Chương 6: Tính chất quang của vật liệu

LOGO 1 2Ánh sáng được phát ra từ các vật liệu (nguồn sáng) như: ü Ánh sáng trắng từ mặt trời ü Ánh sáng phát ra từ đám cháy ü Ánh sáng phát ra từ đèn tròn ü Ánh sáng vàng phát ra từ đèn natri ü Ánh sáng từ phản ứng hóa học ü Ánh sáng từ sinh vật 3ü Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ (electromagnetic radiation). ü Ánh sáng có các bức xạ ở dạng sóng (wave) và các lượng tử (photon) dạng hạt (particle) được phát ra từ vật liệu. 4Các thông số quan trọng của ánh sáng là: ü Năng lượng photon E ü Bước sóng (wavelength) λ ü Tần số (frequency) v Mối liên hệ của các thông số này: h – hằng số Planck = 6,6262.10-34 J.s c – tốc độ ánh sáng trong chân không = 3.108 m/s 5 6Mắt con người chỉ thấy được: ü Bước sóng từ 400 – 700 nm (visible light) ü Năng lượng từ 1,8 eV to 3,1 eV ü Tần số từ 4,3x1014 đến 7,5x1014 Hz Tím Xanh dương Xanh lá cây Vàng Cam Đỏ Violet Blue Green Yellow Orange Red 7Khi chiếu 1 tia ánh sáng vào chất rắn, có thể xảy ra các hiện tượng sau: ü Phản xạ (reflection) ü Truyền qua (transmission) ü Hấp thụ (absorption) ü Khúc xạ (refraction) Mỗi vật liệu sẽ có khả năng khác nhau với các hiện tượng trên. 8Incident: I0 Absorbed: IA Transmitted: IT Scattered: IS Reflected: IR ART IIII ++=0 = T + R + A Cường độ (intensity) của tia ánh sáng tới (I0) bị tách thành các tia phản xạ (IR), truyền qua (IT) và hấp thụ (IA) Ø Tỉ số IT/I0 = T là hệ số truyền qua (transmissivity) Ø Tỉ số IA/I0 = A là hệ số hấp thu (absorptivity) Ø Tỉ số IR/I0 = R là hệ số phản xạ (reflectivity) 9Hai trong các tương tác quan trọng nhất là sự phân cực điện tử (electronic polarization) và sự chuyển mức năng lượng điện tử (electron energy transitions) Hiện tượng quang học xảy ra trong lòng chất rắn bao gồm các tương tác giữa bức xạđiện từ với các điện tử, ion và nguyên tử 10 + no transmitted light transmitted light + electron cloud distorts Ø Bản chất ánh sáng là sóng điện từ, nên có tương tác với đám mây electron bao quanh nguyên tử, tạo nên sự phân cực điện tử. Ø Hệ quả: ü Đám mây electron của nguyên tử bị biến dạng, lệch so với hạt nhân ü Một phần năng lượng ánh sáng bị hấp thụ ü Vận tốc ánh sáng bị chậm lại, tạo nên sự khúc xạ 11 Electron thuộc lớp vỏ nguyên tử, ion nhận năng lượng ánh sáng, nhảy từ trạng thái bền (ground state) lên trạng thái kích thích (excited state) Chỉ những bức xạ có năng lượng thích hợp mới giúp electron chuyển sang trạng thái kích thích (bước sóng đó bị hấp thụ). 12 Ø Điện tử tiếp nhận năng lượng từ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn → hấp thụ tự phát Ø Điện tử bức xạ ra năng lượng dưới dạng photon và nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn → bức xạ tự phát q Các đặc trưng quang học của chất rắn biểu hiện qua sự hấp thụ và bức xạ các sóng điện từ 13 Ánh sáng bị giảm vận tốc (giảm bước sóng, tần số không đổi) và đổi hướng khi truyền qua vật liệu. Chỉ số khúc xạ (chiết suất) n được định nghĩa là: 14 n1 n2 = sin f2 sin f1 n2 n1 n2 < n1 f1 cf f2 Sợi quang học (optical fiber) là vật liệu có chiết suất n cao để mà toàn bộ ánh sáng phản xạ bên trong và không thoát khỏi vật liệu. f1 = góc tới f2 = góc khúc xạ fc = góc tới hạn khi f2 = 90° Khi f1 > fc, ánh sáng bị phản xạ bên trong Chiết suất phụ thuộc vào bản chất vật liệu và bước sóng tới (hiện tượng tán sắc) 15 § Kim loại phản xạ hầu như toàn bộ ánh sáng (có ánh kim), R = 0,90 – 0,95. Thủy tinh có R ≈ 0,05. tyreflectivi 1 1 2 =÷ ø ö ç è æ + - = n nR %1717.0 141.2 141.2 2 ==÷ ø ö ç è æ + - =R VD: kim cương có hệ số phản xạ là § Cu và Au hấp thụ tia blue và green nên có màu vàng 16 Kim loại hấp phụ photon bởi quá trình chuyển mức electron Energy of electron Planck’s constant (6.63 x 10-34 J/s) freq. of incident light filled states unfilled states DE = hn required! Io ü Kim loại có một dãy trạng thái năng lượng kế tiếp nhau, nên có thể hấp thụ nhiều bước sóng khác nhau ü Electron ngoài bề mặt kim loại hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và bức xạ lại sóng ánh sáng cùng tần số 17 Với vật liệu phi kim loại, năng lượng photon giúp kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn với điều kiện: Với bước sóng vùng khả kiến (400 – 700 nm); 1,8 eV < Eg < 3,1 eV hay 18 incident photon energy hn Energy of electron filled states unfilled states Egap Io violet light: hn = 3.1 eV red light: hn = 1.8 eV Quá trình hấp thụ photon xảy ra khi hv > Eg Nếu Eg < 1,8 eV, vật liệu hấp thụ toàn bộ, màu đen (C, Si, GaAs) Nếu Eg > 3.1 eV, vật liệu hoàn toàn không hấp thụ, không màu (kim cương) Nếu Eg ở giữa, vật liệu hấp thụ chọn lọc, có màu cụ thể. 19 Phần ánh sáng truyền qua là phần còn lại sau khi hấp thụ và phản xạ, → Cường độ tia ló bị giảm và phụ thuộc vào bước sóng. Tỉ lệ các hiện tượng theo bước sóng tới trên một thủy tinh xanh dương 20 Ø Màu của vật liệu trong suốt là kết quả của quá trình hấp thụ chọn lọc ánh sáng, là sự kết hợp của những bước sóng được truyền qua. Ø Nếu sự hấp thụ là đồng đều cho tất cả các bước sóng, vật liệu là không màu. VD: thủy tinh tinh khiết, kim cương tinh khiết, đá sapphire. Ø Dựa vào Eg, vật liệu chỉ hấp phụ một phần bước sóng ánh sáng, màu khác nhau. VD: CdS có Eg = 2,4 eV, hấp thụ bước sóng năng lượng cao (blue, violet), nên những tia đỏ, vàng, vàng cam truyền qua tạo màu cho nó. 21 Khi có tạp chất, Eg thay đổi, vật liệu thay đổi màu. VD: sapphire không màu, khi thêm phụ gia Cr2O3 (0.5 to 2%) có màu đỏ ruby. 22 q Mức độ truyền qua và mức độ đục của vật liệu điện môi trong suốt phụ thuộc vào đặc trưng phản xạ và truyền qua nội tại của vật liệu ü Tia sáng truyền qua bị làm lệch hướng tại các vị trí biên của các đa tinh thể và lan truyền nhiều lần trong vật liệu ü Độ đục của vật liệu là khi tia sáng tới bị va chạm tán xạ (scattering) trên bề mặt vật liệu, tia sáng không truyền qua được, bị lệch hướng VD: Tính mờ đục của Al2O3 đơn tinh thể, đa tinh thể và bị khuyết tật (chứa mao quản) 23 activator level Valence band Conduction band trapped statesEg Eemission Ø Sự phát quang (luminescence) là sự phát ra ánh sáng từ vật liệu. ü Vật liệu có thể hấp thụ ánh sáng với một tần số nhất định và phát ra một tần số khác thấp hơn (ngoài ra còn có phát nhiệt). ü Ngoài ánh sáng, có thể sử dụng các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng, hóa năng, điện tử năng lượng cao,… ü Phân loại: huỳnh quang (fluorescence) và lân quang (phosphorescence) 24 Ø Dựa trên khoảng thời gian trễ giữa hấp thụ và tái phát xạ, phân loại: ü Thời gian tái phát xạ nhỏ hơn 1 giây nhiều («1s) - huỳnh quang ü Thời gian tái phát xạ lớn hơn - lân quang 25 Ø Hiện tượng hồ quang điện ở điện cực âm giúp phóng ra e, e di chuyển về cực dương, ion hóa khí trơ (tạo môi trường plasma) và kích thích Hg phát tia cực tím, tia này kích thích phosphor (P) phát huỳnh quang ánh sáng trắng. 26 Ø Sử dụng trong màn hình tivi CRT (Cathode Ray Tube) ü Sử dụng tia cathod để phát dòng electron ü Electron kích thích phosphor (P) ü P phát ra ánh sáng nhìn thấy với màu sắc tùy phụ gia Phụ gia tạo màu: ZnS (Ag+ & Cl-): Blue (Zn, Cd) S + (Cu++Al3+): Green Y2O2S + 3% Eu: Red 27 ü Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). ü Một số trường hợp khác phát nhiệt và không phát sáng (Si, Ge) được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. ü Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. 28 Màu sắc Bước sóng [nm] Điện áp [ΔV] Vật liệu Hồng ngoại λ > 760 ΔV < 1.63 GaAs, AlGaAs Đỏ 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP Cam 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 GaAsP, AlGaInP, GaP Vàng 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 GaAsP, AlGaInP, GaP Xanh lá 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 InGaN, GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP Xanh da trời 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 ZnSe, InGaN, SiC Tím 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 InGaN Đỏ tía Nhiều loại 2.48 < ΔV < 3.7 red phosphor, purple plastic Tia cực tím λ < 400 3.1 < ΔV < 4.4 Kim cương (235 nm), BN (215 nm) AlN (210 nm), AlGaInN (210 nm) Hồng Nhiều loại ΔV ~ 3.3 Vàng với lớp phosphor đỏ Trắng với thuốc nhuộm/pigment hồng Trắng Phổ rộng ΔV = 3.5 Kết hợp nhiều loại diode 29 Ø OLED: đèn LED từ polimer dẫn điện hữu cơ ü Ưu điểm: nhẹ, trong suốt, phát sáng 2 chiều, uốn cong được, ứng dụng làm màn hình tivi, điện thoại,… 30 Ø Hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) là hiện tượng điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. n-type Si P-type Si p-n junction B-doped Si Si Si Si SiB hole P Si Si Si Si conductance electron P-doped Si 31 Pin quang hóa (solar cell) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện 32 Ø Khi chiếu một photon tới vật liệu đang ở trạng thái kích thích, vật liệu sẽ phát ra 2 photon, cường độ photon chiếu ra tăng lên. 33 Ø Một số vật liệu có tồn tại trạng thái chuyển tiếp siêu bền, electron bị kích thích nằm ở trạng thái siêu bền (trong khoảng thời gian microsecond đến milisecond) Rất nhanh và phát nhiệt X X X X XXX Chậm hơn, phát quang và xảy ra một lượt Trạng thái siêu bền 34 ü Sử dụng một nguồn năng lượng (ánh sáng, nhiệt, dòng e từ nguồn điện,…) để duy trì e ở trạng thái kích thích (siêu bền). ü Mật độ electron ở trạng thái kích thích nhiều hơn trạng thái cơ bản. 35 Ø Photon phát xạ kích thích làm tăng cường độ tia ló, tia ló lại phát xạ kích thích tiếp theo cơ chế dây chuyền làm tăng cường độ tia laser phát ra rất nhiều lần. 36 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích) Ứng dụng của tia laser: hàn, khoan, cắt, trong y học, khắc lên vật liệu gốm, in ấn, ghi đĩa DVD, đo khoảng cách trong không gian, vũ khí quân sự, v.v… 37 Sợi quang học là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu. 38 Core: sợi quang nơi ánh sáng đi (có chiết suất cao) Cladding: bao bọc lõi và phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi (có chiết suất thấp hơn) Buffer coating: lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi không bị hỏng và ẩm ướt Jacket: hàng trăm hay hàng ngàn sợi quang được đặt trong bó gọi là cáp quang, những bó này được bảo vệ bởi lớp phủ bên ngoài gọi là jacket. 39 Ø Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh sáng vào cáp quang. Ø Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành data. Ø Đặc điểm: truyền ánh sáng nên nhanh, độ suy yếu thấp, mỏng, dung lượng truyền tải cao, không bị nhiễu, ảnh hưởng của thời tiết, không sợ hỏa hoạn, v.v… 40 Ứng dụng: 41 Vật liệu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, giúp electron bị kích thích lên vùng dẫn: UV + MO → MO (h + e−) h+ + H2O → H+ + •OH 2 h+ + 2 H2O → 2 H+ + H2O2 H2O2→ HO• + •OH e− + O2 → •O2 •O2− + HO•2 + H+ → H2O2 + O2 HOOH → HO• + •OH Các gốc tự do tạo ra có hoạt tính oxi hóa mạnh Ứng dụng: tổng hợp hydrogen, oxi hóa xử lý môi trường, tổng hợp hữ cơ, diệt khuẩn,…