Luận văn: Chế tạo chấm lượng tử vàng và nghiên cứu tính chất quang của chúng

Luận văn thạc sĩ: Chế tạo chấm lượng tử vàng, nghiên cứu tính chất quang học. Ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ.

• Tác giả: Ứng Thị Diệu Thúy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Liêm
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học và Công nghệ Nano
• Đề tài: Chế tạo chấm lượng tử vàng và nghiên cứu tính chất quang của chúng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cam kết
• Lời cảm ơn
• Mục lục
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
• 1.1. T×nh h×nh nghiªn cøu keo vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt trªn thÕ giíi
• 1.2. CÊu tróc cña vËt liÖu
• 1.1. CÊu tróc tinh thÓ vµng
• 1.2. CÊu tróc keo vµng
• 1.3. TÝnh chÊt vµ øng dông
• 1.1. TÝnh chÊt quang cña dung dÞch keo
• 1.2. C¸c tÝnh chÊt cña keo vµng
• 2. CHƯƠNG 2 C¸c ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o mÉu vµng nan« mÐt vµ nghiªn cøu cÊu tróc, tÝnh chÊt quang
• 2.1. C¸c ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o
• 2.1. Ph−¬ng ph¸p quang ho¸
• 2.2. Ph−¬ng ph¸p ho¸ khö
• 2.3. Ph−¬ng ph¸p khö nhiÖt
• 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu cÊu tróc vµ vi h×nh th¸i
• 2.1. Ph−¬ng ph¸p nhiÔu x¹ tia X
• 2.2. Ph−¬ng ph¸p hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM- Scanning Electron Microscope)
• 2.3. Ph−¬ng ph¸p hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (Transmission Electron Microscopy)
• 2.3. C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu tÝnh chÊt quang cña vËt liÖu
• 3. CHƯƠNG 3 THùC nghiÖm
• 3.1. ChÕ t¹o keo vµng b»ng ph−¬ng ph¸p quang ho¸
• 3.2. ChÕ t¹o keo vµng b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ khö
• 3.3. ChÕ t¹o keo vµng b»ng ph−¬ng ph¸p khö nhiÖt
• 4. CHƯƠNG 4 KÕt qu¶ vµ th¶o luËn
• 4.1. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cÊu tróc vµ vi h×nh th¸i
• 4.1. Gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X
• 4.2. ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt
• 4.3. ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua
• 4.2. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tÝnh chÊt quang cña keo vµng
• Tµi liÖu tham kh¶o

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chấm Lượng Tử Vàng Nghiên Cứu và Ứng Dụng

Chấm lượng tử (Quantum Dots - QDs) là những hạt bán dẫn có kích thước nanomet, thể hiện các tính chất lượng tử độc đáo. Trong số đó, chấm lượng tử vàng (Au QDs) thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ tính trơ hóa học, khả năng tương thích sinh học và các tính chất quang học ưu việt. Kích thước nhỏ bé của chấm lượng tử vàng (thường dưới 10nm) tạo ra hiệu ứng giam hãm lượng tử mạnh mẽ, ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử và tính chất quang của vật liệu. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y sinh học đến điện tử và quang điện tử.

Các nghiên cứu về chấm lượng tử vàng tập trung vào việc điều khiển kích thước, hình dạng và thành phần để tối ưu hóa tính chất quang học của chúng. Theo nghiên cứu của Ứng Thị Diệu Thúy (2005), màu sắc của keo vàng phụ thuộc vào kích thước hạt, được giải thích bởi sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng của các hạt cầu nhỏ. Các tính chất quang cộng hưởng của các hạt keo vàng còn được ứng dụng thành công trong phát triển chip sinh học và sensor sinh học. Gần đây, cơ chế phát quang của đám các nguyên tử vàng có kích thước nanomet đã được nghiên cứu và giải thích, mở ra triển vọng ứng dụng trong kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang.

Tuy nhiên, việc chế tạo chấm lượng tử vàng với kích thước và độ đồng đều cao vẫn là một thách thức. Các phương pháp tổng hợp cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính chất quang học ổn định và khả năng ứng dụng hiệu quả của vật liệu. Nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật chế tạo tiên tiến, cũng như khám phá các ứng dụng mới của chấm lượng tử vàng, là những hướng đi quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu nano.

1.1. Cấu Trúc và Tính Chất Đặc Biệt Của Chấm Lượng Tử Vàng

Cấu trúc tinh thể của vàng là lập phương tâm mặt (fcc), với mỗi nguyên tử vàng liên kết với 12 nguyên tử vàng xung quanh. Kích thước nanomet của chấm lượng tử dẫn đến hiệu ứng giam hãm lượng tử, thay đổi mật độ trạng thái điện tử và tạo ra các mức năng lượng gián đoạn. Tính chất quang học của chấm lượng tử vàng phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt. Các hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng Fermi (khoảng 0.7nm) có hiệu suất huỳnh quang cao, trong khi các hạt lớn hơn thể hiện tính chất plasma bề mặt đặc trưng. Tính chất huỳnh quang mạnh của chấm lượng tử vàng được ứng dụng cho các mục đích là chất đánh dấu huỳnh quang. Các tính chất quang cộng hưởng của các hạt keo vàng có kích thước nanomet còn được áp dụng thành công trong phát triển chip sinh học và sensor sinh học.

