ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ LIÊN

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT
CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG LÊN SỰ
PHÁT HUỲNH QUANG CỦA CHẤT MÀU HỮU CƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN – 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

HOÀNG THỊ LIÊN

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT
CỦA CÁC HẠT NANO VÀNG LÊN SỰ
PHÁT HUỲNH QUANG CỦA CHẤT MÀU HỮU CƠ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ



MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................vi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài .......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2
3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3
5. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................................. 3
6. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 3
Chương 1: HIỆU ỨNG PLASMON BỀ MẶT CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI ... 4
1.1. Tính chất plasmon của các cấu trúc nano kim loại................................................... 4
1.1.1. Sự tạo thành các plasmon bề mặt ....................................................................... 5
1.1.2. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon .................................... 6
1.1.3. Lý thuyết Mie giải thích màu tán xạ của hạt nano kim loại dạng keo ............. 10
1.2. Tính chất quang của chất màu hữu cơ .................................................................... 15
1.2.1. Cấu trúc mức năng lượng và các dịch chuyển quang học của chất màu hữu cơ .. 15
1.2.2. Thời gian sống và hiệu suất lượng tử ............................................................... 17
1.2.3. Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang (FRET) ..................... 19
1.2.4. Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon lên huỳnh quang của chất phát quang ............. 21
Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ............................................................... 26
2.1. Các phương pháp đo phổ ........................................................................................ 26
2.1.1. Phép đo phổ hấp thụ ......................................................................................... 26
2.1.2. Phép đo phổ huỳnh quang ................................................................................ 28
2.1.3. Phép đo thời gian sống phát quang .................................................................. 29
2.2. Mô hình thí nghiệm ................................................................................................ 31
2.3. Các hạt nano vàng dạng keo ................................................................................... 32

tắt

FRET

Fluorescence resonance energy
transfer

SPR

Metal-enhanced fluorescence

MEF

Localized surface plasmon resonance

Nghĩa tiếng việt

Truyền năng lượng Förster
Cộng hưởng Plasmon bề mặt
Tăng cường huỳnh quang trong
kim loại

SP

Surface plasmon

Plasmon bề mặt

SPP


Hình 1.1. Các mức năng lượng của điện tử trong kim loại ........................................... 4
Hình 1.2. Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại ............................... 6
Hình 1.3. Sóng plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim loại và vật liệu điện
môi có các điện tích kết hợp ........................................................................................... 6
Hình 1.4. Minh họa các hình chiếu vectơ sóng của một sóng tại mặt phân cách giữa hai
môi trường ...................................................................................................................... 8
Hình 1.5. Đường cong tán sắc của các plasmon bề mặt. Ở giá trị k thấp, đường cong tán
sắc của các plasmon trùng với đường tán sắc của photon .............................................. 8
Hình1.6. Tương tác cuả ánh sáng với các hạt nano hoặc các đám kim loại có thế được
mô tả đơn giản nếu λ >>2R: sự phân cực đồng nhất kích thích dao động lưỡng cực. Các
trường hợp khác kích thích các dao động đa cực ......................................................... 12
Hình 1.7. Phổ hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano vàng kích thước khác nhau
....................................................................................................................................... 14
Hình 1.8. Cấu trúc hóa học và màu phát xạ huỳnh quang của một số chất màu hữu cơ
điển hình ....................................................................................................................... 15
Hình 1.9. Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu .. 16
Hình 1.10. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của chất màu Rhodamine 123 ..................... 17
Hình 1.11. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của donor và acceptor ................................ 20
Hình 1.12. Minh họa hương song và vuông góc của một lưỡng cực dao động dặt gần
một bề mặt kim loại ...................................................................................................... 22
Hình 1.13. Minh họa sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang giữa phát chất
huỳnh quang (donor) và hạt nano kim loại (acceptor) ................................................. 24
Hình 2.1. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis .............................................................. 27
Hình 2.2. Sơ đồ khối của phép đo quang huỳnh quang ................................................ 29
Hình 2.3. Cấu hình chi tiết của một máy phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse.............. 29
Hình 2.4. Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian . . 30
Hình 2.5. Cường độ huỳnh quang phân giải theo thời gian sử dụng TCSPC . ............ 30
Hình 2.6. Mẫu thí nghiệm khảo sát tính chất quang của dung dịch chất màu hữu cơ với
sự có mặt của các hạt nano vàng: .................................................................................. 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

nano vàng dưới bước sóng phân tích 550 nm ở nhiệt độ phòng, được đo bởi hệ TCSPC
ở Viện Vật lý. ................................................................................................................ 44

