Tính chất quang của chất keo Fe3O4 chức năng hóa bề mặt trong từ trường - 2

Nội dung bao gồm:

 Mở đầu.

 Chương 1. Tổng quan về tính chất quang học của hạt nano sắt từ.

 Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm.

 Chương 3. Thực nghiệm và biện luận kết quả..

 Kết luận.

 Danh mục các nghiên cứu đã được công bố.

 Tài liệu tham khảo.

Có thể bạn quan tâm!

• Tính chất quang của chất keo Fe3O4 chức năng hóa bề mặt trong từ trường - 1
• Tính Siêu Thuận Từ Của Hạt Nano Từ; (A) Moment Từ Hướng Theo Phương Trục Dễ Của Hạt T< T B . ; (B) Moment Từ Hướng Theo Từ Trường Ngoài T > T B
• Sự Dịch Của Đỉnh Nhiễu Xạ Về Phía Góc Nhỏ Quan Sát Tại Đỉnh (121) Khi Nồng Độ Fe Tăng.
• Sơ Đồ Chi Tiết Máy Đơn Sắc Ms257 Và Máy Quang Phổ Cùng Các Phụ Kiện
• Tính chất quang của chất keo Fe3O4 chức năng hóa bề mặt trong từ trường - 6
• Tính chất quang của chất keo Fe3O4 chức năng hóa bề mặt trong từ trường - 7

Xem toàn bộ 65 trang tài liệu này.

Các kết quả chính của luận văn có thể được tóm tắt như sau:

1. Chế tạo thành công dung dịch dạng keo chứa hạt Fe3O4 kích thước nano và dung dịch keo nano CaFexMn1-xO3 (x= 0.025)

2. Chế tạo thành công một từ trường yếu, sử dụng cuộn dây lòi ferrite có dòng

điều khiển được, để tạo từ trường < 500 Gauss.

3. Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của dung dịch keo Fe3O4 và CaFexMn1-xO3.

4. Sử dụng một số các mô hình và phương pháp lý thuyết để giải thích các kết quả và hiệu ứng vật lý thu nhận được.

Các phép đo được thực hiện trên Máy quang phổ MS-257 của Hãng Oriel- Newport/ USA, tại phòng thí nghiệm Bộ môn Quang Lượng tử - Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN.

Kết quả thực nghiệm cho thấy (1) có xuất hiện huỳnh quang mạnh của hai dung dịch nêu trên; (2) sự suy giảm huỳnh quang là đáng kể trong cả hai trường hợp.‌

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦA HẠT NANO SẮT TỪ

1.1. Hiệu ứng Quang - Từ trong dung dịch nano từ tính.

Dung dịch nano từ (ferrofluid) rất phức tạp và sự phức tạp của chúng phụ thuộc vào các yếu tố như sự tương tác giữa các moment từ, gradient từ trường đặt vào, lực hấp dẫn van der Waals và các dạng lực đẩy, cụ thể là steric hoặc ion [3,4,9]. Nói chung, dung dịch nano từ đậm đặc làm cản trở sự truyền ánh sáng. Do đó, dung dịch thường được pha loãng. Khi dung dịch nano từ đẳng hướng quang học được pha loãng và đặt trong một từ trường, nó thường thể hiện tính bất đẳng hướng quang học. Dung dịch này hoạt động như một chất đơn trục với trục quang học tương thích với hướng của từ trường ngoài đặt vào. Nói chung trục quang học có thể song song, vuông góc hoặc quay một góc xác định với trục từ trường. Chiều của trục quang học cũng có thể biến thiên theo nhiệt độ do trong chất lỏng luôn có sự chuyển động nhiệt với những giá trị trung bình đặc trưng nhất định tại các nhiệt độ xác định. Do đó, khi tia sáng đi qua dung dịch nano từ, dung dịch có thể thể hiện khúc xạ kép tuyến tính hoặc lưỡng sắc tuyến tính hoặc cả hai. Ngoài sự bất đẳng hướng quang học đơn trục, dung dịch nano từ còn phụ thuộc vào moment lưỡng cực từ của các hạt nano [4,10]. Khi chùm tán xạ điện từ truyền qua dung dịch, một phần năng lượng bị mất đi và phần còn lại được truyền qua dung dịch. Phần năng lượng bị mất đi có thể được dung dịch hấp thụ và phần còn lại bị tán xạ. Phần năng lượng bị hấp thụ và tán xạ dĩ nhiên phụ thuộc vào bản chất của chất tán xạ, cũng như bước sóng của tia tán xạ trong dung dịch ().

Khi có từ trường ngoài đặt vào, sự phân bố kích thước khiến số lượng các hạt tán xạ có thể đáp ứng được điều kiện cộng hưởng. Những sự cộng hưởng này có thể tạo ra những sóng đứng và gây ra sự trễ ánh sáng truyền tới [3].

Trong trường hợp các hạt tán xạ là các hạt dạng hình cầu có từ tính tán xạ trong môi trường đồng nhất, cường độ và trạng thái phân cực của tia tán xạ phụ thuộc vào kích thước, hằng số điện môi liên quan tới điện tích ( = s/m), và độ từ

thẩm liên quan tới từ tính (µ = µs/ µm), các chỉ số “s” và “m” đại diện cho những hạt tán xạ và dung dịch. Thông thường, dung dịch được coi là tự do hoặc không hấp thụ điện môi đẳng hướng với µm = µ0 , điều đó dẫn đến hệ số khúc xạ thực:

m0

mm (1.1)



Hệ số khúc xạ thực của các hạt tán xạ sẽ là:

m ms / mm

(1.2)

Trong đó: µ = µ’ + iµ” và  = ’ + i” tương ứng là độ từ thẩm phức và hằng số điện môi phức.

Sử dụng công thức Mie, các cường độ tán xạ của 2 thành phần phân cực sẽ

là:

I  (2 / 42r 2 ) S 2 sin2 

(1.3)

1 1

2 2 2 2 2

I2  (/ 4r ) S2 cos 

(1.4)

Trong đó r là khoảng cách giữa những hạt tán xạ tới vị trí quang sát,  là góc giữa vector điện tích của sóng tới và mặt tán xạ. I1 và I2 là cường độ của hai trạng thái trực giao phân cực, tương ứng với hai trường hợp vector điện tích vuông góc và song song với mặt tán xạ.

Đối với những hạt nhỏ, áp dụng đa thức Legendre ta có:

 4 

21

(1.5)

Ta có = 0, I1(00) = 0 và I2(00) = 0, khi đó cường độ của ánh sáng tán xạ có giá trị bằng 0.

Điều kiện này khó có thể đáp ứng được (tối thiểu tại tần số quang học) đối với những hạt tán xạ từ tính được phủ bởi dung dịch keo không từ tính và điện môi đẳng hướng. Điều kiện để quan sát được tán xạ không được thay đổi khi các hạt tán xạ được phân tán trong dung dịch nano từ tính (ferrofluid). Dưới ảnh hưởng của từ trường, dung dịch nano từ tính thể hiện tính bất đẳng hướng và dung dịch trở thành

lưỡng chiết. Do vậy điều kiện để có tán xạ đạt giá trị bằng 0 sẽ khác biệt giữa hai trạng thái phân cực vuông góc và song song.

Hình ảnh nhiễu xạ ảnh hưởng bởi từ trường và sự suy giảm gây ra bởi từ trường của dung dịch từ tính chưa các hạt magnetite kích thước micron được chỉ ra ở bài báo [9]. Hình ảnh nhiễu xạ cũng như sự suy giảm cường độ ánh sáng tán xạ thay đổi khi tăng giá trị từ trường đặt vào. Hình ảnh nhiễu xạ biến mất tại từ trường tới hạn. Sự biến mất của nhiễu xạ Fraunhoffer xảy ra khi các hạt cầu từ tính bị tán xạ trong dung dịch chứa các hạt từ tính. Tính chất này có giá trị đối với hiện tượng tán xạ đạt giá trị bằng không bởi các hạt hình cầu từ tính [9].

Hình 1.1 và 1.2 mô tả những mẫu nhiễu xạ của các hạt từ tính kích thước 3µm tán xạ trong dung dịch nano từ tính đối với vector điện tích E của ánh sáng tới tương ứng vuông góc và song song với vector H của từ trường đặt vào. Mẫu nhiễu xạ thể hiện sự tán xạ đẳng hướng phụ thuộc vào các hạt từ tính kích thước micron đối với H = 0.Khi từ trường tăng, mẫu nhiễu xạ ở cả 2 trạng thái phân cực được điều chế.

Hình 1.1. Hình ảnh nhiễu xạ khi E // H, hạt hình cầu từ tính 3µm tán xạ trong dung dịch nano từ tính (mật độ 28%); (a) H=0G, (b) H=30G, (c) H=60G, (d) H=100G, (e) H=200G, (f) H=500G.

Hình 1.2. Hình ảnh nhiễu xạ khi E H, hạt hình cầu từ tính 3µm tán xạ trong dung dịch nano từ tính (mật độ 28%); (b) H=30G, (c) H=60G, (d) H=100G, (e) H=200G, (f)

H=500G. Tán xạ đạt giá trị không được quan sát tại H=100G (d)

Khi E vuông góc với H, ta quan sát được hiện tượng tán xạ đạt giá trị không tại giá trị từ trường tới hạn ~100G. Trong khi đó hiện tượng này không quan sát được đối với trường hợp E song song với H [9].

Nếu không có từ trường đặt vào, mẫu là đẳng hướng và không có bất kỳ sự từ hóa hoặc điều chế cũng như thay đổi cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, dưới tác động của từ trường ngoài, moment từ định hướng theo hướng của từ trường đặt vào và trục quang học thẳng theo hướng của từ trường ngoài, do đó sinh ra một sự thay đổi cường độ truyền sáng. Điều kiện truyền ánh sáng này được điều chỉnh bởi:

I I0(coth 1 / )

(1.6)



Ở đây:

H

/ kT

(1.7)

I0 là cường độ của ánh sáng tới

k và T là hằng số Boltzmann và nhiệt độ tuyệt đối

μ là moment từ tính của hạt

H là từ trường đặt vào.

Hãy xem xét một dung dịch nano từ được pha loãng đến mức mà nó có thể cho ánh sáng đơn sắc truyền qua nó. Trong trường hợp này, sự truyền ánh sáng có thể được giả định là được chi phối bởi sự tán sắc độc lập của các hạt từ tính đơn lẻ. Như một hệ quả của công thức triệt tiêu cơ bản, ánh sáng truyền qua được xác định bởi các ma trận tán xạ [S (0, φ)] của các hạt đơn lẻ [4,10].

Để mô tả cường độ và sự phân cực của chùm ánh sáng tán xạ từ một hạt duy nhất theo hướng (θ, φ) một cách thuận tiện nhất, ta sử dụng một ma trận tán xạ. Trong trường ánh sáng được truyền hướng về phía trước (θ = 0, φ = 0), ở đây θ là góc phân cực và φ là góc phương vị. Khi số lượng lớn các hạt định hướng ngẫu nhiên được xem xét cùng nhau (chẳng hạn như chất keo) các thuộc tính truyền dẫn ánh sáng của môi trường có thể thu được bằng cách thêm các yếu tố [S (0)] ma trận của các hạt riêng biệt. Dưới tác động của từ trường ngoài đặt vào, dung dịch nano từ thể hiện một sự bất đẳng hướng quang học đơn trục với trục quang học dọc theo

hướng của từ trường đặt vào. Xuất hiện sự tuyến tính bất đẳng hướng quang học và các điều kiện không chéo hóa của ma trận tán xạ, các tổng trên tất cả các hạt trong mỗi đơn vị khối lượng sẽ bằng không. Các yếu tố S1(0) và S2(0) được tính toán từ lý thuyết tán xạ. Khi kích thước của các hạt từ tính riêng biệt đủ nhỏ so với bước sóng của ánh sáng tới, lý thuyết tán xạ Rayleigh được áp dụng cho các hạt độc lập. Sự triệt tiêu của ánh sáng qua chất keo có thể được đo bằng hệ số triệt tiêu, tức là mật độ quang học của môi trường. Hệ số triệt tiêu được mô tả bởi công thức sau đây:

ln(1ΔI)

Q CF

 1I0

(1.8)

F

Trong đó:

C0 C0

CF là phần triệt tiêu của hệ dưới từ trường đặt vào

C0 là phần triệt tiêu của hệ khi không có từ trường ngoài.

ΔI là sự thay đổi của cường độ ánh sáng truyền qua

I0 là cường độ ánh sáng truyền qua khi không có từ trường. Tỷ số QF được biểu thị bằng 1 trong 2 giá trị QR hoặc QL:

Q  (Q )

3(1 2 ) .[L() 1]

L L 

( 2)

(Q ) 

1 2

3(1)

(1.9)

L (

 2)

1 2

Q  (Q )

 3(1 2 )

.[L() 1]

(1.10)

R R 

2( 2)

(QR )

 (

1 2

3(2 )

 2)

1 2

Khi đó QL và QR là các tham số triệt tiêu ứng với hướng từ trường song song và vuông góc với hướng vector E của ánh sáng chiếu tới. (QL)và (QL)là các tham số triệt tiêu tại từ trường vô hạn.

L()  (coth 1)

(1.11)

1 và 2 là các thành phần của tensor phân cực quang học đối với các hạt hình cầu dọc theo 2 trục. Từ 2 công thức trên:

Q Q  (Q Q )

⎡3L() 1⎤

(1.12)

L R L R

⎢⎣2 ⎥⎦

Đối với thuyết lưỡng cực Rayleigh, mối tương quan (QL-1)=2(1-QR) cũng

được đưa ra [4,5,10]

Hình 1.3. Sự suy giảm quang-từ của ánh sáng trong dung dịch nano sắt từ; QL là tham số triệt tiêu trong trạng thái phân cực dọc; QR là tham số triệt tiêu trong trạng thái phân cực ngang; Đường liền được fit theo công thức (1.9) và (1.10) [4]

Hình 1.4(A) cho thấy nhiễu xạ được tạo ra bởi một sợi đơn và được quan sát trong dung dịch nano từ tính. Khi một tia laser đi qua dung dịch nano từ đặt trong từ trường, nó tạo ra hình ảnh nhiễu xạ như trong Hình 1.4(B). Hình ảnh này khác với hình ảnh nhiễu xạ gây ra bởi một sợi bởi vì những vân riêng biệt không tách ra khỏi cấu trúc mà tại đó chúng được phân biệt rò ràng sau này. Hình ảnh quan sát được đã làm sáng tỏ rằng những hạt từ tính sẽ định dạng thành những chuỗi trong từ trường ngoài. Mẫu nhiễu xạ từ một chuỗi mô tả chuỗi tuyến tính các đường vân giống như

những đường mà ta quan sát được với một sợi đơn. Cường độ ánh sáng trong những vân này suy giảm theo khoảng cách từ khe trung tâm. Vị trí của những cực đại được tính toán bởi công thức:

sinn

n(/ d )

(1.13)

Trong đó n là góc nhiễu xạ, n=0, ±1, ±2, ... là các bậc nhiễu xạ, d là đường kính chuỗi [3,11].

Hình 1.4. Hình ảnh nhiễu xạ từ một sợi đơn (A) và các chuỗi được tập trung lại trong dung dịch nano từ tính khi có từ trường ngoài đặt vào (B) [11]

Hình ảnh nhiễu xạ kéo dài hơn một giờ sau khi từ trường tắt, đặc biệt đối với từ trường mạnh hơn 0,2 T. Quan sát này chỉ ra rằng cấu trúc chuỗi vẫn còn ổn định trong thời gian dài và do đó cũng có thể mang lại những ứng dụng thú vị cho các thiết bị lưu trữ quang học. Trạng thái ổn định lâu dài này có thể được giải thích bởi hiệu ứng của lực hút lưỡng cực-lưỡng cực (dipole-dipole) giữa các hạt cũng như lực đẩy tĩnh điện do lớp điện hóa kép. Điều kiện quan trọng cho sự ổn định này là do sự điều chỉnh tự nhiên của lý thuyết Derjaguin-Landau-Verwey Overbeek (DLVO):

U(h) = dU / dh = 0 (1.14)

Trong đó U là năng lượng tương tác của các hạt nano từ tính có đường kính d cách nhau bởi độ dày h:

k h

M 2d 6

U ADLVOde

D 0

72 (h d )3

(1.15)

ADLVO là hằng số điện hóa được sử dụng trong thuyết DLVO.