Luận văn Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại lên sự phát xạ của chất phát Huỳnh Quang

Lời cam đoan . i

Lời cảmơn. ii

Mục lục .iii

Danh mục các bảng. iv

Danh mục các hình . v

MỞ ĐẦU.1

1. Lí do chọn đề tài .1

2. Mục tiêu nghiên cứu .3

3. Phương pháp nghiên cứu .3

4. Nội dung của đề tài nghiên cứu.4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON

BỀ MẶT.5

1.1. Cộng hưởng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại.5

1.1.1. Khái niệm cộng hưởng Plasmon bề mặt.5

1.1.2. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon theo lý thuyết

điện từ học .6

1.1.3. Lý thuyết Mie .10

1.2. Một số ứng dụng của hiệu ứng plasmon bề mặt.15

1.2.1. Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt lên huỳnh quang của chất

phát quang - Các mô hình về tương tác giữa chất phát quang và kim loại .16

1.2.2. Một số cấu hình plasmonic hoạt động.22

Chương 2: CÁC PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM.24

2.1. Các phương pháp đo phổ.24

2.1.1. Phép đo phổ hấp thụ .24

2.1.2. Phép đo phổ huỳnh quang .26

2.2. Phương pháp hiện ảnh: Kính hiển vi huỳnh quang .27

pdf61 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 23/02/2022 | Lượt xem: 84 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại lên sự phát xạ của chất phát Huỳnh Quang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ho bởi: A = (NabsL/ln10) (1.28) trong đó abs là tiết diện hấp thụ của kim loại và L là quang trình của ánh sáng. Số hạt trong một đơn vị thể tích dễ dàng được xác định từ số mol của chúng. Tiết diện tán xạ sca cũng được tính từ lý thuyết Mie như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 4 2 2 sca 2 2 2 r 2 i k V 27σ = |ε - 1| 18π (ε + 2ε ) + ε         (1.29) Các hiệu suất tán xạ, hiệu suất dập tawqts được tính qua tiết diện tán xạ, tiết diện dập tắt, và tiết diện hấp thụ như sau [1]: sca ext abs sca ext abs σσ Q = , Q = , Q = S S S  (1.30) với S là diện tích hạt cầu S = R2, R là bán kính hạt cầu. Các hiệu suất này cho thấy khả năng một hạt tán xạ ánh sáng ra ngoài tiết diện vật lý của nó. Chúng trở nên lớn hơn một đơn vị tại vị trí gần bề mặt hạt là do trường gần bề mặt của hạt có thể lớn hơn giá trị trường trung bình của ánh sáng tới môi trường xung quanh hạt. Phương trình (1.29) và (1.30) cho thấy abs tăng cùng với R3 trong khi đó sca tỷ lệ với R6. Do đó các hạt keo kim loại có kích thước lớn hơn sẽ có tỷ lệ tiết diện tán xạ trên tiết diện dập tắt lớn [1].Đối với các hạt lớn hơn, các mode dao động bậc cao hơn càng trở nên chiếm ưu thế do ánh sáng không thể phân cực các hạt nano một cách đồng nhất gây ra tác dụng trễ của trường điện từ qua hạt nano làm dịch chuyển và mở rộng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Các mode bậc cao có đỉnh ở năng lượng thấp hơn do đó dải Plasmon dịch về đỏ với sự tăng kích thước hạt. Kết quả là phù hợp với lý thuyết Mie: hạt nano kim loại có kích thước càng lớn thì đỉnh hấp thụ plasmon càng dịch về phía sóng dài. Hình 1.8 trình bày phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của các dung dịch hạt keo vàng kích thước khác nhau: đỉnh hấp thụ plasmon càng dịch về phía sóng dài khi kích thước hạt tăng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Hình 1.8.Phổ hấp thụ cộng hưởng plasmon của các hạt nano vàng kích thước thay đổi [15]. 