DSpace at VNU: Chế tạo chấm lượng vàng và nghiên cứu tính chất quang của chúng

ĐAị học quốc gia hà nội trờng đại học công nghệ ứng Thị Diệu Thuý chế tạo chấm lợng tử vàng nghiên cứu tính chất quang chúng Luận văn thạc sỹ Hà Nội - 2005 ĐAị học quốc gia hà nội trờng đại học công nghệ ứng Thị Diệu Thuý chế tạo chấm lợng tử vàng nghiên cøu tÝnh chÊt quang cđa chóng Ngµnh: Khoa häc vµ Công nghệ Nanô Mã số: Luận văn thạc sỹ Ngời hớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Quang Liêm Hà Nội - 2005 ứng Thị Diệu Thuý K10N Lời cảm ơn Hà Nội, tháng 12 năm 2005 Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Quang Liêm, ngời tận tình bảo, giúp đỡ cho hoàn thành luận văn tốt nghiệp Trong thực luận văn, nhận đợc giúp đỡ nhiệt tình cán nghiên cøu thuéc ViÖn Khoa häc VËt liÖu, ViÖn Khoa häc Công nghệ Việt Nam Tôi xin chân thành cảm ơn PGS Trần Kim Anh, PGS Lê Văn Hồng, PGS Lê Quốc Minh, ThS Nguyễn Thanh Hờng, TS Phạm Thị Mai Hoa góp ý chuyên môn cho hoàn thiện luận văn động viên để vợt qua khó khăn Tôi xin chân thành cảm ơn PGS Phạm Thị Minh Châu, ThS Trần Thị Kim Chi, ThS Nguyễn Vũ, ThS Đỗ Khánh Tùng, ThS Trần Đăng Thành, TS Nguyễn Xuân Nghĩa, CN Nguyễn Anh Tuấn, CN Đỗ Ngọc Chung, CN Đỗ Hùng Mạnh TS Nguyễn Hồng Quang giúp thực phép đo đạc phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang, phổ tán xạ Raman, giản đồ nhiễu xạ tia X ảnh hiển vi điện tử quét Cũng này, cho phép đợc cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trờng Đại học Công nghệ tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, đặc biệt mẹ bên động viên, giúp có thêm nghị lực để vợt qua khó khăn cc sèng còng nh− t«i thùc hiƯn luận văn Khoá luận tốt nghiệp Chuyên ngành KH & CN Nanô, ĐH Công nghệ Mục lục Lời cam kết Lời cảm ơn Mục lục Mở đầu Chơng Tổng quan 1.1 Tình hình nghiên cứu keo vàng có kích thớc nanô mét giới 1.2 CÊu tróc cđa vËt liƯu 1.2.1 CÊu tróc tinh thĨ vµng 1.2.2 CÊu tróc keo vµng 1.3 TÝnh chÊt vµ øng dơng 1.3.1 TÝnh chất quang dung dịch keo 1.3.2 Các tính chất keo vàng Chơng Các phơng pháp chế tạo mẫu vàng nanô mét 15 nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang 2.1 Các phơng pháp chế tạo 15 2.1.1 Phơng pháp quang hoá 15 2.1.2 Phơng pháp hoá khử 16 2.1.3 Phơng pháp khử nhiệt 16 2.2 Các phơng pháp nghiên cứu cấu trúc vi hình thái 17 2.2.1 Phơng pháp nhiễu xạ tia X 17 2.2.2 Phơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM- Scanning Electron 18 Microscope) 2.2.3 Phơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission 20 Electron Microscopy) 2.3 Các phơng pháp nghiên cứu tính chất quang vật liệu 22 ứng Thị Diệu Thuý K10N 2.3.1 Phơng pháp phổ hấp thụ 22 2.3.2 Phơng pháp huỳnh quang 23 2.3.3 Phơng pháp phổ kích thích huỳnh quang 25 Chơng THựC nghiệm 27 3.1 Chế tạo keo vàng phơng pháp quang hoá 27 3.2 Chế tạo keo vàng phơng pháp hoá khử 29 3.3 Chế tạo keo vàng phơng pháp khử nhiệt 32 Chơng 34 Kết thảo luận 4.1 Các kết nghiên cứu cấu trúc vi hình thái 34 4.1.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X 34 4.1.2 ảnh hiển vi điện tử quét 36 4.1.3 ảnh hiển vi điện tử truyền qua 38 4.2 Các kết nghiên cứu tính chất quang cđa keo vµng 4.2.1 Phỉ hÊp thơ 4.2.1.1 Phỉ hấp thụ keo vàng chế tạo phơng pháp 40 40 41 hãa khư 4.2.1.2 Phỉ hÊp thơ cđa keo vàng chế tạo phơng pháp 45 quang hóa 4.2.2 Phỉ hnh quang 4.2.2.1 Phỉ hnh quang cđa c¸c mẫu keo vàng đợc chế 47 47 tạo phơng ph¸p ho¸ khư 4.2.2.2 Phỉ hnh quang cđa mÉu keo vàng chế tạo 51 phơng pháp khử nhiệt 4.2.2.3 Phổ huỳnh quang mẫu keo vàng đợc chế 52 tạo phơng pháp quang hoá 4.2.2.4 ảnh hởng công nghệ chế tạo lên tính chất quang hạt nanô vàng Khoá luận tốt nghiệp Chuyên ngành KH & CN Nanô, ĐH Công nghệ 53 4.2.3 Phỉ kÝch thÝch hnh quang 54 KÕt ln 55 Tµi liệu tham khảo 57 ứng Thị Diệu Thuý K10N Mở đầu Trong năm gần đây, vật liệu có kích thớc nano mét đợc đặc biệt ý chế tạo, nghiên cứu tính chất vật liệu quý báu, hứa hẹn ứng dụng đặc biệt Những nghiên cứu vật liệu có kích thớc nanô mét phong phú đa dạng: từ nghiên cứu chế tạo vật liệu (bán dẫn, vật liệu từ, vật liệu quang học, ) nghiên cứu tính chất cấu trúc, tính chất quang-điện-từ, nghiªn cøu nh»m øng dơng vËt liƯu Nãi chung, vËt liệu có kích thớc nanô mét thờng đợc xem không khuyết tật, với tỉ số diện tích bề mặt khối lớn Hiệu ứng giam hãm lợng tử xuất vật liệu có kích thớc nanô mét làm cho vật liệu có tính chất đặc biệt, trở thành chủ đề phong phú cho nghiên cứu Trong số vật liệu có cấu trúc nanô, hạt kim loại có kích thớc nanô (nanoparticle/ nanocluster) có tính chất đặc biệt đợc quan tâm, liên quan tới hệ ®iƯn tư tù Khi xÐt tÝnh chÊt (quang-®iƯn-tõ) cđa kim loại phụ thuộc vào kích thớc hạt, có hai giới hạn đáng quan tâm: (1) kích thớc hạt so sánh đợc với quãng đờng tự trung bình điện tử (khoảng vài chục nanô mét), trạng thái plasma bề mặt thể tính chất đặc trng tơng tác với ngoại trờng (ví dụ nh sóng điện từ - ánh sáng); (2) kích thớc hạt so sánh đợc với bớc sóng Fermi (khoảng dới nanô mét), hệ điện tử thể trạng thái lợng gián đoạn, gần giống nh nguyên tử Gần đây, hai loại hạt nanô kim loại đợc quan tâm nghiên cứu nhiều vàng (Au) bạc (Ag) Vàng từ lâu đợc biết đến đợc sư dơng nhiỊu nh− mét kim lo¹i q Trong thêi kỳ Trung cổ, nhà giả kim thuật dùng vàng cho mục đích dợc phẩm để giữ gìn tuổi xuân sức khoẻ [9] Vàng có kích thớc nanô mét có số đặc tính quang học tốt, đợc biết đến sử dụng từ lâu: từ kỷ XI, ngời ta dùng hạt nanô vàng bạc nh chất màu để làm kính màu nhà thờ Keo vàng có màu sắc phụ thuộc vào kích thớc hạt Điều đợc Mie giải thích hấp thụ tán xạ ánh sáng hạt cầu nhỏ [20], mà thực chất hấp thụ cộng hởng plasma bề mặt [21] Gần đây, chế phát quang đám nguyên tử vàng có kích thớc nanô mét (nh nguyên tử nhân tạo) đợc nghiên cứu, giải thích Tính chất huỳnh quang mạnh vàng nanô mét đợc dùng cho mục đích chất đánh dấu huỳnh quang [19] Các tính chất quang cộng hởng hạt keo vàng có kích thớc nanô mét đợc áp dụng thành công phát triển chip sinh học sensor sinh học [22] Vàng nanô mét đợc chế tạo nhiều phơng pháp Zsigmondy ngời đa phơng pháp tổng hợp keo vàng kích thớc hạt thay đổi tác nhân khử nh: hydro peroxide, formalin phốt trắng [15] Năm 1973, Frens công bố báo phơng pháp tổng hợp keo vàng với kích thớc hạt xác định trớc [17] Tuy nhiên để ứng dụng đợc, hạt vàng phải có kích thớc từ 2-100 nm [18] Những hạt vàng có kích thớc nhỏ so sánh đợc với bớc sóng Fermi (0,7 nm) cho hiệu st hnh quang cao ®Õn 20-90% vïng phỉ hång ngoại đến tử ngoại [19], chúng có triển vọng ứng dụng kỹ thuật đánh dấu huỳnh quang Với hạt vàng có kích thớc khoảng 10-20 nm, triển väng øng dơng l¹i n»m ë tÝnh chÊt cđa tr¹ng thái plasma bề mặt, quãng đờng tự trung bình điện tử hệ nguyên tử vàng 20 nm Trong thời gian gần đây, có nhiều nghiên cứu tập trung chế tạo hạt vàng vùng kích thớc khai thác khả ứng dụng chúng linh kiện thông tin quang (dÉn sãng/ trun qua chän läc tÇn sè), linh kiện quang tử nanô (bộ biến đổi photon plasmon photon) đặc biệt sinh/ dợc học (sensor sinh học, điều trị u hấp thụ cộng h−ëng plasma) øng ThÞ DiƯu Th – K10N Ln văn nằm hớng nghiên cứu nanô vàng Trong khả công nghệ điều kiện trang thiết bị để nghiên cứu, khảo sát tính chất vật liệu chế tạo đợc, luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt nanô vàng có kích thớc ~10 nm, nhằm nghiên cứu tính chất đặc trng liên quan đến plasma bề mặt Cấu trúc hạt vàng chế tạo đợc thực chất giống nh hợp chất với lõi tinh thể vàng nanô mét, đợc bao bọc lớp vỏ hữu (ví dụ với nhóm chức amine) Lớp vỏ hữu đợc thay tan vàng nanô mét nớc, đợc thay gắn với mét sinh chÊt cđa c¬ thĨ sèng (vÝ dơ nhãm thiol SH protein) Điều kiện công nghệ đợc khảo sát, thay đổi để đạt đợc mẫu có cấu trúc tốt, kích thớc xác định theo yêu cầu Các nghiên cứu vi hình thái, cấu trúc pha tinh thể, tính chất hấp thụ plasma bề mặt, huỳnh quang với dịch đỉnh khác so với đỉnh phổ hấp thụ đợc thực hệ thống mẫu chế tạo điều kiện tối u hoá số thông số công nghệ Luận văn đợc thực Phòng Vật liệu Quang ®iƯn tư, ViƯn Khoa häc VËt liƯu thc ViƯn Khoa học Công nghệ Việt Nam Khoá luận tốt nghiệp Chuyên ngành KH & CN Nanô, ĐH Công nghệ Chơng Tổng quan 1.1 Tình hình nghiên cứu keo vàng có kích thớc nanô mét giới Vàng nguyên tố thứ 79 Bảng tuần hoàn nguyên tố, có cấu hình điện tử Xe5d106s2, có bán kính nguyên tử 1,44 A0 Ngay từ buổi đầu văn minh, ngời ta coi vàng nh biểu tợng quyền lực giàu sang Trong nhiều xã hội vàng đợc coi nh− mét chÊt cã ma tht cã thĨ b¶o vƯ ngời chống lại bệnh tật hay ma quỷ Công nghệ nanô nói chung vàng có kích thớc nanô mÐt nãi riªng trë nªn cùc kú hÊp dÉn nhiỊu lÜnh vùc khoa häc sù xt hiƯn c¸c tính chất kỳ lạ vật liệu mà có hệ có kích thớc nanô mét Năm 1996, Ahmadi Belloni nghiên cứu tính chất hạt nanô phụ thuộc vào kích thớc hình dạng hạt [10] Sự tổng hợp hạt nanô có kích thớc hình dạng nh mong muốn đóng vai trò quan trọng công nghệ nanô Tuy nhiên, để tổng hợp đợc hạt nanô bền vững điều khiển kích thớc hạt công việc không dễ dàng [28] Keo vàng hệ keo đợc quan tâm nghiên cứu nhiều Có số phơng pháp chế tạo để thu đợc hạt keo có kích thớc nh mong muốn [30] Zsigmondy ngời đa phơng pháp tổng hợp keo vàng có kích thớc hạt khác tác nhân khử nh: hydro peroxide, formalin phốt trắng [15] Năm 1973, Frens đa phơng pháp khử để tổng hợp keo vàng có kích thớc hạt xác định trớc với tác nhân khử citrate Bằng cách thay đổi tỷ lệ citrate/ Au3+ thu đợc hạt có đờng kính từ 10 ữ 150 nm [28] Năm 1995, Leff thay đổi tỷ lệ Au3+/ thiol (tác nhân làm bền) với thời gian phản ứng khoảng 12 thu đợc đợc hạt keo vàng có kích thớc từ 1,5 ữ 20 nm [22] Năm 2000, Goia Brown cải tiến phơng pháp nuôi tinh thể mầm trung gian Schmid để điều ứng Thị Diệu Thuý K10N ... dÞch keo 1.3.2 Các tính chất keo vàng Chơng Các phơng pháp chế tạo mẫu vàng nanô mét 15 nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang 2.1 Các phơng pháp chế tạo 15 2.1.1 Phơng pháp quang hoá 15 2.1.2... nằm hớng nghiên cứu nanô vàng Trong khả công nghệ điều kiện trang thiết bị để nghiên cứu, khảo sát tính chất vật liệu chế tạo đợc, luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt nanô vàng có... nghiệm 27 3.1 Chế tạo keo vàng phơng pháp quang hoá 27 3.2 Chế tạo keo vàng phơng pháp hoá khử 29 3.3 Chế tạo keo vàng phơng pháp khử nhiệt 32 Chơng 34 Kết thảo luận 4.1 Các kết nghiên cứu cấu trúc