Đề tai : Nghiên cứu chế tạo ống nano carbon và khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết bị phát xạ trường

Đề tai : Nghiên cứu chế tạo ống nano carbon và khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết bị phát xạ trường thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ. Nôi dung gồm có

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHỊ ĐỊNH THƯ CHƯƠNG TRÌNH HỢP TÁC GIỮA 2 CHÍNH PHỦ VIỆT NAM VÀ HÀN QUỐC

BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ỐNG NANO CARBON VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ

PHÁT XẠ TRƯỜNG

Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano

Đại Học Quốc Gia Tp HCM Chủ nhiệm nhiệm vụ: TS Đinh Duy Hải

8971

Trang 2

TP.HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2010.

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo ống nano carbon và khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết bị phát xạ trường (Study on Carbon Nanotube Synthesis and Application in Field Emission Devices)

Mã số đề tài, dự án:

Thuộc: Chương trình hợp tác nghiên cứu khoa học và phát triển công

nghệ Việt Nam - Hàn Quốc theo nghị định thư

2 Chủ nhiệm đề tài/dự án:

Họ và tên: Đinh Duy Hải

Ngày, tháng, năm sinh: 20/09/1978 Nam/ Nữ: Nam

Học hàm, học vị: Tiến sĩ

Chức danh khoa học: Giảng viên chính Chức vụ: Nghiên cứu viên Điện thoại: Tổ chức: 0837242160 (4633) Nhà riêng: 0862810283

Mobile: 0908030710

Fax: 0837242163 E-mail: ddhai@vnuhcm.edu.vn

Tên tổ chức đang công tác: Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano

Địa chỉ tổ chức: Khu Phố 6, P Linh Trung, Q Thủ Đức, Tp HCM

Địa chỉ nhà riêng: 118 Đường 17B Khu đô thị An Phú-An Khánh, P

An Phú, Q2, Tp HCM

3 Tổ chức chủ trì đề tài:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano

Điện thoại: 0837242160 (4612) Fax: 0837242163

E-mail: lnt@vnuhcm.edu.vn

Website: www.hcmlnt.edu.vn

Trang 3

Số tài khoản: 060190000100

Ngân hàng: Kho Bạc Nhà Nước TP.Hồ Chí Minh

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

Trang 4

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

8

1667/QĐ-BKHCN ngày

04/08/2008

Quyết định về việc cử cán bộ

đi công tác tại Hàn Quốc

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

A Phía Việt Nam

Trang 5

carbon, đánh giá cấu trúc

và tính chất ống nano carbon, khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết

bị phát xạ trường

carbon

-Khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết bị phát xạ trường

ĐH Bách Khoa

TP HCM

Tiếp thu quy trình công nghệ chế tạo, đánh giá tính chất điện của ống nano carbon, khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết

Đỏ (RSE)

17 Phan Phú Tiên, P10, Q5,

Tp HCM

Thử nghiệm khả năng ứng dụng của ống nano carbon chế tạo trong các thiết bị phát xạ trường và ứng dụng kết quả vào sản xuất

B Phía đối tác

nước ngoài

Trang 6

giúp đào tạo cán bộ về quy trình công nghệ chế tạo ống nano carbon,

-Trao đổi kiến thức công nghệ và hỗ trợ đánh giá cấu trúc và tính chất của ống nano carbon chế tạo,

-Nghiên cứu

cơ chế phát triển ống nano carbon bằng thiết bị TEM,

- Hợp tác nghiên cứu khả năng ứng dụng của ống nano carbon chế tạo trong các thiết bị phát xạ trường

trình công nghệ chế tạo ống nano carbon,

-Trao đổi kiến thức công nghệ và hỗ trợ đánh giá cấu trúc và tính chất của ống nano carbon chế tạo,

-Nghiên cứu

cơ chế phát triển ống nano carbon bằng thiết bị TEM, -Hợp tác nghiên cứu khả năng ứng dụng của ống nano carbon chế tạo trong các thiết bị phát xạ trường

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Trang 7

1 Đặng Mậu

Chiến

Đặng Mậu Chiến

Tư vấn khoa học

2 GS TS Lê Khắc Bình TS Đinh Duy Hải Chủ nhiệm đề tài

3 Th.S Đoàn Đức Chánh

Tín

Th.S Đoàn Đức Chánh Tín

Thực hiện đề tài

4 KS Trần

Thiện Tuấn

ThS Nguyễn Tuấn Anh

5 Công Trường ThS Đinh Thực hiện đề tài

6 CN.Phạm Tấn Thi Thực hiện đề tài

Thị Xuyến

8

ThS Nguyễn Phước Trung Hòa

B Phía Đối tác nước ngoài

1 GS Chong-Yun Park GS Chong-Yun Park Tư vấn khoa học

2 GS Seong

Kyu Kim

GS Seong Kyu Kim

Điều phối các hoạt động hợp tác

3 GS Young Hee Lee GS Young Hee Lee Hướng dẫn nghiên cứu

4 GS

Cheol-Woong Yang

GS Woong Yang

Cheol-Hướng dẫn nghiên cứu

5 GS Ji-Beom Yoo GS Ji-Beom Yoo Tư vấn khoa học

- Lý do thay đổi: Đổi chủ nhiệm đề tài

Trang 8

sinh tại Trung tâm Nghiên cứu

Thời gian : 2 lượt x 6 tháng

Kinh phí: phía Hàn Quốc đài

thọ

trong 3 tháng tại Hàn Quốc

- 01 nghiên cứu sinh học tập tại Trung tâm Nghiên cứu Ống nano carbon và Nanocomposit, Đại học Sungkyunkwan (SKKU), Hàn Quốc

- Kinh phí: phía Hàn Quốc đài thọ

2 Đoàn cán bộ VN đi công tác

sang Hàn Quốc

Số lượng : 05 người

Thời gian : 6 ngày

- Kinh phí : phía Việt Nam đài

thọ

- 04 cán bộ VN đi công tác tại Hàn Quốc từ ngày 24/08/2008 đến ngày 30/08/2008

- Kinh phí: phía Việt Nam đài thọ

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

(Nội dung, thời gian, kinh phí,

1 Tổ chức 01 Hội nghị khoa

học Quốc tế Hàn Quốc –

Việt Nam về Khoa học và

Công nghệ Nano tại Hàn

Quốc

Kinh phí: phía Hàn Quốc

đài thọ

1) The 1st International Workshop on Nanotechnology and

Application (IWNA 2007), October 2007, in Vung Tau, Vietnam

Kinh phí: Phía Việt Nam tự

tổ chức

2) Tổ chức 01 Hội nghị khoa học Quốc tế Hàn Quốc – Việt Nam về Khoa học và Công nghệ Nano tại Hàn Quốc vào tháng 08/2008 Kinh phí: phía Hàn Quốc đài thọ

3) The 2nd International Workshop on

Trang 9

Tau, Vietnam

Kinh phí: Phía Việt Nam tự

tổ chức

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

1 Nghiên cứu, tham khảo các

tài liệu về quy trình công

nghệ chế tạo ống nano carbon

theo phương pháp PECVD

Tháng 01 – 02/2007

Tháng 10 – 12/2007 PTN Công nghệ Nano

2 Trao đổi kinh nghiệm với các

chuyên gia Hàn Quốc về quy

trình công nghệ chế tạo

Tháng 01 - 03/2007

Tháng 10/2007 - 01/2008

PTN Công nghệ Nano, Trung tâm Nghiên cứu Ống nano carbon và Nanocomposit

3 Thiết lập quy trình công nghệ

chế tạo ống nano carbon bằng

phương pháp CVD

Tháng 02 - 03/2007 Tháng 12/2007 -

02/2008

4 Tiến hành thử nghiệm chế tạo

các loại vật liệu xúc tác

Tháng 04 - 06/2007 Tháng 04/2008 -

06/2009

PTN Công nghệ Nano

Trang 10

6 Chế tạo ống nano carbon

bằng phương pháp CVD

Tháng 07 - 08/2007

Tháng 11/2008 - 06/2009

7 Khảo sát ảnh hưởng vật liệu

xúc tác, chiều dày lớp xúc tác

đến sự phát triển của ống

nano carbon

Tháng 08 - 09/2007

Tháng 04/2008 - 07/2009

8 Khảo sát ảnh hưởng của các

thông số công nghệ đến cấu

trúc và tính chất của ống

nano carbon chế tạo

Tháng 08 - 09/2007

Tháng 08/2008 - 10/2009

PTN Công nghệ Nano,

Bộ Môn Cơ

Sở Khoa Học Vật Liệu

9 Quan sát ống nano carbon

bằng SEM

Tháng 10 - 11/2007

Tháng 08/2008 - 10/2009

10 Phân tích cấu trúc và đánh

giá tính chất ống nano carbon

chế tạo bằng phổ Raman

Tháng 11 - 12/2007

Tháng 09/2008 - 10/2009

11 Đánh giá sự ảnh hưởng của

vật liệu xúc tác, chiều dày

lớp xúc tác đến sự phát triển

của ống nano carbon

Tháng 01 - 02/2008

Tháng 11/2008 - 01/2010

12 Đánh giá sự ảnh hưởng của

các thông số công nghệ đến

cấu trúc và tính chất của ống

nano carbon chế tạo

Tháng 02 - 03/2008

Tháng 12/2008 - 01/2010

Bộ Môn Cơ

13 Nghiên cứu cơ chế phát triển

ống nano carbon bằng thiết bị

TEM

Tháng 04 - 06/2008

Tháng 02/2009 - 04/2010

Trang 11

06/2010

Bộ Môn Cơ

16 Nghiên cứu khả năng ứng

dụng của ống nano carbon

chế tạo trong các thiết bị phát

xạ trường

Tháng 07 - 09/2008

Tháng 04/2010 - 07/2010

17 Hoàn thiện quy trình công

nghệ chế tạo ống nano

carbon

Tháng 10 - 11/2008

Tháng 04/2010 - 07/2010

Bộ Môn Cơ

18 Thử nghiệm khả năng ứng

dụng của ống nano carbon

chế tạo trong các thiết bị phát

xạ trường

Tháng 10 - 11/2008

Tháng 08/2010 - 09/2010

19 Thử nghiệm khả năng ứng

dụng của ống carbon trong

việc chế tạo linh kiện điện tử

(transistors hiệu ứng trường –

CNTFET)

Tháng 10 - 11/2008

Tháng 09/2010 – 10/2010

PTN Công nghệ nano

20 Viết báo cáo, tổ chức tổng

kết, đánh giá nghiệm thu kết Tháng 11 - 12/2008

Tháng 11/2010 PTN Công nghệ Nano

Trang 12

- Lý do thay đổi (nếu có): Theo hợp đồng nhiệm vụ được chính thức bắt đầu vào 01/10/2007

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

- Chiều dài 1 – 5 µm

- Khả năng phát xạ trường 1-20V/µm, mật

03 quy trình chế tạo tạo ống nano carbon bàng phương pháp CVD trên các thiết bị tại Phòng Thí Nghiệm Công

Trang 13

1 Báo cáo thuyết minh

trình bày số liệu, báo

- Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, Vietnam (2010)

d) Kết quả đào tạo:

Trang 14

2

Trường ĐH Công nghệ – ĐHQG

HN)

Nguyễn Tuấn Anh, “Nghiên

cứu, tổng hợp ống than nano

nhằm ứng dụng trong pin nhiên

liệu dùng methanol trực tiếp

(DMFC)”

ĐHQG Hà Nội, 2009

Hoàng Hải Liêm, “Thiết kế, chế

tạo và kiểm tra các đặc tính điện

của Transistor hiệu ứng trường

(FET) sử dụng ống nano carbon”

Đào tạo cán bộ và chuyên gia :

- TS Đinh Duy Hải

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

- Nắm vững 03 quy trình công nghệ chế tạo ống nano carbon bằng phương pháp CVD với các trang thiết bị, cơ sở vật chất hiện đại tại Hàn Quốc

- Khảo sát và tìm hiểu các ứng dụng của ống nano carbon trong các thiết bị phát xạ trường được triển khai tại trung tâm CNNC, Hàn Quốc

Trang 15

- Khảo sát đặc tính phát xạ trường của ống nano carbon

- Chế tạo thử nghiệm linh kiện sử dụng ống nano carbon làm Transistor trường (FET-CNTs)

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

* Bồi dưỡng, đào tạo cán bộ trong lãnh vực công nghệ cao:

- Thông qua các nghiên cứu về chế tạo và đánh giá ống nano carbon, tạo cơ sở

để xây dựng đội ngũ cán bộ có chuyên môn về lãnh vực công nghệ cao, tiếp cận trình độ khoa học kỹ thuật của khu vực và trên thế giới

- Dự án này tạo điều kiện để đào tạo sinh viên, học viên cao học và các cán bộ nghiên cứu trẻ của ĐH Quốc Gia TP HCM, góp phần đào tạo nhân lực trình

độ cao cho đơn vị nói riêng và cả nước nói chung

* Đối với lãnh vực khoa học có liên quan:

- Chế tạo ống nano carbon và hướng đến ứng dụng chúng trong các linh kiện phát xạ trường phục vụ cho ngành công nghiệp điện - điện tử, sẽ giúp các đơn

vị nghiên cứu khác trong nước (các Trường, Viện, Trung tâm nghiên cứu…)

có được phương tiện nghiên cứu mới, hứa hẹn các kết quả mới trong lãnh vực nghiên cứu điện - điện tử cũng như trong công nghiệp sản xuất

- Bên cạnh đó, sản phẩm nghiên cứu là mẫu ống nano carbon có thể cung cấp cho các đơn vị nhằm thúc đẩy những nghiên cứu cơ bản về ống nano carbon trong nước

- Kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài này sẽ thúc đẩy những nghiên cứu tiếp theo về ống nano carbon trong nước và góp phần xây dựng ngành công nghệ micro-nano tại Việt Nam

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài:

Số

TT Nội dung

Thời gian thực hiện

10/2008

- Thực hiện 03 Mẫu ống nano carbon đáp ứng yêu cầu của Thuyết mình

- Xây dựng 02 Quy trình tổng hợp

ống nano carbon bằng phương pháp CVD

Trang 16

tế Hàn Quốc – Việt Nam về Khoa học và Công nghệ Nano tại Hàn Quốc

10/2008 đến tháng

10/2009

- Thực hiện 03 Mẫu ống nano carbon đáp ứng yêu cầu của Thuyết mình

- Hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo ống nano carbon

- Đào tạo 02 thạc sỹ

10/2009 đến tháng

06/1020

- Chế tạo thử nghiệm linh kiện sử dụng ống nano carbon làm Transistor trường (CNT-FET):

- Đánh giá thử nghiệm linh kiện:

đo các đặc tính I-V

II Kiểm tra định kỳ 15/07/2010 Về cơ bản nhiệm vụ đã hoàn thành

khối lượng công việc đề ra Cần đẩy nhanh tiến độ nghiệm thu

Bổ sung báo cáo về tình hình hợp tác quốc tế

III Nghiệm thu cơ sở 23/12/2010

Chủ nhiệm đề tài

TS Đinh Duy Hải

Thủ trưởng tổ chức chủ trì

PGS.TS Đặng Mậu Chiến

Trang 17

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Tình hình nghiên cứu ống nano carbon trong nước và quốc tế 1

a) Tình hình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTs trên thế giới 1

b) Tình hình nghiên cứu CNTs tại Việt Nam 6

II Xuất xứ của nhiệm vụ nghị định thư 7

III Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của nhiệm vụ 8

III.1 Mục tiêu 8

III.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

Chương 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển CNTs 10

1.2 Cấu trúc, khuyết tật và phân loại CNTs 11

1.2.1 Cấu trúc CNTs 11

1.2.2 Khuyết tật của CNTs 13

1.2.3 Phân loại CNTs 15

1.3 Tính chất của CNTs 16

1.3.1 Đặc tính vật lý (kích thước, hình dạng và diện tích bề mặt) 17

1.3.2 Sự tương tác phân tử và đặc tính hấp phụ 18

1.3.3 Tính chất cơ [39-40] 18

1.3.4 Tính chất điện [62-65],[69],[73],[77] 20

1.3.5 Tính chất nhiệt 24

Trang 18

1.4.2 Phương pháp lắng đọng hóa hơi (CVD) 27

1.5 Phương pháp tinh chế 31

1.5.1 Oxi hóa (Oxidation) 32

1.5.2 Xử lý bằng acid (Acid treatment) 32

1.5.3 Ủ nhiệt (Annealing) 33

1.5.4 Siêu âm (Ultrasonication) 33

1.5.5 Tinh chế từ tính (Magnetic purification) 33

1.5.6 Bộ lọc (kích thước) micro (Micro filtration) 34

1.5.7 Cắt (Cutting) 34

1.5.8 Functionalisation 34

1.5.9 Sắc ký (Chromatography) 35

1.5.10 Kết luận 35

1.6 Ứng dụng 35

1.6.1 Lưu trữ năng lượng 36

1.6.1.1 Lưu trữ Hydro 36

1.6.1.2 Lưu trữ điện hóa Lithium 37

1.6.1.3 Siêu tụ điện điện hóa 38

1.6.2 Linh kiện phát xạ trường 39

1.6.2.1 Nguyên lý phát xạ trường 39

1.6.2.2 Khả năng phát xạ trường của CNTs 41

1.6.2.3 Màn hình hiển thị phát xạ trường 45

1.6.3 Transistor phát xạ trường sủ dụng ống nano carbon (CNTFET) 47

1.6.3.1 Giới thiệu 47

1.6.3.2 Cấu trúc CNTFET cổng sau (back-gate) 48

1.6.3.3 Nguyên lý hoạt động của CNTFET 49

Trang 19

1.1.1.3 Ống nano dùng làm chất hấp thụ 52

Chương 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỐNG NANO CABON 54

2.1 Chế tạo lớp đệm 54

2.1.1 Xử lý bề mặt tiêu chuẩn 54

2.1.2 Tạo lớp đệm trên đế silic 55

2.1.2.1 Chế tạo đế SiO2/Si 55

2.1.2.2 Chế tạo đế Si3N4/Si 56

2.1.2.3 Chế tạo đế Al/Si 57

2.1.2.4 Chế tạo đế Al2O3/Si 59

2.2 Chế tạo lớp xúc tác 60

2.2.1 Hóa chất và thiết bị 60

2.2.2 Tạo màng xúc tác kim loại 63

2.2.3 Nghiên cứu, đánh giá bề mặt lớp xúc tác 65

2.2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 65

2.2.3.2 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 68

2.3 Quy trình tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD 69

2.3.1 Thiết bị lắng đọng hơi hóa học bằng nhiệt (t-CVD) 69

2.3.1.1 Mô hình thiết bị lắng đọng nhiệt hơi hóa học tCVD 69

2.3.1.2 Quá trình tổng hợp ống nano carbon bằng tCVD 70

2.3.1.3 Thiết bị thermal CVD 71

2.3.2 Thiết bị ánh giá CNTs thu được 72

Ngoài việc đánh giá bằng SEM và AFM, CNTs còn được đánh giá thông qua phổ Raman, và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 72

2.3.2.1 Thiết bị quang phổ Micro-Raman 72

2.3.2.2 Thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua - TEM 73

Trang 20

3.1 Tổng hợp lớp xúc tác kim loại 75

3.1.1 Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên các lớp đệm 75

3.1.1.1 Lớp đệm SiO2 trên đế Silicon 75

3.1.1.2 Lớp đệm Al trên đế SiO2 76

3.1.1.3 Lớp đệm Pt trên wafer silicon 76

3.1.2 Khảo sát bề mặt màng xúc tác Ni trên các đế khác nhau 77

3.1.2.1 Màng xúc tác Ni trên đế silicon 77

3.1.2.2 Màng xúc tác Ni trên đế SiO2 78

3.1.2.3 Màng xúc tác Ni trên đế Al 79

3.1.2.4 Màng xúc tác Ni trên đế Al2O3 79

3.1.2.5 Màng xúc tác Ni trên đế Si3N4 80

3.1.3 Khảo sát bề mặt màng xúc tác Co trên các đế khác nhau 81

3.1.3.1 Màng xúc tác Co trên đế SiO2 81

3.1.3.2 Màng xúc tác Co trên đế Al 82

3.1.3.3 Màng xúc tác Co trên đế Al2O3 82

3.1.4 Khảo sát bề mặt màng xúc tác Mo trên các đế khác nhau 83

3.1.4.1 Màng xúc tác Mo trên đế Al 83

3.1.4.2 Màng xúc tác Mo trên đế Al2O3 83

3.1.4.3 Màng xúc tác Mo trên wafer Silic 84

3.1.4.4 Màng xúc tác Mo trên đế SiO2 84

3.1.4.5 Màng Mo trên lớp xúc tác Fe 86

3.1.5 Khảo sát bề mặt màng xúc tác Fe trên các đế khác nhau 86

3.1.5.1 Màng xúc tác Fe trên đế silicon 86

3.1.5.2 Màng Fe trên lớp đế Si3N4 87

3.1.5.3 Màng xúc tác Fe trên đế Al 87

Trang 21

3.2.1.2 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Ni phủ trên đế SiO2 90

3.2.1.3 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Ni phủ trên đế Si3N4 91

3.2.1.4 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Ni phủ trên đế Al 92

3.2.1.5 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Ni phủ trên đế Al2O3 93

3.2.2 Mẫu phủ màng xúc tác Co 94

3.2.2.1 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Co phủ trên đế SiO2 94

3.2.2.2 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Co phủ trên đế Si3N4 95

3.2.2.3 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Co phủ trên đế Al 96

3.2.2.4 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Co phủ trên đế Al2O3 96

3.2.3 Mẫu phủ màng xúc tác Fe 97

3.2.3.1 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Fe phủ trên đế SiO2 98

3.2.3.2 Tổng hợp CNTs trên màng xúc tác Fe phủ trên đế Al2O3 98

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số trong quy trình chế tạo ống nano carbon 100

3.3.1 Đối với màng xúc tác Ni trên lớp đệm TiN 100

3.3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo CNTs đối với màng Ni/TiN

100

3.3.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ H2:C2H2 đối với sự tổng hợp ống nano carbon trên màng Ni-TiN 103

3.3.2 Đối với màng xúc tác Fe trên lớp đệm Al 105

3.3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình tổng hợp CNTs 106

3.3.2.3 Ảnh hưởng bề dày xúc tác Fe đối với sự tổng hợp CNTs 107

3.3.3 Đối với màng đa lớp Mo-Fe-Al 108

3.3.3.2 Ảnh hưởng của bề dày lớp Mo lên quá trình chế tạo CNTs 109 3.3.3.3 Phổ Raman khảo sát sự ảnh hưởng của lớp Mo đối với cấu trúc ống nano carbon 112

Trang 22

3.4.2 Kết quả 115

3.4.2.1 Cấu trúc ống nano carbon trên mẫu phủ màng xúc tác kim loại

115 3.4.2.2 Cơ chế hình thành cấu trúc ống nano carbon trên hạt nano kim

loại 116 3.4.2.3 Mô hình quá trình hình thành các hạt xúc tác trên bề mặt màng

đa lớp 117 3.5 Quy trình công nghệ chế tạo ống nano carbon 118

Chương 4 : KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT XẠ TRƯỜNG CỦA ỐNG

NANO CARBON 121

4.1.1 Hệ đo phát xạ điện tử trường 121

4.1.2 Thiết bị đo dòng-áp Keithley 6487 122

4.3.3 Kết quả đặc tính I-V của ống nano carbon trong mẫu Ni/TiN 129

4.4 Kết luận về đặc tính phát xạ trường của ống nano carbon 130

Chương 5 : ỨNG DỤNG ỐNG NANO CARBON CHẾ TẠO LINH

KIỆN ĐIỆN TỬ 131

5.1 Chế tạo CNT-FET 131

5.1.1 Vật liệu, dụng cụ thiết bị nghiên cứu 131

Trang 23

5.1.2.3 Các bước chế tạo CNTFET 135

5.1.3 Kết quả chế tạo và các đặc tính điện của CNTFET 139

5.1.3.1 Kết quả chế tạo CNTFET 139

5.1.3.2 Kết quả quan sát bằng FE-SEM 140

5.1.4 Kết quả đo đặc trưng I-V của CNTFET 141

5.1.4.1 Khảo sát theo khoảng cách giữa cực nguồn và cực máng (W)

141 5.1.4.2 Khảo sát theo độ dài kênh dẫn (L) 143

5.1.4.3 Khảo sát theo số lượng cặp điện cực (N) 145

Chương 6 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148

TÀI LIỆU THAM KHẢO 150

Trang 24

µm micromet = 10 m

AD Arc discharge: phóng điện hồ quang

AFM Atomic Force Microscopy: kính hiển vi lực nguyên tử

CB carbon black: carbon đen, than chì

CNTs Carbon nanotubes: ống nano carbon

CNT-FET Carbon nanotube Field Effect Transistor: transistor hiệu

ứng trường ứng dụng ống nano carbon DWNTs Double-walled nanotubes: ống nano carbon vách đôi

Trang 25

Bảng 1.2 Hệ số xoắn tới hạn (UTR) của một số MWNTs 19

Bảng 1.3 Bảng giá trị điện trường ngưỡng của một số vật liệu có mật độ

dòng phát xạ là 10mA/cm2 42

Bảng 2.1 Thông số thiết bị PECVD tạo lớp Si3N4 57

Bảng 2.2 Kết quả độ dày màng Al các mẫu khác nhau 58

Bảng 2.3 Các tham số và công suất phún xạ DC 62

Bảng 3.1 Tổng hợp các mẫu màng xúc tác Ni 90

Bảng 3.2 Bảng liệt kê các mẫu ống nano carbon tổng hợp trên màng Ni-TiN

theo nhiệt độ khác nhau 100

Bảng 3.3 Bảng các mẫu ống nano carbon tổng hợp trên màng Ni-TiN với tỷ

lệ khí giữa H2 và C2H2 khác nhau ở nhiệt độ 650oC 103

Bảng 3.4 Điều kiện tổng hợp CNTs bằng thiết bị RTCVD trên các màng đa

lớp xúc tác Fe/Al/silicon 105

Bảng 4.1 Các nút điều khiển và chức năng trong menu của Keithley 6487

122

Bảng 4.2 Các nút điều khiển và chức năng của Keithley 6487 123

Bảng 4.3 Bảng tổng hợp các mẫu đo phát xạ trường CNTs 127

Trang 26

1991 10

Hình 1.2 Các dạng vật liệu nano nền carbon 11

Hình 1.3 Dạng hình học của SWNTs (khi chưa cuộn lại) 12

Hình 1.4 Các cấu trúc khác nhau của MWNTs 14

Hình 1.5 Các dạng khuyết tật của CNTs 14

Hình 1.6 CNTs cấu trúc dạng amchair (a); zigzag (b) và chiral (c) 16

Hình 1.7 Ô cơ sở (a) và vùng Brillouin (b) của tấm graphene 20

Hình 1.8 Cấu trúc năng lượng điện tử trong vùng Brillouin của graphene 21

Hình 1.9 Cấu trúc năng lượng của CNTs kim loại (a) và bán dẫn (b) 22

Hình 1.10 Năng lượng vùng cấm theo đường kính ống 22

Hình 1.11 Độ dẫn vi sai theo điện áp 23

Hình 1.12 Độ dẫn nhiệt của SWNT riêng lẻ và MWNT đơn theo nhiệt độ 25

Hình 1.13 Độ dẫn nhiệt của mẫu khối SWNTs và MWNTs theo nhiệt độ 25

Hình 1.14 Cơ chế phát triển của ống nano 27

Hình 1.15 Sơ đồ thiết bị của PECVD 29

Hình 1.16 Mô hình hệ thống thiết bị t-CVD 30

Hình 1.17 Sơ đồ thiết bị ACCVD 31

Hình 1.18 Một sơ đồ đơn giản của một thiết bị tích-phát điện 37

Hình 1.19 Cấu trúc lớp Li được chen vào graphite 37

Hình 1.20 Mô hình siêu tụ điện điện hóa 38

Hình 1.21 Thí dụ minh họa sự phát xạ trường điện tử từ một đầu ống nhọn

40

Hình 1.22 Đặc trưng I-V của màng SWCNT khi đo ở 10-8 Torr với các

khoảng cách khác nhau 43

Hình 1.23 Tính ổn định của dòng phát xạ điện tử 44

Trang 27

Hình 1.26 Phát xạ không đồng đều (trái); đồng đều (phải) 46 Hình 1.27 Cấu trúc CNTFET cổng sau 48 Hình 1.28 Đặc tính I-V của CNTFET[42] 50 Hình 2.1 Quy trình chế tạo mẫu ống nano carbon tại LNT 54

Hình 2.2 Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa Si thành SiO2 56

Hình 2.3 Thiết bị PECVD, PLASMALAB 80PLUS 57 Hình 2.4 Hình ảnh đo độ dày của màng Al (mẫu II) bằng máy Dektak 6M

59

Hình 2.5 Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa Al thành Al2O3 60

Hình 2.6 Ảnh chụp thiết bị spinner Delta 6RC 61 Hình 2.7 Thiết bị oxidation GmBH/PEO 601 61 Hình 2.8 Máy phún xạ DC - DC Sputtering system, CoreVac, Hàn Quốc 62 Hình 2.9 Máy phún xạ DC-Sputtering Univex 350, Việt Nam 62 Hình 2.10 Sơ đồ chế tạo màng xúc tác Ni trên lớp Al/silicon 63 Hình 2.11 Sơ đồ chế tạo màng xúc tác Ni trên lớp TiN/silicon 64 Hình 2.12 Sơ đồ chế tạo màng xúc tác Fe trên lớp đệm Al/silicon 64 Hình 2.13 Sơ đồ chế tạo màng xúc tác kim loại Fe trên lớp đệm

Trang 28

Hình 2.20 Mô hình thiết bị lắng đọng hơi hóa học bằng nhiệt (t-CVD) 69 Hình 2.21 Sơ đồ quá trình tổng hợp ống nano carbon bằng t-CVD 70 Hình 2.22 Thiết bị RTCVD tại CNNC, Hàn Quốc 71 Hình 2.23 Thiết bị thermal CVD tại CNNC, Hàn Quốc 71 Hình 2.24 Thiết bị thermal CVD LAB 50N tại Phòng Thí Nghiệm Công

Nghệ Nano ĐHQG TPHCM 72

Hình 2.25 Thiết bị quang phổ Raman - Renishaw Invia Basic 73 Hình 2.26 Thiết bị Micro-Raman - LABRam Horiba JOBIN YVON 73 Hình 2.27 Kính hiển vi điện tử truyền qua - JEM 1400, Đại 74 Hình 2.28 Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM) -

Hình 3.7 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Ni, dày 200 nm, sau khi xử lý

nhiệt ở nhiệt độ 700oC trong 10 phút 78

Hình 3.8 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Ni trên đế Al sau khi xử lý nhiệt ở

Trang 29

Hình 3.10 Ảnh AFM bề mặt màng xúc tác Ni phủ trên đế Al2O3 80

Hình 3.11 Ảnh AFM bề mặt màng Ni phủ trên đế Si3N4 80

Hình 3.12 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Co trên đế SiO2 81

Hình 3.13 Ảnh AFM bề mặt màng xúc tác Co phủ trên đế silicon 81 Hình 3.14 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Co trên đế Al 82 Hình 3.15 Ảnh AFM bề mặt màng xúc tác Co phủ trên đế Al2O3 82

Hình 3.16 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Mo trên lớp Al sau khi xử lý nhiệt

ở nhiệt độ 900oC trong 10 phút 83

Hình 3.17 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Mo trên lớp Al2O3 sau khi xử lý nhiệt ở nhiệt độ 900oC trong 10 phút 83

Hình 3.18 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Mo trên wafer Silic sau khi xử lý

nhiệt ở nhiệt độ 850oC trong 10 phút 84

Hình 3.19 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Mo dày 1 nm trên đế SiO2 sau khi

xử lý nhiệt ở nhiệt độ 900oC trong 10 phút 84

Hình 3.22 Sơ đồ phủ màng Mo trên lớp xúc tác Fe 86 Hình 3.23 Ảnh AFM bề mặt màng Mo phủ trên lớp xúc tác Fe 86 Hình 3.24 Ảnh AFM bề mặt màng Fe (3 nm) trên đế silicon 87 Hình 3.25 Ảnh AFM bề mặt màng Fe (3 nm) trên đế Si3N4 87

Hình 3.26 Ảnh SEM bề mặt màng xúc tác Fe trên đế Al sau khi xử lý nhiệt ở

nhiệt độ 700oC trong 10 phút 88

Hình 3.27 Ảnh AFM bề mặt màng Fe (3 nm) phủ trên lớp Al (15 nm) 88

Trang 30

Hình 3.29 Ảnh AFM bề mặt màng Fe (3 nm) trên đế Al2O3 89

Hình 3.30 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Ni/SiO2 90

Hình 3.31 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Ni/SiO2 91

Hình 3.32 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Ni/Si3N4 91

Hình 3.33 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Ni/Si3N4 92

Hình 3.34 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Ni/Al 92

Hình 3.35 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Ni/Al2O3 93

Hình 3.36 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Ni/Al2O3 93

Hình 3.37 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Co/SiO2 94

Hình 3.38 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Co/SiO2 94

Hình 3.39 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Co/Si3N4 ở 700oC 95

Hình 3.40 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Co/Si3N4 95

Hình 3.41 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Co/Al ở 700oC 96

Hình 3.42 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Co/Al2O3 ở 700oC 96

Hình 3.43 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Co/Al2O3 97

Hình 3.44 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Fe/SiO2 98

Hình 3.45 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Fe/SiO2 98

Hình 3.46 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Fe/Al2O3 ở 850oC 99

Hình 3.47 Phổ Raman CNTs tổng hợp trên màng Fe/Al2O3 99

Hình 3.48 Mô hình ống nano carbon tổng hợp trên màng xúc tác Ni/TiN 100

Hình 3.49 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Ni/TiN ở 550oC 101

Hình 3.53 Phổ Raman của CNTs trên màng Ni/TiN tại nhiệt độ khác nhau

Trang 31

lệ khí (H2:C2H2) khác nhau ở nhiệt độ 650oC 104

Hình 3.56 Biểu đồ ảnh hưởng của tỷ lệ khí (H2:C2H2) với tỷ lệ ID/IG trong

phổ Raman 104

Hình 3.57 Mô hình ống nano carbon tổng hợp trên màng xúc tác Fe/Al 105

Hình 3.58 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Fe/Al ở 600oC 106

Hình 3.62 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp trên màng Fe(1nm)/Al ở 800oC 107

Hình 3.65 Mô hình ống nano carbon tổng hợp trên màng đa lớp Mo-Fe-Al

109

Hình 3.66 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp ở 850oC trên màng đa lớp Mo/Fe(1

nm)/Al với bề dày lớp Mo từ 0 – 5 nm 110

Hình 3.67 Ảnh SEM của CNTs tổng hợp ở 800oC trên màng đa lớp

Mo/Fe/Al với bề dày lớp Mo từ 0 – 5 nm 112

Hình 3.68 Phổ Raman ống than nano được tổng hợp bởi màng đa lớp

Mo/Fe/Al, với bề dày lớp Mo thay đổi từ 0,5 đến 5,0 nm 113

Hình 3.69 Gắp ốngCNTs khỏi đế xúc tác và ngâm trong dung dịch ethanol

114

Hình 3.70 Thiết bị rung siêu âm (sonication) – Branson 1510 114

Hình 3.71 Ống CNTs được giữ lại trên micro grid đạt trên giấy thấm nước

115

Hình 3.72 Ảnh TEM chụp ống nano carbon trên micro grid với kính thước

thanh đo là 200 nm 116

Trang 32

Hình 3.74 Mô hình quá trình hình thành các hạt xúc tác kim loại 118

Hình 3.75 Sơ đồ quá trình tổng hợp ống nano carbon 119

Hình 3.76 Giản đồ nhiệt quá trình tổng ống nano carbon bằng thiết bị t-CVD

120

Hình 4.1 Sơ đồ hệ đo phát xạ điện tử trường của màng chứa ống CNTs tại

Viện Vật Lý Kỹ Thuật - ĐHBK HN 121

Hình 4.2 Hệ Keithley 6487 với mặt trước (trái) và mặt sau (phải) 122

Hình 4.3 Hình chiếu của bộ phận phát xạ trường dùng ống nanocarbon 125

Hình 4.4 Nhựa PE – phủ Cu và không phủ Cu 126

Hình 4.5 Bộ phận phát xạ trường và kính thủy tinh 126

Hình 4.6 Mô hình 3D của bộ phận phát xạ trường dùng CNTs 126

Hình 4.7 Đặc tính I-V của ông nano carbon trong mẫu Ni/Al, 600oC 128

Hình 4.8 Đặc tính I-V của ống nano carbon trong mẫu Fe/Al, 600oC 129

Hình 4.9 Đặc tính I-V của ống nano carbon trong mẫu Fe/Al, 700oC 129

Hình 4.10 Đặc tính I-V của ống nano carbon trong mẫu i(1nm)/TiN(20nm)

130

Hình 5.1 Cấu trúc Back-Gated CNTFET thực nghiệm chế tạo 133

Hình 5.2 Cấu trúc mặt nạ 133

Hình 5.3 Hình ảnh mask sau khi thiết kế 134

Hình 5.4 Quy trình các bước chế tạo CNTFET 135

Hình 5.5 Các CNTFET sau khi chế tạo 139

Hình 5.6 Hình ảnh CNTFET chụp bằng kính hiển vi quang học 139

Hình 5.7 Ảnh FE-SEM với các nồng độ khác nhau a) 4ml CNT, b) 3ml

CNT+1mlNMP, c) 2ml CNT+2ml NMP, d) sau khi tạo điện cực S và D 140

Hình 5.8 W=2µm; L=10µm; N = 20 141

Trang 33

Hình 5.12 W=5µm; L=10µm; N = 20 143 Hình 5.13 W=5µm; L=100µm; N = 20 143 Hình 5.14 W=5µm; L=200µm; N = 20 144 Hình 5.15 W=7µm; L=10µm; N = 20 144 Hình 5.16 W=7µm; L=100µm; N = 20 144 Hình 5.17 W=7µm; L=200µm; N = 20 145 Hình 5.18 W=5µm; L=100µm; N = 5 145 Hình 5.19 W=5µm; L=100µm; N =20 146 Hình 5.20 W=5µm; L=100µm; N =35 146 Hình 5.21 W=5µm; L=100µm; N =50 146

Trang 34

PHẦN MỞ ĐẦU

Ống nano carbon (carbon nanotubes - CNTs) được chính thức phát

hiện đầu tiên bởi Iijima vào năm 1991 với những tính chất đặc trưng hoàn hảo

Kể từ đó, đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trong việc chế tạo cũng như ứng dụng CNTs vào trong thực tế cuộc sống

Ngay từ những năm đầu mới ra đời, ống nano carbon đã khẳng định được vị trí của mình và đã thu hút được nhiều người nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc và các tính chất của các ống nano carbon đơn vách và đa vách Đặc biệt là khi phát hiện ra các tính chất ưu việt về cơ, lý tính của nó như là bền hơn thép 100 lần nhưng lại nhẹ hơn 1/6 trọng lượng của thép thì những nghiên cứu, ứng dụng ngày càng được đẩy mạnh với tốc độ phi thường và đạt được nhiều kết quả kỳ diệu

Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm gần đây trên cơ sở ống nano carbon đơn lẻ chủ yếu là ống nano carbon đa vách, đã khẳng định rằng: các ống nano carbon là vật liệu vững cứng nhất được làm từ trước đến nay Hiện nay, ống nano carbon đã được ứng dụng trong rất nhiều lãnh vực: vật liệu compozit, màn hiển thị siêu phẳng phát xạ trường, đèn chiếu sáng và các linh kiện điện tử nano, các bộ tích trữ hidrô để làm pin nhiên liệu, các linh kiện điện hóa, linh kiện cảm biến,

Do những đặc tính ưu việt cùng ứng dụng to lớn của ông than nano trong nhiều lĩnh vực mà việc chế tạo và ứng dụng ống than nano được nhiều quốc gia, các công ty và phòng thí nghiệm nghiên cứu quan tâm

I Tình hình nghiên cứu ống nano carbon trong nước và quốc tế

a) Tình hình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTs trên thế giới

Vào năm 1991, Sumio Iijima công bố [1] những khám phá đầu tiên về một loại vật liệu mới với cấu trúc là những ống carbon có đường kính vài nm, chiều dài có thể dài đến vài trăm micrometer, với tên gọi "ống nano carbon –

Trang 35

carbon nanotube" Cấu trúc hình ống có cơ tính và tính chất điện khác thường

đã làm kinh ngạc nhiều nhà khoa học trong các cơ quan nghiên cứu, đại học

và doanh nghiệp trên thế giới Ống nano có sức bền siêu việt, độ dẫn nhiệt cao

và nhiều tính chất điện tử thú vị

Cho đến nay, trên thế giới người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo ống nano carbon, chủ yếu là phương pháp phóng điện hồ

quang (arc discharge) [1-3], phương pháp dùng laser (laser ablation) [4 -10]

và phương pháp tráng phủ hơi hoá học (Chemical Vapor Deposition - CVD)

[11 -24], trong đó các phương pháp CVD được dùng phổ biến nhất vì chế tạo được ống than có định hướng tốt, có thể điều khiển được vị trí, mật độ, kích thước

Hình thành ống nano carbon không phức tạp nhưng để tạo ra những ống nano carbon giống nhau cùng đặc tính trong những đợt tổng hợp khác nhau và sau đó tinh chế để gạn lọc tạp chất đòi hỏi những điều kiện vận hành một cách cực kỳ chính xác Tùy vào điều kiện chế tạo và vật liệu gốc người ta có thể

tổng hợp ống nano carbon đơn vách (single-walled carbon nanotube, SWNT) [16-19], hai vách (double-walled carbon nanotube, DWNT) [20-23] và đa vách (multi-wall carbon nanotube, MWNT) [24-25] Ống nano carbon được

Iijima phát hiện đầu tiên thuộc loại MWNT Richard Smalley (Rice University) một lần nữa đã phát huy tài năng của mình qua phương pháp laser

để chế tạo SWNT với hiệu suất rất cao Phương pháp này đã được thương mại hóa để sản xuất SWMT cho công nghiệp

Với dạng hình ống dài và cơ tính lý tưởng, ống nano carbon được cho vào các loại polymer để tạo những sản phẩm nano-composite Vài phần trăm ống nano carbon có thể gia tăng độ bền, độ cứng và độ dai của polymer lên nhiều lần Các công ty chế tạo ô tô đang triển khai polymer nano-composite cho các bộ phận xe hơi Đặc điểm của các composite này là nhẹ và bền chắc Một cơ tính khác của ống nano carbon đang được khảo sát hiện nay là đặc

Trang 36

tính làm giảm sốc (shock damping), chống rung Tính chất rất quan trọng này

sẽ mang đến những ứng dụng dân sự lẫn quốc phòng

Điện tích và đặc tính điện tử của ống nano đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà vật lý và thiết kế điện tử vi mạch Nhờ ở dạng hình ống và các

electron tự do p i trong ống, các electron tự do có thể tải điện nhưng ít chịu sự

phân tán electron (gọi là ballistic conduction) Sự phân tán electron là nguyên

nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thường thấy ở chất bán dẫn hay kim loại Nói một cách khác, ống nano carbon có khả năng tải điện hữu hiệu vì ít phát nhiệt

Một đặc tính khác của ống nano là sự phát xạ trường (field emission)

[26-28] Khi điện thế được áp đặt vào một đầu của ống nano carbon đầu kia sẽ liên tục phát ra electron Đã có nhiều vật liệu hoặc trang cụ (thí dụ: ống tia âm cực, cathode ray tube) có đặc tính phát xạ trường nhưng ống nano carbon có thể vận hành ở điện thế thấp, phát xạ trong một thời gian dài mà không bị tổn hại Ứng dụng trực tiếp của phát xạ trường là màn hình TV và vi tính Đây là một công nghệ mang lại hằng tỉ USD mỗi năm Màn hình mỏng tinh thể lỏng đang thay thế dần các màn hình ống tia âm cực nặng nề, kềnh càng Ống nano carbon có thể làm màn hình mỏng hơn nữa, rõ nét và dùng điện ít hơn 10 lần Đặc tính phát xạ trường của ống nano carbon cho thấy khả năng thay thế màn hình tinh thể lỏng trong một tương lai gần mặc dù màn hình này hiện rất thông dụng và đang được ưa chuộng Tập đoàn Samsung (Hàn Quốc) tích cực thương mại hoá màn hình ống nano carbon

Ngoài ra, ống nano carbon còn cho nhiều ứng dụng khác chẳng hạn

dùng trong cảm biến (sensor) để phát hiện ánh sáng, nhiệt, sóng điện từ hoặc

những hóa chất độc hại với độ nhạy rất cao

Ống nano carbon tự thân hoặc kết hợp với polymer dẫn điện để biến chế

thành cơ bắp nhân tạo (artificial muscle, actuator) Cơ bắp nhân tạo là một

Trang 37

dòng điện chạy qua cơ bắp sẽ cho một tác lực Cơ bắp nhân tạo là một trong những bộ phận quan trọng tạo thành con robot hoặc hệ thống vi cơ điện tử

(Micro ElectroMechanical System - MEMS) Nhóm nghiên cứu của giáo sư

Gordon Wallace và Geoff Spinks (University of Wollongong, Úc) có những thành quả nổi bật trong lãnh vực này

Ống nano carbon cũng có mặt trong sinh học Một báo cáo khoa học mới đây cho biết tế bào xương rất tương thích với ống nano carbon Ống nano carbon được sử dụng như giàn giáo để các tế bào xương tăng trưởng và phát triển Đây là kết quả rất quan trọng có thể triển khai để cách mạng hóa việc ghép và trị liệu xương

Hiện nay, người ta còn triển khai ứng dụng vào môi trường dựa vào các đặc trưng điện hóa và khả năng điều hướng của CNTs Với tính chất loại bỏ, hay làm thụ động hóa các vi khuẩn, nên CNTs được sắp xếp và sử dụng như một màng lọc chất ô nhiễm, một tác nhân diệt khuẩn, kháng virus khá hiệu quả trong các hệ thống xử lý môi trường [31]

Xét một cách tổng quát thì CNTs chiếm tỷ lệ không nhiều trong các loại vật liệu nano (<10%) nhưng CNTs lại có các đặc tính vượt trội và tiềm năng

to lớn so với các loại vật liệu khác Điều này có thể được chứng minh thông qua mức độ đầu tư, số lượng các bài báo, bài nghiên cứu liên quan đến CNTs ngày càng tăng dần trong những năm gần đây, xem hình 1,

Trang 38

Hình 1 Số lượng các tài liệu có liên quan đến vật liệu CNTs theo các năm

Thậm chí từ lâu, CNTs đã được tập trung nghiên cứu, phát triển và đưa vào sản xuất với số lượng rất lớn ở nhiều nơi trên thế giới, không chỉ có Mỹ, Nhật, các nước Châu Âu mà còn có các nước châu Á như Trung Quốc, Hàn Quốc, …

Hãng CheapTubes của Mỹ, hay công ty Chengdu Organic Chemicals của Trung Quốc, đều tiến hành sản xuất hàng loạt và cho ra đời nhiều loại sản phẩm CNTs khác nhau, được thể hiện trong bảng 1

Bảng 1 Đơn giá của CNTs được sản xuất ở một vài nước trên thế giới

Độ tinh khiết (wt%) – Giá (USD/g) Sản phẩm

Mỹ [44] Trung Quốc [45]

90(%) – 95 (USD/g) 90(%) – 65 (USD/g) SWNTs

SWNTs – ngắn

Trang 39

10-20nm OD 95 – 10 95 – 2,5

Ghi chú : OD (outer diameter – đường kính ngoài)

Chưa kể rất nhiều hãng khác trên thế giới cũng sản xuất CNTs, như vậy hàng năm toàn thế giới sản xuất được rất nhiều tấn CNTs Điều này đã phần nào cho thấy CNTs nói riêng, cũng như vật liệu nano nói chung đang dần chiếm một vị trí quan trọng trong ngành công nghệ vật liệu

b) Tình hình nghiên cứu CNTs tại Việt Nam

Vật liệu nano nói chung, cũng như ống nano carbon nói riêng, từ lâu đã trở thành đề tài nghiên cứu có tính hấp dẫn đối với nhiều nhà khoa học Việt Nam Điều này thể hiện rõ trong suốt 10 năm gần đây, bằng chứng là lần lượt nhiều cơ sở khoa học ở Việt Nam đã chế tạo thành công ống nanocarbon, như nhóm của Phan Hồng Khôi [32], viện Khoa học Vật liệu (IMS) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST), đã tổng hợp với số lượng lớn ống carbon đa tường (MWCNT) bằng phương pháp bay hơi hóa học (CVD) và ứng dụng cho vật liệu phát xạ trường cũng như gia công vật liệu Nikel, Chrom, Nhóm của Dương Ngọc Huyền [33], viện Vật lý kĩ thuật (Đại Học Bách Khoa Hà Nội), tổng hợp Polypyrrole (PPy) trên ng nano carbon đ n

t ng (SWNTs) và ng d ng làm c m bi n khí Nhóm của tác giả Nguyễn Văn Hiệu [34], viện ITIMS, cũng chế tạo ống nano carbon có pha tạp TiO2, SiO2

ứng dụng làm cảm biến khí Nhóm của Nguyễn.C Tu [35], Viện Vật lý Kỹ thuật (Đại Học Bách Khoa Hà Nội), khảo sát khả năng phát xạ trường của ống nano carbon phát triển theo chiều dọc đạt được điện trường từ 7.6 đến 11.7 V/µm Nhóm của Nguyễn Văn Khiêm [36], đại học Vinh, tìm cách nâng cao

độ nhạy của ống nano carbon đơn tường trong cảm biến khí bằng việc xử lý axit và đã đạt độ nhạy lên đến 68.63% Nhóm của Đinh Sĩ Hiền, trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc ĐHQG TPHCM, thì lại mô phỏng các loại

Trang 40

Transistor dựa trên ống than nano carbon dạng đồng trục [37] hay dạng phẳng [38]

Hiện nay, phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu & Linh kiện điện tử - Viện khoa học Vật liệu (thuộc Viện khoa học Công nghệ Việt Nam) cũng đang xúc tiến sản xuất CNTs với số lượng lớn và tiến tới thương mại hóa sản phẩm CNTs

Nghiên cứu chế tạo CNTs với số lượng lớn, chất lượng tốt hơn cũng đã trở thành mục tiêu của nhiều luận văn tốt nghiệp và luận văn cao học của sinh viên, học viên cao học ở trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Hồ Chí Minh, Đại Học Công Nghệ (Đại Học Quốc Gia Hà Nội - ĐHQGHN), Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (thuộc ĐHQGHN), …

II Xuất xứ của nhiệm vụ nghị định thư

Mặc dù ống than nano carbon đã được nghiên cứu nhiều tại Việt Nam những năm gần đây, nhưng với cơ sở vật chất, trang thiết bị và đội ngũ cán bộ chuyên ngành về công nghệ nano ở phía Nam nói riêng và Việt Nam nói chung còn rất hạn chế nên vấn đề nghiên cứu và hướng đến triển khai ứng dụng ống than nano carbon còn gặp rất nhiều khó khăn

Trung tâm Nghiên cứu Ống nano carbon và Nanocomposit (CNNC) - Đại Học Sungkyunkwan là trung tâm chuyên nghiên cứu về ống nano carbon, được trang bị các thiết bị thí nghiệm và thiết bị đánh giá hiện đại Công tác nghiên cứu ống nano carbon của Trung tâm được liên kết chặt chẽ với công nghiệp do đó nâng cao khả năng ứng dụng thực tế của ống nano carbon Các giáo sư của Trung tâm là những chuyên gia có nhiều năm kinh nghiệm về nghiên cứu và ứng dụng ống nano carbon Ngoài ra, các giáo sư rất nhiệt tình trong hoạt động hợp tác quốc tế về nghiên cứu, đào tạo, đặc biệt đối với các nước đang phát triển

Tiêu đề	Nghiên cứu chế tạo ống nano carbon và khảo sát khả năng ứng dụng trong các thiết bị phát xạ trường
Người hướng dẫn	TS. Đinh Duy Hải
Trường học	Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Khoa học Vật liệu
Thể loại	Đề tài nghiên cứu
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	215
Dung lượng	13,87 MB