Đang tải... (xem toàn văn)
Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng (Luận văn thạc sĩ)
Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐỖ MẠNH QUYỀN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI BẤT ĐẲNG HƯỚNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN, NĂM 2019 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới TS Vũ Xuân Hòa Người Thầy tận tình hướng dẫn truyền cho tơi kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô Khoa Vật lý Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, suốt hai năm qua, truyền đạt kiến thức quý báu để tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu thầy cô giáo Trường THPT Điềm Thụy, nơi công tác tạo điều kiện để tham gia khóa học hồn thành luận văn Cuối tơi xin cảm ơn tới gia đình bạn bè, người bên cạnh ủng hộ tôi, cho lời khuyên động viên hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng năm 2019 Học viên Đỗ Mạnh Quyền Học viên: Đỗ Mạnh Quyền Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU i DANH MỤC HÌNH VẼ .ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Các hạt nano kim loại 1.2 Tổng quan hạt nano bạc 1.2.1 Giới thiệu bạc nano bạc 1.2.2 Tính chất quang hạt nano bạc 1.2.3 Tính chất quang hạt nano bạc bất đẳng hướng (lý thuyết Gans) 13 1.2.4 Phổ tán xạ Raman 17 1.3 Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc bất đẳng hướng 19 1.3.1 Phương pháp hóa học hay phương pháp polyol 19 1.3.2 Phương pháp quang cảm ứng 20 1.4 Một số ứng dụng hạt nano bạc 24 Chương II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC 27 2.1 Chế tạo cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng 27 2.1.1 Phương pháp tiến hành 27 2.1.2 Chế tạo mầm 27 2.1.3 Chế tạo hạt nano bạc dạng phương pháp phát triển mầm kích thích ánh sáng đèn LED xanh (xanh LED) 29 2.1.4 Chế tạo hạt nano bạc dạng hợp diện (decahedra) phương pháp phát triển mầm kích thích ánh sáng đèn LED xanh dương (xanh dương LED) 30 2.2 Khảo sát số thơng số ảnh hưởng đến hình thành cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng 30 2.2.1 Ảnh hưởng thời gian chiếu LED 30 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 2.2.2 Ảnh hưởng tổ hợp chiếu bước sóng xanh LED xanh dương LED 32 2.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên hình thành cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng 32 2.3 Các phương pháp khảo sát 33 2.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ (UV-Vis - Ultraviolet Visible) 33 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 35 2.3.3 Phương pháp đo phổ tăng cường tán xạ Ramman bề mặt 36 2.3.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM- Transmission Electron Microscopy) 37 2.3.5 Kính hiển vi quét SEM (Scanning Electron Microscopy) 37 Chương : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Hình thái kích thước hạt 39 3.1.1 Hình thái kích thước mầm 39 3.1.2 Các hạt nano bạc kích thích xanh LED 39 3.1.3 Các hạt nano bạc kích thích xanh dương LED 41 3.2 Phổ hấp thụ 42 3.3 Phân tích cấu trúc 45 3.4 Khảo sát số điều kiện ảnh hưởng đến tính chất quang nano bạc 47 3.4.1 Ảnh hưởng thời gian chiếu LED 47 3.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 54 3.5 Ứng dụng hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt nhằm phát chất nhuộm mầu rhodamine 6G (Rh6G) 55 KẾT LUẬN 57 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các thông số Bạc Bảng 2.1: Danh mục hóa chất nồng độ pha chế 27 Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu xanh LED lên mẫu 30 Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu xanh dương LED lên mẫu 31 Bảng 2.4: Khảo sát ảnh hưởng tổ hợp chiếu sáng bước sóng xanh xanh dương LED (chiếu xanh LED 30 phút chiếu xanh dương Led theo thời gian khác nhau) lên mầm 32 Bảng 2.5: Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên hình thành cấu trúc nano bạc dị hướng trường hợp chiếu xanh LED 33 Bảng 3.1: Các thông số mạng tinh thể AgNPs dạng cầu dạng tam giác suy từ công thức Sheerrer 46 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền i Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể bạc Hình 1.2: Màu cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng Hình 1.3: Phổ hấp thụ plasmon mầu sắc dung dịch hạt nano bạc phụ thuộc vào hình dạng Hình 1.4: Hiện tượng plasmom bề mặt hạt nano kim loại bị kích thích xạ điện từ Hình 1.5: Sử dụng lý thuyết Mie để tính tốn xác định hiệu suất quang của hạt nano bạc có hình dạng khác 10 Hình 1.6 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước hình dạng hạt nano bạc chuyển từ dạng cầu sang dạng tam giác có kích thước lớn dần 15 Hình 1.7: Ảnh TEM (A), phần phân bố kích thước (B) phổ hấp thụ nano bạc theo thời gian tương ứng 16 Hình 1.8: Phổ dập tắt hạt nano bạc dạng tam giác thay đổi thời gian chiếu LED xanh 16 Hình 1.9: Ảnh TEM hạt nano bạc nhiệt độ thời gian chiếu xạ khác (ae) Phần thêm vào (f) phổ hấp thụ tương ứng 17 Hình 1.10: a) Quá trình khử ion Ag+ Ethylene Glycol (EG) dẫn đến hình thành hạt nhân dễ bay Khi hạt nhân phát triển, ngừng thăng giáng, cấu trúc chúng ổn định chứa đa tinh thể sai hỏng biên, đơn tinh thể sai hỏng biên đơn tinh thể khơng sai hỏng Các hạt sau phát triển thành dạng nano khác nhau: Dạng cầu (B), khối lập phương (C), Khối cắt (D), right bipryamids (E), Dạng (F), spheroids (G), Dạng tam giác (H), dạng dây (I) 20 Hình 1.11: Sơ đồ chế tạo hạt nano bạc (Ag) phương pháp ăn mòn LASER 21 Hình 1.12: Phổ hấp thụ dung dịch chứa AgNO3, citrate BSPP 22 Hình 1.13: Mơ hình oxy hóa citrate theo đề xuất Redmond, Wu Brus 23 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền ii Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Hình 1.14: Một số hình dạng tiêu biểu trình biến đổi hình thái học 24 Hình 1.15: Sơ đồ khối tạo hạt nano bạc bất đẳng hướng phương pháp khử hóa học quang hóa 24 Hình 2.1 Quy trình chế tạo mầm nano bạc 28 Hình 2.2: Ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch mầm nano bạc 28 Hình 2.3: Quy trình chế tạo hạt nano bạc bất đẳng hướng phương pháp phát triển mầm kích thích xanh Led xanh dương LED (a)- Thiết kế minh họa hình thành hạt nano bạc sau chiếu bước sóng ánh sáng (xanh xanh dương LED) (b)- Ảnh chụp hệ LED tự thiết kế phòng thí nghiệm Khoa Vật lý Công nghệ-Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 29 Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động máy quang phổ UV-Vis hai chùm tia 34 Hình 2.5: Mô nguyên lý máy đo phổ UV – Vis 35 Hình 2.6: Máy đo phổ hấp thụ UV – Vis V750 hãng Jasco (Nhật Bản) 35 Hình 2.7: Định luật nhiễu xạ Bragg 36 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua 37 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động SEM ảnh chụp SEM mẫu 38 Hình 3.1 Ảnh TEM hạt nano bạc mầm độ phóng đại khác nhau.(a) Thang 100 nm, (b) thang 20 nm phần thêm vào hình (c) phân bố kích thước tương ứng 39 Hình 3.2 Ảnh SEM hạt nano bạc dạng tam giác sau chế tạo phương pháp phát triển mầm kích thích xanh LED với độ phóng đại khác 41 Hình 3.3 Ảnh SEM hạt nano bạc dạng tam giác sau chế tạo phương pháp phát triển mầm kích thích xanh dương LED sau 80 phút với độ Học viên: Đỗ Mạnh Quyền iii Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên phóng đại khác (a) thang đo 500 nm (b) thang đo 200 nm hình phóng to phần hình a, thấy rõ NDs hình thành phần hình thêm vào 42 Hình 3.4 Phổ hấp thụ plasmon (a) ảnh chụp dung dịch hạt AgNPs (b) sau chế tạo phương pháp phát triển mầm kích thích xanh LED xanh dương LED: mầm (đường mầu đen), hạt nano bạc dạng tam giác dạng tam giác cụt tương ứng (đường mầu đỏ mầu xanh) sau kích thích 30 phút 140 phút xanh LED, dạng decahedra (đường mầu hồng 45 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu AgNPs mầm (dạng cầu) đường mầu xanh đường mầu tím nano tam giác sau chiếu xanh LED 46 Hình 3.6 Ảnh hưởng thời gian chiếu xanh LED (công suất 1,2 mW/cm2) lên phát triển mẫu AgNPs (a)- Phổ hấp thụ mầm mẫu tăng dần thời gian chiếu (30 phút; 40 phút; 60 phút; 70 phút; 80 phút; 3h; 100 phút; 120 phút 140 phút) Phần thêm vào hình a ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch AgNPs theo thời gian tương ứng (b)- Phổ hấp thụ chuẩn hóa tương ứng 47 Hình 3.7 Ảnh SEM AgNPs chiếu xanh LED mơ tả q trình tiến triển hình thái, kích thước hình dạng theo thời gian: (a)-30 phút; (b)-40 phút; (c)-70 phút; (d)-100 phút; (e)-120 phút (f)-140 phút Những vòng tròn đỏ đậm thể đĩa nano bạc hình thành 49 Hình 3.8 Ảnh hưởng thời gian chiếu xanh dương LED (công suất 1,2 mW/cm2) lên phát triển mẫu AgNPs (a)- Phổ hấp thụ mầm mẫu tăng dần thời gian chiếu (5 phút; 10 phút; 20 phút; 30 phút; 40 phút; 3h; 60 phút 80 phút) (b)- Ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch AgNPs theo thời gian tương ứng (b)- Phổ hấp thụ chuẩn hóa tương ứng 50 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền iv Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên Hình 3.9: Ảnh SEM AgNPs chiếu xanh dương LED mơ tả q trình tiến triển hình thái, kích thước hình dạng theo thời gian: (a)-5 phút; (b)-10 phút; (c)-30 phút; (d)-80 phút Hai vòng tròn xanh thể nano bạc dạng hình thành 52 Hình 3.10: (a)- Phổ hấp thụ mẫu AgNPs chiếu xanh LED (30 phút), tiếp tục chiếu xanh dương LED thời gian 20; 25; 40; 60 phút mật độ công suất 1,2 mW/cm2 (b)- Ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch AgNPs tương ứng 53 Hình 3.11: Ảnh SEM AgNPs chiếu tổ hợp từ xanh LED (30 phút) đến xanh dương LED với thời gian: (a)-0 phút; (b)-20 phút; (c)-25 phút; (d)-40 phút Các vòng tròn đỏ thêm vào hình nano bạc dạng lục lăng hình thành Các vòng tròn xanh thêm vào thể đĩa tròn nano bạc hình thành 553 Hình 3.12: (a)- Phổ hấp thụ plasmon mẫu nano bạc với thời gian chiếu xanh LED nhiệt độ khác (b)- Ảnh chụp kỹ thuật số mầu sắc dung dịch chứa hạt nano bạc sau chế tạo 55 Hình 3.13: Phổ tán xạ Raman Rh6G (10-5M) sử dụng đế SERS hạt nano bạc dạng tam giác Phổ đo hệ đo tán xạ Raman có bước sóng kích thích 633nm 56 Học viên: Đỗ Mạnh Quyền v Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên đầy đủ Ký hiệu Tên tiếng Việt AgNPs Silver nanoparticles Nano bạc SPR Surface Plasmon Resonace Cộng hưởng Plasmon bề mặt UV-Vis