CHƯƠNG 1. TONG QUAN LÍ THUYET VE LIEU KE OSL 1. Cơ chế tương tác của bức xạ với vật chất Các bức xạ như gamma hay tia X đều có bản chất là sóng điện từ có bước sóng rat ngắn, mang năng lượng cao. Photon (lượng tử ánh sáng) chính là hạt lượng tử của mọi bức xạ điện từ.
Hạt lượng tử này không mang điện tích do đó không chịu tác dụng của trường thẻ Coulomb; không có khối lượng nghỉ nên chuyên động trong chân không với tốc độ ánh sáng và không có khả năng tự phân rã. Khi xuyên qua vật chất, photon sẽ tương tác với các nguyên tử, phân tử cau tạo nên vật chat theo những cơ chế khác nhau. Có ba hiệu ứng tương tác chính la: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng compton, hiệu ứng sinh — hủy cap. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện 1a quá trình tương tác giữa photon và các electron quỹ đạo lớp trong (lớp K hoặc L), điện tử hap thụ toàn bộ năng lượng từ photon và birt ra khỏi nguyên tử gọi là quang điện tử (Hình 1).
Hiệu ứng quang điện chi xây ra khi năng lượng chùm photon tới lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử (gọi là công thoáU. Động năng của quang điện tử chính là phan năng lượng chênh lệch giữa năng lượng chùm photon và công thoát. T =hw—E, (1) Trong đó, 7 là động năng của electron birt ra khỏi nguyên tử; ¢ =/y là năng lượng photon; # là hằng số Planck, # =6,626.10TM Js; v: tan số chùm bức xạ tới: E, là công thoát hay năng lượng liên kết của electron tại lớp i (i = K, L,. Hiệu ứng quang điện 1.
Hiệu ứng compton Hiệu ứng compton hay tán xạ compton là quá trình tương tác giữa photon với electron lớp ngoài nguyên tử, chúng hấp thụ một phần năng lượng từ photon đủ đẻ bứt ra khỏi nguyên tử. Photon bị mat đi một phan năng lượng và chuyên động lệch hướng so với ban đầu (Hình 2). Các định luật bảo toàn năng lượng, bảo toản xung lượng cho ta mối liên hệ giữa năng lượng sau tin xạ £=h, góc tán xạ Ø và năng lượng ban đầu &, = hư, của photon như sau: [2] hy hv = “0 (2) 1+ aid (l—cosØ) me H \ + ;› | Chim photon sau _ `“ if tán xa (2 > ÄÌ Chùm photon tới `- 2-._ “42 Lỗ trồng *@ Điện tử sau tấn xạ Hình 2. Hiệu ứng compton 4 1.
Hiệu img tạo —- hủy cặp Nếu như hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton xáy ra khi photon tương tác với electron của nguyên tử thì hiệu ứng tạo cặp chủ yếu là kết quả tương tác của photon với trường điện của hạt nhân. Khi tiến vào trường Coulomb của proton, một photon sẽ biến đôi thành một cặp electron — positron (positron có cùng khối lượng. củng năng lượng nghỉ nhưng mang điện tích trái dấu với electron). Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng bức xạ tới phải tối thiêu bằng năng lượng nghỉ của 2 hạt tạo thành.
Với công thức Einstein E = me”, năng lượng nghỉ của electron và positron đều bằng E,= mục” =0,51 MeV, như vậy nang lượng chùm photon phải lớn hơn 1,02 MeV. Theo định luật bao toàn năng lượng, năng lượng chùm photon tới £ được xác định như sau: e=T, =F +2m,c° (3) Trong đó, 7, và T. lần lượt là động năng của hạt positron và electron. Khi chuyển động tự do trong môi trường, positron mang điện dương có khả năng kết hợp với một hat electron tạo ra sự hay cặp.
Quá trình hủy cặp sinh ra hai photon có cùng năng lượng. (Hình 3) [2] ⁄ à Chùm photon @ ` tới A | / Tạo cặ Chùm photon 2' e ` ¬ ⁄ Hủy cặp Z ˆ = @- ae Chùm photon 2` Hình 3. Hiệu ứng tạo — hủy cặp 1. Cơ sở lý thuyết về hiện tượng quang phát quang 1.
Ly thuyết vùng năng lượng. Điện tử chỉ tồn tại trong nguyên tử ở các trạng thái dừng có năng lượng xác định. Đối với chat rắn, các điện tử liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành cau trúc mạng tính thé đặc trưng cho từng chất (Hình 4). Cấu trúc mạng tinh thê của Sodium Cloride (NaCl) Mỗi điện tử đều có các mức năng lượng riêng lẻ khác nhau nhưng khi tôn tại cùng nhau trong mạng tinh thé thì các mức nang lượng này chông chất với nhau tạo thành các vùng năng lượng riêng biệt.
Tuân theo nguyên lí ngoại trừ Pauli và nguyên lý năng lượng cực tiêu, năng lượng của các điện tử được chia thành 3 vùng chính là: vùng hóa trị. vùng cam và vùng dẫn (Hình 5). + Vùng hóa trị: là vùng có năng lượng tự đo thấp nhất và là vùng được ưu tiên lắp day các điện tử. Tại day, dưới tác dụng của tương tac Coulomb, các electron liên kết bền chặt với hạt nhân nguyên tử ở nút mạng tinh thẻ.
Liên kết của điện tử lúc này đóng vai trò là liên kết hóa học tạo nên cầu trúc mạng, xây dựng các đặc tính hóa. lý của vật liệu. Điện tử trong vùng hóa trị không linh động và không có kha năng tham gia vào quá trình dan điện. + Vùng dẫn: là vùng có mức năng lượng tự do cao nhất.
Các điện tử tồn tại trong vùng dan chủ yếu là các electron nằm ở lớp vỏ ngoài cùng, cách xa hạt nhân dan đến tương tác Coulomb giữa chúng và hạt nhân giảm mạnh. Các electron ở vùng dẫn có thê dễ đàng bứt ra khỏi nguyên tử, trở thành các điện tử linh động. chuyên động tự do và có khả năng tham gia vào quá trình dẫn điện. + Vùng cam: là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn.
Theo Neils Bohr, các electron chỉ có thé hoạt động ở các trang thái dừng có năng lượng xác định, khoảng giữa các trạng thái dừng là mức năng lượng mà chúng không thê tôn tai, chính những vùng không gian này đã tạo nên vùng cam. Năng lượng vùng cam E,, con có thê được xem là nang lượng cần thiết để đưa điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. [3], [4] Vùng dẫn R,<5eV Vùng hóa trị Vùng hóa trị | Vùng hóa trị Chất cách điện Chat bán dẫn Chất dẫn điện Hình 5. Lý thuyết vùng năng lượng 1.2, Chat bán dẫn Mọi nguyên tử đều có xu hướng đạt đến trạng thái bền vững như khí hiểm theo quy tắc bát tử (Octet rule), tức là phải có đủ 8 electron ở lớp vỏ ngoài cùng.
Thay vì cho hay nhận electron như Sodium (Na) hay Cloride (Cl) thì đối với chất bán dẫn, chúng thực hiện quy tắc bát tử bằng cách chia sẻ bốn electron lớp vỏ ngoài cùng của nó với bốn electron của 4 nguyên tử lân cận. Như vậy, lớp vỏ hóa trị của nguyên từ được lấp đầy hoàn toàn. Sự liên kết giữa hai electron của hai nguyên tr kế cận nhau tạo ra các “liên kết hóa tri’? (Hình 6). Mô hình tinh thé của chat bán dẫn ở nhiệt độ thấp Khi ở nhiệt độ thấp, các liên kết hóa trị được giữ ôn định do đó trong chat bán dẫn không có các điện tử tự do đề tham gia vào quá trình dẫn điện và trở thành chất cách điện.
Tuy nhiên ở nhiệt độ cao, electron nhận được năng lượng dưới dang nhiệt, chúng sẽ đao động mạnh mẽ, làm gãy các liên kết, bứt ra khỏi nguyên tử và khi năng lượng này lớn hơn năng lượng E,, thì các điện tử có thé dé dàng xuyên qua khỏi vùng cam dé vào vùng dẫn điện và trở thành các điện tử tự do. Việc ra đi của các electron làm xuất hiện các lỗ trong tại vùng hóa trị (Hình 7). Chính lỗ trống va electron sẽ đóng vai trỏ là các hạt tải điện trong chất bán dẫn. Diện tử tự do Liên kết hóa trị bị đứt gãy —__Lễ trông Hình 7.
Mô hình tinh thé chất bán dẫn ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, trên thực tế thì mô hình dẫn điện của chất bán dẫn không đơn giản như vậy vì chất bán dẫn không hoàn toàn tinh khiết mà chúng còn chứa các nguyên tử tạp chất. Các tạp chat này gây ra khuyết tật trong mạng tinh thé làm xuất hiện các mức § năng lượng cho phép điện tử có thê tồn tại trong vùng cắm. Các mức năng lượng định xứ này có thé chia làm hai loại: các mức năm bên dưới vùng dan, trên mức fermi (Ey) có xu hướng bắt các điện tử (bẫy điện tử); các mức nằm trên vùng hóa trị và đưới mức fermi có xu hướng bắt các lỗ trông (bay 16 trồng) (Hình 8). [3], [5] —— Bay điện tử Mức Fermi E, Bay "=.
lễ ` trốn Vùng hóa trị Hình 8. Mô hình bẫy điện tir và lỗ trông đơn giản trong chất bán dan 1. Hiện tượng quang phát quang Hiện tượng quang kích thích phát quang gọi tắt là hiện tượng quang phát quang là hiện tượng chat phát quang sau khi bị kích thích bởi ánh sáng có bước sóng J sẽ phát ra ánh sáng có bước sóng 2”. Nguyên nhân dẫn đền hiện tượng quang phát quang xuất phát tir quá trình chuyên động của các hạt tải điện giữa các trạng thái không hoàn hảo bên trong cau trúc vật liệu.
Khi electron bị kích thích bởi các bức xạ ion hóa, chúng nhảy lên vùng dan, đồng thời để lại lỗ trồng tại vùng hóa trị. Các điện tử này có thé di chuyên một cách tự do cho đến khi chúng bị bắt giữ tại các mức năng lượng tôn tại trong vùng cam, gọi là các “bay”. Lúc này, vật liệu đang ở trạng thái kích thích, nếu dùng một nguồn sáng có bước sóng thích hợp thì năng lượng tử nguồn sáng giúp điện tử được giải phóng, dẫn đến sự tái hợp trở lại giữa electron và lỗ trống tại tâm phát quang. Quá trình tái hợp sẽ phát ra năng lượng dưới dang bức xạ điện từ có bước sóng trong vùng ánh sáng khả kiến (Hình 9).
Dùng ánh sáng dé phát ra ánh sáng, hiện tượng này chính là hiện tượng quang phát quang. [6], [7] 9 Nguồn sáng Phát quang kích thích Vùng hóa trị 1. Cac mô hình quang kích thích phát quang Xác suất P(E,) của quá trình kích thích các điện tử thoát ra khỏi bẫy trong từng bước sóng 2 cụ thé là: p(E,)=®ø(E,) (4) Với ® là cường độ ánh sáng kích thích, ơ(E,) là khả năng tương tác của các điện tử mắc kẹt trong bãy với photon từ nguồn sáng kích thích, E, là năng lượng cần thiết đề đưa điện tử trở về trạng thái cân bang. Có ba mô hình quang kích thích phát quang chính đó là: + Mô hình quang phát quang sử dụng nguồn sáng có cường độ sáng ® không đôi theo thời gian gọi là mô hình quang kích thích phát quang liên tục (Continous Wave Optically Sumulated Luminescence: CW-OSL) (Hình L0).