“Nghiên cứu các loại bẫy sâu được hình thành trong quá trình chế tạo vật liệu phát quang”

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA VẬT LÝ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CÁC LOẠI BẪY SÂU ĐƯỢC
HÌNH THÀNH TRONG QUÁ TRÌNH
CHẾ TẠO VẬT LIỆU PHÁT QUANG

Sinh viên thực hiện : TRẦN THỊ ÁI TRINH
Lớp

: 11SVL

Khóa

: 2011 - 2015

Ngành

: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Giáo viên hướng dẫn : Th.S TRẦN BÁ NAM

- 04/2015-


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành khóa luận này, lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến tất
cả các thầy cô giáo trong Khoa Vật lý đã hết lòng dạy bảo, truyền đạt cho em những
kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với thầy Trần Bá Nam đã tận tình hướng
dẫn, chỉ dạy và giải đáp các thắc mắc của em trong suốt thời gian làm khóa luận.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Thanh Sơn đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm khóa luận.
Em xin cảm ơn cô Vũ Thị Thái Hà – Viện Khoa học Vật liệu Hà Nội đã giúp đỡ
em trong việc đo đường cong nhiệt phát quang của các mẫu vật liệu.
Em cũng xin cảm ơn các bạn trong nhóm nghiên cứu đã cùng tham gia chế tạo
và nghiên cứu các mẫu vật liệu.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, người thân và các bạn đã
luôn bên cạnh và ủng hộ em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng ngày 20 tháng 4 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trần Thị Ái Trinh

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 1


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 6
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 6
2. Mục đích của đề tài ................................................................................................. 7
3. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................................. 7
4. Nhiệm vụ nghiên cứu .............................................................................................. 7
5. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 7
6. Cấu trúc và nội dung của đề tài ............................................................................... 7
NỘI DUNG .................................................................................................................... 9
PHẦN 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG .............................. 9
NHIỆT PHÁT QUANG (TL) ...................................................................................... 9
1.1 Hiện tượng nhiệt phát quang ................................................................................. 9
1.1.1 Định nghĩa hiện tượng nhiệt phát quang ........................................................ 9
1.1.2 Các tính chất của vật liệu nhiệt phát quang .................................................. 10
1.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng nhiệt phát quang................................................ 10
1.2.1 Vùng năng lượng và các mức định xứ .......................................................... 10
1.2.1.1 Vật liệu tinh thể ...................................................................................... 10
1.2.1.2 Vật liệu thủy tinh .................................................................................... 12
1.2.2 Các bẫy và các tâm tái hợp ........................................................................... 13
1.2.3 Quá trình tái hợp ........................................................................................... 15
1.2.3.1 Tái hợp trực tiếp và tái hợp gián tiếp ..................................................... 15
1.2.3.2 Tái hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ ................................................ 16
1.2.4 Các mô hình nhiệt phát quang ...................................................................... 17
1.2.4.1 Mô hình vùng đơn giản nhất .................................................................. 17
1.2.4.2 Một số bổ sung cho mô hình đơn giản ................................................... 20
1.2.4.3 Các mô hình phức tạp ............................................................................. 21
CHƯƠNG II: CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HIỆN TƯỢNG ..................... 23
NHIỆT PHÁT QUANG ............................................................................................. 23

2.1 Động học bậc một – sự tái bắt yếu ...................................................................... 24
2.2 Động học bậc hai – sự tái bắt mạnh .................................................................... 25
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 2


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

2.3 Động học bậc tổng quát ...................................................................................... 26
CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐƯỜNG CONG ............... 27
NHIỆT PHÁT QUANG ............................................................................................. 27
3.1 Phương pháp một phần hay toàn bộ đường cong................................................ 27
3.2 Phương pháp hình dạng đỉnh .............................................................................. 29
3.3 Phương pháp vị trí đỉnh ....................................................................................... 31
3.3.1 Phương pháp trực tiếp ................................................................................... 31
3.3.2 Phương pháp tính E từ sự thay đổi của Tm ................................................... 31
3.4 Phương pháp làm khớp đường cong ................................................................... 32
3.5 Phân tích đẳng nhiệt ............................................................................................ 33
3.6 Tính toán thừa số tần suất s ................................................................................. 33
CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG ........ 34
4.1 Đo liều phóng xạ ................................................................................................. 34
4.2 Xác định tuổi ....................................................................................................... 34
4.3 Địa chất học......................................................................................................... 35
4.4 Khuyết tật của chất rắn........................................................................................ 37
4.5 Các ứng dụng khác .............................................................................................. 38
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................................... 39
1.Chế tạo mẫu............................................................................................................ 39

2. Kết quả và thảo luận .............................................................................................. 40
2.1 Kết quả đo nhiệt phát quang TL ...................................................................... 40
2.1.1 Mẫu vật liệu nền Mg.Al2O4 pha x% Cr3+ .................................................. 41
2.1.2 Mẫu vật liệu nền Zn.Al2O3 pha x% Cr3+ ................................................... 46
2.2 Giá trị độ sâu bẫy của các đường cong nhiệt phát quang TL .......................... 54
2.3 Đường cong TL của hai vật liệu Mg.Al2O4:2,5% Cr3+ và Zn.Al2O4:2,5% Cr3+
............................................................................................................................... 55
2.4 Phổ phát quang của tinh thể aluminat Mg.Al2O4 và Zn.Al2O4 ........................ 56
2.5 Thảo luận kết quả............................................................................................. 57
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 60

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 3


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

PHẦN 1
Hình 1.1 Sự dịch chuyển của các ðiện tử trong tinh thể bán dẫn và ðiện môi……….
Hình 1.2 Mô hình hai mức năng lượng đơn giản của nhiệt phát quang……………...
Hình 1.3. Sơ đồ mức năng lượng khái quát của nhiệt phát quang…………................
Hình 3.1 Sự thay đổi năng lượng kích hoạt theo sự tăng của nhiệt độ nâng mẫu đối với
ba mẫu kim cương ....…………………………….………………………………...…
Hình 3.2 Đường cong TL mô tả phương pháp dạng đỉnh……….………...…..……...
Hình 3.3 Sự thay đổi Tm theo E với các giá trị s /  đối với động học bậc một…....…

PHẦN 2
Hình 1. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Mg.Al2O4: 0,5% Cr3+…………...
Hình 2. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Mg.Al2O4: 1.0% Cr3+…………...
Hình 3. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Mg.Al2O4: 1,5% Cr3+…………...
Hình 4. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Mg.Al2O4: 2,0% Cr3+…………...
Hình 5. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Mg.Al2O4: 2,5% Cr3+…………...
Hình 6. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 0,5% Cr3+……………
Hình 7. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 1,0%Cr3+……….……
Hình 8. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 1,5% Cr3+……………
Hình 9. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 2,0% Cr3+……………
Hình 10. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 2,5%Cr3+…………...
Hình 11. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 3,0% Cr3+…………..
Hình 12. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 3,5% Cr3+…………..
Hình 13. Đường cong nhiệt phát quang của tinh thể Zn.Al2O4: 4,0% Cr3+…………..
Hình 14. Đường cong TL của hai vật liệu Mg.Al2O4:2,5% Cr3+ và Zn.Al2O4:2,5%
Cr3+……………………………………………………………………………………
Hình 15. Phổ huỳnh quang của tinh thể Mg.Al2O4:2,5% Cr3+……………………….
Hình 16. Phổ huỳnh quang của tinh thể Zn.Al2O4:2,5% Cr3+………………………..

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 4


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam
DANH MỤC BẢNG

PHẦN 1

Bảng 3.1 Giá trị các hằng số

và

………………………………………………...

Bảng 3.2 Giá trị các hằng số

và

của bậc ðộng học tổng quát……......................

PHẦN 2
Bảng 1. Chế tạo mẫu………………………………………………………………….
Bảng 2. Giá trị độ sâu bẫy của tinh thể aluminat Mg.Al2O4 vàZn.Al2O4......................

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 5


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Từ xưa các nhà khoa học đã khẳng định các khoáng vật sẽ phát ra ánh sáng yếu
khi nung nóng trong bóng tối. Các kiến thức khoa học đầu tiên về sự hấp thụ của vật
liệu nhiệt phát quang được viết năm 1663 bởi Robert Boyle (Boyle, 1663).

Năm 1982, Calloud khám phá ra khi nung nóng mẫu vật Sunfat sẽ xuất hiện
một ánh sáng xanh dương trong khoảng nhiệt độ giữa vùng 100 và 180 . Quan sát
này được chấp nhận ít lâu sau bởi Pelletier. Năm 1867, Becquerel cũng báo cáo sự
phát quang của Flo khi nó được nung nóng. Vài năm sau, Alexander Herschel cho ra
những bài báo đầu tiên của nhiệt phát quang từ khoáng vật ngoài khí quyển.
Morse đã tiến hành những nghiên cứu đầu tiên về phổ kích thích của nhiệt phát
quang trên khoáng vật Flo vào năm 1905.
Lind và Barwell (1913) tiếp tục nghiên cứu về phóng xạ gây nên nhiệt phát
quang bằng cách sử dụng nguyên tố phóng xạ để kích thích phát sáng từ các loại đá
quý khác nhau và các khoáng vật trong suốt. Wick đã quan sát về hiện tượng nhiệt
phát quang tự nhiên của quặng Flo (1924).
Nhiệt độ mà tại đó đỉnh nhiệt phát quang cực đại xảy ra có mối liên hệ với độ
sâu bẫy electron. Điều này được thừa nhận bởi Urbach (1930) và là chìa khóa để sử
dụng nhiệt phát quang nghiên cứu sự phân bố độ sâu bẫy.
Nhiệt phát quang ngày càng được nhiều người quan tâm nghiên cứu và cho ra
những công bố bất ngờ. Bằng các thí nghiệm khoa học kỹ thuật , nhiệt phát quang cho
thấy nó có nhiều ứng dụng đa dạng trong các môn học có tính khoa học như khảo cổ
học, địa chất học, y học, vật lý bán dẫn, sinh vật học, hóa học hữu cơ… Nhiệt phát
quang trở thành phương pháp phổ biến để nghiên cứu cấu trúc, sự phân bố bẫy của
electron trong các vật liệu nhờ các kĩ thuật tương đối đơn giản. Các nhà khoa học Việt
Nam cũng đang quan tâm nghiên cứu, phục vụ cho nhu cầu phát triển của đất nước.
Với những yêu cầu trên đề tài được chọn là “Nghiên cứu các loại bẫy sâu được hình
thành trong quá trình chế tạo vật liệu phát quang”
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 6


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

Từ những nghiên cứu trước và điều kiện hiện có của phòng thí nghiệm khoa
Vật Lý trường Đại học Sư Phạm - Đại học Đà Nẵng, đã tìm hiểu được cách chế tạo
tinh thể Aluminat có pha tạp ion

. Sau khi chế tạo mẫu, sẽ tiến hành nghiên cứu

đường cong TL của vật liệu và cuối cùng tính toán thu lại kết quả độ sâu bẫy

có thể

sử dụng để mô tả quá trình nhiệt phát quang trong vật liệu.
2. Mục đích của đề tài
- Chế tạo vật liệu nền aluminat pha tạp

.

- Khảo sát dạng phổ TL của vật liệu aluminat kẽm và aluminat magiê pha tạp
.
- Phân tích phổ thu được của vật liệu này, từ đó tính toán năng lượng bẫy

của

các vật liệu và sử dụng nó để mô tả hiện tượng nhiệt phát quang trong vật liệu.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Lý thuyết nhiệt phát quang, các mô hình động học, các phương pháp khảo sát
đường cong nhiệt phát quang và ứng dụng của nó.
- Các mẫu vật liệu nền Aluminat pha tạp

.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tổng hợp các lý thuyết về nhiệt phát quang.
- Xác định phương pháp và quy trình chế tạo vật liệu.
- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí hoạt động và hướng dẫn sử dụng cho các thiết bị
phục vụ cho quá trình chế tạo mẫu.
- Xử lý số liệu thực nghiệm và rút ra kết luận.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết nhiệt phát quang.
- Chế tạo mẫu vật liệu bằng phương pháp gốm.
- Xử lý số liệu bằng phần mềm Origin.
6. Cấu trúc và nội dung của đề tài
- Phần mở đầu: Giới thiệu chung về khóa luận (Khoảng 3 trang)
- Phần nội dung: Gồm 2 phần.
Phần 1: Cơ sở lý thuyết.

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 7


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

+ Chương 1: Tổng quan lý thuyết về hiện tượng nhiệt phát quang.
+ Chương 2: Các mô hình động học của hiện tượng nhiệt phát quang
+ Chương 3: Các phương pháp phân tích đường cong nhiệt phát quang.
+ Chương 4: Các ứng dụng của hiện tượng nhiệt phát quang.

Phần 2: Thực nghiệm.
+ Chế tạo mẫu
+ Kết quả và thảo luận.
Phần 3: Kết luận
Tài liệu tham khảo

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 8


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

NỘI DUNG
PHẦN 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG
NHIỆT PHÁT QUANG (TL)
1.1 Hiện tượng nhiệt phát quang
1.1.1 Định nghĩa hiện tượng nhiệt phát quang
Khi bức xạ được chiếu đến vật liệu, một phần năng lượng của nó có thể được
hấp thụ và phát ra lại như ánh sáng trong vùng bước sóng dài dài hơn (định luật
Stoke). Đó là quá trình phát quang. Bước sóng của bức xạ phát quang đặc trưng cho
vật liệu phát quang và không liên quan tới bức xạ điện từ. Nhiều nghiên cứu về hiện
tượng phát quang liên quan đến sự phát ra ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy
nhưng nhiều bước sóng khác cũng có thể được kích thích ở ngoài vùng tím hoặc dưới
đỏ.
Các hiện tượng phát quang khác nhau được gọi tên theo loại bức xạ được sử
dụng để kích thích sự phát quang. Theo cách đó ta có hiện tượng quang phát quang

(kích thích bởi ánh sáng quang học hoặc lân cận vùng tím), phát quang bằng sóng điện
từ (bức xạ hạt nhân, tia , phân tử , tia X,..) và catot phát quang (tia electron). Ngoài
ra để kích thích sự bức xạ, phát quang còn có thể được tạo ra bởi năng lượng hóa học
(hóa phát quang), năng lượng cơ học (ma sát phát quang) và cả sóng âm (sự phát
quang do siêu âm)…
Hiện tượng phát quang cưỡng bức nhiệt (hay còn gọi là nhiệt phát quang) là hiện
tượng các chất điện môi hoặc chất bán dẫn phát ra ánh sáng khi bị nung nóng sau khi
đã được chiếu xạ bởi các nguồn ion hóa (tia α, β, X…) ở nhiệt độ thấp.
Hiện tượng nhiệt phát quang (thermoluminesscence) là một trong các hiện tượng
phát quang (luminescence).
Vật liệu kim loại không có hiện tượng nhiệt phát quang. Hiện tượng nhiệt phát
quang được kích thích bởi năng lượng nhiệt, nhiệt không phải là nguyên nhân của
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 9


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

nhiệt phát quang mà chỉ là yếu tố kích thích. Nguyên nhân của nhiệt phát quang là sự
hấp thụ năng lượng ion hóa trước đó của vật liệu. Sau khi vật liệu phát quang, ta không
thể làm cho vật phát quang trở lại bằng cách nung nhiệt. Muốn cho vật phát quang trở
lại, ta phải tiến hành chiếu xạ cho vật trước khi nung nóng. Hiện tượng nhiệt phát
quang (thermoluminesscence) là một trong các hiện tượng phát quang (luminescence).
1.1.2 Các tính chất của vật liệu nhiệt phát quang
- Vật liệu TL phải là chất điện môi hoặc chất bán dẫn. Kim loại hoặc các vật liệu
dẫn điện không có hiện tượng TL.
- Vật liệu phải hấp thụ năng lượng bức xạ ion hóa trong quá trình chiếu xạ.

- Sự phát quang chỉ xảy ra khi vật liệu được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ chiếu xạ.
Có ba thành phần cơ bản cần thiết cho sự bắt đầu của nhiệt phát quang. Thứ
nhất, vật liệu phải là chất cách điện hoặc là chất bán dẫn. Kim loại không thể bộc lộ
đặc tính phát quang này. Thứ hai, vật liệu phải có một khoảng thời gian hấp thu năng
lượng suốt quá trình tiếp xúc nguồn bức xạ. Thứ ba, vật liệu phát quang gây ra bởi sự
nung nóng của vật liệu.
1.2 Cơ sở lý thuyết của hiện tượng nhiệt phát quang
Lý thuyết vùng năng lượng là một cách giải thích đơn giản các thuộc tính phát
quang nghiên cứu được của các loại vật liệu khác nhau được sử dụng. Vì thế, kiểu
vùng năng lượng của vật rắn làm nổi bật các đặc trưng của sự phát quang nói chung và
nhiệt phát quang nói riêng.
1.2.1 Vùng năng lượng và các mức định xứ
1.2.1.1 Vật liệu tinh thể
Giải phương trình Shrodinger cho electron tùy thuộc vào sự thay đổi thế tuần
hoàn cho thấy rằng các vùng năng lượng cho phép của electron chỉ nằm ở “các vùng
được phép”. Các giá trị năng lượng khác có thể là “vùng cấm” hoặc “dải trống”.
Xác suất của mỗi vùng hoặc dải, được mô tả bởi hàm mật độ trạng thái:

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 10


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam
N(E) = Z(E).f(E)

(1.1)

Trong đó f(E) là hàm phân bố Fecmi-Dirac được xác định bởi:
f (E)

(1.2)

Trong đó: N(E) là mật độ mức năng lượng bị chiếm.
Z(E) là mật độ các trạng thái năng lượng có sẵn.
Ef là mức Fecmi.
Ở độ không tuyệt đối, các mức năng lượng dưới mức Ef hoàn toàn đầy, còn các
mức trên Ef thì hoàn toàn trống. Với bán dẫn và điện môi, Ef nằm ở trên vùng năng
lượng hóa trị cao nhất và kết quả là vùng hóa trị lấp đầy nghĩa là tại đó không thể có
sự dịch chuyển của các điện tích theo hướng điện trường. Ở độ không tuyệt đối, nhiều
vật liệu sẽ không dẫn điện. Sự dịch chuyển của dòng điện tử chỉ xảy ra khi các electron
hóa trị được nhận đủ năng lượng để vượt qua vùng trống E g để đến các vùng trống cao
nhất kế tiếp, thường được gọi là vùng dẫn. Sự dẫn điện của các vật liệu phụ thuộc vào
nhiệt độ được đặc trưng bởi công thức
quang học chỉ xảy ra ở tần số trên

. Ở các vật liệu lý tưởng, sự hấp thụ

(h: hằng số Flank). Nếu ở độ không,

nằm ở

vùng năng lượng của electron hóa trị thì vùng năng lượng chỉ đầy một phần và vật liệu
thể hiện tính dẫn của kim loại.
Nhìn chung, với các vật liệu lý tưởng của chất bán dẫn hoặc điện môi thì Z(E)
=0 khi Ec>E>Ev. Trong đó Ec là đáy vùng dẫn và Ev là đỉnh của vùng hóa trị. Tuy
nhiên, khi có khuyết tật cấu trúc xảy ra trong tinh thể hay có tạp chất trong mạng tinh

thể dẫn đến sự sụp đổ của cấu trúc tuần hoàn trong tinh thể và khi đó năng lượng lớn
có thể cung cấp cho electron bị cấm. Điều này dẫn đến sự tạo thành một vùng hấp thụ
quang học mới, đôi khi tạo nên màu sắc bên ngoài cho tinh thể. Sự không hoàn hảo
của loại này có thể xảy ra trên nhiều loại tinh thể nhân tạo đa dạng hoặc tinh thể tự
nhiên trở thành nhân tố quan trọng cho sự xác định loại khuyết tật trội hơn hẳn các loại
khác trong một vật liệu.

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 11


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

Các khuyết tật quan trọng ở các điểm bên trong là khuyết tật Frenkel trong phân
tử, nguyên tử hoặc ion cùng với sự khuyết tương ứng và khuyết tật Shottky, khuyết tật
mạng tinh thể gây bởi sự phản xạ của các ion mạng chủ trên bề mặt của tinh thể.
Những khuyết tật này xảy ra thường xuyên ở các tinh thể ion, nơi mà một hay các loại
khác có thể trội hơn (Barr & Lidiard, 1970). Trong nhiều tinh thể phân tử có khuyết tật
Shottky chiếm ưu thế do sự khó khăn trong chế tạo khe hở với số lượng phân tử lớn.
Việc pha thêm tạp chất vào vật liệu có thể làm tăng sự sai hỏng mạng và dẫn đến sự
tạo thành các khuyết tật điểm (ngoại lai).
Các khuyết tật đường và mặt như là sư lệch mạng (khuyết tật phức tạp xuất hiện
ở ranh giới giữa sự lệch và không lệch giữa hai mặt phẳng) và biên hạt (bề mặt ngoài
chung của hai góc không bằng nhau giữa hai lớp ngoài cùng của hai mặt phẳng mạng
tinh thể song song nhau) có thể cũng tăng các mức năng lượng cho phép nằm trong
vùng cấm. Vùng hóa trị và vùng dẫn mở rộng trong toàn tinh thể trong khi các trạng
thái khuyết tật được tập trung với nhau và được gọi là các mức năng lượng định xứ.

Một electron thoát ra khỏi vùng hóa trị và chuyển động hỗn độn trong tinh thể
có thể bị hút bởi trường lực Coulomb của các vị trí khuyết anion, trở thành “bẫy” và
không còn khả năng dẫn điện. Năng lượng cần thiết để electron thoát ra khỏi bẫy nhỏ
hơn năng lượng cần thiết để giải phóng electron hóa trị ra khỏi ion.
Một nguyên nhân rõ ràng của sự đánh thủng tính tuần hoàn của mạng tinh thể là
dạng bề mặt. Bề mặt gây ra sự ngắt của các thế tuần hoàn và có thể làm tăng các bẫy
trong đó vùng bị cấm trong khu vực bề mặt. Thông thường thì nhiều mức là “cạn”,
năng lượng cần thiết cho các electron tự do và lỗ trống từ các bẫy là nhỏ.
1.2.1.2 Vật liệu thủy tinh
Lý thuyết vùng của vật liệu tinh thể được phát triển để sử dụng làm khái niệm
chung cho mạng tinh thể tuần hoàn nửa bán dẫn làm tăng thế biến đổi tuần hoàn. Tuy
nhiên, trong vật liệu thủy tinh không thể cung cấp một khái niệm rõ ràng bởi vì thiếu
các kiểu hàng dài dẫn đến sự dao động tự do tại các điểm thế. Do tại đây có sự giới
hạn kích thước của sự dao động, việc giải phương trình Shrodinger có thể vẫn thu
được kết quả, trong đó thể hiện rằng tồn tại vùng được phép (Mott, 1977 và bản chi
tiết, Mott & Davies, 1979). Bên trong nhiều vật liệu vô định hình tìm thấy Ef nằm giữa
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 12


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

vùng dẫn và vùng hóa trị mà tại đó Z(E) khác 0. Một cách giải thích cho điều này là có
sự chồng chéo lên nhau bên trong trạng thái các tạp chất cho và tạp chất nhận. Sự thể
hiện của tạp chất trong vật liệu vô định hình phức tạp hơn trong tinh thể. Mức Fermi
luôn xuất hiện rất ít ở vị trí trung tâm của vùng cấm, và rất có thể các tạp chất chỉ sản
sinh ở các trạng thái năng lượng sâu (Mott & Davies, 1979)

1.2.2 Các bẫy và các tâm tái hợp
Một yếu tố chủ yếu của hầu hết các quá trình phát quang là sự thay đổi trong sự
sở hữu các trạng thái năng lượng định xứ khác nhau. Các thay đổi phổ biến này được
thực hiện bởi sự dịch chuyển của các electron từ một trạng thái năng lượng đến một
trạng thái năng lượng khác.
Các kiểu dịch chuyển riêng có thể của cả electron và lỗ trống được thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1 Sự dịch chuyển của các điện tử trong tinh thể bán dẫn và điện môi.
(a) sự ion hóa;(b) và (e) quá trình tái bắt electron và lỗ trống, (c) và (f) giải phóng
electron và lỗ trống; (d) và (g) quá trình tái hợp gián tiếp; (h) quá trình tái hợp trực
tiếp.
Dịch chuyển (a) là sự kích thích của các electron hóa trị từ nguyên tử của mạng
chủ sang vùng dẫn tại đây trạng thái đủ năng lượng để di chuyển tự do trong mạng tinh
thể. Dịch chuyển (a) tương ứng với quá trình ion hóa và kết quả là sự hấp thụ năng
lượng từ nguồn bên ngoài, bức xạ. Mỗi electron tự do trong vùng dẫn tương ứng một
lỗ trống vùng hóa trị. Như vậy sự ion hóa tạo nên các cặp electron-lỗ trống tự do và
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 13


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

chúng có thể chuyển động tự do trong tinh thể cho đến khi chúng bị bắt trở lại trở nên
bị giới hạn ở các tâm khuyết tật. Điều này dẫn đến các electron bị bẫy ở các bẫy
electron (dịch chuyển (b) hoặc lỗ trống bị bẫy ở các bẫy lỗ trống (dịch chuyển (e)).
Các electron và các lỗ trống bị bẫy có thể thoát ra khỏi các bẫy của chúng bởi kích
thích nhiệt hoặc quang học (dịch chuyển (c) và (f)) và chúng một lần nữa tự do di

chuyển trong toàn bộ tinh thể.
Ngoài ra các electron và lỗ trống tự do có thể tái hợp trực tiếp với các hạt mang
điện trái dấu (dịch chuyển (h)) hoặc tái hợp gián tiếp với các hạt mang điện bị bẫy
(dịch chuyển (d) và (g)). Các cơ chế tái hợp này kèm theo sự phát xạ photon thì xảy ra
hiện tượng nhiệt phát quang.
Như vậy các mức năng lượng định xứ có thể hoạt động như là các bẫy hoặc các
tâm tái hợp. Có thể phân biệt hai loại này dựa vào xác suất của sự tái hợp và kích thích
nhiệt. Tâm bẫy electron thể hiện trên hình 1.1, nếu chuyển dời (c) chiếm ưu thế hơn
chuyển dời (d) thì tâm được phân thành các bẫy. Ngược lại, nếu chuyển dời (d) là ưu
thế hơn chuyển dời (c) thì các mức năng lượng tương ứng với các tâm tái hợp. Tương
tự cho các tâm lỗ trống với các chuyển dời (g) và (f)
Điện tích bị nung nóng thoát ra khỏi bẫy liên hệ hàm mũ với E/kT, với E là “độ
sâu bẫy”. Như vậy, tại một nhiệt độ cho trước các tâm có E nhỏ trở thành bẫy dễ dàng
hơn là các tâm có E lớn. Chính lí do này mà các tâm tái hợp nằm về phía giữa các
vùng cấm và các bẫy nằm về phía biên.
Sự khác biệt giữa một bẫy và một tâm tái hợp này dựa vào xác suất tái bắt và tái
hợp, dẫn đến tạo một nhiệt độ cho trước sẽ tồn tại mức khuyết tật mà tại đó xác suất
dịch chuyển là bằng nhau.
Sự khác biệt giữa một bẫy và một tâm tái hợp không chỉ đơn giản phụ thuộc
vào độ sâu năng lượng của tâm. Từ sự định rõ mức ranh giới có thể viết:
cho electron và
cho lỗ trống.

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 14


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

1.2.3 Quá trình tái hợp
Tất cả các quá trình phát quang đều bị chi phối bởi quá trình tái hợp electron- lỗ
trống. Các kiểu dịch chuyển tái hợp có thể là vùng - vùng, vùng - tâm và tâm – tâm. Sự
tái hợp vùng – vùng có thể gọi là tái hợp trực tiếp, khi sự tái hợp bao gồm các mức
định xứ, các tâm, có thể gọi là gián tiếp. Hơn nữa, để có hiện tượng phát quang, sự tái
hợp phải tương ứng với sự phát xạ của một photon, nghĩa là phải bức xạ.
1.2.3.1 Tái hợp trực tiếp và tái hợp gián tiếp
Sự phát quang do sự tái hợp trực tiếp của các electron và lỗ trống băng qua các
vùng trống có thể được nghiên cứu ở nhiều vật liệu khác nhau. Sự phát quang dịch
chuyển đến vùng bước sóng ngắn hơn ở nhiệt độ được cảm ứng và trong thực tế được
nhìn nhận để theo dõi ranh giới hấp thụ với nhiệt độ. Tái hợp vùng – vùng có thể xảy
ra theo hai cách: tái hợp trực tiếp và tái hợp gián tiếp.
Sư phụ thuộc của thời gian sống

(thời gian electron tự do tồn tại ở vùng dẫn

trước khi tái hợp trực tiếp với các lỗ trống tự do ở vùng hóa trị) vào nhiệt độ của các
ion tự do trong tái hợp trực tiếp được xác định bởi Roosbroeck và Shockley (1954) và
đã được thảo luận một vài lần ở cả vật liệu tinh thể và vô định hình.
Thời gian sống xác định bởi:

Ở đây ni là mật độ hạt mang điện tự do bên trong và R là tỉ lệ phụ thuộc nhiệt độ của
sự tái hợp trực tiếp. Như vậy:

Với

là xác suất xảy ra tái hợp trực tiếp.

Trong nhiều mẫu thì thời gian tái hợp quan sát được rất nhỏ so với thời gian
sống mong đợi của tái hợp vùng – vùng (Kao & Hwang, 1981) dẫn đến cơ chế tái hợp
vùng – tâm có thể chiếm ưu thế, cụ thể là ở nhiệt độ thấp. Ở nhiệt độ cao thì sự đo

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 15


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

lường thời gian sống thường cho thấy gần giống với thời gian dịch chuyển vùng –
vùng như mong đợi.
Tạp chất và các khuyết tật mạng dẫn đến sự phát quang của bước sóng dài hơn
sự dịch chuyển từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, cho thấy sự thay đổi từ tái hợp trưc tiếp
(vùng – vùng) sang gián tiếp (vùng – tâm)
Nói chung, điện môi không tinh khiết và bán dẫn có vùng cấm rộng ở nhiệt độ
thường được đặc trưng bởi thời gian sống mà một hạt mang điện bị giới hạn bởi dịch
chuyển gián tiếp. Điều này không gây ngạc nhiên khi nó được xem xét rằng trong tái
hợp vùng – vùng, các dịch chuyển đáng kể của mômen động lượng như dịch chuyển
năng lượng thường xảy ra. Các lỗ trống và các electron chuyển động tự do với các vận
tốc ngược nhau dẫn đến bảo toàn động lượng.
1.2.3.2 Tái hợp bức xạ và tái hợp không bức xạ
Không giống như dịch chuyển trực tiếp là tổng năng lượng kích thích bị tiêu
hao do sự tương tác các phonon độc lâp. Sự kích thích electron phải mất một lượng lớn
năng lượng tương ứng với vùng cấm và điều này yêu cầu tạo ra đồng thời nhiều
phonon với sự tiêu hao năng lượng của electron. Vì lí do này, dịch chuyển trực tiếp
bao gồm sự phát xạ của photon và nhiều bức xạ. Tuy nhiên, trong dịch chuyển trực

tiếp thì sự mất mát năng lượng ít hơn trong vùng cấm nên sự mất mát có thể là bức xạ
(phát ra các photon) hoặc không bức xạ (phát ra các phonon)
Hiệu suất bức xạ η của một vật liệu được tính như sau:
(1.3)
Với : là xác suất tái hợp.
: là xác suất tái hợp bức xạ.
: là xác suất tái hợp không bức xạ.
Passler (1978) tính toán các kết quả khác nhau của xác suất dịch chuyển và xác
suất tương tác các tâm có thể là hút, trung hòa hoặc đẩy nhau. Trong mỗi trường hợp,
sự kích hoạt nhiệt kiểu hàm
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

là chiếm ưu thế.
Trang 16


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

Như vậy dựa trên cơ chế phát xạ của nhiều phonon, tái hợp không bức xạ của
electron và lỗ trống có thể xảy ra theo chuỗi hai bước nhảy, gọi là sự giam giữ không
bức xạ của electron (theo cơ chế trên) tiếp theo quá trình giam giữ không bức xạ của lỗ
trống tại một tâm giống nhau. Theo cách này thì năng lượng (
vùng cấm) chuyển thành nhiệt cho hai giai đoạn (

-

và (

(năng lượng

-

;

là năng

lượng bẫy electron.
1.2.4 Các mô hình nhiệt phát quang
Nhiều chất phát quang làm tăng tính dẫn điện trong suốt quá trình hấp thụ năng
lượng từ bức xạ. Khi được kích thích bằng đèn quang học hay bức xạ tử ngoại thì làm
giảm điện trở và được gọi là tính quang dẫn, nhưng gọi chung khi chứa khuyết tật
tương tự khi được kích thích bằng bức xạ hạt nhân trên vùng cấm rộng của điện môi
gọi là tính dẫn kích thích bằng bức xạ.Hiện tượng siêu dẫn và phát quang có mối liên
hệ chặt chẽ (Garlick, 1958) và rõ ràng là hiện tượng quang dẫn xuất hiện từ sự giải
phóng của các điện tích suốt quá trình phát quang. Đây là cơ sở cho việc thiết lập các
kiểu vùng năng lượng như một cách giải thích cho hiện tượng nhiệt phát quang trong
các vật liệu phát quang bởi vì kiểu này thường hữu ích trong việc cung cấp sự hiểu biết
về các quy trình mà trong đó chứa một vùng điện tử trong mạng tinh thể.
1.2.4.1 Mô hình vùng đơn giản nhất
Mô hình đơn giản nhất được thể hiện ở hình 1.2

Hình 1.2 Mô hình hai mức năng lượng đơn giản của nhiệt phát quang.
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 17


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

Các vùng dịch chuyển được phép: (1) sự ion hóa; (2) và (5) quá trình bẫy
electron và lỗ trống; (3) quá trình giải phóng bằng nhiệt; (4) sự tái hợp do bức xạ và
phát quang.
Trong sơ đồ vùng năng lượng chỉ có hai mức định xứ. Như vậy, một mức hoạt
động như bẫy (T) và một trạng thái khác như một tâm tái hợp (R). Bẫy là trạng thái
nằm trên mức cân bằng Fermi

và trống ở trạng thái cân bằng (trước khi hấp thụ bức

xạ). Đó là một bẫy thế electron. Tâm tái hợp, trên một vùng khác là trạng thái nằm
dưới mức Fermi và chứa đầy electron và là một bẫy thế lỗ trống.
Sự hấp thụ năng lượng bức xạ

>

–

(lớn hơn năng lượng vùng cấm)

dẫn đến sự ion hóa các electron hóa trị, tạo ra các electron tự do vùng dẫn và các lỗ
trống tự do ở vùng hóa trị (dịch chuyển 1). Các điện tích tự do có thể tái hợp với các
điện tích tự do khác trở thành bẫy hoặc là vẫn tồn tại trong các vùng định xứ. Kèm với
sự hấp thụ năng lượng bức xạ, một số mẫu sẽ trở nên siêu dẫn hơn trước. Điều này
mâu thuẫn với những nghiên cứu và nó không xem xét sâu hơn được nữa.
Quá trình tái hợp trực tiếp của các electron tự do và lỗ trống ở vùng cấm ít hơn
so với tái hợp gián tiếp, sự tái hợp ở trạng thái khuyết tật, đặc biệt là độ rộng vùng cấm
rộng như chất bán dẫn và điện môi. Như vậy, sự tái hợp xảy ra với lỗ trống trước hết

tại tâm bẫy R (dịch chuyển 5). Tái hợp diễn ra qua sự hủy diệt của các lỗ trống bị bẫy
bởi các electron tự do (dịch chuyển 4). Trong dạng này, nếu dịch chuyển tái hợp có
bức xạ thì quá trình phát quang xảy ra.
Electron tự do có thể bị bắt ở mức T (dịch chuyển 2) mà sự tái hợp chỉ có thể
xảy ra nếu các electron bị bắt hấp thụ đủ năng lượng để trở về vùng dẫn và xảy ra sự
tái hợp. Do đó, quá trình phát quang bị trễ một thời gian sống τ mà electron trải qua
trong bẫy, như vậy, biểu thức Arrhenius như sau:
(1.4)
Trong đó,

là xác suất giải phóng electron khỏi bẫy.

