Thông số động học của MGB4O7dy 1

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
3


PHẦN 1: TỔNG QUAN

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
4
Chương I
TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÁT QUANG

I.1.Đònh nghóa hiện tượng nhiệt phát quang
Nhiệt phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence, viết tắt là TSL hay
Thermo-Luminescence, TL) là hiện tượng một vật liệu cách điện hay bán dẫn
phát ra ánh sáng khi bò nung nóng nếu trước đó vật liệu này đã được chiếu xạ
bởi các nguồn ion hóa (tia
α
,
β
,
γ
, X, ánh sáng, . . .). Khi bò nung nóng, vật liệu
phát ra năng lượng ánh sáng tỉ lệ với năng lượng mà nó đã hấp thụ.
Một số điểm chúng ta cần lưu ý đối với vật liệu nhiệt phát quang:
• Vật liệu nhiệt phát quang phải là vật liệu cách điện hoặc bán dẫn,
kim loại không có hiện tượng nhiệt phát quang.
• Năng lượng nhiệt mà ta cung cấp cho vật liệu khi nung nóng chỉ là
yếu tố kích thích, không phải là nguyên nhân gây ra sự phát quang.
• Nguyên nhân gây ra sự phát quang là do vật liệu đã hấp thụ năng
lượng ion hóa từ trước đó.

• Vật liệu sau khi đã phát quang, ta không thể làm cho nó phát quang
trở lại bằng cách nung nhiệt. Muốn vật liệu phát quang trở lại thì vật liệu phải
được chiếu xạ bằng bức xạ ion trước khi nâng nhiệt.
I.2. Giải thích cơ chế hiện tượng nhiệt phát quang
Đối với vật liệu nhiệt phát quang: Trong điều kiện lý tưởng thì vùng cấm
hoàn toàn trống. Tuy nhiên, các chất điện môi và bán dẫn thực luôn có các

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
5
khuyết tật. Sự tồn tại của các khuyết tật này dẫn tới sự tồn tại của các mức năng
lượng được phép trong vùng cấm. Đó là các bẫy electron T (Trap) và các bẫy lỗ
trống R (Recombination).
Để có thể giải thích cơ chế hiện tượng nhiệt phát quang, ta giả sử rằng
trong vùng cấm của vật liệu chỉ tồn tại một mức bẫy T và một tâm tái hợp Rï.
Khi vật liệu được chiếu xạ bằng các tia bức xạ thì các tia này sẽ ion hóa nguyên
tử trung hòa làm bật các electron lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống trong vùng
hóa trò. Electron sẽ chuyển động tự do trong vùng dẫn đến khi bò bắt tại bẫy
electron T. Lỗ trống chuyển động tự do trong vùng hóa trò đến khi bò bắt tại bẫy
lỗ trống R (hình I.1a).





Hình I.1. Mô hình một mức bẫy và một tâm tái hợp. electron là các
chấm tròn đen, lỗ trống là các chấm tròn trắng.
(a). Quá trình bắt electron và lỗ trống
(b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống
Gọi E là độ sâu bẫy được tính từ mức E
c

(đáy vùng dẫn), τ là thời gian
electron bò bắt tại bẫy electron T. Các giá trò E, τ, T liên hệ với nhau qua công
thức Arrhenius:
hν

E
c

T
Vùng dẫn

Vùng hóa trò

E
{
Bức xạ ion
hóa
R
T
E
}
R
Vùng dẫn

E
c
E
v
Vùng hóa trò

E
v

(a)

(b)


Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
6








==
−
kT
E
s
p
exp
1
1
τ
hay







−==
kT
E
sp exp
1
τ
(I.1)

Trong đó:
p: xác suất electron thoát khỏi bẫy trong thời gian một giây (s
-1
).

τ
: gian thời sống của electron tại bẫy (s).
s: một hệ số tỉ lệ, có thứ nguyên là s
-1
do đó được gọi là “tần số thoát”
của electron.
E: độ sâu của bẫy hay còn được gọi là năng lượng kích hoạt (eV).
k: hằng số Boltzmann, (k = 8.62×10
-5
eV/K)
T: nhiệt độ (K).
Bảng I.1. Sự phụ thuộc của

τ
vào E và T.
E
(eV)
T (
0
C)
-40 28 100 200 300
0.75 13 ngày 9.1 phút 0.94 s 9.7 ms 270 µs
1.00 9200 năm 125 ngày 37 phút 3.1 s 43 ms
1.25 8.6×10
11
năm 6.8×10
4
năm 61 ngày 24 phút 6.8 s
1.50 2.2×10
17
năm 4.9×10
10
năm 401 năm 7.6
ngày
18 phút


Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
7
Bảng I.1 [11] cho ta thấy sự phụ thuộc của thời gian sống của electron tại
bẫy vào độ sâu bẫy E và nhiệt độ T. Các số liệu được tính theo công thức (I.1)
với giá trò điển hình s=2.10
20

s
-1
.
Nếu mẫu được giữ ở nhiệt độ phòng thì electron bò giữ tại bẫy rất lâu.
Muốn giải phóng electron khỏi bẫy ta cần cung cấp cho nó một động năng lớn
hơn hoặc bằng E. Năng lượng này có thể được cung cấp cho electron bằng cách
chủ động nâng nhiệt độ của mẫu. Đây là cách người ta thường làm trong thí
nghiệm đo đường cong phát quang của mẫu. Khi thoát khỏi bẫy và nhảy lên
vùng dẫn electron sẽ không thể ở lâu trên vùng dẫn vì vật liệu không phải là
kim loại, do đó electron phải tái hợp với lỗ trống bò bắt từ trước tại tâm lỗ trống
R (Tâm tái hợp). Năng lượng dư thừa trong quá trình tái hợp được bức xạ ra
ngoài dưới dạng một photon ánh sáng theo công thức:

c R
E E h
ν
− =

(I.2)
Trong đó: h là hằng số Planck (h = 6.626×10
-34
J.s),
ν
là tần số ánh sáng,
E
c
=0 và E
R
là độ sâu của tâm tái hợp.
Trong thực nghiệm, người ta ghi lại cường độ ánh sáng phát ra khi nâng

nhiệt độ của mẫu (thường thì nhiệt độ mẫu được làm tăng tuyến tính theo thời
gian) và vẽ đồ thò biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang I theo nhiệt
độ T. Đồ thò I(T) gọi là đường cong phát quang (Glow curve). Phép đo đường
cong phát quang là phép đo cơ bản nhất trong nghiên cứu nhiệt phát quang.
Hình I.2 giới thiệu sự hình thành đường cong nhiệt phát quang ứng với mô
hình một bẫy và một tâm tái hợp.


Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
8















Hình I.2. Giải thích sự hình thành đường cong nhiệt phát quang.
Hình I.2a biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất thoát bẫy theo nhiệt độ. Ta
thấy rằng, từ nhiệt độ T
i
nào đó thì xác suất thoát bẫy có một giá trò khác không

đáng kể và tăng dần theo nhiệt độ. Đến nhiệt độ T
f
và lớn hơn thì mọi điện tích
bò bắt tại bẫy đều có xác suất thoát bẫy bằng 1, tức là mọi bẫy đều trống khi
nhiệt độ tức thời của mẫu lớn hơn nhiệt độ này. Hình I.2b cho biết sự phân bố
điện tích tại các bẫy. Khi nhiệt độ tăng số điện tích tại bẫy giảm dần và bằng 0
khi nhiệt độ là T
f
. Hình I.2c cho thấy sự phụ thuộc của cường độ phát quang theo
Mọi điện tích đều thoát
khỏi bẫy ở nhiệt độ này
Sự phân bố điện tích tại bẫy
Nhiệt độ tối thiểu cho
phép thoát khỏi bẫy
một cách đáng kể
n
T
f

Xác suất thoát khỏi bẫy
T
0
p
1
T
f

T
0
n

0

I
T
0
T
f

Cường độ phát quang
T
m

I
m
(a)



(b)





(c)

T
i

T

i

T
i


Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
9
nhiệt độ. Cường độ phát quang đạt cực đại tại nhiệt độ T
m
và bắt đầu giảm dần
khi số điện tích tại bẫy bắt đầu giảm.
Từ sự hình thành đường cong phát quang, ta cần lưu ý một số thông tin sau:
• Biên độ cực đại I
m
của cường độ phát quang. Giá trò này có quan hệ với
nồng độ ban đầu n
0
của các điện tích bò bắt tại bẫy.
• Nhiệt độ T
m
tại đó cường độ phát quang là cực đại. Giá trò này có quan
hệ với độ sâu E của bẫy. E càng lớn thì T
m
càng lớn và ngược lại.
• Hình dạng đường cong phát quang. Hình dạng đường cong phát quang có
liên quan đến bậc động học của bẫy.
Như vậy, từ phép đo đường cong phát quang của mẫu bằng thực nghiệm
chúng ta có thể rút ra được các thông tin quan trọng về bản chất của các khuyết
tật cũng như các cơ chế vật lý xảy ra trong quá trình nâng nhiệt để phát quang

của mẫu.
Tóm lại, mô hình ở hình (I.1) cho ta bức tranh cơ bản về hiện tượng nhiệt
phát quang.
Quá trình nâng nhiệt độ của mẫu làm dòch chuyển những hạt tích điện giữa
các mức năng lượng. Mô hình lý thuyết mô tả các dòch chuyển này gọi là mô
hình động học của hiện tượng nhiệt phát quang.
Hiện nay, trong nhiệt phát quang có ba mô hình động học cơ bản: mô hình
động học bậc một, mô hình động học bậc hai và mô hình động học bậc tổng
quát. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt khảo sát từng mô hình động học.


Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
10
I.3. Các mô hình động học của hiện tượng nhiệt phát quang
I.3.1. Mô hình động học bậc một
I.3.1.1. Biểu thức và hình dạng đường cong phát quang
Mô hình này được Randall và Wilkins [12] đưa ra với giả thiết bỏ qua quá
trình tái bẫy của electron, tức là khi electron được giải phóng nhờ năng lượng
nhiệt và nhảy lên vùng dẫn thì chúng sẽ tái hợp với lỗ trống mà không bò bắt lại
bẫy như khi vật liệu được chiếu xạ ion hóa.
Biểu thức (I.3) [1], [5] dưới đây là công thức của động học bậc 1. Trong
biểu thức của động học bậc 1, cường độ I(T) phụ thuộc vào nồng độ ban đầu n
0

của electron bò bắt tại bẫy theo lũy thừa bậc một.










−−−=
∫
T
T
dT
kT
Es
kT
E
snTI
0
)exp(exp)exp()(
0
β
(I.3)
Từ công thức trên ta thấy:
• Đường nhiệt phát quang theo nhiệt độ của một đỉnh tuân theo mô hình
động học bậc một phụ thuộc vào bốn thông số vật lý: nồng độ ban đầu n
0
của
electron bò bắt tại bẫy (phụ thuộc vào cường độ chiếu xạ lên vật liệu), thừa số
tần số s, độ sâu năng lượng E của bẫy và tốc độ nâng nhiệt
β
của mẫu mà ta sử
dụng trong thực nghiệm.
• Hình dạng đường nhiệt phát quang (đường TL) tuân theo động học bậc

một được vẽ từ công thức (I.3) với các thông số n
0
= 400 m
-3
, E =1 eV, s=10
12
s
-1
,
β
=1
0
C/s có dạng như hình (I.3) dưới đây:

Khóa Luận Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Ngọc Toản
11

Hình I.3. Dạng đường TL của đỉnh động học bậc một.
Ta nhận thấy hình dạng tiêu biểu của đường cong động học bậc một là một
đường cong bất đối xứng: phần diện tích giới hạn bởi đường cong và trục hoành
ở phía bên phải của T
m
nhỏ hơn phần diện tích phía bên trái. Đây là một đặc
điểm quan trọng giúp chúng ta có thể đoán nhận một cách đònh tính bậc động
học của một đỉnh phát quang xem nó có tuân theo động học bậc một hay không.
I.3.1.2. Sự phụ thuộc của đường cong động học bậc một theo các
thông số
• Cường độ chiếu xạ n
0
Hình I.4 dưới đây trình bày các đường cong phát quang bậc một ứng với các

giá trò khác nhau của n
0
. Các đồ thò này được tính theo công thức (I.3) với các
thông số sau: E =1,2 eV, s =10
11
s
-1
,
β
=1
0
C/s . Các giá trò của n
0
(m
-3
) được ghi
trực tiếp trong hình.