2.2.1. Thiết bị chớnh: Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 [7]
Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 đƣợc chế tạo bởi hóng Spectra - Physics, của Hoa Kỳ, là một trong những laser rắn hiện đại và cú cụng suất lớn hiện nay [66].
Laser gồm cú 3 phần chớnh [67]:
* Đầu laser (Hỡnh 2.11): Đầu laser bao gồm buồng cộng hƣởng quang học,
thanh hoạt chất Nd:YAG, đốn bơm flash tạo dao động, khuyếch đại và bộ hoà ba.
Hỡnh 2.11. Đầu laser Hỡnh 2.12. Nguồn nuụi Hỡnh 2.13. Bộ điều khiển
* Nguồn nuụi (Hỡnh 2.12): Nguồn nuụi là một thiết bị bao gồm cỏc hệ thống
mạch điện AC/DC cung cấp điện cho toàn bộ đầu laser.
* Bộ điều khiển (Hỡnh 2.13): Bộ điều khiển dựng để điều khiển hoạt động
của laser một cỏch linh hoạt phự hợp trong phũng thớ nghiệm. Bao gồm điều khiển chế độ đúng ngắt laser, năng lƣợng xung, chế độ phỏt xung...
- Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230
+ Laser hoạt động ở chế độ xung Q - Switching, năng lƣợng xung tối đa là 1200 mJ, độ rộng xung từ 7 - 10 ns. Bƣớc súng cơ bản 1064nm.
Khi sử dụng bộ phỏt hũa ba SHG, cú thể cho cỏc bƣớc súng 532nm, 355nm + Nguồn bơm cho laser Nd:YAG là đốn Kripton.
+ Hoạt chất của laser này là tinh thể Ytrium Aluminium Garnet Y2Al5O12 cú pha tạp ion Nd+3
làm tõm hoạt chất.
2.2.2. Kớnh hiển vi điện tử quột (SEM)
Cỏc bề mặt đế SERS đƣợc kiểm tra bằng kớnh hiển vi điện tử quột SEM (FESEM, S4800-Hitachi)
Sơ đồ khối của kớnh hiển vi điện tử quột đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh 2.14. Gọi là hiển vi quột vỡ trong loại kớnh này ngƣời ta khụng cho chựm tia electron xuyờn qua mẫu, mà quột trờn bề mặt mẫu. Cỏc electron phỏt ra từ “sỳng” (1) đƣợc gia tốc bằng hiệu điện thế cỡ 5-30 kV, đƣợc hội tụ thành chựm tia hẹp nhờ cỏc thấu kớnh điện từ (2) và đi thẳng tới mặt mẫu (3). Bộ phỏt quột (4) tạo ra thế răng cƣa dẫn đến cỏc
cuộn dõy, điều khiển tia electron lần lƣợt quột lờn bề mặt mẫu, hết hàng nọ đến hàng kia. Diện tớch quột, giả sử là hỡnh vuụng cạnh d và cú thể thay đổi đƣợc. Bộ phỏt quột (4) đồng thời điều khiển tia electron trong đốn hỡnh (7), quột đồng bộ với tia electron quột trờn mặt mẫu, nhƣng với diện tớch trờn màn hỡnh cú cạnh D lớn hơn. Khi chựm tia electron đập vào mặt mẫu, cỏc electron va chạm vào cỏc nguyờn tử ở bề mặt mẫu. Từ đú cú thể phỏt ra cỏc electron thứ cấp, cỏc electron tỏn xạ ngƣợc, cỏc bức xạ nhƣ tia X...Mỗi loại tia hoặc bức xạ nờu trờn đều phản ảnh một đặc điểm của mẫu tại nơi chựm tia electron chiếu đến. Thớ dụ, số electron phỏt ra phụ thuộc nguyờn tử số, bƣớc súng tia X phỏt ra phụ thuộc bản chất nguyờn tử ở bề mặt mẫu v.v... Dựng đầu thu (5) thu một loại tớn hiệu nào đú, thớ dụ electron thứ cấp, sau khi qua bộ khuếch đại (6), dũng điện này đƣợc dựng để điều khiển chựm tia electron quột trờn màn hỡnh, do đú điều khiển đƣợc độ sỏng của màn hỡnh. Khi tia electron quột đến chỗ lồi trờn mặt mẫu, số electron thứ cấp phỏt ra từ chỗ đú nhiều hơn cỏc chỗ lõn cận, chỗ tƣơng ứng trờn màn hỡnh sỏng hơn cỏc chỗ xung quanh. Nhƣ vậy chỗ sỏng, chỗ tối trờn màn hỡnh tƣơng ứng với chỗ lồi, chỗ lừm trờn mặt mẫu. Độ phúng đại của ảnh là M = D/d. Một trong cỏc ƣu điểm của kớnh hiển vi điện tử quột là làm mẫu dễ dàng, khụng phải cắt thành lỏt mỏng và phẳng. Kớnh hiển vi điện tử quột thụng thƣờng cú độ phõn giải cỡ 5 nm, do đú chỉ thấy đƣợc cỏc chi tiết thụ trong cụng nghệ nano.
Hỡnh 2.14. Sơ đồ khối của kớnh hiển vi điện tử quột
(1) Sỳng điện tử, (2) Thấu kớnh từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phỏt quột, (5) Đầu thu, (6) Bộ khuếch đại, (7) Đốn hỡnh
2.2.3. Hệ thu phổ tỏn xạ Raman tăng cường bề mặt
2.2.3.1. Hệ LabRam - 1B
Hệ thu phổ Raman LABRAM-1B của hóng Jobin-Yvon (Cộng hũa Phỏp) là hệ đo tớch phõn đƣợc gắn với kớnh hiển vi quang học Olimpus BX40. Sơ đồ nguyờn lý của hệ đƣợc thể hiện trờn hỡnh 2.15.
Hỡnh 2.15. Sơ đồ thu phổ Raman của mỏy LABRAM 1B
- Thụng số kỹ thuật:
- Khoảng phổ: 450 - 1050nm
- Độ phõn giải phổ: tốt hơn 1 cm-1/pixel
- Độ phõn giải khụng gian: 1,22/NA
- Hai nguồn kớch thớch: Ar+ ion laser và He-Ne laser bƣớc súng tƣơng ứng là 488,0 và 632,8 nm
- Thiết bị thay đổi nhiệt độ mẫu từ -196 đến 600oC
Chựm sỏng laser (hoặc laser ion ) sau khi qua phin lọc giao thoa để lấy vạch và khử cỏc vạch plasma đƣợc chiếu vào kớnh lọc trung
HeNe Ar 1 F 0.6328 m Phin lọc Notch Kính hiển vi Diaphragm Máy quang phổ cách tử Detector CCD Bộ khuếch đại Máy tính Chùm sáng laser
tớnh để thay đổi mật độ cụng suất kớch thớch. Sau đú, chựm sỏng này đƣợc gƣơng phẳng phản xạ vào kớnh lọc Notch theo một gúc thớch hợp để phản xạ về kớnh hiển vi qua thấu kớnh hội tụ . Nhờ cú kớnh hiển vi mà chựm sỏng laser đƣợc hội tụ lờn bề mặt của mẫu đặt trờn giỏ vi chỉnh ba chiều M (đƣờng kớnh của vết sỏng laser trờn mẫu khoảng từ 1 mm đến 2mm). Ánh sỏng tỏn xạ phỏt ra từ mẫu nhờ kớnh hiển vi và thấu kớnh hội tụ vào phin lọc Notch , sau đú phản xạ trờn gƣơng phẳng chiếu vào khe vào của mỏy quang phổ cỏch tử (1800 vạch/mm). Cỏc ỏnh sỏng đơn sắc ở khe ra của mỏy quang phổ cỏch tử đƣợc thu trờn detector CCD cú vựng phổ làm việc từ 400 nm đến 1050 nm. Để làm tăng tỷ số cƣờng độ của cỏc vạch tỏn xạ và phụng gõy ra bởi can nhiễu, ngƣời ta thƣờng làm lạnh detector CCD bằng pin Peltier.
Tớn hiệu quang sau khi đƣợc nhận ở detector CCD chuyển thành tớn hiệu điện, đƣợc khuếch đại và đƣa sang ghi phổ trờn mỏy tớnh dƣới dạng file số liệu và file ảnh. Để thuận tiện cho việc kớch thớch và thu phổ, phổ kế Raman LABRAM-1B cũn đƣợc trang bị thờm TV camera để quan sỏt bề mặt mẫu và lựa chọn điểm đo.
2.2.3.2. Hệ LabRAMHR 800
Phổ tỏn xạ Raman đƣợc đo bằng hệ thu phổ tỏn xạ Raman LabRAM HR 800 đƣợc sản xuất bởi hang HORIBA Jobin Yvon (Cộng hũa Phỏp ) tại trung tõm Khoa học vật liệu - khoa Vật lý (ĐHKHTN-ĐHQGHN).
Hỡnh 2.16. Hệ thu phổ tỏn xạ Raman LabRAM HR 800
Đõy là một hệ Micro-Raman đồng tiờu thu phổ Raman tỏn xạ ngƣợc. Cỏc thành phần chớnh của hệ gồm: laser kớch thớch (laser He-Ne với bƣớc súng 632.817 nm), cỏc thiết bị quang học (gƣơng, thấu kớnh, bộ lọc notch filter và desity filter wheel), mỏy quang phổ, kinh hiển vi đồng tiờu và detector CCD.
2 F 1 G F3 1 L 1 L F3 2 G
Hỡnh 2.17. Sơ đồ thu phổ tỏn xạ Raman LabRAM HR 800
Trƣớc khi thu phổ Raman, laser kớch hoạt đƣợc phản xạ qua một gƣơng rồi qua bộ lọc mật độ (Density filter wheel) để điều chỉnh cụng suất. Sau đú laser đầu ra đƣợc phản xạ bởi hơn hai gƣơng tới bộ lọc notch filter, bộ lọc này đƣợc đặt ở một gúc đặc biệt để tất cả cỏc ỏnh sỏng kớch thớch đƣợc phản xạ và hội tụ vào mẫu thụng qua vật kớnh của kớnh hiển vi. Ánh sỏng tỏn xạ từ mẫu sẽ đƣợc thu lại bằng cựng một vật kớnh của kớnh hiển vi và đƣợc định hƣớng đi qua bộ lọc notch filter nhằm loại bỏ ỏnh sỏng kớch thớch và tỏn xạ Rayleigh. Ánh sỏng tỏn xạ Raman cũn lại sau đú sẽ đƣợc phản xạ với gƣơng thứ tƣ rồi qua lỗ đồng tiờu, hai thấu kớnh hội tụ và một khe hẹp để tới mỏy quang phổ. Ánh sỏng tỏn xạ Raman sẽ đƣợc tỏch thành cỏc thành phần cú tần số khỏc nhau trong mỏy quang phổ và đƣợc thu trờn detector CCD. Nhƣ vậy, tớn hiệu quang đó chuyển thành tớn hiệu điện và đƣợc khuếch đại, đƣa sang ghi phổ trờn mỏy tớnh dƣới dạng file số liệu và file ảnh.