Cải tiến tính chất điện của vật liệu sắt điện truyền thống bằng ống nano cacbon đa vách dạng thường và dạng oxi hóa

Microsoft Word Lu�n V n TÑt NghiÇp Hà V n ¡i 18104901 CHDI 8B 24 03 2022 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HÀ VĂN ĐẠI CẢI TIẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TRUYỀN THỐNG BẰNG ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA Chuyên ngành KỸ THUẬT ĐIỆN Mã chuyên ngành 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG Luận văn thạc sĩ.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HÀ VĂN ĐẠI CẢI TIẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TRUYỀN THỐNG BẰNG ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HÓA Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã chuyên ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀI THƯƠNG Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng TS Nguyễn Chí Cường - Phản biện TS Nguyễn Nhật Nam - Phản biện TS Dương Thanh Long - Ủy viên TS Lê Văn Đại - Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HÀ VĂN ĐẠI MSHV: 18104901 Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1985 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã chuyên ngành: 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: Cải tiến tính chất điện vật liệu sắt điện truyền thống ống nano cacbon đa vách dạng thường dạng oxi hóa NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu tổng quan vật liệu sắt điện, vật liệu TGS, vật liệu nano, ống nano cacbon ứng dụng lĩnh vực điện – điện tử  Chế tạo hai loại vật liệu nanocomposite tảng sắt điện TGS kết hợp với ống nano cacbon đa vách dạng thường dạng oxi hóa Khảo sát cấu trúc hình thái vật liệu  Khảo sát tính chất chuyển pha vật liệu hiệu ứng điện cực  Phân tích kết quả, đề xuất định hướng ứng dụng cải tiến đề tài II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/04/2021 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/03/2022 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỒI THƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 … NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn Thầy TS Nguyễn Hoài Thương tận tình hướng dẫn tơi q trình học tập việc hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô thuộc khoa Điện trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy cho tơi thời gian học tập Xin cảm ơn thầy cô môn đọc luận văn cho nhận xét quý báu, chỉnh sửa sai sót tơi thảo luận văn Do giới hạn kiến thức khả lý luận thân cịn nhiều thiếu sót hạn chế, kính mong dẫn đóng góp Thầy, Cô để luận văn hồn thiện Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp quan tâm, hỗ trợ cho nhiều suốt trình học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh./ Xin chân thành cảm ơn! TP HCM, ngày tháng năm 2022 Học viên thực Hà Văn Đại i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Sự phát triển nhanh chóng công nghệ điện – điện tử song hành trình khám phá liên tục vật liệu nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao thực tiễn Trong tranh tổng thể thành công thiết bị công nghệ, vật liệu sắt điện không nhắc đến với ứng dụng phổ biến transistor, máy phát nano, cảm biến, nhớ, tích trữ lượng, hình tinh thể lỏng, Ống nano cacbon đa vách biết đến với ứng dụng bật chắn nhiễu điện từ, chuyển hóa lượng, tụ điện, cảm biến, v.v Ưu điểm bật ống nano cacbon nằm khả dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có độ rộng bề mặt lớn nhờ kích thước nano với mật độ thấp giúp tương tác điện dễ dàng, từ giúp cải tiện đáng kể tính chất điện vật liệu chứa Hầu hết vật liệu sắt điện khám phá từ lâu ứng dụng trở nên bão hịa Do đó, để tiếp tục mở rộng tiềm ứng dụngvà để đáp ứng yêu cầu ngày khắt khe công nghệ, cải tiến vật liệu sẵn có nhiệm vụ cấp thiết Với cơng nghệ chế tạo tiên tiến nay, vật liệu điện – điện tử nói chung vật liệu sắt điện nói riêng ngày trở nên thơng minh hơn, kích thước nhỏ gọn lại tích hợp nhiều tính Để làm điều này, phương pháp đơn giản hiệu kết hợp với nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano Trong nghiên cứu này, đề xuất cải tiến vật liệu sắt điện TGS (một vật liệu quan trọng cảm biến hồng ngoại) cách sử dụng ống nano cacbon đa vách dạng thường dạng oxi hóa Kết nghiên cứu cho thấy, kết hợp ống nano cacbon đa vách bị oxi hóa giúp mở rộng đáng kể pha sắt điện, từ mở rộng tiềm ứng dụng vật liệu Ngoài ra, hiệu ứng điện cực, hiệu ứng làm giảm khả hoạt động vật liệu thiết bị điện tử tần số thấp khảo sát ii ABSTRACT The rapid development of electrical/electronic engineering technology is always accompanied by the continuous discovery of new materials to meet the increasing demands from industry In the overall picture of the success of technological devices, ferroelectric materials cannot be underestimated with popular applications in transistors, nanogenerators, sensors, memory, energy storage, liquid crystal display (LCD), etc Multi-walled cacbon nanotubes (MWCNT) are well known through outstanding applications in electromagnetic interference shielding, power converters, capacitors, sensors, and more Due to several advantages as high electrical conductivity, high thermo-electrical stability, large specific surface at nanoscale level, low density, as well as the ability to interact with other materials, carbon nanotubes are capable of significantly improving funtions of nanocarbon-containing materials and of devices Most ferroelectrics were discovered a long time ago and therefore the numer of their applications has now been saturated For expanding the application potential to satisfy the requirements of modern technology, the urgent task is to improve the quality of primary materials With current advanced manufacturing technology, the electrical/electronic materials in general and ferroelectric materials in particular have been becoming smarter, more compact in size but integrated with more features To get this achievement, a simple and effective method is to combine with one or more other nanostructured components In this work, we recommend a well-known ferroelectric of triglycine sulfate (TGS) for improvement by using MWCNT in normal and oxidized forms TGS is one of the most important materials applied in infrared sensors According to the obtained results, the oxidized MWCNT led to the expansion of polar phase in TGS, allowing sensors to operature in higher temperature region Besides, the electrode effects that may reduce the material operation at low frequencies have also been investigated iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tơi Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên Hà Văn Đại iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH .vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN VÀ CÔNG NGHỆ NANO TRONG LĨNH VỰC ĐIỆN–ĐIỆN TỬ 1.1 Tổng quan vật liệu sắt điện 1.1.1 Ứng dụng vật liệu sắt điện TGS lĩnh vực điện- điện tử 10 1.1.2 Ứng dụng loại vật liệu sắt điện khác lĩnh vực điện- điện tử 12 1.2 Tổng quan vật liệu Nano ứng dụng lĩnh vực điện – điện tử 16 1.3 Ứng dụng ống nano cacbon lĩnh vực điện-điện tử 21 1.4 Kết luận 29 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU, CẤU TRÚC VÀ HÌNH THÁI VẬT LIỆU 30 2.1 Thiết bị nghiên cứu 30 2.1.1 Thiết bị dùng để chế tạo vật liệu 30 2.1.2 Thiết bị dùng để kiểm tra cấu trúc hình thái vật liệu 32 v 2.1.3 Thiết bị dùng để đo tính chất điện vật liệu 33 2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 35 2.3 Cấu trúc, hình thái vật liệu 38 2.4 Kết luận 40 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG NANO CACBON ĐA VÁCH DẠNG THƠNG THƯỜNG VÀ DẠNG OXI HĨA LÊN SỰ CHUYỂN PHA CỦA VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN TGS 41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Khảo sát chuyển pha vật liệu nanocomposite MWCNT/TGS OMWCNT/TGS 42 3.3 Khảo sát vòng điện trễ P-E 45 3.4 Kết luận 49 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG ĐIỆN CỰC 50 4.1 Đặt vấn đề 50 4.2 Phân tích phổ tần số kháng trở (biểu đồ Nyquist) 51 4.3 Phân tích phổ tần số điện dẫn suất 54 4.4 Phân tích phổ tần số điện môi hệ số tổn hao 56 4.5 Phân tích phổ tần số modun điện (electrical modulus) 59 4.6 Kết luận 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 Kết luận 62 Hướng phát triển 62 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 69 Phụ lục 1: Bài báo khoa học 69 Phụ lục 2: Kết số liệu thí nghiệm 75 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 97 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thiết lập phát triển tinh thể Hình 1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào hệ số nhiệt điện Hình 1.3 Mạch điện tử cảm biến hồng ngoại 10 Hình 1.4 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 10 Hình 1.5 LED phát hồng ngoại 11 Hình 1.6 LED thu hồng ngoại 11 Hình 1.7 Sự phát triển theo thời gian vật liệu sắt điện 13 Hình 1.8 Ba khái niệm nhớ sắt điện phản ứng dòng điện tương ứng với thời gian điện áp: (a) FeRAM, (b) FeFET, (c) FTJ 13 Hình 1.9 Vật liệu sắt điện biểu đồ Venn lớp điện mơi 15 Hình 1.10 Để đạt thiết bị điện tử mạnh mẽ với nhiều chức bắt nguồn từ kết hợp vật liệu nano khác 18 Hình 1.11 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ống nano 21 Hình 1.12 Sơ đồ Ống Nano cacbon đơn vách(SWCNT)(A)và ống Nano cacbon đa vách(MWCNT)(B) thể kích thước chiều dài, đường kính khoảng cách lớp ống Nano cacbon đa vách 22 Hình 1.13 Ống nano cacbon đa vách 23 Hình 1.14 Các trạng thái zigzag ống nano cacbon 24 Hình 1.15 Cấu trúc vi mô vật liệu tổng hợp nano CNT graphene, cho thấy chất độn cacbon (đường liền nét màu đen) môi trường hiệu ba đường dẫn màu (một đường dọc hai đường ngang, đường đứt nét màu đỏ) 25 Hình 1.16 Hình ảnh kính hiển vi đại diện (A) cho thấy mạng MWCNT đo vị trí khác (B) đồ thị I-V chuẩn hóa tương ứng cho kim loại 27 Hình 1.17 Hệ thống vật liệu ống Nano cacbon cho ứng dụng điện tử 28 Hình 2.1 Máy sấy từ gia nhiệt 30 Hình 2.2 Máy phát siêu âm 31 Hình 2.3 Hệ thống đo tính chất điện vật liệu Solartron cấu thành từ modun Solartron SI 1260 (1) modun mở rộng Solartron 1296 (2) đặt phòng nghiên cứu thực nghiệm, ĐH Tổng hợp quốc gia Voronezh, Liên Bang Nga 34 Hình 2.4 Quy trình tổng hợp vật liệu nanocomposite OMWCNT/TGS 37 Hình 2.5 Ảnh chụp kích thước nano kính hiển vi điện tử quét (SEM) nanocomposite MWCNT/TGS OMWCNT/TGS 38 vii pin Tuy nhiên, pin phải thay sạc lại sau hết pin trở ngại việc nhận biết thiết bị điện tử đeo ln hoạt động Để giải vấn đề này, cần phát triển hệ thống thu hoạch lượng thu hoạch tái sử dụng nguồn lượng từ môi trường xung quanh Máy thu hoạch lượng chuyển đổi nguồn lượng môi trường khác căng thẳng học, rung động, ánh sáng nhiệt, v.v thành lượng điện Mỗi nguồn lượng chuyển đổi thành lượng điện tượng vật lý ghép đôi áp điện, quang điện nhiệt điện (hoặc nhiệt điện) phóng điện [28] Một số vật liệu nhiệt điện vật liệu sắt điện mà phân cực bị đảo ngược nhiệt điện bên ngồi Do đó, vật liệu chất sắt điện có nhiệt điện áp điện Mối quan hệ họ minh họa biểu đồ Venn Hình 1.9 Hình 1.9 Vật liệu sắt điện biểu đồ Venn lớp điện môi [28] Kết luận vật liệu sắt điện thu hoạch lượng: Thu hoạch lượng tận dụng nguồn lượng khác nhau, bao gồm lượng học, nhiệt lượng mặt trời Mỗi nguồn lượng chuyển đổi thành điện lượng thông qua tượng vật lý kết hợp, nguyên tắc giống nhau: biến đổi nội mômen lưỡng cực [29] Trước đây, việc giới thiệu vật liệu sắt điện cho máy thu lượng tăng mơmen lưỡng 15 cực điện thiết bị phân cực mạnh vật liệu sắt điện để nâng cao hiệu suất chuyển đổi 1.2 Tổng quan vật liệu Nano ứng dụng lĩnh vực điện – điện tử Ngày nay, vật liệu điện – điện tử nói chung vật liệu sắt điện nói riêng ngày trở nên thơng minh hơn, kích thước nhỏ gọn lại tích hợp nhiều tính Để làm điều này, phương pháp đơn giản hiệu cải tiến tính chất điện vật liệu truyền thống sẵn có nhờ kết hợp với nhiều vật liệu khác có cấu trúc nano Sự tiến công nghệ đại thúc đẩy đáng kể khái niệm thu nhỏ thiết bị điện tử ba chiều với mạch logic nhúng cho phép vô số ứng dụng bao gồm thiết bị hiển thị, thiết bị điện tử đeo thiết bị y sinh Những cải tiến vật liệu nano vào nhiều ứng dụng bao gồm quang điện tử tốc độ cao điện tử Hiệu suất đáng ý thiết bị điện tử nano kết hợp tinh vi lớp hợp chất lại với mang lại chức tuyệt vời chúng Các thiết bị hệ lưu trữ điện tử tốc độ cao mở rộng ranh giới vượt ngồi vi xử lý chứa hàng triệu "bóng bán dẫn" cấu trúc nano ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị tương lai Sự tinh vi phát triển ngành công nghiệp thiết bị điện tử thách thức nhà khoa học nghiên cứu để đạt thiết bị hiệu suất bền vững lâu [30] 16 Bảng 1.1 Danh sách ứng dụng tiềm theo nhu cầu ngành lĩnh vực vật liệu kỹ thuật nano Mục đích cụ thể Thiết bị quang/ điện tử Chất độn dẫn điện x Màn hình hiển thị x Đầu dị điện tử nano x Cực âm tổng hợp nano x Cực âm tổng hợp nano cho lị vi sóng máy phát điện Bộ nhớ điện tử đơn kích thước nano Cấu trúc nano nhúng cho cổng logic Máy tính lượng tử thiết bị Quang tử nano tinh thể/ Thiết bị Cảm biến nano Lưu trữ lượng / Cung cấp Lớp phủ điện tử x x x x x x Tụ điện nano công suất cao x Pin nhiên liệu nano x Tế bào nano x Lớp phủ nano cho phục hình Lớp phủ nano chống trầy xước x x Kính hiển vi lực nguyên tử x 17 Đối với Nano điện tử tốc độ cao Vật liệu nano điều khiển điện điều cần thiết thành phần để thực hóa thành công thiết bị điện tử kỹ thuật nano Đó coi tiền đề để nghiên cứu loạt ứng dụng thực tế điện tử nano tốc độ cao Ngày nay, vật liệu kỹ thuật nano lai quan tâm chúng kiểm sốt đặc tính điện đóng góp từ thành phần để có tính mạnh hiệu [31] Vật liệu kỹ thuật nano lai (Hybrid nanoengineered materials) định nghĩa kết hợp hai nhiều vật liệu nano đa hệ thống nano Hình 1.10 Để đạt thiết bị điện tử mạnh mẽ với nhiều chức bắt nguồn từ kết hợp vật liệu nano khác [31] Điện tử tốc độ cao công suất thấp tập trung vào vật liệu điện tử nonsilicon làm thành phần trở thành xu hướng thiết bị điện Công nghệ ngày địi hỏi tích hợp mạch sử dụng cơng nghệ để có độ dài kênh nhỏ 20 nm giới hạn bên MOSFET CMOS thông thường Việc giảm quy mô cần thiết thiết bị điện tử ảnh hưởng đến nhu cầu đáp ứng ngành cơng nghiệp:  Các bóng bán dẫn nhỏ mang lại kết nối ngắn mạch wafer (một mảnh mỏng vật liệu bán dẫn) dẫn đến mạch chi phí thấp 18  Các bóng bán dẫn nhỏ kết nối ngắn mang lại điện dung thấp mạch tích hợp tốc độ cao  Các bóng bán dẫn nhỏ yêu cầu điện áp cung cấp lượng thấp mức tiêu thụ điện thấp  Hiệu việc tiêu thụ điện tĩnh động  Hệ thống sưởi tuần hoàn hiệu thoát nước tốt  Giảm điện trường oxit giảm rò rỉ dòng điện Cấu trúc thiết bị nano màng mỏng tích hợp chip Si có xâm nhập vào ngành cơng nghiệp bán dẫn Các ứng dụng gần bao gồm chuyển mạch cực nhanh, máy dò từ trường nhiệt độ phòng giá rẻ, ống nano áp điện cho hệ thống vi lưu (kiểm sốt dịng chảy chất lỏng đo micro, nano), làm mát điện cực cho máy tính, Cơng nghệ siêu âm (Chất sắt điện tử màng mỏng thể giảm nhiều số điện môi với ứng dụng điện áp bình thường) tụ điện cho truy cập ngẫu nhiên cho nhớ (RAM, DRAM, MRAM, FeRAMs) Cuối cùng, phát xạ điện tử từ chất sắt điện tử mang lại giá rẻ, thiết bị vi sóng cơng suất cao tia Xquang thu nhỏ  Ứng dụng dây Nano: Dây nano có nhiều ứng dụng lĩnh vực điện tử, pin nhiên liệu, pin, khí động học, nơng nghiệp, cơng nghiệp thực phẩm thuốc, v.v Dây nano nắm giữ tính chất hóa học, vật lý học khác Hơn nữa, khả định hình vượt trội chúng, chất kết hợp thơng thường bị chia tách dây nano [32] Các Transistor bán dẫn thu nhỏ thành cụm lắp ráp hệ thống điện tử tạo thiết bị ngày nhỏ hơn, thách thức để tạo đường giao chất lượng cao Việc thay đổi tỷ lệ xúc tác vật liệu để thu khoảng cách ngắn khoảng 10 nm Các nhà nghiên cứu đạt sở cách chế tạo bóng bán dẫn khơng mối nối có tính chất điện thơng thường Chúng có 19 thể hoạt động nhanh tiêu thụ cơng suất bóng bán dẫn thông thường khác thị trường hôm Thiết bị bao gồm ống nano silicon bên dịng điện điều khiển cổng silicon có lớp vật liệu cách nhiệt mỏng Tuy nhiên, tồn lớp vật liệu không khiết, làm cạn kiệt số lượng điện tử vùng ống nano lớp Cũng thế, thiết bị hoạt động bóng bán dẫn hồn hảo có đặc tính điện gần lý tưởng, khơng bị khỏi rị rỉ dịng điện thiết bị thông thường, hoạt động nhanh tiêu thụ lượng  Ứng dụng vật liệu nano ngành kỹ thuật điện, điện tử Vật liệu graphene (kiểu cấu tạo từ nguyên tử cacbon liên kết với theo kiểu hình lục giác tuần hồn) có độ dày ngun tử cacbon phân loại vật liệu nano - vật liệu có kích thước bên ngồi có kích thước nhỏ 100nm Mặc dù có kích thước nhỏ vật liệu nano mang đầy tiềm cho tương lai ngành điện tử, tạo thiết bị nhanh hơn, nhỏ mạnh Chính nhờ đặc tính vật lý chúng mà vật liệu nano graphene có nhiều tiềm ngành công nghiệp điện tử Sử dụng đặc tính độc đáo chúng, vật liệu nano tạo thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhẹ hơn, sử dụng tài nguyên để xây dựng cải thiện độ xác việc xây dựng mạch xuống cấp độ nguyên tử Vật liệu nano có xu hướng mở rộng ranh giới cho nghiên cứu phát triển xa tương lai ngành điện tử nói riêng ngành cơng nghiệp khác nói chung Vât liệu cacbon ứng dụng vào ngành điện tử bao gồm máy dò, điều biến, máy chụp ảnh, cảm biến máy thu phát Vật liệu cacbon sử dụng cho thiết bị điện tử quang học quang tử Tấm nannocacbon _graphene hấp thụ loạt bước sóng quang học từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa - cho phép truyền thông băng thông siêu rộng 20 Trong ứng dụng thiết bị quang học, Tấm nannocacbon _graphene biến đổi gần tất ánh sáng mà nhận thành tín hiệu điện Đặc điểm dẫn đến thiết bị tiêu thụ điện hoạt động hiệu Với độ mỏng, độ bền độ đàn hồi cực cao cảu vật liệu nano cacbon, nên ứng dụng cho thiết bị điện tử linh hoạt, đeo được, hàng dệt dẫn điện, thiết bị điện tử cho sản phẩm thông minh dùng lần - bao bì thơng minh 1.3 Ứng dụng ống nano cacbon lĩnh vực điện-điện tử Ống nano cacbon đa vách biết đến với ứng dụng bật chắn nhiễu điện từ, chuyển hóa lượng, tụ điện, cảm biến v.v Ưu điểm bật ống nano cacbon nằm khả dẫn điện tốt, độ bền nhiệt – điện cao, có độ rộng bề mặt lớn nhờ kích thước nano với mật độ thấp giúp tương tác điện dễ dàng, từ giúp cải tiện đáng kể tính chất điện vật liệu chứa Hình 1.11 Hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ống nano [33] 21  Khái niệm ống nanocacbon Ống nano cacbon (CNTs) ống làm cacbon với đường kính thường đo nanomet Ống nano cacbon thường dùng để ống nano cacbon vách (SWCNTs) với đường kính phạm vi nanomet Trong buồng hồ quang cacbon tương tự buồng sử dụng để sản xuất fullerene (những phân tử cấu thành từ ngun tử cacbon có hình dạng giống bóng đá nhỏ) Các ống nano cacbon vách dạng thù hình cacbon, trung gian lồng fullerene graphene phẳng Các ống nano cacbon vách lý tưởng hóa hình cắt từ mạng lục giác hai chiều nguyên tử cacbon cuộn lại dọc theo vectơ mạng lục giác để tạo thành hình trụ rỗng Trong cấu trúc này, điều kiện biên tuần hoàn áp đặt theo chiều dài vectơ cuộn lên để tạo mạng tinh thể xoắn nguyên tử cacbon liên kết liền mạch bề mặt hình trụ [33] Hình 1.12 Sơ đồ Ống Nano cacbon đơn vách(SWCNT)(A)và ống Nano cacbon đa vách(MWCNT)(B) thể kích thước chiều dài, đường kính khoảng cách lớp ống Nano cacbon đa vách [33] 22 Ống nano cacbon thường dùng để ống nano cacbon đa vách (MWCNTs) bao gồm ống nano cacbon đơn vách lồng liên kết yếu với Tương tác khuếch tán cấu trúc giống vòng Chiều dài ống nano cacbon tạo phương pháp sản xuất thông thường thường không báo cáo, thường lớn nhiều so với đường kính Do đó, nhiều mục đích, hiệu ứng cuối bị bỏ qua chiều dài ống nano cacbon cho vô hạn Các ống nano cacbon thể khả dẫn điện đáng kể, ống khác chất bán dẫn Chúng có độ bền kéo độ dẫn nhiệt cao cấu trúc nano chúng độ bền liên kết nguyên tử cacbon Ngồi ra, chúng biến đổi mặt hóa học Những đặc tính kỳ vọng có giá trị nhiều lĩnh vực cơng nghệ, chẳng hạn điện tử, quang học, vật liệu composite (thay bổ sung cho sợi cacbon), công nghệ nano ứng dụng khác khoa học vật liệu Hình 1.13 Ống nano cacbon đa vách [33] Việc xếp mạng lục giác dọc theo hướng khác để tạo thành ống nano cacbon đơn vách dài vô hạn khác cho thấy tất ống khơng có hình xoắn ốc mà cịn có đối xứng tịnh tiến dọc theo trục ống nhiều ống cịn có đối xứng quay khơng nhỏ trục 23  Cấu Trúc ống Nano cacbon: Cấu trúc ống nano cacbon đơn vách lý tưởng mạng tinh thể lục giác vẽ bề mặt hình trụ vơ hạn, có đỉnh vị trí ngun tử cacbon Vì độ dài liên kết cacbon-cacbon cố định, nên có hạn chế đường kính hình trụ xếp nguyên tử Trong nghiên cứu ống nano, định nghĩa đường ngoằn ngoèo mạng tinh thể graphene (tấm phẳng dày lớp nguyên tử nguyên tử cacbon) đường quay 60 độ, luân phiên trái phải, sau bước qua liên kết Trên số ống nano cacbon, có đường ngoằn ngoèo khép kín quanh ống, ống bao quanh lối kín dành cho zigzag, cho thuộc loại zigzag, ống nano dành cho zigzag Hình 1.14 Các trạng thái zigzag ống nano cacbon [33]  Các ứng dụng bật: Một trở ngại ứng dụng ống nano cacbon giá thành chúng  Phóng tĩnh điện (ESD): Áp dụng việc phóng tĩnh điện khay hợp chất ống Nano cacbon/ Nhựa PS để ứng dụng lĩnh vực điện thoại / điện tử Quá trình tạo nhiệt sử dụng rộng rãi để sản xuất khay ESD điện trở suất bề mặt khay ESD đạt 104 Ohm / cm2 24  Độ dẫn điện vật liệu nanocomposit dựa ống nano cacbon Cấu trúc vi mô vật liệu tổng hợp nano dựa ống Nano cacbon hình thành hỗn hợp hai pha, với chất độn cacbon làm thể vùi chất kết dính polyme làm chất Tất tạp chất cho có hình cầu So với ống Nano cacbon hình trụ dài, ống Nano cacbon hình cầu phẳng có hình dạng gần giống tỷ lệ khung đủ lớn Cấu trúc vi mơ thể dạng giản đồ hình bên dưới: Hình 1.15 Cấu trúc vi mơ vật liệu tổng hợp nano CNT graphene, cho thấy chất độn cacbon (đường liền nét màu đen) môi trường hiệu ba đường dẫn màu (một đường dọc hai đường ngang, đường đứt nét màu đỏ).[33]  Độ dẫn điện hiệu ống Nano cacbon Tiến hành thực hai bước để nghiên cứu liệu thực nghiệm độ dẫn điện vật liệu tổng hợp ống Nano cacbon Trong bước đầu tiên, hỗn hợp thực để đồng Sử dụng phương pháp tiếp cận hiệu quả-trung bình với điện trở giao diện độ dẫn điện giao diện Tập liệu liên quan đến ống Nano cacbon đa vách ma trận polyimide, tập thứ hai với ống Nano cacbon đơn vách ma trận polyimide  Ống Nano cacbon hình LCD LCD sản phẩm chủ đạo thị trường hình Nguyên lý LCD phân tử tinh thể lỏng (LC) hoạt động van ánh sáng để điều khiển ánh sáng Phân tử LC thường có dạng hình que dạng đĩa quay 25 điện trường Có thể thấy toàn cấu trúc bao gồm tế bào phân tử LC, điện cực suốt, mô-đun đèn nền, TFT, lọc màu, phân cực, dây kết nối, v.v Tương ứng, tìm thấy ứng dụng ống Nano cacbon phần khác hình LCD Bản thân ống Nano cacbon xem phân tử lớn giống hình que thể hành vi giống LC Các phân tử LC trộn lẫn tích hợp với ống Nano cacbon, người ta thấy LC xếp ống Nano cacbon, ống Nano cacbon sử dụng để xếp phân tử LC LC với ống Nano cacbon cho thấy hiệu suất tốt so với LC Tăng cường độ dẫn điện ống nano cacbon đa vách cách sử dụng tiếp điểm đồng kích thước nano ý nghĩa độ dẫn điện đồng tăng cường ống nano cacbon Sử dụng phép đo Quang phổ quét đường ống dựa chức làm việc kim loại, kết phép đo I-V thu thập cách sử dụng Crom (Cr) có nhiều điện trở (được biểu thị biểu đồ I-V tuyến tính hơn) so với kết thu cách sử dụng cách sử dụng Vonfram (W) đồng (Cu) Từ mong đợi điện trở đo cách sử dụng Cr thấp sử dụng cách W Cu Có thể thấy phép đo thực sử dụng W Cr có phép đo điện trở cao so với phép đo thực Cu sử dụng tất điểm thử Trong trường hợp vị trí khác biệt điện trở Cu đầu kim loại khác nằm vùng theo thứ tự - kích cỡ Cũng thấy tất năm vị trí mà điện trở đo cách dung Cu ~ 20 kΩ, với điện trở bên đầu dị Nano Do khơng quan sát thấy thay đổi điện trở tách đầu dò, cách sử dụng vonfram sử dụng Crom khác đáng kể Cần lưu ý giá trị dành cho ống Nano cacbon đa vách (trong sử dụng chất W, Cr, Cu) thay đổi độ dẫn điện tăng lên cách thay hai cách 26 Hình 1.16 Hình ảnh kính hiển vi đại diện (A) cho thấy mạng MWCNT đo vị trí khác (B) đồ thị I-V chuẩn hóa tương ứng cho kim loại [33] Bảng 1.2 Điện trở trung bình (kΩ) tương đối đo 0,1 V vị trí số vị trí cho kim loại Vị trí Các đầu riêng biệt (um) 5.80 5.41 4.87 4.50 5.57 Điện trở trung bình Tungsten (W) 510 ±7.8 190 ±3.3 73 ±1.0 33 ±0.4 34 ±1.1 Chromium (Cr) 140 ±5.3 290 ±14.1 90 ±2.1 28 ±0.8 24 ±0.2 Copper (Cu) 22 ±0.1 23 ±0.1 21 ±0.1 24 ±0.4 19 ±0.3 Ngồi ra, Ống Nano Cacbon cịn ứng dụng vật liệu ngành điện tử: Phát triển ống Nano cacbon vật liệu bán dẫn FET ( nhóm linh kiện bán dẫn loại transistor có sử dụng điện trường để kiểm sốt tác động đến độ dẫn kênh dẫn vật liệu bán dẫn) Các ống Nano cacbon Transitor trường (FET) cho thấy đặc điểm chuyển mạch đáng ý, trạng thái bật dòng điện thấp, cho thấy tốc độ FETs không cao Điều tiếp xúc nguồn / thoát kênh CNT khơng phải điện trở Có mối liên hệ điện trở với ống Nano 27 cacbon, kim loại Palladium ( kim loại màu trắng bạc bóng) sử dụng làm nguồn kênh, làm cho ống Nano cacbon Transitor trường ( FET) loại p trở nên hoàn hảo Vật liệu Ống Nano cacbon sử dụng cho mạch tích hợp Hệ thống vật liệu CNT lý tưởng phát triển cho ứng dụng điện tử kỹ thuật số dãy song song với mật độ dày đặc ống Nano cacbon đơn vách giống hệt với đường kính mật độ thích hợp xấp xỉ 150 ống μm Hình 1.17 Hệ thống vật liệu ống Nano cacbon cho ứng dụng điện tử [33] a, Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ống Nano cacbon riêng lẻ siêu dài nuôi cấy biện pháp hóa lắng đọng silicon b, Ảnh SEM màng mỏng ống Nano cacbon định hướng ngẫu nhiên chuẩn bị biện pháp phân tán ống Nano cacbon c, hình ảnh SEM chỉnh ống Nano cacbon màng mỏng d, Sơ đồ mô tả lắng đọng xác định vị trí ống Nano cacbon 28 Tuy nhiên, hệ thống vật liệu lý tưởng chưa có sẵn cho nghiên cứu Thay vào đó, ống Nano cacbon đơn vách riêng lẻ sử dụng để khám phá thiết bị vật lý giới hạn ống Nano cacbon điện tử Trong cấp độ mạch hệ thống, hệ thống vật liệu có sẵn có để xây dựng mạch tích hợp quy mô lớn màng định hướng ngẫu nhiên tạo cách sử dụng phương pháp phân tán ống Nano cacbon Kỹ thuật sử dụng ống Nano cacbon đơn vách tinh khiết giải pháp Mặc dù ống Nano cacbon đơn vách lý tưởng, chúng đắt nhiều để chuẩn bị ứng dụng mở rộng chúng khơng cần thiết 1.4 Kết luận Từ phân tích tổng quan thấy khả ứng dụng đa dạng TGS nói chung vật liệu sắt điện nói riêng, ống nano cacbon đóng vai trị quan trọng cơng nghệ kỹ thuật điện – điện tử đại Đối với TGS, nói tiềm ứng dụng bão hịa, khơng có đặc biết không tiếp tục cải tiến Trong công nghệ chế tạo cho phép kết hợp nhiều thành phần vật liệu khác kích thước nano, tạo điều kiện cho việc kết hợp nhiều tính ưu việt thành phần Đặc biệt, hiệu ứng kích thước nano giúp khám phá nhiều tính chất điện mà kích thước thơng thường khơng có Mặc dù có nhiều kết hợp TGS với vật liệu khác để nâng cao hiệu ứng dụng thực tế, nhiên chưa có kết hợp với ống nanocacbon đa vách dạng thường dạng oxi hóa Đây điểm nghiên cứu 29 ... Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã chuyên ngành: 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: Cải tiến tính chất điện vật liệu sắt điện truyền thống ống nano cacbon đa vách dạng thường dạng oxi hóa NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm... quan vật liệu sắt điện, vật liệu TGS, vật liệu nano, ống nano cacbon ứng dụng lĩnh vực điện – điện tử  Chế tạo hai loại vật liệu nanocomposite tảng sắt điện TGS kết hợp với ống nano cacbon đa vách. .. Xuất phát từ lý trên, tơi đề xuất chọn đề tài: ? ?Cải tiến tính chất điện vật liệu sắt điện truyền thống ống nano cacbon đa vách dạng thường dạng oxi hóa? ?? để nghiên cứu thực luận văn tốt nghiệp Mục