CHƯƠNG 2: TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM
2.4. CÁC PHÉP ĐO
2.4.1. Phổ IR
Các dung dịch sol tạo thành và sản phẩm bột sau quá trình gel hóa được xác định cấu tạo hóa học qua các đỉnh dao động của các liên kết hóa học thể hiện trên phổ hấp thu hồng ngoại. Thiết bị sử dụng là máy TensorTM 37 của hãng Bruker – Germany tại Phòng thí nghiệm Công Nghệ Nano Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
FITR là viết tắt của cụm từ Fourier Transform Infrared (Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier), đây là phương pháp thường được dùng trong phép đo quang phổ hồng ngoại. Trong phép đo này, bức xạ hồng ngoại được đi qua mẫu. Một số bức xạ hồng ngoại truyền qua mẫu, một số bị hấp thu bởi vật mẫu. Phổ thu được là kết quả của sự hấp thu và truyền qua của phân tử, tạo nên một “dấu vân tay” của phân tử vật mẫu. Giống như
“dấu vân tay”, không có 2 cấu trúc phân tử đơn nhất nào cho cùng một phổ hồng ngoại, điều này làm cho phổ hồng ngoại rất hữu ích trong nhiều loại phân tích.
Các thông tin mà FTIR cung cấp: - Nhận danh những vật liệu chưa biết,
- Xác định chất lượng hoặc tính chắc chắn của mẫu, - Xác định số lượng các thành phần trong một hỗn hợp.
Phổ hồng ngoại đặc trưng cho “dấu vân tay” của vật mẫu với mũi hấp thu tương
ứng với tần số dao động giữa các liên kết của các nguyên tử cấu thành nên vật liệu. Bởi vì mỗi vật liệu khác nhau có một sự kết hợp duy nhất của các nguyên tử.
Không có 2 hợp chất nào cho chính xác cùng một phổ hồng ngoại. Bởi vậy, phổ
hồng ngoại là kết quả của việc xác định rõ ràng mỗi loại vật liệu khác nhau.Thêm vào
đó, kích thước của đỉnh trong phổ chỉ trực tiếp lượng vật liệu có mặt. Bằng những phần mềm hiện đại sử dụng thuật toán, phổ hồng ngoại là công cụ hữu ích cho phân tích định lượng.
Hình 2.10: Máy đo phổ IR.
2.4.2. Phổ truyền qua UV-Vis
Phổ truyền qua UV-Vis của dung dịch sol được đo bằng máy Cary 100 Conc của hãng Varian tại Phòng thí nghiệm Nano Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Máy UV – Vis tại PTN Công Nghệ Nano là loại máy hai chùm tia, và đo độ hấp thu và truyền qua trong vùng dãi sóng 200 – 800 nm.
Ứng dụng chính của quang phổ UV – Vis là định tính cấu tử bằng cách so sánh giữa mẫu chuẩn và mẫu theo các đại lượng: λCĐ(bước sóng hấp thu cực đại), ε: hệ số
hấp thu mol (lmol-1cm-1). Ứng dụng chính thứ hai của quang phổ UV - Vis là định lượng các cấu tử trong mẫu, dựa trên phương pháp lập đường chuẩn của các nồng độ đã biết của chất chuẩn. Ngoài ra từ phổ UV – Vis ta cũng có thể cho suy ra các thông tin khác nhưđộ dày màng, kích thước của hạt nano trong dung dịch...
Khi ánh sáng tử ngoại đi qua mẫu, nếu năng lượng của ánh sáng tử ngoại này phù hợp với năng lượng để electron thuộc vùng hóa trị của chất đó chuyển mức lên trên vùng dẫn thì sự dịch chuyển điện tử sẽ xảy ra gây nên tính hấp thu của mẫu với ánh sáng tử ngoại. Cũng tương tự như vậy, khi ánh sáng nhìn thấy qua mẫu nó cũng sẽ bị
phản xạ và hấp thu một phần, các bước sóng truyền qua được mẫu sẽ cho ta màu sắc của mẫu đo. Màu sắc nhìn thấy này của mẫu là màu bổ trợ với màu đã bị hấp thu bởi mẫu.
I0 = IR + IA + IT (2.8)
(I0: cường độ ánh sáng tới; IR : cường độ ánh sáng phản xạ; IA: cường độ ánh sáng hấp thu; IT: cường độ ánh sáng truyền qua).
Xác định cường độ ánh sáng tới và truyền qua hai phía của bộ phận chứa mẫu sẽ
cho ta giá trị về nồng độ, hệ số hấp thu mol...
Định luật Lambert – Beer :
A = lg (I0/IT) = εbC (b: bề dày dung dịch, C: nồng độ dung dịch); (2.9)
Hình 2.11: Máy đo phổ UV-Vis.
2.4.3. Máy phân tích kích thước hạt (particle size analysis)
Kích thước các hạt rắn trong dung dịch sol được xác định bằng máy phân tích kích thước hạt LB 550 của hãng Horiba tại PTN Công Nghệ Nano. Máy có ngưỡng đo là 0.001 – 6 μm, đo ở dạng phân tán trong dung môi với nồng độ phân tích 1ppm đến 40% về khối lượng. Nguyên lý đo của máy dựa trên phương pháp động học tán xạ ánh sáng (dynamic light scattering), nguyên tắc này dựa trên chuyển động Brown của các hạt nhỏ li ti trong dung dịch, và hiệu ứng Doppler. Một mẫu hạt rắn, khi được ánh sáng laser chiếu đến, gây khuyếch tán ánh sáng với tần số thay đổi. Sự thay đổi này (so với ánh sáng laser ban đầu) biến đổi tùy theo tốc độ chuyển động của các hạt rắn trong dung dịch (tức là phụ thuộc vào kích thước hạt). Phân tích sự thay đổi tần số này sẽ
Hình 2.11: Máy phân tích kích thước hạt.
2.4.3. Phổ nhiễu xạ tia X
2.4.4. Phổ nhiễu xạ tia X
Các mẫu màng và mẫu bột được đo phổ nhiễu xạ tia X ở Viện Khoa Học Vật Liệu
Ứng Dụng thuộc Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam.
Khi tia X tương tác với một pha tinh thể, ta sẽ thu nhận được ảnh nhiễu xạ. Ảnh nhiễu xạ của một chất tinh khiết giống như “dấu vân tay” của chất đó. Do vậy, phương pháp phân tích nhiễu xạ phù hợp lý tưởng cho phân tích và định danh các hợp chất đa tinh thể. Ứng dụng chính của phương pháp phân tích tia X là nhận danh các thành phần trong một hỗn hợp bằng phương pháp phân tích phổ và so sánh với các phổ
chuẩn trong thư viện. Hơn thế, phương pháp phân tích tia X còn cho thông tin về
lượng vật chất của mỗi pha tồn tại trong mẫu.
Thông thường để tạo ra tia X, người ta sử dụng một ống chân không tạo tia X, có cực âm cathode – nguồn tạo ra tia electron làm từ kim loại W, cực dương anode – nguồn sinh ra tia X được làm từ các kim loại như Cu, Fe, Mo, Co, Cr. Các electron
được sinh ra từ cực âm sẽ được gia tốc bắn vào cực dương (phổ biến là Cu), chính tương tác này gây ra tia X.
Hình 2.13: Các loại tia X tạo ra khi
tia electron tương tác vào anode. Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo ống tạo tia X.
Thường trong nhiễu xạ tia X người ta thường chọn tia đặc trưng Kα do nó có năng lượng lớn hơn so với tia Lα và do vậy không bị hấp thu mạnh bởi các vật liệu nghiên cứu.
Khi chiếu tia X vào vật rắn tinh thể, sẽ cho các tia nhiễu xạ với cường độ khác nhau tại vị trí góc quay θ khác nhau. Định luật nhiễu xạ Bragg thể hiện mối quan hệ
giữa bước sóng tia X với khoảng cách giữa các mặt mạng: nλ = 2dsinθ (2.10)
(với d: khoảng cách các mặt mạng, λ : bước sóng ánh sáng tới, θ : góc tới và góc phản xạ).
Hình 2.15: Ảnh tia tới, phản xạ khi chiếu đền bề mặt tinh thể theo định luật Bragg.
Hình 2.16: Máy XRD.
2.4.5. Hiển vi điện tử quét SEM
Ảnh kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) của màng trên đế được chụp bằng máy Jeol 6600 tại PTN Công Nghệ Nano TP. HCM.
Trong các hiển vi quang học, mẫu vật được quan sát thông qua hàng loạt các thấu kính có tác dụng phóng đại hình ảnh nhìn thấy được của mẫu vật. Tuy nhiên, hiển vi
điện tử quét (SEM) không thật sự cho ảnh thực của mẫu vật, mà thực tế nó cung cấp một “đồ thị điện tử” của mẫu vật được hiển thị lên trên một ống tia catode (CRT). Hiển vi điện tử quét tạo ra các electron (điện tử) từ một filament (dây kim loại) trong một bộ phận gọi là súng electron được đặt trong buồng chân không. Các tia electron này tạo ra những đường quét liên tục trên bề mặt mẫu với tốc độ cao.
Khi tia electron chiếu lên bề mặt mẫu, nó sẽ tạo ra các tín hiện dưới dạng tia X, huỳnh quang, tia thứ cấp và các electron tán xạ. Tín hiệu tạo ra từ các tia electron thứ
cấp và tán xạ được thu nhận và chuyển đến bộ phận tạo hình ảnh từ ống CRT. Bằng cách thay đổi độ rộng của chùm tia electron (w) mà ta có thể thay đổi được độ phóng
đại (M) theo công thức M = W/w (với W là độ rộng của ống cathode). (2.11)
Hình 2.17: Máy SEM.
2.4.6. Hiển vi lực nguyên tử AFM
Ảnh kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope) của màng trên đế được chụp bằng máy Electronica S.L của hãng Nanotech tại Phòng thí nghiệm Nano Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Nguyên lý làm việc của AFM là đo lực tương tác giữa mũi đầu dò và bề mặt mẫu.
Đầu dò đặc biệt này được làm bằng một thanh đàn hồi (cantilever) có gắn một mũi dò nhọn ở cuối thanh. Lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu làm cho thanh đàn hồi bị
uốn cong. Do vậy, nếu đo được độ uốn cong của thanh đàn hồi, ta có thể xác định
được lực tương tác mũi đầu dò và bề mặt mẫu. Lực tương tác giữa mũi đầu dò và bề
mặt mẫu trong AFM có thểđược giải thích định tính là lực Van Der Waals. Tương tác thật sự giữa mũi đầu dò và bề mặt mẫu thì rất phức tạp, tuy nhiên các đặc điểm cơ bản là không đổi, nghĩa là, bề mặt mẫu sẽ hút đầu dò tại khoảng cách xa và đẩy đầu dò tại khoảng cách gần.
Hình 2.18: Ảnh đầu dò với bề mặt mẫu.
Quá trình thu các độ lệch nhỏ của thanh đàn hồi cho phép xây dựng được hình thái bề mặt mẫu. Để thực hiện được điều này, phương pháp quang học thường được sử
Hình 2.19: Máy AFM.
2.4.7. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kích thước của các hạt rắn trong dụng dịch sol được kiểm tra qua ảnh chụp hiển vi
điện tử quét của máy JEM 1400, hãng Jeol – Nhật Bản tại PTN Trọng Điểm Vật Liệu Polymer – Composite tại trường ĐH Bách Khoa TP. HCM.
Khác với hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua lấy tín hiệu của tia điện tử
tán xạ đàn hồi đi qua mẫu, do đó cung cấp cho ta những thông tin về cấu trúc bên trong vật liệu. Do đó ta có thể quan sát được cấu trúc tinh thể, sự sắp xếp của các nguyên tử, các khuyết tật, mặt phân giới… Hình ảnh cung cấp bởi TEM cho ta tính chất trực quan, cụ thể hơn với độ phân giải không gian cao, có khả năng cung cấp những thông tin quý giá nhận được từ phổ nhiễu xạ, tuy nhiên khâu chuẩn bị mẫu phức tạp và tốn nhiều thời gian cũng như công sức.
Hiển vi TEM dùng một nguồn electron điện thế cao (khoảng 100eV) ổn định chiếu vào vùng cần nghiên cứu của một mẫu mỏng trong suốt electron. Các electron tán xạ
và truyền qua được hội tụ qua vật kính điện tử tạo nên các ảnh nhiễu xạ trong mặt phẳng tiêu cự của chúng, sau đó được khuyếch đại và và truyền tới màn huỳnh quang
để ghi nhận hình ảnh.