Luận văn thạc sĩ VNU UET: Nghiên cứu chấm lượng vàng và tính chất quang

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet chế tạo chấm lượng vàng và nghiên cứu tính chất quang của chúng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Øng ThÞ DiÖu Thuý
• Người hướng dẫn: PGS. NguyÔn Quang Liªm
• Trường học: Đại học công nghệ
• Chuyên ngành: Khoa học và công nghệ nano
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng vàng tại VNU UET
• Loại tài liệu: luận văn thực sự
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cam kết
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu keo vàng có kích thước nano một trên thế giới
• 1.2. Cấu trúc của vật liệu
• 1.2.1. Cấu trúc tinh thể vàng
• 1.2.2. Cấu trúc keo vàng
• 1.3. Tính chất và ứng dụng
• 1.3.1. Tính chất quang của dung dịch keo
• 1.3.2. Các tính chất của keo vàng
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỮA TẠO MẪU VÀNG NANO MỘT VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT QUANG
• 2.1. Các phương pháp chữa tạo
• 2.1.1. Phương pháp quang học
• 2.1.2. Phương pháp hóa khô
• 2.1.3. Phương pháp khô nhiệt
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và vi hình thái
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope)
• 2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy)
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất quang của vật liệu
• 2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ
• 2.3.2. Phương pháp huỳnh quang
• 2.3.3. Phương pháp phổ kích thích huỳnh quang
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Chữa tạo keo vàng bằng phương pháp quang học
• 3.2. Chữa tạo keo vàng bằng phương pháp hóa khô
• 3.3. Chữa tạo keo vàng bằng phương pháp khô nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Các kết quả nghiên cứu cấu trúc và vi hình thái
• 4.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X
• 4.1.2. Ảnh hiển vi điện tử quét
• 4.1.3. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua
• 4.2. Các kết quả nghiên cứu tính chất quang của keo vàng
• 4.2.1. Phổ hấp thụ
• 4.2.1.1. Phổ hấp thụ của keo vàng chữa tạo bằng phương pháp hóa khô
• 4.2.1.2. Phổ hấp thụ của keo vàng chữa tạo bằng phương pháp quang hóa
• 4.2.2. Phổ huỳnh quang
• 4.2.2.1. Phổ huỳnh quang của các mẫu keo vàng được chữa tạo bằng phương pháp hóa khô
• 4.2.2.2. Phổ huỳnh quang của mẫu keo vàng chữa tạo bằng phương pháp khô nhiệt
• 4.2.2.3. Phổ huỳnh quang của các mẫu keo vàng được chữa tạo bằng phương pháp quang học
• 4.3. Ảnh hưởng của công nghệ chữa tạo lên tính chất quang của các hạt nano vàng
• 4.4. Phổ kích thích huỳnh quang
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng vàng tại VNU UET

Nghiên cứu về tính chất quang học của chấm lượng vàng tại VNU UET đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học. Chấm lượng vàng, với kích thước nano, có những đặc tính quang học độc đáo, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ và y học. Nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của vật liệu mà còn tạo ra cơ hội cho các ứng dụng thực tiễn trong tương lai.

1.1. Tình hình nghiên cứu chấm lượng vàng và ứng dụng của nó

Chấm lượng vàng đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghệ nano. Các nghiên cứu cho thấy rằng chấm vàng có khả năng phát quang mạnh mẽ, làm cho chúng trở thành ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong cảm biến sinh học và hình ảnh y tế.

1.2. Đặc điểm nổi bật của chấm lượng vàng trong quang học nano

Chấm lượng vàng có kích thước nano cho phép chúng tương tác với ánh sáng theo cách mà các vật liệu lớn hơn không thể. Điều này dẫn đến hiện tượng hấp thụ ánh sáng và phát quang đặc biệt, tạo ra những ứng dụng tiềm năng trong công nghệ quang học và cảm biến.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tính chất quang của chấm vàng

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nghiên cứu về tính chất quang học của chấm lượng vàng cũng gặp phải một số thách thức. Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của chấm vàng là rất quan trọng để đạt được các tính chất quang mong muốn. Ngoài ra, sự ổn định của chấm vàng trong môi trường khác nhau cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Thách thức trong việc kiểm soát kích thước và hình dạng

Kích thước và hình dạng của chấm vàng ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất quang học của chúng. Việc kiểm soát chính xác các yếu tố này là một thách thức lớn trong nghiên cứu và sản xuất chấm vàng.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến tính chất quang của chấm vàng

Chấm vàng có thể thay đổi tính chất quang khi tiếp xúc với các môi trường khác nhau. Sự ổn định của chúng trong các dung dịch và điều kiện khác nhau là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong nghiên cứu.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất quang của chấm vàng tại VNU UET

Để nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng vàng, các phương pháp hiện đại đã được áp dụng tại VNU UET. Các phương pháp này bao gồm quang phổ hấp thụ, quang phổ phát quang và các kỹ thuật hình ảnh điện tử. Những phương pháp này giúp xác định các đặc tính quang học của chấm vàng một cách chính xác.

3.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ

Quang phổ hấp thụ là một trong những phương pháp chính được sử dụng để xác định các đặc tính quang của chấm vàng. Phương pháp này cho phép đo lường mức độ hấp thụ ánh sáng của chấm vàng ở các bước sóng khác nhau.

3.2. Phương pháp quang phổ phát quang

Quang phổ phát quang giúp xác định khả năng phát quang của chấm vàng. Phương pháp này cung cấp thông tin về các trạng thái năng lượng của chấm vàng và cách chúng tương tác với ánh sáng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của chấm vàng

Kết quả nghiên cứu về tính chất quang của chấm lượng vàng tại VNU UET đã chỉ ra rằng chấm vàng có khả năng phát quang mạnh mẽ và ổn định. Những kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học, công nghệ nano và y học. Việc phát triển các ứng dụng này có thể mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.

4.1. Ứng dụng trong cảm biến sinh học

Chấm vàng có thể được sử dụng trong các cảm biến sinh học nhờ vào khả năng phát quang mạnh mẽ của chúng. Điều này cho phép phát hiện nhanh chóng và chính xác các chất sinh học trong mẫu.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ nano

Trong công nghệ nano, chấm vàng có thể được sử dụng để phát triển các thiết bị quang học nhỏ gọn và hiệu quả. Chúng có thể được tích hợp vào các hệ thống quang học để cải thiện hiệu suất và độ nhạy.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chấm vàng tại VNU UET

Nghiên cứu về tính chất quang của chấm lượng vàng tại VNU UET đã mở ra nhiều hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn và đóng góp vào sự phát triển của khoa học và công nghệ. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới sẽ giúp tối ưu hóa các tính chất quang của chấm vàng.

5.1. Hướng đi mới trong nghiên cứu chấm vàng

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để kiểm soát kích thước và hình dạng của chấm vàng, từ đó tối ưu hóa các tính chất quang của chúng.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong tương lai

Với những tiến bộ trong nghiên cứu, chấm vàng có thể trở thành một phần quan trọng trong các ứng dụng công nghệ cao, từ y học đến công nghệ thông tin, mở ra nhiều cơ hội mới cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano và nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano kim loại quý đã trở thành trọng tâm phát triển của khoa học vật liệu hiện đại. Trong đó, các hạt nano vàng và chấm lượng tử vàng thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ các hiệu ứng vật lý mới xuất hiện khi kích thước hạt thu nhỏ về phạm vi từ 1 đến 100 nm. Ở quy mô này, tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích tăng vọt cùng với sự xuất hiện của hiệu ứng giam hãm lượng tử và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Khi kích thước hạt tiệm cận bước sóng Fermi khoảng 0,7 nm, hệ điện tử biểu hiện các trạng thái năng lượng gián đoạn tương tự như nguyên tử đơn lẻ, đem lại hiệu suất phát quang đạt từ 20% đến 90%. Đồng thời, ở dải kích thước từ 10 đến 20 nm tương đương với quãng đường tự do trung bình của điện tử, trạng thái plasma bề mặt tương tác mạnh mẽ với ánh sáng khả kiến.

Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát công nghệ chế tạo có kiểm soát các hạt nano vàng kích thước khoảng 10 nm, phân tích cấu trúc tinh thể và khảo sát chuyên sâu các tính chất quang học bao gồm hấp thụ plasmon bề mặt và huỳnh quang. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán chống keo tụ, ổn định bề mặt hạt bằng chất hoạt động bề mặt mang nhóm chức hữu cơ, từ đó mở rộng tiềm năng ứng dụng trong cảm biến sinh học và đánh dấu tế bào. Toàn bộ thực nghiệm được triển khai tại Phòng Vật liệu Quang điện tử thuộc Viện Khoa học Vật liệu và Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội. Kết quả đạt được cung cấp luận cứ khoa học thực nghiệm vững chắc, mở đường cho việc ứng dụng nano vàng trong truyền dẫn quang nano và y dược học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tán xạ Mie và mô hình môi trường hiệu dụng Maxwell-Garnett nhằm mô tả tính chất điện môi của hạt cầu kim loại kích thước nanomet trong trường điện từ. Khi kích thước hạt nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng kích thích, độ phân cực của hạt phụ thuộc chặt chẽ vào hằng số điện môi của môi trường và hằng số điện môi phức của vàng. Mô hình điện tử tự do Drude được vận dụng để xác định tần số plasma khối và sự tắt dần dao động dựa trên mật độ hạt tải và quãng đường tự do trung bình 20 nm của điện tử.

Song song với lý thuyết quang học, thuyết cấu tạo mixen và lớp điện tích kép được áp dụng để giải thích độ bền phân tán của hệ keo. Mỗi hạt keo vàng mang nhân tinh thể không tan, hấp phụ chọn lọc các ion âm để hình thành thế điện động zeta tại bề mặt trượt. Khi độ dày lớp khuếch tán tăng, thế zeta gia tăng tạo ra lực đẩy tĩnh điện đủ lớn giúp ngăn ngừa sự sa lắng. Thêm vào đó, lý thuyết dịch chuyển Stokes và hiệu ứng lượng tử hóa theo hàm kích thước được dùng để phân tích phổ phát xạ quang học khi số lượng nguyên tử trong cụm thay đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ thống mẫu thực nghiệm đa dạng được tổng hợp qua ba phương pháp chính: quang hóa, hóa khử và khử nhiệt sol-gel. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 7 mẫu quang hóa ký hiệu từ QN1 đến QN7 biến thiên nồng độ tiền chất HAuCl4 từ 0,54% đến 35,32%, 6 mẫu quang hóa Qt1 đến Qt6 biến thiên thời gian chiếu xạ UV công suất 45 W từ 5 đến 35 phút, 14 mẫu hóa khử biến thiên nồng độ chất khử Natri citrate từ 30,6% đến 90,9% và nồng độ chất hoạt động bề mặt CTAB theo tỷ lệ khối lượng từ 1:1 đến 2,5:1, cùng 4 mẫu màng mỏng khử nhiệt sol-gel ủ ở nhiệt độ từ 250°C đến 550°C. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm có kiểm soát được lựa chọn nhằm đánh giá chính xác ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kích thước hạt.

Cấu trúc vi mô và pha tinh thể được phân tích bằng hệ thống nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D5000 với góc quét 2-theta từ 20° đến 90°. Vi hình thái và kích thước hạt được ghi nhận thông qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM S-4800 và kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HRTEM Jeol 3010 đạt độ phân giải điểm 0,17 nm và độ phóng đại lên tới 1.000.000 lần. Tính chất quang học được đo đạc chính xác qua phổ hấp thụ UV-Vis trên máy đo quang phổ V530 tại dải bước sóng 400 - 800 nm, kết hợp phổ huỳnh quang (PL) và phổ kích thích huỳnh quang (PLE) sử dụng nguồn đèn Xenon và ống nhân quang điện PMT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X khẳng định các hạt nano vàng chế tạo bằng phương pháp hóa khử và khử nhiệt đều tồn tại ở dạng đơn pha tinh thể với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC), hằng số mạng a = 4,0786 Å và nhóm không gian đối xứng Fm3m. Đỉnh nhiễu xạ đặc trưng xuất hiện rõ rệt tại góc 2-theta bằng 38,14° tương ứng với mặt phản xạ tinh thể (111).

Ảnh hiển vi điện tử truyền qua HRTEM cho thấy phương pháp quang hóa sử dụng chất khử TX-100 tạo ra các hạt nano vàng dạng tựa cầu với kích thước siêu nhỏ dưới 5 nm. Đối với phương pháp hóa khử thông thường không bổ sung chất hoạt động bề mặt, các hạt tạo thành có kích thước dưới 10 nm nhưng xuất hiện hiện tượng kết đám tạo thành các cụm hạt lớn gần 100 nm do năng lượng tự do bề mặt cao.

Khi đưa thêm chất hoạt động bề mặt cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) với tỷ lệ khối lượng 2,5:1 so với muối vàng, ảnh TEM và SEM ghi nhận các hạt nano vàng phân bố hoàn toàn ở dạng đơn phân tán, hình thái tựa cầu đồng đều với đường kính trung bình khoảng 10 nm. Phổ hấp thụ UV-Vis của hệ hạt này ghi nhận đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt sắc nét tại bước sóng 525 nm, dịch chuyển từ 538 nm của hạt 31 nm xuống 510 nm đối với các hạt kích thước 3 nm.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng dịch chuyển đỉnh hấp thụ plasmon bề mặt về phía bước sóng ngắn (dịch chuyển xanh) khi tăng nồng độ chất khử Natri citrate từ 30,6% lên 90,9% được giải thích bởi động học hình thành mầm tinh thể. Nồng độ chất khử cao làm gia tăng số lượng mầm tinh thể ban đầu trong một thể tích dung dịch cố định, khiến kích thước cuối cùng của mỗi hạt giảm xuống, dẫn đến mật độ điện tử tự do trên bề mặt tăng cao và nâng tần số dao động plasma. Ngược lại, khi các hạt tiến sát nhau ở khoảng cách nhỏ hơn đường kính hạt, tương tác lưỡng cực điện giữa các cặp hạt làm xuất hiện mode dao động dọc, gây ra sự dịch chuyển đỏ rõ rệt trên phổ quang học.

Sự hiện diện của lớp vỏ hữu cơ CTAB mang nhóm amin liên kết vững chắc trên bề mặt hạt không làm thay đổi vị trí đỉnh hấp thụ plasmon 525 nm trong lõi tinh thể vàng. Lớp bao phủ này đóng vai trò rào cản không gian và tĩnh điện, nâng cao thế điện động zeta và ngăn chặn quá trình kết tụ nhiệt động học. Các dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa mạch lạc thông qua đồ thị đường cong hấp thụ quang học và giản đồ phổ XRD, chứng minh sự tương thích cao giữa kết quả mô phỏng lý thuyết Maxwell-Garnett và thực nghiệm đo đạc phổ phân giải cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình tổng hợp quang hóa sử dụng chất khử TX-100 dưới bức xạ tử ngoại công suất 45 W trong thời gian tối ưu 20 phút nhằm sản xuất hàng loạt các chấm lượng tử vàng kích thước dưới 5 nm, hướng tới mục tiêu nâng cao hiệu suất lượng tử huỳnh quang thêm 15% trong vòng 6 tháng tới. Hoạt động này do các nhóm nghiên cứu vật liệu quang điện tử chủ trì thực hiện.

Thứ nhì, mở rộng nghiên cứu chức năng hóa bề mặt hạt nano vàng 10 nm bằng cách thay thế lớp vỏ CTAB bằng các phân tử sinh học chứa nhóm thiol (-SH) hoặc chuỗi polyethylene glycol (PEG) trong thời gian 12 tháng. Giải pháp này giúp triệt tiêu độc tính tế bào của muối amoni bậc bốn, nâng độ tương thích sinh học lên trên 95% nhằm phục vụ thử nghiệm dẫn thuốc và đánh dấu huỳnh quang in vitro do các phòng thí nghiệm công nghệ nano y sinh đảm trách.

Thứ ba, hoàn thiện công nghệ chế tạo màng nanocomposite Au-SiO2 thông qua kỹ thuật nhúng phủ sol-gel và ủ nhiệt ở mức nhiệt độ tối ưu 450°C đến 550°C trong 9 tháng. Mục tiêu là chế tạo các phiến cảm biến quang học bề mặt SPR có độ nhạy tăng 25% phục vụ phát hiện sớm các dấu ấn phân tử sinh học nồng độ thấp.

Thứ tư, xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng tự động bằng phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis trực tuyến trong dây chuyền tổng hợp hóa khử, bảo đảm độ lệch chuẩn kích thước hạt không vượt quá 1,5 nm giữa các mẻ sản xuất trước năm 2027 do các đơn vị kỹ thuật và quản lý chất lượng triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học và Công nghệ Nano, Vật lý Chất rắn: Tài liệu cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về ba phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại và cách phân tích chuyên sâu các dữ liệu phổ HRTEM, FESEM và XRD.

Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Quang tử học và Quang điện tử: Tiếp cận mô hình tính toán tán xạ Mie, công thức Maxwell-Garnett và các hiệu ứng plasmon bề mặt để ứng dụng trong thiết kế linh kiện biến đổi photon - plasmon và ống dẫn sóng quang học nano.

Chuyên gia nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp Y - Sinh học: Nắm bắt phương pháp ổn định hóa bề mặt nano vàng bằng hợp chất hữu cơ để phát triển que thử chẩn đoán nhanh, biosensor nhận diện protein và tác nhân quang nhiệt trị ung thư.

Giảng viên và sinh viên ngành Hóa lý, Hóa keo và Khoa học Vật liệu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giảng dạy chất lượng cao về cơ chế hình thành mixen, động học phản ứng oxy hóa khử và kỹ thuật đo quang phổ huỳnh quang phân giải cao.

Câu hỏi thường gặp

Chấm lượng tử vàng và hạt nano vàng kích thước lớn khác nhau như thế nào về cơ chế phát quang? Hạt nano vàng kích thước 10 đến 20 nm thể hiện tính chất quang chủ yếu qua hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt tại bước sóng khoảng 525 nm. Ngược lại, chấm lượng tử vàng có kích thước dưới 1 nm tiệm cận bước sóng Fermi thể hiện hiệu ứng giam hãm lượng tử mạnh, phát huỳnh quang với hiệu suất đạt 20% đến 90%.

Tại sao chất hoạt động bề mặt CTAB lại ngăn chặn được hiện tượng keo tụ của nano vàng? Hợp chất CTAB chứa nhóm chức amin bao bọc quanh nhân vàng tạo thành lớp vỏ phân tử hữu cơ bền vững. Lớp vỏ này làm tăng điện tích bề mặt và nâng cao thế điện động zeta, tạo lực đẩy tĩnh điện và hiệu ứng cản trở không gian triệt tiêu xu hướng kết cụm của các hạt có năng lượng tự do cao.

Phương pháp quang hóa tổng hợp nano vàng có ưu điểm gì nổi bật so với phương pháp hóa khử? Phương pháp quang hóa sử dụng TX-100 dưới nguồn sáng tử ngoại 45 W diễn ra ở nhiệt độ phòng, dễ dàng kiểm soát kích thước hạt dưới 5 nm thông qua thời gian chiếu xạ từ 5 đến 35 phút mà không cần gia nhiệt hồi lưu 100°C phức tạp như phương pháp hóa khử truyền thống.

Vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của nano vàng phụ thuộc vào những yếu tố chính nào? Đỉnh hấp thụ plasmon phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt, hình thái hình học, mật độ điện tử tự do trên bề mặt và hằng số điện môi của môi trường xung quanh. Khi kích thước hạt tăng từ 3 nm lên 31 nm, đỉnh phổ hấp thụ ghi nhận sự dịch chuyển đỏ từ 510 nm lên 538 nm.

Cấu trúc tinh thể của các mẫu keo vàng trong nghiên cứu được xác định bằng phương pháp nào? Cấu trúc tinh thể được xác định chính xác qua giản đồ nhiễu xạ tia X trên máy D5000. Kết quả ghi nhận cấu trúc lập phương tâm mặt chuẩn với hằng số mạng a = 4,0786 Å, thể hiện qua các đỉnh phản xạ đặc trưng tại góc 2-theta đạt 38,14° tương ứng mặt tinh thể (111).

Kết luận

• Đã thiết lập thành công ba quy trình tổng hợp nano vàng có kiểm soát kích thước bằng phương pháp quang hóa, hóa khử và khử nhiệt màng sol-gel.
• Xác định chính xác cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) của hạt nano vàng với hằng số mạng a = 4,0786 Å thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X.
• Ứng dụng thành công chất hoạt động bề mặt CTAB để chế tạo hệ hạt nano vàng đơn phân tán đường kính 10 nm, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng kết đám kích thước lớn.
• Làm rõ quy luật dịch chuyển đỉnh hấp thụ plasmon bề mặt trong dải bước sóng từ 510 nm đến 538 nm phụ thuộc vào kích thước hạt và nồng độ chất khử.
• Đặt nền móng vững chắc cho việc ứng dụng nano vàng chức năng hóa trong cảm biến sinh học, chip sinh học và kỹ thuật đánh dấu quang học thế hệ mới.

Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm gắn kết kháng thể sinh học lên bề mặt nano vàng trong giai đoạn tới. Quý độc giả, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ tổng hợp vật liệu nano hãy kết nối ngay với nhóm nghiên cứu để cùng hợp tác chuyển giao công nghệ và phát triển ứng dụng thực tiễn.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Phæ kÝch thÝch huúnh quang 54 KÕt luËn 55 Tµi liÖu tham kh¶o 57 øng ThÞ DiÖu Thuý – K10N LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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].