Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mô hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại

84 48 0
Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mô hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Mục đích của đề tài: Khảo sát sự phụ thuộc của số lượng và vị trí của đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt vào hình dạng và kích thước của các hạt và thanh nano kim loại Au và Ag. Các kết quả thực nghiệm được so sánh với một số mô hình lí thuyết đang được sử dụng trên thế giới như Mie, Gans, DDA, SI. Đặc biệt, sử dụng lí thuyết Phiếm hàm mật độ một số kết quả lí thuyết ban đầu của tác giả đã được so sánh với kết quả thực nghiệm.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Hồng Thị Hiến TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN MƠ HÌNH HĨA HIỆN TƯỢNG SPR CỦA CÁC HẠT NANO KIM  LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC          Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hà Nội, 2012 Luận văn II ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Hồng Thị Hiến MƠ HÌNH HĨA HIỆN TƯỢNG SPR CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI Chun ngành: Quang học Mã số: 60 44 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC          NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Ngạc An Bang Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hà Nội, 2012 Luận văn II LỜI CẢM ƠN   Lời đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm  ơn sâu sắc đến  Ts  Ngạc An Bang  và  Ts.  Hồng Nam Nhật đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu  và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.  Nhân đây, tơi xin trân trọng cảm  ơn tới q thầy, cơ, chú Bình của Chun  ngành Quang học, Bộ mơn Vật lí Đại cương và khoa sau Đại học – Trường Đại học  Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạọ điều kiện để tơi học tập và hồn thành  tốt khóa học Tơi xin gửi lời biết  ơn đến anh Sái Cơng Doanh, bạn Tưởng Thị Thanh người   đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong luận văn này.  Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã ln ở bên cạnh động viên và giúp   đỡ tơi trong suốt q trình học tập cũng như thực hiện luận văn này Mặc dù tơi đã cố  gắng hồn thiện luận văn bằng tất cả  sự nhiệt tình và năng   lực của mình, tuy nhiên khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được  những đóng góp q báu của q thầy cơ và các bạn                                                                                                 Hồng Thị Hiến Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Mục lục  Mục lục hình vẽ                                                                                                                I Hình 1.1. Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt   nano ­ 3 ­                                                                                                                 I Mục lục hình vẽ Hình 1.1. Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt  nano ­ 3 ­ Hình 1.2. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt      Error: Reference source not found      Hình 1.3. Phổ hấp thụ điển hình của hạt bạc            Error: Reference source not found      Hình 1.4. Phổ hấp thụ điển hình của keo vàng           Error: Reference source not found      Hình 1.5. Thanh nano với hai mode dao động lưỡng cực điện  Error: Reference source  not found Hình 1.6. Phổ hấp thụ điển hình của thanh  vàng  .    Error: Reference source not found     Hình 2.1. Mơ hình chế tạo hạt nano vàng của quy trình (1)      Error: Reference source       not found Hình 2.2. Mơ tả quy trình chế tạo hạt vàng với chất khử NaBH4         Error: Reference       source not found Hình 2.3. Mơ tả q trình chế tạo hạt vàng theo thời gian       Error: Reference source       not found Hình 2.4.  Quy trình chế tạo mẫu bạc bằng phương pháp hóa khử.     Error: Reference      source not found Hình 2.5. Mơ tả quy trình chế tạo hạt bạc với chất khử NaBH4           Error: Reference       source not found Hình 2.6. Quy trình tạo mầm (seed)                             Error: Reference source not found      Luận văn I Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hình 2.7. Quy trình chế tạo thanh vàng bằng phương pháp tạo mầm  Error: Reference  source not found Hình 2.8. Sơ đồ hình  thành  thanh vàng với chất hoạt hố CTAB        Error: Reference       source not found Hình 2.9.  Sự phản xạ chọn lọc trên một họ mặt phẳng (hkl)  Error: Reference source   not found Hình 2.10. Ảnh chụp thí nghiệm trên hệ máy Siemens D5005  Error: Reference source   not found Hình 2.11.  Sơ đồ thiết bị TEM                                    Error: Reference source not found      Hình 2.12. Sơ đồ quang học của máy quang phổ UV 2450  Error: Reference source not  found Hình 2.13.  Ảnh chụp hệ đo phổ hấp thụ UV­2450 Shimadzu . Error: Reference source   not found Hình 2.14. Phổ hấp thụ của cuvette dùng để đo phổ hấp thụ của keo vàng         Error:       Reference source not found Hình 3.1.  Ảnh chụp những mẫu vàng khử bằng (SCD)       Error: Reference source not       found Hình 3.2.  Ảnh chụp những mẫu Au khử bằng NaBH4         Error: Reference source not       found                                                            Hình 3.3. Ảnh chụp những mẫu vàng khi  khảo sát theo nhiệt độ, thời gian tăng dần từ trái sang phải.     Error: Reference source      not found Hình 3.4. Ảnh chụp những mẫu bạc khử bằng (SCD)         Error: Reference source not       found Hình 3.5. Ảnh chụp những mẫu bạc khử bằng NaBH4         Error: Reference source not       found Luận văn II Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hình 3.6. Ảnh chụp dung dịch mầm                            Error: Reference source not found      Hình 3.7. Ảnh chụp mẫu vàng với hệ số AR tăng dần        Error: Reference source not       found Hình 3.8. Phổ XRD của mẫu hạt vàng khử bằng (SCD)      Error: Reference source not       found Hình 3.9. Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu hạt Au khử bằng (SCD)              Error:       Reference source not found Hình 3.10. Phổ XRD của mẫu hạt bạc khử bằng (SCD)      Error: Reference source not       found Hình 3.11. Kết quả phân tích phổ XRD của mẫu hạt Ag khử bằng (SCD)            Error:       Reference source not found Hình 3.12. Phổ EDS của mẫu hạt Au chế tạo bằng phương pháp hóa khử         Error:       Reference source not found Hình 3.13. Phổ EDS của đế thủy tinh sử dụng trong phép đo phổ EDS và XRD Error:   Reference source not found Hình 3.14. Ảnh của mẫu SCD _Au1……………………………………………….­ 34  ­ Hình 3.15. Ảnh của mẫu SCD _Au3……………………………………………….­ 34  ­ Hình 3.16. Ảnh của mẫu SCD _Au4……………………………………………….­ 35  ­ Hình 3.17. Ảnh của mẫu SCD _Au6……………………………………………….­ 35  ­ Hình 3.18.a. Ảnh TEM của mẫu hạt SCD_Au5           Error: Reference source not found      Luận văn III Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hình 3.18.b. Phân bố kích thước của mẫu hạt SCD_Au5.  Error: Reference source not       found Hình 19.a. Ảnh TEM của mẫu hạt CR_Au3                 Error: Reference source not found      Hình 19.b. Ảnh TEM của mẫu hạt CR_Au3 đã qua xử lí      Error: Reference source not       found Hình 3.20. Ảnh của mẫu SCD _Ag3                             Error: Reference source not found      Hình 3.21. Ảnh của mẫu SCD _Ag1                             Error: Reference source not found      Hình 3.22. Ảnh của mẫu CR_Ag2                                Error: Reference source not found      Hình 3.23. Ảnh của mẫu CR _Ag3                               Error: Reference source not found      Hình 3.24.a. Ảnh TEM của mẫu CR658                      Error: Reference source not found      Hình 3.24.b. Ảnh TEM của