Cac phuong phap che tao vat lieu nano

3.3.3 Công nghệ hạt Micelle- lò phản ứng chế tạo hạt nano Tổng hợp các hạt nano trong vi nhũ tương: - Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHĐBM, sự hình thành, phát triển các hạ[r]

CHÀO MỪNG CÔ VÀ CÁC BẠN ĐẾN VỚI

BÀI THUYẾT TRÌNH CỦA NHÓM.

Chương 3: Các phương pháp chế

tạo vật liệu Nano

1 Phân loại các phương pháp chế tạo vật liệu

Nano.

2 Phương pháp Sol – gel.

3 Phương pháp Micelle Nano.

4 Phương pháp Chemiscal Vapour Deposition

(CVD)

5 Các phương pháp khác.

3.1 Phân loại các phương pháp chế tạo vật

liệu nano.

- PP từ trên xuống (up - down)

- PP từ dưới lên (bottom – up)

3.1.1 Phương pháp từ trên xuống.

Tạo hạt có kích thước Nano từ các hạt lớn bằng kỹ thuật nghiền

trong cối Máy nghiền có thể

nghiền lắc, nghiền rung, nghiền

- Kết quả thu được là nano 1 chiều hoặc 2 chiều.

Ưu điểm Nhược điểm

Đơn giản, rẻ tiền nhưng hiệu

Dễ lẫn tạp chất, phụ gia

3.1.1 Phương pháp từ trên xuống.

3.1.2 Phương pháp từ dưới lên.

Tạo hạt nano từ nguyên tử hoặc ion

Là phương pháp đang được phát triển mạnh mẽ

3.1.2 Phương pháp từ dưới lên.

Phương pháp vật lý:

Tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha.

- Nguyên tử: bốc hơi nhiệt(đốt, phóng điện hồ quang).

 Chuyển pha: đun nóng vật liệu rồi làm nguội cực nhanh

để thu trạng thái vô định hình xử lý nhiệt để chuyển pha

vô định hình – tinh thể.

 Chế tạo các hạt nano, màng nano

3.1.2 Phương pháp từ dưới lên.

Phương pháp hóa học:

 Tạo hạt nano từ các ion.

 Dung dịch đầu chứa muối của Kim loại + tác nhân khử (Sodium Borohydride)

 Để các hạt không bị kết tụ dùng phương pháp tĩnh điện hoặc chất bảo vệ phủ lên bề mặt nano.

 Tùy vào kích thước mong muốn mà sử dụng chất bảo vệ thích hợp.

 Tạo ra các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,…

3.1.2 Phương pháp từ dưới lên.

Phương pháp vi nhũ: (phần 3.3.3)

3.2.1 Định nghĩa

Sol: là những hạt keo có kích thước từ vài chục đến vài trăm micro mét,ở dạng huyền phù và không có hình dạng riêng

Gel: Khi Sol biến đổi chuyển sang trạng thái đông đặc để có hình dạng riêng 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)

3.2.1 Định nghĩa

Sơ đồ công nghệ sol-gel và sản

phẩm từ sol-gel

3.2.2 Công nghệ và sản phẩm từ Sol-Gel

Giải thích quy trình

1.Vật liệu ban đầu là muối kim loại hoặc muối kim loại

vô cơ hoặc chất kim loại hữu cơ thông qua phản ứng

polime hóa tạo huyền phù,đó là sol

2.Đổ sol vào khuôn do chuyển hóa từ sol ta đươc gel ướt

bay hơi hết nước gel khôgốm đặc.

3.Dùng phương pháp phủ quay hau phủ nhúng để tạo

3.2.2 Công nghệ và sản phẩm từ Sol-Gel

Vật liệu tạo sol: Muối kim loại vô cơ hoặc là hợp chất kim loại hữu cơ.

Phương pháp: Phủ quay (spin coating) hay phủ nhúng (dip coating)

Phương pháp sol-gel hiện nay là phương pháp hữu hiệu nhất để chế tạo nhiều loại bột nano với cấu trúc, thành phần mong muốn, dễ điều khiển kích thước Đặc biệt là giá thành rẻ.

