Đang tải... (xem toàn văn)
Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc nano kim loại Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc nano kim loại Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc nano kim loại Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc nano kim loại Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc nano kim loại
đại học quốc gia hà nội Tr-ờng đại học khoa học tự nhiên Đỗ Văn Tuyên Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai cấu trúc nano kim loại Luận văn thạc sĩ khoa học Hà nội - 2011 đại học quốc gia hà nội Tr-ờng ĐạI HọC KHOA HọC Tự NHIÊN Đỗ Văn Tuyên Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai cấu trúc nano kim loại Chuyên ngành: Quang học MÃ ngành: 60 44 11 Luận văn thạc sĩ khoa học ng-ời h-ớng dẫn khoa học: pgs.ts Nguyễn Thế Bình Đại học Quốc gia Hµ Néi Hµ néi - 2011 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC PHI TUYẾN 1.1 Phương trình Maxwell mơi trường phi tuyến…………………………… 1.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến………………………………………… …… 1.3 Sự đối xứng quang phi tuyến…………………………………………… 1.4 Lý thuyết SHG 1.4.1 Nguyên lí 1.4.2 Hệ số siêu phân cực β (hyperpolarizability) 14 1.4.3 Lý thuyết chung tăng cường trường định xứ 14 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ SHG TRÊN CẤU TRÚC NANO KIM LOẠI 2.1 SHG từ hạt nano làm từ vật liệu không đối xứng tâm 16 2.1.1 Lý thuyết chung……………………………………………………………16 2.1.2 Sự đóng góp khối………………………………………………………….20 2.1.3 Sự đóng góp bề mặt……………………………………………………… 21 2.2 SHG từ hạt nano làm từ vật liệu đối xúng tâm………………… ………22 2.2.1 Các hạt có hình dạng khơng đối xứng tâm………………………… ……22 2.2.2 Các hạt có hình dạng đối xứng tâm…………………… …………26 2.2.3 Các hạt kim loại………………………………………………… ………27 2.2.4 Các đám hạt………………………………………………….……………30 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT TÍN HIỆU SHG TRÊN CẤU TRÚC NANO KIM LOẠI 3.1 Chế tạo hạt nano vàng (Au) .33 3.2 Sử dụng, vận hành hệ đo SFG/SHG 36 3.2.1 Laser Nd:YAG PL2250 38 3.2.2 Bộ nhân tần H500………………………………………………………….39 3.2.3 Máy phát tham số quang học PG501/DFG……………… ………………39 3.2.4 Giá đỡ mẫu phân tích………………………………………… …………40 3.2.5 Máy quang phổ MS3504 40 3.3 Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG/SHG 42 3.3.1 Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SHG 42 3.3.2 Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG 43 3.4 Một số kết thực nghiệm .47 3.4.1 Kết khảo sát SHG từ dung dịch keo hạt nano Au ethanol 47 3.4.2 Kết khảo sát SFG từ dung dịch keo hạt nano Au ethanol 48 KẾT LUẬN 55 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HRS: Tán xạ Hyper Raman (Hyper Raman Scattering) SERS: Tán xạ Ramnan tăng cường bề mặt (Surface Raman enhanced Scattering) SHG: Họa ba bậc hai (Simple harmonic generation) SFG: phát tần số tổng (Sum frequency generation) SP: Plasmon bề mặt (Surface plasmon) SPP: Sự phân cực plasmon bề mặt (Surface plasmon polarization) SPR: Cộng hưởng plasmon bề mặt(Surface plasmon resonance) THG: Họa ba bậc ba (Third harmonic generation) MỞ ĐẦU Trong cấu trúc nano, cấu trúc hạt nano kim loại thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới tính chất ưu việt mà dạng khối kim loại khơng thể có Các thuộc tính hạt nano kim loại mang lại nhiều ứng dụng công nghệ quang tử, điện tử, y tế, sinh học, hóa dược, mơi trường Bên cạnh thuộc tính quang học tuyến tính, người ta phát thuộc tính quang học phi tuyến cấu trúc nano kim loại Các thuộc tính quang học phi tuyến cho ta thông tin sâu sắc cấu trúc nano Một hiệu ứng quang học phi tuyến điển hình, có nhiều ứng dụng hiệu ứng phát tần số tổng SFG ( sum frequency generation) trường hợp đặc biệt phát hịa ba bậc hai SHG (second harmonic generation) SFG SHG q trình bị cấm mơi trường có đối xứng tâm Tuy nhiên hiệu ứng lại phép giao diện tính đối xứng bị phá vỡ Trong môi trường đối xứng tâm đóng góp SFG/SHG bề mặt kim loại vượt trội so với khối Mặt khác, hạt làm từ vật liệu đối xứng tâm, phát tần số họa ba bị cấm gần lưỡng cực điện Bài toán phải xem xét bề mặt hạt phải lấy tới bậc khai triển đa cực Trong trường hợp này, xạ tứ cực điện đóng góp cộng hưởng plasmon bề mặt làm tăng cường hiệu ứng phi tuyến SFG/SHG quan trọng Điều làm cho việc nghiên cứu hiệu ứng quang học phi tuyến SFG/SHG cấu trúc hạt nano kim loại có ý nghĩa không ứng dụng thực tiễn mà nghiên cứu khoa học Với định hướng đó, chúng tơi chọn đề tài: “Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai cấu trúc nano kim loại” Mục đích luận văn tìm hiểu hệ quang phổ học hòa ba bậc hai bề mặt với nguồn bơm laser xung pico giây PL2250 Nd: YAG, nguồn thu máy quang phổ MS-3504, vận hành sử dụng hệ đo để khảo sát hiệu ứng SFG SHG cấu trúc nano kim loại Nội dung luận văn gồm chương: Chƣơng 1: Cơ sở quang học phi tuyến Chƣơng 2: Lý thuyết SHG cấu trúc nano kim loại Chƣơng 3: Thực nghiệm khảo sát tín hiệu SHG cấu trúc nano kim loại CHƢƠNG I: CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC PHI TUYẾN 1.1 Phƣơng trình Maxwell mơi trƣờng phi tuyến Các định luật vật lí chi phối tượng điện từ tổng hợp thành phương trình Maxwell nối tiếng, viết dng : (1.1) (E: điện tr-ờng; D: cảm ứng điện; B: cảm ứng từ; H: c-ờng độ từ tr-ờng; J mật độ dịng) Các phương trình liên hệ: (1.2) Các phương trình mơ tả tương tác ánh sáng-vật chất Đại lượng P M độ phân cực điện từ, mơ tả tính chất vật liệu nhiễu loạn trường điện từ Lầy .E kết hợp phương trình (1.1) (1.2) ta phương trình: (1.3) Đây phương trình sóng đồng với độ phân cực điện-từ P, M mật độ dịng J Trong phương trình khơng có biểu thức trường nguồn Tuy nhiên, mật độ dịng biểu diễn thơng qua độ dẫn điện Thêm vào đó, dịng đa cực khác hấp thụ nguồn tương ứng khác Điều dẫn tới khai triển biểu thức nguồn theo bậc đa cực: (1.4) Ở đại lượng Md, Pd Q độ phân cực từ, độ phân cực lưỡng cực điện độ phân cực tứ cực từ tương ứng Nếu giữ lại độ phân cực điện, có phương trình: (1.5) Đây hàm sóng E dẫn từ nguồn phân cực lưỡng cực, bao gồm đóng góp dịng lưỡng cực Nếu tập trung vào độ phân cực lưỡng cực điện, bỏ qua số d Khai triển P thành chuỗi Ei phụ thuộc thời gian sau phân tích tiếp qua khai triển Fourier thành chồng chập dao động tần số ωn Phương trình Maxwell cho phép thành phần tần số tách riêng rẽ Do đó, độ phân cực có dạng: (1.7) Ở đây, P(n) phân cực lưỡng cực điện bậc n Có thể nhóm chúng thành phần, phần tuyến tính phần phi tuyến: (1.8) Do đó, phương trình (1.5) trở thành: (1.9) Ở đây, ε=1+χ(1) số điện mơi mơi trường Phương trình (1.9) mơ tả sóng tạo thành từ nguồn phân cực phi tuyến 1.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến Trong phương trình (1.7), số hạng thứ rõ ràng biều diễn tương tác kết hợp trường điện E(ω1) E(ω2) Sự tương tác sinh phân cực môi trường với tần số thứ ba Sự phân cực phương trình (1.9) thể giống nguồn trường điện dao động tần số Xét hai sóng tần số ω1 ω2 Theo phương trình (1.7), hai sóng kết hợp với để sinh trường tần số khác Sự tương tác sinh tần số mới: ω1 + ω2, ω1 - ω2 -ω1 + ω2 Các hiệu ứng biết tạo thành tần số tổng tần số hiệu Khi tần số ω1 ω2 giống nhau, ω, hiệu ứng trở thành SHG Đối với tương tác phi tuyến bậc 3, tượng phức tạp hơn, ví dụ, tạo thành họa ba bậc ba (THG) Các hiệu ứng bậc bao gồm hiệu ứng mà tần số trường không thay đổi ảnh hưởng đến thân trường tương tác thơng qua độ phân cực phi tuyến Ví dụ, biến điệu pha trường điện E(ω1) làm thay đổi chiết suất trường E(ω2) Sự thay đổi chiết suất phụ thuộc vào độ lớn E(ω1) dẫn đến hiệu ứng tự điều chỉnh pha tự hội tụ Trong hiệu ứng phi tuyến, hiệu ứng phi tuyến bề mặt quan trọng SHG bề mặt hiệu ứng tạo thành tín hiệu hoạ ba bậc hai phản xạ bề mặt hai môi trường Khi môi trường đối xứng tâm, SHG bị cấm phép xảy bề mặt giao diện tính đối xứng nghịch đảo bị phá vỡ Do đó, SHG trở thành cơng cụ dò bề mặt với độ nhạy đặc trưng bề mặt cao Khi xét tới SHG bề mặt, giao diện xem lớp mỏng có tính phân cực phi tuyến bậc hai triệt tiêu môi trường bao quanh Để đặc trưng cho hiệu ứng phi tuyến bề mặt người ta đưa đại lượng độ cảm phi tuyến bề mặt S(2) liên quan đến độ phân cực phi tuyến 1.3 Sự đối xứng quang phi tuyến Các hiệu ứng mô tả phần kết tương tác ten xơ trường điện đa cực Tính chất đối xứng χ(n) quan trọng Để đơn giản, tập trung vào hiệu ứng bậc hai, tương tự áp dụng cho hiệu ứng cao Đối xứng KLeinman hiệu ánh sáng khả kiến VIS) hay PMT2 (PMT2 dùng với tín hiệu ánh sáng tử ngoại UV) R7899 R374 Bước sóng (ngắn) 300 nm 185 nm Bước sóng (dài) 650 nm 850 nm Bước sóng (đỉnh) 420 nm 420 nm Máy gồm hai loại cách tử 2400 vạch/mm 3600vạch/ mm, dải phổ làm việc từ 190 nm đến 653 nm, độ phân giải < 0.1 nm Đầu thu tín hiệu mạch Corelated Double Sample (CDS), đầu thu CDS gồm hai mẫu, khuếch đại phản hồi Cả hai mẫu khuếch đại kết nối đồng Máy có độ phân giải cao, độ ồn thấp Tùy thuộc vào tín hiệu cần đo mà ta sử dụng nhân quang điện PMT1 PMT2 để thu tín hiệu tốt Trong phần thực nghiệm khảo sát tín hiệu SHG với nguồn laser kích 532 nm chúng tơi sử dụng nhân quang điện PMT1 để thu tín hiệu SHG (266 nm) tối ưu Với tín hiệu SFG qua khảo sát, sử dụng nhân quang điện PMT2 để thu tín hiệu tốt 41 Hình 3.12: Ảnh chụp máy quang phổ MS3504 Chúng sử dụng thấu kính tiêu cự cm để thu ảnh bề mặt mẫu thể vào khe