mẫu CR687                      Error: Reference source not found      Hình 3.24.c. Ảnh TEM của mẫu CR696                      Error: Reference source not found      Hình 3.24.d. Ảnh TEM của mẫu CR713                      Error: Reference source not found      Hình 3.24.e. Ảnh TEM của mẫu CR723                      Error: Reference source not found      Hình 3.24.f. Ảnh TEM của mẫu CR728                      Error: Reference source not found      Hình 3.25.a. Phổ hấp thụ đã chuẩn hóa của một số mẫu hạt Au khử bằng (SCD)                                                                                       Error: Reference source not found      Hình 3.25.b. Sự phụ thuộc của  SPR  vào tỷ lệ mol giữa Au3+ và SCD  Error: Reference   source not found Hình 3.26.a. Phổ hấp thụ đã chuẩn hóa của mẫu hạt Au khử bằng  (NaBH4) Error: Reference source not found Hình 3.26.b. Sự phụ thuộc của  SPR  vào tỷ lệ mol giữa Au3+ và NaBH4                 Error:       Reference source not found Hình 3.27.a. Phổ hấp thụ của những mẫu hạt Au khảo sát theo thời gian            Error:       Reference source not found Luận văn IV Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hình 3.27.b. Biểu diễn bước sóng của những mẫu hạt Au theo thời gian khảo sát                                                                                       Error: Reference source not found      Hình 3.28.a. Phổ hấp thụ đã chuẩn hóa của một số mẫu hạt Ag khử bằng (SCD)                                                                                       Error: Reference source not found      Hình 3.28.b. Sự phụ thuộc của  SPR  vào tỷ lệ mol giữa Ag+ và SCD .  Error: Reference       source not found Hình 3.29.a. Phổ hấp thụ đã chuẩn hóa  của  mẫu hạt Ag khử bằng (NaBH4). .  Error:       Reference source not found Hình 3.29.b. Sự phụ thuộc của  SPR  vào tỷ lệ mol giữa Ag+ và (NaBH4) .­  47­  Hình 3.30. Phổ hấp thụ đã chuẩn hóa  của một  mẫu hạt Au, Ag khử bằng SCD                                                                                       Error: Reference source not found      Hình 3.31. phổ hấp thụ đã chuẩn hố của mẫu thanh vàng  ­  49 ­ Hình 3.32.Sự phụ thuộc của vị trí bước sóng cộng hưởng vào  kích thước của hạt  Au đã được so sánh với lý thuyết của Mie.                      Error: Reference source not found   Hình 3.33. Sự phụ thuộc của vị trí bước sóng cộng hưởng vào  kích thước của hạt  Ag đã được so sánh với lý thuyết của Mie                  Error: Reference source not found      Hình 3.34. So sánh giữa số liệu thực nghiệm và lí thuyết:       Error: Reference source       not found Hình 3.35. Mơ hình số lượng hạt ngun tử                    Error: Reference source not found   Hình 3.36. Vị trí đỉnh hấp thụ ngang (transverse mode) theo số ngun tử           Error:       Reference source not found Hình 3.37. Quỹ đạo khơng định xứ HOMO và LUMO         Error: Reference source not       found Luận văn V Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại 3.6.3.  Biện luận kết quả sử dụng mơ hình Lí thuyết Phiếm hàm mật độ Có thể tóm tắt các vấn đề tồn tại như sau:  Lí thuyết cổ  điển khơng xem xét đến sự  thay đổi của hằng số điện mơi trên   chính các hạt kim loại mà chỉ  coi mơi trường có một hằng số  điện mơi xác định  khơng thay đổi. Trên cơ sở vi mơ do kích thước nano nên quỹ đạo điện tử  phủ  trên   tồn bộ mặt kim loại theo những quỹ đạo riêng, do đó xuất hiện sự biến thiên chiết  suất của đám mây điện tử  bắt nguồn từ sự thay đổi mật độ  điện tích trên các quỹ  dạo khác nhau. Mặt khác, sự thay đổi hình học của quỹ đạo dẫn tới sự thay đổi hình  học của bề mặt hạt. Các giá trị  động lực học của quỹ đạo lại phụ  thuộc rất nhiều  vào hình dáng cụ thể của hạt nên tần số dao động trên quỹ đạo chắc chắn sẽ bị ảnh   hưởng Lí thuyết cổ điển cũng khơng xem xét đến ảnh hưởng qua lại giữa hạt nano và  lớp dung mơi bao phủ. Chúng ta biết rằng  khi hạt nano được hòa trong dung mơi thì   xuất hiện trên bề mặt hạt các điện tích, một mặt do phân cực tự  phát của hạt mặt   khác, do chính phân cực của dung mơi. Do đó giữa bề  mặt hạt và dung mơi xuất  hiện khoảng chân khơng hoạt động như  lớp điện mơi giữa hai bản cực tụ  điện.  