LUẬN văn THẠC sĩ HAY nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc để xác định các plasmonic

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

MEEPHONEVANH VAXAYNENG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁT XẠ CỦA CHẤT
PHÁT QUANG TRÊN MÀNG NANO BẠC ĐỂ XÁC ĐỊNH
CÁC PLASMONIC HOẠT ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÁI NGUYÊN - 2020

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

MEEPHONEVANH VAXAYNENG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT PHÁT XẠ CỦA CHẤT
PHÁT QUANG TRÊN MÀNG NANO BẠC ĐỂ XÁC ĐỊNH
CÁC PLASMONIC HOẠT ĐỘNG
Ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440104

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. CHU VIỆT HÀ

THÁI NGUYÊN - 2020

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát
quang trên màng nano bạc để xác định các plasmonic hoạt động” là cơng trình
nghiên cứu của riêng tơi dƣới sự hƣớng dẫn của PSG. TS. Chu Việt Hà. Các số liệu
và tài liệu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều đƣợc trích dẫn và tham chiếu
đầy đủ.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020
Tác giả

Meephonevanh VAXAYNENG

i

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tơi xin đƣợc tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Chu Việt Hà, ngƣời
đã tận tình động viên, giảng dạy, chỉ bảo, hƣớng dẫn và định hƣớng cho tơi trong suốt
q trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm
Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tơi trong suốt q trình
thí nghiệm.

Tơi xin gửi lời cảm ơn tới học viên cao học Lục Thị Tuyến là ngƣời bạn cùng
nhóm nghiên cứu đã ln nhiệt tình hỗ trợ, hƣớng dẫn, hợp tác và cho tơi những lời
khuyên quý báu để tôi vững bƣớc trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn
của mình.
Xin cảm ơn các bạn học viên cao học Vật lý khóa 26B (2018 - 2020) đã hỗ trợ
tơi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tơi cảm ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ
tơi hồn thành luận văn này.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2020
Tác giả

Meephonevanh VAXAYNENG

ii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ..........................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................................ vi
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................3
3. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................3
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...........................................................................................3

5. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................4
6. Nội dung nghiên cứu..................................................................................................4
7. Cấu trúc của luận văn.................................................................................................4
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG PLASMON VÀ VẬT LIỆU
PLASMONIC ..............................................................................................................5
1.1. Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại ..............................................5
1.1.1. Sự tạo thành các plasmon bề mặt.........................................................................6
1.1.2. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon .....................................7
1.1.3. Sự kích thích các plasmon bề mặt .....................................................................11
1.2. Nguyên tắc tạo thành và điều khiển các plasmonic hoạt động .............................13
1.2.1. Sự điều khiển ánh sáng tới .................................................................................13
1.2.2. Sự thay đổi hàm điện môi của môi trƣờng xung quanh.....................................15
1.2.3. Thay đổi mật độ điện tích và hàm điện môi của vật liệu plasmonic .................18
1.2.4. Điều khiển khoảng cách giữa các hạt ................................................................20
1.2.5. Điều khiển tính đối xứng của cấu trúc nano plasmonic.....................................22
1.2.6. Đánh giá hiệu suất của điều khiển Plasmonic hoạt động ..................................22
1.3. Một số cấu trúc plasmonic hoạt động ...................................................................24
1.3.1. Cảm biến plasmonic ..........................................................................................24
1.3.2. Tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt có thể điều chỉnh .........................................27

iii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................31
Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................................32
2.1. Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu .........................................................................32
2.1.1. Kỹ thuật deposit chế tạo các màng nano bạc bằng phƣơng pháp bốc bay
chùm điện tử ................................................................................................................32

2.1.2. Chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc bằng phƣơng
pháp hóa khử ................................................................................................................33
2.1.3. Nghiên cứu tăng cƣờng tán xạ Raman bởi các đế SERS là cấu trúc nano
bạc trên giấy lọc ...........................................................................................................36
2.2. Các phép đo thực nghiệm .......................................................................................36
2.2.1. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) nghiên cứu vi hình thái ............36
2.2.2. Phép đo phổ hấp thụ...........................................................................................38
2.2.3. Kính hiển vi huỳnh quang..................................................................................40
2.2.4. Quang phổ tán xạ Raman ...................................................................................41
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................44
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................45
3.1. Nghiên cứu tính chất plasmonic trên các màng nano bạc ........................................45
3.1.1. Kết quả chế tạo các màng nano bạc trên đế thủy tinh .......................................45
3.1.2. Tính chất plasmonic của các màng nano bạc.....................................................46
3.2. Tính chất plasmonic của các đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên
giấy lọc ........................................................................................................................51
3.2.1. Kết quả chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc ..................51
3.2.2. Nghiên cứu các plasmonic hoạt động trên việc khảo sát tăng cƣờng tán xạ
Raman của Melamine trên các đế SERS đã chế tạo .......................................................54
3.2.3. Các giới hạn phát hiện đối với Melamine ..........................................................56
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .............................................................................................58
KẾT LUẬN .................................................................................................................59
TÀI LIỆU TH AM KHẢO ........................................................................................61
PHỤ LỤC

iv

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

LSPR

: Localized Surface plasmon resonance (Cộng hƣởng plasmon
bề mặt cục bộ)

PDMS

: Polydimethylsiloxane

SEM

: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)

SERS

: Surface enhanced Raman spectroscopy (Quang phổ Raman
tăng cƣờng bề mặt)

SP

: Surface plasmon (Plasmon bề mặt)

SPP

: Surface Plasmon polariton (Sự kết hợp của plasmon bề mặt
với photon ánh sáng tới)

SPR

: Surface plasmon resonance (Cộng hƣởng plasmon bề mặt)

TE

: Transverse electric (Phân cực điện ngang)

TM

: Transverse magnetic (Phân cực từ ngang)

UV

: Ultra violet (Tử ngoại)

v

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1.

Các mức năng lƣợng của điện tử trong kim loại......................................5

Hình 1.2.

Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại. .......................7

Hình 1.3.

a) Minh họa sóng plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim
loại và vật liệu điện mơi có các điện tích kết hợp và b) Độ xuyên
sâu của trƣờng plasmon vào kim loại và điện mơi. .................................8

Hình 1.4.

Các hình chiếu vectơ sóng của một sóng tại mặt phân cách giữa hai
mơi trƣờng. ...............................................................................................9

Hình 1.5.

Đƣờng cong tán sắc của các plasmon bề mặt. Ở giá trị k thấp,
đƣờng cong tán sắc của các plasmon trùng với đƣờng tán sắc của
photon .....................................................................................................9

Hình 1.6.

Sự kích thích Plasmon bề mặt: a. Cấu hình Kretschmann, b. Cấu
hình Otto. ...............................................................................................11

Hình 1.7.

Kết hợp pha ánh sáng với SPP bằng cách sử dụng cách tử để tạo ra
các plamonic hoạt động. ........................................................................15

Hình 1.8.

Minh họa các điện tích phân cực xung quanh một thanh nano kim
loại gây ra bởi hai môi trƣờng xung quanh với các hằng số điện môi

khác nhau. Sự gia tăng lƣợng điện tích phân cực cảm ứng là do
hằng số điện môi lớn hơn của môi trƣờng ............................................18

Hình 1.9.

a) Cảm biến với các cấu trúc plasmonic hoạt động và bƣớc sóng
cực đại LSPR đƣợc vẽ theo thời gian là peaceodulin trải qua những
thay đổi về hình dạng, đƣợc gây ra bởi việc bổ sung các ion Ca2+ tự
do và tác nhân tạo chelat, EGTA, cho các ion Ca2+ (a, b); và (c) Phổ
dập tắt của lớp hạt nano Au dày đặc không làm biến dang (trái) và biến
dạng12,8% (phải) đƣợc ghi dƣới các phân cực kích thích khác nhau ........25

Hình 1.10.

Điều chế thiết bị hoạt động tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt: a) Sơ
đồ hiển thị thiết bị hoạt động tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt bao
gồm một màng nanoplasmonic biến dạng dƣới điều khiển khí nén;
b) Sự thay đổi của mức tăng tán xạ Raman tăng cƣờng bề mặt điều
chỉnh cộng hƣởng plasmon. ...................................................................29

vi

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 2.1.

Sơ đồ nguyên tắc lắng đọng vật liệu bằng phƣơng pháp bốc bay
chùm điện tử...........................................................................................32

Hình 2.2.

Cấu tạo một màng nano kim loại bạc đƣợc chế tạo bằng phƣơng
pháp bốc bay chùm điện tử. ...................................................................33

Hình 2.3.

Minh họa các bƣớc chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng
trên giấy lọc. ...........................................................................................35

Hình 2.4.

Sơ đồ quy trình chế tạo đế SERS là cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên
giấy lọc. ..................................................................................................35

Hình 2.5.

Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét: (1) Súng điện tử, (2) Thấu
kính điện từ, (3) Mẫu đo, (4) Bộ phát quét, (5) Đầu thu, (6) Bộ
khuếch đại, (7) Đèn hình. .......................................................................37

Hình 2.6.

Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis. ......................................................39

Hình 2.7.

a) Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi huỳnh quang cấu hình cơ bản
và, b) cấu hình epi. .................................................................................40

Hình 2.8.

Giản đồ các mức năng lƣợng dao động. .................................................43

Hình 3.1.

Ảnh chụp các màng nano bạc đƣợc làm trên đế thủy tinh với độ dày
khác nhau. ...............................................................................................45

Hình 3.2.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của bề mặt màng nano bạc. ................45

Hình 3.3.

Đặc trƣng phổ huỳnh quang của các hạt nano OB. ...............................47

Hình 3.4.

Phổ bất đẳng hƣớng huỳnh quang của các hạt nano OB dƣới bƣớc
sóng kích thích 532 nm ở nhiệt độ phịng. .............................................47

Hình 3.5.

Minh họa thí nghiệm quan sát huỳnh quang của hạt nano OB trên
màng nano bạc. ......................................................................................47

Hình 3.6.

Mơ tả sóng plasmon đƣợc kích thích bởi một lƣỡng cực dao động là

chất phát quang, trong trƣờng hợp này là hạt nano OB. ........................48

Hình 3.7.

Ảnh huỳnh quang một hạt nano OB trên các màng bạc độ dày
khác nhau. .............................................................................................49

Hình 3.8.

Cƣờng độ phát xạ tại ví trí hạt theo các độ dày màng nano bạc
khác nhau. .............................................................................................49

Hình 3.9.

Sự phụ thuộc của cƣờng độ phát xạ của các hạt nano OB trên các
màng bạc theo độ dày của màng. ...........................................................50

vii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 3.10.

Độ dài truyền plasmon trên các màng nano bạc độ dày khác nhau
với bƣớc sóng tới 560 nm. .....................................................................50

Hình 3.11.

Độ dài lan truyền sóng plasmon bề mặt trên biên phân cách giữa

điện mơi khơng khí và màng bạc với độ dày 30 nm (hình trái) và
100 nm (hình phải) theo các bƣớc sóng khác nhau. ..............................51

Hình 3.12.

Ảnh chụp đế SERS giấy bạc sau khi chế tạo đƣợc với tốc độ lắc là
2000 vòng/phút và thời gian lắc là 1 phút..............................................51

Hình 3.14.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của đế SERS giấy bạc sau khi chế tạo đƣợc
với tốc độ lắc là 2000 vòng/phút và thời gian lắc là 1 phút. ..................53

Hình 3.15.

Phổ hấp thụ plasmon của đế SERS (giấy lọc - Ag). ..............................54

Hình 3.16.

Phổ Raman đo đƣợc cho melamine (10-4M) với các nồng độ
AgNO3 khác nhau. .................................................................................55

Hình 3.17.

Sự phụ thuộc của cƣờng độ tín hiệu SERS vào nồng độ của AgNO3. ..56

Hình 3.18.

(a) Phổ tán xạ Raman của Melamine trên đế (SERS) với các nồng
độ melamine khác nhau và (b) phổ Raman của bột melamine đƣợc

đo trên đế thủy tinh. ...............................................................................57

viii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Plasmonic là một lĩnh vực đầy hứa hẹn của khoa học và công nghệ. Lĩnh vực
này khai thác sự tƣơng tác giữa ánh sáng và vật chất thông qua cộng hƣởng plasmon
bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) cho nhiều tính chất và chức năng khác
nhau. SPR là sóng điện từ đƣợc gây ra bởi giao động động tập thể của các hạt mang
điện (điện tử) tại mặt phân cách giữa 2 mơi trƣờng có hàm điện mơi trái dấu, điển
hình nhƣ kim loại và điện mơi. Các dao động điện tử nhƣ vậy có thể lan truyền dọc
theo mặt phân cách (plasmon polariton, SPP) hoặc bị giam giữ trên một cấu trúc nhỏ
hơn bƣớc sóng (cộng hƣởng plasmon bề mặt cục bộ, LSPR). Sau khi đƣợc kích thích,
các dạng của SPR có thể giam giữ trƣờng điện từ của ánh sáng ở một thang nhỏ hơn
bƣớc sóng, dẫn đến sự tăng cƣờng đáng kể của trƣờng định xứ và cho phép điều
khiển ánh sáng dƣới giới hạn nhiễu xạ. Các vật liệu cho hiệu ứng plasmon bề mặt
đƣợc gọi là các vật liệu plasmonic. Khả năng hấp dẫn của SPR làm cho các vật liệu
plasmonic có tiềm năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quang tử, hóa
học, năng lƣợng, và khoa học sự sống. Kết quả là, trong hai thập kỷ qua, mối quan
tâm khoa học đối với vật liệu plasmonic và SPR đƣợc tăng cƣờng [4], [6], [7], [13],
[16], [18], [24], [25].
Các tiến bộ quan trọng trong kỹ thuật chế tạo vật liệu nano giúp cho việc thực
hiện kiểm soát tổng hợp kích thƣớc, hình dạng, số chiều và cấu trúc liên kết bề mặt
của vật liệu plasmonic, thƣờng với độ chính xác nanomet. Các nghiên cứu cho thấy
tính chất SPR của vật liệu plasmonic phụ thuộc vào thành phần, thơng số hình học, sự
sắp xếp khơng gian và mơi trƣờng điện môi xung quanh. Hiểu về mối quan hệ phụ

thuộc này cung cấp một hƣớng dẫn rõ ràng để kiểm sốt thêm các thuộc tính của SPR
cho các khía cạnh mới của khoa học cơ bản, đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng cơng
nghệ khác nhau. Đã có một số báo cáo trong việc xây dựng các cấu trúc nano
plasmon phức tạp, và đã làm sáng tỏ làm thế nào các SPR trong mỗi cặp thành phần
cấu trúc nano để tạo ra các mode plasmon mới, các đáp ứng quang phổ hấp dẫn và sự
tăng cƣờng trƣờng điện lớn [17]. Các hệ plasmonic kết hợp với điện trƣờng lớn đƣợc
ứng dụng trong khuếch đại huỳnh quang, hấp thụ hồng ngoại, và tăng cƣờng tín hiệu

1

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


tán xạ Raman. Tuy nhiên, việc chỉ thực hiện khuếch đại trƣờng điện từ là không đủ.
Mối quan tâm xa hơn đối với các nhà nghiên cứu là làm thế nào định lƣợng các tín
hiệu quang và có thể đảo ngƣợc.
Những nỗ lực lý thuyết và thực nghiệm ban đầu để đạt đƣợc sự kiểm sốt thuận
nghịch của SPR có liên quan đến sự phát triển của các bộ điều biến ánh sáng trong
những năm 1980. Các nguyên tắc hoạt động của các bộ điều biến ánh sáng là làm
nhiễu sự phản xạ toàn phần bị suy giảm bằng cách điều khiển cơ học kích thích tín
hiệu SPP hoặc bằng cách thay đổi chỉ số khúc xạ của môi trƣờng xung quanh cách tử
kim loại để có SPP. Do sự không phù hợp động lƣợng (hay sự không phù hợp vectơ
sóng) giữa ánh sáng trong khơng gian tự do và SPP, sự hình thành SPP trong các bộ
điều biến này phải dựa vào cấu hình khớp nối lăng kính. Cấu hình quang học cồng
kềnh nhƣ vậy khơng phải là lý tƣởng để tích hợp mật độ cao và điều chuyển nhanh.
Nhiều nghiên cứu đã cung cấp các bề mặt plasmonic có kết cấu mới cho sự kích thích
khơng gian tự do của SPP và các cấu trúc nano plasmon để có LSPR. Sự kết hợp của
các cấu trúc plasmonic này cho phép thu hẹp các thành phần quang tử. Các chức năng
kiểm sốt hoạt động đã mở rộng khơng giới hạn khả năng ứng dụng của các cấu trúc
plasmonic. Những phát hiện thú vị và những tiến bộ theo hƣớng này đánh dấu sự xuất

hiện của một trƣờng con (subfield) mới dƣới plasmonic, đó là plasmonic hoạt động
(active plasmonics). Khái niệm về plasmonic hoạt động đƣợc đặt ra cho việc tạo
thành SPP vào 2004, nhƣng hiện nay nó đƣợc sử dụng rộng rãi để mô tả trƣờng con
mới này của plasmonic. Tại trung tâm của plasmonic hoạt động là các cấu trúc
plasmonic hoạt động hỗ trợ SPR có thể điều chỉnh. Do đó có thể hiểu các plasmonic
hoạt động là sự điều khiển và thao tác trên các plasmon bề mặt của vật liệu
plasmonic. Để có các cấu trúc plasmonic hoạt động, các nghiên cứu tập trung vào
những chất bao gồm kim loại plasmon và các loại môi trƣờng xung quanh hoạt động
đặc biệt, nhƣ tinh thể lỏng và phân tử chất phát quang. Các cấu trúc plasmonic hoạt
động sẽ đƣợc chia thành ba loại theo các cơ chế điều chế có liên quan: cấu trúc
plasmonic đƣợc nhúng trong mơi trƣờng điện mơi có thể điều chỉnh, cấu trúc
plasmonic với khoảng cách có thể điều chỉnh và cấu trúc plasmonic tự điều chỉnh
[17]. Trong những năm gần đây, đã có một số nhóm nghiên cứu đề tài về tần số cộng

