(Luận án tiến sĩ) chế tạo, nghiên cứu cấu trúc và tính chất của một số hệ vật liệu vàng kích thước nano luận án TS khoa học vật chất 94401

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Khắc Thuận CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU VÀNG KÍCH THƯỚC NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Khắc Thuận CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU VÀNG KÍCH THƯỚC NANO Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: 944012801QTD LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Hoàng Nam Nhật Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực, thành nghiên cứu cá nhân tơi, tập thể tơi có đóng góp chính, tơi tập thể cộng công bố dự kiến công bố thời gian tới, chưa xuất công bố tác giả khác Tất trích dẫn từ tài liệu khác liệt kê đầy đủ danh mục "Tài liệu tham khảo" Luận án hoàn thành với hỗ trợ từ đề tài Quỹ phát triển KH&CN QG Nafosted “Ảnh hưởng cấy ion lên cấu trúc tính chất vật liệu cấu trúc nano”, mã số: 103.02-2017.18 Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan trước Hội đồng Nhà trường Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Nguyễn Khắc Thuận i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, Phó Giáo sư, Tiến sĩ Hoàng Nam Nhật, người thầy trực tiếp hướng dẫn, định hướng, tận tình bảo giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu thực luận án để có kết ngày hơm Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô, cán bạn đồng nghiệp Khoa Vật lý Kĩ thuật Công nghệ Nano cán quản lý Phòng Đào tạo, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu khoa học thời gian vừa qua Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quỹ NAFOSTED giúp đỡ tơi mặt tài chính, hỗ trợ cho thực tập Nhật Bản, từ tháng đến tháng 12/2015, GS Tomoyuki Yamamoto (ĐH Waseda) tạo điều kiện tốt cho thực nghiên cứu mình, thầy giáo Khoa Vật lý, Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN tạo điều kiện cho việc sử dụng thiết bị trình nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa học Cơ bản, Học viện Phịng khơng - Khơng qn, Thủ trưởng Phịng Quản lý Học viên, Đoàn 871, TCCT bạn bè ủng hộ, động viên suốt trình học tập hồn thành luận án Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến bậc sinh thành người vợ yêu quý thân yêu bên lúc khó khăn, mệt mỏi nhất, động viên, hỗ trợ tài tinh thần, giúp tơi đứng vững q trình nghiên cứu, hồn thiện luận án Tuy nhiên, luận án khơng thể tránh khỏi số thiếu sót Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn để luận án hoàn thiện Tác giả ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 0.1 Lý chọn đề tài 0.2 Mục tiêu nghiên cứu 0.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 0.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 0.5 Bố cục luận án Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM VÀNG Ở VÙNG KÍCH THƢỚC NANO 1.1 Vật liệu nano vàng 1.1.1 Sơ lược vật liệu vàng 1.1.2 Cấu trúc tính chất vật liệu nano vàng 1.1.3 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) 13 1.2 Vật liệu Au pha tạp C, H 16 1.2.1 Cấu trúc tính chất vật liệu AuC 16 1.2.2 Cấu trúc tính chất vật liệu AuH 21 1.3 Vật liệu nano hợp kim AuFe 25 1.3.1 Cấu trúc hợp kim AuFe 25 1.3.2 Một số tính chất hợp kim AuFe 28 1.4 Anten siêu cao tần 39 Chƣơng 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO, PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU 43 2.1 Các phƣơng pháp chế tạo mẫu 43 2.1.1 Chế tạo màng mỏng Au phương pháp hóa học 43 2.1.2 Chế tạo màng mỏng AuFe phương pháp bốc bay nhiệt chân không 45 2.1.3 Phương pháp cấy ion máy gia tốc ion Pelletron 47 iii 2.2 Các phƣơng pháp phân tích cấu trúc điện tử 49 2.2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp tính tốn 49 2.2.2 Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) 52 2.2.3 Các gói phần mềm tính tốn từ nguyên lý ban đầu sử dụng 53 2.3 Các phép đo khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu 54 2.3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 54 2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 56 2.3.3 Phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 57 2.3.4 Đo độ dày màng mỏng phương pháp vạch mũi dò 58 2.3.5 Phương pháp bốn mũi dò xác định điện trở suất 59 2.3.6 Khảo sát tính chất từ từ kế mẫu rung (VSM) 60 2.3.7 Phổ hấp thụ UV-vis 61 Chƣơng 3: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG Au VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA TẠP CHẤT C, H 63 3.1 Cấu trúc nano hệ vàng-carbon 63 3.2 Cấu trúc tính chất hệ Au:H 72 3.2.1 Đặc trưng cấu trúc 74 3.2.2 Một số tính chất hệ màng mỏng Au:H 77 3.3 Mối liên hệ cấu trúc tính chất 82 3.3.1 Các đặc trưng vật lý liên hết hydrid Au-H 82 3.3.2 Các đặc trưng quang phổ cấu trúc Au:H pha loãng 86 3.3.3 Các cấu trúc thực 88 Chƣơng 4: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG AuFe VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA CẤY CARBON 91 4.1 Đặc trƣng cấu trúc 93 4.1.1 Cấu trúc bề mặt 93 4.1.2 Phân tích thành phần màng mỏng 97 4.1.3 Cấu trúc tinh thể 98 4.2 Một số tính chất hệ màng mỏng 102 4.2.1 Tính chất điện 102 4.2.2 Tính chất quang 106 4.2.3 Tính chất từ 114 iv Chƣơng 5: ỨNG DỤNG CỦA MÀNG NANO Au TRONG CÔNG NGHỆ SIÊU CAO TẦN 126 5.1 Các đặc trƣng cấu trúc tính chất hệ màng mỏng Au 126 5.1.1 Cấu trúc màng mỏng Au 126 5.1.2 Đặc trưng tính chất 130 5.2 Chế tạo anten siêu cao tần từ màng mỏng Au 134 5.2.1 Phương pháp chế tạo 134 5.2.2 Trở kháng anten 135 5.2.3 Khảo sát phản hồi anten 138 KẾT LUẬN 145 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO 148 v DANH MỤC MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Abs Absorption Hấp thụ ab initio First principle Nguyên lý ban đầu AM1 Austin Model Mơ hình Austin BG Band-gap Vùng cấm BS Band Structure Cấu trúc vùng bcc Body centered cubic Lập phương tâm khối B3LYP Becke, 3-parameter, Lee-Yang-Parr Phiếm hàm kết hợp B3LYP CASTEP Cambridge Serial Total Energy Mã code CASTEP Package CCSD(T) Coupled Cluster including single and Phương pháp cluster liên kết double excitations and perturbative CCSD(T) (triples) CL Cluster Nhóm, đám DOS Density of State Mật độ trạng thái DFT Density Functional Theory Phiếm hàm mật độ Dmol3 DFT package of B Delley Mã code DMol3 B Delley DNP Double numeric plane wave basis Cơ sở sóng phẳng dạng số kép EA Electron affinity Ái lực điện tử EBS Electronic band spectrum Phổ vùng điện tử EDX/EDS Energy-dispersive X-ray spectroscopy Phổ tán sắc lượng tia X fcc Face centered cubic Lập phương tâm mặt FC-ZFC Field cooled - Zero field cooled Làm lạnh có - khơng có từ trường GGA Generalized Gradient Approximation Gần Gradient suy rộng GSE Ground state energy Năng lượng trạng thái dừng hcp Hexagonal close packed Lục giác xếp chặt HF Hatree-Fock phương pháp Hatree-Fock HOMO Highest occupied molecular orbital Quỹ đạo phân tử lấp đầy có mức lượng cao II Ion implantation Cấy ghép ion LDA Local density approximation Gần mật độ địa phương vi LVDT Linear Variable Differential Biến áp vi sai biên thiên tuyến tính Transfomer LUMO Lowest unoccupied molecular orbital Quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy có mức lượng thấp MW Microwave Siêu cao tần MNDO Modified Neglect of Diatomic Overlap Tiện cận gần MNDO MP2/ Møller–Plesset perturbation theory Lý thuyết nhiễu loạn Moller – MPn Plesset NAO Natural atomic orbitals Quỹ đạo nguyên tử tự nhiên NEC Natural electron configuration Cấu hình điện tử tự nhiên NPA Natural population analysis Phân tích mật độ điện tích tự nhiên NRA nuclear reaction analysis phân tích kích hoạt hạt nhân OC Optical conductivity Quang dẫn PBE Perdew–Burke-Ernzerhof exchange Phiếm hàm tương quan trao đổi energy Perdew–Burke-Ernzerhof Photodetachment binding energy Phổ lượng liên kết quang tách PBEs spectrum PES Photoelectron spectroscopy Phổ quang điện tử PIXE Particle Induce X-Ray Emission Phát xạ huỳnh quang tia X PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang PM3 Parameterized Model number PW Plane wave Sóng phẳng RBS Rutherford Backscattering Hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford RF Radio frequence Tần số vô tuyến RKKY Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida Tương tác trao đổi Ruderman– Interaction Kittel–Kasuya–Yosida SEM - (Field Emission) Scanning Electronic Kính hiển vi điện tử quét (phát xạ FESEM Microscope trường) SG Spin Glass Thủy tinh spin SPR Surface Plasmon Resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt SNICS Source of Negative Ions by Cesium Nguồn ion âm phún xạ Cesium vii Sputtering SQUID Superconducting quantum interference Thiết bị giao thoa kế lượng tử siêu device dẫn tài liệu tham khảo TLTK TV Terminal voltage Điện đầu vào TB Tight-binding Liên kết chặt UV-Vis Ultra-violet-visible Tử ngoại - ánh sáng nhìn thấy VASP Vienna ab initio simulation package Gói cơng cụ mơ VASP VDE Vertical detachment energy Năng lượng phân tách thẳng VSM Vibrating Sample Magnetometer Từ kế mẫu rung XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X viii ... vậy, nghiên cứu sinh thực đề tài nghiên cứu có tính hệ thống với tiêu đề ? ?Chế tạo, nghiên cứu cấu trúc tính chất số hệ vật liệu vàng kích thước nano? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo hệ. ..ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Khắc Thuận CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU VÀNG KÍCH THƯỚC NANO Chuyên ngành: Vật liệu. .. 14 39 6 Từ tính họ vật liệu vàng có cấu trúc nano khẳng định vật liệu khối vật liệu nano có tính chất khác biệt, tính chất từ họ vật liệu thay đổi không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, tỉ lệ