Luận văn Nghiên cứu chế tạo và các tính chất quang của hạt nano kim loại au bằng kỹ thuật laser xung nano giây

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN .ii

MỤC LỤC.iii

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VÀ SƠ ĐỒ. v

MỞ ĐẦU . 1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HẠT

NANO KIM LOẠI BẰNG ĂN MÒN LASER. 3

1.1. Hạt nano kim loại và một số thuộc tính cơ bản . 3

1.1.1. Vật liệu nano và hạt nano kim loại . 3

1.1.2. Một số thuộc tính cơ bản của hạt nano . 3

1.1.3. Hạt nano vàng và một số ứng dụng. 5

1.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại. 7

1.2.1. Phương pháp khử vật lí . 7

1.2.2. Phương pháp khử hóa học. 8

1.2.3. Phương pháp khử hóa lí . 8

1.2.4. Phương pháp khử sinh học. 8

1.2.5. Phương pháp ăn mòn laser . 8

1.3. Phương pháp chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser. 9

1.3.1. Khái niệm về ăn mòn laser. 9

1.3.2. Cơ chế ăn mòn laser. 9

1.3.3. Cơ chế hình thành hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser trong

chất lỏng . 12

Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ

THỰC NGHIỆM. 16

2.1. Hóa chất sử dụng. 16

2.1.1. Vàng . 16

2.1.2. Chất lỏng . 16

pdf48 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 26/02/2022 | Lượt xem: 119 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu chế tạo và các tính chất quang của hạt nano kim loại au bằng kỹ thuật laser xung nano giây, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
í, các nhà khoa học đã tạo ra những viên nhộng rất nhỏ. Trên bề mặt viên nhộng là những phân tử nano vàng. Vỏ ngoài viên nhộng được cấu tạo bởi nhiều lớp polyme rất mỏng đặt lên nhau, cho phép chúng vượt qua dễ dàng lớp màng bên ngoài tế bào. Khi đã hấp thụ vào những tế bào trong khối u, viên nhộng sẽ di chuyển bằng tia hồng ngoại, sức nóng này sẽ đẩy những phân tử vàng di chuyển khiến viên nhộng vỡ ra và phá vỡ kết cấu những tế bào ác tính. Hiện nay, các nghiên cứu trên chuột đã chứng minh được tính hiệu quả của phương pháp này. Hoặc những phân tử thuốc có thể được gắn vào bề mặt của hạt nano vàng nhờ sự giúp đỡ của các phân tử lưu huỳnh giúp tạo thành liên kết cộng hóa trị với vàng. Sau đó nano vàng có thể mang theo những loại thuốc này đến những nơi cơ thể cần. Vàng trơ là một phương tiện vận chuyển hiệu quả vì nó không xảy ra phản ứng với những phân tử khác trong cơ thể con người. 7 Hạt nano với những kích thước khác nhau sẽ hấp thụ những bước sóng khác nhau. Vì vậy, nếu có thể gộp các hạt nano vàng ở mọi kích thước thì việc chế tạo ra pin mặt trời có khả năng hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời sẽ khả thi hơn. 1.2. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại Có hai phương pháp chế tạo hạt nano kim loại, là phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, tùy theo mục đích chế tạo ma lựa chọn phương pháp phù hợp [2] Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt có kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn. Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu khối thành vật liệu có kích thước nano. Như với kỹ thuật nghiền là: vật liệu ở dạng bột được trộn với những viên bi cứng và đặt trong cối. Máy nghiền có thể nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay. Các viên bi cứng va chạm vào nhau, phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano ba chiều (hạt nano). Với kỹ thuật biến dạng, là sử dụng các kỹ thuật đặc biệt tạo ra sự biến dạng cực lớn mà không làm phá hủy vật liệu. Kết quả là thu được vật liệu nano hai chiều (như dây nano) hay một chiều (màng mỏng). Phương pháp từ dưới lên là phương pháp tạo hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp này đang được ứng dụng và phát triển mạnh. Có các phương pháp cụ thể như: phương pháp khử vật lí, phương pháp khử hóa học, phương pháp khử hóa lí, phương pháp khử sinh học, phương pháp ăn mòn laser 1.2.1. Phương pháp khử vật lí Phương pháp khử vật lí là phương pháp dùng các tác nhân vật lí như điện tử, sóng điện từ có năng lượng cao (như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser) khử ion lim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại. 8 1.2.2. Phương pháp khử hóa học Phương pháp khử hóa học là phương pháp dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên gọi là phương pháp hóa ướt. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của kim loại. Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt. 1.2.3. Phương pháp khử hóa lí Phương pháp khử hóa lí là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí. Nguyên lí của phương pháp này là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ cso thể tạo được màng mỏng kim loại, trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi điện hóa sẽ tạo ra các hạt nano bám trên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch. 1.2.4. Phương pháp khử sinh học Phương pháp khử sinh học là phương pháp dùng vi khuẩn làm tác nhân khử ion kim loại. Người ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được các hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản và thân thiện với môi trường. 1.2.5. Phương pháp ăn mòn laser Phương pháp ăn mòn laser loại bỏ vật liệu từ một vật liệu rắn khi chiếu lên bề mặt của nó một tia laser. Do ăn mòn trực tiếp trên tấm kim loại sạch nên có thể chế tạo các hạt nano kim loại có độ tinh khiết cao, không bị nhiễm bẩn bởi chất khử và có thể điều khiển được kích thước hạt. 9 1.3. Phương pháp chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser 1.3.1. Khái niệm về ăn mòn laser Ăn mòn laser là quá trình làm bay hơi một lượng nhỏ vật chất khỏi bề mặt chất rắn bằng cách chiếu vào chúng một chùm laser năng lượng cao. Dưới tác dụng của chùm laser vật liệu sẽ bị nung nóng do hấp thụ năng lượng của laser có thể dẫn đến bay hơi và thăng hoa. Nếu thông lượng laser chiếu tới lớn, vật chất có thể chuyển thành dạng plasma. Ăn mòn laser được sử dụng để chế tạo màng mỏng khi nó được thực hiện trong chân không đôi khi trong môi trường khí trơ như Ar hay trong những chất khí đóng vai trò tác nhân hoá học như Amoniac hoặc Nitơ. Ăn mòn laser cũng có thể thực hiện trong môi trường chất lỏng để tạo ra các hạt kích thước cỡ nano. Kỹ thuật ăn mòn laser khá hữu hiệu để tạo ra các hạt nano của vật liệu bán dẫn và kim loại. So với các phương pháp khác, ăn mòn laser là một phương pháp khá đơn giản, các hạt nano được chế tạo không bị nhiễm bẩn bởi chất khử, đặc biệt có thể điều khiển được kích thước hạt. Thông thường, phương pháp ăn mòn laser thường dùng laser xung, nhưng với một số vật liệu có thể dùng laser liên tục nếu laser có cường độ đủ lớn. Đối với ăn mòn laser trong chất lỏng, từ vật liệu ban đầu là một tấm kim loại được đặt trong một dung dịch, dưới tác dụng của chùm laser xung các hạt nano được hình thành. Chùm laser xung được đăc trưng bởi các yếu tố như bước sóng, năng lượng xung, độ rộng xung, tần số lặp lại. Trong quá trình ăn mòn laser trong chất lỏng, ngoài sự ảnh hưởng của các yếu tố trên thì yếu tố môi trường chất lỏng, nồng độ dung dịch cũng ảnh hưởng đáng kể. 1.3.2. Cơ chế ăn mòn laser Có hai quá trình chi phối gây ra quá trình ăn mòn [6]: Quá trình quang nhiệt: là quá trình đốt nóng vật liệu do sự hấp thụ photon. Quá trình quang hoá: là quá trình hấp thụ photon để phá vỡ liên kết hoá học trong phân tử. 10 Đối với bức xạ laser vùng tử ngoại xa, khi năng lượng photon lớn hơn năng lượng liên kết hóa học trong phân tử thì quá trình quang hoá chiếm ưu thế hơn. Đối với laser hoạt động ở vùng hồng ngoại hoặc khả kiến, quá trình quang nhiệt chiếm ưu thế hơn. Hai quá trình này đều là nguyên nhân gây ra quá trình ăn mòn. Trên thực tế hai quá trình này không tách riêng rẽ mà có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Trong quá trình ăn mòn nhiệt, xung laser được hấp thụ trong một thể tích của mẫu rắn, quá trình nung nóng sau đó xảy ra theo thời gian dẫn đến phần mẫu được định xứ nóng chảy, sôi, và cuối cùng là hóa hơi. Nhiệt lượng ăn mòn phụ thuộc vào các yếu tố như điểm nóng chảy, điểm sôi, và nhiệt độ hóa hơi cho các loại mẫu khác nhau, và thành phần và hợp chất khác nhau trong cùng một loại mẫu. Trong ăn mòn quang hóa, xung laser được hấp thụ vào một thể tích nhỏ của các mẫu rắn, với tốc độ nhanh và mật độ thông lượng lớn có thể làm mất ổn định trong một vùng xác định, gây ra sự bùng nổ trên bề mặt vật liệu. Như vậy, ăn mòn quang hóa xảy ra trước khi hiệu ứng nhiệt có thời gian để thể hiện một cách mạnh mẽ. Ăn mòn quang hóa trong thời gian ngắn đòi hỏi một bước sóng ngắn, độ rộng xung laser nhỏ với năng lượng phải đủ lớn cho một loại vật liệu. Do đó thông lượng laser [J/m2] trên bề mặt vật liệu là một trong những thông số ăn mòn quan trọng nhất. Khi thông lượng đủ lớn, sự bay hơi của lớp bề mặt vật liệu xảy ra nhanh chóng. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này, với nhiều mô hình khác nhau mô tả cơ chế phương pháp ăn mòn laser như: mô hình động lực học phân tử, mô hình Monte Carlo. Trong phạm vi khóa luận, chúng tôi xin giới thiệu về mô hình động lực học phân tử. Phương pháp mô hình động lực học phân tử (MD) được Leonid V. Zhigilei và Barbara J. Garrison cùng các cộng sự xây dựng thành công [8], cho phép thực hiện phân tích chi tiết quá trình phương pháp ăn mòn laser 11 trong đó các thông số nhiệt động lực học của hệ có thể được xác định theo động lực học vi mô ở mức độ phân tử. Khả năng này của mô hình sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về cơ chế phát tán vật chất trong mô hình phương pháp ăn mòn laser. Theo mô hình động lực học phân tử, các quá trình chi tiết xảy ra trong quá trình phương pháp ăn mòn laser được mô phỏng bởi chuỗi các hình liên tiếp dưới đây (hình 1.1) Các quá trình chi tiết xảy ra trong quá trình phương pháp ăn mòn laser được mô phỏng bởi chuỗi liên tiếp các hình trong hình 1.1: Hình 1.1: Ảnh chụp nhanh từ mô hình MD của phương pháp ăn mòn laser vật liệu rắn minh họa cho các quá trình khác nhau của sự phát tán mạnh vật liệu [8] Các mức độ khác nhau của quá trình phương pháp ăn mòn laser được quan sát bao gồm: - Hình thứ nhất: Mô tả sự phân hủy từng phân tử, xáy ra quá trình bốc bay nhẹ của các phân tử hay được gọi là sự phún xạ trong khoảng thời gian 100 ps. Quá trình này ứng với thông lượng laser thấp. 12 - Hình thứ hai: Mô tả sự bùng nổ sự phân ly của một vùng bề mặt bị đốt nóng. Quá trình này xảy ra trong 200 ps. - Hình thứ ba, thứ tư: Mô tả sự hình thành một lượng lớn các giọt vật chất do sự nóng cháy tức thời. - Hình thứ năm, thứ sáu, thứ bảy: Mô tả sự phân tán của các mảnh nhỏ chất rắn bị vỡ ra do hiệu ứng quang hóa có học khi năng lượng laser lớn hơn. Khi mật độ xung laser thấp, hầu hết các đơn thức phân tử được phát ra từ bề mặt bị nung nóng do bức xạ laser. Mô hình có thể cung cấp sự mô tả đầy đủ qúa trình phát ra các phân tử. Một tính chất độc đáo của quá trình ăn mòn là hầu hết năng lượng của xung laser đều được hấp thụ bởi lớp vật liệu bề mặt bị bắn ra. Vì vậy, có rất ít sự phá hủy nhiệt đối với các lớp vật liệu xung quanh. 1.3.3. Cơ chế hình thành hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser trong chất lỏng Cơ chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn mòn kim loại bằng laser xung trong chất lỏng được giải thích bằng mô hình của Mafune và các cộng sự [7]. Theo mô hình này chùm laser xung ăn mòn bia kim loại trong quá trình chiếu laser. Vật liệu ăn mòn, được gọi là đám vật chất (plume) tràn vào môi trường chất lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do hoặc cụm nguyên tử (cluster) va chạm với nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn mòn. Hình 1.2: Mô hình cơ chế ăn mòn laser trong môi trường chất lỏng[7] 13 Trong vài xung đầu tiên, chỉ có môi trường chất lỏng bao quanh đám vật chất sinh ra và các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết tụ tạo nên các hạt nano kim loại. Sau đó các hạt nano phân tán vào môi trường chất lỏng và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho các mảnh kim loại kế tiếp. Ở giai đoạn này có hai cơ chế đóng góp vào quá trình tạo hạt. Cơ chế thứ nhất là kết hạt trực tiếp của kim loại trong đám vật chất (plume) tương tự như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đó và làm cho chúng tăng kích thước. Như vậy, khi cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân bố kích thước mở rộng. Tốc độ tăng kích thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt được tạo thành trong giai đoạn đầu và tính phân cực của phân tử môi trường chất lỏng. Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích điện bề mặt. Do tương tác giữa các phân tử môi trường chất lỏng và các hạt nano tích điện bề mặt, một lớp điện tích kép bao quanh bề mặt các hạt nano. Các phân tử có momen lưỡng cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với bề mặt hạt nano do đó lực đẩy tĩnh điện nhờ bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự tăng kích thước hạt tốt hơn. Ví dụ, các phân tử phân cực như nước tạo nên một lớp điện tích kép mạnh bao quanh hạt nano vàng. Do tương tác điện giữa các mảnh trong đám vật chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị hạn chế trong quá trình ăn mòn. Kết quả là các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính phân cực thấp hơn của phân tử chất lỏng (ví dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu dẫn đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh. Sau khi ăn mòn, quá trình tạo hạt dừng lại và sự kết tụ vẫn tiếp tục. Tốc độ kết tụ tùy thuộc vào sự tương tác của phân tử môi trường chất lỏng với các nguyên tử bề mặt của hạt nano và tương tác giữa các hạt nano với nhau. Tương tác bề mặt giữa các hạt nano có thể tạo thành một dung dịch keo bền vững hay là phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc giống như dây. Trong khi đó tương tác giữa các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực đẩy và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút van der Waals gây nên kết tụ và lực đẩy tĩnh điện nhờ bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ. 14 Đối với phương pháp ăn mòn laser, môi trường chất lỏng là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới quá trình hình thành hạt nano kim loại. Việc sử dụng thêm các muối, chất hoạt hóa bề mặt hay một số chất tương thích trong y sinh sẽ làm thay đổi phân bố kích thước hạt nano tạo thành [21]. Hình 1.3 và 1.4 là tổng hợp một số kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới liên quan tới lĩnh vực này: Hình 1.3. Hạt nano vàng với các kích thước khác nhau[15] Hình 1.4. (i) Sự thay đổi kích thước trung bình và phân bố kích thước của các hạt nano vàng trong các dung dịch dextran có nồng độ khác nhau. (ii) Ảnh TEM của các hạt nano vàng chế tạo trong nước (a), 1 g/L dextran (b), 5 mM  - cyclodextrin (c), 1 g/L chitosan (d) và 1 g/L  , - dithiol poly (N - isopropylacrylamide). [15] 15 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn như tính phân cực của môi trường chất lỏng, bước sóng, thông lượng laser, thời gian chiếu laser. Các yếu tố trên cùng đồng thời tác động đến quá trình ăn mòn. Khi nghiên cứu vai trò của một yếu tố ảnh hưởng ta đều phải xét nó trong mối quan hệ với các yếu tố khác. Với cùng một kim loại, một môi trường chất lỏng cho trước, hình thái kích thước của hạt nano tạo thành bằng ăn mòn laser phụ thuộc vào thông lượng laser, thời gian chiếu sáng, bước sóng laser, độ rộng laser xung [13,14] 16 Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất sử dụng 2.1.1. Vàng Vàng là tên nguyên tố hoá học có ký hiệu Au (L. aurum) và số nguyên tử 79 trong bảng tuần hoàn. Là kim loại chuyển tiếp (hoá trị 3 và 1) mềm, dễ uốn, dễ dát mỏng, màu vàng và chiếu sáng, vàng không phản ứng với hầu hết các hoá chất nhưng lại chịu tác dụng của nước cường toan (aqua regia) để tạo thành axit cloroauric cũng như chịu tác động của dung dịch xyanua của các kim loại kiềm. Kim loại này có ở dạng quặng hoặc hạt trong đá và trong các mỏ bồi tích và là một trong số kim loại đúc tiền. Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi sử dụng Vàng tinh khiết 99,99%, được gia công thành tấm phẳng kích thước khoảng 1 cm2, bề dày 1mm. 2.1.2. Chất lỏng Tên hóa chất Công thức Tính chất Nước cất H2O - Ở điều kiện thường ở trạng thái lỏng. - Nhiệt độ sôi: 100oC, nhiệt hóa rắn 0oC. - Nước tinh khiết không dẫn điện. - Nước là dung môi có tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axit, bazơ, muối đều dễ hòa tan trong nước. - Độ phân cực: 1.85 Debyes - Bản chất liên kết trong phân tử nước là liên kết hydro. Nước khử ion - Nước khử ion là nước đã được khử ion thông qua một hệ thống lọc. - Nước khử ion có độ pH = 7 17 NaCl - NaCl tinh khiết là chất rắn có màu trắng không mùi. - NaCl tan trong nước và trong nhiều dung môi khác nhau như methanol, axeton NaOH - NaOH tinh khiết là chất rắn có màu trắng ở dạng viên, vảy hoặc hạt hoặc dạng dung dịch bão hòa 50%. - NaOH phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng lượng nhiệt lớn. - NaOH tan trong etanol, methanol, ete và dung môi không phân cực. - NaOH ở trong dung dịch tạo thành dạng monohydrate ở 12,3 ÷ 61,8 oC với nhiệt độ nóng chảy 65,1oC và tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3. 2.2. Hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng laser 2.2.1. Sơ đồ hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser Sau khi nghiên cứu tham khảo các sơ đồ chiếu sáng khác nhau, các kết quả thực nghiệm đã công bố trên thế giới, Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật Lý, trường ĐHKHTN Hà Nội thiết kế, xây dựng một hệ chế tạo hạt nano kim loại bằng kỹ thuật laser tại phòng thí nghiệm. Các kết quả nghiên chế tạo hạt nano Au trong chất lỏng của luận văn được thực hiện trện hệ thiết bị này. Sơ đồ của hệ được trình bày trên hình... Chùm laser được dẫn bằng một hệ các linh kiện quang học và được hội tụ lên bề mặt tấm kim loại. Hệ được lắp đặt sao cho khoảng cách từ thấu kính đến bề mặt tấm kim loại dễ dàng điều chỉnh trong khoảng tiêu cự của thấu kính. Để vị trí ăn mòn trên tấm kim loại được thay đổi, cuvet đặt tấm kim loại được quay trong quá trình ăn mòn laser nhờ một mô tơ quay (9 vòng/phút) Thấu kính được chọn có tiêu cự 150mm. Vật liệu ăn mòm là tấm kim loại tinh khiết đặt trong cuvet chứa 10mL chất lỏng (được chọn tùy theo mục đích) 18 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ăn mòn laser 2.2.2. Quy trình chế tạo Sử dụng sơ đồ thiết bị chế tạo như đã trình bày trên hình 2.1 chúng tôi đã đề xuất phương án chế tạo hạt nano Au trong chất lỏng. Tấm vàng được sử dụng là loại vàng tinh khiết (99.99%), đường kính khoảng 9mm, độ dày khoảng 1mm được đặt trong 10 ml chất lỏng. Các bước tiến hành như sau: Làm sạch tấm vàng, cốc, ống thủy tinh bằng phương pháp rung siêu âm sau đó sấy khô trong 15 phút. Đặt tấm vàng vào một cốc thủy tinh chứa 10ml chất lỏng. Sau đó đặt cốc vào vị trí của hệ ăn mòn laser. Laser Nd-YAG (Quanta Ray Pro 230) được đặt ở chế độ như sau: + Năng lượng xung 70 mJ. + Thời gian xung 8 ns. + Tần số 10 Hz. + Bước sóng 1064 nm. + Công suất trung bình 400 mW. 19 Chùm tia laser được hội tụ bằng một thấu kính hội tụ f =150 mm vào tấm vàng. Bật laser, để hệ ăn mòn Au trong 15 phút. Trong thời gian chiếu sáng laser cuvet đựng tấm Au được quay với tốc độ 9 vòng/phút. Mẫu hạt nano thu được ở dạng keo hạt trong nước, được bảo quản trong lọ đậy kín. 2.2.3. Laser Nd;YAG [9] Laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230 được chế tạo bởi hãng Spectra - Physics, theo đúng tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, là một trong những laser rắn hiện đại và có công suất lớn nhất hiện nay. 2.2.3.1. Cấu tạo Laser gồm có 3 phần chính: đầu laser, power supply và bộ điều khiển * Đầu laser Đầu laser bao gồm buồng cộng hưởng quang học, thanh hoạt chất Nd: YAG, đèn bơm flash tạo dao động, khuyếch đại và bộ hoà ba. Hình 2.2: Đầu laser 20 * Power supply Power supply là một thiết bị bao gồm các hệ thống mạch điện AC/DC cung cấp điện cho toàn bộ đầu laser. Ngoài ra nó còn chứa máy bơm và hệ thống làm mát bằng nước. Hệ thống làm mát bằng nước của laser có nguyên lý bao gồm hai vòng tách biệt nhau. Có một vòng khép kín nước sạch từ power supply đến đầu laser và nước nóng khi quay về power supply sẽ được làm mát bằng một nguồn nước khác nối với máy bơm bên ngoài tạo thành một vòng khép kín thứ hai. Các thông số của power supply: sử dụng nguồn điện một pha, 190-260V, 53/60Hz, < 25A. Hình 2.3: Power supply * Bộ điều khiển Bộ điều khiển giúp ta điều khiển hoạt động của laser một cách linh hoạt phù hợp với mục đích thí nghiệm. Bao gồm điều khiển chế độ phát xung, chế độ đóng ngắt laser, năng lượng xung... Hình 2.4: Bộ điều khiển 21 2.2.3.2. Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230 - Laser Nd: YAG phát được ở chế độ xung. Khi hoạt động ở chế độ Q - Switching, năng lượng xung tối đa là 1200 mJ, độ rộng xung từ 7 - 10 ns, tần số lặp lại 10Hz, cho năng lượng xung của sóng cơ bản 1064nm cực đại là 1,2J, có thể phát ở bước sóng hòa ba 532 nm và 355nm. - Hiệu suất khá cao, cỡ vài phần trăm. - Hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. - Độ dẫn nhiệt cao. - Ngưỡng kích thích thấp. - Nguồn bơm cho laser Nd: YAG là đèn Kripton. Năng lượng của đèn khá phù hợp với phổ bức xạ của ion Nd. - Hoạt chất của laser này là tinh thể Yttrium Aluminum Garnet Y2Al5O12 có pha tạp ion Nd+3 làm tâm hoạt chất. 2.3. Các phương pháp đo đạc 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 2.3.1.1. Nguyên tắc hoạt động Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để xác định vật liệu được tạo thành, cấu trúc tinh thể, kích thước trung bình của tinh thể [3]. Dựa trên ảnh hưởng khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ tia X. Phương pháp nhiễu xạ tia X cho phép xác định kích thước tinh thể dựa trên phân tích hình dáng và đặc điểm của đường cong phân bố cường độ của đường nhiễu xạ tia X dọc theo trục đo góc 2θ. Hình 2.5: Máy nhiễu xạ tia X D5005 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu 22 Cơ sở của phổ nhiễu xạ tia X: Khi chiếu một chùm tia X có bước sóng từ 10-9 - 10-12 m vào một tinh thể thì tia X sẽ bị tán xạ theo các phương khác nhau trên mặt phẳng khác nhau của tinh thể. Sau khi tán xạ chúng sẽ giao thoa với nhau, tạo nên các cực đại, cực tiểu giao thoa tuỳ thuộc vào hiệu quang trình của chúng. Chùm nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định luật Bragg: nλ = 2dsinθ (2.1) Bằng cách sử dụng mẫu chuẩn, nhiễu xạ với cùng điều kiện với mẫu nghiên cứu, sự nhoè rộng bởi điều kiện thực nghiệm được loại bỏ. Sự nhoè rộng của phổ nhiễu xạ tia X thu được là do bản thân của mẫu nghiên cứu được gọi là sự nhòe rộng vật lý và độ rộng gọi là độ rộng vật lý β. Độ rộng vật lý liên quan đến kích thước tinh thể theo phương trình Scherrer: D = k cos    (2.2) Với D là kích thước tinh thể, k = 0.94 là hệ số tỉ lệ. Do kích thước tinh thể D theo chiều vuông góc với mặt nhiễu xạ tỷ lệ nghịch với cosθ, nên để xác định kích thước tinh thể với độ chính xác cao thì phải dùng đường nhiễu xạ đầu tiên với góc θ nhỏ nhất. 2.3.1.2. Quy trình đo nhiễu xạ tia X Phép đo được thực hiện trên hệ máy Siemens D5005 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu (ĐHKHTN-ĐHQGHN). Máy có bước sóng nhiễu xạ tia X là  A54056,1 Vì mẫu chế tạo được ở dạng dung dịch nên việc đo mẫu không đơn giản. Để tiến hành đo nhiễu xạ tia X, chúng tôi đã phải biến đổi mẫu sang thể rắn (dạng màng mỏng). Đầu tiên mẫu sẽ được quay ly tâm để loại bỏ dung môi dư thừa rồi cô khô trên một lamen kính bằng phương pháp nhỏ giọt. Sau đó mẫu được đưa đi đo phổ nhiễu xạ tia X ở dạng màng mỏng. 23 2.3.1.3. Xử lý số liệu Giản đồ nhiễu xạ tia X sẽ được vẽ trên phần mềm EVA của thiết bị, từ đó xác định vị trí các đỉnh và góc nhiễu xạ tại vị trí các đỉnh. Xác định độ bán rộng của đỉnh và thay vào phương trình Scherer ta sẽ tính được bán kính của hạt. Số liệu của giản đồ thu được dưới dạng file UXD (dạng bảng dữ liệu), có thể trình bày lại bằng cách sử dụng chương trình Microsoft Office Excel 2007 và phần mềm Origin 7.5. 2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ kỹ thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua có ưu điểm nổi bật nhờ bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên kính hiển vi truyền qua có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm. Kính hiển vi điện tử truyền qua được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của các cấu trúc nano và micro. 2.3.2.1. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi truyền qua: Kính hiển vi truyền qua hoạt động bằng cách làm cho các electron di chuyển xuyên qua mẫu vật và sử dụng các thấu kính từ tính phóng đại hình ảnh của cấu trúc, phần nào giống như ánh sáng chiếu xuyên qua vật liệu ở các kính hiển vi ánh sáng thông thường [4,5]. Các điện tử từ catot bằng dây tungsten đốt nóng đi tới anot và được hội tụ bằng “thấu kính từ” lên mẫu đặt trong buồng chân không. Tác dụng của tia điện tử tới mẫu có thể tạo ra chùm điện tử thứ cấp, điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ không đàn hồi với các đám mây điện tử trong mẫu cùng với tán xạ đàn hồi với hạt nhân nguyên tử. Các điện tử truyền qua mẫu được khuyếch đại và ghi lại dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc kỹ thuật số. Do bước sóng của các electron ngắn hơn bước sóng của ánh sáng, nên các hình ảnh của TEM có độ phân giải cao hơn so với các hình ảnh của một kính hiển vi ánh sáng. TEM có thể cho thấy rõ những chi tiết nhỏ nhất của cấu trúc bên trong, trong một số trường hợp lên tới từng nguyên tử. 24 Nhiễu xạ điện tử có thể cung cấp những thông tin rất cơ bản về cấu trúc tinh thể và đặc trưng vật liệu. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể tuân theo định

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_che_tao_va_cac_tinh_chat_quang_cua_hat_n.pdf
Tài liệu liên quan