7. Cấu trỳc của luận văn
2.2.4. Quang phổ tỏn xạ Raman
Tỏn xạ Raman là một quỏ trỡnh tỏn xạ khụng đàn hồi giữa photon (lƣợng tử ỏnh sỏng) và một lƣợng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quỏ trỡnh va chạm, năng lƣợng của photon giảm đi (hoặc tăng lờn) một lƣợng bằng năng lƣợng giữa hai mức dao động của nguyờn tử (hoặc mạng tinh thể) cựng với sự tạo thành (hoặc hủy) một hạt lƣợng tử dao động. Dựa vào phổ năng lƣợng thu đƣợc, ta cú thể cú những thụng tin về mức năng lƣợng dao động của nguyờn tử, phõn tử hay mạng tinh thể. Giống nhƣ cỏc mức năng lƣợng của electron trong nguyờn tử, cỏc mức năng lƣợng dao động này cũng là đại lƣợng đặc trƣng, cú thể dựng để phõn biệt nguyờn tử này với nguyờn tử khỏc. Chớnh vỡ thế, tớnh ứng dụng của phổ Raman là rất lớn.
Tuy nhiờn, so với cỏc quỏ trỡnh tỏn xạ đàn hồi (năng lƣợng của photon khụng đổi) thỡ xỏc suất xảy ra tỏn xạ Raman là rất nhỏ. Để quan sỏt đƣợc vạch Raman, ta phải: tăng cƣờng độ của vạch Raman và tỏch vạch Raman khỏi vạch chớnh.
Việc tỏch phổ cú thể thực hiện khỏ đơn giản bằng một kớnh lọc, hay phức tạp hơn một chỳt là phộp biến đổi Fourier. Hệ biến đổi Fourier là một hệ phổ biến trong ngành quang học và quang phổ, ngƣời ta dựng một hệ giao thoa kế Michealson với một gƣơng cú thể dịch chuyển. Độ dịch chuyển của gƣơng cú thể điều khiển chớnh xỏc nhờ hệ võn giao thoa của một laser cú bƣớc súng cho trƣớc. Dựa vào độ dịch của gƣơng, ta cú thể cú hàm Fourier của nguồn sỏng cần nghiờn cứu.
Để cú đƣợc cƣờng độ vạch Raman lớn, cỏch đơn giản nhất là chiếu chựm sỏng tời với cƣờng độ lớn vớ dụ nhƣ dựng Laser để chiếu, nhƣng cỏch này cũng khụng hiệu quả lắm.
Phƣơng phỏp SERS (Surface Enhanced Raman Scattering), tăng cƣờng độ vạch Raman bằng plasmon bề mặt (surface plasmon). Plasmon bề mặt là một dạng lƣợng tử của trƣờng điện từ trong mụi trƣờng plasma cú hằng số điện mụi õm, vớ dụ nhƣ trong kim loại với tần số súng điện từ nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại.
Khi súng điện từ truyền dọc bề mặt một tấm kim loại với tần số súng nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại, tƣơng tỏc của súng và plasma electron (một trạng thỏi mà tất cả cỏc electron chuyển động nhƣ một thể thống nhất) làm súng điện từ cú thể thõm nhập vào mụi trƣờng (gần bề mặt) và định xứ ở đú. Hiệu ứng SPR cú thể làm tăng cƣờng độ điện trƣờng một cỏch cục bộ, vỡ thế, khi đƣa nguyờn tử cần đo phổ Raman vào khu vực điện trƣờng cao đú, tƣơng tỏc giữa nguyờn tử và trƣờng điện từ sẽ mạnh hơn, dẫn đến phổ Raman cú cƣờng độ lớn hơn.
Phƣơng phỏp SERS rất khú thực hiện vỡ phụ thuộc nhiều vào tớnh chất bề mặt kim loại và tần số plasma của kim loại.
Khi một lƣợng tử ỏnh sỏng hν đến va chạm với phõn tử cú thể xảy ra quỏ trỡnh tỏn xạ. Nếu tƣơng tỏc xảy ra với năng lƣợng tỏn xạ khụng thay đổi (đàn hồi) thỡ gọi là tỏn xạ Rayleigh. Nếu tƣơng tỏc khi cú sự trao đổi năng lƣợng với dao động của phõn tử (khụng đàn hồi) đƣợc gọi là tỏn xạ Raman.
Bằng cỏch chọn ỏnh sỏng tới là ỏnh sỏng trong vựng nhỡn thấy để ghi phổ Raman của cỏc chất, ta sẽ thu nhận đƣợc cỏc thụng tin về dao động của phõn tử.
