Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano kim loại bất đẳng hướng

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐỖ MẠNH QUYỀN

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC

HẠT NANO KIM LOẠI BẤT ĐẲNG HƯỚNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN, NĂM 2019

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Vũ Xuân Hòa -

Người Thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm nghiên

cứu khoa học trong suốt quá trình hoàn thành bản luận văn này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô Khoa Vật lý và Công nghệ - Trường Đại

học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, trong suốt hai năm qua, đã truyền đạt những kiến

thức quý báu để tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu và các thầy cô giáo Trường THPT Điềm

Thụy, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để tôi được tham gia khóa học và hoàn thành

luận văn.

Cuối cùng tôi xin được cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người luôn ở bên cạnh

và ủng hộ tôi, đã cho tôi những lời khuyên và động viên tôi hoàn thành luận văn.

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2019

Học viên

Đỗ Mạnh Quyền

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................i

DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................................ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................vi

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

Chương I: TỔNG QUAN...................................................................................................4

1.1. Các hạt nano kim loại ........................................................................................................... 4

1.2. Tổng quan về các hạt nano bạc............................................................................................. 4

1.2.1. Giới thiệu về bạc và nano bạc. ...................................................................................... 5

1.2.2. Tính chất quang của hạt nano bạc ................................................................................. 7

1.2.3. Tính chất quang của các hạt nano bạc bất đẳng hướng (lý thuyết Gans) .................... 13

1.2.4. Phổ tán xạ Raman........................................................................................................ 17

1.3. Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc bất đẳng hướng ............................................... 19

1.3.1. Phương pháp hóa học hay phương pháp polyol .......................................................... 19

1.3.2. Phương pháp quang cảm ứng ...................................................................................... 20

1.4. Một số ứng dụng của các hạt nano bạc............................................................................... 24

Chương II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC ...................................27

2.1. Chế tạo các cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng .................................................................. 27

2.1.1. Phương pháp tiến hành ................................................................................................ 27

2.1.2. Chế tạo mầm................................................................................................................ 27

2.1.3. Chế tạo các hạt nano bạc dạng tấm bằng phương pháp phát triển mầm dưới kích thích

ánh sáng đèn LED xanh lá (xanh lá LED)............................................................................. 29

2.1.4. Chế tạo các hạt nano bạc dạng hợp diện (decahedra) bằng phương pháp phát triển

mầm dưới kích thích ánh sáng đèn LED xanh dương (xanh dương LED)............................ 30

2.2. Khảo sát một số thông số ảnh hưởng đến sự hình thành các cấu trúc nano bạc bất đẳng

hướng......................................................................................................................................... 30

2.2.1. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED........................................................................... 30

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền

2.2.2. Ảnh hưởng của tổ hợp chiếu 2 bước sóng xanh lá LED và xanh dương LED............ 32

2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hình thành các cấu trúc nano bạc bất đẳng hướng .... 32

2.3. Các phương pháp khảo sát.................................................................................................. 33

2.3.1. Phương pháp phổ hấp thụ (UV-Vis - Ultraviolet Visible) .......................................... 33

2.3.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X ........................................................................................ 35

2.3.3. Phương pháp đo phổ tăng cường tán xạ Ramman bề mặt ........................................... 36

2.3.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM- Transmission Electron Microscopy) ............ 37

2.3.5. Kính hiển vi quét SEM (Scanning Electron Microscopy)........................................... 37

Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................................39

3.1. Hình thái và kích thước hạt ................................................................................................ 39

3.1.1. Hình thái và kích thước mầm ...................................................................................... 39

3.1.2. Các hạt nano bạc được kích thích bởi xanh lá LED .................................................... 39

3.1.3. Các hạt nano bạc được kích thích bởi xanh dương LED............................................. 41

3.2. Phổ hấp thụ ......................................................................................................................... 42

3.3. Phân tích cấu trúc ............................................................................................................... 45

3.4. Khảo sát một số điều kiện ảnh hưởng đến tính chất quang của nano bạc .......................... 47

3.4.1. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED........................................................................... 47

3.4.2. Ảnh hưởng nhiệt độ..................................................................................................... 54

3.5. Ứng dụng hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt nhằm phát hiện chất nhuộm mầu

rhodamine 6G (Rh6G)............................................................................................................... 55

KẾT LUẬN .......................................................................................................................57

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN...................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................59

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền i

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của Bạc.........................................................................................5

Bảng 2.1: Danh mục hóa chất và nồng độ pha chế.......................................................................27

Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu xanh lá LED lên mẫu...................... 30

Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu xanh dương LED lên mẫu ............... 31

Bảng 2.4: Khảo sát ảnh hưởng của tổ hợp chiếu sáng bằng 2 bước sóng xanh lá và xanh

dương LED (chiếu xanh lá LED 30 phút rồi chiếu xanh dương Led theo thời gian khác

nhau) lên mầm ................................................................................................................... 32

Bảng 2.5: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hình thành các cấu trúc nano bạc dị

hướng đối với trường hợp chiếu xanh lá LED .................................................................. 33

Bảng 3.1: Các thông số mạng tinh thể của AgNPs dạng cầu và dạng tấm tam giác suy ra

từ công thức Sheerrer........................................................................................................ 46

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền ii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể của bạc ................................................................................... 6

Hình 1.2: Màu của cốc phụ thuộc vào vị trí chiếu ánh sáng.............................................. 7

Hình 1.3: Phổ hấp thụ plasmon và mầu sắc dung dịch của các hạt nano bạc phụ thuộc vào

hình dạng của nó ................................................................................................................. 8

Hình 1.4: Hiện tượng plasmom bề mặt hạt nano kim loại khi bị kích thích bởi bức xạ điện

từ.......................................................................................................................................... 9

Hình 1.5: Sử dụng lý thuyết Mie để tính toán và xác định hiệu suất quang của của các hạt

nano bạc có hình dạng khác nhau..................................................................................... 10

Hình 1.6. 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 .... 15

Hình 1.7: Ảnh TEM (A), phần phân bố kích thước (B) và phổ hấp thụ của nano bạc theo

thời gian tương ứng ........................................................................................................... 16

Hình 1.8: Phổ dập tắt của các hạt nano bạc dạng tam giác khi thay đổi thời gian chiếu

LED xanh lá....................................................................................................................... 16

Hình 1.9: 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 ............................................................... 17

Hình 1.10: a) Quá trình khử ion Ag+ bằng Ethylene Glycol (EG) dẫn đến sự hình thành

của các hạt nhân dễ bay hơi. Khi các hạt nhân này phát triển, ngừng sự thăng giáng, cấu

trúc của chúng ổn định và chứa đa tinh thể sai hỏng biên, đơn tinh thể sai hỏng biên hoặc

đơn tinh thể không sai hỏng. Các hạt này sau đó được phát triển thành các dạng nano khác

nhau: Dạng cầu (B), khối lập phương (C), Khối cắt (D), right bipryamids (E), Dạng thanh

(F), spheroids (G), Dạng tấm tam giác (H), dạng dây (I)................................................. 20

Hình 1.11: Sơ đồ chế tạo hạt nano bạc (Ag) bằng phương pháp ăn mòn LASER ........... 21

Hình 1.12: Phổ hấp thụ của dung dịch chứa AgNO3, citrate và BSPP............................ 22

Hình 1.13: Mô hình oxy hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus ................. 23

Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên

Học viên: Đỗ Mạnh Quyền iii

Hình 1.14: Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình biến đổi hình thái học .................. 24

Hình 1.15: Sơ đồ khối tạo ra các hạt nano bạc bất đẳng hướng bằng phương pháp khử hóa

học và quang hóa............................................................................................................... 24

Hình 2.1. Quy trình chế tạo mầm nano bạc...................................................................... 28

Hình 2.2: Ảnh chụp kỹ thuật số dung dịch mầm nano bạc ............................................... 28

Hình 2.3: Quy trình chế tạo các hạt nano bạc bất đẳng hướng bằng phương pháp phát

triển mầm dưới sự kích thích bằng xanh lá Led và xanh dương LED. (a)- Thiết kế minh họa

sự hình thành các hạt nano bạc sau khi chiếu bằng 2 bước sóng ánh sáng (xanh lá và xanh

dương LED). (b)- Ảnh chụp hệ LED được tự thiết kế tại phòng thí nghiệm Khoa Vật lý và

Công nghệ-Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên. ....................................................... 29

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của máy quang phổ UV-Vis hai chùm tia ...................... 34

Hình 2.5: Mô phỏng nguyên lý máy đo phổ UV – Vis................................................................... 35

Hình 2.6: Máy đo phổ hấp thụ UV – Vis V750 của hãng Jasco (Nhật Bản).................... 35

Hình 2.7: Định luật nhiễu xạ Bragg ................................................................................. 36

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua........................................ 37

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của SEM và ảnh chụp SEM của mẫu.................... 38

Hình 3.1. Ảnh TEM của các hạt nano bạc mầm ở các độ phóng đại khác nhau.(a) Thang

100 nm, (b) thang 20 nm và phần thêm vào trong hình (c) là phân bố kích thước tương ứng

........................................................................................................................................... 39

Hình 3.2. Ảnh SEM của các hạt nano bạc dạng tấm tam giác sau khi được chế tạo bằng

phương pháp phát triển mầm dưới kích thích của xanh lá LED với các độ phóng đại khác

nhau ................................................................................................................................... 41

Hình 3.3. Ảnh SEM của các hạt nano bạc dạng tấm tam giác sau khi được chế tạo bằng

phương pháp phát triển mầm dưới kích thích của xanh dương LED sau 80 phút với các độ