Đặc điểm của laser Nd:YAG Quanta Ray Pro-230- 123docz.net

Phát được cả ở chế độ xung và liên tục. Khi hoạt động ở chế độ Q-Switching năng lượng xung tối đa đạt đến 1200 mJ, độ rộng xung từ 7ns ÷ 10ns.

Hiệu suất cao, cỡ vài phần trăm.

Hoạt động theo sơ đồ 4 mức năng lượng. Ngưỡng kích thấp.

Độ dẫn điện cao.

Nguồn bơm laser là đèn Kripton. Năng lượng của đèn khá phù hợp với phổ bức xạ của ion Nd+3.

Hoạt chất của laser này là tinh thể Yttrium Aluminium Garnet Y2Al5O12 có pha tạp Nd+3.

2.2. Hệ thu phổ phát quang

2.2.1. Phổ kế MS-257dùng kĩ thuật CCD 2.2.1.1. Cấu tạo

Sơ đồ khối của hệ thu phổ phát quang bằng máy quang phổ cách tử đa kênh MS- 257 dùng kỹ thuật thu CCD được dẫn ra ở hình 2.7. Hệ này gồm có ba bộ phận chính: nguồn kích thích, máy quang phổ cách tử MS-257 và hệ thu phổ, xử lý tín hiệu.

Nguồn kích thích:

Nguồn kích thích là laser He-Ne phát bức xạ liên tục ở hai bước sóng 0,325 µm và 0,442 µm với công suất tương ứng khoảng 30 mW và 100 mW. Việc lấy lần lượt từng bức xạ này được thực hiện nhờ một kích lọc sắc gắn ở lối ra ở laser.

Máy quang phổ cách tử MS-257:

Máy quang phổ cách tử MS-257 do hãng ORIEL-USA sản suất, máy sử dụng cách tử số vạch/mm như mong muốn, việc đóng mở cửa sập bảo vệ detector CCD hoàn toàn tự động nhờ chương trình phần mềm cài đặt trước khi cường độ bức xạ chiếu vào nó quá lớn. Máy bao gồm một khe vào và hai khe ra: khe ra chính (khe trục), khe ra phụ (khe ngang). Khi đo phổ phát quang ta thường sử dụng cách tử 77742 (1200 vạch/mm).

2.2.1.2. Hệ thu và xử lý phổ:

Hệ gồm detector CCD IntraSpec TM IV, bộ khuếch đại, bộ điều khiển và máy tính dùng để hiển thị phổ dưới dạng file số liệu và file ảnh.

Detector CCD IntraSpec TM IV 1064x256 pixel , có độ nhạy cao (từ 3,8 femtoJun/cm2 đến 250 picoJun/cm2), tốc độ ghi phổ nhanh và vùng phổ làm việc tương đối rộng (từ 0,2 µm ÷ 1,2 µm).

Detector CCD được đặt trong một buồng chân không (p = 10 mmTorr) và được làm lạnh bằng pin Peltier để tăng tỉ số giữa cường độ của vạch, đám phát quang và cường độ phông gây nên bởi can nhiễu. Detector chỉ hoạt động khi nhiệt độ làm lạnh khoảng từ - 200C đến - 350C với độ chính xác ± 0,050C nhưng hiệu quả nhất là - 300C. Bộ điều khiển giúp cho detector hoạt động theo một phần mềm được cài đặt trước. Nó được thiết kế với công suất thu thập ảnh lớn và tốc độ truyền ảnh cao (khoảng 1 megapixel/s).

Hoạt động của hệ thu phổ:

Nguồn bức xạ laser He-Cd sau khi qua kính lọc sắc F được thấu kính L1 (f1 = 15 cm) hội tụ vào mẫu dưới góc 450 so với quang trục của mấy quang phổ MS-257. Chùm bức xạ phát ra từ mẫu qua thấu kính L2 (f = 9,4 cm) hội tụ vào khe của máy

quang phổ. Sau khi phản xạ trên gương G1, gương cầu lõm G2, chùm bức xạ từ mẫu chiếu vào cách tử G. Cách tử có nhiệm vụ tách thành các chùm đơn sắc khác nhau và chiếu vào gương cầu lõm G3. Sau khi phản xạ trên G3 chùm bức xạ được chiếu vào detector CCD đặt sau khe trục hoặc phản xạ trên gương G4 chiếu vào detector CCD sau khe ngang. Các tín hiệu quang nhận được từ dectector CCD chuyển thành tín hiệu điện, tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào bộ điều khiển qua máy tính cho phổ dưới dạng file số liệu và file ảnh.