1.2. Các Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Vật Liệu

Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử vàng bao gồm các phương pháp phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang và phổ kích thích huỳnh quang. Phổ hấp thụ cho phép xác định các mức năng lượng điện tử và các quá trình chuyển tiếp quang học trong vật liệu. Phổ huỳnh quang cung cấp thông tin về các quá trình phát xạ ánh sáng và thời gian sống của các trạng thái kích thích. Phổ kích thích huỳnh quang cho phép xác định các bước sóng kích thích hiệu quả cho quá trình phát quang. Các phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc điện tử và tính chất quang của chấm lượng tử vàng, từ đó tối ưu hóa khả năng ứng dụng của chúng.

1.3. Vật liệu Nano và Công Nghệ Nano

Vật liệu kích thước nanomet thường được xem là không khuyết tật, với tỉ số diện tích bề mặt trên khối lượng lớn. Hiệu ứng giam hãm lượng tử xuất hiện ở vật liệu có kích thước nanomet làm cho vật liệu có những tính chất đặc biệt, trở thành chủ đề phong phú cho các nghiên cứu. Trong số các vật liệu có cấu trúc nano, các hạt kim loại có kích thước nanô (nanoparticle/ nanocluster) có tính chất đặc biệt được quan tâm, liên quan tới hệ điện tử tự do. Khi xét tính chất (quang-điện-từ) của kim loại phụ thuộc vào kích thước hạt, có hai giới hạn đáng quan tâm: (1) khi kích thước của hạt so sánh được với quãng đường tự do trung bình của điện tử (khoảng một vài chục nanô mét), trạng thái plasma bề mặt thể hiện các tính chất đặc trưng khi tương tác với ngoại trường (ví dụ như sóng điện từ - ánh sáng); (2) khi kích thước hạt so sánh được với bước sóng Fermi (khoảng dưới một nanô mét), hệ điện tử thể hiện các trạng thái năng lượng gián đoạn, gần giống như nguyên tử.

II. Thách Thức Trong Chế Tạo Chấm Lượng Tử Vàng Đồng Đều

Mặc dù có tiềm năng ứng dụng lớn, việc chế tạo chấm lượng tử vàng với kích thước và độ đồng đều cao vẫn là một thách thức lớn. Các phương pháp tổng hợp hiện tại thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát quá trình tạo mầm và phát triển hạt, dẫn đến sự phân bố kích thước rộng và hình dạng không đồng nhất. Điều này ảnh hưởng đến tính chất quang học và hiệu suất của vật liệu. Bên cạnh đó, sự ổn định của chấm lượng tử vàng trong môi trường khác nhau cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Chấm lượng tử vàng dễ bị oxy hóa hoặc kết tụ trong môi trường khắc nghiệt, làm giảm tính chất quang học và khả năng ứng dụng của chúng.

Để vượt qua những thách thức này, cần phát triển các phương pháp tổng hợp tiên tiến hơn, cho phép kiểm soát chặt chẽ kích thước và hình dạng của chấm lượng tử vàng. Các kỹ thuật ổn định bề mặt và bảo vệ chống oxy hóa cũng cần được nghiên cứu và áp dụng để tăng cường độ bền của vật liệu. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hình thành và phát triển hạt, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến tính chất của chấm lượng tử vàng, là rất quan trọng để giải quyết các thách thức hiện tại.

2.1. Kiểm Soát Kích Thước và Độ Đồng Đều Hạt Nanô Vàng

Một trong những thách thức lớn nhất trong chế tạo chấm lượng tử vàng là kiểm soát kích thước và độ đồng đều của hạt. Kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học của vật liệu, do đó cần phải có các phương pháp tổng hợp cho phép điều chỉnh kích thước hạt một cách chính xác. Các phương pháp tổng hợp hóa học, như phương pháp khử citrate, có thể được sử dụng để tạo ra các hạt vàng có kích thước từ 10 đến 150 nm. Tuy nhiên, việc kiểm soát độ đồng đều của hạt vẫn là một vấn đề khó khăn.

2.2. Ổn Định Bề Mặt và Chống Oxy Hóa Cho Chấm Lượng Tử Vàng

Chấm lượng tử vàng dễ bị oxy hóa hoặc kết tụ trong môi trường khắc nghiệt, làm giảm tính chất quang học và khả năng ứng dụng của chúng. Do đó, cần có các kỹ thuật ổn định bề mặt và bảo vệ chống oxy hóa để tăng cường độ bền của vật liệu. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng các chất hoạt động bề mặt, như thiol, để tạo lớp vỏ bảo vệ xung quanh hạt vàng. Lớp vỏ này giúp ngăn chặn sự tiếp xúc của hạt vàng với môi trường bên ngoài, giảm thiểu quá trình oxy hóa và kết tụ.

2.3. Vai trò của chất khử và nồng độ chất khử trong quá trình chế tạo

Các hạt keo Au có thể được tạo thành từ các vàng halogenide và các tác nhân khử như axit ascorbic, natri borohydride, natri citrate. Loại chất khử và nồng độ tác nhân khử có ảnh hưởng rõ rệt tới kích thước và phân bố kích thước hạt keo vàng chế tạo được.Nói chung, khi dùng các tác nhân khử mạnh như NaBH4, phosphorus, tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride… hoặc chiếu xạ thì thu được các hạt sản phẩm có kích thước nhỏ hơn. Ngoà ra các yếu tố như: dung môi, chất làm bền, pH, nhiệt độ… cũng đóng vai trò quyết định kích thước của các hạt.

III. Phương Pháp Chế Tạo Chấm Lượng Tử Vàng Bằng Quang Hóa

Phương pháp quang hóa là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo chấm lượng tử vàng với kích thước nhỏ và độ đồng đều cao. Quá trình quang hóa dựa trên việc sử dụng ánh sáng để kích hoạt phản ứng khử ion vàng (Au3+) thành nguyên tử vàng (Au0). Các nguyên tử vàng sau đó kết tụ lại để tạo thành chấm lượng tử. Một chất khử quang, như TX-100, thường được sử dụng để tăng cường hiệu quả của quá trình quang hóa. Ánh sáng tử ngoại (UV) được sử dụng để kích thích các phân tử TX-100, tạo ra các điện tử có khả năng khử ion vàng.

Ưu điểm của phương pháp quang hóa là khả năng kiểm soát kích thước hạt bằng cách điều chỉnh cường độ ánh sáng, thời gian chiếu xạ và nồng độ chất khử quang. Tuy nhiên, quá trình quang hóa có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, pH và sự có mặt của các chất ô nhiễm. Do đó, cần phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng để đảm bảo chất lượng của chấm lượng tử vàng.

3.1. Sử Dụng TX 100 Làm Chất Khử Quang Trong Chế Tạo Au QDs

TX-100 là một chất khử quang hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong chế tạo chấm lượng tử vàng. Khi được chiếu xạ bằng ánh sáng tử ngoại, TX-100 tạo ra các điện tử có khả năng khử ion vàng thành nguyên tử vàng. TX-100 cũng có vai trò ổn định bề mặt của chấm lượng tử vàng, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt. Việc điều chỉnh nồng độ TX-100 có thể ảnh hưởng đến kích thước và độ đồng đều của chấm lượng tử vàng.

3.2. Ảnh Hưởng Của Thời Gian Chiếu Sáng Tử Ngoại Đến Kích Thước Hạt

Thời gian chiếu sáng tử ngoại là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước và độ đồng đều của chấm lượng tử vàng. Thời gian chiếu sáng ngắn có thể dẫn đến sự hình thành của các hạt nhỏ, trong khi thời gian chiếu sáng dài có thể dẫn đến sự kết tụ của các hạt và tạo ra các hạt lớn hơn. Do đó, cần phải tối ưu hóa thời gian chiếu sáng tử ngoại để đạt được kích thước hạt mong muốn.

3.3. Phản ứng quang hoá và các giai đoạn

Phản ứng quang hoá là những quá trình hoá học xảy ra dưới tác dụng của những bức xạ [2]. Có thể diến giải phản ứng quang hoá xảy ra theo ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là quá trình hấp thụ ánh sáng (photon), khi đó các phân tử chất phản ứng sẽ chuyển thành trạng thái kích thích. Cụ thể, khi chiếu sáng các phân tử, nguyên tử chất phản ứng hấp thụ photon có năng lượng đủ lớn mới chuyển điện tử từ mức năng lượng thấp – mức của trạng thái cơ bản – lên mức có năng lượng cao hơn – mức của trạng thái kích thích. Giai đoạn thứ hai là phản ứng quang hoá sơ cấp, ở đó các phân tử ở trạng thái kích thích sẽ tham gia phản ứng. Giai đoạn thứ ba là phản ứng quang hoá thứ cấp: các sản phẩm của phản ứng sơ cấp chuyển hoá tiếp mà không cần sự tham gia trực tiếp của photon.

IV. Tổng Hợp Chấm Lượng Tử Vàng Bằng Phương Pháp Hóa Khử

Phương pháp hóa khử là một kỹ thuật phổ biến khác để chế tạo chấm lượng tử vàng. Trong phương pháp này, một chất khử hóa học, như natri citrate hoặc natri borohydride, được sử dụng để khử ion vàng (Au3+) thành nguyên tử vàng (Au0). Các nguyên tử vàng sau đó kết tụ lại để tạo thành chấm lượng tử. Kích thước và hình dạng của chấm lượng tử vàng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh nồng độ chất khử, nhiệt độ phản ứng và sự có mặt của các chất ổn định.

Ưu điểm của phương pháp hóa khử là tính đơn giản và khả năng sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, phương pháp này có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn và khó kiểm soát độ đồng đều của hạt. Do đó, cần phải sử dụng các chất ổn định và kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng để đảm bảo chất lượng của chấm lượng tử vàng.

4.1. Sử Dụng Natri Citrate Làm Chất Khử Trong Chế Tạo Au QDs

Natri citrate là một chất khử hóa học phổ biến được sử dụng trong chế tạo chấm lượng tử vàng. Natri citrate có khả năng khử ion vàng thành nguyên tử vàng và ổn định bề mặt của chấm lượng tử vàng, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt. Nồng độ natri citrate có thể ảnh hưởng đến kích thước và độ đồng đều của chấm lượng tử vàng.

4.2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Phản Ứng Đến Kích Thước Hạt Nanô Vàng

Nhiệt độ phản ứng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước và độ đồng đều của chấm lượng tử vàng. Nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự hình thành của các hạt lớn và không đồng đều, trong khi nhiệt độ thấp có thể làm chậm quá trình khử và dẫn đến sự hình thành của các hạt nhỏ hơn. Do đó, cần phải tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng để đạt được kích thước hạt mong muốn.

4.3. vai trò của tác nhân làm bền

Keo vàng có mật độ điện tử tự do lớn, các điện tử tự do này có các tính chất quang đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong kính hiển vi điện tử và đánh dấu huỳnh quang. Kích thước hạt, sự tương tác và hằng số điện môi của môi trường quyết định các đặc tính quang của hạt keo. Vì keo vàng có bề mặt tích điện lớn và năng lượng tự do cao nên không bền về mặt nhiệt động vì vậy luôn có xu hướng kết đám để giảm bề mặt riêng về trạng thái bền hơn. [6]. Tạo thành các đám nanô vàng có kích thước khá lớn chưa có khả năng ứng dụng trong đánh dấu sinh học và trị bệnh.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Chấm Lượng Tử Vàng Trong Y Sinh Học

Chấm lượng tử vàng có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y sinh học, bao gồm chẩn đoán hình ảnh, điều trị ung thư và cảm biến sinh học. Khả năng tương thích sinh học cao và tính trơ hóa học của chấm lượng tử vàng làm cho chúng trở thành một lựa chọn an toàn cho các ứng dụng trong cơ thể. Chấm lượng tử vàng có thể được sử dụng làm chất đánh dấu huỳnh quang để phát hiện và theo dõi các tế bào ung thư hoặc các phân tử sinh học. Chúng cũng có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc đến các tế bào đích, tăng cường hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Ngoài ra, chấm lượng tử vàng có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến sinh học có độ nhạy cao, cho phép phát hiện sớm các bệnh tật.

5.1. Chấm Lượng Tử Vàng Làm Chất Đánh Dấu Huỳnh Quang Trong Chẩn Đoán

Tính chất huỳnh quang mạnh của chấm lượng tử vàng làm cho chúng trở thành một chất đánh dấu huỳnh quang lý tưởng cho các ứng dụng chẩn đoán. Chấm lượng tử vàng có thể được gắn vào các kháng thể hoặc các phân tử sinh học khác để phát hiện và theo dõi các tế bào ung thư hoặc các phân tử sinh học khác trong cơ thể. Ưu điểm của chấm lượng tử vàng so với các chất đánh dấu huỳnh quang truyền thống là độ sáng cao, độ ổn định cao và khả năng phát huỳnh quang ở nhiều bước sóng khác nhau.

5.2. Vận Chuyển Thuốc Đến Tế Bào Đích Bằng Chấm Lượng Tử Vàng

Chấm lượng tử vàng có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc đến các tế bào đích, tăng cường hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Thuốc có thể được gắn vào bề mặt của chấm lượng tử vàng và được đưa đến các tế bào ung thư hoặc các tế bào bị bệnh khác. Khi đến tế bào đích, thuốc sẽ được giải phóng và tiêu diệt tế bào. Phương pháp này có thể được sử dụng để điều trị nhiều loại bệnh, bao gồm ung thư, bệnh tim mạch và bệnh truyền nhiễm.

5.3. Tính chất và ứng dụng khác của chấm lượng tử vàng

Vàng từ lâu đã được biết đến và được sử dụng nhiều như một kim loại quý. Trong thời kỳ Trung cổ, các nhà giả kim thuật đã dùng vàng cho mục đích dược phẩm để giữ gìn tuổi xuân và sức khoẻ [9]. Vàng có kích thước nanô mét có một số đặc tính quang học tốt, đã được biết đến và sử dụng từ lâu: từ thế kỷ XI, người ta đã dùng các hạt nanô vàng và bạc như các chất màu để làm kính màu trong nhà thờ. Keo vàng có màu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt. Gần đây, cơ chế phát quang của đám các nguyên tử vàng có kích thước nanô mét (như là “nguyên tử nhân tạo”) đã được nghiên cứu, giải thích. Tính chất huỳnh quang mạnh của vàng nanô mét được dùng cho các mục đích là chất đánh dấu huỳnh quang.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Phát Triển Chấm Lượng Tử Vàng

Nghiên cứu và phát triển chấm lượng tử vàng là một lĩnh vực đầy tiềm năng với nhiều cơ hội ứng dụng trong tương lai. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp tiên tiến, ổn định bề mặt và bảo vệ chống oxy hóa sẽ giúp nâng cao chất lượng và độ bền của chấm lượng tử vàng. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động và tương tác của chấm lượng tử vàng với các hệ thống sinh học sẽ mở ra các ứng dụng mới trong y sinh học và các lĩnh vực khác. Với những nỗ lực không ngừng, chấm lượng tử vàng có thể trở thành một công cụ quan trọng trong cuộc chiến chống lại bệnh tật và cải thiện chất lượng cuộc sống.

6.1. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Chấm Lượng Tử Vàng Trong Tương Lai

Trong tương lai, nghiên cứu về chấm lượng tử vàng có thể tập trung vào các hướng sau: Phát triển các phương pháp tổng hợp xanh và bền vững, sử dụng các vật liệu và quy trình thân thiện với môi trường. Tạo ra các chấm lượng tử vàng có tính chất quang học được điều chỉnh theo yêu cầu, cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu về độc tính và tác động của chấm lượng tử vàng đến sức khỏe con người và môi trường.

6.2. Tiềm Năng Thương Mại Hóa Các Sản Phẩm Dựa Trên Au QDs

Các sản phẩm dựa trên chấm lượng tử vàng có tiềm năng thương mại hóa lớn trong tương lai. Các sản phẩm này có thể bao gồm các chất đánh dấu huỳnh quang cho chẩn đoán y học, các hệ thống vận chuyển thuốc thông minh và các cảm biến sinh học có độ nhạy cao. Để thương mại hóa thành công các sản phẩm này, cần phải có các quy trình sản xuất hiệu quả, các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt và các quy định an toàn phù hợp.

6.3. Linh kiện thông tin quang và linh kiện quang tử nanô

Với những hạt vàng có kích thước khoảng 10-20 nm, triển vọng ứng dụng lại nằm ở tính chất của trạng thái plasma bề mặt, vì quãng đường tự do trung bình của điện tử trong hệ nguyên tử vàng là 20 nm. Trong thời gian gần đây, đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung chế tạo các hạt vàng trong vùng kích thước này và khai thác các khả năng ứng dụng chúng trong linh kiện thông tin quang (dẫn sóng/ truyền qua chọn lọc tần số), trong linh kiện quang tử nanô (bộ biến đổi photon – plasmon – photon) và đặc biệt là trong sinh/ dược học (sensor sinh học, điều trị u bằng hấp thụ cộng hưởng plasma).

Trích đoạn nội dung tài liệu

§AÞ häc quèc gia hµ néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ øng ThÞ DiÖu Thuý chÕ t¹o chÊm l−îng tö vµng vµ nghiªn cøu tÝnh chÊt quang cña chóng LuËn v¨n th¹c sü Hµ Néi - 2005 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] §AÞ häc quèc gia hµ néi tr−êng ®¹i häc c«ng nghÖ øng ThÞ DiÖu Thuý chÕ t¹o chÊm l−îng tö vµng vµ nghiªn cøu tÝnh chÊt quang cña chóng Ngµnh: Khoa häc vµ C«ng nghÖ Nan« M· sè: LuËn v¨n th¹c sü Ng−êi h−íng dÉn khoa häc PGS. NguyÔn Quang Liªm Hµ Néi - 2005 øng ThÞ DiÖu Thuý – K10N TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Môc lôc Lêi cam kÕt Lêi c¶m ¬n Môc lôc Më ®Çu 1 Ch−¬ng 1 Tæng quan 4 1.1 T×nh h×nh nghiªn cøu keo vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt trªn thÕ giíi 4 1.2 CÊu tróc cña vËt liÖu 5 1.1 CÊu tróc tinh thÓ vµng 5 1.2 CÊu tróc keo vµng 6 1.3 TÝnh chÊt vµ øng dông 8 1.1 TÝnh chÊt quang cña dung dÞch keo 8 1.2 C¸c tÝnh chÊt cña keo vµng 9 Ch−¬ng 2 C¸c ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o mÉu vµng nan« mÐt 15 vµ nghiªn cøu cÊu tróc, tÝnh chÊt quang 2.1 C¸c ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o 15 2.1 Ph−¬ng ph¸p quang ho¸ 15 2.2 Ph−¬ng ph¸p ho¸ khö 16 2.3 Ph−¬ng ph¸p khö nhiÖt 16 2.2 C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu cÊu tróc vµ vi h×nh th¸i 17 2.1 Ph−¬ng ph¸p nhiÔu x¹ tia X 17 2.2 Ph−¬ng ph¸p hiÓn vi ®iÖn tö quÐt (SEM- Scanning Electron 18 Microscope) 2.3 Ph−¬ng ph¸p hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua (Transmission 20 Electron Microscopy) 2.3 C¸c ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu tÝnh chÊt quang cña vËt liÖu 22 øng ThÞ DiÖu Thuý – K10N TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Ph−¬ng ph¸p phæ hÊp thô 22 2.2 Ph−¬ng ph¸p huúnh quang 23 2.3 Ph−¬ng ph¸p phæ kÝch thÝch huúnh quang 25 Ch−¬ng 3 THùC nghiÖm 27 3.1 ChÕ t¹o keo vµng b»ng ph−¬ng ph¸p quang ho¸ 27 3.2 ChÕ t¹o keo vµng b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ khö 29 3.3 ChÕ t¹o keo vµng b»ng ph−¬ng ph¸p khö nhiÖt 32 Ch−¬ng 4 KÕt qu¶ vµ th¶o luËn 34 4.1 C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cÊu tróc vµ vi h×nh th¸i 34 4.1 Gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X 34 4.2 ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö quÐt 36 4.3 ¶nh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua 38 4.2 C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tÝnh chÊt quang cña keo vµng 40 4.1 Phæ hÊp thô 40 4.1 Phæ hÊp thô cña keo vµng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p 41 hãa khö 4.2 Phæ hÊp thô cña keo vµng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p 45 quang hãa 4.2 Phæ huúnh quang 47 4.1 Phæ huúnh quang cña c¸c mÉu keo vµng ®−îc chÕ 47 t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸ khö 4.2 Phæ huúnh quang cña mÉu keo vµng chÕ t¹o b»ng 51 ph−¬ng ph¸p khö nhiÖt 4.3 Phæ huúnh quang cña c¸c mÉu keo vµng ®−îc chÕ 52 t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p quang ho¸ 4.4 ¶nh h−ëng cña c«ng nghÖ chÕ t¹o lªn tÝnh chÊt 53 quang cña c¸c h¹t nan« vµng Kho¸ luËn tèt nghiÖp – Chuyªn ngµnh KH & CN Nan«, §H C«ng nghÖ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3 Phæ kÝch thÝch huúnh quang 54 KÕt luËn 55 Tµi liÖu tham kh¶o 57 øng ThÞ DiÖu Thuý – K10N TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Më ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, c¸c vËt liÖu cã kÝch th−íc nano mÐt ®−îc ®Æc biÖt chó ý chÕ t¹o, nghiªn cøu v× tÝnh chÊt vËt liÖu quý b¸u, høa hÑn nh÷ng øng dông ®Æc biÖt. Nh÷ng nghiªn cøu vÒ c¸c vËt liÖu cã kÝch th−íc nan« mÐt rÊt phong phó vµ ®a d¹ng: tõ nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu (b¸n dÉn, vËt liÖu tõ, vËt liÖu quang häc,.) cho tíi nh÷ng nghiªn cøu c¬ b¶n c¸c tÝnh chÊt cÊu tróc, tÝnh chÊt quang-®iÖn-tõ, vµ nh÷ng nghiªn cøu nh»m øng dông vËt liÖu. Nãi chung, vËt liÖu cã kÝch th−íc nan« mÐt th−êng ®−îc xem lµ kh«ng khuyÕt tËt, víi tØ sè diÖn tÝch bÒ mÆt trªn khèi lín.

HiÖu øng giam h·m l−îng tö xuÊt hiÖn ë vËt liÖu cã kÝch th−íc nan« mÐt lµm cho vËt liÖu cã nh÷ng tÝnh chÊt ®Æc biÖt, trë thµnh chñ ®Ò phong phó cho c¸c nghiªn cøu. Trong sè c¸c vËt liÖu cã cÊu tróc nan«, c¸c h¹t kim lo¹i cã kÝch th−íc nan« (nanoparticle/ nanocluster) cã tÝnh chÊt ®Æc biÖt ®−îc quan t©m, liªn quan tíi hÖ ®iÖn tö tù do. Khi xÐt tÝnh chÊt (quang-®iÖn-tõ) cña kim lo¹i phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t, cã hai giíi h¹n ®¸ng quan t©m: (1) khi kÝch th−íc cña h¹t so s¸nh ®−îc víi qu·ng ®−êng tù do trung b×nh cña ®iÖn tö (kho¶ng mét vµi chôc nan« mÐt), tr¹ng th¸i plasma bÒ mÆt thÓ hiÖn c¸c tÝnh chÊt ®Æc tr−ng khi t−¬ng t¸c víi ngo¹i tr−êng (vÝ dô nh− sãng ®iÖn tõ - ¸nh s¸ng); (2) khi kÝch th−íc h¹t so s¸nh ®−îc víi b−íc sãng Fermi (kho¶ng d−íi mét nan« mÐt), hÖ ®iÖn tö thÓ hiÖn c¸c tr¹ng th¸i n¨ng l−îng gi¸n ®o¹n, gÇn gièng nh− nguyªn tö. GÇn ®©y, hai lo¹i h¹t nan« kim lo¹i ®−îc quan t©m nghiªn cøu nhiÒu lµ vµng (Au) vµ b¹c (Ag).

Vµng tõ l©u ®· ®−îc biÕt ®Õn vµ ®−îc sö dông nhiÒu nh− mét kim lo¹i quý. Trong thêi kú Trung cæ, c¸c nhµ gi¶ kim thuËt ®· dïng vµng cho môc ®Ých d−îc phÈm ®Ó gi÷ g×n tuæi xu©n vµ søc khoÎ [9]. Vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt cã mét sè ®Æc tÝnh quang häc tèt, ®· ®−îc biÕt ®Õn vµ sö dông tõ l©u: tõ thÕ kû XI, ng−êi ta ®· dïng c¸c h¹t nan« vµng vµ b¹c nh− c¸c chÊt mµu ®Ó TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 2 lµm kÝnh mµu trong nhµ thê. Keo vµng cã mµu s¾c phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t.

§iÒu nµy ®· ®−îc Mie gi¶i thÝch do sù hÊp thô vµ t¸n x¹ ¸nh s¸ng cña c¸c h¹t cÇu nhá [20], mµ thùc chÊt lµ do hÊp thô céng h−ëng plasma bÒ mÆt [21]. GÇn ®©y, c¬ chÕ ph¸t quang cña ®¸m c¸c nguyªn tö vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt (nh− lµ “nguyªn tö nh©n t¹o”) ®· ®−îc nghiªn cøu, gi¶i thÝch. TÝnh chÊt huúnh quang m¹nh cña vµng nan« mÐt ®−îc dïng cho c¸c môc ®Ých lµ chÊt ®¸nh dÊu huúnh quang [19]. C¸c tÝnh chÊt quang céng h−ëng cña c¸c h¹t keo vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt cßn ®−îc ¸p dông thµnh c«ng trong ph¸t triÓn chip sinh häc vµ sensor sinh häc [22].

Vµng nan« mÐt ®· ®−îc chÕ t¹o b»ng nhiÒu ph−¬ng ph¸p. Zsigmondy lµ ng−êi ®Çu tiªn ®−a ra ph−¬ng ph¸p tæng hîp keo vµng kÝch th−íc h¹t cã thÓ thay ®æi b»ng c¸c t¸c nh©n khö nh−: hydro peroxide, formalin vµ phèt pho tr¾ng [15]. N¨m 1973, Frens ®· c«ng bè bµi b¸o vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p tæng hîp keo vµng víi kÝch th−íc h¹t x¸c ®Þnh tr−íc [17]. Tuy nhiªn ®Ó cã thÓ øng dông ®−îc, c¸c h¹t vµng ph¶i cã kÝch th−íc tõ 2-100 nm [18].

Nh÷ng h¹t vµng cã kÝch th−íc nhá so s¸nh ®−îc víi b−íc sãng Fermi (0,7 nm) cho hiÖu suÊt huúnh quang cao ®Õn 20-90% trong vïng phæ hång ngo¹i ®Õn tö ngo¹i [19], chóng rÊt cã triÓn väng øng dông trong kü thuËt ®¸nh dÊu huúnh quang. Víi nh÷ng h¹t vµng cã kÝch th−íc kho¶ng 10-20 nm, triÓn väng øng dông l¹i n»m ë tÝnh chÊt cña tr¹ng th¸i plasma bÒ mÆt, v× qu·ng ®−êng tù do trung b×nh cña ®iÖn tö trong hÖ nguyªn tö vµng lµ 20 nm. Trong thêi gian gÇn ®©y, ®· cã rÊt nhiÒu nghiªn cøu tËp trung chÕ t¹o c¸c h¹t vµng trong vïng kÝch th−íc nµy vµ khai th¸c c¸c kh¶ n¨ng øng dông chóng trong linh kiÖn th«ng tin quang (dÉn sãng/ truyÒn qua chän läc tÇn sè), trong linh kiÖn quang tö nan« (bé biÕn ®æi photon – plasmon – photon) vµ ®Æc biÖt lµ trong sinh/ d−îc häc (sensor sinh häc, ®iÒu trÞ u b»ng hÊp thô céng h−ëng plasma). øng ThÞ DiÖu Thuý – K10N TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 3 LuËn v¨n nµy n»m trong h−íng nghiªn cøu vÒ nan« vµng.

Trong kh¶ n¨ng c«ng nghÖ vµ c¸c ®iÒu kiÖn trang thiÕt bÞ ®Ó nghiªn cøu, kh¶o s¸t tÝnh chÊt cña vËt liÖu chÕ t¹o ®−îc, luËn v¨n ®· tËp trung nghiªn cøu c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸c h¹t nan« vµng cã kÝch th−íc ~10 nm, nh»m nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt ®Æc tr−ng liªn quan ®Õn plasma bÒ mÆt. CÊu tróc cña h¹t vµng chÕ t¹o ®−îc thùc chÊt gièng nh− mét hîp chÊt víi lâi lµ tinh thÓ vµng nan« mÐt, ®−îc bao bäc bëi líp vá h÷u c¬ (vÝ dô víi nhãm chøc amine). Líp vá h÷u c¬ nµy cã thÓ ®−îc thay thÕ khi tan vµng nan« mÐt trong n−íc, hoÆc ®−îc thay thÕ khi g¾n víi mét sinh chÊt cña c¬ thÓ sèng (vÝ dô nhãm thiol –SH cña protein). §iÒu kiÖn c«ng nghÖ ®−îc kh¶o s¸t, thay ®æi ®Ó ®¹t ®−îc mÉu cã cÊu tróc tèt, kÝch th−íc x¸c ®Þnh theo yªu cÇu.

C¸c nghiªn cøu vi h×nh th¸i, cÊu tróc pha tinh thÓ, tÝnh chÊt hÊp thô plasma bÒ mÆt, huúnh quang víi dÞch ®Ønh kh¸c nhau so víi ®Ønh phæ hÊp thô ®−îc thùc hiÖn trªn hÖ thèng mÉu ®· chÕ t¹o trong ®iÒu kiÖn tèi −u ho¸ mét sè th«ng sè c«ng nghÖ. LuËn v¨n ®−îc thùc hiÖn t¹i Phßng VËt liÖu Quang ®iÖn tö, ViÖn Khoa häc VËt liÖu thuéc ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖt Nam. Kho¸ luËn tèt nghiÖp – Chuyªn ngµnh KH & CN Nan«, §H C«ng nghÖ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 4 Ch−¬ng 1 Tæng quan 1.1 T×nh h×nh nghiªn cøu keo vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt trªn thÕ giíi Vµng lµ nguyªn tè thø 79 trong B¶ng tuÇn hoµn c¸c nguyªn tè, cã cÊu h×nh ®iÖn tö Xe5d106s2, cã b¸n kÝnh nguyªn tö 1,44 A0. Ngay tõ nh÷ng buæi ®Çu cña nÒn v¨n minh, ng−êi ta ®· coi vµng nh− lµ mét biÓu t−îng cña quyÒn lùc vµ sù giµu sang.

Trong nhiÒu x· héi vµng ®−îc coi nh− mét chÊt cã ma thuËt cã thÓ b¶o vÖ con ng−êi chèng l¹i bÖnh tËt hay ma quû. C«ng nghÖ nan« nãi chung vµ vµng cã kÝch th−íc nan« mÐt nãi riªng trë nªn cùc kú hÊp dÉn trong nhiÒu lÜnh vùc khoa häc do sù xuÊt hiÖn c¸c tÝnh chÊt kú l¹ cña vËt liÖu mµ chØ cã ë c¸c hÖ cã kÝch th−íc nan« mÐt. N¨m 1996, Ahmadi vµ Belloni ®· nghiªn cøu c¸c tÝnh chÊt cña c¸c h¹t nan« phô thuéc vµo kÝch th−íc vµ h×nh d¹ng h¹t [10]. Sù tæng hîp c¸c h¹t nan« cã kÝch th−íc vµ h×nh d¹ng nh− mong muèn ®ãng vai trß rÊt quan träng trong c«ng nghÖ nan«.

Tuy nhiªn, ®Ó tæng hîp ®−îc c¸c h¹t nan« bÒn v÷ng vµ cã thÓ ®iÒu khiÓn kÝch th−íc h¹t lµ mét c«ng viÖc kh«ng dÔ dµng [28]. Keo vµng lµ mét trong nh÷ng hÖ keo ®−îc quan t©m nghiªn cøu nhiÒu nhÊt. Cã mét sè ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o ®Ó thu ®−îc c¸c h¹t keo cã kÝch th−íc nh− mong muèn [30]. Zsigmondy lµ ng−êi ®Çu tiªn ®−a ra ph−¬ng ph¸p tæng hîp keo vµng cã kÝch th−íc h¹t kh¸c nhau b»ng c¸c t¸c nh©n khö nh−: hydro peroxide, formalin vµ phèt pho tr¾ng [15].

N¨m 1973, Frens ®· ®−a ra ph−¬ng ph¸p khö ®Ó tæng hîp keo vµng cã kÝch th−íc h¹t x¸c ®Þnh tr−íc víi t¸c nh©n khö lµ citrate.