Luận văn thạc sĩ về chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của hạt nano kim loại bất đẳng hướng

Luận văn thạc sĩ phân tích hay chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Đỗ Mạnh Quyền
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Xuân Hòa
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các hạt nano kim loại
• 1.2. Tổng quan về các hạt nano bạc
• 1.3. Giới thiệu về bạc và nano bạc
• 1.3.1. Sơ lược về tính chất vật lý bạc (Ag)
• 1.3.2. Tính chất nguyên tử của bạc
• 1.3.3. Hạt nano bạc
• 1.4. Tính chất quang của hạt nano bạc
• 1.5. Tính chất quang của các hạt nano bạc bất đẳng hướng (lý thuyết Gans)
• 1.6. Phổ tán xạ Raman
• 1.7. Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc bất đẳng hướng
• 1.7.1. Phương pháp hóa học hay phương pháp polyol
• 1.7.2. Phương pháp quang cảm ứng
• 1.8. Một số ứng dụng của các hạt nano bạc
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC
• 2.1. Chế tạo các cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng
• 2.2. Phương pháp tiến hành
• 2.3. Chế tạo mầm
• 2.4. Chế tạo các hạt nano bạc dạng tấm bằng phương pháp phát triển mầm dưới kích thích ánh sáng đèn LED xanh lá (xanh lá LED)
• 2.5. Chế tạo các hạt nano bạc dạng hợp diện (decahedra) bằng phương pháp phát triển mầm dưới kích thích ánh sáng đèn LED xanh dương (xanh dương LED)
• 2.6. Khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến sự hình thành các cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng
• 2.6.1. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED
• 2.6.2. Ảnh hưởng của tổ hợp chiếu 2 bước sóng xanh lá LED và xanh dương LED
• 2.6.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hình thành các cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng
• 2.7. Các phương pháp khảo sát
• 2.7.1. Phương pháp phổ hấp thụ (UV-Vis - Ultraviolet Visible)
• 2.7.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.7.3. Phương pháp đo phổ tăng cường tán xạ Ramman bề mặt
• 2.7.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM- Transmission Electron Microscopy)
• 2.7.5. Kính hiển vi quét SEM (Scanning Electron Microscopy)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hình thái và kích thước hạt
• 3.2. Hình thái và kích thước mầm
• 3.3. Các hạt nano bạc được kích thích bởi xanh lá LED
• 3.4. Các hạt nano bạc được kích thích bởi xanh dương LED
• 3.5. Phổ hấp thụ
• 3.6. Phân tích cấu trúc
• 3.7. Khảo sát một số điều kiện ảnh hưởng đến tính chất quang của nano bạc
• 3.7.1. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED
• 3.7.2. Ảnh hưởng nhiệt độ
• 3.8. Ứng dụng hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt nhằm phát hiện chất nhuộm mầu rhodamine 6G (Rh6G)
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính chất quang của hạt nano kim loại bất đẳng hướng

Nghiên cứu về tính chất quang của hạt nano kim loại bất đẳng hướng đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực vật liệu nano. Các hạt nano này có kích thước từ 1 đến 100 nanomet, và khi kích thước giảm xuống, các tính chất quang học của chúng trở nên đặc biệt hơn. Hiện tượng này chủ yếu do hiệu ứng bề mặt và tính bất đối xứng trong cấu trúc của hạt nano. Các nghiên cứu cho thấy rằng, tính chất quang học của hạt nano kim loại phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chúng, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong công nghệ quang điện tử và cảm biến sinh học.

1.1. Đặc điểm của hạt nano kim loại và ứng dụng

Hạt nano kim loại như bạc và vàng có nhiều ứng dụng trong quang học. Chúng có khả năng phát quang và tăng cường tán xạ Raman, giúp phát hiện các phân tử sinh học với độ nhạy cao. Các hạt nano này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như y sinh học và cảm biến môi trường.

1.2. Tính chất quang học của hạt nano bất đẳng hướng

Tính bất đẳng hướng của hạt nano kim loại dẫn đến sự xuất hiện của nhiều tính chất quang học mới. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi hình dạng của hạt nano thay đổi, các tính chất quang học như phổ hấp thụ và phát quang cũng thay đổi theo, tạo ra nhiều cơ hội nghiên cứu và ứng dụng mới.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hạt nano kim loại

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu về hạt nano kim loại bất đẳng hướng cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano trong quá trình chế tạo. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học của chúng. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả và bền vững cũng là một thách thức lớn.

2.1. Khó khăn trong việc chế tạo hạt nano đồng nhất

Việc chế tạo hạt nano đồng nhất về kích thước và hình dạng là một thách thức lớn. Các phương pháp hiện tại thường gặp khó khăn trong việc duy trì tính đồng nhất trong quá trình tổng hợp, dẫn đến sự biến đổi trong tính chất quang của hạt nano.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến tính chất quang

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến tính chất quang của hạt nano. Các yếu tố như nhiệt độ, pH và nồng độ ion có thể làm thay đổi cấu trúc và tính chất quang học của hạt nano, gây khó khăn trong việc ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano kim loại bất đẳng hướng hiệu quả

Để nghiên cứu và phát triển hạt nano kim loại bất đẳng hướng, nhiều phương pháp chế tạo đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra hạt nano với kích thước và hình dạng mong muốn mà còn tối ưu hóa tính chất quang của chúng. Một số phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp hóa học, phương pháp quang hóa và phương pháp điện hóa.

3.1. Phương pháp hóa học trong chế tạo hạt nano

Phương pháp hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo hạt nano kim loại. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt nano thông qua việc điều chỉnh các điều kiện phản ứng như nhiệt độ và thời gian.

3.2. Phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng LED

Phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng LED là một phương pháp mới và hiệu quả trong việc chế tạo hạt nano kim loại. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giúp tạo ra hạt nano với tính chất quang học tốt hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hạt nano kim loại bất đẳng hướng

Các hạt nano kim loại bất đẳng hướng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Chúng được sử dụng trong y sinh học, cảm biến, và công nghệ quang điện tử. Sự phát triển của các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển.

4.1. Ứng dụng trong y sinh học

Hạt nano bạc bất đẳng hướng được sử dụng trong y sinh học để phát hiện và điều trị bệnh. Chúng có khả năng tương tác với các phân tử sinh học, giúp tăng cường độ nhạy trong các xét nghiệm chẩn đoán.

4.2. Ứng dụng trong cảm biến môi trường

Các hạt nano này cũng được ứng dụng trong cảm biến môi trường, giúp phát hiện các chất ô nhiễm với độ nhạy cao. Nhờ vào tính chất quang đặc biệt, chúng có thể phát hiện các chất độc hại trong nước và không khí.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu hạt nano kim loại

Nghiên cứu về hạt nano kim loại bất đẳng hướng đang mở ra nhiều cơ hội mới trong khoa học và công nghệ. Với những tiến bộ trong phương pháp chế tạo và ứng dụng, tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho xã hội. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp tối ưu hóa tính chất quang và mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về hạt nano kim loại sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều phương pháp mới được áp dụng. Các nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tính chất quang mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghệ.

5.2. Tác động đến các lĩnh vực khác nhau

Sự phát triển của hạt nano kim loại bất đẳng hướng sẽ có tác động lớn đến nhiều lĩnh vực như y sinh học, công nghệ thông tin và môi trường. Điều này sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: TỔNG QUAN 1. Các hạt nano kim loại Trong các hạt nano nói chung, các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co và các oxit như Fe 2 O 3 , CuO, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang. Có 3 phương pháp kích thích quang chính được sử dụng để kích thích quang các hạt kim loại là: i) Kích thích trực tiếp các hạt nano kim loại; ii) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kim loại; iii) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bán dẫn - kim loại. Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano kim loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: Phát quang, quang phi tuyến và tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS).

Nhờ sự tăng đáng kể tín hiệu Raman do hiệu ứng trường gần, SERS được sử dụng như một công cụ phân tích cực nhạy, hơn cả kỹ thuật huỳnh quang. Các phân tử sinh học có thể được ghi nhận với độ nhạy gấp 1000 lần nếu chúng được gắn với một hạt vàng. Các hạt bạc cũng có nhiều ưu thế trong lĩnh vực này. Điều kiện chủ yếu của phép đo SERS là giữ bề mặt mấp mô một cách đồng nhất và lặp lại.

Tổng quan về các hạt nano bạc Như chúng ta được biết, khi các hình dạng các hạt nano kim loại bị giảm bậc đối xứng (không còn dạng cầu) thì chúng xuất hiện nhiều tính bất đẳng hướng về quang học và nhiều tính chất quang học lý thú mới [3]. Do đó, chúng được ứng dụng trong truy cập và phát hiện phân tử một cách dễ dàng trong các môi trường sinh học (phương pháp đánh dấu…) [4]. Dưới đây, nhóm nghiên cứu xin trình bày về hạt nano bạc và một số tính chất của hạt nano bạc. Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 1.

Giới thiệu về bạc và nano bạc. a) Sơ lược về tính chất vật lý bạc (Ag) Bạc (Silver - Argentum) là một nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học có kí hiệu là Ag , khối lượng nguyên tử là M = 47. Bạc là một kim loại có hóa trị 1, mềm và dễ uốn (cứng hơn vàng một chút), có màu trắng bóng ánh kim nếu bề mặt có đánh bóng cao. Bạc có tính dẫn điện tốt nhất trong bất kỳ nguyên tố nào và có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các kim loại.

Kim loại bạc xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng nguyên chất như tự sinh, và ở dạng hợp kim với bạc và các kim loại khác, và trong các khoáng vật như argentit, chlorargyrit. Dưới đây là một số thông số cơ bản của bạc: Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của bạc Trạng thái vật chất Rắn Khối lượng phân tử 107,8682 Điểm nóng chảy 961,7 0C Điểm sôi 2162,2 0C Nhiệt độ bay hơi 250,58 kJ/mol Thể tích phân tử 10,27. Nhiệt nóng chảy 11,3 kJ/mol Áp suất hơi 0,34 Pa tại 961,70C Vận tốc truyền âm 2600 m/s tại 20,150C Độ dẫn điện 6,301.107 /Ω·m Độ âm điện 1,93 (thang PAgling) Độ dẫn nhiệt 429 W/(m.K) Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Nhiệt dung riêng 232J/(kg.K) Năng lượng ion hóa 1. Trạng thái trật tự từ Nghịch từ.

b) Tính chất nguyên tử của bạc Bạc là kim loại chuyển tiếp có cấu hình electron: 1s2 22 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s1 , Bạc (Ag) thuộc chu kì 5, nhóm IB. Bạc có một electron ở lớp ngoài cùng tương tự như các kim loại kiềm. Bạc có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (hình 1.1) với các thông số ô mạng cơ sở a = b = c = 4,08 Å. 8 nguyên tử được bố trí tại 8 đỉnh của hình lập phương tương ứng với các tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (111), (011).

6 nguyên tử bố trí ở tâm của 6 mặt của ô cơ sở tương ứng có tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1).1: Cấu trúc tinh thể của bạc Đến nay bạc đã được tìm ra 19 đồng vị, trong đó có hai đồng vị thiên nhiên là Ag107 (chiếm 51,35% ) và Ag109 (chiếm 48,65%), còn lại là các đồng vị phóng xạ từ Ag102 đến Ag115, trong đó đồng vị phóng xạ bền nhất là Ag110 (có chu kì bán hủy là 270 ngày đêm). Đường kính nguyên tử bạc là 0,288 nm. c) Hạt nano bạc Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Nano bạc bao gồm các hạt bạc có kích thước nano mét, khoảng từ 1-100 nanomet [2]. Thông thường kích thước đo được khoảng 25 nanomet(nm), tùy theo các điều kiện chế tạo.

Các hạt nano bạc có diện tích mặt rất lớn giúp gia tăng tiếp xúc của chúng. Do chúng có kích thước nhỏ nên số nguyên tử tập trung trên bề mặt (hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử) chiếm tỉ lệ nhiều so với tổng số nguyên tử nên các tính chất lý, hóa học của chúng bị phụ thuộc nhiều và hình thái bề mặt hơn (hiệu ứng bề mặt) so với thể tích khối. Tính chất quang của hạt nano bạc Tính chất quang của các hạt nano kim loại quý nói chung và nano bạc nói riêng phụ thuộc mạnh vào kích thước và hình dạng của hạt nano. Ví dụ như vàng được sử dụng từ 5000 năm trước công nguyên chủ yếu dưới dạng khối nhờ vào độ bền hóa học và màu sắc rực rỡ trùng với màu của ánh sáng mặt trời.

Tới thế kỷ thứ 4 sau công nguyên các hạt vàng được tìm thấy trong các cốc Lamã Lycurgus [5] hình 1.2: Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng [5] Bắt đầu từ khoảng những năm 1300 sau Công Nguyên, hạt keo vàng và keo bạc bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong y học cũng như trong kỹ thuật từ khi các nhà giả kim học có thể hòa tan được vàng và bạc khối vào các chất khác để tạo ra các “chất lỏng mầu nhiệm” với các màu sắc khác nhau. Từ đó tới nay, có thể tìm thấy các ứng dụng của các hạt keo vàng, keo bạc ở khắp nơi: trong nhà thờ (kính mầu), bát đĩa sứ (mầu men), thuốc chữa bệnh…Nhờ vào các mầu sắc rực rỡ của các dung dịch hạt vàng, bạc tùy thuộc vào hình Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên dạng và kích thước hạt, người ta có thể tạo ra các dung dịch với mầu sắc khác nhau theo ý muốn bằng cách khống chế hình dạng và kích thước hạt. Đến thế kỷ 19, năm 1850 Faraday chế tạo các hạt vàng và nhận ra rằng mầu sắc của dung dịch chứa hạt vàng được quyết định bởi kích thước hạt, thì bản chất của các mầu sắc đó mới được làm sáng tỏ. Năm 1897, Richard Zsigmondy một nhà hóa học người Đức đã chứng minh được rằng màu đỏ tía của men sứ (thường gọi là màu Cassius) là sự kết hợp của hạt keo vàng và axit Stannic.

Nhờ phát minh này ông đã được giải Nobel năm 1925. Năm 1908 Mie đã giải thích các tính chất quang đặc biệt của hạt vàng do hấp thụ và tán xạ plasmon bề mặt. Điều này không chỉ đúng với các hạt keo vàng mà nó còn đúng với các hạt nano kim loại quý nói chung, trong đó nano bạc cho các tính chất quang hoàn toàn phù hợp với với lý thuyết Mie.3: Phổ hấp thụ plasmon và mầu sắc dung dịch của các hạt nano bạc phụ thuộc vào hình dạng của nó [6]. a) Cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance-SPR) Plasmon: dao động tập thể của các điện tử tự do ở các tần số quang học.

Plasmon bề mặt (Surface plasmon): dao động của điện tử tự do ở bề mặt của hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): cộng hưởng plasmon bề mặt là sự kích thích tập thể đồng thời của tất cả các điện tử “tự do” trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha (hình 1.4: Hiện tượng plasmom bề mặt hạt nano kim loại khi bị kích thích bởi bức xạ điện từ Một trong những tính chất quang học quan trọng nhất của hạt nano bạc đó là hiện tượng plasmon bề mặt. Khi ánh sáng (bức xạ điện từ) tương tác với bề mặt kim loại, nó kích thích các điện tử lớp ngoài cùng của kim loại làm cho các điện tử này dao động, toàn bộ khối điện tử dịch chuyển về một phía, để lại các ion nút mạng tinh thể. Khi đó, khối kim loại sẽ bị phân cực. Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của hạt nano về phần mình sẽ hoạt động như một lực hồi phục của lò xo (Restoring Force).

Như vậy, một dao động lưỡng cực của các điện tử với một chu kì T được tạo ra.4 mô tả sự hình thành dao động lưỡng cực của các điện tử trên bề mặt hạt nano kim loại. Theo lý thuyết Mie, đối với các hạt nano dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: (i) thứ nhất là hình dạng và kích thước của hạt nano, (ii) thứ hai là bản chất của vật liệu, (iii) thứ ba là môi trường xung quanh của hạt nano. Lý thuyết Mie được áp dụng cho các hệ có nồng độ hạt nhỏ và bỏ qua tương tác giữa các hạt nano [7]. Đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano bạc sẽ dịch về phía bước sóng ngắn khi kích thước hạt giảm và dịch về bước sóng dài khi kích thước của hạt nano bạc tăng lên [7].

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Hình 1.5: Sử dụng lý thuyết Mie để tính toán và xác định hiệu suất quang của của các hạt nano bạc có hình dạng khác nhau [8] b) Lý thuyết Mie Các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của các hạt keo đã được khảo sát chuyên sâu thông qua tán xạ Mie.