Các hạt nano kim loại được nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Với mục đích chế tạo hạt nano vàng để khảo sát phổ SERS và để phù hợp với điều kiện sẵn cĩ của phịng thí nghiệm (tại bộ mơn Quang lượng tử, Khoa vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội),tơi sử dụng phương pháp ăn mịn laser. Đây là một phương pháp đơn giản song mang lại hiệu quả vì cĩ thể tạo ra các hạt cĩ kích thước nano với độ tinh khiết cao.
Ăn mịn laser là quá trình làm bay hơi một lượng nhỏ vật chất khỏi bề mặt chất rắn bằng cách chiếu vào chúng một chùm laser năng lượng cao. Dưới tác dụng của chùm laser vật liệu sẽ bị nung nĩng do hấp thụ năng lượng của laser cĩ thể dẫn đến bay hơi và thăng hoa. Nếu thơng lượng laser chiếu tới lớn, vật chất cĩ thể chuyển thành dạng plasma.
Hình 2.1: Mơ hình nguyên lý ăn mịn laser trong chất lỏng
Cơ chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn mịn kim loại bằng laser xung trong chất lỏng được giải thích bằng mơ hình của Mafune và các cộng sự. Theo mơ hình này chùm laser xung ăn mịn bia kim loại trong quá trình chiếu laser. Vật liệu ăn mịn, được gọi là đám vật chất (plume) tràn vào mơi trường chất lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do hoặc cụm nguyên tử (cluster) va chạm với nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn mịn.
Trong vài xung đầu tiên, chỉ cĩ mơi trường chất lỏng bao quanh đám vật chất sinh ra và các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết tụ tạo nên các hạt nano kim loại. Sau đĩ các hạt nano phân tán vào mơi trường chất lỏng và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho các mảnh kim loại kế tiếp. Ở giai đoạn này cĩ hai cơ chế đĩng gĩp vào quá trình tạo hạt. Cơ chế thứ nhất là kết hạt trực tiếp của kim loại trong đám vật chất (plume) tương tự như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đĩ và làm cho chúng tăng kích thước. Như vậy, khi cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân bố kích thước mở rộng. Tốc độ tăng kích thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt được tạo thành trong giai đoạn đầu và tính phân cực của phân tử mơi trường chất lỏng.
Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích điện bề mặt. Do tương tác giữa các phân tử mơi trường chất lỏng và các hạt nano tích điện bề mặt, một lớp điện tích kép bao quanh bề mặt các hạt nano. Các phân tử cĩ momen lưỡng cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với bề mặt hạt nano do đĩ lực đẩy tĩnh điện nhờ bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự tăng kích thước hạt tốt hơn. Do tương tác điện giữa các mảnh trong đám vật chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị hạn chế trong quá trình ăn mịn. Kết quả là các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính phân cực thấp hơn của phân tử chất lỏng (ví dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu dẫn đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh.
Sau khi ăn mịn, quá trình tạo hạt dừng lại và sự kết tụ vẫn tiếp tục. Tốc độ kết tụ tùy thuộc vào sự tương tác của phân tử mơi trường chất lỏng với các nguyên tử bề mặt của hạt nano và tương tác giữa các hạt nano với nhau. Tương tác bề mặt giữa các hạt nano cĩ thể tạo thành một dung dịch keo bền vững hay là phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc giống như dây. Trong khi đĩ tương tác giữa các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực đẩy và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút van der Waals gây nên kết tụ và lực đẩy tĩnh điện nhờ bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ.
Đối với phương pháp ăn mịn laser, mơi trường chất lỏng là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới quá trình hình thành hạt nano kim loại.
Với cùng một kim loại, một mơi trường chất lỏng cho trước, hình thái kích thước của hạt nano tạo thành bằng ăn mịn laser phụ thuộc vào thơng lượng laser, thời gian chiếu sáng, bước sĩng laser, độ rộng laser xung