1.2. Một số ứng dụng của hiệu ứng plasmon bề mặt Các ứng dụng của hiệu ứng plasmon bề mặt có thể được gọi chung là các nghiên cứu lĩnh vực plasmonic. Vật liệu cho hiệu ứng cộng hưởng plasmon gọi chung là các vật liệu plasmonics. Plasmonics là một lĩnh vực đầy hứa hẹn của khoa học và công nghệ. Lĩnh vực này khai thác sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất thông qua hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt cho nhiều tính chất và chức năng khác nhau.Các dao động plasmon bề mặt có thể lan truyền dọc theo mặt phân cách kim loại - điện môi (plasmon polariton, SPP) hoặc bị giam giữ trên một cấu trúc nhỏ hơn bước sóng (cộng hưởng plasmon định xứ, LSPR, ví dụ như một hạt nano kim loại). Sau khi được kích thích, các dạng của SPR có thể giam giữ trường điện từ của ánh sáng ở một thang nhỏ hơn bước sóng, dẫn đến sự tăng cường đáng kể của trường định xứ và cho phép điều khiển ánh sáng dưới giới hạn nhiễu xạ. Khả năng hấp dẫn của SPR làm cho các vật liệu plasmonic có tiềm năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quang tử, hóa học, năng lượng, y - sinh và khoa học sự sống. Trong các ứng dụng đó, điều khiển huỳnh quang của chất phát quang bới vật liệu plasmonic và các cấu hình plasmonic hoạt động đang được quan tâm nghiên cứu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 1.2.1. Ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt lên huỳnh quang của chất phát quang - Các mô hình về tương tác giữa chất phát quang và kim loại Sự tương tác giữa các chất phát huỳnh quang với các hạt nano kim loại và các bề mặt kim loại đã được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ như phát triển các xét nghiệm dựa trên sự dập tắt huỳnh quang của các hạt phát quang bởi các hạt nano vàng dạng keo hay sự phát xạ trực tiếp từ các chất phát huỳnh quang ở gần các màng kim loại mỏng [13]. Các nghiên cứu đã chỉ ra một chất phát quang khi ở gần một bề mặt kim loại thì huỳnh quang của nó có thể được tăng cường hoặc dập tắt (hay bị giảm). Sự phát xạ hoặc dập tắt của một hạt phát quang gần các bề mặt kim loại có thể được dự đoán từ các tính chất quang của các cấu trúc kim loại sử dụng các tính toán từ điện động lực, lý thuyết Mie, hoặc từ các phương trình Maxwell. Theo lý thuyết Mie, sự dập tắt hay tăng cường huỳnh quang do các hạt nano keo kim loại gây ra phụ thuộc vào sự hấp thụ hoặc tán xạ. 1.2.1.1. Mô hình tương tác lưỡng cực - lưỡng cực Các nghiên cứu chỉ ra đối với một chất phát quang đặt gần một cấu trúc nano kim loại, tùy thuộc vào khoảng cách giữa chúng (chính xác hơn là tùy thuộc vào cấu hình quang học), huỳnh quang của chất phát quang có thể được tăng cường hoặc bị dập tắt. Sự tương tác này phụ thuộc vào hướng của vectơ mô men lưỡng cực của chất phát quang so với bề mặt kim loại. Hình 1.9 trình bày 2 hướng vuông góc và song song của mô men lưỡng cực của một chất phát quang so với bề mặt kim loại. Hình 1.9.Minh họa hương song và vuông góc của một lưỡng cực dao động dặt gần một bề mặt kim loại [14] Ảnh của moment lưỡng cực trên một bề mặt của kim loại được minh họa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN như trên hình 1.10. Sự tương tác quang của một chất phát huỳnh quang với một bề mặt kim loại ở đây được mô hình hóa như là sự tương tác của một lưỡng cực dao động với một bề mặt kim loại dẫn điện hay tương tác lưỡng cực - lưỡng cực [14]. Quá trình tương tác giữa lưỡng cực của chất phát huỳnh với điện tử tự do gần bề mặt hạt nano kim loại sẽ làm cho dao động lưỡng cực của chất phát huỳnh quang tắt dần hoặc được tăng cường tùy thuộc vào hướng của mô men lưỡng cực của chất phát quang. Bề mặt kim loại được ví như một chiếc gương và tạo ra ảnh của vector moment lưỡng cực. Với những vector moment lưỡng cực vuông góc với bề mặt kim loại, ảnh tạo ra trên bề mặt kim loại có thể nâng cao trường điện định xứ của lưỡng cực qua quá trình cộng hưởng (hình 1.10, bên phải). Với những vector moment lưỡng cực song song với bề mặt kim loại thì ảnh của nó trên bề mặt kim loại có hướng ngược moment lưỡng cực phân tử ban đầu (hình 1.10 bên trái), làm đóng góp vào quá trình làm tắt dần dao động lưỡng cực của phân tử. Quá trình làm tắt dần dao động lưỡng cực của phân tử tương ứng quá trình dập tắt trạng thái kích thích của phân tử, tức là có sự truyền năng lượng từ phân tử chất màu tới hạt kim loại. Cơ chế truyền năng lượng này được gọi là truyền năng lượng bề mặt (surface energy transfer - SET). Hình 1.10.Minh họa ảnh vector moment lưỡng cực phân tử chất phát quang trên một bề mặt kim loại: Hình trái là ảnh vector moment lưỡng cực song song bề mặt kim loại, quá trình này làm giảm dao động lưỡng cực phân tử; Hình phải là ảnh vector moment lưỡng cực vuông góc bề mặt kim loại, quá trình này có thể nâng cao trường điện định xứ của lưỡng cực. 1.2.1.2. Mô hình plasmon bức xạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Tương tác giữa chất phát quang - kim loại dẫn đến kết quả tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của chất phát quang còn được giải thích bằng mô hình plasmon bức xạ (radiating plasmon - RP). Mô hình plasmon bức xạ (radiating plasmon - RP) được Lakowicz đưa ra [13] đưa ra để giải thích tương tác giữa chất phát quang - kim loại với kết quả là tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của chất phát quang. Mô hình này được phát biểu như sau: “Trong trường hợp có tăng cường huỳnh quang, các plasmon tạo ra trên bề mặt kim loại có thể được bức xạ vào không gian tự do - gọi là các plasmon bức xạ - đóng góp vào trường điện của chất phát quang, làm tăng cường huỳnh quang”. Khoảng cách mà chất phát quang có thể tương tác với kim loại là do các bức xạ huỳnh quang của chất phát quang đáp ứng phương trình 1.4. Khả năng một plasmon bức xạ hoặc không bức xạ được giải thích như sau: Khi có ánh sáng kích thích tới chất phát quang, phát xạ huỳnh quang của chất phát quang sẽ kích thích các plasmon của bề mặt kim loại. Nếu các plasmon bức xạ được ra trường xa, chúng ta có sự tăng cường huỳnh quang của chất phát quang do bức xạ của các plasmon có tần số trùng với tần số của sóng ánh sáng tới. Nếu các plasmon không bức xạ được, huỳnh quang của chất phát quang bị dập tắt, do kim loại hấp thụ ánh sáng huỳnh quang của chất phát quang. Từ đây ta thấy, các hạt kim loại keo kích thước nhỏ được mong đợi là làm dập tắt huỳnh quang vì quá trình hấp thụ chiếm ưu thế so với sự tán xạ, còn các hạt keo kích thước lớn được mong đợi làm tăng trưởng huỳnh quang vì thành phần tán xạ chiếm ưu thế so với sự hấp thụ. Khả năng một bề mặt kim loại hấp thụ hay phản xạ ánh sáng là do các yêu cầu kết hợp vector sóng của sóng ánh sánh tới và vectơ sóng plasmon ở mặt phân cách kim loại - điện môi. 1.2.1.3. Sự tăng cường và dập tắt huỳnh quang bởi các cấu trúc nano kim loại Các cấu trúc nano kim loại được sử dụng phổ biến để điều khiển huỳnh quang của các chất phát quang là các cấu trúc nano vàng và bạc. Đã có khánhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano vàng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN và bạc lên huỳnh quang của các hạt phát quang đặt gần đó. Các cấu trúc nano kim loại có thể làm tăng cường hoặc dập tắt huỳnh quang của các chất phát quang tùy thuộc vào cấu hình quang học giữa chất phát quang và kim loại. Sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang của các hạt phát quang khi đặt gần các hạt kim loại có thể được giải thích theo mô hình plasmon bức xạ như trên và các tính chất quang của các hạt keo kim loại. Hệ số dập tắt của các hạt keo kim loại do hai thành phần quyết định đó là hấp thụ và tán xạ. Sự phân bố tương đối giữa hấp thụ và tán xạ trong hệ số dập tắt phụ thuộc vào từng kim loại và kích thước của chúng. Ánh sáng tới gây ra các dao động điện tích trong các hạt keo kim loại tương tự như trong trường hợp đối với màng kim loại, và các dao động điện tích có thể phát xạ năng lượng như là một sóng lan truyền trường xa. Theo mô hình plasmon bức xạ, sự hấp thụ của các hạt kim loại sẽ gây ra sự dập tắt huỳnh quang và thành phần tán xạ sẽ làm tăng cường huỳnh quang. Các nghiên cứu chỉ ra khi đưa một chất phát quang vào gần một cấu trúc kim loại, luôn có sự truyền năng lượng một chiều từ chất phát quang sang kim loại (tương tự như quá trình truyền năng lượng huỳnh quang giữa hai chất phát quang) do thời gian sống của điện tử trong kim loại là rất ngắn ~ 10 fs [9]. Sự thay đổi cường độ huỳnh quang của một chất phát quang khi có mặt hạt kim loại phụ thuộc vào cả hai quá trình hấp thụ và tán xạ của hạt kim loại. Nếu quá trình hấp thụ chiếm ưu thế, huỳnh quang của chất phát quang sẽ bị dập tắt. Quá trình hấp thụ gây ra các plasmon định xứ trên bề mặt kim loại, các plasmon này là các sóng tiêu tán trên bề mặt kim loại. Nếu quá trình tán xạ hay kích thích các plasmon bức xạ ra không gian tự do chiếm ưu thế, cường độ huỳnh quang sẽ được tăng cường. Lúc đó hiệu suất lượng tử của chất phát quang sẽ tăng. Hai quá trình này có thể được mô tả là tương ứng với hai cơ chế truyền năng lượng: truyền năng lượng Förster (tương tự như truyền năng lượng giữa 2 chất phát quang) từ hạt phát huỳnh quang tới các hạt nano kim loại làm dập tắt huỳnh quang; và tăng cường trường plasmon ở tần số phát xạ huỳnh quang (plasmon liên kết tăng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN cường huỳnh quang) làm tăng cường huỳnh quang [14]. Sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang giữa một phần tử chất phát quang và một hạt nano kim loại có thể được minh họa như trên hình 1.11. Chất phát quang đóng vai trò là donor - chất cho và hạt nano kim loại đóng vai trò là chất nhận - acceptor. Ánh sáng huỳnh quang từ chất phát quang đến kích thích các plasmon bề mặt của hạt nano kim loại, kết quả là huỳnh quang của chất phát quang có thể được tăng cường hoặc dập tắt. Hình 1.11. Minh họa sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang giữa phát chất huỳnh quang (donor) và hạt nano kim loại (acceptor) [14] Theo lý thuyết truyền năng lượng, sự truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang hay truyền năng lượng Förster (FRET) là sự truyền năng lượng không bức xạ phụ thuộc vào khoảng cách từ một chất phát huỳnh quang bị kích thích (donor) lên một chất nhận (acceptor) phù hợp thông qua tương tác lưỡng cực Coulomb. Điều kiện để có FRET xảy ra là phải có sự chồng chập giữa phổ phát xạ của donor D và phổ hấp thụ của acceptor A; donor và acceptor coi như 2 lưỡng cực dao động định hướng song song; và sự truyền năng lượng xảy ra trong một khoảng cách phù hợp nhất định (thông thường từ 1 đến 10 nm đối với 2 phần tử chất màu hữu cơ). Hiệu suất truyền năng lượng được cho bởi biểu thức: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN FRET 6 FRET 1 E = 1+(R/R ) (1.45) trong đó R là khoảng cách giữa D và A, RFRET là bán kính Förster (bán kính mà tại đó cường độ huỳnh quang của donor giảm đi một nửa). Các kết quả thực nghiệm gần đây cho thấy rằng sự truyền năng lượng giữa chất phát huỳnh quang (donor D) và hạt nano kim loại (acceptor A) giống như sự truyền năng lượng từ một lưỡng cực dao động cho một bề mặt kim loại (truyền năng lượng bề mặt - SET) với hiệu suất truyền năng lượng tỷ lệ với bậc 4 của khoảng cách và được cho bởi biểu thức: SET 4 SET 1 E = 1+(R/R ) (1.31) trong đó RSET là bán kính truyền năng lượng bề mặt SET tương tự như bán kính Förster. Đối với bài toán hiệu ứng plasmon bề mặt, trong các tài liệu nghiên cứu có liên quan cho thấy còn có tồn tại một cơ chế truyền năng lượng nữa là cơ chế truyền năng lượng Coulomb (CET) bằng cách phát xạ plasmon - cơ chế này làm tăng cường huỳnh quang. Tương tự như các trường hợp FRET và SET, hiệu suất truyền năng lượng trong CET được cho bởi: CET 2 CET 1 E = 1+(R/R ) (1.32) ở đây RCET là bán kính tương tác CET, tương tự như bán kính Förster. Tại R = RFRET, RSET và RCET, một nửa năng lượng kích thích của D được truyền tới hạt nano kim loại A. Tốc độ truyền năng lượng kE được xác định: kE GDGA (1.33) trong đó, GA và GD các hệ số tương tác của donor và acceptor [20]. Những hệ số này có thể được đơn giản hóa theo nghịch đảo khoảng cách phụ thuộc vào sự sắp xếp hình học của các lưỡng cực: lưỡng cực đơn: G 1/R3, lưỡng cực 2 chiều: G 1/R và lưỡng cực 3 chiều: G  const. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Trong trường hợp của FRET, D và A là hai lưỡng cực đơn, do đó tốc độ truyền sẽ tỷ lệ với: kFRET GDGA GDiopleGDiople(1/R3)(1/ R3) = 1/R6 (1.34) Tương tự, tốc độ truyền năng lượng từ một lưỡng cực đến một bề mặt kim loại được mô tả sự chuyển đổi liên vùng (interband), được tiếp tục mở rộng đến các electron dẫn trong các kim loại, với tốc độ truyền năng lượng bề mặt SET là: kSET GDGA GDiopleGSurf(1/R3)(1/R) = 1/R4 (1.35) Tương tự, tốc độ truyền CET là : kCET GDGA GSurfGSurf(1/R)(1/R) = 1/R2 (1.36) Như vậy, năng lượng truyền đến một bề mặt theo các khoảng cách rất khác nhau và độ lớn tương tác là khác nhau. Do đó sự tăng cường hay dập tắt huỳnh quang phụ thuộc vào các tốc độ truyền năng lượng khác nhau hay cấu hình quang học giữa donor và acceptor. 1.2.2.Một số cấu hình plasmonic hoạt động Thuật ngữ “plasmonic hoạt động” được quy cho các thiết bị chứa các cấu trúc vật liệu có hiệu ứng cộng hưởng plasmon kết hợp với đầu vào điều khiển vật lý hoặc hóa học. Các plasmonic hoạt động là một khía cạnh đang phát triển và đầy thách thức của lĩnh vực nghiên cứu plasmonics (các nghiên cứu về cấu trúc vật liệu có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt). Nó khai thác sự kiểm soát tích cực của cộng hưởng plasmon bề mặt, mối quan hệ lý thuyết giữa cộng hưởng plasmon bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng của nó, tạo cơ sở cho việc nghiên cứu về kiểm soát plasmon hoạt động. Các ứng dụng này được gọi là các hệ plasmonic hoạt động (active plasmonics system) với nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi phản ứng về màu sắc do hiện tưởng cộng hưởng plasmon bề mặt. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt được ứng dụng trong các cấu trúc plasmonic hoạt động điển hình là cấu trúc plasmonic trong môi trường điện môi có thể điều chỉnh, cấu trúc plasmonic với khoảng cách khoảng cách điều chỉnh và cấu trúc plasmonic tự điều chỉnh. Các ứng dụng có thể kể đến như các thiết bị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN chuyển đổi nano, nghiên cứu công tắc điện trở với ánh sáng, màng khóa siêu vật liệu plasmonic, cảm biến plasmonic, tán xạ Raman tăng cường bề mặt có thể điều chỉnh, các thành phần plasmonic hoạt động trong cửa sổ thông minh điện hóa; stretchable plasmonics (plasmonics kéo dài) với sự kết hợp một cấu trúc kim loại với vật liệu đàn hồi mềm cho phép tạo ra các thiết bị plasmonic có thể bị biến dạng để thay đổi màu sắc; thiết bị plasmonics lượng tử sử dụng hiệu ứng sự xuyên hầm lượng tử của các electron từ hạt nano kim loại này sang hạt nano kim loại khác làm thay đổi các plasmonics khi hai hạt kim loại tiến gần hơn 1nm, do đó có thể phát triển một cách mới để đo màu sắc của ánh sáng trong các khoảng trống nano bằng cách chỉ ra trực tiếp cách đường hầm lượng tử thay đổi quang học [7, 5]. Trong đề tài này, thí nghiệm truyền năng lượng được nghiên cứu giữa các hạt nano kim loại vàng dạng keo và các chất phát quang trên cơ sở chất màu hữu cơ được thực hiện nhằm phục vụ cho ứng dụng tạo các plasmonic hoạt động, đồng thời nghiên cứu các điều kiện để có sự tăng cường và dập tắt huỳnh quang và cơ chế truyền năng lượng tương ứng với các điều kiện đó. Các màng nano kim loại bạc cũng được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của accs plasmon bề mặt lên một chất phát quang đặt trên nó. Chương 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN CÁC PHÉP ĐO THỰC NGHIỆM Các phép đo thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các cấu trúc nano kim loại lên sự phát xạ của chất phát huỳnh quang bao gồm các phép đo phổ quang học như hấp thụ, huỳnh quang, và các phương pháp hiện ảnh bằng kính hiển vi huỳnh quang. 2.1. Các phương pháp đo phổ 2.1.1. Phép đo phổ hấp thụ Phổ hấp thụ là đường biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ α của môi trường vật vào bước sóng của ánh sáng tới. Đối với các hạt nano vàng, để khảo sát tính chất hấp thụ plasmon, chúng tôi tiến hành đo phổ hấp thụ của chúng trong vùng nhìn thấy đến tử ngoại gần. Việc quan sát thấy sự dịch chuyển của đỉnh hấp thụ về phía các bước sóng ngắn đối với các hạt vàng kích thước nhỏ hơn là một bằng chứng thực nghiệm quan trọng chứng tỏ tiết diện tắt và tiết diện hấp thụ phụ thuộc vào kích thước hạt. Chiếu một chùm tia sáng đơn sắc có cường độ I0 song song vào một môi trường vật chất có bề dày l (cm) và nồng độ C (mol/l), chùm tia này sẽ bị môi trường hấp thụ và truyền qua. Cường độ I của chùm tia truyền qua môi trường này bị giảm theo định luật Lambert - Beer: ln (I0/I) = K hay: ln (I0/I)= lC Trong đó: Klà hệ số hấp thụ;  là số mol chất nghiên cứu đặt trên đường đi của bức xạ Đại lượng ln(I0/I) gọi là mật độ quang (D) hay độ hấp thụ (A),  là hệ số tắt có giá trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ bằng một đơn vị và độ dày chất hấp thụ bằng một đơn vị. Hệ số  chỉ phụ thuộc vào vật liệu hấp thụ và bước sóng.Độ truyền qua của môi trường: T= I / I0. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Sự hấp thụ thường tập trung vào từng vùng phổ, cho nên để thuận lợi, người ta thường biểu diễn và xem xét từng vùng phổ riêng biệt như vùng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại.Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào tần số hoặc bước sóng gọi là đường cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bước sóng khác nhau. Nguyên tắc đo phổ hấp thụ: Nếu chiếu một bức xạ đơn sắc cường độ I0() tới một mẫu đồng thể có độ dài l, cường độ I() còn lại ở lối ra khỏi mẫu thì nhỏ hơn I0(). Độ truyền qua được xác định là T () = I()/ I0(), và độ hấp thụ của mẫu được xác định là A() = - log10 T(). Các phổ được vẽ với các thiết bị truyền thống là với "chùm sáng đúp" cho một cách trực tiếp độ truyền qua T(). Với kỹ thuật máy tính hiện nay người ta cũng dùng một cách dễ dàng cả độ truyền qua và độ hấp thụ. Hình 2.1. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis Các máy quang phổ được dùng giống như sự bố trí các máy tán sắc, gồm các lăng kính NaCl hoặc tốt hơn là các cách tử với các kính lọc giao thoa. Hệ quang học với hai chùm tia cho phép nhận được trực tiếp tỷ lệ I / Iref. giữa cường độ I của chùm đã xuyên qua mẫu và cường độ I của chùm đã xuyên qua phần mẫu so sánh. Sự so sánh trực tiếp này cho phép bảo đảm rằng phổ I () và I ref. () được ghi trong cùng một điều kiện. Các phép đo phổ hấp thụ được tiến hành trên hệ máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN quang phổ UV-visible-Nir Absorption Spectrophotometer (nhãn hiệu Cary 5000, Varian) có ở Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Sơ đồ hệ đo hấp thụ được trình bày trên hình 2.1. 2.1.2. Phép đo phổ huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lượng của điện tử khi vật liệu bị kích thích. Nếu phân tử hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy hoặc vùng tử ngoại thì năng lượng hấp thụ sẽ ứng với các mức điện tử như vậy sẽ có chuyển dời điện tử trong phân tử từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác. Phổ huỳnh quang biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào bước sóng phát xạ dưới kích thích bằng ánh sáng dưới bước sóng nhất định nào đó. Từ trạng thái kích thích, điện tử trở về trạng thái cơ bản bằng các con đường khác nhau: hồi phục không bức xạ và hồi phục bức xạ. Phổ huỳnh quang là hàm phân bố năng lượng bức xạ của chất huỳnh quang theo tần số hay bước sóng. Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của các tâm bức xạ và các tác nhân bên ngoài và có một số đặc điểm sau: (1) Tần số huỳnh quang luôn bé hơn tần số của ánh sáng kích thích. Nghĩa là năng lượng huỳnh quang nhỏ hơn năng lượng dùng để kích thích huỳnh quang.Tần số huỳnh quang trong trường hợp này gọi là tần số Stokes. (2) Dạng phổ huỳnh quang không phụ thuộc vào năng lượng ánh sáng kích thích vì sau khi kích thích chỉ cần một thời gian rất ngắn, sự phân bố các phân tử trên các trạng thái kích thích sẽ tuân theo phân bố Boltzmann. (3) Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào các tạp chất nằm trong mẫu. Những tạp chất này ảnh hưởng lớn đến phổ huỳnh quang và trong nhiều trường hợp làm tắt ánh sáng huỳnh quang. Sơ đồ khối hệ đo huỳnh quang: Hình 2.2 mô tả sơ đồ khối của hệ đo huỳnh quang: Tín hiệu kích thích từ nguồn sáng được chiếu lên mẫu để kích thích các điện tử từ trạng thái cơ bản lên các trạng thái kích thích. Tín hiệu huỳnh quang được phân tích qua máy đơn sắc và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN thu nhận tín hiệu qua đầu thu để biến đổi thành tín hiệu đưa ra xử lý. Một photodiode được đặt trước mẫu để theo dõi sự thay đổi công suất nguồn sáng kích thích. Phổ huỳnh quang của các mẫu được đo trên phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse, nguồn kích là đèn Xenon (hình 2.3) tại Trung tâm Điện tử lượng tử, Viện Vật lý, Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hình 2.2. Sơ đồ khối của phép đo quang huỳnh quang Hình 2. 3. Cấu hình chi tiết của một máy phổ kế huỳnh quang Carry Eclipse 2.2. Phương pháp hiện ảnh: Kính hiển vi huỳnh quang Nguồn sáng Đèn Xê-nôn Máy đơn sắc Cửa sập Kính lọc Tấm chia chùm Tấm phân cực Ref - Cell Môđun quang họcMáy đơn sắc Buồng đựng mẫu Điều khiển máy đơn sắc Máy tính Hiển thị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Kính hiển vi huỳnh quang cơ bản là giống kính hiển vi quang thông thường nhưng thêm vào đặc trưng và thành phần để mở rộng khả năng của chúng. Kính hiển vi quang thông thường sử dụng ánh sáng chiếu vào mẫu vật và tạo hình ảnh phóng to của vật đó. Kính hiển vi huỳnh quang sử dụng ánh sáng với cường độ lớn hơn rất nhiều để chiếu vào mẫu vật. Ánh sáng này sẽ kích thích huỳnh quang mẫu vật có bước sóng dài hơn. Kính hiển vi huỳnh quang cũng tạo ra hình ảnh phóng to của vật, nhưng hình ảnh này được tạo trên cơ sở nguồn sáng thứ cấp - ánh sáng huỳnh quang. Trong kính hiển vi huỳnh quang, gương lưỡng sắc (dichroic mirror) được sử dụng để phân tách đường đi của ánh sáng kích thích và ánh sáng phát xạ. Hình 2.4. Gương lưỡng sắc (dichroic mirror) phân tách đường đi của ánh sáng kích thích và ánh sáng phát xạ Gương lưỡng sắc có tính chất phản xạ đặc biệt cho phép phân tách đường đi của hai chùm ánh sáng. Mỗi gương lưỡng sắc có một giá trị bước sóng giới hạn, gọi là giá trị bước sóng chuyển pha, mà ở bước sóng đó 50% ánh sáng truyền qua. Gương sẽ phản xạ những ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn giá trị bước sóng chuyển pha và truyền qua ánh sáng có bước sóng lớn hơn giá trị này. Chính vì tính chất này mà gương có tên gọi là

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_anh_huong_cua_hieu_ung_plasmon_be_mat_cua_cac_cau_t.pdf
Tài liệu liên quan