ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN o0o PHẠM VĂN THÌN CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ZnO THÍCH HỢP CHO BỨC XẠ MICROLASER Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62 44 07 01 TÓM TẮT DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2014   c hoàn thành ti: B môn Vt lý Cht rn, Khoa Vt lý, ng i hc Khoa hc T nhiên, HQGHN. ng dn khoa hc: PGS. TS. Nguyn Th Bình PGS. TS. T nh Phn bi Phn bi Phn bi Lun án s c bo v c Hng cp Nc chm lun án tin s hp t Vào hi gi  Có th tìm hiu lun án ti: - n Quc gia Vit Nam - Trung tâm Thông tin - i hc Quc gia Hà Ni 1 MỞ ĐẦU Trong nh ng nghiên cu mi  c quan tâm nhm thay th công ngh ch to microlaser truyn thng,   u nhiên.   hong ca các microlaser ngu nhiên này da trên lý thuy nh x Anderson áp di vng bt trt t. Vic ch to các microlaser ngu nhiên d và r  u so vi các microlaser truyn thng. Microlaser ngu nhiên có th c dùng làm ngun sáng trong mch quang hc tích hp, các micro-sensor thay th cho các sensor truyn thng. t ra mc tiêu nghiên cu microlaser trên tinh th ZnO va là phát trin mc nghiên cu vt lý laser mi, va là phi hp nghiên cu ch to vt liu nano ZnO, gn kt qu nghiên cu ch to vt liu nano ZnO vi mt mc tiêu ng dng c th là microlaser. ng nghiên cu s phát bc x ng bc và laser ngu nhiên trong vt liu ZnO. Lun án mang tên là "Chế tạo, nghiên cứu vật liệu ZnO thích hợp cho bức xạ Microlaser". Ma lun án là: - Nghiên cu ch to các vt liu ZnO có cu trúc thích h to thành các microlaser ngu nhiên. - Xây dn hành nghiên cu thc nghim các thuc tính quang hc ca vt liu ch t c. Tin hành thc nghim nghiên c c x microlaser t vt liu ZnO. 2 - Tìm hi to thành các microlaser do giam hãm quang h   ng bt trt t da trên lý thuyt nh x ca Anderson. Các k thut thc nghim trong luc thc hin ti các phòng thí nghim ca B môn Vt lý Cht rn, B ng t, B môn Vc Vt liu (Khoa Vt lý, Tri hc Khoa hc T nhiên, N); các phòng thí nghim ca Vin Khoa hc Vt liu (Vin KH & CN Vit Nam); Vin Khoa hc & Công ngh Tiên tin Nht Bn (JAIST). B cc ca lun án: Ngoài phn "M  "Kt lun", lu  c trình bày  ng quan. *       to mu và các k thut phân tích cu trúc. Ch to và kho sát bc x laser ngu nhiên t các mu ZnO dng viên nén và màng mng. Ch to và kho sát bc x laser ngu nhiên t các mu ZnO dng bt. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tính chất cấu trúc và tính chất quang của ZnO Km ôxít ZnO là mt vt liu có ting dng rt ln i vi các linh kin t hong  vùng xanh - tím.   các thit b n t hiu sut cao, cn thit phi kho sát các tính cht cu trúc và các quá trình chuyn trng thái quang hc trong ZnO. Trong mc này trình bày các tính cht cu trúc, các  dch chuyn quang hc, ngun g hình thành bc x ng bc  vt liu bán dn nói chung và  ZnO nói riêng. 1.2. Tổng quan về laser ngẫu nhiên * Gii thiu v laser ngu nhiên Trong sut mt thi gian dài, các tán x quang hc xem là gây cn tr cho ho ng ca laser, vì th cn phi loi b các photon tán x t các mode ca bung cng ng laser truyn thng. Tuy nhiên, trong m  ng bt trt t, các tán x li có th c trong c khui và hong ca laser, gi là laser ngu nhiên. Các laser loi này  hình thành mt cách ngu nhiên theo các tán x trong mng bt trt t các phát x laser phát ra t bung cng này mang tính ngu nhiên. * Mô hình lý thuyt ca Letokhov v laser ngu nhiên Mô hình khuch tán ca các laser ng xut vào u tiên mô t kh i ca bc x ng tán x ngu nhiên. 4   ng phát laser ngu nhiên  mô t m dòng   r,t   ca các photon bc x t hot cht có n tâm tán x cao [10,11,51]: 0 (r,t) 1 D (r,t) Q (r,t)n (r,t) ct           (1.22)  s khuch tán, n 0 là n hc kích thích, Q  là tit din vuông góc ca hot chi v Mt h       c s dng mô phng quá trình ng hc ca bc x kích thích trong laser ngu  em p pump em em em res dn P(t) n E cn dt Sl h h dE E n h Ec n dt                       (1.32)  cc kích thích; P(t)/S là m  p  ; E là m ng bc x;  em là tit din ngang bc x; h pump (h em c x);  là thi gian sng ca mc trên ca laser;  là tham s ng t ng vi trng thái kích thích ca mc trên;  res thi gian phc hi hiu dng ca photon t. * S phát trin ca laser ngu nhiên Hàng lot s kin thc nghim  c thc hi  chng minh s tn ti ca laser ngu nhiên. Thí nghim lch s do Letokhov, Ambartsumyan và cng s [10,11] thc hin   thay th ma bung cng Fabry - Perot bng mt b 5 mt tán x.    ác nghiên cu v laser trên các loi bt [35,57,58,66,69,71] hay trên các tâm tán x trong dung dch cht màu [23,35,37,48,49]. T   ng s t lot phát hin mi v quá trình ho ng ca laser trong bt bán dn và nhng  ZnO  hong ca nó da trên lý thuynh x Anderson cn t ng bt trt t. S phn hc to ra bi s lp li ca ánh sáng to thành vòng kínt hp và cng, khác vi s phn hi khuch tán. * Laser ngu nhiên t vt liu ZnO Trong mt thí nghi c      c các mu b ZnO bng hoà ba bc 3 ca laser Nd:YAG (355nm) v  rng xung c pico giây. Tn s ca nh sc nhn ph thuc vào v trí ca m    t kích thích di chuyn ngang trên mu, tn s cnh nh  i. Hi ng này cho thnh ph ri rc là do s c ng khô  i vi ánh sáng trong bt ZnO. Hình 1.21. Ph phát x ca màng mng ZnO vng  kích thích khác nhau [27] 6 Hình 1.23. S phân b không gian ca ph phát x [25] S ph thuc ca ph bc x vào góc quan sát và di Hình 1.24. Ph bc x laser theo các góc: a) 60 o (1188kW/cm 2 ) b) 15 o (1130kW/cm 2 ) Hình 1.25. Ph bc x laser khi din tích kích thích là 980, 1350, 1870m 2 (m kích thích là 1012kW/cm 2 ) 7 ng hc bc x ng bc ngu nhiên t ZnO Hình 1.27a. Ph    Hình 1.27b.    Laser ngu nhiên t ZnO khi kích thích bng xung nano giây Hình 1.28. iên nén ZnO  thích khác nhau. Hình 1.29.   xung nano giây 8 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẪU VÀ CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH CẤU TRÚC 2.1. Các phƣơng pháp chế tạo mẫu Trong lun án có ba loi m c ch to: Mu khi, mu màng và mu dng bt. * Mu dng kh c thc hi    m truyn thng. Mu sn xut b nh cao, rt bn trong không khí, d bo qun. * Các mc ch tháp: - -gel thuc nhóm kt h lý,  ch to ra các màng nano v xp cao và mn. -  cathode là m lt lý ch to màng có chng cao. Các p  C:   2.2. Các kỹ thuật phân tích cấu trúc Các mu sau khi ch tc kho sát cu trúc bng các h  - H nhiu x k tia X - Hin t quét - Hin t truyn qua. [...]... phổ bức xạ laser ngẫu nhiên từ các mẫu bột kích thích bằng hệ laser độ rộng xung pico giây (PL2143B-Ekspla), so sánh kết quả thu được với trường hợp kích thích bằng xung nano giây làm sáng tỏ quá trình động học của loại bức xạ này 7 Các kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy các mẫu ZnO đã chế tạo có khả năng phát bức xạ laser ngẫu nhiên Điều này chứng tỏ, các quy trình chế tạo mẫu ZnO đã thực hiện là thích. .. quả nghiên cứu về hiệu ứng laser ngẫu nhiên Tìm hiểu được các mô hình lý thuyết về laser ngẫu nhiên, đặc biệt là mô hình khuếch tán của Letokhov nhằm giải thích cơ chế hoạt động của laser ngẫu nhiên 2 Đã khảo sát cơ chế hoạt động của laser ngẫu nhiên từ vật liệu ZnO: Cơ chế hình thành và tính ngẫu nhiên của buồng cộng hưởng laser; các đặc trưng động học của bức xạ cưỡng bức ngẫu nhiên từ vật liệu ZnO; ... thích hợp cho khả năng thu bức xạ laser ngẫu nhiên Những khảo sát này phù hợp với các kết quả nghiên cứu quốc tế đã công bố khi thực hiện ở các điều kiện khác nhau 8 Mẫu bột ZnO chế tạo bằng phương pháp thủy phân có hình thái cấu trúc thích hợp, cho phép thu được bức xạ laser ngẫu nhiên ở dạng lớp bột mỏng vài micromet trên đế thủy tinh Đây là một kết quả thú vị, mở ra khả năng ứng dụng vật liệu này... từ vật liệu ZnO; các dạng phổ của laser ngẫu nhiên đặc trưng cho xung kích thích, phương pháp kích thích 3 Đã chế tạo thành công các dạng mẫu vật liệu ZnO phục vụ cho việc nghiên cứu microlaser ngẫu nhiên gồm mẫu dạng viên nén chế tạo bằng phương pháp gốm truyền thống; mẫu dạng màng mỏng chế tạo bằng phương pháp Sol-gel và phương pháp phún xạ; mẫu bột nano bằng phương pháp hóa vi sóng và phương pháp... 3.24 Phổ bức xạ laser từ Hình 3.25 Phổ bức xạ laser từ màng Sol-gel 6 lớp với mật độ màng phún xạ với mật độ kích 2 kích thích: a) 600 kW/cm ; thích: a) 600 kW/cm2; b) 700 kW/cm2; c) 950 kW/cm2 b) 650 kW/cm2; c) 1050 kW/cm2 14 Như vậy, quá trình tán xạ quang bị giam hãm trong vật liệu đã hình thành nên vòng lặp tán xạ phản hồi thỏa mãn điều kiện cộng hưởng và sự phát laser xuất hiện, đây là microlaser. .. B- í c sãng (nm) Hình 3.22 Phổ bức xạ laser từ mẫu ZnO viên nén với mật độ kích thích khác nhau: a) 700kW/cm2(dưới ngưỡng); b) 800kW/cm2(ngưỡng) và c) 1200kW/cm2(trên ngưỡng) * Phổ bức xạ laser từ mẫu màng mỏng Phổ bức xạ từ các màng mỏng ZnO cho kết quả tương tự khi độ dày của màng đủ lớn Các màng Sol-gel chỉ cho bức xạ laser khi có độ dày tương đương như các màng phún xạ (từ 6 lớp trở lên) 2000 é vt®...CHƢƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TỪ CÁC MẪU ZnO DẠNG VIÊN NÉN VÀ MÀNG MỎNG Để khảo sát phổ bức xạ laser ngẫu nhiên từ các mẫu ZnO chế tạo được, cần phải xây dựng một hệ đo phổ phát quang kích thích bằng laser Hệ quang phổ này phải có độ phân giải cao cho phép quan sát được cấu trúc mode của bức xạ laser đồng thời phải có độ nhạy tốt để thu được tín hiệu phổ yếu từ các màng mỏng ZnO cấu... êng ® (® ) [002] 5000 [102] [100] [002] [101] Mµng ZnO Bia gèm ZnO 0 20 25 30 35 40 45 50 Gãc nhiÔ x¹ 2(® u é) Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X của bia Hình 3.7 Ảnh SEM của gốm và màng ZnO chế tạo bằng màng ZnO chế tạo bằng phương pháp phún xạ phương pháp phún xạ Trên giản đồ XRD của màng ZnO chỉ có đỉnh (002) định hướng ưu tiên mạnh, trong khi đó vật liệu ZnO trên bia không có định hướng ưu tiên Hằng số... mẫu viên nén và màng mỏng 5 Nghiên cứu sơ đồ thí nghiệm thu phổ laser ngẫu nhiên kích thích bằng hòa ba bậc ba (355nm) của laser Nd:YAG, ở chế độ xung nano giây (Quanta Ray Pro 230) và sử dụng máy quang phổ MS-257 23 (Newport, USA) để thu nhận bức xạ laser ngẫu nhiên từ mẫu vật liệu dạng bột chế tạo được Phổ bức xạ laser nhận được khi kích thích đa xung và đơn xung nano giây cho thấy sự hình thành nhiều... TEM của các hạt nano ZnO chế tạo trong các dung môi khác nhau: a) Nước cất; b) Cồn tuyệt đối; c) Iso-propanol Từ các kết quả phân tích cấu trúc, có thể kết luận rằng môi trường rượu là dung môi thích hợp để tổng hợp các hạt nano ZnO với kích thước nhỏ, đồng nhất Đặc biệt là isopropanol là dung môi phù hợp để chế tạo các hạt nano ZnO có dạng hình cầu Các mẫu phục vụ cho nghiên cứu hiệu ứng laser ngẫu . VĂN THÌN CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ZnO THÍCH HỢP CHO BỨC XẠ MICROLASER Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62 44 07 01 TÓM TẮT DỰ THẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ . liu ZnO. Lun án mang tên là " ;Chế tạo, nghiên cứu vật liệu ZnO thích hợp cho bức xạ Microlaser& quot;. Ma lun án là: - Nghiên cu ch to các vt liu ZnO có cu trúc thích.  rng c nano giây. CHƢƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT BỨC XẠ LASER NGẪU NHIÊN TỪ CÁC MẪU ZnO DẠNG BỘT 4.1. Chế tạo bột nano ZnO * Bt nano ZnO ch to b