CHƢƠNG 2 : PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.2. Các phép đo:
2.2.3. Phép đo tính chất quang:
Phép đo phổ tán xạ Raman
Tán xạ Raman là một q trình tán xạ khơng đàn hồi giữa photon (lƣợng tử ánh sáng) và một lƣợng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quá trình va chạm, năng lƣợng của photon giảm đi (hoặc tăng lên) một lƣợng bằng năng lƣợng giữa hai mức dao động của nguyên tử (hoặc mạng tinh thể) cùng với sự tạo thành (hoặc hủy) một hạt lƣợng tử dao động[8].
Hình 2.10: Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) - Trường ĐHKHTN Hà Nội.
Dựa vào phổ năng lƣợng thu đƣợc, ta có thể có những thơng tin về mức năng lƣợng dao động của nguyên tử, phân tử hay mạng tinh thể. Giống nhƣ các mức năng lƣợng của electron trong nguyên tử, các mức năng lƣợng dao động này cũng là đại lƣợng đặc trƣng, có thể dùng để phân biệt nguyên tử này với ngun tử khác. Chính vì thế, tính ứng dụng của phổ Raman là rất lớn. Tuy nhiên, so với các quá trình tán xạ đàn hồi (năng lƣợng của photon khơng đổi) thì xác suất xảy ra tán xạ Raman là rất nhỏ. Để quan sát đƣợc phổ Raman, ta phải tăng cƣờng độ của vạch Raman và tách vạch Raman khỏi vạch chính. Việc tách phổ có thể thực hiện khá đơn giản bằng một kính lọc, hay phức tạp hơn một chút là phép biến đổi Fourier. Hệ biến đổi Fourier là một hệ phổ biến trong ngành quang học và quang phổ, ngƣời ta dùng một hệ giao thoa kế Michealson với một gƣơng có thể dịch chuyển. Độ dịch chuyển của gƣơng có thể điều khiển chính xác nhờ hệ vân giao thoa của một laser có bƣớc sóng cho trƣớc. Dựa vào độ dịch của gƣơng, ta có thể có hàm Fourier của nguồn sáng cần nghiên cứu[8].
Để có đƣợc cƣờng độ vạch Raman lớn, cách đơn giản nhất là chiếu chùm sáng tới với cƣờng độ lớn. Ví dụ dùng Laser để chiếu, nhƣng cách này cũng không hiệu quả lắm. Hiện nay có 2 phƣơng pháp cộng hƣởng thƣờng đƣợc áp dụng trong tán xạ Raman để khuếch đại vạch Raman lên.
Phƣơng pháp đầu tiên đƣợc dùng là CARS, viết tắt của Coherent Antistokes
Raman Scattering [8]. Nguyên tắc của phƣơng pháp này là chiếu hai chùm sáng (laser) có độ chênh lệch năng lƣợng và xung lƣợng đúng bằng năng lƣợng và xung lƣợng của lƣợng tử dao động. Tƣơng tác giữa hai chùm này sẽ làm số hạt lƣợng tử dao động tăng lên nhiều, dẫn đến xác suất va chạm không đàn hồi tăng lên (giống nhƣ trƣờng hợp phát xạ hấp thụ ánh sáng của nguyên tử, trong trƣờng photon lớn thì xác suất bức xạ hay hấp thụ tăng).
Phƣơng pháp thứ hai là 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 mơi trƣờng plasma có hằng số điện mơi âm, ví dụ nhƣ trong kim loại với tần số sóng điện từ nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại. Khi sóng điện từ truyền dọc bề mặt một tấm kim loại với tần số sóng nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại, tƣơng tác của sóng và plasma electron (một trạng thái mà tất cả các electron chuyển động nhƣ một thể thống nhất) làm sóng điện từ có thể thâm nhập vào mơi trƣờng (gần bề mặt) và định xứ ở đó. Dùng surface plasmon có thể tăng cƣờng độ điện trƣờng một cách cục bộ, vì thế, khi đƣa nguyên tử cần đo phổ Raman vào khu vực điện trƣờng cao đó, tƣơng tác giữa nguyên tử và trƣờng điện từ sẽ mạnh hơn, dẫn đến phổ Raman có cƣờng độ lớn hơn. Phƣơng pháp SERS hiệu quả hơn CARS rất nhiều, nhƣng lại rất khó thực hiện vì phụ thuộc nhiều vào tính chất bề mặt kim loại và tần số plasma của kim loại. [9].
Trong luận văn này, hai hệ mẫu Zn1-xMnxO và Zn1-yAlyO đƣợc đo phổ tán xạ Raman bởi hệ máy sử dụng kỹ thuật quang phổ micro-Raman. Kỹ thuật này không phá mẫu do đó có thể ứng dụng cho việc phân tích các mẫu ở bất cứ trạng thái nào: khí, lỏng, dung dịch, rắn.
Một quang phổ kế micro-Raman đƣợc tạo thành bằng cách lắp đặt hệ kính hiển vi quang học với một quang phổ kế Raman. Độ khuếch đại của hệ không cần lớn hơn 100 lần khi độ phân giải cỡ 1μm, và khi độ dài sóng của laser kích thích nằm trong vùng 0.3 – 0.7 μm (300 – 700 nm). Từ đó, bất cứ phần tử nào có kích thƣớc lớn hơn 1μm trong mẫu đều có thể đƣợc kích thích bởi hệ micro-Raman và do đó có thể ghi đƣợc phổ đặc trƣng của nó mà khơng bị ảnh hƣởng bởi môi trƣờng xung quanh và giống y nhƣ phổ của mẫu thuần khiết có kích thƣớc lớn trong phổ Raman truyền thống.
Hình 2.11 biểu diễn sơ đồ quang học của quang phổ kế micro -Raman Spex Micramate. Trong trƣờng hợp này, ngƣời ta thƣờng sử dụng detector là ống nhân quang đƣợc làm lạnh và hệ thống đếm photon để có đƣợc độ nhạy cao và tiếng ồn thấp[9].
Hình 2.11: Sơ đồ quang học của quang phổ kế micro -Raman Spex Micramate.
Trong luận văn này, phổ Raman của các hệ mẫu Zn1-xMnxO , Zn1-yAlyO khảo sát ở nhiệt độ phòng đƣợc thực hiện trên hệ đo Labram HR800 tại Trung tâm Khoa học vật liệu (CMS) – trƣờng ĐH Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN. Hệ đo này sử dụng kỹ thuật micro-Raman với bƣớc sóng laser kích thích là 632,8 nm.