Công nghệ nano và ứng dụng

Cấu trúc luận văn Chúng tôi cấu trúc luận văn làm hai chương: Chương 1: Công nghệ chế tạo nano Chương này chúng tôi tìm hiểu về tính chất của vật liệu nano, cơ sở khoa học, những phươ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang, người đã hướng dẫn em tận tình và hiệu quả giúp em hoàn thành khóa luận

Em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Vật lý - Trường ĐHSP

Hà Nội 2 đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và làm khoá luận

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ở bên, động viên em trong suốt quá trình học tập và làm luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2010

Người thực hiện

Nguyễn Thị May

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khoá luận này là sự nỗ lực của bản thân cùng sự giúp

đỡ tận tình của thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang

Kết quả nghiên cứu trong khoá luận là trung thực không trùng lặp với kết quả nghiên cứu của đề tài nào khác và chưa được công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào

Nếu kết quả cam đoan trên là sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Người thực hiện

Nguyễn Thị May

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn………

Lời cam đoan………

Mục lục………

Phần 1: Mở Đầu 1

Phần 2: Nội dung……… 3

Chương 1: Công nghệ chế tạo nano……… 3

1.1 Giới thiệu chung……… 3

1.2 Chế tạo những sản phẩm nhỏ……… 6

1.3 Cơ sở khoa học……… 9

1.4 Nguyên lý và hiệu ứng dùng……… 12

1.5 Chế tạo vật liệu nano……… 13

1.6 Nghiên cứu về fuloren và ống cacbon……… 22

1.6.1 Giới thiệu về fuloren và ống cacbon……… 22

1.6.2 Các tính chất đặc biệt của ống nano cacbon………… 25

1.6.3 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon và fuloren 27 1.6.4 Các ứng dụng của ống nano cacbon và fuloren……… 29

Chương 2: Ứng dụng công nghệ nano……… 33

2.1 Giới thiệu chung……… 33

2.2 Ứng dụng của nano trong một số lĩnh vực……… 34

2.2.1 Vật liệu ngăn cách……… 34

2.2.2 Cơ khí chế tạo máy……… 34

2.2.3 Điện tử……… 36

2.3 Công nghệ nano với ngành điện tử……… 36

2.3.1 Từ vi điên tử đến nano điện tử……… 37

2.3.2 Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano trong điện tử…………

40 Chương 3: Kết luận……… 45

Tài liệu tham khảo……… 46

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên nanomét (1nm = 10-9m)

Ngành khoa học non trẻ này phải dựa nhiều vào vật lý chất rắn, khoa học

kỹ thuật, sinh học phân tử và hoá học và nó có xu hướng phát triển mạnh trong ngành điện tử phân tử, bán dẫn, y học…

Khoa học công nghệ nano được khởi đầu bằng sự tiến bộ trong ngành vi

cơ điện tử gần như cùng một lúc ở Mỹ, ở châu Âu và ở Nhật Bản Tiếp theo Nhật bản, gần đây một số nước và vùng lãnh thổ châu Á như: Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan đều đầu tư phát triển khoa học và công nghệ nano Cùng với sự phát triển này, hội đồng khoa học ngành vật lý thuộc hội đồng khoa học tự nhiên của Việt Nam đã tham gia diễn đàn công nghệ nano để khẳng định Việt Nam cũng đang rất quan tâm và đầu tư phát triển ngành công nghệ mới mẻ này

Tôi thấy rằng đây là một ngành khoa học rất lý thú và hứa hẹn sẽ được ứng dụng rộng rãi trong tương lai Tìm hiểu về cách chế tạo cũng như ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực của ngành công nghiệp, chúng tôi thấy nó đặc biệt hữu ích trong ngành kĩ thuật Chính vì vậy chúng tôi chọn

đề tài “ Công nghệ nano và ứng dụng ’’

2 Mục tiêu

- Tìm hiểu về công nghệ nano

- Tìm hiểu về ứng dụng của công nghệ nano

3 Nhiệm vụ :

- Nghiên cứu về công nghệ chế tạo nano

- Một số ứng dụng cụ thể của công nghệ nano

4 Đối tượng nghiên cứu

Công nghệ nano

5 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về lí thuyết và một số ứng dụng trong ngành công nghiệp

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hiểu đuợc sự phát triển, cách chế tạo và những ứng dụng của công nghệ nano trong thực tiễn

7 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết

8 Cấu trúc luận văn

Chúng tôi cấu trúc luận văn làm hai chương:

Chương 1: Công nghệ chế tạo nano

Chương này chúng tôi tìm hiểu về tính chất của vật liệu nano, cơ sở khoa học, những phương pháp, nguyên lý chế tạo vật liệu nano và tìm hiểu cụ thể

về fuloren và ống cacbon

Chương 2: Ứng dụng công nghệ nano

Chương này chúng tôi đã khai thác, nghiên cứu những ứng dụng của công nghệ nano trong một số lĩnh vực như: vật liệu cách ngăn, cơ khí chế tạo máy, điện tử

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NANO

1.1 Giới thiệu chung

Ta thường gặp vật liệu nanô dưới dạng bột Nói chung bột có các kích thước cỡ hàng chục micromet đã được xem là quá mịn nhìn dưới kính hiển vi quang học đã khó thấy rõ từng hạt Còn như kim loại hợp kim tuy là dạng khối nhưng qua phân tích dưới kính hiển vi thì đó là nhiều hạt tinh thể nhỏ kết liền lại với nhau chặt chẽ Kim loại, hợp kim gọi là có hạt nhỏ thì kích thước cũng vào cỡ hàng chục, hàng trăm micromet, loại hạt to kích thước đến milimet, thậm chí đến centimet

Vật liệu nanô ở dạng bột, cũng như ở dạng khối có kích thước hạt rất nhỏ cỡ 1 đến 100 nm Tuy nhỏ nhưng những hạt này vẫn có thể có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các nguyên tử sắp xếp có trật tự trong phạm vi từng hạt Tất nhiên mặt ngoài cũng như mặt phân cách giữa các hạt có cấu trúc khác với bên trong và chiếm một tỉ lệ càng đáng kể khi kích thước hạt càng nhỏ

Vật liệu có cấu trúc hạt nhỏ như vậy không phải là hoàn toàn mới Từ những năm 1900 để làm lốp xe người ta đã phải trộn vào cao su những hạt muội than Các hạt than này màu đen, rất mịn, kích thước hạt vào cỡ nhỏ hơn phần mười micromet (100nm) trộn đều vào cao su đã là cho cao su vẫn đàn hồi tốt nhưng không quá mềm, chịu được mài mòn với mặt đường Thực chất

đó là nanô composit Bột oxit silic lấy từ bụi khói dùng trộn với keo để dán,

để phủ sơn v.v phổ biến từ năm 1940 cũng là vật liệu nanô

Nhưng trước đây người ta mới chỉ có ý tưởng chung là dùng bột thật mịn mới tốt, sử dụng một số hạt theo kinh nghiệm cảm tính chứ chưa phải là nghiên cứu có hệ thống, chưa thấy đầy đủ tính chất ưu việt và lạ thường của các hạt khi kích thước của chúng vào cỡ nanomet Phân tích kỹ thuật kích

thước hạt giảm đến nanomet thì lượng các nguyên tử ở bề mặt hạt rất đáng kể với lượng các nguyên tử ở bên trong hạt Nói cách khác, một đặc điểm của vật liệu nano là diện tích mặt ngoài (mặt phân cách) lớn rất đáng kể Bản thân việc diện tích mặt ngoài lớn cũng đã làm cho những tính chất cơ, quang, từ, điện khác biệt so với vật liệu thông thường Mặt khác khi hạt nhỏ thì phần bên trong, phần còn có cấu trúc tinh thể (nguyên tử sắp xếp trật tự) của hạt cũng thu nhỏ lại Điều này cũng dẫn đến nhiều tính chất lạ, đặc biệt là tính chất điện, quang và từ

Hình 2.1.So sánh kích thước vật liệu nano và tế bào

Hình 2.2 Hình ảnh Fulơren

Từ lâu các nhà vật lý biết rằng ở thế giới nano, các định luật vật lý cổ điển, vốn áp dụng vào các vật thể hàng ngày, không còn giá trị nữa Các tính toán sẽ phải dựa vào các định luật mới của Cơ học lượng tử và thuyết Tương đối

Khi đi vào công nghệ nano có hai vấn đề quan trọng sau đây phải được đặc biệt lưu ý:

- Thứ nhất là sự thông tin, liên lạc giữa thế giới nano và thế giới bình thường Theo cơ học lượng tử, ta biết rằng khi cố gắng đo lường trong hệ thống những hạt vô cùng nhỏ ta sẽ làm xáo trộn chúng Do đó, vì có sự khác biệt giữa các định luật vật lý, sự trao đổi tin tức giữa hai thế giới sẽ rất khó trung thực

- Thứ hai là hiệu ứng bề mặt của các vật thể Trong thế giới marco và micro, các định luật của vật lý chất rắn luôn luôn được áp dụng với điều kiện tiên quyết là tỷ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của vật thể phải vô cùng nhỏ Nói cách khác, định luật chỉ áp dụng trong những khối vật chất lớn Trong công nghệ nano với thao tác xuống đến mức của hàng chục nghìn, hàng nghìn, hàng trăm hay đến từng phân tử ta không thể có điều kiện này bởi vì khi hạt vật chất càng nhỏ đi thì số lượng phân tử/nguyên tử hiện diện trên bề mặt của hạt vật chất ấy so với tổng số nguyên tử/phân tử tạo nên hạt vật chất

sẽ càng tăng

Để có thể sản xuất những thiết bị không nhỏ quá mà vẫn có những đặc tính của kỹ thuật nano, người đề ra một độ lớn bậc trung Những vật thể ở mesoscale có kích thước từ một đến vài trăm nano mét, được cấu thành từ sự tích lũy của một số lớn nguyên tử hay phân tử Với số lượng hạt tử lớn như vậy ta có thể áp dụng những định luật vật lý cổ điển nhưng vẫn phải để ý đến ảnh hưởng của cơ học lượng tử

Sự phát triển của công nghệ nano phụ thuộc vào việc liệu các nhà khoa học

có thành công không trong việc chế tạo các cấu trúc kích cỡ dưới một trăm nanomet (phần triệu milimet) một cách hiệu quả Tuy kỹ thuật quang khắc – phương pháp hiện nay đang được dung để chế tạo các mạch điện trong vi chip – cho phép tiểu hình hóa các cấu trúc tới kích cỡ nanomet, nhưng nếu tiếp tục phát triển sẽ rất khó khăn về mặt kỹ thuật, vì vậy sẽ rất tốn kém

Các phương pháp chế tạo nano phân ra 2 phương pháp: Phương pháp từ trên xuống bứt ra hay gắn thêm vật liệu theo những lượng tử khá lớn và phương pháp từ dưới lên kết hợp từng nguyên tử hay phân tử riêng lẻ với nhau thành các cấu trúc nano

1.2.Chế tạo những sản phẩm nhỏ

Toàn bộ ngành vi điện tử dựa trên những phương pháp thông thường cho phép chế tạo ra các cấu trúc nhỏ tới kích cỡ một phần mười micromet Vậy là giới hạn dưới khoảng trên 100nm Nếu so với các vật dụng của cuộc sống thường ngày thì đó là một độ lớn cực nhỏ - khoảng một phần ngàn bề dầy sợi tóc của chúng ta – nhưng vẫn là lớn nếu so với kích cỡ nguyên tử phân tử: khoảng cách 100nm là đủ để xếp khoảng 500 nguyên tử silic nằm cạnh nhau (bán kính nguyên tử Si là rSi = 1,17 Ǻ, 1nm = 10 Ǻ)

Ý tưởng chế tạo ra “các cấu trúc nano” có kích cỡ nhỏ như “chiều rộng nguyên tử” đã mê hoặc các nhà khoa học, kỹ sư, nhà lý thuyết cũng như người thực hành Tuy nhiên kích cỡ nguyên tử lại thể hiện một giới hạn cơ bản: chỉ có thể đạt tới kích cỡ nhỏ hơn nếu chúng ta thay đổi hạt nhân nguyên

tử, nhưng về nguyên tắc điều này sẽ có nghĩa là biến một nguyên tố này thành một nguyên tố khác Tuy trong những năm qua các nhà khoa học đã phát minh ra những phương pháp và công nghệ khác nhau để chế tạo các cấu trúc nano nhưng cho đến nay thì họ mới bắt đầu nghiên cứu các tính chất và ứng dụng tiềm tàng của chúng Nói khác đi: Thời đại chế tạo nano đã là một thực

tế, thời đại khoa học nano vừa mới được mở ra, nhưng thời đại kỹ thuật nano – việc chuyển hóa thành các ứng dụng thực tế thật ra vẫn đang ở phía trước Thế nên có thể xảy ra là tuy các nhà nghiên cứu chế tạo được các linh kiện có cấu trúc nano cho ngành điện tử nhưng các ứng dụng thật sự trọng đại lại nằm ở một lĩnh vực hoàn toàn khác Điều đó đã xảy ra trong trường hợp tinh thể nano bằng vật liệu bán dẫn Trong sinh học chẳng hạn những cái được gọi là điểm lượng tử có thể ứng dụng cho việc đánh dấu theo dõi các phân tử trong tế bào qua đó cũng có thể phát triển những test y học Bởi lẽ hiện nay chẳng ai biết cuối cùng thì các cấu trúc nano cần được tạo ra phải thỏa mãn những đòi hỏi nào nên chưa tìm ra được phương pháp chế tạo tối ưu tương ứng Quang khắc hiện đang là kỹ thuật chế tạo thông dụng cho các chip máy tính và trên thực tế là tất cả các hệ vi điện tử khác, tuy vẫn có thể tiếp tục tối

ưu hóa để tạo ra các cấu trúc nhỏ hơn 100 nm Nhưng dẫu sao thì sự chuyển đổi sang thực tiễn vẫn khó khăn và tốn kém Bởi vậy trên con đường tìm kiếm những giải pháp thích hợp hơn, các nhà nghiên cứu nano đơn giản là vẫn thử nghiệm tất cả những gì có thể nghĩ ra được

Tuy nhiên phải hỏi đâu chính là ưu nhược điểm của quang khắc theo truyền thống? Chỉ riêng ở Mỹ, mỗi giây có ba tỷ transistor được chế tạo theo cách đó rời khỏi băng chuyền Về cơ bản thì đó là sự phát triển tiếp theo của thuật nhiếp ảnh Đầu tiên phải tạo ra gần như là “âm bản”: Nó chứa mẫu cấu trúc cho các chi tiết cần được chế tạo của một mạch ngắt vi chip Với bản âm này, còn gọi là mặt nạ hay master sẽ tạo lên trên kim loại hay bán dẫn bản dương của mẫu cấu trúc cho một vi chip Tương tự như thuật nhiếp ảnh, tuy rất khó thu được một âm bản hoàn hảo nhưng một khi có nó thì sẽ dễ dàng tạo được rất nhiều “bản in” Vậy là toàn bộ quá trình chế tạo được chia ra làm hai công đoạn: Chế tạo một lần duy nhất mặt nạ - đây là một công việc rất tốn

công tốn của và dĩ nhiên tốn cả thời gian – và sự sao chụp các “bản in” là một công việc vừa nhanh vừa rẻ

Để có mặt nạ cho chip máy tính, trước hết là nhà sản xuất phải thiết kế mạch điện theo kích cỡ phóng đại, sau đó dùng laser để chuyển dạng của mạch lên một màng mỏng kim loại được phun phủ đặc biệt (thường bằng crom), màng này trải trên một tấm trong suốt (thường bằng thủy tinh hay silicat) Sau khi cho ăn mòn những phần đã được “rọi sáng” âm bản được hoàn thành

Quá trình tiếp theo cũng tiến hành tương tự, hệt như trong buồng tối rửa ảnh Mặt nạ crom được đưa vào một cái tương tự như máy phóng ảnh, nhưng

ở đây ngược lại, nó chiếu ảnh ở dạng thu nhỏ lên lớp cảm quang của đế silic cần được gia công Sau đó những phần đã được rọi sáng của màng mỏng polyme hữu cơ nhạy sáng này sẽ được tách ra một cách có chọn lựa Trên tấm

đó sẽ hiện lên “bản in” đã thu nhỏ của bản gốc

Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là

kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling

Microscope - STM) Nó chủ yếu bao gồm một đầu dò cực nhỏ có thể quét trên bề mặt Tuy nhiên, do đầu dò này chỉ cách bề mặt của vật cần quan sát vào khoảng vài nguyên tử và đầu dò có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử hoặc nguyên tử), cho hiệu ứng cơ lượng tử xảy ra Khi đầu dò đuợc quét trên bề mặt, do hiệu ứng đường ngầm, các điện tử có thể vượt qua khoảng không gian giữa bề mặt của vật liệu và đầu dò Kỹ thuật này làm cho một máy tính có thể xây dựng và phóng đại những hình ảnh của phân

tử và nguyên tử của vật chất

Những kỹ thuật lắp ráp các vi cấu trúc thành những kiểu mẫu cấu trúc được thấy nhiều nhất trong lãnh vực vi điện tử Những kỹ thuật phổ biến bao

gồm quang khắc, quang khắc tia X, quang khắc chùm điện tử, soft lithography, chùm ion hội tụ , solgel

Bên cạnh thực nghiệm, việc nghiên cứu các vi cấu trúc có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phép tính lượng tử (chẳng hạn như hoá lượng tử) và

mô phỏng Phương pháp ab initio là phương pháp phổ biến nhất hiện nay Những thí dụ bao gồm ab initio molecular dynamics, quantum Monte Carlo, quantum mechanics, v.v Những phương pháp này đặc biệt hữu hiệu trong việc tìm hiểu tính chất của vật chất ở dạng vi mô bởi vì những vi cấu trúc chỉ chứa vài nguyên tử

1.3.Cơ sở khoa học

Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano:

- Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có

ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn Ví dụ: Một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử

- Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối

- Kích thước tới hạn

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn

bị thay đổi Người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu Ví dụ: Điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều

có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano

Hiệu ứng đường ngầm 1-10

Tính chất từ

Độ dày vách đômen 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100

Tính chất

quang

Hố lượng tử 1-100

Độ dài suy giảm 10-100

Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100

Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10

Siêu phân tử

Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10

Bảng 2 Kích thước của một số cấu tử nano

Vật liệu nano

Hình 2.3 : Các tinh thể kích thước nhỏ nano của germanium, được cố

định trên thủy tinh silica

1.4 Các nguyên lý và hiệu ứng dùng

Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thước Vật chất khi ở dạng vi thể có thể có những tính chất mà vật chất khi ở dạng nguyên thể không thể thấy đuợc

Khi kích thuớc của vật chất trở nên nhỏ tới kích thước nanômét, các điện

tử không còn di chuyển trong chất dẫn điện như một dòng sông, mà đặc tính

cơ lượng tử của các điện tử biểu hiện ra ở dạng sóng Kích thuớc nhỏ dẫn đến những hiện tượng lượng tử mới và tạo cho vật chất có thêm những đặc tính kỳ thú mới Một vài hệ quả của hiệu ứng lượng tử bao gồm, chẳng hạn như: Hiệu ứng đường hầm: Điện tử có thể tức thời chuyển động xuyên qua một lớp cách điện Lợi điểm của hiệu ứng này là các vật liệu điện tử xây dựng

ở kích cỡ nano không những có thể được đóng gói dầy đặc hơn trên một chíp

mà còn có thể hoạt động nhanh hơn, với ít điện tử hơn và mất ít năng lượng hơn những transistor thông thường

Sự thay đổi của những tính chất của vật chất chẳng hạn như tính chất điện và tính chất quang phi tuyến

Bằng cách điều chỉnh kích thước, vật chất ở dạng vi mô có thể trở nên khác xa với vật chất ở dạng nguyên thể

Hiện nay liên hệ giữa tính chất của vật chất và kích thước là chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" Những tính chất căn bản của vật chất, chẳng hạn như nhiệt độ nóng chảy của một kim loại, từ tính của môt chất rắn (chẳng hạn như tính sắt từ và hiệu ứng từ trễ), và band gap của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của tinh thể thành phần, miễn là chúng nằm trong giới hạn của kích thước nanômét Hầu hết bất cứ một thuộc tính nào trong vật rắn đều kết hợp với môt kích thước đặc biệt, và duới kích thước này các tính chất của vật chất sẽ thay đổi

Mối quan hệ này mở đường cho sự sáng tạo ra những thế hệ vật chất với những tính chất mong muốn, không chỉ bởi thay đổi thành phần hóa học của các cấu tử, mà còn bởi sự điều chỉnh kích thuớc và hình dạng

1.5 Chế tạo vật liệu nano

Như đã giới thiệu ở trên Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: Phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên Phương pháp

từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử

- Phương pháp từ trên xuống

Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu

với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng, còn ngược lại thì được gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp

- Phương pháp từ dưới lên

Nguyên lý: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý

Hình 2.4: Chip sinh học DNA được làm một cách chi tiết bằng phương pháp bottom-up

Hình 2.5 (A) Sơ đồ chế tạo dây nano trên nền tảng kỹ thuật phage display và

(B) dây nano ZnS-virus Phương pháp vật lý: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: Vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình -

tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: Ổ cứng máy tính

Phương pháp hóa học: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng

ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: Hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano

Phương pháp kết hợp: Là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano

 Một số phương pháp cụ thể

Vật liệu nanô có thể là bột rời có kích thước hạt nanomet, có thể là vật khối nhưng cấu tạo từ những hạt có kích thước nanomet Để chế tạo vật liệu nanô như vậy, có những cách mới rất khác với các cách chế tạo vật liệu nanô truyền thống Nhưng cũng có nhiều cách cũ, nhưng khi chế tạo chỉ phải thay đổi, điều chỉnh nhiều chế độ

- Phóng hồ quang điện hay hồ quang plasma

Để có phóng hồ quang điện, người ta dùng một cái bình kín có thể hút chân không rồi cho vào một chất khí, thường là khí trơ thổi qua với áp suất thấp

Trong bình có hai điện cực nối với một điện thế, cỡ hàng chục vôn Khi mồi cho phóng điện, có hồ quang giữa hai điện cực Khí giữa hai điện cực khi

có hồ quang là rất nóng thực chất ở đây có các nguyên tử đã bị mất điện tử trở thành các ion và điện tử tự do Đó chính là plasma

Một điện cực (anôt) bị điện tử bắn phá làm cho các nguyên tử ở đấy bay lên, bị mất điện tử trở thành ion dương hướng về catôt Do đó catot bị phủ lớp vật chất từ anôt bay sang Đồng thời có những hạt không đến được catôt nên rơi xuống phía dưới Phải chọn chế độ phóng điện hồ quang hợp lý thì mới có được các hạt nanô mong muốn rơi xuống dưới hoặc hình thành ở catôt Chất làm điện cực phải là chất dẫn điện Thành phần hóa học của chất làm điện cực không những có ảnh hưởng quyết định đến việc tạo ra hạt nanô dạng gì, hiệu suất cao hay thấp v.v

Với phương pháp hồ quang plasma khó tạo ra các vật liệu khối, chủ yếu

là tạo ra được một lớp bột mịn, hạt nhỏ trên catôt Phương pháp này có đặc điểm là ban đầu không phải là nguyên tử, phân tử trung hòa đến catôt mà là ion mang điện dương nhưng cuối cùng chúng trở thành nguyên tử trung hòa

do ion dương thu nhận điện tử ở catốt

Một dạng tương tự với hồ quang plasma là ion hóa bằng ngọn lửa Nếu phun vật liệu vào ngọn lửa, các nguyên tử cũng bị ion hóa về nhiệt và cũng bị hút về điện cực âm để tạo ra vật liệu nanô

- Phương pháp hóa và lý phủ từ pha hơi (CVD và PVD)

Bằng những phương pháp hóa hoặc lý người ta tạo ra vật liệu dưới dạng hơi rồi cho hơi này ngưng đọng trên bề mặt chất rắn để có lớp phủ Khi ngưng đọng có thể có phản ứng hóa học xảy ra nên không nhất thiết vật liệu ở lớp phủ phải giống như vật liệu ở pha hơi

Để chế tạo bột kim loại tinh khiết, người ta dùng bình kín, hút chân không cao và đốt nóng kim loại để kim loại nóng chảy rồi bốc hơi bay lên hoặc trực tiếp bốc bay lên từ thể rắn (thăng hoa) Hơi kim loại bay lên được ngưng tụ lại trên bề mặt vật rắn đặt gần đấy cũng như ở trong bình chân không

Để chế tạo bột với khối lượng lớn người ta dùng lò cao tần (vi sóng) để làm nóng chảy và bốc hơi liên tục Hơi được dẫn qua ống có bề mặt được làm lạnh bằng nước nên ngưng tụ lại, tạo thành bột kim loại , được làm lạnh tiếp

