Chế tạo và khảo sát tính chất quang của các cấu trúc Nano AgAu nhằm phát hiện chất mầu xanh methylene bằng phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VƯƠNG HỒNG HẠNH

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG

CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO AgAu NHẰM PHÁT HIỆN

CHẤT MẦU XANH METHYLENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP

TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

THÁI NGUYÊN - 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

VƯƠNG HỒNG HẠNH

CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG

CỦA CÁC CẤU TRÚC NANO AgAu NHẰM PHÁT HIỆN

CHẤT MẦU XANH METHYLENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP

TÁN XẠ RAMAN TĂNG CƯỜNG BỀ MẶT

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 8 44 01 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa

TS. Nguyễn Đắc Diện

THÁI NGUYÊN - 2020

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Xuân Hòa

và TS. Nguyễn Đắc Diện đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình

nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ban giám hiệu trường THPT Lê Quý Đôn nơi

tôi đang công tác, ban giám hiệu trường Đại học khoa học - Đại học Thái Nguyên, các

thầy cô khoa Vật lí và công nghệ trường Đại học khoa học – Đại học Thái Nguyên đã

tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đồng nghiệp

đã luôn động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.

Để thực hiện thành công đề tài này tôi cũng xin trân thành cảm ơn sự tài trợ bởi

Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số

103.03-2020.43.

Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành đề tài nhưng không tránh khỏi những thiếu

sót nhất định. Em rất mong được sự đánh giá, nhận xét và đóng góp ý kiến của các

thầy cô giáo và các bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2020

Học viên

Vương Hồng Hạnh

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................i

MỤC LỤC.........................................................................................................ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................ v

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT......................................................... x

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 3

1.1. Tính chất quang của các hạt nano kim loại................................................ 3

1.1.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt................................................ 4

1.1.2. Lý thuyết Mie – sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước hạt.. 5

1.1.3. Lý thuyết Gans về tính chất quang của các nano bạc, vàng bất

đẳng hướng ............................................................................................. 7

1.1.4. Tính chất quang của các hạt nano lưỡng kim ....................................... 11

2.1. Phương pháp chế tạo các cấu trúc Ag-Au lõi vỏ và hợp kim bất

đẳng hướng........................................................................................... 14

1.2.1. Chế tạo các hạt nano bạc dạng tấm bằng phương pháp phát triển

mầm dưới kích thích ánh sáng đèn LED xanh lá:................................. 14

1.2.2. Chế tạo lớp vỏ vàng .............................................................................. 15

1.3. Một số ứng dụng của hạt nano kim loại và lưỡng kim AgAu lõi vỏ, hợp

kim dạng tấm phẳng.............................................................................. 16

1.3.1. Ứng dụng trong hiệu ứng quang nhiệt .................................................. 16

1.3.2. Ứng dụng nano bạc trong tăng cường tán xạ Raman tăng cường bề

mặt (SERS) ........................................................................................... 17

Chương 2. THỰC NGHIỆM........................................................................ 19

2.1. Chế tạo các cấu trúc nano bạc dạng tấm phẳng ....................................... 19

2.1.1. Chế tạo mầm AgNPs (mầm 1).............................................................. 19

2.1.2. Chế tạo các tấm phẳng nano bạc AgNPls (mầm 2) .............................. 20

iii

2.2. Chế tạo các tấm nano bạc vàng lưỡng kim dạng lõi/vỏ và dạng hợp kim20

2.3. Các phương pháp khảo sát ....................................................................... 22

2.3.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM - Transmission Electron

Microscopy) .......................................................................................... 22

2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscopy)..... 22

2.3.3. Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X........................................................... 24

2.3.4. Phổ hấp thụ (UV-Vis - Ultraviolet Visible).......................................... 25

2.3.5. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) ..................................... 27

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 29

3.1. Kết quả chế tạo các mầm nano bạc và tấm nano bạc............................... 29

3.1.1. Hình thái và kích thước mầm, tấm nano bạc ........................................ 29

3.1.2. Tính chất quang..................................................................................... 31

3.1.3. Giải thích cơ chế hình thành tấm nano bạc........................................... 33

3.2. Kết quả chế tạo các cấu trúc AgAu lõi/vỏ và hợp kim ............................ 35

3.2.1. Khảo sát hình thái, kích thước .............................................................. 35

3.2.2. Phân tích cấu trúc tinh thể và thành phần nguyên tố của các cấu nano

Ag-Au.................................................................................................... 37

3.2.3. Tính chất quang của các cấu trúc Ag-Au.............................................. 41

3.2.4. Cơ chế phát triển và hình thành Ag-Au ................................................ 43

3.3. Ứng dụng các đế Ag-Au để phát methylene xanh bằng phương pháp

tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) ............................................ 46

KẾT LUẬN.................................................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 55

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Danh mục hóa chất (mua từ công ty Merk của Đức) và nồng độ

pha chế .......................................................................................... 19

Bảng 2.2. Các ký hiệu của dung dịch AgNPs được chiếu xạ bằng đèn LED

xanh lá trong các thời gian khác nhau .......................................... 20

Bảng 2.3. Ký hiệu các mẫu nano bạc vàng lưỡng kim được tạo ra với các

lượng HAuCl4 khác nhau. ............................................................ 21

Bảng 3.1. Các giá trị EF được tính toán ở mười đỉnh khác nhau của MB

(10-5M) hấp phụ trên các đế Ag-Au............................................. 52

Bảng 3.2. Các giá trị EF được tính toán ở mười đỉnh khác nhau của MB

(10-7M) lấy AgNPl4, Ag-Au2, Ag-Au5, và Ag-Au12 cho các

nghiên cứu SERS. ......................................................................... 53

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại. . 4

Hình 1.2. Phổ hấp thụ của các dung dịch nano vàng cầu phụ thuộc vào kích

thước hạt [14].................................................................................. 7

Hình 1.3. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước và hình

dạng của các hạt nano bạc khi chuyển từ dạng cầu sang dạng

tấm tam giác có kích thước lớn dần [10]. ....................................... 8

Hình 1.4. (A, B) là phổ hấp thụ plasmon của các nano bạc khi được chế tạo

bằng phương pháp quang hóa phát triển mầm với sự hỗ trợ của

LED xanh nước biển và LED xanh lá tương ứng với thời gian

chiếu khác nhau. (C, D) Ảnh TEM và phân bố kích thước tương

ứng [15]......................................................................................... 10

Hình 1.5. Phổ dập tắt của các hạt nano bạc dạng tam giác khi thay đổi thời

gian chiếu LED xanh lá [16]......................................................... 10

Hình 1.6. Ảnh TEM của các hạt nano bạc ở nhiệt độ và thời gian chiếu xạ

khác nhau (a-e). Phần thêm vào (f) là phổ hấp thụ tương ứng [15]. 11

Hình 1.7. Tính chất và hình thái quang học của các hạt nano lưỡng kim lõi vỏ:

(a,b) Phổ hấp thụ UV-Vis của các hạt nano Au@Pt có lượng H2PtCl6

khác nhau. (c) Ảnh chụp kỹ thuật số của các hạt nano Au @ Pt có độ

dày vỏ Pt khác nhau, (d-g) Ảnh SEM của hạt nano Au@Pt có đường

kính lõi Au là 60nm và độ dày vỏ Pt khác nhau [17]. ......................... 12

Hình 1.8. Đặc điểm của các hạt Ag@Pt thu được với các thể tích dung dịch

H2PtCl6 khác nhau: (a) Phổ UV Vis của các hạt Pt@Ag với thể

tích H2PtCl6 khác nhau từ 0 đến 0,3 ml; (b) Phổ hấp thụ

Ag@Pd với độ dày của Pd khác nhau; (c, d) ảnh chụp kỹ thuật

số dung dịch hạt nano tương ứng và các ảnh TEM của hạt nano

lưỡng kim Ag@Pt và Ag@Pd được điều chế từ các dung dịch

H2PtCl6 0,2, 0,3 và 0,4 ml. .......................................................... 13