Ảnh hưởng của Plasmon Bề Mặt Nano Kim Loại lên Phát xạ Huỳnh quang

Khám phá hiệu ứng Plasmon tăng cường phát xạ huỳnh quang. Tìm hiểu cơ chế, ứng dụng tiềm năng trong cảm biến, hiển vi và nhiều lĩnh vực khác.

• Tác giả: Đinh Ngọc Tuyến
• Người hướng dẫn: PGS TS. Chu Việt Hà
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
• Đề tài: Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại lên sự phát xạ của chất phát huỳnh quang
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình
• Lí do chọn đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Nội dung của đề tài nghiên cứu
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT
• 1.1. Cộng hưởng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại
• 1.2. Khái niệm cộng hưởng Plasmon bề mặt. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon theo lý thuyết điện từ học
• 1.3. Một số ứng dụng của hiệu ứng plasmon bề mặt
• 1.4. Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt lên huỳnh quang của chất phát quang - Các mô hình về tương tác giữa chất phát quang và kim loại
• 1.5. Một số cấu hình plasmonic hoạt động
• 2. Chương 2: CÁC PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM
• 2.1. Các phương pháp đo phổ
• 2.2. Phép đo phổ hấp thụ
• 2.3. Phép đo phổ huỳnh quang
• 2.4. Phương pháp hiện ảnh: Kính hiển vi huỳnh quang
• 3. Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON TỪ CÁC HẠT NANO VÀNG LÊN SỰ PHÁT XẠ CỦA CHẤT MÀU HỮU CƠ
• 3.1. Đặc điểm tính chất của các hạt nano vàng
• 3.2. Chất màu Rhodamine B (RhB). Thí nghiệm nghiên cứu sự truyền năng lượng giữa chất màu RhB và hạt nano vàng trong dung dịch
• 3.3. Tính chất quang của dung dịch chất màu RhB dưới ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng
• 3.4. Tính chất quang của dung dịch hạt nano silica RhB - hạt nano vàng kích thước 20 nm
• 4. Chương 4: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PLASMON TỪ MÀNG NANO BẠC LÊN SỰ PHÁT XẠ CỦA CHẤT MÀU CHẤT MÀU HỮU CƠ
• 4.1. Độ dài lan truyền plasmon trong các màng nano bạc
• 4.2. Phát xạ của hạt nano silica chứa chất màu RhB trên màng nano bạc
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hiệu ứng Plasmon Tổng quan Ứng dụng Phát xạ Huỳnh quang

Hiệu ứng Plasmon là một hiện tượng quang học thú vị, đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực Phát xạ huỳnh quang tăng cường (Surface-enhanced fluorescence - SEF). Hiện tượng này xảy ra khi ánh sáng tương tác với các kim loại nano, tạo ra dao động tập thể của các electron dẫn. Dao động này, được gọi là Plasmon cộng hưởng, khuếch đại trường điện từ tại bề mặt kim loại, ảnh hưởng đáng kể đến cường độ phát xạ huỳnh quang của các phân tử lân cận. Hiểu rõ cơ chế và ứng dụng của hiệu ứng Plasmon là chìa khóa để phát triển các thiết bị cảm biến, chẩn đoán y học và quang điện tử hiệu suất cao.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu ứng Plasmon có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng và thành phần của hạt nano kim loại hoặc màng mỏng kim loại. Khoảng cách giữa hạt nano và chất phát huỳnh quang cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cường độ Phát xạ huỳnh quang. Do đó, việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa Hiệu suất lượng tử huỳnh quang. Theo tài liệu gốc, "Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt là hiện tượng khi ánh sáng kích thích các plasmon bề mặt - là dao động tập thể của điện tử tại biên phân cách giữa hai vật liệu (kim loại - điện môi) - trong trường hợp tần số của ánh sáng tới trùng với tần số dao động riêng của các plasmon thì hiện tượng cộng hưởng xảy ra". Việc khai thác hiệu ứng plasmon bề mặt sẽ mở ra nhiều tiềm năng mới trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ.

1.1. Cộng hưởng Plasmon Khái niệm cơ bản về LSPR SPPs

Cộng hưởng Plasmon, về cơ bản, là sự dao động tập thể của các electron dẫn trong một kim loại, được kích thích bởi ánh sáng. Có hai loại chính của cộng hưởng Plasmon: Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) và Surface Plasmon Polaritons (SPPs). LSPR xảy ra trong các hạt nano kim loại, nơi dao động điện tử bị giới hạn trong hạt nano. SPPs, mặt khác, là các sóng điện từ lan truyền dọc theo bề mặt của một màng mỏng kim loại. Cả hai loại cộng hưởng Plasmon này đều có thể tăng cường đáng kể trường điện từ tại bề mặt kim loại, dẫn đến sự tăng cường Phát xạ huỳnh quang. Theo lý thuyết Mie, hiện tượng này liên quan mật thiết đến hàm điện môi và kích thước của hạt nano.

1.2. Ảnh hưởng của Kích thước Hình dạng Hạt Nano lên Plasmon

Kích thước và hình dạng của hạt nano kim loại ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng Plasmon và cường độ trường điện từ được tạo ra. Các hạt nano nhỏ hơn có xu hướng cộng hưởng ở bước sóng ngắn hơn, trong khi các hạt nano lớn hơn có thể cộng hưởng ở bước sóng dài hơn. Hình dạng của hạt nano cũng quan trọng; ví dụ, nanorod và nanoshell có thể tạo ra trường điện từ mạnh hơn so với nanoparticle hình cầu. Các nghiên cứu sử dụng Mie theory và FDTD simulation đã chứng minh rõ ràng những ảnh hưởng này.

1.3. Khoảng cách Tối ưu giữa Hạt Nano Chất Phát Quang

Để đạt được sự tăng cường Phát xạ huỳnh quang tối đa, điều quan trọng là phải tối ưu hóa khoảng cách giữa hạt nano và chất phát huỳnh quang. Nếu khoảng cách quá lớn, trường điện từ do Plasmon tạo ra sẽ suy giảm, và không có sự tăng cường đáng kể nào. Ngược lại, nếu khoảng cách quá nhỏ, có thể xảy ra Fluorescence quenching, làm giảm cường độ Phát xạ huỳnh quang. Do đó, cần có một khoảng cách tối ưu để cân bằng giữa hai hiệu ứng này. Tài liệu gốc đề cập đến, có sự tương tác lưỡng cực - lưỡng cực phụ thuộc vào hướng của vectơ mô men lưỡng cực của chất phát quang so với bề mặt kim loại.

II. Thách thức Vấn đề Kiểm soát Phát xạ Huỳnh quang qua Plasmon

Mặc dù hiệu ứng Plasmon có tiềm năng to lớn trong việc tăng cường Phát xạ huỳnh quang, nhưng việc kiểm soát hiệu quả hiện tượng này vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát chính xác khoảng cách giữa hạt nano và chất phát huỳnh quang. Khó khăn khác là sự không đồng nhất trong kích thước và hình dạng của hạt nano kim loại, điều này có thể dẫn đến sự khác biệt trong tần số cộng hưởng Plasmon và cường độ trường điện từ. Ngoài ra, Fluorescence quenching là một vấn đề nghiêm trọng có thể làm giảm hiệu suất của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon.

Theo Luận văn thạc sĩ của Đinh Ngọc Tuyên, cần có sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để vượt qua những thách thức này và khai thác tối đa tiềm năng của hiệu ứng Plasmon trong các ứng dụng khác nhau.

2.1. Kiểm soát Khoảng cách Nano Bài toán Nanometer chính xác

Kiểm soát khoảng cách giữa hạt nano và chất phát huỳnh quang ở quy mô nanomet là một thách thức kỹ thuật lớn. Các phương pháp tiếp cận khác nhau đã được phát triển, bao gồm sử dụng màng mỏng kim loại với độ dày kiểm soát, sử dụng diện tích bề mặt hoạt động để neo giữ chất phát huỳnh quang, và sử dụng các kỹ thuật lắp ráp tự động để tạo ra các cấu trúc nano có trật tự. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng, và cần có những nghiên cứu sâu hơn để phát triển các phương pháp tiếp cận hiệu quả và chính xác hơn.

2.2. Sự Đồng nhất của Hạt Nano Ảnh hưởng lên Cường độ Huỳnh quang

Sự không đồng nhất trong kích thước và hình dạng của hạt nano kim loại có thể dẫn đến sự khác biệt lớn trong tần số cộng hưởng Plasmon và cường độ trường điện từ. Điều này có thể làm giảm hiệu suất của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon. Để giải quyết vấn đề này, cần có các phương pháp tổng hợp hạt nano tiên tiến để tạo ra các hạt nano có kích thước và hình dạng đồng nhất cao. Các kỹ thuật như tổng hợp hạt giống và tổng hợp vi nhũ tương có thể được sử dụng để cải thiện sự đồng nhất của hạt nano.

2.3. Giảm thiểu Fluorescence Quenching Các phương pháp bảo vệ huỳnh quang

Fluorescence quenching là một vấn đề nghiêm trọng có thể làm giảm hiệu suất của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon. Có nhiều cơ chế khác nhau có thể gây ra Fluorescence quenching, bao gồm truyền năng lượng từ chất phát huỳnh quang sang hạt nano kim loại và tương tác trực tiếp giữa chất phát huỳnh quang và bề mặt kim loại. Để giảm thiểu Fluorescence quenching, có thể sử dụng các lớp bảo vệ để ngăn chặn tương tác trực tiếp giữa chất phát huỳnh quang và bề mặt kim loại. Ngoài ra, có thể sử dụng các chất phát huỳnh quang có thời gian sống huỳnh quang ngắn hơn để giảm thiểu cơ hội truyền năng lượng sang hạt nano kim loại.

III. Phương pháp Tối ưu Tăng Cường Phát xạ Huỳnh quang nhờ Plasmon

Để tối ưu hóa sự tăng cường Phát xạ huỳnh quang bằng hiệu ứng Plasmon, cần có một phương pháp tiếp cận đa diện, bao gồm lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết kế cấu trúc nano tối ưu, và kiểm soát chính xác môi trường xung quanh. Các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm Dielectric function của vật liệu kim loại, bước sóng kích thích và cường độ phát xạ huỳnh quang, và Hiệu suất lượng tử huỳnh quang của chất phát huỳnh quang.

Một số phương pháp mô phỏng số học như FDTD simulation hay lý thuyết gần đúng như Mie theory có thể được sử dụng để dự đoán và tối ưu hóa các cấu trúc nano cho sự tăng cường Phát xạ huỳnh quang.

3.1. Lựa chọn Vật liệu Vàng Bạc và các Kim loại Plasmon khác

Vàng và bạc là hai vật liệu kim loại phổ biến nhất được sử dụng cho các ứng dụng Plasmon, do chúng có khả năng hỗ trợ cộng hưởng Plasmon trong vùng nhìn thấy và tử ngoại gần. Tuy nhiên, các kim loại khác, chẳng hạn như đồng, nhôm và platin, cũng có thể được sử dụng trong một số trường hợp nhất định. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp phụ thuộc vào bước sóng kích thích và cường độ phát xạ huỳnh quang mong muốn, cũng như các yếu tố khác như chi phí và tính ổn định hóa học. Hàm điện môi đóng vai trò quan trọng trong sự lựa chọn này.

3.2. Thiết kế Cấu trúc Nano Tối ưu hóa Kích thước và Hình dạng

Thiết kế cấu trúc nano đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tần số cộng hưởng Plasmon và cường độ trường điện từ được tạo ra. Các hạt nano hình cầu, nanorod và nanoshell là những cấu trúc phổ biến được sử dụng cho các ứng dụng Plasmon. Việc tối ưu hóa kích thước và hình dạng của cấu trúc nano có thể cải thiện đáng kể sự tăng cường Phát xạ huỳnh quang. Các công cụ mô phỏng số như FDTD simulation có thể được sử dụng để dự đoán và tối ưu hóa các cấu trúc nano.

3.3. Kiểm soát Môi trường Ảnh hưởng của Chất nền và Dung môi

Môi trường xung quanh hạt nano có thể ảnh hưởng đáng kể đến tần số cộng hưởng Plasmon và cường độ trường điện từ. Dielectric function của chất nền và dung môi có thể ảnh hưởng đến bước sóng kích thích và cường độ phát xạ huỳnh quang. Do đó, điều quan trọng là phải kiểm soát chính xác môi trường xung quanh hạt nano để tối ưu hóa sự tăng cường Phát xạ huỳnh quang.

IV. Ứng dụng Thực tiễn Phát xạ Huỳnh quang tăng cường Plasmon SEF

Hiệu ứng Plasmon đã mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm ứng dụng trong cảm biến sinh học, ứng dụng trong tế bào quang điện, ứng dụng trong quang xúc tác, và ứng dụng trong hiển vi huỳnh quang độ phân giải cao. Các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon có thể đạt được độ nhạy và độ chính xác cao hơn so với các thiết bị truyền thống.

Cụ thể, trong ứng dụng trong chẩn đoán y học, hiệu ứng Plasmon có thể được sử dụng để phát hiện các dấu ấn sinh học ung thư ở nồng độ rất thấp. Trong ứng dụng trong phát hiện chất ô nhiễm, hiệu ứng Plasmon có thể được sử dụng để phát hiện các chất độc hại trong môi trường. Việc điều khiển Năng lượng Plasmon mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

4.1. Cảm biến Sinh học Phát hiện Dấu ấn Sinh học với Độ nhạy cao

Trong lĩnh vực ứng dụng trong cảm biến sinh học, hiệu ứng Plasmon có thể được sử dụng để phát hiện các dấu ấn sinh học, chẳng hạn như protein và DNA, với độ nhạy cao. Bằng cách gắn các phân tử mục tiêu vào bề mặt của hạt nano kim loại, sự thay đổi trong tần số cộng hưởng Plasmon có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các phân tử mục tiêu. Các ứng dụng trong cảm biến sinh học này có tiềm năng cách mạng hóa chẩn đoán y học và phát hiện bệnh sớm.

4.2. Tế bào Quang điện Nâng cao Hiệu suất Chuyển đổi Năng lượng

Trong lĩnh vực ứng dụng trong tế bào quang điện, hiệu ứng Plasmon có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Bằng cách đặt các hạt nano kim loại trên bề mặt của tế bào quang điện, trường điện từ được tạo ra bởi Plasmon có thể tăng cường sự hấp thụ ánh sáng và tạo ra nhiều electron-hole pairs hơn. Điều này có thể dẫn đến sự tăng lên đáng kể trong hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tế bào quang điện. Tài liệu gốc đề cập đến các thí nghiệm truyền năng lượng giữa các chất màu và cấu trúc kim loại là công cụ quan trọng trong nghiên cứu các hệ thống sinh học và hứa hẹn là tiềm năng ứng dụng trong quang điện tử.

4.3. Hiển vi Huỳnh quang Độ phân giải cao Vượt qua Giới hạn Nhiễu xạ

Trong lĩnh vực ứng dụng trong hiển vi huỳnh quang độ phân giải cao, hiệu ứng Plasmon có thể được sử dụng để vượt qua giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng và tạo ra hình ảnh với độ phân giải cao hơn. Bằng cách đặt các hạt nano kim loại gần mẫu vật, trường điện từ được tạo ra bởi Plasmon có thể tăng cường cường độ tín hiệu huỳnh quang và cải thiện độ phân giải của hình ảnh. Điều này có thể giúp các nhà khoa học quan sát các cấu trúc và quá trình sinh học ở quy mô nanomet.

V. Nghiên cứu Mới Tiềm năng Phát triển Ứng dụng Phát xạ Huỳnh quang

Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc phát triển các vật liệu và cấu trúc nano mới để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon. Một số hướng nghiên cứu hứa hẹn bao gồm việc sử dụng các vật liệu Plasmon mới với Dielectric function tối ưu, phát triển các cấu trúc nano phức tạp hơn với khả năng điều chỉnh Năng lượng Plasmon, và tích hợp hiệu ứng Plasmon với các công nghệ khác, chẳng hạn như vi lỏng và in 3D.

5.1. Vật liệu Plasmon Mới Tìm kiếm Dielectric function tối ưu

Các nhà khoa học đang tích cực tìm kiếm các vật liệu Plasmon mới với Dielectric function tối ưu để cải thiện hiệu suất của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon. Một số vật liệu tiềm năng bao gồm hợp kim kim loại, bán dẫn và vật liệu nano carbon. Việc phát triển các vật liệu Plasmon mới có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng Phát xạ huỳnh quang.

5.2. Cấu trúc Nano Phức tạp Điều chỉnh Năng lượng Plasmon linh hoạt

Việc phát triển các cấu trúc nano phức tạp hơn với khả năng điều chỉnh Năng lượng Plasmon là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các cấu trúc nano phức tạp có thể tạo ra trường điện từ mạnh hơn và có thể được điều chỉnh để cộng hưởng ở các bước sóng kích thích và cường độ phát xạ huỳnh quang khác nhau. Điều này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ linh hoạt của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon.

5.3. Tích hợp Công nghệ Kết hợp Plasmon với Vi lỏng và In 3D

Tích hợp hiệu ứng Plasmon với các công nghệ khác, chẳng hạn như vi lỏng và in 3D, có thể tạo ra các thiết bị mới với chức năng nâng cao. Các thiết bị vi lỏng có thể được sử dụng để cung cấp chất phát huỳnh quang đến gần hạt nano kim loại một cách chính xác, trong khi in 3D có thể được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp với độ chính xác cao. Sự kết hợp của hiệu ứng Plasmon với các công nghệ khác có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng Phát xạ huỳnh quang.

VI. Kết luận Hướng đi và Tương lai Phát xạ Huỳnh quang Plasmon

Hiệu ứng Plasmon là một công cụ mạnh mẽ để tăng cường Phát xạ huỳnh quang. Với sự phát triển của các vật liệu và cấu trúc nano mới, cũng như các phương pháp kiểm soát chính xác hơn, hiệu ứng Plasmon có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cảm biến, chẩn đoán y học và quang điện tử. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc giải quyết các thách thức còn tồn tại, chẳng hạn như kiểm soát Fluorescence quenching và cải thiện sự đồng nhất của hạt nano kim loại, để khai thác tối đa tiềm năng của hiệu ứng Plasmon.

Việc phát triển các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà khoa học vật liệu, kỹ sư điện và các nhà sinh học. Bằng cách kết hợp các kiến thức và kỹ năng khác nhau, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị mới với hiệu suất và độ chính xác cao hơn.

6.1. Tóm tắt Thành tựu Tổng quan về Các kết quả đạt được

Từ việc tăng cường Phát xạ huỳnh quang đến phát triển các cảm biến siêu nhạy và hiển vi độ phân giải cao, các thành tựu trong lĩnh vực Phát xạ huỳnh quang tăng cường Plasmon (SEF) đã chứng minh tiềm năng to lớn của công nghệ này. Sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế cơ bản và khả năng kiểm soát các yếu tố quan trọng đã mở đường cho các ứng dụng đột phá.

6.2. Hướng Nghiên cứu Tương lai Giải quyết Thách thức còn tồn tại

Mặc dù đã có nhiều tiến bộ, vẫn còn những thách thức cần được giải quyết để khai thác tối đa tiềm năng của hiệu ứng Plasmon. Các hướng nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc phát triển các vật liệu Plasmon mới, tối ưu hóa cấu trúc nano, kiểm soát Fluorescence quenching, và tích hợp hiệu ứng Plasmon với các công nghệ khác.

6.3. Tầm quan trọng Hợp tác Liên ngành để Đột phá Công nghệ

Sự phát triển của các thiết bị dựa trên hiệu ứng Plasmon đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà khoa học vật liệu, kỹ sư điện và các nhà sinh học. Bằng cách kết hợp các kiến thức và kỹ năng khác nhau, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị mới với hiệu suất và độ chính xác cao hơn và thúc đẩy sự tiến bộ của khoa học và công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT 1. Cộng hưởng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại Các cấu trúc nano kim loại có tính chất quang nổi bật là hiệu ứng plasmon bề mặt. Đây là hiện tượng cộng hưởng điện từ do các dao động tập thể của các điện tử dẫn được gọi là plasmon, ảnh hưởng mạnh mẽ đến các tính chất quang học của các cấu trúc nano kim loại và mối quan tâm lớn cho các thiết bị quang tử trong tương lai. Các mode plasmon tồn tại trong các kim loại khác nhau được ứng dụng nhiều nhất là trong các kim loại quý như vàng và bạc.

Các plasmon trong các cấu trúc nano kim loại hiện nay đã được khảo sát nghiên cứu bởi các kỹ thuật hiển vi trường gần và xa [2]. Hiệu ứng kích thước nội tại của các cấu trúc nano kim loại liên quan đến các thay đổi cụ thể trong các tính chất so với vật liệu khối và bề mặt của hạt. Thực nghiệm cho thấy kích thước hạt ảnh hưởng lên các tính chất cấu trúc và tính chất điện tử, cụ thể là thế ion hóa, năng lượng liên kết, phản ứng hóa học, cấu trúc tinh thể, nhiệt độ nóng chảy; và các tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng. Đối với các hạt kích thước nhỏ, các hàm quang học trở nên phụ thuộc vào kích thước, trong khi đối với các hạt lớn hơn, lý thuyết điện động lực học có thể được áp dụng bằng cách sử dụng các hằng số quang học của khối, liên quan đến hiệu ứng kích thước bên ngoài [1].

Khái niệm cộng hưởng Plasmon bề mặt Plasmon được hiểu là dao động tập thể của các điện tử tự do; còn plasmon bề mặt (surface plasmon - SP) là dao động của điện tử tự do ở bề mặt của kim loại với sự kích thích của ánh sáng tới. Thuật ngữ “cộng hưởng plasmon bề mặt” (surface plasmon resonance, SPR) là sự kích thích tập thể đồng thời của tất cả các điện tử “tự do” trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha.Các plasmon bề mặt được tạo thành chính là các sóng điện từ bề mặt lan truyền dọc theo mặt phân cách của hai vật liệu với các hàm điện môi trái dấu, ví dụ như một kim loại và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn một điện môi. Thuật ngữ polariton Plasmon bề mặt (surface plasmon polariton - SPP) cũng được sử dụng với ý nghĩa tương tự như Plasmon bề mặt. SPP là sự kết hợp của các SP với photon ánh sáng tới, có thể lan truyền dọc theo bề mặt kim loại cho đến khi năng lượng của nó bị mất hết do sự hấp thụ bởi kim loại hoặc do sự bức xạ năng lượng vào không gian tự do.

Như vậy SP được hiểu là “các mode liên kết của trường điện từ của ánh sáng tới và các điện tử tự do trong kim loại”. Có thể hiểu hiện tượng này là hiện tượng ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại - điện môi và có thể bị giam giữ theo các kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng trong không gian tự do. Ví dụ xét sự tạo thành của dao động plasmon bề mặt đối với một hạt nano kim loại dạng cầu đặt trong môi trường điện môi (ví dụ trong chân không hoặc không khí) (hình 1. Điện trường của sóng ánh sáng tới tạo nên sự phân cực của các điện tử tự do đối với lõi ion của một hạt nano.

Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano do đó sẽ hoạt động như lực hồi phục tạo ra một dao động lưỡng cực của các điện tử với một chu kỳ xác định [1, 2], do đó cộng hưởng plasmon bề mặt được tạo nên. Như vậy, nếu xét tại một mặt phân cách bất kỳ giữa hai vật liệu có hàm điện môi trái dấu, khi có sự kích thích của ánh sáng tới, các dao động của phân bố điện tích được tạo ra, tạo thành sóng plasmon bề mặt. Sự tạo thành plasmon bề mặt trên một hạt nano kim loại. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon theo lý thuyết điện từ học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Xét một mặt phân cách giữa hai vật liệu (hai môi trường) có hàm điện môi trái dấu, ví dụ như hai vật liệu kim loại và điện môi; đơn giản nhất xét bề mặt của một màng kim loại đặt trongkhông khí.

Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách sẽ gây nên một phân bố điện tích trên bề mặt kim loại. Dao động của phân bố điện tích này là sóng plasmon bề mặt truyền dọc theo biên phân cách kim loại - điện môi.2 minh họa sóng plasmon trên bề mặt của một màng kim loại. Lý thuyết điện từ học sẽ được áp dụng để giải bài toán sóng điện từ trên biên phân cách giữa hai môi trường. Giả sử mặt phân cách giữa hai môi trường có hàm điện môi là 1 và 2.

Điện trường của sóng điện từ lan truyền được biểu diễn bởi công thức: E  E0e xp i  k x x  k z z  ωt  (1.1) trong đó k là số sóng và  là tần số của ánh sáng tới. Minh họa các hình Hình 1. Plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa chiếu vectơ sóng của một sóng một kim loại và vật liệu điện môi có các điện tích tại mặt phân cách giữa hai môi kết hợp [1] trường Giải phương trình Maxwell cho sóng điện từ tại biên phân cách giữa hai vật liệu với hằng số điện môi là 1 và 2 với việc sử dụng các điều kiện biên liên tục của điện thế và vectơ điện dịch ta có [1]: k z1 k z2  (1.3) c Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, kx là như nhau tại biên phân cách cho một sóng bề mặt. Các vectơ sóng trong 2 môi trường kz1 và kz2 được biểu diễn trên hình 1.

Từ hai phương trình (1.3) ta có mối quan hệ tán sắc cho một sóng lan truyền trên bề mặt là: 1/2     kx   1 2   kSP (1.4) c  1  2  Trong mô hình của khí điện tử tự do, bỏ qua sự suy giảm, hàm điện môi của kim loại được cho bởi [1]: ω2p ε  ω = 1 - 2 (1.5) ω trong đó P là tần số plasmon của kim loại khối, có biểu thức trong đơn vị SI là: e 2 ωp = (1.6)  0 m* Với  là mật độ điện tích, e là điện tích của điện tử, m* là khối lượng hiệu dụng của điện tử và 0 là hằng số điện môi trong chân không. Đường cong tán sắc của tần số plasmon bề mặt được biểu diễn trên hình 1. Đường cong tán sắc của các plasmon bề mặt. Ở giá trị k thấp, đường cong tán sắc của các plasmon trùng với đường tán sắc của photon [1] Từ đây có thể thấy, ở giá trị các vectơ sóng nhỏ, các SPP thể hiện giống như các photon, nhưng khi k tăng, đường cong tán sắc bị uốn cong và đạt tới một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn giới hạn tiệm cận tới tần số plasmon của kim loại khối.

Tần số plasmon được cho bởi: SP  P / 1   2 (1.7) Trong trường hợp môi trường điện môi là không khí trên bề mặt kim loại, ta có: SP  P / 2 (1.8) Như vậy, với cùng một tần số, giá trị vectơ sóng của plasmon kSP lớn hơn so với giá trị vectơ sóng của photon tự do. Do sự chênh lệch vectơ sóng này, sóng plasmon chỉ lan truyền trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường. Để sóng plasmon có thể lan truyền ra trường xa qua biên phân cách, các nghiên cứu chỉ ra phải có sự phù hợp vectơ sóng giữa plasmon và photon tự do của ánh sáng tới. Xét mặt phân cách giữa kim loại (1) và điện môi (2) ta có 2 là thực và 2> 0 và ε1< 0 (là điều kiện kim loại thỏa mãn).

Sóng điện từ đi qua kim loại sẽ bị suy hao do các mất mát ohmic và các tương tác giữa điện tử và lõi ion. Hàm điện môi của kim loại được biểu diễn theo biểu thức [1]: ε1  εr  iεi (1.9) trong đó r là phần thực và i là phần ảo. Nói chung |r| >>|i|, biểu thức của số sóng tại mặt phân cách của các plasmon được biểu diễn như sau [16]:      1/2       3/2   k x  kx  ikx    r 2    i   r 2  i  (1.10)  c   r   2    c   r   2  2 r2      Năng lượng của một sóng SPP lan truyền dọc theo một bề mặt kim loại, sẽ bị mất mát do sự hấp thụ của kim loại hoặc bị bức xạ vào không gian tự do. Tại một khoảng cách x, cường độ sóng plasmon giảm theo hệ số exp[-2kx"x].

Độ dài lan truyền plasmon được định nghĩa là khoảng cách mà sóng plasmon có cường độ giảm đi e lần, được cho bởi công thức: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.11) 2kx Tương tự như vậy, điện trường giảm một cách nhanh chóng theo chiều vuông góc với bề mặt kim loại. Ở các tần số thấp, sự xâm nhập của SPP vào kim loại gần đúng với công thức độ xuyên sâu của một trường vào kim loại. Trong môi trường điện môi, trường sẽ giảm chậm hơn nhiều. Độ xuyên sâu của trường plasmon vào kim loại m và điện môi d được biểu diễn theo các công thức [1]: 1/2 λ     δm   r    (1.13) 2π  2  Độ xuyên sâu của trường plasmon vào kim loại và điện môi được biểu diễn trên đồ thị hình 1.

Minh họa độ xuyên sâu của trường plasmon vào kim loại và điện môi [2] 1. Lý thuyết Mie Lý thuyết Mie được đưa ra trước tiên để giải thích màu tán xạ của các hạt nano kim loại dạng keo. Các hạt nano kim loại dạng keo là các hạt nano kim loại có các phân tử trên bề mặt hạt (các ligands) với các nhóm chức thích hợp giúp chúng phân tán được trong dung dịch. Trái với bề mặt kim loại liên tục, các hạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.