Ứng dụng phương pháp ăn mòn laser trong chế tạo hạt nano kim loại

BỊ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết bị sử dụng trong phương pháp ăn mòn laser

Thực nghiệm phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano kim loại được thực hiện tại Bộ môn Quang Lượng Tử - Khoa Vật Lý - Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên. Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 được chế tạo bởi hãng Spectra – Physics, theo đúng tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, là một trong những laser rắn hiện đại và có công suất lớn nhất hiện nay. a)Cấu tạo laser Nd:YAG Quanta Ray PRO-230. Do bước sóng của chùm điện tử rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ phải rất bé (θ ≈ 0,010). Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ điện tử thường là những vúng sáng tối gọi là trường sáng - trường tối. Trường sáng là ảnh của vật liệu vô định hình còn trường tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể. b) Quy trình tiến hành đo TEM. Để khảo sát các thông số có thể ảnh hưởng tới kích thước hạt như loại kim loại, loại dung môi, nồng độ dung môi, thời gian chiếu laser, công suất laser, bước sóng laser ,chúng tôi chọn hai mẫu có cùng một điều kiện về các thông số và khác nhau về một thông số cần nghiên cứu.

Trong khoá luận, chúng tôi xác định kích thước hạt dựa trên phần mềm ImagieJ 1.37v của Wayne Rasband (Nationnal institues of Heath, USA) [15]. Phần mềm ImagieJ 1.37v cho phép định nghĩa một khoảng có độ dài có giá trị chuẩn trên hình. Sau đó, tiến hành đo đường kính các hạt nano bạc trên hình. Phần mềm còn cho phép ta có thể phóng to ảnh để xác định chính xác bán kính hạt. Tiến hành xác định bán kính của khoảng 500 hạt. Sau đó đưa số liệu vào phần mềm Origin 7.5 phân tích tần xuất xuất hiện các kích thước hạt. Kích thước hạt trung bình có thể tính dựa vào phần mềm Microsoft Excel 2003 bằng hàm Average. Sử dụng phần mềm ImagieJ 1.37v có thể xác định khá chính xác kích thước từng hạt nhưng rất tốn thời gian. Phương pháp quang phổ hấp thụ là một trong các phương pháp cơ bản để nghiên cứu phản ứng các chất trong dung dịch, để xác định thành phần và cấu trúc của hợp chất, để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến cân bằng giữa các chất. Bằng phương pháp này có thể định lượng nhanh chóng với độ nhạy và độ chính xác cao. Phương pháp này dựa trên cơ sở đo cường độ dòng sáng còn lại sau khi đi qua dung dịch bị chất phân tích hấp thụ một phần. Phương pháp đo màu là phương pháp đo dung dịch trong suốt có màu. a) Cơ sở lý thuyết. Nếu bán kính các hạt nano lớn hơn giá trị này, hoặc vượt quá bước sóng ánh sáng, ta không thể áp dụng phương trình (2.7) mà trở về với các phương trình ban đầu (2.6). Kết quả là, sự cộng hưởng phụ thuộc vào kích thước hạt x với x là một hàm của bán kính hạt r. Khi kích thước hạt vượt quá kích thước của bước sóng, các mode bậc L cao hơn được dùng để định nghĩa hệ. Những mode này đạt tới bậc cao nhất khi năng lượng thấp hơn và vì vậy,. b) Đồ thị mối liên hệ giữa độ rộng đỉnh plasmon ∆λ và đường kính hạt. Sau đó, tia sáng đi qua cuvet (mẫu chuẩn và mẫu cần đo). Sau khi qua phản xạ tại gương M5, M6 sẽ hội tụ tại nhân quang điện để khuyếch đại tín hiệu. Các thông tin về phổ hấp thụ thu trên máy quang phổ được chuyển thành tín hiệu số qua bộ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện) chuyển vào máy tính để xử lý qua phần mềm. Tinh chỉnh G để lần lượt các tia sáng qua cuvet khi đó sẽ thu được toàn bộ phổ của mẫu cần đo. c) Quy trình tiến hành.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Nd:YAG laser

Kết quả chế tạo các hạt nano kim loại

Hạt nano bạc được tạo ra bằng phương pháp ăn mòn laser trong khoá luận có cấu trúc lập phương tâm mặt và đỉnh phản xạ ứng với góc 2θ = 38.20 và chỉ số mặt là (111) có cường độ mạnh nhất. Như vậy, qua phổ nhiễu xạ tia X chúng tôi đã chứng minh vật liệu chế tạo được là hạt bạc có kích thước nano. b) Phổ hấp thụ UV – VIS của hạt nano bạc. Từ đó thấy rằng trong 3 mẫu chế tạo, mẫu SCD 0.003M có kích thước hạt nhỏ nhất.Để xác định chính xác kích thước hạt cũng như sự phân bố kích thước hạt,chúng tôi tiến hành đi đo kích thước hạt bạc trong mẫu SCD 0.003M bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Quan sát trên hình 3.5(a) , ta thấy các hạt nano bạc có kích thước nano. Hình dạng các hạt chủ yếu là hình cầu, có sự cô lập tương đối giữa các hạt. Kích thước trung bình của các hạt nano bạc được tạo ra trong dung dịch SCD là 8 nm với tỉ lệ tạo thành là 20 %. Các hạt được tạo ra có đường kích phân bố trong khoảng từ 4 nm đến 12 nm. c)So sánh với phương pháp khử hoá học.

Trong phương pháp hoá khử, các hạt nano bạc được tạo ra từ dung dịch bạc nitrate có chứa Trisodium citrate dihydrat C6H7Na3O7 (SCD). Hình 3.6 là phổ hấp thụ của hạt nano bạc trong hai phương pháp hoá khử và ăn mòn laser. được tạo ra bởi phương pháp ăn mòn laser và phương pháp khử hoá học. Ta thấy, đỉnh hấp thụ của các hạt nano bạc được tạo ra bởi phương pháp khử hoá học dịch chuyển đến 440 nm trong khi đối với phương pháp ăn mòn laser là 400 nm. Độ bán rộng đỉnh phổ hấp thụ trong ăn mòn laser nhỏ hơn so với phương pháp hoá khử. Kết quả này phù hợp với kích thước hạt trung bình và sự phân bố kích thước hạt đo được. Trong trường hợp ăn mòn laser, kích thước trung bình của các hạt nano bạc là 8 nm với tỉ lệ tạo thành là 20 % và đường kính hạt phân bố trong khoảng từ 4 nm đến 12 nm. Điều này đã khẳng định phương pháp ăn mòn laser chế tạo được hạt nano có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp hoá khử. Các hạt nano bạc được sinh ra có độ phân tán cao và đặc biệt rất tinh khiết, không bị nhiễm bẩn bởi chất khử. Chế tạo hạt nano vàng trong trong dung dịch SDS. a) Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano vàng.

Khảo sát các thông số ảnh hưởng tới quy trình ăn mòn laser .1. Khảo sát ảnh hưởng của công suất laser

Tiếp tục tăng công suất nữa thì số lượng các hạt nhỏ được tạo thành tăng lên nhiều làm cho khả năng kết tụ của các hạt tăng lên, kết quả là các hạt sẽ có kích thước lớn hơn và đỉnh hấp thụ lại dịch về phía sóng dài hơn ứng với công suất 700mW. Từ hình 3.13 và hình 3.14 ta thấy phổ hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ của cồn và phổ hấp thụ của các hạt nano vàng thu được trong cồn 600 có đỉnh ở phía bước sóng ngắn nhất hay các hạt có kích thước nhỏ nhất. Còn ở trong nước, do phổ hấp thụ của các hạt nano có sự thay đổi nhiều khi thay đổi các thông số như thời gian ăn mòn, công suất trung bình của nguồn laser nên ta có thể dễ dàng thay đổi được kích thước hạt theo ý muốn.

Sự phụ thuộc của kích thước vào nồng độ dung dịch được chỉ ra bởi phổ hấp UV-VIS: đỉnh của phổ hấp thụ có xu hướng mở rộng ra khi tăng nồng độ của dung dịch Sự phụ thuộc của kích thước trng bình hạt nano vàng vào nồng độ được giải.

Ứng dụng cộng hưởng plasmon để điều khiển kích thước hạt nano vàng Một đặc điểm của phương pháp ăn mòn laser là phân bố kích thước hạt phân

Tuy nhiên số lượng liên kết O-H (nguồn gốc lưỡng cực điện) trong dung dịch ethanol lớn hơn nhiều so với nước tinh khiết nên các hạt nano vàng trong dung dịch ethanol được giữ bền hơn trong môi trường nước. Như vậy, sử dụng bước sóng 532nm để ăn mòn vàng sẽ cho hạt nano vàng với kích thước trung bình nhỏ hơn khoảng 4 lần so với dùng bước sóng 1064nm, đồng thời phân bố kích thước hạt ít phân tán hơn. Điều kiện cộng hưởng được xác định từ phổ hấp thụ, tán xạ và được phát hiện là phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và hằng số điện môi của cả kim loại lẫn môi trường xung quanh (thuyết Gans).

Phương pháp ăn mòn laser có khả năng chế tạo hạt nano dễ dàng, không bị nhiễm bẩn bởi chất khử, tuy nhiên các hạt chế tạo được có xu hướng phân bố kích thước trong khoảng rộng vì rất khó để kiểm soát quá trình kết tụ của phân tử.