Nghiên cứu tính chất điện từ của hạt và màng mỏng au có kích thước nano

1
- 







Chuyên ngành;  60 44 07
 PGS.TS. Hoàng Nam 
 2011

Abstract: 
             


u
Keywords: ; ; ; ; Vàng

Content

  do
 không  cá









, 



.






IV

tàng
Anh [44]. 




ta


xuyên




trên


trong




nm



trong






trên.




này trên 

2




-



Trong nhc nghiên c to ra các vt liu có
    c rt nhiu s quan tâm. Rt nhi  
dng công ngh cao trong ch to ht nano, thanh nano hay màng mc nghiên
cu và thc hin thành công. Mm riêng tùy theo m
mà có s la chp.
Tuy vy, có m b n công ngh ch to
các màng vàng cu trúc nano -  dát vàng th công truyn thng ti Vit
Nam và  mt s c Châu Á (Trung Quc, Thái Lan ). Chúng ta h
kho sát vt lý chi tit nào v loi công ngh này và phi nói chúng ta hin bit rt ít v các
t lý ca các sn phm do công ngh này t bn cht công
ngh này.
Công ngh dát n ti rt lâu   phc v cho nhu cu ca cuc
sng, nhi th th công  làng Kiêu K, Gia Lâm, Hà N to ra nhng lá
vàng mng có kíc 200 nanomet b công truyn thng.
Các cu trúc này có nhic bit và cho thy mt vài hiu ng lý thú. Các tài liu
nghiên cu hiy có công b n tính chn, quang, t
ca vt lic ch to b  c s dng
c dát vàng ngh thut c truyn  c ta.
Lua tôi trình bày v: “Nghiên cứu tính chất điện từ của hạt và màng
mỏng Au có kích thƣớc nano” nhm mii thi to và
kho sát các tính cht ca lá vàng mng nêu trên; (2) ch to và nghiên cu kh 
cao hiu sut thu phát sóng siêu cao tn ca anten siêu cao tn s dng hiu ng plasmon
b mt ca hc nano. Lu  tu hình
ca anten siêu cao tn s dng plasmon.
Ngoài phn m u và kt lun, ni dung ca bn lu
 lý thuyt
c nghim
t qu và tho lun

3
CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm vật liệu nano
Vt liu nano là vt lit mt chic nanomé
ng nghiên cu ca khoa hc nano. Tính cht ca vt liu nano ph thuc vào kích
c ca chúng, c t tc ti hn ca nhiu tính cht lý hóa ca vt
ling. Vt lic tri mt khong t n vài
 to và ng dng ca chúng [41].
1.1.2. Sơ lược về vật liệu vàng (Au)
Thi Trung Cc xem là cht có li cho sc kho, vi nim tin
rng mt th hip phi là th tt cho sc kho. Thm chí mt s i theo ch
n và mt s hình thc y t thay th khác coi kim loi vàng có sc mnh vi
sc kho. Mt s loi mui ca vàng thc s có tính cht chc s
dng trong y t  u tr chng viêm khp và các loi b khác. Tuy nhiên, ch
các mung v ca vàng mi có giá tr y t cao, khi là nguyên t (kim lo
vi mi hoá cht nó g.  thi hic chng minh là
giúp làm gip khp và lao.
Vàng là kim long th 79 trong bng h thng tun hoàn có cu hìn
t Xe[6s
1
4f
14
5d
10
] hoc Xe[6s
2
4f

14
5d
9
]. Nguyên t ng  hai mc 5d và 6s
xp x nhau nên có s cnh tranh gia lp d và ln t ca vàng có th dch chuyn
v c hai trng thái này. V n nano Au có th có tính cht t do có mt phn t
5d chy, tuy nhiên các ly có th ni các lp ly, nên Au
khi không có t tính. Cn t hóa tr trong kim loi vàng rng, to nên tính
dc bit ca vàng và ph cc tp. ng liên kt 
Au
3+
+ 3e

= 1.498 V.
Vàng kt tinh có cu trúc lt (hình 1.4), i xng Fm-3m,
hng s mng a = 4.078(2)Å [49]. Mi nguyên t Au liên kt vi 12 nguyên t xung quanh
to nên cu trúc xp chu nguyên t kim loi khác. Khong cách gn nht gia
hai nguyên t vàng là 2.884 Å c coi là 1.442 Å. Mi
nguyên t li có các electron rng nên  dng kh dn và nhit
tt.


