Luận văn Chế tạo màng nano kim loại quý và tìm hiểu khả năng ứng dụng

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1. Giới thiệu về Platin 4

1.1.1. Tính chất vật lý 4

1.1.2. Tính chất hóa học 4

1.1.3. Một số hợp chất Platin 5

1.1.4. Các hạt nano Pt 7

1.2. Các phương pháp chế tạo màng Pt 8

1.2.1. Phương pháp bốc bay nhiệt 9

1.2.2. Phương pháp bốc bay chùm điện tử 10

1.2.3. Phương pháp phún xạ catot 11

1.2.4. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) 12

1.2.5. Phương pháp mạ điện hóa 14

1.2.6. Phương pháp mạ hóa học 15

1.2.7. Phương pháp polyol 18

1.3. Cảm biến sinh học 20

1.3.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học 20

1.3.2. Cảm biến sinh học điện hóa 21

1.3.3. Ứng dụng màng Platin trong cảm biến sinh học 22

1.4. Phương pháp và định hướng nghiên cứu 25

Chương 2: THỰC NGHIỆM 28

2.1. Chế tạo màng Pt 28

2.1.1. Các hóa chất và thiết bị sử dụng 28

 

docx74 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Lượt xem: 581 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Chế tạo màng nano kim loại quý và tìm hiểu khả năng ứng dụng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
uyển đổi (transducer) là bộ phận chuyển đối các tín hiệu sinh học có nguồn gốc từ tương tác của chất phân tích với đầu thu tín hiệu trở thành tính hiệu khác có thể đo đạc và định lượng. Hệ thống điện tử: Bao gồm các hệ thống điện tử như bộ khuếch đại, phần mềm máy tính và giao diện người dùng có thể hiển thị các kết quả đo đạc một các trực quan. Như vậy có thể tóm gọn lại nguyên lý hoạt động của một cảm biến sinh học như sau: Khi cho đầu thu sinh học tiếp xúc với chất phân tích, sẽ xảy ra phản ứng giữa chất phân tích và đầu thu sinh học tạo ra hoặc làm thay đổi các tín hiệu như điện, nhiệt, quang. Các tín hiệu này được bộ phận chuyển đổi chuyển thành tín hiệu khác có thể đo đạc và định lượng (thường là tín hiệu điện) sau đó được khuếch đại và xử lý bằng phần mềm máy tính để trở thành các tham số vật lý có ý nghĩa rồi được hiển thị lên giao diện tương tác với con người. 1.3.2. Cảm biến sinh học điện hóa Cảm biến điện hóa (electrochemical biosensor) là cảm biến chứa đầu thu sinh học có khả năng phản ứng đặc hiệu với chất cần phân tích tạo ra một tính hiệu điện tỷ lệ với nồng độ của chất cần phân tích đó. Có nhiều cách thức để nhận biết được sự thay đổi điện hóa trong suốt quá trình phản ứng, từ đó có thể phân loại thành các loại cảm biến điện hóa khác nhau như cảm biến dòng, cảm biến thế, cảm biến điện dung 1.3.2.1. Cảm biến đo thế Cảm biến sinh học đo thế (potentiometric biosensor) hoạt động dựa trên nguyên tắc xác định sự khác nhau về điện thế giữa điện cực nhạy ion (ion selective electrode - ISE) và điện cực so sánh (reference electrode) (là điện cực có điện thế không đổi). Sự khác nhau về điện thế giữa hai điện cực là hàm của hoạt độ các ion trong dung dịch điện phân nơi đặt điện cực (điều kiện hoạt động của điện cực đo điện thế là không có dòng điện trong mạch đo, vì thế người ta gọi nó là điện cực có dòng điện bằng không). Điện thế này được xác định theo phương trình Nerst, trong đó điện thế tỷ lệ với hàm logarit của nồng độ chất phân tích. Điện cực nhạy ion (ISE) là điện cực có khả năng tương tác chọn lọc