Luận án Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang và định hướng ứng dụng trong tán xạ raman tăng cường bề mặt của các hệ dây nanô silic xếp thẳng hàng

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1. Tổng quan về vật liệu dây nanô silic 6

1.1. Sơ lược về vật liệu silic khối 6

1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu dây nanô Si 8

1.2.1. Cách tiếp cận “từ dưới lên” 9

1.2.1.1. Cơ chế hơi – lòng – rắn 10

1.2.1.2. Mọc với sự hỗ trợ của ôxít 12

1.2.1.3. Tổng hợp trên cơ sở dung dịch 13

1.2.2. Cách tiếp cận “từ trên xuống” 13

1.2.2.1. Phương pháp ăn mòn hóa học có sự trợ giúp của kimloại14

1.2.2.2. Phương pháp ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kimloại15

1.3. Các tính chất của vật liệu dây nanô Si 16

1.3.1. Tính chất điện 16

1.3.2. Huỳnh quang của vật liệu dây nanô Si 18

1.3.3. Tính chất nhiệt 21

1.4. Ứng dụng của vật liệu dây nanô Si 22

1.4.1. Các pin ion Li 22

1.4.2. Pin mặt trời 22

1.4.3. Các ứng dụng sinh học 23

1.4.3.1. Xét nghiệm tế bào 23

1.4.3.2. Sự chuyển gen 24

1.4.3.3. Dẫn thuốc 25iv

1.4.4. Các cảm biến 25

1.4.4.1. Tán xạ Raman tăng cường bề mặt 26

1.4.4.2. Điện hóa học 27

1.4.4.3. Tranzito hiệu ứng trường 27

1.5. Các phương pháp khảo sát cấu trúc, tính chất và ứng dụng của

các hệ dây nanô Si28

1.5.1.Các phương pháp khảo sát hình thái, thành phần và cấu trúc

của hệ SiNW28

1.5.1.1. Khảo sát hình thái của các hệ SiNW bằng kính hiển vi

điện tử quét28

1.5.1.2. Khảo sát hình dáng và kích thước của các SiNW bằng

kính hiển vi điện tử truyền qua30

1.5.1.3. Phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng

lượng tia X31

1.5.2. Phương pháp ghi phổ huỳnh quang 32

1.5.3. Phương pháp Raman khảo sát ứng dụng của vật liệu SiNW 33

1.6. Kết luận Chương 1 35

Chương 2. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp ăn

mòn hóa học và ăn mòn điện hóa có sự trợ giúp của kim loại36

2.1. Giới thiệu chung về phương pháp ăn mòn 36

2.1.1. Phương pháp ăn mòn khô 36

2.1.2. Phương pháp ăn mòn ướt 37

2.2. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp MACE 40

2.2.1. Cơ chế ăn mòn 41

2.2.1.1. Các phản ứng 41

2.2.1.2. Sự phun lỗ trống và vai trò của kim loại 43

2.2.1.3. Sự chuyển khối lượng 45

2.2.1.3. Sự chuyển khối lượng 46

2.2.2. Công nghệ ăn mòn MACE đã được áp dụng để chế tạo các hệ

ASiNW trên đế Si trong luận án47

2.2.2.1. Vật liệu ban đầu 47

2.2.2.2. Dung dịch lắng đọng kim loại và dung dịch ăn mòn 47v

2.2.2.3. Quy trình chế tạo hệ ASiNW trên đế Si bằng phương

pháp MACE48

2.2.3. Chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MACE 49

2.2.4. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo và vật liệu ban đầu lên

cấu trúc của các hệ ASiNW trên đế Si chế tạo bằng phương phápMACE50

2.2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trong dung dịch lắng

đọng Ag lên cấu trúc của các hệ ASiNW50

2.2.4.2. Ảnh hưởng của vật liệu ban đầu lên cấu trúc của các hệASiNW57

2.2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn lên cấu trúc của các hệASiNW59

2.2.4.4. Ảnh hưởng của dung dịch ăn mòn lên cấu trúc của cáchệ ASiNW61

2.3. Nghiên cứu chế tạo các hệ ASiNW bằng phương pháp MAECE 65

2.3.1. Cơ chế ăn mòn 65

2.3.1.1. Sự phun lỗ trống trong ăn mòn anốt 65

2.3.1.2. Cơ chế ăn mòn trực tiếp và ăn mòn gián tiếp 66

2.3.2. Công nghệ ăn mòn MAECE đã được áp dụng để chế tạo các

hệ ASiNW trên đế Si trong luận án70

2.3.2.1. Vật liệu ban đầu, các dung dịch lắng đọng và dung dịchăn mòn70

2.3.2.2. Hệ điện hóa sử dụng để chế tạo hệ ASiNW 70

2.2.2.3. Quy trình chế tạo hệ ASiNW trên đế Si bằng phươngpháp MACE71

2.3.3. Chế tạo các hệ ASiNW trên đế Si bằng phương pháp MAECE 72

2.3.4. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo lên cấu trúc của các hệASiNW73

2.3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 trong dung dịch lắngđọng Ag73

2.3.4.2. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện hóa 76

2.3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian ăn mòn 78

2.4. Kết luận Chương 2 80vi

Chương 3. Nghiên cứu tính chất huỳnh quang của các hệ ASiNW 81

3.1. Lý thuyết chung về sự phát quang của vật liệu silic cấu trúc nanô

3.1.1. Hiệu ứng giam giữ lượng tử

3.1.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và sự thụ động hóa bề mặt

3.1.3. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và các trạng thái bề mặt

3.1.4. Hiệu ứng giam giữ lượng tử và các sai hỏng trong SiO2

3.2. Áp dụng lý thuyết chung về sự phát quang của vật liệu Si cấu trúc

nanô để giải thích các kết quả đã thu được về PL của các hệ ASiNW

3.2.1. Thí nghiệm

3.2.2. Các kết quả và thảo luận về PL của các mẫu ASiNW

3.3. Kết luận Chương 3 108

Chương 4. Ứng dụng hệ ASiNW trong tán xạ Raman tăng cường bềmặt110

4.1. Tán xạ Raman 110

4.2. Tổng quan về tán xạ Raman tăng cường bề mặt 115

4.2.1. Các cơ chế tăng cường SERS 116

4.2.1.1. Cơ chế tăng cường điện từ 117

4.2.1.2. Cơ chế tăng cường hóa học 121

4.2.2. Các loại đế SERS 123

4.2.3. Hệ số tăng cường SERS 125

4.2.3.1. Hệ số tăng cường đơn phân tử 126

4.2.3.2. Hệ số tăng cường đế SERS 126

4.2.3.3. Hệ số tăng cường phân tích 127

4.2.3.4. Hệ số tăng cường được ước tính dựa trên phép đo mặtcắt ngang127

4.2.4. Các ứng dụng của SERS 128

4.2.4.1. Ứng dụng trong các cảm biến sinh học 128

4.2.4.2. Ứng dụng trong các phân tích môi trường 128

4.2.5. Ưu điểm và nhược điểm của SERS 129

4.3. Ứng dụng các hệ ASiNW trong SERS 130

4.3.1. Quy trình chế tạo đế SERS từ hệ ASiNW trên đế Si 130

4.3.2. Sử dụng các hệ ASiNW thẳng đứng có phủ các AgNP

(AgNPs/VASiNW) để phát hiện các phân tử MG nồng độ thấp

thông qua hiệu ứng SERS

4.3.3. Sử dụng các hệ ASiNW xiên có phủ các AgNP

(AgNPs/OASiNW) để phát hiện các phân tử MG nồng độ thấp

thông qua hiệu ứng SERS140

4.3.4. Sử dụng các hệ AgNPs/OASiNW để phát hiện các phân tử

thuốc diệt cỏ paraquat thông qua hiệu ứng SERS144

4.4. Kết luận Chương 4 146

Kết luận 147

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO 151