Luận văn Nghiên cứu đo đạc đặc trưng phát xạ của đơn hạt quantum dots

của các vật liệu khác nhau bao gồm cả vật liệu nano. Những phương pháp này thường dựa trên các phép đo hấp thụ, tán xạ hoặc phát xạ của ánh sáng có chứa thông tin về các tính chất của vật liệu. Những phổ kế thường được sử dụng như trong phân tích quang phổ như: phổ kế hấp thụ (UV-vis), kế quang phát quang (photoluminescence-PL), kế hấp thụ hồng ngoại (IR), tán xạ Raman, tán xạ động học, cũng như các hệ đo quang phổ phân giải thời gian. Những phương pháp này có thể cung cấp những thông tin khác nhau về các tính chất của vật liệu. 6 Một trong những phương pháp quang phổ quan trọng hàng đầu đó là quang phổ phân giải thời gian. Các phép đo quang phổ phân giải thời gian được sử dụng rộng rãi, cho ta nhiều thông tin hơn so với dữ liệu từ quang phổ trạng thái dừng. Phép đo thời gian sống phát quang qua phương pháp quang phổ phân giải thời gian có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu một số quá trình động học trên trạng thái kích thích của vật liệu. Có hai phương pháp đo đối với huỳnh quang phân giải thời gian đó là phương pháp đo miền tần số và phương pháp đo miền thời gian. Kỉ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian là một ki thuật phổ biến nhất trong phương pháp đo miền thời gian. Tại Việt Nam, các phép đo thời gian sống phát quang thực hiện trên các hệ đo được phát triển tại Viện Khoa học Vật liệu và tại Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý. Tuy nhiên các hệ đo này dựa trên kỉ thuật đo tương tự, một kỉ thuật đơn giản và cho độ phân giải không cao. Do đó, các phép đo thời gian sống phát quang thường được thực hiện tại các phòng thí nghiệm liên kết tại nước ngoài. Xuất phát từ thực tiễn nghiên cứu trong nước cũng như tại Trung tâm Điện tử Lượng tử, Viện Vật lý, một trung tâm nghiên cứu quang phổ hàng đầu tại Việt Nam. Đó là nhu cầu sử dụng phương pháp quang phổ phân giải thời gian trong nghiên cứu quang phổ, nhất là những nghiên cứu quang phổ vật liệu nano. Chúng tôi đã nghiên cứu, thiết kế và xây dựng thành công một hệ đo thời gian sống phát quang trong kỉ thuật đếm đơn photon tương quang thời gian (time- correlated single photon counting-TCSPC) với độ phân giải dưới 300 pico giây. Với đối tượng nghiên cứu là vật liệu nano, chúng tôi lựa chọn vật liệu là chấm lượng tử CdTe/CdS và hạt nano vàng. Chúng tôi sử dụng hệ TCSPC đo thời gian sống của exciton trong chấm lượng tử CdTe/CdS tại các bước sóng phát xạ và tại các nồng độ khác nhau trong dung môi. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Chương 1. Tổng quan về chấm lượng tử, cơ chế đặc trưng và phát xạ  Chương 2. Phương pháp quang phổ đo đạc đơn hạt nano  Chương 3. Đo đạc phát quang từ các đơn hạt chấm lượng tử và hiệu ứng chống bó. 7 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ, CƠ CHẾ VÀ ĐẶC TRƯNG PHÁT XẠ 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ. Chấm lượng tử là vật liệu bán dẫn có kích thước rất nhỏ, dao động từ vài trăm tới vài ngàn nguyên tử. Đường kính của một chấm lượng tử khoảng từ 2 ~ 10 nm, các