máy quang phổ Thấu kính chúng tơi sử dụng tinh chỉnh chiều giúp việc điều chỉnh đường tia sáng vào khe máy tốt Ngoài ra, hệ có kính lọc chắn trước khe máy quang phổ lọc tần số tần số không cần thiết nhằm bảo vệ máy quang phổ loại bỏ tín hiệu nhiễu 3.3 Lựa chọn sơ đồ kích thích SFG/SHG 3.3.1 Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SHG Với dụng cụ có phịng thí nghiệm chúng tơi lựa chọn sơ đồ kích thích SHG cho phù hợp với mẫu cần đo thuận tiện q trình lắp đặt thí nghiệm 42 Một ưu điểm việc sử dụng SHG cơng cụ dị bề mặt việc bố trí thí nghiệm đơn giản, thực nhiệt độ phòng Các yếu tố việc xây dựng hệ đo gồm nguồn laser, hệ máy quang phổ, với kính lọc Thơng thường có hai loại cấu hình kích thích thu SHG kích thích vng góc kích thích nghiêng hình 3.13a 3.13b Laser YAG: Nd P1 Máy quang phổ MS3504 M1 2ω P2 L2 F2 Mẫu Hình 3.13a Cấu hình kích thích vng góc Laser Nd:YAG F1 HWP2 P1 G1 F2 G2 P2 2 L 2 Máy quang phổ MS 3504 Mẫu Giá đặt mẫu Hình 3.13b Cấu hình kích thích xiên góc 43 Máy tính Hình 3.14 Bố trí thực nghiệm cấu hình kích thích xiên góc Ở đây, chúng tơi chọn cấu hình kích thích nghiêng góc (hình 3.4b) cấu hình cho ta nhiều thông tin bề mặt mẫu đo Khó khăn tín hiệu SHG yếu tiến hành đo cần phải tinh chỉnh để tín hiệu mạnh Ngồi ra, sử dụng cấu hình chiếu sáng cần phải phân tích xem nên dùng tổ hợp phân cực lối vào - lối để thu tín hiệu SHG lớn cho ta đặc trưng bề mặt mẫu cần đo Theo tính tốn lý thuyết tổ hợp phân cực S-P cho ta tín hiệu SHG mạnh thực nghiệm chứng tỏ điều hồn tồn 3.3.2 Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG Tia IR Tia VIS IR Tia IR Tia SFG SFG Tia VIS VIS Mẫu Hình 3.15 Sự tương hợp pha SFG 44 Quá trình phải thỏa mãn phù hợp pha: kFSG kVIS kIR kFSG sin SFG kVIS.sin VIS kIR sin IR Hoặc Khi k 2 (3.1) (3.2) ta tính góc SFG tia SFG Với hệ đo SFG Spectrometer System, vi chỉnh tính tốn góc để thỏa mãn phù hợp pha Thực nghiệm khảo sát với IR 550 VIS 600 với bước sóng tia IR thay đổi từ IR 10 m đến IR 2,3 m , theo phương trình (3.2) góc tia SFG thay đổi từ FSG 59.70 đến FSG 590 Vậy, tiến hành thu tín hiệu SFG, cần vi chỉnh đến góc phù hợp để thu tín hiệu tốt Trong sơ đồ hình 3.8 chúng tơi sử dụng thấu kính tiêu cự cm để thu ảnh bề mặt mẫu vào khe máy quang phổ Sử dụng kính lọc chắn trước khe máy quang phổ lọc tần số 1 , 2 nhằm bảo vệ máy quang phổ thành phần VIS ( 2 ) mạnh Khi ta có tăng cường độ chùm lên chút để tăng tín hiệu SFG mà khơng gây hại cho máy quang phổ Kính phân cực cho phép tổ hợp trạng thái phân cực lối vào - lối qua ta thấy cường độ SHG phụ thuộc vào trạng thái phân cực Việc lựa chọn tổ hợp lối vào - lối phù hợp giúp đánh giá cấu tạo bề mặt mẫu đo Trong khảo sát này, chọn tổ hợp phân cực SP 45 PL2250 G2 H500 532 nm PG501/DFG F1 HWP1 P1 L1 IR G3 G1 Máy tính G4 Delay line F2 P2 L2 MS3504 Mẫu Hình 3.16 Sơ đồ bố trí hệ thu tín hiệu SFG 46 3.4 Một số kết thực nghiệm 3.4.1 Kết khảo sát SHG từ dung dịch keo hạt nano Au ethanol Trong khảo sát này, chúng tơi sử dụng xạ có bước sóng 532 nm, cơng suất 139 mW, thời gian xung 28 ps Sử dụng nguồn bơm laser Nd:YAG hoạt động chế độ mode-locking có ưu điểm cơng suất cao nên ta thu SHG mạnh hơn, nhiên tăng công suất lên dễ làm hỏng vật liệu khảo sát Để thử nghiệm hệ thu phổ SHG đo SHG mẫu nano Au ethanol Tín hiệu SHG yếu từ mẫu thu máy quang phổ MS-3504 với độ phân giải cao nên lọc hồn tồn bước sóng không mong muốn Khảo sát mẫu ta thu phổ có dạng hình 3.13b 266.05 450 400 Cuong Do (au) 350 300 250 200 150 100 200 244 288 322 Buoc song (nm) Hình 3.17: Phổ tín hiệu SHG từ mẫu nano Au ethanol Với hệ đo đồng bộ, đại có độ xác cao, tín hiệu SHG thu phù hợp với lý thuyết Chúng tơi tiến hành khảo sát tín hiệu thu thay đổi cường độ tia laser tới Tín hiệu thu từ máy quang phổ cho ta bảng số liệu cường độ tín hiệu (Isignal) phụ thuộc vào cường độ tia laser tới (I532.1) Bảng 1: Số liệu cường độ Isignal phụ thuộc vào I532.1 47 I 532.1 (au) I (signal) (au) 26 52 95 157 180 201 0.21 0.52 1.51 3.71 4.86 6.32 Tín hiệu xử lí máy tính vẽ phần mềm excel, kết thu hình Hình 3.18 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu vào cường độ chùm laser tới Theo tính tốn lý thuyết cường độ tín hiệu SHG (ISHG) tỷ lệ với I 532.1 theo biểu thức (với 1 2 , 2 ): I SHG A.I2 Trong biểu thức A số Với kết thực thực nghiệm, tính tốn A 0.0001 Với kết thực nghiệm trên, kết hợp với đồ thị hình 3.10 ta thấy Isignal phụ thuộc vào cường độ chùm laser tới I532.1 theo hàm bậc hai Như vậy, kết đo phù hợp với lý thuyết 3.4.2 Kết khảo sát SFG từ dung dịch keo hạt nano Au ethanol Chúng tiến hành khảo sát với tia laser tới có bước sóng khơng đổi VIS 532,1nm tia IR có bước sóng IR thay đổi với số sóng tia IR từ 2800 cm-1 đến 2980 cm-1 bước a Khảo sát mẫu ethanol 48 Mẫu ethanol cho vào cuvette gắn giá đỡ và điều chỉnh vị trí thích hợp để thu tín hiệu SFG Thu qua máy quang phổ cách tử MS 3504 với độ phân giải cao nên lọc hồn tồn bước sóng khơng mong muốn Tín hiệu thu cho ta bảng kiện bảng Bảng Số liệu cường độ ISFG phụ thuộc vào IVIS, IIR số sóng Số sóng 2978,00 2976,00 2974,00 2972,00 2970,00 2968,00 2966,00 2964,00 2962,00 2960,00 2958,00 2956,00 2954,00 2952,00 2950,00 2948,00 2946,00 2944,00 2942,00 2940,00 2938,00 2936,00 2934,00 2932,00 2930,00 2928,00 2926,00 2924,00 2922,00 2920,00 2918,00 2916,00 I SFG -0,81 -1,37 -0,97 -0,85 -0,02 -0,96 -1,11 1,47 -1,00 -1,22 0,71 1,02 2,37 3,43 6,84 5,35 8,78 12,79 14,82 19,29 26,86 31,25 31,09 36,31 28,21 28,97 22,68 13,57 13,08 8,24 5,77 4,89 I VIS 172,79 170,23 170,78 170,76 172,33 173,38 174,27 172,81 166,75 172,42 172,72 172,20 174,13 169,29 170,21 169,80 171,99 170,79 173,56 169,09 171,85 171,80 172,43 172,74 169,61 168,54 175,19 169,23 169,69 170,52 169,95 168,24 Số sóng 2888,00 2886,00 2884,00 2882,00 2880,00 2878,00 2876,00 2874,00 2872,00 2870,00 2868,00 2866,00 2864,00 2862,00 2860,00 2858,00 2856,00 2854,00 2852,00 2850,00 2848,00 2846,00 2844,00 2842,00 2840,00 2838,00 2836,00 2834,00 2832,00 2830,00 2828,00 2826,00 I IR 631,56 578,80 564,46 583,78 568,66 584,84 582,40 548,69 490,49 557,37 535,70 529,19 528,20 476,67 495,02 514,29 537,20 504,34 523,46 476,30 481,71 499,52 452,49 424,72 377,85 420,07 472,97 419,39 418,18 443,80 445,20 434,11 49 I SFG 7,90 7,38 13,77 19,13 17,12 27,90 18,91 22,48 17,94 22,14 15,67 15,75 15,58 12,70 16,19 12,36 10,00 8,83 11,98 11,16 7,83 10,40 10,72 7,27 7,60 5,52 7,66 6,45 4,70 9,07 7,59 6,04 I VIS 168,13 164,41 168,48 168,70 169,83 170,36 169,48 167,99 167,34 166,30 168,65 174,16 168,82 167,60 167,85 165,07 170,50 170,02 169,97 165,95 168,60 167,81 167,18 165,23 169,48 163,93 172,01 169,90 166,46 165,70 167,49 166,52 I IR 501,56 468,48 525,92 546,16 531,02 519,97 510,15 477,63 464,34 478,31 492,61 531,87 470,30 475,77 479,67 460,21 465,83 487,54 470,59 447,29 475,29 489,12 498,25 508,71 536,86 484,44 591,46 576,60 544,05 516,13 539,55 539,65 2914,00 2912,00 2910,00 2908,00 2906,00 2904,00 2902,00 2900,00 2898,00 2896,00 2894,00 2892,00 2890,00 2,55 5,54 1,83 3,30 1,36 0,97 2,73 3,90 0,52 3,85 5,17 6,58 8,42 171,64 171,45 174,79 169,76 167,63 170,12 172,67 171,19 166,55 167,59 170,47 163,77 167,41 472,66 469,70 525,52 499,27 489,66 528,67 534,19 520,52 477,54 499,80 519,00 471,25 510,44 2824,00 2822,00 2820,00 2818,00 2816,00 2814,00 2812,00 2810,00 2808,00 2806,00 2804,00 2802,00 2800,00 5,40 9,10 6,74 5,59 7,39 5,55 5,73 4,10 4,57 3,22 7,08 2,37 6,63 169,29 166,58 166,57 170,02 170,53 169,14 169,02 172,11 171,25 163,34 168,37 168,65 172,23 608,36 505,78 526,61 555,69 588,27 570,89 542,91 588,49 607,41 484,80 567,59 576,42 597,42 Tín hiệu xử lí máy tính vẽ phần mềm SFG 41 Spectrometer, kết thu hình 3.19 2936 Cường độ SFG (au) 2875 Số sóng cm-1 Hình 3.19 Tín hiệu SGF từ mẫu ethanol * Với kết trên, giải thích sau: Từ lý thuyết ta có cơng thức tần số tổng: I (SF ) ef(2)f I vis (vis ) I IR (IR ) 50 (3.3) Với ef(2)f [ê(SF ).L(SF )] (2) [L(vis ).ê(vis )]x[L(IR ).ê(IR )] (3.4) Ở đây, ê () vecto đơn vị hướng phân cực ánh sáng, L () số frenel tần số Độ cảm phi tuyến viết thành: (2) NR q Aq IR q i q (3.5) Với NR thành phần không tạo cộng hưởng độ cảm phi tuyến Aq , q , q tương ứng biên độ, tần số độ rộng mode dao động thứ q Theo phương trình (3.3), cho IR biến đổi đến IR q (2) đạt giá trị lớn nhất, ứng với trường hợp xảy cộng hưởng theo (3.1) I SF đạt giá trị lớn Trong khảo sát này, cho tia IR biến đổi từ số sóng 2800 cm-1 ( 3571 nm ) đến số sóng 2980 cm-1 ( 3356 nm ) Ứng với cấu hình phân cực SP: S phân cực tia SFG, P phân cực tia visible Chúng thu hai đỉnh ứng với hai giá trị IR , cụ thể: Đỉnh thứ có số sóng 2878 cm-1 ( 3475 nm ) đỉnh ứng với cộng hưởng liên kết CH2 ethanol tạo Đỉnh thứ có số sóng 2936 cm-1 ( 3406 nm ) đỉnh ứng với cộng hưởng liên kết CH3 ethanol tạo Kết hoàn toàn phù hợp với tính tốn lý thuyết b Khảo sát dung dịch keo hạt nano Au ethanol Mẫu dung dịch keo hạt nano Au ethanol cho vào cuvette gắn giá đỡ và điều chỉnh vị trí thích hợp để thu tín hiệu SFG Thu qua máy quang phổ cách tử MS 3504 với độ phân giải cao nên lọc hoàn toàn bước sóng khơng mong muốn Tín hiệu thu cho ta bảng kiện bảng Bảng Số liệu cường độ ISFG phụ thuộc vào IVIS, IIR số sóng 51 Số sóng 2978,00 2976,00 2974,00 2972,00 2970,00 2968,00 2966,00 2964,00 2962,00 2960,00 2958,00 2956,00 2954,00 2952,00 2950,00 2948,00 2946,00 2944,00 2942,00 2940,00 2938,00 2936,00 2934,00 2932,00 2930,00 2928,00 2926,00 2924,00 2922,00 2920,00 2918,00 2916,00 2914,00 2912,00 2910,00 2908,00 2906,00 2904,00 2902,00 I SFG 21,44 21,16 18,81 20,39 18,75 21,94 20,85 19,66 21,59 19,30 20,72 22,31 22,99 22,76 25,86 29,00 35,04 42,06 40,83 41,62 54,35 58,52 60,17 64,79 64,02 58,74 40,15 33,57 31,17 34,44 27,32 26,27 26,36 22,42 18,67 20,23 20,69 19,82 18,79 I VIS 170,04 173,34 165,05 172,52 170,20 168,41 171,95 169,37 172,66 165,45 170,84 169,65 169,10 168,53 164,33 169,41 168,93 172,86 170,71 169,55 167,42 165,52 164,76 166,88 167,83 169,69 170,13 169,61 167,63 170,91 174,19 171,53 171,37 169,65 165,24 168,68 173,44 165,87 169,77 Số sóng 2888,00 2886,00 2884,00 2882,00 2880,00 2878,00 2876,00 2874,00 2872,00 2870,00 2868,00 2866,00 2864,00 2862,00 2860,00 2858,00 2856,00 2854,00 2852,00 2850,00 2848,00 2846,00 2844,00 2842,00 2840,00 2838,00 2836,00 2834,00 2832,00 2830,00 2828,00 2826,00 2824,00 2822,00 2820,00 2818,00 2816,00 2814,00 2812,00 I IR 643,12 668,24 584,68 633,29 608,15 581,67 595,76 559,96 586,96 545,01 551,22 560,52 539,43 531,67 505,32 565,56 531,72 561,63 540,97 522,39 497,35 458,87 462,25 430,26 425,99 462,54 462,97 461,52 437,90 470,24 484,82 498,65 489,50 500,30 468,28 514,61 549,40 509,11 535,38 52 I SFG 33,34 33,15 41,43 44,19 45,92 45,97 46,08 47,97 40,49 40,71 37,11 40,90 31,98 37,49 33,36 32,37 34,25 33,58 27,32 28,97 28,87 30,93 24,65 29,59 28,16 26,45 26,72 27,76 26,50 26,34 27,21 25,65 29,84 25,82 23,41 21,30 24,02 23,82 20,95 I VIS 167,40 172,01 170,16 170,59 165,53 163,90 170,68 167,83 165,87 171,92 170,03 172,26 167,77 166,20 170,05 165,13 172,83 171,54 161,85 169,92 174,15 171,38 166,92 167,52 168,09 167,86 167,67 168,55 166,98 169,13 166,90 165,96 168,23 170,93 168,05 167,71 165,54 163,69 166,39 I IR 533,55 562,33 567,82 541,77 518,01 493,17 555,79 506,22 464,94 533,72 519,21 543,99 484,51 489,90 489,15 459,96 533,46 495,17 414,38 497,76 523,45 531,10 523,56 527,56 549,94 567,47 541,78 556,88 548,25 548,48 555,89 572,62 570,10 591,12 546,28 555,37 549,02 509,20 540,52 2900,00 2898,00 2896,00 2894,00 2892,00 2890,00 19,70 19,83 20,45 22,14 24,76 30,82 169,67 167,87 169,74 168,97 166,71 172,26 541,11 526,59 541,13 550,40 510,27 544,19 2810,00 2808,00 2806,00 2804,00 2802,00 2800,00 21,17 25,66 24,05 28,28 26,25 21,62 167,48 168,79 166,12 172,15 169,70 163,62 539,97 565,30 570,88 604,26 561,00 502,31 Tín hiệu xử lí máy tính vẽ phần mềm SFG 41 Spectrometer, kết thu hình 3.20 2936 Cường độ SFG (au) 2875 Số sóng cm-1 Hình 3.20 Tín hiệu SGF từ mẫu nano Au ethanol Kết cho thấy, có hạt nano Au ethanol, làm tăng cường hiệu ứng phi tuyến nhờ cộng hưởng plasmon Vậy có hạt nano Au vào ethanol tín hiệu SFG tăng cường cách rõ rệt Kết mở cho hướng nghiên cứu mới, sử dụng hạt kích thước nano để tăng cường hiệu ứng phi tuyến SFG/SHG dung dịch bề mặt chất lỏng 53 KẾT LUẬN Sau thời gian làm luận việc phịng thí nghiệm mơn quang lượng tử, trung tâm khoa học vật liệu, thu kết sau: - Tìm hiểu lý thuyết tổng quan chế phát tần số tổng hòa ba bậc hai cấu trúc hạt nano kim loại: Hiện tượng phát tần số tổng (SFG), hịa ba bậc hai (SHG), lý thuyết giải thích số sơ đồ kích thích để thu tín hiệu SFG/ SHG từ bề mặt cấu trúc hạt nano kim loại - Nghiên cứu, chế tạo thành công hạt nano vàng ethanol phương pháp ăn mòn laser Các hạt nano vàng có kích thước phân bố khoảng từ – 20 nm Kích thước trung bình hạt nano vàng tạo ethanol 13 nm - Tìm hiểu quy trình hoạt động vận hành hệ thu phổ SFG Spectrometer System EKSPLA kích thích laser Nd:YAG PL2250 - Lựa chọn vận hành sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG/SHG bề mặt - Khảo sát tín hiệu SFG/SHG cấu trúc hạt nano vàng chế tạo phòng thí nghiệm, thu kết phù hợp với lý thuyết Đây số kết bước đầu hướng nghiên cứu thuộc tính quang học phi tuyến hạt nano kim loại Do tín hiệu SFG/SHG từ hạt nano kim loại yếu phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên kết thu hạn chế Trong thời gian tới điều kiện cho phép chúng tơi nghiên cứu chế tạo mẫu thích hợp nghiên cứu sử dụng nhiều sơ đồ kích thích, thu phổ khác để tìm quy trình tối ưu cho việc khảo sát SFG/SHG từ hạt nano kim loại 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thế Bình (2008), Bài giảng Quang học đại Nguyễn Thế Bình (2001), Kỹ thuật laser, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội Nguyễn Thế Bình (2002), Quang phổ học thực nghiệm, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội Phạm Văn Bền (2008), Quang phổ phân tử hai nguyên tử, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến (2003): Vật lý laser ứng dụng, ĐHQGHN Ngô Quốc Quýnh- Lê Thanh Hoạch (1990), Quang học, NXB Đại học Tổng hợp Hà nội Tiếng Anh Jerome Nappa Guillaume Revillod,, Gaelle Martin, Isabelle Russier-Antoine Emmanue I Benichou, Christian Jonin and Pierre-Francois Brevet (2004), Hyper Rayleigh Scattering from small particles, Transworld Reseach Network Anatoly Zayats and David Richards (2009), Nano-Optics and near-Field Optical Microscopy, ARTECH HOUSE, INC Robert W.boyd (2007), Nonlinear Optics, New York 10 Jerome Nappa Guillaume Revillod, Gaelle Martin, Isabelle Russier-Antoine Emmanue I Benichou(2004), Christian Jonin and Pierre-Francois Brevet, Hyper Rayleigh Scattering from small particles, Transworld Reseach Network 11 E.C Hao, G.C Schatz, R.C Johnson, J.T Hupp, J.Chem (2002) Phys, 5963 55 ... định hướng đó, chúng tơi chọn đề tài: ? ?Khảo sát hiệu ứng phát hịa ba bậc hai cấu trúc nano kim loại? ?? Mục đích luận văn tìm hiểu hệ quang phổ học hòa ba bậc hai bề mặt với nguồn bơm laser xung pico... khảo sát hiệu ứng SFG SHG cấu trúc nano kim loại Nội dung luận văn gồm chương: Chƣơng 1: Cơ sở quang học phi tuyến Chƣơng 2: Lý thuyết SHG cấu trúc nano kim loại Chƣơng 3: Thực nghiệm khảo sát. ..đại học quốc gia hà nội Tr-ờng ĐạI HọC KHOA HọC Tự NHIÊN Đỗ Văn Tuyên Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai cấu trúc nano kim loại Chuyên ngành: Quang học MÃ ngành: 60 44 11 Luận văn thạc sĩ khoa