4
Hình 1.1. Cấu trúc lập phương tâm mặt Fm-3m của tinh thể Au
c chia nh n trng thái phân t c vài nanomet (nm), nguyên
t này th hin nhic tính khác bic tiên chúng s i màu sc, chuyn t
 hoc tím nht (hình 1.5). S chuyc là do trong
phân t nano vàng không hp th c sóng nm trong vùng quang ph 
các ming vàng khng.

Hình 1.2. Dạng sản phẩm nano vàng được sản xuất trên thế giới với kích thước khác nhau
có màu sắc khác nhau tuỳ thuộc kích thước của hạt [45]
Trên th ng, vàng là mt kim lot tin, các vt phc ch to ra t vàng
ng có giá tr khá cao.  ph vàng lên các vt phm
m ngh là khá quan trng trong vic làm gim giá thành sn phm mà vn gi c v
p ca vàng. Mt hin t ri  
 tc nhng lá vàng rt mng (ch c vài
 lên các vt phm có th bng g hay kim loi. Nh t phm này có
giá r t nhiu so vi vàng tht mà vc màu st.
1.2. Tính chất điện, từ của vàng
1.2.1. Tính chất điện
vàng nó  
. 
 vào 4.10
-8
[30]. vàng 
 vàng có nguyên nhân



5
0 200 400 600 800 1000
0
2
4
6
8
Resistivity ( x 10
-8

Ohm x m)
Temperature (K)
Resistivity of gold

Hình 1.3. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ của vàng kim loại [21].
Sự thay đổi của điện trở suất của kim loại vàng theo nhiệt độ có dạng tuyến tính
và có giá trị cỡ 2,3. 10
-8
Ω.m tại 300K.

I-U 


. Hgiam hãm 

1.2.2. Tính chất từ
Tính 


g [19,33]. 

14
5d
10
6(sp)
1


[29,32]. 
     có       -

1,42.10
-7
emu/g.Oe [22]).
Tuy nhiên, 

 






khi nó 




. 
nanomet. [16] 
-vinyl-2-
B

1.3. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon trên bề mặt hạt vàng kích thƣớc nanomet
1.3.1. Khái niệm hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

6
Plasmon b mt là nhn t c truyn dc theo mt tip xúc kim loi -
  mt là s ng cn t t do  b
mt ca ht nano vi s kích thích ca ánh sáng ti.  ng ca plasmon b
mt gim nhanh theo quy lun mt tip xúc kim loi - n môi.

Hing cng plasmon b mt là s kích thích các electron t do bên
trong vùng dn, dn ti s c ca mt tinh
th nano kim loi nh c sóng ca bc x ti thì xut hin plasmon b mt. Khi tn
s ca photon ti cng vi tn s ng ca electron t do  b mt kim loi thì
s xut hin hing cng plasmon b mt [2].

Hnh 1.4. Sơ đồ mô
̣
t mô hình hiê
̣
u ư
́
ng plasmon
Kim loi có nhin t t n t t do này s i tác dng
cn t ng b dp tt nhanh
chóng do các sai hng hay các nút mng tinh th trong kim long t do
trung bình cn t nh c ca tinh thc ca ht nh 
ng t do trung bình cn t thì hing dp tt không còn nn t
s ng cng ng vn t s
phân b li trong ht là cho ht tr ng cn. ng cc cn
t c hình thành vi mt tn s f nhnh. Ht nano vàng có tn s cng trong
di ánh sáng nhìn thy [4].
1.3.2. Vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon
i vi ht nano vàng, bn cht ca ph hp th không phi do s dch chuyn
gia các mng mà là do hing cng plasmon b mt.
Khi tn s ca sóng ánh sáng ti cng vi tn s ng cn t
dn trên b mc gi là hing cng plasmon b mt. Khi chiu ánh
sáng ti hi tác dng cn t trên b mt hc kích
ng thi dn ti mng tp th, gây ra mng cn trên h
1.10).






7

Hình 1.5. Phổ hấp thụ của vật liệu nano vàng

[23]. 








g 3).
1.4. Anten siêu cao tần
Anten 

       

vài
mili

 [31].
 



1.13).

8

Hình 1.6. Cấu tạo của một anten vi dải đơn giản

                
 [48].



    

  ,
 màn 

9
CHƢƠNG 2
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phƣơng pháp hóa học ƣớt chế tạo hạt Au kích thƣớc nano

[1], quang hóa [24, 28]. Phng pháp k hóa hc là dùng các tác nhân hóa hc

kh ion kim loi thành kim lo Dung d
ban
u
ccác mui ca kim loAuCl
4
. Tác nhân  ion kim  Au

+

thành
Au
ây là các cht hóa c nh Citric acid,
Sodium
Borohydride NaBH4, Ethanol
(cn), Ethylene Glycol
[13].
 các

phân tán tt trong dung môi mà không  t
 thành
m,
ng ta s dng phng pháp nh   làm cho 
mt
các 
nano có cùng in tích và y nhau h dùng
phng
pháp bao bc cht ho hóa 
mt.
Quy trình:
Các dung d
4
và Na
3
C
6
H
5

O
7



2 ± 1
0

   . Kích
   trên     10-100 nm) 
 p  Au và 
Bảng 2.1. Tỉ lệ pha trộn các dung dịch
TT

DD
HAuCl
4
(ml)
DD
Na
3
C
6
H
5
O
7
(ml)

1

Au1
0,4
15
0,388
2
Au2
0,7
15
0,678
3
Au3
0,8
15
0,776
4
Au4
1,0
15
0,971
2.2. Phƣơng pháp thủ công chế tạo lá vàng có kích thƣớc nanomet [43]






a. Nguyên liệu

10
[42]



b. Dụng cụ chế tạo
- Búa cán và
- 
0

- 
- .
- 
0

- 
- 
- 
- 
- 
c. Quy trình gia công
- 
- 
- 
- 
- 
- 
- Cán vàng
- 
- C
- 
- T
 



     



2.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu
- 
- 

11
- 






- 
- 
- 


12
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tính chất của lá vàng chế tạo bằng phƣơng pháp thủ công [5]
3.1.1. Khảo sát một số đặc trưng cấu trúc
Cấu trúc tinh thể
20 30 40 50 60 70

0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Ca
Ca
Au
Au
Au
Intensity
2Theta (
O
)
Au
Au
Ca

Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của lá vàng Au
Trên gi nhiu x tia X ta thy xut hinh Au và Ca ca (CaCO
3
), kt
qu cho thy mng có cu trúc orthorhombic vi các giá tr hng s mng là a =
11,580 Å; b = 7,746 Å; c = 4,883 Å.
Cấu trúc vi mô



Hình 3.2. Ảnh FESEM của lá vàng

Xác định độ dày của lá vàng
B dày cng thit b Veeco
Dektak 150 ti Trung tâm Khoa hc Vt liu, Khoa Vi hc Khoa hc T nhiên. T
các hình nh trên hình 3.3 và d lic, chúng ta thy r dày trung bình ca lá
c là 239nm.
a

13

Hình 3.3. Đường profile phép đo độ dày lá vàng
3.1.2. Khảo sát tính chất quang của mẫu
Kho sát tính cht quang ca lá vàng này, chúng tôi thc hi hp th trong
di bc x c sóng t 200-800 nm.
200 300 400 500 600 700 800
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Absorbance
wavelength (nm)
Au

Hình 3.4. Phổ hấp thụ của lá vàng
3.1.3. Xác định điện trở suất của lá vàng
Lá vànc ct thành dng hình ch nht lên mt
 thn tr bng thit b ph k tâm sâu s d

-0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06
-0,010
-0,005
0,000
0,005
0,010
U (V)
I (A)
Au (300K)
-0,03 -0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
-0,003
-0,002
-0,001
0,000
0,001
0,002
0,003
U (V)
I (A)
Au (170K)

Hình 3.5. Đặc trưng V-A của lá vàng tại 300K và 170K
3.2. Plasmon trên hạt Au kích thƣớc nano

14
Hình 3.6 là 


Hình 3.6. Màu sắc của các dung dịch chứa hạt nano vàng



 phân tán  .  vàng   hình
 và  trung bình  chúng là 15nm  
là 3nm. 

4,078Å [9].

(a) (b)
Hình 3.7. Ảnh TEM (a) và giản đồ nhiễu xạ tia X (b) của hạt nano vàng

.8


15

Hình 3.8. Phổ hấp thụ của hạt nano vàng: thực nghiệm
3.3. Chế tạo anten siêu cao tần có bề mặt đƣợc chức năng hóa bằng hạt Au kích thƣớc
nano
3.3.1. Phương pháp chế tạo antenna
Anten siêu cao 

3+
hòa tan Cu

9.

Hình 3.9. Cấu tạo của antenna siêu cao tần (mặt trước và mặt sau)
D
GHz (Hình 3.10).

16
Hình 3.10. Khảo sát dải tần hoạt động của antenna siêu cao tần bằng dao động ký




0



1):

Hình 3.11. Mô hnh mặt cắt 3 antenna được chế tạo


 - 
- n .

-µm
2
.
3.3.2. Ảnh hưởng của plasmon lên khả năng thu phát của anten
. Hình 3.13





Hnh 3.13. Phản hồi của M1



-15
-10
-5
0
0 5 10 15
M2
M3
M1
S1 in dark
dB
FREQUENCY [GHz]






M1
M2
M3

17
(a)
(b)
(c)
Hnh 3.14. Phản hồi của 3 mẫu anten khi có và không có ánh sáng chiếu
            
    


-  
ca 
- 


-15
-10
-5
0
0 5 10 15
light
dark
S1 for M1
dB
FREQUENCY [GHz]
-15
-10
-5
0
0 5 10 15
light
dark
S1 for M2
dB
FREQUENCY [GHz]
-15
-10
-5
0

0 5 10 15
light
dark
S1 for M3
dB
FREQUENCY [GHz]

18
 
--

siê



19
KẾT LUẬN
Luc thc hin vi mi thi công
truyn thng ch tc nano; nghiên cu nhng tính cht ca chúng. V
ht vàng, lun hing cng plasmon b mt và ng dng ph
lên antenna siêu cao tn.
 công truyn thng cc ta có th tc nhng
lá vàng mng c n phc
to ra có mt s tính cha vàng khi và mt s tính cht ca vt liu nano.
Hc ch to bc, hing cng
plasmon trên b mt ca chúng là mt trong nhng hing rt lý thú cho nhng nghiên
cu ng dng sau này.
Các antenna siêu cao tc ch tn, tuy nhiên khi thc hin kho sát
li cho nhng kt qu c ch mt bng ht nano vàng
th hin kh c chiu sáng.

u này m ng nghiên cu hu ích cho các ng dng trong thc t thi gian tip
theo.

References

Một
số tính chất quang của hạt vàng có kích thước nanomet, Advances in optics
photonics spectroscopy and applications V, 674-680.
Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất quang của
hạt vàng (Au) có kích thước nano
773-776.
Quang phổ học thực nghiệm

Luận văn thạc sĩ
Cấu
trúc và tính chất của màng vàng (Au) sử dụng trong công nghệ dát vàng cổ ở Việt
Nam
Giáo trnh cấu trúc và phân tích cấu trúc vật liệu

7. A. Mooradian (1969), Photoluminescence of metals, Physical review letter, vol. 22, No.
5, 1969, pp. 185-187.
8. A. Tao, S. Habas, and P. Yang (2008), Small 4, pp 310.

20
9. Barth, T. and Lunde, G. (1926), The lattice constants of metallic platinum, silver and
gold. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 121, 78102.
10. Carmeli I, Leitus G, Naaman R (2003), J Chem Phys, 118 :10372.
11. Crespo P, Litran R, Rojas TC (2004), Phys Rev Lett, 93:087204.
12. D. E. Aspnes, E. Kinsbron, and D. D. Bacon. (1980), Optical properties of Au: Sample
effects, Physical review B, vol. 21, No. 8.

13. D. Kim et. al (2006), Nanotechnology, 17,
4019
.
14. Hernando A, Crespo P, Garcia MA (2006), Phys Rev Lett, 96:057206.
15. Hori H, Yamamoto Y, Iwamoto T et al (2004), Phys Rev B, 69:174411.
16. Hori H, Terenishi T, Nakae Y et al (1999), Phys Lett A, 263:406.
18. J. Turkevich, P. C. Stevenson, and J. Hillier (1951), Discuss. Faraday Soc. 11, pp 55.
19. Kubler J (2009), Theory of itinerant electron magnetism, Revised edn. Oxford Science
Publications, Oxford.
20. Knaus B, Garzon S, Crawford TM (2009), J Appl Phys, 105:07A903.
21. Lide, David R.(1997), Handbook of Chemistry and Physics, 75th Edition, NewYork,
CRC Press, pp 11-41.
22. Lide DR (ed) (2009-2010), Handbook of chemistry and physics, CRC Press, Boca-
Raton.
24. Mandal M., Ghosh S. K., Kundu S., Esumi K., Pal T. (2002), UV photoactivation for
size and shape controlled synthesis and coalescence of gold nanoparticles in
micelles, Langmuir 18, pp 7792-7797.
25. M. G. Ramchandani (1971), J. Phys. F: Met. Phys. 1, pp 169-176.
26. Nusa Puksic (November 2007), gold, Ljubljana.
27. N. W. Ashcroft, D. N. Mermin (1976), Solid state physics.
28. P. Mulvaney (1996), Surface plasmon spectroscopy of nanosized metal particles,
Langmuir 12, 788.
29. Ramchandani MG (1970), J Phys C Met Phys 3:S1.
Websites:

vietsciences.free.fr/thuctap_khoahoc/thanhtuukhoahoc/hatnanokimloai.htm
42. />long_60809.html
43.
44.
t.html