các kỹ thuật chế tạo nano

PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO Phương pháp vật lý... PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO Phương pháp vật lý... Bốc bay chùm điệ

Trang 1

CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO

NANO

Trang 2

NỘI DUNG CHÍNH

GIỚI THIỆU CHUNG

KẾT LUẬN

KỸ

THUẬT

CHẾ

TẠO

Trang 3

I GIỚI THIỆU CHUNG

Trang 4

I GIỚI THIỆU CHUNG

 Kỹ thuật nano là ngành kỹ thuật áp dụng các vật

liệu và tính chất kích cỡ nano vào việc giải quyết một vấn đề hay phục vụ một mục đích

 Mỗi khi các tính chất phụ thuộc kích thước của

một vật liệu đặc trưng được phát hiện thì lại có

những ứng dụng mới để sử dụng vật liệu ấy.

 Sử dụng các tính chất đặc biệt xảy ra ở kích cỡ

nano để phát triển các kỹ thuật mới đươc gọi là

kỹ thuật nano

Trang 6

CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO

Trang 7

1 PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT

2 PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ

3 PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER

4 PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

5 PHƯƠNG PHÁP LITHOGRAPHY

6 PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ

Phương pháp vật lý

Trang 8

Bốc bay nhiệt

Bay bốc nhiệt hoặc bay bốc nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng

mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trường chân không cao

và ngưng tụ trên đế.

Trang 10

1 PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT

2 PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ

Trang 11

Năng lượng của chùm tia điện tử được hội tụ trực tiếp lên vật liệu

Khi chùm tia điện tử năng lượng cao bắn lên vật liệu nguồn, toàn bộ

động năng của chùm tia điện tử chuyển thành nhiệt năng làm hoá hơi vật liệu và sau đó lắng đọng trên đế

Trang 12

Bốc bay chùm điện tử

Chùm tia điện tử được gia tốc trong điện

trường có năng lượng cao và được hội tụ

vào vật liệu nguồn nhờ tác dụng của từ trường điều khiển, khi đó vật liệu được hoá hơi rồi lắng đọng lên đế.

 Do chùm tia điện tử có năng lượng rất lớn và diện tích hội tụ nhỏ vì vậy vật liệu gần như được hoá hơi tức thì

 Chính đặc điểm này cho phép nó có thể tạo được màng mỏng của hầu hết các vật liệu, đặc biệt là đối với các vật liệu nhiều thành phần.

Trang 13

BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ

Ưu điểm

 Độ tinh khiết cao.

 Bốc bay được vật liệu khó nóng chảy

 Màng phủ khó đồng đều.

Trang 14

3 PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER

Trang 15

Bốc bay bằng xung Laser

Ánh sáng laser có thể tập trung năng lượng với cường độ rất cao trên một vùng giới hạn của vật liệu

Khi ánh sáng laser chiếu tới vật liệu, cường độ laser lớn sẽ gây bùng nổ và dẫn đến sự phát tán hỗn hợp của nguyên tử, các phân

tử và ion (plasma) hoặc các đám hơi vật chất từ bề mặt của vật liệu

Trang 16

BỐC BAY BẰNG XUNG LASER

+

+ +

Laser

Chùm laser xung công

suất lớn được chiếu vào bia.

Bia hấp thu năng lượng

laser, nóng lên và bay hơi

Phía trên bia hình thành một vùng không gian chứa

plasma phát sáng

Các hạt vật liệu bia

ngưng tụ  màng trên đế

Trang 17

BỐC BAY bằng xung laser

Ưu điểm

• Không sử dụng dung môi  An toàn

và thân thiện với môi trường.

• Dễ tự động hoá (sử dụng robot).

• Chi phí hoạt động thấp

• Nhiệt độ tương đối thấp.

Nhược điểm

• Rất khó để kiểm soát quá trình kết

tụ của phân tử nên các hạt chế tạo được có xu hướng phân bố kích thước trong khoảng rộng.

Trang 19

4 PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

Trang 21

Đặc trưng của quá trình

Click to edit Master text styles

Vùng sụt thế Cathode:

Trong vùng này điện tử thứ cấp sinh ra từ Catod sẽ được điện trường gia tốc để đi vào vùng ion hoá theo hướng trực giao với nó.

Trang 22

Vùng ion hóa: Có điện trường rất bé hơn so với Ek, điện

tử có đủ năng lượng để ion hoá chất khí, khi va chạm với các phân tử khí các điện tử sẽ mất năng lượng và quỹ đạo cycloid

sẽ nhỏ dần, còn các ion sinh ra

do quá trình ion hoá sẽ được gia tốc trong vùng sụt thế Catod và thực hiện chức năng phún xạ.

Trang 23

Vùng plasma :Các ion này dưới tác dụng của điện trường gia tốc bay đến đập vào catod

Trang 24

Ưu điểm

1 Dùng được cho tất cả các loại vật liệu (nguyên tố,

hợp kim,hợp chất).

2 Bia để phún xạ thường dùng được lâu.

3 Có thể đặt bia theo nhiều hướng, bia là nguồn “bốc

1 Năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm nóng bia,

nên phải làm lạnh bia.

2 Tốc độ phún xạ << tốc độ bốc bay chân không.

3 Tốn nhiều năng lượng.

4 Bia thường rất khó chế tạo và đắt tiền Nhưng hiệu

suất sử dụng thấp.

5 Có thể nhiễm nhiều tạp chất

6 Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ chính

xác cao là không cao

7 Không thể tạo ra màng đơn tinh thể.

8 Áp suất thấp => đòi hỏi phải hút chân không cao

Trang 25

5 PHƯƠNG PHÁP LITHOGRAPHY

Trang 26

Phương pháp lithography

• Quang khắc (photolithography) là kỹ thuật tạo ra các chi tiết của

vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng

cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm

quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo

• Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử, nhưng không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn

do hạn chế của nhiễu xạ ánh sáng, nên được gọi là quang khắc micro (micro lithography)

Trang 27

ngoại này được

khuếch đại rồi sau

đó chiếu qua “mặt

nạ” (photomask)

Trang 28

các chi tiết cần tạo để

che không cho ánh

sáng chiếu vào vùng

cảm quang, tạo ra hình

ảnh của chi tiết cần tạo

trên cảm quang biến

đổi

Trang 29

của chi tiết cần tạo,

sau đó nó được hội tụ

trên bề mặt phiến đã

phủ cảm quang nhờ

một hệ thấu kính hội

tụ

Trang 30

• Độ phân giải thấp, không tạo được các chi tiết phức tạp.

Trang 31

ỨNG DỤNG

• Được sử dụng rộng rãi nhất trong

công nghiệp bán dẫn để chế tạo các

vi mạch điện tử trên các phiến Si

• Sử dụng trong ngành khoa học và

công nghệ vật liệu để chế tạo các

chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh

kiện vi cơ điện tử (MEMS)

Hình ảnh minh họa

Trang 32

6 PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ

Trang 33

PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ

Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography – EBL)

Là công nghệ tạo các chi tiết trên bề mặt (các phiến Si ) có

kích thước và hình dạng giống nhau

Thiết kế bằng cách sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao

làm biến đổi các chất kháng quang phủ trên bề mặt phiến

EBL là một công cụ phổ biến trong công nghệ nano để tạo ra

các chi tiết, các linh kiện có kích thước nhỏ với độ chính xác cực cao

Trang 34

Nguyên lý 2 phương pháp trong EBL:

Trang 35

Ưu điểm và nhược điểm của EBL

so với photolithography

Phương pháp EBL

• Có thể tạo các chi tiết có độ phân giải cao và

kích thước nhỏ

• Dễ dàng tạo các chi tiết phức tạp.

• Chùm điện tử có thể điều khiển quét trên bề

mặt mẫu bằng cách cuộn dây nên có thể vẽ

trực tiếp chi tiết.

• Phương pháp EBL khá chậm.

Phương pháp photolithography

• Cần mặt nạ mới có thể vẽ trên chi tiết

• Nhanh hơn nhiều so với EBL

Trang 36

1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

2 PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

3 PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC.

4 PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL

Phương pháp HÓA HỌC

Trang 37

PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HOÁ

Điện hoá dựa vào quá trình biến đổi hoá học diễn ra trong dung dịch muối chứa ion kim loại dưới tác dụng của dòng điện, dẫn đến phản ứng khử và phản ứng oxi hoá diễn ra trên các điện cực, rồi hình thành lớp kim loại trên điện cực cathode.

Trang 38

 Thành phần chính:

 Dung dịch điện phân gồm muối dẫn điện, ion kim loại kết

tủa thành lớp, chất đệm, phụ gia.

 Điện cực catod dẫn điện, chính là vật liệu cần tạo màng

hoặc tạo nanorod.

 Điện cực anod có thể tan hoặc không tan (thường không

tan), dùng để cấp dòng điện cho cho quá trình điện hoá.

 Bể chứa bằng thép hay thuỷ tinh, vật liệu chịu được

dung dịch điện hoá và chịu nhiệt tốt.

 Hệ ổn nhiệt trong quá trình điện hoá, nhệt độ trong bình

sẽ được quan sát qua đầu dò nhiệt.

 Nguồn một chiều, thường dùng chỉnh lưu.

Trang 39

Quá trình điện phân xảy ra theo hai quá trình:

- Quá trình oxy hoá xảy ra ở anod.

- Quá trình khử xảy ra ở catod.

Trong quá trình điện phân, vật cần mạ (catod) gắn với cực âm, kim loại cần mạ làm cực dương (anod) của nguồn điện hoặc ở dạng ion trong muối (chất điện li).

Nguyên lý hoạt động

Trang 40

Phương pháp điện hóa

• Khó thu được sản phẩm tách rời với vật liệu phủ, hao phí hoá chất.

• Dung dịch điện phân dễ làm ăn mòn các thiết bị khác.

• Chất thải gây ô nhiễm môi trường.

• Gây độc cho người thực hiện.

• Bề mặt dễ nứt, gãy.

Trang 41

1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

2 PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

Trang 42

PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

Vi nhũ tương là phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nanô

Với nhũ tương “nước-trong-dầu”, các giọt dung dịch nước bị

bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu (các micell)

Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong

suốt, đẳng hướng Do sự giới hạn về không gian của các phân

tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế

và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất Kích thước hạt có thể

từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm

Trang 43

Click to edit master text styles

Trang 44

Phương pháp vi nhũ tương

Ưu điểm

- Kích thước và hình dạng của sản phẩm cuối cùng

có thể khống chế được với việc thay đổi tỷ lệ chất

phản ứng, điều chỉnh kích thước hạt micell.

Trang 45

3 PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC.

Trang 46

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học

Khí precursor được dòng đối lưu vận chuyển, gặp môi trường nhiệt độ cao hay plasma sẽ xảy

ra hiện tượng va chạm giữa các electron với ion, electron với notron hay electron va chạm với electron

để tạo ra gốc tự do

Trang 47

Sau đó, các phân tử gốc tự do khuyếch tán xuống đế gặp môi trường nhiệt độ cao tại đế sẽ xảy ra các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế

Trang 48

Sản phẩm phụ sinh

ra sau khi phản ứng sau đó sẽ khuếch tán ngược vào dòng chất lưu, dòng chất lưu đưa khí precursor dư, sản phẩm phụ, khí độc

ra khỏi buồng

Trang 49

5 cơ chế của quá trình

1 Khuếch tán của chất phản ứng tới

Trang 50

 Khó tạo hình linh kiện màng mỏng thông qua kỹ thuật mặt nạ.

Trang 52

4 PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO

Trang 53

Định nghĩa quá trình sol-gel:

Quá trình sol-gel là một quá

trình liên quan đến hóa lý sự

chuyển đổi của một hệ thống từ

precursor thành pha lỏng dạng

sol sau đó tạo thành pha rắn

dạng gel theo mô hình

precursor→sol→gel như trên

hình

Trang 54

Diễn biến quá trình sol-gel

Trang 55

Trang 56

Trang 57

Trang 58

Cơ chế hóa học: 2 phản ứng chính

Phản ứng thủy phân

Phản ứng thủy phân thay thế nhóm

alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại

-alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH)

để tạo liên kết kim loại-hydroxyl.

Phản ứng ngưng tụ:

Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại-oxide-kim loại, là cơ sở cấu trúc cho các màng oxide kim loại

Trang 59

Phương pháp SOL - GEL

Ưu điểm

• Dễ dàng kiểm soát độ dày của màng.

• Có thể phủ lên các hình dạng phức tạp.

• Có thể sản xuất được những sản phẩm có

độ tinh khiết cao.

• Là phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn

giản để sản xuất màng có chất lượng cao.

• Có thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường

Nhược điểm

• Sự liên kết trong màng yếu

• Độ chống mài mòn yếu

• Rất khó để điều khiển độ xốp

• Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao

• Chi phí cao đối với những vật liệu thô

• Hao hụt nhiều trong quá trình tạo màng

Trang 60

Ứng dụng phương pháp sol-gel

Tạo màng bảo vệ và màng có tính chất

quang học.

Bộ nhớ quang.

Tạo kính giao thoa.

Màng đa lớp tạo vi điện tử.

Trang 61

Kỹ thuật nano mở cho chúng ta một hướng hoàn toàn mới để chế tạo và nghiên cứu các vật liệu và thiết bị trong khoa học và công nghệ

Kỹ thuật nano đang đươc khai thác trên toàn cầu và thu hút các nhà nghiên cứu thuộc đủ mọi chuyên ngành như hoá học, vật lý, khoa học vật liệu, công nghệ, sinh hoc, y học.

Nhiều ứng dụng của kỹ thuật nano đã đươc đưa vào thị trường, một số ứng dụng khác đầy hứa hẹn đang được nghiên cứu.

KẾT LUẬN

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	3,42 MB