BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMĐỀ TÀITÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VỚI CÔNG NGHỆ NANO NGÀY NAY.KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT, LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO TÍNH
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
ĐỀ TÀITÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU BÁN DẪN VỚI CÔNG NGHỆ NANO NGÀY NAY.KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT, LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO TÍNH CHẤT VẬT LÝ, TÍNH DẪN ĐIỆN, LÝ THUYẾT NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN DÒNG CÔNG SUẤT TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN VỚI CÔNG NGHỆ NANO CÁC ƯNG DỤNG TRONG THỰC TẾ CỦA VẬT LIỆU NANO TRONG NGÀNH ĐIỆN VÀ MỘT SỐ NGÀNH
KHÁC NGÀY NAY.
GVHD: ThS: PHẠM XUÂN HỔ
Mã học phần: EEMA330544_22_1_11 Nhóm 10:
Trang 2HỌC KỲ 3 NĂM HỌC 2022-2023
Mã học phần: EEMA330544_22_1_11
Nhóm: 10 (Lớp thứ 2 – Tiết 4-6)
Tên đề tài:
Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn với công nghệ nano ngày nay.Khái niệm và tính chất, lịch
sử phát triển công nghệ nano tính chất vật lý, tính dẫn điện, lý thuyết nguyên lý điều
khiển dòng công suất trong vật liệu bán dẫn với công nghệ nano các ưng dụng trong
thực tế của vật liệu nano trong ngành điện và một số ngành khác ngày nay.
Ghi chú:
Tỷ lệ %: Mức độ phần trăm hoàn thành của từng sinh viên tham gia
Trưởng nhóm: Dương Lê Hoàng Thông.
Nhận xét của giảng viên
Tp Hồ Chí Minh – Tháng 10 năm 2022
Trang 3MỤC LỤC
ĐỀ TÀI -1
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN -2
MỤC LỤC -3
PHẦN 1 MỞ ĐẦU -4
1.1 Lý do chọn đề tài -4
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài -5
1.3 Phương pháp nghiên cứu -6
PHẦN 2: NỘI DUNG -7
2.1 Khái niệm và tính chất của công nghệ nano -7
2.1.1 Công nghệ nano là gì? -7
2.1.2 Tính chất của công nghệ nano -7
2.2 Lịch sử phát triển của công nghệ nano -8
2.3 Tính chất vật lý và tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn với công nghệ nano -10
3.1 Lý thuyết - nguyên lý điều khiển dòng công suất trong vật liệu bán dẫn và công nghệ nano. -11
3.1.1 Vật liệu bán dẫn -11
3.1.2 Vật liệu có cấu trúc nano: -18
4 Ứng dụng của công nghệ nano trong ngành điện tử – cơ học 18
Trang 4PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài
Đề tài: “Tìm hiểu về vật liệu bán dẫn với công nghệ nano ngày nay.Khái niệm và tính
chất, lịch sử phát triển công nghệ nano tính chất vật lý, tính dẫn điện, lý thuyết nguyên
lý điều khiển dòng công suất trong vật liệu bán dẫn với công nghệ nano các ưng dụng trong thực tế của vật liệu nano trong ngành điện và một số ngành khác ngày nay”, đây
là một trong các đề tài rất hay, thú vị và có tính chuyên môn nghiên cứu khoa học rấtcao nói về các vật liệu điện điện tử trong cuộc sống ngày nay và chúng đã làm thay đổihoàn toàn bộ mặt thế giới như thế nào Đây cũng được xem là một trong những lĩnh vựcnghiên cứu không quá mới mẻ, tuy nhiên nó lại ngày càng được chú ý phát triển để tiếptục nghiên cứu sâu hơn nữa để tạo ra những bước đột phá trong lĩnh vực điện – điện tửnói chung và lĩnh vực bán dẫn nói riêng Chính vì thế, nhóm chúng tôi đã quyết địnhchọn đề tài này để tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu và chọn lọc ra những thứ cốt lõi nhất
để truyền tải đến người đọc có nhu cầu tìm hiểu để tích luỹ thêm kiến thức hoặc sửdụng nó vào đề tài nghiên cứu cúa của mình, cho mọi người có cái nhìn thực tế, trực
quan hơn về lĩnh “vực bán dẫn với công nghệ nano” nó đã được ứng dụng trong thực
thế và đã thay đổi hoàn toàn các công nghệ cũ lỗi thời trước kia như thế nào
Trang 51.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu:
- Đưa ra lý thuyết – khái niện về:“ Vật bán dẫn với công nghệ nano ngày nay”
- Giải thích các tính chất, biết được lịch sử hình thành và phát triển công nghệ nano
- Hiểu dược tính chất vật lý, tính dẫn điện, lý thuyết nguyên lý điều khiển dòng công suất trong vật liệu bán dẫn với công nghệ nano các ưng dụng trong thực tế của vật liệu nano trong ngành điện và một số ngành khác ngày nay
Nhiệm vụ:
- Truyền tải đến người đọc đầy đủ các nội dung một cách chính xác, rõ ràng - rành mạch
- Có cơ sở khoa học – nền tảng kiến thức đúng đắn
- Đưa ra lý thuyết thì phải kèm theo dẫn chứng, số liệu cụ thể để đáp ứng đầy đủ nhu cầu của người đọc
- Đưa ra cái nhìn tổng quan và đặc biệt hơn cả là phải đi đúng hướng với những gì đã diễn ra trong thực tế đã được xác minh và kiểm chứng
- Nêu rõ được nơi tìm hiểu, căn cứ, lập cần phải thật chuẩn xác Vì đây là đề tài nghiên cứu khoa học nên các vấn đề nêu trên rất cần được đảm bảo về mật hìn thức cũng như nội dung
1.3 Phương pháp nghiên cứu
- Trong đề tài này, nhóm chúng tôi sử dụng và kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau như:
Trang 6+ Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Dùng các phương pháp thu thập thông tin và
tổng hợp kiến thức thông qua các bài báo, tài liệu, website về lĩnh vực khoa học và đời sống
…
+ Phương pháp quan sát thực tế: Tiến hành tìm hiểu – tra cứu để thu thập thông
tin về: “ Vật liệu bán dẫn với công nghệ nano ngày nay” Từ đó, chúng ta sẽ có một cái nhìn tổng quát, khách quan nhất về vấn đề
Sẽ có nhiều cơ sở cho việc tiếp cận và giải quyết vấn đề
+ Phương pháp tổng hợp, logic: Được sử dụng kết hợp với phương pháp phân
tích cụ thể từ những kết quả thu thập được bằng phân tích, dẫn chứng – số liệu, phương pháptổng hợp kết hợp chúng lại với nhau để có được sự nhận thức vấn đề nghiên cứu một cách rõràng và hợp lý
Trang 7PHẦN 2: NỘI DUNG
2.1 Khái niệm và tính chất của công nghệ nano
2.1.1 Công nghệ nano là gì?
+ Công nghệ Nano (Nanotechnology) chính là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên
tử, phân tử và siêu phân tử dùng cho các mục đích trong công nghiệp Hay có thể hiểu đơngiản là sự phân tích, điều khiển và chế tạo các vật chất bằng cách đưa nó trở về hình dạng vàkích thước từ 1 đến 100 nanomet
+ Công nghệ Nano chỉ mới thực sự phát triển và bắt đầu phổ biến rộng rãi từ khi cuộccách mạng 4.0 bùng nổ Tính đến thời điểm hiện tại, nó đã góp một phần không nhỏ đến việcphục vụ cho con người Đặc biệt là khâu sản xuất các mặt hàng thủy tinh, gốm, sứ,… đều có
sự góp mặt của công nghệ nano Công nghệ Nano hiện được coi là ngành công nghệ hàng đầu
về mặt khoa học – kĩ thuật trên thế giới và hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương lai
2.1.2 Tính chất của công nghệ nano
+ Khi kích thước của một vật thể đủ nhỏ để gọi là một vật chất Nano thì tính chất lượng
tử sẽ xuất hiện Cũng giống như việc một vật thể lớn được dùng làm nguyên liệu để chế táccác công nghệ khác nhau Dù cho nguồn nhiên liệu làm nên vật thể đó có
Trang 8tinh khiết tới đâu thì nó vẫn sẽ bị lẫn các nguyên tố khác vào Điều này làm cho tính chất của các nguyên tử bị trung hoà với nhau.
+ Khi vật thể ở kích thước của công nghệ Nano thì mọi việc sẽ dễ dàng để kiểm soáthơn Sự tinh khiết về nguyên tử cấu thành nên vật chất nằm ở mức độ cao Chúng thống nhấtvới nhau tạo nên một nguyên tử khổng lồ làm cho tính chất của vật thể đó phát huy tác dụngtốt hơn
+ Khi kích thước của vật càng nhỏ thì số lượng nguyên tử ở bề mặt càng nhiều so vớitổng số nguyên tử Chúng ta có thể hình dung trong một căn phòng chỉ có vài chiếc cửa sổ.Nếu chỉ có một vài người trong căn phòng thì tất cả họ có thể ngó nhìn qua cửa sổ Còn nếutrong căn phòng có quá nhiều người thì tất cả mọi người không thể cùng ngó qua cửa sổ hếtđược.Tính chất của vật thể thay đổi khi số lượng nguyên tử ở bề mặt cũng thay đổi
2.2 Lịch sử phát triển của công nghệ nano
+ Năm 1959, nhà vật lý học nổi tiếng và cũng chính là người đoạt giải Nobel Feynman
đã đưa ra tiên đoán rằng con người có thể sử dụng những cỗ máy nhỏ để tạo ra các cỗ máynhỏ hơn và cuối cùng họ sẽ sắp xếp từng nguyên tử một để tạo ra sản phẩm theo ý muốn củacon người Đây được xem là giấc mộng sớm nhất về công nghệ nano
+ Những năm 1970, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu và đưa ra các ý tưởng về công nghệ nano từ nhiều góc nhìn khác nhau
+ Năm 1974 nhà khoa học Donny Gucci đã lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ "công nghệ nano"để mô tả gia công một cách chính xác
Trang 9+ Vào năm 1982 các nhà khoa học đã phát minh ra loại kính hiển vi quét đường hầm,một công cụ khá quan trọng để nghiên cứu nanomet, cho chúng ta thấy thế giới nguyên tử vàphân tử có thể nhìn thấy được và đóng một vai trò tích cực trong việc thúc đẩy sự phát triểncủa công nghệ nano.
+ Tháng 7 năm 1990 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Nano Quốc tế đầu tiên được đã
tổ chức tại Baltimore, Hoa Kỳ và đã đánh dấu sự ra đời chính thức của nền khoa học và côngnghệ nano
+ Vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990, nhiều công nghệ Nano mới đãđược phát triển Một trong những đóng góp quan trọng nhất của Richard Feynman là tạo racông cụ quét kính hiển vi đường hầm cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu và sửa đổicông nghệ Nano Cùng với kính hiển vi lực nguyên tử và các kỹ thuật khác để hiểu và thao táccác cấu trúc hiển vi, việc phát triển các công nghệ Nano mới trở nên dễ dàng hơn nhiều nhờcông trình của Feynman
+ Việc phát hiện ra ống nano carbon đã dẫn đến một điểm nóng trong nghiên cứu côngnghệ nano 1/6 khối lượng, nhưng độ bền gấp 10 lần thép Khám phá này khiến Giáo sưSmalley tin rằng ống nano carbon sẽ là vật liệu được lựa chọn cho các loại sợi trong tương lai.Ngoài ra, nó còn gợi ý rằng các ống nano carbon sẽ được sử dụng trong các dây dẫn vi sóng,công tắc vi mô và mạch điện tử trong tương lai ở cấp độ nano
+ Sau khi Đại học Stanford quyết định cắt nhóm nguyên tử vào năm 1989, nó được gọi
là Stan
+ Phòng thí nghiệm Vật lý chân không Bắc Kinh của Viện Khoa học Trung Quốc đã sửdụng 36 nguyên tử Xenon để viết từ "Trung Quốc" trên một miếng niken vào năm 1990 Điềunày đánh dấu sự khởi đầu của Trung Quốc mở rộng ra thế giới công nghệ nano toàn cầu thôngqua nhu cầu phổ biến Việc đặt tên trường đại học được lấy cảm hứng từ sự kiện này; têntiếng Anh của nó là Đại học Fu
+ Các nhà nghiên cứu Mỹ đã xây dựng dựa trên nghiên cứu bắt đầu ở Đức vào năm
1997 Các nhà nghiên cứu Đức lần đầu tiên di chuyển các electron bằng cách sử dụng dòngđiện Người ta hy vọng rằng một máy tính lượng tử nhanh hơn và bền hơn có thể được pháttriển trong 20 năm nữa Sức mạnh tính toán có giá trị hàng nghìn năm có thể được phát triểnchỉ trong 20 năm với công nghệ này
Trang 10+ Các nhà khoa học từ Hoa Kỳ và Brazil đã hợp tác để tạo ra một cân ống nano carbonvào năm 1999 có thể cân các vật thể bằng giá trị của một loại virus Một năm sau, các nhànghiên cứu người Đức đã phá kỷ lục với chiếc cân có thể nặng một nguyên tử, nhờ một bướcđột phá do các nhà khoa học Mỹ và Brazil gây ra.
+ Doanh số bán sản phẩm Nano hàng năm vượt quá 50 tỷ đô la, bắt đầu từ năm 1999.+ Trong những năm gần đây, một số quốc gia đã xây dựng các chiến lược hoặc kếhoạch có liên quan và đầu tư những khoản tiền khổng lồ để đạt được tầm cao chiến lược củacông nghệ nano Nhật Bản đã thành lập trung tâm nghiên cứu vật liệu nano, đưa công nghệnano trở thành trọng tâm nghiên cứu và phát triển trong kế hoạch khoa học và công nghệ cơbản 5 năm mới; Đức đã thành lập mạng lưới nghiên cứu công nghệ nano; Hoa Kỳ coi các dự
án công nghệ nano là cốt lõi của cuộc cách mạng công nghiệp tiếp theo , và chính phủ Hoa
Kỳ đầu tư vào nghiên cứu công nghệ nano từ Tổ chức được thành lập với mức tăng từ 116triệu đô la năm 1997 lên 497 triệu đô la năm 2001
2.3 Tính chất vật lý và tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn với công nghệ nano
- Tính chất vật lý : Đối với vật liệu bán dẫn, khi kích thước của các hạt nano bán dẫn
giảm xuống bán kính Bohr của exciton, chuyển động của các electron và lỗ trống bị giới hạntrong các hạt nano Trong điều kiện như vậy, năng lượng của hạt được định lượng, và vùngnăng lượng sẽ bị tách thành các mức năng lượng rời rạc Đó là hiệu ứng kích thước lượng tửhay hiệu ứng giam giữ lượng tử Do hiệu ứng này, các vật liệu cấu trúc nano sở hữu một loạtcác tính chất đặc biệt mà các vật liệu trước đó không có được Các nhà nghiên cứu phát hiện
ra rằng khi giảm kích thước, các đặc tính cơ học, tính ổn định nhiệt, tính chất quang học vàđiện từ của nó thay đổi đáng kể so với vật liệu dạng khối
- Tính chất dẫn điện : Một trong những đặc tính quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ
thuộc vào kích thước Các chất có kích thước nano có thể có các đặc tính không thấy ở cácchất dạng khối Khi kích thước của vật chất trở thành kích thước nano, các electron không cònchảy qua các vật dẫn như sông nữa, mà các đặc tính cơ lượng tử của electron hoạt động nhưsóng Kích thước nhỏ dẫn đến hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất những đặc tính thú
vị mới Một số hệ quả của hiệu ứng lượng tử bao gồm, ví dụ:
10
Trang 11+ Hiệu ứng đường hầm: Các electron có thể đi qua một lớp cách điện ngay lập tức Lợiích của hiệu ứng này là các vật liệu điện tử được chế tạo trên quy mô nano không chỉ có thểđược đóng gói dày hơn trên một con chip mà còn có thể chạy nhanh hơn với ít điện tử hơn vàmất ít năng lượng hơn, giống như một bóng bán dẫn bình thường.
+ Những thay đổi về đặc tính của vật chất, chẳng hạn như tính chất điện và quang học phi tuyến
+ Bằng cách điều chỉnh kích thước, dạng vi mô của vật chất có thể rất khác so với dạng ban đầu
3.1 Lý thuyết - nguyên lý điều khiển dòng công suất trong vật liệu bán dẫn và công nghệ nano.
3.1.1 Vật liệu bán dẫn
- Sự hoàn thiện của công nghệ vật liệu bán dẫn công suất đã làm cho ngành kỹ thuậtđiều khiển nói riêng và ngành điện tử nói chung ngày càng phát triển hơn cả Sau đây việckhái quát này sẽ là cơ sở cho những nhận định về sự phát triển của lĩnh vực trong một tươnglai gần, kỷ nguyên mà vấn đề năng lượng và môi trường trở nên quan trọng hơn bao giờ hết
- Chất bán dẫn: Khi lửa đến là một phát hiện vĩ đại làm thay đổi lối sống hàng ngày của
người tiền sử, từ “ăn lông ở lỗ” hay “ăn sống” sang “ăn chín” vừa uống vừa nấu để giữ gìnsức khỏe, phòng chống bệnh tật và bệnh tật, kể từ khi Alessandro Volta (nhà vật lý người Ý,17-5-1827) phát minh ra pin Volta vào năm 1800 để giúp tạo ra và lưu trữ điện, cho đến sự rađời của chất bán dẫn ngày nay có lẽ là một bước ngoặt quan trọng, một điểm khởi đầu đặcbiệt cho sự phát triển bùng nổ sau đó là ngành công nghiệp điện tử Chất bán dẫn là vật liệuđiện tử, nó có thể là một nguyên tố đơn lẻ, ví dụ Si, Ge, hoặc các hợp chất gồm các nguyên tốnhóm AIII-BV hoặc AII-BVI của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Như vậy, kháiniệm chất bán dẫn được định nghĩa thông qua họ tính chất điện đặc biệt Đây là những chất
mà khả năng dẫn điện giữa chất dẫn điện (kim loại) và chất cách điện Do đó, chất bán dẫnhoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và chất dẫn điện ở nhiệt độ cao, thường là trênnhiệt độ phòng Vì vật liệu bán dẫn không được bán trực tiếp để sử dụng, nên khái niệm hoặctên gọi của nó có phần xa lạ với hầu hết những người không học hoặc không chuyên về nó,hãy kiểm tra Tuy nhiên, các sản phẩm làm bằng vật liệu bán dẫn hầu như đã có
11
Trang 12mặt và sử dụng rộng rãi trong cuộc sống của chúng ta hiện nay như điện thoại di động,máy ảnh, tivi, tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ , ô tô, tàu hỏa, máy bay và các thiết bị chiếusáng thể rắn như đèn LED, màn hình LED , thiết bị liên lạc, thiết bị điều khiển thôngminh… Linh kiện điện tử làm bằng chất liệu bán dẫn đóng vai trò như bộ não điềukhiển, ghi nhớ và điều khiển các chức năng của các thiết bị điện tử hiện nay.
- Nguyên lý điều khiển dòng công suất trong một số vật liệu bán dẫn điển hình như: + DIODE: Diode bán dẫn hay còn gọi là Diode là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ
cho dòng điện chạy theo một chiều, không cho dòng điện chạy ngược lại Điốt bán dẫn nóichung có chung một nguyên tắc thiết kế, đó là khối bán dẫn loại P được nối với khối bán dẫnloại N và được nối với hai chân đầu ra của nó là cực dương và cực âm Mạch chỉnh lưu là mộtmạch điện tử có chứa các linh kiện điện tử biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điệnmột chiều Mạch chỉnh lưu được sử dụng trong bộ nguồn DC hoặc bộ dò tín hiệu vô tuyếntrong thiết bị vô tuyến Mạch chỉnh lưu thường chứa các điốt bán dẫn dẫn dòng điện và đènchỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác
- Phân loại diode:
Điode chỉnh lưu
Điode phát quang (đèn LED)
Điode quang (photodiode)
Điode quang (photodiode)
Điode Schottky
Điode tunnel (tunnel diode)
Điode biến dung (Varicap)
Điode zener
- Các ký hiệu của diode: