Nghiên cứu cấu trúc của ống nano carbon dưới tác động của các loại bức xạ năng lượng cao định hướng ứng dụng trong môi trường vũ trụ

Vật liệu nano carbon (CNTs) không chỉ được ứng dụng trong các vật liệu nano composite, vật liệu chịu nhiệt, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, đầu dò và đầu phát điện tử mà còn được sử dụng[r]

Nghiên cứu cấu trúc của ống nano carbon dưới tác động của các loại bức xạ năng lượng cao định hướng ứng dụng trong môi trường vũ trụ

Nguyễn Đình Hoàng

Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và Linh kiện Nano Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Bình

Năm bảo vệ: 2011

Abstract: Tổng quan về ống nano carbon: Lịch sử hình thành; Một số dạng cấu hình

phổ biến của vật liệu carbon; Cơ chế mọc ống nano carbon; Tính chất của ống nano carbon; Các sai hỏng có thể tồn tại trong mạng của ống nano carbon; Một số ứng dụng của ống nano carbon Nghiên cứu lý thuyết tán xạ Raman: Hiệu ứng raman; Tán xạ raman cộng hưởng; Các mode dao động của ống nano carbon Nghiên cứu nguồn bức

xạ năng lượng cao: Tia vũ trụ; Nguồn bức xạ nhân tạo Tiến hành thực nghiệm: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ laser lên CNTs; Nghiên cứu sự ảnh hưởng của

bức xạ hãm lên CNTs; Sự ảnh hưởng của tia X và tia Gamma lên cấu trúc CNTs

Keywords: Bức xạ năng lượng; Ống nano carbon; Môi trường vũ trụ; Công nghệ

Nano

Content

MỞ ĐẦU

Do có nhiều tính chất rất đáng chú ý như khả năng dẫn điện, độ cứng cao, độ dẫn nhiệt tốt Vật liệu nano carbon (CNTs) không chỉ được ứng dụng trong các vật liệu nano composite, vật liệu chịu nhiệt, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, đầu dò và đầu phát điện tử mà còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tàu vũ trụ, lò phản ứng hạt nhân, và các ứng dụng môi trường[10][12][16]

Trong môi tr

, các loại bức xạ điện từ có năng lượng cao như proton,

, vì vậy có thể dẫn đến sự biến đổi về cấu trúc mạng, đưa vào mạng các nguyên tử lạ, làm thay đổi các tính chất cơ, hóa, lý, ảnh hưởng đến khả năn

Nhằm mục đích mô phỏng quá trình tương tác của các bức xạ trên vũ trụ lên các vật liệu nano người ta thường tiến hành các nghiên cứu thử nghiệm trên mặt đất với các nguồn bức xạ nhân tạo, trong đó chủ yếu được tạo ra từ các máy gia tốc hạt và các nguồn đồng vị phóng xạ

Luận văn này đã đưa một số k

phóng xạ và xác định suất lượng của chúng được tạo thành từ các vật liệu CNTs khi chiếu bởi chùm photon hãm năng lượng cực đại 60 MeV trên máy gia tốc electron tuyến tính, đồng thời

đã khảo sát ảnh hưởng của các nguồn bức xạ khác nhau như: bức xạ hãm, tia gama, tia X, tia laser có mật độ năng lượng cao lên cấu trúc của CNTs bằng phương pháp phân tích phổ raman

I ỐNG NANO CARBON

Do có nhiều tính chất rất đáng chú ý như khả năng dẫn điện, độ cứng cao, độ dẫn nhiệt tốt Vật liệu nano carbon (CNTs) không chỉ được ứng dụng trong các vật liệu nano composite, vật liệu chịu nhiệt, vật liệu hấp thụ sóng điện từ, đầu dò và đầu phát điện tử mà còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tàu vũ trụ, lò phản ứng hạt nhân, và các ứng dụng môi trường

II LÝ THUYẾT TÁN XẠ RAMAN

+ Mode RBM: là dao động do các nguyên tử carbon dao động theo hướng hướng tâm của ống Do vậy mode này được gọi là RBM (radial breathing mode) với tần số nằm trong khoảng

100 – 500 cm-1

+ Mode G có tần số ở cỡ khoảng 1590 cm-1 Mode này do sự dao động trong mặt nguyên tử carbon lân cận trong mạng lục giác, bao gồm cả kéo dãn và uốn của các liên kết carbon Đỉnh này là do Graphene tạo thành, do vậy mà nó thường được gọi là mode G Các mode khác nhau là do sự dao động dọc theo trục hoặc dao động xung quanh trục của ống CNTs Mode có năng lượng cao hơn được gọi là mode G+, mode có năng lượng thấp hơn được gọi là mode G

- +Mode D: có tần số ở cỡ khoảng 1330 cm-1 được gọi là mode sai hỏng mạng, hay mất trật tự của mạng của graphene, nó liên quan đến tán xạ Raman cộng hưởng kép Mode D được tạo ra bằng quá trình tán xạ gồm 1 tán xạ của phonon, và 1 tán xạ từ dao động đàn hồi của một sai hỏng mạng

III NGUỒN BỨC XẠ NĂNG LƯỢNG CAO

+ B

electron là 60 MeV (bước sóng ngắn nhất 2x10-5

nm) + Nguồn Americium-241, phát tia X

Năng lượng tia X: 0,0595 MeV ( 0,0208 nm)

+ Nguồn Radium-226, phát gamma

Năng lượng gamma: 4,78 MeV (2,59x10-4

nm)

IV THỰC NGHIỆM

+ Ảnh hưởng của bức xạ laser lên CNTs: Bức xạ laser không làm hư hỏng cấu trúc của CNTs

mà chỉ làm cho CNTs bị đốt nóng và giãn nở Sau khi bị nung nóng, CNTs lại trở về trạng thái ban đầu

+Ảnh hưởng lên cấu trúc của CNTs khi được chiếu bức xạ hãm: Sau khi được chiếu với chùm photon 60 MeV, CNTs đã bị hư hại một phần về cấu trúc, độ trật tự theo 2 chiều của lớp graphen không còn được như trước nữa

+ Ảnh hưởng của tia X: tia X thì mẫu lại trở nên tốt hơn, có thể tia X có năng lượng thích hợp một mặt vừa tạo ra các sai hỏng mới, mặt khác lại tái cấu trúc lại các sai hỏng đã tồn tại trước

đó

+ Khi chiếu mẫu CNTs với tia Gamma, thì mẫu CNTs đã bị hư hỏng nhiều hơn nhiều hơn vì năng lượng lớn của tia Gamma

KẾT LUẬN

Kết quả của thí nghiệm này, có thể cung cấp những thông tin quan trọng về CNTs, khi CNTs được dùng trong các môi trường đặc biệt, chịu ảnh hưởng của bức xạ có năng lượng cao, như trong lò phản ứng hạt nhân, môi trường vũ trụ

References

1 David J Appelhans, Lincoln D Carr, Mark T Lusk (2010), “Embedded ribbons of

graphene allotropes: an extended defect perspective”, New Journal of Physics, 12,

125006

2 G Compagnini, G A Baratta, R.S Cataliotti, and A Morresi (2005), “New assignment

of crystalline and ion-irradiated graphite phonon spectra”, Journal of Raman

spectroscopy, 26, pp 917

3 M Daenen, R.D de Fouw, B Hamers, P.G.A Janssen, K Schouteder, M.A.J Veld

(2003), The Wondrous World of Carbon Nanotubes, Eindhoven University of

Technology, pp 8-21

4 M S Dresselhaus, G Dresselhaus, and M Hofman (2007), “The big picture of raman

scattering in carbon nanotubes” , Vibrational spectroscopy, vol 45, pp 71–81

5 Nguyen Duc Dung, Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Nguyen Hong Quang, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh (2008), “Carbon-Nanotube Growth over Iron Nanoparticles Formed on CaCO3 Support by Using Hydrogen Reduction”, Journal of

the Korean Physical Society, 52, pp.1372-1377

6 Nguyen Dinh Hoang, Nguyen Ngoc Trung, Pham Duc Khue, Nguyen Thi Thanh Bao, Phung Viet Tiep, Dao Duy Thang, Nguyen Thanh Binh, Vu Thi Bich (2011), “The synergistic effect of bremsstrahlung photons and intense laser radiation on the structural

properties of carbon nanotubes ”, Adv Nat Sci: Nanosci Nanotechnol 2, 035010

7 A Jorio, A G Souza Filho, G Dresselhaus, M S Dresselhaus, A K Swan, M S Ünlü,

B B Goldberg, M A Pimenta, J H Hafner, C M Lieber, R Saito (2002), “G-band

resonant Raman study of 62 isolated single-wall carbon nanotubes”,Phys Rev B, 65,

