phân loại theo cách thức chuyển dời từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản:

- Phát quang tự phát: xảy ra khi phân tử ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái cơ bản dưới tác dụng của trường nội tại phân tử Đặc điểm của sự phát quang tự phát là không phụ thuộc gì vào tác dụng của những yếu tố bên ngoài

- Phát quang cưỡng bức: là phát quang chỉ xảy ra dưới tác dụng của yếu tố bên ngoài Nó bao gồm hai giai đoạn Giai đoạn 1 là chuyển điện tử từ mức siêu bền III lên mức II do tác dụng bên ngoài Giai đoạn 2 là chuyển điện tử từ mức II về mức

Hình 1.2.1 Cơ chế phát quang cưỡng bức

- Quá trình phát quang nhờ sự tăng nhiệt độ gọi là phát quang cưỡng bức nhiệt hay gọi là nhiệt phát quang

1.3 Sự khác nhau giữa phổ phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái hợp.

Trong hai loại phát quang của những tâm bất liên tục và tâm tái hợp bao gồm

cả sự phát quang tự phát và phát quang cưỡng bức

1.3.1 Phổ hấp thụ và phổ bức xạ

- Tâm bất liên tục: Sự hấp thụ ánh sáng kích thích và sự bức xạ ánh sáng phát quang xảy ra ở cùng một tâm phát quang Do đó có sự liên hệ chặc chẽ giữa cấu trúc phổ hấp thụ và phổ bức xạ

- Phát quang tái hợp: Sự hấp thụ xảy ra một nơi còn sự bức xạ lại xảy ra một nơi khác nên phổ hấp thụ và phổ bức xạ không có gì liên hệ với nhau

1.3.2 Thời gian kéo dài của sự phát quang

Tâm bất liên tục:

● Phát quang tự phát: 10-9 – 10-8 s

● Phát quang cưỡng bức: 10-3 – 10 s

Phát quang tái hợp:

● Tái hợp trực tiếp: vài phần mười s

● Tái hợp qua những khâu trung gian: vài giờ

1.3.3 Định luật tắt dần của sự phát quang

Tâm bất liên tục

● Phát quang tự phát:

Gọi α là xác suất của bước chuyển từ mức kích thích về mức cơ bản

n0 và n là số điện tử trên mức kích thích tại thời điểm ban đầu (khi bắt đầu tắt dần) và tại thời điểm t kể từ thời điểm ban đầu.

Ta có: dn = -αndt (1.1)Lấy tích phân, ta có: n = n0e- α t (1.2)

J0 và J là cường độ ánh sáng phát quang tại thời điểm ban đầu và tại thời điểm t

kể từ thời điểm ban đầu Ta có:

II chuyển tự phát về mức cơ bản Trong trường hợp này thì thời gian kéo dài của sự phát quang do quá trình đầu tiên quy định vì xác suất chuyển dời từ mức II về mức I rất lớn, hay nói cách khác điện tử sau khi chuyển lên mức II thì lập tức nhảy về mức

I Sự thay đổi số điện tử trên mức siêu bền III cũng tuân theo phương trình (1.2) nên định luật tắt dần cũng là định luật hàm số mũ Tuy nhiên vì bước chuyển từ mức III lên mức II phải có tác nhân bên ngoài (ở đây là nhiệt độ) nên xác suất giải phóng điện tử khỏi mức siêu bền phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ càng lớn thì α càng lớn

Phát quang tái hợp:

● Tái hợp trực tiếp: Gọi số ion dương tạo nên trong khi kích thích là n, số điện

tử hay số ion âm cũng sẽ bằng n Số lần tái hợp trong đơn vị thời gian rõ ràng phải phụ thuộc vào cả số ion dương và số ion âm nghĩa là phụ thuộc vào n2 Do đó ta có:

p là xác suất tái hợp.

Tích phân hai vế phương trình (1.5)

∫ =−∫pdt n

0+

=

t pn

n n

0+

● Tái hợp phức tạp qua những khâu trung gian:

Trong thực tế thì sự tái hợp không phải xảy ra ngay sau khi phân ly mà trước khi tái hợp các ion có thể bị định xứ ở những vị trí đặc biệt trong mạng tinh thể Do

đó định luật tắt dần sẽ phức tạp hơn Phát quang tái hợp phức tạp này xảy ra trong phosphor tinh thể

Định luật tắt dần tuân theo hàm hyperbol cấp phân số:

( γ ) µ γ

µ

ν

− +

p dt

dn

Với

1ν

µ = n

n: tổng số điện tử trên vùng dẫn và số điện tử trên các mức định xứ

ν1: số mức định xứ

p : xác suất giải phóng điện tử khỏi các mức định xứ

γ : tỉ số giữa xác suất định xứ và xác suất tái hợp

● Tuy nhiên trong trường hợp phát quang tái hợp mà một thành phần nào đó (như ion dương) thừa quá nhiều so với thành phần kia thì định luật tắt dần vẫn tuân theo hàm số mũ:

Gọi N là số ion dương (là thành phần thừa nhiều so với số ion âm n) ta có:

Nndt p

dn = −

Vì N thừa quá nhiều nên trong quá trình tắt dần N có thể xem thực tế là không đổi

pNt e

● Phát quang cưỡng bức: Xác suất giải phóng điện tử khỏi các mức siêu bền của những tâm bất liên tục được cho bởi công thức:

kT E

Ae− /

=

Trong đó: E - Năng lượng cần thiết để giải phóng điện tử

Khi T càng lớn thì α càng lớn, do đó xác suất tái hợp cũng sẽ phụ thuộc vào

nhiệt độ Vậy khi nhiệt độ thay đổi thì thời gian kéo dài của sự phát quang cưỡng bức của tâm bất liên tục sẽ thay đổi

Phát quang tái hợp:

Vận tốc di chuyển của điện tử càng lớn khi nhiệt độ càng tăng, do đó xác suất tái hợp sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ

1.3.5 Tính chất điện của chất phát quang

- Tâm bất liên tục: Sự phát quang của tâm bất liên tục xảy ra trong từng phần riêng biệt của chất phát quang nên khi kích thích không làm cho tính dẫn điện thay đổi

- Phát quang tái hợp: Khi kích thích một bộ phận của chất phát quang ion hóa hay phân ly và số điện tử tự do trong chất phát quang sẽ tăng Và sự xuất hiện các điện tử tự do là yếu tố quan trọng trong phát quang tái hợp Vậy khi kích thích thì tính dẫn điện của chất phát quang tái hợp thay đổi

1.4 Sơ lược về hiện tượng phát quang của phốt pho tinh thể:

1.4.1 Hiện tượng phát quang của phốt pho tinh thể

Hiện tượng phát quang được phát hiện đầu tiên vào năm 1602 do Kasiarola khi quan sát trên một loại đá quý Tuy nhiên điều này chưa được quan tâm của giới khoa học thời đó

Đến năm 1669 thì Brand đã phát hiện ra sự phát quang của nguyên tố photpho

Mãi đến năm 1830 – 1882, thì hiện tượng lân quang mới được quan tâm nghiên cứu bởi Becquerel Chính ông đã chế tạo máy lân quang nghiệm đầu tiên và nghiên cứu những định luật tắt dần của khá nhiều loại phốt pho, đồng thời đề ra một

số biểu thức toán học để mô tả sự biến diễn của quá trình này Tuy nhiên, Becquerel chưa xác định được thành phần cơ bản chủ yếu làm cho phốt pho tinh thể phát quang

Năm 1886 – 1888 , Verneil đi vào phân tích các bột phốt pho tinh thể và phát hiện ra rằng ngoài chất cơ bản ra trong bột phốt pho còn có mặt những kim loại khác như Cu, Bi, Mn, v.v…Ông kết luận rằng sự có mặt của những kim loại này là điều kiện cần thiết để có được hiện tượng lân quang Điều này có nghĩa là muốn điều chế bột phốt pho thì ít nhất phải có hai thành phần chủ yếu: chất cơ bản (đối với Verneil là những hợp chất của sunfua của các kim loại kiềm thổ) và chất kích hoạt (những kim loại nặng như Ag, Cu, Mn, Bi…) Phổ phát quang của phốt pho là

do chất kích hoạt quy định

Về sau có rất nhiều công trình nghiên cứu khác đã góp phần hoàn thiện kỹ thuật điều chế phốt pho tinh thể Từ năm 1888 – 1920, Lanard đã phát hiện các chất chảy như NaCl, KCl giúp tăng cường độ cũng như thời gian phát quang…

Từ năm 1932, Antônôp Rômanôpski và Lơpsin bắt đầu nghiên cứu một cách

hệ thống động học phát quang của những bột phốt pho Lý thuyết hiện đại về sự phát quang của các bột phốt pho phần lớn dựa vào các công trình nghiên cứu của các nhà vật lý Xô Viết: Antônôp Rômanôpski, Clêmen, Cudrepseva, Môckvin, Lơpsin

1.4.2 Thành phần và cấu trúc của phốt pho tinh thể

1.4.2.1 Thành phần của phốt pho tinh thể

Phốt pho tinh thể là những chất vô cơ tổng hợp, có khuyết tật trong mạng tinh thể và có khả năng phát quang trong và sau kích thích

Thành phần của phốt pho tinh thể gồm:

- Chất cơ bản thường là những hợp chất sunfua của kim loại ở nhóm II: CaS, SrS, BaS, ZnS và CdS.

- Chất kích hoạt là các ion kim loại nặng Tùy theo chất cơ bản mà ta chọn chất kích hoạt cho phù hợp và hiệu quả Cũng có thể trong một loại phốt pho tinh thể có đến hai hay nhiều chất kích hoạt, các chất này được gọi là đồng kích hoạt

- Chất chảy trong phốt pho tinh thể thường là các muối LiCl, NaCl, Na2SO4,

• Sulfua kẽm ( ZnS, CdS M), trong đó M là kim loại nặng

• Phốt pho sulfua kiềm thổ: CaS.M, SrS.M, BaS.M

• Phốt pho galôid kiềm M.X trong đó M là kim loại kiềm, X là galôid Ví dụ phốt pho KCl, KBr…

• Phốt pho Aluminate, Silicate

1.4.2.2 Cấu trúc của phốt pho tinh thể

Cấu trúc tinh thể có sự sắp xếp đều đặn có tính chất chu kỳ của các thành phần mạng hay nói cách khác là tính chất tuần hoàn của mạng Thường thì các thành phần mạng phốt pho tinh thể sắp xếp theo hình lập phương Tuy nhiên, trong phốt pho tinh thể do còn có các chất kích hoạt và các chất chảy nên mạng tinh thể của chất cơ bản sẽ có những khuyết tật gây nên sự vi phạm tính chất tuần hoàn

Phần lớn chất kích hoạt nằm trong mạng tinh thể dưới dạng ion Trường nội tại xung quanh ion của chất kích hoạt cũng bị biến dạng so với những vị trí khác và

do đó tạo thành những nơi có thể định xứ các điện tử tự do Các nơi này được gọi là các bẫy điện tử và chính các ion của chất kích hoạt xác định tính chất phát quang của phốt pho tinh thể

Điểm đặc trưng trong sự phát quang của phốt pho tinh thể khi mạng tinh thể

bị khuyết tật là sự phát quang kéo dài Như vậy để có được sự phát quang kéo dài của phốt pho tinh thể nhất thiết phải có sự tương tác chặt chẽ giữa các vị trí vi phạm tính chất tuần hoàn với các mạng còn lại của tinh thể

1.4.3 Phổ hấp thụ của phốt pho tinh thể

Sự hấp thụ của phốt pho tinh thể là tổng số sự hấp thụ của chất cơ bản và chất kích hoạt Sự hấp thụ thường xảy ra ở vùng tử ngoại và phổ hấp thụ thường là những đám rộng Dạng của phổ hấp thụ khó xác định một cách chính xác vì phần lớn các phốt pho tinh thể ở dạng bột nên khuếch tán rất mạnh ánh sáng chiếu tới

Do đó các phương pháp xác định phổ hấp thụ thông thường không thể xác định được Ánh sáng sau khi đi qua lớp bột phốt pho tinh thể bị khuếch tán rất mạnh nên quang thông bị giảm phần lớn là do khuếch tán gây ra chứ không phải do hấp thụ

Sự hấp thụ của chất kích hoạt có thể được xác định bằng cách so sánh sự khác nhau tổng phổ hấp thụ của hai lớp bột hoàn toàn như nhau Một lớp bột là phốt pho tinh thể có chất kích hoạt và một lớp bột là phốt pho tinh thể không có chất kích hoạt Sự hấp thụ của chất kích hoạt có thể nằm ở vùng phổ tử ngoại và một phần chồng lên phổ hấp thụ của chất cơ bản Ở vùng khả kiến có thể xảy ra trường hợp tương tự

Tuy nhiên đứng về cường độ thì phổ hấp thụ của chất kích hoạt trong đa số trường hợp thường bé hơn so với cường độ phổ hấp thụ của chất cơ bản Điều này

là tất nhiên vì số nguyên tử của chất kích hoạt khá nhỏ so với số ion của chất cơ bản Mặc dù thế việc đưa chất kích hoạt vào có thể làm thay đổi phổ hấp thụ một cách đáng kể, cụ thể là kéo dài phổ hấp thụ về phía sóng dài và đôi khi làm xuất hiện sự hấp thụ rất mạnh xảy ra ở vùng khả kiến

1.4.4 Phổ bức xạ của phốt pho tinh thể

Phổ bức xạ của một số phốt pho tinh thể có thể gồm nhiều đám rộng và có dạng đối xứng

JJ

o

Hình 1.4.1 Phổ bức xạ của phốt pho tinh thể

Một điểm rất đáng chú ý là mỗi chất kích hoạt đều cho phổ bức xạ khá đặc trưng cho mình mà ít phụ thuộc vào sự thay đổi của chất cơ bản nếu như chất cơ bản không làm thay đổi hoá trị của ion kích hoạt hay làm thay đổi thành phần của chất kích hoạt

1.4.6 Bản chất phát quang của phốt pho tinh thể là phát quang tái hợp

Có những chứng cớ sau đây khẳng định sự phát quang của phốt pho tinh thể

là phát quang tái hợp

- Không có sự liên hệ trực tiếp giữa phổ hấp thụ và phổ bức xạ Phổ hấp thụ

có dạng là những đám rộng trong khi phổ bức xạ trong nhiều trường hợp là những đám hẹp hoặc những vạch khá đặc trưng cho nguyên tố đang xét

- Một điểm khá đặc trưng trong sự phát quang của phốt pho tinh thể là thời gian phát quang kéo dài khá lớn Thời gian này có thể đến hàng giờ và quy luật tắt dần tuân theo hàm hyperpol Điều này chứng tỏ rằng sự phát quang của phốt pho tinh thể thực ra bao gồm nhiều quá trình phức tạp và sự tắt dần tuân theo hàm hyperbol là một chứng cứ về sự phát quang tái hợp

- Phốt pho tinh thể thuộc nhóm các chất không dẫn điện và chất bán dẫn cho nên có thể dùng sơ đồ vùng năng lượng áp dụng trong lý thuyết chất rắn để giải thích những hiện tượng xảy ra trong phốt pho tinh thể Chúng ta biết rằng dưới tác dụng của ánh sáng trong chất bán dẫn xuất hiện hiệu ứng quang điện và làm thay độ dẫn điện cũng như điện tử của chất bán dẫn Do kết quả của hiệu ứng quang điện

mà trong phốt pho tinh thể xuất hiện những điện tử tự do nên hiệu ứng quang điện liên quan chặc chẽ với sự phát quang tái hợp

CHƯƠNG II: SƠ LƯỢC VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG CƯỠNG BỨC

[1][2][3]

2.1 Phát quang cưỡng bức

Phát quang cưỡng bức là phát quang chỉ xảy ra dưới tác dụng của yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, tia X, lazer, … Ngoài sự phát quang tức thời còn có sự phát quang kéo dài

Sự phát quang kéo dài liên quan đến sự vi phạm tính chất tuần hoàn trong mạng tinh thể do các ion của chất kích hoạt hay chất chảy gây ra Sự vi phạm tính chất tuần hoàn này tạo nên những mức năng lượng tại những vị trí đặc biệt trong mạng tinh thể gọi là bẫy Điện tử có thể bị bắt tại các bẫy này [2]

2.2 Quá trình động học của phát quang cưỡng bức

Dựa trên thuyết vùng để làm sáng tỏ quá trình động học trong sự phát quang cưỡng bức Chúng ta xét 3 vùng: vùng đầy (vùng hoá trị), vùng trống (vùng dẫn) và vùng cấm Giữa vùng hoá trị và vùng dẫn có những mức do sự vi phạm tính chất tuần hoàn của mạng tinh thể gây ra Chúng ta xét 4 loại mức định xứ, sự có mặt của chúng quy định tính chất phát quang của vật liệu

12

3

Hình 2.2.1 Quá trình động học của phát quang cưỡng bức

1/ Mức nằm khá gần vùng hoá trị và ở trên vùng này

và sau đó lên một mức nào đó của chất kích hoạt (quá trình 1’ và 2’) trở thành tâm ion hóa hay tâm phát quang Như vậy trên mức năng lượng của chất kích hoạt có một điện tích dương Trong lúc đó điện tử ở trên vùng dẫn mất dần năng lượng thừa

và lắng xuống đáy của vùng dẫn (quá trình 2) Từ đó, điện tử có thể trực tiếp nhảy xuống một trong những mức năng lượng của ion kích hoạt để bức xạ ánh sáng (quá trình 3a) hoặc bị bắt tại một bẫy không sâu lắm (quá trình 3b) hoặc bị bắt tại một bẫy khá sâu (quá trình 3c) Những quá trình 3a, 3b, 3c xảy ra rất nhanh vì chuyển động của điện tử trong vùng dẫn có vận tốc khá lớn 106 ÷ 107cm/s Thời gian sống của điện tử trong vùng dẫn thường không quá 10-10s Điện tử bị tách ra khỏi nguyên

NL kích thích