LỜI
CẢM
MỤC
LỤCƠN
Trang
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................5
Truởc tiên tôi xin trân trọng tỏ lòng biết on chân thành và sâu sắc đến
MỞ ĐẦU.............................................................................................................7
thầy giáo PGS. TS. Lun Tiến Hưng đã hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp những kiến
CHƯƠNG I........................................................................................................10
thức hết sức quỷ giá và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn
TỔNG QUAN VÈ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG PHỔ .......................10
này.
1.1. Giới thiệu về quang phổ ........................................................................10
1.1.1.................................................................................... Khái niệm quang phổ

Tôi
xin trân trọng cảm ơn quỷ thầy giáo, cô giáo khoa ĩ rật lý trường Đại
...............................................................................................................10
học 1.1.2......................................................................................................................
Vinh đã trang bị những kiến thức khoa học và tạo những điều kiện thuậnBứ
lợi
cho tôi trong
quátừ
trình
thực hiện,
hoàn
thiện
và bảo
vệ vật

sổng1.2.3................................................................................
đế hoàn thành khóa học.
...............................................................................................................27
1.2.4.......................................................................................... Quang phổ Raman

Cuối
củng tôi xin gửi lời cảm on chân thành tới gia đình, bạn bè của tôi,
...............................................................................................................32
BGH
THPT 1Nguyễn
Trãi (huyện Châu Đức, tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu) và
Kettrường
luận chương
........................................................................................38
CHƯƠNG II .....................................................................................................39
ÚNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ ĐỐI VỚI VẬT LIỆU
NANO PEROVSKITE ABƠ3 ..........................................................................39
2.1. Giới thiệu về vật liệu nano perovskite ABƠ3 .......................................39
2.1.1.................................................................................................. Vật liệu nano

39
2.1.2...................................................................................................................... Cấ

21


2.2.3.

Tính chất quang học của vật liệu nano perovskite


Hình 1.12. Nguồn ICP.......................................................................................24
Hình 1.13. Quá trình xảy ra khi nguyên tử hóa.................................................25
Hình 1.14. Giản đồ Jablonski............................................................................28
Hình 1.15. Phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ....................................................29
Hình 1.16. Sơ đồ khối của hệ đo phố huỳnh quang..........................................30
Hình 1.17. Sơ đồ chuyển mức năng lượng tạo các vạch Stockes (S),...............34
Hình 1.18. Sơ đồ một quang phổ kế Raman thường gặp..................................35
Hình 2.1. Mô phỏng vật liệu khối (3D), màng nano (2D), dây nano (1D) và hạt
nano (0D)...........................................................................................................39
Hình 2.2: cấu trúc perovskite lý tưởng ABƠ3..................................................41
Hình 2.3. Ảnh XRD của màng BTO được ủ ở nhiệt độ 900°c trong 30 phút...44
Hình 2.4. Phổ truyền qua màng BTO với các lớp khác nhau trên đế thạch anh
thủy tinh được ủ ở nhiệt độ 900°c......................................................................45

5


9
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của (ahv) theo h.v với các nông độ dung dịch khác
nhau...................................................................................................................46
Hình 2.6. Phổ truyền qua của màng BTO được ủ ở nhiệt độ 700°c và ở nhiệt độ
900°c..................................................................................................................47
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của (ahv) theo h.V của màng BTO được ủ ở các nhiệt
độ 700°c và 900°c..............................................................................................48
Hình 2.8. Phổ hấp thụ của barium titanate theo lý thuyết và thực nghiệm.......49
Hình 2.9. Phổ RBS của tinh thể STO sau khi pha tạp đồng với mật độ 1.1016
ion/cm2..............................................................................................................51
Hình 2.10. a. Phổ CL của STO ở mặt được pha tạp, b. Phổ CL của STO ở mặt
không được pha tạp............................................................................................53
Hình 2.11. Phổ hấp thụ của STO khi chưa pha tạp và khi pha tạp ion đồng ở

những tính chất ưu việt này đã mở ra cho các vật liệu nano những ứng dụng vô
cùng to lớn đối với nhiều lĩnh vực từ công nghệ điện tử, viễn thông, năng lượng
đến các vấn đề về sức khỏe, y tế, môi trường; từ công nghệ thám hiểm vũ trụ
đến các thiết bị đơn giản nhất trong đời sống hàng ngày.... Chúng được dùng để
chế tạo vật liệu ghi từ, cảm biến, điện cực trong acquy dùng cho ôtô; các linh
kiện điện tử như diode phát quang (LEDs), các linh kiện để khuếch đại quang và
dẫn sóng,... Ngoài ra, chúng còn là những vật liệu tiềm năng đế chế tạo các thiết
bị ghi nhớ hay ứng dụng trong thiết bị spintronics. Với phạm vi ứng dụng to lớn
như vậy, công nghệ nano đã được các nhà khoa học dự đoán sẽ làm thay đổi cơ
bản thế giới trong thế kỷ XXI. Ở Việt Nam, vật liệu nano perovskite ABO3 được
quan tâm nghiên cứu và định hướng ứng dụng rộng rãi nhưng với hướng nghiên
cứu chủ yếu là đi sâu vào tính chất điện và tính chất từ. Ngày nay, tính chất
quang của vật liệu perovskite cũng đã bắt đầu được các nhà khoa học quan tâm,
đặc biệt là các hạt nano perovskite phát quang mạnh với tiềm năng ứng dụng
trong việc đánh dấu các phân tử sinh học, cảm biến sinh học, phát hiện các tế
bào ung thư. Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất quang học của vật liệu này
7


đóng vai trò hết sức quan trọng.
Đe nghiên cứu tính chất quang học của các vật liệu nano nói chung, vật
liệu nano perovskite ABO3 nói riêng, các nhà khoa học có thể sử dụng các
phirơng pháp đo, phân tích khác nhau. Các phương pháp đó có thể giúp các nhà
khoa học phân tích được cấu trúc vật liệu, xác định cả về định tính cũng như
thành phần định lượng của vật liệu, từ đó góp phần định hướng ứng dụng của
vật liệu đó trong kỹ thuật và đời sống. Quang phố học là ngành khoa học chuyên
nghiên cứu các tính chất, hiện tượng vật lý, các thành phần hóa học dựa trên sự
phân tích các phổ ánh sáng (phổ phát xạ hay phổ huỳnh quang, phổ truyền qua
hay phổ hấp thụ, phổ tán xạ, ...) cũng phát triển và có nhiều ứng dụng trong thực
nghiệm. Các kỹ thuật quang phổ này được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực

Phần Kết luận chung tóm tắt những kết quả đạt được của đề tài.

9


CHƯƠNG I
TỎNG QUAN VÈ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG PHỎ

1.1. Giới thiệu về quang phổ

Khải niệm quang phô

1.1.1.

Quang phổ là hình ảnh mà ta thu được khi chiếu một chùm bức xạ đến
mẫu vật cần nghiên cứu, khảo sát. Dựa vào vị trí, cường độ, số lượng các vạch
phổ trong quang phổ thu được ta có thể xác định được cấu trúc và các tính chất
của vật liệu.

1.1.2. Bức xạ điện từ - Tưong tác giữa bức xạ điện từ và vật

chất
a. Bức xạ điện từ và phân loại vũng phô:

■ Bức xạ điện từ:
Bức xạ điện từ mang tính lưỡng tính sóng - hạt. Nếu đẻ diễn tả các hiện
tượng giao thoa, nhiễu xạ hay phân cực thì cần xem bức xạ điện từ như là một

Hình 1.1: Mô hình sóng điện từ [2]


loại
b. Tương tác gi ữa bức xạ điện từ và vật chất
Các electron liên kết
truyền
sóngphát
(hìnhxạ,
1.1).
quangthụ,
phổ
sau:
180 nm - 780nm Hấp
huỳnh
Thành
quang tử
ngoạiphần
- khảđiện
kiến trường có liên quan đến các hiện tượng phản xạ, khúc
0,78Ịim- 300 fim Hấp xạ,
thụ nhiễu
hồng ngoại
xạ, hấp thụ và thànhDao
phầnđộng
từ trường
quan
điều liên
hòa/
daođến hiện tượng hấp thu
các sóng tần số radio trong cộng
hưởng
hạtphân

Ưng
với lại
bước
các bức
xạ chiếu
mẫuthường.
vật cần nghiên cứu tính
Liên
giữa
tính phổ
chấtsau:
sóng và tính chất hạt trong bức xạ điện từ được thê
chất ta có
cáchệloại
quang
hiện qua hệ thức sau đây:

Ẫ = h/m.c

(1.2)

Trong đó : m là khối lượng của photon, h là hằng số Planck, Ấ là bước sóng
điện từ.

■ Phân loại vùng phô:
Vùng phổ của bức xạ điện từ rất rộng, có thể chia ra theo bước sóng như
sau:
- Bước sóng từ 0,005 A°- 1,4 A° là vùng tia gamma
- Bước sóng từ 0,1 A°- 100 A° là vùng tia X
- Bước sóng từ lOnm - 200nm là vùng tử ngoại xa.

trong suốt đến dưới 190nm).
- Hệ tán sắc: có tác dụng tách các màu của ánh sáng ra đê có thê tạo ra

các vạch trong quang phổ. Có 2 cơ chế tách màu:
+ Dựa vào hiện tượng tán sắc : Chiết suất môi trường thay đổi theo bước
sóng tuân theo công thức Cauchy:
» = A-&

13

(1.3)


n
2

silic siêu nặn?

18
Silic nặng
1.

Thạch anh nóng chảy
Thủy tuứi crown
ílorit

6
1.4150 200

300

T = I/Ị0

(1.5)

-Độ hấp thụ ^4:

1.2.1.2.

§

II

1
II

IoO>)

(1.6)
của chất nghiên cứu trong
một
dung
môi nhất định nhu nước, methanol, benzen,
I(D) Gươne cầu
lồm
aceton, ...

Cơ sở lý thuyết:

a. Sự hấp thụ bước sóng tử ngoại-khả kiến của phân tử


củavà
tínchuyển
hiệu lốilên
ra
tử thay
không
kếtđộ.
(n)Sự
sẽthay
hấp đổi
thụnhiệt
năngđộ
lượng
của sự
chùm
(hiệu
điệnnăng
thế, cường
độ dòng
điện).tửTrên
đó ta
côngnósuất
trạng thái
lượng cao.
Khi phân
của cơ
mẫusởchất
bị xác
kíchđịnh
thíchđược

phùlượng
hợp để
đo công
suất
củacủa
cácnguyên
nguồn tử
sáng
có công
tử. Nó
suất
lớn.được hình thành khi phân tử của mẫu chất nhận năng lượng bởi chùm
sáng kích thích, tuy nhiên do năng lượng thấp nên tác động của nó chỉ làm các
+ Đầu thu photon: Đầu thu photon chuyển trực tiếp tín hiệu quang thành
nguyên tử quay hoặc dao động quanh vị trí cân bằng.
tín hiệu điện. Đầu thu này thường được sử dụng trong các quang phổ kế. Có
nhiều loại đầu thu photon như: quang diode, dãy diode quang, diode thác lũ, tế
bào quang điện, nhân quang điện,...
1.2. Một số lã thuật đo quang phổ

1.2.1.

Quang phô hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Ỉ7S)
15


Độ hấp thụ A (mật độ quang A) của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ c
của dung dịch theo biêu thức :
A = a .d.c


K

16
17
Hình 1.6 .Sự hấp thụ ảnh sáng của một mẫu đồng nhất cỏ chiều dày d


Các kiếu thiết kế mảy đo phô hấp thụ

1.2.1.3.

Có 2 kiểu thiết kế máy đo phổ hấp thụ: loại một chùm tia và loại 2 chùm
tia.
a. Loại 1 chùm tỉa: Đối với loại máy quang phố này chúng ta phải thực hiện

2

Khe vào

Hình 1.7. Sơ đồ khối quang phô kế hấp thụ loại 1 chùm tia
Loại này có ưu điểm là thiết kế đơn giản, ít tốn kém, bảo toàn tốt lượng
bức xạ từ nguồn phát nhưng có nhược điêm là không khắc phục được sự sai lệch
gây ra do những thăng giáng trong quá trình đo phổ.
b. Loại 2 chùm tia: Đối với loại máy quang phổ này chúng ta thực hiện

đồng
thời phép đo trên 2 ống nghiệm (một ống nghiệm chuẩn và một ống
nghiệm
chứa mẫu cần phân tích). Loại máy đo này có ưu điểm là hạn chế được
sự

khả
kiến (UV-lĩS)
Phố hấp thụ tử ngoại-khả kiến được ứng dụng nhiều trong việc phân tích
độ tinh khiết của một chất; nhận biết và nghiên cứu cấu trúc bằng cách so sánh
phổ hấp thụ của chất cần nghiên cứu với một mẫu chuẩn để từ đó có các kết luận
cần thiết; nghiên cứu sự hỗ biến (một hợp chất tồn tại ở nhiều dạng khác nhau
trong một cân bằng động); phân tích các hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất; xác
định khối lượng phân tử; xác định hằng số phân ly axit-bazơ (dựa vào sự phụ
thuộc của phố hấp thụ vào độ pH của dung dịch);...

1.2.1.6. Một sổ ưu điếm và hạn chế của phưong pháp đo phô hấp

thụ

19


pháp này có độ nhạy, độ chọn lọc tương đối cao (độ nhạy từ 10-4 đến 10'5%), dễ
tiến hành thực nghiệm, kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ.
b. Hạn chế
Do phép đo này có độ nhạy cao nên môi trường không khí trong phòng thí
nghiệm phải không có bụi. Các dụng cụ, hóa chất dùng trong phép đo phải có độ
tinh khiết cao. Một hạn chế khác là phương pháp này chỉ cho ta biết thành phần
nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích mà không chỉ ra được trạng thái liên
kết của nguyên tố ở trong mẫu. Vì thế đây chỉ là phương pháp giúp phân tích
thành phần hóa học của mẫu chất cần khảo sát [6].

1.2.2.

Quang phô phát xạ nguyên tử


b. Liên hệ giữa cường độ vạch phô phát xạ và nồng độ chất
Cường độ vạch phổ / và số nguyên tử N trong plasma liên hệ với nhau qua
phương trình Schaibe - Lomakin:
I=K.N

(1.9)

Trong đó: N\ầ số nguyên tử trong plasma liên hệ với nồng độ c của chất
phân tích bằng biểu thức sau:
N = K„c(1.10)
trong đó, Ka là hằng số thực nghiệm. Nếu c
Nguồn năng lượng được sử dụng đẻ thực hiện việc hóa hơi, nguyên tử
hóa
mẫu và kích thích phố phát xạ của mẫu phải thỏa mãn các yêu cầu sau: nguồn
năng lượng phải hóa hơi, nguyên tử hóa và chuyển được hoàn toàn mẫu cần
phân tích đồng nhất với đám hơi trong plasma; có năng lượng (nhiệt độ) đủ lớn
để có thể kích thích được tốt nhất các nguyên tử của nguyên tố cần phân tích đi
đến phát xạ ra phố của nó; nguồn năng lượng phải đảm bảo cho phép phân tích
có độ nhạy cao và cường độ của vạch phổ phải nhạy với sự biến thiên nồng độ
của nguyên tố phân tích nhưng lại không nhạy với những thăng giáng của điều
kiện làm việc, nguồn năng lượng kích thích phải ổn định và bền vững theo thời
23


Phun
sương Aeros
Dung
dịch
-------- ol
khí
cần phân
lỏng
tích

L
k Aeroso
h l
ô
----► khí răn

quá phức

làm nguồn kích thích cho phương pháp phân tích quang phổ phát xạ: ngọn lửa
đèn khí, hồ quang điện dòng xoay chiều và một chiều, tia lửa điện, tia lược,
plasma cao tần cảm ứng (ICP), tia X. Trong các loại nguồn năng lượng này thì
tia lược và ICP là những nguồn năng lượng cho độ nhạy của phép đo cao.
Nhưng ICP (xem hình 1.12) là nguồn năng lượng hiện đang được sử dụng phổ
biến vì những tính chất ưu việt của nó: phép phân tích có độ nhạy rất cao (10*410'6 %), độ ổn định tốt, sai số của phép phân tích nhỏ, định lượng được nhiều
nguyên tố cùng một lúc với tốc độ phân tích nhanh, vùng tuyến tính khá rộng,
không có ảnh hưởng của nền.

H ình 1.12. Nguồn ICP
24


trong phân bón của nông nghiệp, nghiên cứu thành phần thức ăn phục vụ chăn
nuôi, phân tích nguyên tố vi luợng trong máu, serum, nuớc tiêu, phục vụ chữa
bệnh,...

Một so ưu điếm và hemHóa
chế của phương pháp phô phát xạ nguyên
hơi
tử
▼
Kích
thích pháp
và phân tích phổ
Cũng nhu các phuơng pháp phân Các
tích khác,
phuơng
phát
xạ

nhau.thành
Vì thế,
cũng
đuợc
dụnglượng
để kiểm
độ đồng
bề tinh
mặt
họckhác
xác định
phần
định
tínhúng
và định
củatra
nhiều
chất, nhất
kiếmcủa
tra độ
vật
liệu.
khiết
của các hóa phẩm, nguyên liệu và đánh giá chất lượng của chúng. Nó cũng
của mẫu
thirừng
đirợcvịghi
lại trên
phim
ảnh, kính

các xem
mẫu xét
quặng
khi
không
tích.
phụccần
vụthiết
cho mà
công
việc cần
thămphải
dò có
địamẫu
chấtphân
và tìm
tài nguyên khoáng sản, giúp xác
định nhanh thành phần của các chất đang nóng chảy trong lò luyện kim đế từ đó
có thể điều chỉnh các nguyên liệu đưa vào để chế tạo được những hợp kim có
25
26


mẫu đầu vì các kết quả định lượng đều phải dựa theo các đường chuẩn của các
dãy mẫu đầu đã được chế tạo sẵn trước.
1.2.3.

Quang phố huỳnh quang

1.2.3.1.


•

Chuyến một phần năng lượng cho phân tử khác

•

Dịch chuyển sang trạng thái bội ba Ti có năng lượng thấp hơn trạng
27


photon (lân quang), tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc truyền năng lượng
cho phân tử khác.
Ỷ Hấp thụ
^ Dịch quang {10-9.~10-6s}
Lân quang (10~6...ls)
ị Không bức xạ

T±

Hình 1.14. Giản đồ Jablonskĩ [4]
Huỳnh quang thường được phân loại theo phương pháp kích thích như
quang-huỳnh quang sinh ra do kích thích bởi các photon, hóa-huỳnh quang được
kích thích bởi các gốc hóa học, catốt-huỳnh quang sinh ra do kích thích mẫu
bằng

các

dòng



(1.12)

v°

=
v0: tần Số ứng với trục đối xứng; : tần số của ánh sáng hấp thụ
Vj : tần số đối xứng của ánh sáng huỳnh quang
Yêu cầu về đối xứng gương phải thỏa mãn hai điều kiện sau:
* Đoi xúng gương về tần so. (điều kiện là: các mức năng lượng dao động

của trạng thái kích thích và không kích thích cấu tạo như nhau, trong đó tần số
ứng với trục đối xứng là tần số của bước chuyển điện tử)
* Đối xứng gương về cường độ. (điều kiện là: phân bố phân tử ở mức

29