Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ co trong các màng mỏng co ag và co ...

Tài liệu Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ co trong các màng mỏng co ag và co al2o3

.PDF
136
169
127

Mô tả:

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................... v MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC ......................................... 7 1.1 Khái niệm về plasmon .................................................................................................. 9 1.2 Phân loại plasmon ...................................................................................................... 10 1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài .................. 12 1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .................................................................. 16 1.5 Hiện tượng 1.6 Tương tá ni in ni .................................................................. 17 gn n-plasmon ....................................................................................... 21 1.7 Sơ ược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở tr ng nước............................. 27 1.8 Kết luận hương 1 ...................................................................................................... 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 29 2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há 2.1.1 Nguyên tắc chung củ hương há hún xạ cao tần 29 hún xạ cao tần.......................................... 29 2.1.2 Cách bố trí bia khi chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt ........................................ 32 2.1.3 Xử lý màng mỏng sau khi chế tạo ....................................................................... 33 2.2 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há bốc bay nổ trong chân không ....................................................................................................................... 33 2.2.1 Nguyên lý của bốc bay nổ .................................................................................... 34 2.2.2 Ưu điể , nhượ điể 2.3 Cá ủ hương há bố b nổ ........................................... 35 hương há khảo sát màng mỏng ..................................................................... 36 2.3.1 Phương há nghiên ứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ....................................... 36 2.3.2 Kính hiển i điện tử quét (SEM).......................................................................... 37 2.3.3 Kính hiển i điện tử truyền qua (TEM) ............................................................... 37 2.3.4 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ...................................................................... 37 i 2.3.5 Khảo sát tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM) ......................................... 38 2. Thiết ậ hệ đ qu ng-từ để khả 2. .1 Sơ đ khối ủ át hiện tượng monic...................................... 38 á hệ đ qu ng-từ ...................................................................... 38 2. .2 Th ng ố k thuật ủ á thiết b ử ụng tr ng á hệ đ qu ng-từ.................. 40 2. .3 Thiết ậ hệ đ qu ng-từ với ngu n ánh áng er đỏ ........................................ 45 2.4.4 Thiết lập hệ đ qu ng-từ với á ánh áng đơn ắc khác nhau ............................ 46 2.5 Kết luận hương 2 ...................................................................................................... 49 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co-Al2O3 VÀ Co-Ag..................................................... 50 3.1 Một số đặ trưng ấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Al2O3 ....................................... 50 3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co trong màng mỏng Co-Al2O3 ................................................ 50 3.1.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 53 3.1.3 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 54 3.1.4 Hình thái vi cấu trúc thông qua giản đ XRD ..................................................... 56 3.1.5 Tính chất từ của hệ màng mỏng Co-Al2O3 .......................................................... 59 3.2 Một số đặ trưng ấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Ag ........................................... 62 3.2.1 Tỉ lệ thành phần Co trên màng mỏng Co-Ag....................................................... 62 3.2.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 64 3.2.3 Hình thái màng mỏng dạng hạt thông qua ảnh TEM ........................................... 67 3.2.4 Khảo sát cấu trúc màng mỏng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử (ED) .................. 68 3.2.5 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 68 3.2.6 Tính chất từ của hệ Co-Ag ................................................................................... 71 3.3 Kết luận hương 3 ...................................................................................................... 72 CHƯƠNG : HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag ......................................... 73 .1 iểu hiện ni từ tính thông qua phổ truyền qua của ánh sáng nhìn thấy ở hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 74 4.1.1 Phổ truyền qua của hệ màng mỏng Co-Ag .......................................................... 74 ii .1.2 Sự hụ thuộ .1.3 Hiện tượng ủ hổ tru ền qu tỉ ệ C ni từ t nh trên hệ 4.2 Biểu hiện plasmonic từ t nh th ng qu ẫu từ trường ngoài ...................... 75 ng ỏng C -Ag........................... 78 hổ hản xạ ủ ánh áng nh n thấ ở hệ màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 79 .2.1 Phổ hản xạ hụ thuộ tỉ ệ hạt ắt từ C tr ng .2.2 nh hưởng ủ từ trường ên hổ hản xạ ủ 4.2.3 Về biểu hiện ủ hiện tượng ẫu .................................... 80 ng ni từ t nh trên hệ ỏng C -Ag .................... 82 ẫu C -Ag ................... 85 4.3 Kết luận hương ...................................................................................................... 89 CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Al2O3..................................... 90 5.1 Nghiên cứu thực nghiệm phổ truyền qua ở màng mỏng dạng hạt Co - Al2O3 ........... 91 5.1.1 Sự tru ền qu hụ thuộ từ trường 5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộ 5.2 Cơ hế tương tá 5.2.1 M h nh h 5.2.2 Cơ hế ghi tỉ lệ C ủ ánh áng er đỏ. ................ 91 hướng của từ trường ngoài .................................... 95 gn n-plasmon ở màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 ..................... 98 ơ hế tương tá h t n-magnon ................................................... 98 gn n tr ng tương tá gn n-plasmon ................................... 103 5.3 Kết luận hương 5 .................................................................................................... 106 KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 107 TÀI LIỆU THAM KH O .................................................................................................... A DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố CỦA LUẬN ÁN ................................ N iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AFM AMR CVD ED EDS FE FM GMR GGG IG LSP MBE MEF MGF NM PVD RF RKKY Interraction SEM SERS SNOM SPE EELS SPP SPR TEM TMR XRD Tên tiếng Anh đầy đủ Atomic Force Microscope Anisotropic Magnetoresistance Chemical Vapor Deposition Electron Diffraction Energy Dispersion Spectroscopy Flash Evaporation Ferromagnetic Material Giant Magneto-Resistance Gadolinium Gallium Garnet Iron Garnet Local Surface Plasmon Molecular Beam Epitaxy Metal Enhancement Fluorescent Magnetic granular thin film Nonmagnetic Material Physical Vapor Deposition Radio Frequency Ruderman-Kittel-KasuayaYosida Interraction Scanning Electron Microscope Surface Enhanced Raman Spectroscopy Near-field Scanning Optical Microscope Spinplasmonic electron Electron Energy Loss Spectroscopy Surface Polariton Plasmon Surface Plasmon Resonance Transmission Electron Microscope Tunneling Magnetoreristance X-ray Diffraction iv Dịch nghĩa Kính hiển vi lực nguyên tử Từ điện trở d hướng Lắng đọng h hơi hó học Nhiễu xạ điện tử Phổ tán sắ năng ượng Bốc bay nổ Vật liệu sắt từ Từ điện trở khổng l Tinh thể đ nh hướng GGG Tinh thể Iron Garnet Plasmon bề mặt đ nh xứ Phương há e it x hù phân tử Huỳnh qu ng tăng ường nhờ kim loại Màng mỏng từ dạng hạt Vật liệu phi từ Lắng đọng h hơi ật lý Tần số Radio Tương tá RKKY Kính hiển i điện tử quét Tán xạ R n tăng ường bề mặt Kính hiển vi quang học quét trường gần Điện tử spinplasmonic Phổ tổn h năng ượng điện tử Plasmon polariton bề mặt Cộng hưởng plasma bề mặt Kính hiển i điện tử truyền qua Từ điện trở xuyên ngầm Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [90]. ...................................... 9 Hình 1.2 Phân loại plasmon [76]. ............................................................................ 10 Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [19]..................................................................... 11 Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [34]. ........................................................................... 12 Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [30]. ......................... 14 Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [96]. ............................................ 15 Hình 1.7 Kết quả phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường kính 150 nm và chu kì là 400 nm ) trên bề mặt mẫu. Một sóng phân cực thẳng tới vuông góc trên tinh thể từ phía không khí [96]. ....................................................... 16 Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt nano [96]. .... 17 Hình 1.9 Khi các vi hạt Co/Au được đặt trong từ trường ngoài, các electron trong các hạt Co bị phân cực spin [11].............................................................................. 