nguyên tử ở kích thước này còn giữ một vài tính chất của vật liệu khối, đồng thời có các tính chất của cấu trúc nguyên tử và phân tử. Trong chất bán dẫn, các chấm lượng tử tồn tại hai tính chất đó là tính chất điện và tính chất quang. Trong chất bán dẫn tồn tại độ rộng vùng cấm lớn là rào cản giữa hai vùng hóa trị và vùng dẫn, độ rộng hay hẹp của rào cản này phụ thuộc vào các thành phần hình thành nên vật liệu. Không giống như phần đa các chất bán dẫn, độ rộng vùng cấm của chấm lượng tử còn phụ thuộc vào kích thước của nó. Chấm lượng tử có kích thước càng nhỏ thì mức năng lượng nó phát ra càng lớn và ngược lại, điều đó khiến chúng ta có thể điều chỉnh các bước sóng bằng cách điều chỉnh kích thước của hạt, như dưới hình vẽ ta có thể thấy được rằng khi hạt càng nhỏ thì màu sắc của nó dần tiến về màu sắc của vùng có bước sóng ánh sáng màu xanh, còn kích thước hạt lớn thì màu sắc của nó tiến về vùng có chứa bước sóng ánh sáng màu đỏ. Hình 1.1. màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào kích thước hạt 8 Các tính chất quang của vật liệu nano phụ thuộc vào các thông số như kích thước, hình dáng, tính pha tạp, tương tác với môi trường xung quanh và dạng cấu trúc nano. Một ví dụ điển hình đó là sự dịch về bước sóng xanh ( blue- shift) trong phổ hấp thụ và phát xạ của các hạt nano bán dẫn (QDs) khi kích thước hạt giảm dần, đặc biệt là khi kích thước đủ nhỏ. Hình 1.1 cho thấy phổ hấp thụ và màu sắc của các hạt nano có kích thước khác nhau của chấm lượng tử CdTe. Hình 1.2. Phổ hấp thụ (trái) và phổ phát xạ (phải) của chấm lượng tử CdTe bọc TGA (thiolglycolic acid) trong dung môi H2O. Màu sắc của chấm lượng tử thay đổi từ đỏ đến xanh ứng với sự giảm dần kích thước trung bình của chấm lượng tử Tương tự như vậy, hình dạng và kích thước cũng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất quang của hạt nano kim loại. Hình 1.3 chỉ rõ phổ hấp thụ và màu sắc của hạt vàng hình cầu rỗng với sự thay đổi về đường kính và độ dày của hạt. Ta thấy rằng, bằng cách kiểm soát kích thước vật lý, có thể tạo ra các cấu trúc nano vàng với phổ hấp thụ bao gồm từ vùng nhìn thấy tới hồng ngoại gần. Các ví dụ trên cho thấy tính chất quang phong phú và hấp dẫn mà vật liệu nano có thể đem lại. Thật vậy, tính chất quang mới đã được thể hiệntrênkích thước nano của kim loại, chất bán dẫn và đó là một trong những thuộc tính được khai thác nhất và thực sự hữu ích cho các ứng dụng công nghệ. 9 Đây cũng là hai loại vật liệu nano được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm và đã chế tạo thành công cũng như bước đầu đưa vào ứng dụng thử nghiệm. Hình 1.3. (a) Phổ hấp thụ của hạt nano vàng dạng cầu rỗng (hollow gold nanosphere - HGN) với đường kính và độ dày khác nhau. (b) Màu sắc dung dịch hạt nano vàng thay đổi ứng với sự thay đổi về đường kính và độ dày hạt (hai lọ bên trái là hạt vàng dạng cầu đặc) Chấm lượng tử CdTe và cấu trúc exciton biên vùng Hình 1.4 cho ta thấy sự phụ thuộc của phổ hấp thụ và phát xạ lên kích thước chấm lượng tử. Sự phụ thuộc này bởi hiệu ứng kích thước lượng tử của các hệ bán dẫn thấp chiều như giếng lượng tử (quantum wells), dây lượng tử (quantum wires) và chấm lượng tử (quantum dots). 10 Hình 1.4. Hàm mật độ trạng thái trong chất bán dẫn khối (3D), giếng lượng tử (2D), dây lượng tử (1D) và chấm lượng tử (0D) Khi kích thước theo các chiều của vật liệu giảm xuống tới thang nm (< 100 nm), hàm mật độ trạng thái ( density of state-DOS) của vật liệu bán dẫn có sự thay đổi rõ rệt. Hàm DOS của vật liệu bán dẫn khối có dạng gần đúng theo hàm lũy thừa 1/2 của năng lượng. Với giếng lượng tử, hàm DOS có dạng gần đúng theo hàm constant. Với dây lượng tử, hàm DOS có dạng gần đúng theo hàm lũy thừa -1/2 của năng lượng. Với chấm lượng từ, hàm DOS có dạng gần đúng theo hàm delta-dirac của năng lượng. Chấm lượng tử là những tinh thể bán dẫn có kích thước nano mét ở cả 3 chiều. Các mức năng lượng trong chấm lượng tử bị lượng tử hóa, tách rời nhau giống như các mức năng lượng của nguyên tử (hình 1.5). Khoảng cách giữa các mức năng lượng và năng lượng vùng cấm trong chấm lượng tử tăng theo sự giảm dần của kích thước. 11 Hình 1.5. Cấu trúc vùng năng lượng của: (a) bán dẫn khối và (b) chấm lượng tử Chính vì lý do này mà chấm lượng tử có tính chất quang, điện đặc biệt hơn so với chất bán dẫn khối. Nhờ đó các chấm lượng tử có những ứng dụng hết sức to lớn trong rất nhiều lĩnh vực như quang điện tử, y sinh, thông tin lượng tử, .Các phương pháp chế tạo chấm lượng tử có thể đó là phương pháp eptaxy chùm phân tử, lithography và ăn mòn, phương pháp phổ biến để tổng hợp chấm lượng tử dạng keo đó là phương pháp hóa học. Năng lượng vùng cấm của CdTe thường được sử dụng là 1.606 eV, bán kính Borh exciton là 6.8 nm với năng lượng liên kết exciton năng lượng liên kết exciton (năng lượng Rydberg excition) là 10 meV. Chấm lượng tử CdTe là những tinh thể CdTe có kích thước ba chiều cỡ nano mét. Năng lượng phân tách do lượng tử hóa trong chấm lượng tử CdTe. 1.2. QUÁ TRÌNH PHÁT XẠ CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ Các phép đo quang phổ huỳnh quang có thể được chia thành hai loại: huỳnh quang trạng thái dừng (steady-state) và phân giải thời gian (time- resloved). Các phép đo trạng thái dừng, phép đo phổ biến nhất, được thực hiện với sự kích thích và quan sát liên tục. Mẫu sẽ được kích thích với chùm sáng chiếu liên tục, cường độ hay phổ phát xạ cũng sẽ được ghi nhận liên tục. Các phép đo phân giải thời gian thường được sử dụng để đo suy giảm cường độ 12 hoặc suy giảm huỳnh quang dị hướng. Đối với phép đo này, mẫu được chiếu với xung ánh sáng có độ rộng xung thường ngắn hơn nhiều so với thời gian suy giảm phát quang của mẫu (hình 1.6). Sự suy giảm cường độ này được ghi nhận với hệ thu nhanh, cho phép cường độ huỳnh quang hay suy giảm huỳnh quang dị hướng được đo trong thời gian cỡ nano giây hoặc ngắn hơn. Hình 1.6. So sánh giữa phép đo quang phổ huỳnh quang trạng thái dừng (trái) và quang phổ phân giải thời gian (phải) 1.2.1. Nguyên lý kỹ thuật TCSPC Trong phép đo huỳnh quang phân giải thời gian, yêu cầu ghi lại sự phụ thuộc vào thời gian của dạng đường bao (profile) cường độ tín hiệu huỳnh quang khi đối tượng nghiên cứu được kích thích bởi một xung ngắn của ánh sáng, thường là một xung laser. Trong khi về nguyên tắc, người ta có thể cố gắng để ghi lại profile đường cong suy giảm theo thời gian của cường độ tín hiệu bằng các photodiode nhanh hay các đầu thu nhanh khác (phương pháp lấy mẫu tương tự) cùng với một bộ lấy mẫu tín hiệu và chuyển đổi tương tự số có tốc độ cao. Tuy nhiên, sự suy giảm để được ghi lại là rất nhanh, huỳnh quang đặc trưng có thể kéo dài chỉ vài trăm pico giây đến vài chục nano giây, đây là khó khăn và giới hạn của hệ điện tử thu tín hiệu. Mặt khác, 13 tín hiệu huỳnh quang có thể rất yếu và không cho phép ghi nhận trực tiếp bằng phương pháp lấy mẫu tương tự. Giải pháp cho những vấn đề này đó là sử dụng kỉ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian (time-correlated single photon counting-TCSPC). Nguyên lý tổng quát của kỉ thuật TCSPC được mô tả trên hình 1.7. Nguyên lý này dựa trên sự phát xạ của từng photon là phân bố ngẫu nhiên ứng với sự hồi phục phát xạ của độ tích lũy trên trạng thái kích thích. Trên cơ sở đó, xác định thời gian tới của một photon tín hiệu trên một chu kỳ xung kích thích, nhớ vào các cột thời gian (bin time), và xây dựng lại biểu đo cường độ tín hiệu theo thời gian ta sẽ thu được profile đường cong suy giảm theo thời gian của cường độ. Hình 1.7. Nguyên lý tổng quát của kỉ thuật TCSPC: một photon tín hiệu được ghi nhận tại mỗi chu kỳ xung kích thích, nhớ vào các cột thời gian (bin time), dựng lại biểu đồ tín hiệu theo thời gian (histogram) sẽ cho profile cường độ Sơ đo tổng quát hệ TCSPC, bao gồm một số khối chính: - Nguồn kích thích: thường sử dụng laser pico và femto giây có độ định định và tốc độ lặp lại cao (từ vài MHz đến vài chục MHz). - Khối đầu thu: Sử dụng các ống nhân quang (photonmultiplier tube – PMT) đếm photon, hay ống nhân quang tấm vi kênh (microchannel plate 14 photonmultiplier tube MCP-PMT), photodiode avalanche đếm photon (single photon avalanche diode – SAPD). Các đầu thu đảm bảo xung photon có độ ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu dòng tối thấp, hệ số khuếch đại lớn. - Khối tiền khuếch đại: có độ rộng dải tần lớn, nhiễu nội tại thấp, phù hợp với tính chất của tín hiệu cần đo để nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. - Các khối tách xung photon (discriminator): sử dụng phương pháp tách tín hiệu phần không đổi (constant fraction discriminator – CFD) cho phép lấy mẫu tín hiệu nhanh, chính xác và ổn định. - Khối chuyển đổi thời gian biên độ (time to amplitude converter – TAC) hay chuyển đổi thời gian số (time to digital converter – TDC): dùng để đo thời gian giữa xung start (tín hiệu) và xung stop (so sánh) chuyển đổi từ đại lượng thời gian sang biên độ (voltage) hay sang số để chuyển đưa vào bộ đọc số và xử lý tín hiệu. - Hệ quang học thu và lọc tín hiệu ánh sáng đơn sắc: thường sử dụng hệ thấu kínhhội tụ cho phép hiệu suất thu quang lớn nhất và máy đơn sắc hoặc phin lọc giaothoa cho phép tín hiệu ánh sáng tới đầu thu là đơn sắc. - Khối đọc và truyền dữ liệu sang máy tính, máy tính xử lý tín hiệu. Ex Stop pulse TTL Em Start pulse Hình 1.8. Sơ đồ tổng quát của hệ TCSPC Sample Monochrom -ator or PMT Ultra short Pulse laser PD or PMT CFD TDC Reader and communicat ion card Computer Amp CFD 15 Hệ TCSPC hoạt động như sau: Xung laser được qua gương chia, một phần được dùng kích thích mẫu, một phần dùng làm xung trigger so sánh. Tín hiệu ánh sáng từ mẫu phát quang được hội tụ và qua filter hoặc qua máy đơn sắc để thu ánh sáng đơn sắc. Hệ quang học được điều chỉnh phù hợp để tín hiệu ánh sáng tới đầu thu là những photon đơn lẻ. Tín hiệu đơn photon được chuyển thành xung tín hiệu điện từ đầu thu, sau đó được khuếch đại qua khối tiền khuếch đại và đến bộ CFD. Toàn bộ hệ quang và đầu thu phải được đặt trong buong tối để tránh nhiễu ánh sáng bên ngoài. Bộ CFD cho phép trigger và lấy mẫu nhanh với độ chính xác và ổn định cao. Xung tín hiệu ra từ CFD được chuyển thành xung TTL và đến khối TDC với vai trò xung start (nếu sử dụng TAC phải có thêm bộ chuyển đổi tương tự số - ADC). Phần laser được sử dụng để tạo xung so sánh được thu bằng một đầu thu nhanh (như PIN photodiode). Xung so sánh sau khi được qua bộ tách xung (discriminator có thể là theo phương pháp leading-edge hoặc CFD) cũng sẽ được chuyển đổi thành xung TTL và đến TDC với vai trò xung stop. Khối TDC sẽ đo thời gian từ xung start đến xung stop, dữ liệu thời gian được chuyển sang dạng tín hiệu số và được ghi vào bộ nhớ. Card đọc và ghi dữ liệu, chuyển sang máy tính để máy tính dựng lại biểu đo theo thời gian của cường độ. 1.2.2. Các khối chức năng chính trong kỹ thuật TCSPC * Nguồn xung ánh sáng kích thích Hình 1.9 a mô tả một laser diodp (LDs) phát xung dưới 70 pico giây tại bước sóng 405 nm. Tần số lặp lại lên đến 40MHz cho phép tốc độ thu dữ liệu nhanh. Giả sử công suất trung bình của laser là 1mW, nếu 1% xung là số lượng photon có thể thu được, khi đó sẽ có 400.000 photon trên giây có thể được đo. Với một đường suy giảm dạng đơn hàm p mũ có thể được mô tả với nhỏ hơn 4000 photon, bởi vậy dữ liệu thu được chỉ trong một thời gian ngắn cỡ vài micro giây. 16 Hình 1.9. (a) mD phát xung nhỏ hơn 70 ps (FWHP) tại 370 nm với tần số lặp lại lên đến 40 MHz, (b) Các bước sóng cho phép từ các LDs và LEDs phát xung  Đầu thu quang cho TCSPC Thiết bị quan trọng hàng đầu ảnh hưởng đến độ phân giải của hệ TCSPC đó là các đầu thu. Các đầu thu được sử dụng cho hệ TCSPC là PMT đếm photon, MCP -PMT, SAPD hay streak camera. Những đầu thu này yêu cầu có thời gian đáp ứng xung nhanh, nhiễu dòng tối thấp, hệ số khuếch đại lớn. Hiện nay sự lựa chọn tốt nhất cho TCSPC là MCP - PMT. Một MCP - PMT cung cấp độ rộng xung ngắn hơn mười lần so với bất kỳ PMT khác, và hiển thị những xung sau cùng thấp hơn. Tuy nhiên, những ảnh hưởng của vị trí bước sóng và định xứ không gian của photon với MCP-PMT tập trung tuyến tính hoặc cửa sổ gián tiếp. Trong khi độ phân giải thời gian tốt có thể đạt được với các PMT tập trung tuyến tính hoặc cửa sổ gián tiếp, việc thực hiện tốc độ cao và không có thời gian ảo với một MCP-PMT là điề kiện tốt đáp ứng cho một hệ TCSPC. 17 Hình 1.10. Nguyên lý chức năng của: (a) PMT, (b) MCP - PMT Sự phát triển của MCP - PMT bắt đầu từ những năm cuối 1970 và phổ biến vào những năm 1980. Thiết kế của một MCP - PMT là hoàn toàn khác với một chuỗi dynode PMT (hình 1.10). Các yếu tố hạn chế thời gian đáp ứng của MPT là sự giãn thời gian dịch chuyển qua các dynode của nó (transit times spread – TTS). Thời gian dịch chuyển tổng thể của các electron thông qua PMT không phải là quan trọng, vì đây chỉ là thời gian trễ tại các phép đo. Tuy nhiên, việc phân phối thời gian dịch chuyển TTS là quan trọng bởi vì nó giới hạn độ phân giải thời gian của PMT. Người ta không thể làm các phép đo thời gian chính xác hơn so với sự không chắc chắn trong thời gian một tín hiệu đi qua đầu thu. Trong một PMT tập trung tuyến tính các TTS được giảm thiểu bằng cách thiết kế các dynodes mà tất cả các điện tử có xu hướng đi dọc theo cùng đường dịch chuyển. Các TTS của PMT tốt nhất là gần 2 ns, và nó có thể đạt nhỏ hơn 1 ns với một PMT được kế cẩn thận. Hình 1.11 cho thấy đáp ứng điện tử của đơn xung tín hiệu đối với các đầu thu thường sử dụng trong hệ TCSPC. Hình 1.11. Đáp ứng điện tử của đơn xung tín hiệu. 18 Từ trái qua phải: PMT chuẩn, PMT tốc độ nhanh, MCP - PMT, SAP Giới hạn của các đầu thu PMT và MCP - PMT đó là công thoát của vật liệu làm cathode, khi đó đáp ứng phổ của các đầu thu này bị giới hạn ở vùng ngoại gần. Để khắc phục điều này chúng ta thường sử dụng đầu thu là SAPD.  Khối khuếch đại xung tín hiệu Xung tín hiệu từ PMT và MCP - PMT thường có biên độ cực đại từ 20-50 mV tuỳ thuộc vào phóm chất của từng đầu thu. Mặc dù những xung này có thể nhận được bởi bộ tách tín hiệu của hệ TCSPC, tuy nhiên để nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) người ta thường sử dụng khối tiền khuếch đại (pre-amplifier) để khuếch Khối tiền khuếch đại cho phép PMT được vận hành tại một hệ số khuếch đại tương ứng thấp hơn. Việc giảm dòng ra trung bình của PMT tại một tốc độ đếm sẽ cải thiện sự ổn định thời gian và làm tăng tuổi thọ của PMT. Bộ khuếch đại cũng bảo vệ chống lại sự tương phản của CFD có thể với biên độ xung cao. PMT có thể cho xung đầu ra hàng trăm mA với đáp ứng xung cu 1 ns, gây ra bởi các tia vũ trụ, bởi sự phân rã phóng xạ, hoặc do lỗi vận hành đơn giản. Khả năng những xung nguy hiểm cũng có thể xảy ra nếu cáp nối không đáng tin cậy được sử dụng. Một cáp tại đầu ra của PMT có thể được tích đến vài trăm volt và sau đó phóng vào thiết bị điện tử mà nó được kết nối, và thường phá hủy chúng. Điều này có thể làm hỏng khối khuếch đại song lại bảo vệ được khối CFD rất quan trọng và có giá thành đắt hơn nhiều khối khuếch đại. đại tín hiệu đầu vào cho khối tách tín hiệu. Khi đó, khối tách tín hiệu có thể hoạt động tại ngưỡng lấy mẫu tín hiệu (mức trigger) cao hơn và thời điểm lấy mẫu (thời điểm trigger) tín hiệu cũng sẽ ổn định hơn.  Khối tách xung tín hiệu CFD 19 Hình 1.12. Hai phương pháp tách tín hiệu (trigger theo sườn trước của xung - leading edge và CFD) Trong các hệ TCSPC, xung photon từ đầu thu được đưa tới khối tách tín hiệu (discriminator) để lấy mẫu tín hiệu và tạo xung logic. Khối tách tín hiệu tạo ra xung logic chính xác tương ứng với xng tín hiệu vào mà vượt ngưỡng trigger được định cho bộ so sánh. Có hai phương pháp chính để trigger trong khối tách tín hiệu đó là trigger vào sườn trước của xung (leading edge discriminator) và bằng phương pháp sử dụng bộ CFD (constant fraction discriminator) (Hình 1.12) Phương pháp trigger vào sườn trước của xung đơn giản hơn xong thời điểm trigger thường thiếu chính xác. Vì thời điểm trigger khi đó là thời điểm tại vị trí giao giữa mức ngưỡng trigger với sườn trước của xung photon (trigger vào sườn trước). Với xung photon từ đầu thu, mặc dù có độ đáp ứng xung (rise-time) không đổi mà biên độ thay đổi thì vị trí được trigger cũng sẽ thay đổi theo biên độ xung. Thời điểm trigger khi đó sẽ có một độ biến động (timing fitter) phụ thuộc vào biên độ xung tín hiệu. Để khắc phục điều này ta sử dụng phương pháp thứ hai, phương pháp CFD. 20 Hình 1.13. Xung tín hiệu một phần được làm yếu và một phần được làm trễ và đảo ngược, xung tín hiệu ra là tổng của hai thành phần này Sử dụng CFD sẽ hạn chế được nhược điểm của phương pháp trigger vào sườn trước của xung. Nguyên lý của CFD được mô tả như hình 1.13. Tín hiệu xung vào được chia làm hai phần: phần thứ nhất được làm yếu theo một phân số không đổi f , phần còn lại được làm trễ và đảo ngược. Hai phần xung tín hiệu (phần làm yếu, phần làm trễ và đảo ngược) sau đó được cộng với nhau, và giao điểm tại điểm không (zero crossing) được tính toán. Giao điểm tại điểm không cho ta xác định thời điểm mà CFD sẽ tạo một xung ra, và nó luôn không phụ thuộc vào biên độ xung lối vào. Đối với một dạng xung vào đơn giản (có dạng tam giác), có độ dốc tuyến tính, phương trình đối với xung vào, phần xung làm yếu, phần xung trễ và đảo ngược cho bởi - Thời gian trễ (delay) = td, - Phân số (fraction) = f, - Biên độ ban đầu (initial amplitude) = A - Xung vào (input pulse): Vi = -At - Phần xung được làm yếu: Va = -fAt - Phần xung được làm trễ và đảo ngược: Vd = A(t - td) - Để tìm giao điểm tại điểm không, đặt 0 = Va+Vd và giải tìm t: 21 )(0 dttAfAt  )1( f t t dcross   Thường ta hay chọn 3/1f . Trong trường hợp lý tưởn, thời gian trễ được chọn )1( ftt riseideald  . Tuy nhiên nếu thời gian trễ được chọn nhỏ hơn idealdt  thì CFD hoạt động tại phân số (fraction) nhỏ hơn f  Khối chuyển đổi thời gian số (TDC) Hình 1.14. Đo thời gian bằng một chuỗi bộ trễ tích cực Trong các hệ TCSPC cổ điển, khối chuyển đổi thời gian biên độ (time to amplitude converter) cho phép đo thời gian giữa xung start và stop bằng cách chuyển dữ liệu thời gian sang điện thế. Tín hiệu sau đó phải qua bộ biến đổi tương tự số (analog to digital con verter – ADC) để chuyển thành dữ liệu số. Dữ liệu được ghi, truyền, xử lý bởi bộ xử lý bởi bộ xử lý tín hiệu số và máy tính. Các vi mạch hiện đại đã cho phép chuyển đổi trực tiếp từ dữ liệu thời gian sang số (time to digital converter – TDC). Khối TDC sử dụng thời gian đi qua một xung thông qua một chuỗi bộ trễ như hình 1.14. Một xung bắt đầu được gửi thông qua chuỗi bộ trễ tạo bởi một số lượng lớn các cửa (gate) giống nhau từ G1 đến Gn. Một số lượng lớn các mạch lật (flip-flops) như nhau được kết nối tới các cửa trễ với đầu vào dữ liệu D của chúng. Một xung stop đồng thời được đặt tới các lối vào clock C của tất cả các 22 chốt trạng thái flip-flops cùng với các lối ra của các gate. Bằng cách phân tích các lối ra của flip-flops, từ Q1 đến Qn, thời gian giữa xung start và xung stop có thể được xác định. Một điều không mong muốn là mạch đơn giản này có một thiếu sót nghiêm trọng, đó là sự trễ của các cổng logic phụ thuộc vào điện áp hoạt động và nhiệt độ làm cho hệ số tỷ lệ của phép đo thời gian không ổn định. Hơn nữa, sự khác biệt trong các bộ trễ gate gây ra một sự chênh lệch phi tuyến cao. Cả hai vấn đề có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các chuỗi gate như là một bộ dao động vòng ( Hình 1.15) Hình 1.15. Sử dụng một dao động vòng ổn định PPL cho phép đo thời gian Một đơn xung liên tục lưu thông trong chuỗi bộ trễ. Bộ tre gate được ổn định bằng cách xây dựng một vòng khóa pha (phase-locked loop – PLL) quanh các bộ dao động vòng. PLL sẽ điều khiển các bộ trễ gate để các pha và tần số của bộ dao động vòng được khóa tới một clock so sánh từ một bộ dao động thạch anh. Nếu cả hai xung start và stop được đặt tới dây clock của lối ra flip- flops, khoảng thời gian giữa hai xung có thể thu được từ trạng thái của lối ra flip-flop. Hơn nữa, đối với các cặp xung start - stop khác nhau, xung dao động vòng là ở các vị trí khác nhau trong chuỗi bộ trễ. Nếu một biểu đo của thời gian giữa xung start - stop được ghi lại, sự không đồng nhất của bộ trễ gate sẽ được trung bình hóa.  Khối đọc, truyền và xử lý dữ liệu Thực ra, các chip TDC thường được chế tạo để có thể điều khiển đọc 23 ghi và truyền dữ liệu thông qua một vi mạch có khả năng lập trình được. Khối đọc và xử lý dữ liệu có thể là các card kết nối trực tiếp với máy tính thông qua các khp cắm mở rộng, hoặc các cổng giao tiếp của máy tính. Dữ liệu thu được sẽ được xử lý bởi máy tính bằng phần mềm thích hợp cho phép dựng lại được biểu đo tín hiệu theo thời gian. Hiện nay các card kết nối với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp USB được sử dụng rộng rãi do kính thước nhỏ gọn, tốc độ truyền dữ liệu cao. Các vi mạch có khả năng lập trình được như các họ vi điều khiển, PIC, DS-PIC hay FPGA.  Hệ quang học thu nhận và lọc tín hiệu ánh sáng đơn sắc Hệ quang học thu tín hiệu bao gồm các thấu kính hội tụ thu tín hiệu ánh sáng. Hệ tán sắc có thể là phin lọc giao thoa hay máy đơn sắc. Hệ thấu kính thu thường gồm hai thấu kính hội tụ, một thấu kính có tiêu cự rất ngắn để thu được góc khối tín hiệu ánh sáng là lớn nhất, một thấu kính có tiêu cự dài hơn dùng để hội tụ tín hiệu vào khe máy đơn sắc. Mẫu nghiên cứu được đặt tại tiêu cự của thấu kính ngắn, khi đó tín hiệu ánh sáng sau khi qua thấu kính ngắn có dạng chùm song song, thấu kính dài hội tụ tín hiệu vào khe máy đơn sắc thường được chọn sao cho có tiêu cự bằng với tiêu cự của gương cầu trong máy đơn sắc để thị trường của gương chứa toàn bộ chùm sáng tín hiệu, điều này góp phần tối