Quỏ trỡnh tỏn xạ Raman xảy ra với xỏc xuất thấp hơn rất nhiều lần so với tỏn xạ Rayleigh. Năng lƣợng của tỏn xạ Raman đƣợc xỏc định nhƣ sau:
ERaman = hνR =E0 E= hν0 hs (2.3)
Trong đú năng lƣợng hs là phần năng lƣợng photon ỏnh sỏng hν0 sẽ mất mỏt đi hoặc thu vào do kớch thớch hoặc dập tắt một dao động của phõn tử hoặc điện tử của mụi trƣờng. Trƣờng hợp ỏnh sỏng kớch thớch hoặc dập tắt dao động của phõn tử thỡ năng lƣợng tỏn xạ hs sẽ bằng năng lƣợng hấp thụ hồng ngoại:
ERaman = hνR =E0 E= hν0 h hồng ngoại (2.4)
Nhƣ vậy, dao động của phõn tử cú thể đƣợc kớch thớch cỏc bằng hai cỏch: hấp thụ ỏnh sỏng hồng ngoại hoặc tỏn xạ khụng đàn hồi một ỏnh sỏng cú năng lƣợng nhất định lớn hơn năng lƣợng dao động. Thụng thƣờng, ngƣời ta hay sử dụng nguồn ỏnh sỏng tỏn xạ là nằm trong vựng nhỡn thấy để dễ ghi nhận.
Hỡnh 2.8. Giản đồ cỏc mức năng lượng dao động.
Vạch tỏn xạ cú năng lƣợng ERaman= hνR = hν0 -hνs nhỏ hơn năng lƣợng của ỏnh sỏng ban đầu tƣơng ứng với tần số νR nhỏ hơn ν0 gọi là vạch Stocke, cũn những vạch cú tần số νR ứng với năng lƣợng ERaman = hν0 + hνs lớn hơn năng lƣợng ỏnh sỏng ban đầu gọi là vạch đối Stoke.
Trong tỏn xạ Raman, phõn tử ở mức dao động cơ bản nhận một phần năng lƣợng của photon va chạm với nú để nhẩy lờn mức dao động cao hơn hoặc phõn tử đang ở mức dao động kớch thớch truyền năng lƣợng của nú cho photon va chạm để hồi phục về trạng thỏi cơ bản. Vỡ vậy, cƣờng độ của cỏc vạch tỏn xạ Raman tuõn theo định luật Boltzman, tức là phụ thuộc vào tỷ lệ độ tớch lũy giữa hai mức năng lƣợng cỏch nhau một khoảng hs:
Trong đú: N1, N2 là độ tớch luỹ của mức năng lƣợng 1, 2. K là hằng số Boltzman.
T là nhiệt độ. K là hệ số.
Từ đõy, ta cú thể thấy là cƣờng độ của cỏc vạch đối Stokes sẽ nhỏ hơn cƣờng độ cỏc vạch Stokes rất nhiều.
Bằng cỏch chọn ỏnh sỏng tới là ỏnh sỏng trong vựng nhỡn thấy để ghi phổ Raman của cỏc chất, ta sẽ thu nhận đƣợc cỏc thụng tin nằm trong vựng hồng ngoại, nghĩa là cỏc thụng tin về dao động của phõn tử.
Phổ tỏn xạ Raman của cỏc mẫu chế tạo đƣợc ghi lại bằng mỏy quang phổ Raman tại phũng thớ nghiệm Nanobiophotonic, Trung tõm Điện tử Lƣợng tử, Việt Vật lý, Viện Hàn lõm Khoa học và Cụng nghệ Việt nam. Hệ đo sử dụng laser He-Ni bƣớc súng 633 nm, cụng suất laser 10mW với thời gian tớch hợp là 3s và kớch thƣớc điểm laser là 14 àm.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Trong chƣơng này, cỏc quy trỡnh chế tạo cỏc màng nano bạc bằng kỹ thuật deposit (lắng đọng) sử dụng phƣơng phỏp bốc bay chựm điện tử đó đƣợc trỡnh bày cụ thể. Cỏc màng nano bạc này đƣợc chế tạo với mục đớch khảo sỏt độ dài lan truyền plasmon trong cỏc màng kim loại, đồng thời dựng để quan sỏt cỏc plasmonic hoạt động trờn cơ sở quan sỏt sự phỏt xạ huỳnh quang của một chất phỏt quang trờn màng nano bạc. Hơn nữa chƣơng này đó trỡnh bày về cỏc bƣớc và quy trỡnh chế tạo đế SERS là cấu trỳc nano bạc dị hƣớng trờn giấy lọc bằng phƣơng phỏp húa khử. Ƣu điểm của phƣơng phỏp là sử dụng húa chất khụng độc và thƣờng đũi hỏi tiờu thụ ớt vật liệu, tiờu thụ năng lƣợng thấp, dụng cụ chế tạo đơn giản và chi phớ thấp. Đế SERS sau khi đƣợc chết tạo sẽ đƣợc nghiờn cứu vi hỡnh thỏi qua phộp đo kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) và quang phổ tỏn xạ Raman; cỏc đặc trƣng quang lý sẽ đƣợc nghiờn cứu thụng qua phổ hấp thụ và kớnh hiển vi huỳnh quang để thấy rừ vai trũ của cỏc plasmonic hoạt động.
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN