Nghiên cứu tính chất Điện - Từ của hạt và màng mỏng Au có kích thước nano

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




Nguyễn Khắc Thuận



NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN - TỪ
CỦA HẠT VÀ MÀNG MỎNG Au CÓ KÍCH THƢỚC NANO


Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 07


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS HOÀNG NAM NHẬT




Hà Nội - năm 2011

2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội



Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS HOÀNG NAM NHẬT
Phản biện 1: TS NGUYỄN ANH TUẤN - Trường Đại học KHTN - ĐHQGHN
Phản biện 2: PGS. TS CHỬ ĐỨC TRÌNH - Trường Đại học Công nghệ -
ĐH QGHN









Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm thi luận văn thạc sĩ khoa học tại:
Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Vào hồi 14giờ 00, ngày 04 tháng 01 năm 2012




Có thể tìm đọc tại:
Trung tâm thông tin thư viện Đại học quốc gia Hà Nội

1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
Chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT


1.3. 

Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

  






Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN



nano
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

9
12

12
17
22
26
29
29
30
36
39
42
44
47
49
52
52
57
62

68
69


2
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ Chƣơng 1
Trang
 C          t cht
 nhng 
t; E
s

= 0;
 C       
ng hng h
i)
 Bi  m  tr       
ng 
 Ct ca tinh th Au
 Dng sn ph c sn xu gii vi
 thu
c ca ht
  

 ng cong t tr ca h dodecanethiol (a)
 
  
1.8. 






 
 S ng plasmon b mng cc
 Ph hp th ca vt li
 
 

Hình vẽ Chƣơng 2
 

 
6


7


8

8
9


10

12


15
15
16
17
19
19


23
24

3

 
 
0.5. 005 - Bruker SIEMENS
  b t b ng
0.7. 

0.8. 


 
 450
 
 
 
  n tr b- - 

 -der-Paul
 

Hình vẽ Chƣơng 3
 
2. (a)  (b) 
 B mc chp bnh gt b (a)
 
v

 

h 3.6. -
28

29
30
31
32

34


35
38
38
40
40
41

42
43


44
45
46


47
47

48

4

 
 
(b)
 
 
 

 


49
50

51
54
55

55
56
57



5
DANH MỤC MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Absorption
Antenna
Band-gap
Band Structure

DOS
DFT
DLTS
MEMS
Microwave
SEM
TEM
X-Ray
Surfactant
SPR
TD-SCF
Tight-binding
Plane wave
Plasmon
Transmission

Hp th
Anten
m
C
Density of State / M tr
Phi
Deep-Level Transient Spectroscopy / Ph k 
Micro-Electro-Mechanical Systems / H thn t
n
n t 
n t truyn
qua
Tia X
Cht ho mt

Surface Plasmon Resonance / Cng plasmon b mt
Time-Dependent Self-Consistent Field
t cht
ng
n t
t do
Truyn qua




6
MỞ ĐẦU


    













 , 

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

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

7
-
            
               


Gi ht nano kim lou, ch to nhiu
c s  
ch c bit ca vt li   u ng b mt, hiu ng c ng
 n trong y hu tr t
li ng dng trong sinh hc cc
vc ca t -100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen
(r-100 nm). Vc nh ng vi viy trang
gic th sinh h  c virus
n t nano thc s i cc. Trong
 sinh ht liu vu
m c nhiu s c.
Trong nh tt
li        c rt nhiu s   t nhiu
 cao trong ch to ht nano, than
mc hi
 la chp.
Tuy v b 
ch to  c nano -   n
thng ti Vi mt s  (Trung Qu
h lo 
n bit r ng vn ph 
t bn cht  
  n ti r  phc v cho nhu cu ca
cuc sng, nhi th th   to
ra nhc 200 nanomet b

8
n thc biy m
hiu Cu hi 
n, quang, t ca vt lic ch to b

     c s d       thut c
truyn  c ta.
Lu: “Nghiên cứu tính chất điện từ của hạt và
màng mỏng Au có kích thƣớc nano” nhm mi thi
ch tt c t
cu kh u sun cn
s dng hiu ng plasmon b mt ca hc nano. L
 tn s dng plasmon.
n m t lun, ni dung ca bn lu
 t
c nghim
t qu o lun
n, v u li rt mi m c tn
 i nhng thic s 
kin c lu

9
CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm vật liệu nano
Vt lit lit mt chic nanomt.
u ca khoa ht ca vt liu nano ph
thuc c t ti kc ti hn ca nhiu
 a vt li ng. Vt li c tri mt
khong t  t
ng dng c [41].
i vt li d pa vt
liu: Vt liu (c ba chi 
nano, ht nano. Vt liu nano mt chiu t lit chic

 ng. Vt liu nano hai chiu t li
 ng nano.
vt li hay nanocomposite  
mt phn ca vt lic nm, hoc cu,
mt chiu, hai chi ln nhau.
 pt: vt liu nano kim loi; vt liu nano
n; t 
 phi hi vi nhau hoc phi h 
ni tm mi: ht nano kim lo
1.1.2. Sơ lược về vật liệu vàng (Au)
Thi Trung Ci cho sc kho, vi nim
tin rng mt th hip ph tt cho sc kho. Tht s i
theo ch t s c y t thay th k
sc mnh vi sc kho. Mt s loi mui cc s t ch
 c s dng trong y t  u tr ch    i bnh
  ng v c y t cao,

10
 (kim loi m.  thi
hic chp khp

ng th 79 trong bng h thng tuu hnh
n t Xe[6s
1
4f
14
5d
10
] hoc Xe[6s
2

4f
14
5d
9
] ng  hai
mp x  cnh tranh gia ln t ca
 dch chuyn v c hai trV  
cht t do mt phn t y
th np l . Cn t 
trong kim long, tc bit c ca
c tp. 
3+
+ 3e

= 1.498 V.
Cấu trúc vùng và mật độ trạng thái của vàng kim loại:
Theo [26], cu  nht
kt hp vt qu thc nghim.  n t cp v 
5d
10
6s
1
t cht (tight-binding) [27], ta  n
ng ca s xen ph  n
t ca kim loi.
ng:
 
( ) ( ) ( ) ( )
at
H r H U r k r

   
   
(1.1)
 H
at
ng vi mng E
n

ψ
n
(r). Ging hp gt cht (ch n
c:
( ) - 4 cos cos cos cos cos cos
2 2 2 2 2 2
s
ax ay ax az az ay
k E t


  


(1.2)
E
s
ng ca m 6s (bng Fermi); a 
tr hng s mng;
*( ) ( ) ( ); ( ) ( )
nn
n

t dr r U r r R r b r
   
    


(1.3)

11
S d  rs t  ca t 
ng 2,0eV.

Hình 1.1. Cấu trúc vùng 6s của Au theo phương pháp liên kết chặt trong
vùng Brilouin thứ nhất; Thang năng lượng theo đơn vị t; E
s
= 0;
t cht ch p v
t i chuyn ti u c
mi d ng
[27].   i xng cu quanh v a
 trong mng tinh th. Mt cc gmt c
  bng 0 n
t cc g
mt cc g
n
 t qu c
ng h i).
ng Ф c t
Ni, s suy gim cd s b a ht
  thu hp cng c
i g (H 1.2). C tr

vi nhau:
()
3
1
()
4 ( )
n
nS
n
dS
g
k






(1.4)
vi n  s c[27].

12


Hình 1.2. Cấu trúc vùng của Au theo phương pháp sóng phẳng tăng
cường: trường hợp phi tương đối (trên); trường hợp tương đối tính (dưới)
 tr trong khong (ε
1
,ε
2


bng 0 t rng ca khong (ε
1
,ε
2
c g r
  tr i v
y mt n u. M tr
c biu diH3y mt na ε
F
nm gia ε
1
ε
2
,
 ly mt na, m tri mc
ε
F
t dn.

13

Hình 1.3. Biểu đồ mật độ trạng thái của Au tính toán theo phương pháp
sóng phẳng tăng cường tương đối tính [25]
      4),  i xng
Fm-3m, hng s mng a   [49]. M     t vi 12
 xung quanh tp ch kim lo
Khon nht gi 2.884 
 1.442  M l
 dng kh dt tt.

Hình 1.4. Cấu trúc lập phương tâm mặt Fm-3m của tinh thể Au

14
c chia nh n tr 
 th hin nhi bi 
sc, chuyn t  hot 5). S chuy
 p th m
 ng.


Hình 1.5. 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]
 t kim lot tit phc ch to ra
t   ph 
c vt phm m ngh ng trong vin phm
n gi c v p c Mt hin t rt
i   tc
nht mng (ch c  t ph bng g
hay kim loi. Nh t ph t nhiu so v
vt.
1.2. Tính chất điện, từ của vàng
1.2.1. Tính chất điện
kim  
. 
  4.10
-8
[30]. 
  

15


I 
UU = IRR 

I-U 


. H

I-U 
I-U 
C cho U RC cho I 
C R 
0 200 400 600 800 1000
0
2
4
6
8
Resistivity ( x 10
-8
Ohm x m)
Temperature (K)
Resistivity of gold

Hình 1.6. 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.

16





 
           

2



 
1.2.2. Tính chất từ

 

 [19,33]. 

14
5d
10
6(sp)
1




[29,32].  
 -1,42.10
-7
emu/g.Oe [22]).














 . 
 
[16]          -vinyl-2-  

B


17


Hình 1.7. (a) Đường cong từ trễ của hạt vàng 1,4nm phủ dodecanethiol

và (b) hạt vàng 1,5nm phủ tetraoctylammonium bromide đo ở các nhiệt
độ 5K và 300K [11]
ng cong t tr  y hn t. Pha t
 th c ging ca
nhi [35,36].  t gi c
tr i r    xut hi p momen t .
t s t t ca vt liu
[15,39].  t ln nht th hin trong nh
cu ca Crespo [11]. Nh  u c      
dodecanethiol t o thy vt liu th hit t  c
hai nhi 7c
ph tetraoctylammonium bromide ((C
8
H
17
)
4
N
+
Br)   i th
hich t ca vt liu vt b m

18
t ho mng trong vic t a
h
T a vt li thu
ng gi  dc theo mc, ng nhit
 l n t men
ci ln [35,36].  hi
ng d ng, t l vi hng s d  a ht.

25
BB
kT
K
V

(1.5)
t
B
ng s Boltzmann; T
B
 Blocking.
t nh  Blocking l
c hng s d ng 7.10
7
J/m
3
[11],  ng
i l    c v  t li   ng t   
SmCo
5
, FePt. B qua hiu ng, hng s d ng biu hi
ng c c trng v ng ct trong vt
ri vi hng s d  l ng ca
t Au- o ln ti b mt h
nh nhu v t t ca ht
hin nhi t t cng [10,34]. Theo [34] t t
c ng l  c khi t t
i b mt c (tng ct Au-
chui hydrocacbon). Kh mt (111) c  2.10

14

/cm
2
 c mmen t  b m 
B
,
[20] th   t
B
. M  ln
 tr t nh, thhy, ging nht
liu thun t.   n ti ca mu khi tii
[10,37] ch trong khong 2 tun t  a m
n. Ty ra vi hvt t
ca h u nhiu ng.

19
 gi nhng hiu ng s 
c [20,14]   ng ln
trong c hth gi t ca mmen t trong
hi sao h hit t
i th hin t. 
d
trt t, gi b giam gi
(gi t do).  u kin cc tin gia
  s sp xp,       i nhau (theo quy tc
Hund) [38].  i ln. Kh 
 a vt li         suy gi  c c 
men theo thng s l
  trong h

nh  o c
electron dn b  t l vng cng (1.6); i vi
ng, en qu o ln, l b tri  i
vt nh   
 
1
0
=2K 2 2
c B z z z
H s s L





(1.6)
T t linano khnh vt liu kht
li t. V  
nh a vt liu khi chia nh 
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
Plasmon b m n t c truyn dc theo mt ti 
kim loi -   m ng ca
n t t do  b mt ca ht nano vi s i. 
ng ca plasmon b mt gim nhanh theo quy lun mt
tii - 

20
Hing cng plasmon b mt   do
n, dn ti s c

ca mt tinh th nano kim loi nh  a bc x t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  xut hin hing cng plasmon b
mt [2].

Hình 1.8. Sơ đồ mô
̣
t mô hình hiê
̣
u ư
́
ng plasmon


Hình 1.9. Hạt nano vàng (Au) với 2 liên kết điện tích bề mặt [46]
Kim lon t t n t t  
dng cn t ng b
dp tng tinh th trong kim loi khi





21
ng t n t nh c ca tinh th
c ca ht nh ng t n t ng dp
tn t s ng cng v
n t s  li trong ht tr ng
cn. ng cc cn t i mt tn s f nht
nh. Hn s cng trong dy [4].

t dng cng elip
 u phng ho
v nh cng plasmon ph thuc 3 yu t sau:
- t.
- Bn cht ca vt liu (hng s a vt liu).
- ng bao quanh hhng s  i).
1.3.2. Vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon
i vi h   n cht ca ph hp th  phi do s dch
chuyn ging cng plasmon b mt.

Hình 1.10. Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực
Khi tn s ci cng vi tn s ng c
n t d mc gng cng plasmon b mt. Khi
chii hng cn t  mt
hng thi dn ti mng tp thng cc
10).
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-

-

-
-
+
+
+
+
+






t + T/2

22


Hình 1.11. Phổ hấp thụ của vật liệu nano vàng

11) [23]. 
           




     


1.11).

23
   


 






1.4. Anten siêu cao tần
Anten 

 


mili

  [31].



 

 
 

(anten  