Bài tập phương pháp khảo sát tính chất vật liệu nano phương pháp đo nhiệt huỳnh quang tích phân

Họ và Tên : Nguyễn Thị Nguyên

Mã SV

: 18000658

Phương pháp khảo sát tính chất vật liệu nano.

Phương pháp đo nhiệt huỳnh quang tích phân.

I. Nhiệt huỳnh quang:

1.Tìm hiểu hiện tượng nhiệt huỳnh quang

Nhiệt huỳnh quang hay nhiệt phát quang (TL) là hiện tượng phát
ra ánh sáng từ vật liệu (bao gờm chất cách điện hoặc chất bán
dẫn) được nung nóng khi mà trước đó vật liệu đã được chiếu xạ
một cách có chủ đích hay tình cờ bởi các bức xạ ion hóa.


Các yếu tố đảm bảo cho việc phát tín hiệu TL: vật liệu phải là
chất bán dẫn hoặc chất cách điện, kim loại khơng phát ra tín
hiệu TL, vật liệu phải có thời gian để hấp thụ đủ năng lượng khi
được phơi chiếu bức xạ và được nung nóng để phát tín hiệu TL.

2.Cơ chế đơn giản giải thích hiện tượng nhiệt huỳnh quang

Cơ chế đơn giản để giải thích hiện tượng TL dựa trên lý thuyết vùng
năng lượng và mơ hình ngun tử cơ lập, ngun tử chất bán dẫn hoặc
chất cách điện có vùng hóa trị, vùng dẫn và ở giữa là vùng cấm.

3.Các mơ hình của hiện tượng nhiệt huỳnh quang

Hiện tượng TL bắt nguồn từ sự dịch chuyển của các electron và lỗ
trống đến các mức năng lượng được tạo ra do sự sai khác về mặt cấu


trúc tinh thể - các khuyết tật của vật liệu. Hình 2.1 là sơ đờ cấu trúc
vùng năng lượng đơn giản nhất mô tả hiện tượng TL

II. Phương pháp đo nhiệt huỳnh quang tích phân:

Một trong những phép đo cơ bản khi nghiên cứu nhiệt huỳnh quang là
việc ghi nhận đường nhiệt huỳnh quang tích phân - TL intergral glow
- curve.

Mơ hình cơ chế giải thích cho hiện tượng là giản đồ các mức năng
lượng định xứ trong vùng cấm: các bẫy bắt hạt tải, các tâm tái hợp.


Cơ chế giải phóng điện tử trong q trình đốt nóng có thể được mơ tả
bằng phương trình động học bậc 1, bậc 2 hoặc bậc tổng quát .

Dạng đồ thị của phương trình động học là những đường cong,
ITL=f(T), hoặc theo thời gian I T L =f(t), gọi là đường TL tích phân.

Mỗi một đỉnh trên đường TL dạng I T L=f(T) ứng với cực đại huỳnh
quang và được đặc trưng bởi nhiệt độ T m , năng lượng kích hoạt (độ
sâu bẫy) E, và hệ số tần số thốt s, xác nhận cho sự tờn tại một bẫy bắt
trong vùng cấm của tinh thể. Nói chung, số đỉnh trên đường TL tích
phân đặc trưng cho bản chất, cấu tạo vật liệu và ngược lại từ việc

phân tích đường TL tích phân chúng ta sẽ thu được thơng tin về cấu
trúc vật liệu đó.

Một hệ đo đường TL tích phân thơng thường gờm ba phần chính:


Phần gia nhiệt: bao gồm đầu đốt, giá mẫu và dụng cụ lọc quang. Bộ
phận đầu đốt là thanh đốt đoản mạch có kèm một cặp nhiệt điện và
thiết bị điện tử trợ giúp để theo dõi, điều khiển chế độ gia nhiệt. Giá
mẫu là các khay mai được làm bằng vật liệu chống rỉ để không nhiễm
bẩn mẫu và cho phép đọc nhiệt độ chính xác, liên tục.

Phần đầu thu và khuyểch đại tín hiệu: bao gờm thiết bị biến đổi
quangđiện, khuyếch đại tín hiệu và thiết bị đi kèm để duy trì chế độ
làm việc che các dụng cụ đó. Ống nhân quang điện được dùng phổ


biến để chuyển đổi tín hiệu trước khi đưa vào khuyếch đại. Giống như
ở nhiều hệ đo khác, để hạ thấp giá trị dịng tối nhân quang điện có thể
được làm lạnh bằng thiết bị đi kèm. Dụng cụ khuyếch đại tín hiệu
dùng các điện kế nhạy (Keithle] Picoammeter) để nâng cao độ nhạy
hệ đo đờng thời cho tín hiệu lối ra đi đựơc số hóa, thuận tiện cho việc
ghép nối với máy tính để thu nhận và hiển thị kết quả đo.

Phần xử lý và chỉ thị kết quả: dùng một máy tính cá nhân (PC) có
trang bị phần mềm chun dụng thích hợp để điều khiển q trình đo
(thông qua A I card với hai phần trên của hệ), thu nhận, xử lý và hiển
thị kết quả đo. Kết qu là đường TL tích phân biểu diễn cường độ nhiệt
huỳnh quang phụ thuộc thuộc nhiệt độ I T L=f(T) hoặc theo thời gian I

TL

=f(t).

III. Thực nghiệm đo nhiệt huỳnh quang tích phân:


1. Kỹ thuật thực nghiệm:

Hệ đo TL được thiết kế, chế tạo bởi G. Valladas-đại học Pari 7France, về cơ bản hệ gồm ba bộ phận: + Modul gia nhiệt.

+ Modul điều khiển

+ Modul thu và xử lý tín hiệu TL.


- Modul gia nhiệt: Được chế tạo dựa trên phương pháp đốt đoản
mạch. Thanh đốt được làm bằng vật liệu Niken sạch, với thiết kế như
hình 2.2.

Với thiết kế này sẽ tạo được sự phân bố nhiệt đồng đều trong vùng
đặt mẫu. Chọn lựa vật liệu làm thanh đốt là bài tốn khó vì vật liệu
phải có điện trở suất đủ lớn, ít bị oxi hố bởi mơi trường và ở nhiệt độ
cao nhằm tăng tuổi thọ và độ tin cậy cho các lần đo lặp lại.

-


-

Modul điều khiển: Dựa trên phương pháp lấy tín hiệu hồi tiếp từ cặp
nhiệt điện gắn trên thanh đốt từ đó điều khiển dịng điện một chiều,
dịng điện này sẽ khống chế pha của dòng xoay chiều trong biến áp
đốt dẫn tới khống chế được tốc độ gia nhiệt của thanh đốt.

Hệ đo sử dụng cặp nhiệt điện loại K có thể đo tới 1300°c. Với đường
kính của cặp nhiệt này cỡ 0.1 mm nên đáp ứng thế nhiệt điện rất nhạy
và chính xác.

-Modul thu và xử lý tín hiệu TL: Đầu thu sử dụng ống nhân quang
điện loại M12FC51 của Đức, điện áp ni dịng 1000V. Tín hiệu sau
ống nhân quang điện được đọc bởi điện kế nhạy Keythley 487 có thể


đọc dịng cỡ pA. Đờng bộ hóa các modul trên bằng máy tính với phần
mềm chuyên dụng và Card chuyển đổi AD.

Các tính năng của hệ đo.

Một số thơng số làm việc cơ bản của hệ đo được xác định như sau:

- Tốc độ gia nhiệt: thay đổi từ 1- 15°c/giây

- Khoảng nhiệt độ đo hiệu quả: nhiệt độ phòng :~ 500°C(±1°C)

- Chọn được chế độ đẳng nhiệt theo thời gian.


- Độ nhạy phát hiện liều chiếu: miligray - mGy (chiếu xạ găm trên
CaS04 :Dy).

- Tín hiệu bức xạ nhiệt chỉ ảnh hưởng đáng kể khi nhiệt độ thanh đốt
và mẫu đo lớn hơn 300°c, hình 2.4.

Phép đo kiểm tra sự lặp lại và đo độ tin cậy của hệ đo đã được khảo
sát kỹ lưỡng. Điều đó nói lên độ tin cậy của hệ đo chúng tôi sử dụng,
độ nhạy của nó đủ đáp ứng nhu cầu của phép đo liều. Các biện pháp
cách nhiệt, cách điện và chống lọt ánh sáng ký sinh cũng được hết sức


chú ý do vậy hệ đo có thể làm việc trong điều kiện bình thường khơng
cần b̀ng tối, thuận tiện khi vận hành.

2. Thực hiện phép đo:
-Thực hiện các phép đo cụ thể trên đối tượng là mẫu CaS04
:Dy3 + nồng độ 0.15% chế tạo bằng phương pháp tái kết tinh
trong mơi trường axit dư. Để từ đó rút ra được các kết luận về
tính tốn một số thơng số động học quan trọng, các tính chất
nhiệt huỳnh quang của mẫu bột huỳnh quang này.
_Mẫu CaS04 được chế tạo bằng cách hịa tan hồn tồn một
lượng CaS04 và Dy2O3 cần thiết trong axit H2SO4 dư, sau đó loại
bỏ axit H2SO4 bằng q trình trưng cất, sau đó nung sản phẩm
tái kết tinh ở 700°c trong 30phút và ủ ở nhiệt độ 400°c trong 1
giờ để ổn định đặc trưng quang học của nó.

Đo nhiệt huỳnh quang tích phân


Thực hiện phép đo trên hệ đo nhiệt huỳnh quang tích phân chúng tơi
đã tìm hiểu ở trên với chế độ:

- Kích thước mẫu 150-200nm

- Chiếu tia X 20KV

- Thời gian chiếu 15s

- Đo sau ngừng chiếu 10 phút

- Tốc độ gia nhiệt β=0,290 C/s

Kết quả phép đo nhiệt huỳnh quang tích phân:

Đường nhiệt huỳnh quang tích phân của các mẫu CaS04 :Dy3 + 0,15%
ở hình 3.1.

Có thể thấy đường cong TL xuất hiện 3 đỉnh có cực đại tương ứng tại
các nhiệt độ là: 60°c, 110°c, 220°c. Như vậy trong cấu trúc vùng năng


lượng của vật liệu này đã tồn tại các mức năng lượng trung gian, hoặc
nói cách khác là đã tờn tại các bẫy bắt điện tử có năng lượng tương
ứng với các nhiệt độ trên.

Điều quan trọng là đã xuất hiện đỉnh TL chính ở 220°c. Đây chính là
đình TL thỏa mãn các điều kiện cần trong đo liều phóng xạ như: nhiệt
độ đỉnh nằm trong khoảng từ 200 -3000C, bị tác động rất ít bởi điều
kiện mơi trường, khơng bị chờng lấn với bức xạ của lị đốt.

Ngoài ra các đỉnh TL ở 60°c, 110°c thuộc về các mức bẫy không ổn
định, suy giảm nhanh theo thời gian ở điều kiện bình thường, ít được
sử dụng trong mục đích này.

Tuy nhiên đỉnh 110°c rất có ý nghĩa khi sử dụng phương pháp nhiệt
phát quang chuyển tải quang (photostimulated ThermolumilescencePTTL)