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Vật liệu nano kim loại là một trong các loại vật liệu kích thước nhỏ được quan
tâm nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây bởi vì chúng có những tính chất quang lý
đặc biệt khác với vật liệu khối. Hiệu ứng đáng chú ý gây ra tính chất quang đối với các
cấu trúc nano kim loại là hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Hiệu ứng này làm cho
cấu trúc nano kim loại có các màu sắc tán xạ khác với vật liệu khối và khác nhau khi
chúng có hình dạng và kích thước khác nhau. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt
được hiểu là hiện tượng khi ánh sáng tới kích thích các plasmon bề mặt (là dao động tập
thể của điện tử tại biên phân cách giữa hai vật liệu kim loại-điện môi) trong trường hợp
tần số của ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của các plasmon thì hiện tượng
cộng hưởng xảy ra [7], [8]. Hiện tượng này ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất quang
học của cấu trúc nano kim loại và là mối quan tâm lớn cho các ứng dụng trong thiết bị
quang tử. Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại cho thấy những triển vọng
lớn cho sự hiểu biết và khai thác các hiện tượng liên quan đến sự giam giữ ánh sáng ở
thang nano.
Các kỹ thuật và hiệu ứng quang học đã được ứng dụng từ rất lâu trong nghiên
cứu các thí nghiệm sinh học, điển hình là sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang
(fluorescence resonance energy transfer - FRET) giữa hai chất phát quang đã được mô
tả bởi Th. Förster [22] từ khoảng 70 năm trước. Sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh
quang giữa hai phân tử chất phát huỳnh quang với một chất là chất cho – donor và một
chất là chất nhận – acceptor là công cụ quan trọng trong nghiên cứu các đối tượng sinh

thuộc nhiều vào cấu hình quang học [6]. Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu
trúc nano kim loại đối với một chất phát quang đặt gần nó là rất cần thiết nhằm tìm ra
các điều kiện và cơ chế tăng cường và dập tắt huỳnh quang đối với một chất phát quang
với sự có mặt của một cấu trúc nano kim loại; từ đó có thể điều khiển được huỳnh quang
của chất phát quang như mong muốn.
Với các lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ là: “Ảnh
hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng lên sự phát huỳnh quang
của chất màu hữu cơ”.
Do điều kiện thực nghiệm ở Việt Nam, chúng tôi tiến hành khảo sát tính chất
quang của một số dung dịch chất phát quang trên cơ sở là chất màu hữu cơ với sự có
mặt của các hạt nano vàng trong đó; nghiên cứu các điều kiện để có sự tăng cường và
dập tắt huỳnh quang và cơ chế truyền năng lượng tương ứng với các điều kiện đó.
2. Mục tiêu nghiên cứu
i. Tìm hiểu tính chất quang của các hạt nano kim loại nói chung và các hạt nano
vàng nói riêng - hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, phụ thuộc vào kích thước của
các hạt nano.

2


ii. Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng
lên tính chất phát xạ của chất màu hữu cơ RhB và Rh6G bằng cách tìm hiểu mô hình lý
thuyết và nghiên cứu thực nghiệm.
3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài được thực hiện trên việc nghiên cứu và khảo sát
các tính chất quang của các chất màu RhB và Rh6G trong hai trường hợp có và không
có mặt các hạt nano vàng để thấy được ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt do các
hạt nano vàng tác dụng lên các tính chất hấp thụ, huỳnh quang và thời gian sống huỳnh
quang của các chất màu hữu cơ.
4. Phương pháp nghiên cứu

có thể chứa số lượng nguyên tử từ 3 đến 107. Các hạt này được nghiên cứu chế tạo có
thể được phân bố trong không gian tự do hoặc trong chất khí, lỏng, hoặc được nhúng
trong chất rắn, hoặc được bao phủ bởi vỏ hay được lắng đọng trên một vật liệu nền [5].
Hiệu ứng kích thước nội tại của các hạt nano kim loại liên quan đến các thay đổi cụ thể
trong các tính chất so với vật liệu khối và bề mặt của hạt. Thực nghiệm cho thấy kích
thước của các hạt nano kim loại ảnh hưởng lên các tính chất cấu trúc và điện tử, cụ thể
là thế ion hóa, năng lượng liên kết, phản ứng hóa học, cấu trúc tinh thể, nhiệt độ nóng
chảy, và các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước và hình học của chúng. Hình 1.1
trình bày phổ năng lượng của kim loại khối so sánh với các hạt kim loại ở kích thước
nano. Đối với kim loại khối, cấu trúc vùng năng lượng là gần như liên tục; còn đối với
các hạt kích thước nano, do hiệu ứng kích thước lượng tử, các mức năng lượng của điện
tử bị gián đoạn (lượng tử hóa) và các hàm quang học cũng phụ thuộc vào kích thước [5].

Hình 1.1. Các mức năng lượng của điện tử trong kim loại [5]
Khi kích thước của vật liệu kim loại giảm xuống so sánh được với quãng đường
tự do của điện tử trong kim loại, các điện tử tự do của kim loại có thể dao động tập thể
với tần số cộng hưởng với tần số của ánh sáng chiếu tới bề mặt kim loại. Sự cộng hưởng
điện từ do các dao động tập thể của các điện tử dẫn (các điện tử tự do) của các cấu trúc
nano kim loại dưới sự kích thích của ánh sáng tới được gọi là plasmon. Hiện tượng này
4


ảnh hưởng mạnh đến các tính chất quang học của các cấu trúc nano kim loại và đang
được quan tâm nghiên cứu cho các thiết bị quang tử trong tương lai. Các plasmon trong
cấu trúc nano kim loại hiện nay được nghiên cứu bằng các kĩ thuật hiển vi từ trường gần
và xa [5]. Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại cho thấy triển vọng thú vị
để hiểu biết và khai thác các hiện tượng giam giữ ánh sáng ở thang nano. Độ nhạy bề
mặt cao và sự tăng của trường làm cho hiệu ứng này trở thành vấn đề quan tâm trong
những năm gần đây, không chỉ trong nghiên cứu cơ bản mà còn trong các ứng dụng như
làm bộ cảm biến hoặc lưu trữ dữ liệu, dẫn tới ứng dụng cho các dụng cụ quang nano và

Hình 1.2. Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại

1.1.2. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon
Xét mặt phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi trái dấu, ví dụ như kim
loại và không khí. Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách sẽ gây nên một
phân bố điện tích trên bề mặt kim loại. Dao động của phân bố điện tích này tạo thành một
sóng lan truyền dọc theo mặt phân cách kim loại - điện môi – gọi là sóng plasmon. Sóng
plasmon giữa hai mặt phân cách kim loại - điện môi được minh họa trên hình 1.3.
Vì sóng plasmon là sóng dao động hình thành trên biên phân cách giữa hai môi
trường có hàm điện môi trái dấu, cho nên lý thuyết điện từ học được áp dụng để giải bài
toán sóng điện từ trên biên phân cách giữa hai môi trường.

Hình 1.3. Sóng plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim loại và vật liệu điện
môi có các điện tích kết hợp [9]
6


Xét mặt phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi là 1 và 2. Điện trường
của sóng điện từ lan truyền được biểu diễn bởi công thức:

E  E0 e xp i  k x x  k z z  ωt  

(1.1)

trong đó k là số sóng và  là tần số. Bằng việc giải phương trình Maxwell cho
sóng điện từ tại mặt phân cách giữa hai vật liệu với hằng số điện môi là 1 và 2 (hình
1.4), sử dụng các điều kiện biên liên tục của điện thế và vectơ điện dịch ta có [1]:

k z1 k z2


(1.4)

Trong mô hình của khí điện tử tự do, bỏ qua sự suy giảm, hàm điện môi của kim
loại được cho bởi [9,1]:

ε  ω = 1 -

ω2p
ω2

(1.5)

trong đó P là tần số plasma của kim loại khối, có biểu thức trong đơn vị SI là:

ωp =

ne2
0 m*

(1.6)

với n là mật độ điện tích, e là điện tích của điện tử, m* là khối lượng hiệu dụng
của điện tử và 0 là hằng số điện môi trong chân không. Đường cong của hệ số tán sắc
được biểu diễn trên hình 1.5. Ở giá trị các vectơ sóng nhỏ, các SPP thể hiện giống như
các photon, nhưng khi k tăng, đường cong tán sắc bị uốn cong và đạt tới một giới hạn
tiệm cận tới tần số plasma p. Tần số plasma của kim loại khối được hiểu là tần số dao

7



sau [1]:

ε1  εr  iεi

(1.9)

trong đó r là phần thực và i là phần ảo.

8


Nói chung |r| >> |i|, biểu thức của số sóng tại mặt phân cách của các plasmon
được biểu diễn như sau [1]:

     1/ 2       3/ 2  
i

k x  kx  ikx    r 2    i   r 2 
2
 c  r  2    c  r  2  2r 

(1.10)

Biểu thức vectơ sóng cho ta ý nghĩa vật lý của sóng điện từ trong kim loại là biên
độ không gian của các plasmon và yêu cầu để có sự kết hợp vectơ sóng tại mặt phân
cách.
Đối với một sóng SPP lan truyền dọc theo một bề mặt kim loại, năng lượng của
nó sẽ bị mất do sự hấp thụ của kim loại hoặc bị bức xạ vào không gian tự do. Tại một
khoảng cách x, cường độ sóng plasmon giảm theo hệ số exp[-2kx"x]. Độ dài lan truyền
plasmon được định nghĩa là khoảng cách mà sóng plasmon có cường độ giảm đi e lần,

Độ xuyên sâu của trường plasmon vào kim loại và điện môi được biểu diễn trên
đồ thị ở bên phải hình 1.3.

9


1.1.3. Lý thuyết Mie giải thích màu tán xạ của hạt nano kim loại dạng keo
Các hạt nano kim loại dạng keo là các hạt nano kim loại có các phân tử trên bề
mặt hạt (các ligands) với các nhóm chức thích hợp giúp chúng phân tán được trong dung
dịch. Trái với bề mặt kim loại liên tục, các hạt nano kim loại keo biểu thị màu sắc mạnh
mẽ do sự kết hợp của hai quá trình hấp thụ và tán xạ. Trên bề mặt gương kim loại, các
điện tử có thể chuyển động trên các khoảng cách lớn. Trong các hạt keo kim loại, các
khoảng cách bị giới hạn bởi kích thước của hạt. Do plasmon bề mặt của các hạt keo
không lan truyền ra xa như trên màng kim loại các plasmon bề mặt của các hạt nano kim
loại còn được gọi là các plasmon định xứ [1].
Mie đã áp dụng lí thuyết tổng quan về tán xạ ánh sáng trên các hạt nhỏ giải thích
hiện tượng thay đổi màu sắc của các hạt keo vàng. Ông đã sử dụng các phương trình
Maxwell với điều kiện biên thích hợp trong hệ tọa độ cầu từ đó đưa ra kết quả chính xác
cho sự tương tác ánh sáng với các hạt nano kim loại hình cầu [1]. Lý thuyết Mie đã mô
tả hệ số dập tắt - extinction coefficient (bao gồm hấp thụ và tán xạ) của các hạt cầu có
kích thước tùy ý.
Giả thiết chính của lí thuyết Mie là các hạt và môi trường xung quanh nó là đồng
nhất và được mô tả bởi hàm điện môi quang học khối. Giả thiết rằng, các plasmon là
một dao động lưỡng cực, chúng ta đi khảo sát tần số plasmon của hạt nano kim loại phụ
thuộc vào hằng số điện môi, với sự tương tác của ánh sáng với một hạt cầu kim loại kích
thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (2R
(1.18)

2 H + k2H = 0

(1.19)

Trong đó k là số sóng được xác định bởi:

ω2
k  ω εμ  2
c
2

2

(1.20)

Điện trường E và từ trường H được sử dụng cho các hàm biên độ tán xạ. Người
ta tính được các hệ số dập tắt và tán xạ như sau:
𝜎𝑒𝑥𝑡 =
𝜎𝑠𝑐𝑎 =

2
𝑥2
2
𝑥2

∑∞𝑗=1(2𝑗 + 1)[𝑅𝑒 (𝑎𝑗 + 𝑏𝑗 )]
2



(1.25)

ψ j  mx  ψj  x   mψ j  y  ψj  mx 
ψ j  mx  ξj  x   mξ j  x  ψj  mx 

(1.26)

ψj x

và

ξj x

là các hàm trụ Ricatti-Bessel và m = n/nm, với n là chiết

suất phức của hạt, nm là chiết suất thực của môi trường xung quanh. Dấu phẩy có nghĩa
là phép lấy vi phân đối với các đối số trong ngoặc đơn. Trong các biểu thức này, j là chỉ

11


số chỉ các sóng từng phần như được biểu diễn trên hình 1.6: j = 1 tương ứng với dao
động lưỡng cực, j = 2 tương ứng với dao động tứ cực…

Hình1.6. Tương tác cuả ánh sáng với các hạt nano hoặc các đám kim loại có thế được
mô tả đơn giản nếu λ >>2R: sự phân cực đồng nhất kích thích dao động lưỡng cực.
Các trường hợp khác kích thích các dao động đa cực [1]
Các ảnh hưởng của kích thước hạt lên bước sóng cộng hưởng plasmon có kết quả
từ hai cơ chế phụ thuộc vào thang kích thước. Trong giới hạn 2R
σsca =



k4 V2
27
|ε2 - 1|2 
2
2 
18π
 (εr + 2ε2 ) + εi 

(1.29)

Ngoài ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa tiết diện tán xạ (tiết diện dập tắt,
tiết diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Qsca hiệu suất dập tắt Qext, hiệu suất hấp thụ Qabs
trong plasmon định xứ của các hạt nano kim loại theo các biểu thức [1]:

Qsca =

 sca
σ
σ
, Qext = ext , Qabs = abs
S
S
S

(1.30)


Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong hạt vàng và bạc lần lượt là 40 và 50
nm. Nếu các điện tử va chạm đàn hồi với bề mặt hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao
động ngẫu nhiên bị mất. Sự va chạm không đàn hồi với điện tử với bề mặt cũng làm
thay đổi pha [9].
Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh. Điện tử sau đó
có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là trong hạt có kích thước lớn
hơn. Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm. Drude đã đưa ra công
thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào kích thước hạt D:

εD = 1 -

trong đó

ω2p
ω2 + iγω

ω2p = ne2 /ε0 meff

,
(1.31)

là tần số của Plasma khối, n là mật độ điện tử tự do, e

là điện tích, 0 là hằng số điện môi trong chân không và meff = m* là khối lượng điện tử
hiệu dụng,  là hàm của bán kính hạt R như sau:

γ(r) = γ 0 +

Aν F
,

các mức năng lượng của chất màu. Dựa vào mẫu điện tử của Bohr, Jablonski đã đưa ra
15


giản đồ các mức năng lượng đơn giản hóa phản ánh những đặc điểm quan trọng chủ yếu
của các chuyển dời lượng tử trong phân tử màu. Sự hấp thụ ánh sáng và sự phát huỳnh
quang của một phần tử chất màu được mô tả bởi giản đồ năng lượng Jablonski (hình
1.9) [12].

Hình 1.9. Giản đồ Jablonski mô tả các chuyển dời của điện tử trong phân tử chất màu [12]
Trong giản đồ hình 1.9, S0, S1, S2, ... là các trạng thái đơn điện tử (singlet) và các
trạng thái điện tử bội ba (triplet) là T1, T2, ... tương ứng với số lượng tử spin toàn phần
S = 0 và S = 1. S0 là trạng thái cơ bản. Khi điện tử ở trạng thái singlet nào đó, spin của
nó đối song với spin còn lại của phân tử. Ngược lại khi một điện tử nằm ở trạng thái
triplet, spin của nó song song với spin còn lại của phân tử. Mỗi một trạng thái điện tử
kích thích đơn (S1, S2, ...) tồn tại một trạng thái bội ba có năng lượng thấp hơn một chút.
Mỗi trạng thái điện tử bao gồm một tập hợp dày đặc nhiều mức dao động (đường nét
liền) và nhiều mức quay (không vẽ trong hình). Thông thường khoảng cách giữa các
mức dao động từ 1400  1700 cm-1 còn khoảng cách giữa các mức quay nhỏ hơn hai
bậc. Do va chạm liên kết nội phân tử và tương tác tĩnh điện với phân tử lân cận trong
dung môi mà vạch dao động được mở rộng. Các mức quay thì luôn mở rộng do va chạm
nên dịch chuyển điện tử ở nhiệt độ phòng sẽ cho các phổ băng rộng. Ở nhiệt độ phòng
khi chưa bị kích thích các phân tử chủ yếu nằm ở trạng thái dao động cơ bản S0 theo
phân bố Boltzmann. Khi phân tử hấp thụ photon ánh sáng tới, điện tử từ trạng thái nền
(trạng thái cơ bản, S0) nhảy lên trạng thái kích thích (S1, S2, S3, …). Ở mỗi mức năng
lượng, các phân tử chất màu có thể tồn tại trong một số các mức năng lượng dao động.
Từ trạng thái kích thích, điện tử trở về trạng thái cơ bản bằng các con đường khác nhau:
16