(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng hình thái vật liệu au tio2 lên tín hiệu raman tăng cường bề mặt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN - - LÊ THỊ MINH THÚY NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN GIỮA HÌNH THÁI HỌC VÀ TÍN HIỆU RAMAN TĂNG h CƯỜNG BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU Au/TiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ CHẤT RẮN Bình Định - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN - - LÊ THỊ MINH THÚY ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN GIỮA HÌNH THÁI h HỌC VÀ TÍN HIỆU RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU Au/TiO2 Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS Lê Thị Ngọc Loan LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Lê Thị Ngọc Loan – Bộ môn Vật lý khoa học vật liệu, khoa Khoa học tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn Các tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Lê Thị Minh Thúy h LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu tương quan hình thái học tín hiệu Raman tăng cường bề mặt vật liệu Au/TiO2” nội dung làm luận văn tốt nghiệp sau hai năm học chương trình cao học chuyên ngành Vật lí chất rắn trường Đại học Quy Nhơn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Thị Ngọc Loan hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện thuận lợi suốt thời gian tơi làm thí nghiệm hồn thành đề tài Trong q trình thực luận văn, nhận quan tâm, hỗ trợ từ giảng viên tổ môn Khoa học Vật liệu - khoa Khoa học tự nhiên Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại Học Quy Nhơn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Hoàng Nhật Hiếu TS Nguyễn Văn Nghĩa hỗ trợ tơi q trình thực nghiên cứu Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến h quý Thầy, Cô Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ tôi, anh trai tôi, bạn bè thành viên lớp Vật lý chất rắn – K22 ủng hộ, động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Học viên Lê Thị Minh Thúy MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương - Tổng quan lý thuyết 1.1 Giới thiệu vật liệu TiO2 cấu trúc nano .4 h 1.2 Phổ tán xạ Raman phổ SERS .6 1.2.1 Phổ tán xạ Raman 1.2.2 Phổ SERS .8 1.2.2.1 Cơ chế tăng cường hóa học 1.2.2.2 Cơ chế tăng cường điện từ 10 1.2.2.3 Ứng dụng phổ SERS 11 1.3 Giới thiệu cấu trúc kim loại/bán dẫn ứng dụng chế tạo đế SERS .11 1.3.1 Kim loại Au 11 1.3.1.1 Cấu trúc nguyên tử tinh thể 11 1.3.1.2 Các hạt nano Au 12 1.3.1.3 Một số tính chất đặc trưng vật liệu nano Au 13 1.3.1.4 Ứng dụng nano Au .15 1.3.2 Bán dẫn TiO2 15 1.3.2.1 Tính chất vật lí 15 1.3.2.2 Tính chất hóa học 16 1.3.2.3 Tính chất quang xúc tác .17 1.3.2.4 Các ứng dụng TiO2 .18 1.4 Tổng quan cấu trúc kim loại/bán dẫn ứng dụng làm đế SERS 19 1.4.1 TiO2 cấu trúc dây 19 1.4.2 TiO2 cấu trúc cầu rỗng 20 1.4.3 Cấu trúc Au/TiO2 ứng dụng làm đế SERS 20 Chương - Thực nghiệm chế tạo mẫu 22 2.1 Thiết bị 22 2.2 Hóa chất dụng cụ thí nghiệm 22 2.2.1 Hóa chất 22 2.2.2 Dụng cụ thí nghiệm 22 2.3 Quy trình chế tạo đế SERS vật liệu TiO2 cấu trúc dạng hình cầu rỗng, dạng h dây 23 2.3.1 Quy trình chế tạo đế SERS vật liệu TiO2 cấu trúc dạng dây 23 2.3.1.1 Chuẩn bị đế kính 23 2.3.1.2 Chuẩn bị dung dịch TiO2 23 2.3.1.3 Quá trình phun 24 2.3.2 Quy trình chế tạo đế SERS vật liệu TiO2 cấu trúc dạng hình cầu rỗng 25 2.3.2.1 Tổng hợp khuôn cứng (tổng hợp cầu Polystyrene (PS)) 25 2.3.2.2 Quy trình chế tạo đế SERS vật liệu TiO2 cấu trúc dạng hình cầu rỗng 26 2.4 Quy trình phủ hạt nano lên bề mặt vật liệu TiO2 27 2.5 Một số phương pháp khảo sát mẫu 28 2.5.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) .28 2.5.2 Phương pháp quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 29 2.5.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-VIS 31 2.5.4 Phương pháp quang phổ Raman 32 2.6 Quy trình chuẩn bị mẫu phân tích phổ Raman 33 Chương - Kết thảo luận .35 3.1 Hình thái bề mặt vật liệu TiO2 Au/TiO2 35 3.1.1 Hình thái bề mặt vật liệu NFs-TiO2 Au/NFs-TiO2 35 3.1.1.1 Kết ảnh SEM NFs-TiO2 35 3.1.1.2 Kết ảnh SEM Au/NFs-TiO2 35 3.1.2 Hình thái bề mặt vật liệu HC-TiO2 Au/HC-TiO2 .36 3.2 Phổ XRD vật liệu HC-TiO2 NFs-TiO2 37 3.3 Phổ hấp thụ UV-VIS .38 3.4 Phổ Raman vật liệu Au/TiO2 40 3.4.1 Phổ Raman cấu trúc 4-MBA/Au/NFs-TiO2, 4-MBA/Au/HC-TiO2 h Au/NFs-TiO2 40 3.4.2 Ảnh hưởng thời gian chiếu UV đến tín hiệu Raman 44 3.4.3 Khảo sát mẫu 4-MBA/Au/HC-TiO2 có kích thước khn cầu PS đường kính trung bình 150 nm khoảng thời gian chiếu UV khác nhau, làm tái sử dụng đế SERS 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .50 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) 57 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT CCD Charge Coupled Device Thiết bị tích điện kép EM Electromagnetic Điện từ HC Honeycomb Tổ ong ITO Indium doped tin oxide Oxit thiếc pha tạp Indi MBA Mercaptobenzoic acid NF Notch filter Phin lọc NFs Nanofibers Các dây nano SDS Sodium dodecyl sulfate SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử h quét SERS Surface-enhanced scattering PS Raman Tán xạ Raman tăng cường bề mặt Polystyren PVP Polyvinylpyrrolidone PPS Potassium persulfate UV Ultraviolet Bức xạ tử ngoại Ultraviolet-Visible Quang phổ tử ngoại - spectroscopy khả kiến X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X UV – VIS XRD DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số đặc tính cấu trúc ba dạng thù hình TiO2 .4 DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1 Quy trình chế tạo dây nano TiO2 24 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 [36] Hình 1.2 Khối bát diện TiO2 .5 Hình 1.3 Sơ đồ biến đổi Raman .7 Hình 1.4 Cấu trúc lập phương tâm mặt tinh thể Au [28] 12 Hình 1.5 Màu sắc hạt nano Au theo kích thước khác 13 Hình 2.1 Quá trình phun dây TiO2 theo phương pháp electronspinning .24 h Hình 2.2 Quy trình hình thành dây nano TiO2 25 Hình 2.3 Quy trình chế tạo cầu PS 26 Hình 2.4 Quy trình chế tạo vật liệu TiO2 cấu trúc cầu rỗng 27 Hình 2.5 Quy trình phủ hạt nano Au lên bề mặt đế TiO2 .28 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc hệ đo SEM .29 Hình 2.7 Hiện tượng tia X nhiễu xạ mặt tinh thể chất rắn 30 Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ đo micro Raman .33 Hình 3.1 Ảnh SEM NFs-TiO2 chế tạo cách phun điện 20 phút 35 Hình 3.2 Ảnh SEM Au/NFs-TiO2 36 Hình 3.3 Ảnh SEM HC-TiO2 (a, b) Au/HC-TiO2 (c, d) Hình ảnh phía bên phải (b, d) thu với độ phóng đại cao 37 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X HC-TiO2 (a) NFs-TiO2 (b) 37 Hình 3.5 Phổ UV-VIS rắn HC-TiO2 Au/HC-TiO2 .39 Hình 3.6 Phổ UV-VIS rắn NFs-TiO2 Au/NFs-TiO2 40 Hình 3.7 (a) Phổ Raman bột 4-MBA nguyên chất, (b) phổ Raman cấu trúc 4-MBA/Au/NFs-TiO2 (c) 4-MBA/Au/HC-TiO2 chế tạo ứng với khuôn cầu PS 450nm (đường đỏ) 150nm (đường xanh) so với Au/NFs-TiO2 (đường đen) 41 Hình 3.8 Phổ Raman cấu trúc 4-MBA/Au/HC- TiO2 với thời gian chiếu UV 15 phút 20 phút, có kích thước đường kính trung bình khn cầu PS 150 nm phủ muối vàng HAuCl4 nồng độ 1mM, bước sóng laser kích thích 785 nm, cơng suất 0,5W với thời gian tích hợp mẫu 100s 45 Hình 3.9 Phổ Raman mẫu 4-MBA/Au/HC-TiO2 chưa chiếu UV sau khoảng thời gian chiếu UV 2h với bước sóng laser kích thích 785 nm, cơng suất laser 0,5W thời gian tích hợp mẫu 50s 46 h Hình 3.10 Ảnh chụp kính hiển vi quang học thay đổi màu sắc mẫu 4-MBA/Au/HC-TiO2 chưa chiếu UV (a) sau khoảng thời gian chiếu UV 2h với bước sóng laser kích thích 785 nm, cơng suất laser 0,5W thời gian tích hợp mẫu 50 s (b) 47