để bột rơi xuông, lọc lấy ra ngoài

Muốn tạo bột oxit hoặc nitrit kim loại, thay cho chân không người ta cho khí oxy hay khí nitơ ở áp suất thích hợp thổi qua bình Cùng với sự ngưng đọng trên bề mặt, có các phản ứng hóa học xảy ra tạo được bột với thành phần mong muốn

- Phương pháp mạ điện

Phương pháp mạ điện vẫn được dùng rất phổ biến để tạo ra các lớp kim loại mỏng trên bề mặt vật dẫn điện Dung dịch điện phân, chất liệu ở điện cực, mật độ dòng điện, điện thế, nhiệt độ, v.v là những yếu tố quan trọng để

có lớp mạ có chất lượng

Thông thường yêu cầu chất lượng lớp mạ là phải bám chắc vào bề mặt, phải láng bóng, phải đặc nghĩa là khối lượng riêng của lớp mạ giống như là khối lượng riêng của vật liệu khối xuất phát Đối với công nghệ nanô có ba yêu cầu khác nhau

Cần một lớp vật liệu như thông thường nhưng mỏng (một chiều cỡ nanomet), ví dụ làm điện cực (dẫn điện) , làm lớp lót để có đủ lực nhằm thu hút số nguyên tử, phân tử nào đó bám vào

Cần lớp vật liệu đặc nhưng có cấu trúc hạt tinh thể rất nhỏ Chọn chế độ

mạ thích hợp có thể có được lớp mạ dày, đặc với cấy trúc tinh thể là những hạt nhỏ, đến kích cỡ nanomet Đây là vật khối có các hạt tinh thể nano

Có thể chọn chế độ để lớp phủ hình thành ở điện cực không phải là liên tục mà là gồm các hạt nanô rời, liên kết với nhau yếu Lớp phủ không thật đặc, bề mặt không láng bóng mà có nhiều nhấp nhô vi mô Dùng trực tiếp hoặc cạo ra lấy bột

Việc mạ điện không phải đơn thuần là chuyển vật liệu từ điện cực này sang điện cực kia để tạo thành màng mỏng Rất nhiều trường hợp chất tạo ra lớp phủ lấy từ trong dung dịch, đó là hỗn hợp các chất ở dạng lỏng Màng có cấu trúc nanô của paladi, niken, vàng, polyme hữu cơ (ví dụ polyanilin), các oxit, bán dẫn v.v đều được chế tạo theo cách mạ điện từ hỗn hợp ở dạng lỏng Các màng này được dùng ở pin, pin nhiên liệu, pin mặt trời, lớp tản nhiệt và đổi màu phủ ở cửa kính, cảm biến linh kiện photonic v.v

Phương pháp mạ điện còn được dùng để lấp lỗ nanô trong màng polyme

để tạo ra các điện cực nanô nhằm điều khiển ion chuyển động Đó là màng nhân tạo có các kênh ion điều khiển được, ví dụ cấu tạo của nanocomposit kim loại – chất dẻo để phân tách chọn lọc ion

- Phương pháp Sol – Gel

Hạt keo là những hạt nhỏ cỡ từ vài chục cho đến một trăm micromet Khi những hạt nhỏ như vậy lơ lửng trong một chất lỏng , người ta gọi huyền phù đó là sol (lỏng) Sol không có hình dạng riêng, có hình thù của bình đựng Khi sol biến đổi sang trạng thái đông đặc để có hình dạng riêng thì gọi là gel Quá trình sol – gel là quá trình hình thành dung dịch huyền phù của chất keo (sol) rồi biến hóa để đông keo lại (gel) Quá trình này được dùng để làm bột mịn với các hạt bột có dạng hình cầu, làm màng mỏng để phủ lên bề mặt, làm gốm sứ thủy tinh, làm các màng xốp tức là màng có nhiều lỗ nhỏ

Vật liệu xuất phát để làm ra sol thường là muối kim loại vô cơ hoặc hợp chất kim loại hữu cơ ví dụ là oxit kim loại kiềm Trong quá trình thủy phân và phản ứng polyme hóa tạo ra được keo huyền phù, đó là sol Dùng phương pháp phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating) có thể có được màng gel khô trên bề mặt đế Màng này còn xốp làm nóng lên ta được màng đặc trên đế

Khi đổ sol vào khuôn do chuyển hóa từ sol ta có gel ướt; gel ướt có hình dạng của cái khuôn Nếu tiếp tục làm bay hết nước trong gel ta thu được gel khô Từ gel khô tiếp tục nung nóng, ta có gốm đặc vì các hạt sau khi đã hết nước dưới ảnh hưởng của nhiệt độ liện kết chặt lại với nhau

Nếu ở trạng thái gel ướt ta rút hết nước đi trong điều kiện tới hạn, sẽ có được vật liệu chưa rất nhiều lỗ trống nên khối lượng riêng của vật liệu rất thấp

và tên gọi của vật liệu này là gel khí

Điều chỉnh độ nhớt của sol thích hợp từ sol có thể kéo ra sợi, nung nóng lên có được những sợi gốm vì cấu tạo của sợi là gồm nhiều hạt nhỏ liên kết lại

Dùng cách kết tủa, phun qua ngọn lửa hoặc dùng kỹ thuật nhũ tương có thể có được những hạt rất mịn Đó là cách thích hợp với sản xuất để chế tạo bột nanô dùng trong công nghiệp

Phương pháp sol-gel hiện nay là phương pháp hữu hiệu nhất để chế tạo nhiều lọai bột nanô với cấu trúc, thành phần mong muốn, dễ điều khiển kích thước hạt và đồng đều, đặc biệt là giá thành hạ

Các loại bột từ, bán dẫn với yêu cầu về thành phần, độ tinh khiết, kích thước hạt nhất định v.v thường được chế tạo bằng phương pháp sol-gel vừa

dễ có được số lượng đủ dùng trong công nghiệp vừa có giá thành hợp lý, có khả năng cạnh tranh

- Phương pháp nghiền bi

Phương pháp này nghe có vẻ thô sơ nhưng thực té trong một số trường hợp lại là rất hiệu quả trong việc chế tao bột cho công nghệ nanô hiện đại Người ta dùng các hòn bi cứng, to và nặng cho vào một cái trống hình trụ cũng làm bằng vật liệu cứng Cho vật liệu vào trống và cho trống quay Với tốc độ quay thích hợp thì có thể có các tác dụng:

+ Bi quay theo trống đến một độ cao, rơi xuống đập nhỏ vật liệu

+ Bi lăn trên mặt trống, có tác dụng nghiền và trộn

Có khi bên trong trống người ta cho khí trơ và nóng để cho vật liệu khô dòn dễ nghiền, có khi cho khí có tác dụng oxi hóa để làm các bột oxit nanô Quá trình nghiền bi có thể kéo dài hàng chục đến hàng trăm giờ

Với phương pháp nghiền bi các hạt nhỏ có được bị biến dạng mạnh, có nhiều sai hỏng Có thể khử biến dạng bằng cách ủ nhiệt Có một số vật liệu ban đầu là tinh thể sau khi nghiền lâu, trở thành bột vô định hình Có khi quá trình biến dạng khi nghiền lại tạo ra mầm để khi nung nóng từ các mầm đó lại phát triển ra tinh thể mong muốn

Phương pháp nghiền bi rất thích hợp để làm bột nanô oxit kim loại Bột loại này dùng làm bột màu, làm tụ điện, làm mực in Những ứng dụng này rất liên quan đến tính chất của hạt nanô là mặt ngoài chiếm tỉ lệ rất đáng kể so với thể tích bên trong của hạt

- Phương pháp nguội nhanh

Kim loại, hợp kim thông thường được nấu chảy, tinh luyện rồi làm nguội cho rắn lại để đưa ra sử dụng Khi nóng chảy ở thể lỏng, kim loại, hợp kim có cấu trúc vô định hình Khi nguội, bắt đầu xuất hiện các mầm kết tinh, tinh thể lớn dần từ các mầm kết tinh đó Trong điều kiện nguội thông thường, các mầm kết tinh có điều kiện xuất hiện và phát triển có nghĩa là các nguyên tử của chất lỏng có điều kiện chuyển động tự sắp xếp vào các vị trí trật tự của tinh thể Vì vậy, kim loại và hợp kim thường gặp luôn có cấu trúc đa tinh thể Nếu làm nguôi thật nhanh, sao cho các nguyên tử của kim loại hợp kim đang ở thể lỏng chưa kịp về các vị trí cân bằng của cấu trúc tinh thể thì kim loại hợp kim đã rắn lại, cấu trúc có được là vô định hình, gần giống cấu trúc ở thể lỏng