4. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.3.2. Hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt
Hiện tƣợng “cộng hƣởng plasmon bề mặt‟‟ (SPR) đƣợc giải thích là: điện trƣờng của sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt các hạt nano, làm electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực. Sau đó, dƣới
16
tác dụng của lực phục hồi Cu-lông, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu. Vì có bản chất sóng, nên điện trƣờng dao động làm cho sự phân cực này dao động theo. Sự dao động này gọi là “plasmon” [3]. Khi tần số dao động của đám mây electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động đồng loạt của các electron tự do. Hiện tƣợng này gọi là “cộng hƣởng bề mặt” (SPR). Nhƣ vậy, hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thƣớc của một tinh thể kim loại nhỏ hơn bƣớc sóng của bức xạ, khi tần số photon tới cộng hƣởng với tần số dao động của electron tự do ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt.
Hình 1. 5. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt [30].
Hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt là hiệu ứng đặc trƣng của các hạt nano kim loại. Vì trong nano kim loại có rất nhiều điện tử tự do nên khi hấp thụ ánh sáng chiếu vào các điện tử tự do này sẽ dao động tập thể, tạo nên các dao động đồng pha.
Đối với các hạt nano Au, Ag. Dao động cộng hƣởng plasmon dẫn đến sự hấp thụ mạnh ánh sáng vùng khả biến. Điều này dẫn đến sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịch Au, Ag nano. Số lƣợng và vị trí cộng hƣởng plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thƣớc và hình thái của hạt nano. Vì vậy, đỉnh
17
cộng hƣởng có thể xuất hiện trong vùng khả biến đến vùng hồng ngoại gần. Lý thuyết Mie [24] giới hạn cho các hệ có nồng độ hạt nhỏ và giả thuyết các hạt là tách biệt, không tƣơng tác với nhau. Giả thuyết này cũng cho rằng điện trƣờng đƣợc sinh ra do kích thích plasmon bề mặt cộng hƣởng khi một hạt đơn lẻ không tƣơng tác với phần còn lại trong môi trƣờng xung quanh. Khi khoảng cách giữa các hạt giảm đi sẽ có một dịch chuyển đỏ xảy ra trong cộng hƣởng plasmon và ta sẽ quan sát đƣợc thêm một đỉnh hấp thụ ở bƣớc sóng dài hơn.
Bản chất của phổ hấp thụ không phải do sự dịch chuyển giữa các mức năng lƣợng mà là do hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Khi tần số của sóng ánh sáng tới bằng tần số dao động của các điện tử dẫn trên bề mặt hạt nano Au, Ag sẽ có hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Ánh sáng đƣợc chiếu tới các hạt nano Au, Ag dƣới tác dụng của điện trƣờng ánh sáng tới, các điện tử trên bề mặt hạt nano Au, Ag đƣợc kích thích đồng thời dẫn tới một số dao động đồng pha (dao động tập thể), gây ra một lƣỡng cực điện ở hạt nano Au, Ag [24].
Theo tính toán của Mie [24] cho các hạt dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng hƣởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản:
Thứ nhất: vị trí đỉnh cộng hƣởng plasmon phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc của kim loại kích thƣớc nano ( ).
Thứ hai: vị trí đỉnh cộng hƣởng plsamon phụ thuộc vào bản chất chính vật liệu đó (phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu).
Thứ ba: vị trí đỉnh cộng hƣởng plasmon còn phụ thuộc vào môi trƣờng xung quanh kim loại đó ( hoặc tỉ số ⁄ ).
18