luận vănchế tạo và ứng dụng ống nanô các bon trên mũi nhọn kim loại wônfram

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN NGỌC HỒNG CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ỐNG NANÔ CÁC BON TRÊN MŨI NHỌN KIM LOẠI WÔNFRAM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN NGỌC HỒNG CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG ỐNG NANÔ CÁC BON TRÊN MŨI NHỌN KIM LOẠI WÔNFRAM Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Phan Ngọc Minh Hà Nội - 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Ngọc Minh. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Đây là những kết quả mà tôi và các cộng sự thu được sau hai năm làm luận văn tại phòng Vật lý và Công nghệ Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hà Nội, ngày tháng n ăm 2009 Tác giả Phan Ngọc Hồng MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về kỹ thuật hiển vi quét đầu dò SPM….……….…… 3 1.1.1 Hiển vi điện tử quét xuyên hầm.……………………….…… 4 1.1.2 Hiển vi lực nguyên tử AFM… ……………………….…… 8 1.1.3 Hiển vi quang học trường gần ………………………….…10 1.2 Tổng quan về vật liệu ố ng nanô các bon………………… 11 1.2.1 Các bon và các dạng thù hình của nó trong tự nhiên…… …11 1.2.2 Ống nanô các bon… …………………………………… 15 1.2.3 Một số tính chất của vật liệu ống nanô các bon…………….18 1.2.4 Ý tưởng sử dụng ống nanô các bon làm đầu dò trong hiển vi điện tử quét xuyên hầ m STM… ……………………… 24 Chương 2 - THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo mũi nhọn W bằng phương pháp ăn mòn điện hóa 26 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 26 2.1.2 Thực nghiệm chế tạo mũi nhọn W 27 2.2 Tạo xúc tác Fe trên đỉnh m ũi nhọ n W bằng phương pháp mạ đ i ệ n………………………………………………………… 29 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 29 2.2.2 Thực nghiệm tạo xúc tác Fe 29 2.3 Tạ o ố ng nanô các bon trên mũ i nhọ n W có xúc tác Fe 31 2.3.1 Nguyên lý tổng hợp ống nanô cácbon 31 2.3.2 Thực nghiệm tổng hợp ống nanô cácbon trên mũi nhọn W có xúc tác Fe 32 Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả chế tạo mũi nhọn W bằng phương pháp ăn mòn đi ện hóa……………………………… 34 3.2 Kết quả tạo xúc tác Fe trên mũi nhọn W bằng phương pháp mạ điện 38 3.3 Kết quả tổng hợp ống nanô cácbon… 45 Chương 4 – THỬ NGHIỆM SỬ DỤNG ỐNG NANÔ CÁC BON TRÊN MŨI NHỌN KIM LOẠI W LÀM NGUỒN PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ VÀ ĐẦU DÒ STM 4.1 Đặc trưng phát xạ điện tử và khả năng ứng dụng 47 4.2 Thử nghiệm ứng dụng ống nanô các bon trên mũi nhọn kim loại W làm đầu dò STM……………… 50 KẾT LUẬN DANH MỤC CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT SPM Kính hiển vi quét đầu dò STM Kính hiển vi điện tử quét xuyên hầm AFM Kính hiển vi lực nguyên tử MFM Kính hiển vi lực từ SNOM Kính hiển vi quang học quét trường gần SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua EDX Phổ phân tích thành phần nguyên tố theo năng lượng PZT Gốm áp điện NA Khẩu độ phân dải thấu kính W Wônfram CNTs Ố ng nanô cácbon SWCNT Ống nanô cácbon đơn tường MWCNT Ống nanô cácbon đa tường HF-CVD Lắng đọng pha hơi hóa học sự dụng sợi đốt làm nguồn nhiệt DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC Trang Bảng 1.1 . So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu khác Bảng 3.1. Giá trị dòng điện theo thời gian ăn mòn với điện thế nguồn 5V Bảng 3.2. Giá trị dòng điện theo thời gian ăn mòn với điện thế nguồn 12V Bảng 3.3. Bảng số liệu kết quả phân tích phổ EDX tại vùng không có hạt xúc tác Bảng 3.4. Bảng số liệu kết qu ả phân tích phổ EDX tại vùng có hạt xúc tác 23 34 34 43 43 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC Trang Hình 1.1. Sơ đồ mô tả sự xuyên hầm của điện tử qua hàng thế trong STM Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống phản hồi sử dụng trong hiển vi quét xuyên hầm Hình 1.3. Nguyên lý tạo ảnh STM trong chế độ dòng không đổi Hình 1. 4. Sự tạo ảnh STM ở chế độ khoảng cách trung bình không đổi Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi lực nguyên tử Hình 1.6. Mối quan hệ giữa lực tươ ng tác và khoảng cách giữa mũi dò và bề mặt mẫu Hình 1.7. Các trạng thái lai hóa khác nhau của nguyên tử cacbon a) sp 1 ; b) sp 2 ; c) sp 3 Hình 1.8. Cấu trúc Graphit: a) chiều đứng; b) chiều ngang Hình 1.9. a) Cấu trúc tinh thể của kim cương; b) Tinh thể kim cương tự nhiên Hình 1.10. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C 60 ; b) C 70 ; c) C 80 Hình 1.11. Ảnh TEM của MWNTs lần đầu tiên bởi Ijima năm 1991 Hình 1.12. Các dạng cấu trúc ống nanô cácbon Hình 1.13. Véc tơ chiral Hình 1.14. (a) CNTs loại amchair (5, 5); (b) zigzag (9, 0); (c) chiral (10, 5) Hình 1.15. a) Các defect ở đầu CNTs; (b) defect ở thân ống CNTs Hình 1.16. a) Cấu trúc điện tử của hàm phân bố năng lượng; b) Vùng Brillouin của graphene Hình 1.17. Hàm phân bố năng lượng a) armchair(5,5); b) zigzag (9,0); c) zigzag(10,0) Hình 1.18. Sơ đồ quy trình chế tạo đầu dò CNT/W và ứng dụng bước đầu Hình 2.1. Sơ đồ hệ ăn mòn điện hóa Hình 2.2. Quá trình ăn mòn dây W trong dung dịch ăn mòn Hình 2.3. Ảnh hệ thực nghiệm tạo mũi nhọn kim loại W Hình 2.4. Sơ đồ bố trí hệ mạ điện tạo xúc tác Fe Hình 2.5. Giải thích cơ chế mọc đầu hoặc mọc đáy của ống nanô 4 6 7 7 8 9 12 12 13 14 14 15 17 17 17 19 20 25 27 27 28 30 1 cácbon Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo và ảnh chụp thiết bị HF-CVD Hình 3.1. Ảnh SEM mũi nhọn W với thế ăn mòn 5V Hình 3.2. Ảnh SEM mũi nhọn W với thế ăn mòn 12V Hình 3.3. Mô hình tính toán kích thước đầu mũi nhọn Hình 3.4. Kích thước đầu mũi nhọn d phụ thuộc đường kính ban đầu (D) và chiều dài L phần sợi đây ngập trong dung dịch ăn mòn theo công thức (31) Hình 3.5. Ảnh SEM kích thước đầu mũ i nhọn áp dụng mô hình tính toán lý thuyết (L = 0,5 mm) Hình 3.6. Ảnh SEM kích thước đầu mũi nhọn với L = 0.5 mm Hình 3.7. Ảnh SEM xúc tác Fe được tạo ra trên mũi nhọn W Hình 3.8. Sơ đồ hệ mạ điện sử dụng tụ điện làm nguồn Hình 3.9. Ảnh SEM hạt sắt tạo ra trên mũi nhọn W Hình 3.10. Quá trình bọc sáp nến trước khi mạ tạo xúc tác nanô trên đỉnh mũi nhọn W Hình 3.11. Ảnh SEM hạt nanô sắt tạo ra trên đỉ nh mũi nhọn W Hình 3.12. Phổ EDX tại vùng không có hạt xúc tác Hình 3.13. Phổ EDX tại vùng có hạt xúc tác Hình 3.14. Ảnh SEM ống nanô cácbon trên mũi nhọn W với lớp xúc tác dạng màng Hình 3.15. Ảnh SEM ống nanô cácbon trên mũi nhọn W với lớp xúc tác dạng hạt nanô Hình 3.16. Ảnh SEM một vài ống nanô cácbon trên mũi nhọn W với lớp xúc tác dạng hạt nanô Hình 3.17. Ảnh SEM một vài ống nanô cácbon trên mũi nhọn W với lớp xúc tác dạng hạt nanô Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ đo phát xạ điện tử Hình 4.2. Đặc trưng phát xạ điện tử của mũi nhọn W và mũi nhọn CNTs/W Hình 4.3. Đồ thị biễu diễn giá trị ln(I/V 2 ) theo 1/V Hình 4.4. Thiết bị SPM tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và Linh kiện Điện tử - Viện Khoa học Vật liệu Hình 4.5. Ảnh STM bề mặt thủy tinh phủ vàng đo bằng đầu dò W ăn mòn điện hóa Hình 4.5. Ảnh STM bề mặt thủy tinh phủ vàng đo bằng đầu dò chuẩn của thiết bị 31 32 34 35 36 37 37 38 39 40 41 42 43 44 44 45 45 46 46 47 48 49 51 51 51 52 2 Hình 4.7. Ảnh STM phân giải nguyên tử của tấm graphit sử dụng mũi dò CNTs/W 52 [...]... quan tới vật liệu ống nanô các bon này cũng đã và đang được triển khai nghiên cứu Đề tài của luận văn “Chế tạo và ứng dụng ống nanô các bon trên mũi nhọn kim loại Vônfram” là một trong những hướng nghiên cứu ứng dụng trên Việc tạo ống nanô các bon trên mũi nhọn Vôfram cho phép chúng ta khai thác tính chất phát xạ điện tử dễ để làm nguồn phát xạ điện tử công suất lớn, kích thước bé ứng dụng làm nguồn phát... công nghệ chế tạo mũi nhọn W sử dụng phương pháp ăn mòn điện hóa Quy trình tạo xúc tác Fe sử dụng phương pháp mạ điện Quy trình tổng hợp ống nanô các bon trên mũi nhọn W sử dụng phương pháp HFCVD Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đánh giá