Phương pháp phổ và hiển vi

PHƯƠNG PHÁP PHỔ VÀ HIỂN VI Giảng viên: Vũ Ngọc Hùng Học viên : Lê Thị Lệ Trần Đình Đức Đỗ Duy Khánh 01 QUANG PHỔ UV-VIS 02 PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI (FTIR) 03 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM) 04 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) QUANG PHỔ UV-VIS Giới thiệu quang phổ UV-Vis UV radiation: 170 to 380 nm Vis radiation: 380 to 765 nm Fig 1: quang phổ UV-VIS  Vùng phổ UV-Vis vùng nằm cận UV cận IR (cận hồng ngoại)  Được xác định từ khoảng bước sóng từ 180-1100 nm Giới thiệu quang phổ UV-Vis  Quang phổ UV-Vis phương pháp sớm sử dụng xạ tia cực tím xạ nhìn thấy  Tiếp cận với cấu trúc phân tử trạng thái oxy hóa Kích thích điện tử đến mức điện tử bị kích thích (chuyển tiếp điện tử)  Xác định nhóm chức (- (C = C) n-, -C = O, -C = N, v.v.) Nguyên lý quang phổ UV-Vis  Các phân tử, nhóm phân tử chất điều kiện thường tồn trạng thái Eo Khi bị kích thích electron hóa trị liên kết (σ, π, ) chuyển từ obitan liên kết khơng liên kết lên obitan có mức lượng cao Em Hiệu mức lượng kích thích lượng phân tử hấp thụ từ nguồn sang[1]  Nguồn gốc hấp thụ vùng chủ yếu tương tác photon xạ với ion hay phân tử mẫu Fig 2: Electron Transition graphically represented [1]  Ý tưởng đằng sau Quang phổ UV-Vis chiếu ánh sáng có bước sóng khác qua mẫu đo độ hấp thụ bước sóng Cấu tạo máy quang phổ UV-Vis Máy quang phổ hấp thụ UV-Vis bao gồm thành phần sau [1]: Source: Nguồn sáng Monochromator: Bộ đơn sắc Sample cell: Tế bào mẫu Detector: Máy dò Readout system : Hệ thống đọc chuyển đổi Fig 3: Quang phổ hấp thụ UV-VIS Cấu tạo máy quang phổ UV-Vis Nguồn sáng  Nguồn sáng có nhiệm vụ cung cấp xạ tương thích với trình đo  Bức xạ cung cấp nguồn sáng thường chùm xạ đa sắc, bao trùm khoảng rộng phổ Fig 4: A simplified schematic of the main components in a UV-Vis spectrophotometer.[2] Cấu tạo máy quang phổ UV-Vis Nguồn sáng  Đèn Tungsten Halogen , nguồn sáng phổ biến dùng máy quang phổ  Đèn chứa sợi dây mảnh tungsteng đặt thủy tinh  Khoảng xạ mà đèn cung cấp từ 330 đến 900 nm, dùng vùng visible  Thời gian sử dụng đèn khoảng 1200h Fig 5: Photo of Hydrogen / Deuterium Lamps • Đèn Hdrogen có Khoảng xạ mà đèn cung cấp từ 200 đến 450 nm • Đèn dùng ổn định cho phổ liên tục Fig 6: Photo of Tungsten Halogen lamps Cấu tạo máy quang phổ UV-Vis Bộ đơn sắc Tất Bộ phận đơn sắc hóa chứa phận thành phần sau:  Một khe sáng vào  Một thấu kính  Một thiết bị phân tán (thường lăng kính cách tử)  Một thấu kính hội tụ  Một khe thoát Fig 7: Turner grating Monochromator [1] Cấu tạo máy đo phổ hồng ngoại FTIR  Nguồn phát tia hồng ngoại  Bộ phận tách quang  Đầu dị (Detector)  Máy tính Phân tích phổ hồng ngoại Ứng dụng Sử dụng phổ hồng ngoại kiểm soát chất lượng nguyên vật liệu Sử dụng phổ hồng ngoại nghiên cứu nhựa PEKN TEM/SEM TỔNG QUAN VỀ PP SEM/TEM TƯƠNG TÁC GIỮA ĐIỆN TỬ TỚI VÀ VẬT CHẤT Điện tử bị tán xạ đàn hồi không đàn hồi Phát xạ loại điện tử sóng điện từ TEM  Tia X  Điện tử truyền qua  Huỳnh quang Catot  Điện tử tán xạ ngược  Điện tử thứ cấp  Điện tử hấp thụ SEM  Điện tử Auger Tương tác điện tử với vật chất phenikaa-uni.edu.vn 02 TỔNG QUAN VỀ PP SEM/TEM CƠ SỞ NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SEM/TEM Truyền qua TÍN HIỆU ĐIỆN TỬ THU NHẬN KHÁC BIỆT Tán xạ KẾT QUẢ KHÁC BIỆT ỨNG DỤNG KHÁC BIỆT Scanning Electron Microscope Transmission Electron Microscope phenikaa-uni.edu.vn 03 TỔNG QUAN VỀ PP SEM/TEM, AFM/STM CƠ SỞ NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SEM/TEM PHƯƠNG PHÁP SEM PHƯƠNG PHÁP TEM Chùm điện tử quét bề mặt mẫu Chùm điện tử xuyên qua mẫu Thu nhận điện tử thứ cấp, tán xạ ngược hấp thụ Thu nhận điện tử truyền qua Đo đạc vật liệu dẫn điện (nếu vật liệu không dẫn điện cần phủ lớp kim loại carbon) Đo đạc vật liệu dẫn điện (nếu vật liệu không dẫn điện cần phủ lớp kim loại carbon) Điện áp tăng tốc 10 – 40 kV Điện áp tăng tốc ˃ 100 kV Chuẩn bị mẫu dễ dàng Kỹ chuẩn bị mẫu cao, độ dày mẫu quan trọng (< 100 nm) Độ phân giải thấp (10 nm) Độ phân giải cao (0.2 nm) Độ phóng đại từ 20 – 30 000 lần Độ phóng đại lên tới 50 000 000 lần Tạo hình ảnh đen trắng ba chiều Tạo hình ảnh đen trắng hai chiều phenikaa-uni.edu.vn 04 TỔNG QUAN VỀ PP SEM/TEM PHẠM VI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SEM/TEM PHƯƠNG PHÁP THÔNG TIN CUNG CẤP THƠNG TIN CHÍNH SEM • Hình thái bề mặt  Hình dạng  Kích thước • Địa hình  Kết cấu, xếp  Độ mịn, độ nhám • Thành phần bề mặt  Yếu tố hợp chất (màu sắc) • Tính chất từ, điện  Tạo ảnh Domain từ  Phân bố điện bề mặt • Kết hợp với phổ EDX  Thành phần hàm lượng nguyên tố bề mặt (màu sắc) • Định hướng tinh thể  Mặt mạng tinh thể, thành phần pha • Cấu trúc vật liệu  Core-shell, yolk-shell, Doping… • Sai hỏng  Sai hỏng điểm, đường, mặt • Hình thái, thành phần  Hình dạng, kích thước (Thơng tin bề mặt vật liệu – Surface) TEM (Thông tin bên vật liệu – Internal Structure) THÔNG TIN CHI TIẾT phenikaa-uni.edu.vn 05 TỔNG QUAN VỀ PP SEM/TEM PHẠM VI ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU SEM/TEM SEM (i) Độ dày màng lớp phủ mỏng (ii) Hình thái bề mặt (iii) Kích thước phân bố kích thước (iv) Hình dạng phân tán hạt, sợi, vật liệu nano chất phụ gia khác vật liệu tổng hợp hỗn hợp (v) Chiều cao kích thước bên vật liệu có kích thước nanomet (vi) Kích thước phân bố kích thước tế bào (vii) Thành phần hóa học phân tích nguyên tố vật liệu nano vi mơ (viii) Phân tích vết nứt khuyết tật kết cấu TEM (i) Định hướng mặt mạng, pha tinh thể (ii) Thành phần nội cấu trúc vật liệu (iii) Phân tích biên hạt, sai hỏng, khuyết tật (iv) Hình dạng, kích thước, phân bố kích thước (v) Phân tích giao diện cấu trúc tổ hợp (Composite, hybrid) (vi) Kích thước phân bố kích thước tế bào (vii) Thành phần hóa học VẬT LÝ SINH HỌC SEM/ TEM HÓA HỌC phenikaa-uni.edu.vn 06 TỔNG QUAN VỀ PP SEM/TEM, AFM/STM CÁC THƠNG SỐ QUAN TRỌNG KHI PHÂN TÍCH HÌNH THÁI BỀ MẶT VẬT LIỆU NANO SEM • Hình dáng • Kích thước • Độ mịn, nhám • Thành phần, hàm lượng nguyên tố TEM • Thành phần pha tinh thể • Thành phần nguyên tố • Cấu trúc bên • Sai hỏng, khuyết tật • Hình dạng, kích thước phenikaa-uni.edu.vn 10 VAI TRỊ CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO HÌNH THÁI BỀ MẶT SEM Hình dạng bề mặt định trực tiếp đến tính chất vật liệu, từ định đến ứng dụng Hình 1: Ảnh SEM cấu trúc nano bạc thực cách kiểm sốt phản ứng hóa học Hình dạng hạt nano Ag bạc  tính chất hóa học khác  tính chất vật liệu khác Lee, Sang Hun, and Bong-Hyun Jun "Silver nanoparticles: synthesis and application for nanomedicine." International journal of molecular sciences 20.4 (2019): 865 phenikaa-uni.edu.vn 11 VAI TRỊ CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO HÌNH THÁI BỀ MẶT SEM Kích thước hạt tinh thể ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật liệu nano Hình 1: Ảnh SEM phổ hấp thụ UV – vis hạt nano Ag v ới n ồng đ ộ khác Các nồng độ khác mảng hạt nano Ag  Kích thước khác  Đỉnh hấp thụ khác  tính chất quang khác Ashrafpour, Shahnaz, and Tahereh Tohidi Moghadam "Interaction of silver nanoparticles with Lysozyme: Functional and structural investigations." Surfaces and Interfaces 10 (2018): 216-221 phenikaa-uni.edu.vn 12 VAI TRÒ CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO HÌNH THÁI BỀ MẶT TEM Thành phần pha tinh thể định trực tiếp đến tính chất vật liệu nano Việc phân tích tinh thể vonfram cho thấy diện pha khác WO3 đơn tà (Hình a, b) WO3 hình lục giác (Hình c) bên cạnh hạt Pt Hình ảnh TEM cho thấy pha tinh thể có (Pt0.5W0.5) 0.4/ C0.6 Cíntora-Jrez, D., et al "The promoting role of tungsten oxides in the anodic oxidation of methanol on platinum-based catalysts." Electrocatalysis 8.3 (2017): 261-269 phenikaa-uni.edu.vn 13 ĐÁNH GIÁ TẦM QUAN TRỌNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP Các phép đo SEM, TEM quan trọng đánh giá hình thái b ề m ặt v ật li ệu SEM TEM  Cung cấp thông tin bề mặt mẫu  quan sát bề mặt mẫu rắn độ phóng đại khác  Thu ảnh 3D  Cung cấp thông tin cấu trúc bên mẫu  Thu ảnh 2D phenikaa-uni.edu.vn 18 VAI TRỊ CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO HÌNH THÁI BỀ MẶT TEM Cấu trúc bên vật liệu định trực tiếp đến tính chất v ật li ệu nano Trung bình đường kính lõi 38,3 ± 5,7nm v ỏ 9,7 ± 2,5 nm Sự phân bố phần tử thăm dị ánh xạ EDX chế độ STEM-HAADF (hình b) cho thấy vàng tập trung rõ ràng lõi hạt nano bao quanh lớp vỏ bạc Hình ảnh trường sáng TEM hạt nano vỏ lõi cho th lõi vàng (vùng t ối hơn) bao bọc lớp vỏ bạc (vùng sáng hơn) Ánh xạ EDX thu đ ược cách sử dụng chế độ STEM-HAADF hiển th ị ph ần c (b) xác định phân bố bạc (đỏ) vàng (xanh) Plowman, Blake J., et al "The fate of nano-silver in aqueous media." Nanoscale 7.29 (2015): 12361-12364 phenikaa-uni.edu.vn 14 ...01 QUANG PHỔ UV-VIS 02 PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI (FTIR) 03 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM) 04 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) QUANG PHỔ UV-VIS Giới thiệu quang phổ UV-Vis UV radiation:... nm Vis radiation: 380 to 765 nm Fig 1: quang phổ UV-VIS  Vùng phổ UV-Vis vùng nằm cận UV cận IR (cận hồng ngoại)  Được xác định từ khoảng bước sóng từ 180-1100 nm Giới thiệu quang phổ UV-Vis... represented [1]  Ý tưởng đằng sau Quang phổ UV-Vis chiếu ánh sáng có bước sóng khác qua mẫu đo độ hấp thụ bước sóng Cấu tạo máy quang phổ UV-Vis Máy quang phổ hấp thụ UV-Vis bao gồm thành phần sau [1]: