Nghiên cứu tính chất quang và ứng dụng tán xạ Raman của dây nanô silic

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

1. Chương 1: Tổng quan về vật liệu dây nanô silic

1.1. Sơ lược về vật liệu silic khối

1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây nanô Si

1.2.1. Cách tiếp cận “từ dưới lên”

1.2.2. Cơ chế hơi – lòng – rắn

1.2.3. Mọc với sự hỗ trợ của ôxít

1.2.4. Tổng hợp trên cơ sở dung dịch

1.2.5. Cách tiếp cận “từ trên xuống”

1.2.6. Phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại

1.2.7. Phương pháp ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại

1.3. Các tính chất của vật liệu dây nanô Si

1.3.1. Tính chất điện

1.3.2. Huỳnh quang của vật liệu dây nanô Si

1.3.3. Tính chất nhiệt

1.4. Ứng dụng của vật liệu dây nanô Si

1.4.1. Các pin ion Li

1.4.2. Pin mặt trời

1.4.3. Các ứng dụng sinh học

1.4.3.1. Xét nghiệm tế bào

1.4.3.2. Sự chuyển gen

1.4.3.3. Dẫn thuốc

1.4.4. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt

1.4.5. Tranzito hiệu ứng trường

1.5. Các phương pháp khảo sát cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các hệ dây nanô Si

1.5.1. Các phương pháp khảo sát hình thái, thành phần và cấu trúc của hệ SiNW

1.5.1.1. Khảo sát hình thái của các hệ SiNW bằng kính hiển vi điện tử quét

1.5.1.2. Khảo sát hình dáng và kích thước của các SiNW bằng kính hiển vi điện tử truyền qua

1.5.1.3. Phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng lượng tia X

1.5.2. Phương pháp ghi phổ huỳnh quang

1.5.3. Phương pháp Raman khảo sát ứng dụng của vật liệu SiNW

1.6. Kết luận Chương 1

2. Chương 2: Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại

2.1. Giới thiệu chung về phương pháp ăn mòn

2.1.1. Phương pháp ăn mòn khô

2.1.2. Phương pháp ăn mòn ướt

2.2. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp MACE

2.2.1. Sự phun lỗ trống và vai trò của kim loại

2.2.2. Sự chuyển khối lượng

2.2.3. Sự chuyển khối lượng

2.2.4. Công nghệ ăn mòn MACE đã được áp dụng để chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si trong luận án

2.2.4.1. Vật liệu ban đầu

2.2.4.2. Dung dịch lắng đọng kim loại và dung dịch ăn mòn

2.2.5. Quy trình chế tạo hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MACE

2.2.6. Chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MACE

2.2.7. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo và vật liệu ban đầu lên cấu trúc của các hệ ASiNW trên đế Si chế tạo bằng phương pháp MACE

2.2.7.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trong dung dịch lắng đọng Ag lên cấu trúc của các hệ ASiNW

2.2.7.2. Ảnh hưởng của vật liệu ban đầu lên cấu trúc của các hệ ASiNW

2.2.7.3. Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn lên cấu trúc của các hệ ASiNW

2.2.7.4. Ảnh hưởng của dung dịch ăn mòn lên cấu trúc của các hệ ASiNW

2.3. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp MAECE

2.3.1. Sự phun lỗ trống trong ăn mòn anốt

2.3.2. Cơ chế ăn mòn trực tiếp và ăn mòn gián tiếp

2.3.3. Công nghệ ăn mòn MAECE đã được áp dụng để chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si trong luận án

2.3.3.1. Vật liệu ban đầu, các dung dịch lắng đọng và dung dịch ăn mòn

2.3.3.2. Hệ điện hóa sử dụng để chế tạo hệ ASiNW

2.3.4. Quy trình chế tạo hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MACE

2.3.5. Chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MAECE

2.3.6. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên cấu trúc của các hệ ASiNW

2.3.6.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trong dung dịch lắng đọng Ag

2.3.6.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hóa

2.3.6.3. Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn

2.4. Kết luận Chương 2

3. Chương 3: Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW

3.1. Lý thuyết chung về sự phát quang của vật liệu silic cấu trúc nanô

3.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử

3.3. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và sự thụ động hóa bề mặt

3.4. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và các trạng thái bề mặt

3.5. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và các sai hỏng trong SiO2

3.6. Áp dụng lý thuyết chung về sự phát quang của vật liệu Si cấu trúc nanô để giải thích các kết quả đã thu được về PL của các hệ ASiNW

3.7. Các kết quả và thảo luận về PL của các mẫu ASiNW

3.8. Kết luận Chương 3

4. Chương 4: Ứng dụng hệ ASiNW trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt

4.1. Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt

4.2. Các cơ chế tăng cường SERS

4.2.1. Cơ chế tăng cường điện từ

4.2.2. Cơ chế tăng cường hóa học

4.3. Hệ số tăng cường SERS

4.3.1. Hệ số tăng cường đơn phân tử

4.3.2. Hệ số tăng cường đế SERS

4.3.3. Hệ số tăng cường phân tích

4.3.4. Hệ số tăng cường được ước tính dựa trên phép đo mặt cắt ngang

4.4. Các ứng dụng của SERS

4.4.1. Ứng dụng trong các cảm biến sinh học

4.4.2. Ứng dụng trong các phân tích môi trường

4.4.3. Ưu điểm và nhược điểm của SERS

4.5. Ứng dụng các hệ ASiNW trong SERS

4.5.1. Quy trình chế tạo đế SERS từ hệ ASiNW trên đế Si

4.5.2. Sử dụng các hệ ASiNW thẳng đứng có phủ các AgNP (AgNPs/VASiNW) để phát hiện các phân tử MG nồng độ thấp thông qua hiệu ứng SERS

4.5.3. Sử dụng các hệ ASiNW xiên có phủ các AgNP (AgNPs/OASiNW) để phát hiện các phân tử MG nồng độ thấp thông qua hiệu ứng SERS

4.5.4. Sử dụng các hệ AgNPs/OASiNW để phát hiện các phân tử thuốc diệt cỏ paraquat thông qua hiệu ứng SERS

4.6. Kết luận Chương 4

Kết luận

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu dây nanô silic

Vật liệu dây nanô silic (SiNW) đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu vật liệu nano nhờ vào các tính chất quang độc đáo của nó. Silic là một trong những nguyên liệu phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử và quang học. Các tính chất vật lý của SiNW, như tính chất điện và tính chất quang, có thể được cải thiện đáng kể so với silic khối. Nghiên cứu cho thấy rằng hiệu ứng giam giữ lượng tử trong SiNW dẫn đến sự thay đổi trong tính chất quang của vật liệu, làm cho nó trở thành một ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong quang học và cảm biến. Các phương pháp chế tạo SiNW như ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa đã được phát triển để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu. Những nghiên cứu này không chỉ mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu vật liệu mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như y học và công nghệ sinh học.

1.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây nanô Si

Các phương pháp chế tạo dây nanô silic bao gồm cách tiếp cận từ dưới lên và cách tiếp cận từ trên xuống. Phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kim loại (MACE) là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để tạo ra SiNW với cấu trúc đồng nhất và kích thước nhỏ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số như nồng độ dung dịch và thời gian ăn mòn có thể ảnh hưởng lớn đến hình thái và cấu trúc của SiNW. Các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng tán xạ Raman có thể được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của SiNW, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong cảm biến sinh học và phân tích môi trường.

II. Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW

Nghiên cứu về tính chất huỳnh quang của dây nanô silic (ASiNW) đã chỉ ra rằng hiệu ứng giam giữ lượng tử có thể làm tăng cường cường độ phát quang. Các mẫu ASiNW cho thấy sự phát quang mạnh mẽ khi được kích thích bằng ánh sáng. Điều này có thể được giải thích thông qua các trạng thái điện tử trong SiNW, nơi mà các trạng thái bề mặt và sai hỏng có thể ảnh hưởng đến tính chất quang. Các kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc bề mặt có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong tính chất quang của vật liệu. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong việc hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của SiNW mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong cảm biến và quang học.

2.1. Hiệu ứng giam giữ lượng tử

Hiệu ứng giam giữ lượng tử trong dây nanô silic đã được nghiên cứu sâu sắc. Khi kích thước của SiNW giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, các trạng thái điện tử trong vật liệu bắt đầu thay đổi, dẫn đến sự thay đổi trong tính chất quang. Nghiên cứu cho thấy rằng tính chất điện và tính chất quang của SiNW có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi kích thước và hình dạng của chúng. Điều này mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học và quang học, nơi mà tán xạ Raman có thể được sử dụng để phát hiện các phân tử ở nồng độ thấp.

III. Ứng dụng hệ ASiNW trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt

Ứng dụng của hệ ASiNW trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát hiện các phân tử ở nồng độ thấp. Tán xạ Raman là một kỹ thuật mạnh mẽ cho phép phân tích các chất hóa học thông qua việc đo cường độ tán xạ ánh sáng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng hạt nanô bạc (AgNP) trên bề mặt ASiNW có thể tạo ra hiệu ứng tăng cường mạnh mẽ, giúp nâng cao độ nhạy của phương pháp SERS. Các ứng dụng của SERS trong cảm biến sinh học và phân tích môi trường đã được chứng minh là rất hiệu quả, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các thiết bị phân tích mới.

3.1. Các cơ chế tăng cường SERS

Có hai cơ chế chính trong tán xạ Raman tăng cường bề mặt: cơ chế tăng cường điện từ và cơ chế tăng cường hóa học. Cơ chế tăng cường điện từ liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng và hạt nanô kim loại, trong khi cơ chế tăng cường hóa học liên quan đến sự hấp phụ của phân tử lên bề mặt hạt nanô. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo và cấu trúc bề mặt có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất của SERS. Điều này có thể mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như phân tích môi trường và cảm biến sinh học, nơi mà việc phát hiện các phân tử ở nồng độ thấp là rất quan trọng.

Luận án về tính chất quang và ứng dụng tán xạ Raman của hệ dây nanô silic