Nghiên cứu cấu trúc và độ hấp thụ hồng ngoại của vật liệu metamaterials trên cơ sở AAO template sơn epoxy c, AG nano tinh thể

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU -0 -0 -0 -0 -0 - NGUYỄN THANH TUẤN NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ĐỘ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI CỦA VẬT LIỆU METAMATERIALS TRÊN CƠ SỞ AAO TEMPLATE- SƠN EPOXY C, AG NANO TINH THỂ Chuyên ngành: VẬT LIỆU KIM LOẠI & HỢP KIM LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2011 ii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Dán (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: GS TS TRẦN XUÂN PHƯỚC (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS HUỲNH CÔNG KHANH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 12 tháng 03 năm 2011 iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH TUẤN Ngày, tháng, năm sinh: 14/11/1986 Chuyên ngành: Vật liệu Kim loại Hợp kim MSHV: 09030643 Phái: Nam Nơi sinh: Sông Bé 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ ĐỘ HẤP THỤ HỒNG NGOẠI CỦA VẬT LIỆU METAMATERIALS TRÊN CƠ SỞ AAO TEMPLATE- SƠN EPOXY C, AG NANO TINH THỂ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu tổng quan MTMs sóng điện từ Nghiên cứu chế tạo vật liệu MTMs sở AAO template-sơn Epoxy C, Ag nano tinh thể Nghiên cứu cấu trúc độ hấp thụ hồng ngoại MTMs nói NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2011 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị): PGS TS NGUYỄN VĂN DÁN Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) iv LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Phó giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Văn Dán hướng dẫn em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Thầy giúp đỡ em tận tình từ việc cung cấp tài liệu đến việc định hướng nghiên cứu Từ thầy, em học nhiều kinh nghiệm, học cách suy xét, nhận thức, cách nghiên cứu khoa học Em xin chân thành cảm ơn thầy tận tâm hướng dẫn, giúp em tiến thời gian qua Nhân đây, em xin chân thành cảm ơn thầy cô, anh chị kỹ thuật viên khoa Công nghệ Vật liệu trường Đại học Bách khoa tạo điều kiện thuận lợi cho em tiến hành thí nghiệm có ưu tiên q trình phân tích mẫu Đồng thời, em cảm ơn anh chị nghiên cứu viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên, anh chị kỹ thuật viên Viện khoa học công nghệ Việt Nam có giúp đỡ gợi ý kịp thời thiết bị phân tích mẫu Con cảm ơn bố mẹ hỗ trợ tài để hồn thành khóa học, bố mẹ nguồn động viên tinh thần to lớn để ln vượt qua lúc khó khăn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn bạn khố động viên, chia sẻ khó khăn q trình thực đề tài Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2011 Học viên Nguyễn Thanh Tuấn v TÓM TẮT Khái niệm Metamaterials (MTMs hay giả vật liệu) thích ứng với dải bước SĐT đặt móng nhà khoa học Xơ Viết Veselago năm 1967 Từ đến nay, với phát triển khoa học, có nhiều cách tiếp cận chế tạo loại giả vật liệu hoạt động vùng bước sóng nhỏ micromet bao gồm phương pháp quang khắc (e-beam lithography), Nano imprint phương pháp AAO (anodic aluminum oxide) template Tuy nhiên, phương pháp quang khắc nano imprint phải sử dụng máy E – beam Lithography đắt tinh vi Trong đó, phương pháp anode hóa vật liệu người ta tạo khn có kích cỡ nano đơn giản Với lỗ xốp xếp song song vật liệu người ta đưa chất dẫn điện bán dẫn vào tạo nên giả vật liệu Trong luận văn này, vật liệu MTMs tạo cách thẩm thấu sơn epoxy – nano bạc, Carbon tinh thể vào lỗ xốp xếp song song oxit nhôm tạo phương pháp AAO template Lớp màng xốp oxit nhôm chế tạo phương pháp anode hóa hai bước dung dịch anode khác nhau: - Dung dịch anode H2C2O4 0,3M, nhiệt độ anode 15oC, thời gian anode 75’, khảo sát theo điện anode khác (45-50-55-60V DC) Chế độ nhằm khảo sát ảnh hưởng điện anode đến cấu trúc độ hấp thụ hồng ngoại vật liệu - Dung dịch anode H2SO4 10%, nhiệt độ anode 10oC, điện anod 20V DC, khảo sát theo thời gian anode bước khác (45-60-75-150phút) Chế độ nhằm khảo sát ảnh hưởng thời gian anode đến cấu trúc độ hấp thụ hồng ngoại vật liệu Cấu trúc xốp nano lớp màng oxit nhơm phân tích kính hiển vi điện tử quét (FE SEM) kính hiển vi quang học Sau đó, tẩm sơn Epoxy nano Carbon black, Ag tinh thể lên lớp màng có cấu trúc lỗ xốp Sự thẩm thấu sơn vào cấu trúc lỗ xốp phân tích tán sắc lượng tia X (EDS) vi Độ phản xạ UV-VIS phân tích máy quang phổ UV-VIS Độ phản xạ hồng ngoại gần trung phân tích máy quang phổ hồng ngoại FTIR Kết đề tài đạt được: - Giả vật liệu chế tạo sở thẩm thấu sơn Epoxy nano Ag – C tinh thể vào hệ thống lỗ xốp kích cỡ nano (14-114nm) phân bố song song màng nhôm oxit - Trên phổ hồng ngoại UV-VIS vật liệu có khả hấp thụ dải tần rộng (trên 94% với UV-VIS 99% với hồng ngoại gần trung) - Đã nắm bắt xu hướng hình thành phát triển màng ơxít nhơm với thơng số đặc trưng đường kính lỗ xốp chiều dày lớp màng, từ tạo cấu trúc có thơng số thay đổi theo ý muốn để chế tạo giả vật liệu có khả hấp thụ UV – VIS IR vii ABSTRACT A basic concept of Metamaterials (MTMs) responding to various ranges of wavelength was founded by Veselago – Xoviet scientist - in 1968 Since that time, many advanced synthesized techniques provided by scientific developments can approach and fabricate MTMs, which is a potential application in the submicrowave These techniques include e-beam lithography, Nano imprint and anodic alumina oxide (AAO) template Meanwhile, e-beam lithography and Nano imprint using hi-tech expensive machines are unsuitable for many countries, etc, AAO template is conducted and controlled easily The diameter and length of Nano AAO membrane produced by anodization are easily controlled Semiconductors or conductive materials may be suitably inserted in the well ordered aluminum oxide Nano porous This is a very interesting method to produce the MTMs precisely In this investigation, AAO template that consists of nanoporous ordered on Al2O3 matric, was prepared by two-step anodizing in two anodizing regimes: - Anodizing in 0,3M H2C2O4, 15oC, 75 minutes and various levels of DC potential (45V,50V,55V,60V) in order to study the effect of potential on AAO structure - Anodizing in 10% H2SO4, 10oC, 20V DC and various levels of anodizing time (45, 60, 75, 150 minutes) in order to study the effect of anodizing time on AAO structure Nano porous ordered on Al2O3 matric and structure of the MTMs were studied by FE – SEM Then, MTMs was synthesized by combining Nano porous matric Al2O3 and Epoxy paint with Nano crystalline C, Ag The filled paint in Nano porous was studied by EDS Infrared reflection of the materials was studied by FTIR Equinox 55 UV-VIS reflection of the materials was studied by UV-VIS Spectrophotometers Results of the research show that: viii - MTMs structure consists of ordered parallel nanoporous with the diameter from 40 to 110 nm containing epoxy paint - Nanocrystalline C, Ag on Al2O3 matric - Infrared absorbance of MTMs is very high (over 99,95% in the range of wavelength from 750nm to 25000nm and over 99,8% in the range of wavelength from 645nm to 750nm) - UV-VIS absorbance of MTMs is very low (over 94% in the range of wavelength from 200nm to 800nm) - The trend line of the forming and growth of AAO membrane were figured out Thus, we can control the diameter and the thickness of the template in order to synthesize UV – VIS and IR absorber as our need ix MỤC LỤC Lời cám ơn iv Tóm tắt v Mục lục ix Danh mục hình vẽ xiii Danh mục bảng biểu xvi Thuật ngữ từ viết tắt xvii CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ .1 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU METAMATERIALS – GIẢ VẬT LIỆU 1.2 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI .4 1.3 MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 1.3.1 Mục đích 1.3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .7 2.1 SÓNG ĐIỆN TỪ 2.2 CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC ĐẶC TRƯNG .10 2.2.1 Cấu trúc vùng lượng vật liệu khối (bulk) 10 2.2.2 Sự thay đổi cấu trúc vùng lượng vật liệu cấu trúc Nano 13 2.3 TƯƠNG TÁC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI VẬT RẮN 14 2.3.1 Phản xạ 15 2.3.1.1 Sự phản xạ sóng điện từ ( chất phản xạ) 15 2.3.1.2 Độ phản xạ 17 2.3.2 Hấp thụ 18 2.3.2.1 Các hiệu ứng hấp thu chuyển đổi thành phần sóng điện 18 2.3.2.2 Các hiệu ứng hấp thu chuyển đổi thành phần sóng từ 23 2.3.2.3 Hấp thụ phát xạ nhiệt vật đen tuyệt đối 25 2.3.2.4 Độ hấp thụ 25 2.3.3 Truyền qua 26 2.3.4 Các hiệu ứng khác tương tác sóng điện từ với vật rắn 26 2.3.4.1 Khúc xạ 26 x 2.3.4.2 Giao thoa sóng điện từ 27 2.3.4.3 Giao thoa mỏng 28 2.3.4.4 Tán xạ sóng điện từ 30 2.3.4.5 Phản xạ toàn phần 32 2.4 GIẢ VẬT LIỆU – METAMATERIALS 33 2.4.1 Các khái niệm giả vật liệu (Metamaterials) 33 2.4.1.1 Định nghĩa Metamaterials 33 2.4.1.2 Sự truyền sóng điện từ vật liệu MTMs 35 2.4.2 Giả vật liệu với ε0 37 2.4.2.1 Hiệu ứng Plasmon bề mặt 37 2.4.2.2 Hiệu ứng Plasmon sợi dẫn điện nano 39 2.4.3 Giả vật liệu với ε>0 µ