Luận văn nghiên cứu tính chất và khả năng ứng dụng của ống nano carbon trong các thiết bị điện tử

Mạch logic sử dụng ống nano carbon………33 Các kí hiệu viết tắt Viết tắt Nghĩa tiếng anh nghĩa tiếng việt s-Swnt Semiconductor single walled carbon nanotube ống nano carbon cótính bán dẫn m

Lời cảm ơn

Khoá luận đợc thực hiện ở ĐH Vinh dới sự hớng dẫn của thầy giáo

TS Nguyễn Hồng Quảng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đối với thầy hớng dẫn của mình – ngời đã đặt vấn đề, hớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa vật lý

đã nhiệt tình giảng dạy, hớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả học tập và hoàn thành khoá luận

Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và tất cả các bạn SV lớp 46B đã

động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận

Xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 05 năm 2009

Tác giả

Võ thanh thanh

Mục lục

Danh mục hình ảnh………3

Các kí hiệu viết tắt……….4

Mở đầu……….5

Chơng1 Các tính chất vật lý của ống nano carbon … 7

1 Sự ra đời của ống nano carbon……… …… .7

2 Đặc điểm cấu trúc của ống nano carbon… 8

3 Các phơng pháp tổng hợp ống nano carbon……… 12

4 Tính chất vật lý cơ bản của ống nano carbon……… … 13

4.1 Tính chất cơ học……… 13

4.2 Tinh dẫn nhiệt……… 14

4.3 Tính chất điện tử……… 14

5 Một số khả năng ứng dụng của ống nano carbon………… 20

Chơng 2: ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử …….21

1 ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trờng… … 21

2 ứng dụng của ống nano carbon làm nguồn phát xạ điện tử……… … 27

3.ứng dụng của ống nano carbon trong xây dựng chuyển tiếp p-n… … 32

4 ứng dụng của ống nano carbon trong mạch tích hợp……… … 32

5 Các ứng dụng khác 36

Kết luận……… 37

Tài liệu tham khảo 39

Danh mục hình ảnh Hình 1 Các dạng thù hình của carbon……… 7

Hình 2 Các dạng ống nano carbon đa lớp………7

Hình 3 ảnh chụp cắt dọc một tấm nano carbon đơn lớp……… 8

Hình 4 Mô phỏng cấu trúc tấm graphit……… 9

Hình 5 các ống nano carbon từ các cách cuộn tấm graphit……… 10

Hinh 6 Tính chất cơ học của ống nano carbon………12

Hình 7 Cấu trúc và vùng năng lợng của ống nano carbon kim loại và bán dẫn 13

Hình 8 Hình ảnh vùng Briluin thứ nhất của ống nano carbon……… 14

Hình 9 Sự phụ thuộc của tính chất điện tử vào cấu trúc của ống nano carbon……14

Hình 10 Đặc trng I-V của ống nano carbon bán dẫn……….17

Hình 11 Đặc trng I-V của ống nano carbon kim loại……… 18

Hình 12 Cấu trúc của MOSFET……… 21

Hình 13 Cấu trúc của CNTFET……… 22

Hình 14 ảnh chụp cổng sau (Back gate) của CNTFET……… 23

Hình 15 Đặc tuyến I-V của CNTFET với điện cực kim loại là Co……… 25

Hình 16 Súng phóng điện tử………26

Hình 17 Nguồn phát xạ điện tử từ ống nano carbon… ……… .27

Hình 18 Mật độ dòng phát xạ của một ống nano carbon đơn lớp……… … 28

Hình 19 Đặc tuyến I-V của các ống nano carbon khác nhau……… 28

Hình 20 Khả năng phát xạ trờng phụ thuộc vào mật độ………29

Hình 21 Các điện tử phát xạ ở gần mức năng lợng Fermi……….30

Hình 22 ảnh chụp một ống nano carbon gắn trên một sợi vàng……….30

Hình 23 Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp p-n từ một ống nano carbon bán dẫn… 31

Hình 24 Máy biến áp sử dụng ống nano carbon……….32

Hình 25 Mạch logic sử dụng ống nano carbon………33

Các kí hiệu viết tắt

Viết tắt Nghĩa tiếng anh nghĩa tiếng việt

s-Swnt Semiconductor single

walled carbon nanotube ống nano carbon cótính bán dẫn m-swnt metallic single walled

carbon nanotube ống nano carbon cótính kim loại Fet Field effect transistor Transistor hiệu ứng

tr-ờng

Metallic-oxide-semiconductor fet Transistor hiệu ứng tr-ờng loại có cổng kim

loại-oxit-bán dẫn p-cntfet p-type cntfet Transistor hiệu ứng

tr-ờng từ ống nano carbon

loại p n-cntfet n-type cntfet Transistor hiệu ứng

tr-ờng từ ống nano carbon

loại n

microscopy Kính hiển vi điện tửkiểu quét ngầm Afm Atomic fora microscopy Kính hiển vi lực nguyên

tử

microscopy Kính hiển vi điện tửkiểu quét Tem Transmission electron

microscopy Kính hiển vi điện tửkiểu truyền qua

Mở đầu

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, điện tử học cũng cónhững bớc phát triển vợt bậc Yêu cầu của các thiết bị điện tử là tốc độ cao, kích th-

ớc gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lợng Muốn đạt đợc điều này thì các chi tiết trên thiết

bị phải nhỏ nhẹ và ít phát nhiệt Trớc nay thì silicon đang là vật liệu chủ chốt trongcác thiết bị điện tử Tuy nhiên, đến một lúc mà vật liệu silicon đạt đến “giới hạn”không thể bé hơn đợc nữa Yêu cầu đặt ra là phải tìm đợc loại vật liệu mới đáp ứng

đợc yêu cầu về kích thớc và tính chất phù hợp để có thể thay thế cho silicon trongcác thiết bị điện tử

Công nghệ nano ra đời nhằm phục vụ các yêu cầu mới của công nghệ hiện đại

Đối tợng của ngành công nghệ này là vật liệu nano và ống nano carbon là một đạidiện xuất sắc của loại vật liệu mới này

ống nano carbon đợc phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi nhà khoa họcNhật Bản Sumio Iijima Một cách tình cờ, trong khi làm thí nghiệm quan sát cácloại bụi hình thành trong bình phóng điện hồ quang, ông đã quan sát thấy vật cóhình ống có đờng cỡ nanomet trong khi chiều dài lớn gấp hàng ngàn lần (cỡ  m).Với cấu trúc độc đáo đó ống nano carbon hứa hẹn sẽ có nhiều tính chất đặc biệt vànhiều khả năng ứng dụng

Ngay sau khi phát hiện ống nano carbon đã tạo ra một cơn chấn động và thuhút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới Ngời ta bắt đầu tậptrung vào nghiên cứu về cấu trúc, các tính chất cũng khả năng ứng dụng của loại vậtliệu mới này Đặc biệt lĩnh vực đợc quan tâm nhiều nhất là tính chất điện tử và khảnăng ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử

Với nhu cầu tìm hiểu về những tính chất độc đáo và khả năng ứng dụng của ống nano carbon, vật liệu nano một lĩnh vực khá mới mẻ và hứa hẹn nhiều điểm thú vị,

tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất và khả năng ứng dụng của ống nano

carbon trong các thiết bị điện tử” cho khoá luận tốt nghiệp đại học của mình Tôi

hi vọng qua việc làm luận văn này sẽ đợc tiếp cận với lĩnh vực còn khá mới mẽ với khoa học việt nam là lĩnh vực công nghệ và vật liệu nano.

Bằng việc tìm hiểu các tài liậu liên quan, các bài báo khoa học, thông qua các phơng pháp phân tích, tổng hợp, phân loại và hệ thống hoá tôi đã hoàn thành khoá luận này

Khoá luận bắt đầu với phần mở đầu, nội dung chính đợc trình bày trong 2

ch-ơng: Chơng1 Trình bày tóm tắt về sự phát hiện ra ống nano carbon, cấu trúc hình học và tính chất vật lý cơ bản của ống nano carbon Các tiềm năng ứng dụng của ống nano carbon cũng đợc trình bày trong chơng này Phần chi tiết về ứng dụng củaống nano carbon trong các thiết bị điện tử đợc trình bày trong chơng 2, trong đó

điển hình là các ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trờng (CNTFET), trong mạch tích hợp, điốt Asaki và nguồn phát xạ điện tử Phần kết luậntóm tắt các kết quả đạt đợc của khoá luận Khoá luận kết thúc bằng danh mục các tài liậu tham khảo

Sau đây là nội dung chính của khoá luận

Chơng 1 Các tính chất của ống nano carbon

(carbon nanotube)

Ngay sau khi đợc phát hiện ống nano carbon đã nhận đợc sự quan tâm lớn

của các nhà khoa học Ngời ta đã đang tập trung vào nghiên cứu về cấu trúc và các tính chất vật lý của ống nano carbon và nhận thấy rằng ống nano carbon có cấu trúcrất độc đáo cùng với các tính chất vật lý thú vị mà cha loại vật có loại vật liệu nào

1.1 Sự ra đời của ống nano carbon

Do vị trí đặc biệt của nguyên tố carbon trong bảng hệ thống tuần hoàn(carbon ở nhóm IV, có 4 nguyên tử ở lớp ngoài cùng) nên carbon khả năng tạo ranhiều dạng liên kết: Liên kết kiểu s, liên kết kiểu p và các liên kết lai s-p Sự phongphú trong cách liên kết cho phép carbon tồn tại dới nhiều dạng thù hình khác nhau[hình 1] Hai dạng thù hình phổ biến của carbon là kim cơng và than chì (graphit) đ-

ợc phát hiện từ rất lâu Vào năm 1985, nhóm nghiên cứu của giáo s Groto và cộng

sự phát hiện ra dạng thù hình thứ ba của carbon có dạng hình quả bóng, kí hiệu là

C60 và gọi là Buckball fullerene [1,2]

Năm 1991, dạng thù hình thứ t của carbon đợc phát hiện bởi nhà khoa học

ng-ời Nhật Bản Sumio Iijima Đó là một cấu trúc có dạng ống đợc tạo bởi các nguyên

tử carbon gọi là ống nano carbon[3,4,5] Sự phát hiện này ngay lập tức đã gây sựchú ý của các nhà khoa học thời đó Rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc cũng nh tínhchất của loại vật liệu mới này đã nhanh chóng đợc triển khai

Hình 1. Các dạng thù hình của Carbon

Từ trái qua phải lần lợt là kim cơng, than chì (graphit), Buckminster fullerene,

carbon nanotube.

1.2 Đặc điểm cấu trúc của ống nano carbon

Năm 1992, các nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của ống nano carbon đợccông bố Về mặt hình học, có thể hình dung ống nano carbon nh đợc tạo thành từ

các tấm graphit cuộn tròn lại liền mạch và khoảng cách giữa các lớp là xác định

nm

d tt  0 34 , loại này đợc gọi là ống nano carbon đa lớp (MWNT) (Hình 2)

Hình 2 ảnh TEM chụp một ống nano carbon đa lớp (ảnh trên bên trái: Hình ảnh

mô phỏng cấu trúc của ống nano carbon đa lớp này) Năm 1993, cũng Iijima là ngời đầu tiên phát hiện ra cấu trúc của ống nanocarbon chỉ gồm một lớp gọi là ống nano carbon đơn lớp (SWNT)

Hình 3 Ba dạng cấu trúc của SWNTs: a) zig-zag tube (9, 0); b) arm-chair tube (5,

5); and c) chiral tube (10, 5) [9]

Mỗi lớp của ống nano carbon đợc hình dung nh đợc tạo bởi một tấm graphitcuộn lại theo một hớng xác định Tuỳ thuộc vào hớng cũng nh kích thớc của ống đ-

ợc tạo thành mà có các dạng ống nano carbon khác nhau Ngời ta phân biệt ba ớng: Armchair, zizzag, chiral (Hình 3) Các hớng này đợc xác định bởi vectơ địnhhớng Ch hay còn gọi là vectơ xoắn (Hình 4)

h-n,m a1 m a2

C h   

Trong đó: a1, a2 là các vectơ đơn vị

n,m là các số nguyên

Hình 4 ống nano carbon đơn lớp có thể hình dung đợc tạo bằng cách cuộn

một tấm graphit Tuỳ theo hớng cuộn mà hình thành nên các cấu trúc ống nanocarbon khác nhau: Armchai (n=m), zizzag (n hoặc m=0), chiral (còn lại) [6,7,8]

Nếu n = m, và góc chiral   30 0 ta có ống armchair

Nếu m = 0 hoặc n=0, và góc chiral   0 0 ta có ống zizzag

Các cách cuộn còn lại ta có ống chiral

Với:  là góc xoắn chiral đợc xác định bởi vectơ chiral với trục chuẩn a1

a C

D   

Trong đó, aa1 a2 là độ dài vectơ đơn vị

Hình 5 Các dạng khác nhau của ống than nano do cách cuộn tấm graphit Ta có 3

loại ống armchair, zizzag, chiral

1.3 Các phơng pháp tổng hợp ống nano carbon

Có nhiều cách để tổng hợp ống nano carbon Trong đó có một số cách đợcdùng phổ biến hơn đó là: Phóng điện hồ quang, ăn mòn laser, phơng pháp CVD(phủ bằng hơi hoá học), phơng pháp cơ nhiệt (nghiền bi và nung)

1.3.1 Tổng hợp ống nano carbon băng phơng pháp phóng điện hồ quang

Làm một buồng kín chứa khí agron hoặc Heli, có hai điện cực bằng than vàgiữa chúng có một hiệu điện thế để có phóng điện giữa hai cực than, tạo ra hồquang Than ở cực dơng (anot) bị bốc bay bám vào cực âm (catot) đối diện ở catotcũng nh ở muội than rơi xuống đáy bình có fullerene và ống nano carbon lẫn vớithan vô định hình Chọn điều kiện phóng điện thích hợp và dùng thêm chất xúc tác

có thể có đợc ống nano carbon loại này hoặc loại khác Đặc biệt dùng xúc tác (thí

dụ Co) có thể có đợc ống nano carbon chất lợng cao, với số lợng lớn

1.3.2 Tổng hợp ống nano carbon bằng phơng pháp ăn mòn laser

Chiếu tia laser công suất lớn vào graphit làm cho graphit bốc bay và gia côngnhiệt tiếp theo có thể thu đợc những thanh có đờng kính cỡ 10-20 nm và dài đếnhàng trăm m, mỗi thanh nh vậy là bó ống nano carbon

1.3.3 Phơng pháp CVD (Chemical Vapor Deposotion-lắng pha hơI hoá học)

Có thể cho hơi acetylene phân huỷ có xúc tác là kim loại (Fe, Co…) Cónhiều dạng của carbon hình thành, trong đó có dạng ống nano carbon Dùng cácchất nh êtylen, hỗn hợp H2/CH4…để làm hơi hoá chất và chế độ thích hợp có thể có

đợc các ống nano carbon tơng đối đồng nhất tại những vị trí mong muốn

1.4 Các tính chất vật lý của ống nano carbon

ống nano carbon đợc xem là có các tính chất vật lý hết sức đặc biệt mà cha

vật liệu nào có đợc Các tính chất cơ học, tính chất nhiệt và tính chất điện tử đều vôcùng độc đáo

Các tính chất của ống nano carbon đợc quyết định bởi cấu trúc của ống Tuỳthuộc vào điều kiện xử lý mà tính chất của ống nano carbon là khác nhau

1.4.1 Tính chất cơ học

Các nghiên cứu về tính chất cơ học của ống nano carbon cho biết loại vậtliệu này có những đặc điểm rất độc đáo Về mặt lý thuyết, ngời ta tính toán đợcrằng ống nano carbon có thể có hệ số Young’s modulus rất cao vào cỡ 1000 GP vàbiến dạng cắt cỡ 500 GP Sử dụng kính hiển vi điện tử kiểu truyền qua (TEM),Treacy và cộng sự đã đo đợc Young’s modulus của ống nano carbon là 1800 GP vàgiá trị 1280 GP đợc đo bởi Wong nhờ kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Nh cácnhà khoa học đã hi vọng, các giá trị này đều rất gần với giá trị của các tấm graphit

và phụ thuộc vào độ uốn cong của ống Ngoài ra ống nano carbon cũng thể hiệnmột suất đàn hồi rất lớn, nó có thể bị uốn cong và có khả năng duổi thẳng (hình 6)

Hình 6 Mô tả tính chất cơ của ống nano carbon a) ống nano carbon thẳng,

b) ống nano carbon bắt đầu uốn cong, c) tiếp tục uốn cong hơn nữa, d) ống nano

carbon đợc uốn cong gần nh gấp khúc nhng vẫn không gảy [10]

Có những tính chất cơ học kì diệu này là do bản chất liên kết trong ống thannano Điều này có thể đợc giải thích bởi hoá học lợng tử, cụ thể là sự xen phủobital Liên kết hoá học của các ống than nano đợc cấu thành hoàn toàn bởi các liênkết sp2, tơng tự với than chì Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết sp3ởtrong kim cơng, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt Các ống nano thông th-ờng tự sắp xếp thành các “sợi dây thừng”đợc giữ với nhau bởi lực Van der Waals.Dới áp suất cao các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết sp2choliên kết sp3, tạo ra khả năng sản ra các sợi dây khoẻ, độ dai không giới hạn thôngqua liên kết ống nano áp suất cao

1.4.2 Tính chất dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt của ống nano carbon, một tính chất khá độc đáo xuất phát từcấu trúc của nó Các ống nano carbon chỉ dẫn nhiệt dọc theo ống, chiều ngang dẫnnhiệt kém hơn (có thể coi nh cách nhiệt) Đó là sự bất đẳng hớng

1.4.3.Tính chất điện tử của ống nano carbon

Hình 7 (a) cấu trúc tấm graphen, một lới có dạng hình tổ ong của nguyên tử carbon.

(b) cấu trúc vùng năng lợng theo vectơ sóng k Tuỳ thuộc vào cách cuộn mà ta có hoặc

(c) một kim loại hoặc (d) một bán dẫn

Sự tiên đoán về tính kim loại hay tính bán dẫn của ống nano carbon phụthuộc vào kích thớc và hình dạng của chúng đã đợc đa ra từ năm 1992 Nh chúng ta

đợc biết graphit là một loại vật liệu có tính bán kim loại hoặc là bán dẫn có vùngcấm bằng không, tức là vùng hoá trị và vùng dẫn chạm nhau ở 6 điểm (6 góc) củavùng Briluin thứ nhất Khi các ống nano carbon đợc tạo thành từ các tấm graphitnày thì các tính chất của tấm graphit sẽ ảnh hởng đến tính chất của ống này Cụ thểnếu:

n – m = 0, ống nano carbon có dạng armchair có tính kim loại

n – m =3q, ống nano carbon có tính kim loai, trong đó, q là số nguyên

n – m 3q, ống nano carbon có tính bán dẫn

Hình 8 (a)Cấu trúc vùng năng lợng của tấm graphit ở trên và vùng Brilunin thứ nhất ở

dới (b)Cấu trúc năng lợng của một kim loại (3,3) CNT (c)Cấu trúc năng lợng của một

bán dẫn (4,2) CNT

Các kết quả lý thuyết đã đợc khẳng định bằng các phơng pháp đo thựcnghiệm nhờ sử dụng kính hiển vi điện tử kiểu quét ngầm (STM) của các sợi SWNTriêng lẻ Ngời ta đã có đợc những hình ảnh đầu tiên về ống nano carbon kim loạivào năm 1997, và sau đó là ống nano carbon bán dẫn vào năm 1998 [18,19] Odom

và Wilder đã độc lập khảo sát sự phụ thuộc của các tính chất điện tử của ống nanocarbon vào đờng kính và góc xoắn  Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng ống nanocarbon thực sự có tính kim loại khi n = m (armchair), ống nano carbon là bán dẫnkhi n hoặc m bằng không (zizzag), khoảng 1/3 số còn lại (n – m = 3q) có tính kimloại, 2/3 còn lại có tính bán dẫn (Hình 9) [6,7,13,14]

Hình 9 Sự phụ thuộc của mật độ trạng thái vào năng lợng (trên), đặc tuyến I-V

(d-ới) của một m-SWNT (9,9) (trái) và một s-SWNT (11,7) (phải)

Vậy các ống nano carbon thể hiện tính kim loại hoặc bán dẫn phụ thuộc vàochỉ số n, m Tức là phụ thuộc vào cách cuộn tấm graphit Điều đặc biệt là từ mộtống nano carbon lúc đầu có tính kim loại có thể chuyển thành tính bán dẫn và ngợclại khi thay đổi nhiệt độ xử lý Các ống nano carbon có n-m=3q, thì các ống này thểhiện tính kim loại ở nhiệt độ phòng Thực nghiệm đã chứng minh ở điều kiện nàythì vùng cấm Eg = 0 Khi nhiệt độ cao hơn (cỡ 3000 C)thì ống nano carbon thể hiệntính bán dẫn, ngời ta đã đo đợc khi này vùng cấm rộng ra cỡ Eg = 0.70eV 

0.90eV Điều này có thể đợc giải thích một cách định tính nh sau: Mặc dù cùngmột ống nano carbon ban đầu là kim loại hoặc bán dẫn, khi tăng nhiệt độ thì cấutrúc của ống nano carbon thay đổi ống nano carbon bị biến dạng: Xoắn, uốncong…làm thay đổi vectơ (n,m) Vậy khi cấu trúc của ống nano carbon thay đổi thìcác chỉ số n, m thay đổi Tức là kim loại khi n - m = 3q khi n, m thay đổi làm cho n

- m  3q thì ống nano carbon kim loại trở thành bán dẫn và ngợc lại

Với các ống nano carbon có chỉ số n – m  3q là các ống có tính chất bándẫn

Vùng cấm trong bán dẫn phụ thuộc vào đờng kính của ống theo biểu thức:

D

d

Eg 2 cc

Trong đó: D - Đờng kính ống

dcc = 0.142 nm là khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon cạnh nhau  = 2.5eV  3.2eV là năng lợng xen phủ

Các kết quả tính toán này với ống bán dẫn Eg = 0.70eV  0.90eV là sát vớithực nghiệm [15,16]

Hình 10 Hình ảnh STM của một s-SWNT bán dẫn (a), đặc trng I-V của SWNT

t-ơng ứng (b) Sự phụ thuộc của vùng cấm Eg vào đờng kính ống SWNT [17]

Các ống nano carbon có tính bán dẫn có tính chất đặc biệt là cùng một ống nanocarbon ban đầu nhng có thể là loại p có thể là loại n tuỳ thuộc vào điều kiện xử lí.Chẳng hạn trong quá trình xử lí ở nhiệt độ thấp ống nano carbon là bán dẫn loại p,khi nung lên 3000C nó trở thành bán dẫn loại n Hoặc ống nano carbon là bán dẫnloại n khi tiếp xúc với môi trờng do quá trình doping các nguyên tử Oxi xen vàocác mắt mạng làm thay đổi số lợng, tỉ lệ các hạt tải điện là lỗ trống (h+) và điện tử(e_) dẫn đến thay đổi tính chất, trở thành bán dẫn loại p

ống nano carbon có chỉ số n = m, n – m = 3q là các ống có tính chất kim loại

Độ dẫn điện

M G

Tính điện tử của ống nano carbon đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà vật

lí và thiết kế vi mạch Nhờ dạng hình ống mà các elecron tự do  trong ống có thểtải điện nhng ít chụi sự phân tán (gọi là ballistic conduction_tính dẫn đạn đạo) Sựphân tán electron là nguyên nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thờng thấy ở chấtbán dẫn hay kim loại Nói cách khác ống nano có khả năng tải điện hữu hiệu và ít

phát nhiệt Thực nghiệm đã chứng minh rằng ống nano carbon có điện dẫn suất lêntới 108  1011( đơn vị dẫn suất) >>cu

Trong lí thuyết ống nano carbon kim loại có thể có mật độ điện tích lớn hơnkim loại Ag, Au cỡ 100 lần

Tóm lại, về sự độc đáo và lý thú trong tính chất điện tử của ống nano carbon thìcha có vật liệu nào sánh kịp Ngời ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để áp dụng các

đặc điểm lý thú của ống nano carbon vào việc chế tạo các thiết bị phục vụ con ngời

Hy vọng trong thế kỉ 21 này ống nano carbon có thể là vật liệu chủ chốt thay thếcho silicon

Do ống nano carbon có nhiều tính chất vật lý rất đặc biệt, nên có nhiều ứngdụng mới, kì lạ và hứa hẹn nhiều triển vọng

Nhờ độ cứng, độ bền rất cao mà ống nano carbon đợc dự đoán là có khảnăng ứng dụng rất lớn trong các thiết bị nh dây kéo thang máy, vỏ tàu vũ trụ, đồdùng thể thao (trong cuộc đua vòng quanh nớc Pháp năm 1996 có một chiếc xe đạp

đã sử dụng ống nano carbon trong vật liệu tổng hợp để làm khung xe)…

Các tính chất của ống nano carbon cũng cho phép loại vật liêụ này đợc sửdụng trong các lĩnh vực phát xạ điện tử trong các thiết bị nh màn hình phát xạ tr-ờng, nguồn sáng, các thiết bị điện tử chân không…

Tính chất xốp và nhẹ của ống nano carbon hứa hẹn vật liệu này có thể đợc sửdụng trong việc chế tạo các vật liệu tổng hợp (composit), trong các pin, ắc quy vàcác thiết bị lu trữ năng lợng khác ống nano carbon cũng đợc nghiên cứu là vật liệutrong việc chế tạo sensor (cảm biến) để dùng trong đo đạc các thông số môi trờng(khí hoặc lỏng)

Điểm nổi bật nhất của ống nano carbon là khả năng ứng dụng của nó tronglĩnh vực điện tử Khoa học đã ghi nhận khả năng chuyển động và dẫn điện của vậtliệu này cao gấp 70 lần so với chất bán dẫn truyền thống Đây sẽ là một giải phápkhả thi và có thể mở ra hớng đi mới cho ngành chế tạo chip.

Chi tiết về ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử sẽ đợc trình bàytrong chơng tiếp theo

Chơng 2 ứng dụng của ống nano carbon

trong các thiết bị điện tử

Các thiết bị điện tử ngày càng đợc thu nhỏ, đến lúc mà vật liệu silicon không thể đáp ứng đợc yêu cầu đặt ra thì một loại vật liệu mới ra đời với cấu trúc và tính chất vợt trội hơn nhiều so với silicon đó chính là ống nano carbon Các nghiên cứu

đã khẳng định các tính chất điện tử độc đáo của ống nano carbon, các tài sản này

mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dành cho ống nano carbon

2.1 ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trờng

Trong công nghệ điện tử bán dẫn, transistor trờng có một vai trò quan trọng,

đặc biệt để khuếch đại các tín hiệu yếu, giúp đóng mở các mạch logic trong các bộ

vi xử lý Trớc nay, transistor trờng chế tạo trên cơ sở Si Nh ta đã biết transistor ởthời điểm phát minh năm 1947 có kích thớc khoảng vài cm, cho đến ngày nay thì đãthu hẹp xuống cỡ nm, tức là vài triệu lần nhỏ hơn, ngời ta đang tiếp tục nghiên cứu

để có thể thu nhỏ hơn nửa kích thớc của transistor Tuy nhiên,vấn đề chính củatransistor thu nhỏ là sự phát nhiệt Càng thu nhỏ transistor càng nóng Sự phát nhiệtlàm tổn hại và giảm công năng của các dụng cụ điện tử Hơn nữa, đặc tính thu nhỏcủa silicon sẽ đến một mức giới hạn và dừng lại ở một kích thớc nhất định nào đó.Trong những năm gần đây nhiều nhóm nghiên cứu dùng phân tử ống nano carbonlàm vật liệu để chế tạo transistor phân tử có kích thớc vài nm Đây là một transistor

đã đụng đến “tận đáy” của vật chất Ngoài ra, ống nano carbon có đặc tính dẫn điện

đạn đạo, tức là dẫn điện mà không gây sự phát nhiệt Việc nghiên cứu các transistor

từ ống nano carbon đang tiến triển khả quan và cho nhiều hứa hẹn Ngời ta dự đoánnếu transistor ống nano carbon đợc dùng cho máy vi tính thì máy sẽ thu nhỏ bằngcục đờng uống cà phê (222 cm)

2.1.1 Transistor hiệu ứng trờng

Transistor hiệu ứng trờng (FET), ra đời khoảng những năm 60 của thế kỷ 20.Nguyên lý hoạt động của loại transistor trờng này nh sau: Khi điện áp đặt lên kênhdẫn thay đổi thì bề rộng của kênh dẫn thay đổi dẫn đến thay đổi dòng ra khỏi mạch.Cấu trúc cơ bản của MOSFET bao gồm hai điện cực kim loại đợc xác định là cựcnguồn (source) và cực máng (drain) kêt nối với nhau bởi một kênh bán dẫn, kênhnày đợc làm từ Si Điện cực thứ 3, cực cổng (gate) đợc ngăn cách với kênh này bằngmột lớp điện môi mỏng, thờng là SiO2 (Hình 12) Thông thờng, nếu không chodòng điện chạy qua cổng thì sẽ không có điện truyền trong kênh Đối với FET loại

p (nghĩa là sự dẫn điện dơng), khi cho một điện tích âm chạy qua cổng, và điện áp

VGS vợt ngỡng nhất định, VTH, thì một dòng điện mang điện tích dơng sẽ chạy qua