Ưu điểm Nhược điểm

 Sản phẩm thu được nguyên

3.2.2 Công nghệ và sản phẩm từ Sol-Gel

3.3 Các phương pháp micelle nano

3.3.1 Một số khái niệm cơ bản

3.3.2 Chất hoạt động bề mặt.

3.3.3 Công nghệ hạt Micelle- lò phản ứng chế tạo hạt nano

3.3.1 Một số khái niệm cơ bản

Hệ phân tán hạt micelle: hệ gồm 2 hay nhiều pha: 1 pha liên tục

và các pha khác là những tiểu phần(hạt) có kích thước nhỏ gọi là pha phân tán, phân tán đều trên pha liên tục

Ví dụ: Hệ phân tán sữa:

+ Hạt sữa: pha phân tán(micelle)

+ Nước: pha liên tục

Cấu tạo hạt micelle:

Ví dụ: hạt micelle AgI trong dung dịch KI

Tính chất cơ bản của hạt Micelle:

Tính chất cơ bản của hạt Micelle:

b Sự sa lắng của các hạt Micelle trong hệ keo:

 Các hạt Micelle trong dung dịch ngoài chuyển động Brown còn chịu tác động của trọng lực

Dễ bị sa lắng

Không bị sa

lắng

Các hạt có kích thước lớn Chịu lực hấp dẫn mạnh

Chịu lực hấp dẫn yếu

Các hạt có kích thước nhỏ

Độ bền của hệ phân tán hạt Micelle phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán VKT và tốc độ sa lắng VSL

• Hạt Micelle sa lắng khi VSL > VKT

• Hạt phân tán cân bằng khi VSL = VKT

• Hệ Micelle bền vững khi VSL < VKT

b Sự sa lắng của các hạt Micelle trong hệ keo:

Tốc độ sa lắng được tính bằng công thức:

mà B = 6.Pt.r

Trong đó:

r: bán kính hạt keo d: tỉ trọng hạt Micelle

 

3.3.2 Chất hoạt động bề mặt

- Lớp vỏ solvat bảo vệ bề mặt Micelle

- Làm giảm sức căng bề mặt giữa 2 pha

- Tạo ra yếu tố ngăn cản

sự keo tụ hoặc hợp giọt Micelle do sự chuyển động của gốc không cực

Hấp phụ trên bề mặt phân chia pha

Các phân tử có 1

đầu có 1 cực và

1 đầu không cực

Phân tử chất hoạt động bề mặt

3.3.2 Chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt ion âm

 Là những CHĐBM có phần đuôi là các hợp chất hữu cơ mạch dài (ankyl) hay có cấu tạo hỗn hợp ankyl phenyl hay

ankylnaphthanyl

 Ví dụ:

Ankyl sunfonic acid

Ankyl benylsunfonic acid: R SO3H

O

O S

R OH

3.3.2 Chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt ion dương:

Là những chất có phần đầu là những ion dương, phần đuôi là gốc hữu cơ ưa dầu mạch thẳng (ankyl) hoặc mạch hữu cơ hỗn hợp (ankyl phenyl), ankylnaphthanyl, )

Ví dụ: Muối ankyl ammonium:

Chất hoạt động bề mặt trung tính không ion:

Là những CHĐBM không phân ly trong dung dịch mà chỉ phan cực

Ví dụ: Polyoxiethylen ankyl eter:

O

R O ( CH2CH2O)n C R1

R1

N - CL R2

Chất hoạt động bề mặt cao phân tử (Polyme điện ly):

Đóng vai trò quan trọng trong công nghệ nano như công nghệ nhân vỏ (core-shell), công nghệ chế tạo màng mỏng nano,

3.3.3 Công nghệ hạt Micelle- lò phản ứng chế tạo hạt nano

Micelle thuận: hạt nano có kích thước nhỏ từ vài nanomet đến vài

micromet tùy điều kiện chế tạo và môi trường khác nhau

• Cấu tạo hạt Micelle hình thành từ

CHĐB:

- Hạt nhân được tạo bởi tố hợp phân tử,

có thể là vô cơ, hữu cơ, dạng rắn hoặc

lỏng

- Trên bề mặt nhân tồn tại những gốc

hoạt tính tạo thể liên kết với gốc ngoài

theo lực Vander Vahl

- Xung quanh nhân tố có 1 chất lỏng

bám trên bề mặt keo gọi là Stern

Sự hình thành Micelle trong nước của các hạt kim loại:

Quá trình hình thành hạt Micelle nhân hữu cơ ưa dầu:

Micelle đảo: quá trình tạo hạt

Micelle trong môi trường dầu bởi

CHĐBM có nhân là pha nước chứa

các hạt vô cơ Lúc này, các hạt pha

phân tán( phan nước) khuếch tán

trong môi trường hữu cơ ưa dầu là

Hệ nhũ trương: một hệ phân tán cao của hai chất lỏng mà thông

thường không hòa tan được với nhau

- Do sự giới hạn về không gian của các phân tử CHĐBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất

3.3.3 Công nghệ hạt Micelle- lò phản ứng chế tạo hạt

nano

 Có thể điều khiển kích thước hạt dễ dàng.

Cơ chế hoạt động của phương

pháp vi nhũ tương

3.3.3 Công nghệ hạt Micelle- lò phản ứng chế tạo hạt

nano

3.4 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học

(Chemical vapour deposition – CVD)

3.4 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học

(Chemical vapour deposition – CVD)

3.4.7 Ứng dụng

Đặc điểm là có thể chế tạo được màng với độ dày đồng đều và ít bị xốp ngay cả khi hình dạng đế phức tạp, cũng như là có thể lắng đọng chọn lọc

Trong CVD, vật liệu rắn thu được là dạng lớp phủ, bột hoặc đơn tinh thể

Đặc điểm là có thể chế tạo được màng với độ dày đồng đều và ít bị xốp ngay cả khi hình dạng đế phức tạp, cũng như là có thể lắng đọng chọn lọc

3.4.3 Phân loại

Thermal CVD: CVD kích hoạt phản ứng bằng nhiệt, thường được

thực hiện ở nhiệt độ cao (trên 900oC) -> phương pháp đầu tiên và cổ điển

MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) : CVD

nhiệt nhưng sử dụng precursor là hợp chất hữu cơ kim loại

PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) : Sử

dụng năng lượng của plasma để kích hoạt phản ứng, do đó nhiệt độ thấp hơn nhiều

HDPCVD : Lắng đọng hơi hóa học plasma mật độ cao.

ALCVD: Lắng đọng hơi hóa học lớp nguyên tử.

MOMBE (epitaxy chùm phân tử hữu cơ kim loại) : Sử dụng

precursor hữu cơ kim loại dễ bay hơi và precursor bay hơi từ thể rắn

APCVD: Lắng đọng hơi hóa học ở áp xuất khí quyển

CBE (epitaxy chùm hóa học) : phương pháp CVD chân không cao,

Sử dụng precursor hữu cơ kim loại dễ bay hơi và precursor thể khí

Thermal CVD: CVD kích hoạt phản ứng bằng nhiệt, thường được

thực hiện ở nhiệt độ cao (trên 900oC) -> phương pháp đầu tiên và cổ điển

MOCVD (metal organic chemical vapour deposition) : CVD

nhiệt nhưng sử dụng precursor là hợp chất hữu cơ kim loại

PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) : Sử

dụng năng lượng của plasma để kích hoạt phản ứng, do đó nhiệt độ thấp hơn nhiều

HDPCVD : Lắng đọng hơi hóa học plasma mật độ cao.

ALCVD: Lắng đọng hơi hóa học lớp nguyên tử.

MOMBE (epitaxy chùm phân tử hữu cơ kim loại) : Sử dụng

precursor hữu cơ kim loại dễ bay hơi và precursor bay hơi từ thể rắn

APCVD: Lắng đọng hơi hóa học ở áp xuất khí quyển

CBE (epitaxy chùm hóa học) : phương pháp CVD chân không cao,

Sử dụng precursor hữu cơ kim loại dễ bay hơi và precursor thể khí

1 Khuếch tán của chất phản ứng tới bề

- Khí precursor từ dòng đối lưu

vận chuyển đến môi trường t0

cao (plasma) sẽ va chạm giữa các electron với ion (electron - notron hoặc electron – electron) tạo ra gốc tự do

- Các phân tử gốc tự do khuếch

tán xuống đế, gặp môi trường

t0 cao tại đế, xảy ra các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế

- Sản phẩm phụ sinh ra sau khi

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

- Khí precursor từ dòng đối lưu

vận chuyển đến môi trường t0

cao (plasma) sẽ va chạm giữa các electron với ion (electron - notron hoặc electron – electron) tạo ra gốc tự do

- Các phân tử gốc tự do khuếch

tán xuống đế, gặp môi trường

t0 cao tại đế, xảy ra các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế

- Sản phẩm phụ sinh ra sau khi

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

3.4.5 Hóa học trong CVD

- Ngưng tụ: Đầu tiên tạo ra nguồn cung cấp pha hơi từ vật liệu gốc

Hơi đó sẽ ngưng tụ trên bề mặt đế khi tồn tại pha hơi quá bão hòa trên đế đó

- Hấp phụ: Gồm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa hoc, để tạo màng

thì các nguyên tử phải hấp phụ hóa học lên trên đế

- Ảnh hưởng của áp suất đến chất lượng màng: Áp suất toàn

phần khuếch tán sẽ tăng khi áp suất toàn phần hạ thấp

- Độ bao phủ bề mặt: Mức độ bao phủ là tỷ số của những chỗ đã

hấp phụ trên tổng số chỗ trên bề mặt, phụ thuộc vào nồng độ pha khí

- Ngưng tụ: Đầu tiên tạo ra nguồn cung cấp pha hơi từ vật liệu gốc

Hơi đó sẽ ngưng tụ trên bề mặt đế khi tồn tại pha hơi quá bão hòa trên đế đó

- Hấp phụ: Gồm hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa hoc, để tạo màng

thì các nguyên tử phải hấp phụ hóa học lên trên đế

- Ảnh hưởng của áp suất đến chất lượng màng: Áp suất toàn

phần khuếch tán sẽ tăng khi áp suất toàn phần hạ thấp

- Độ bao phủ bề mặt: Mức độ bao phủ là tỷ số của những chỗ đã

hấp phụ trên tổng số chỗ trên bề mặt, phụ thuộc vào nồng độ pha khí

- Hệ thiết bị đơn giản.

- Tốc độ lắng đọng cao

- Có khả năng lắng đọng hợp kim nhiều thành phần

- Có thể tạo màng cấu trúc hoàn thiện, độ sạch cao

- Đế được xử lý ngay trước khi lắng đọng bằng quá trình ăn mòn hóa học

- Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình đa dạng, phức tạp

- Hệ thiết bị đơn giản

- Tốc độ lắng đọng cao

- Có khả năng lắng đọng hợp kim nhiều thành phần

- Có thể tạo màng cấu trúc hoàn thiện, độ sạch cao

- Đế được xử lý ngay trước khi lắng đọng bằng quá trình ăn mòn hóa học

- Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình đa dạng, phức tạp

3.4.6 Ưu – nhược điểm

- Cơ chế phản ứng phức tạp

- Đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các phương pháp khác

- Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi

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

- Cơ chế phản ứng phức tạp

- Đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các phương pháp khác

- Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi

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

Ưu điểm

Nhược điểm

Được dùng để chế tạo màng mỏng: các chất bán dẫn như

Si, các màng mỏng oxit dẫn điện trong suốt như SnO2 các màng mỏng điện môi như SiO2, Si3N4, BN, Al2O3, các màng mỏng kim loại…

Được dùng để chế tạo màng mỏng: các chất bán dẫn như

Si, các màng mỏng oxit dẫn điện trong suốt như SnO2 các màng mỏng điện môi như SiO2, Si3N4, BN, Al2O3, các màng mỏng kim loại…

3.4.7 Ứng dụng

3.5.1 Phóng điện hồ quang hay hồ quang

plazma

Nguyên lý hoạt động:

Tạo ra điện hồ quang nhờ sự phóng điện giữa 2 điện cực graphit trong buồng chứa khí trơ He hoặc

Ar với điều kiện:

I: 100A, khoảng cách giữa 2 điện cực là 1mm với

áp suất 500mmHg (He)

Bản chất của hồ quang điện:

Là hiện tượng phóng xạ với mật độ dòng điện rất lớn và thường kèm theo hiện tượng phát sáng

Ưu điểm Nhược điểm

 Đơn giản, giá thành rẻ

 Phù hợp với hầu hết

các kim loại cơ bản

 Thực hiện được trong

 Mẫu chứa thu được còn lẫn tạp chất

3.5.2 Phương pháp mạ điện.

Khái niệm:

- Là phương pháp điện

phân để kết tủa trên lớp

kim loại nền một lớp kim

3.5.2 Phương pháp mạ điện.

Nguyên lí hoạt động:

Dòng điện chạy qua bình điện

phân, anot hòa tan và di chuyển

vào dung dịch và giải phóng oxi

- Tại anot: Khi tiếp xúc với các điện cực, các ion sẽ biến thành các nguyên tử trung hòa làm cho lượng các ion trong dung dịch sẽ giảm xuống nên chúng phải thường xuyên được bổ sung bằng các ion do anot hòa tan vào hay bổ sung dung dịch mới

3.5.3 Phương pháp nghiền bi

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động:

Nhờ vỏ máy quay tròn qua một bộ phận truyền động, bị đạn chịu một lực li tâm được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi rơi xuống đập vào vật liệu Mặt khác, vật liệu bị chà sát giữa bi đạn với tấm lót, cũng như giữa bi đạn với bi đạn cho đến khi nhỏ ra

Nguyên tắc tác dụng lực: đập và mài

Hiệu suất và tính năng của máy nghiền bi:

 Cấu trúc đơn giản, thuận tiện bảo dưỡng, dung lượng cao

 Dễ dàng lắp đặt, thời gian hoạt động dài liên tục

 Bộ phận dễ hỏng có sức kháng chịu cao, chu kỳ thay thế dài

3.5.3 Phương pháp nghiền bi

Máy nghiền bi trong công nghiệp.

Nguyên lí nghiền bi

Cảm ơn cô và các bạn đã lắng nghe bài

thuyết trình của nhóm

Tài liệu tham khảo:

1. Công nghệ mạ điện – Nguyễn Văn Lộc – NXB Giáo dục

2. Hóa học Nano, Công nghệ nền và vật liệu nền – Nguyễn Đức

Nghĩa – NXB Khoa học – Công nghệ