VẬT LIỆU BÁN DẪN ỐNG NANO CARBON

Ống nano carbon (CNTs) là vật liệu nano carbon dạng ống với đường kính ở kích thước nm (120 nm). CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm. Ống nano carbon được phát hiện vào năm 1991 bởi Lijima 9. Với cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất cơ học quý (nhẹ, độ cứng rất lớn), tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh… Ống nano carbon đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ

Quy Nhơn, tháng 12 năm 2016

ỐNG NANO CACBON

Năm 1985, Rick Smalley tìm ra Fullerene

Năm 1991, Sumio Lijma đã tìm ra CNT.

Năm 2014, Việt Nam đã chế tạo được vật

liệu CNT.

- Ống nano carbon (CNTs) là vật liệu nano carbon dạng ống với đường kính ở kích thước nm (1-20 nm) CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm Ống nano carbon được phát hiện vào năm 1991 bởi Lijima [9] Với cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất cơ học quý (nhẹ, độ cứng rất lớn), tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh… Ống nano carbon đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ [10].     

- Ống nano carbon gồm hai loại chính:

+ Ống nano cacbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes Do đó, CNTs còn được biết đến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững

+  Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm Ngoài ra, SWCNTs thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được gọi là SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNTs nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm

- Hạt xúc tác được tạo trên đế

- Khí CnHn sẽ được phân li thành các nguyên tử carbon và

các sản phẩm phụ khác nhờ chất xúc tác

- Các sản phẩm sau phân ly sẽ lắng đọng trên các hạt xúc

tác Ở đây sẽ xảy ra quá trình tạo các liên kết C-C và hình

Kích thước của các hạt xúc tác kim loại và các điều kiện liên quan khác quyết định ống nano là ống đơn vách (SWCNTs) hay đa vách (MWCNTs). 

Liên kết giữa các hạt xúc tác và đế mà ống nano các bon quyết định cơ chế mọc: mọc từ đỉnh của hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành CNTs.

Cơ chế mọc ống nano cacbon

Cơ chế mọc ống nano cacbon

● Nguyên lý: Sử dụng carbon từ hidro carbon(CH4,C2H2) hoặc

CO và năng lượng nhiệt hoặc plasma hay Laze để phân ly các  

phântử khí thành các nguyên tử carbon hoạt hóa Các nguyên tử  

cacbon này khuếch tán xuống đế, và lắng đọng lên các hạt kim

loại xúc tác xúc tác (Fe, Ni, Co) CNTs được tạo thành (nhệtđộ

đặt vào 650-9000C)

● Ưu nhược điểm

- Dễ chế tạo và rẻ tiền

- Độ sạch không cao, thường phải dùng thêm các cách làm sạch

● Một số kỹ thuật dùng CVD tạo CNTs thường được sử dụng

- Phương pháp CVD nhiệt

- Phương pháp CVD tăng cường Plasma

- Phương pháp CVD xúc tác Alcohol  

- Phương pháp CVD nhiệt có Laze hỗ trợ

- Phương pháp mọc bay hơi

- Phương pháp CVD xúc tác với CoMoCat

Phương pháp CVD nhiệt

Cấu tạo: gồm một ống thạch anhđược bao quanh bởi một lò nhiệt

Hoạt động: khí chứa carbon được đưa vào ống tạo thành

carbonnguyên tử Dưới nhiệt độ cao, cácnguyên tử carbon bị phân

tán trêncác hạt nano kim loại và trở thành trung hòa Nguyên tử

carbon sau đó lắng đọng thành CNTs

Hiện nay để giảm thời gian nung nhiệt

cho lò ban đầu Phòng thí nghiệm ống

nano đã đề xuất sử dụng thay thế một

ống lò ở trên bằng 4 ống lò sử dụng ống

thép không rỉ Do vậy mà thời gian

chuẩn đị lò đốt giảm đi từ 2 ngày xuống

còn 2h.

● Nguyên lý: Hơi carbon được tạo ra bằng phóng một luồng hồ  

lên từ hơi carbon.

● Ưu nhược điểm:

- Là phương pháp đơn giản cho CNTschất lượng cao và cấu trúc

(dotính không liên tục và không ổn định).

Các kỹ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác    

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang ngoài không khí  

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang trong nitơ lỏng    

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường    

- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực Plasma quay  

Nguyên lý: Một chùm Laze năng lượng cao (xung hoặc liên tục)

làm bay hơi một bia Graphit trong lò ở nhiệt độ cao khoảng

Các nguyên tử, phân tử các bon lắng đọng lại tạo thành các đám có thể gồm fullerence và MWCNTs.

Để tạo ra SWCNTs thì bia phải có xúc tác kim loại(Co, Ni, Fe hoặc Y).Ưu nhược điểm:

- Sản phẩm thu được có độ sạch cao  

-Khá tốn kém do nguồn Laze phải có công suất lớn,điện cực than có độ sạch cao, lượng sản   phẩm tạo ra ít  

Dùng bình thép không rỉ có chứa các bi thép không rỉ với độc ứng cao và đổ vào bình thép bột graphit

không rỉ nghiền bột graphit khoảng 15 giờ Sau khi nghiền, bột có rất nhiều ống nano các bon đa vách. 

và khi nung ủ nhiệt, các mầm đó phát triển thành ống nano các bon.

Vật liệu CNTs thể hiện nhiều tính chất ưu việt, tốt hơn so với các vật liệu thông thường khác như độ bền cơ học, modul ứng suất cao, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt và khả năng phát xạ trường ở cường độ điện trường thấp Các tính chất này mở ra nhiều hướng ứng dụng mới thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới.

+ Tính chất cơ: Liên kết σ là liên kết mạnh nhất trong tự nhiên, chính vì vậy một ống nano cacbon được tạo thành với tất cả là các liên kết σ được chú ý tới như là một vật liệu có độ bền lớn nhất Cả thực nghiệm lẫn lý thuyết tính toán đều chứng minh rằng ống nano cacbon

có độ cứng bằng hoặc lớn hơn Kim cương với suất Young lớn nhất và có độ dãn lớn SWCNTs rất cứng, có thể chịu được một lực lớn và có độ đàn hồi cao CNTs là vật liệu có tính chất cơ rất tốt, bền và nhẹ thích hợp cho việc gia cường các vật liệu như cao su,

polymer, kim loại để tăng cường độ bền, độ chống mài mòn… [Bảng 1]

+ Tính chất điện: Tính chất điện của CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc của nó Nó có thể có tnh

dẫn điện của kim loại hoặc bán dẫn(bảng 2).

Bảng 2: Phân loại một số đặc trưng dẫn của CNTs

+ Tính chất nhiệt: CNTs là vật liệu dẫn nhiệt rất tốt (3.104 W/m.K)  

+ Tính chất hóa học: CNTs tương đối trơ về mặt hóa học, ống CNTs có kích thước càng nhỏ thì   hoạt động hóa học càng mạnh Để tăng hoạt tnh hóa học của ống CNTs, người ta thường tạo các sai hỏng trên ống hoặc biến tnh bề mặt của ống.

+ Tính chất phát xạ trường: CNTs có khả năng phát xạ điện từ mạnh ngay cả ở điện thế thấp   (10V) [14].

+ Các ứng dụng tích trữ năng lượng: CNTs có khả năng

tích trữ năng lượng cao và tốc độ truyền tải điện tử nhanh Bởi

vậy CNTs thường được nghiên cứu ứng dụng cho các pin

nhiên liệu Pin nhiên liệu loại này có hiệu suất rất cao Ống

nano cacbon còn được sử dụng để làm điện cực trong các

siêu tụ điện hóa Bởi vì chúng có diện tích bề mặt lớn nên có

thể lưu trữ được nhiều năng lượng hơn pin, ắc quy thông

thường

Sản phẩm thử nghiệm (G Gruner &

Nanotechweb.org)

+ Ứng dụng trong các linh kiện điện tử: như thiết bị phát xạ điện

từ trường đầu dò nano Đối với ống nano cacbon đơn tường, do có

những đặc tính của chất bán dẫn, nên nó còn được dùng để chế

tạo transistor, hay các cổng lôgic Ngoài ra, CNTs đơn tường có thể

được dùng để chế tạo các sensor có độ chính xác trong cả hóa học

lẫn sinh học do tính dẫn điện tốt và trơ về mặt hóa học và sử dụng

để chế tạo các sensor điện cơ để đo độ biến dạng của vật liệu hay

carbon nanotube đa thành.

Công nghệ biến cải bó xôi thành máy dò bom ngăn khủng bố Cải bó xôi được cấy ghép ống nano cacbon có thể phản ứng với chất nitro-aromatics, giúp phát hiện mìn và đạn dược chôn dưới đất.

Giáo sư Michael Strano, đến từ Viện Công nghệ Massachusetts, Mỹ và các đồng nghiệp cho biết cây cải bó xôi sau khi hấp thụ ống nano carbon

có thể phát hiện hóa chất nitro-aromatics trong mìn và đạn dược chôn dưới đất, theo BBC Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Material hôm 31/10

- Cảm biến ống nano theo dõi trình trạng bệnh nhân tiểu đường

- Các nhà nghiên cứu của MIT vừa mới công bố thông tin rằng, họ đã tạo ra được các cảm biến có thể tồn tại được trong cơ thể người đến một năm Đây là những cảm biến nano đầu tiên có thể tồn tại được lâu như vậy trong cơ thể người Các cảm biến này được làm từ ống nano carbon cực nhỏ, chỉ dày cỡ một nguyên tử Các ống carbon có thể bắt được từng phân tử đơn lẻ vì thế chúng sẽ là những cảm biến tuyệt vời Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng khi họ kết hợp các ống nano với các phân tử khác nhau, chúng có thể nhận biết được các chất hoá học đặc biệt có liên quan đến sức khoẻ con người

+ Vật liệu gia cường: CNTs có độ cứng lớn, chống

mài mòn tốt, nhẹ nên thường được sử dụng để

gia cường trong các vật liệu composite như CNTs

với polymer, CNTs với cao su, hoặc CNTs với kim

loại Các vật liệu composite thường có đặc tnh cơ

lý tốt, độ bền, dẻo cao và dẫn điện tốt.

Chiếc xe làm từ vật liệu carbon nanotube

- Vừa qua, các nhà khoa học thuộc Đại học Thượng Hải, Trung Quốc lần đầu tiên phát hiện trong điều kiện nhất định, ống nano cácbon có thể chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng và ngược lại.

- Đo độ cay của tương ớt bằng ống nano Các nhà hóa học Oxford đã phát hiện ra một cách sử dụng ống nano cacbon để kiểm tra độ cay của tương ớt Công nghệ này có thể sớm phổ biến một cách thương mại như là một cảm biến dùng một lần để sử dụng trong công nghệ thực phẩm.

- Ống nano carbon có thể sinh dòng điện lớn: Các nhà khoa học thuộc Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa phát hiện phương thức phát điện mới: lợi dụng ống nano carbon để tạo ra dòng điện, có thể áp dụng cho những thiết bị siêu nhỏ. 

- Cải thiện tính siêu dẫn bằng ống nano carbon: Các nhà vật lý của Áchentina và Mỹ vừa công bố kết quả họ đã cải thiện đáng kể tính siêu dẫn của hợp kim MgB2 bằng cách pha tạp các ống nano cácbon đa tường.

- Ống nano có thể "đóng băng" nước sôi: Theo Engadget, gần đây một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã đi một bước xa hơn-quan sát nước trong các ống nano có thể thực sự đóng băng thành dạng rắn ở nhiệt độ vượt quá điểm sôi tự nhiên

- Chế tạo thiết bị phát hiện chất nổ từ vật liệu nano carbon: Thiết bị nguyên mẫu do nhóm nghiên cứu tại Đại học Utah (Mỹ) phát triển. 

Ống than nano chất lượng cao cho các ứng dụng điện tử

SouthWest NanoTechnologies (Mỹ) Ống than nano đặc biệt từ CVD  

Thomas Swan (Anh) Ống than nano sản xuất đại trà từ CVD Sản xuất

Phim trong suốt

Battelle Memorial Institute (Mỹ) Lớp phủ trong suốt Nghiên cứu 

Eastman Kodak (Mỹ) Lớp phủ quang học trong suốt Nghiên cứu, mẫu thử (prototype) 

Unidym (Mỹ) Phim cho màn hình chạm (touch screen), pin

mặt trời, diode phát quang

Triển khai sản phẩm

Linh kiện

CNTs là vật liệu có tính chất cơ học quý như độ bền, độ chống mài mòn cao, chịu nén tốt, nhẹ, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Bởi vậy, chúng được nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệnhư tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp Có nhiều phương pháp tổng hợp CNT, mỗi phương pháp có ưu khuyết điểm riêng, tuy nhiên trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam, phương pháp thermal CVD là phù hợp hơn cả.

THA NK