Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

Trong bức tranh tổng thể về thành công của các thiết bị công nghệ, vật liệu sắt điện không thể không nhắc đến với các ứng dụng phổ biến trong transistor, máy phát nano, cảm biến, bộ nhớ,

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HÀ VĂN ĐẠI

CẢI TIẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TRUYỀN THỐNG BẰNG ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng

2 TS Nguyễn Chí Cường - Phản biện 1

3 TS Nguyễn Nhật Nam - Phản biện 2

4 TS Dương Thanh Long - Ủy viên

5 TS Lê Văn Đại - Thư ký

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1985 Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã chuyên ngành: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI:

Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu tổng quan về vật liệu sắt điện, vật liệu TGS, vật liệu nano, ống nano cacbon và các ứng dụng trong lĩnh vực điện – điện tử

 Chế tạo hai loại vật liệu nanocomposite trên nền tảng sắt điện TGS kết hợp với ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa Khảo sát cấu trúc và hình thái vật liệu

 Khảo sát tính chất chuyển pha vật liệu và các hiệu ứng điện cực

 Phân tích kết quả, đề xuất định hướng ứng dụng và cải tiến đề tài

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/04/2021

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/03/2022

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn Thầy TS Nguyễn Hoài Thương đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô thuộc khoa Điện trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy cho tôi trong thời gian học tập Xin cảm ơn các thầy cô bộ môn đã đọc luận văn và cho tôi những nhận xét quý báu, chỉnh sửa những sai sót của tôi trong bản thảo luận văn

Do giới hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong sự chỉ dẫn và đóng góp của các Thầy, Cô để bài luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm, hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh./

Xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, ngày tháng năm 2022

Học viên thực hiện

Hà Văn Đại

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện – điện tử luôn song hành cùng quá trình khám phá liên tục các vật liệu mới nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thực tiễn Trong bức tranh tổng thể về thành công của các thiết bị công nghệ, vật liệu sắt điện không thể không nhắc đến với các ứng dụng phổ biến trong transistor, máy phát nano, cảm biến, bộ nhớ, tích trữ năng lượng, màn hình tinh thể lỏng, Ống nano cacbon đa vách được biết đến với các ứng dụng nổi bật trong chắn nhiễu điện từ, các bộ chuyển hóa năng lượng, tụ điện, cảm biến, v.v Ưu điểm nổi bật của ống nano cacbon nằm ở khả năng dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có độ rộng

bề mặt lớn nhờ kích thước nano cùng với mật độ thấp giúp tương tác điện dễ dàng,

từ đó giúp cải tiện đáng kể tính chất điện của các vật liệu chứa nó

Hầu hết các vật liệu sắt điện đã được khám phá từ rất lâu và các ứng dụng của nó trở nên bão hòa Do đó, để tiếp tục mở rộng tiềm năng ứng dụngvà để đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của công nghệ, cải tiến các vật liệu sẵn có là một nhiệm

vụ cấp thiết Với công nghệ chế tạo tiên tiến hiện nay, các vật liệu điện – điện tử nói chung và vật liệu sắt điện nói riêng ngày càng trở nên thông minh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại tích hợp nhiều tính năng hơn Để làm được điều này, một phương pháp đơn giản và hiệu quả là kết hợp với một hoặc nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất cải tiến vật liệu sắt điện TGS (một trong những vật liệu quan trọng trong các cảm biến hồng ngoại) bằng cách sử dụng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa Kết quả nghiên cứu cho thấy, sự kết hợp ống nano cacbon đa vách bị oxi hóa giúp mở rộng đáng kể pha sắt điện, từ

đó mở rộng tiềm năng ứng dụng của vật liệu này Ngoài ra, hiệu ứng điện cực, một trong những hiệu ứng có thể làm giảm khả năng hoạt động của vật liệu trong các thiết bị điện tử tần số thấp cũng được khảo sát

iii

ABSTRACT

The rapid development of electrical/electronic engineering technology is always accompanied by the continuous discovery of new materials to meet the increasing demands from industry In the overall picture of the success of technological devices, ferroelectric materials cannot be underestimated with popular applications

in transistors, nanogenerators, sensors, memory, energy storage, liquid crystal display (LCD), etc

Multi-walled cacbon nanotubes (MWCNT) are well known through outstanding applications in electromagnetic interference shielding, power converters, capacitors, sensors, and more Due to several advantages as high electrical conductivity, high thermo-electrical stability, large specific surface at nanoscale level, low density, as well as the ability to interact with other materials, carbon nanotubes are capable of significantly improving funtions of nanocarbon-containing materials and of devices Most ferroelectrics were discovered a long time ago and therefore the numer of their applications has now been saturated For expanding the application potential to satisfy the requirements of modern technology, the urgent task is to improve the quality of primary materials With current advanced manufacturing technology, the electrical/electronic materials in general and ferroelectric materials in particular have been becoming smarter, more compact in size but integrated with more features To get this achievement, a simple and effective method is to combine with one or more other nanostructured components

In this work, we recommend a well-known ferroelectric of triglycine sulfate (TGS) for improvement by using MWCNT in normal and oxidized forms TGS is one of the most important materials applied in infrared sensors According to the obtained results, the oxidized MWCNT led to the expansion of polar phase in TGS, allowing sensors to operature in higher temperature region Besides, the electrode effects that may reduce the material operation at low frequencies have also been investigated

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Hà Văn Đại

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN VÀ CÔNG NGHỆ NANO TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN–ĐIỆN TỬ 4

1.1 Tổng quan về các vật liệu sắt điện 4

1.1.1 Ứng dụng vật liệu sắt điện TGS trong lĩnh vực điện- điện tử 10

1.1.2 Ứng dụng các loại vật liệu sắt điện khác trong lĩnh vực điện- điện tử 12 1.2 Tổng quan về vật liệu Nano và ứng dụng trong lĩnh vực điện – điện tử 16

1.3 Ứng dụng của ống nano cacbon trong lĩnh vực điện-điện tử 21

1.4 Kết luận 29

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU, CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI VẬT LIỆU 30

2.1 Thiết bị nghiên cứu 30

2.1.1 Thiết bị dùng để chế tạo vật liệu 30

2.1.2 Thiết bị dùng để kiểm tra cấu trúc hình thái vật liệu 32

vi

2.1.3 Thiết bị dùng để đo tính chất điện của vật liệu 33

2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 35

2.3 Cấu trúc, hình thái vật liệu 38

2.4 Kết luận 40

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THÔNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA LÊN SỰ CHUYỂN PHA CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TGS 41

3.1 Giới thiệu 41

3.2 Khảo sát sự chuyển pha của vật liệu nanocomposite MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS 42

3.3 Khảo sát vòng điện trễ P-E 45

3.4 Kết luận 49

CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG ĐIỆN CỰC 50

4.1 Đặt vấn đề 50

4.2 Phân tích phổ tần số của kháng trở (biểu đồ Nyquist) 51

4.3 Phân tích phổ tần số của điện dẫn suất 54

4.4 Phân tích phổ tần số của điện môi và hệ số tổn hao 56

4.5 Phân tích phổ tần số của modun điện (electrical modulus) 59

4.6 Kết luận 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62

1 Kết luận 62

2 Hướng phát triển 62

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 69

Phụ lục 1: Bài báo khoa học 69

Phụ lục 2: Kết quả số liệu thí nghiệm 75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 97

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết lập sự phát triển tinh thể 8

Hình 1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào hệ số nhiệt điện 9

Hình 1.3 Mạch điện tử của cảm biến hồng ngoại 10

Hình 1.4 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại 10

Hình 1.5 LED phát hồng ngoại 11

Hình 1.6 LED thu hồng ngoại 11

Hình 1.7 Sự phát triển theo thời gian của vật liệu sắt điện 13

Hình 1.8 Ba khái niệm bộ nhớ sắt điện và phản ứng dòng điện tương ứng với thời gian hoặc điện áp: (a) FeRAM, (b) FeFET, và (c) FTJ 13

Hình 1.9 Vật liệu sắt điện trong biểu đồ Venn của các lớp điện môi 15

Hình 1.10 Để đạt được một thiết bị điện tử mạnh mẽ với nhiều chức năng bắt nguồn từ các kết hợp vật liệu nano khác nhau 18

Hình 1.11 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của ống nano 21

Hình 1.12 Sơ đồ của Ống Nano cacbon đơn vách(SWCNT)(A)và ống Nano cacbon đa vách(MWCNT)(B) thể hiện kích thước chiều dài, đường kính và khoảng cách giữa các lớp trong ống Nano cacbon đa vách 22

Hình 1.13 Ống nano cacbon đa vách 23

Hình 1.14 Các trạng thái zigzag của ống nano cacbon 24

Hình 1.15 Cấu trúc vi mô của vật liệu tổng hợp nano CNT và graphene, cho thấy chất độn cacbon (đường liền nét màu đen) trong môi trường hiệu quả và ba đường dẫn màu (một đường dọc và hai đường ngang, đường đứt nét màu đỏ) 25

Hình 1.16 Hình ảnh kính hiển vi đại diện (A) cho thấy mạng MWCNT được đo bằng một trong các vị trí khác nhau và (B) đồ thị I-V chuẩn hóa tương ứng cho mỗi kim loại 27

Hình 1.17 Hệ thống vật liệu ống Nano cacbon cho các ứng dụng điện tử 28

Hình 2.1 Máy sấy từ gia nhiệt 30

Hình 2.2 Máy phát siêu âm 31

Hình 2.3 Hệ thống đo tính chất điện vật liệu Solartron cấu thành từ modun chính Solartron SI 1260 (1) và modun mở rộng Solartron 1296 (2) được đặt tại phòng nghiên cứu thực nghiệm, ĐH Tổng hợp quốc gia Voronezh, Liên Bang Nga 34

Hình 2.4 Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite OMWCNT/TGS 37

Hình 2.5 Ảnh chụp kích thước nano dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) đối với nanocomposite MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS 38

viii

Hình 2.6 Phổ hồng ngoại của các thành phần vật liệu (TGS, MWCNT, OMWCNT)

và MWCNT/TGS, OMWCNT/TGS được chế tạo ở trạng thái sấy khô và ẩm 39Hình 3.1 Minh họa về sự chuyển pha và pha sắt điện 41Hình 3.2 Sự phụ thuộc của hằng số điện môi (a) và hệ số tổn hao (b) đối với các

mẫu MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS trong điều kiện độ ẩm tương đối bằng 0 Kết quả của TGS tinh khiết cũng được đưa vào để so sánh 43Hình 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của độ ẩm lên sự chuyển pha của

MWCNT+TGS(a,b_ hằng số điện môi) và OMWCNT+TGS (c,d_hệ số tổn hao) ở các khoảng thời gian lưu trữ khác nhau 44Hình 3.4 Mô phỏng cấu trúc của vật liệu OMWCNT/TGS (a) và tương tác điện

giữa TGS và nước (b) 45Hình 3.5 Đường cong điện trễ đặc trưng của TGS tinh khiết ở các khoảng cách nhiệt

độ khác nhau so với điểm chuyển pha 46Hình 3.6 Đường cong điện trễ của MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS tại vị trí cách

điểm chuyển pha 15 oC 47Hình 3.7 Đường cong từ trễ của MWCNT/TGS (a) và OMWCNT/TGS (b) ở các

khoảng cách nhiệt độ khác nhau so với điểm chuyển pha 48Hình 3.8 Ảnh hưởng của độ ẩm lên đường cong điện trễ của MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS tại vị trí cách điểm chuyển pha 15 oC 48Hình 4.1 Minh họa hiệu ứng điện cực 50Hình 4.2 Biểu đồ Nyquist Zʺ(Zʹ) đối với TGS tinh khiết 51Hình 4.3 Biểu đồ Nyquist Zʺ(Zʹ) đối với composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS ở nhiệt độ 20 oC (a), 30 oC (b), 40 oC (c), 45 oC (d) và 48

oC (e) 52Hình 4.4 Phổ tần số của kháng trở thực Zʹ (điện trở thuần) và kháng trở ảo Zʺ đối

với composite MWCNT/TGS (a, b) và OMWCNT/TGS (c, d) 53Hình 4.5 Phổ tần số của điện dẫn suất đối với composite MWCNT/TGS (a) và

OMWCNT/TGS (b) ở các nhiệt độ khác nhau 55Hình 4.6 Phổ tần số của điện dẫn suất đối với composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS ở các nhiệt độ 20 oC (a), 30 oC (b), 40 oC (c), 45oC (d),

48 oC (e) 55Hình 4.7 Phổ tần số của hằng số điện môi thực εʹ và ảo εʺ đối với composite

MWCNT/TGS (a, b) và OMWCNT/TGS (c, d) ở các nhiệt độ khác nhau 56Hình 4.8 Phổ tần số hệ số tổn hao đối với composite MWCNT/TGS (a, b) và

OMWCNT/TGS (c, d) ở các nhiệt độ khác nhau 58

ix

Hình 4.9 So sánh phổ tần số hệ số tổn hao đối với composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS ở các nhiệt độ: 20 oC (a),30 oC (b),40 oC (c), 45 oC (d),48

oC (e) 58Hình 4.10 Phổ tần số của modun điện thực Mʹ và ảo Mʹʹ đối với composite

MWCNT/TGS (a, b) và OMWCNT/TGS (c, d) ở các nhiệt độ khác nhau 60Hình 4.11 Năng lượng hoạt hóa của composite MWCNT/TGS và OMWCNT/TGS

61

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách các ứng dụng tiềm năng hiện tại theo nhu cầu của ngành trong

lĩnh vực vật liệu kỹ thuật nano 17Bảng 1.2 Điện trở trung bình (kΩ) và tương đối được đo ở 0,1 V ở mỗi vị trí trong

số 5 vị trí cho mỗi kim loại 27Bảng 3.1 Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha của vật liệu vào MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS độ ẩm (RH = 90%) 44Bảng 4.1 Vùng tần số Δf xuất hiện hiệu ứng điện cực 53Bảng 4.2 Hệ số mũ n của phổ tần số εʺ(f) đối với hai composite MWCNT/TGS và

OMWCNT/TGS 57

xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

DTGS AN Deuterated Triglyxin sunphat Crystal

DTGS Deuterated Triglyxin sunphat

ESD Electrostatic discharge

FET Field-Effect Transistor

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor MWCNT Multi Walled Cabon Nano Tubes

MWCNT/TGS Nanocomposite from MWCNT and TGS

OMWCNT Oxide Multi Walled Cabon Nano Tubes

OMWCNT/TGS Nanocomposite from OMWCNT and TGS

RFID Radio Frequency Identification

SEM Scanning electron microscope

SWCNTs Single Walled Cabon Nano Tubes

bộ nhớ [5], tích trữ năng lượng [6,7], màn hình tinh thể lỏng [8], v.v…

Theo thời gian, các vật liệu điện – điện tử nói chung và vật liệu sắt điện nói riêng ngày càng trở nên thông minh hơn, kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại tích hợp nhiều tính năng hơn Để làm được điều này, một phương pháp đơn giản và hiệu quả

là cải tiến tính chất điện của các vật liệu truyền thống sẵn có nhờ kết hợp với một hoặc nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano

Ống nano cacbon đa vách được biết đến với các ứng dụng nổi bật trong chắn nhiễu điện từ, các bộ chuyển hóa năng lượng, tụ điện, cảm biến, [9-11] v.v Ưu điểm nổi bật của ống nano cacbon nằm ở khả năng dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có

độ rộng bề mặt lớn nhờ kích thước nano cùng với mật độ thấp giúp tương tác điện

dễ dàng, từ đó giúp cải tiện đáng kể tính chất điện của các vật liệu chứa nó

Việc sử dụng ống nano cacbon đa vách kết hợp với nhiều loại vật liệu sắt điện khác nhau không phải là vấn đề mới Hàng loạt nhà nghiên cứu trong các công trình [12-14] đã sử dụng ống nano cacbon đa vách để nâng cao khả năng chuyển hóa năng lượng cơ học thành tín hiệu điện, cải thiện hiệu suất chuyển hóa quang điện, tính chất sắt điện cũng như độ bền nhiệt của hai vật liệu quen thuộc trong điện – điện tử

là BaTiO3 và PZT, từ đó giúp mở rộng tiềm năng ứng dụng những vật liệu này Mặc dù ý tưởng sử dụng ống nano cacbon không còn xa lạ nhưng còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết triệt để Thứ nhất, việc sử dụng ống nano cacbon thường được

2

sử dụng dạng thô sau khi tổng hợp để đưa thẳng vào vật liệu, trong khi ống nano cacbon sau khi bị oxy hóa có sự biến đổi về thành phần cấu trúc và sự ảnh hưởng của nó lên tính chất điện của vật liệu sẽ thay đổi Tuy vậy, điều này lại ít được đề cập đến Thứ hai, sự chuyển pha của vật liệu sắt điện – vấn đề quan trọng trong việc ứng dụng sắt điện làm cảm biến nhiệt ít được xem xét khi nghiên cứu ảnh hưởng của ống nano cacbon

Nói cách khác, việc sử dụng ống nano cacbon đa vách ở dạng thông thường hoặc sau khi bị oxi hóa để cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống rất đáng quan tâm và cần phải làm rõ hơn nữa Một mặt để làm rõ bản chất khoa học về mặt cơ bản, mặt khác để mở rộng tiềm năng ứng dụng của các vật liệu sẵn có Xuất phát từ lý do trên, tôi đề xuất chọn đề tài: “Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa”

để nghiên cứu thực hiện luận văn tốt nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Phân tích tổng quan về các ứng dụng thực tiễn của vật liệu sắt điện, Triglyxin Sunphat (TGS), vật liệu nano nói chung và ống nano cacbon đa vách nói riêng trong lĩnh việc điện tử, từ đó rút ra những vấn đề cần cải tiến

 Chế tạo thành công hai loại vật liệu sắt điện nanocomposite trên nền tảng TGS kết hợp với ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

 Mở rộng pha sắt điện của vật liệu để cải tiến khả năng ứng dụng TGS trong các cảm biến hồng ngoại

 Kiểm tra các tác nhân ảnh hưởng đến ứng dụng thực tế như độ ẩm, hiệu ứng điện cực ở tần số thấp

 Đề xuất giải pháp phát triển tiếp theo của đề tài

3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

TGS (triglyxin sunphat) – một loại vật liệu sắt điện truyền thống – được chọn để nghiên cứu ảnh hưởng của ống nano cacbon đa vách dạng thông thường (MWCNT)

và dạng oxi hóa (OMWCNT) lên tính chất điện của vật liệu sắt điện

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu sự thay đổi của nhiệt độ chuyển pha, ảnh hưởng của độ ẩm và hiệu ứng điện cực ở tần số thấp của ống nano cacbon đa vách dạng thông thường hoặc dạng oxi hóa

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

 Tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu liên quan để đưa ra được tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

 Dùng phương pháp thực nghiệm để chế tạo và đo đạc các tham số điện của vật liệu

 Sử dụng các mô hình lý thuyết để giải thích kết quả thu được

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Nâng cấp tầm hoạt động của máy dò nhiệt nhờ mở rộng vùng tồn tại của pha sắt điện

 Đưa ra ý tưởng chế tạo mới trong việc sử dụng ống nano cacbon để điều khiển tính chất điện của vật liệu sắt điện nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng cụ thể trong công nghệ điện – điện tử

 Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu điện – điện tử

4

VÀ CÔNG NGHỆ NANO TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN–ĐIỆN TỬ

1.1 Tổng quan về các vật liệu sắt điện

Sắt điện (Ferroelectrics) là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện – điện tử như RAM máy tính, bộ nhớ, tụ điện, cảm biến, thẻ RFID, ống dẫn sóng, phần tử áp điện, transistors, máy phát nano, v.v Không quá khi nói rằng, công nghệ điện – điện tử không thể phát triển như ngày nay nếu không có sự đóng góp to lớn của dòng vật liệu này Một trong những tính chất đóng vai trò quan trọng giúp cho sắt diện được ứng dụng thực tế là tính phi tuyến của các tham số điện sinh ra do sự phân cực tự phát trong các domen ở điều kiện thông thường Dưới tác dụng của điện

áp xoay chiều, các vách domen có khả năng dịch chuyển Thêm vào đó, dưới tác dụng của nhiệt độ, pha sắt điện (vùng quan trọng trong các ứng dụng thực tế) sẽ chuyển sang pha thuận điện Ngoài ra, tính chất điện của vật liệu sắt điện cũng rất nhạy dưới tác dụng của ánh sáng Từ đó, các tham số điện của vật liệu sẽ dễ dàng điều khiển bằng các tác nhân bên ngoài, giúp nó tương thích dễ dàng hơn với các ứng dụng thực tế

TGS cũng là một trong những vật liệu sắt điện được biết đến rộng rãi trong giới nghiên cứu và úng dụng thực tiễn TGS là vật liệu sắt điện phổ biến được sử dụng rộng rãi nhất như máy dò hồng ngoại, hình ảnh nhiệt và các ứng dụng cảm biến hồng ngoai khác vì hệ số nhiệt điện cao trong số các vật liệu có sẵn [15] Cảm biến nhiệt điện dựa trên TGS là nhạy cảm đồng đều với các bức xạ trong dải bước song

từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa, và không yêu cầu làm mát cho hoạt động so với máy dò lượng tử, nơi yêu cầu làm mát ở nhiệt độ thấp Các cấu trúc tinh thể của TGS là đơn lẻ bên dưới nhiệt độ 49 độ C Các nghiên cứu phát triển chủ yếu tập trung vào việc hiểu cơ chế tăng trưởng, cải thiện hiệu suất máy dò nhiệt điện và sửa đổi các đặc tính nhiệt điện mong muốn bằng cách pha tạp TGS tinh thể với chất pha tạp vô cơ và hữu cơ

