Tính chất quang học là gì? Cơ chế tương tác ánh sáng và vật liệu

Tính chất quang học (tiếng Anh: optical properties) là tập hợp các đặc tính vật lý mô tả cách thức một chất hoặc cấu trúc vật liệu phản ứng khi tương tác với bức xạ điện từ, đặc biệt trong dải bước sóng từ tử ngoại (UV), khả kiến (Visible) đến hồng ngoại (IR). Khi sóng ánh sáng truyền tới bề mặt tiếp giáp của một vật liệu, các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, truyền qua và tán xạ sẽ đồng thời diễn ra tùy thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện tử và hằng số điện môi của môi trường. Bài viết này trình bày chiết suất phức, các định luật quang học cơ bản, phương pháp đồ thị Tauc xác định vùng cấm và kỹ thuật đo elip phân cực quang phổ.

Hàm điện môi, Chiết suất phức và Định luật Snell

Theo Born và Wolf (1999) trong chuyên khảo Principles of Optics, phản ứng quang học vĩ mô tuyến tính của vật liệu đẳng hướng được mô tả hoàn chỉnh qua chiết suất phức $ilde{n}$ và hàm điện môi phức arepsilon(\omega):

arepsilon(\omega) = arepsilon_1 + iarepsilon_2 = ilde{n}^2 = (n^2 - \kappa^2) + i(2n\kappa)

Trong đó, $n$ là chiết suất thực (đặc trưng cho tốc độ pha truyền sóng và sự bẻ cong khúc xạ của tia sáng), $\kappa$ là hệ số dập tắt (extinction coefficient, đặc trưng cho mức độ suy hao hấp thụ photon).

Tại mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất $n_1$ và $n_2$, tia sáng bị khúc xạ tuân theo Định luật Snell:

Trong đó, $heta_1$ là góc tới và $heta_2$ là góc khúc xạ.

Đại lượng quang học	Ký hiệu	Ý nghĩa vật lý	Công thức liên hệ
Chiết suất thực	$n$	Tốc độ truyền pha ánh sáng ($v = c/n$)	n = \sqrt{(arepsilon_1 + \sqrt{arepsilon_1^2 + arepsilon_2^2})/2}
Hệ số dập tắt	$\kappa$	Độ suy giảm biên độ sóng	\kappa = lpha \lambda / (4\pi)
Hệ số hấp thụ	lpha	Mức tiêu hao cường độ quang theo độ sâu	I = I_0 e^{-lpha x}
Hệ số phản xạ	$R$	Tỷ lệ công suất sóng bị phản xạ	R = rac{(n-1)^2 + \kappa^2}{(n+1)^2 + \kappa^2}
Hệ số truyền qua	$T$	Tỷ lệ công suất xuyên qua môi trường	$R + T + A = 1$

Hấp thụ quang học và Phương pháp đồ thị Tauc (Tauc Plot)

Khi ánh sáng truyền qua lớp vật chất có độ dày $x$, cường độ ánh sáng $I$ suy giảm so với cường độ ban đầu $I_0$ tuân theo định luật Beer - Lambert:

I = I_0 e^{-lpha x}

Đối với vật liệu bán dẫn, sự hấp thụ photon tạo ra các cặp electron - lỗ trống qua vùng cấm năng lượng. Theo công trình nền tảng của Jan Tauc và cộng sự (1966), mối liên hệ giữa hệ số hấp thụ lpha, năng lượng photon tới $h u$ và độ rộng vùng cấm quang học $E_g$ được xác định qua phương trình Tauc:

(lpha h u)^{1/\gamma} = B (h u - E_g)

Trong đó, $B$ là hằng số đặc trưng vật liệu, $\gamma$ nhận giá trị bằng 1/2 đối với chuyển mức thẳng trực tiếp (direct transition) hoặc bằng 2 đối với chuyển mức xiên gián tiếp (indirect transition có phonon tham gia). Bằng cách vẽ đồ thị (lpha h u)^{1/\gamma} theo $h u$ và ngoại suy tiếp tuyến về trục hoành, các nhà nghiên cứu xác định chính xác giá trị $E_g$.

Phân tích elip quang phổ và Kim loại plasmonic

Kỹ thuật đo Elip Phân cực Quang phổ (Spectroscopic Ellipsometry - SE) do Aspnes và Studna (1983) tiên phong là công cụ đo đạc không phá hủy có độ chính xác cao nhất để thu nhận đồng thời chiết suất $n(\lambda)$, hệ số dập tắt $\kappa(\lambda)$ và bề dày lớp màng nano từ 1.5 eV đến 6.0 eV thông qua việc phân tích sự biến đổi trạng thái phân cực của chùm tia phản xạ.

Đối với các hạt nano kim loại quý (vàng, bạc, đồng), Johnson và Christy (1972) chỉ ra rằng tương tác giữa điện trường sóng ánh sáng với khí electron tự do tạo nên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (Localized Surface Plasmon Resonance - LSPR), mở ra ứng dụng đột phá trong cảm biến sinh học siêu nhạy, quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) và chuyển đổi quang năng mặt trời.