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 đờ 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 qt .
Dạng đờ 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 gờm 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 chuyên dụng thích hợp để điều khiển quá trình đo (thơng 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 T L=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 7-France, 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 môi 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 môi trường, không bị
chồng lấn với bức xạ của lị đốt.
Ngồi 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 Thermolumilescence-PTTL)