2

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


hƣởng Plasmon bề mặt trong các cấu trúc nano kim loại (bạc, vàng). Tuy nhiên với
các nghiên cứu vậy mà để quan sát các plasmonic hoạt động trên tính chất phát xạ của
các chất phát quang cũng là một vấn đề hết sức cần thiết phải nghiên cứu.
Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi muốn thực hiện quan sát các
plasmonic hoạt động trên các màng nano kim loại bạc có phủ trên bề mặt một lớp
điện mơi silica. Thí nghiệm dựa trên nghiên cứu các tính chất quang của các chất phát
quang trên các màng nano bạc. Do đó, tên đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ đƣợc
chọn là: “Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên màng nano bạc
để xác định các plasmonic hoạt động”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại, hiệu ứng cộng

hƣởng plasmon bề mặt, sự tăng cƣờng huỳnh quang và tăng cƣờng tán xạ Raman do
các plasmonic hoạt động.
- Nghiên cứu chế tạo đƣợc các màng nano bạc và các cấu trúc nano bạc dị
hƣớng trên giấy lọc nhằm nghiên cứu tính chất tăng cƣờng huỳnh quang của các chất
phát quang dƣới ảnh hƣởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của các màng nano bạc và
tăng cƣờng tán xạ Raman sử dụng cấu trúc nano bạc dị hƣớng để “quan sát” các
plasmonic hoạt động.
3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài đƣợc thực hiện trên việc nghiên cứu và khảo sát
các tính chất quang của các chất phát quang trên các màng nano bạc và khảo sát
quang phổ Raman của chất Melamine sử dụng cấu trúc nano bạc dị hƣớng trên giáy
lọc. Ảnh hƣởng của hiệu ứng plasmon bề mặt của màng nano bạc lên sự phát xạ của
các chất phát quang và tăng cƣờng tán xạ Raman sẽ đóng góp bằng chứng quan sát về
các plasmonic hoạt động.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Tổng hợp, nghiên cứu tài liệu và các mơ hình lý thuyết.
- Thiết kế thí nghiệm với các màng nano bạc và các chất phát quang để khảo
sát ảnh hƣởng của hiệu ứng Plasmon bề mặt đến tính chất phát xạ của chất phát
quang, từ đó quan sát đƣợc các Plasmonic hoạt động.

3

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


- Thực nghiệm chế tạo các đế SERS trên giấy lọc bằng phƣơng pháp hóa khử.
- Thực nghiệm đo mẫu thơng qua các phép đo phổ quang học.
- Phân tích các dữ liệu thực nghiệm.
5. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu là các màng nano bạc độ dày vài chục đến 100 nm, cấu

trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc và các chất phát quang nhƣ các hạt nano phát
quang và các chất màu hữu cơ.
6. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tính chất phát xạ của chất phát quang trên các màng nano bạc để
xác định các plasmonic hoạt động. Tính tốn độ dài lan truyền của sóng plasmon trên
các màng nano bạc.
- Nghiên cứu và khảo sát quang phổ Raman của chất melamine sử dụng cấu
trúc nano bạc dị hƣớng trên giấy lọc bằng phƣơng pháp hóa khử.
- Đƣa ra bức tranh về các tính chất plasmonic của các màng bạc bao gồm các
màng nano bạc trên đế thủy tinh và các cấu trúc bạc dị hƣớng trên giấy lọc dựa trên các
thí nghiệm đã khảo sát.
7. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 3 chƣơng:
Chƣơng 1. Tổng quan về hiệu ứng plasmon và vật liệu plasmonic.
Chƣơng 2. Thực nghiệm.
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận.

4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG PLASMON VÀ VẬT LIỆU PLASMONIC
1.1. Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại
Các cấu trúc nano kim loại với kích thƣớc từ 1 đến vài trăm nanomet, bao gồm
một số lƣợng lớn các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với nhau. Các hạt nano kim loại
có thể chứa số lƣợng nguyên tử từ 3 đến 107. Các hạt này đƣợc nghiên cứu chế tạo có
thể đƣợc phân bố trong khơng gian tự do hoặc trong chất khí, lỏng, hoặc đƣợc nhúng
trong chất rắn, hoặc đƣợc bao phủ bởi vỏ hay đƣợc lắng đọng trên một vật liệu nền

[2]. Hiệu ứng kích thƣớc nội tại của các hạt nano kim loại liên quan đến các thay đổi
cụ thể trong các tính chất so với vật liệu khối và bề mặt của hạt. Thực nghiệm cho
thấy kích thƣớc của các hạt nano kim loại ảnh hƣởng lên các tính chất cấu trúc và
điện tử, cụ thể là thế ion hóa, năng lƣợng liên kết, phản ứng hóa học, cấu trúc tinh
thể, nhiệt độ nóng chảy và các tính chất quang phụ thuộc vào kích thƣớc và hình học
của chúng. Hình 1.1 trình bày phổ năng lƣợng của kim loại khối so sánh với các hạt
kim loại ở kích thƣớc nano. Đối với kim loại khối, cấu trúc vùng năng lƣợng là gần
nhƣ liên tục; cịn đối với các hạt kích thƣớc nano, do hiệu ứng kích thƣớc lƣợng tử,
các mức năng lƣợng của điện tử bị gián đoạn (lƣợng tử hóa) và các hàm quang học
cũng phụ thuộc vào kích thƣớc [5].

Hình 1.1. Các mức năng lượng của điện tử trong kim loại [5].

Khi kích thƣớc của vật liệu kim loại giảm xuống so sánh đƣợc với quãng đƣờng
tự do của điện tử trong kim loại, các điện tử tự do của kim loại có thể dao động tập thể
với tần số cộng hƣởng với tần số của ánh sáng chiếu tới bề mặt kim loại. Sự cộng

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


hƣởng điện từ do các dao động tập thể của các điện tử dẫn (các điện tử tự do) của các
cấu trúc nano kim loại dƣới sự kích thích của ánh sáng tới đƣợc gọi là plasmon. Hiện
tƣợng này ảnh hƣởng mạnh đến các tính chất quang học của các cấu trúc nano kim
loại và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu cho các thiết bị quang tử trong tƣơng lai. Các
plasmon trong cấu trúc nano kim loại hiện nay đƣợc nghiên cứu bằng các kĩ thuật hiển
vi từ trƣờng gần và xa [5]. Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại cho
thấy triển vọng thú vị để hiểu biết và khai thác các hiện tƣợng giam giữ ánh sáng ở
thang nano. Độ nhạy bề mặt cao nên làm cho hiệu ứng này trở thành vấn đề quan tâm

trong những năm gần đây, không chỉ trong nghiên cứu cơ bản mà còn trong các ứng
dụng nhƣ làm bộ cảm biến hoặc lƣu trữ dữ liệu, dẫn tới ứng dụng cho các dụng cụ
quang nano và micro [16].
1.1.1. Sự tạo thành các plasmon bề mặt
Để hiểu về hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt, chúng ta đi tìm hiểu các
khái niệm về hiệu ứng plasmon nhƣ sau [1]:
- Plasmon: là dao động tập thể của các điện tử tự do.
- Plasmon polariton bề mặt (surface plasmon polariton, SPP): là dao động của điện
tử tự do ở trên bề mặt kim loại dƣới tác dụng của ánh sáng tới.
- Cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR): là sự kích thích tập
thể đồng thời của tất cả các điện tử dẫn thành một dao động đồng pha.
Ví dụ, xét một hạt nano kim loại dạng cầu, điện trƣờng các sóng ánh sáng tới
tạo nên sự phân cực của các điện tử dẫn đối với lõi ion nặng. Sự chênh lệch điện tích
thực tế ở các biên của hạt nano cầu về phần mình hoạt động nhƣ lực hồi phục. Bằng
cách đó dao động lƣỡng cực của điện tử với một chu kì T nào đó đƣợc tạo nên (hình
1.2); đó chính là các plasmon.
Nhƣ vậy, thuật ngữ “Plasmon” và “Plasmon bề mặt” đƣợc sử dụng để mô tả
các dao động tập thể của một nhóm các điện tử trong kim loại. Plasmon có nghĩa rằng
các điện tử đƣợc tự do chuyển động trong kim loại theo cách tƣơng tự nhƣ của các
ion trong một plasma khí. Plasmon bề mặt (SP) là các sóng điện từ lan truyền dọc
theo biên phân cách của hai vật liệu với các hàm điện môi trái dấu, ví dụ nhƣ một kim
loại và một điện môi [1]. Thuật ngữ plasmon polariton (SPP) cũng đƣợc sử dụng

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


tƣơng tự nhƣ plasmon bề mặt. SPP là sự kết hợp của SP với photon ánh sáng tới, có
thể lan truyền dọc theo bề mặt kim loại cho đến khi năng lƣợng của nó mất hết do sự

hấp thụ trong trong kim loại hoặc sự bức xạ năng lƣợng trong khơng gian tự do. Do
đó có thể hiểu Plasmon bề mặt (Surface plasmon, SP) là các mode liên kết của
trường điện từ của ánh sáng tới và các điện tử tự do trong kim loại [1]. Chúng có thể
xem nhƣ ánh sáng hai chiều bị ràng buộc bởi một mặt phân cách kim loại - điện mơi
và có thể bị giam giữ theo các kích thƣớc nhỏ hơn nhiều so với bƣớc sóng ánh sáng
trong khơng gian tự do.

Hình 1.2. Sự tạo thành plasmon bề mặt trên các hạt nano kim loại [2].

1.1.2. Tần số plasmon và độ dài lan truyền của sóng plasmon
Xét mặt phân cách giữa hai mơi trƣờng có hàm điện mơi trái dấu, ví dụ nhƣ kim
loại và khơng khí. Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách sẽ gây nên một
phân bố điện tích trên bề mặt kim loại. Dao động của phân bố điện tích này tạo thành
một sóng lan truyền dọc theo mặt phân cách kim loại điện môi gọi là sóng plasmon
[1]. Sóng plasmon giữa hai mặt phân cách kim loại - điện mơi đƣợc minh họa trên
hình 1.3. Vì sóng plasmon là sóng dao động hình thành trên biên phân cách giữa hai

7

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


mơi trƣờng có hàm điện mơi trái dấu, cho nên lý thuyết điện từ học đƣợc áp dụng để
giải bài tốn sóng điện từ trên biên phân cách giữa hai mơi trƣờng.

Hình 1.3. a) Minh họa sóng plasmon bề mặt tại mặt phân cách giữa một kim loại và vật liệu
điện mơi có các điện tích kết hợp và b) Độ xuyên sâu của trường plasmon vào kim loại và
điện mơi [1].

Xét mặt phân cách giữa hai mơi trƣờng có hàm điện mơi là 1 và 2. Điện

trƣờng của sóng điện từ lan truyền đƣợc biểu diễn bởi công thức:
E  E 0 e x p  i  k x x  k z z  ω t  

(1.1)

trong đó k là số sóng và  là tần số. Bằng việc giải phƣơng trình Maxwell cho sóng
điện từ tại mặt phân cách giữa hai vật liệu với hằng số điện mơi là 1 và 2 (hình
1.4), sử dụng các điều kiện biên liên tục của điện thế và vectơ điện dịch ta có [1]:
k z1
1

và



k z2

k x  k zi
2

(1.2)

2
2


 i  
 c 

2

, i = 1, 2

(1.3)

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không, kx là nhƣ nhau tại mặt phân cách cho
một sóng bề mặt. Từ hai phƣơng trình (1.2) và (1.3) ta có mối quan hệ tán sắc cho
một sóng lan truyền trên bề mặt là:
kx

  1 2 



c  1   2 

1/ 2

 k SP

(1.4)

8

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Trong mơ hình của khí điện tử tự do, bỏ qua sự suy giảm, hàm điện môi của
kim loại đƣợc cho bởi [1]:
2

ε ω



ωp

= 1 -

ω

(1.5)

2

trong đó P là tần số plasma của kim loại khối, có biểu thức trong đơn vị SI là:
ωp =

ne

2

0m

(1.6)

*

với n là mật độ điện tích, e là điện tích của điện tử, m* là khối lƣợng hiệu dụng của
điện tử và 0 là hằng số điện môi trong chân không. Đƣờng cong của hệ số tán sắc

đƣợc biểu diễn trên hình 1.5. Ở giá trị các vectơ sóng nhỏ, các SPP thể hiện giống
nhƣ các photon, nhƣng khi k tăng, đƣờng cong tán sắc bị uốn cong và đạt tới một giới
hạn tiệm cận tới tần số plasma p. Tần số plasma của kim loại khối đƣợc hiểu là tần
số dao động của tập thể các điện tử tự do trong kim loại khối (sóng này đƣợc gọi là
sóng plasma trong kim loại).
Tần số plasmon bề mặt đƣợc cho bởi:
 SP   P /

Hình 1.4. Các hình chiếu vectơ
sóng của một sóng tại mặt phân
cách giữa hai mơi trường [1].