Ultraviolet − Visible Máy đo quang phổ hấp thụ TEM SEM SERS FTIR LED Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền qua Microsscopy Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Surface Enhanced Raman Phổ tán xạ tăng cường Raman Spectroscopy bề mặt Fourrier Transformation Infrared Spectroscopy Điốt phát quang Light Emitting Diode Học viên: Đỗ Mạnh Quyền Phổ hồng ngoại vi Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên 3.4 Khảo sát số điều kiện ảnh hưởng đến tính chất quang nano bạc Đối với vật liệu nano bạc, để điều khiển kích thước hình dạng hạt có nhiều yếu tố tham số ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng mẫu Do khn khổ luận văn khảo sát số tham số quan trọng như: ảnh hưởng thời gian chiếu LED, ảnh hưởng bước sóng LED kích thích, hay ảnh hưởng nhiệt độ, 3.4.1 Ảnh hưởng thời gian chiếu LED Trong báo cáo tập trung vào thay đổi thời gian chiếu LED lên dung dịch mầm sau chế tạo Hai loại LED sử dụng xanh LED (bước sóng 520 nm) xanh dương LED (465 nm) Tuy nhiên, khảo sát chi tiết ảnh hưởng việc kích thích đơn lẻ kích thích tổ hợp loại LED a) Kích thích xanh LED Trong phần này, chúng tơi trình bày ảnh hưởng thời gian chiếu xanh LED lên phát triển AgNPs Phương pháp phổ hấp thụ ảnh SEM lựa chọn để nghiên cứu biến đổi Cũng phần phổ hấp thụ trình bày trên, thời gian chiếu LED tăng làm xuất dao động tứ cực ưu tiên dẫn đến hạt mầm AgNPs phát triển dị hướng tạo thành nano dạng tam giác Hình 3.6: Ảnh hưởng thời gian chiếu xanh LED (công suất 1,2 mW/cm2) lên phát triển mẫu AgNPs (a)- Phổ hấp thụ mầm mẫu tăng dần thời gian chiếu (30 phút; 40 phút; 60 phút; 70 phút; 80 phút; 3h; 100 phút; 120 phút 140 phút) Phần Học viên: Đỗ Mạnh Quyền 47 Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên thêm vào hình a ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch AgNPs theo thời gian tương ứng (b)- Phổ hấp thụ chuẩn hóa tương ứng Hình 3.6 cho thấy phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon vào thời gian chiếu xanh LED (công suất 1,2 mW/cm2) Trên Hình 3.6 a cho thấy có xuất thêm đỉnh phổ hấp thụ plasmon chiếu xanh LED so với mẫu mầm không chiếu (chỉ có đỉnh) Phần thêm vào hình ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch AgNPs theo thời gian chiếu LED tăng dần Khi thời gian chiếu dài mầu xanh lục đậm Hiện tượng giải thích theo lý thuyết Mie Gans mầu sắc hạt nano kim loại quý phụ thuộc vào kích thước hình dạng hạt Ở vị trí đỉnh phổ 400 nm cho thấy, cường độ hấp thụ mẫu giảm dần so với mầm Điều chứng tỏ số lượng hạt mầm giảm dần bắt đầu có hình thành hạt dạng khác cầu diễn kích thích photon (dạng tấm), phổ hấp thụ plasmon có xuất thêm đỉnh (nhú nhỏ) bước sóng 336 nm đỉnh thứ 608 [21] Tuy nhiên, dễ dàng quan sát thấy cực đại hấp thụ bước sóng 400 nm có xu hướng dịch bước sóng dài cực đại thứ (ở bước sóng 608 nm) lại dịch sóng ngắn có cường độ tăng dần tăng thời gian chiếu LED Trên hình 3.6b phổ hấp thụ chuẩn hóa cho thấy dịch đỉnh 27 nm Điều giải thích suy giảm cường độ số lượng hạt mầm giảm, dịch đỉnh phía sóng dài bắt đầu hình hạt lớn theo hướng dao động tứ cực-tức bắt đầu hình thành dần bề dầy nano [22], [23] Đối với đỉnh phổ 600 nm có dịch xanh giai đoạn phát triển dao động lưỡng cực, chúng mở rộng theo mặt (111) tạo nano tam giác Trong giai đoạn tiếp theo, tăng dần thời gian chiếu LED dung dịch hạt nano mầm sau chế tạo có pH