7. Cấu trỳc của luận văn
2.2. Cỏc phộp đo thực nghiệm
2.2.1. Phương phỏp kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) nghiờn cứu vi hỡnh thỏi
Kớnh hiển vi điện tử là một thiết bị phõn tớch hiệu quả và chớnh xỏc đƣợc dựng để nghiờn cứu cấu trỳc và vi cấu trỳc của vật liệu trong cỏc ngành khoa học vật liệu, húa học, sinh học...Cho đến nay, kớnh hiển vi điện tử quột (Scanning Electron Microscope, SEM) là loại thiết bị phổ biến nhất bởi SEM cho ảnh cú độ phõn giải, độ tƣơng phản cao, dễ phõn tớch, đồng thời cú thể sử dụng để phõn tớch thành phần nguyờn tố của vật liệu.
Bằng cỏch sử dụng một chựm điện tử hẹp quột trờn bề mặt mẫu kớnh hiển vi điện tử quột cú thể tạo ra ảnh với độ phõn giải cao của bề mặt mẫu vật thụng qua việc ghi nhận và phõn tớch cỏc bức xạ phỏt ra từ tƣơng tỏc của chựm điện tử với bề mặt mẫu vật. Chựm điện tử đƣợc phỏt ra từ sỳng phúng điện tử (cú thể là phỏt xạ nhiệt, hay phỏt xạ trƣờng...) trong SEM đƣợc tăng tốc với thế tăng tốc thƣờng chỉ từ 10 kV đến 50 kV vỡ sự hạn chế của thấu kớnh từ nờn việc hội tụ cỏc chựm điện tử cú bƣớc súng quỏ nhỏ vào một điểm kớch thƣớc nhỏ sẽ rất khú khăn. Nhờ hệ thống thấu kớnh từ mà điện tử đƣợc phỏt ra, tăng tốc và hội tụ thành một chựm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) quột trờn bề mặt mẫu nhờ cỏc cuộn quột tĩnh điện,
chựm tia electron xuyờn qua mẫu, mà quột trờn bề mặt mẫu nờn thiết bị đƣợc gọi là hiển vi quột. Sơ đồ khối của kớnh hiển vi điện tử quột đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 2.5.
Hỡnh 2.5.Sơ đồ khối của kớnh hiển vi điện tử quột: (1) Sỳng điện tử, (2) Thấu kớnh điện từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phỏt quột, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đốn hỡnh.
Cỏc electron đƣợc hội tụ thành chựm tia hẹp nhờ cỏc thấu kớnh điện từ (2) và đi thẳng tới mặt mẫu (3), lần lƣợt quột lờn bề mặt mẫu, hết hàng nọ đến hàng kia nhờ bộ phỏt quột (4) tạo ra thế răng cƣa dẫn đến cỏc cuộn dõy với diện tớch quột, giả sử là hỡnh vuụng cạnh d và cú thể thay đổi đƣợc. Bộ phỏt quột (4) đồng thời điều khiển tia electron trong đốn hỡnh (7), quột đồng bộ với tia electron quột trờn mặt mẫu, nhƣng với diện tớch trờn màn hỡnh cú cạnh D lớn hơn.
Cỏc electron thứ cấp, cỏc electron tỏn xạ ngƣợc, cỏc bức xạ nhƣ tia X... cú thể phỏt ra khi chựm tia electron đập vào mặt mẫu, cỏc electron va chạm vào cỏc nguyờn tử ở bề mặt mẫu phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chựm tia electron chiếu đến nhƣ: bƣớc súng tia X phỏt ra phụ thuộc bản chất nguyờn tử ở bề mặt mẫu, số electron thứ cấp phỏt ra phụ thuộc vào độ lồi lừm ở bề mặt mẫu, số electron tỏn xạ ngƣợc phụ thuộc nguyờn tử số v.v.... Dựng đầu thu (detector) (5) thu một loại tớn hiệu sau khi qua bộ khuếch đại (6), để điều khiển cƣờng độ chựm tia electron quột trờn màn hỡnh hay điều khiển đƣợc độ sỏng của màn hỡnh: số electron thứ cấp phỏt ra từ chỗ đú nhiều hơn cỏc chỗ lõn cận, chỗ tƣơng ứng trờn màn hỡnh sỏng hơn cỏc chỗ xung
quanh khi tia electron quột đến chỗ lồi trờn mặt mẫu nờn chỗ sỏng, chỗ tối trờn màn hỡnh tƣơng ứng với chỗ lồi, chỗ lừm trờn mặt mẫu. Vỡ vậy, dộ phúng đại của ảnh là
/
M D d . Kớnh hiển vi điện tử quột cú nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ làm mẫu dễ dàng, khụng phải cắt thành lỏt mỏng và phẳng, thụng thƣờng cú độ phõn giải ~ 5 nm, xỏc định từ kớch thƣớc chựm điện tử hội tụ (bị hạn chế bởi quang sai) do đú thấy đƣợc cỏc chi tiết thụ trong cụng nghệ nano.
Sự tạo ảnh trong SEM và cỏc phộp phõn tớch đƣợc thực hiện thụng qua việc phõn tớch cỏc bức xạ này. Cỏc bức xạ chủ yếu gồm:
- Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): chựm điện tử thứ cấp cú năng lƣợng thấp (thƣờng nhỏ hơn 50 eV) nờn chủ yếu là cỏc điện tử phỏt ra từ bề mặt mẫu với độ sõu chỉ vài nanomet đƣợc ghi nhận bằng ống nhõn quang nhấp nhỏy tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu là chế độ ghi ảnh thụng dụng nhất của kớnh hiển vi điện tử quột.
- Điện tử tỏn xạ ngƣợc (Backscattered electrons): do phụ thuộc rất nhiều vào thành phần húa học ở bề mặt mẫu nờn chựm điện tử ban đầu khi tƣơng tỏc với bề mặt mẫu bị bật ngƣợc trở lại thƣờng cú năng lƣợng cao, cú thể dựng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tỏn xạ ngƣợc, giỳp cho việc phõn tớch cấu trỳc tinh thể (chế độ phõn cực điện tử), rất hữu ớch cho phõn tớch về độ tƣơng phản thành phần húa học.
Cỏc mẫu chế tạo đƣợc đo trờn mỏy SEM S-4800 Hitachi của Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ƣơng.
2.2.2. Phộp đo phổ hấp thụ
Chiếu một chựm tia sỏng đơn sắc cú cƣờng độ I0 song song vào một mụi trƣờng vật chất cú bề dày l (cm) và nồng độ C (mol/l), chựm tia này sẽ bị mụi trƣờng hấp thụ và truyền qua. Cƣờng độ I của chựm tia truyền qua mụi trƣờng này bị giảm theo định luật Lambert - Beer:
ln (I0/I) = K (2.1)
hay ln (I0/I)= lC (2.2) Trong đú: K- là hệ số hấp thụ.
- số mol chất nghiờn cứu đặt trờn đƣờng đi của bức xạ.
Đại lƣợng ln(I0/I) gọi là mật độ quang (D) hay độ hấp thụ (A), là hệ số tắt cú giỏ trị bằng mật độ quang của dung dịch khi nồng độ chất hấp thụ bằng một đơn vị và
độ dày chất hấp thụ bằng một đơn vị. Hệ số chỉ phụ thuộc vào vật liệu hấp thụ và bƣớc súng. Độ truyền qua của mụi trƣờng: T= I / I0.
Sự hấp thụ thƣờng tập trung vào từng vựng phổ, cho nờn để thuận lợi, ngƣời ta thƣờng biểu diễn và xem xột từng vựng phổ riờng biệt nhƣ vựng tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại. Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào tần số hoặc bƣớc súng gọi là đƣờng cong hấp thụ (hay phổ hấp thụ). Mỗi chất đều hấp thụ lọc lựa những tần số hay bƣớc súng khỏc nhau.
Nguyờn tắc đo phổ hấp thụ
Nếu ta gửi một bức xạ đơn sắc cƣờng độ I0() tới một mẫu đồng thể cú độ dài l, cƣờng độ I() cũn lại ở lối ra khỏi mẫu thỡ nhỏ hơn I0(). Thƣờng thƣờng ta quan tõm tới độ truyền qua T () = I()/ I0(). Đụi khi ngƣời ta quan tõm tới độ hấp thụ A() = - log10 T(). Cỏc phổ đƣợc vẽ với cỏc thiết bị truyền thống là với "Chựm sỏng đỳp" cho một cỏch trực tiếp độ truyền qua T(). Với kỹ thuật mỏy tớnh, hiện nay ngƣời ta cũng dựng một cỏch dễ dàng cả độ truyền qua và độ hấp thụ.
Hỡnh 2.6. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis.
Cỏc mỏy quang phổ đƣợc dựng, giống nhƣ sự bố trớ cỏc mỏy tỏn sắc, gồm cỏc lăng kớnh NaCl hoặc tốt hơn là cỏc cỏch tử với cỏc kớnh lọc giao thoa. Hệ quang học với hai chựm tia cho phộp nhận đƣợc trực tiếp tỷ lệ I / Iref. giữa cƣờng độ I của chựm đó xuyờn qua mẫu và cƣờng độ I của chựm đó xuyờn qua phần mẫu so sỏnh. Sự so sỏnh trực tiếp này cho phộp bảo đảm rằng phổ I () và I ref. () đƣợc ghi trong cựng một điều kiện. Cỏc phộp đo phổ hấp thụ đƣợc tiến hành trờn hệ mỏy quang phổ UV-
visible-Nir Absorption Spectrophotometer (nhón hiệu Cary 5000, Varian) cú ở Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam. Sơ đồ hệ đo hấp thụ đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 2.6.
2.2.3. Kớnh hiển vi huỳnh quang
Kớnh hiển vi huỳnh quang cơ bản là giống kớnh hiển vi quang học thụng thƣờng nhƣng thờm vào một số thành phần để mở rộng khả năng của chỳng.
Kớnh hiển vi quang học thụng thƣờng sử dụng ỏnh sỏng chiếu vào mẫu vật và tạo hỡnh ảnh phúng to của vật đú. Kớnh hiển vi huỳnh quang sử dụng ỏnh sỏng với cƣờng độ lớn hơn rất nhiều để chiếu vào mẫu vật. Ánh sỏng này sẽ kớch thớch huỳnh quang mẫu vật cú bƣớc súng dài hơn. Kớnh hiển vi huỳnh quang cũng tạo ra hỡnh ảnh phúng to của vật, nhƣng hỡnh ảnh này đƣợc tạo trờn cơ sở nguồn sỏng thứ cấp - ỏnh sỏng huỳnh quang. Hỡnh 2.7 mụ tả sơ đồ nguyờn lý của kớnh hiển vi huỳnh quang với hai kớnh lọc (filter) là: kớnh lọc ỏnh sỏng kớch thớch và kớnh lọc ỏnh sỏng phỏt xạ.
- Kớnh lọc kớch thớch (excitation filter): dựng để chọn lọc bƣớc súng kớch thớch, kớnh lọc kớch thớch đƣợc đặt trờn đƣờng đi của ỏnh sỏng kớch thớch.
- Kớnh lọc phỏt xạ: dựng để lọc ỏnh sỏng phỏt xạ từ mẫu vật và loại bỏ dấu vết của ỏnh sỏng kớch thớch.
a) b)
Hỡnh 2.7.a) Sơ đồ nguyờn lý của kớnh hiển vi huỳnh quang cấu hỡnh cơ bản và b) cấu hỡnh epi.
Trong thực nghiệm, hệ kớnh hiển vi thƣờng với đƣờng kớch thớch và phỏt xạ riờng biệt cú rất nhiều hạn chế. Khụng gian thao tỏc với mẫu vật chật hẹp, toàn bộ ỏnh sỏng kớch thớch khi đi qua mẫu vẫn nằm trong quang trỡnh của ỏnh sỏng thu làm
Camera Nguồn sỏng Kớnh lọc kớch thớch Kớnh lọc phỏt xạ Mẫu Vật kớnh Gương lưỡng chiết
tăng tớn hiệu nền, giảm độ tƣơng phản. Để khắc phục cỏc hạn chế này, ngày nay, hầu hết cỏc kớnh hiển vi huỳnh quang sử dụng cấu hỡnh epi (hỡnh 2.7a). Đặc điểm của cấu hỡnh epi là ỏnh sang kớch thớch và ỏnh sỏng phỏt xạ đƣợc chiếu tới mẫu và thu nhận bởi cựng một vật kớnh. Cỏc hệ kớnh lọc đƣợc bố trớ trờn cựng một vị trớ thƣờng đƣợc gọi là khối kớnh lọc lập phƣơng (filter cube). Ngoài cỏc kớnh lọc kớch thớch và phỏt xạ nhƣ cấu hỡnh cơ bản, một gƣơng lƣỡng sắc đƣợc sử dụng để phõn tỏch đƣờng đi của ỏnh sỏng kớch thớch và ỏnh sỏng phỏt xạ. Gƣơng lƣỡng sắc cú tớnh chất phản xạ đặc biệt cho phộp phõn tỏch đƣờng đi của hai chựm ỏnh sỏng. Mỗi gƣơng lƣỡng sắc cú một giỏ trị bƣớc súng giới hạn, gọi là giỏ trị bƣớc súng chuyển pha, mà ở bƣớc súng đú 50% ỏnh sỏng truyền qua. Gƣơng sẽ phản xạ những ỏnh sỏng cú bƣớc súng nhỏ hơn giỏ trị bƣớc súng chuyển pha và truyền qua ỏnh sỏng cú bƣớc súng lớn hơn giỏ trị này. Chớnh vỡ tớnh chất này mà gƣơng cú tờn gọi là lƣỡng sắc hay 2 màu (dichroic, two color). Trong điều kiện lý tƣởng, bƣớc súng chuyển pha của gƣơng lƣỡng sắc đƣợc chọn ở giữa bƣớc súng kớch thớch và phỏt xạ. Ánh sỏng kớch thớch cú bƣớc súng nhỏ hơn giỏ trị bƣớc súng chuyển pha nờn sẽ phản xạ trờn bề mặt gƣơng lƣỡng sắc và tới vật kớnh. Ánh sỏng huỳnh quang cú bƣớc súng lớn hơn giỏ trị bƣớc súng chuyển pha nờn sẽ truyền qua gƣơng lƣỡng sắc và đi tới thị kớnh hoặc hệ thống đầu thu.
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