Mục tiêu nghiên cứu của tài liệu này nhằm tìm hiểu hiện tượng nhiệt huỳnh quang; cơ chế đơn giản giải thích hiện tượng nhiệt huỳnh quang; các mô hình của hiện tượng nhiệt huỳnh quang; phương pháp đo nhiệt huỳnh quang tích phân...
Trang 1H và Tên : Nguy n Th Nguyên ọ ễ ị
Mã SV : 18000658
Ph ươ ng pháp kh o sát tính ch t v t li u nano ả ấ ậ ệ
Phương pháp đo nhi t hu nh quang tích phân.ệ ỳ
I. Nhi t hu nh quang:ệ ỳ
1.Tìm hi u hi n tể ệ ượng nhi t hu nh quangệ ỳ
Nhi t hu nh quang hay nhi t phát quang (TL) là hi n tệ ỳ ệ ệ ượng phát ra ánh sáng t v t li u (bao gôm ch t cách đi n ho c ch t bán d n) đừ ậ ệ ̀ ấ ệ ặ ấ ẫ ược nung nóng khi mà trước đó v t li u đã đậ ệ ược chi u x m t cách có ch ế ạ ộ ủ đich hay tình c b i các b c x ion hóa. ́ ơ ở̀ ứ ạ
Các y u t đ m b o cho vi c phát tín hi u TL: v t li u ph i là ch t ế ố ả ả ệ ệ ậ ệ ả ấ bán d n ho c ch t cách đi n, kim lo i không phát ra tín hi u TL, v t ẫ ặ ấ ệ ạ ệ ậ
li u ph i có th i gian đ h p th đ năng lệ ả ờ ể ấ ụ ủ ượng khi được ph i chi u ơ ế
b c x và đứ ạ ược nung nóng đ phát tín hi u TL.ể ệ
2.C ch đ n gi n gi i thích hi n tơ ế ơ ả ả ệ ượng nhi t hu nh quang ệ ỳ
C ch đ n gi n đ gi i thích hi n tơ ế ơ ả ể ả ệ ượng TL d a trên lý thuy t vùng năng ự ế
lượng và mô hình nguyên t cô l p, nguyên t ch t bán d n ho c ch t cách ử ậ ử ấ ẫ ặ ấ
đi n có vùng hóa tr , vùng d n và gi a là vùng c m. ệ ị ẫ ở ữ ấ
3.Các mô hình c a hi n tủ ệ ượng nhi t hu nh quang ệ ỳ
Hi n tệ ượng TL b t nguôn t s d ch chuy n c a các electron và l tr ng đ n ắ ̀ ừ ự ị ể ủ ỗ ố ế các m c năng lứ ượng đượ ạc t o ra do s sai khác v m t c u trúc tinh th cácự ề ặ ấ ể khuy t t t c a v t li u. Hình 2.1 là s đô c u trúc vùng năng lế ậ ủ ậ ệ ơ ̀ ấ ượng đ n gi n ơ ả
nh t mô t hi n tấ ả ệ ượng TL
Trang 2II. Phương pháp đo nhi t hu nh quang tích phân:ệ ỳ
M t trong nh ng phép đo c b n khi nghiên c u nhi t hu nh quang là vi c ộ ữ ơ ả ứ ệ ỳ ệ ghi nh n đậ ường nhi t hu nh quang tích phân TL intergral glow curve. ệ ỳ
Mô hình c ch gi i thích cho hi n tơ ế ả ệ ượng là gi n đ các m c năng lả ồ ứ ượng
đ nh x trong vùng c m: các b y b t h t t i, các tâm tái h p. C ch gi i ị ứ ấ ẫ ắ ạ ả ợ ơ ế ả phóng đi n t trong quá trình đ t nóng có th đệ ử ố ể ược mô t b ng phả ằ ương trình
đ ng h c b c 1, b c 2 ho c b c t ng quát .ộ ọ ậ ậ ặ ậ ổ
D ng đ th c a phạ ồ ị ủ ương trình đ ng h c là nh ng độ ọ ữ ường cong, ITL=f(T), ho c ặ theo th i gian I ờ T L =f(t), g i là đọ ường TL tích phân.
M i m t đ nh trên đỗ ộ ỉ ường TL d ng Iạ T L=f(T) ng v i c c đ i hu nh quang và ứ ớ ự ạ ỳ
được đ c tr ng b i nhi t đ T ặ ư ở ệ ộ m , năng lượng kích ho t (đ sâu b y) E, và hạ ộ ẫ ệ
s t n s thoát s, xác nh n cho s t n t i m t b y b t trong vùng c m c a ố ầ ố ậ ự ồ ạ ộ ẫ ắ ấ ủ tinh th Nói chung, s đ nh trên để ố ỉ ường TL tích phân đ c tr ng cho b n ch t, ặ ư ả ấ
c u t o v t li u và ngấ ạ ậ ệ ượ ạ ừ ệc l i t vi c phân tích đường TL tích phân chúng ta
s thu đẽ ược thông tin v c u trúc v t li u đó. ề ấ ậ ệ
M t h đo độ ệ ường TL tích phân thông thường g m ba ph n chính:ồ ầ
Ph n gia nhi t: bao g m đ u đ t, giá m u và d ng c l c quang. B ph n ầ ệ ồ ầ ố ẫ ụ ụ ọ ộ ậ
đ u đ t là thanh đ t đo n m ch có kèm m t c p nhi t đi n và thi t b đi n ầ ố ố ả ạ ộ ặ ệ ệ ế ị ệ
Trang 3t tr giúp đ theo dõi, đi u khi n ch đ gia nhi t. Giá m u là các khay mai ử ợ ể ề ể ế ộ ệ ẫ
được làm b ng v t li u ch ng r đ không nhi m b n m u và cho phép đ c ằ ậ ệ ố ỉ ể ễ ẩ ẫ ọ nhi t đ chính xác, liên t c.ệ ộ ụ
Ph n đ u thu và khuy ch đ i tín hi u: bao g m thi t b bi n đ i quangđi n, ầ ầ ể ạ ệ ồ ế ị ế ổ ệ khuy ch đ i tín hi u và thi t b đi kèm đ duy trì ch đ làm vi c che các ế ạ ệ ế ị ể ế ộ ệ
d ng c đó. ng nhân quang đi n đụ ụ Ố ệ ược dùng ph bi n đ chuy n đ i tín ổ ế ể ể ổ
hi u trệ ước khi đ a vào khuy ch đ i. Gi ng nh nhi u h đo khác, đ h ư ế ạ ố ư ở ề ệ ể ạ
th p giá tr dòng t i nhân quang đi n có th đấ ị ố ệ ể ược làm l nh b ng thi t b đi ạ ằ ế ị kèm. D ng c khuy ch đ i tín hi u dùng các đi n k nh y (Keithle] ụ ụ ế ạ ệ ệ ế ạ
Picoammeter) đ nâng cao đ nh y h đo đ ng th i cho tín hi u l i ra đi ể ộ ạ ệ ồ ờ ệ ố
đựơ ốc s hóa, thu n ti n cho vi c ghép n i v i máy tính đ thu nh n và hi n ậ ệ ệ ố ớ ể ậ ể
th k t qu đo.ị ế ả
Ph n x lý và ch th k t qu : dùng m t máy tính cá nhân (PC) có trang b ầ ử ỉ ị ế ả ộ ị
ph n m m chuyên d ng thích h p đ đi u khi n quá trình đo (thông qua A I ầ ề ụ ợ ể ề ể card v i hai ph n trên c a h ), thu nh n, x lý và hi n th k t qu đo. K t quớ ầ ủ ệ ậ ử ể ị ế ả ế
là đường TL tích phân bi u di n cể ễ ường đ nhi t hu nh quang ph thu c ộ ệ ỳ ụ ộ thu c nhi t đ I ộ ệ ộ T L=f(T) ho c theo th i gian I ặ ờ T L=f(t)
III. Th c nghi m đo nhi t hu nh quang tích phân: ự ệ ệ ỳ
1. K thu t th c nghi m: ỹ ậ ự ệ
H đo TL đệ ược thi t k , ch t o b i G. Valladasđ i h c Pari 7France, v ế ế ế ạ ở ạ ọ ề
c b n h g m ba b ph n: + Modul gia nhi t. ơ ả ệ ồ ộ ậ ệ
Trang 4+ Modul đi u khi n ề ể
+ Modul thu và x lý tín hi u TL.ử ệ
Modul gia nhi t: Đệ ược ch t o d a trên phế ạ ự ương pháp đ t đo n m ch. ố ả ạ
Thanh đ t đố ược làm b ng v t li u Niken s ch, v i thi t k nh hình 2.2.ằ ậ ệ ạ ớ ế ế ư
V i thi t k này s t o đớ ế ế ẽ ạ ượ ực s phân b nhi t đ ng đ u trong vùng đ t ố ệ ồ ề ặ
m u. Ch n l a v t li u làm thanh đ t là bài toán khó vì v t li u ph i có đi n ẫ ọ ự ậ ệ ố ậ ệ ả ệ trở su t đ l n, ít b oxi hoá b i môi trấ ủ ớ ị ở ường và nhi t đ cao nh m tăng tu iở ệ ộ ằ ổ
th và đ tin c y cho các l n đo l p l i.ọ ộ ậ ầ ặ ạ
Modul đi u khi n: D a trên phề ể ự ương pháp l y tín hi u h i ti p t c p nhi t ấ ệ ồ ế ừ ặ ệ
đi n g n trên thanh đ t t đó đi u khi n dòng đi n m t chi u, dòng đi n nàyệ ắ ố ừ ề ể ệ ộ ề ệ
s kh ng ch pha c a dòng xoay chi u trong bi n áp đ t d n t i kh ng ch ẽ ố ế ủ ề ế ố ẫ ớ ố ế
đượ ốc t c đ gia nhi t c a thanh đ t.ộ ệ ủ ố
H đo s d ng c p nhi t đi n lo i K có th đo t i 1300°c. V i đệ ử ụ ặ ệ ệ ạ ể ớ ớ ường kính
c a c p nhi t này c 0.1 mm nên đáp ng th nhi t đi n r t nh y và chính ủ ặ ệ ỡ ứ ế ệ ệ ấ ạ xác.
Modul thu và x lý tín hi u TL: Đ u thu s d ng ng nhân quang đi n lo i ử ệ ầ ử ụ ố ệ ạ M12FC51 c a Đ c, đi n áp nuôi dòng 1000V. Tín hi u sau ng nhân quang ủ ứ ệ ệ ố
Trang 5đi n đệ ược đ c b i đi n k nh y Keythley 487 có th đ c dòng c pA. Đ ng ọ ở ệ ế ạ ể ọ ỡ ồ
b hóa các modul trên b ng máy tính v i ph n m m chuyên d ng và Card ộ ằ ớ ầ ề ụ chuy n đ i AD.ể ổ
Các tính năng c a h đo. ủ ệ
M t s thông s làm vi c c b n c a h đo độ ố ố ệ ơ ả ủ ệ ược xác đ nh nh sau:ị ư
T c đ gia nhi t: thay đ i t 1 15°c/giâyố ộ ệ ổ ừ
Kho ng nhi t đ đo hi u qu : nhi t đ phòng :ả ệ ộ ệ ả ệ ộ ~ 500°C(±1°C)
Ch n đọ ược ch đ đ ng nhi t theo th i gian. ế ộ ẳ ệ ờ
Đ nh y phát hi n li u chi u: miligray mGy (chi u x găm trên CaS04 ộ ạ ệ ề ế ế ạ :Dy)
Tín hi u b c x nhi t ch nh hệ ứ ạ ệ ỉ ả ưởng đáng k khi nhi t đ thanh đ t và ể ệ ộ ố
m u đo l n h n 300°c, hình 2.4.ẫ ớ ơ
Trang 6Phép đo ki m tra s l p l i và đo đ tin c y c a h đo đã để ự ặ ạ ộ ậ ủ ệ ược kh o sát k ả ỹ
lưỡng. Đi u đó nói lên đ tin c y c a h đo chúng tôi s d ng, đ nh y c a ề ộ ậ ủ ệ ử ụ ộ ạ ủ
nó đ đáp ng nhu c u c a phép đo li u. Các bi n pháp cách nhi t, cách đi nủ ứ ầ ủ ề ệ ệ ệ
và ch ng l t ánh sáng ký sinh cũng đố ọ ược h t s c chú ý do v y h đo có th ế ứ ậ ệ ể làm vi c trong đi u ki n bình thệ ề ệ ường không c n bu ng t i, thu n ti n khi ầ ồ ố ậ ệ
v n hànhậ
2. Th c hi n phép đo:ự ệ
Th c hi n các phép đo c th trên đ i tự ệ ụ ể ố ượng là m u CaS0ẫ 4 :Dy3 +
n ng đ 0.15% chồ ộ ế t o b ng phạ ằ ương pháp tái k t tinh trong môi ế
trường axit d Đ tư ể ừ đó rút ra được các k t lu n v tính toán m t s ế ậ ề ộ ố thông s đ ng h c quan tr ng, các tính ch t nhi t hu nh quang c a ố ộ ọ ọ ấ ệ ỳ ủ
m u b t hu nh quang này. ẫ ộ ỳ
_M u CaS0ẫ 4 được ch t o b ng cách hế ạ ằ òa tan hoàn toàn m t lộ ượng CaS04 và Dy2O3 c n thi t trong axit Hầ ế 2SO4 d , sau đó lo i b axit ư ạ ỏ
H2SO4 b ng quá trình tr ng c t, sau đó nung s n ph m tái k t tinh ằ ư ấ ả ẩ ế ở 700°c trong 30phút và nhi t đ 400°c trongủ ở ệ ộ 1 gi đ n đ nh đ c ờ ể ổ ị ặ
tr ng quang h c c a nó.ư ọ ủ
Đo nhi t hu nh quang tích phân ệ ỳ
Th c hi n phép đo trên h đo nhi t hu nh quang tích phân chúng tôi đã tìm ự ệ ệ ệ ỳ
hi u trên v i ch đ : ể ở ớ ế ộ
Kích thước m u 150200nm ẫ
Trang 7 Chi u tia X 20KVế
Th i gian chi u 15s ờ ế
Đo sau ng ng chi uừ ế 10 phút
T c đ gia nhi t βố ộ ệ =0,290 C/s
K t qu phép đo nhi t hu nh quang tích phân: ế ả ệ ỳ
Đường nhi t hu nh quang tích phệ ỳ ân c a các m u CaS04 :Dyủ ẫ 3 + 0,15% hình ở 3.1.
Có th ể th y đấ ường cong TL xu t hi n 3 đấ ệ ỉnh có c c đ i tự ạ ương ng t i các ứ ạ nhi t đ là: 60°c, 110°c, 220°c. Nh v y trong c u trúc vùng năng lệ ộ ư ậ ấ ượng c a ủ
v t li u này đã t n t i các m c năng lậ ệ ồ ạ ứ ượng trung gian, ho c nói cách khác là ặ
đã t n t i các b y b t đi n t có năng lồ ạ ẫ ắ ệ ử ượng tương ng v i các nhi t đ ứ ớ ệ ộ trên
Đi u quan tr ng là đã xu t hi n đ nh TL chính ề ọ ấ ệ ỉ ở 220°c. Đây chính là đình TL thỏa mãn các đi u ki n c n trong đo li u phóng x nh : nhi t đ đ nh n mề ệ ầ ề ạ ư ệ ộ ỉ ằ trong kho ng tả ừ 200 3000C, b tác đ ng r t ít b i đi u ki n môi trị ộ ấ ở ề ệ ường, không b ch ng l n v i b c x c a lò đ t. ị ồ ấ ớ ứ ạ ủ ố
Ngoài ra các đỉnh TL 60°c, 110°c thu c v các m c b y không n đ nh, suy ở ộ ề ứ ẫ ổ ị
gi m nhanh theo th i gian đi u ki n bình thả ờ ở ề ệ ường, ít đượ ử ục s d ng trong
m c đích này. ụ
Trang 8Tuy nhiên đ nh 110°c r t có ý nghĩa khi s d ng phỉ ấ ử ụ ương pháp nhi t phát ệ quang chuy n t i quang (photostimulated Thermolumilescenceể ả PTTL)