các kết quả đã đạt được, các khó khăn trong quá trình nghiên cứu, đưa ra các giải pháp mới Chương 4 – THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ỐNG NANÔ CÁC BON TRÊN MŨI NHỌN KIM LOẠI W LÀ NGUỒN... siêu dẫn, chất cách điện, v.v [1] 1.2.2 Ống nanô các bon Cấu trúc: Hình 1.11 Ảnh TEM của MWNTs lần đầu tiên bởi Ijima năm 1991 [13] 13 a) Ống nanô các bon b) Ông nanô các bon đa c) Bó ống nanô cácbon đơn tường [8] tường [26] đơn tường [17] Hình 1.12 Các dạng cấu trúc ống nanô các bon Năm 1991, Ijima đã phát hiện ra vật liệu ống nanô các bon đa tường (Multi-wall carbon nanotubes - MWCNTs) (hình 1.11) Hai... của ống nanô các bon Các nghiên cứu này cho thấy CNTs là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho việc sử dụng làm nguồn phát xạ điện tử Việc kiểm nghiệm phát xạ điện tử trường được thực hiện trên những ống nanô các bon riêng biệt và những màng ống nanô các bon, với những giá trị đặc trưng của trường ngưỡng, dòng bão hoà và độ ổn định dòng được đo Những phép đo này cho biết rằng một ống nanô các bon. .. được tạo thành còn lại là một obital 2p Ba obital đồng phẳng tạo với nhau một góc 1200 và tạo thành liên kết σ khi chồng chấp với các nguyên tố các bon bên cạnh Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế tiếp Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử các bon có thể tưởng tượng giống như một tấm các bon đơn 2D phẳng Trong đó, góc liên kết tạo bởi các nguyên tử các bon là 1200 trông giống... giữa các nguyên tử các bon trong tinh thể là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền Ô mạng cơ sở kim cương được tạo thành trên cơ sở ô mạng lập phương tâm mặt có thêm bốn nguyên tử các bon bên trong Bốn nguyên tử các bon bên trong chiếm tại các vị trí tọa độ (1/4,1/4,1/4); (3/4,3/4,1/4); (1/4,3/4,3/4); (3/4,1/4,3/4) Khoảng cách giữa các nguyên tử các bon trong tinh thể là 1,544 Å Góc cố định giữa các. .. giải của các típ kim loại thông thường Không những thế, đầu dò CNT có thể cho phép tạo ảnh STM phân giải cao trong môi trường không khí, có thể cho phép tạo ảnh STM trên các mẫu cố độ gồ ghề lớn Hiện nay, các nhóm nghiên cứu trên thế giới chế tạo đầu dò CNT/W bằng phương pháp gắn dính trực tiếp CNT trên mũi nhọn W [15, 16, 23] Konishi cùng các đồng sự đã gắn dính CNT trên mũi nhọn W như sau: mũi nhọn W... giữa mũi nhọn W và CNT bằng kỹ thuật lắng đọng xung laze (Pulsed Laser Deposition) Phương pháp này cho phép tạo ra đơn ống các bon trên mũi dò, tăng khả năng bám dính và giảm điện trở tiếp xúc giữa CNTs và W Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi sử dụng thiết bị hiện đại nên chi phí sản xuất một đầu dò CNT/W rất cao Mặt khác, chỉ tạo được một đầu dò CNT/W trong một lần chế tạo và xác suất tạo đơn ống các bon. .. 1.18 là sơ đồ tóm tắt các nội dung công việc chính được thực hiện trong luận văn bao gồm: - Chế tạo mũi nhọn W từ dây W bằng phương pháp ăn mòn điện hóa - Tạo xúc tác nanô Fe trên đầu mũi nhọn W sau khi ăn mòn điện hóa bằng phương pháp mạ điện - Tổng hợp ống nanô các bon trên mũi nhọn W bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học CVD - Cuối cùng, khảo sát khả năng tạo ảnh STM và khả năng phát xạ điện... kích thước đường kính ống bé nên vật liệu ống nanô các bon có thể được sử dụng để làm đầu dò trong kính hiển vi điện tử quét đầu dò nhằm nâng cao độ phân giải của thiết bị Nội dung luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1 – TỔNG QUAN Giới thiệu chung về các loại hiển vi quét đầu dò STM, AFM, SNOM Giới thiệu về vật liệu ống nanô các bon, các phương pháp chế tạo, tính chất, ứng dụng và lý do thực hiện đề . ứng dụng ống nanô các bon trên m ũi nhọn kim loại Vônfram” là một trong những hướng nghiên cứu ứng dụng trên. Việc tạo ống nanô các bon trên mũi nhọn. 3.16. Ảnh SEM một vài ống nanô cácbon trên mũi nhọn W với lớp xúc tác dạng hạt nanô Hình 3.17. Ảnh SEM một vài ống nanô cácbon trên mũi nhọn W với lớp xúc