ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
o0o PHẠM VĂN THÌN

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ZnO
THÍCH HỢP CHO BỨC XẠ MICROLASER Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 62 44 07 01

TÓM TẮT DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
HÀ NỘI - 2014

  c hoàn thành ti: B môn Vt lý Cht rn,

microlaser ngu nhiên này da trên lý thuy nh x Anderson áp
di vng bt trt t. Vic ch to các
microlaser ngu nhiên d và r  u so vi các microlaser
truyn thng. Microlaser ngu nhiên có th c dùng làm ngun
sáng trong mch quang hc tích hp, các micro-sensor thay th cho
các sensor truyn thng.
t ra mc tiêu nghiên cu microlaser trên tinh th ZnO va là
phát trin mc nghiên cu vt lý laser mi, va là phi hp
nghiên cu ch to vt liu nano ZnO, gn kt qu nghiên cu ch
to vt liu nano ZnO vi mt mc tiêu ng dng c th là
microlaser. ng nghiên cu s phát
bc x ng bc và laser ngu nhiên trong vt liu ZnO. Lun án
mang tên là "Chế tạo, nghiên cứu vật liệu ZnO thích hợp cho bức
xạ Microlaser".
Ma lun án là:
- Nghiên cu ch to các vt liu ZnO có cu trúc thích h
to thành các microlaser ngu nhiên.
- Xây dn hành nghiên cu thc nghim các
thuc tính quang hc ca vt liu ch t c. Tin hành thc
nghim nghiên c c x
microlaser t vt liu ZnO.
2

- Tìm hi to thành các microlaser do giam hãm quang
h   ng bt trt t da trên lý thuyt nh x ca
Anderson.
Các k thut thc nghim trong luc thc hin ti các
phòng thí nghim ca B môn Vt lý Cht rn, B ng
t, B môn Vc Vt liu (Khoa
Vt lý, Tri hc Khoa hc T nhiên, N); các phòng thí

c trong c khui và hong ca laser, gi
là laser ngu nhiên. Các laser loi này  hình thành mt cách
ngu nhiên theo các tán x trong mng bt trt t
các phát x laser phát ra t bung cng này mang tính ngu
nhiên.
* Mô hình lý thuyt ca Letokhov v laser ngu nhiên
Mô hình khuch tán ca các laser ng xut vào
u tiên mô t kh i ca bc x
ng tán x ngu nhiên.
4

  ng phát laser ngu nhiên
 mô t m dòng
 
r,t


ca các photon
bc x t hot cht có n tâm tán x cao [10,11,51]:
0
(r,t)
1
D (r,t) Q (r,t)n (r,t)
ct

  


  





(1.32)
 cc kích thích; P(t)/S là
m 
p
 ; E
là m ng bc x; 
em
là tit din ngang bc x; h
pump
(h
em
c x);  là thi gian sng ca
mc trên ca laser;  là tham s ng t ng vi trng thái
kích thích ca mc trên; 
res
thi gian phc hi hiu dng ca photon
t.
* S phát trin ca laser ngu nhiên
Hàng lot s kin thc nghim  c thc hi  chng
minh s tn ti ca laser ngu nhiên. Thí nghim lch s do
Letokhov, Ambartsumyan và cng s [10,11] thc hin  
thay th ma bung cng Fabry - Perot bng mt b
5

mt tán x.    ác nghiên cu v laser trên các loi bt
[35,57,58,66,69,71] hay trên các tâm tán x trong dung dch cht màu
[23,35,37,48,49].

S ph thuc ca ph bc x vào góc quan sát và di Hình 1.24. Ph bc x laser
theo các góc:
a) 60
o
(1188kW/cm
2
)
b) 15
o
(1130kW/cm
2
)
Hình 1.25. Ph bc x laser khi
din tích kích thích là 980, 1350,
1870m
2
(m kích thích là
1012kW/cm
2
)

7

ng hc bc x ng bc ngu nhiên t ZnO Hình 1.27a. Ph

lý,  ch to ra các màng nano v xp cao và mn.
-  cathode là m
lt lý ch to màng có chng cao.
Các p

C: 

2.2. Các kỹ thuật phân tích cấu trúc
Các mu sau khi ch tc kho sát cu trúc bng các h 
- H nhiu x k tia X
- Hin t quét
- Hin t truyn qua.
9

CHƢƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER
NGẪU NHIÊN TỪ CÁC MẪU ZnO DẠNG VIÊN NÉN VÀ
MÀNG MỎNG

 kho sát ph bc x laser ngu nhiên t các mu ZnO ch
tc, cn phi xây dng mt h   phát quang kích thích
bng laser. H quang ph này ph phân gii cao cho phép quan
c cu trúc mode ca bc x ng thi ph nhy
t  c tín hiu ph yu t các màng mng ZnO cu trúc
nano. Kho sát cu trúc ph s tu h thu ph có kh 
phân gii thi gian. H thit b này không sn có  PTN nên chúng
n hành nghiên cu xây dng mt h  hunh quang
phân gii thng các yêu cu trên.
3.1. Chế tạo và khảo sát tính chất cấu trúc của mẫu
* Mu viên nén
Mc ch to bm truyn

10

Ph nhiu x tia X ca mu viên nén  hình 3.1 cho thy mu
có cu trúc lc giác, kHng s ca mng lc
giác ZnO c tính toán t gi  XRD là a = 3,2496Å và
c = 5,2042Å. nh SEM (hình 3.2) cho thc ht trung bình
ca mu viên nén ZnO vào c 300 - 400nm.
* Màng ZnO ch to bpháp Sol-gel
Mu mc ch to b-gel vi h
tin cht là Zn(CH
3
COO)
2
.2H
2
O, dung môi Etylenglycol, Glycerol,
2-Propanol, Trietylamin.  t
s dng lp nhiu ln. Các màng sau khi nhúng
 khô t c khi sy khô và chng lp tip theo. Các
c ch to có s li t n 10.
30 40 50 60
0
100
200
300
C-êng ®é (®vt®)

Gãc nhiÔu x¹ 2(®é)
[102]
[101]
[100]
[002]
[002]
Bia gèm ZnO
Mµng ZnO
Gãc nhiÔu x¹ 2(®é)
C-êng ®é (®vt®) Hình 3.6. Ph nhiu x tia X ca bia
gm và màng ZnO ch to bng

Hình 3.7. nh SEM ca
màng ZnO ch to bng

Trên gi XRD ca màng ZnO ch ng
      t li      nh
tiên. Hng s mng ca màng ng a = 3,2480Å và
c = 5,2039Åc ht trên màng u, c khong 40 -
50nm. nh SEM mt ct ngang ca màng cho thy b dày ca màng
c 0,5m.
3.2. Xây dựng hệ đo phổ phát quang kích thích bằng laser N
2

Cn hành xây dng và hoàn thin mt h 


PD

Laser
N
2

PMT

Máy tính Hình 3.13. N
2

3.3. Bức xạ laser ngẫu nhiên từ mẫu viên nén và mẫu màng mỏng
trên hệ thu phổ phát quang kích thích bằng laser N
2
Các    phát  i vi mu viên nén và mu
màng mng cho thy: khi công sut kích thích cao, nh ph c
(380nm) b dch v phíau này rt phù hp
vi các nghiên cu v bc x ng b29, 62, 63, 64].
Ngun gc ca các bc x ng bc SE này là do các tán x exciton
- exciton hon t - l trng.

. Hình
3.22 ch ra ph bc x laser ph thuc công su
sunh bc x laser càng th hin rõ nét.
14

370 380 390 400 410
0
100
200
300
400
500
600
c)
b)
a)
C- êng ®é (®vt®)
B-í c sãng (nm)

Hình 3.22. Ph bc x laser t mu ZnO viên nén vi m kích
thích khác nhau: a) 700kW/cm
2
i nng); b)
800kW/cm
2
và c) 1200kW/cm
2
ng)
* Ph bc x laser t mu màng mng
Ph bc x t các màng mng ZnO cho kt qu  

b) 700 kW/cm
2
; c) 950 kW/cm
2

Hình 3.25. 

thích: a) 600 kW/cm
2
;
b) 650 kW/cm
2
; c) 1050 kW/cm
2

15

y, quá trình tán x quang b giam hãm trong vt li
hình thành nên vòng lp tán x phn hi thu kin cng
ng và s phát laser xut hiu nhiên. 
dày mu phn giá tr gii h hình thành bung tán
x ngng phát laser ca mu màng nh u viên
c gii thích là do ng cc ht. y, vi
h  phát quang kích thích bng laser N
2
, chúng tôi tách bc
x laser ra khi ph phát quang t phát rt mnh t các mu viên nén
và các mu màng mng. Ph bc x laser nhc là nhng mode
c tách ra t ph chng chp ca nhic sóng
laser ngu nhiên  rng c nano giây.