Hình 2.7.Sơ đồ khối hệ thu phổ huỳnh quang bằng máy quang phổ cách tử đa kênh MS-257 dùng kỹ thuật thu CCD

Dây dẫn Bộ khuếch đại detector CCD Bộ tích phân up/down A/D chậm A/D nhanh Quá trình số hoá Giao diện USB 2.0 Bộ điều khiển Máy tính laser 1 L Mẫu 2 L 3 G 1 G G2 G 4 G Máy quang phổ MS-257 F Laser

2.2.2. Phổ kế GDM-1000 dùng kĩ thuật Boxcar

Phổ kế GDM-1000 còn gọi là máy đơn sắc cách tử kép GDM-1000 có hai cách tử 60 mm2 đến 110 mm2 với 651 vạch/mm. Cách gương cầu lõm có tiêu cự 1100 mm. Các cách tử quay được là nhờ một motor bước do máy tính điều khiển và có thể thay đổi được tốc độ. Do đó máy quang phổ quét được vùng phổ trong vùng bậc nhất từ 7500 cm-1 đến 16675 cm-1; vùng phổ bậc hai từ 16675 cm-1 đến 2800 cm-1. Khoảng đặt bộ đếm sóng: phổ bậc nhất là 7500 cm-1 đến 17500 cm-1; phổ bậc hai là 1500 cm-1 đến 15000 cm-1. Số sóng tập trung năng lượng lớn nhất là 11500 cm-1 tương ứng với bước sóng là 8700Å. Độ rộng khe vào và khe ra 0 ÷ 3 mm. Độ cao khe vào và độ cao khe ra: 0 ÷ 100 mm.

Chương 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN 3.1. Mẫu nghiên cứu

Mẫu nghiên cứu được chúng tôi tập trung vào hai loại bột nano ZnS, ZnS:Mn chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt và màng mỏng ZnS:Mn chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp với spincoating.

3.1.1. Chế tạo bột nano ZnS, ZnS:Mn bằng phương pháp thủy nhiệt

Để chế tạo ZnS, ZnS:Mn bằng phương pháp thủy nhiệt chúng tôi đã dùng Zn(CH3OO)2.2H2O tạo nguồn Zn2+, Mn(CH3OO)2.2H2O tạo nguồn Mn2+ còn nguồn S2- có thể dùng axít thioglycolic HSCH2COOH hoặc Na2S2O3.5H2O.

3.1.1.1. Chế tạo bột nano ZnS từ tiền chất Zn(CH3COO)2.2H2O và

HSCH2COOH

Quy trình chế tạo bột nano ZnS từ các tiền chất Zn(CH3OO)2.2H2O, HSCH2COOH được tiến hành như sau:

Pha Zn(CH3COO)2.2H2O, TGA vào nước cất hai lần để được các dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M (A), HSCH2COOH 0,2M (B) và khuấy đều trong 30 phút. Khi đó:

Zn(CH3COO)2 → Zn2+ + 2CH3COO-

Nhỏ từ từ dung dịch B vào dung dịch A và khuấy đều hỗn hợp trong 60 phút. Khi đó hình thành phức chất ZnSHCH2COOH2+ theo sơ đồ sau:

Đưa hỗn hợp trên vào bình thủy nhiệt teflon đặt trong một bình thép không gỉ có lắp đậy kín rồi ủ từ 1100C ÷ 2200C trong 20h. Trong quá trình thủy nhiệt mỗi một loại phức chất được lớn lên hình thành các hạt nano ZnS. Cũng trong quá trình thủy nhiệt một phần gốc hữu cơ SCH2COOH- của TGA được tách ra khỏi các hạt nano ZnS. Sau khi thủy nhiệt để kết tủa nguội tự nhiên rồi lọc kết tủa nhiều lần bằng nước cất hai lần, sau đó sấy ở 800C trong 12h ta thu được bột nano ZnS có bọc phủ axít TGA trên bề mặt của nó.

3.1.1.2. Chế tạo bột nano ZnS:Mn từ tiền chất Zn(CH3COO)2.2H2O và

HSCH2COOH

Bột nano ZnS:Mn được chế tạo từ Zn(CH3COO)2.2H2O, HSCH2COOH (TGA) và Mn(CH3COO)2.4H2O bằng phương pháp thủy nhiệt theo quy trình:

Pha Zn(CH3COO)2.2H2O, Mn(CH3COO)2.4H2O và TGA vào nước cất hai lần để được các dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M (A), Mn(CH3COO)2 0,25M (B), và HSCH2COOH 0,2M (C) và khuấy đều trong 30 phút. Khi đó

Zn(CH3COO)2 → Zn2+ + 2CH3COO- Mn(CH3COO)2 → Mn2+ + 2CH3COO-

Nhỏ từ từ dung dịch B vào dung dịch A được dung dịch C và khuấy đều trong 30 phút, sau đó nhỏ dung dịch C vào dung dịch D và khuấy đều hỗn hợp trong 60 phút. Khi đó hình thành các phức chất ZnSHCH2COOH2+, MnSHCH3COOH2+ theo sơ đồ sau:

Đưa hỗn hợp trên vào bình thủy nhiệt teflon đặt trong một bình thép không gỉ có lắp đậy kín rồi ủ 1100C ÷ 2200C trong 20h. Trong quá trình thủy nhiệt mỗi một loại phức chất được lớn lên hình thành các hạt nano ZnS:Mn. Cũng quá trình thủy nhiệt một phần gốc hữu cơ SCH2COOH- của TGA được tách ra khỏi các hạt nano ZnS:Mn. Sau khi thủy nhiệt để kết tủa nguội tự nhiên rồi lọc kết tủa nhiều lần bằng nước cất hai lần, sau đó sấy ở 800C trong 12h ta thu được bột nano ZnS:Mn có bọc phủ axít TGA.

3.1.2.1. Chế tạo bột nano ZnS từ tiền chất Zn(CH3COO)2.2H2O và Na2S2O3.5H2O Na2S2O3.5H2O

Các hạt nano ZnS được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt theo qui trình: Hòa tan từng muối Zn(CH3COO)2.2H2O, Na2S2O3.5H2O vào nước cất khử ion để được các dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M và Na2S2O3 0,2M và khuấy các dung dịch

Zn2+ + HSCH2COOH → ZnSHCH2COOH2+ Mn2+ + HSCH2COOH → MnSHCH3COOH2+

trên trong 30 phút. Nhỏ từ từ dung dịch Na2S2O3 0,2M vào dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M theo tỉ lệ 1:1 và khuấy đều trong 60 phút. Sau đó đưa dung dịch trên vào bình teflon đặt trong một bình thép không gỉ có lắp đậy kín rồi ủ ở 1100C ÷ 2200

C trong 5h ÷ 15h. Trong quá trình thủy nhiệt, các hạt nano ZnS được tạo thành theo các phản ứng sau:

4Na2S2O3 → Na2S + 3Na2SO4 + 4S ; Zn(CH3COO)2 + Na2S → ZnS↓+ 2CH3COONa

Sau khi thủy nhiệt để nguội tự nhiên ta thu được kết tủa. Lọc kết tủa nhiều lần bằng nước cất hai lần, sau đó sấy kết tủa ở 600C trong 10h ta thu được các hạt nano ZnS.

3.1.2.2. Chế tạo bột nano ZnS:Mn từ tiền chất Zn(CH3COO)2.2H2O, Zn(CH3COO)2.2H2O và Na2S2O3.5H2O Zn(CH3COO)2.2H2O và Na2S2O3.5H2O

Các hạt nano ZnS:Mn được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt theo qui trình: Hòa tan từng muối Zn(CH3COO)2.2H2O, Mn(CH3COO)2.2H2O và Na2S2O3.5H2O vào nước cất khử ion để được các dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M, Mn(CH3COO)2 và Na2S2O3 0,2M và khuấy các dung dịch trên trong 30 phút. Nhỏ từ từ dung dịch Na2S2O3 0,2M vào dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M, Mn(CH3COO)2 theo tỉ lệ 1:1 và khuấy đều trong 60 phút. Sau đó đưa dung dịch trên vào bình teflon đặt trong một bình thép không gỉ có lắp đậy kín rồi ủ ở 1100

C ÷ 2200C trong 5h ÷ 15h. Trong quá trình thủy nhiệt, các hạt nano ZnS được tạo thành theo các phản ứng sau:

4Na2S2O3 → Na2S + 3Na2SO4 + 4S ; Zn(CH3COO)2 + Na2S → ZnS↓+ 2CH3COONa Mn(CH3COO)2 + Na2S → MnS↓+ 2CH3COONa

3.1.3. Chế tạo bột nano ZnS, ZnS:Mn chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa kết hợp spincoting. kết hợp spincoting.

Bột nano ZnS:Mn được chế tạo từ các tiền chất: Zn(CH3COO)2.2H2O, Na2S, Mn(CH3COO).4H2O. Quy trình chế tạo các bột nano ZnS:Mn được thực hiện qua những bước sau:

Tính toán và pha các tiền chất với nước cất hai lần để được các dung dịch Zn(CH3COO)2 0,1M (A), Mn(CH3COO)2 0,1 M (B) và Na2S 0,1M (C).

Trộn dung dịch B vào dung dịch A theo tỷ lệ thích hợp về thể tích ta được các dung dịch hỗn hợp (D) (dùng pipet 1ml lấy lượng thể tích thích hợp của dung dịch B nhỏ vào dung dịch A)

Khi phản ứng xảy ra, trong kết tủa thu được ngoài ZnS và MnS còn có thể có mặt Zn(OH)2, Mn(OH)2 theo các phương trình phản ứng:

Zn(CH3COO)2 → Zn2+ + 2CH3COO- (1) Mn(CH3COO)2 → Mn2+ + 2CH3COO- (2)

Na2S → 2Na+

+ S2- (3) Zn2+ + S2- → ZnS↓ ; Mn2+ + S2- → MnS↓ (4) Zn2+ + 2OH- → Zn(OH)2 ; Mn2+ + 2OH- → Mn(OH)2 (5)

Theo một số công trình khoa học đã công bố [2], để thu được kết tủa đồng thời của ZnS và MnS mà không có mặt Zn(OH)2, Mn(OH)2 thì độ pH của dung dịch phải thỏa mãn điều kiện: 2,56 < pH < 6,1. Mặc dù khi pha các dung dịch A, B, độ pH của chúng có giá trị khoảng: pH = 5,5 nhưng để có quy trình ổn định với tất cả các mẫu, chúng tôi cố định độ pH của dung dịch A và B: pH = 3,5. Vì thế, chúng tôi nhỏ thêm axit CH3COOH nguyên chất (khi pH > 4, mỗi lần nhỏ khoảng 0,2 ml axit và được xác định bằng máy đo độ pH). Nếu các dung dịch có độ pH < 4 thì nhỏ thêm CH3COONa và quy trình thực hiện như trên. Do thể tích CH3COOH, CH3COONa nhỏ vào là rất bé (nhỏ hơn 1ml), nên coi như nồng độ mol CM của các dung dịch A và B không thay đổi.

Dung dịch D sau khi khuấy đều trong 20 phút được nhỏ từ từ vào dung dịch C (hoặc ngược lại) để tạo kết tủa đồng thời ZnS và MnS theo các phương trình (4).

Dung dịch huyền phù tạo thành được khuấy đều trong 30 phút để tạo sự đồng nhất trong kết tủa.

Kết tủa được lọc bằng máy quay li tâm với tốc độ 2500 vòng/ phút, trong 10 phút. Tiếp tục lọc rửa kết tủa ba lần bằng nước cất hai lần để loại các ion Na+ và các tạp bẩn trong kết tủa.

Sau khi lọc rửa, kết tủa được sấy khô ở 800C trong 8h, ta được các tinh thể rắn, khô. Tiếp đó nghiền nhỏ kết tủa khô bằng cối mã não ta được bột phát quang nano ZnS:Mn

3.2. Chế tạo hệ nhồi mẫu và giá mẫu

Các mẫu chế tạo ra thường ở dạng bột vì vậy để có thể thực hiện thí nghiệm cần phải được nén chặt đảm bảo bền về cơ học trong quá trình ủ và di chuyển mẫu.

3.2.1. Chế tạo hệ nhồi mẫu

Hệ nhồi mẫu được thiết kế dạng cơ học đơn giản bao gồm 3 phần chính sau: đế, tay quay nén mẫu và thanh chứa mẫu.

Đế: có dạng hình trụ, phẳng, chịu lực tốt.

Tay quay nén mẫu: làm làm bằng thép không gỉ, dạng bulông trên thân có tiện nhiều bước gen ngắn, một đầu có tay quay đầu còn lại hình trụ đường kính 3 mm.

Thanh chứa mẫu: tùy vào cách thức thực nghiệm mà ta tạo thanh chứa mẫu dạng đơn lỗ hay đa lỗ. Thanh đơn lỗ có dạng hình trụ trên có lỗ chứa mẫu được khoan sâu 1 mm, đường kính 3 mm. Thanh đa lỗ có dạng khối hộp chữ nhật mỏng, trên thanh được khoan thành các dãy lỗ thẳng cách đều, các lỗ sâu 1 mm đường kính cũng bằng 3 mm.

Mẫu được thực hiện nhồi bằng cách: đặt thanh chứa mẫu lên đế, điều chỉnh sao cho đầu nén mẫu trùng khít với đường kính lỗ, sau đó nhẹ nhàng vặn tay quay đến khi có cảm giác cứng tay thì dừng lại.

3.2.2. Chế tạo hệ giá thanh mẫu

Trên cơ sở chuyển động của các hệ vi quang chúng tôi đã xây dựng hệ giá gắn thanh mẫu trong quá trình thí nghiệm. Hình 3.2 là ảnh của một số giá thanh mẫu dạng đa lỗ

Hệ giá thanh mẫu gồm các phần chính:

Hình 3.2. Hệ giá thanh mẫu 1

5 2

3 4

1-2: Tay vặn điều chỉnh độ nghiêng của giá 3: Tay vặn dịch chuyển trái phải

4: Mặt gắn thanh mẫu

5: Vít điều chỉnh độ cao thấp của giá mẫu

Quá trình ủ mẫu: Thanh chứa mẫu được gắn lên vị trí 4, điều chỉnh độ cao của giá sao cho các lỗ chứa mẫu bằng với chùm laser nhờ vít 5, dịch chuyển trái hoặc phải bằng tay vặn 3 để chùm laser chiếu đúng vào lỗ, cuối cùng điều chỉnh các tay vặn 1, 2 để chùm laser chiếu vuông góc với mặt mẫu.

3.2.2.3. Chế tạo bộ chopper chùm bức xạ

Laser He-Cd và He-Ne phát bức xạ tương ứng là 632,8 nm, 325 nm ở chế độ liên tục. Nếu chiếu bức xạ này vào mẫu trong thời gian dài sẽ dẫn đến nóng mẫu. Vì vậy chùm bức xạ liên tục cần phải biến thành chùm ngắt quãng nên chúng tôi đã chế tạo bộ chopper chùm bức xạ.

Chopper gồm có bản mỏng hình tròn đường kính 7 cm, cắt thành 12 cánh cách đều nhau, được quay bởi một động cơ nhỏ có thể điều chỉnh tốc độ quay. Chùm bức xạ laser chiếu vào mẫu sẽ được làm biến điệu không thể chiếu liên tục lên mẫu. Tần số chopper f = 17,5 Hz, độ rộng xung ∆t = 27 ms.

3.3. Phổ X-ray hình thái bề mặt và phổ phát quang của các vật liệu dùng để ủ bằng bức xạ laser bằng bức xạ laser

3.3.1. Phổ X-ray và hình thái bề mặt của các mẫu

Để ủ mẫu bằng các bức xạ của laser chúng tôi đã sử dụng các loại vật liệu sau: Các bột nano ZnS, chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt từ Zn(CH3COO)2.2H2O và axít thioglycolic HSCH2COOH (TGA) thủy nhiệt ở 2200C trong 5h.

Các bột nano ZnS:Mn (CMn = 15 mol%) chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt từ Zn(CH3COO)2.2H2O, axít thioglycolic HSCH2COOH (TGA) và Mn(CH3COO)2.4H2O thủy nhiệt ở 2200C trong 20h.

Các bột nano ZnS:Mn (CMn = 5 mol%) chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt từ Zn(CH3COO)2.2H2O, Na2S2O3.5H2O và Mn(CH3COO)2.4H2O thủy nhiệt ở 2200C trong 15h.

Màng mỏng ZnS:Mn (CMn = 8 mol%) 10 lớp chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa và spincoating từ Zn(CH3COO)2.2H2O, Na2S và Mn(CH3COO)2.4H2O.