Tổng quan luận án

Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) bao gồm plasmon polariton bề mặt (SPP) và cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) phát sinh từ sự kích thích tập thể đồng pha của các điện tử dẫn tại mặt phân cách giữa kim loại và chất điện môi dưới tác dụng của trường điện từ. Hiệu ứng này cho phép giam giữ trường điện từ ở kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, dẫn đến sự tăng cường trường định xứ mạnh mẽ và tạo cơ sở ứng dụng trong quang tử học, hóa học, khai thác năng lượng mặt trời, cảm biến sinh học và quang nhiệt trị liệu y sinh.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ bối cảnh thực tế: tại Việt Nam, các nhóm thực nghiệm đã chế tạo được nhiều hệ cấu trúc nano đa dạng (cấu trúc lõi - vỏ, hạt nano hoa, hạt nano sao) và thực hiện các phép đo quang phổ, quang nhiệt; tuy nhiên, các công bố còn thiếu vắng sự hỗ trợ của các mô hình lý thuyết để phân tích cơ chế và dự đoán định lượng. Trên thế giới, các phương pháp tính toán lượng tử nguyên lý ban đầu (ab initio, DFT) bị giới hạn nghiêm ngặt về kích thước cấu trúc (thường dưới 10 nm) và tiêu tốn nhiều tháng tính toán; các phần mềm mô phỏng thương mại (COMSOL, CST) đòi hỏi bản quyền đắt tiền và tài nguyên tính toán lớn; trong khi phần mềm mã nguồn mở DDSCAT gặp khó khăn trong việc mô tả sự phụ thuộc của hàm điện môi vào kích thước và độ nhám bề mặt ở thang nanomet. Lý thuyết Mie giải tích cổ điển có ưu điểm tính toán nhanh nhưng ban đầu chỉ áp dụng cho hạt cầu đơn chất trơn nhẵn, chưa được mở rộng đầy đủ cho các hệ cấu trúc dị thể phức tạp như hạt nano lõi - vỏ có bề mặt nhám, hoa nano hay các cấu trúc tích hợp vật liệu hai chiều graphene.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

  1. Phát triển lý thuyết Mie mở rộng và các mô hình lý thuyết bán thực nghiệm để khảo sát định lượng tính chất plasmonic (phổ hấp thụ, tán xạ, dập tắt) của các cấu trúc nano từ đơn giản đến phức tạp (hạt nano lõi - vỏ, hoa nano Ag@Fe3O4, hạt nano SiO2 bọc graphene, mảng đĩa graphene đa lớp).
  2. Nghiên cứu quá trình biến thiên và phân bố nhiệt độ của các cấu trúc nano plasmonic dưới tác dụng của bức xạ laser (đặc biệt trong vùng cận hồng ngoại NIR và terahertz); xác định quy luật truyền nhiệt và ứng suất nhiệt đàn hồi để định hướng ứng dụng trong quang nhiệt trị liệu y sinh, cảm biến phát hiện khuyết tật cơ - quang nhiệt và chuyển đổi năng lượng plasmon - điện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc nano kim loại đơn lẻ và đa lớp (hạt nano vàng Au, bạc Ag, màng oxit dẫn điện ITO, hạt cầu lõi - vỏ SiO2@Au, hoa nano Ag@Fe3O4); cấu trúc nano chứa graphene (graphene tự do, graphene đơn lớp trên đế khối SiO2 và Au, hạt nano SiO2 bọc graphene, mảng ô vuông các đĩa graphene đa lớp trên lớp điện môi mỏng/đế silicon).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát tính chất quang học và hiệu ứng quang nhiệt trong dải phổ từ tử ngoại (UV), khả kiến (Vis), cận hồng ngoại (NIR, bước sóng 650–900 nm, laser 808 nm) đến dải tần số terahertz (THz). Giới hạn kích thước hạt khảo sát đối chiếu với thực nghiệm đạt đường kính lên tới 160 nm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong luận án, tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến quang học plasmonic và hiệu ứng quang nhiệt:

Nhóm nghiên cứu / Tác giả Hướng nghiên cứu & Kết quả được trích dẫn Vị trí tiếp nối của luận án
Mie (1908) Đưa ra lời giải giải tích chính xác từ phương trình Maxwell cho tán xạ và hấp thụ của hạt cầu đơn kim loại. Phát triển lý thuyết Mie toàn phần cho hệ lõi - vỏ kích thước bất kỳ và hệ có bề mặt nhám.
Gans (1912) Mở rộng lý thuyết Mie cho các hạt elip thon dài (prolate) và elip dẹt (oblate) trong gần đúng lưỡng cực. Vận dụng tính toán phổ phân cực dọc/ngang của que nano và phân tử sinh học porphyrin ($H_2TPyP$).
Phan Đức Anh et al. (2013, Appl. Phys. Lett.) Dùng lý thuyết Mie rút gọn (gần đúng tĩnh điện) và mô hình làm tròn hiệu dụng để tính số phân tử protein BSA bọc trên hạt nano Au. Phát triển từ mô hình tĩnh điện sang lý thuyết Mie sóng điện từ toàn phần cho cấu trúc vỏ nhám và hoa nano.
Vu T. Duong et al. (2018) Nghiên cứu phổ hấp thụ và tăng nhiệt độ của hệ hạt nano vỏ Au (bán kính lõi 64 nm, vỏ 16 nm) trong dung dịch và mô sinh học. Kế thừa mô hình truyền nhiệt giải tích và hoàn thiện thuật toán tính nhiệt độ theo thời gian và không gian.
Govorov et al. (2006) Thiết lập mô hình truyền nhiệt tập thể cho các hạt nano plasmonic dựa trên phương trình Poisson/dẫn nhiệt. Tích hợp phương trình truyền nhiệt sinh học Pennes với tiết diện hấp thụ Mie toàn phần để tính chính xác cho mẫu sinh học.
Tadaaki Nagao et al. (NIMS, Nhật Bản) Kết hợp thực nghiệm plasmonic với mô phỏng vi mô DFT; gặp giới hạn lớn về thời gian và kích thước cấu trúc. Luận án lựa chọn hướng tiếp cận giải tích - bán thực nghiệm để giải quyết bài toán kích thước trên 10 nm đến 160 nm.
Các nhóm thực nghiệm tại Việt Nam (Trần Hồng Nhung, Nghiêm Thị Hà Liên, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Xuân Phúc, Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoàng Lương) Chế tạo thực nghiệm các hạt nano Ag, hạt nano từ, hạt cấu trúc đa lớp (core-shell, nanostar, nanoflower) và đo phổ UV-Vis, Raman, quang nhiệt. Cung cấp công cụ lý thuyết bán thực nghiệm hỗ trợ trực tiếp việc giải thích số liệu và tối ưu hóa thông số thực nghiệm tại Việt Nam.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Xây dựng một hệ phương pháp mô hình hóa lý thuyết bán thực nghiệm thống nhất, sử dụng lý thuyết Mie toàn phần kết hợp hiệu chỉnh kích thước hàm điện môi theo nguyên lý Matthiessen và mô hình môi trường hiệu dụng Maxwell-Garnett. Phương pháp này giải quyết hạn chế của mô hình Mie tĩnh điện rút gọn, mô tả chính xác phổ dập tắt/hấp thụ của các cấu trúc nano lõi - vỏ có bề mặt phức tạp (hoa nano Ag@Fe3O4) và các hệ lai graphene đa lớp, đồng thời mô hình hóa định lượng sự tăng nhiệt độ và trường ứng suất cơ học sinh ra dưới tác dụng của bức xạ laser.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa các lý thuyết vật lý chất rắn, điện động lực học vĩ mô và lý thuyết truyền nhiệt:

  1. Mô hình hàm điện môi $\varepsilon(\omega)$:

    • Đối với chất điện môi và bán dẫn (như SiC), sử dụng mô hình dao động điều hòa Lorentz để xác định tần số dao động riêng và dải cộng hưởng.
    • Đối với kim loại (Au, Ag, màng dẫn ITO), hàm điện môi được mô tả bằng mô hình Drude: $$\varepsilon(\omega) = 1 - \frac{\omega_P^2}{\omega^2 + i\gamma\omega}$$ trong đó $\omega_P$ là tần số plasma, $\gamma = \tau^{-1}$ là hệ số dập tắt dao động.
    • Để tính đến hiệu ứng kích thước lượng tử và tán xạ bề mặt ở thang nano, luận án áp dụng nguyên lý Matthiessen để hiệu chỉnh hệ số dập tắt: $$\gamma(R) \equiv \gamma_0 + \frac{B v_F}{R}$$ với $v_F$ là vận tốc Fermi của electron, $R$ là bán kính đặc trưng hoặc độ dày lớp vỏ kim loại, và $B$ là tham số hiệu chỉnh tán xạ bề mặt ($B=0$ tương ứng bề mặt nhám hoàn toàn giam giữ năng lượng, $B=1$ tương ứng bề mặt phản xạ hoàn hảo).
    • Đối với vàng (Au), hàm điện môi được biểu diễn qua mô hình Lorentz-Drude mở rộng gồm 5 dao động tử: $$\varepsilon_s(\omega) = 1 - \frac{f_0 \omega_P^2}{\omega^2 - i\omega\Gamma_0} + \sum_{j=1}^5 \frac{f_j \omega_P^2}{\omega_j^2 - \omega^2 + i\omega\Gamma_j}$$

  2. Lý thuyết Mie toàn phần cho hệ nano cầu hai lớp (Lõi - Vỏ):

    • Giải hệ phương trình truyền sóng Helmholtz xuất phát từ phương trình Maxwell: $\nabla^2 \mathbf{E} + k^2 \mathbf{E} = 0$.
    • Thiết lập điều kiện biên liên tục cho thành phần tiếp tuyến của điện trường và từ trường tại mặt phân cách lõi - vỏ ($r = R_c$) và vỏ - môi trường ngoài ($r = R_s$).
    • Tiết diện dập tắt ($Q_{ext}$), tán xạ ($Q_{scat}$) và hấp thụ ($Q_{abs}$) được tính chính xác qua các hệ số tán xạ $a_n$ và $b_n$: $$Q_{ext} = \frac{2\pi}{k_m^2} \sum_{n=1}^\infty (2n+1)\text{Re}(a_n + b_n), \quad Q_{scat} = \frac{2\pi}{k_m^2} \sum_{n=1}^\infty (2n+1)\left(|a_n|^2 + |b_n|^2\right), \quad Q_{abs} = Q_{ext} - Q_{scat}$$ Các hệ số $a_n, b_n$ được biểu diễn dưới dạng tỉ số các định thức bậc 4 ($U_n^{TM}, V_n^{TM}, U_n^{TE}, V_n^{TE}$) chứa hàm Bessel cầu loại 1 ($j_n$), hàm Neumann cầu ($y_n$) và hàm Riccati-Bessel ($\Psi_n, \Phi_n$).

  3. Lý thuyết quang nhiệt và cơ chế truyền nhiệt:

    • Đơn hạt nano: Mật độ công suất nhiệt hấp thụ tính theo định luật Joule $q = \frac{1}{2}\text{Re}[\mathbf{j}\cdot\mathbf{E}^*] = \frac{\omega}{2}\text{Im}(\varepsilon)|\mathbf{E}|^2$. Độ tăng nhiệt độ cực đại tại bề mặt đơn hạt đặt trong môi trường có độ dẫn nhiệt $\kappa$ được xác định bởi: $$\Delta T = \frac{I_0 Q_{abs}}{4\pi R \kappa}$$
    • Tập hợp hạt nano trong môi trường/mô sinh học: Sử dụng phương trình truyền nhiệt sinh học Pennes trong hệ tọa độ cầu có xét đến hằng số thời gian truyền dịch $\tau_p$: $$\frac{1}{\kappa}\frac{\partial \Delta T}{\partial t} = \frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}\left(r^2 \frac{\partial \Delta T}{\partial r}\right) - \frac{\Delta T}{\kappa \tau_p} + \frac{A}{\kappa}$$ với mật độ nguồn nhiệt thể tích $A = N Q_{abs} I_0$ ($N$ là mật độ số hạt, $I_0$ là cường độ chùm laser).

  4. Phương pháp mô hình hóa cấu trúc Graphene:

    • Tiếp cận bằng mô hình liên kết chặt (tight-binding) để xác định cấu trúc dải năng lượng và độ dẫn quang học phụ thuộc mức năng lượng Fermi $E_F$ và năng lượng vùng cấm $\Delta$.
    • Dùng mô hình phân cực lưỡng cực kết hợp với phép gần đúng giả tĩnh để tính độ phân cực của mảng đĩa graphene đa lớp trên màng mỏng điện môi/đế Si.

  5. Công cụ tính toán và nguồn dữ liệu:

    • Xây dựng chương trình tính số và mô phỏng trên ngôn ngữ lập trình Fortran và môi trường tính toán số Matlab.
    • Nguồn dữ liệu kiểm chứng: Đối chiếu trực tiếp với các bộ số liệu thực nghiệm đo phổ UV-Vis và đường cong tăng nhiệt quang nhiệt từ phòng thí nghiệm của Viện Vật lý (Việt Nam) và các công bố quốc tế uy tín.

Nội dung chính theo từng chương

Luận án Tiến sĩ: Mô hình lý thuyết và mô phỏng tính chất plasmonic

Chương 1: Hệ thống các lý thuyết cơ bản liên quan đến vấn đề nghiên cứu

Chương 1 thiết lập khung lý thuyết nền tảng cho toàn bộ luận án. Tác giả phân tích bản chất của hàm điện môi đối với chất điện môi (SiC) và kim loại (Au, Ag, ITO). Mô hình Drude cho thấy phần ảo của hàm điện môi kim loại chi phối sự tiêu tán năng lượng, trong khi tần số plasma của ITO nằm ở mức thấp (~1 eV), giúp vật liệu này trong suốt ở vùng khả kiến và cận hồng ngoại.

Khi áp dụng lý thuyết Mie cho hạt cầu đơn chất, tác giả làm rõ nghiệm giải tích của phương trình sóng Maxwell và biểu thức tính tiết diện $Q_{ext}, Q_{scat}, Q_{abs}$. Đối với các hạt nano phi cầu, lý thuyết Mie-Gans được trình bày chi tiết cho dạng elip thon dài (que nano) và elip dẹt, chỉ ra sự tách mode cộng hưởng thành mode dọc (năng lượng thấp, bước sóng dài, rất nhạy với điện môi môi trường) và mode ngang (năng lượng cao). Khảo sát phân tử sinh học porphyrin $H_2TPyP$ bằng lý thuyết Mie-Gans chứng minh đỉnh hấp thụ mạnh nhất xuất hiện ở bước sóng 414 nm (dải Soret, ~3 eV) và bốn đỉnh yếu ở dải Q, hoàn toàn trùng khớp với thực nghiệm.

Về cơ chế quang nhiệt, chương này chứng minh rằng nhiệt độ bề mặt hạt nano đơn lẻ tỷ lệ thuận với tiết diện hấp thụ $Q_{abs}$ và cường độ chiếu sáng $I_0$. Đối với hệ tập thể hạt trong dung dịch hoặc mô sinh học dưới chùm laser cận hồng ngoại 808 nm, sự phân bố nhiệt độ được mô tả chính xác qua phương trình Pennes, tạo tiền đề tính toán cho các cấu trúc phức hợp ở các chương tiếp theo.

Chương 2: Lý thuyết Mie và mô hình quang nhiệt cho hệ nano cấu trúc lõi-vỏ

Chương 2 tập trung mở rộng lý thuyết Mie toàn phần cho hệ cấu trúc lõi - vỏ và khảo sát các ứng dụng quang nhiệt, cơ - quang nhiệt:

  • Hệ cầu lõi - vỏ $SiO_2@Au$: Khảo sát hạt có bán kính lõi silica $R_c = 64\text{ nm}$ và bán kính ngoài $R_s = 80\text{ nm}$ (chiều dày vỏ vàng 16 nm). Kết quả tính toán từ lý thuyết Mie toàn phần kết hợp hiệu chỉnh hệ số dập tắt $\Gamma_0 + B v_F / (R_s - R_c)$ với $B = 0.5$ cho thấy phổ hấp thụ UV-Vis có đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt lưỡng cực tại $\lambda_{max} \approx 836\text{ nm}$ và một vai phụ tứ cực gần $640\text{ nm}$, hoàn toàn trùng khớp với phổ đo thực nghiệm.
  • Hiệu ứng quang nhiệt trong y sinh: Bức xạ laser cận hồng ngoại (NIR, 650–900 nm) nằm trong "cửa sổ sinh học" có khả năng xuyên sâu qua mô (~10 cm). Dưới tác dụng của laser 808 nm, các hạt nano vỏ vàng chuyển hóa quang năng thành nhiệt năng, làm nhiệt độ cục bộ trong mô bệnh tăng vượt ngưỡng $43\text{ }^\circ\text{C}$ – $45\text{ }^\circ\text{C}$ để phá hủy chọn lọc tế bào ung thư mà không gây tổn thương các mô lành lặn xung quanh. Đường cong tăng nhiệt độ theo thời gian tính bằng giải tích phương trình Pennes trùng khớp định lượng với thực nghiệm trên mẫu mô gà khi chọn hằng số thời gian truyền dịch $\tau = 200\text{ s}$.
  • Hệ hoa nano $Ag@Fe_3O_4$ và ứng suất cơ - quang nhiệt: Tác giả xây dựng mô hình Mie mở rộng cho hạt hoa nano gồm lõi bạc Ag và các cánh hoa bằng oxit sắt từ $Fe_3O_4$. Bề mặt gồ ghề của hoa nano được xử lý qua phép xấp xỉ môi trường hiệu dụng Maxwell-Garnett. Sự hấp thụ laser tạo ra sự chênh lệch giãn nở nhiệt giữa hạt nano và môi trường ngoài, sinh ra trường ứng suất nhiệt đàn hồi xuyên tâm. Kết quả tính toán giải tích chứng minh trường ứng suất này biến thiên tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách tính từ tâm hạt ($1/r^3$). Sự xuất hiện của khuyết tật hoặc dị vật trong môi trường sẽ làm biến dạng trường đàn hồi này, cho phép luận án đề xuất nguyên lý chế tạo máy dò khuyết tật và vùng pha tạp cơ - quang nhiệt.

Chương 3: Tính chất plasmonic của cấu trúc nano dựa trên graphene trong dải tần số terahertz

Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu tính chất quang học và cộng hưởng plasmon của vật liệu hai chiều graphene:

  • Graphene tự do và graphene trên đế khối: Áp dụng phương pháp liên kết chặt, tác giả tính toán phổ hấp thụ quang học vuông góc của graphene đơn lớp tự do và graphene đặt trên đế vàng (Au) hoặc đế $SiO_2$. Kết quả chỉ ra rằng phổ hấp thụ trong dải terahertz có thể điều khiển linh hoạt thông qua việc dịch chuyển mức năng lượng Fermi $E_F$ (bằng điện trường ngoài hoặc pha tạp) và năng lượng vùng cấm $\Delta$. Khi tăng thế hóa học $E_F$, đỉnh hấp thụ plasmon tăng mạnh và dịch chuyển về phía tần số cao hơn.
  • Hạt nano $SiO_2$ bọc graphene: Khảo sát hạt cầu điện môi $SiO_2$ bọc một lớp graphene ngoài cùng với các bán kính hạt khác nhau ($R = 30\text{ nm}, 50\text{ nm}, 80\text{ nm}$). Phổ hấp thụ của cấu trúc này biểu hiện các mode cộng hưởng plasmon kép: cộng hưởng trong dải ánh sáng nhìn thấy và cộng hưởng plasmon trong dải tần số terahertz. Sự thay đổi kích thước hạt $R$ và mức Fermi $E_F$ làm biến đổi rõ rệt cường độ và vị trí đỉnh hấp thụ. Phát hiện này mở ra khả năng ứng dụng cấu trúc $SiO_2$ bọc graphene trong các linh kiện chuyển đổi năng lượng plasmon - điện và cảm biến sinh học dải terahertz.

Chương 4: Quá trình tăng nhiệt của hệ phức hợp graphene dựa trên tính chất plasmonic

Chương 4 khảo sát quá trình tăng nhiệt độ của hệ phức hợp nano gồm mảng ô vuông tuần hoàn chứa các đĩa graphene đa lớp ($N$ lớp) đặt trên màng mỏng điện môi nằm trên đế silicon dưới tác dụng của laser hồng ngoại:

  • Tính chất plasmon và phổ dập tắt: Sử dụng mô hình lưỡng cực kết hợp với gần đúng giả tĩnh, tác giả tính toán độ phân cực và phổ dập tắt của mảng đĩa graphene với mức năng lượng Fermi $E_F = 0.03\text{ eV}$ theo số lớp graphene $N$ ($N = 1, 3, 10$). Sự hiện diện của các lớp graphene làm tăng cường mạnh mẽ khả năng giam giữ trường điện từ và hấp thụ bức xạ laser hồng ngoại.
  • Phân bố nhiệt độ ở trạng thái ổn định: Giải phương trình truyền và tán xạ nhiệt trong cấu trúc nhiều lớp để thu được trường phân bố nhiệt độ ổn định (tính theo Kelvin).

Các thông số và quy luật nhiệt thu được trong hệ phức hợp graphene được tổng hợp như sau:

Thông số khảo sát Điều kiện / Giá trị khảo sát Quy luật biến thiên nhiệt độ ($\Delta T$)
Số lớp graphene ($N$) $N = 1, 3, 10$ trên mỗi đĩa Nhiệt độ tăng mạnh và phi tuyến theo số lớp $N$ do độ hấp thụ quang học tăng cường.
Công suất chùm laser ($P$) Thay đổi công suất chiếu NIR Nhiệt độ tại tâm hệ tăng tuyến tính với công suất nguồn laser kích thích.
Độ rộng chùm laser ($w$) Cố định số lớp graphene Nhiệt độ cực đại giảm tỷ lệ nghịch với bình phương độ rộng chùm sáng ($1/w^2$).
Độ dẫn nhiệt lớp đệm ($\kappa_2$) Khảo sát trạng thái $\kappa_2 = 0.0\text{ W/m/K}$ Độ dẫn nhiệt lớp điện môi quyết định mức độ truyền nhiệt xuống đế Si và độ giam giữ nhiệt bề mặt.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp học thuật và thực tiễn cốt lõi:

  1. Phát triển lý thuyết Mie toàn phần cho hệ lõi - vỏ kích thước bất kỳ: Xây dựng thành công thuật toán và chương trình tính số giải tích cho tiết diện dập tắt, tán xạ và hấp thụ của cấu trúc nano lõi - vỏ có kích thước lên tới 160 nm, đạt độ trùng khớp định lượng cao với các số liệu thực nghiệm quang phổ UV-Vis.
  2. Xác lập mô hình quang nhiệt và ứng suất cơ - quang nhiệt cho hoa nano $Ag@Fe_3O_4$: Tính toán thành công phổ hấp thụ của hoa nano có bề mặt gồ ghề bằng phương pháp môi trường hiệu dụng kết hợp lý thuyết Mie; chứng minh quy luật trường ứng suất đàn hồi ngoài hạt giảm theo $1/r^3$; đề xuất nguyên lý chế tạo thiết bị dò khuyết tật và vùng pha tạp cơ - quang nhiệt trong chất cô đặc.
  3. Làm rõ tính chất plasmonic dải terahertz của cấu trúc chứa Graphene: Phát hiện tính chất cộng hưởng plasmon kép (khả kiến và terahertz) của hạt nano $SiO_2$ bọc graphene; xác định cơ chế điều khiển phổ hấp thụ thông qua điện thế Fermi $E_F$ và bán kính hạt $R$, tạo cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng plasmon - điện.
  4. Mô hình hóa quá trình tăng nhiệt của mảng đĩa Graphene đa lớp: Thiết lập phương pháp giải tích - số trị tính phân bố nhiệt độ ổn định của mảng đĩa graphene trên đế màng mỏng; làm sáng tỏ quy luật tăng nhiệt độ tuyến tính theo công suất chùm sáng và tỷ lệ nghịch với bình phương độ rộng chùm laser ($1/w^2$).

Danh mục công trình công bố từ luận án:

  • 02 bài báo trên các tạp chí quốc tế chuyên ngành uy tín thuộc danh mục ISI (trong đó có Journal of the Physical Society of Japan, Physica Status Solidi - Rapid Research Letters thuộc nhóm Q1).
  • 01 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục Scopus Q1 (Journal of Science: Advanced Materials and Devices).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Ứng dụng quy trình tính toán quang nhiệt của hạt nano lõi - vỏ kim loại để tối ưu hóa liều lượng hạt nano và chế độ chiếu xạ laser 808 nm trong quang nhiệt trị liệu ung thư, đảm bảo nhiệt độ mô bệnh đạt trên 43 °C mà không gây bỏng mô lành.
  • Ứng dụng mô hình trường đàn hồi $1/r^3$ của hoa nano trong công nghệ kiểm tra không phá hủy (NDT) để dò tìm khuyết tật vi mô trong vật liệu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Các mô hình giải tích phát triển từ lý thuyết Mie đòi hỏi giả định về tính đối xứng hình học cao của cấu trúc (dạng cầu, elip, hoặc mảng tuần hoàn); đối với các hình dạng bất đối xứng cao trong không gian ba chiều, mô hình phải sử dụng phép xấp xỉ môi trường hiệu dụng trung bình.
  • Các tính toán quang nhiệt giả định hiệu suất chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng đạt xấp xỉ 100% và bỏ qua sự thay đổi phi tuyến của các thông số nhiệt dung, độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ trong dải biến thiên rộng.
  • Giới hạn kích thước hạt đối chiếu thực nghiệm trong luận án dừng lại ở đường kính 160 nm do giới hạn của các mẫu thực nghiệm đối chứng sẵn có.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng các hệ số trong lý thuyết Mie toàn phần để tính toán phổ truyền năng lượng cộng hưởng giữa hạt nano kim loại và các phân tử sinh học đơn lẻ.
  • Tích hợp mô hình vào đề tài nghiên cứu cơ bản của Quỹ NAFOSTED: "Mô hình vật lý và mô phỏng cấu trúc nano plasmonic trong ứng dụng quang nhiệt và khai thác năng lượng mặt trời".

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Vật lý lý thuyết, Vật lý toán, Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Quang học nano; đặc biệt là phương pháp giải hệ phương trình Maxwell giải tích cho các hệ đa lớp tại Chương 1 và Chương 2.
  • Các nhóm nghiên cứu thực nghiệm công nghệ nano: Cung cấp thuật toán và công thức giải tích viết bằng Fortran/Matlab giúp tính nhanh phổ quang học mà không cần sử dụng các phần mềm thương mại đắt tiền hoặc các phép tính DFT nặng nề.
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực y sinh nano và cảm biến: Tham khảo mô hình truyền nhiệt sinh học Pennes và cơ chế tăng nhiệt cục bộ dưới laser cận hồng ngoại 808 nm để thiết kế các thử nghiệm quang nhiệt trị liệu chọn lọc tế bào ung thư.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn phát triển lý thuyết Mie toàn phần thay vì sử dụng mô phỏng vi mô DFT hay phần mềm thương mại?
Trả lời: Mô phỏng vi mô DFT bị giới hạn bởi số lượng nguyên tử, không thể tính toán cho cấu trúc có kích thước vượt quá 10 nm và tiêu tốn nhiều tháng tính toán cho một mẫu chất. Các phần mềm thương mại (COMSOL, CST) rất đắt tiền và tốn tài nguyên khi tính dải phổ rộng. Lý thuyết Mie toàn phần cung cấp nghiệm giải tích chính xác, tính toán nhanh (chỉ mất tối đa vài giờ), cho phép tính hạt kích thước lên tới 160 nm và dễ dàng hiệu chỉnh các tham số thực nghiệm như độ nhám bề mặt và kích thước hạt.

2. Tham số hiệu chỉnh $B$ trong mô hình Drude có ý nghĩa vật lý như thế nào?
Trả lời: Tham số $B$ nằm trong biểu thức hệ số dập tắt $\gamma(R) = \gamma_0 + B v_F / R$. Về mặt vật lý, $B = 0$ biểu thị bề mặt nhám 100%, toàn bộ năng lượng sóng điện từ chạm tới bề mặt bị giam giữ hoàn toàn; $B = 1$ biểu thị bề mặt nhẵn tuyệt đối, sóng điện từ phản xạ toàn phần trở lại môi trường như một tấm gương. Trong thực tế tính toán hạt nano lõi - vỏ $SiO_2@Au$, giá trị $B = 0.5$ được lựa chọn để cho độ phù hợp cao nhất giữa lý thuyết và thực nghiệm.

3. Cơ chế nào cho phép hoa nano $Ag@Fe_3O_4$ hoạt động như một máy dò khuyết tật cơ - quang nhiệt?
Trả lời: Dưới tác dụng của ánh sáng laser, hạt hoa nano nóng lên do hấp thụ plasmonic. Sự sai khác về hệ số giãn nở nhiệt giữa hạt nano và môi trường xung quanh tạo ra một trường ứng suất nhiệt đàn hồi xuyên tâm, biến thiên tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ tâm hạt ($1/r^3$). Khi trong môi trường có khuyết tật hoặc dị vật, dạng hàm của trường đàn hồi này sẽ bị biến đổi cục bộ, cho phép phát hiện sự tồn tại của khuyết tật.

4. Vì sao bức xạ laser vùng cận hồng ngoại (NIR, 650–900 nm) lại được ưu tiên trong quang nhiệt trị liệu ung thư?
Trả lời: Vùng phổ 650–900 nm được coi là "cửa sổ sinh học" trong suốt vì nước và mô sinh học hấp thụ và tán xạ rất ít ánh sáng ở dải bước sóng này, cho phép tia laser đâm xuyên sâu vào mô lên tới ~10 cm mà không làm tổn thương các mô lành. Khi điều chỉnh cấu trúc hạt nano lõi - vỏ vàng có đỉnh hấp thụ đúng tại dải này (ví dụ 836 nm hoặc laser 808 nm), nhiệt lượng sẽ tập trung cục bộ tại khối u, nâng nhiệt độ vượt ngưỡng $43\text{ }^\circ\text{C}$ để tiêu diệt tế bào bệnh.

5. Quy luật biến thiên nhiệt độ trong mảng đĩa graphene đa lớp ở Chương 4 phụ thuộc vào các yếu tố nào?
Trả lời: Phân bố nhiệt độ ổn định trong mảng đĩa graphene tăng mạnh khi số lớp graphene $N$ tăng lên ($N = 1, 3, 10$); tăng tuyến tính với công suất chùm laser kích thích; và giảm theo tỷ lệ nghịch với bình phương độ rộng chùm laser ($1/w^2$).

Kết luận

Luận án của tác giả Đỗ Chí Nghĩa đã phát triển thành công hệ phương pháp mô hình hóa lý thuyết bán thực nghiệm dựa trên lý thuyết Mie toàn phần và lý thuyết truyền nhiệt vi mô để khảo sát tính chất plasmonic và hiệu ứng quang nhiệt của các cấu trúc nano phức hợp. Các kết quả giải tích và tính số đã mô tả chính xác phổ hấp thụ, phổ dập tắt của hạt nano lõi - vỏ $SiO_2@Au$, hoa nano $Ag@Fe_3O_4$, cũng như các cấu trúc nano chứa graphene trong dải phổ từ khả kiến đến terahertz. Công trình đã làm sáng tỏ quy luật phân bố trường ứng suất nhiệt đàn hồi $1/r^3$ và cơ chế tăng nhiệt quang nhiệt dưới laser cận hồng ngoại 808 nm, tạo cơ sở khoa học tin cậy phục vụ ứng dụng trong quang nhiệt trị liệu y sinh, cảm biến cơ - quang nhiệt và linh kiện chuyển đổi năng lượng.