I. Tổng Quan Về Tính Chất Phát Xạ Chất Phát Quang Nano Bạc
Các cấu trúc nano kim loại, với kích thước từ 1 đến vài trăm nanomet, bao gồm số lượng lớn các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với nhau. Các hạt nano kim loại có thể chứa từ 3 đến 107 nguyên tử. Chúng có thể phân bố trong không gian tự do hoặc trong chất khí, lỏng, hoặc nhúng trong chất rắn, hoặc được bao phủ bởi vỏ hay lắng đọng trên một vật liệu nền. Hiệu ứng kích thước nội tại của các hạt 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 của các hạt nano kim loại ảnh hưởng lên các tính chất cấu trúc và 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 phụ thuộc vào kích thước và hình học của chúng.
1.1. Hiệu Ứng Plasmon Bề Mặt Cục Bộ LSPR trong Nano Bạc
Khi kích thước của vật liệu kim loại giảm xuống so sánh được với quãng đường tự do của điện tử trong kim loại, các điện tử tự do của kim loại có thể dao động tập thể với tần số cộng hưởng với tần số của ánh sáng chiếu tới bề mặt kim loại. Sự cộng hưởng điện từ do các dao động tập thể của các điện tử dẫn của các cấu trúc nano kim loại dưới sự kích thích của ánh sáng tới được gọi là plasmon. Theo tài liệu, các plasmon trong cấu trúc nano kim loại hiện nay được nghiên cứu bằng các kỹ thuật hiển vi từ trường gần và xa.
1.2. Ứng Dụng của Chất Phát Quang trong Nghiên Cứu Nano Bạc
Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại cho thấy triển vọng thú vị để hiểu biết và khai thác các hiện tượng giam giữ ánh sáng ở thang nano. Độ nhạy bề mặt cao làm cho hiệu ứng này trở thành vấn đề quan tâm trong những năm gần đây, không chỉ trong nghiên cứu cơ bản mà còn trong các ứng dụng như làm bộ cảm biến hoặc lưu trữ dữ liệu, dẫn tới ứng dụng cho các dụng cụ quang nano và micro [16].
II. Vấn Đề Thách Thức Nghiên Cứu Màng Nano Bạc Phát Quang
Để hiểu về hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt, cần tìm hiểu các khái niệm về hiệu ứng plasmon: Plasmon là dao động tập thể của các điện tử tự do. Plasmon polariton bề mặt (SPP) là dao động của điện tử tự do ở trên bề mặt kim loại dưới tác dụng của ánh sáng tới. Cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) là sự kích thích tập thể đồng thời của tất cả các điện tử dẫn thành một dao động đồng pha. Theo tài liệu gốc, xét một hạt nano kim loại dạng cầu, điện trường các sóng ánh sáng tới tạo nên sự phân cực của các điện tử dẫn đối với lõi ion nặng.
2.1. Sự Hình Thành Plasmon Bề Mặt và Ứng Dụng
Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano cầu hoạt động như lực hồi phục. Bằng cách đó dao động lưỡng cực của điện tử với một chu kì T nào đó được tạo nên (hình 1.2); đó chính là các plasmon. Như vậy, thuật ngữ “Plasmon” và “Plasmon bề mặt” được sử dụng để mô tả các dao động tập thể của một nhóm các điện tử trong kim loại. Plasmon có nghĩa rằng các điện tử được tự do chuyển động trong kim loại theo cách tương tự như của các ion trong một plasma khí.
2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tính Chất Plasmon Của Nano Bạc
Plasmon bề mặt (SP) là các sóng điện từ lan truyền dọc theo biên phân cách của hai vật liệu với các hàm điện môi trái dấu, ví dụ như một kim loại và một điện môi. Thuật ngữ plasmon polariton (SPP) cũng được sử dụng tương tự như plasmon bề mặt. SPP là sự kết hợp của SP với photon ánh sáng tới, có thể lan truyền dọc theo bề mặt kim loại cho đến khi năng lượng của nó mất h...
III. Phương Pháp Chế Tạo Màng Nano Bạc Phát Quang Hiệu Quả
Để có các cấu trúc plasmonic hoạt động, các nghiên cứu tập trung vào những chất bao gồm kim loại plasmon và các loại môi trường xung quanh hoạt động đặc biệt, như tinh thể lỏng và phân tử chất phát quang. Các cấu trúc plasmonic hoạt động sẽ được chia thành ba loại theo các cơ chế điều chế có liên quan: cấu trúc plasmonic được nhúng trong môi trường điện môi có thể điều chỉnh, cấu trúc plasmonic với khoảng cách có thể điều chỉnh và cấu trúc plasmonic tự điều chỉnh. [17]
3.1. Kỹ Thuật Bốc Bay Chùm Điện Tử Chế Tạo Màng Nano Bạc
Một trong những phương pháp phổ biến để chế tạo màng nano bạc là sử dụng kỹ thuật bốc bay chùm điện tử. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ dày và chất lượng của màng nano, từ đó ảnh hưởng đến tính chất quang phát quang. Cần tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ, áp suất và tốc độ lắng đọng để đạt được màng nano có cấu trúc và tính chất mong muốn.
3.2. Phương Pháp Hóa Khử Tạo Cấu Trúc Nano Bạc Dị Hướng
Phương pháp hóa khử cũng được sử dụng để tạo ra cấu trúc nano bạc dị hướng trên các vật liệu nền như giấy lọc. Quá trình này bao gồm việc khử ion bạc thành các hạt nano bạc, sau đó chúng sẽ tự lắp ráp thành các cấu trúc phức tạp. Việc kiểm soát các yếu tố như nồng độ chất khử, thời gian phản ứng và nhiệt độ là rất quan trọng để tạo ra cấu trúc nano có tính chất quang phát quang tối ưu.
IV. Cách Xác Định Tính Chất Phát Xạ Của Màng Nano Bạc
Trong những năm gần đây, đã có một số nhóm nghiên cứu đề tài về tần số cộng hưởng Plasmon bề mặt trong các cấu trúc nano kim loại (bạc, vàng). Tuy nhiên với các nghiên cứu vậy mà để quan sát các plasmonic hoạt động trên tính chất phát xạ của các chất phát quang cũng là một vấn đề hết sức cần thiết phải nghiên cứu. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi muốn thực hiện quan sát các plasmonic hoạt động trên các màng nano kim loại bạc có phủ trên bề mặt một lớp điện môi silica.
4.1. Phép Đo Quang Phổ Hấp Thụ UV Vis Cho Màng Nano Bạc
Đo quang phổ hấp thụ UV-Vis là một phương pháp quan trọng để xác định tính chất plasmonic của màng nano bạc. Phổ hấp thụ cho thấy vị trí và cường độ của các đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt, từ đó cung cấp thông tin về kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh của các hạt nano bạc.
4.2. Sử Dụng Kính Hiển Vi Huỳnh Quang để Nghiên Cứu Phát Xạ
Kính hiển vi huỳnh quang cho phép quan sát trực tiếp sự phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc. Bằng cách phân tích cường độ và phổ phát xạ, có thể đánh giá được ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon đến sự tăng cường hoặc dập tắt quang phát quang. Theo tài liệu, thí nghiệm dựa trên nghiên cứu các tính chất quang của các chất phát quang trên các màng nano bạc.
4.3. Đo Quang Phổ Tán Xạ Raman Tăng Cường Bề Mặt SERS
Kỹ thuật quang phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) sử dụng cấu trúc nano bạc dị hướng để tăng cường tín hiệu Raman của các phân tử mục tiêu. Bằng cách phân tích phổ Raman, có thể xác định được sự hiện diện và nồng độ của các chất, cũng như các tương tác phân tử xảy ra trên bề mặt nano bạc.
V. Ứng Dụng Thực Tiễn Kết Quả Nghiên Cứu Màng Nano Bạc
Thí nghiệm dựa trên nghiên cứu các tính chất quang của các chất phát quang trên các màng nano bạc. Do đó, tên đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ được chọn là: “Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc để xác định các plasmonic hoạt động”. Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại, hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, sự tăng cường huỳnh quang và tăng cường tán xạ Raman do các plasmonic hoạt động.
5.1. Nghiên Cứu Tính Chất Plasmonic Trên Màng Nano Bạc
Nghiên cứu và khảo sát quang phổ Raman của chất melamine sử dụng cấu trúc nano bạc dị hướng trên giấy lọc. Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của màng nano bạc lên sự phát xạ của các chất phát quang và tăng cường tán xạ Raman sẽ đóng góp bằng chứng quan sát về các plasmonic hoạt động.
5.2. Ảnh Hưởng Của Plasmon Bề Mặt Lên Sự Phát Xạ Ánh Sáng
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng Plasmon bề mặt của màng nano bạc lên sự phát xạ của chất phát quang có vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị phát quang hiệu suất cao. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của màng nano, có thể đạt được sự tăng cường đáng kể cường độ phát xạ.
VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Nano Bạc Phát Xạ
Đưa ra bức tranh về các tính chất plasmonic của các màng bạc bao gồm các màng nano bạc trên đế thủy tinh và các cấu trúc bạc dị hướng trên giấy lọc dựa trên các thí nghiệm đã khảo sát. Phạm vi nghiên cứu của đề tài được thực hiện trên việc nghiên cứu và khảo sát các tính chất quang của các chất phát quang trên các màng nano bạc và khảo sát quang phổ Raman của chất Melamine sử dụng cấu trúc nano bạc dị hướng trên giấy lọc.
6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được
Luận văn đã trình bày kết quả nghiên cứu về tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc, bao gồm việc chế tạo màng nano, đo đạc các tính chất quang học, và phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon đến cường độ phát xạ.
6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Về Vật Liệu Phát Xạ
Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các cấu trúc nano phức tạp hơn, sử dụng các vật liệu phát quang mới, và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào các lĩnh vực như cảm biến, hiển thị và y sinh. Các nghiên cứu chuyên sâu hơn về cơ chế tương tác giữa plasmon và chất phát quang cũng rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị.