1  2

(1.7)

Hình 1.5. Đường cong tán sắc của các plasmon bề
mặt. Ở giá trị k thấp, đường cong tán sắc của các
plasmon trùng với đường tán sắc của photon [1].

Trong trƣờng hợp môi trƣờng điện mơi là khơng khí trên bề mặt kim loại, thì ta có:

 SP   P /

2

(1.8)

9

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Từ cơng thức 1.4 và hình 1.5 chúng ta thấy, với cùng một tần số, giá trị vectơ
sóng của plasmon kSP lớn hơn so với giá trị vectơ sóng của photon. Do sự chênh lệch
vectơ sóng này, sóng plasmon chỉ lan truyền trên biên phân cách giữa kim loại và
điện môi.
Xét mặt phân cách giữa kim loại (1) và điện mơi (2) ta có 2 là thực và 2 > 0 và ε1
< 0 (là điều kiện kim loại thỏa mãn). Sóng điện từ đi qua kim loại sẽ bị suy hao do các
mất mát ohmic và các tƣơng tác giữa điện tử và lõi ion. Các hiệu ứng này cho thấy có
một thành phần ảo của hàm điện mơi. Hàm điện môi của kim loại đƣợc biểu diễn nhƣ
sau [1], [15]:
ε 1  ε r  iε i

(1.9)

Trong đó r là phần thực và i là phần ảo.
Nói chung |r| >> |i|, biểu thức của số sóng tại mặt phân cách của các plasmon
đƣợc biểu diễn nhƣ sau [5]:
kx

   

r 2
 k x  ik x   

 c  r  2 


1/ 2


   

r 2
  i 


 c  r  2 



3/2

i 

2
2r 


(1.10)

Biểu thức vectơ sóng cho ta ý nghĩa vật lý của sóng điện từ trong kim loại là
biên độ không gian của các plasmon và yêu cầu để có sự kết hợp vectơ sóng tại mặt
phân cách.
Đối với một sóng SPP lan truyền dọc theo một bề mặt kim loại, năng lƣợng của
nó sẽ bị mất do sự hấp thụ của kim loại hoặc bị bức xạ vào không gian tự do. Tại một
khoảng cách x, cƣờng độ sóng plasmon giảm theo hệ số exp[-2kx"x]. Độ dài lan
truyền plasmon đƣợc định nghĩa là khoảng cách mà sóng plasmon có cƣờng độ giảm
đi e lần, đƣợc cho bởi công thức [1]:

L 

1

(1.11)

2 k x

Tƣơng tự nhƣ vậy, điện trƣờng giảm một cách nhanh chóng theo chiều vng
góc với bề mặt kim loại. Ở các tần số thấp, sự thâm nhập của SPP vào kim loại gần
đúng với công thức độ xuyên sâu của một trƣờng vào kim loại. Trong môi trƣờng
điện môi, trƣờng sẽ giảm chậm hơn nhiều. Độ xuyên sâu của trƣờng plasmon vào kim
loại m và điện môi d đƣợc biểu diễn theo các công thức [1]:

10

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


δm

λ  r   




2π 
r


δd

λ  r   




2π 
2


1/ 2

(1.12)

1/ 2

(1.13)

Độ xuyên sâu của trƣờng plasmon vào kim loại và điện mơi đƣợc biểu diễn trên
hình 1.3b.
1.1.3. Sự kích thích các plasmon bề mặt
Nhƣ đã trình baỳ ở trên, các plasmon bề mặt hình thành khi xuất hiện các dao
động của điện tử tự do ở bề mặt của kim loại dƣới sự kích thích của ánh sáng tới.
Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance, SPR) là sự kích
thích tập thể đồng thời của tất cả các điện tử “tự do” trong vùng dẫn tới một dao động
đồng pha. Các plasmon có thể đƣợc kích thích bởi cả điện tử và photon ánh sáng. Sự
kích thích bởi điện tử đƣợc tạo ra khi bắn một chùm điện tử vào một khối kim loại.
Do các điện tử bị tán xạ, năng lƣợng đƣợc truyền vào các plasma khối. Thành phần
song song của vectơ tán xạ với bề mặt đƣa đến kết quả hình thành nên các plasmon.

Các kích thích bởi ánh sáng dẫn đến các plasmon bề mặt đối với các bề mặt
phẳng đƣợc gọi là cộng hƣởng Plasmon bề mặt (SPR) và cộng hƣởng Plasmon bề mặt
định xứ (LSPR) đối với các cấu trúc kim loại kích thƣớc nano mét. Hiện tƣợng này là cơ
sở của nhiều công cụ tiêu chuẩn dùng để đo sự hấp thụ của vật liệu lên một bề mặt kim
loại phẳng (điển hình là vàng và bạc) hoặc lên một bề mặt của các hạt nano kim loại. Đây
cũng là cơ sở cho các ứng dụng về cảm biến sinh học đa màu và các sensor lab-on chip.

Hình 1.6. Sự kích thích Plasmon bề mặt: a. Cấu hình Kretschmann, b. Cấu hình Otto.

11

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Sự kết hợp các photon ánh sáng kích thích với các SPP có thể thu đƣợc khi sử
dụng một mơi trƣờng kết hợp nhƣ một lăng kính hoặc một con cách (grating) để làm
kết hợp các vectơ sóng giữa photon và các plasmon bề mặt. Một lăng kính có thể
đƣợc đặt trên một màng kim loại mỏng theo cấu hình Kretschmann hoặc rất gần bề
mặt kim loại nhƣ cấu hình của Otto (hình 1.6) [1].
Để mơ tả sự tồn tại và tính chất của các plasmon bề mặt, ngƣời ta có thể lựa
chọn rất nhiều mơ hình khác nhau (ví dụ nhƣ lý thuyết lƣợng tử, mơ hình Drude,
v.v…). Cách đơn giản nhất để tiếp cận vấn đề này là coi mỗi vật liệu là một môi
trƣờng đồng nhất đƣợc mô tả bởi hàm điện môi tƣơng đối phụ thuộc vào tần số giữa
mơi trƣờng bên ngồi và bề mặt. Hàm điện môi của vật liệu là một số phức và đƣợc
gọi tắt là hằng số điện môi của vật liệu. Để tồn tại số hạng mô tả các Plasmon bề mặt,
phần thực của hằng số điện của kim loại phải âm và độ lớn của nó phải lớn hơn độ
lớn của hằng số điện của điện môi. Điều kiện này đƣợc đáp ứng trong vùng bƣớc
sóng hồng ngoại - nhìn thấy cho các mặt phân cách kim loại/khơng khí và kim
loại/nƣớc (phần thực của hằng số điện môi của kim loại là âm, và của nƣớc và khơng
khí là dƣơng). Các polariton Plasmon bề mặt định xứ là các dao động điện tích của

tập thể điện tử trong các hạt nano kim loại dƣới kích thích của ánh sáng. Chúng cho
thấy cƣờng độ trƣờng gần đƣợc tăng trƣởng tại bƣớc sóng cộng hƣởng. Trƣờng này
định xứ cao tại các hạt nano và phân rã nhanh từ mặt phân cách hạt nano/điện môi
vào bên trong nền điện môi, mặc dù tán xạ trƣờng xa bởi các hạt cũng đƣợc tăng
cƣờng do cộng hƣởng. Sự tăng trƣởng bề mặt và tán xạ trƣờng xa là các khía cạnh
quan trọng của LSPRs, sự định xứ ở đây có nghĩa là các LSPR có độ phân giải khơng
gian cao (nhỏ hơn bƣớc sóng), và chỉ bị giới hạn do kích thƣớc của các hạt nano. Do
biên độ trƣờng đƣợc tăng trƣởng, các hiệu ứng phụ thuộc vào biên độ nhƣ hiệu ứng
quang-từ cũng đƣợc tăng trƣởng bởi LSPR [1].
Cũng cần phải chú ý là plasmon cũng tồn tại trong khối và ở bề mặt của phần
lớn các kim loại. Tuy nhiên do sự khác nhau giữa mối quan hệ tán sắc của plasmon
và photon, các plasmon khơng thể bị kích thích bởi ánh sáng phẳng thơng thƣờng.
Các hạt nano kim loại có đặc tính là sự kết hợp mơ men xung lƣợng khơng phải yêu
cầu lâu hơn và các plasmon có thể đƣợc kích thích bởi ánh sáng thƣờng. Trong các

12

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


đám nhỏ, các plasmon khối và bề mặt đƣợc kết hợp, và mật độ điện tích thay đổi
khắp nơi trong hạt. Các cộng hƣởng đa cực tồn tại trong từng hạt nano và có thể đƣợc
kích thích. Sự khác nhau duy nhất giữa plasmon lƣỡng cực và đa cực là hình dạng của
phân bố điện tích bề mặt trên bề mặt của các hạt nano. Thuật ngữ “bề mặt” xuất phát
từ thực tế là tất cả các điện tử dao động so với nền ion dƣơng, nguyên nhân chủ yếu
tạo thành lực hồi phục là do sự phân cực bề mặt. Bề mặt do đó đóng một vai trị quan
trọng đối với sự quan sát cộng hƣởng plasmon do nó làm thay đổi điều kiện biên đối
với khả năng phân cực của kim loại, và do đó làm dịch tần số quang cộng hƣởng.
1.2. Nguyên tắc tạo thành và điều khiển các plasmonic hoạt động
Phần này chúng tơi trình bày cơ sở lý thuyết ngắn gọn về các nguyên tắc tạo

thành và việc điều khiển plasmonic hoạt động. Nhƣng với các cơ sở lý thuyết này hầu
hết đã đƣợc trình bày ở phần lý thuyết về cộng hƣởng plasmon bề mặt (SPR) trong đó
bao gồm SPP và LSPR (kết hợp và khơng kết hợp). Các dạng SPR này cũng có thể
đƣợc hỗ trợ bởi một số vật liệu phi kim loại, chẳng hạn nhƣ graphene và chất bán dẫn
pha tạp cao; các lý thuyết cổ điển về SPR vẫn dựa trên kim loại [17]. Do đó, việc
phân tích sự tạo thành và việc điều khiển các plasmonic hoạt động chủ yếu là dành
cho lý thuyết về SPR trong kim loại.
1.2.1. Sự điều khiển ánh sáng tới
SPR đƣợc hiểu là một tƣơng tác đặc biệt giữa ánh sáng và vật chất, việc điều
khiển ánh sáng tới là một con đƣờng trực tiếp dẫn đến việc tạo thành SPR. Điện
trƣờng dao động từ ánh sáng tới có thể kết hợp với SPR hay chính xác hơn là SPP ở
mặt phân cách kim loại - điện mơi có vectơ sóng trùng với plasmon. Sự tạo thành
SPR để có các plasmonic hoạt động có thể đƣợc thực hiện theo hai cấu hình
Kretschmann và Otto nhƣ đã trình bày trên hình 1.6. Trong cấu hình Kretschmann,
lăng kính chỉ số khúc xạ cao đƣợc ghép với ống dẫn sóng kim loại - điện mơi bao
gồm một màng kim loại có độ dày đủ nhỏ (thƣờng dƣới 100 nm đối với ánh sáng ở
vùng nhìn thấy và gần hồng ngoại (NIR) và chất điện mơi có chiết suất nd (nd < np, np
là chỉ số khúc xạ của lăng kính). Một sóng ánh sáng truyền qua lăng kính có thể bị
phản xạ trở lại và lan truyền trong kim loại dƣới dạng sóng điện từ tiêu tán, khi góc
tới của sóng ánh sáng lớn hơn góc tới hạn cho phản xạ tồn phần ở bên trong. Sóng

13

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


tiêu tán (evanescent wave) xuyên qua màng kim loại mỏng và có thể đƣợc kết hợp với
SPP tại mặt phân cách kim loại - điện mơi (ranh giới ngồi của màng kim loại) bằng
cách điều khiển góc tới trên đế của lăng kính. Trong điều kiện kết hợp, SPP bị kích
thích bởi ánh sáng tới, đƣợc phát hiện dƣới dạng nhúng tại một bƣớc sóng cụ thể

trong quang phổ của ánh sáng phản xạ từ lăng kính. Đối với ánh sáng tới ở một bƣớc
sóng cụ thể, điều kiện kết hợp đƣợc thỏa mãn ở một góc tới. Kết quả là, trong cấu
hình Kretschmann, việc chủ động điều khiển góc tới cho phép kích thích SPP và gây
ra sự thay đổi cƣờng độ của ánh sáng phản xạ.
Cấu hình Kretschmann khơng áp dụng đƣợc cho việc kích thích SPP khi có
tiếp xúc trực tiếp giữa lăng kính và bề mặt kim loại hoặc màng kim loại khơng đủ
mỏng để sóng điện từ tiêu tán có thể xuyên qua. Để giải quyết vấn đề này, một lớp
điện mơi có chiết suất (nd) nhỏ hơn so với lăng kính (np) đƣợc đặt giữa lăng kính và
màng kim loại, đƣợc đặt tên là cấu hình Otto [17]. Với điều kiện nd nhỏ hơn np, ánh
sáng tới ở góc tới cụ thể,  > sin-1(nd/np), có thể đƣợc phản xạ tồn phần tại phân cách
giữa lăng kính và lớp điện mơi, tạo ra một sóng tiêu tán (tắt dần) suy giảm theo hàm
mũ theo khoảng cách trong lớp điện môi. Nếu độ dày của lớp điện mơi đƣợc điều
chỉnh thích hợp, điển hình là vài trăm nanomet trong chế độ quang học, sóng tiêu tán
có thể chạm tới mặt phân cách kim loại - điện mơi với cƣờng độ đủ để kích thích
SPP. Do đó, trong cấu hình Otto, các yếu tố có thể điều khiển đƣợc khi kích thích
SPP bao gồm góc tới, bƣớc sóng của ánh sáng tới và độ dày của lớp điện mơi d. Sự
biến đổi của d có thể thay đổi cƣờng độ cộng hƣởng của SPP, có thể đƣợc phát hiện
bằng sự thay đổi biên độ của ánh sáng phản xạ từ của lăng kính [1],[8],[9],[17].
Để có kích thích quang học SPP, các nghiên cứu thƣờng dựa trên sự nhiễu xạ
ánh sáng trên một cách tử đƣợc khắc trên bề mặt kim loại (Hình 1.7). Sự kích thích
SPP đƣợc điều khiển tích cực dựa trên sự thay đổi thuận nghịch của góc tới hoặc
bƣớc sóng của ánh sáng tới trong sự làm khớp cách tử. Các mảng lỗ kim loại
(metallic hole array) đƣợc coi nhƣ một dạng cách tử. Ánh sáng tới kết hợp với SPP
trên bề mặt của mảng lỗ kim loại thông qua sự làm khớp cách tử. Trƣờng tiêu tán kết
hợp với SPP có thể trải rộng trên màng kim loại và bị tán xạ bởi cấu trúc tuần hồn ở
mặt kích thích, do đó cho phép SPP phân tán vào ánh sáng truyền qua. Việc tạo thành

14

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

SPP theo cấu trúc nhƣ vậy có thể đƣợc nhận ra và nghiên cứu bằng cách đo sự truyền
qua của ánh sáng qua màng kim loại.
Trong các sơ đồ kết hợp đƣợc mô tả ở trên, trạng thái phân cực của ánh sáng
tới cũng xác định sự kích thích SPP. Theo các phƣơng trình của Maxwell và các điều
kiện biên, việc truyền SPP dọc mặt phân cách kim loại - điện mơi chỉ có thể cho phân
cực từ ngang (Transverse magnetic, TM). Vì lý do này, chỉ có thành phần của ánh
sáng tới bị phân cực vng góc với các nếp gấp một chiều (trong trƣờng hợp cách tử)
hoặc với bề mặt kim loại (trong trƣờng hợp các sơ đồ dựa trên lăng kính) có thể kết
hợp đƣợc với SPP. Ánh sáng đƣợc điều chỉnh ở phân cực trực giao khơng kết hợp với
SPP, dẫn đến giảm tín hiệu SPP và mất thông tin về trạng thái phân cực tới. Theo đó,
việc điều khiển trạng thái phân cực của ánh sáng tới đƣợc nhận ra là một cách hiệu
quả để thay đổi cƣờng độ của SPP. Chúng ta nên biết rằng sự phụ thuộc phân cực
đƣợc đề cập ở trên có nguồn gốc từ lý thuyết cơ bản của sóng SPP mặt phân cách
phẳng giữa kim loại và điện môi đồng nhất, đẳng hƣớng. Tuy nhiên, đối với cấu trúc
giao diện giữa kim loại và vật liệu điện môi phức, dị hƣớng, SPP có thể đƣợc kích
thích bằng ánh sáng phân cực từ ngang (TM) và điện ngang (Transverse electric,
TE). Sự điều khiển trạng thái phân cực làm cho SPP có hƣớng đƣợc điều chỉnh [17].
Do đó, trong phần thực nghiệm của luận văn, các plasmonic hoạt động có thể đƣợc
tạo ra từ các cấu trúc nano bạc dị hƣớng.

Với k là vectơ sóng của ánh sáng tới.

Hình 1.7. Kết hợp pha ánh sáng với SPP bằng cách sử dụng cách tử để tạo ra các plamonic
hoạt động [17].

1.2.2. Sự thay đổi hàm điện môi của môi trường xung quanh
Việc thay đổi hàm điện môi của môi trƣờng xung quanh là một cách hiệu quả để
đạt đƣợc sự điều khiển hoạt động của SPR. LSPR và SPP rất nhạy với sự biến đổi của

hàm điện môi của môi trƣờng xung quanh. Để hiểu rõ hơn về độ nhạy của SPP với
môi trƣờng xung quanh, trƣớc tiên chúng ta hãy xem xét mối quan hệ tán sắc của SPP

15

LUAN VAN CHAT LUONG download : add