Nếu độ sâu bẫy rất lớn ở nhiệt độ bức xạ, T0, E >> kT0 thì electron sẽ bị bắt
trong khoảng thời gian khá lâu sau khi ngừng chiếu xạ và có sự phân bố electron bị bắt
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 18


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

tại đó. Ngoài ra, do electron và lỗ trống được tạo ra theo cặp và bị hủy cũng theo cặp
nên tồn tại một số lỗ trống bị bẫy ở mức R. Vì mức cân bằng Fermi nằm dưới mức T
và trên mức R, do đó sự phân bố electron và lỗ trống bị bắt tạo ra trạng thái không cân
bằng và luôn mở rộng nhưng do sự nhiễu loạn nhiệt để thoát khỏi trạng thái cân bằng
do sự chiếu xạ ở nhiệt độ thấp (so với T=E/k), nên tốc độ hồi phục theo biểu thức (1.4)
là rất thấp. Như vậy, trạng thái không cân bằng là giả bền và tồn tại trong một khoảng
thời gian xác định được tính bởi tham số E và s.

Sự trở về trạng thái cân bằng có thể được tăng tốc bằng cách tăng nhiệt độ của
mẫu lên cao hơn nhiệt độ T0 sao cho E<< kT. Điều này sẽ nâng cao xác suất p thoát
khỏi bẫy và các electron sẽ thoát khỏi bẫy đi đến vùng dẫn. Nhiệt phát quang sẽ xuất
hiện nếu electron tự do tái hợp với lỗ trống bị bắt.
Cường độ nhiệt phát quang I(t) tại một thời điểm bất kì trong quá trình đốt nóng
tỉ lệ với tốc độ tái hợp electron và lỗ trống ở mức R. Nếu

là nồng độ lỗ trống bị bẫy

thì:
(1.5)
Khi nhiệt độ tăng electron được giải phóng và sự tái hợp diễn ra làm giảm nồng
độ lỗ trống bị bắt và tăng cường độ nhiệt phát quang. Khi các bẫy electron trống tốc độ
tái hợp giảm và do đó cường độ nhiệt phát quang giảm. Điều này tạo nên các đỉnh
nhiệt phát quang đặc trưng. Nhiệt phát quang được hiển thị như một hàm phụ thuộc
thời gian, nhiệt độ tăng tuyến tính với thời gian theo hàm:
(1.6)
Trong đó, β là tốc độ nhiệt và
Vì xác suất giải phóng electron khỏi bẫy có quan hệ với độ sâu bẫy E và nhiệt
độ nên vùng nhiệt độ mà đỉnh nhiệt phát quang xuất hiện có liên quan đến độ sâu bẫy.
Vị trí cực đại của đỉnh nhiệt phát quang được xác định bởi E và s. Đối với s cho sẵn,
giá trị của E càng lớn thì nhiệt độ Tm càng cao. Bằng cách này, xác định nhiệt phát

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 19


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

quang bằng thực nghiệm có thể đưa ra thông tin về sự phân bố trạng thái bẫy của vật
liệu lân quang.
Để thu thập thông tin về vị trí của tâm tái hợp cần tiến hành các phép đo về phổ
bức xạ của nhiệt phát quang. Năng lượng phát xạ (h )e bị chi phối bởi sự sai khác
giữa trạng thái kích thích (trong trường hợp vùng dẫn) và trạng thái cơ bản (tâm tái
hợp). Phương pháp thường dùng là quét các bước sóng ở một nhiệt độ (hoặc một vùng
nhiệt độ rất hẹp) để thu được đường cong glow-curve. Phép đo hữu ích nhất của loại
trên là phép đo đồng thời cường độ nhiệt phát quang như hàm phụ thuộc nhiệt độ mẫu
và bước sóng phát xạ (λ). Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của I-T-λ được gọi là đồ thị
3D. Một cách tương tự để vẽ đồ thị với cùng dữ liệu là vẽ đồ thị “contour” (đường
viền) có cùng cường độ được biểu diễn theo các tham số T và λ khác nhau.
Dạng đồ thị mà chúng ta vừa trình bày là dạng đơn giản nhất để giải thích nhiệt
phát quang khi quá trình kèm theo sự dịch chuyển điện tích qua mạng tinh thể. Cơ chế
nhiệt phát quang chỉ cần hai mức năng lượng định xứ (một cho bẫy electron và một
cho tâm tái hợp). Dạng vùng của các vật liệu thực tế có thể phức tạp hơn dạng này
nhưng mô hình đơn giản này có thể giải thích các hiện tượng của nhiệt phát quang ở
mức định tính.
1.2.4.2 Một số bổ sung cho mô hình đơn giản
Mặc dù có thể sử dụng mô hình hai mức để mô tả cho nhiều đặc tính cần thiết
của nhiệt phát quang .Nhưng trên thực tế thì không phải ai cũng biết về vật liệu phát
quang chỉ có một sơ đồ vùng năng lượng đơn giản. Bằng chứng tốt nhất cho điều này
xuất phát từ bản thân nhiệt phát quang. Ví dụ, với mô hình không phức tạp chỉ có một
đỉnh nhiệt phát quang được quan sát khi đốt nóng mẫu kèm theo bức xạ và ánh sáng
nhiệt phát quang chỉ một màu đơn sắc.
Ít nhất phải có một bẫy, hoặc một tâm tái hợp, hoặc cả hai nằm trong sơ đồ
vùng năng lượng. Có thể có một số kiểu vùng tạo ra theo kiểu này, ví dụ thể hiện trên
hình 1.3 (Hill & Schwed, 1955; Halperin & Braner, 1960). Trong sơ đồ thì có Nj bẫy
electron và Nhj bẫy lỗ trống với nj electron bị bẫy và nhj lỗ trống bị bẫy theo thứ tự. Sau

khi bị chiếu bức xạ và trước khi nung nóng thì điều kiện cân bằng điện tích:
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 20


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

n

j

  nhi

(1.7)