18 Hình 1.10 Cơ chế của hiện tượng plasmon-spin [58]. ............................................. 19 Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au (hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ trường B// [58]........................................................................................................... 20 Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au (hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ trường B [58]. ........................................................................................................ 21 Hình 1.13 Plasmon tạo bởi từ trường không đồng nhất [114]. ................................ 23 Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin của electron trong nguyên tử từ [114]. ............ 24 v Hình 1.15 Spin trên phổ tiêu hao năng lượng của các phương Gd/Mo (112) ở 0(a), 1/2(b), 3/4 (c) và 5/4 (d)[49]..................................................................................... 25 Hình 1.16 Bất đối xứng spin của kích thích plasmon (hình vuông) tại năng lượng tiêu hao khoảng 5 eV và Drude (vòng tròn) với năng lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV như một chức năng của vector sóng [43]. ....................................................................... 26 Hình 1.17 Phổ tổn hao năng lượng trên Gd/Mo (112) ở trung tâm các vùng Brillouin 200K và 300K [49]. ................................................................................... 27 Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ........................................................................ 30 Hình 2.2 Bia ghép Al2O3-Co. .................................................................................... 32 Hình 2.3 Sơ đồ hệ bốc bay nổ trong chân không. .................................................... 35 Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM [14]. ............... 38 Hình 2.5 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài. .................................................................................................................................. 39 Hình 2.6 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ngoài. ... 39 Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện của quang trở vào cường độ chiếu sáng đến quang trở............................................................. 41 Hình 2.8 Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào cường độ sáng .................. 41 Hình 2.9 Laser He- Ne gồm đầu phát Laser(a) và nguồn cao áp (b). ..................... 42 Hình 2.10 Khảo sát sự phụ thuộc của từ trường trong cuộn cảm vào cường độ dòng điện bằng máy đo từ Gauss. ..................................................................................... 43 Hình 2.11 Sự phụ thuộc của từ trường B vào cường độ dòng điện. ......................... 44 Hình 2.12 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là đầu đo công suất. (1) nguồn laser đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây tạo từ trường, (4) thấu kính hội tụ, (5) đầu đo công suất, (6) nguồn một chiều, (7) ôm kế, (8) nguồn cao áp của laser He-Ne. ..... 45 vi Hình 2.13 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là quang trở CdS. (1) nguồn laser đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây, (4) thấu kính hội tụ, (5) quang trở CdS, (6) nguồn một chiều, (7) ampe kế, (8) ôm kế, (9) nguồn cao áp của laser He-Ne. ................... 46 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài. . 46 Hình 2.15 Thiết bị lock-in DSP 7225. ...................................................................... 47 Hình 2.16 Hệ tán sắc ánh sáng CARLZEISS JENA. .............................................. 47 Hình 2.17 Chopper tạo xung. ................................................................................... 48 Hình 2.18 Hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau. (1) máy quang phổ; (2) chopper; (3) kính phân cực; (4) và (4’) thấu kính hội tụ; (5) nam châm; (6) cảm biến quang trở CdS; (7) bộ khuếch đại lock-in DSP 7225; (8) nguồn một chiều. ... 49 Hình 3.1 Mối quan hệ giữa tỉ lệ % nguyên tử Co trên mẫu so với tỉ lệ diện tích bia. .................................................................................................................................. 52 Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 tẩm thực NaOH 10 phút. .................................................................................................................................. 53 Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 đã tẩm thực NaOH 5 phút. .................................................................................................................................. 53 Hình 3.4 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 chưa ủ nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54 Hình 3.5 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(40%)-Al2O3 chưa ủ nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54 Hình 3.6 Ảnh AFM được trích xuất từ các ảnh AFM của các mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 và Co(40%)-Al2O3 sau khi đã ủ nhiệt ở 250oC trong vòng 1h . ..... 55 Hình 3.7 Minh họa mặt cắt của bề mặt ghi nhận được bằng AFM của các mẫu màng mỏng Co-Al2O3, thể hiện các hạt/chùm nguyên tử Co cô lập được bao bởi lớp nền Al2O3. ................................................................................................................. 56 vii Hình 3.8 Giản đồ XRD của mẫu màng mỏng dạng hạt Cox(Al2O3)1-x với x = 0.27. 57 Hình 3.9 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(x%)-Al2O3 với từ trường vuông góc bề mặt mẫu với x = 6, 16, 27, 49. ............................................... 59 Hình 3.10 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3........ 61 Hình 3.11 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3 với từ trường theo hai phương song song và vuông góc với bề mặt mẫu........................... 61 Hình 3.12 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(49%)-Al2O3........ 62 Hình 3.13 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(8%)-Ag. ............................ 62 Hình 3.14 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(15%)-Ag. .......................... 63 Hình 3.15 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(25%)-Ag. .......................... 63 Hình 3.16 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(50%)-Ag. .......................... 63 Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(23%)-Ag bốc bay nổ. .................................................................................................................................. 65 Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(20%)-Ag phún xạ. ... 65 Hình 3.19 So sánh hình thái bề mặt qua ảnh SEM của các mẫu màng mỏng được bốc bay nổ với tỷ lệ Co khác nhau............................................................................ 65 Hình 3.20 Ảnh SEM của mẫu Co(27%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66 Hình 3.21 Ảnh SEM của mẫu Co(20%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66 Hình 3.22 Ảnh TEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag bốc bay nổ. .................................................................................................................................. 67 Hình 3.23 Ảnh ED của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag. ................... 68 Hình 3.24 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(22%)-Ag. ............................... 69 viii Hình 3.25 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(27%)-Ag. ............................... 69 Hình 3.26 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Co. ..................................... 70 Hình 3.27 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Ag. ..................................... 70 Hình 3.28 Tính chất từ của một số màng mỏng từ dạng hạt Co-Ag. ....................... 71 H nh .1 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với x = 0 và x = 27% nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G). ............. 75 H nh .2 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với các x khác nhau, trong khoảng 0 – 63 % nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G). .................................................................................................... 75 H nh .3 Sự biến thiên có dạng dao động tắt dần theo tỷ lệ thành phần Co (x trong khoảng 0  63% nguyên tử) của hệ số truyền qua quan sát tại các bước sóng  = 560 nm (a) và 660 nm (b). ................................................................................. 77 H nh . Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 80 H nh .5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 81 H nh .6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm khi B = 0. ............. 81 H nh .7 (a) Phổ phản xạ của màng mỏng với x = 7% khối lượng Co-Ag dưới tác dụng của từ trường ngoài có cường độ khác nhau, B = 0  500 G. (b) Vùng phổ dưới bước sóng dài được tách từ hình (a) để thấy rõ xu hướng biến thiên theo cường độ từ trường ngoài. ........................................................................................ 82 H nh . Phổ phản xạ của ánh sáng trên bề mặt mẫu màng mỏng có các tỷ lệ Co khác nhau với tác dụng của từ trường ngoài B = 0 và 500 Gs: (a) x = 0; (b) x ~ 0.04; (c) x ~ 0.06; (d) x ~ 0.07. ............................................................................... 83 H nh . 1.6Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. .................................... 85 ix H nh 5.1 Tỷ số truyền qua phụ thuộc từ trường của chùm tia laser đỏ đối với các màng mỏng Cox-Al2O3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 16%(hình a), 27% (hình b), 49% (hình c), 63% (hình d) và 100%(hình e). Các đường chấm ngang thể hiện các mức nền truyền qua khi x nhỏ (≤ 49 %) và các mức trần truyền qua khi x lớn (> 49 %). .................................................................................................................................. 92 H nh 5.2 Quan hệ giữa cường độ chùm laser tới J0 , và truyền qua được JT phụ thuộc vào lượng hạt, hay chùm nguyên tử, Co ít (a) hay nhiều (b) trong nền Al2O3. .................................................................................................................................. 93 H nh 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) và cơ chế spinlasmonics [7]. ......................... 103 H nh 5. Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. ......................................... 99 H nh 5.5 (a) Một tia sáng của ánh sáng nhìn thấy tác động vào màng mỏng từ dạng hạt đặt trong một từ trường ngoài có thể điều chỉnh được. (b) Minh họa sự tương quan giữa hình học (x, y, z, φ), quang học (trục quang, B0, E0) và từ trường (Hinit, Mi, H) là các yếu tố ảnh hưởng. (c) Biểu hiện của hiện tượng plasmonic với điện trường phân cực E’ trong màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D  . (d) và (e) Các hạt siêu thuận từ trong màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 khi có hoặc không có từ trường ngoài H. ...................................................................................................... 105 H nh 5.6 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào hướng của từ trường ngoài. ....... 96 H nh 5.7 Minh hoạ về cơ chế hiện tượng plasmonic cho các spin trong các màng mỏng từ dạng hạt bị tác động bởi ánh sáng. (b) Các spin bị phân cực thể hiện bằng vectơ từ độ Mi khi chịu tác động của từ trường B0 và bị phân cực điện bởi E’ do chịu tác động của điện trường E0. (c)-(h) Minh họa sự tương tác photon-magnon dưới tác dụng của từ trường H thay đổi theo góc . .............................................. 102 H nh 5. (a) Hệ số truyền qua khi φ = 0 là một hàm của tỉ lệ Co trong mẫu (x), với các ánh sáng có bước sóng khác nhau. (b) Hệ số truyền qua khi φ = 0o là một hàm của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. (c) Hệ số truyền qua khi φ = 45o là một hàm của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. ....... 98 x MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngay từ thế kỉ thứ tư u ng ngu ên người t đã biết đến một hiện tượng rất lý thú là ánh sáng ứng với tần số xá đ nh có thể truyền qua hay b chặn lại bởi chiếc cốc Lycurgus [30] được làm từ thủy tinh có pha các hạt kim loại Au k h thước vài chục nanomét [65]. Tu nhiên, đến tận thế kỉ 20 hiện tượng này mới đượ đề cập đến một cách khoa học. Vào những nă có thể thực hiện việ đ nh xứ (nhốt h uối thế kỉ 20, nhiều nghiên cứu cho thấy gi hã óng điện từ ở tại bề mặt của kim loại bằng hiện tượng phân cực plasmon bề mặt. Từ những nă các kỹ thuật chế tạo nano phát triển, vấn đề dẫn truyền h 2000 trở đi, khi đ nh xứ óng điện từ có thể thực hiện được dễ dàng, các linh kiện quang-điện tử hiện đại sử dụng hiện tượng kích thích các trạng thái động plasmon bề mặt đã h nh th nh nên ột nhánh công nghệ mới ó tên “plasmonics” 2001 . Trên thế giới, đã ó nghiên ứu tổng qu n ề ật iệu nghiên ứu ề á t nh hất ủ ật iệu điều kiện xả r hiện tượng th đổi khi h u tá ni như ự h n ự ni trên bề ụng ủ ặt ki Ở iệt N ng bố n hất ủ in ới á , tại thời điể iêu nh nh [25], ại [96], t nh hất qu ng in ni đã ặt trời [72][51][124] nhằ ật iệu bán ẫn th ng thường. tá giả bắt đầu thự hiện đề t i ủ nghiên ứu ề hiện tượng ại ật iệu n . ó nhiều ự điện từ [56]. Đặ biệt, hiện tượng đượ nghiên ứu the hướng ứng ụng để hế tạ tăng hiệu uất ủ ni [74] nh, hư thấ ni , ật iệu ni ni ột hiện tượng đó, hiện tượng ó á t nh n rất mới ở nước ta. Đề tài nghiên cứu “Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3” được tá giả thực hiện tại Viện Đ về Khoa học Vật liệu (ITIMS)-ĐH K H Nội nhằ tạo Quốc tế ơ ở để phát triển nghiên cứu và ứng dụng một nh ực mới về plasmonics ở tr ng nước, là một yêu cầu có tính cấp thiết nhằm phát triển nghiên cứu và ứng dụng mới đối với các vật liệu từnano hiện đại ở nước ta. 1 2. Mục tiêu  Nghiên cứu tiếp cận được các hiện tượng ó iên qu n đến tương tá spin-plasmon trong dải óng điện từ ó bước sóng lớn hơn k h thước hạt: Sử dụng ánh sáng nhìn thấy (~300800 nm), trong khi các hạt sắt từ n n được qu n t thường ó k h thước phổ biến trong khoảng ưới 100 nm.  Tạ r được hệ thống mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano với tỷ phần sắt từ khác nhau và thiết lậ được hệ đ chất h hương há đ th h hợ để khảo sát các tính đặ trưng đá ứng quang phụ thuộc vào từ trường ngoài.  Tìm hiểu về tương tá gn n- n, ũng hản ánh bản chất củ tương tác photon-spin, thông qua phổ truyền qua và phổ phản xạ của ánh sáng phụ thuộc vào từ trường ngoài và tỉ lệ % nguyên tử Co trong màng mỏng. 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu  Để giải quyết các vấn đề đặt ra trong các mụ tiêu trên đ , trước hết việc chế tạo mẫu để thực hiện nghiên cứu phải có cấu trúc dạng hạt nano là yếu tố hàng đầu. Vì vậy các hệ màng mỏng Co-Al2O3 và Co-Ag, là những kiểu cấu trúc nano từ tiếp xúc d thể sắt từ-phi từ tiêu biểu và thích hợ để nghiên ứu hiện tượng ni . Nhóm nghiên cứu spintronics của Viện ITIMS đã ó kinh nghiệm nhiều nă ề chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của những hệ như ậ . ẽ là một thuận lợi lớn đối với luận án. đó đ  Việc tìm hiểu những đặ trưng ề cấu trúc và tính chất từ của các hệ màng mỏng từ dạng hạt ũng đã được thực hiện ở luận án này, mặ ùđ những hệ đã được nhóm nghiên cứu khảo sát khá nhiều và chi tiết ở những nghiên cứu trước đ đối với những hệ tương tự như ử dụng á AFM, VSM). Tuy nhiên ở đ hé đo quang-từ (chủ yếu hé đ XR , E , SEM, TEM, húng t i tập trung nhiều hơn á hé đ ự truyền qua và phản xạ có và không có tác dụng của từ trường ng i để khảo sát và tìm hiểu á hiện tượng iên qu n đến hiện tượng ử dụng các ơ hế đối với các ni ở các hệ mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano Co-Al2O3, Co-Ag. Vì vậy, một trong những vấn đề quan trọng ở luận án này là thiết ậ được hệ đ qu ng tr ng từ trường quang-từ và không có từ trường, và tìm hiểu á hé đ hối hợp khác nữ , đã được triển khai. Trên ơ ở thiết ậ được hệ đ qu ng-từ tốt, 2 đặc biệt là loại trừ được yếu tố của các hiệu ứng quang-từ thường gặ , như hiệu ứng Kerr-Faraday, những kết quả khả quan nhất đã được tổng hợp và trình bày trong luận án. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý ngh kh học củ đề tài nghiên cứu ở luận án này, là vấn đề tìm hiểu về tính phụ thuộc spin của hiện tượng ni , trước hết thể hiện ở chỗ, đ ần đầu tiên ở tr ng nước tiếp cận đến nghiên cứu một nh ực còn khá mới mẻ không chỉ ở tr ng nướ , ũng hỉ mới xuất hiện gần đ trên thế giới, nhưng n hư được quan tâm nhiều. Vì vậy nhiều tri thức khoa học và công nghệ mới sẽ có khả năng đượ t t i, được khám phá. Ví dụ như á hiện tượng xuất phát từ tương tá giữa photon với mạng spin củ nên hiện tượng hiện tượng á điện tử trong hạt nano từ đã tạo ni , h magnon, một trạng thái k h th h tương tá giữa các photon với động tuế sai của mạng in ưới tác dụng của từ trường ngoài hay không có từ trường ng i, tr ng đó th nh hần B của óng điện từ kích thích lên các spin trong các hạt từ nano.  Các kết quả thu được của luận án đã gợi ý về một cách tiếp cận thực nghiệ tìm hiểu về ơ hế để quá tr nh tương tá giữa photon của ánh sáng với mạng spin, thông qua các hạt nano từ.  Kết quả nghiên cứu về hiện tượng plasmonic trên của các hạt nano Co trong các màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3 của luận án, thể hiện qua sự biến đổi của những tính chất truyền qua/phản xạ đối với hệ các hạt sắt từ nano, những tính chất qu ng đó b điều biến khá thường bởi các yếu tố từ tính của hệ, như n ng độ hạt C , ường độ tính chất đó hướng từ trường tác dụng lên các hạt nano Co, và những n hụ thuộ năng ượng photon kích thích plasmon, là những đóng gó đã được ghi nhận cho sự phát triển của khoa học nano và công nghệ vật liệu nano nói chung, công nghệ quang-spin và ứng dụng spintronics nói riêng (thông qua các công bố quốc tế có uy tín).  Về mặt thực tiễn, các hiện tượng hiện tượng ứng dụng rất độ đá hữu ni hứa hẹn mở ra những h tr ng đời sống hiện đại, điển hình là các ứng dụng trong công nghệ chuyển mạ h qu ng ượng tử, th ng tin qu ng ượng tử, tàng hình. 5. Những điểm mới của luận án 3 Trong quá trình thực hiện luận án, húng t i đã thiết lập và tiến hành được một số những hoạt động và kỹ thuật thực nghiệm có tính mới trong việc tiến hành nghiên cứu của luận án ở tr ng nước và công bố quốc tế, g h i điểm nổi bật như u:  Phát triển được kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không (Flash Evaporation, FE) áp dụng trong việc chế tạo các mẫu màng mỏng có kiểu cấu trúc dạng hạt nano, như ở hệ Co-Ag. Mặc dù kỹ thuật bốc bay nổ tr ng h n kh ng đã được thực hiện từ lâu. Tuy nhiên, ch đến n hư thấy có công bố nào, cả ở trong và ng i nướ , đề cậ đến việc áp dụng kỹ thuật này để chế tạo các cấu trúc dạng hạt nano, tương tự như đã á ụng trong luận án này. Vì vậ đ ần đầu tiên, ũng thể hiện tính mới của luận án, ở tr ng nướ đã ử dụng kỹ thuật này cho hệ màng mỏng cấu trúc dạng hạt nano.  Thiết lậ được hệ đ quang-từ nhằm khảo sát sự phụ thuộc của hệ số truyền qua và hệ số phản xạ củ ánh áng er đỏ ánh áng đơn ắc (sử dụng hệ tán sắc ánh sáng trắng) trên các màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3 và Co-Ag vào tỉ lệ % nguyên tử Co trong màng, bướ óng ủ ánh áng từ trường ng i ả hướng độ ớn . Tìm hiểu ơ bộ ở tr ng nước trong thời gian gần đ , húng t i hư phát hiện thấ ó đơn nghiên cứu n truyền qua và phản xạ củ ánh cả về ường độ đã từng thiết lập một hệ thực nghiệm ng tr ng điều kiện có từ trường th hướng tác dụng lên mẫu, như hệ thực nghiệ đổi được đã được chúng tôi thiết lập. Về mặt khoa học, những điểm mới về học thuật được thể hiện qua những điểm h nh uđ :  Lần đầu tiên chế tạo thành công màng mỏng từ có cấu trúc dạng hạt nano Co-Ag bằng kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không.  Lần đầu tiên qu n át được xu hướng biến đổi khá bất thường ở các tính chất phản xạ/truyền qua củ ánh áng đối với đá á hạt nano sắt từ Co có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng kích thích, có n ng độ khác nhau, và được phân tán ở tr ng á i trường nền khác nhau: dẫn điện tốt (Ag) á h điện tốt (Al2O3), không có và có từ trường với ường độ dụng lên các hạt nano Co th hướng tác đổi, và cả khi các bước sóng của ánh sáng kích thích khác nhau. 4  Tác giả, cùng với thầ hướng dẫn, đã đề xuất được mô hình mô tả về ơ hế tương tá h t n- magnon, phản ánh tương tá h t n-spin, nhằm giải thích cho á h nh i đá ứng qu ng đã ghi nhận được trong luận án (đã được công bố quốc tế). Cụ thể, ở đó đã tả cho thấy rõ quá tr nh tương tá giữa các thành phần véc-tơ từ trường B điện trường E của sóng ánh sáng (photon) với các in điện tử S và từ độ M của các hạt nano Co ó k h thước D nhỏ hơn nhiều so với bước sóng λ củ ánh áng k h th h như thế n tác dụng của từ trường ngoài H, khi ường độ b th ưới tác dụng và không có hướng của từ trường tác dụng đổi. 6. Cấu trúc của luận án Luận án g m 103 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia làm 05 hương ới các nội ung h nh như u: Chương 1: Tổng quan về hiện tượng plasmonic Chương n tr nh b á spinplasmons và ơ hế tương tá khái niệ ơ bản về plasmon, plasmonic, gn n-plasmon. Chương 2: Thực nghiệm Ở đ , húng t i nêu r á hương há thực nghiệ đã ử dụng trong luận án để chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt như: hún xạ Catốt, bốc bay nổ trong chân kh ng; á hương há khảo sát tính chất màng mỏng dạng hạt như: SEM, EDS, AFM, TEM, VSM, XRD. Đặc biệt, tr ng hương n húng t i tr nh b ề việc thiết ậ thành công hệ đ qu ng-từ nhằm khảo sát các hiện tượng plasmonic trên các màng mỏng dạng hạt nano tại PTN Qu ng ượng tử-Khoa Vật lý-Trường ĐHKHTN-ĐHQG H Nội. Chương 3: Nghiên cứu một số đặc trưng hình thái cấu trúc dạng hạt Hệ thống mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co-Al2O3 được tiến hành chụp SEM, XRD, AFM và khảo sát hình thái dạng hạt thông qua khảo sát tính chất từ trên máy VSM. Các màng mỏng dạng hạt nano Co-Ag chế tạo bằng hương há bốc bay nổ và phún xạ ũng được tiến hành chụp SEM, TEM, ED và khảo sát tính chất từ trên máy VSM nhằ qu n át được hình thái dạng hạt trên màng. Chương 4: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Ag 5 Trình bày các kết quả nghiên cứu về hệ số truyền qua và hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ng i bước sóng của ánh sáng chiếu tới, tỉ ệ C tr ng ng độ ớn ủ từ trường ng i. Đặ biêt, húng t i đã hát hiện thấy biểu hiện của hiện tượng plasmonics trong các cấu trúc nano kim loại d thể dạng hạt Co-Ag. Đ ng thời, húng t i đã hế tạo thành công màng mỏng dạng hạt nano bằng hương há bốc bay nổ, đ tr ng nướ hương há hư từng được sử dụng để chế tạo loại màng này ở ũng như trên thế giới. Chương 5: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Al2O3 Trình bày các kết quả nghiên cứu về sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào tỉ lệ % Co trong mẫu, bướ óng ủ ánh áng k h th h và từ trường ng i độ ớn . Hơn nữ , húng t i đã ận dụng được ơ hế tương tá để giải thích các kết quả thu được. Phần cuối của luận án trình bày các kết luận và kiến ngh . 6 ả hướng gn n-plasmon CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC ni Trong nhiều thập kỷ qua p đã hát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở tr ng nh vực vật lý và quang học của các chất ngưng tụ. Sự kích thích tập thể của các hệ điện tử đã được cho thấy hết sức rõ rệt qua những tính chất tương tá giữa ánh sáng và vật chất đối với rất nhiều hệ vật liệu khác nhau. Với sự phát triển và những thành tựu của khoa học nano và công nghệ chế tạo vật liệu nano từ khoảng đầu thế kỷ 21 đến nay, nhiều hệ vật liệu nano khác nhau, từ các dạng màng mỏng, dạng sợi/dây n n h đến các dạng hạt/chùm hạt n n đã thu hút được sự quan tâm to lớn vì chúng cho thấy nhiều đặ t nh ni đặc biệt. Trong số các vật liệu nano, các kim loại quý đã nhận được sự qu n t đáng kể nhờ cả hiện tượng plasmon bề mặt và khối diễn ra hết sức mạnh mẽ do mật độ trạng thái (DOS) cao của chúng ở mức Fermi, nên rất dễ ng được kích thích tập thể. Các tính chất quang họ , như tru ền qua, phản xạ hay hấp thụ, của vật liệu càng trở nên bất thường hơn khi tương tá ới ánh áng k h th h ó bước sóng lớn hơn nhiều so với k h thước của vật liệu. Plasmon bề mặt là những động tập thể củ á điện tử tự do được hình thành trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và điện môi do sự động tập thể củ á điện tử dẫn [132], chúng lan truyền dọc theo bề mặt lớp tiế xú , được gọi là sóng plasmon bề mặt. Plasmon bề mặt đ nh xứ cao tại bề mặt của các hạt nano kim loại được gọi là plasmon bề mặt đ nh xứ [68][136]. Cá trường điện từ tạo ra sự cộng hưởng plasmon bề mặt đ nh xứ trên bề mặt của hạt nano kim loại, gây ra sự hấp thụ, tán xạ ánh sáng mạnh, xứ năng ượng điện từ) hoặ tăng ường á trường điện từ đ nh xứ (thực hiện đ nh th đổi sự phân bố trường điện từ ở mứ độ nhỏ hơn bước sóng ánh sáng [73]. Vì plasmonics là sự tổ hợp củ điện tử học (electronics) và quang tử học nano (nano-photonics), vì vậy các hiện tượng plasmon bề mặt đ nh xứ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều nh ực quan trọng, như tán xạ R n tăng ường bề mặt (SERS) [80][27], huỳnh qu ng tăng ường nhờ kim loại (MEF) [127], hấp thụ h ng ngoại tăng ường bề mặt và tán xạ R ường. Sóng plasmon bề mặt có ứng dụng lý thú do có khả năng trường điện từ đáng kể, như k nh hiển i trường gần và cảm biến y sinh. 7 eigh tăng tăng ường Trong số các kim loại, bạ ng được xem là các ứng viên tốt nhất để làm tăng ường các vùng hấp thụ plasmon bề mặt của chúng trong vùng ánh áng nhìn thấy. V tr ường độ củ đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim loại có thể được kiểm soát bằng k h thước, hình dáng, thành phần của hạt nano, i trường điện môi, tinh thể. Bên cạnh các nghiên cứu về các nano kim loại quý, h đến nay, các cấu trúc nano ủ á ki ại ắt từ như C , e, C e... vẫn đ ng tiếp tục đượ nghiên ứu trong khoa học nano [89][79][101]. Điều khiến cho các hạt nano sắt từ hết sức được quan tâm về hương iện vật lý plasmonic và plasmonic từ tính (magneto-plasmonic) chính là ở chỗ mật độ trạng thái điện tử DOS có tính phân cực spin. Tr ng nh ự điện tử học spin, người t thường sử dụng hiệu ứng bơ spin, ngh là thực hiện sự chuyển đổi mô-men góc spin, thông qua động lực học từ độ ở trong một chất sắt từ, trở thành những in điện tử dẫn ở trong một chất thuận từ được gắn liền bên cạnh [73]. Khi có sự chuyển động của mômen từ trong chất sắt từ được kích thích (ví dụ bằng ánh sáng), một dòng spin sẽ đượ bơ từ sang chất thuận từ. Các nghiên cứu gần đ ứng bơ in. Một độ, tr ng đó á bơ ề spin kết hợ , ngh intr ni bơ từ chất sắt đã h thấy có hai loại hiệu do tuế sai pha kết hợp của từ ộng hưởng sắt từ hoặc song spin có thể được kích thích bằng bức bơ xạ vi sóng [115][34][137]. Loại thứ hai in kh ng kết hợp, ngh là do trạng thái không cân bằng của các spin ở bề mặt giao tiếp giữa sắt từ và thuận từ (FM/PM được kích thích bởi các nhiễu loạn không kết hợp ở bên ngoài. Khi đó gn n k h th h động của mạng spin trong chất sắt từ FM) và (hoặc) các điện tử trong chất thuận từ PM b chệch ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt, một dòng spin thuần được phát ra qua bề mặt tiếp xúc FM/PM [13]. Một ví dụ điển hình của việ bơ in kh ng kết hợp là spin Seebeck effect [13], ở đó các hàm phân bố magnon/e e tr n đượ điều biến bởi các gradient nhiệt độ bên ngoài. Liên quan tới luận án này, quá trình kích thích bằng ánh sáng làm xuất hiện spin- n u đó đượ điều biến bằng từ trường bên ngoài, cả về ường độ hương, ũng ẽ dẫn đến quá trình kích thích magnon mạnh và diễn r in kh ng kết hợp. ơ hế bơ Như vậy, spin-plasmonics còn là sự tổ hợp của điện tử học, quang tử học nano và điện tử học spin (spintronics), làm cho các vấn đề spin-plasmonics hết sức được quan tâm trong thời gian rất gần đ [95][73][116][85][93][117][130][99][110] 8 [118][88], và dẫn đến nhiều khả năng ứng dụng của spin-plasmonics còn phong phú và sâu sắ hơn nữa. 1.1 Khái niệm về plasmon động chất kh động của mật độ hạt giống như động âm học ở trong ó điện nhưng bản chất của chúng hoàn toàn khác nhau. Thực vậ đối với động âm học thì va chạm giữa các hạt kh đóng ó thăng giáng i tr ập lại cân bằng mỗi khi ật độ, còn ở plasma thì lự tương tá giữa các hạt đóng Những k h th h ơ bản tập thể tương ứng với i tr n . động Plasma trong ngôn ngữ lý thuyết gọi là Plasmon. Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [102]. Thực nghiệm chứng tỏ sự t n tại của Plasmon bằng á h đ suy giả năng ượng khi h á hù hổ đặ trưng ủa điện tử ó năng ượng cỡ keV hoặc phản xạ hoặc truyền qua các màng mỏng kim loại. Đặc biệt thí nghiệm về phản xạ chùm điện tử trên bề mặt vật rắn còn cho thấy có hai loại Plasmon: loại trong khối và loại bề mặt, húng h h i ũi nhọn sát nhau ở trên phổ đặ trưng ủa suy giả năng ượng như h nh 1.1. Tóm lại, trong các cấu trúc kim loại thì các tính chất quang học chủ yếu là do các electron dẫn của kim loại quyết đ nh sự k h th h điện từ làm cho 9 những electr n n động tập thể, tạo nên một hệ động được gọi là plasmon trong không gian của cấu trúc kim loại đó. Như ậy plasmon là những động của mật độ điện tử tự do trong kim loại. Khoa học về plasmon và ứng dụng được gọi là plasmonics. Chú ý rằng plasmonics không tách rời với ánh sáng tác dụng lên những điện môi ở kích thước nano nên có thể xem plasmonic là tiếp xúc d thể kim loại quang học ở k h thước nano. 1.2 Phân loại plasmon Tù the á điều kiện biên (phụ thuộ k h thước, hình dáng và hằng số điện môi của cả kim loại và chất bao), á động có thể được phân loại thành 3 mode: plasmon khối, plasmon bề mặt và plasmon bề mặt đ nh xứ được mô phỏng như h nh 1.2. Hình 1.2 Phân loại plasmon [86].  a on khối vo tr ng khối ki ại pa on : năng ượng ủ á động tậ thể ủ e e tr n ẫn á ượng tử kh ảng 10 e .  Plasmon bề mặt (surface plasmons): Plasmon bề mặt là những động tập thể củ điện tử dọc theo mặt tiếp xúc giữa kim loại-điện môi. Đơn giản hơn, t có thể đ nh ngh Plasmon bề mặt là sự kích thích các electron bề mặt của kim loại bằng ngu n sáng tới. 10
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan