Thảo luận Xác định các thông số động học của ruby tự nhiên bằng nhiệt phát quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN ----------------š›---------------- SEMINAR TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG SVTH: Trần Thị Anh CBHD: Th.S Phan Thị Minh Điệp ---------------------------------- TP HỒ CHÍ MINH – 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA T.P HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN ----------------š›---------------- SEMINAR TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA RUBY TỰ NHIÊN BẰNG NHIỆT PHÁT QUANG SVTH: Trần Thị Anh CBHD: Th.S Phan Thị Minh Điệp ---------------------------------- TP HỒ CHÍ MINH – 2009 Lời cảm ơn Những lời đầu tiên em xin chân thành ghi ơn đến quý thầy cô trong khoa Vật Lý trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên đã dày công giảng dạy, truyền thụ kiến thức và những kinh nghiệm sống quý giá cho em trong suốt 4 năm học qua. Đặc biệt, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phan Thị Minh Điệp đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tiểu luận. Xin gửi lời cảm ơn đến Cha Mẹ lời tri ân sâu sắc đã yêu thương, quan tâm và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con trong suốt quá trình học tập. Gửi lời cảm ơn các bạn bè đã chia sẻ động viên khích lệ tôi hoàn thành tiểu luận này. Em xin chân thành ghi nhận tất cả những gì em có ngày hôm nay là nhờ tình yêu và lòng quý mến sâu xa của mọi người, xin ghi nhận nơi đây tấm lòng biết ơn sâu sắc nhất. Xin kính chúc mọi người sức khỏe, hạnh phúc và tình yêu trong cuộc sống. Mặc dù đã cố gắng, nhưng không tránh khỏi sai sót trong bài tiểu luận, kính mong quý Thầy Cô và Hội Đồng bảo vệ bỏ qua và góp ý để đề tài này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2009 Sinh viên thực hiện Trần Thị Anh Mục lục Danh sách các hình Hình 1.1: (a). Quá trình bắt electron và lỗ trống 3 (b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống 3 Hình 1.2: Một số dạng sai hỏng điểm gây ra bởi nguyên tử từ vật liệu chủ. 5 Hình 2.1: Cấu trúc vùng năng lượng của chất điện môi và bán dẫn. 10 Hình 2.2: Các dịch chuyển của các hạt điện tích 12 trong vật liệu bán dẫn, điện môi. 12 Hình 2.3: Mô hình đơn giản hai mức của nhiệt phát quang 14 và các dịch chuyển cho phép. 14 Hình 2.4: Dạng đường cong nhiệt phát quang. 16 Hình 2.5: Sơ đồ các mức năng lượng định xứ mở rộng với nhiều mức của vật liệu phát quang. 17 Hình 3.1: Dạng đường cong phát quang của động học bậc một. 19 Hình 3.2: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị khác nhau của n0. 20 Hình 3.3: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị E khác nhau. 20 Hình 3.4: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các giá trị s khác nhau. 21 Hình 3.5: Các đường cong phát quang bậc một ứng với các tốc độ quét nhiệt β khác nhau. 22 Hình 3.6: Đường cong phát quang động học bậc hai. 24 Hình 3.7: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị n0 khác nhau. 24 Hình 3.8: Đường cong phát quang của động học bậc hai theo các giá trị E khác nhau. 25 Hình 3.9: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các giá trị s’ khác nhau. 26 Hình 3.10: Đường cong phát quang động học bậc hai theo các tốc độ quét nhiệt β khác nhau. 27 Hình 3.11: Các đường cong bậc tổng quát với các giá trị b khác nhau. 29 [1]: b=1.01, [2]: b=1.3, [3]: b=1.7, [4]: b=2 29 Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thiết bị đo đường cong phát quang 30 Hình 4.2: Fitting tự do đường cong phát quang của vật liệu MgB4O7:Dy 32 Đường thực nghiệm là đường có các ô tròn đen, đường fitting là đường đậm liền nét. Các đỉnh đơn thành phần là các đường đứt nét. 32 Hình 4.3: Phương pháp sườn lên ban đầu. 33 Hình 5.1: Tinh thể Ruby nguồn gốc tự nhiên 35 Hình 5.2: Corindon với nhiều màu khác nhau 36 và viên Ruby tự nhiên của Việt Nam 36 Hình 5.3: Mô hình cấu trúc tinh thể của Ruby 37 Hình 5.4: Mô hình một số dạng tinh thể thường gặp của Ruby 38 Hình 5.5: Các bao thể rutin, canxit,…trong Ruby Việt Nam và các dạng bao thể lụa của rutin gây nên hiệu ứng “sao” trong Ruby 39 Hình 6.1: Đường cong phát quang của Ruby tự nhiên 40 Hình 6.2: Áp dụng phương pháp sườn lên ban đầu 41 cho 12 cặp giá trị thực nghiệm. 41 Hình 6.3: Giải chập đường cong phát quang của Ruby tự nhiên 43 bằng phương pháp fitting tự do. 43 Hình 6.4: Đường nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên 44 Đường 1 được chiếu xạ bằng tia γ: Tmax = 2990C, E = 1.49 eV 44 Hình 6.5: Đường cong nhiệt phát quang của Ruby tự nhiên chiếu xạ bằng chùm tia X trong thời gian 4 giờ, Tmax = 3400C. 45 Lời mở đầu Vào thế kỷ XVII Boyle đã khám phá ra hiện tượng Nhiệt phát quang (Thermally Stimulated Luminescence –TSL hay Thermoluminescence - TL), nhưng lúc bấy giờ, nó chỉ biết đến như hiện tượng một số tinh thể phát sáng khi được cấp nhiệt. Mãi tới năm 1960 ứng dụng của nhiệt phát quang mới được khai thác. Trong những năm gần đây, lĩnh vực nhiệt phát quang được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm do những ứng dụng thực tiễn của nó trong đo liều phóng xạ, và trong việc định tuổi các công trình cổ được xây dựng từ vật liệu vô cơ (gạch, ngói, đá, ...) Trên phương diện nghiên cứu cơ bản, nhiệt phát quang đóng góp nhiều hiểu biết về cơ chế vật lý và các sai hỏng (khuyết tật) xảy ra trong mạng tinh thể cũng như cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu. Sự hiểu biết các hiện tượng này sẽ giúp chúng ta giải quyết được các vấn đề gặp phải khi áp dụng hiện tượng nhiệt phát quang vào trong ứng dụng thực tế của mỗi vật liệu. Trong đề tài, em đã tìm hiểu về lý thuyết nhiệt phát quang và áp dụng những kiến thức này để giải chập đường cong phát quang, xác định các thông số động học cơ bản của Ruby tự nhiên, bước đầu tìm hiểu mô hình khuyết tật của Ruby, yếu tố quan trọng liên quan đến màu sắc cũng như giá trị hoàn hảo của loại đá quý này. PHẦN MỘT: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG 1.1. Hiện tượng nhiệt phát quang 1.1.1. Định nghĩa hiện tượng nhiệt phát quang Nhiệt phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence hay ngắn ngọn là Thermo-Luminescence) là hiện tượng một vật liệu cách điện (điện môi) hoặc một chất bán dẫn phát ra ánh sang khi bị nung nóng nếu trước đó vật liệu đã được chiếu xạ một cách có chủ đích hay tình cờ bởi các tia bức xạ ion hóa (tia α, β, γ, X …). Các đặc điểm của hiện tượng nhiệt phát quang rút ra từ định nghĩa: Vật liệu phải là chất điện môi hoặc bán dẫn, kim loại không có hiện tượng nhiệt phát quang. Vật liệu phải được chiếu xạ ion hóa trước quá trình nâng nhiệt. Sau khi vật liệu đã phát quang, muốn cho vật liệu phát quang trở lại chúng ta phải chiếu xạ lại vật liệu trước khi nung. Qua đó chúng ta thấy rõ nhiệt không phải là nguyên nhân gây ra hiện tượng, nó chỉ là nhân tố kích thích. Nguyên nhân phát quang nằm ở chỗ vật liệu đã hấp thụ năng lượng ion hóa từ trước. 1.1.2. Cơ chế đơn giản giải thích hiện tượng nhiệt phát quang Trong phần này chúng ta đưa ra một mô hình đơn giản để giải thích hiện tượng nhiệt phát quang. Đó là mô hình nguyên tử cô lập. Để mô hình có tính hiện thực hơn, chúng ta đặt các nguyên tử trong cấu trúc mạng tinh thể của chúng. Vì vật liệu nhiệt phát quang là các chất điện môi hoặc bán dẫn nên theo lý thuyết vùng năng lượng, giữa vùng hóa trị và vùng dẫn có một vùng năng lượng không được phép gọi là vùng cấm. Chúng ta kí hiệu độ rộng vùng cấm là Eg, mức năng lượng của đáy vùng dẫn là Ec và mức năng lượng của đỉnh vùng hóa trị là Ev. Hiệu (Ec - Ev) = Eg chính là độ rộng vùng cấm. Ở trường hợp lý tưởng, trong vùng cấm của điện môi và bán dẫn không tồn tại một mức năng lượng được phép nào của electron. Tuy nhiên, với chất bán dẫn và điện môi thực, trong vùng cấm sẽ tồn tại một số các mức năng lượng được phép của electron. Các mức năng lượng này do các khuyết tật gây ra. Trong trường hợp này, ta giả sử trong vùng cấm chỉ có hai mức năng lượng định mức T (trap-bẫy) và mức R (recombination-tái hợp). Khi chiếu xạ mẫu bằng tia bức xạ ion hóa thì các tia này ion hóa nguyên tử trung hòa làm bật electron lên vùng dẫn và để lại vùng hóa trị một ion dương gọi là lỗ trống. Trong hình electron được kí hiệu bằng một chấm tròn đen, còn lỗ trống là chấm tròn trắng. Electron chuyển động tự do trong vùng dẫn còn lỗ trống chuyển động tự do trong vùng hóa trị cho đến khi electron bị bắt tại bẫy T (gọi là bẫy electron) còn lỗ trống bị bắt tại bẫy R (gọi bẫy lỗ trống). (b) Hình 1.1: (a). Quá trình bắt electron và lỗ trống (b). Quá trình tái hợp giữa electron và lỗ trống Gọi E là độ sâu của bẫy (được tính từ Ec là đáy của vùng dẫn). Thời gian τ mà electron nằm tại bẫy phụ thuộc vào độ sâu E và nhiệt độ T của mẫu. Nếu mẫu nằm ở nhiệt độ phòng thì electron bị giữ tại bẫy rất lâu. Muốn giải phóng electron thoát khỏi bẫy ta cần phải cung cấp cho nó một động năng lớn hơn hoặc bằng E. Năng lượng này có thể được cung cấp cho electron dưới dạng năng lượng nhiệt bằng cách chủ động nâng nhiệt độ của mẫu. Đó là cách người ta thường làm trong phòng thí nghiệm khi đo đường cong phát quang của mẫu. Khi thoát khỏi bẫy và nhảy lên vùng dẫn, electron sẽ không thể ở lâu trên vùng dẫn vì vật liệu không phải là kim loại, do đó electron sẽ tái hợp với lỗ trống bị bắt từ trước tại tâm lỗ trống R (trong trường hợp này đóng vai trò của tâm tái hợp). Năng lượng dư thừa trong quá trình tái hợp được bức xạ ra ngoài dưới dạng một photon ánh sang theo công thức sau: (1.1) Dĩ nhiên mô hình mà chúng ta nêu ra quá đơn giản, không phản ánh đúng thực tế phức tạp hơn nhiều, nhưng những nét cơ bản của phương trình vẫn không thay đổi và giúp chúng ta hiểu được cơ chế cơ bản trong hiện tượng nhiệt phát quang. Trong thực nghiệm, người ta ghi lại cường độ ánh sang phát ra khi nâng nhiệt độ của mẫu (thường thì nhiệt độ của mẫu được làm tăng tuyến tính theo thời gian) và vẽ đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của cường độ phát quang I theo nhiệt độ T. Đồ thị I(T) gọi là đường cong phát quang (Glow Curve). 1.2. Các loại khuyết tật trong tinh thể Trong phần này ta chỉ xét các sai hỏng cấu trúc, không xét các sai hỏng cơ học, sai hỏng nhiệt. Người ta chia các khuyết tật mạng ra làm nhiều loại: 1.2.1 Khuyết tật điểm Là các khuyết tật hầu như không có kích thước đáng kể nào mọi chiều trong không gian. Kích thước của chúng chỉ chừng vài hằng số mạng. Các khuyết tật điểm có thể chuyển động trong tinh thể, tương tác với nhau và với các khuyết tật loại khác. Nồng độ của khuyết tật điểm phụ thuộc vào nhiệt độ. Các khuyết tật cơ bản: Các chỗ khuyết nguyên tử hoặc ion của vật liệu: (A) Các chỗ chêm: (B) Nguyên tử tạp chất thay thế: (C) Nguyên tử tạp chất chêm vào: (D) Các chỗ khuyết đôi: (E) Hình 1.2: Một số dạng sai hỏng điểm gây ra bởi nguyên tử từ vật liệu chủ. 1.2.2 Khuyết tật đường Là các khuyết tật có kích thước theo một chiều không gian, còn hai chiều còn lại chỉ cỡ vài hằng số mạng. Khuyết tật đường đặc trưng là lệch mạng. 1.2.3 Khuyết tật mặt Là các khuyết tật có kích thước theo hai chiều không gian, chiều còn lại cỡ vài hằng số mạng. Khuyết tật mặt có thể tồn tại ở các mặt giới hạn của các hạt, các domen và ngay mặt ngoài của tinh thể cũng có thể tồn tại các khuyết tật mặt. 1.2.4 Khuyết tật khối Là những lỗ hổng, khe nứt, hạt lẫn tồn tại trong tinh thể. Trong hiện tượng phát quang nói chung và hiện tượng nhiệt phát quang nói riêng, khuyết tật điểm đóng vai trò quan trọng nên ta chỉ quan tâm đến các khuyết tật điểm. 1.3. Các tâm màu Là các khuyết tật phức tạp có phổ tần số hấp thụ ánh sáng riêng và làm thay đổi màu sắc của các tinh thể. Chúng được tạo thành từ sự tương tác của các khuyết tật điểm với các electron và lỗ trống. Người ta phân biệt các tâm màu theo bước sóng của phổ hấp thụ riêng và mức năng lượng tương ứng trong vùng cấm. Các tâm điện tử có mức năng lượng cao hơn mức năng lượng giữa vùng cấm, còn các tâm lỗ trống có mức năng lượng thấp hơn mức giữa vùng cấm. Các tâm điện tử nhường các điện tử thừa còn các tâm lỗ trống có thể bắt các điện tử. Năng lượng để tạo ra các tâm màu được xác định bởi vị trí và cường độ của dải hấp thụ. Nếu phổ hấp thụ rơi vào vùng ánh sáng khả kiến thì sẽ làm thay đổi màu ánh sáng nhìn thấy của tinh thể. 1.4. Sự hình thành đường cong phát quang Khi nghiên cứu về hiện tượng nhiệt phát quang, về phương diện thực nghiệm thì phép đo cơ bản nhất là phép đo đường cong phát quang của vật liệu. Đó là đường cong biểu diễn sự thay đổi của cường độ phát quang của vật liệu theo nhiệt độ của mẫu, tức là đường cong I(T). Trong mục này chúng ta sẽ xem xét sự hình thành của đường cong phát quang và tìm hiểu những thông tin nào có thể rút ra được từ đường cong phát quang đó. Cường độ phát quang tại một thời điểm bất kì t là I(t) tỉ lệ với tốc độ tái hợp (số lượng tái hợp trong một đơn vị thời gian) của lỗ trống và electron tại tâm tái hợp R (ở đây giả thiết tâm tái hợp là bẫy lỗ trống R như đa số trường hợp gặp phải, tuy nhiên không phải lúc nào bẫy lỗ trống cũng là tâm tái hợp). Nếu gọi là nồng độ lỗ trống bị bẫy thì: (1.2) Trong công thức trên có dấu trừ vì rằng nồng độ lỗ trống bị bẫy giảm đơn điệu theo thời gian, tức là . Thường thì trong thực nghiệm người ta nâng nhiệt độ của mẫu tuyến tính theo thời gian, tức là: (1.3) Trong đó là nhiệt độ ban đầu của mẫu (ví dụ nhiệt độ phòng), là tốc độ nâng nhiệt, là độ tăng nhiệt độ trong thời gian một giây (). Trong các phép đo dường cong phát quang, có giá trị từ 13. Từ (I.5) ta có: nên: (1.4) Hình 1.3 trình bày sự hình thành của đường cong phát quang của mẫu. Hình 1.3a biễu diễn sự phụ thuộc của xác suất thoát bẫy theo nhiệt độ. Ta thấy bắt đầu từ một nhiệt độ Ti nào đó thì xác suất thoát bẫy có một giá trị khác không đáng kể và tăng dần theo nhiệt độ. Đến nhiệt độ và lớn hơn thì mọi điện tích bị bắt giữ tại bẫy đều có xác xuất thoát bẫy bằng 1, nghĩa là mọi bẫy đều trống khi nhiệt độ tức thời của mẫu lớn hơn nhiệt độ này. Hình 1.3b trình bày sự phân bố điện tích tại các bẫy. Rõ ràng khi nhiệt độ tăng, số điện tích tại bẫy sẽ giảm dần và bằng 0 khi nhiệt độ là . Hình 1.3c là sự phụ thuộc của cường độ phát quang theo nhiệt độ. Ta thấy cường độ phát quang đạt cực đại tại nhiệt độ và bắt đầu giảm dần khi số điện tích tại bẫy bắt đầu giảm. Nhiệt độ tối thiểu cho phép thoát khỏi bẫy một cách đáng kể Xác suất thoát khỏi bẫy p Mọi điện tích đều thoát khỏi bẫy ở nhiệt độ này T (nhiệt độ) O O Sự phân bố điện tích bị bẫy n n0 1 T (nhiệt độ) T (nhiệt độ) I Im O (a) (b) (c) Hình 1.3: Giải thích sự hình thành đường cong nhiệt phát quang Từ sự hình thành của đường cong phát quang, có thể thu nhận các thông tin sau đây mà ta cần lưu ý: Biên độ cực đại của đường cong phát quang. Giá trị này rõ ràng có quan hệ đến nồng độ ban đầu của các điện tích bị bắt tại bẫy. Nhiệt độ tại đó cường độ là cực đại. Giá trị này liên quan đến độ sâu năng lượng E của bẫy. E càng lớn thì càng lớn và ngược lại. Hình dạng của đường cong phát quang. Hình dạng này liên quan đến bậc động học của bẫy. Như vậy, từ phép đo đường cong phát quang của mẫu từ thực nghiệm, chúng ta có thể rút ra được các thông tin quan trọng về bản chất của các khuyết tật cũng như các cơ chế vật lý xảy ra trong quá trình nâng nhiệt để phát quang của mẫu. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆN TƯỢNG NHIỆT PHÁT QUANG Ở phần này, chúng ta sẽ sử dụng lý thuyết vùng năng lượng để giải thích hiện tượng nhiệt phát quang. 2.1. Các vùng năng lượng và các mức định xứ trong tinh thể Ứng dụng của cơ học lượng tử vào việc mô tả các electron trong tinh thể cho một kết quả quan trọng là các mức năng lượng được phép của các electron nhóm lại thành từng vùng và giữa chúng có vùng cấm. Do nhiệt phát quang chỉ tập trung vào chất điện môi và bán dẫn nên ta sẽ đi cụ thể cấu trúc vùng năng lượng của chúng. Trong hình 2.1 trình bày các vùng năng lượng và mức Fermi trong chất bán dẫn và điện môi. Với những vật liệu nhiệt phát quang (điện môi và bán dẫn), vùng hóa trị bị chiếm hoàn toàn còn vùng dẫn các mức hoàn toàn trống. Giữa hai vùng trên là vùng cấm với độn rộng là Eg. Với các tinh thể lý tưởng của các vật liệu này thì mật độ năng lượng bị chiếm bằng 0 khi Ec > E > Ev. Chất bán dẫn Eg = ∆E ≤ 3eV Chất điện môi Eg = ∆E ≥ 3eV Hình 2.1: Cấu trúc vùng năng lượng của chất điện môi và bán dẫn. E(c): Mức năng lượng của đáy vùng dẫn ứng với thế năng electron. E(v): Mức năng lượng của đỉnh vùng hóa trị ứng với thế năng của lỗ trống. E(f): Mức Fermi. Sự phân bố của các hạt dẫn (electron – lỗ trống) theo hàm Fermi – Dirac: Tuy nhiên trong tinh thể thực luôn tồn tại các sai hỏng mạng hoặc có lẫn các tạp chất (ta gọi là các khuyết tật). Điều này phá vỡ cấu trúc tuần hoàn của mạng dẫn, đến sự xuất hiện các mức năng lượng được phép của electron trong vùng cấm (gọi là mức năng lượng “định xứ”). Các mức năng lượng này giữ vai trò quan trọng trong việc giải thích hiện tượng nhiệt phát quang. 2.2. Các bẫy và các tâm tái hợp Trước khi đi vào chi tiết, ta mô tả hiện tượng nhiệt phát quang gồm các quá trình sau: : Sự ion hóa. (b), (e): Sự bẫy electron và lỗ trống. (c), (f): Sự giải thoát electron và lỗ trống. (d), (g): Sự tái hợp gián tiếp (tái hợp vùng – tâm hoặc tâm – tâm). (h) : Sự tái hợp trực tiếp (tái hợp vùng – vùng). Hình 2.2: Các dịch chuyển của các hạt điện tích trong vật liệu bán dẫn, điện môi. Trong hình 2.3, dịch chuyển (a) là sự kích hoạt một electron từ một nguyên tử trung hòa của vật liệu bằng các tia như α, β, γ, X,… từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Electron di chuyển tự do trong vùng dẫn. Khi electron rời khỏi vùng hóa trị, nó để lại trong vùng này một lỗ trống. Lỗ trống cũng tự do di chuyển trong vùng hóa trị. Cặp electron – lỗ trỗng này sẽ di chuyển tự do cho đến khi chúng bị bắt tại các tâm khuyết tật mà ta gọi là bị bẫy: (b) sự bẫy electron và (e) sự bẫy lỗ trống. Các electron – lỗ trống bị bẫy có thể được giải thoát bởi các nguồn kích thích khác nhau, trong nhiệt phát quang là do nhiệt: dịch chuyển (c), (f). Các electron – lỗ trống này có thể di chuyển tự do hoặc có thể tái hợp với các hạt tích điện trái dấu một cách trực tiếp (h) hoặc gián tiếp (d), (g) với các điện tích bẫy tại các bẫy. Nếu sự tái hợp có kèm theo sự phát xạ photon thì ta có hiện tượng phát quang (nhiệt phát quang, quang phát quang…). Các electron – lỗ trống bị bẫy được giải phóng khỏi bẫy với một xác xuất nào đó. Ta có thể phân biệt giữa tâm tái hợp và bẫy dựa vào các xác suất tỉ đối của sự tái hợp và sự giải thoát do kích nhiệt: Đối với electron: Xác xuất dịch chuyển (c) lớn hơn xác xuất dịch chuyển (d) thì tâm đó được gọi là bẫy. Xác xuất dịch chuyển (d) lớn hơn xác suất dịch chuyển (c) thì tâm đó được gọi là tâm tái hợp. Đối với lỗ trống: Xác xuất dịch chuyển (f) lớn hơn xác xuất dịch chuyển (g) thì tâm đó được gọi là bẫy. Xác xuất dịch chuyển (g) lớn hơn xác suất dịch chuyển (f) thì tâm đó được gọi là tâm tái hợp. 2.3. Các quá trình tái hợp Mọi quá trình phát quang đều tuân theo quy luật tái hợp giữa electron và lỗ trống. Có ba loại tái hợp khác nhau có thể xảy ra: Sự tái hợp vùng – vùng (dịch chuyển (h)) còn gọi là sự tái hợp “trực tiếp”. Sự tái hợp vùng – tâm (dịch chuyển (d), (g)) còn gọi là sự tái hợp “gián tiếp”. Sự tái hợp tâm - tâm. Ngoài ra để sự phát quang xảy ra thì sự tái hợp electron – lỗ trống phải kèm theo sự phát xạ của một photon, tức là sự tái hợp này phải phát xạ. Cũng có trường hợp tái hợp nhưng không phát xạ. 2.4. Các mô hình nhiệt phát quang 2.4.1. Mô hình đơn giản nhất Trong mô hình đơn giản, chỉ có hai mức năng lượng định xứ trong vùng cấm của vật liệu bán dẫn hoặc điện môi. : Sự ion hóa. , (5): Sự bẫy electron và lỗ trống. : Qúa trình thoát khỏi bẫy của electron. : Qúa trình tái hợp phát quang. R: Tâm tái hợp cũng chính là bẫy lỗ trống. Ef : Mức Fermi. Hình 2.3: Mô hình đơn giản hai mức của nhiệt phát quang và các dịch chuyển cho phép. Mức thứ nhất T (trap) đóng vai trò là bẫy electron, mức này trống khi ở trạng thái cân bằng. Mức thứ hai R (recombination) đóng vai trò là tâm tái hợp, mức này chứa đầy electron khi ở trạng thái cân bằng. Khi chiếu xạ vật liệu bằng các tia ion hóa có năng lượng hn (lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg) sẽ tạo ra cặp electron và l