MỤC LỤC

Trang phụ bìa
Mục lục
Danh mục bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thò
MỞ ĐẦU 1
Chương 1: SƠ LƯC LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG 3
1.1. HIỆN TƯNG NHIỆT PHÁT QUANG 3
1.1.1. Đònh 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

O
7
: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 thò cường độ phát quang phụ thuộc vào bước sóng tại
một nhiệt độ T nhất đònh 49
4.2.2. Vẽ đồ thò cường độ phát quang phụ thuộc vào nhiệt độ 52
4.2.3. Xác đònh các giá trò đầu vào thích hợp 52
4.2.3.1 Các giá trò đầu và phù hợp cho đường I(T) 52
4.2.3.2 Các giá trò đầu vào phù hợp cho đường I(l) 53
4.2.4. Xác đònh giá trò 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 LỤC 1
PHỤ LỤC 2
PHỤ LỤC 3

DANH MỤC BẢNG


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
quang.
10
7 Hình 1.6: Đường cong phát quang của vật liệu BaB
4
O
7
: Ce 11
8 Hình 1.7: Các đònh nghóa của các bẫy và tâm tái hợp. 12
9 Hình 1.8: Các dòch 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.
12
10 Hình 1.9: Các tái hợp tâm–tâm không thông qua vùng dẫn
hay vùng hóa trò.
13
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
và ở nhiệt độ phòng.
17
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
một.
21

. 34
27 Hình 2.2: Sơ đồ khối của hệ thiết bò đo 3D. 37
28 Hình 2.3: Đồ thò thực nghiệm 3D của vật liệu MgB
4
O
7
:Dy 38
29 Hình 2.4: Đặc trưng phổ của MgB
4
O
7
:Dy 38
30 Hình 2.5: Đồ thò đường viền (countour) của vật liệu
MgB
4
O
7
:Dy
39
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
phương trình bậc hai viết bằng ngôn ngữ LabVIEW.
46
34 Hình 4.1: Đường cong Gauss với các giá trò b và c khác nhau 48
35 Hình 4.2: Đường I(T) mô phỏng của MgB
4
O
7
:Dy (trong đó

l
, T).
59
41 Hình 5.1. Phổ 3D mô phỏng của vật liệu MgB
4
O
7
:Dy 61
42 Hình 5.2. Đặc trưng của phổ 3D mô phỏng của vật liệu
MgB
4
O
7
:Dy
61
43 Hình 5.3. Đường GC mô phỏng của vật liệu MgB
4
O
7
:Dy 62
44 Hình 5.4. Đường Contour của phổ mô phỏng 3D của vật liệu
MgB
4
O
7
:Dy
62
45 Hình 5.5. Đặc trưng phổ của Dy 64
46 Hình 5.6. Đặc trưng phổ của MgB
4

Luận văn Thạc só Vật lý HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

1

MỞ ĐẦU

Với các ứng dụng trong việc đo liều bức xạ, đònh 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 Xác đònh 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 Việt 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 Vật 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:
MgB4O7:Dy, MgB4O7:Mn, CaSO4:Dy, LiF:Mg Tuy nhiên, ở các nghiên cứu
trên chỉ mới dừng lại ở mức độ xác đònh các thông số bẫy và bước đầu xác

= 7.8), chúng tôi đã quyết đònh chọn đề tài nghiên cứu là “Xây
dựng mô hình phổ phát xạ của vật liệu nhiệt phát quang MgB
4
O
7
pha
tạp Dy” với nhiệm vụ đặt ra:
1. Xây 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 LabView và hàm phân bố Gauss để mô phỏng đồ thò
3D của vật liệu phát quang MgB
4
O
7
: 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. Xác đònh các mức tâm tái hợp trong vật liệu.
Với 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 LabView
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.

lượng ánh sáng tỉ lệ với năng lượng mà nó đã hấp thụ.
Đặc điểm của hiện tượng nhiệt phát quang:
Ø Vật liệu phải là chất điện môi hoặc bán dẫn.
Ø Vật liệu phải được chiếu xạ ion hóa trước đó một cách có chủ đònh
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 tượng nhiệt phát quang [4]
Vì các vật liệu nhiệt phát quang là điện môi hoặc bán dẫn nên theo lý
thuyết vùng năng lượng giữa vùng hoá trò 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 HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

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.

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 trò một ion dương gọi là lỗ trống. Electron chuyển
hn

E
c

T

Vùng dẫn

Vùng hóa trò

E

{
Bức xạ
ion hóa
R

T

E
}

R

Vùng dẫn

E
là độ sâu của bẫy được tính từ gốc là mức E
c
(đáy vùng dẫn).
Thời gian t mà electron bò bắt tại bẫy phụ thuộc vào độ sâu E và nhiệt độ
của mẫu, được xác đònh theo công thức Arrhenius sau :
÷
ø
ư
ç
è
ỉ
-==
kT
E
sp exp
1
t
hay
÷
ø
ư
ç
è
ỉ
==
-
kT
E
s

E
(eV)
T (
0
C)
-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´10
11
năm 6.8´10
4
năm 61 ngày 24 phút 6.8 s

Luận văn Thạc só Vật lý HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

6

1.50 2.2´10

nhiệt độ của mẫu (thông thường nhiệt độ của mẫu được nâng 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 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 khuyết 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 HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

7

v Khuyết tật nội là các chỗ khuyết hay các chỗ chêm các nguyên tử
hoặc ion của vật liệu chủ, bao gồm:
Luận văn Thạc só Vật lý HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

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 thành đường 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 n

(1.4)
Trong đó :
T
0
là nhiệt độ ban đầu của mẫu
b là tốc độ nâng nhiệt (
0
C/s). Trong phép đo đường cong phát
quang b có giá trò từ 1 ® 3
0
C/s.
Từ (1.4) ta có
dTdt
b
1
=
Þ
dT
dn
TI
h
b
-=)( (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 trò khác không đáng kể và tăng dần theo nhiệt

Hình 1.6 giới thiệu đường cong phát quang của vật liệu BaB
4
O
7
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.
Mọi điện tích đều


Cường độ phát quang

I
m
(a)
(b) (c)

T

4
O
7
: Ce [5]
1.1.5. Tâm 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. Vì 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 đònh
xứ ở phía dưới của đường trung tâm vùng cấm, còn các bẫy thường nằm gần
vùng dẫn hay vùng hoá trò. Một điều cần lưu ý là đối với lỗ trống thì các
mức năng lượng được tính từ gốc E
v.

Luận văn Thạc só Vật lý HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

12


Luận văn Thạc só Vật lý HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

13 Hình 1.8: Các dòch 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 dòch chuyển từ vùng dẫn đến tái hợp với lỗ trống nằm ở
vùng hóa trò như dòch chuyển (h) thì tái hợp này được gọi là tái hợp
vùng – vùng. Tái hợp vùng – vùng thực chất là sự dòch chuyển giữa
hai mức năng lượng không đònh xứ.
Ø Khi electron dòch chuyển từ vùng dẫn đến tái hợp với lỗ trống nằm ở
tâm tái hợp như dòch chuyển (g) hoặc lỗ trống dòch chuyển từ vùng
hóa trò đến tái hợp với electron tại tâm tái hợp như dòch chuyển (d) thì
tái hợp này được gọi là tái hợp vùng – tâm. Tái hợp vùng – tâm là sự
dòch chuyển giữa một vùng và một mức năng lượng đònh 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 dòch chuyển giữa hai mức
năng lượng đònh 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 HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

15

Hình 1.10: Tái hợp vùng – vùng trực tiếp
Ø Tái hợp gián tiếp là sự dòch chuyển có xác suất thấp, xảy ra trong
trường hợp các cực trò năng lượng xuất hiện tại các giá trò k
r
khác
nhau , để dòch chuyển có thể xảy ra cần có sự trao đổi mômen xung
lượng k
r
h . Khi đó các electron phải tương tác với các dao động nhiệt
của mạng (các phonon) để nhận được vectơ sóng
1
k
r
(Hình 1.11 thể
hiện tái hợp vùng – vùng trực tiếp) ứng với cực đại của vùng hóa trò

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 dòch chuyển
phát xạ và dòch 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. CÁC MÔ HÌNH NHIỆT PHÁT QUANG [1], [4]
1.2.1. Mô hình đơn giản nhất
Trong mô hình này chỉ có hai mức năng lượng đònh xứ T và R. T là
bẫy electron nằm giữa E
c
và D
e
, còn R là tâm tái hợp nằm giữa E
f
và D
h
(hình 1.12).

Hình 1.12 – Mô hình đơn giản hai mức của nhiệt phát quang
Các dòch chuyển cho phép :
(hu) phát xạ
(h
u
) ha
áp thụ


Nếu sự tái hợp là phát xạ thì vật liệu sẽ phát sáng.
Electron có thể bò bắt tại T (dòch 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 bò 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 HVTH : Phan Th
ị Quỳnh
Trang

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
1.13).