luận văn.mô phỏng và thực nghiệm quá trình tart nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống nano cacbon

Nội dung của luận văn là một phần công việc của ñề tài nghiên cứu cơ bản “Nghiên cứu hiệu ứng và cơ chế tản nhiệt sử dụng vật liệu ống nanô cácbon, ống nanô cácbon ñịnh hướng và màng kim

ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành ñào tạo thí ñiểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHAN NGỌC MINH

Hà Nội – 2010

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi − học viên Bùi Hùng Thắng, chuyên ngành Vật liệu và Linh kiện nanô, khoa Vật

lý Kỹ thuật và Công nghệ nanô, trường ðại học Công nghệ, ðại học Quốc gia

Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phan Ngọc Minh Bản luận văn không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào Nếu bản luận văn này ñược sao chép

từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước ñơn vị ñào tạo và pháp luật

Hà Nội, ngày 05 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Bùi Hùng Thắng

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phan Ngọc Minh, người ñã trực tiếp giao ñề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TS Nguyễn Năng ðịnh, người thầy ñã truyền ñạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong học tập và nghiên cứu khoa học

Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ, ñồng nghiệp trong phòng Vật liệu Cácbon nanô, Viện Khoa học Vật liệu ñã giúp ñỡ em tận tình, tạo ñiều kiện thuận lợi và cho em nhiều kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình làm thí nghiệm, nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Em xin ñược bày tỏ lòng biết ơn ñối với các thầy cô giáo Trường ðại học Công nghệ, ðại học Quốc Gia Hà Nội ñã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn này

Nội dung của luận văn là một phần công việc của ñề tài nghiên cứu cơ bản

“Nghiên cứu hiệu ứng và cơ chế tản nhiệt sử dụng vật liệu ống nanô cácbon, ống nanô cácbon ñịnh hướng và màng kim cương nhân tạo trong các linh kiện ñiện

tử công suất” Mã số 103.03.47.09 do Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia − NAFOSTED tài trợ

Cuối cùng, xin ñược bày tỏ tình cảm tới các bạn trong tập thể lớp Cao học K15N ñã ñộng viên, hỗ trợ em về mọi mặt

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Bùi Hùng Thắng

MỤC LỤC

Trang

MỞ ðẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon 4

1.1.1 Lịch sử phát triển 4

1.1.2 Cấu trúc của ống nanô cácbon 8

1.1.3 Các phương pháp chế tạo ống nanô cácbon 10

1.1.4 Tính chất của vật liệu CNTs 14

1.2 Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính 21

1.2.1 Tổng quan về CPU 21

1.2.2 Vai trò của tản nhiệt và các phương pháp tản nhiệt 22

1.2.3 Vai trò, tác dụng của kem tản nhiệt 25

1.2.4 Một số loại kem tản nhiệt trên thị trường 26

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28

2.1 Ý tưởng ứng dụng CNTs trong kem tản nhiệt 28

2.2 Phương án thực nghiệm 28

2.3 Hệ thiết bị và phương án thí nghiệm 29

2.3.1 Hệ thí nghiệm 29

2.3.2 Thiết bị phần cứng 29

2.3.3 Các phần mềm hỗ trợ 30

2.3.4 Các hóa chất và vật liệu sử dụng 31

2.4 Các bước tiến hành thí nghiệm 34

2.4.1 Quá trình chế tạo kem 34

2.4.2 Khảo sát quá trình tản nhiệt của vi xử lý 34

2.5 Các phương pháp phân tích 34

2.5.1 Kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) 35

2.5.2 Phổ Raman 36

2.5.3 Phổ huỳnh quang tia X (EDX) 36

2.6 Phương pháp mô phỏng 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Kết quả chụp SEM 40

3.2 Phổ Raman 41

3.3 Phổ EDX 42

3.4 Xác ñịnh nồng ñộ CNTs tối ưu trong kem tản nhiệt 43

3.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt 44

3.5.1 Không sử dụng kem tản nhiệt 44

3.5.2 Kem tản nhiệt STARS 45

3.5.3 Kem tản nhiệt STARS pha CNTs 46

3.5.4 Kem tản nhiệt AS5 47

3.5.5 Kem tản nhiệt AS5 pha CNTs 48

3.5.6 Quá trình giảm nhiệt ñộ của CPU 49

3.6 Tính ổn ñịnh và tuổi thọ của kem tản nhiệt 50

3.7 Bước ñầu ứng dụng CNTs trong tản nhiệt cho LED 50

KẾT LUẬN 53

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết

CNTs Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon

CVD Chemical Vapor Deposition Ngưng tụ pha hơi hoá học

EDX Energy Dispersive X-Ray

spectroscopy Phổ tán xạ năng lượng tia X SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi ñiện tử quét SWCNTs Single-Walled Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon ñơn tường MWCNTs Multi-Walled Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon ña tường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác nhau của các bon

Hình 1.2 Cấu trúc Graphit: a) Chiều ñứng b)Chiều ngang

Hình 1.3 a) Cấu trúc tinh thể của kim cương b) Kim cương dạng khối

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60 b) C70 c) C80

Hình 1.5 Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs b) MWCNTs

Hình 1.6 Hình 1.6 (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair(5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5)

Hình 1.7 Các loại defeet trên ống CNTs: a) ở ñầu ống, b) ở thân ống

Hình 1.8 Sơ ñồ thiết bị hồ quang ñiện

Hình 1.9 Hệ phóng ñiện hồ quang bằng plasma quay

Hình 1.10 Sơ ñồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser

Hình 1.11 Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt

Hình 1.12 a) Cấu trúc ñiện tử của hàm phân bố năng lượng, b) vùng Brillouin của graphene

Hình 1.13 Hàm phân bố năng lượng: a) armchair(5,5) b) zigzag (9,0) c) zigzag(10,0)

Hình 1.14 So sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác

Hình 1.15 a) Sự phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt ñộ b) So với graphite và mạng graphene

Hình 1.16 Các loại CPU (vi xử lý) thường gặp

Hình 1.17 Cấu trúc bên trong của CPU

Hình 1.18 Hệ thống tản nhiệt bằng quạt gió

Hình 1.19 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng

Hình 1.20 Nitơ hóa lỏng ñược rót vào ống làm lạnh gắn trên CPU

Hình 1.21 Sơ ñồ hệ tản nhiệt dùng quạt có kem tản nhiệt

Hình 1.22 Tác dụng của kem tản nhiệt

Hình 1.23 Kem tản nhiệt Stars 350

Hình 1.24 Kem tản nhiệt FrozenCPU Copper

Hình 1.25 Kem tản nhiệt Arctic Silver 5

Hình 2.1 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU

Hình 2.2 Sơ ñồ mạch ñiện ño nhiệt ñộ CPU

Hình 2.3 Giao diện phần mềm Speedfan

Hình 2.4 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

19

19

21

21

23

24

24

25

26

26

27

27

29

30

30

31

Hình 2.5 Vật liệu CNTs sử dụng trong thí nghiệm

Hình 2.6 Vật liệu CNTs biến tính sử dụng trong thí nghiệm

Hình 2.7 Vật liệu CNTs/pani sử dụng trong thí nghiệm

Hình 2.8 Kem Stars 350

Hình 2.9 Kem Arctic siliver 5

Hình 2.10 Chloroform và cấu tạo hóa học

Hình 2.11 Các bước bôi kem tản nhiệt lên CPU

Hình 2.12 Mô hình hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

Hình 2.13 Sơ ñồ mạch thể hiện hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý

Hình 2.14 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt cho vi xử lý ñơn giản hóa

Hình 3.1 Ảnh SEM của kem Arctic silver 5 ở ñộ phân giải 6.000 lần và 22.000 lần

Hình 3.2 Ảnh SEM của kem Stars CNTs 5% ở ñộ phân giải 13.000 lần,

chế tạo bằng phương pháp trộn cơ học

Hình 3.3 Ảnh SEM của kem Arctic silver 5 CNTs 3% ở ñộ phân giải 80.000 lần, chế tạo bằng phương pháp có hỗ trợ bằng dung môi chloroform, khuấy từ và rung siêu âm

Hình 3.4 Phổ Raman của kem Stars (a) và kem Stars pha CNTs 2% (b)

Hình 3.5 Kết quả phân tích EDX của kem Stars pha 2% CNTs

Hình 3.6 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 pha 2% CNTs

Hình 3.7 Kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 1% wt ñến 7% wt

Hình 3.8 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi không sử dụng kem tản nhiệt

Hình 3.9 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS

Hình 3.10 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS pha 2% CNTs

Hình 3.11 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5

Hình 3.12 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 pha 2% CNTs

Hình 3.13 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ của CPU trong quá trình giảm nhiệt ñộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS

31 32 32 33 33 33 34 37 38 38 40 40 41 41 42 42 43 44 45 46 47 48 49 Hình 3.14 Kết quả thực nghiệm với kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs với thời gian kéo dài 10000 giây 50

Hình 3.15 Các ảnh SEM của (a) ñế tản nhiệt cho LED, (b) ñế tản nhiệt ñã

ñược phủ lớp màng CNTs, (c) ảnh SEM của lớp màng

MỞ ðẦU

Máy vi tính cá nhân (PC) ngày càng trở nên phổ biến và ñược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ñời sống, trong ñó vi xử lý là bộ phận quan trọng nhất, có chức năng xử lý lệnh và số liệu Với sự phát triển nhanh của khoa học và công nghệ, mật ñộ tích hợp transistor trong vi xử lý (CPU) ngày càng cao, từ 55 triệu transistor ở Pentium 4 Prescott ñến thế hệ vi xử lý lõi tứ là 400 triệu transistor ðiều này làm tăng tốc ñộ xử lý của CPU nhưng ñồng thời cũng làm tăng lượng nhiệt tỏa ra trên vi xử lý Lượng nhiệt sinh ra quá cao sẽ làm giảm tuổi thọ và khả năng xử lý của CPU do các linh kiện ñiện tử chỉ làm việc trong một giới hạn nhiệt ñộ nhất ñịnh Do ñó bài toán tản nhiệt cho CPU là một bài toán quan trọng và cần ñược giải quyết Hiện nay phổ biến nhất vẫn là phương pháp tản nhiệt dùng quạt Phương pháp này sử dụng một ñế kim loại (heatsink) có ñộ dẫn nhiệt cao áp lên bề mặt CPU ñể lấy nhiệt ra khỏi CPU, sau

ñó lượng nhiệt này ñược tản ra ngoài không khí nhờ quạt ñặt trên ñế Do bề mặt CPU và ñế kim loại có ñộ mấp mô, không tiếp xúc hoàn toàn với nhau nên hiệu quả tản nhiệt bị giảm ñi ñáng kể, ñể khắc phục vấn ñề này, người ta bổ sung một lớp kem ở giữa CPU và ñế kim loại ðộ dẫn nhiệt của lớp kem trở thành yếu tố then chốt quyết ñịnh hiệu suất tản nhiệt cho CPU Vì vậy, tăng ñộ dẫn nhiệt cho kem tản nhiệt là mục tiêu mà luận văn này hướng tới

Sự ra ñời và phát triển của công nghệ nano ñã tạo ra nhiều loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp và ñời sống, trong ñó tiêu biểu

là vật liệu ống nanô các bon (CNTs - Carbon NanoTubes) Các nghiên cứu và thử nghiệm ñã cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có ñộ dẫn nhiệt cao nhất ñược biết ñến hiện nay, vì vậy rất có tiềm năng trong việc ứng dụng CNTs làm vật liệu kem tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ống nanô cácbon tại Viện Khoa học Vật liệu và những thành tựu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng ống nanô cácbon làm vật liệu tản nhiệt, chúng tôi ñặt mục tiêu ứng dụng ống nanô cácbon ñể tản nhiệt cho vi xử lý máy tính Do ñó

tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Mô phỏng và thực nghiệm quá trình

tản nhiệt cho vi xử lý máy tính” là ñề tài Luận văn Thạc sỹ

Mục ñích nghiên cứu

– Thử nghiệm ñưa vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) vào kem tản nhiệt thương mai có sẵn trên thị trường với nồng ñộ phần trăm CNTs từ 1-5% khối lượng (.wt) Khảo sát nhiệt ñộ của vi xử lý với các loại kem chế tạo ñược

– Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình tản nhiệt của vi xử lý, ñặc trưng tăng giảm nhiệt ñộ của vi xử lý theo thời gian, công suất làm việc và ñộ dẫn của kem tản nhiệt

– So sánh thực nghiệm với quá trình mô phỏng ñể so sánh, ñánh giá hiệu suất tản nhiệt của các loại kem ứng dụng vật liệu CNTs, qua ñó tính toán

ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt

Phương pháp nghiên cứu

– Chế tạo vật liệu CNTs bằng phương pháp lắng ñọng hóa học từ pha hơi (CVD) nhiệt

– Khảo sát cấu trúc và các tính chất của vật liệu kem tản nhiệt cho vi xử lý chế tạo ñược bằng các phương pháp: Kính hiển vi ñiện tử quét (SEM), phổ tán xạ Raman

– Khảo sát quá trình tăng giảm nhiệt ñộ của CPU bằng sensor nhiệt tích hợp trong vi xử lý và phần mềm SpeedFan

– Mô phỏng quá trình tản nhiệt của CPU, qua ñó ñánh giá hiệu quả tản nhiệt của loại kem tản nhiệt ứng dụng vật liệu CNTs

Bố cục của luận văn

Nội dung luận văn bao gồm ba phần chính:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Giới thiệu chung về vật liệu ống nanô cácbon, các tính chất nổi bật, các ứng dụng và phương pháp chế tạo Các phương pháp tản nhiệt cho vi xử lý máy tính, các loại kem tản nhiệt thông dụng trên thị trường hiện nay

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Trình bày ý tưởng ứng dụng CNTs ñể tản nhiệt cho vi xử lý máy tính, các phương pháp nghiên cứu ñược sử dụng ñể khảo sát cấu trúc của vật liệu như các phương pháp SEM và Raman Phương pháp mô phỏng ñể khảo sát quá trình tản nhiệt và ñánh giá hiệu quả tản nhiệt của kem

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

đánh giá các kết quả phân tắch vật liệu qua phép phân tắch SEM, Raman Các kết quả ựã ựạt ựược về thực nghiệm quá trình tản nhiệt ựể ựánh giá ựiều kiện tối ưu của quá trình tản nhiệt Kết hợp kết quả thực nghiệm và quá trình mô phỏng ựể ựánh giá hiệu quả tản nhiệt, ựộ dẫn của kem tản nhiệt Từ ựây cũng ựề

ra những hướng mới trong nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô các bon

1.1.1 Lịch sử phát triển

Trong bảng hệ thống tuần hoàn cácbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6 (có 6 ñiện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình ñiện tử là 1s22s22p2 do ñó nguyên tử cácbon có bốn ñiện tử hóa trị Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa học [20], vì vậy các hàm sóng của bốn ñiện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tử khác Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các ñiện tử gọi là các trạng thái lai hóa Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2,

sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cácbon

Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1a) ñược tạo thành như một chuỗi dây xích phẳng Mỗi mắt xích là một nguyên tử cácbon Dạng lai hóa này có thể ñược tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn Trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp2 ñược tạo thành còn lại là một obital 2p Ba obital ñồng phẳng tạo với nhau một góc 1200(hình1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các nguyên tố cácbon bên cạnh Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế tiếp Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cácbon tưởng tượng giống như một tấm cácbon ñơn 2D phẳng trong ñó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cácbon là 1200 trông giống như một mạng hình tổ ong Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc graphene

+

Hình 1.1 Các trạng thái lai hóa khác nhau của các bon a) sp 1 b) sp 2 c) sp 3

Sp 2 - Hybrid Trigonal Planar

(b)

Sp 3 - Hybrid Tetrhedral (c)

Sp 1 - hybrid Linear (a)

Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1.1c) Trong trạng thái này bốn obital lai hóa

sp3 tương ñương nhau ñược tạo thành ñịnh hướng theo các ñỉnh của tứ diện ñều quanh một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital của các nguyên tử bên cạnh Một ví dụ ñiển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết σ Csp3 - Csp3 (C-C) ñược tạo thành giữa hai nguyên tử cácbon bởi sự chồng chập các orbital sp3 và ba liên kết σ Csp3 - H1s ñược tạo thành tại mỗi nguyên tử cácbon Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3 thường tồn tại trong cấu trúc kim cương

Graphit

Một dạng khác của cácbon hay gặp trong kĩ thuật, ñó là graphit, hay còn gọi là than chì Graphit là một dạng tinh thể khác của cácbon, có cấu trúc lớp, mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van Der Waals Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cácbon liên kiết phẳng với ba nguyên tử cácbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1200 [22]

Trong graphite, nguyên tử cácbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34

Å như ñược thể hiện trên (hình 1.2b) Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu ñen như lá cây, gỗ cháy còn lại Về mặt cấu trúc, than là dạng cácbon vô ñịnh hình trong ñó các nguyên tử cácbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết sp2 và không có liên kết sp

Hình 1.2 Cấu trúc Graphit: a) Chiều ñứng b)Chiều ngang [22]

Kim cương

Như ñã biết cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 Các trạng thái lai hóa này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên

Hình 1.3 a) Cấu trúc tinh thể của kim cương b) Kim cương dạng khối

Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cácbon ðây là dạng tinh thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cácbon, tồn tại ở dạng lập phương và lục giác Cấu trúc của mạng tinh thể kim cương ñược thể hiện trên hình 1.3a Ở dạng lập phương, mỗi nguyên tử cácbon liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác ở xung quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3, các liên kết này ñều là các liên kết cộng hóa trị Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên

tử cácbon trong tinh thể kim cương là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền Ô mạng cơ sở của kim cương tạo thành trên cơ sở lập phương tâm mặt Bốn nguyên tử cácbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa ñộ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4) Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể kim cương là 1,544 Å Góc cố ñịnh giữa các liên kết cộng hóa trị trong mạng kim cương là 109,50 Cũng như graphite, kim cương có ñộ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000W/m.K) và nhiệt ñộ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K)

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C 60 b) C 70 c) C 80

Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cácbon là liên kết sp2 Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cácbon không có tọa ñộ phẳng

mà có dạng mặt cầu hoặc elip Cấu trúc của phân tử C60giống như một quả bóng

ñá nhiều múi nên ñể có ñược một mặt cầu, mỗi ngũ giác ñược bao quanh bởi năm lục giác Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp ñộ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc dạng lồng Năm 1990, Kratschmer [22] ñã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng ñiện hồ quang giữa 2 ñiện cực graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.4b, hình 1.4c)

Hiện nay, fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế Nhờ có tính chất siêu ñàn hồi ñặc biệt là rất bền nên fullerenes có thể ứng dụng ñể chế tạo các loại áo giáp trong quân sự Ứng dụng ñang nổi nên hiện nay là dùng fullerenes

ñể làm chất mang dược phẩm dùng trong y tế Người ta ñã cho những ligand bám ở ngoài quả cầu fullerene dùng ñể ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào Những thuốc chữa bệnh có sử dụng fullerene ñang bắt ñầu ñược bán trên thị trường Việc kết hợp một số loại vật liệu với fullerenes có thể tạo ra những loại vật liệu mới với các tính chất ña dạng như tạo ra các chất siêu dẫn, chất cách ñiện [1]

Ống nanô cácbon

Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S Iijima [25] ñã khám phá ra một cấu trúc mới của các bon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này ñược gọi là ống nanô các bon ña tường (MWCNTs) Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanô các bon ñơn tường (SWCNT)

có ñường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromét Kể từ ñó ñến nay, có hai loại ống nanô cácbon (CNTs) ñược biết ñến là: CNTs ñơn tường (SWCNT) và CNTs

ña tường (MWCNTs) (hình 1.5a, hình 1.5b)

bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNT nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên ñến vài mm

Phát hiện mới về ống nanô cácbon cũng như những tính chất ñặc biệt của

nó ñã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Sự góp mặt của CNTs ñánh dấu sự ra ñời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên cơ sở các bon - vật liệu mới cho tương lai

1.1.2 Cấu trúc của ống nanô các bon

CNTs có cấu trúc giống như các lớp mạng graphene cuộn lại thành dạng ống trụ rỗng, ñồng trục Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs ñược phân thành các loại khác nhau

Cấu trúc của vật liệu CNTs ñược ñặc trưng bởi véc tơ Chiral, kí hiệu là Ch Véc tơ này chỉ hướng cuộn của các mạng graphene và ñộ lớn ñường kính ống (hình 1.6a)

C h =na1 +ma2 =( , )n m (1)

Trong ñó: n và m là các số nguyên

a1 và a2 là các véc tơ ñơn vị của mạng graphene

Có nhiều cách chọn véctơ cơ sở a1, a2, một trong các cách chọn chỉ ra trong hình 1.6a dưới ñây

a (2)

Với a là hằng số mạng của graphite: a = 0,246 nm

Góc của véc tơ Chiral θ:

) (

2

2 cos

2 2

nm m n

m n

+ +

+

=

θ (3) ðường kính D của ống ñược tính theo công thức sau:

Theo vector chiral, vật liệu CNTs có các cấu trúc khác nhau tương ứng với

các cặp chỉ số (n, m) khác nhau Ba cấu trúc thường gặp ñó là: amchair, zigzag

và chiral tương ứng với các cặp chỉ số (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.6b)

CNTs có ñường kính từ vài nanômét tới vài chục nanômét và chiều dài từ

một vài micromét ñến vài minimét, dẫn tới tỉ lệ chiều dài/ñường kính và diện

tích bề mặt của nó là rất lớn

Hình 1.6 (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loại amchair(5, 5), zigzag(9, 0) và

chiral(10, 5) [19]

Tuy nhiên, ñây là các cấu trúc lý tưởng của CNTs Trên thực tế, cấu trúc

của CNTs bao giờ cũng tồn tại các sai hỏng hay còn gọi là các defect Các defect

này ñược phân loại theo cấu trúc hình học hay dạng lai hóa của các nguyên tử

cácbon cấu thành nên CNTs

Các defect theo cấu trúc hình học trên ống CNTs là sự xuất hiện của các

vòng cácbon không phải 6 cạnh Các vòng cácbon này có thể là 7 cạnh hoặc 8

cạnh, chủ yếu xảy ra ở ñầu ống và gần vùng liên kết ống (hình 1.7)

(a) (b)

Các defect theo kiểu lai hóa, có thể hiểu là dạng lai hóa của các nguyên tử cácbon của CNTs là sự kết hợp giữa các dạng lai hóa sp và sp3, do ñó cấu trúc của CNTs không chỉ gồm các liên kết C-C lai hóa dạng sp2 mà còn là sp2+α (-1 <

α < 1) ðây là nguyên nhân gây ra sự uốn cong trên bề mặt của CNTs

Ngoài các dạng defect trên, còn một số dạng defect khác như liên kết không hoàn toàn, khuyết và dịch vị trí Các defect có vai trò rất quan trọng, chúng là ñầu mối chìa khóa trong các quá trình biến tính của vật liệu CNTs Các defect này có thể ở ñầu ống hay trên thân ống và mở ra các cực thu hút các nhóm chức hoạt ñộng như carboxyl, hydroxyl, estes… Các nhóm chức này là công cụ chủ yếu ñể hoạt hóa, biến tính vật liệu CNTs Tuy nhiên, các defect này cũng ảnh hưởng tới các tính chất của CNTs, ñặc biệt là các tính chất cơ, ñiện

Nó có thể làm giảm ñộ bền về mặt cơ học và làm thay ñổi cấu trúc dải ñiện tử của CNTs

Hình 1.7 Các loại defeet trên ống CNTs: a) ở ñầu ống, b) ở thân ống [22]

1.1.3 Các phương pháp chế tạo ống nanô các bon

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau tổng hợp vật liệu CNTs Nhưng phổ biến nhất là ba phương pháp: phương pháp phóng ñiện hồ quang, phương pháp sử dụng laser và phương pháp lặng ñọng pha hơi hóa học

• Phương pháp phóng ñiện hồ quang

Ban ñầu phương pháp này ñược dùng ñể chế tạo fullerene C60, kể từ sau khi khám phá ra CNTs thì phương pháp này cũng ñược sử dụng rộng rãi ñể chế tạo CNTs

Sự phóng ñiện hồ quang ñược thực hiện giữa hai ñiện cực ñặt ñối diện và cách nhau một khoảng 1 mm trong một buồng kín có chứa khí trơ (He hoặc Ar)

ở áp suất trong khoảng 50 – 700 mbar Giữa hai ñiện cực có dòng ñiện một chiều 50 – 100 A và hiệu ñiện thế trong khoảng 20 – 25 V, nhiệt ñộ trong buồng lên tới 3000 – 4000 K Khi phóng ñiện, khí giữa hai ñiện cực than bị ion hoá trở

Defects

thành dẫn ựiện đó là plasma, vì vậy phương pháp này còn gọi là hồ quang plasma Hiệu suất tổng hợp CNTs phụ thuộc vào ựộ ổn ựịnh của môi trường plasma giữa hai ựiện cực, mật ựộ dòng, áp suất khắ trơ, cấu hình của ựiện cực, buồng chân không và một vài yếu tố khác Trong tất cả các loại khắ trơ, heli cho kết quả tạo CNTs tốt nhất vì ựây là chất có khả năng ion hóa cao

Trong ựiều kiện chế tạo MWCNTs tối ưu thì quá trình bay hơi cácbon sinh

ra một lượng nhỏ muội than cácbon vô ựịnh hình và 70% cácbon bốc hơi từ anốt graphit sạch lắng ựọng lên trên bề mặt của thanh graphit catốt điều kiện tổng hợp tối ưu là sử dụng ựiện thế một chiều với thế 20 V-25 V và dòng 50 A-100 A D.C và áp suất heli ở 500 Torr Phóng ựiện hồ quang là một phương pháp ựơn giản cho CNTs chất lượng cao và cấu trúc hoàn hảo

Hình 1.8 Sơ ựồ thiết bị hồ quang ựiện [22]

Tuy nhiên, phóng hồ quang thông thường là một quá trình không liên tục

và không ổn ựịnh nên phương pháp này không thể tạo ra một lượng lớn CNTs CNTs ựược tạo ra bám trên bề mặt catot và ựược sắp xếp không theo một quy tắc nào, vì dòng chuyển ựộng và ựiện trường là không thuần nhất Các kết quả nghiên cứu cho thấy do mật ựộ hơi cácbon và nhiệt ựộ không ựồng nhất nên hạt nanô cácbon và các tạp bẩn luôn tồn tại cùng với ống nanô để giải quyết vấn ựề này, người ta ựã tạo ra những hệ hồ quang mới với nhiều ưu thế mới và có hiệu quả cao Lee ựã phát triển hệ phóng ựiện hồ quang truyền thống thành phương pháp hồ quang plasma quay ựể chế tạo CNTs khối lượng lớn Phương pháp hồ quang với plasma quay dùng tổng hợp CNTs ựược thể hiện trên hình 1.9 Lực ly tâm gây ra bởi sự quay ựể tạo ra hiện tượng xoáy và gia tốc quá trình bay hơi của nguyên tử cácbon theo phương thẳng ựứng với ựiện cực anốt Hơn nữa quá trình quay làm cho sự phóng ựiện vi cơ ựồng ựều và tạo ra plasma ổn ựịnh Bởi vậy ựã làm tăng thể tắch plasma và tăng nhiệt ựộ plasma Với tốc ựộ quay là

Pressure control

5000 vòng/phút (rpm) tại nhiệt ñộ 10250C, hiệu suất tạo CNTs là 60 % Hiệu suất có thể ñạt tới 90 % nếu tốc ñộ quay tăng lớn và nhiệt ñộ lớn ñạt tới 11500C Trong phương pháp hồ quang ñiện, ñể tạo MWCNTs thì không cần sự có mặt của xúc tác Tuy nhiên ñể tạo SWCNT thì người ta lại cần sử dụng các chất xúc tác, ñặc biệt là các xúc tác kim loại chuyển tiếp Một số tác giả ñã chế tạo SWCNT bằng cách phóng ñiện hồ quang bằng ñiện cực Fe-graphit trong môi trường khí argon Trong trường hợp này, các nhà khoa học ñã tạo ra một hố nhỏ trên thanh graphit anốt, hố này ñược lấp ñầy bởi một hỗn hợp bột kim loại và bột graphit còn catốt là thanh graphit sạch Các chất xúc tác thường ñược sử dụng ñể chế tạo SWCNT bao gồm một số kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni

và một số kim loại ñất hiếm như Y Trái lại hỗn hợp của những chất xúc tác này như Fe/Ni hay Co/Ni lại thường ñược sử dụng ñể chế tạo ra bó SWCNT

Hình 1.9 Hệ phóng ñiện hồ quang bằng plasma quay [22]

Tóm lại, trong phương pháp phóng ñiện hồ quang, với hai ñiện cực là graphit tinh khiết (hoặc có thể bổ sung thêm một vài chất xúc tác), các nguyên

tử cácbon từ anốt chạy ñến catốt tạo ra các ống nanô cácbon và muội fullerenes cùng nhiều sản phẩm phụ khác ðây là phương pháp ñơn giản, phổ biến trong chế tạo CNTs và fullerenes Sản phẩm tạo ra có cấu trúc hoàn hảo, nhưng không thể ñiều khiển ñược ñường kính cũng như chiều dài của CNTs

• Phương pháp bốc bay laser

Phương pháp bốc bay bằng laser là một phương pháp có hiệu quả cao cho quá trình tổng hợp bó SWCNT với vùng phân bố hẹp Trong phương pháp này, một miếng graphit dùng làm bia bị bốc bay bởi bức xạ laser dưới áp suất cao trong môi trường khí trơ MWCNTs ñược tạo ra trên bia graphit sạch Chất lượng và hiệu suất của sản phẩm tạo ra phụ thuộc vào nhiệt ñộ phản ứng và chất lượng sản phẩm tốt nhất ở nhiệt ñộ 12000C Ở nhiệt ñộ thấp hơn thì chất lượng cấu trúc giảm và CNTs bắt ñầu xuất hiện những sai hỏng Trong phương pháp bốc bay bằng chùm laser, năng lượng của chùm tia laser làm bay hơi bia graphite ñược ñặt ở trong lò ñốt bằng ñiện ở nhiệt ñộ khoảng 12000C Luồng khí

Ar (áp suất ~500 Torr) thổi hơi cácbon từ vùng nhiệt ñộ cao về ñiện cực lắng

ñọng bằng ñồng ñược làm lạnh bằng nước như ñược thể hiện trên hình 1.10 Nếu dùng bia graphite tinh khiết ta sẽ thu ñược MWCNTs Nếu bia ñược pha thêm khoảng 1,2% nguyên tử Co/Ni với khối lượng Ni và Co bằng nhau sẽ thu ñược SWCNT Trong sản phẩm còn có các dây nanô tạo bởi các SWCNT với ñường kính từ 10 nm ñến 20 nm và dài trên 100 µm

Giá trị trung bình của ñường kính ống và mật ñộ phân bố ñường kính ống tuỳ thuộc vào nhiệt ñộ tổng hợp và thành phần xúc tác ðể tạo SWCNT, người

ta còn dùng phương pháp xung cực nhanh từ laser ñiện tử tự do (FEL) hoặc phương pháp xung laser liên tục

Phương pháp này có ưu ñiểm là sản phẩm thu ñược có ñộ sạch cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang ñiện Tuy nhiên, ñây chưa phải là phương pháp có lợi ích kinh tế cao và khá tốn kém, vì lượng sản phẩm tạo ra ít, trong khi

ñó nguồn laser yêu cầu công suất lớn và ñiện cực than cần có ñộ sạch cao,

Hình 1.10 Sơ ñồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser

• Phương pháp lắng ñọng pha hơi hóa học

Lắng ñọng pha hơi hóa học (CVD) là một trong những phương pháp chế tạo CNTs phổ biến nhất CVD có rất nhiều ñiểm khác so với phương pháp phóng ñiện hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser Phóng ñiện hồ quang

và bốc bay bằng laser là hai phương pháp thuộc nhóm nhiệt ñộ cao (>3000K), thời gian phản ứng ngắn (µs-ms), còn phương pháp CVD lại có nhiệt ñộ trung bình (700-1473K) và thời gian phản ứng dài tính bằng phút cho ñến hàng giờ Mặt hạn chế chính của phương pháp phóng ñiện hồ quang và phương pháp bốc bay bằng laser là: sản phẩm CNTs ñược tạo ra không ñồng ñều, sắp xếp hỗn ñộn, không theo một quy tắc cho trước hoặc ñịnh hướng trên bề mặt Hiện nay,

có nhiều phương pháp CVD sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau ñể tổng hợp CNTs, ví dụ như: phương pháp CVD nhiệt, phương pháp CVD tăng cường plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser hỗ trợ, v.v…

Hệ CVD nhiệt có cấu tạo gồm một ống thạch anh ñược bao quanh bởi một

lò nhiệt (hình 1.11) Bản chất và hiệu suất tổng hợp của tiền chất trong các phản ứng bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như bản chất tự nhiên của xúc tác kim loại và tác dụng của các chất xúc tác này, nguồn hydrocácbon, tốc ñộ khí, nhiệt ñộ phản ứng, thời gian phản ứng v.v… Hầu hết phương pháp CVD nhiệt thường ñược dùng ñể chế tạo MWCNTs với nguồn hydrocácbon thường dùng là acetylene (C2H2) hoặc ethylene (C2H4) và các hạt nanô Fe, Ni, Co như là các chất xúc tác Nhiệt ñộ mọc CNTs thông thường nằm trong dải nhiệt ñộ 500-

9000C Ở dải nhiệt ñộ này các hydrocácbon phân tách thành cácbon và hydro Cácbon lắng ñọng trên các hạt nanô kim loại và khuếch tán vào trong các hạt nano này Khi lượng cacbon ñạt ñến giá trị bão hoà thì bắt ñầu quá trình mọc CNTs ðường kính của CNTs phụ thuộc vào kích thước của các hạt xúc tác kim loại Với hạt kim loại xúc tác có kích thước là 13 nm thì ñường kính của ống CNTs vào khoảng 30 - 40 nm Khi kích thước của hạt xúc tác là 27 nm thì

ñường kính của ống CNTs dao ñộng từ 100 - 200 nm [22]

Hình 1.11. Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt [22]

ðể tăng hiệu suất mọc CNTs, ngoài việc sử dụng thích hợp các ñiều kiện như: nhiệt ñộ, tỷ lệ liều lượng khí cũng như chất xúc tác kim loại, người ta còn

sử dụng thêm chất hỗ trợ xúc tác chẳng hạn như CaCO3, MgCO3, v.v…Có thể tạo lượng lớn ống nanô cácbon bằng cách cho acetylene ngưng ñọng trên zêolit

có xúc tác là Co và Fe Vì zêolit là chất có nhiều lỗ trống cực nhỏ, các phân tử

dễ dàng lọt vào các lỗ trống ñó nên khi cho acetylene ngưng tụ trên Co/Zêolit, ta

có ñược ống nanô cácbon nhiều vách nhưng ñồng thời cũng có fullerenes và ống nanô cácbon ñơn vách

1.1.4 Tính chất của vật liệu CNTs

Với cấu trúc như ñã trình bày ở trên, vật liệu CNTs thể hiện nhiều tính chất

ưu việt, tốt hơn so với các vật liệu thông thường khác như ñộ bền cơ học, modul ứng suất cao, dẫn nhiệt, dẫn ñiện tốt và khả năng phát xạ trường ở cường ñộ ñiện

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 ñiện

CNTs ñược biết là vật liệu dẫn ñiện tốt Tính dẫn ñiện của loại vật liệu này phụ thuộc mạnh vào cấu trúc Tùy thuộc vào cặp chỉ số (n, m) mà ñộ dẫn của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại

Tính chất ñiện của CNTs xét một cách cơ bản chính là tính chất của mạng graphit 2 chiều hay còn ñược gọi là graphene Mô hình liên kết chặt của sự phân

bố năng lượng trong mạng cấu trúc graphene ñược cho biểu diễn bằng công thức sau :

)(1

)()

2

k s

k t k

Hình 1.12 a) Cấu trúc ñiện tử của hàm phân bố năng lượng, b) vùng

Brillouin của graphene [18]

Hình 1.12(a) là ñồ thị thể hiện sự phân bố năng lượng của graphene trên toàn vùng Brillouin ðồ thị này ñược suy ra từ công thức hàm phân bố năng lượng của graphene tại E2p =0, t= -3,033, và s=0,129 Những giá trị này ñược lựa chọn bằng nguyên lí tính toán thứ nhất của vùng năng lượng graphit

Khi s =0, ta có hàm Slater- Koster cho hàm phân bố năng lượng ñơn giản nhất của graphene là:

±

=

2cos42

cos2

3cos41)

,

2

a k a

k a

k k

k

y x D

cos2

3cos41)

()

k f k

(6)

Cấu trúc dải của CNTs (n, m) ñược rút ra từ cấu trúc dải của mạng graphene bằng cách sử dụng các liên kết chặt với ñiều kiện biên tuần hoàn dọc theo hướng chu vi của ống CNTs như sau:

+ N là số cặp nguyên tử cácbon trong ô ñơn vị của CNTs

+ K1 và K2 ñược biểu diễn thông qua các véc tơ ñơn vị b1 và b2 của mạng graphene

Hình 1.13 Hàm phân bố năng lượng: a) armchair(5,5) b) zigzag (9,0) c)

zigzag(10,0) [18]

Dùng phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), ta có thể ño ñược ñiện trở

ở từng phần của ống CNTs ðối với SWNTs dẫn ñiện như kim loại thì ñiện trở không thay ñổi dọc theo ống Tuy nhiên ñối với các ống dẫn ñiện kiểu bán dẫn,

khi kết lại thành sợi dài thì ñiện trở phụ thuộc rất nhiều vào các vị trí ñặt các ñầu

dò

• Tính chất quang và quang ñiện

Những sai hỏng cấu trúc của ống nanô cácbon ñặc biệt là ñối với SWCNT, dẫn tới sự xuất hiện vùng cấm thẳng với cấu trúc vùng hoàn toàn ñược xác ñịnh,

ñó chính là cơ sở cho những ứng dụng quang và quang ñiện của CNTs Phổ quang học của từng SWCNT riêng lẻ hoặc bó SWCNT ñã ñược chứng minh bằng cách sử dụng phổ cộng hưởng Raman, phổ huỳnh quang, hoặc phổ tia cực tím gần hồng ngoại (UV-VIS-NIR)

Tính chất quang và quang ñiện của CNTs có thể biết ñược từ cấu trúc vùng hoặc DOS của SWCNT DOS một chiều của SWCNT có thể ñược suy ra từ graphit với biểu thức như sau:

3

2 4

(10)

Với ( )

2 2

,

m m

g

ε ε

ε ε

m

3

ε = − − (13) Với tính chất quang và quang ñiện của CNTs ñã mở ra nhiều hướng ứng dụng mới Ví dụ như trường hợp ống nanô cácbon là armchair (n=m) là kim loại nhưng trái lại trong trường hợp khi thỏa mãn ñược ñiều kiện n-m=3q thì CNTs lại là bán kim loại với ñộ rộng vùng cấm nhỏ Khi ñó với dải năng lượng γ=2.5

÷ 3.0 eV thì bước sóng của ống CNTs bán dẫn thay ñổi từ 300 ñến 3000 nm ðiều này dẫn ñến khả năng ứng dụng của ống nanô cácbon bán dẫn trong các thiết bị quang và quang ñiện từ laser xanh ñến các ñầu dò hồng ngoại

• Tính chất cơ và cơ ñiện

Liên kết σ là liên kết mạnh nhất trong tự nhiên, chính vì vậy một ống nanô cácbon ñược tạo thành với tất cả là các liên kết σ ñược chú ý tới như là một vật liệu có ñộ bền lớn nhất Cả thực nghiệm lẫn lý thuyết tính toán ñều chứng minh rằng ống nanô các bon có ñộ cứng bằng hoặc lớn hơn kim cương với suất Young lớn nhất và có ñộ dãn lớn Bảng 1 là kết quả so sánh suất Young, ñộ dãn của SWCNT (10,10) và MWCNTs với một số vật liệu khác Trong bảng 1, so với thép, suất Young của CNTs (MWNTs và SWNTs) gấp khoảng 5 ñến 6 lần và ñộ bền kéo gấp khoảng 375 lần Trong khi ñó, khối lượng riêng của CNTs nhẹ hơn

tới 3 hoặc 4 lần so với thép ðiều này chứng tỏ rằng CNTs có các ñặc tính cơ học rất tốt, bền và nhẹ, mở ra những ứng dụng cho việc gia cường vào các vật liệu composite như cao su, polyme ñể tăng cường ñộ bền, khả năng chịu mài mòn và ma sát cho các vật liệu này

Trạng thái lai hóa sp2 sẽ dẫn tới sự thay ñổi tính chất ñiện của ống nanô cácbon Tai mỗi vị trí ống nanô cácbon hay graphene có một vector xác ñịnh có thể viết như sau: r=r0+∆r trong ñó r có thể thay ñổi theo vector mạng hay vector chiral Tương tự như phép gần ñúng ñể thu ñược tính chất ñiện của CNTs từ graphene, ta có thể thu ñược công thức sau:

Bảng 1. So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu

Vật liệu Suất Young (GPa) ðộ bền kéo (GPa) Mật ñộ khối lượng

• Tính chất nhiệt và nhiệt ñiện

Graphit và kim cương có khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt Chính vì thế

có thể tin tưởng rằng CNTs cũng có tính chất nhiệt tương tự ở nhiệt ñộ phòng và nhiệt ñộ cao nhưng có trạng thái hoàn toàn khác khi ở nhiệt ñộ thấp vì tại vùng nhiệt ñộ này xuất hiện hiệu ứng lượng tử hóa phonon Cả lý thuyết và thực nghiệm ñã chỉ ra rằng sự kết nối bên trong ống của bó SWCNT và MWCNTs là yếu hơn ở vùng nhiệt ñộ >100K CNTs có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống nhưng lại dẫn nhiệt kém hơn (theo hướng bán kính) giữa các lớp với nhau Các tính toán lí thuyết và kết quả thực nghiệm ñã chỉ ra rằng, ñộ dẫn nhiệt của CNTs phụ thuộc vào nhiệt ñộ Theo J Hone thì sự phụ thuộc này gần như là sự phụ thuộc tuyến tính theo nhiệt ñộ, tại nhiệt ñộ phòng, ñộ dẫn nhiệt của bó SWCNT và MWCNTs biến ñổi trong khoảng từ 1800 ñến 6000 W/mK Tuy nhiên theo Berber thì sự phụ thuộc này không hoàn toàn là tuyến tính, ñộ

dẫn nhiệt có thể ñạt giá trị cực ñại lên tới 37000 W/mK ở 100K rồi sau ñó giảm nhanh theo nhiệt ñộ xuống còn 3000 W/mK ở ngoài khoảng 400K (hình 1.15)

Hình 1.14. So sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác [14]

Ngoài khả năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt ñộ rất cao (2800oC) trong chân không và trong các môi trường khí trơ (Ar) Do có khả năng bền vững ở nhiệt ñộ cao cũng như trong các môi trường axít mạnh nên nhiệt ñộ và axít thường ñược dùng ñể làm sạch vật liệu CNTs

Hình 1.15. a) Sự phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt ñộ

b) So với graphite và mạng graphene [16]

Tóm lại, cả lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng ống nanô cácbon có cấu trúc và tính chất ưu việt Kích thước nhỏ, kết hợp với những tính chất vật lý, hóa học ưu việt, có thể ñem lại những ứng dụng tiềm năng to lớn mà ít có một vật liệu nào có thể so sánh ñược SWCNT có thể là kim loại hoặc bán dẫn phụ thuộc vào vector chiral SWCNT bán dẫn có thể ñược dùng ñể chế tạo transitor, thiết

bị nhớ logic, và thiết bị quang học SWCNT nanô ñiện tử có thể sử dụng cho các cảm biến hóa học và sinh học, các thiết bị quang ñiện, tích trữ năng lượng, và

CNTs

Graphite Graphene

phát xạ trường MWCNTs có tính chất kim loại hoặc bán kim loại phụ thuộc vào cấu trúc của ống, vì vậy MWCNTs có nhiều ứng dụng khác nhau như làm ñiện cực nanô, phát xạ trường và tích trữ năng lượng

1.2 Tản nhiệt cho vi xử lý máy tính

Tất cả các hệ thiết bị ñiện tử, các linh kiện của máy tính khi hoạt ñộng ñều

có một phần ñiện năng chuyển hóa thành nhiệt năng Sự tỏa nhiệt này là ñiều mà các nhà sản xuất và người sử dụng không mong muốn nhưng cũng không thể tránh khỏi, bởi nó gây lãng phí ñiện, giảm hiệu suất làm việc, ñe dọa ñến hoạt ñộng ổn ñịnh và tuổi thọ của thiết bị Những thiết bị có công suất càng cao thì nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, khi nhiệt ñộ tăng quá cao có thể hỏng thiết bị, thậm chí gây cháy nổ

Do ñó vấn ñề tản nhiệt – làm mát thiết bị luôn ñược các nhà sản xuất rất quan tâm Các hệ thiết bị ñiện tử công suất lớn, các hệ thống máy tính ñồng bộ

do các nhà sản xuất nổi tiếng thiết kế, ñều ñã tính toán kĩ ñến vấn ñề này, ñó là một phần làm nên sự ổn ñịnh và bển bỉ của những cỗ máy “ñồng bộ” nổi tiếng Nhiều khi hệ thống tản nhiệt còn ñắt tiền ngang ngửa những CPU ñắt nhất

1.2.1 Tổng quan về CPU

Vi xử lý (Central Processing Unit – CPU – ñơn vị xử lý trung tâm), là bộ phận quan trọng của máy vi tính, nó là một mạch ñiện tử có nhiệm vụ thực hiện các phép tính, xử lý các lệnh và các số liệu

Hiện nay Intel và AMD là 2 nhà sản xuất chip hàng ñầu thế giới

Hình 1.16. Các loại CPU (vi xử lý) thường gặp

• Cấu tạo

CPU bao gồm bộ ñiều khiển (CU-Control Unit) và ñơn vị số học-logic (ALU- Algorithm Logic Unit), có cấu tạo gồm nhiều transistor ñược tích hợp trên một chip duy nhất có diện tích vài cm2, khoảng cách giữa các transistor ngày càng ñược thu hẹp, từ 90 nm của CPU thế hệ Pentium 4 Prescott ñến thế hệ CPU mới nhất hiện nay là 45 nm Mỗi transistor là một công tắc ñiện tử thể hiện hai mức logic 0 và 1

• Hoạt ñộng

Chức năng cơ bản của máy tính là thực thi chương trình Chương trình ñược thực thi gồm một dãy các chỉ thị ñược lưu trữ trong bộ nhớ ðơn vị xử lý trung tâm (CPU) ñảm nhận việc thực thi này Quá trình thực thi chương trình gồm hai bước: CPU ñọc chỉ thị từ bộ nhớ và thực thi chỉ thị ñó Các chỉ thị ñược ñưa vào CPU bằng ngôn ngữ máy, ñó là các dòng lệnh chỉ gồm hai bit 0 và 1, việc giải mã và thực hiện chỉ thị này ñược thực hiện bằng việc ñóng mở liên tục các transistor tích hợp trên CPU Việc thực thi chương trình là sự lặp ñi lặp lại quá trình lấy chỉ thị và thực thi chỉ thị

1.2.2 Vai trò của tản nhiệt và các phương pháp tản nhiệt

Trong vi xử lý, transistor chính là những công tắc ñiện tử thể hiện hai mức logic 1 và 0 Khi thay ñổi trạng thái logic sẽ có một dòng ñiện chạy qua transistor, dòng ñiện này tạo ra sự chuyển ñộng của các ñiện tử trong vật liệu, các ñiện tử va ñập vào nhau và vào các nút mạng trong cấu trúc tinh thể tạo ra nhiệt năng Do vậy trong quá trình hoạt ñộng, transistor sẽ tỏa ra một lượng nhiệt, với số lượng transistor rất lớn, lên ñến hàng chục thậm chí hàng trăm triệu transistor, vi xử lý sẽ toả ra một lượng nhiệt rất lớn trong quá trình hoạt ñộng

Hiện nay có hai loại vi xử lý máy tính: vi xử lý 32 bit và vi xử lý 64 bit Một vi xử lý 32 bit tiêu chuẩn có khoảng 42 triệu transistor, loại 64 bit có hơn

100 triệu transistor và hiện nay vi xử lý lõi kép có thể chứa hơn 200 triệu transistor

Chiếc PC ñầu tiên trên thị trường có tốc ñộ xung ñồng hồ khoảng 1 MHz, nghĩa là tín hiệu ñiều khiển các công tắc ñiện tử này thay ñổi trạng thái 1 triệu lần trong 1 giây Ngày nay, vi xử lý có tốc ñộ xung ñồng hồ lên tới vài GHz, tức

là gấp 2000 - 4000 lần so với tốc ñộ của chiếc PC ñầu tiên Một vi xử lý tốc ñộ 3,2 GHz sẽ có 3,2 tỉ lần ñiều khiển các công tắc ñiện tử trong một giây, tức là thực hiện 3,2 tỉ lệnh mỗi giây

Với mật ñộ linh kiện lớn lên tới hàng trăm triệu transistor, hoạt ñộng ở tốc

ñộ cao lên tới hàng GHz như vậy, hoạt ñộng của CPU sẽ toả ra một nhiệt lượng

lớn trong quá trình hoạt ñộng Nhiệt lượng một vi xử lý toả ra có thể lên tới 100W/cm2 Vì vậy, giảm nhiệt ñộ hoạt ñộng cho vi xử lý trở thành một bài toán công nghệ, bởi vì các linh kiện bán dẫn chỉ hoạt ñộng ổn ñịnh ở giới hạn nhiệt

ñộ nhất ñịnh, khi nhiệt ñộ tăng lên ñến một giới hạn nhất ñịnh thì CPU hoạt ñộng không còn chính xác, dẫn ñến treo hệ thống và giảm tuổi thọ của vi xử lý

ðể giải quyết bài toán này, hiện nay có nhiều phương pháp tản nhiệt khác nhau Dưới ñây là một số phương pháp phổ biến nhất

• Tản nhiệt tự nhiên

ðây là hình thức cơ bản nhất: ñể cho thiết bị tự tỏa nhiệt ra môi trường

Có thể sử dụng thêm các khối tản nhiệt (heat sink) bằng kim loại ñể tăng cường tiết diện tỏa nhiệt Thông thường người ta sử dụng heat sink chất liệu ñồng, nhôm hoặc kim loại làm khối tản nhiệt, phương pháp này ñơn giản, rẻ tiền và không gây ồn, nhưng hiệu quả tản nhiệt lại không cao

• Tản nhiệt dùng quạt

Phương pháp này còn gọi là tản nhiệt khí, trong phương pháp này người ta

sử dụng ñế tản nhiệt ñể lấy nhiệt lượng từ vi xử lý, sau ñó dùng quạt ñể lưu chuyển luồng không khí nóng từ ñế tản nhiệt ra phía ngoài Các ñế tản nhiệt ñều

sử dụng vây (lá) tản nhiệt bằng kim loại, và thường là nhôm vì nhôm có ñộ dẫn nhiệt cao, thông thường, người ta sẽ kết hợp một 1 quạt làm mát có tốc ñộ quay khoảng vài nghìn vòng trên một phút ngay trên khối kim loại tản nhiệt Do vậy, ñây là phương pháp có tính kinh tế nhất và hiệu quả cao, phổ biến nhất, ñược áp dụng trong hầu hết các máy tính ñể bàn và laptop hiện nay

Hình 1.18. Hệ thống tản nhiệt bằng quạt gió

• Tản nhiệt dùng chất lỏng

Hệ thống tản nhiệt dùng chất lỏng này làm việc rất hiệu quả, nhưng lắp ñặt rất phức tạp và khá tốn kém Phương pháp này thường áp dụng với CPU, GPU, chipset trong những hệ thống cao cấp Do chất lỏng dẫn nhiệt tốt hơn chất khí, nên người ta dùng biện pháp tản nhiệt bằng cách lưu thông dòng chất lỏng tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt ñể tăng hiệu quả tản nhiệt cho vi xử lý

Hình 1.20. Nitơ hóa lỏng ñược rót vào ống làm lạnh gắn trên CPU