2.2.1. Phổ hấp thụ UV-Vis
Để xác định phổ hấp thụ của một màng mỏng, một nguồn sáng với dải phổ
rộng được chiếu xuyên qua màng, cường độ của ánh sáng đi ra được một đầu thi ghi lại từng giá trị ứng với từng bước sóng. Giá trị cường độ này được so sánh với giá trị cường độ ánh sáng ban đầu sau khi tính đến khi sự hấp thụ của vật liệu đế được gọi là mật độ quang học. Mật độ quang học là đại lượng tương đối và có giá trị là:
0
( ) ln( )I
D
I
λ = (2.1) Trong đó I0 và I tương ứng là cường độ ánh sáng tới và ánh sáng truyền qua với mỗi bước sóng λ. Khi ánh sáng truyền qua vật liệu trong suốt, nếu cường độ ánh sáng tới là I0 thì cường độ I được truyền qua mặt sau của mẫu tuân theo định luật Buger- Lamber- Beer:
Bộ xử lí Io I Đầu thu1 Đầu thu2 Mẫu so sánh Mẫu đo Thấu kính Thấu kính Gương 1 Nguồn sáng VIS Nguồn sáng UV Khe 1 Cách tử Khe 2 Kính lọc Gương 4 Gương 3 Gương 2
0(1 ) exp( )
I =I −R −αd (2.2) Trong đó α gọi là hệ số hấp thụ của vật liệu. R là hệ số phản xạ của vật liệu. Hệ số hấp thụ của vật liệu được xác định theo công thức:
0 1 ( ) ln( ) (1 ) I d I R α λ = − − (2.3)
Nếu sự phản xạ trên bề mặt mẫu là không đáng kể thì hệ số hấp thụđược tính theo công thức: 0 1 ( ) ln( )I D d I d α λ = = (2.4) Đối với bán dẫn vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm của vật liệu có thể xác
định theo hệ số hấp thụ của vật liệu theo công thức sau: 2
[ ( )]α νh =C h( ν −Eg) (2.5) Từ công thức trên, độ rộng vùng cấm của vật liệu có thể xác định bằng cách vẽ đường biểu diễn đại lượng [ ( )]α νh 2theo năng lượng, sau đó dựng tiếp tuyến
với đường nói trên và giao điểm của tiếp tuyến này với trục năng lượng cho giá trị độ rộng vùng cấm.
2.2.2. Phổ huỳnh quang
Phổ huỳnh quang thể hiện phân bố năng lượng vùng hóa trị và phổ hấp thụ
thể hiện phân bố năng lượng vùng dẫn trên mức Fermi. Thông thường chúng ta thu
được phổ huỳnh quang do vật liệu bức xạ ra dưới tác dụng kích thích của ánh sáng tử ngoại. Cũng như phổ hấp thụ, phổ huỳnh quang phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của các tâm bức xạ và các tác nhân bên ngoài. Phổ huỳnh quang có một sốđặc
điểm sau:
- Phổ huỳnh quang bao giờ cũng có tần số bé hơn tần số của ánh sáng kích thích. Tần số huỳnh quang trong trường hợp này gọi là tần số Stocke. Trong những trường hợp đặc biệt, do cấu trúc của các mức năng lượng hoặc do phương pháp kích
thích khác nhau có thể xảy ra trường hợp va chạm giữa hai phân tử kích thích và
điện tửđể lên mức năng lượng cao hơn rồi từđó chuyển về trạng thái cơ bản bức xạ
ra tần số lớn hơn tần số của ánh sáng kích thích. Tần số này gọi là tần sốđối Stocke.
Hình 2.4. Cách bố trí thu phổ huỳnh quang
- Phổ huỳnh quang không phụ thuộc vào phổ của ánh sáng kích thích. - Phổ huỳnh quang phụ thuộc rất nhiều vào những tạp chất nằm trong mẫu. Cách xác định phổ huỳnh quang: chiếu bức xạ đơn sắc của đèn thủy ngân,
đèn xênôn hoặc laser kích thích chất huỳnh quang và đo I = f(λ). Gọi Bhq(ν1) là độ
chói của ánh sáng huỳnh quang của mẫu nghiên cứu ứng với tần sốν1. Bng(ν1) là độ
chói của ánh sáng của nguồn chuẩn ứng với tần sốν1. a(ν1) là hệ số tỷ lệ của hai độ
chói. Khi đó ta có: Bhq(ν1) = a(ν1) Bng(ν1) (2.6) Tương tựđối với tần sốν2, νi và νmax ta có: Bhq(ν2) = a(ν2) Bng(ν2) (2.7) Bhq(νi) = a(νi) Bng(νi) (2.8) Máy thu phổ λ Mẫu L λ’
Bhq(νmax) = a(νmax) Bng(νmax) (2.9) ⇒ hq 1 hq max B ( ) B ( ) v v = 1 ng 1 max ng max a( ) B ( ) a( ) B ( ) v v v v (2.10)
Nếu quy ước: Bhq(νmax) = 1 thì:
Bhq(νi) = i ng i max ng max a( ) B ( ) a( ) B ( ) v v v v (2.11)
Cho tần số νi thay đổi ta xác định được độ chói của ánh sáng huỳnh quang
ứng với νi khác nhau tức là xác định được phổ huỳnh quang. Sơđồ bố trí xem Hình 2.4.
2.2.3. Máy quang phổ MS257
Hình 2.5. Máy đơn sắc 1/4m và máy quang phổ MS257TM
MS 257TM là một thiết bị hoàn toàn tự động, có đủ các chức năng của một máy quang phổ. Đó là thiết bị F/3.9 có chiều dài tiêu cự 257,4 mm, được sử dụng như là một máy đơn sắc hoặc máy quang phổảnh. Với máy này thì ánh sáng không mong muốn là không đáng kể và không có phổ lặp lại ở lối vào. Hiện nay MS257TM
đã được cải tiến bằng cách có thêm các phụ kiện, nâng cấp phần cứng, phần mềm thu thập dữ liệu, bộđiều khiển và detector.
Các linh kiện của máy bao gồm:
- 4 cách tử quang học.
- Bộđiều khiển tựđộng bao gồm:
+ Khe moto bước + 2 bộ lọc
+ Cửa sập + 2 khe lối ra
+ 2 phụ kiện ở lối vào
- Giao diện máy tính IEE-488 - Bộđiều khiển bằng tay
- Phần mềm thu thập dữ liệu TRACQ32TM điều khiển MS257TM và hệ
detector
2.2.4. Detector CCD Oriel InstaSpecTM VII và VIII
Detector CCD InstaSpecTM cung cấp khả năng dò tìm tốt nhất đối với yêu cầu của các thiết bị quang phổ. Các hệ thống của detector này cung cấp khoảng tốc
độ cao, độ nhạy lớn và sự điều chỉnh hệ nhanh chóng. Detector nhỏ gọn dễ dàng hợp thành thí nghiệm lớn, thiết lập và đưa ra ý tưởng kiểm tra các thiết bị của máy quang phổ thông thường. Cùng với bộ cảm biến (sensor) ánh sáng chúng có thể thực hiện việc phân tích phổ Raman và phổ huỳnh quang yếu rất tốt.
Hình 2.7. Sơ đồ khối của đường hình ảnh - tín hiệu. Photon tới CCD Bộ tiền KD Cable driver Bộ tích phân Up/down
Slow A/D Fast A/D
Quá trình số hóa Giao diện USB 2.0 Interface board Hiển thị Lưu trữ Video Detector Controller Máy tính
Nguyên tắc hoạt động:
Khi detector đã được cài đặt và các thiết bị quang học của nó đã được hiệu chỉnh thì hoạt động của detector về cơ bản là không phức tạp. Trước hết, ta đi thiết lập điều kiện làm việc tối ưu cho Detector bằng cách sử dụng chế độ Focus, đặt nhiệt độ khóa cho Detector và chờ cho đến khi nó đạt nhiệt độ ổn định, sau đó tiến hành thu thập dữ liệu ở Acquire. Các điều kiện khác liên quan tới việc lắp đặt và cấu hình của các thiết bị đã được ghi trong manual.
CHƯƠNG 3
THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN KẾT QUẢ
3.1. Nghiên cứu chế tạo từ trường yếu có cường độđiều khiển được
Khi ta cho dòng điện chạy qua cuộn dây, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ
trường là các đường sức song song, nếu lõi cuộn dây được thay bằng lõi thép thì từ
trường tập trung trên lõi thép và lõi thép trở thành một chiếc nam châm điện, nếu ta
đổi chiều dòng điện thì từ trường cũng đổi hướng. Dòng điện một chiều cốđịnh đi qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường cốđịnh, dòng điện biến đổi đi qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên có đặc điểm là sẽ tạo ra điện áp cảm
ứng trên các cuộn dây đặt trong vùng ảnh hưởng của từ trường , từ trường cốđịnh không có đặc điểm trên.
Về cấu tạo cuộn cảm có thể chia làm các loại sau: cuộn cảm không có lõi, cuộn cảm có lõi bằng bột từ ép, cuộn cảm có lõi bằng sắt từ và cuộn cảm có biến
đổi điện cảm. Cuộn cảm có thể được làm bằng cách cuốn các vòng dây dẫn điện, tùy công suất và độ tự cảm để chọn thiết diện của dây dẫn và số vòng. Thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện trở thuần phải tương đối nhỏ so với cảm kháng, điện trở thuần còn gọi là điện trở tổn hao vì chính điện trở này sinh ra nhiệt khi cuộn dây hoạt động.
Trong thí nghiệm này, từ trường được tạo ra bởi 2 cuộn dây lõi ferrite (mỗi cuộn dây được cuốn 10.000 vòng) đặt cốđịnh gần nhau.
Có thể điều chỉnh cường độ từ trường giữa 2 cuộn dây bằng cách thay đổi cường độ dòng một chiều chạy qua 2 cuộn dây. Khi dòng điện 1 chiều tăng thì cường độ từ trường cũng tăng dần.
B = µ0. n . I (3.1)
Trong đó B là độ cảm ứng từ (tính theo Tesla), n số vòng dây trên mét, I cường độ dòng điện một chiều và µ0 hằng số từ môi chân không (µ0 = 4. π.10-7 Tm/A).
Trong thí nghiệm này, nguồn điện 1 chiều được tạo ra bởi Nguồn cung cấp PWR36-1, Kenwood.
Hình 3.1. Nguồn cung cấp dòng 1 chiều PWR36-1 Kenwood
Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong Bảng 3.1 bên dưới, cường độ dòng
điện 1 chiều chạy qua 2 cuộn dây được tăng dần từ 0.008 A (tương ứng 38 Gauss) cho đến 0.106 A (tương ứng 273 Gauss).
B B I (A) B (mT) B (Gauss) I (A) B (mT) B (Gauss) 0.008 3.80 38.00 0.056 15.70 157.00 0.009 4.03 40.30 0.058 16.35 163.50 0.011 4.44 44.40 0.060 16.70 167.00 0.012 4.68 46.80 0.064 17.63 176.30 0.013 5.10 51.00 0.069 18.82 188.20 0.016 5.75 57.50 0.070 19.21 192.10
0.020 6.66 66.60 0.074 20.00 200.00 0.026 8.46 84.60 0.079 21.10 211.00 0.030 9.22 92.20 0.080 22.60 226.00 0.037 11.10 111.00 0.085 23.40 234.00 0.040 11.48 114.80 0.089 24.40 244.00 0.042 12.42 124.20 0.090 25.00 250.00 0.045 13.10 131.00 0.095 25.50 255.00 0.048 13.75 137.50 0.097 26.00 260.00 0.050 14.54 145.40 0.099 26.50 265.00 0.053 15.06 150.60 0.100 26.70 267.00 0.106 27.30 273.00 Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm phép đo từ trường
Hình 3.2. Hình ảnh chụp thực tế 2 cuộn dây từ tính lõi ferrite, khoảng cách hai lõi khoảng 10mm
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của từ trường vào cường độ dòng điện
3.2. Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm được bố trí như hình vẽ bên dưới. Dung dịch nghiên cứu (dung dịch Fe3O4 hoặc dung dịch CaFexMn1-xO3) được cho vào trong cuvét thạch anh và
đặt trong từ trường không thay đổi (từ trường được tạo ra bởi 2 cuộn dây từ tính đặt gần nhau).
Hình 3.4. Sơđồ thí nghiệm
y = 2496*x + 18
Hình 3.5. Hình ảnh thực tế bố trí thí nghiệm
Nguồn sáng được sử dụng trong thí nghiệm là nguồn Laser He-Cd phân cực, bước sóng 325 nm. Cường độ ánh sáng tán xạđược đo bởi detector CCD 1064x256 pixel có độ nhạy gấp 100 lần detector PDA, năng lượng phơi sáng bão hoà: 250 pico Jun/cm2, vùng phổ làm việc từ 180 - 1100 nm. (Máy quang phổ MS-257 của Hãng Oriel-Newport/ USA).
Giá trị từ trường được giữ cố định tại 270 Gauss hoặc 200 Gauss, các phép
đo được lặp lại cứ sau khoảng thời gian 5 phút. Sự suy giảm ánh sáng tán xạ được nhận thấy sau mỗi phép đo.
3.3. Kết quả và thảo luận
Trong phần này, chúng tôi xin trình bày chi tiết các kết quả thí nghiệm mà chúng tôi đã đạt được. Kèm theo đó là phần giải thích và biện luận các kết quả thu
được. Thí nghiệm được thực hiện trên 4 mẫu đã chuẩn bị sẵn ở phần trước.
Hướng đi ban đầu của thí nghiệm là nghiên cứu sự suy giảm huỳnh quang của ánh sáng tán xạ qua dung dịch nano từ tính khi thay đổi giá trị từ trường ngoài. Lúc đó cường độ ánh sáng tán xạ suy giảm theo một hàm của từ trường ngoài.
Hình 3.6. Phổ phát xạ của dung dịch nano sắt từ Fe3O4 suy giảm khi từ trường tăng dần.
Chúng tôi tiến hành thí nghiệm đo cường độ ánh sáng tán xạ sau mỗi lần tăng giá trị từ trường (từ 100 G lên 270 G), hướng của từ trường không thay đổi trong suốt quá trình đo. Kết quảđược thể hiện trên Hình 3.6. Các phép đo được thực hiện tức thời, ngay sau khi thay đổi cường độ từ trường. Ta nhận thấy, khi từ trường tăng dần, cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm, sau đó tắt từ trường, cường độ ánh sáng tán xạ vẫn tiếp tục suy giảm.
Hình 3.7. Phổ phát xạ của dung dịch nano sắt từ Fe3O4 suy giảm khi từ trường giảm dần
Các phép đo phổ phát xạ cũng được thực hiện tương tự khi từ trường giảm dần từ 270 G về 100 G. Các phép đo được thực hiện tức thời, ngay sau khi thay đổi cường độ từ trường. Kết quả thể hiện trên Hình 3.7 cho ta thấy, từ trường được điều chỉnh giảm dần và kéo theo đó, cường độ ánh sáng tán xạ cũng suy giảm dần!
Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng mặc dù sự suy giảm chưa đạt tới giá trị bão hòa nhưng có sự suy giảm không theo quy luật nhất định.
Sự suy giảm cường độ ánh sáng tán xạ xảy ra trong cả hai trường hợp tăng và giảm từ trường. Không những thế, sự suy giảm còn tiếp tục xảy ra khi chúng tôi
điều chỉnh những giá trị từ trường khác nhau, cũng như tắt hẳn từ trường ngoài. Chính điều này dẫn tới một ý tưởng về sự từ hóa theo thời gian khi dung dịch chứa các hạt nano sắt từđược đặt trong từ trường. Khi có từ trường đặt vào, moment của các hạt từ bắt đầu tự sắp xếp dọc theo hướng của từ trường. Sự sắp xếp của các moment từ càng chính xác và độ dài của chuỗi tăng lên khi thời gian từ hóa tăng dần.
Để giải đáp cho ý tưởng này, chúng tôi quyết định thực hiện thí nghiệm khi từ trường được đặt cố định tại một giá trị và đo cường độ ánh sáng tán xạ theo từng khoảng thời gian (cứ sau 5 phút, phép đo lại được thực hiện) cho đến khi đạt giá trị
bão hòa.
Chúng tôi tiến hành thí nghiệm trên từng mẫu như sau:
Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4), từ trường được đặt cố định tại 270 Gauss, hiện tượng suy giảm ánh sáng xảy ra cho đến phút thứ 65 thì bắt đầu bão hòa, cường độ ánh sáng suy giảm chậm dần và dừng lại hầu như không suy giảm nữa.
Độ suy giảm bão hòa là 35% giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm theo thời gian được thể hiện trên Hình 3.8 và Hình 3.9.
Hình 3.8. Phát xạ của dung dịch Fe3O4 suy giảm theo thời gian trong môi trường từ tính 270G (Mẫu số 1)
Hình 3.9. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong môi trường từ tính 270G (Mẫu số 1)
Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2), từ trường được đặt cố định tại 270 Gauss, hiện tượng suy giảm ánh sáng xảy ra cho đến phút thứ 50 thì bắt đầu bão hòa,
Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4)
Mẫu số 1 (Fe3O4 nồng độ 1-4)
cường độ ánh sáng suy giảm chậm dần và dừng lại hầu như không suy giảm nữa.
Độ suy giảm bão hòa là 30% giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị suy giảm theo thời gian được thể hiện trên Hình 3.10 và Hình 3.11.
Hình 3.10. Phát xạ của dung dịch Fe3O4 suy giảm theo thời gian trong môi trường từ tính 270G (Mẫu số 2)
Hình 3.11. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong môi trường từ tính 270G (Mẫu số 2)
Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2)
Mẫu số 2 (Fe3O4 nồng độ 1-2)
Đối với mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-8), từ trường được đặt cố định tại 270 Gauss, hiện tượng suy giảm ánh sáng xảy ra cho đến phút thứ 60 thì bắt đầu bão hòa, cường độ ánh sáng suy giảm chậm dần và dừng lại hầu như không suy giảm nữa. Độ suy giảm bão hòa là 50% giá trị ban đầu. Cường độ ánh sáng tán xạ bị
suy giảm theo thời gian được thể hiện trên Hình 3.12 và Hình 3.13.
Hình 3.12. Phát xạ của dung dịch CaFexMn1-xO3 suy giảm theo thời gian trong môi trường từ tính 270G (Mẫu số 3)
Hình 3.13. Cực đại phổ phát xạ suy giảm theo thời gian khi đặt trong môi trường từ tính 270G (Mẫu số 3)
Mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3nồng độ 1-8)
Mẫu số 3 (CaFexMn1-xO3nồng độ 1-8)
Mẫu số 4 được pha loãng hơn (CaFexMn1-xO3 nồng độ 1-16), từ trường được
đặt cố định tại 200 Gauss, hiện tượng suy giảm xảy ra đến phút 45 thì bắt đầu bão