Chế tạo màng mỏng Au bằng phương phỏp húa học

2.1. Cỏc phƣơng phỏp chế tạo mẫu

2.1.1. Chế tạo màng mỏng Au bằng phương phỏp húa học

Để chế tạo màng mỏng Au trờn đế thủy tinh, tỏc giả đó thử nghiệm phương phỏp phủ bằng cỏch nhỏ dung dịch hạt nano Au lờn đế thủy tinh rồi sấy khụ, cỏc hạt nano Au sẽ bỏm trờn mặt tấm thủy tinh, tạo thành màng mỏng. Để thay đổi độ dày màng, chỉ cần thay đổi nồng độ dung dịch hạt nano Au khi phủ. Phương phỏp này thực hiện khỏ đơn giản, tuy nhiờn, cỏc phộp đo độ dày và điện trở của màng mỏng này cho thấy màng mỏng là khụng đồng đều trờn bề mặt rộng. Do đú, tỏc giả đó thử nghiệm phương phỏp húa nhằm chế tạo màng mỏng Au cú độ đồng đều cao trờn đế thủy tinh. Cỏc màng mỏng Au được chế tạo theo phương phỏp của nhúm nghiờn cứu [2], thực hiện dưới sự hướng dẫn và giỳp đỡ của cỏc thầy cụ thuộc viện Vật lý, Viện Hàn lõm Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam. Nguyờn tắc của việc chế tạo màng mỏng Au chớnh là liờn kết cỏc hạt nano Au trờn bề mặt đế thủy tinh, tạo ra cỏc lớp hạt nano Au bỏm trờn bề mặt đế, tựy thuộc nồng độ hạt bỏm trờn đú mà ta cú màng Au dày hay mỏng. Phương phỏp này gồm 4 bước chớnh:

1) Chế tạo hạt Au kớch thước nhỏ (dưới 10nm):

Việc chế tạo hạt nano Au đó được tỏc giả nghiờn cứu và thực hiện trong quỏ trỡnh làm luận văn cao học [3]. Nguyờn liệu chớnh để chế tạo hạt nano vàng là hydrogen tetrachloroaurate hydrate (HAuCl4, Sigma-Aldrich, 99,9 %), sodium citrate (Na3C6H5O7, Scharlau, 99 %) và nước khử ion.

Cỏc dung dịch cú chứa HAuCl4 và Na3C6H5O7 với nồng độ xỏc định được trộn với nhau theo tỉ lệ đó được tớnh toỏn. Dung dịch sau khi pha trộn được khuấy đều bằng mỏy khuấy từ trong 10 phỳt và sau đú gia nhiệt cho đến khi sụi khoảng 5 phỳt để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Kớch thước hạt nano Au phụ thuộc vào nồng độ cỏc húa chất đưa vào dung dịch. Ở đõy, cỏc hạt nano Au cú kớch thước dưới 10nm được chế tạo nhằm mục đớch tạo mầm cho việc chế tạo màng mỏng Au.

2) Chức năng húa bề mặt đế thủy tinh, để nú tớch điện dương:

Cỏc hạt nano Au cú điện tớch õm trờn bề mặt, để chỳng cú thể dớnh lờn bề mặt đế thủy tinh thỡ cần phải tạo cho bề mặt đế tớch điện dương. Lớp tớch điện dương trong những trường hợp này thường được chọn là cỏc nhúm chức amin. Đõy chớnh là một bước rất quan trọng trong quỏ trỡnh chế tạo màng Au trờn đế thủy tinh. Tuy nhiờn, bề mặt đế thủy tinh thường khỏ phẳng, rất khú để gắn được cỏc nhúm chức lờn đú. Vỡ vậy, trước tiờn, chỳng tụi phải sử dụng dung dịch kiềm mạnh (KOH) để ăn mũn bề mặt, tạo nhúm chức –OH:

2KOH + 2SiO2SiO(OH)2 + K2SiO3 (2.1)

Để quỏ trỡnh ăn mũn được đồng đều và tối ưu, đế thủy tinh được ngõm trong dung dịch, kết hợp rung siờu õm trong 10 phỳt, rồi rửa sạch, sấy khụ và đưa vào dung dịch đó pha chế để tạo nhúm chức –NH2. Dung dịch tạo nhúm chức được pha chế gồm hợp chất APTES (alkoxide của silic) trong ethanol, xảy ra phản ứng tạo ra được nhúm chức amin trờn bề mặt đế:

Si-OH + (C2H5-O)3-Si-(CH2)3-NH2  Si-O-Si-(CH2)3-NH2 (2.2) Dung dịch được rung siờu õm trong 5 phỳt để phản ứng xảy ra thuận lợi. Sau đú những đế này được lấy ra rửa sạch, sấy khụ và dự trữ cho mục đớch chế tạo màng mỏng. Mỗi chu trỡnh như vậy cú thể chức năng húa bề mặt được 5-7 đế, kớch thước 1(cm) x 2,5(cm).

3) Gắn hạt nano Au lờn đế thủy tinh đó chức năng húa bề mặt:

Cỏc hạt nano nhỏ được tạo ra ở bước 1 được nhỏ giọt lờn bề mặt đế đó được gắn nhúm chức. Trờn bề mặt đế, liờn kết –NH2-Au đủ mạnh để giữ cho hạt vàng khụng bị búc tỏch trong cỏc quỏ trỡnh rửa hoặc rung siờu õm. Sau khi nhỏ dung dịch hạt nano Au lờn đế 15 phỳt, đế được rửa bằng nước cất để loại bỏ những hạt nano Au dư thừa, khụng tạo liờn kết với đế. Lớp hạt nano Au bỏm dớnh trờn đế sẽ trở thành mầm cho cỏc hạt nano Au được tạo ra trong dung dịch bỏm vào, tạo thành cỏc lớp trờn bề mặt đế (màng mỏng).

4) Phỏt triển lớp màng Au từ cỏc hạt nano Au đó gắn trờn đú: Sau khi lớp mầm vàng được hỡnh thành trờn bề mặt đế thủy tinh, đế được đưa vào dung dịch cú

chứa muối vàng và chất khử với tỉ lệ được xỏc định trước. Dung dịch được rung lắc trong khoảng thời gian 1-2h để phản ứng xảy ra hoàn toàn. Đõy cũng chớnh là quy trỡnh chế tạo hạt nano Au, nhưng trong trường hợp này, trong dung dịch cú mầm thỡ hạt nano Au được tạo ra sẽ phỏt triển từ lớp mầm đú, tạo thành màng mỏng Au trờn đế thủy tinh.

Để điều khiển chiều dày lớp vàng trờn bề mặt thủy tinh như mong muốn, thỡ lượng muối vàng cần thiết tạo thành cỏc hạt nano Au tương ứng với chiều dày đú cũng cần được tớnh toỏn cụ thể. Giả thiết là tất cả cỏc nguyờn tử vàng tạo ra sẽ bỏm vào lớp mầm tạo thành màng vàng trờn bề mặt. Nồng độ muối vàng cần thiết để chế tạo màng mỏng cú chiều dày L trờn bề mặt đế là:

. . HAuCl Au d S L n n M   (2.3)

trong đú: d là khối lượng riờng của Au, S là diện tớch bề mặt thủy tinh, M là nguyờn tử khối của vàng. Với quy trỡnh này, cỏc hệ màng mỏng Au đó được chế tạo với chiều dày mong muốn lần lượt là 10; 20; 40; 60; 80; 100; 240nm.