CHƢƠNG 2 :KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.4 Kỹ thuật đo phổ hấp thụ
Phổ hấp thụ là một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu sự tương tác của vật liệu với ánh sáng chiếu vào, qua đó, có thể biết được thông tin về các quá trình hấp thụ xảy ra tương ứng với các chuyển dời quang học từ một số trạng thái cơ bản ni đến một số trạng thái kích thích nj, từ đó có thể xác định được bước sóng kích thích hiệu quả cho quá trình quang huỳnh quang (j–i) quan tâm [1, 2]. Môi trường vật chất hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Beer–Lambert:
I(ν) = I0(ν)e-α(ν)d (2.1)
trong đó: I0(ν) và I(ν) tương ứng với cường độ ánh sáng tới và cường độ truyền qua mẫu vật chất, d là độ dày của mẫu và α(ν) là hệ số hấp thụ vật liệu đối với photon có năng lượng hν (hay hc/λ, với c là vận tốc ánh sáng).
ln[I0(ν) /(I (ν)] = α(ν)d𝛼(𝜈)𝑑 (2.2)
Phổ hấp thụ biểu diễn đồ thị hệ số hấp thụ α (hay độ hấp thụ A) theo bước sóng hay năng lượng của photon đi qua vật chất. Như vậy, hệ số hấp thụ lớn tại một bước sóng nào đó cho thấy photon có năng lượng tương ứng bị vật chất hấp thụ mạnh, phần ánh sáng truyền qua có cường độ yếu. Ý nghĩa của hệ số hấp thụ bằng 1 là khi ánh sáng truyền qua một môi trường có độ dày 1 cm, cường độ sẽ bị suy giảm đi e (~2,7) lần.
Hai đại lượng I0(ν) và I (ν) đo được bằng thực nghiệm. Ví dụ về cách đo: với mẫu có thể phân tán trong dung môi, người ta thường sử dụng hai cu– vét giống nhau, có độ dày chứa mẫu xác định để dễ tính hệ số hấp thụ trong tích số α(ν).d trên (thường chọn loại dày 0,1 cm, 0,5 cm hoặc 1 cm). Một cu–vét chứa chỉ dung môi, gọi là cu–vét so sánh, dùng để xác định I0(ν); cu– vét khác chứa vật liệu cần đo phổ hấp thụ (được phân tán trong dung môi giống cu–vét so sánh) được dùng để xác định I(ν) trong cùng điều kiện đo với I0(ν). Sau khi xác định được các đại lượng I0(ν)và I (ν), có thể tính ln tương ứng để xác định.
Mỗi chất hấp thụ đều hấp thụ ở những tần số và bước sóng khác nhau. Một số đặc điểm của phổ hấp thụ:
+ Phổ hấp thụ của các chất thường là rất phức tạp và là phổ đám, chỉ có rất ít chất cho phổ vạch (các nguyên tố đất hiếm).
+ Phổ hấp thụ của dung dịch của một chất hóa học đều nằm ở cả ba vùng hồng ngoại, tử ngoại và khả kiến. Nghiên cứu phổ hấp thụ của các chất ở vùng hồng ngoại xa và gần cho ta biết được khoảng cách giữa hai mức năng lượng quay hoặc dao động của phân tử. Nghiên cứu phổ hấp thụ của các chất ở vùng tử ngoại và khả kiến cho ta biết các mức năng lượng điện tử của các phân tử.
Phương pháp đo phổ hấp thụ trong từng vùng phổ đòi hỏi nguồn sáng phát xạ liên tục trong vùng phổ đó, một phổ kế hoặc là máy đơn sắc lựa chọn bước sóng hay tần số, thiết bị thu tín hiệu để đo sự truyền qua của ánh sáng đơn sắc. Nguồn sáng thường được sử dụng là đèn hydrogen và deuterium đối với vùng tử ngoại và đèn dây tóc (volfram+halogen) cho vùng nhìn thấy và vùng gần hồng ngoại. Trong thí nghiệm đo phổ hấp thụ, chúng tôi dùng đèn halogen phát xạ trong vùng nhìn thấy. Bằng cách ghi phổ trải trong vùng năng lượng photon rộng, có thể biết được các quá trình hấp thụ xảy ra tương ứng với các chuyển dời quang học. Các mẫu được đo phổ hấp thụ bởi hệ đo hấp thụ Cary 5000 tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu (Hình 2.3).
Hình 2.3.Hệ đo phổ hấp thụ Cary 5000 (Viện Khoa học Vật liệu)
Hình 2.4 là sơ đồ nguyên lý của hệ đo. Một chùm ánh sáng được phát ra từ nguồn sáng, là đèn phát sáng trong vùng tử ngoại UV hoặc phát trong vùng nhìn thấy VIS , được đưa qua hệ máy đơn sắc là hệ lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ , để được tách ra thành các bước sóng đơn sắc. Mỗi tia sáng đơn sắc này sẽ lần lượt được chia thành hai tia để so sánh, có cường độ như nhau nhờ một gương phản xạ bán phần. Một trong hai tia sáng trên truyền qua một cuvet trong suốt bằng thạch anh chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, cường độ của tia sáng sau khi truyền qua mẫu là I. Tia sáng còn lại là tia sáng so sánh truyền qua một cuvet tương tự nhưng chỉ chứa dung môi không chứa chấm lượng tử, cường độ của nó sau khi truyền qua dung môi là Io. Cường độ của các tia sáng sau đó được các detector ghi lại và so sánh trực tiếp trong cùng điều kiện đo. Nếu mẫu không hấp thụ ánh sáng ở một bước sóng đã cho thì I = Io. Tuy nhiên nếu mẫu hấp thụ ánh sáng thì I < Io. Các phổ có thể được vẽ dưới dạng phổ truyền qua T(ν) = I(ν)/Io(ν) hoặc phổ hấp thụ A(ν) = log10[Io(ν)/I(ν)]. Các phép đo phổ hấp thụ được tiến hành trên hệ máy quang phổ UV-VIS-NIR, nhãn hiệu Cary 5000, Varian USA đặt tại Viện Khoa học Vật liệu, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với dải phổ làm việc của máy từ 200 nm đến 1000 nm.