Xây dựng mô hình phổ phát xạ của vật liệu nhiệt phát quang mgb4o7 pha tạp dy

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Mục lục
Danh mục bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
Chương 1: SƠ LƯC LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG ................................. 3
1.1. HIỆN TƯNG NHIỆT PHÁT QUANG ................................................. 3
1.1.1. Định nghóa...................................................................................... 3
1.1.2. Giải thích hiện tượng nhiệt phát quang ......................................... 3
1.1.3. Các loại khuyết tật ........................................................................ 6
1.1.4. Sự hình thành đường cong nhiệt phát quang ................................. 8
1.1.5. Tâm bẫy và tâm tái hợp ................................................................ 11
1.1.6. Các sự tái hợp ................................................................................ 12
1.1.6.1. Tái hợp vùng – vùng, vùng - tâm và tâm – tâm .............. 12
1.1.6.2. Tái hợp trực tiếp và tái hợp gián tiếp .............................. 14
1.1.6.3. Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ ....................... 15
1.2. CÁC MÔ HÌNH NHIỆT PHÁT QUANG ............................................... 16
1.2.1. Mô hình đơn giản nhất ................................................................... 16
1.2.2. Mô hình phức tạp hơn .................................................................... 18
1.3. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HIỆN TƯNG NHIỆT PHÁT QUANG ......... 19
1.3.1. Mô hình động học bậc một ............................................................ 20
1.3.1.1 Biểu thức của cường độ phát quang .................................. 20
1.3.1.2. Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc một vào các
thông số ............................................................................ 21


1.3.2. Mô hình động học bậc hai ............................................................. 24
1.3.2.1. Biểu thức của cường độ phát quang ................................. 24
1.3.2.2. Sự phụ thuộc của đỉnh động học bậc hai vào các
thông số ............................................................................ 25

1.3.3. Mô hình động học bậc tổng quát ................................................... 26
1.4. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐƯỜNG CONG NHIỆT
PHÁT QUANG ...................................................................................... 29
1.4.1. Các thông số ảnh hưởng đến hình dạng đường GC ....................... 29
1.4.1.1. Các thông số thực nghiệm .......................................................... 29
1.4.1.2. Các thông số đặc trưng của bẫy ................................................. 30
Chương 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT ............................. 32
2.1. SƠ LƯC CÁCH ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU NHIỆT PHÁT
QUANG MgB4O7:Dy ............................................................................. 32
2.1.1. Điều chế Dy(NO3)3 ........................................................................ 33
2.1.2. Quá trình nung nhiệt ...................................................................... 34
2.1.3. Quá trình ủ nhiệt ............................................................................ 35
2.1.4. Chiếu xạ......................................................................................... 35
2.2. PHÉP ĐO ĐỒ THỊ 3D CỦA VẬT LIỆU NHIỆT PHÁT QUANG ........ 36
2.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT ....................... 38
2.3.1. Đồ thị thực nghiệm của vật liệu MgB4O7:Dy ................................ 38
2.3.2. Kết quả thực nghiệm của vật liệu nhiệt phát quang
MgB4O7:Dy .............................................................................................. 40
2.3.3. Mô hình đề xuất của các tâm tái hợp ............................................ 41
Chương 3: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LabVIEW ..................................................... 43
3.1. GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LabVIEW .............................. 43
3.2. CÁC KHẢ NĂNG CHÍNH CỦA LabVIEW .......................................... 44


3.3. ƯU ĐIỂM CỦA NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LabVIEW.......................... 45
Chương 4: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ...................................................................... 47
4.1. HÀM PHÂN BỐ GAUSS ....................................................................... 47
4.2. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ...................................................................... 48
4.2.1. Vẽ đồ thị cường độ phát quang phụ thuộc vào bước sóng tại
một nhiệt độ T nhất định ............................................................... 49

4.2.2. Vẽ đồ thị cường độ phát quang phụ thuộc vào nhiệt độ ............... 52
4.2.3. Xác định các giá trị đầu vào thích hợp .......................................... 52
4.2.3.1 Các giá trị đầu và phù hợp cho đường I(T) ....................... 52
4.2.3.2 Các giá trị đầu vào phù hợp cho đường I(l) ..................... 53
4.2.4. Xác định giá trị các tâm tái hợp .................................................... 55
4.3. MỘT SỐ GIAO DIỆN CỦA CHƯƠNG TRÌNH .................................... 56
Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 60
5.1. KẾT QUẢ ............................................................................................... 60
5.2. THẢO LUẬN .......................................................................................... 62
5.3. KẾT LUẬN ............................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LUÏC 1
PHUÏ LUÏC 2
PHUÏ LUÏC 3


DANH MỤC BẢNG
STT

Hình

Trang

1

Bảng 1.1: Sự phụ thuộc của t vào E và T.

5

2

Bảng 1.2: Sự phụ thuộc của đường cong phát quang

31

theo các thông số vật lý trong các mô hình động học.
3

Bảng 2.1: Kết quả xác định vị trí các tâm tái hợp của

40

vật liệu MgB4O7:Dy
4

Bảng 2.2: Thông số bẫy của vật liệu MgB4O7:Dy

41


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
STT

Hình

Trang

1

Hình 1.1.a: Mô hình một mức bẫy và một tâm tái hợp – quá

4

trình bắt electron và lỗ trống.
2

Hình 1.1.b: Mô hình một mức bẫy và một tâm tái hợp – quá

4

trình tái hợp giữa electron và lỗ trống.
3

Hình 1.2: Khuyết tật loại Schottky.

7

4

Hình 1.3: Khuyết tật loại Frenkel.

7

5

Hình 1.4: Các khuyết tật điểm chính.

8

6

Hình 1.5: Giải thích sự hình thành đường cong nhiệt phát

10

quang.
7

Hình 1.6: Đường cong phát quang của vật liệu BaB4O7 : Ce

11

8

Hình 1.7: Các định nghóa của các bẫy và tâm tái hợp.

12

9

Hình 1.8: Các dịch chuyển của các hạt tích điện. Trong hình

12

vẽ các electron được biểu diễn bằng các hình tròn đen, còn
các lỗ trồng bằng các hình tròn trắng.
10

Hình 1.9: Các tái hợp tâm–tâm không thông qua vùng dẫn

13

hay vùng hóa trị.
11

Hình 1.10: Tái hợp vùng – vùng trực tiếp.

14

12

Hình 1.11: Tái hợp vùng – vùng gián tiếp.

15

13

Hình 1.12: Mô hình đơn giản hai mức của nhiệt phát quang.

16

14

Hình 1.13: Phổ phát xạ của tinh thể Zircon pha tạp Sm ở 25K

17

và ở nhiệt độ phòng.
15

Hình 1.14: Phổ 3D của tinh thể Zircon pha tạp Sm.

18

16

Hình 1.15: Mô hình nhiều mức của nhiệt phát quang.

18


17

Hình 1.16: Dạng đường cong phát quang của động học bậc

21

một.
18

Hình 1.17. Các đường GC bậc một ứng với các giá trị n0 khác

22

nhau.
19

Hình 1.18. Các đường GC bậc một ứng với các giá trị E khác

22

nhau..
20

Hình 1.19: Các đường GC bậc một ứng với các giá trị s khác

23

nhau.
21

Hình 1.20: Các đường GC bậc một ứng với các giá trị b khác

24

nhau.
22

Hình 1.21: Dạng đường cong phát quang động học bậc hai.

25

23

Hình 1.22: Các đường GC bậc hai ứng với các giá trị n0 khác

26

nhau.
24

Hình 1.23: Các đường cong phát quang bậc tổng quát theo các

27

giá trị b khác nhau.
25

Hình 1.24: Đường GC của vật liệu CaSO4:Dy.

28

26

Hình 2.1: Hệ điều chế Dy(NO3)3.

34

27

Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thiết bị đo 3D.

37

28

Hình 2.3: Đồ thị thực nghiệm 3D của vật liệu MgB4O7:Dy

38

29

Hình 2.4: Đặc trưng phổ của MgB4O7:Dy

38

30

Hình 2.5: Đồ thị đường viền (countour) của vật liệu

39

MgB4O7:Dy
31

Hình 2.6: Đường GC của mẫu nồng độ Dy 0.3% mol.

39

32

Hình 2.7: Mô hình phân bố tâm tái hợp.

42

33

Hình 3.1: Front Panel và Diagram của chương trình giải

46

phương trình bậc hai viết bằng ngôn ngữ LabVIEW.
34

Hình 4.1: Đường cong Gauss với các giá trị b và c khác nhau

48


35

Hình 4.2: Đường I(T) mô phỏng của MgB4O7:Dy (trong đó

53

trục thẳng đứng là cường độ phát quang, còn trục nằm ngang
tương ứng với nhiệt độ C).
36

Hình 4.3: Các đường I(l) mô phỏng của MgB4O7:Dy ở các

55

nhiệt độ 90 0 C , 155 0 C và 268 0 C .
37

Hình 4.4: Diagram và Front Panel của Hàm I(T).