5

Đã có nhiều nghiên cứu về việc cải tiến tính chất điện của vật liệu vật liệu TGS sử dụng các tinh thể nano khác, ví dụ như kết hợp với trên tinh thể nano cellulose Kết quả cho thấy, sự hiện diện của một hoặc hai đỉnh nhiệt độ phụ thuộc của điện môi

đã được phát hiện và sự thay đổi của chúng sang nhiệt độ cao hơn so với TGS từ 49

°C đến 54 °C và 100 °C đã được phát hiện Điều này chứng tỏ về kết quả có liên quan đến sự xuất hiện của các trường phân cực bên trong trong các nanocomposites [16]

Ngoài ra, một nghiên cứu khác sử dụng các hạt nano silicon dioxide tác động lên tính chất điện của vật liệu sắt điện cổ điển TGS ở tần số 102÷107 Hz trong pha sắt điện cũng được thực hiện Một hỗn hợp hỗn hợp ở các tỷ lệ khối lượng thành phần khác nhau đã được tổng hợp Nó đã được chỉ ra rằng tần số tích thoát của TGS giảm

so với các TGS đơn tinh thể và được chuyển xuống tần số thấp hơn với hàm lượng silicon dioxide tăng lên Vùng sắt điện đặc trưng cho các tinh thể đơn lẻ của triglycine sulfate đã được mở rộng Các bất thường thu được được giải thích dựa trên giả định về sự tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần tổng hợp thông qua các liên kết hydro [17]

Tính chất điện của TGS có thể điều khiển bằng cách đưa nó vào trong mạng lưới ống nano tự nhiên hoặc nhân tạo, hoặc thêm tạp chất trong quá trình tổng hợp vật liệu TGS, ví dụ sự kết hợp vật liệu sắt điện TGS và các chất tương tự với TGS bằng cách bổ sung L, α-alanine và crom vào mạng lưới ống nano Al2O3 và SiO2 Kết quả cho ta thấy rằng, tính chất điện của vật liệu có liên quan đến sự vận chuyển điện tích chủ yếu thông qua các vật liệu sắt điện nhúng trong tổ hợp xốp Cơ chế trên được đề xuất để giải thích cho sự dịch chuyển của nhiệt độ chuyển pha bao gồm sắt điện trong điều kiện kích thước hạn chế ở kích thước nano, được thúc đẩy bởi sự khác biệt giữa các hệ số giãn nở nhiệt của Ttổ hợp xốp và điện môi nhúng [18] Ngoài alanin, các tinh thể TGS pha tạp niken đã được phát triển bằng phương pháp bay hơi tự nhiên Thành phần hóa học của các tinh thể TGS tinh khiết và sự hiện diện của ion niken trong tinh thể TGS pha tạp đã được xác nhận bằng phân tích

6

bằng phổ tán xạ X Các nhóm chức năng của các tinh thể trưởng thành đã được xác định bởi quang phổ hồng ngoại Fourier Transform Các nghiên cứu cấu trúc trên các tinh thể tạo thành được thực hiện bằng phân tích nhiễu xạ tia X Tất cả các tinh thể phát triển được tìm thấy trong cấu trúc monoclinic và các thông số mạng của tinh thể TGS tinh khiết là a = 9.6010 Å, b = 12.5600 Å và c = 5.4500 Å Các thông số mạng tinh thể hơi méo do sự kết hợp của ion niken vào các vị trí mạng của tinh thể TGS [19]

Về mặt ứng dụng ứng dụng trong máy dò hồng ngoại, các tinh thể đơn lẻ của TGS pha tạp với Pt4+ và L-alanin (LATGS/Pt(IV)) được phát triển từ dung dịch nước bằng phương pháp làm mát chậm Hình thái bề mặt, cấu trúc miền và các vòng điện trễ P−E đã được nghiên cứu Khả năng tăng trưởng xúc tác của 〈001〉 kim tự tháp tinh thể trên cơ sở các phức hợp kim loại-glycine được đề xuất Và đã tìm thấy trên cơ sở kết quả thử nghiệm, rằng tinh thể LATGS / Pt (IV) là vật liệu tuyệt vời để xây dựng máy dò hồng ngoại [20]

Bên cạnh những vật liệu kể trên, đồng vị của TGS là DTGS cũng không thể bỏ qua trong các ứng dụng thực tiễn khi kết hợp với các hợp chất khác như polyvinylidene fluoride (PVDF) có hàm lượng DTGS 15%, 20% và 40% (theo khối lượng) Các tham số điện được đo ở nhiệt độ phòng đến 55 °C Độ dẫn ac của vật liệu tổng hợp

ở 1 MHz cho thấy sự phụ thuộc nhiệt độ rất yếu Độ dẫn dc cho 20% và 40% hàm lượng DTGS (theo trọng lượng) tổng hợp cho thấy xuất hiện hiện tượng các hạt dẫn điện được kích hoạt và tuân theo cơ chế hoạt hóa [21]

Xét về ảnh hưởng của các trường khử phân cực và hiệu ứng sàng lọc đối với quá trình chuyển pha trong vật liệu tổng hợp điện môi, nhiệt độ của quá trình chuyển đổi sang trạng thái phân cực trong vật liệu tổng hợp sắt điện, đại diện cho các chất sắt điện cầu được nhúng trong ma trận điện môi, dưới hiệu ứng trường khử cực cũng được nghiên cứu Nhiệt độ này được xác định cả trong trường hợp không có và sự hiện diện của hiệu ứng sàng lọc của trường khử cực và của các điện tích ràng buộc của sự phân cực tự phát ở bề mặt vật liệu Hiệu ứng sàng lọc cho thấy sự thay đổi

7

nhiệt độ chuyển tiếp giảm thông qua việc nhân giá trị với một yếu tố giảm bằng tỷ

lệ chiều dài sàng lọc với bán kính hạt sắt điện [22]

 Phương pháp thử nghiệm:

Tuy nhiên, có một số điểm bất lợi trong tinh thể TGS nguyên chất, đó là xu hướng khử cực của nó, phạm vi hoạt động ở nhiệt độ thấp và độ trễ nhiệt của các biến xác định giá trị của các số liệu nhiệt điện Để tránh những điều này, các chất lưỡng cực pha tạp hữu cơ khác, chẳng hạn như urê và nitro-anilin có khả năng làm giảm sự khử cực [23], và tăng các số liệu nhiệt điện, đó là các thông số vật liệu thiết yếu để xác định việc sử dụng chúng trong các ứng dụng cảm biến hồng ngoại

Các tinh thể đơn của TGS tinh khiết và pha tạp là phát triển bằng phương pháp hạ nhiệt độ tăng trưởng được hiển thị trong Hình 1.1 Khung sắt có rãnh giữ hai máy khuấy và khay chứa hạt giống động cơ Chuyển động qua lại của khay giữ hạt giống được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử, được thiết kế và chế tạo trong phòng thí nghiệm của chúng tôi Sự bay hơi của dung dịch TGS trong ngăn kết tinh dọc theo thanh giữ hạt được giảm thiểu bằng một lớp đệm dầu silicon Dung dịch bão hòa của TGS tinh khiết và pha tạp ở 40 độ C được điều chế trong nước khử tính và hóa chất ở dạng bột kết tinh TGS Kích thước của hạt, chiều của hạt sex được đo và được ghi lại cùng với khối lượng của hạt Bộ giữ hạt và tinh thể hạt đã được làm nóng trước đến 41 độ C trước khi đưa vào tế bào sinh trưởng để tránh sốc nhiệt đối với hạt Các tinh thể hạt được phép hòa tan một chút trước nhiệt độ đã được hạ xuống nhiệt độ bão hòa chính xác và sau đó được giữ trong 24 giờ Một kỹ thuật quang học đã được sử dụng để kiểm tra nhiệt độ bão hòa chính xác bằng cách quan sát phát triển hoặc hòa tan chùm tinh thể hạt

1- Động cơ pittong 10- Bơm tuần hoàn chất lỏng 2- Giá đỡ động cơ 11- Máy đun nước

3- Que thủy tinh gắn hạt 12- Bộ lập trình và điều khiển nhiệt độ

4- Tấm chắn hạn chế bay hơi 13- Bể nước thủy tinh

5- Nhiệt kế thủy tinh 14- Tế bào phát triển tinh thể Pyrex

6- Nắp đậy thủy tinh kín khí 15- Hạt giống/ Tinh thể

7- Lò ủ sau khi tăng trưởng 16- Cánh khuấy

8- Điều khiển nhiệt điện trở 17- Ron cao su

9- Bộ phận ghi điện trở

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết lập sự phát triển tinh thể [23]

 Kết luận:

Tóm lại, tinh thể DTGS-AN được phát triển trong thời gian này nghiên cứu đã chỉ

ra là có các tính chất vượt trội như số liệu vật liệu có năng suất tăng trưởng và dễ xử

lý các tinh thể DTGS tinh khiết, và do đó, rất hữu ích và hấp dẫn cho các ứng dụng thiết bị cảm biến IR

Hình 1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào hệ số nhiệt điện

(A) Đối với tinh thể DTGS, (B) Đối với Tinh thể DTGS-AN [23]

10

1.1.1 Ứng dụng vật liệu sắt điện TGS trong lĩnh vực điện- điện tử [24]

 Ứng dụng vào cảm biến hồng ngoại (IR)

Ngày nay, Công nghệ hồng ngoại có ứng dụng cho điều khiển không dây, chủ yếu ứng dụng trong cảm biến đối tượng và điều khiển từ xa

Cảm biến IR là một thiết bị điện tử, phát ra ánh sáng để cảm nhận một số đối tượng của môi trường xung quanh Một cảm biến IR có thể đo nhiệt của một vật thể cũng như phát hiện chuyển động Thông thường, trong quang phổ hồng ngoại, tất cả các vật thể tỏa ra một số dạng bức xạ nhiệt Những loại bức xạ này là vô hình đối với mắt chúng ta, nhưng cảm biến hồng ngoại có thể phát hiện những bức xạ này

 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng ngoại:

Hình 1.3 Mạch điện tử của cảm biến hồng ngoại [24]

Hình 1.4 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của

cảm biến hồng ngoại [24]

11

Bộ phát hồng ngoại IR hoặc đèn LED IR

Máy phát hồng ngoại là một diode phát sáng (LED) phát ra bức xạ hồng ngoại được gọi là IR LED Mặc dù đèn LED IR trông giống như một đèn LED bình thường, bức xạ phát ra từ nó là vô hình đối với mắt người

Bộ thu hồng ngoại IR hoặc Photodiode

Máy thu hồng ngoại hoặc cảm biến hồng ngoại phát hiện bức xạ từ máy phát IR Máy thu IR có dạng photodiodes và phototransistors Photodiodes hồng ngoại khác với các điốt ảnh thông thường vì chúng chỉ phát hiện bức xạ hồng ngoại

Hình 1.5 LED phát hồng ngoại [24]

Hình 1.6 LED thu hồng ngoại [24]

12

Bộ phát là đèn LED IR và bộ dò là một photodiode IR Photodiode IR nhạy cảm với ánh sáng IR phát ra từ đèn LED IR Điện trở và điện áp đầu ra của diode thay đổi theo tỷ lệ với ánh sáng IR nhận được Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến IR Khi bộ phát hồng ngoại IR phát ra bức xạ, nó đến vật thể và một số bức xạ phản xạ trở lại bộ thu hồng ngoại IR Dựa trên cường độ tiếp nhận của bộ thu hồng ngoại IR, đầu ra của cảm biến sẽ được xác định

1.1.2 Ứng dụng các loại vật liệu sắt điện khác trong lĩnh vực điện- điện tử

 Ứng dụng của vật liệu sắt điện để tích hợp quy trình bán dẫn:

Vật liệu sắt điện có hai trạng thái phân cực ổn định có thể được chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng cách áp dụng một điện trường Do đó, để đủ tiêu chuẩn là một chất sắt điện, một vật liệu, cần phải có phân cực ổn định tại trường không áp dụng được đề cập đến như phân cực còn lại Vì sự phân cực sắt điện như vậy là nhiệt độ phụ thuộc, tất cả các vật liệu sắt điện cũng là nhiệt điện Hơn nữa, các lưỡng cực chuyển mạch làm phát sinh trường phụ thuộc sự thay đổi thể tích của vật liệu và do đó, tất cả các chất sắt và nhiệt điện đều là áp điện Kết quả là, vật liệu sắt điện có nhiều thuộc tính thú vị cho thấy sự phụ thuộc vào điện trường áp dụng, nhiệt độ, biến dạng và các thông số khác

Do đó, chúng rất hữu ích trong vô số ứng dụng bao gồm tụ điện, ô nhớ, cảm biến,

bộ truyền động, bộ lưu trữ năng lượng, v.v Khi nói đến việc sử dụng ferroelectric trong tích hợp mạch, thuộc tính xác định của chất sắt điện, cụ thể là, phân cực có thể chuyển đổi, là đặc tính quan trọng nhất vì nó có thể được sử dụng để lưu trữ thông tin Đây, lĩnh vực điều khiển cơ chế chuyển mạch, cùng với thực tế là sự phân cực trạng thái sẽ được giữ lại trong thời gian dài, làm cho vật liệu trở thành một vật liệu lý tưởng sự lựa chọn để nhận ra những ký ức không thay đổi với công suất ghi thấp [25]

13

 Ứng dụng vật liệu sắt điện vào các bộ nhớ bán dẫn:

Các công nghệ bộ nhớ bán dẫn thông thường như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh DRAM và FLASH Một số chiến lược nhằm khắc phục chúng đã được áp dụng Bên cạnh đó, các bộ nhớ dựa trên cơ sở lưu trữ không tính phí như bộ nhớ thay đổi pha (PCM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên kháng magento (MRAM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (ReRAM) Có ba loại thiết bị sắt điện (FE) đang được xem xét

để ứng dụng bộ nhớ — FeRAM, FeFET và FTJ được minh họa trong hình 1.8

Hình 1.8 Ba khái niệm bộ nhớ sắt điện và phản ứng dòng điện tương ứng với thời

gian hoặc điện áp: (a) FeRAM, (b) FeFET, và (c) FTJ [26]

Hình 1.7 Sự phát triển theo thời gian của vật liệu sắt điện

và thiết bị bán dẫn sắt điện [25]

14

Cả ba khái niệm thiết bị đều lưu trữ dữ liệu ở trạng thái phân cực trong lớp sắt điện (FE) Thao tác ghi được thực hiện bởi áp dụng một điện trường thích hợp Điều đó làm cho hoạt động ghi một quá trình tiết kiệm điện năng vốn có

Một hệ thống vật liệu đầy hứa hẹn khác đã được thêm vào phù hợp lý tưởng để lắp vào các thiết bị gần với một số ứng dụng áp điện hiện Triển vọng của các hệ thống này đối với bộ nhớ và các thiết bị liên quan cần được thiết lập [26] Tuy nhiên, nó là cách để phát triển ứng dụng cảm biến, thiết bị truyền động và thu năng lượng Việc kết hợp các vật liệu khác nhau lại với nhau trong các công nghệ mạch tích hợp trong tương lai có thể mở đường cho một danh mục đa dạng về các khả năng của thiết bị sắt điện trong các mạch tích hợp ở tương lai

 Ứng dụng vật liệu sắt điện để cải thiện công suất đầu ra của máy thu hoạch năng lượng:

Hai trong số những xu hướng quan trọng nhất trong lĩnh vực điện tử gần đây công nghệ đã được giảm kích thước và cải tiến chức năng của các thiết bị điện tử di động [27]

Các thiết bị điện tử di động có kích thước nhỏ, di động và chứa nhiều loại thông tin

có thể truy cập tức thì mọi lúc, bao gồm khả năng chia sẻ và giao tiếp thông tin không dây Các thiết bị ngày càng trở nên nhỏ hơn và nhẹ hơn để chúng có thể được đeo hoặc gắn vào những đồ vật có thể được sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như đồng hồ, kính hoặc quần áo Tất cả các thiết bị dựa trên vi điện tử công nghệ đòi hỏi nhiều nguồn điện bên ngoài do để tăng chức năng của chúng, và pin là nguồn năng lượng quan trọng nhất cho các thiết bị điện tử di động Tuy nhiên, pin ngày càng chiếm nhiều phần quan trọng về khối lượng và trọng lượng tổng thể của thiết bị như một thiết bị điện tử thiết bị được thu nhỏ Hơn nữa, công nghệ pin là giới hạn về dung lượng năng lượng trên mỗi thể tích để cung cấp đủ năng lượng cho một thiết

bị điện tử di động

Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã được tập trung vào việc giảm tiêu thụ điện năng và thiết kế năng lượng điện tử thiết bị để giảm kích thước nhưng kéo dài tuổi thọ của

15

pin Tuy nhiên, pin phải được thay thế hoặc sạc lại sau khi hết pin và đây là một trở ngại trong việc nhận biết các thiết bị điện tử có thể đeo được luôn hoạt động Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần phát triển một hệ thống thu hoạch năng lượng

có thể thu hoạch và tái sử dụng các nguồn năng lượng từ môi trường xung quanh Máy thu hoạch năng lượng chuyển đổi các nguồn năng lượng môi trường khác nhau như căng thẳng cơ học, rung động, ánh sáng và nhiệt, v.v thành năng lượng điện Mỗi nguồn năng lượng có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện bằng mỗi hiện tượng vật lý ghép đôi như áp điện, quang điện và nhiệt điện (hoặc nhiệt điện) phóng điện [28] Một số vật liệu nhiệt điện là vật liệu sắt điện mà sự phân cực của

nó có thể bị đảo ngược bởi nhiệt điện bên ngoài Do đó, vật liệu chất sắt điện có cả nhiệt điện và áp điện Mối quan hệ của họ được minh họa trong một biểu đồ Venn trong Hình 1.9

Kết luận vật liệu sắt điện trong thu hoạch năng lượng: Thu hoạch năng lượng tận dụng các nguồn năng lượng khác nhau, bao gồm cả năng lượng cơ học, nhiệt năng

và năng lượng mặt trời Mỗi nguồn năng lượng có thể được chuyển đổi thành điện năng lượng thông qua mỗi hiện tượng vật lý kết hợp, nhưng nguyên tắc cơ bản là giống nhau: sự biến đổi của nội mômen lưỡng cực hoặc thế năng [29] Trước đây, việc giới thiệu vật liệu sắt điện cho máy thu năng lượng có thể tăng mômen lưỡng Hình 1.9 Vật liệu sắt điện trong biểu đồ Venn của các lớp điện môi [28]

Sự tiến bộ của công nghệ hiện đại được thúc đẩy đáng kể bởi khái niệm thu nhỏ của các thiết bị điện tử ba chiều với mạch logic nhúng cho phép vô số ứng dụng bao gồm các thiết bị hiển thị, các thiết bị điện tử đeo được và thiết bị y sinh

Những cải tiến của vật liệu nano vào nhiều các ứng dụng bao gồm quang điện tử và tốc độ cao điện tử Hiệu suất đáng chú ý của thiết bị điện tử nano là kết hợp tinh vi của các lớp hợp chất lại với nhau và mang lại các chức năng tuyệt vời của chúng Các thiết bị thế hệ mới như bộ lưu trữ điện tử tốc độ cao có thể mở rộng ranh giới vượt ra ngoài bộ vi xử lý chứa hàng triệu "bóng bán dẫn" cấu trúc nano và sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị ở tương lai Sự tinh vi trong sự phát triển của ngành công nghiệp thiết bị điện tử là thách thức các nhà khoa học nghiên cứu để đạt được các thiết bị hiệu suất bền vững và lâu hơn [30]

17

Bảng 1.1 Danh sách các ứng dụng tiềm năng hiện tại theo nhu cầu của ngành

trong lĩnh vực vật liệu kỹ thuật nano

Mục đích cụ thể Thiết bị

quang/ điện tử

Lưu trữ năng lượng / Cung cấp

Lớp phủ điện tử

Pin nhiên liệu nano

x

Tế bào nano

x Lớp phủ nano cho phục

Lớp phủ nano chống trầy

18

Đối với Nano điện tử tốc độ cao

Vật liệu nano được điều khiển bằng điện là một điều cần thiết và là thành phần để hiện thực hóa thành công các thiết bị điện tử kỹ thuật nano Đó được coi là tiền đề

để nghiên cứu tiếp theo trong một loạt các ứng dụng thực tế của điện tử nano tốc độ cao Ngày nay, vật liệu kỹ thuật nano lai đang rất được quan tâm vì chúng có thể kiểm soát đặc tính điện được đóng góp từ mỗi thành phần để có tính năng mạnh hơn

và hiệu quả hơn [31] Vật liệu kỹ thuật nano lai (Hybrid nanoengineered materials)

là được định nghĩa là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu nano đa năng trong cùng một hệ thống nano

Điện tử tốc độ cao và công suất thấp tập trung vào vật liệu điện tử nonsilicon làm thành phần chính đã trở thành xu hướng của thiết bị điện hiện nay Công nghệ ngày nay đòi hỏi sự tích hợp các mạch sử dụng công nghệ để có độ dài kênh nhỏ hơn 20

nm giới hạn bên ngoài của MOSFET và CMOS thông thường

Việc giảm quy mô cần thiết của các thiết bị điện tử ảnh hưởng đến nhu cầu đáp ứng trong ngành công nghiệp:

 Các bóng bán dẫn nhỏ hơn mang lại kết nối ngắn hơn giữa các mạch trên mỗi tấm wafer (một mảnh mỏng của vật liệu bán dẫn) và dẫn đến các mạch chi phí thấp Hình 1.10 Để đạt được một thiết bị điện tử mạnh mẽ với nhiều chức năng

bắt nguồn từ các kết hợp vật liệu nano khác nhau [31]

 Hiệu quả trong việc tiêu thụ điện năng tĩnh và động

 Hệ thống sưởi tuần hoàn hiệu quả và thoát hơi nước tốt hơn

 Giảm điện trường trong oxit và giảm rò rỉ dòng điện

Cấu trúc thiết bị nano màng mỏng tích hợp trên chip Si có đã xâm nhập vào ngành công nghiệp bán dẫn Các ứng dụng gần đây bao gồm chuyển mạch cực nhanh, máy

dò từ trường nhiệt độ phòng giá rẻ, ống nano áp điện cho hệ thống vi lưu (kiểm soát dòng chảy của chất lỏng đo bằng micro, nano), bộ làm mát điện cực cho máy tính, Công nghệ siêu âm (Chất sắt điện tử màng mỏng thể hiện sự giảm nhiều trong hằng

số điện môi với ứng dụng của điện áp bình thường) và tụ điện cho truy cập ngẫu nhiên cho các bộ nhớ (RAM, DRAM, MRAM, FeRAMs) Cuối cùng, sự phát xạ điện tử từ chất sắt điện tử mang lại giá rẻ, thiết bị vi sóng công suất cao và các tia Xquang thu nhỏ

 Ứng dụng dây Nano:

Dây nano có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, pin nhiên liệu, pin, khí động học, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm và thuốc, v.v Dây nano nắm giữ các tính chất hóa học, vật lý và cơ học khác nhau Hơn nữa, vì khả năng định hình vượt trội của chúng, chất kết hợp thông thường có thể bị chia tách bởi dây nano [32]

Các Transistor bán dẫn được thu nhỏ thành các cụm lắp ráp của hệ thống điện tử và tạo ra các thiết bị ngày càng nhỏ hơn, và đó là một thách thức để tạo ra các đường giao nhau chất lượng cao Việc thay đổi tỷ lệ xúc tác của vật liệu để thu được khoảng cách ngắn hơn khoảng 10 nm Các nhà nghiên cứu đã đạt được cơ sở bằng cách chế tạo bóng bán dẫn không mối nối có tính chất điện thông thường Chúng có

 Ứng dụng của vật liệu nano trong ngành kỹ thuật điện, điện tử

Vật liệu graphene (kiểu tấm cấu tạo từ các nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo kiểu hình lục giác tuần hoàn) có độ dày một nguyên tử cacbon và do đó có thể được phân loại là vật liệu nano - vật liệu có ít nhất một kích thước bên ngoài có kích thước nhỏ hơn 100nm Mặc dù có kích thước nhỏ nhưng vật liệu nano mang đầy tiềm năng cho tương lai của ngành điện tử, tạo ra các thiết bị nhanh hơn, nhỏ hơn và mạnh hơn Chính nhờ các đặc tính vật lý của chúng mà các vật liệu nano như graphene có nhiều tiềm năng đối với ngành công nghiệp điện tử Sử dụng các đặc tính độc đáo của chúng, vật liệu nano có thể tạo ra các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhẹ hơn, sử dụng ít tài nguyên hơn để xây dựng và cải thiện độ chính xác của việc xây dựng mạch xuống cấp độ nguyên tử

Vật liệu nano có xu hướng mở rộng ranh giới cho những nghiên cứu phát triển đi xa hơn trong tương lai của ngành điện tử nói riêng và các ngành công nghiệp khác nói chung

Vât liệu cacbon đều được ứng dụng vào ngành điện tử bao gồm máy dò, bộ điều biến, máy chụp ảnh, cảm biến và máy thu phát

Vật liệu cacbon cũng có thể được sử dụng cho các thiết bị điện tử quang học và quang tử Tấm nannocacbon _graphene hấp thụ một loạt các bước sóng quang học -

từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa - cho phép truyền thông băng thông siêu rộng

21

Trong ứng dụng các thiết bị quang học, Tấm nannocacbon _graphene biến đổi gần như tất cả ánh sáng mà nó nhận được thành tín hiệu điện Đặc điểm này dẫn đến các thiết bị tiêu thụ ít điện năng hơn và hoạt động hiệu quả hơn

Với độ mỏng, độ bền và độ đàn hồi cực cao cảu vật liệu nano cacbon, nên nó được ứng dụng cho các thiết bị điện tử linh hoạt, có thể đeo được, hàng dệt dẫn điện, thiết

bị điện tử cho các sản phẩm thông minh dùng một lần - như bao bì thông minh 1.3 Ứng dụng của ống nano cacbon trong lĩnh vực điện-điện tử

Ống nano cacbon đa vách được biết đến với các ứng dụng nổi bật trong chắn nhiễu điện từ, các bộ chuyển hóa năng lượng, tụ điện, cảm biến v.v Ưu điểm nổi bật của ống nano cacbon nằm ở khả năng dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có độ rộng

bề mặt lớn nhờ kích thước nano cùng với mật độ thấp giúp tương tác điện dễ dàng,

từ đó giúp cải tiện đáng kể tính chất điện của các vật liệu chứa nó

Hình 1.11 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của ống nano [33]

22

 Khái niệm về ống nanocacbon

Ống nano cacbon (CNTs) là những ống được làm bằng cacbon với đường kính thường được đo bằng nanomet Ống nano cacbon thường dùng để chỉ các ống nano cacbon một vách (SWCNTs) với đường kính trong phạm vi một nanomet Trong các buồng hồ quang cacbon tương tự như những buồng được sử dụng để sản xuất fullerene (những phân tử cấu thành từ các nguyên tử cacbon và có hình dạng giống như một quả bóng đá rất nhỏ) Các ống nano cacbon một vách là một trong những dạng thù hình của cacbon, trung gian giữa lồng fullerene và graphene phẳng Các ống nano cacbon một vách có thể được lý tưởng hóa như các hình cắt từ mạng lục giác hai chiều của các nguyên tử cacbon được cuộn lại dọc theo một trong các vectơ mạng lục giác để tạo thành một hình trụ rỗng Trong cấu trúc này, các điều kiện biên tuần hoàn được áp đặt theo chiều dài của vectơ cuộn lên này để tạo ra một mạng tinh thể xoắn của các nguyên tử cacbon liên kết liền mạch trên bề mặt hình trụ [33]

Hình 1.12 Sơ đồ của Ống Nano cacbon đơn vách(SWCNT)(A)và ống Nano cacbon đa vách(MWCNT)(B) thể hiện kích thước chiều dài, đường kính

và khoảng cách giữa các lớp trong ống Nano cacbon đa vách [33]

23

Ống nano cacbon cũng thường dùng để chỉ các ống nano cacbon đa vách (MWCNTs) bao gồm các ống nano cacbon đơn vách lồng nhau liên kết yếu với nhau bằng Tương tác khuếch tán trong một cấu trúc giống như vòng cây

Chiều dài của một ống nano cacbon được tạo ra bằng các phương pháp sản xuất thông thường thường không được báo cáo, nhưng thường lớn hơn nhiều so với đường kính của nó Do đó, đối với nhiều mục đích, hiệu ứng cuối bị bỏ qua và chiều dài của ống nano cacbon được cho là vô hạn

Các ống nano cacbon có thể thể hiện khả năng dẫn điện đáng kể, trong khi các ống khác là chất bán dẫn Chúng cũng có độ bền kéo và độ dẫn nhiệt cao vì cấu trúc nano của chúng và độ bền của liên kết giữa các nguyên tử cacbon Ngoài ra, chúng

có thể được biến đổi về mặt hóa học Những đặc tính này được kỳ vọng sẽ có giá trị trong nhiều lĩnh vực công nghệ, chẳng hạn như điện tử, quang học, vật liệu composite (thay thế hoặc bổ sung cho sợi cacbon), công nghệ nano và các ứng dụng khác của khoa học vật liệu

Việc sắp xếp một mạng lục giác dọc theo các hướng khác nhau để tạo thành các ống nano cacbon đơn vách dài vô hạn khác nhau cho thấy rằng tất cả các ống này không chỉ có hình xoắn ốc mà còn có đối xứng tịnh tiến dọc theo trục ống và nhiều ống còn có đối xứng quay không nhỏ về trục này

Hình 1.13 Ống nano cacbon đa vách [33]

24

 Cấu Trúc của ống Nano cacbon:

Cấu trúc của một ống nano cacbon đơn vách lý tưởng là một mạng tinh thể lục giác đều được vẽ trên một bề mặt hình trụ vô hạn, có các đỉnh là vị trí của các nguyên tử cacbon Vì độ dài của liên kết cacbon-cacbon khá cố định, nên có những hạn chế về đường kính của hình trụ và sự sắp xếp của các nguyên tử trên đó Trong nghiên cứu

về ống nano, định nghĩa một đường ngoằn ngoèo trên một mạng tinh thể graphene (tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử cacbon) là một đường quay 60 độ, luân phiên trái và phải, sau khi bước qua mỗi liên kết Trên một số ống nano cacbon, có một đường ngoằn ngoèo khép kín đi quanh ống, nếu ống được bao quanh bởi một lối đi kín dành cho zigzag, thì nó được cho là thuộc loại zigzag, hoặc ống nano dành cho zigzag

 Các ứng dụng nổi bật:

Một trở ngại chính đối với các ứng dụng của ống nano cacbon là giá thành của chúng

 Phóng tĩnh điện (ESD):

Áp dụng việc phóng tĩnh điện của khay hợp chất giữa ống Nano cacbon/ Nhựa PS

để ứng dụng trong lĩnh vực điện thoại / điện tử Quá trình tạo nhiệt được sử dụng rộng rãi để sản xuất khay ESD và điện trở suất bề mặt của khay ESD đạt 104 Ohm / cm2

Hình 1.14 Các trạng thái zigzag của ống nano cacbon [33]

25

 Độ dẫn điện của vật liệu nanocomposit dựa trên ống nano cacbon

Cấu trúc vi mô của vật liệu tổng hợp nano dựa trên ống Nano cacbon có thể được hình thành là một hỗn hợp hai pha, với chất độn cacbon làm thể vùi và chất kết dính polyme làm chất nền Tất cả các tạp chất được cho là có hình cầu So với ống Nano cacbon hình trụ dài, ống Nano cacbon hình cầu phẳng sẽ có hình dạng gần như giống nhau khi tỷ lệ khung của nó đủ lớn Cấu trúc vi mô này được thể hiện dưới dạng giản đồ trong hình bên dưới:

 Độ dẫn điện hiệu quả của ống Nano cacbon

Tiến hành thực hiện hai bước để nghiên cứu dữ liệu thực nghiệm về độ dẫn điện của vật liệu tổng hợp ống Nano cacbon Trong bước đầu tiên, hỗn hợp được thực hiện

để đồng nhất Sử dụng phương pháp tiếp cận hiệu quả-trung bình với điện trở giao diện và độ dẫn điện giao diện Tập dữ liệu đầu tiên liên quan đến các ống Nano cacbon đa vách trong ma trận polyimide, trong khi tập thứ hai là với các ống Nano cacbon đơn vách và cũng là ma trận polyimide

 Ống Nano cacbon trong màn hình LCD

LCD là sản phẩm chủ đạo trên thị trường màn hình hiện nay Nguyên lý cơ bản của LCD là các phân tử tinh thể lỏng (LC) hoạt động như một van ánh sáng để điều khiển ánh sáng Phân tử LC thường có dạng hình que hoặc dạng đĩa và có thể quay

Hình 1.15 Cấu trúc vi mô của vật liệu tổng hợp nano CNT

và graphene, cho thấy chất độn cacbon (đường liền nét màu đen) trong môi trường hiệu quả và ba đường dẫn màu (một đường dọc

và hai đường ngang, đường đứt nét màu đỏ).[33]

26

trong điện trường Có thể thấy rằng toàn bộ cấu trúc bao gồm một tế bào phân tử

LC, điện cực trong suốt, mô-đun đèn nền, TFT, bộ lọc màu, bộ phân cực, dây kết nối, v.v Tương ứng, chúng ta có thể tìm thấy các ứng dụng của ống Nano cacbon trong các phần khác nhau của màn hình LCD Bản thân ống Nano cacbon có thể được xem như một phân tử lớn giống hình que và thể hiện hành vi giống LC Các phân tử LC đã được trộn lẫn hoặc tích hợp với ống Nano cacbon, và người ta thấy rằng LC có thể sắp xếp các ống Nano cacbon, hoặc ống Nano cacbon cũng có thể được sử dụng để sắp xếp các phân tử LC LC với ống Nano cacbon cũng cho thấy hiệu suất tốt hơn so với LC

Tăng cường độ dẫn điện của ống nano cacbon đa vách bằng cách sử dụng tiếp điểm đồng kích thước nano và ý nghĩa của nó đối với độ dẫn điện của đồng tăng cường bằng ống nano cacbon

Sử dụng các phép đo Quang phổ quét đường ống và dựa chức năng làm việc của kim loại, kết quả ở các phép đo I-V được thu thập bằng cách sử dụng Crom (Cr) sẽ

có nhiều điện trở thuần hơn (được biểu thị bằng biểu đồ I-V tuyến tính hơn) hơn so với kết quả thu được bằng cách sử dụng cách sử dụng Vonfram (W) và đồng (Cu)

Từ đây có thể mong đợi rằng điện trở được đo bằng cách sử dụng Cr sẽ thấp hơn sử dụng các cách W và Cu Có thể thấy rằng các phép đo được thực hiện khi sử dụng

W và Cr có các phép đo điện trở cao hơn so với các phép đo được thực hiện khi Cu được sử dụng trên tất cả điểm thử Trong các trường hợp của vị trí sự khác biệt về điện trở giữa Cu và các đầu kim loại khác nằm trong vùng theo thứ tự - kích cỡ Cũng có thể thấy rằng trên tất cả năm vị trí mà điện trở được đo bằng cách dung Cu

là ~ 20 kΩ, bằng với điện trở bên trong của đầu dò Nano Do đó sẽ không quan sát thấy những thay đổi về điện trở khi tách đầu dò, trong khi cách sử dụng vonfram và

sử dụng Crom khác nhau đáng kể Cần lưu ý rằng những giá trị này dành cho ống Nano cacbon đa vách (trong đó sử dụng các chất W, Cr, Cu) và do đó những thay đổi về độ dẫn điện sẽ được tăng lên bằng cách thay thế cả hai cách