155412

8 A.V.Krasheninnikov, K.Nordlund (2010), “Ion and electron irradiation effects in

nanostructured materials”, Journal of Applied Physics, 107, 071301

9 Amit Kumar , F Singh , P.M Koinkar , D.K Avasthi , J.C Pivin , M.A More (2009),

“Effect of intense laser and energetic ion irradiation on Raman modes of multiwalled

Carbon Nanotubes”, Thin Solid Films, 517, pp 4322–4324

10 Seung Mi Lee, Ki Soo Park, Young Chul Choi, Young Soo Park, Jin Moon Bok, Dong Jae Bae, Kee Suk Nahm, Yong Gak Choi, Soo Chang Yu, Nam-gyun Kim, Thomas Frauenheim, Young Hee Lee (2000), “Hydrogen adsorption and storage in carbon

nanotubes”, Synthetic Metals, 113, pp 209–216

11 Seung Woo Lee, Naoaki Yabuuchi, Betar M Gallant, Shuo Chen, Byeong-Su Kim,Paula

T Hammond, Yang Shao-Horn ( 2010), “High-power lithium batteries from

functionalized carbon-nanotube electrodes”, Nature Nanotechnology , 5, pp.531-537

12 W I Milne, K B K Teo, M Chhowalla, G A J Amaratunga, S B Lee, D G Hasko,

H Ahmed, O Groening, P Legagneux, L Gangloff, J P Schnell, G Pirio, D Pribat,

M Castignolles, A Loiseau, V Semet, Vu Thien Binh (2003), “Electrical and field emission investigation of individual carbon nanotubes from plasma enhanced chemical

vapour deposition”, Diamond and Related Materials,12, pp 422–428

13 Eric Pop, David Mann, Qian Wang, Kenneth Goodson, Hongjie Dai (2005), “Thermal

conductance of an individual single-wall carbon nanotube above room temperature”,

Nano Letters, 6, pp 96–100

14 Md Shakilur Rahman et al (2009), "Measurement of isomeric yield ratios for

90Zr(γ, n)89m,g

Zr, natZr(γ, xn1p)86m,g

Y, and 89Y(γ,xn)87m,g,86m,g

Y reactions with 50-, 60-,

and 70-MeV bremsstrahlung", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research

vol B267, pp 3511- 3518

15 J.-P Salvetat, J.-M Bonard, N.H Thomson, A.J Kulik, L Forro, W Benoit, L

Zuppiroli (1999), “Mechanical properties of carbon nanotubes”, Applied Physics A, 69,

pp 255–260

16 Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Pham Van Trinh, Ngo Thi Thanh Tam and Phan Ngoc Minh (2011), “Thermal dissipation media for high power electronic devices using

a carbon nanotube-based composite”, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and

Nanotechnology, 2, 025002

17 Ren-Jang Wu, Yu-Ching Huang, Ming-Ru Yu, Tzu Hsuan Lin and Shih-Lin Hung (2008), “Application of m-CNTs/NaClO4/Ppy to a fast response, room working

temperature ethanol sensor”, Sensors and Actuators B: Chemical, 134, pp 213-218

18 Da Jiang Yang, Qing Zhang, George Chen, S F Yoon, J Ahn, S G Wang, Q Zhou, Q

Wang, J Q Li (2002), “Thermal conductivity of multiwalled carbon nanotubes”,

Physical Review B, 165440

19 Qing Zhang et al (2006), “Influences of temperature on the Raman spectra of

single-walled carbon nanotubes”, Smart Mater.Struct., 15, pp.1-4