Nghiên cứu phương pháp ăn mòn laser để chế tạo các hạt nano kim loại

- Các hạt nano đã được nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau.
- Dựa trên các tài liệu tham khảo, đánh giá khả năng thực hiện nghiên cứu, cũng như xu hướng pháp triển nghiên cứu chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: ‘‘Nghiên cứu phương pháp ăn mòn laser để chế tạo các hạt nano kim loại.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm của phương pháp chế tạo hạt nano kim loại quý bằng ăn mòn laser.
- Khảo sát ảnh hưởng của thông lượng laser, thời gian ăn mòn laser và nồng độ dung dịch chất hoạt hoá bề mặt lên kích thước trung bình của hạt nano kim loại.
- Từ đó xác lập một quy trình chế tạo hạt nano kim loại.
- Khái niệm phương pháp ăn mòn laser.
- Hình 1.1: Nguyên lý ăn mòn laser.
- Cơ chế phương pháp ăn mòn laser.
- Hệ quang học trong ăn mòn laser.
- Các phương pháp phương pháp ăn mòn laser.
- Kỹ thuật phương pháp ăn mòn laser khá hữu hiệu để tạo ra các hạt nano của vật liệu bán dẫn và kim loại.
- So với các phương pháp khác, phương pháp ăn mòn laser là một phương pháp khá đơn giản, các hạt nano được chế tạo không bị nhiễm bẩn bởi chất khử, đặc biệt có thể điều khiển được kích thước hạt..
- Chế tạo hạt nano Cu bằng ăn mòn laser trong dầu polysiloxane ( keo silicone).
- Hạt nano bạc được sản xuất bằng ăn mòn laser trực tiếp của bản kim loại trong dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt với xung laser nano giây bắn ra xung năng lượng cao.
- Hình 1.10: Thí nghiệm chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp ăn mòn laser.
- Ứng dụng của phương pháp phương pháp ăn mòn laser.
- 1.6.4 Phẫu thuật cho tế bào bằng phương pháp ăn mòn laser.
- Thiết bị sử dụng trong phương pháp ăn mòn laser.
- Thực nghiệm phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano kim loại được thực hiện tại Bộ môn Quang Lượng Tử - Khoa Vật Lý - Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên..
- Trong phạm vi luận văn, chúng tôi sử dụng các dung môi khác nhau như: Trisodium Citrate Đihydrat (SCD), Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) và chất hoạt hóa bề mặt Polyvinyl Alcohol (PVA) để chế tạo các hạt nano kim loại..
- Khi mẫu được gửi đến dạng dung dịch, để có thể lấy hạt nano kim loại để tiến hành đo TEM.
- Người ta lấy một lưới đồng nhúng vào dung dịch chứa hạt nano kim loại.
- Sau khi lấy ra các hạt nano kim loại sẽ bám vào bề mặt lưới và đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1010-JEOL.
- Sau đó, tiến hành đo đường kính các hạt nano bạc trên hình.
- là bán kính hạt nano..
- Coi hạt nano có kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng tới.
- Phương trình (2.7) được sử dụng xác định phổ hấp thụ của các hạt nano kim loại nhỏ (hạt nano vàng với bán kính nhỏ hơn 20nm).
- Đối với các hạt có kích thước nhỏ, sự tán xạ bề mặt electron trở nên đáng kể trong khi quãng đường tự do trung bình của electron dẫn nhỏ hơn kích thước vật lý của hạt nano.
- Sử dụng phương pháp ăn mòn laser chúng tôi đã chế tạo được các hạt nano kim loại là bạc, vàng.
- Xuất phát ban đầu là chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp ăn mòn laser vì hạt nano bạc đã được chúng tôi chế tạo thành công và nghiên cứu tính chất của nó trong quá trình làm khóa luận đại học bằng phương pháp hóa..
- Sử dụng phương pháp ăn mòn laser đã chế tạo được hạt nano vàng.
- Qua đó có những so sánh với các phương pháp chế tạo hạt nano khác.
- Sử dụng những hạt nano kim loại đã được chế tạo, chúng tôi tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số như công suất laser, thời gian ăn mòn laser và nồng độ dung dịch chất hoạt hoá bề mặt lên kích thước trung bình của hạt nano kim loại.
- Bước đầu hướng tới những ứng dụng của phương pháp ăn mòn laser với các hạt nano kim loại thu được.
- Đó chính là sử dụng phương pháp ăn mòn laser để điều khiển kích thước hạt nano.
- 3.1 Thực nghiệm phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano kim loại 3.1.1.
- Hệ ăn mòn laser.
- Sau khi nghiên cứu các tài liệu về ăn mòn laser về các yêu cầu của xung laser (năng lượng, thời gian, độ rộng xung, bước sóng) cũng như các yêu cầu về điều kiện thực nghiệm để chế tạo các hạt nano kim loại.
- Cũng như xu hướng nghiên cứu về hạt nano kim loại trong nước và quốc tế.
- 3.2 Kết quả chế tạo các hạt nano kim loại.
- 3.2.1 Chế tạo hạt nano bạc trong dung dịch SCD.
- a) Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano bạc.
- Điều này chứng tỏ vật liệu chúng tôi chế tạo được trong luận văn chính xác là hạt nano bạc.
- Hạt nano bạc được tạo ra bằng phương pháp ăn mòn laser trong khoá luận có cấu trúc lập phương tâm mặt và đỉnh phản xạ ứng với góc 2θ = 38.20 và chỉ số mặt là (111) có cường độ mạnh nhất.
- Dựa vào phổ nhiễu xạ tia X, ta cũng có thể tính được kích thước trung bình tinh thể hạt nano bạc theo phương trình Scherrer (2.2) D = 56, 75 nm.
- b) Phổ hấp thụ UV – VIS của hạt nano bạc.
- Điều này phù hợp với lý thuyết về đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmo bề mặt của các hạt nano bạc.
- Hình 3.5: Ảnh TEM (a)và sự phân bố kích thước hạt (b) của hạt nano bạc được tạo ra bằng ăn mòn laser trong dung dịch SCD 0.003 M Quan sát trên hình 3.5(a.
- ta thấy các hạt nano bạc có kích thước nano.
- Từ hình 3.5(b), ta thấy rằng các hạt nano bạc phân bố không đồng đều, tập trung nhiều trong khoảng từ 8 – 10 nm.
- Kích thước trung bình của các hạt nano bạc được tạo ra trong dung dịch SCD là 8 nm với tỉ lệ tạo thành là 20.
- c)So sánh với phương pháp khử hoá học Trong phương pháp hoá khử, các hạt nano bạc được tạo ra từ dung dịch bạc nitrate có chứa Trisodium citrate dihydrat C6H7Na3O7 (SCD).
- Hình 3.6 là phổ hấp thụ của hạt nano bạc trong hai phương pháp hoá khử và ăn mòn laser..
- Hình 3.6: Sự so sánh phổ hấp thụ của các hạt nano bạc được tạo ra bởi phương pháp ăn mòn laser và phương pháp khử hoá học.
- Ta thấy, đỉnh hấp thụ của các hạt nano bạc được tạo ra bởi phương pháp khử hoá học dịch chuyển đến 440 nm trong khi đối với phương pháp ăn mòn laser là 400 nm.
- Trong trường hợp ăn mòn laser, kích thước trung bình của các hạt nano bạc là 8 nm với tỉ lệ tạo thành là 20 % và đường kính hạt phân bố trong khoảng từ 4 nm đến 12 nm.
- Điều này đã khẳng định phương pháp ăn mòn laser chế tạo được hạt nano có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp hoá khử.
- Chế tạo hạt nano vàng trong trong dung dịch SDS.
- Hình 3.7: Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano vàng.
- Phổ nhiễu xạ tia X đã chứng tỏ các hạt nano vàng có dạng tinh thể lập phương tâm mặt (fcc)..
- Hạt nano vàng được tạo ra bằng phương pháp ăn mòn laser có đỉnh phản xạ ứng với góc 2θ = 38.20 và chỉ số mặt là (111) có cường độ mạnh nhất..
- Hình 3.8: Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng trong dung dịch SDS.
- nồng độ 0.05 M, 0.01 M và 0.005 M Từ hình 3.8, ta thấy rằng đỉnh hấp thụ của các hạt nano vàng trong khoảng từ 520 -530 nm, nằm trong dải hấp thụ plasmo của các hạt nano vàng.
- Hình 3.9: Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt nano vàng trong dung dịch SDS nồng độ C=0.05 M , thời gian t=30 phút.
- Kích thước trung bình của các hạt nano trong dung dịch SDS 0.05 M là 3.80 nm, với tỉ lệ tạo thành là 16.
- Chọn thời gian ăn mòn không đổi 15 phút, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của công suất laser đối với hạt nano vàng trong nước..
- Ta thấy rằng khi tăng công suất laser trung bình lên 570 mW, đỉnh hấp thụ cộng hưởng dịch về phía sóng ngắn ở 520nm tương ứng với hạt nano có kích thước nhỏ hơn.
- Tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của công suất laser đối với sự tạo thành các hạt nano trong dung dịch hoạt hóa bề mặt, chúng tôi cũng thu được các kết quả tương tự.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu laser Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng được chế tạo trong nước với cùng công suất trung bình của nguồn laser là 570 mW, thời gian ăn mòn là 10 phút, 15 phút và 20 phút thu được như hình 3.12:.
- Hình 3.12: Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng trong nước với công suất là 570mW, thời gian thay đổi (10 phút, 15 phút, 20 phút).
- Khi thời gian ăn mòn tăng lên (từ 10 phút lên 15 phút) đỉnh hấp thụ dịch về phía sóng ngắn tức là hạt nano chế tạo được có kích thước nhỏ hơn.
- Điều này có thể là do sự kết tụ của các hạt nano và sự hình thành một lớp mỏng kim loại kết tụ trên bề mặt của các hạt nano.
- Khi chiếu laser lên bề mặt miếng vàng, xuất hiện hiệu ứng nhiệt do sự hấp thụ năng lượng photon dẫn đến sự hình thành các hạt nano.
- Khi năng lượng và thời gian chiếu laser thay đổi tới mộ điều kiện tối ưu thì kích thước của các hạt nano vàng được tạo ra rất nhỏ.
- Chính vì vậy, với phương pháp ăn mòn laser chúng ta có thể điều khiển được kích thước của hạt nano tạo thành..
- Hình 3.13: Phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong cồn 600(1), cồn 400 (2)và nước(3) với cùng thời gian ăn mòn là 10 phút.
- Hình 3.14: Phổ hấp thụ của hạt nano vàng trong cồn 600(1), cồn 400 (2)và nước(3) với cùng thời gian ăn mòn là 20 phút Từ hình 3.13 và hình 3.14 ta thấy phổ hấp thụ phụ thuộc vào nồng độ của cồn và phổ hấp thụ của các hạt nano vàng thu được trong cồn 600 có đỉnh ở phía bước sóng ngắn nhất hay các hạt có kích thước nhỏ nhất.
- Khi thời gian ăn mòn tăng lên, đỉnh hấp thụ của các hạt nano trong nước có sự dịch chuyển về sóng ngắn nhiều nhất (từ 534 nm đến 524 nm), còn phổ hấp thụ của các hạt nano trong cồn 600 bị dịch không đáng kể (từ 524 nm đến 522 nm).
- Còn ở trong nước, do phổ hấp thụ của các hạt nano có sự thay đổi nhiều khi thay đổi các thông số như thời gian ăn mòn, công suất trung bình của nguồn laser nên ta có thể dễ dàng thay đổi được kích thước hạt theo ý muốn.
- Tuy nhiên trong môi trường chứa chất hoạt hóa bề mặt như hạt nano vàng trong dung dịch PVA thì lại có sự khác biệt.
- Hình 3.15: Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng trong dung dịch PVA nồng độ 0.01 M, 0.003 M và 0.0015 M Khi nồng độ dung dịch tăng thì cường độ của dải phổ hấp thụ cũng tăng.
- Hình 3.16: Phổ hấp thụ của các hạt nano vàng trong dung dịch PVA nồng độ 0.01M, 0.003 M, 0.002 M và 0.001 M.
- Hình 3.17: Ảnh TEM hạt nano vàng trong PVA 0.01M, t=15 phút.
- Kích thước trung bình của các hạt nano vàng chế tạo trong dung dịch PVA 0.01M là 2.61 nm với tỉ lệ tạo thành là 26%, tỉ lệ tạo thành các hạt có kích thước phân bố từ 1,2 - 4 nm là 62%..
- Chúng tôi đã khảo sát sự kết tụ của các hạt nano vàng trong nước và cồn theo thời gian.
- Kết quả cho thấy các hạt nano vàng trong cồn bền vững hơn trong nước và tính bền vững tăng theo nồng độ cồn.
- Trên hình 3.18 minh họa sự so sánh phổ hấp thụ của các mẫu hạt nano vàng sau khi chế tạo 1 ngày và 35 ngày.
- (a) (b) Hình 3.18: Phổ hấp thụ của các hạt nano Au chế tạo trong cồn 600(a ) và trong cồn 400(b) sau khi ăn mòn 1 ngày và 35 ngày.
- Các hạt nano vàng tạo ra trong nước ban đầu có kích thước trung bình nhỏ hơn nhưng nhanh chóng bị kết tụ hơn trong cồn.
- Các hạt nano kim loại trong chất lỏng có tích điện bền mặt.
- Ứng dụng cộng hưởng plasmon để điều khiển kích thước hạt nano vàng.
- Lý do là bước sóng 532 nm gần với miền cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano vàng có thể gây nên hiệu ứng giảm kích thước do cảm ứng laser.
- (a) (b) Hình 3.18: Ảnh TEM và phân bố kích thước của hạt nano Au trong dung dịch cồn 600 khi chiếu bằng bước sóng 1064 nm (a) và sau (b) khi chiếu bước sóng 532 nm..
- Điều này có thể được giải thích dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano vàng.
- Ban đầu các hạt nano vàng sinh ra do ăn mòn bởi bước sóng 532nm.
- Kết quả là hạt nano vàng tạo thành bị phá vỡ thành các hạt nhỏ hơn.
- Khi năng lượng và thời gian chiếu laser càng lớn thì kích thước của các hạt nano vàng được tạo ra càng bé.
- Sự dịch chuyển của đỉnh phổ hấp thụ về phía sóng ngắn cũng là một dấu hiệu cho thấy kích thước hạt nano vàng đã giảm đi theo lý thuyết Mie.
- Tương tác giữa các hạt nano được mô tả thông qua các phương trình Maxwell.
- Trong gần đúng lưỡng cực điện, đối với những hạt nano dạng cầu có kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng