I. Tổng Quan Tính Chất Quang Vật Liệu Luận Văn Thạc Sĩ
Trong những năm gần đây, các vật liệu nano mét đã thu hút sự chú ý đặc biệt, nghiên cứu vì tính chất vật liệu quý báu, hứa hẹn những ứng dụng đặc biệt. Những nghiên cứu về các vật liệu đã kích thước nano mét rất phong phú và đa dạng: từ nghiên cứu chế tạo vật liệu (bán dẫn, vật liệu từ, vật liệu quang học,...) cho tới những nghiên cứu chuyên sâu các tính chất cơ bản, tính chất quang-điện-từ, và những nghiên cứu nhắm ứng dụng vật liệu. Vật liệu đã kích thước nano mét thường được xem là không khiếm khuyết tuyệt đối, với tỉ số diện tích bề mặt trên khối lớn. Hiệu ứng giam hãm lượng tử xuất hiện ở vật liệu đã kích thước nano mét làm cho vật liệu có những tính chất đặc biệt, trở thành chủ đề phong phú cho các nghiên cứu. Trong số các vật liệu đã kích thước nano, các hạt kim loại đã kích thước nano (nanoparticle/ nanocluster) đã tính chất đặc biệt được quan tâm, liên quan tới hệ điện tử tự do. Gần đây, hai loại hạt nano kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều là vàng (Au) và bạc (Ag).
1.1. Tính Chất Quang của Dung Dịch Keo Phân Tích Chi Tiết
Khi chiếu sáng một hệ keo, có thể xảy ra các hiện tượng phản xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và huỳnh quang. Nếu ánh sáng phản xạ từ các hạt có các vạch phổ tương ứng cường độ sáng tương đối như ánh sáng tới thì tán xạ gây nên hiện tượng đục mờ của hệ keo. Khi ánh sáng bị nhiễu xạ bởi các hạt gây ra sự tán xạ theo các hướng khác nhau, trong ánh sáng tán xạ còn có các ánh sáng đơn sắc như của tia tới nhưng cường độ tương đối bị biến đổi. Sự hấp thụ chọn lọc các tia đơn sắc làm cho màu của ánh sáng phản xạ và ánh sáng truyền qua khác nhau. Nếu các hạt keo dưới tác dụng của ánh sáng bị kích thích, thu hút đến trạng thái có mức năng lượng cao hơn, khi thu hút vào trạng thái đó phát ra ánh sáng có bước sóng khác nhau, gọi là hiện tượng huỳnh quang. Phổ huỳnh quang biểu diễn cường độ huỳnh quang khác nhau tại các bước sóng khác nhau, mang tính đặc trưng của quá trình huỳnh quang của vật liệu.
1.2. Tính Chất Quang của Keo Vàng Nghiên Cứu Chuyên Sâu
Các tính chất của keo vàng, chủ yếu là tính chất điện hóa và tính chất quang với khả năng ứng dụng tốt trong lĩnh vực đánh dấu sinh học đã thu hút được rất nhiều quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Keo vàng có mật độ điện tử tự do lớn, các điện tử tự do này có các tính chất quang đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong kính hiển vi điện tử và đánh dấu huỳnh quang. Kích thước hạt, sự tương tác và hằng số điện môi của môi trường quyết định các đặc tính quang của hạt keo. Các tính chất quang của các hạt nano kim loại có bán kính Γ nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng λ (2Γ/λ <<1) đã được đánh giá với các giả thiết rằng hạt nằm trong trường điện từ tĩnh của ánh sáng (hệ quả trực tiếp của kích thước hạt rất nhỏ so với bước sóng) và tính chất điện môi của các điện tử tự do trong hạt nano thay đổi. Khi đó, các tính chất quang của các đám kim loại được miêu tả trong phương trình Maxwell-Garnett.
II. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Quang Vật Liệu Nano
Đã có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp các hạt nano vàng như: phương pháp hóa học, quang hóa, sol-gel, lase ablation. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp quang hóa và phương pháp khử để tổng hợp các hạt nano vàng bởi vì các phương pháp này có thể thực hiện nhanh, đơn giản và có thể điều khiển được kích thước hạt. Trước hết, các phương pháp này sử dụng các tác nhân khử khác nhau (ánh sáng tử ngoại, hóa chất, nhiệt độ) để khử ion vàng Au3+ (trong dung dịch muối hoặc axit vàng) thành nguyên tử Au0. Sau đây chúng tôi xin trình bày chi tiết các phương pháp sử dụng để chế tạo mẫu nghiên cứu trong luận văn.
2.1. Phương Pháp Quang Hóa Tổng Hợp Vật Liệu Quang Học
Phản ứng quang hóa là những quá trình hóa học xảy ra dưới tác dụng của những bức xạ. Đã có diễn giải phản ứng quang hóa xảy ra theo ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là quá trình hấp thụ ánh sáng (photon), khi đó các phân tử chất phản ứng sẽ chuyển thành trạng thái kích thích. Giai đoạn thứ hai là phản ứng quang hóa sơ cấp, ở đó các phân tử ở trạng thái kích thích sẽ tham gia phản ứng. Giai đoạn thứ ba là phản ứng quang hóa thứ cấp: các sản phẩm của phản ứng sơ cấp thu hút hóa tiếp mà không cần sự tham gia trực tiếp của photon. Như vậy, photon đã tham gia như một tác nhân mồi, cung cấp năng lượng để các phản ứng hóa học. Để khử ion vàng Au3+ trong dung dịch axit vàng thành nguyên tử Au0 bằng phương pháp quang hóa, người ta thường sử dụng TX-100 làm tác nhân khử, hoạt động dưới kích thích của ánh sáng tử ngoại. Tùy thuộc vào thời gian chiếu sáng, có thể chế tạo các hạt keo vàng có kích thước khác nhau trong vùng nano mét.
2.2. Phương Pháp Khử Nhiệt Ứng Dụng Trong Vật Liệu
Phản ứng khử nhiệt là các quá trình hóa học xảy ra dưới tác dụng của nhiệt độ. Phản ứng khử nhiệt thường có sự tham gia của oxi trong không khí. Các ion vàng kết hợp với các nhóm silan tạo thành các màng vô cơ - hữu cơ, dưới tác dụng của nhiệt độ và oxi trong không khí các ion vàng bị khử tạo thành các hạt keo vàng nằm trong màng SiO2.
III. Phân Tích Kết Quả Nghiên Cứu Tính Chất Quang Keo Vàng
Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo các hạt nano vàng đã kích thước ~10 nm, nhằm nghiên cứu các tính chất đặc trưng liên quan đến plasma bề mặt. Cấu trúc của hạt vàng chế tạo được thu được giống như một hợp chất với lõi là tinh thể vàng nano mét, được bao bọc bởi lớp vỏ hữu cơ (ví dụ với nhóm thế amine). Lớp vỏ hữu cơ này có thể thay thế khi tan vàng nano mét trong nước, hoặc được thay thế khi gắn với một sinh chất của cơ thể sống (ví dụ nhóm thiol –SH của protein). Điều kiện công nghệ được khảo sát, thay đổi để đạt được mẫu có cấu trúc tốt, kích thước xác định theo yêu cầu. Các nghiên cứu về hình thái, cấu trúc pha tinh thể, tính chất hấp thụ plasma bề mặt, huỳnh quang với dịch đỉnh khác nhau so với đỉnh phổ hấp thụ được thực hiện trên hệ thống mẫu đã chế tạo trong điều kiện tối ưu hóa một số thông số công nghệ.
3.1. Ảnh Hưởng Công Nghệ Chế Tạo Lên Tính Chất Quang Hạt Nano
Các tính chất quang của các hạt nano kim loại phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, thành phần và môi trường xung quanh. Việc kiểm soát các thông số này trong quá trình chế tạo là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn. Ví dụ, kích thước hạt ảnh hưởng đến vị trí và cường độ của đỉnh hấp thụ plasma bề mặt. Hình dạng hạt ảnh hưởng đến sự phân cực của ánh sáng và do đó ảnh hưởng đến tính chất tán xạ và hấp thụ. Thành phần hạt ảnh hưởng đến hằng số điện môi và do đó ảnh hưởng đến tính chất quang.
3.2. Phổ Hấp Thụ Quang Của Mẫu Keo Vàng Phân Tích Chi Tiết
Phổ hấp thụ quang là một công cụ quan trọng để nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano. Phổ hấp thụ quang cho phép xác định vị trí và cường độ của các đỉnh hấp thụ, từ đó suy ra kích thước, hình dạng và thành phần của các hạt nano. Phổ hấp thụ quang cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu sự tương tác giữa các hạt nano và môi trường xung quanh.
IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Tính Chất Quang Vật Liệu Luận Văn
Với những hạt vàng đã kích thước cỡ bước sóng Fermi (~0,7 nm), hệ điện tử có hiện các trạng thái năng lượng gián đoạn, gần giống như nguyên tử. Do đó, đối với các đám nguyên tử AuN đã kích thước: N=5 bộc xạ trong vùng tử ngoại; N = 8 bộc xạ xanh da trời; N=13 bộc xạ xanh lá cây; N=23 bộc xạ màu đỏ và N ≥ 31 bộc xạ vùng hồng ngoại gần, được thể hiện rõ trên hình 1. Đây là một trong những hướng nghiên cứu rất hay, đã triển vọng ứng dụng trong kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang.
4.1. Vật Liệu Nano Quang Học Ứng Dụng Trong Cảm Biến Sinh Học
Các tính chất quang độc đáo của vật liệu nano quang học, đặc biệt là khả năng tương tác mạnh mẽ với ánh sáng, đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Vật liệu nano quang học có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các phân tử sinh học, chẳng hạn như protein, DNA và tế bào, với độ nhạy và độ đặc hiệu cao.
4.2. Vật Liệu Phát Quang Ứng Dụng Trong Màn Hình Hiển Thị
Vật liệu phát quang là vật liệu có khả năng phát ra ánh sáng khi được kích thích bởi các nguồn năng lượng khác nhau, chẳng hạn như ánh sáng, điện trường hoặc nhiệt độ. Vật liệu phát quang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bao gồm màn hình hiển thị, đèn chiếu sáng và cảm biến.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tính Chất Quang Vật Liệu
Luận văn đã tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo các hạt nano vàng đã kích thước ~10 nm, nhằm nghiên cứu các tính chất đặc trưng liên quan đến plasma bề mặt. Cấu trúc của hạt vàng chế tạo được thu được giống như một hợp chất với lõi là tinh thể vàng nano mét, được bao bọc bởi lớp vỏ hữu cơ (ví dụ với nhóm thế amine). Lớp vỏ hữu cơ này có thể thay thế khi tan vàng nano mét trong nước, hoặc được thay thế khi gắn với một sinh chất của cơ thể sống (ví dụ nhóm thiol –SH của protein). Điều kiện công nghệ được khảo sát, thay đổi để đạt được mẫu có cấu trúc tốt, kích thước xác định theo yêu cầu. Các nghiên cứu về hình thái, cấu trúc pha tinh thể, tính chất hấp thụ plasma bề mặt, huỳnh quang với dịch đỉnh khác nhau so với đỉnh phổ hấp thụ được thực hiện trên hệ thống mẫu đã chế tạo trong điều kiện tối ưu hóa một số thông số công nghệ.
5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Vật Liệu Quang Điện Tổng Quan
Nghiên cứu vật liệu quang điện đang phát triển mạnh mẽ và hứa hẹn mang lại nhiều đột phá trong tương lai. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm phát triển vật liệu mới với tính chất quang điện vượt trội, cải thiện hiệu suất của các thiết bị quang điện hiện có và mở rộng ứng dụng của vật liệu quang điện trong các lĩnh vực mới.
5.2. Tài Liệu Tham Khảo Về Tính Chất Quang Danh Sách Chọn Lọc
Để hiểu sâu hơn về tính chất quang của vật liệu, có rất nhiều tài liệu tham khảo hữu ích. Các tài liệu này bao gồm sách giáo trình, bài báo khoa học, báo cáo hội nghị và các nguồn tài liệu trực tuyến. Việc tham khảo các tài liệu này sẽ giúp bạn nắm vững kiến thức cơ bản và cập nhật những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này.