với các ion tích điện cần quan tâm. ISE phải có thế điện cực được thiết lập đủ nhanh và có độ chính xác cao. Trong cảm biến điện hóa, điện cực nhạy ion thường dùng là điện cực màng và điện cực khí được chế tạo từ các kim loại trơ như Pt, Au hoặc từ màng thủy tinh. Trong hầu hết các ứng dụng điện hóa, ngoài điện cực chọn lọc ion ta phải sử dụng thêm một điện cực có điện thế xác định và không đổi. Điện cực này được gọi là điện cực chuẩn hay điện cực so sánh. Điện cực chuẩn phải không tham gia phản ứng với bất kỳ thành phần nào trong dung dịch cần khảo sát, phải thuận nghịch và tuân theo phương trình Nerst, phải có điện thế không đổi theo thời gian và có thể lấy lại giá trị thế ban đầu sau khi có dòng điện nhỏ chạy qua. Hiện nay, điện cực chuẩn thường được sử dụng là điện cực calomel và điện cực Ag/AgCl. 1.3.2.2. Cảm biến đo dòng Cảm biến đo dòng hoạt động dựa trên sự thay đổi của dòng điện chạy trong mạch có nguồn gốc từ sự khử hoặc oxi hóa điện hóa. Thông thường, trong cảm biến dòng, các phân tử đầu thu sinh học sẽ được cố định lên trên điện cực làm việc – working electrode (thường làm bằng Au, C hoăc Pt). Điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh - reference electrode (thường là Ag/AgCl) được cố định không thay đổi và dòng sẽ được đo theo thời gian. Mật độ của các hạt tích điện tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy giữa hai điện cực. 1.3.3. Ứng dụng màng Platin trong cảm biến sinh học Platin có nhiều tính chất quý như ổn định hóa học, dẫn điện tốt có khả năng xúc tác hiệu quả trong nhiều phản ứng hóa học nên được ứng dụng phổ biến để chế tạo cảm biến sinh học, đặc biệt là cảm biến điện hóa. Thông thường, trong ứng dụng này, Pt được lắng đọng dưới dạng màng trên bề mặt của đế hoặc một chất nền nào đó. Màng Pt lúc này trở thành một bộ phận của bộ phận chuyển đổi, có tác dụng cố định các đầu thu sinh học để làm địa điểm cho các phản ứng tương tác giữa đầu thu sinh học và chất phân tích. Nếu diện tích bề mặt càng lớn thì có khả năng lượng đầu thu sinh học được gắn trên bề mặt màng Pt càng nhiều, dẫn đến khi tương tác với chất phân tích, tín hiệu sẽ mạnh hơn và dễ dàng nhận biết được. Vì vậy một trong những vấn đề quan trọng nhất của màng Pt khi ứng dụng làm điện cực là diện tích bề mặt của màng. Ngày nay, với màng có cấu trúc nano, diện tích bề mặt đã được tăng lên một cách đáng kể. Tuy nhiên để chế tạo ra các màng này, người ta thường dùng các phương pháp đắt tiền hoặc đòi hỏi những điều kiện chế tạo đặc biệt như chân không cao hay nguồn điện năng lớn gây khó khăn cho việc sản xuất đại trà trong công nghiệp. Do đó, luận văn này sẽ nghiên cứu phương pháp đơn giản chế tạo màng nano Pt là phương pháp khử Polyol và thử nghiệm ứng dụng màng này để chế tạo điện cực Pt. Một vấn đề quan trọng không kém là phương pháp cố định đầu thu sinh học lên trên bề mặt màng Pt. Liên kết này giữa đầu thu sinh học và màng Pt phải rất bền chặt để có thể ứng dụng tốt trong cảm biến sinh học. Một phương pháp đơn giản và được sử dụng nhiều đó là tạo đơn lớp tự sắp xếp (SAM – Self-Assembled Monolayer). Đây là một phương pháp dễ dàng, thuận tiện để có thể cố định được các đầu thu sinh học chặt chẽ trên bề mặt của màng Pt. 1.3.3.1. Các đơn lớp tự sắp xếp Các đơn lớp tự sắp xếp (SAMs) của các phân tử hữu cơ là các tập hợp phân tử được tạo thành một cách tự nhiên trên bề mặt do hấp thụ và được tổ chức thành các vùng trật tự hơn. Trong một số trường hợp các phân tử tạo thành đơn lớp không tương tác mạnh với chất nền (đế - bề mặt cần tạo SAM), như các mạng lưới siêu phân tử 2 chiều. Trong các trường hợp khác các phân tử sỡ hữu một nhóm chức năng có khả năng liên kết chặt chẽ với đế sẽ làm cho phân tử đó cố định lên trên bề mặt đế. Lợi dụng tính chất này có thể chức năng hóa màng Pt bằng một số chất hữu cơ thích hợp có khả năng tạo SAM trên bề mặt Pt để cố định các đầu thu sinh học. 1.3.3.2. Chức năng hóa bề mặt màng Pt Chức năng hóa màng Pt thực chất là quá trình tạo một lớp hoạt động có chứa các nhóm chức năng (chẳng hạn nhóm OH, NH2, COOH, hay SH) trên bề mặt nhằm mục đích thay đổi tính chất của bề mặt màng. Chức năng hóa bề mặt màng là công việc quan trọng để có thể gắn kết các phân tử sinh học lên bề mặt màng. Màng Pt chỉ có khả năng tạo liên kết bền vững với một số loại nhóm đặc trưng, chẳng hạn như các nhóm thiol, phosphonate, silanes chứ không thể tạo liên kết trực tiếp với các nhóm chức có trong enzyme, DNA hay kháng thể. Vì vậy để gắn kết các phân tử hữu cơ này lên bề mặt màng, cần thiết phải có một chất trung gian vừa có thể cố định trên bề mặt màng vừa có khả năng liên kết với các loại phân tử sinh học. Những chất như vậy gọi là chất chức năng hóa bề mặt. Hình 1.8. Mô hình màng sau khi được chức năng hóa Mô hình màng sau khi chức năng hóa được thể hiện trong hình 1.8. Phân tử của chất chức năng hóa chứa nhóm chức năng có khả năng bắt cặp với các phân tử sinh học và nhóm liên kết có khả năng tạo SAMs trên bề mặt màng mỏng. Hiện này người ta hay dùng các hợp chất chứa nhóm liên kết thiol để chức năng hóa bề mặt vì lưu huỳnh trong nhóm có khả năng liên kết mạnh với bề mặt của nhiều kim loại chẳng hạn như Au, Ag, Cu, Fe và Pt. Trong đó, các alkanethiol mà đặc biệt là 4-ATP được dùng khá phổ biến cho mục đích này. Quy trình chức năng hóa bề mặt màng khá đơn giản, màng có thể được chức năng hóa bằng cách nhúng vào một dung dịch đồng nhất của vật liệu chức năng hóa bề mặt. Sau một thời gian đủ lâu, các nhóm liên kết trong chất chức năng hóa tạo thành SAMs một cách tự nhiên trên bề mặt màng và do đó gắn kết một cách chặt chẽ với màng. Lúc này màng đã sẵn sàng để mang đi gắn kết với các phân tử sinh học. Để xác định và chứng minh được màng đã được chức năng hóa, người ta tiến hành nghiên cứu liên kết giữa màng và phân tử của chất chức năng đó. Thông thường, khi chất chức năng hóa đã cố định lên màng, một liên kết nào đó trong phân tử của chất này sẽ bị phá vỡ và được thay thế bằng liên kết mới với lớp màng bên dưới. Sự mất đi của liên kết cũ và xuất hiện của liên kết mới có thể thấy được thông qua việc nghiên cứu phổ hồng ngoại và phổ Raman. Bằng cách so sánh các phổ của chất chức năng hóa nguyên chất, màng trước và sau khi đã chức năng hóa có thể đi đến kết luận một cách chính xác về việc gắn kết của chất chức năng hóa lên bề mặt của màng. 1.4. Phương pháp và định hướng nghiên cứu Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn phương pháp polyol để tiến hành chế tạo màng platin do những ưu điểm có nó so với các phương pháp khác. Các phương pháp vật lý như bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử hay phún xạ thì yêu cầu chân không cao, nguồn điện năng lớn và đòi hỏi các thiết bị phức tạp được chế tạo một cách chính xác. Điều này làm tăng đáng kể chi phí cho việc lắng đọng màng Pt. Trong khi đó, phương pháp điện hóa lại cần đế dẫn diện có độ ổn định cao được nhúng vào trong một dung dịch điện giải, còn phương pháp mạ hóa học lại cần phủ một lớp xúc tác lên trên bề mặt của đế trước khi tiến hành lắng đọng. Trong bối cảnh đó, lắng đọng màng Pt bằng cách khử polyol nổi lên là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và đầy hứa hẹn. Phương pháp này đã được sử dụng phổ biến để tạo hạt nano kim loại, nhưng lại rất ít các nghiên cứu sử dụng để chế tạo màng, đặc biệt là màng Pt. Trong thời gian gần đây, ngày càng nhiều các công trình bước đầu thử nghiệm phương pháp này để lắng đọng màng [41, 65, 66]. Tuy vậy, hầu hết đều giới hạn trong tạo màng trên các đế Indium Tin Oxide (ITO) và Fluorine doped Tin Oxide (FTO) nhằm mục đích ứng dụng trong pin mặt trời, ít có ứng dụng trong lĩnh vực khác, đặc biệt trong lĩnh vực sinh học – một lĩnh vực đang có tiềm năng rất lớn. Mặc khác, theo kiến thức và tìm hiểu của tác giả, ở Việt Nam hiện chưa có một công trình nào cụ thể nghiên cứu về màng platin được chế tạo bằng phương pháp polyol. Hơn nữa, với mục tiêu tìm kiếm một phương pháp đơn giản, phù hợp với điều kiện trang thiết bị còn hạn chế ở Việt Nam mà vẫn đảm bảo khả năng ứng dụng trong chế tạo cảm biến sinh học, chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp này để chế tạo màng Pt trên đế silic. Polyol được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm là ethylene glycol, và tiền chất là axit chloroplatinic. Trong khi, ethylene glycol là hóa chất dễ kiếm thì axit chloroplatinic lại có thể chế tạo dễ dàng bằng cách cho platin vào nước cường toan. Quá trình lắng đọng màng được thử nghiệm trên một chiếc máy khuấy từ có khả năng kiểm soát nhiệt độ đặt trong một tủ kín để hạn chế các tác động không mong muốn từ môi trường ngoài. Để thử nghiệm trong chế tạo cảm biến sinh học, chúng tôi bước đầu nghiên cứu việc gắn kết của màng Pt sau khi chế tạo với các phân tử sinh học. Đây là bước khá quan trọng vì chỉ khi xác định được các đầu thu sinh học được cố định tốt trên bề mặt của màng thì mới có thể thực sự ứng dụng màng Pt này vào chế tạo bộ phận chuyển đổi trong cảm biến sinh học. Quá trình thử nghiệm đính kết sẽ tiến hành trong hai bước: chức năng hóa bề mặt màng và đính kết các phân từ sinh học lên màng đã chức năng. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng 4-aminothiophenol (4-ATP) với tư cách là chất chức năng hóa bề mặt. Phân tử 4-ATP vừa chứa nhóm thiol (S-H) vừa chứa nhóm amino (NH2). Trong khi nhóm thiol có khả năng tạo liên kết rất bền vững với các kim loại như Au, Ag, Cu, Pt thì nhóm amino dễ dàng liên kết với các phân tử hữu cơ như enzyme, kháng thể, DNA... Liên kết chặt giữa lưu huỳnh trong nhóm thiol và kim loại sẽ giúp cho các phân tử hữu cơ được cố định trên bề mặt màng. Cần chú ý rằng, lượng 4-ATP phải dư để các phân tử 4-ATP tạo thành một đơn lớp xếp chặt trên bề mặt màng, nhờ đó các nhóm chức năng luôn luôn hướng ra bên ngoài bề mặt Pt tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp xúc và bắt cặp với các phân tử hữu cơ. Hai chất hữu cơ được lựa chọn để thực hiện việc đính kết là enzyme glucose oxidase (GOx) và axit citric. Mỗi chuỗi enzyme có cả gốc COOH tự do và liên kết peptit trong nó, còn mỗi phân tử axit citric chỉ có một gốc COOH và không có liên kết peptit nào. Như vậy khi nghiên cứu việc đính kết của hai loại phân tử này có thể bao quát được các khả năng trong đó nhóm cacboxyl liên kết với nhóm chức năng amino để tạo thành liên kết peptit. Chương 2: THỰC NGHIỆM 2.1. Chế tạo màng Pt 2.1.1. Các hóa chất và thiết bị sử dụng Muối H2PtCl6 được điều chế bằng phản ứng của Pt với nước cường toan theo phương trình (1.1). Dung dịch sau phản ứng được cho qua màng lọc để loại bỏ các cặn bẩn và Pt còn dư rồi được sấy khô ở 60°C. Muối H2PtCl6 còn lại được hòa tan bằng nước cất 2 lần để tạo dung dịch muối H2PtCl6 0.01M. Ethylene glycol, ethanol được đặt hàng tại Merk. Sau khi mua về các hóa chất đều được bảo quản ở nơi thoáng mát. Máy khuấy từ có khả năng gia nhiệt đạt tới 200°C Đế silic Các cốc thí nghiệm có dung tích 50 ml Pipet các loại Bể rung siêu âm 2.1.2. Quy trình chế tạo Đế silic được rửa sạch bằng nước cất hai lần rồi cho vào cốc thí nghiệm chứa ethanol, rung siêu âm trong 15 phút để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất trên bề mặt. Sau đó, đế được lấy ra và sấy khô ở 60°C. Dung dịch H2PtCl6 0.01M được cho vào hòa tan với ethylene glycol để tạo ra hỗn hợp dung dịch H2PtCl6 mới có nồng độ 0.002M. Rung siêu âm trong 5 phút để các chất hoàn toàn trộn lẫn vào nhau. Dung dịch lúc này có màu vàng tươi. Bật máy khuấy từ, kiểm soát nhiệt độ xung quanh điểm 140°C. Đặt đế silic lên trên bề mặt của máy, chờ trong 5 phút cho đến khi đế silic đạt 140°C. Sử dụng pipet lấy 2 ml dung dịch H2PtCl6 0.002M nhỏ từ từ trải đều trên mặt đế. Sau khoảng 3 – 5 phút, dung dịch bắt đầu bay hơi và khô hoàn toàn sau 10 phút. Từ màu vàng tươi của dung dịch dung dịch H2PtCl6, bề mặt đế lúc này được bảo phủ bằng 1 lớp màng mỏng màu xám đen phản xạ ánh sáng kém. Mang màng mỏng đi ủ ở nhiệt độ 450°C thu được màng Pt hoàn chỉnh có màu sáng trắng phản xạ tốt ánh sáng. Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo màng Pt bằng phương pháp khử polyol 2.2. Chức năng hóa bề mặt màng Pt và gắn kết với các phân tử sinh học 2.2.1. Hóa chất Bảng 2.1. Danh sách các hóa chất sử dụng STT Tên hóa chất Công thức Nguồn gốc 1 Ethanol C2H5OH MERCK 2 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) ethylcarbodiimide (EDC) C8H17N3 SIGMA 3 4-Aminothiophenol C6H7NS SIGMA 4 Glucose oxidase enzyme (GOx) SIGMA 5 Axit citric C6H8O7 MERCK 6 Natri clorua NaCl  MERCK 7 Kali clorua KCl  MERCK 8 Natri hydrophotphat Na2HPO4  BIO BASIC 9 Kali dihydrophotphat KH2PO4  BIO BASIC 2.2.2. Chức năng hóa bề mặt màng Pt Các bước chức năng hóa bề mặt màng Pt được tiến hành như sau: Màng Pt được ngâm rửa trong dung dịch ethanol, sau đó được lấy ra và sấy khô ở 60°C. Pha 4-ATP trong ethanol để tạo thành dung dịch 4-ATP 0.01M. Cho màng Pt vào cốc thí nghiệm, sử dụng một lượng dung dịch 4-ATP vừa đủ để làm ngập màng trong chất lỏng và cất giữ trong 24 giờ ở nhiệt độ thường Lấy màng ra khỏi dung dịch, rửa lại bằng ethanol để loại bỏ hoàn toàn 4-ATP còn lưu lại. Sau đó để màng khô tự nhiên trong không khí. 2.2.3. Gắn kết enzyme và axit citric a. Pha dung dịch PBS 1X (phosphate-buffered saline) Dung dịch PBS 1X được pha chế như sau: Hòa tan 800 ml nước cất 2 lần với: 8 g NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na2HPO4 và 0.24 g KH2PO4. Điều chỉnh độ pH đạt 7.4 bằng HCl và NaOH. Cho thêm H2O để đạt được thể tích 1 ml Tiệt trùng bằng nồi hấp b. Quy trình đính kết EDC đặt hàng từ BioBasic, lưu trữ trong tủ 4°C. Mỗi lần dùng cần sử dụng nhanh vì EDC hút nước và phân hủy. Lần này, dung môi nước đều phải là nước cất 2 lần được khử trùng 1 ml enzyme có nồng độ 0.1 mM được hòa tan trong 5 ml dung dịch PBS 1X chứa trong 1 cốc nhỏ có thể tích 50 ml. Cho 1 mg EDC vào cốc thí nghiệm và lắc đều nhẹ tay cho đến khi tan hoàn toàn. Tiếp đến, lấy màng Pt đã được chức năng hóa nhúng chìm hẳn vào dung dịch trong cốc rồi bịt kín bằng 1 lớp màng polyester và lưu trữ ở 4°C. Cuối cùng, Sau 12 giờ màng Pt được lấy ra, rửa lại vài lần bằng PBS và để khô tự nhiên trong không khí. Các bước đính kết axit citric tương tự như đính kết enzyme. Trước hết, axit citric được hòa tan trong nước cất để tạo dung dịch có nồng độ 0.1 mM. Rút ra 1 ml dung dịch axit citric vừa pha, hòa lẫn với 5 ml dung dịch PBS 1X trong cốc thí nghiệm, sau đó cho thêm 1 mg EDC vào rồi lắc đến khi tan hoàn toàn. Nhúng màng Pt ngập hoàn toàn trong dung dịch, bọc kín lại và lưu giữ ở 4°C trong 12 giờ. Cuối cùng màng được lấy ra, rửa sạch bằng PBS và để khô tự nhiên. 2.3. Các phương pháp phân tích và khảo sát 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X Hình 2.2. Nhiễu xạ tia X Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction - XRD) dựa vào hiện tượng nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể khi thoả mãn điều kiện phản xạ Bragg: 2dsinθ = nλ (2.1) với d là khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử liền kề, θ là góc nhiễu xạ, λ là bước sóng của tia X và n là bậc phản xạ. Tập hợp các cực đại nhiễu xạ Bragg dưới các góc 2θ khác nhau được ghi nhận bằng phim hoặc detector cho ta phổ nhiễu xạ tia X. Hiện nay với việc phát triển kỹ thuật nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được phương pháp ghi giản đồ nhiễu xạ hoàn toàn có thể áp dụng để xác định kích thước hạt tinh thể trong màng mỏng (hay trong vật liệu nói chung). Đó là công thức Scherrer: D=0.9λβcosθ (2.2) Trong đó: D là kích thước tinh thể β là độ bán rộng (tính theo radian) của đỉnh nhiễu xạ tại ½ chiều cao của đỉnh θ là góc nhiễu xạ λ là bước sóng tia X sử dụng Từ công thức trên chúng ta nhận thấy đối với tinh thể khối có cấu trúc hoàn hảo (không có hạt nanô tinh thể) thì tất cả các đỉnh đều nhọn, không có độ bán rộng (β → 0 thì D →∞). Nhiễu xạ tia X của màng mỏng thường cho các đỉnh không sắc nhọn như trong trường hợp tinh thể khối, còn màng mỏng cấu trúc nano cho các đỉnh tương đối tù với cường độ nhiễu xạ không lớn. Các mẫu trong luận văn này đã được phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X D5005 của hãng Bruker (Đức) tại Trung tâm Khoa học vật liệu (TT KHVL) sử dụng bước sóng tia X tới từ bức xạ Kα của Cu là : λCu = 1,54056 Ǻ 3.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Hình 2.3. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa học Vật liệu Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là sử dụng tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn ảnh quang có thể đạt độ phóng đại yêu cầu. Chùm tia điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quay sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào bề mặt của mẫu, chúng va chạm không đàn hồi với các nguyên tử của mẫu làm bật ra các electron ở lớp K, các electron này gọi là electron thứ cấp. Mỗi electron thứ cấp qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng. Chúng được khuyếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Độ sáng, tối trên màn ảnh phụ thuộc vào số electron thứ cấp phát ra từ mẫu nghiên cứu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu Phương pháp SEM sử dụng để khảo sát và chụp ảnh cấu trúc bề mặt mẫu. Thông qua đó có thể xác định được sự phân bố của hạt, kích thước trung bình và hình dạng tinh thể của các hạt hay các vật liệu có cấu trúc tinh thể khác. Màng Pt sau khi chế tạo được tiến hành chụp SEM phân giải cao sử dụng máy FESEM Hitachi S4800 tại Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương. 2.3.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) Phổ tán xạ năng lượng tia X, hay Phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm electron có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường được viết tắt là EDX hay EDS. Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử. Ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm electron có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm electron có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn, làm bật ra electron ở lớp K bên trong nguyên tử và tạo ra lỗ trống ở vị trí này. Sau đó, electron ở lớp ngoài có năng lượng cao hơn nhảy xuống lấp đầy lỗ trống và giải phóng năng lượng dưới dạng tia X. Các tia X này có bước sóng đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này. Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm electron có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Các mẫu màng trong luận văn được phân tích EDX nhờ thiết bị kính hiển vi điện tử quét có tích hợp hệ thống phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) TEAM Apollo XL EDS của hãng EDAX tại Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 2.3.4. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Kính hiển vi lực nguyên tử là loại kính hiển vi dùng để quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa đầu mũi dò nhọn với bề mặt mẫu,có thể quan sát với độ phân giải nm. Hình 2.4. Mô hình đo kính hiển vi lực nguyên tử Kính hiển vi lực nguyên tử sử dụng một photodetector mà trong đó đầu dò được gắn vào phí dưới của một cần quét phản xạ. Một tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của cần quét. Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn, do sự mấp mô của bề mặt, cần sẽ rung động theo phương thẳng đứng và chùm laser phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại và chuyển thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện được xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu. Quá trình hồi tiếp khác nhau về tín hiệu giữa cảm biến quang học, qua xử lý của phần mềm máy tính, cho phép duy trì ở chế độ lực không đổi hay chế độ độ cao không đổi trên bề mặt mẫu. Phương pháp AFM có thể khảo sát mẫu rất mỏng, bởi vì ảnh tạo bởi phương pháp này là do lực nguyên tử của lớp ngoài cùng là chính. Bán kính mũi dò thường nhỏ hơn 400A0. Phương pháp này đo được cả vật liệu dẫn điện và không dẫn điện. Không đòi hỏi môi trường chân không cao. Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin hình ảnh đầy đủ hơn phương pháp SEM. Màng Pt trong luận văn được khảo sát bề mặt nhờ thiết bị đo Park Systems XE-100 tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. 2.3.5. Phương pháp đo biên dạng bằng đầu dò hình kim Phương pháp đo biên dạng bằng đầu dò hình kim (hay phương pháp Alpha-Step) là một kỹ thuật cơ học dễ hiểu nhằm đo độ dày và độ gồ ghề của màng mỏng. Hình 2.5. Sơ đồ hệ đo biên dạng đầu dò hình kim Thiết bị đo sử dụng một đầu dò kim cương được dịch chuyển trên bề mặt với áp lực rất nhẹ để lấy thông tin về hình dạng bề mặt của mẫu từ đó xác định được độ gồ ghề và chiều dày của màng. Độ phân giải theo chiều thẳng đứng là 10 A°, bước dịch chuyển từ 200 A° đến 65 μm. Phân giải theo phương nằm ngang phụ thuộc vào bán kính của đầu dò [1]. Độ dày của màng mỏng trong luận văn được đo đạc sử dụng thiết bị đo bề mặt Dektak 150 của hãng Veeco tại Trung tâm Khoa học Vật liệu – Đại học Khoa học Tự nhiên. 2.3.5. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR) Phổ hấp thụ hồng ngoại hay phổ hồng ngoại là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ bức xạ một chất vào bước sóng hoặc số sóng. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại giúp chúng ta xác định cấu trúc phân tử của vật liệu, đặc biệt là sự hiện diện của các liên kết có trong vật liệu. Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các liên kết trong phân tử có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước sóng thích hợp. Tại bước sóng đó, liên kết hấp thụ năng lượng bức xạ để chuyển sang mức dao động mới (mức dao động kích thích). Như vậy, bước sóng này sẽ đặc trưng cho liên kết tương ứng. Khi mẫu nghiên cứu được chiếu tia hồng ngoại có tần số liên tục thay đổi thì những tia có năng lượng nhất định mới bị hấp thụ. Thông qua đó có thể xác định được các liên kết có trong mẫu nghiên cứu. Mẫu đo phổ IR có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí nhưng thông thường mẫu thường được chuẩn bị dưới dạng rắn hoặc lỏng. Mẫu không nên chứa nước vì nước hấp thụ mạnh các bức xạ có bước sóng 3.7 m (~3710 cm-1) và khoảng 6.25 m (~1360 cm-1). Các dải này chồng lên phổ của liên kết cần nghiên cứu, gây khó khăn cho việc giải thích phổ. Mẫu màng mỏng Pt trong luận văn được phân tích phổ FTIR nhờ thiết bị đo FT/IR-6300 của Jasco tại Trung tâm Khoa học Vật liệu – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. 2.3.6. Phương pháp tán xạ Raman Phương pháp tán xạ Raman dựa trên hiện tượng tán xạ Raman. Đây thực chất là một quá trình tán xạ không đàn hồi giữa photon và một lượng tử dao động của vật chất hoặc mạng ti

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docxluanvanthacsi_dinhdangword_129_0342_1869810.docx
Tài liệu liên quan