Cơ bản về khoa học và công nghệ nano

Khoa học nano là gì ?Công nghệ nano là gì ?Lịch sử của vật liệu nano.Phân loại các hệ nano thấp chiềuNhững hiện tượng làm cho vật liệu nano trở nên đặc biệt và hấp dẫnỨng dụng của vật liệu nano trong thời đại ngày nay.

CÔNG NGHỆ NANO

Nanotechnology

Các cấu trúc nano

• Từ "nano" có nghĩa phần tỉ (10 -9 ) của một đơn vị nói

chung.  Ở đây đơn vị là chiều dài: nanometer or nm, 

1 nm = 10 -9 m = 10 -3 μm = 10 Å

• Vật liệu nano, cấu trúc nano - Nanostructures là hệ vật

liệu với ít nhất một chiều có kích thước trong dải ~

1-100 nm Trong cấu trúc nano, electrons bị giam cầm (confined) trong chiều nano, nhưng tự do chuyển động trong các chiều khác

• Một cách phân loại các hệ thấp chiều: dựa trên số chiều trong đó electrons chuyển động tự do:

Phân loại các hệ thấp chiều

• Giếng lượng tử - Quantum well: electrons bị giam

cầm theo 1 chiều, tự do theo 2 chiều khác Thí dụ: cấu trúc gồm một bán dẫn vùng cấm hẹp nằm giữa hai bán dẫn vùng cấm rộng GLT được gọi là hệ điện

tử 2D

• Dây lượng tử - Quantum wires: electrons bị giam cầm theo 2 chiều,

tự do theo 1 chiều: hệ điện tử 1D Các dây lượng tử: chuỗi polymer, dây nano, ống nano.

• Chấm lượng tử - Quantum

dots: electrons bị giam cầm

theo mọi chiều, thí dụ như

cụm đám (clusters) và nano

tinh thể (nano-crystallites):

đây là các hệ điện tử 0D

What is Nanotechnology

Nanotechnology is the creation of functional materials, devices and systems, through the understanding and control of matter at dimensions in the nanometer scale length (1-100 nm), where new functionalities and properties of matter are observed and harnessed for a broad range of applications

An engineered DNA strand pRNA tiny motor Semiconducting metal junction formed by two carbon nanotubes

Công nghệ nano là gì?

• Công nghệ nano là việc sáng (chế) tạo ra các vật liệu, các linh kiện và các hệ thống chức năng, dựa trên sự hiểu biết và khả năng điều khiển vật chất ở kích

thước nanometer (1-100 nm), khi có thể quan sát

được những chức năng và tính chất mới của vật chất

và khai thác chúng cho nhiều ứng dụng khác nhau

• Nanostructures khác cả nguyên tử/phân tử riêng lẻ,

cả vật liệu khối Tên gọi khác: hệ (cấu trúc)

mesoscopic Khoa học nano: n/c những t/c đặc biệt

của hệ vật liệu nano mà không tồn tại hoặc rất yếu trong cùng loại vật liệu ở thang kích thước khác.

Các hiện tượng làm cho hệ thấp chiều trở nên

đặc biệt và hấp dẫn

• Giam cầm lượng tử - Quantum confinement: kết quả lượng tử

hóa năng lượng và xung lượng, và giảm số chiều các trạng thái điện 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 µm 3  có khoảng 10 12  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.

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

• Kết hợp lượng tử - Quantum coherence: một số hệ thức pha của hàm sóng

được bảo toàn cho e chuyển động trong cấu trúc nano, do đó cần xét đến

hiệu ứng giao thoa Nhưng ở đây sự kết hợp lượng tử thường không hoàn

hảo như trong nguyên tử và phân tử, một phần do khuyết tật trong cấu trúc

Vì vậy, cần xét đến cả hiệu ứng kết hợp và không kết hợp, điều này làm cho

việc miêu tả chuyển động điện tử trở nên phức tạp hơn

Các hiện tượng làm cho hệ thấp chiều trở nên

đặc biệt và hấp dẫn

• Các hiệu ứng bề mặt/phân biên: một phần lớn,

thậm chí đại đa số nguyên tử trong cấu trúc nano

là ở trên hoặc gần bề mặt hay phân biên T/c cơ, nhiệt động, điện, từ, quang và hóa của các

nguyên tử này có thể rất khác các nguyên tử nằm phía trong

Hiệu ứng kích thước ở thang nanomet

• Chế tạo các linh kiện và hệ thống vi tiểu với nhiều chức năng hơn

• Đạt được tỉ số diện tích bề mặt/thể tích lớn

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 và công nghệ nano

Hiệu ứng kích thước ở thang nanomet

• Xuất hiện các hiện tượng và tính chất mới, bao gồm cả sự thay đổi về:

– Tính chất vật lý (thí dụ nhiệt độ nóng chảy)– Tính chất hóa học (td hoạt độ)

– Tính chất điện (td độ dẫn)

– Tính chất cơ (td sức bền)

– Tính chất quang (td phát quang)

Tỉ lệ số nguyên tử bề mặt và trong khối

• Nano tinh thể sắt

1996,

Vol 100, p 12142

Ví dụ, khối vật liệu hình lập phương 5 cm3 – cạnh ~ 1.7 cm, chia nhỏ 24 lần thành các hình lập phương 1 nanometer với diện tích bề mặt trải ra đủ phủ đầy 1 sân vận động

Chia nhỏ 24 lần

Thang nano = Tỉ số bề mặt / thể tích rất lớn

Source: Clayton Teague, NNI

3D 2D 1D 0D

• Nếu khối kim loại được làm mỏng dần, đến lúc các điện tử chỉ

có thể chuyển động theo 2 chiều, ta có “giam cầm lượng tử 2D”

• Giảm 1 chiều nữa ta có “giây lượng tử”

• Cuối cùng là “chấm lượng tử”

Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001

Nhiệt độ nóng chảy của hạt vàng giảm mạnh khi kích

thước hạt giảm xuống dưới 5 nm

Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley,

2001

Nhiệt độ nóng chảy

Chấm lượng tử thay đổi mầu khi kích

thước thay đổi

excitation to a smaller volume.

Ordinary light excites all color quantum

Các ứng dụng của công nghệ nano

• Máy tính và các hệ thống CNTT nhỏ hơn, nhanh hơn, đa năng và tiết kiệm năng lượng hơn

• Hiệu suất cao hơn và rẻ hơn

• Dệt may

−Vải chống bẩn, chống thấm, không nhàu

• Nội trợ và mỹ phẩm

− Sản phẩm tự làm sạch, chống xước, sơn, mỹ phẩm chất lượng hơn

• Điều trị ung thư

Các linh kiện nano và hệ thống nano

Targeted drug delivery

– ACS Nano 2009, DOI: 10.1021/nn900002m

Impact of nanotechnology on drug delivery systems:

− Targeted drug delivery

− Improved delivery of poorly water soluble drugs

− Co-delivery of two or more drugs

− Imaging of drug delivery sites using imaging

modalities

− A lab on chip integrates one or more laboratory

operation on a single chip

− Provides fast result and easy operation

− Applications: Biochemical analysis (DNA/protein/cell

analysis) and bio-defense

Những vấn đề về sức khỏe và môi trường

liên quan đến Công nghệ nano

− Human and the environment come under

exposure to nanomaterials at different stages of

the product cycle

− Nanomaterials have large surface to volume

ratio and novel physical as well as chemical

properties which may cause them to pose

hazards to humans and the environment

− Health and the environmental impacts

associated with the exposure to many of the

engineered nanomaterials are still uncertain

− The environmental fate and associated risk of

waste nanomaterials should be assessed – e.g

toxic transformation, and interactions with

organic and inorganic materials

Exposure of human and the environment to nanomaterials at different stages of product life cycle – US environmental protection agency, 2007 (epc.gov)

Vật liệu nano

Nanoscale materials have feature size less than 100 nm –

utilized in nanoscale structures, devices and systems

Nanoparticles and Structures

Silver nanoparticles – Northwestern Univ., 2002

A stadium shaped “quantum corral” made by positioning iron atoms on a copper surface – IBM Corp., 1993.

A 3-dimensional nanostructure grown by controlled nucleation

of Silicon-carbide nanowires on Gallium catalyst particles

– Univ of Cambridge, 2007

Gold nanoparticles

– TU Dresden/ESRF, 2008

Vật liệu nano

Dây nano và ống nano

• Lateral dimension: 1 – 100 nm

• Nanowires and nanotubes exhibit

novel physical, electronic and

optical properties due to

– Two dimensional quantum confinement

– Structural one dimensionality

– High surface to volume ratio

• Potential application in wide range of

nanodevices and systems

– Nanoscale sensors and actuators

– Photovoltaic devices – solar cells

– Transistors, diodes and LASERs

Nanowire Solar Cell: The

nanowires create a surface that is able to absorb more sunlight than a flat surface – McMaster Univ., 2008

Vật liệu nano

Vật liệu nano sinh học

1) Biological materials utilized in

nanotechnology

- Proteins, enzymes, DNA, RNA, peptides

2) Synthetic nanomaterials utilized in

Lịch sử công nghệ nano

• ~ 2000 năm trước – Người Hy Lạp và La Mã dùng nano tinh

thể sulfide để nhuộm tóc

• ~ 1000 năm trước (Trung Cổ) – Các hạt vàng kích thước nano

được dùng để tạo màu khác nhau trên kính cửa sổ

• 1959 – “There is plenty of room at the bottom” by R Feynman

• 1974 – Thuật ngữ “Nanotechnology” – công nghệ nano được

Taniguchi sử dụng lần đầu tiên

• 1981 – IBM chế tạo Kính hiển vi tunel quét

• 1985 – Phát hiện ra C60

• 1986 – Cuốn sách KHVT đầu tiên về CN nano “Cỗ máy sáng tạo

- Engines of Creation” của K Eric Drexler Phát minh Kính hiển

vi lực nguyên tử

• 1989 – Logo IBM được tạo từ các nguyên tử

• 1991 – S Iijima phát hiện ra ống nano cácbon

• 1999 – Cuốn sách đầu tiên về Y học nano “Nanomedicine”

• 2000 – TT Bill Clinton: Sáng kiến quốc gia về CN nano “National

Nanotechnology Initiative”

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• Thế kỷ 20: Thế kỷ Vật lý, phát triển vũ bão và ảnh hưởng to lớn Hiểu và miêu tả Tự nhiên từ mức độ hạt cơ bản đến sự tiến hóa của Vũ trụ

• Cơ học lượng tử giúp hiểu rõ bản chất của nguyên

tử, phân tử và vật rắn

• Vật lý chất rắn tạo ra thành tựu vĩ đại của khoa

học và kỹ thuật bán dẫn

• Mạch tích hợp (IC), laser và đĩa từ là những gì

không thể thiếu cho công nghệ thông tin và cuộc sống hằng ngày

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• Hai cách tiếp cận trái ngược nhau: từ dưới lên

(bottom up) và từ trên xuống (top down)

• Bottom-up: e và hạt nhân là “viên gạch” (building blocks) T/c của nguyên tử và phần lớn các phân

tử đơn giản đã được n/c kỹ Ở mức độ phức tạp hơn là các đại phân tử, polymer, cluster và phân

tử sinh học (bio-molecules)

• Top-down: người ta giảm kích thước các linh

kiện rắn (transistors, bit lưu trữ dữ liệu) từ thang

vĩ mô xuống phần mười micron (~ 0.1-0.2 μm),

và phần trăm micron

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• 2 cách tiếp cận top-down và bottom-up phát triển khá độc lập trong quá khứ Hiện nay 2 cách tiếp cận gặp nhau trên

“lãnh thổ” nano Người theo hướng trên xuống phải xét đến hành vi của tự nhiên ở mức nguyên tử, còn người tiếp cận dưới lên có thể chế tạo các linh kiện và vật liệu mới từ nhiều nguyên tử và phân tử

• Quan trọng hơn, các linh kiện này không phải chỉ là đồ chơi hay để viết báo và luận án, mà thực sự thực hiện những

chức năng cơ bản trong PCs, điện thoại di động, xe hơi, đồ gia dụng, trong các thiết bị chăm sóc sức khỏe.

• KH và CN nano không nên coi là đề tài mode, mà đây là

giai đoạn phát triển logic của các n/c và p/t dựa trên các

thành tựu trước đó

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• Thí dụ điển hình, MOSFET

(metal-oxide-semiconductor field effect transistor) Từ Table 1, chiều dài kênh ~ 0.03 μm và chiều dày oxide cổng ~ 1 nm nhỏ hơn hàng chục lần so với H 1

• Giảm tiếp chiều dày oxide -> dòng rò lớn, đánh thủng điện môi, già hóa linh kiện Giảm tiếp

chiều dài kênh -> tăng dòng tunnel trực tiếp giữa

S và D, không điều khiển qua cực cổng được Các

kỹ sư vi điện tử bây giờ phải phân tích hoạt động của linh kiện ở thang nanomet

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• Ngoài ra, tăng mật độ tích hợp và tốc độ hoạt

động sẽ gặp trở ngại như v/đ thoát nhiệt, di

chuyển điện, điện trở ký sinh, trễ do RC

• Khắc phục: Tìm các linh kiện hoạt động trên các nguyên lý khác Thí dụ: điều khiển một số ít, hoặc thậm chí chỉ 1 electron trên cấu trúc nano hoặc

trên một phân tử để chế tạo linh kiện hoạt động nhanh hơn nhiều và tiêu thụ công suất thấp hơn

nhiều một MOSFET

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• Với KH và CN nano: ngoài các linh kiện kích thước nhỏ hơn hoạt động trên cùng nguyên lý, ta còn có các linh kiện với chức năng mới

• Sự pt vũ bão của KH & CN nano nhờ những phát minh một loạt các công cụ chế tạo và đo lường Đáng kể là hiển vi đầu dò quét (SPM) bao gồm cả hiển vi tunnel quét (STM), hiển vi lực (AFM),

epitaxy chùm phân tử (MBE), quá trình tự sắp xếp nano, tiến bộ công nghệ chế tạo mạch vi điện tử  

Lịch sử và triển vọng của KH & CN nano

• KH & CN Nano đang trong gđ pt nhanh Tuy có nhiều kết quả n/c về lý thuyết và thực nghiệm

nhưng còn nhiều vđ cơ bản chưa rõ ràng Giới

hạn của KH & CN nano chưa xác định rõ, vẫn còn

mở rộng

• KH & CN nano được xem như các trụ cột quan

trọng của nền kinh tế tri thức, đã và đang được quan tâm rất nhiều không chỉ trong mà còn ngoài giới hàn lâm

Nghiên cứu về Khoa học và công nghệ nano ở

Việt Nam

• 1997: Tại Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc tại Đồ Sơn,

GS VS Nguyễn Văn Hiệu đã kêu gọi các nhà vật lý VN đi tiên phong trong việc n/c nano

• 2004: Chương trình NCCB cấp Nhà nước về CN Nano

• 2010: Tạp chí quốc tế Advances in Natural Sciences:

Nanoscience and Nanotechnology

• Các đơn vị n/c mạnh về KHCN nano: Viện HLKHCN VN,

ĐH BKHN, ĐHQG HN, ĐHQG HCM