Luận văn Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc Nano kim loại

Nội dung tài liệu: Luận văn Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc Nano kim loại

1. ®¹i häc quèc gia hµ néi Tr•êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn §ç V¨n Tuyªn Kh¶o s¸t hiÖu øng ph¸t hßa ba bËc hai trªn cÊu tróc nano kim lo¹i LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hµ néi - 2011
2. ®¹i häc quèc gia hµ néi Tr•êng §¹I HäC KHOA HäC Tù NHI£N §ç V¨n Tuyªn Kh¶o s¸t hiÖu øng ph¸t hßa ba bËc hai trªn cÊu tróc nano kim lo¹i Chuyªn ngµnh: Quang häc M· ngµnh: 60 44 11 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc ng•êi h•íng dÉn khoa häc: pgs.ts. NguyÔn ThÕ B×nh §¹i häc Quèc gia Hµ Néi Hµ néi - 2011
3. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU....................................................................................................................3 CHƢƠNG I: CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC PHI TUYẾN........................................ 1.1 Phương trình Maxwell trong môi trường phi tuyến ..5 1.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến ... ...6 1.3 Sự đối xứng trong quang phi tuyến ..7 1.4 Lý thuyết về SHG ............................................................................................... ..9 1.4.1 Nguyên lí cơ bản.. ........................................................................................ ..9 1.4.2 Hệ số siêu phân cực β (hyperpolarizability) ................................................ 14 1.4.3 Lý thuyết chung về sự tăng cường trường định xứ ................................................. 14 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ SHG TRÊN CẤU TRÚC NANO KIM LOẠI 2.1 SHG từ các hạt nano làm từ vật liệu không đối xứng tâm ................................. 16 2.1.1. Lý thuyết chung 16 2.1.2. Sự đóng góp khối .20 2.1.3. Sự đóng góp bề mặt ..21 2.2. SHG từ các hạt nano làm từ vật liệu đối xúng tâm ... 22 2.2.1. Các hạt có hình dạng không đối xứng tâm ... 22 2.2.2. Các hạt có hình dạng đối xứng tâm .............. 26 2.2.3. Các hạt kim loại ... 27 2.2.4. Các đám hạt . 30 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT TÍN HIỆU SHG TRÊN CẤU TRÚC NANO KIM LOẠI 3.1. Chế tạo hạt nano vàng (Au)...............................................................................33 3.2. Sử dụng, vận hành hệ đo SFG/SHG..................................................................36 3.2.1. Laser Nd:YAG PL2250................................................................................38 3.2.2. Bộ nhân tần H500 .39 3.2.3. Máy phát tham số quang học PG501/DFG .. 39 3.2.4. Giá đỡ mẫu phân tích ... 40 3.2.5. Máy quang phổ MS3504..............................................................................40 1
4. 3.3. Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG/SHG.............................................42 3.3.1. Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SHG................................................42 3.3.2. Lựa chọn sơ đồ kích thích thu tín hiệu SFG................................................43 3.4. Một số kết quả thực nghiệm...............................................................................47 3.4.1. Kết quả khảo sát SHG từ dung dịch keo hạt nano Au trong ethanol.......... 47 3.4.2. Kết quả khảo sát SFG từ dung dịch keo hạt nano Au trong ethanol............48 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 55 2
5. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HRS: Tán xạ Hyper Raman (Hyper Raman Scattering) SERS: Tán xạ Ramnan tăng cường bề mặt (Surface Raman enhanced Scattering) SHG: Họa ba bậc hai (Simple harmonic generation) SFG: phát tần số tổng (Sum frequency generation) SP: Plasmon bề mặt (Surface plasmon) SPP: Sự phân cực plasmon bề mặt (Surface plasmon polarization) SPR: Cộng hưởng plasmon bề mặt(Surface plasmon resonance) THG: Họa ba bậc ba (Third harmonic generation)
6. MỞ ĐẦU Trong các cấu trúc nano, cấu trúc hạt nano kim loại thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới do tính chất ưu việt của nó mà khi ở dạng khối kim loại không thể có. Các thuộc tính của hạt nano kim loại mang lại nhiều ứng dụng trong công nghệ quang tử, điện tử, y tế, sinh học, hóa dược, môi trường ... Bên cạnh các thuộc tính quang học tuyến tính, người ta đã phát hiện được các thuộc tính quang học phi tuyến trên cấu trúc nano kim loại . Các thuộc tính quang học phi tuyến này cho ta các thông tin sâu sắc hơn về các cấu trúc nano. Một trong các hiệu ứng quang học phi tuyến điển hình, có nhiều ứng dụng đó là hiệu ứng phát tần số tổng SFG ( sum frequency generation) và trường hợp đặc biệt của nó là sự phát hòa ba bậc hai SHG (second harmonic generation). SFG và SHG là những quá trình bị cấm trong môi trường có đối xứng tâm. Tuy nhiên hiệu ứng này lại được phép trên các giao diện vì tại đó tính đối xứng bị phá vỡ. Trong các môi trường đối xứng tâm thì đóng góp SFG/SHG của bề mặt kim loại là vượt trội so với khối. Mặt khác, nếu các hạt làm từ vật liệu đối xứng tâm, sự phát tần số họa ba bị cấm trong gần đúng lưỡng cực điện. Bài toán phải được xem xét ở bề mặt của hạt hoặc phải được lấy tới bậc tiếp theo trong khai triển đa cực. Trong trường hợp này, sự bức xạ là tứ cực điện và đóng góp của cộng hưởng plasmon bề mặt làm tăng cường hiệu ứng phi tuyến SFG/SHG là rất quan trọng. Điều này làm cho việc nghiên cứu hiệu ứng quang học phi tuyến SFG/SHG trên cấu trúc hạt nano kim loại có ý nghĩa không chỉ trong ứng dụng thực tiễn mà cả trong nghiên cứu khoa học cơ bản. Với định hướng đó, chúng tôi chọn đề tài: “Khảo sát hiệu ứng phát hòa ba bậc hai trên cấu trúc nano kim loại”. Mục đích của luận văn này là tìm hiểu hệ quang phổ học hòa ba bậc hai bề mặt với nguồn bơm là laser xung pico giây PL2250 Nd: YAG, nguồn thu là máy quang phổ MS-3504, vận hành và sử dụng hệ đo để khảo sát hiệu ứng SFG và SHG trên cấu trúc nano kim loại . Nội dung của luận văn gồm 3 chương: 3
7. Chƣơng 1: Cơ sở của quang học phi tuyến Chƣơng 2: Lý thuyết về SHG trên cấu trúc nano kim loại Chƣơng 3: Thực nghiệm khảo sát tín hiệu SHG trên cấu trúc nano kim loại 4
8. CHƢƠNG I: CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC PHI TUYẾN 1.1 Phƣơng trình Maxwell trong môi trƣờng phi tuyến Các định luật vật lí chi phối các hiện tượng điện từ có thể được tổng hợp thành các phương trình Maxwell nối tiếng, viết dưới dạng : (1.1) (E: ®iÖn tr•êng; D: c¶m øng ®iÖn; B: c¶m øng tõ; H: c•êng ®é tõ tr•êng; J là mật độ dòng) Các phương trình liên hệ: (1.2) Các phương trình trên mô tả các tương tác ánh sáng-vật chất. Đại lượng P và M là độ phân cực điện và từ, mô tả tính chất vật liệu đối với sự nhiễu loạn trường điện từ ngoài.  Lầy  .0E và kết hợp các phương trình (1.1) và (1.2) ta được phương trình: (1.3) Đây là phương trình sóng đồng nhất với độ phân cực điện-từ P, M và mật độ dòng J. Trong phương trình này không có biểu thức giữa các trường và nguồn. Tuy nhiên, mật độ dòng có thể biểu diễn thông qua độ dẫn điện. Thêm vào đó, các dòng đa cực khác nhau có thể được hấp thụ trong các nguồn tương ứng khác. Điều này dẫn tới khai triển biểu thức của nguồn theo các bậc đa cực: (1.4) 5
9. Ở đây các đại lượng Md, Pd là Q là độ phân cực từ, độ phân cực lưỡng cực điện và độ phân cực tứ cực từ tương ứng. Nếu chỉ giữ lại độ phân cực điện, chúng ta có phương trình: (1.5) Đây là hàm sóng đối với E dẫn ra từ nguồn phân cực lưỡng cực, bao gồm sự đóng góp của các dòng lưỡng cực. Nếu chỉ tập trung vào độ phân cực lưỡng cực điện, chúng ta bỏ qua chỉ số d. Khai triển P thành chuỗi các Ei phụ thuộc thời gian sau đó phân tích tiếp qua khai triển Fourier thành sự chồng chập các dao động ở tần số ωn. Phương trình Maxwell cho phép mỗi thành phần tần số tách riêng rẽ. Do đó, độ phân cực có dạng: (1.7) Ở đây, P(n) là phân cực lưỡng cực điện bậc n. Có thể nhóm chúng thành 2 phần, một phần tuyến tính và một phần phi tuyến: (1.8) Do đó, phương trình (1.5) trở thành: (1.9) Ở đây, ε=1+χ(1) là hằng số điện môi của môi trường. Phương trình (1.9) mô tả sóng được tạo thành từ các nguồn phân cực phi tuyến. 1.2 Các hiệu ứng quang phi tuyến 6
10. Trong phương trình (1.7), số hạng thứ 2 rõ ràng biều diễn một sự tương tác và kết hợp của 2 trường điện E(ω1) và E(ω2). Sự tương tác này sinh ra một sự phân cực trong môi trường với tần số thứ ba. Sự phân cực này trong phương trình (1.9) thể hiện giống như một nguồn của một trường điện dao động ở tần số mới. Xét hai sóng ở tần số ω1 và ω2. Theo phương trình (1.7), hai sóng này kết hợp với nhau để sinh ra một trường mới ở tần số khác. Sự tương tác này có thể sinh ra 3 tần số mới: ω1 + ω2, ω1 - ω2 hoặc -ω1 + ω2. Các hiệu ứng này được biết là sự tạo thành tần số tổng và tần số hiệu. Khi các tần số ω1 và ω2 giống nhau, cùng là ω, thì các hiệu ứng trở thành SHG. Đối với tương tác phi tuyến bậc 3, các hiện tượng phức tạp hơn, ví dụ, sự tạo thành họa ba bậc ba (THG). Các hiệu ứng bậc 3 cũng bao gồm các hiệu ứng mà tần số của trường không thay đổi nhưng có thể ảnh hưởng đến bản thân trường tương tác thông qua độ phân cực phi tuyến. Ví dụ, sự biến điệu pha của trường điện E(ω1) làm thay đổi chiết suất của trường E(ω2). Sự thay đổi trong chiết suất phụ thuộc vào độ lớn của E(ω1) dẫn đến các hiệu ứng tự điều chỉnh pha và tự hội tụ. Trong các hiệu ứng phi tuyến, các hiệu ứng phi tuyến bề mặt là khá quan trọng. SHG bề mặt là hiệu ứng tạo thành tín hiệu hoạ ba bậc hai do phản xạ trên bề mặt giữa hai môi trường. Khi môi trường đối xứng tâm, SHG bị cấm nhưng được phép xảy ra trên bề mặt giao diện vì ở đó tính đối xứng nghịch đảo bị phá vỡ. Do đó, SHG đã trở thành một công cụ dò bề mặt với độ nhạy và đặc trưng bề mặt cao. Khi xét tới SHG bề mặt, các giao diện được xem là một lớp mỏng có tính phân cực phi tuyến bậc hai triệt tiêu trong môi trường bao quanh. Để đặc trưng cho hiệu ứng (2) phi tuyến bề mặt này người ta đưa ra đại lượng độ cảm phi tuyến bề mặt S liên quan đến độ phân cực phi tuyến. 1.3 Sự đối xứng trong quang phi tuyến Các hiệu ứng mô tả trong phần trên là kết quả của tương tác ten xơ của các trường điện đa cực. Tính chất đối xứng của χ(n) là rất quan trọng. Để đơn giản, chúng ta chỉ tập trung vào các hiệu ứng bậc hai, nhưng tương tự cũng có thể được áp dụng cho các hiệu ứng cao hơn. Đối xứng KLeinman 7