Thời Gian Sống Và Hiệu Suất Lượng Tử - Nội Dung Nghiên Cứu - 123doc

6. Nội dung nghiên cứu

1.2.2. Thời gian sống và hiệu suất lượng tử

Thời gian sống phát quang và hiệu suất lượng tử có lẽ là đặc điểm quan trọng nhất của một chất phát quang. Thời gian sống phát quang được hiểu là thời gian từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang (còn được coi như thời gian sống trung bình của nguyên tử trong trạng thái kích thích); trong đó huỳnh quang biến mất ngay

đến vài phút, lân quang vẫn còn nhìn thấy, ngay cả sau khi nguồn ánh sáng kích thích được lấy ra.

Hiệu suất lượng tử là tỷ số của số lượng photon phát xạ với số lượng hấp thụ. Chúng ta quan tâm đến tốc độ tái hợp phát xạ của chất phát quang Γ (tốc độ tắt dần phát xạ) và tốc độ tái hợp không phát xạ knr (tốc độ tắt dần không phát xạ). Hiệu suất lượng tử được tính theo công thức sau [12]:

nr

Q = + k



 (1.26)

Hiệu suất lượng tử sẽ rất cao nếu knr< Γ, nhưng thực tế thì không như vậy bởi có sự dịch chuyển Stokes. Cả knr và Γ cùng làm giảm trạng thái kích thích của các chất phát quang [1,12].

Khi một phân tử hấp thụ một photon năng lượng thích hợp, sẽ có một trạng thái kích thích với độ tích luỹ trạng thái ban đầu là n(0). Độ tích luỹ trạng thái kích thích giảm dần do mất năng lượng trong trường hợp không phát xạ ánh sáng. Mỗi quá trình chuyển trạng thái xảy ra với một xác suất nhất định, đặc trưng bởi hằng số k = knr + Γ (hằng số dập tắt hay tốc độ tắt dần tổng cộng).

Thời gian sống huỳnh quang của các trạng thái kích thích, ký hiệu τ, là thời gian trung bình một phân tử nằm trong trạng thái kích thích trước khi trở về trạng thái cơ bản. Do đó τ có thể được diễn tả như nghịch đảo của tốc độ tắt dần tổng cộng nên:

1 nr

1/ k 1/( k )

     (1.27)

Vậy độ tích luỹ trạng thái kích thích theo thời gian với tốc độ tắt dần là k thì tuân theo phương trình nr dn(t) ( k )n(t) dt     (1.28) Với n(t) là số tâm phát xạ (emitter) bị kích thích tại thời điểm t sau khi kích thích. Như vậy trạng thái bị suy giảm theo hàm mũ:

n(t) n exp(-t/ 0  (1.29) Do đó, thời gian sống huỳnh quang τ sẽ được xác định bằng cách quan sát sự phân rã trong cường độ huỳnh quang của một huỳnh quang sau khi kích thích. Ngay lập

tức sau khi một phân tử được kích thích cường độ huỳnh quang sẽ ở mức tối đa Io và sau đó giảm theo cấp số nhân:

I(t) = Io exp(-t/ τ) (1.30) Như vậy, thời gian sống phát xạ huỳnh quang có thể nhận được theo hai cách: i/

là thời gian mà tại đó cường độ giảm xuống 1/e so với giá trị ban đầu của nó, như vậy thời gian sống được xác định từ độ dốc của đường cong log I(t) theo thời gian t; và ii/

thời gian sống cũng được tính là lượng thời gian trung bình của tâm phát xạ còn lại ở trạng thái kích thích sau khi kích thích [12].

Hiệu ứng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang và ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon lên huỳnh quang của chất phát quang