Phộp đo phổ tỏn xạ Raman
Tỏn xạ Raman là một quỏ trỡnh tỏn xạ khụng đàn hồi giữa photon (lƣợng tử ỏnh sỏng) và một lƣợng tử dao động của vật chất hay mạng tinh thể. Sau quỏ trỡnh va chạm, năng lƣợng của photon giảm đi (hoặc tăng lờn) một lƣợng bằng năng lƣợng giữa hai mức dao động của nguyờn tử (hoặc mạng tinh thể) cựng với sự tạo thành (hoặc hủy) một hạt lƣợng tử dao động[8].
Hỡnh 2.10: Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) - Trường ĐHKHTN Hà Nội.
Dựa vào phổ năng lƣợng thu đƣợc, ta cú thể cú những thụng tin về mức năng lƣợng dao động của nguyờn tử, phõn tử hay mạng tinh thể. Giống nhƣ cỏc mức năng lƣợng của electron trong nguyờn tử, cỏc mức năng lƣợng dao động này cũng là đại lƣợng đặc trƣng, cú thể dựng để phõn biệt nguyờn tử này với nguyờn tử khỏc. Chớnh vỡ thế, tớnh ứng dụng của phổ Raman là rất lớn. Tuy nhiờn, so với cỏc quỏ trỡnh tỏn xạ đàn hồi (năng lƣợng của photon khụng đổi) thỡ xỏc suất xảy ra tỏn xạ Raman là rất nhỏ. Để quan sỏt đƣợc phụ̉ Raman, ta phải tăng cƣờng độ của vạch Raman và tỏch vạch Raman khỏi vạch chớnh. Việc tỏch phổ cú thể thực hiện khỏ đơn giản bằng một kớnh lọc, hay phức tạp hơn một chỳt là phộp biến đổi Fourier. Hệ biến đổi Fourier là một hệ phổ biến trong ngành quang học và quang phổ, ngƣời ta dựng một hệ giao thoa kế Michealson với một gƣơng cú thể dịch chuyển. Độ dịch chuyển của gƣơng cú thể điều khiển chớnh xỏc nhờ hệ võn giao thoa của một laser cú bƣớc súng cho trƣớc. Dựa vào độ dịch của gƣơng, ta cú thể cú hàm Fourier của nguồn sỏng cần nghiờn cứu[8].
Để cú đƣợc cƣờng độ vạch Raman lớn, cỏch đơn giản nhất là chiếu chựm sỏng tới với cƣờng độ lớn. Vớ dụ dựng Laser để chiếu, nhƣng cỏch này cũng khụng hiệu quả lắm. Hiện nay cú 2 phƣơng phỏp cộng hƣởng thƣờng đƣợc ỏp dụng trong tỏn xạ Raman để khuếch đại vạch Raman lờn.
Phƣơng phỏp đầu tiờn đƣợc dựng là CARS, viết tắt của Coherent Antistokes Raman Scattering [8]. Nguyờn tắc của phƣơng phỏp này là chiếu hai chựm sỏng (laser) cú độ chờnh lệch năng lƣợng và xung lƣợng đỳng bằng năng lƣợng và xung lƣợng của lƣợng tử dao động. Tƣơng tỏc giữa hai chựm này sẽ làm số hạt lƣợng tử dao động tăng lờn nhiều, dẫn đến xỏc suất va chạm khụng đàn hồi tăng lờn (giống nhƣ trƣờng hợp phỏt xạ hấp thụ ỏnh sỏng của nguyờn tử, trong trƣờng photon lớn thỡ xỏc suất bức xạ hay hấp thụ tăng).
Phƣơng phỏp 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 mụi trƣờng plasma cú hằng số điện mụi õm, vớ dụ nhƣ trong kim loại với tần số súng điện từ nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại. Khi súng điện từ truyền dọc bề mặt một tấm kim loại với tần số súng nhỏ hơn tần số plasma của electron trong kim loại, tƣơng tỏc của súng và plasma electron (một trạng thỏi mà tất cả cỏc electron chuyển động nhƣ một thể thống nhất) làm súng điện từ cú thể thõm nhập vào mụi trƣờng (gần bề mặt) và định xứ ở đú. Dựng surface plasmon cú thể tăng cƣờng độ điện trƣờng một cỏch cục bộ, vỡ thế, khi đƣa nguyờn tử cần đo phổ Raman vào khu vực điện trƣờng cao đú, tƣơng tỏc giữa nguyờn tử và trƣờng điện từ sẽ mạnh hơn, dẫn đến phổ Raman cú cƣờng độ lớn hơn. Phƣơng phỏp SERS hiệu quả hơn CARS rất nhiều, nhƣng lại rất khú thực hiện vỡ phụ thuộc nhiều vào tớnh chất bề mặt kim loại và tần số plasma của kim loại. [9].
Trong luận văn này, hai hợ̀ mẫu Zn1-xMnxO và Zn1-yAlyO đƣợc đo phổ tỏn xạ Raman bởi hệ mỏy sử dụng kỹ thuật quang phổ micro-Raman. Kỹ thuật này khụng phỏ mẫu do đú cú thể ứng dụng cho việc phõn tớch cỏc mẫu ở bất cứ trạng thỏi nào: khớ, lỏng, dung dịch, rắn.
Một quang phổ kế micro-Raman đƣợc tạo thành bằng cỏch lắp đặt hệ kớnh hiển vi quang học với một quang phổ kế Raman. Độ khuếch đại của hệ khụng cần lớn hơn 100 lần khi độ phõn giải cỡ 1μm, và khi độ dài súng của laser kớch thớch nằm trong vựng 0.3 – 0.7 μm (300 – 700 nm). Từ đú, bất cứ phần tử nào cú kớch thƣớc lớn hơn 1μm trong mẫu đều cú thể đƣợc kớch thớch bởi hệ micro-Raman và do đú cú thể ghi đƣợc phổ đặc trƣng của nú mà khụng bị ảnh hƣởng bởi mụi trƣờng xung quanh và giống y nhƣ phổ của mẫu thuần khiết cú kớch thƣớc lớn trong phổ Raman truyền thống.
Hỡnh 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 nhõn quang đƣợc làm lạnh và hệ thống đếm photon để cú đƣợc độ nhạy cao và tiếng ồn thấp[9].
Hỡnh 2.11: Sơ đồ quang học của quang phổ kế micro -Raman Spex Micramate.
Trong luận văn này, phổ Raman của cỏc hệ mẫu Zn1-xMnxO , Zn1-yAlyO khảo sỏt ở nhiệt độ phũng đƣợc thực hiện trờn hệ đo Labram HR800 tại Trung tõm Khoa học vật liệu (CMS) – trƣờng ĐH Khoa học tự nhiờn – ĐHQGHN. Hệ đo này sử dụng kỹ thuật micro-Raman với bƣớc súng laser kớch thớch là 632,8 nm.