56

38

Hình 4.5 Diagram và Front Panel của chương trình con biểu

57

diễn đồ thị của I( l ).
39

Hình 4.6. Diagram và Front Panel của chương trình chính biểu

58

diễn đồ thị 3D I( l , T).
40

Hình 4.7 Front Panel của chương trình chính biểu diễn đồ thị

59

3D
I( l , T).
41

Hình 5.1. Phổ 3D mô phỏng của vật liệu MgB4O7:Dy

61

42

Hình 5.2. Đặc trưng của phổ 3D mô phỏng của vật liệu

61

MgB4O7:Dy
43

Hình 5.3. Đường GC mô phỏng của vật liệu MgB4O7:Dy

62

44

Hình 5.4. Đường Contour của phổ mô phỏng 3D của vật liệu

62

MgB4O7:Dy
45

Hình 5.5. Đặc trưng phổ của Dy

64

46

Hình 5.6. Đặc trưng phổ của MgB4O7:Dy từ Abtahi.

64

47

Hình 5.7 . Đặc trưng phổ của MgB4O7:Dy từ S. P. Lochab.

65

48

Hình 5.8a các hình ảnh đồ thị 3D đo được từ thực nghiệm của

67

vật liệu MgB4O7:Dy
49

Hình 5.8b các hình ảnh đồ thị 3D thu được từ mô phỏng của
vật liệu MgB4O7:Dy

67


1

M Ở ĐA ÀU
V ới các ứng dụng trong việc đo liều bức xạ, định tuổi các cổ vật thì
nhiệt phát quang đã trở thành một lónh vực được nhiều nhà khoa học trên
thế giới quan tâm nghiên cứu. Ngoài ra, nhiệt phát quang còn là phương
pháp thông dụng trong việc nghiên cứu cấu trúc, sự phân bố các mức bẫy
trong vật liệu. Hiện nay trên thế giới nhiệt phát quang được nghiên cứu theo
hai hướng sau đây :

Ø

Ứng dụng trong thực tế bằng cách nghiên cứu chế tạo các qui

trình công nghệ thích hợp tạo các vật liệu nhiệt phát quang sử dụng
trong đo liều.
Ø

X ác định các thông số vật lý đặc trưng cho bẫy từ đường cong

phát quang thu được từ thực nghiệm bằng cách giải chập đường cong
phát quang.
Ở V iệt Nam, trong những năm gần nay lónh vực nhiệt phát quang thu
hút được nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu. Riêng tại Bộ môn V ật lý
Chất Rắn trường Đại học khoa học tự nhiên Tp. HCM trong nhiều năm qua
nghiên cứu nhiệt phát quang theo hướng thứ hai là giải chập đường cong
phát quang thu được từ thực nghiệm và đã có nhiều bài báo nghiên cứu về:
MgB 4O7:Dy , MgB 4O7:Mn, CaS O4:Dy, LiF:Mg.... Tuy nhiên, ở các nghiên cứu

trên chỉ mới dừng lại ở mức độ xác định các thông số bẫy và bước đầu xác
định được giá trị của các tâm tái hợp khi vật liệu phát quang dựa trên phép
đo phổ 3D nhưng giá trị thu được chỉ mới là các giá trị biểu kiến khi vật liệu
đã phát quang. Đồng thời, tại Bộ môn V ật lý Chất Rắn trường Đại học khoa
học tự nhiên Tp.HCM đã có học viên cao học đo được đồ thị thực nghiệm
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh

2

3D của vật liệu MgB 4O7:Dy, cùng với ưu điểm của MgB 4O7:Dy là một vật
liệu có độ nhạy cao và có chỉ số tương đương mô Z eff = 8.4 khá gần với mô
người (Z eff = 7.8), chúng tôi đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là “Xây
dựn g m ô hình phổ phát xạ của vật liệu nhiệt phát quang M gB 4O7 pha
tạp Dy” với nhiệm vụ đặt ra:
1. X ây dựng mô hình nhiệt phát quang dựa trên mô hình gần sát với
thực tế hơn là gồm nhiều bẫy và nhiều tâm tái hợp.
2. Dùng phần mềm LabV iew và hàm phân bố Gauss để mô phỏng đồ thị
3D của vật liệu phát quang MgB 4O7 : Dy.
3. So sánh giữa mô hình lý thuyết với thực nghiệm để chứng minh tính
đúng đắn của mô hình. Đồng thời giúp thực nghiệm hiểu rõ hơn bản chất
của hiện tượng nhiệt phát quang, tránh được những sai số trong quá trình
làm thực nghiệm .
4. X ác định các mức tâm tái hợp trong vật liệu.
V ới các nhiệm vụ trên, luận văn được trình bày làm năm chương:
Chương 1: Sơ lược lý thuyết hiện tượng nhiệt phát quang
Chương 2: Cơ sở thực nghiệm và mô hình đề xuất
Chương 3: Ngôn ngữ lập trình LabV iew
Chương 4: Lập trình mô phỏng
Chương 5: Kết quả và thảo luận
Tuy rất muốn phát triển đề tài thêm nữa nhưng vì thời gian dành cho
một luận văn Thạc só có hạn nên chúng tôi xin dừng lại với những vấn đề
trình bày trong luận văn. Chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu
này trong thời gian tới.

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


3

CHƯƠNG 1

SƠ L ƯC L Y Ù T HUY ẾT NHIỆT PHA ÙT QUA NG
1.1. HIỆN T ƯN G NHIỆT PHA ÙT QUA NG
1.1.1. Định nghóa [4], [18]
Nhiệt phát quang (Thermo – Stimulated Luminescence, viết tắt là
TSL hoặc ngắn gọn hơn là Thermo – Luminescence, TL) là hiện tượng một
vật liệu cách điện hay bán dẫn phát ra ánh sáng khi bị nung nóng nếu trước
đó vật liệu đã được chiếu xạ một cách có chủ đích hay tình cờ bởi các tia
bức xạ ion hoá (các tia a, b, g, X…). Khi bị nung nóng, vật liệu phát ra năng
lượng ánh sáng tỉ lệ với năng lượng mà nó đã hấp thụ.
Đặc điểm của hiện tượng nhiệt phát quang:
Ø V ật liệu phải là chất điện môi hoặc bán dẫn.
Ø V ật liệu phải được chiếu xạ ion hóa trước đó một cách có chủ định
hoặc tình cờ.
Ø Sau khi vật liệu đã phát quang ta không thể làm cho nó phát quang
trở lại. Muốn cho vật liệu phát quang trở lại thì phải chiếu xạ lại vật liệu.
1.1.2. Giải thích hiện tượn g nhiệt phát quang [4]
V ì các vật liệu nhiệt phát quang là điện môi hoặc bán dẫn nên theo lý
thuyết vùng năng lượng giữa vùng hoá trị và vùng dẫn có một vùng năng
lượng không được phép gọi là vùng cấm . Để cho đơn giản, chúng ta giả thiết
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh

4

rằng mẫu chỉ có một bẫy electron T và một tâm tái hợp R nằm trong vùng
cấm . Quá trình bắt và tái hợp giữa electron và lỗ trống được trình bày như
trong hình 1.1.

V ùng dẫn

V ùng dẫn

E{

Ec
T

T

Ec

}E

hn

Bức xạ
ion hóa

R

R
Ev

Ev
V ùng hóa trị

V ùng hóa trị

Hình 1.1. Mô hình một mức bẫy và một tâm tái hợp.
(a). Quá trình bắt electron và lỗ trống
(b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống
Trong hình :
Eg là độ rộng vùng cấm (Eg = Ec – Ev )
Ec là mức năng lượng của đáy vùng dẫn, thường được qui ước
bằng 0.
Ev là mức năng lượng của đỉnh vùng hoá trị
T là bẫy electron
R là tâm tái hợp hoặc bẫy lỗ trống
Electron được kí hiệu là chấm tròn đen
Lỗ trống được kí hiệu là chấm tròn trắng
Khi chiếu xạ mẫu bằng tia bức xạ ion hoá, electron sẽ nhảy lên vùng
dẫn và để lại vùng hoá trị một ion dương gọi là lỗ trống. Electron chuyển
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


5

động tự do trong vùng dẫn, còn lỗ trống chuyển động tự do trong vùng hoá
trị cho đến khi electron bị bắt tại bẫy T, còn lỗ trống bị bắt tại bẫy R (hình
1.1.a).
Gọi E là độ sâu của bẫy được tính từ gốc là mức Ec (đáy vùng dẫn).
Thời gian t mà electron bị bắt tại bẫy phụ thuộc vào độ sâu E và nhiệt độ
của mẫu, được xác định theo công thức A rrhenius sau :
p=

1
1
ỉ E ư
ỉ E ử
-1
= s expỗ ữ hay t = = s expỗ ữ (1.1)
t
p
ố kT ứ
ố kT ứ

Trong ủoự :
p laứ xác suất electron thoát khỏi bẫy trong thời gian một giây
(s-1)
t là thời gian sống của electron tại bẫy (s)
s là hệ số tỉ lệ có thứ nguyên là 1/s do đó được gọi là “tần số
thoát” của electron
k là hằng số Boltzmann có giá trị 8.62x10-5 (eV /K)
T là nhiệt độ tuyệt đối của mẫu
Bảng 1.1 [26] dưới đây cho ta biết thời gian sống t của electron tại bẫy
phụ thuộc vào độ sâu E của bẫy và nhiệt độ T như thế nào. Các số liệu được
tính theo công thức (1.1) với giá trị s được chọn là giá trị điển hình 2.1020 s-1.

Bản g 1.1. Sự phụ thuộc của t vào E và T.
T (0C)

E
(eV )

-40

28

100

200

300

0.75

13 ngày

9.1 phút

0.94 s

9.7 ms

270 ms

1.00

9200 năm

125 ngày

37 phút

3.1 s

43 ms

1.25

8.6´1011 năm

6.8´104 năm

61 ngày

24 phút

6.8 s

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


6

1.50

2.2´1017 năm

4.9´1010 năm

401 năm

7.6 ngày

18 phút

Muốn giải phóng electron thoát khỏi bẫy cần phải cung cấp cho nó
một động năng lớn hơn hoặc bằng E. Năng lượng này có thể được cung cấp
dưới dạng năng lượng nhiệt bằng cách chủ động nâng nhiệt độ của mẫu. V ì
vật liệu không phải là kim loại nên khi thoát khỏi bẫy và nhảy lên vùng
dẫn, electron sẽ không thể ở lâu mà phải tái hợp với lỗ trống tại tâm tái hợp
R. Năng lượng dư thừa trong quá trình tái hợp được bức xạ ra ngoài dưới
dạng một photon ánh sáng (hình 1.1b) theo công thức sau :
Ec –ER = hu

(1.2)

Trong đó: h là hằng số Planck, n là tần số ánh sáng, Ec = 0 và ER là
độ sâu của tâm tái hợp.
Trong thực nghiệm chúng ta ghi lại cường độ phát quang khi nâng
nhiệt độ của mẫu (thông thường nhiệt độ của mẫu được nâng tuyến tính theo
thời gian) và vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang I
theo nhiệt độ T. Đồ thị I(T) gọi là đường cong phát quang (Glow Curve hay
viết tắt là GC). Phép đo đường cong phát quang là phép đo cơ bản nhất

trong nghiên cứu nhiệt phát quang.
1.1.3. Các loại k huyết tật [4], [29]
Ở các tinh thể thực bao giờ cũng tồn tại những sai hỏng nào đó (còn
gọi là khuyết tật), chính những sai hỏng này dẫn đến sự xuất hiện các mức
cho phép nằm trong vùng cấm . Có nhiều loại khuyết tật nhưng ở đây chỉ đề
cập đến các khuyết tật điểm vì chúng có liên quan đến hiện tượng nhiệt
phát quang.
Có hai loại khuyết tật: khuyết tật nội và khuyết tật ngoại.
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


7

v Khuyết tật nội là các chỗ khuyết hay các chỗ chêm các nguyên tử
hoặc ion của vật liệu chủ, bao gồm :
Ø Khuyết tật loại Schottky: các chỗ khuyết tồn tại theo từng cặp
để đảm bảo tính trung hoà điện, nếu chỗ này thiếu điện tích
âm thì chỗ khác phải thừa điện tích âm hoặc ngược lại (hình
1.2).
Ø Khuyết tật loại Frenkel: cũng tồn tại theo từng cặp, nếu chỗ
này khuyết nguyên tử hay ion thì chỗ khác phải chêm vào các
nguyên tử hay ion cùng điện tích. Nhưng các chỗ chêm này
nằm không đúng tại các nút mạng mà ở vị trí khác xen vào
giữa các nguyên tử hay ion xung quanh đang nằm đúng tại các
nút mạng (hình 1.3).

Nút khuyết cation

Nút
khuyết
anion

Hình 1.2 – Khuyết tật loại Schottky

Chỗ khuyết cùng dấu
Nguyên
tử (ion)
chêm
vào

Hình 1.3 – Khuyết tật loại

Frenkel
v Khuyết tật ngoại là do sự tồn tại của các tạp chất trong mạng, có thể
xảy ra các trường hợp sau đây :
Ø Các nguyên tử hay ion của tạp chất thay thế nguyên tử hay ion
của vật liệu chủ tại các nút mạng.
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


8

Ø Các chỗ chêm của nguyên tử hay ion tạp chất.
Ø Ngoài ra còn có thể có các chỗ khuyết đôi.

Hình 1.4 tiếp theo sau sẽ trình bày các khuyết tật điểm chính có thể
xuất hiện trong mạng. Sự có mặt của các khuyết tật trong mạng này đóng
vai trò là các mức bẫy electron hoặc tâm tái hợp.

Hình 1.4 – Các khuyết tật điểm chính
A : chỗ khuyết
B : chỗ chêm của nguyên tử vật liệu chủ (nền)
C : sự thay thế của tạp chất tại nút mạng
D : chỗ chêm vào của nguyên tử tạp chất
E : chỗ khuyết đôi
1.1.4. Sự hình thàn h đườn g cong nhiệt phát quang [4], [29]
Đường cong nhiệt phát quang là đường cong biểu diễn sự thay đổi của
cường độ phát quang theo nhiệt độ, tức là đường cong I(T).
Nếu gọi nh là nồng độ lỗ trống bị bẫy thì
I (t ) = -

dnh
dt

(1.3)

Trong đó I(t) là cường độ phát quang tại một thời điểm bất kỳ t
Luận văn Thạc só Vật lyù
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


9

Trong thực nghiệm người ta nâng nhiệt độ của mẫu tuyến tính theo
thời gian, nên :
(1.4)

T = T0 + b t

Trong đó :
T 0 là nhiệt độ ban đầu của mẫu
b là tốc độ nâng nhiệt (0C/s). Trong phép đo đường cong phát
quang b có giá trị từ 1 ® 30C/s.
Từ (1.4) ta có
dt =

1
dT
b

Þ I (T ) = - b

dnh
dT

(1.5)

Hình 1.5 trình bày sự hình thành đường cong phát quang của mẫu.
Trong đó :
Ø Hình 1.5a biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất thoát bẫy theo
nhiệt độ. Bắt đầu từ một nhiệt độ T i nào đó thì xác suất thoát
bẫy có một giá trị khác không đáng kể và tăng dần theo nhiệt
độ. Đến nhiệt độ T f thì xác suất thoát bẫy bằng một, nghóa là

mọi bẫy đều trống.
Ø Hình 1.5b trình bày sự phân bố điện tích tại các bẫy . Khi nhiệt
độ tăng số điện tích tại bẫy sẽ giảm dần và bằng không khi
nhiệt độ là T f .
Ø Hình 1.5c biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang
theo nhiệt độ. Cường độ phát quang đạt cực đại tại nhiệt độ T m
và bắt đầu giảm khi số điện tích tại bẫy bắt đầu giảm .

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


10

Hình 1.6 giới thiệu đường cong phát quang của vật liệu BaB 4O7 pha
tạp Ce. Ta thấy đường cong ở trong hình là một đường cong phức tạp không
giống đường cong ở hình 1.5c. Điều này được lý giải rằng đường cong ở hình
1.5c là mô hình đơn giản chỉ có một bẫy một tâm tái hợp, còn hình 1.6 gồm
nhiều bẫy nhiều tâm tái hợp cùng một lúc. Khi đo cường độ phát quang ta
chỉ có thể thu cùng lúc tất cả sự phát quang của mọi đỉnh nên đường cong có
dạng là đường cong tổng hợp của các đỉnh.

X ác suất thoát khỏi bẫy
p

Mọi điện tích đều
thoát khỏi bẫy ở
nhiệt độ này

Nhiệt độ tối thiểu
cho phép thoát
1
khỏi bẫy một cách
đáng kể
(a)

0

T
Ti

Tf

Sự phân bố điện tích tại bẫy
n
(b)

n0

0

T
Ti

Tf

Cường độ phát quang
I

(c)
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

Im
HVTH : Phan Thị Quỳnh


11

Hình 1.5 – Giải thích sự hình thành đường cong nhiệt phát quang

Hình 1.6 – Đường cong phát quang của vật liệu BaB4O7 : Ce [5]
1.1.5. T âm bẫy và tâm tái hợp [1], [4]
Từ công thức (1.1) ta thấy rằng xác suất để một electron hoặc lỗ
trống thoát khỏi bẫy phụ thuộc vào độ sâu năng lượng E của bẫy . V ì vậy đối
với tâm có E nhỏ thì xác suất thoát khỏi bẫy là rất lớn, cho nên các tâm này
biểu hiện là bẫy hơn là tâm tái hợp, và ngược lại các tâm có E lớn lại biểu
hiện như là tâm tái hợp. Điều đó cho thấy các tâm tái hợp thường được định
xứ ở phía dưới của đường trung tâm vùng cấm , còn các bẫy thường nằm gần
vùng dẫn hay vùng hoá trị. Một điều cần lưu ý là đối với lỗ trống thì các
mức năng lượng được tính từ gốc Ev.
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


12

Tại một nhiệt độ cho trước tồn tại một mức năng lượng của khuyết tật
mà tại đó hai xác suất dịch chuyển bằng nhau. Một mức như vậy có độ sâu
giới hạn là D sẽ là mức giới hạn giữa các tâm bẫy và tâm tái hợp. Từ đó nếu
một tâm có mức năng lượng là E < D thì đó là bẫy , nếu E > D thì đó là tâm
tái hợp. De và Dh ứng với electron và lỗ trống.
Hình 1.7 trình bày các định nghóa của các bẫy và tâm tái hợp nêu
trên.

Hình 1.7 – Các định nghóa của các bẫy và tâm tái hợp
1.1.6. Các sự tái hợp [1], [4]
Tái hợp là quá trình tương tác của hai điện tích trái dấu để tạo thành
nguyên tử trung hòa điện, kết quả là sau quá trình này cả hai hạt điện tích
sẽ đồng thời bị hủy . Phần năng lượng còn lại sau quá trình tái hợp hoặc là sẽ
phát xạ dưới dạng một photon ánh sáng (tái hợp phát quang) hoặc là truyền
cho các phonon của dao động mạng (tái hợp không phát quang). Mọi hiện
tượng phát quang đều bị điều khiển bởi sự tái hợp giữa electron và lỗ trống.
1.1.6.1. T ái hợp vùn g – vùn g, vùn g - tâm và tâm – tâm
Hình 1.8 sau đây sẽ giới thiệu các chuyển mức của electron và lỗ
trống

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


13

Hình 1.8: Các dịch chuyển của các hạt tích điện. Trong hình vẽ các
electron được biểu diễn bằng các hình tròn đen, còn các lỗ trồng bằng các

hình tròn trắng.
Ø Khi electron dịch chuyển từ vùng dẫn đến tái hợp với lỗ trống nằm ở
vùng hóa trị như dịch chuyển (h) thì tái hợp này được gọi là tái hợp
vùng – vùng. Tái hợp vùng – vùng thực chất là sự dịch chuyển giữa
hai mức năng lượng không định xứ.
Ø Khi electron dịch chuyển từ vùng dẫn đến tái hợp với lỗ trống nằm ở
tâm tái hợp như dịch chuyển (g) hoặc lỗ trống dịch chuyển từ vùng
hóa trị đến tái hợp với electron tại tâm tái hợp như dịch chuyển (d) thì
tái hợp này được gọi là tái hợp vùng – tâm . Tái hợp vùng – tâm là sự
dịch chuyển giữa một vùng và một mức năng lượng định xứ.
Ø Loại tái hợp thứ ba là tái hợp tâm – tâm , trong đó các hạt tích điện
không di chuyển thông qua vùng, nay là sự dịch chuyển giữa hai mức
năng lượng định xứ. Hình 1.9 trình bày các tái hợp tâm – tâm . Sự tái
hợp này có thể xảy ra được là do hiệu ứng xuyên hầm hoặc khi hai
khuyết tật điểm nằm gần nhau trong không gian hoặc sự tái hợp xảy
ra trong phạm vi một nguyên tử.

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


14

Hình 1.9: Các tái hợp tâm–tâm không thông qua vùng dẫn hay vùng hóa trị

1.1.6.2. T ái hợp trực tiếp và tái hợp gián tiếp
Sự tái hợp vùng – vùng có thể xảy ra theo hai cách:
Ø Tái hợp trực tiếp là sự dịch chuyển có xác suất tương đối cao, xảy ra

trong trường hợp cực tiểu của vùng dẫn và cực đại của vùng hóa trị có
r

cùng vectơ sóng k , dịch chuyển có thể xảy ra mà không cần có sự
r

trao đổi môm en xung lượng hk . Hình 1.10 thể hiện tái hợp vùng –
vùng trực tiếp.

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


15

Hình 1.10: Tái hợp vùng – vùng trực tiếp
Ø Tái hợp gián tiếp là sự dịch chuyển có xác suất thấp, xảy ra trong
r

trường hợp các cực trị năng lượng xuất hiện tại các giá trị k khác
nhau , để dịch chuyển có thể xảy ra cần có sự trao đổi môm en xung
r

lượng hk . Khi đó các electron phải tương tác với các dao động nhiệt
r

của mạng (các phonon) để nhận được vectơ sóng k1 (Hình 1.11 thể
hiện tái hợp vùng – vùng trực tiếp) ứng với cực đại của vùng hóa trị

rồi mới tái hợp được với lỗ trống ở vùng hóa trị.

Hình 1.11: Tái hợp vùng – vùng gián tiếp
1.1.6.3. T ái hợp phát xạ và tái hợp k hôn g phát xạ
Như ở trên ta đã biết khi một electron tái hợp với lỗ trống, năng lượng
dư thừa trong quá trình tái hợp sẽ phát xạ dưới dạng một photon ánh sáng
(tái hợp phát quangï) hoặc truyền hết cho các phonon (tái hợp không phát
quangï).

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


16

X ét cụ thể hơn thì sự tái hợp vùng – vùng thường kèm theo sự phát
quang do năng lượng dư thừa lớn nên bức xạ phát ra là một photon và được
gọi là sự tái hợp phát xạ. Còn trong tái hợp vùng – tâm , năng lượng tiêu hao
trong tái hợp gián tiếp, nhỏ hơn nhiều so với độ rộng vùng cấm nên có thể
tiêu hao theo cách phát xạ photon hoặc không phát xạ mà truyền cho
phonon, nên tái hợp vùng – tâm có thể phát xạ hoặc không phát xạ.
Để xem xét một vật liệu sau khi đã hấp thụ năng lượng ion hóa có
phát quang hay không thì người ta dựa vào xác suất tỷ đối của dịch chuyển
phát xạ và dịch chuyển không phát xạ.
Trong phạm vi của luận văn này chúng tôi chỉ quan tâm đến sự tái
hợp có kèm theo phát quang tức tái hợp phát xạ.
1.2. CA ÙC M Ô HÌNH NHIỆT PHA ÙT QUA NG [1], [4]
1.2.1. M ô hình đơn giản nhất

Trong mô hình này chỉ có hai mức năng lượng định xứ T và R. T là
bẫy electron nằm giữa Ec và De , còn R là tâm tái hợp nằm giữa Ef và Dh
(hình 1.12).

(hu) phát xạ
(hu) hấp thụ

Hình 1.12 – Mô hình đơn giản hai mức của nhiệt phát quang
Các dịch chuyển cho phép :
Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


17

(1) : sự ion hóa
(2), (5) : các quá trình bẫy electron và lỗ trống tương ứng
(3) : quá trình giải thoát bằng nhiệt
(4) : quá trình phát quang khi tái hợp
Ở trạng thái cân bằng khi vật liệu chưa bị chiếu xạ thì T hoàn toàn
trống, còn R chứa đầy electron. Khi vật liệu bị chiếu xạ bằng các ti ion hóa
sẽ tạo ra cặp electron – lỗ trống (dịch chuyển (1)) (hình 1.12). Electron
chuyển động tự do trong vùng dẫn cò lỗ trống chuyển động tự do trong vùng
hoá trị. Các điện tích tự do này có thể tham gia và một trong các quá trình
sau :
Ø Chúng tái hợp với nhau để tạo ra sự phát quang phóng xạ
Ø Bị bắt tại các bẫy
Ø Giữ nguyên trạng thái tự do ở vùng dẫn hoặc vùng hoá trị. Tuy nhiên

các điện tích tự do không tồn tại lâu trong các vùng này (vì vật liệu là
chất điện môi hoặc bán dẫn) mà phải tái hợp hoặc bị bắt tại các bẫy .
Như vậy , để có sự tái hợp thì phải có sự bẫy lỗ trống tại R (dịch
chuyển (5)), sau đó sẽ có sự tái hợp thông qua dịch chuyển (4) (hình 1.12).
Nếu sự tái hợp là phát xạ thì vật liệu sẽ phát sáng.
Electron có thể bị bắt tại T (dịch chuyển (2) ở hình 1.12), và sự tái
hợp xảy ra khi electron hấp thụ một năng lượng E đủ lớn để có thể thoát
khỏi bẫy trở về vùng dẫn. Như vậy sự phát quang bị trễ một khoảng thời
gian t. Nếu chủ động nâng nhiệt độ của mẫu lên cao sao cho kT >> E làm
nâng cao xác suất rời khỏi bẫy của electron thì quá trình phát quang sẽ được
đẩy nhanh.

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh


18

Từ đường cong phát quang có thể thu được thông tin về sự phân bố
các mức năng lượng của bẫy trong vật liệu phát quang (E càng lớn thì nhiệt
độ tại đó cường độ phát quang cực đại càng cao). Còn thông tin về tâm tái
hợp ta cần phải đo phổ phát xạ của vật liệu, tức phép đo sự phụ thuộc của
cường độ phát quang theo bước sóng ánh sáng do vật liệu phát xạ I(l) (hình

Cường độ (đơn vị tùy ý)

1.13).

:}>
Hình 1.13 – Phổ phát xạ của tinh thể Zircon pha tạp Sm ở 25K và ở nhiệt độ

phòng [18]
Phép đo thu được nhiều thông tin nhất thuộc loại này là phép đo 3D,
tức là phép đo đồng thời sự phụ thuộc của cường độ phát quang theo nhiệt
độ và bước sóng I(T,l) (hình 1.14). Một phương pháp tương tự như đồ thị 3D
là vẽ đồ thị biểu diễn các điểm có cùng cường độ I theo l và T được gọi là
đường contour (đường viền).

Luận văn Thạc só Vật lý
Trang

HVTH : Phan Thị Quỳnh