Hình 1.3. Sơ đồ mức năng lượng khái quát của nhiệt phát quang
Ngoài ra khả năng tái bắt của một vài bẫy và một tâm tái hợp làm tăng vài đỉnh
nhiệt phát quang, ứng với một bước sóng phát xạ giống nhau nhưng độ sâu bẫy khác
nhau (năng lượng kích hoạt). Do đó cũng phải thừa nhận điều ngược lại là một bẫy và
một vài tâm tái hợp kích hoạt ở các nhiệt độ khác nhau thu lại một vài đỉnh thấp, cùng
một năng lượng kích hoạt, nhưng các bước sóng phát xạ khác nhau được thảo luận bởi
Hill & Schwed (1955) và Bonfiglioli, Brovetto & Cortese (1956 a,b).
Một số mở rộng rõ ràng đối với sơ đồ của một vài bẫy và một vài tâm tái hợp là
năng lượng bẫy phải phân bố liên tục hoặc gần như liên tục trong một số trường hợp
riêng đỉnh nhiệt phát quang sẽ không quan sát được. Trường hợp này xảy ra khi vật
liệu là đa tinh thể hay là vô định hình, hoặc là hữu cơ hay vô cơ. Mô tả bình thường về
một biểu đồ vùng năng lượng gồm vùng dẫn và vùng hóa trị được tách biệt bởi vùng

cấm thì không thể áp dụng với các mẫu vô định hình. Trong trường hợp bất kì, các
chất phát quang vô định hình và đa tinh thể có bậc động học phạm vi ngắn cho phép
ứng dụng giản đồ năng lượng để tính toán ở khoảng cách micro.
1.2.4.3 Các mô hình phức tạp
Gần đây nhiều mô hình phức tạp của nhiệt phát quang được thảo luận bởi
Schön và các cộng sự (Riehl & Schön, 1939; Schön, 1942) nhiệt không chỉ giải phóng
electron và tái hợp chúng với các bẫy lỗ trống cho phép mà nhiệt còn giải phóng các
bẫy lỗ trống và tái hợp chúng với các bẫy electron được xem xét xảy ra vào thời gian
này.
SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 21


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

Xác suất lỗ trống thoát khỏi bẫy được tính:
(1.8)
: độ sâu bẫy lỗ trống nằm trên vùng hóa trị
: tần số thất thoát
Sự giải phóng của electron và lỗ trống xảy ra tại cùng một nhiệt độ nên rõ ràng
cần thiết

điều kiện trung hòa điện tích áp dụng suốt giai đoạn bẫy trống.

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 22

Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

CHƯƠNG II: CÁC MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HIỆN TƯỢNG
NHIỆT PHÁT QUANG
Một trong những mục đích chính của thực nghiệm đo nhiệt phát quang là thu
thập dữ liệu từ một hay nhiều đường cong glow-curve thực nghiệm, và dùng dữ liệu
này để tính toán giá trị các thông số khác nhau liên quan đến quá trình dịch chuyển
điện tích trong nghiên cứu vật liệu. Các thông số bao gồm: độ sâu bẫy (E), hệ số tần
suất (s), tiết diện bẫy, mật độ các bẫy và tâm tái hợp tham gia vào quá trình phát xạ
nhiệt phát quang. Người ta tìm ra biểu thức động học để mô tả sự khác nhau về cường
độ nhiệt phát quang theo nhiệt độ. Từ biểu thức này, đưa ra các mô tả đơn giản hơn có
liên quan đến các tham số với dữ liệu. Dù các giá trị của các tham số có thể chấp nhận
và các giá trị này được dùng để dự đoán hình dạng và tính chất của đường glow-curve
của nhiệt phát quang nhưng không cho phép xác định chính xác mô hình của nó.
Phương pháp phân tích đơn giản nhất được dùng để tính toán các tham số bẫy đã được
thảo luận và đặc biệt, nó có khuynh hướng gặp phải những khó khăn khi thu thập dữ
liệu thích hợp từ các đường glow-curve thực nghiệm. Thông thường, người ta dựa vào
phương pháp gần đúng để đạt được cách giải quyết có tính phân tích. Thông thường có
hai cách: (1) là nồng độ điện tích tự do trong vùng dẫn nhỏ hơn nồng độ điện tích bị
bắt, nghĩa là:

và (2) là tốc độ thay đổi nồng độ điện tích tự do thấp hơn tốc độ thay đổi nồng độ điện
tích bị bắt, nghĩa là:

Cần lưu ý rằng hai giả thiết này không hoàn toàn đồng nhất với nhau. Đưa cả
hai giả thiết cùng lúc ngụ ý rằng thời gian sống của điện tích tự do nhỏ hơn thời gian

sống của các điện tích bị bắt, làm tăng nồng độ điện tích tự do.

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 23


Khóa luận tốt nghiệp

GVHD: Th.S Trần Bá Nam

Halperin & Braner đưa ra biểu thức:
I (t ) 

 dnh
pnAr nh

dt
Ar nh  A( N  n)

(2.1)

pn 2
Với nc << n thì I (t ) 
n  R ( N  n)

(2.2)

Trong đó, R= A/ Ar.
Kelly và Braunlich (1970) đưa các bẫy m cách nhiệt:

I (t ) 

pn(m  n)
(1  R)n  m  RN

(2.3)

Khi m= 0 thì biểu thức (2.3) rút gọn thành biểu thức ( 2.2)
2.1 Động học bậc một – sự tái bắt yếu
Động học bậc 1 về các mô hình nhiệt phát quang, Randall & Wilkins (1945a, b) đã giả
thuyết rằng xác suất tái bắt là không đáng kể có thể bỏ qua được so với xác suất tái
hợp.
Biểu thức thể hiện:
(2.4)
Hay

R<<

n
N n

(2.5)

Ứng dụng biểu thức (2.5) vào biểu thức (2.2) thì:

Vì dnc  dn nên I (t )   dnh   dn
dt

dt

Do đó,

dt

dt

I (t )  

dn
 nse(  E / kT )
dt

(2.6)

Tích phân từ t=t0, giả sử quá trình nâng nhiệt là tuyến tính, thì

SVTH: Trần Thị Ái Trinh

Trang 24