Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc

Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc nhằm xác định các plasmonic, mở ra hướng đi mới trong vật liệu nano.

• Tác giả: Meephonevanh Vaxayneng
• Người hướng dẫn: Pgs. Chu Việt Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm - Đại Học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật Lý Chất Rắn
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc để xác định các plasmonic hoạt động
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG PLASMON VÀ VẬT LIỆU PLASMONIC
• 1.1. Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại
• 1.2. Sự tạo thành các plasmon bề mặt
• 1.3. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon
• 1.4. Sự kích thích các plasmon bề mặt
• 1.5. Nguyên tắc tạo thành và điều khiển các plasmonic hoạt động
• 1.6. Sự điều khiển ánh sáng tới
• 1.7. Sự thay đổi hàm điện môi của môi trường xung quanh
• 1.8. Thay đổi mật độ điện tích và hàm điện môi của vật liệu plasmonic
• 1.9. Điều khiển khoảng cách giữa các hạt
• 1.10. Điều khiển tính đối xứng của cấu trúc nano plasmonic
• 1.11. Đánh giá hiệu suất của điều khiển Plasmonic hoạt động
• 1.12. Một số cấu trúc plasmonic hoạt động
• 1.13. Cảm biến plasmonic
• 1.14. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt có thể điều chỉnh
• KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu
• 2.2. Kỹ thuật deposit chế tạo các màng nano bạc bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử
• 2.3. Chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hướng trên giấy lọc bằng phương pháp hóa khử
• 2.4. Nghiên cứu tăng cường tán xạ Raman bởi các đế SERS là cấu trúc nano bạc trên giấy lọc
• 2.5. Các phép đo thực nghiệm
• 2.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) nghiên cứu vi hình thái
• 2.7. Phép đo phổ hấp thụ
• 2.8. Kính hiển vi huỳnh quang
• 2.9. Quang phổ tán xạ Raman
• KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tính chất plasmonic trên các màng nano bạc
• 3.2. Kết quả chế tạo các màng nano bạc trên đế thủy tinh
• 3.3. Tính chất plasmonic của các màng nano bạc
• 3.4. Tính chất plasmonic của các đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hướng trên giấy lọc
• 3.5. Kết quả chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hướng trên giấy lọc
• 3.6. Nghiên cứu các plasmonic hoạt động trên việc khảo sát tăng cường tán xạ Raman của Melamine trên các đế SERS đã chế tạo
• 3.7. Các giới hạn phát hiện đối với Melamine
• KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc

Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực quang học. Màng nano bạc không chỉ có khả năng tăng cường phát xạ mà còn tạo ra các hiệu ứng plasmon độc đáo. Hiệu ứng này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như cảm biến và quang học phi tuyến. Việc hiểu rõ về tính chất phát xạ của các chất phát quang trên nền tảng này là rất quan trọng để phát triển các công nghệ mới.

1.1. Hiệu ứng plasmon và vai trò của màng nano bạc

Hiệu ứng plasmon là hiện tượng quan trọng trong việc tăng cường tính chất phát xạ. Màng nano bạc tạo ra các plasmon bề mặt, giúp tăng cường cường độ phát xạ của chất phát quang. Sự tương tác giữa ánh sáng và các điện tử tự do trong bạc tạo ra các hiệu ứng quang học mạnh mẽ.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất phát xạ

Nhiều yếu tố như kích thước, hình dạng và độ dày của màng nano bạc ảnh hưởng đến tính chất phát xạ. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể tối ưu hóa hiệu suất phát xạ của chất phát quang.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu về tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của màng bạc, sự đồng nhất trong quá trình chế tạo và khả năng tái tạo kết quả là những yếu tố cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp nghiên cứu và chế tạo tiên tiến.

2.1. Độ ổn định của màng nano bạc

Độ ổn định của màng nano bạc là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất phát xạ. Các nghiên cứu cho thấy rằng màng bạc có thể bị oxi hóa hoặc phân hủy dưới tác động của môi trường, làm giảm hiệu suất phát xạ.

2.2. Khả năng tái tạo kết quả

Khả năng tái tạo kết quả trong các thí nghiệm là một thách thức lớn. Sự biến đổi trong điều kiện thí nghiệm có thể dẫn đến sự khác biệt trong tính chất phát xạ của chất phát quang. Việc thiết lập các tiêu chuẩn thí nghiệm rõ ràng là cần thiết.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất phát xạ trên màng nano bạc

Để nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm chế tạo màng bạc bằng kỹ thuật bốc bay chùm điện tử và đo quang phổ tán xạ Raman. Những phương pháp này giúp xác định rõ ràng các plasmonic hoạt động và hiệu ứng tăng cường phát xạ.

3.1. Kỹ thuật chế tạo màng nano bạc

Kỹ thuật bốc bay chùm điện tử là một trong những phương pháp hiệu quả để chế tạo màng nano bạc. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác độ dày và cấu trúc của màng bạc, từ đó ảnh hưởng đến tính chất phát xạ.

3.2. Phép đo quang phổ tán xạ Raman

Phép đo quang phổ tán xạ Raman được sử dụng để phân tích tính chất phát xạ của chất phát quang. Phương pháp này giúp xác định các plasmonic hoạt động và cung cấp thông tin chi tiết về các quá trình phát xạ.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng nano bạc trong phát xạ quang

Các ứng dụng của màng nano bạc trong lĩnh vực phát xạ quang rất đa dạng. Từ cảm biến quang học đến các thiết bị phát quang, màng nano bạc đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và độ nhạy của các thiết bị này. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ quang học.

4.1. Cảm biến quang học

Màng nano bạc có thể được sử dụng trong các cảm biến quang học nhờ vào khả năng tăng cường tính chất phát xạ. Các cảm biến này có thể phát hiện nồng độ thấp của các chất hóa học hoặc sinh học, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và môi trường.

4.2. Thiết bị phát quang

Các thiết bị phát quang sử dụng màng nano bạc có thể cải thiện hiệu suất phát xạ. Việc tối ưu hóa các cấu trúc plasmonic giúp tăng cường ánh sáng phát ra, từ đó nâng cao hiệu quả của các thiết bị này.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tính chất phát xạ

Nghiên cứu về tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc đang mở ra nhiều hướng đi mới trong khoa học và công nghệ. Các thách thức hiện tại cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều phát hiện thú vị và ứng dụng mới trong lĩnh vực quang học.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các cấu trúc plasmonic mới và cải thiện độ ổn định của màng nano bạc. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa tính chất phát xạ và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghệ

Tiềm năng ứng dụng của màng nano bạc trong công nghệ quang học là rất lớn. Các nghiên cứu trong tương lai có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị mới với hiệu suất cao hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong các lĩnh vực như y tế, môi trường và công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM MEEPHONEVANH VAXAYNENG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁT XẠ CỦA CHẤT PHÁT QUANG TRÊN MÀNG NANO BẠC ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC PLASMONIC HOẠT ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM MEEPHONEVANH VAXAYNENG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁT XẠ CỦA CHẤT PHÁT QUANG TRÊN MÀNG NANO BẠC ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC PLASMONIC HOẠT ĐỘNG Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. CHU VIỆT HÀ THÁI NGUYÊN - 2020 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc để xác định các plasmonic hoạt động” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự hƣớng dẫn của PSG. Chu Việt Hà. Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều đƣợc trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020 Tác giả Meephonevanh VAXAYNENG i LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin đƣợc tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. Chu Việt Hà, ngƣời đã tận tình động viên, giảng dạy, chỉ bảo, hƣớng dẫn và định hƣớng cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tôi trong suốt quá trình thí nghiệm. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới học viên cao học Lục Thị Tuyến là ngƣời bạn cùng nhóm nghiên cứu đã luôn nhiệt tình hỗ trợ, hƣớng dẫn, hợp tác và cho tôi những lời khuyên quý báu để tôi vững bƣớc trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn của mình. Xin cảm ơn các bạn học viên cao học Vật lý khóa 26B (2018 - 2020) đã hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020 Tác giả Meephonevanh VAXAYNENG ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN .v DANH MỤC CÁC HÌNH. vi MỞ ĐẦU . Lý do chọn đề tài . Mục tiêu nghiên cứu . Phạm vi nghiên cứu . Phƣơng pháp nghiên cứu . Đối tƣợng nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu. Cấu trúc của luận văn.4 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG PLASMON VÀ VẬT LIỆU PLASMONIC . Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại . Sự tạo thành các plasmon bề mặt. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon . Sự kích thích các plasmon bề mặt . Nguyên tắc tạo thành và điều khiển các plasmonic hoạt động . Sự điều khiển ánh sáng tới . Sự thay đổi hàm điện môi của môi trƣờng xung quanh. Thay đổi mật độ điện tích và hàm điện môi của vật liệu plasmonic . Điều khiển khoảng cách giữa các hạt . Điều khiển tính đối xứng của cấu trúc nano plasmonic. Đánh giá hiệu suất của điều khiển Plasmonic hoạt động . Một số cấu trúc plasmonic hoạt động . Cảm biến plasmonic . Tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt có thể điều chỉnh .27 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .31 Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM . Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu . Kỹ thuật deposit chế tạo các màng nano bạc bằng phƣơng pháp bốc bay chùm điện tử . Chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc bằng phƣơng pháp hóa khử . Nghiên cứu tăng cƣờng tán xạ Raman bởi các đế SERS là cấu trúc nano bạc trên giấy lọc . Các phép đo thực nghiệm . Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) nghiên cứu vi hình thái . Phép đo phổ hấp thụ. Kính hiển vi huỳnh quang. Quang phổ tán xạ Raman .41 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .44 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . Nghiên cứu tính chất plasmonic trên các màng nano bạc . Kết quả chế tạo các màng nano bạc trên đế thủy tinh . Tính chất plasmonic của các màng nano bạc. Tính chất plasmonic của các đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc . Kết quả chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc . Nghiên cứu các plasmonic hoạt động trên việc khảo sát tăng cƣờng tán xạ Raman của Melamine trên các đế SERS đã chế tạo . Các giới hạn phát hiện đối với Melamine .56 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .59 TÀI LIỆU TH AM KHẢO .61 PHỤ LỤC iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN LSPR : Localized Surface plasmon resonance (Cộng hƣởng plasmon bề mặt cục bộ) PDMS : Polydimethylsiloxane SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) SERS : Surface enhanced Raman spectroscopy (Quang phổ Raman tăng cƣờng bề mặt) SP : Surface plasmon (Plasmon bề mặt) SPP : Surface Plasmon polariton (Sự kết hợp của plasmon bề mặt với photon ánh sáng tới) SPR : Surface plasmon resonance (Cộng hƣởng plasmon bề mặt) TE : Transverse electric (Phân cực điện ngang) TM : Transverse magnetic (Phân cực từ ngang) UV : Ultra violet (Tử ngoại) v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Các mức năng lƣợng của điện tử trong kim loại. Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại. a) Minh họa sóng plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim loại và vật liệu điện môi có các điện tích kết hợp và b) Độ xuyên sâu của trƣờng plasmon vào kim loại và điện môi. Các hình chiếu vectơ sóng của một sóng tại mặt phân cách giữa hai môi trƣờng. Đƣờng cong tán sắc của các plasmon bề mặt. Ở giá trị k thấp, đƣờng cong tán sắc của các plasmon trùng với đƣờng tán sắc của photon . Sự kích thích Plasmon bề mặt: a. Cấu hình Kretschmann, b. Cấu hình Otto. Kết hợp pha ánh sáng với SPP bằng cách sử dụng cách tử để tạo ra các plamonic hoạt động. Minh họa các điện tích phân cực xung quanh một thanh nano kim loại gây ra bởi hai môi trƣờng xung quanh với các hằng số điện môi khác nhau. Sự gia tăng lƣợng điện tích phân cực cảm ứng là do hằng số điện môi lớn hơn của môi trƣờng . a) Cảm biến với các cấu trúc plasmonic hoạt động và bƣớc sóng cực đại LSPR đƣợc vẽ theo thời gian là peaceodulin trải qua những thay đổi về hình dạng, đƣợc gây ra bởi việc bổ sung các ion Ca2+ tự do và tác nhân tạo chelat, EGTA, cho các ion Ca2+ (a, b); và (c) Phổ dập tắt của lớp hạt nano Au dày đặc không làm biến dang (trái) và biến dạng12,8% (phải) đƣợc ghi dƣới các phân cực kích thích khác nhau . Điều chế thiết bị hoạt động tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt: a) Sơ đồ hiển thị thiết bị hoạt động tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt bao gồm một màng nanoplasmonic biến dạng dƣới điều khiển khí nén; b) Sự thay đổi của mức tăng tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt điều chỉnh cộng hƣởng plasmon.29 vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ nguyên tắc lắng đọng vật liệu bằng phƣơng pháp bốc bay chùm điện tử. Cấu tạo một màng nano kim loại bạc đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp bốc bay chùm điện tử. Minh họa các bƣớc chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc. Sơ đồ quy trình chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: (1) Súng điện tử, (2) Thấu kính điện từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đèn hình. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis. a) Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi huỳnh quang cấu hình cơ bản và, b) cấu hình epi. Giản đồ các mức năng lƣợng dao động. Ảnh chụp các màng nano bạc đƣợc làm trên đế thủy tinh với độ dày khác nhau. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của bề mặt màng nano bạc. Đặc trƣng phổ huỳnh quang của các hạt nano OB. Phổ bất đẳng hƣớng huỳnh quang của các hạt nano OB dƣới bƣớc sóng kích thích 532 nm ở nhiệt độ phòng. Minh họa thí nghiệm quan sát huỳnh quang của hạt nano OB trên màng nano bạc. Mô tả sóng plasmon đƣợc kích thích bởi một lƣỡng cực dao động là chất phát quang, trong trƣờng hợp này là hạt nano OB. Ảnh huỳnh quang một hạt nano OB trên các màng bạc độ dày khác nhau. Cƣờng độ phát xạ tại ví trí hạt theo các độ dày màng nano bạc khác nhau. Sự phụ thuộc của cƣờng độ phát xạ của các hạt nano OB trên các màng bạc theo độ dày của màng.50 vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Độ dài truyền plasmon trên các màng nano bạc độ dày khác nhau với bƣớc sóng tới 560 nm. Độ dài lan truyền sóng plasmon bề mặt trên biên phân cách giữa điện môi không khí và màng bạc với độ dày 30 nm (hình trái) và 100 nm (hình phải) theo các bƣớc sóng khác nhau. Ảnh chụp đế SERS giấy bạc sau khi chế tạo đƣợc với tốc độ lắc là 2000 vòng/phút và thời gian lắc là 1 phút. Giản đồ nhiễu xạ tia X của đế SERS giấy bạc sau khi chế tạo đƣợc với tốc độ lắc là 2000 vòng/phút và thời gian lắc là 1 phút. Phổ hấp thụ plasmon của đế SERS (giấy lọc - Ag). Phổ Raman đo đƣợc cho melamine (10-4M) với các nồng độ AgNO3 khác nhau. Sự phụ thuộc của cƣờng độ tín hiệu SERS vào nồng độ của AgNO3. (a) Phổ tán xạ Raman của Melamine trên đế (SERS) với các nồng độ melamine khác nhau và (b) phổ Raman của bột melamine đƣợc đo trên đế thủy tinh.57 viii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Plasmonic là một lĩnh vực đầy hứa hẹn của khoa học và công nghệ. Lĩnh vực này khai thác sự tƣơng tác giữa ánh sáng và vật chất thông qua cộng hƣởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) cho nhiều tính chất và chức năng khác nhau. SPR là sóng điện từ đƣợc gây ra bởi giao động động tập thể của các hạt mang điện (điện tử) tại mặt phân cách giữa 2 môi trƣờng có hàm điện môi trái dấu, điển hình nhƣ kim loại và điện môi.