20 30 40 50 60 70
C
3
H
7
OH
C
2
H
5
OH
C-êng ®é (®vt®)
Gãc nhiÔu x¹ 2 (®é)
H
2
O

Hình 4.1. Gi nhiu x tia X ca các ht nano ZnO ch to trong
các c ct, Cn tuyi, Iso-propanol

Hình 4.2.a các ht nano ZnO ch to trong các dung
c ct; b) Cn tuyi; c) Iso-propanol
T các kt qu phân tích cu trúc, có th kt lun rng môi
ng ru là dung môi thích h tng hp các ht nano ZnO vi
c nhng nhc bit là isopropanol là dung môi phù
h ch to các ht nano ZnO có dng hình cu. Các mu phc v
cho nghiên cu hiu ng laser ngu s dng ht nano ZnO
vi dung môi là iso-propanol.
* Bt nano ZnO hình cu ch to by phân

C-êng ®é (®vt®)
B- í c sãng (nm)
a)
375 380 385 390 395 400 405
2000
4000
6000
8000
10000
C-êng ®é (®vt®)
B- í c sãng (nm)
b)
Hình 4.11. Ph phát quang ca mu M1 (a) và mu M2 (b) khi
(M 
2
)
Ph phát quang      ca mu M1 và M2
(Hình 4.11) là mt di rng vi FWHM c 20nm. Tng
hp này  có s xut hin ca bc x laser ngu nhiên. Các tác gi
[56, 57, 59, 61] cho rng, quá trình kích thích b
rng nano giây to ra laser ngu nhiên gn liên tc (quasi-
continuous).
i vt qu thc nghim
i vi hai mu M1 và M2 cho thy: Khi c , ph
phát quang là di rnh nm  vùng 385 - 390nm ng
h  phát quang tr
nên hp và rt m  rng bán c i (FWHM) ca ph vào
khong 4nm (Hình 4.12).
19


388 389 390 391 392 393
600
800
C-êng ®é (®vt®)
B- í c sãng (nm)

(b)
Hình 4.12.  khi kích
.
(M  5mJ/cm
2
n 25mJ/cm
2
)
Tn ti mt giá tr ng c
xy ra hing thu hp ph. u này cho tht hin s
phát bc x laser.
360 380 400 420 440
0
200
400
600
800
1000
b) Phæ ®¬n xung
a) Phæ ®a xung
C-êng ®é (®vt®)
B- í c sãng (nm)

360 380 400 420

(5ns) nên trong thi gian kích thích lên mu, tn s ca bc x laser
có s i, dn vic ph bc x laser là chng chp
ca nhiu mode.
Ci vi
mi M3  i chng. Mu M3 là mu bt ZnO có phân
b c hu và khá ln (0,5-2µm). Kt qu cho
thy, k c khi giá tr t cao, ph phát quang ca
mu M3 là mt di rng (FWHM ~ 20nm) vnh ph nm tc
sóng 385nm (Hình 4.15). ng hc ht ca
mu bt M3 lu so vi  lc sóng ca bc x ng
bc nên trong mu không có s hình thành bung cng ngu
xut hin hong laser.
4.3. Khảo sát bức xạ laser ngẫu nhiên từ mẫu bột trên hệ thu phổ
phát quang kích thích bằng laser Nd:YAG xung pico giây
 hp tác vi JAIST trí mt h 
ph phát quang và bc x laser ngu nhiên da trên k thut trung
21

im c bit quan trc sóng kích
thích, hòa ba bc ba (355nm) ca h laser Nd:YAG  rng xung
30ps. Theo các nghiên cu lý thuy thc nghim
[27,28], bc x c khi xung kích  rng c pico
giây là mt vài vch rt h  rng bán c i c 0,5nm. Bc
tranh này khác vi ph bc x c khi xung kích thích có
 rng nano giây do thi gian kích thích nh u so vi thi
gian sng ca bc x ng bc ngu nhiên. Hình 4.18 là ph phát
x ca mu bt hình cu (M2)
360 370 380 390 400 410
0
25

40
60
80
100
120
140
C- êng ®é (®vt®)
B-í c sãng (nm)
(d)

Hình 4.18. Ph bc x ca bt ZnO hình cu vng
: a) 30J/cm
2
; b) 50J/cm
2
; c) 100J/cm
2
; d) 150J/cm
2

22

Kt qu thc nghim trên cho thnh ri rc
trên ph phát quang ca lp bt ZnO hình cu là các mode laser có
ngun gc t các tán x ánh sáng lp l
chiu. ng phát laser c tính toán vào khong 50J/cm
2
.
      


2
công sut cao TE-999
(Vin Khoa hc và Công ngh Vit Nam), xây dc mt
h thu ph phát quang phân gii th h 
c ph bc x laser ngu nhiên có  ra khi
ph bc x t phát ca các mu viên nén và màng mng.
5. Nghiên c thí nghim thu ph laser ngu nhiên kích thích
bng hòa ba bc ba (355nm) ca laser Nd:YAG,  ch  xung nano
giây (Quanta Ray Pro 230) và s dng máy quang ph MS-257