Hiện tượng này còn gọi là hiệu ứng screening effect kiểu điện dung (Conductor­like   screening effect, hay còn gọi tắt là Cosmo). Sự xuất hiện của Cosmo có thể làm thay  đổi vị trí đỉnh phát xạ theo hằng số điện mơi của dung mơi – sự thay đổi này có thể  đạt giá trị rất lớn ~ 100% đối với mơi trường nước (hằng số điện mơi ~ 80 ).  Luận văn 57 Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Chính       lí       chúng       tìm   hiểu     tượng   cộng   hưởng  Plasmon bề mặt dựa trên việc giải phương trình sóng trên hệ nhiều hạt: hạt nano –  dung mơi. Hiện nay mặc dù có tiến bộ đáng kể trong cơng nghệ tính tốn việc giải   các phương trình sóng dựa trên phương trình Schrưdinger cho hệ nhiều hạt là rất khó  khăn ví dụ, một ngun tử có hai điện tử hóa trị, mỗi điện tử có ba vị trí x, y, z thì sẽ  có 32 = 9 tương tác trao đổi cần xét đến. Trong một hạt nano có 10 ngun tử  sẽ có   320 tương tác trao đổi cần xét đến. Số liệu tính tốn này, có thể phải tính hằng năm  trên cơ sở các trang bị hiện có.  Chính vì thế người ta khơng giải phương trình Schrưdinger được thiết lập trên  cơ sở mỗi điện tích một hàm sóng mà chỉ giải phương trình  Kohl – Sham được thiết  lập dựa trên mật độ  điện tích: một hệ ­ một mật độ  điện tích duy nhất – một hàm  sóng duy nhất.  Như  vậy, phương trình   Kohl – Sham dựa trên một phiếm hàm (ma trận các   đạo   hàm)   gọi     phiếm   hàm   mật   độ     phương   pháp     thường     gọi   là  phương pháp phiếm hàm mật độ Trong nghiên cứu này chúng tơi sử dụng các phiếm hàm sau: ­ LDA: Local Density Approximation: đây là  phiếm hàm cơ bản cho phép xác  định mật độ điện tích và Spin. Giới hạn của phiếm hàm này là nó chỉ  xem   xét tương tác của một electron với đám mây điện tử còn lại chứ khơng xem  xét tương tác cụ thể giữa hai  điện tích. Phiếm hàm LDA cho độ chính xác  tương đối tốt với các hệ chất rắn, ­ GGA/PBE: gradient­corrected approximation:  được sử  dụng trong một số  trường hợp chủ  yếu với các cấu hình ít ngun tử. Thơng thường đây là  phiếm hàm chính xác hơn nhưng đòi hỏi thời gian tính tốn lâu đối với các   hệ lớn có nhiều electron.  Luận văn 58 Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Lí thuyết lượng tử cho thấy cơ chế của Plasmon như sau:  ­ Hấp thụ  Plasmon là hấp thụ  của đám mây điện tử  tức là của trạng thái   plasma điện tích ­ Các đám mây điện tử  này tồn tại trên bề  mặt hạt nano và các điện tử  phải   chuyển động trên quỹ đạo với tần số tương ứng với tần số ánh sáng mà nó   hấp thụ, do đó động lực học của điện tử  trên quỹ  đạo  ảnh hưởng lớn đến  ánh sáng mà nó hấp thụ ­ Do có nhiều kiểu quỹ đạo khác nhau trên bề mặt mà có nhiều loại dao động  Plasmon khác nhau, việc các hạt hình Elip có hai loại dao động dọc, ngang  cho thấy có hai loại quỹ đạo quan trọng nhất trên các hạt đó Giới hạn tính tốn trong luận văn: Mơ hình hạt nano:  Chúng tơi xây dựng các mơ hình sau: ­ (1) các dây ngun tử đơn và kép có số ngun tử nhỏ hơn 100;  ­ (2) các mặt ngun tử có số ngun tử nhỏ hơn 150;  ­ (3) các hình tứ giác, bát diện, trụ, cầu, thoi có số ngun tử lên đến 200;  Luận văn 59 Mơ hình hóa hiện tượng SPR của các hạt nano kim loại Hình 3.35. Mơ hình số lượng hạt ngun tử Với các mơ hình có số hạt nhỏ hơn 50 chúng tơi tính trực tiếp các đỉnh phổ hấp  thụ  dựa trên việc tìm tồn bộ các trạng thái kích thích khả dĩ trong vùng bước sóng  nhìn thấy (1.65 

Ngày đăng: 16/01/2020, 18:01

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • 2.3.2. Nghiên cứu phổ tán sắc năng lượng EDS

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan