1.3. C ÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ĐẾ SERS
1.3.2. Phương pháp ăn mòn laser
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để chế tạo hạt nano kim loại. Trong số các phương pháp chế tạo hạt nano, phương pháp ăn mòn laser đang tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội. Do ăn mòn trực tiếp trên tấm kim loại sạch nên có thể chế tạo các hạt nano kim loại có độ tinh khiết cao, không bị nhiễm bẩn bởi chất khử [13].
Ăn mòn laser là quá trình làm bay hơi một lượng nhỏ vật chất khỏi bề mặt chất rắn bằng cách chiếu vào chúng một chùm laser năng lượng cao. Dưới tác dụng của chùm laser vật liệu sẽ bị nung nóng do hấp thụ năng lượng của laser có thể dẫn đến bay hơi và thăng hoa. Nếu thông lượng laser chiếu tới lớn, vật chất có thể chuyển thành dạng plasma [13].
Hình 1.14: Mô hình nguyên lý ăn mòn laser trong chất lỏng [13].
Cơ chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn mòn kim loại bằng laser xung trong chất lỏng được giải thích bằng mô hình của Mafune và các cộng sự. Theo mô hình này chùm laser xung ăn mòn bia kim loại trong quá trình chiếu laser. Vật liệu ăn mòn, được gọi là đám vật chất tràn vào môi trường chất lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do hoặc cụm nguyên tử va chạm với nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn mòn [13].
20
Trong vài xung đầu tiên, chỉ có môi trường chất lỏng bao quanh đám vật chất sinh ra và các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết tụ tạo nên các hạt nano kim loại. Sau đó các hạt nano phân tán vào môi trường chất lỏng và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho các mảnh kim loại kế tiếp. Ở giai đoạn này có hai cơ chế đóng góp vào quá trình tạo hạt. Cơ chế thứ nhất là kết hạt trực tiếp của kim loại trong đám vật chất tương tự như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đó và làm cho chúng tăng kích thước. Như vậy, khi cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân bố kích thước mở rộng. Tốc độ tăng kích thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt được tạo thành trong giai đoạn đầu và tính phân cực của phân tử môi trường chất lỏng [13].
Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích điện bề mặt. Do tương tác giữa các phân tử môi trường chất lỏng và các hạt nano tích điện bề mặt, một lớp điện tích kép bao quanh bề mặt các hạt nano. Các phân tử có mô-men lưỡng cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với bề mặt hạt nano do đó lực đẩy tĩnh điện nhờ bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự tăng kích thước hạt tốt hơn. Do tương tác điện giữa các mảnh trong đám vật chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị hạn chế trong quá trình ăn mòn. Kết quả là các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính phân cực thấp hơn của phân tử chất lỏng (ví dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu dẫn đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh [13].
Sau khi ăn mòn, quá trình tạo hạt dừng lại và sự kết tụ vẫn tiếp tục. Tốc độ kết tụ tùy thuộc vào sự tương tác của phân tử môi trường chất lỏng với các nguyên tử bề mặt của hạt nano và tương tác giữa các hạt nano với nhau. Tương tác bề mặt giữa các hạt nano có thể tạo thành một dung dịch keo bền vững hay là phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc giống như dây. Trong khi đó tương tác giữa các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực đẩy và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút Van Der Waals gây nên kết tụ và lực đẩy tĩnh điện nhờ bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ [13].
Những lợi ích của phương pháp tạo ra hạt nano kim loại bằng ăn mòn laser:
21
Độ tinh khiết rất cao – không chứa hóa chất tồn dư.
Độ ổn định cao do độ ổn tĩnh điện.
Sử dụng trực tiếp dung môi hữu cơ.
Tăng hiểu quả hấp thụ và giảm chi phí.
Khả năng tương thích sinh học cao trong các ứng dụng khác nhau.
Độc tính thấp hơn cho các ứng dụng dược phẩm.
22