PHẦN I.
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Chương 1.
HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG
1.1. Hiện tượng phát quang.
1.1.1. Khái niệm và phân loại hiện tượng phát quang
Người ta đã làm một số thí nghiệm, ví dụ như: chiếu tia tử ngoại (UV) có bước sóng λ
vào dung dịch rượu fluorêxêin thì dung dịch này phát ra ánh sáng màu xanh lục nhạt có bước
sóng λ’ và (λ’ > λ). Sự phát sáng biến mất ngay sau khi ngừng kích thích ánh sáng tử ngoại.
Hay chiếu tia UV vào tinh thể ZnS có pha một lượng rất nhỏ Cu và Co thì tinh thể cũng phát
ra ánh sáng có màu xanh lục, ánh sáng này tồn tại khá lâu sau khi ngừng kích thích. Hiện
tượng tương tự cũng xảy ra với nhiều chất rắn, lỏng và khí khác đồng thời với các tác nhân
kích thích khác. Chúng có tên chung là hiện tượng phát quang (Luminescence).
Như vậy, phát quang là sự bức xạ ánh sáng của vật chất dưới sự tác động của một tác
nhân kích thích nào đó không phải là sự đốt nóng thông thường [5], [15]. Bước sóng của ánh
sáng phát quang đặc trưng cho vật liệu phát quang, nó hoàn toàn không phụ thuộc vào bức xạ
chiếu lên đó. Đa số các nghiên cứu về hiện tượng phát quang đều quan tâm đến bức xạ trong
vùng khả kiến, bên cạnh đó cũng có một số hiện tượng bức xạ có bước sóng thuộc vùng hồng
ngoại (IR) và tử ngoại.
Có nhiều cách khác nhau để phân loại hiện tượng phát quang.
- Phân loại theo tính chất động học của những quá trình xảy ra người ta phân ra:
phát quang của những tâm bất liên tục và phát quang tái hợp.
- Phân loại theo phương pháp kích thích:
+ Quang phát quang (Photoluminescence - PL): Kích thích bằng chùm tia tử ngoại
+ Cathod phát quang (Cathodoluminescence - CAL): Kích thích bằng chùm điện tử
+ Điện phát quang (Electroluminescence - EL): Kích thích bằng hiệu điện thế
+ X – ray phát quang (X-ray luminescence - XL): Kích thích bằng tia X
+ Hoá phát quang (Chemiluminescence - CL): Kích thích bằng năng lượng phản ứng
hoá học….
- Phân loại theo thời gian phát quang kéo dài sau khi ngừng kích thích, người ta
phân hiện tượng phát quang làm hai loại: Quá trình huỳnh quang (Fluorescence) và quá

Sự phát quang của các phốt pho tinh thể mang tất cả các đặc điểm chính của phát quang
tái hợp, đó là:
+ Không có sự liên hệ trực tiếp giữa phổ hấp thụ và phổ phát quang. Phổ hấp
thụ chủ yếu là do chất nền quyết định, thường là phổ đám rộng ở vùng tử ngoại. Phổ
phát quang chủ yếu là do chất kích hoạt quyết định, thường là dải hẹp thuộc vùng khả
kiến và hồng ngoại. Mỗi chất kích hoạt cho một phổ phát quang riêng, ít phụ thuộc
vào chất nền trừ khi chất nền làm thay đổi hóa trị của ion chất kích hoạt đó.
+ Ánh sáng phát quang của phốt pho tinh thể không bị phân cực.
+ Trong quá trình phát quang của phốt pho tinh thể có cả phát quang kéo dài và
phát quang tức thời. Thời gian phát quang tức thời rất ngắn (<10
-10
s), trong khi đó
thời gian của phát quang kéo dài có thể rất lớn (hàng ngày hoặc lâu hơn). Tùy theo
điều kiện kích thích, công nghệ chế tạo mà hai loại phát quang này có thể xảy ra và
cạnh tranh nhau trong cùng một phốt pho tinh thể [5].
Quy luật tắt dần của ánh sáng phát quang sau khi ngừng kích thích thường tuân
theo quy luật hàm hyperbol bậc hai:

2
00
1)Pt(nJJ
−
+=
(1.1)
trong đó: J
0
và J là cường độ phát quang tại thời điểm ngừng kích thích và tại thời
điểm t sau đó; n
0
là số tâm phát quang tại thời điểm ngừng kích thích; P là xác suất

). Khi các nguyên tử và ion kết hợp với nhau tạo
thành mạng tinh thể thì sự tương tác giữa chúng làm cho các mức năng lượng điện tử bên
ngoài mở rộng ra, thành các dải mức năng lượng cho phép phân bố liên tục và tách đôi bởi
một vùng các mức năng lượng cấm được gọi là vùng cấm E
g
. Dải có mức năng lượng cao
nhất được lấp đầy điện tử được gọi là vùng hóa trị E
v
, dải có mức năng lượng thấp nhất không
được lấp đầy điện tử được gọi là vùng dẫn E
c
. Phốt pho tinh thể thuộc nhóm các vật liệu điện
môi và bán dẫn, nên đáy vùng dẫn thường cách đỉnh vùng hóa trị với độ rộng vùng cấm E
g
từ
(0.1 eV-vài eV).
Do các sai hỏng mạng, hay các khuyết tật của mạng tinh thể khi pha tạp mà tính tuần
hoàn của mạng tinh thể bị vi phạm, dẫn đến sự xuất hiện các mức năng lượng định xứ trong
vùng cấm. Các mức năng lượng định xứ này có thể được chia thành hai loại: các mức nằm
bên dưới đáy vùng dẫn và trên mức Fermi E
f
có xu hướng bắt các điện tử thường được gọi là
các mức donor E
D
(hay bẫy điện tử), các mức nằm trên đỉnh vùng hóa trị và bên dưới E
f
có xu
hướng bắt các lỗ trống thì được gọi là các mức acceptor E
A
(hay bẫy lỗ trống). (Hình 1.1)

trong đó: h là hằng số Planck, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, E là năng lượng pho
ton, ν và λ lần lượt là tần số và bước sóng của ánh sáng.
Hình 1.2 diễn tả các chuyển dời tái hợp có thể xảy ra trong phốt pho tinh thể.
- Chuyển dời 1: Khi một điện tử bị kích thích lên các mức cao hơn đáy vùng dẫn E
C
thì
nó sẽ chuyển về đáy vùng dẫn để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt động với mạng tinh thể.
Quá trình chuyển dời này thường được gọi là quá trình chuẩn hoá nhiệt hay là chuyển dời nội
trong một vùng.
- Chuyển dời 2: Sự tái hợp trực tiếp xảy ra giữa một điện tử trong vùng dẫn và một lỗ
trống trong vùng hoá trị. Quá trình chuyển dời tái hợp này gọi là chuyển dời vùng – vùng.
- Chuyển dời 3: Sự tái hợp của một điện tử từ trạng thái exciton tự do (hay exciton liên
kết) với lỗ trống nằm trong vùng hoá trị. Quá trình chuyển dời này được gọi là quá trình huỷ
exciton.
- Chuyển dời 4: Sự tái hợp một điện tử nằm ở mức donor với một lỗ trống nằm trong
vùng hoá trị. Tái hợp này được gọi là mô hình Lambe – Klick.
- Chuyển dời 5: Sự tái hợp của một điện tử tự do trong vùng dẫn với một lỗ trống nằm
ở mức acceptor. Tái hợp này được gọi là mô hình Schon - Klasens.
- Chuyển dời 6: Sự tái hợp xảy ra giữa một điện tử nằm ở mức donor và một lỗ trống
nằm ở mức acceptor. Tái hợp này được gọi là mô hình Frener – Williams.
- Chuyển dời 7: Đây là quá trình kích thích và khử kích thích của một tâm tạp,
được hình thành do các ô mạng không hoàn hảo ở bên trong mạng tinh thể (ví dụ do
pha tạp ion RE hay kim loại chuyển tiếp sinh ra khuyết tật mạng) [4], [5].
1.1.5. Tái hợp bức xạ nội một tâm
Khi đưa chất kích hoạt vào mạng nền của các phốt pho tinh thể thì phân tử các chất kích
hoạt thay thế một số vị trí của nguyên tử tạo thành chất nền, tạo thành các sai hỏng mạng hay
khuyết tật. Các khuyết tật này hình thành các mức năng lượng nằm sâu trong vùng cấm và
thường đóng vai trò của các bẫy bắt điện tử gây ra sự phát quang kéo dài của các phốt pho tinh
thể.
Tuy nhiên, một số nguyên tố có tính chất đặc biệt của cấu trúc lớp vỏ điện tử mà tuy đã