(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án CHUYÊN NGÀNH CNHH tìm HIỂU vật LIỆU NANOPHOTONICS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ  BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CNHH TÌM HIỂU VẬT LIỆU NANOPHOTONICS CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Trần Thị Bích Qun Ngành: CN Kỹ thuật hóa học-Khóa 45 Tháng 10/2021 LỜI CẢM ƠN Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Cần Thơ quý thầy cô thuộc khoa Công nghệ, đặc biệt thầy cô thuộc môn Công nghệ kỹ thuật hóa học trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện tốt cho nhóm chúng em hồn thành học phần đồ án chuyên ngành CNHH Đặc biệt nhóm xin gửi lời cảm ơn đến Trần Thị Bích Qun, người trực tiếp hướng dẫn nhóm thực đề tài Cô quan tâm, giúp đỡ tận tình giúp chúng em hồn thành đồ án chun ngành Cơ động lực to lớn để chúng em hồn thành nhiệm vụ mình! Trong trình thực đề tài, nhóm học hỏi nhiều kiến thức lẫn kinh nghiệm thật quý báu, từ quý thầy cơ, anh chị khóa từ bạn bè trang lứa Một lần nữa, nhóm xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, tháng 10 năm 2021 Trang i MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.3.1 Ý nghĩa khoa học 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS .3 2.1 Tổng quan công nghệ vật liệu nano 2.1.1 Khái quát công nghệ nano 2.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 2.1.3 Các thiết bị kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc nano .4 2.1.4 Hướng ứng dụng chung 2.2 Vật liệu nanophotonics 2.2.1 Sơ lược vật liệu nanophotonics 2.2.1.1 Giới thiệu vật liệu photonics 2.2.1.2 Tìm hiểu vật liệu nanophotonics 2.2.2 Tính chất, cấu trúc nanophotonics 10 2.2.2.1 Cấu trúc nanophotonics 10 2.2.2.2 Tính chất tổng hợp ổn định chức hoạt hóa hạt nano 11 2.2.2.3 Sự đa dạng hạt nano cách để xây dựng vật liệu 12 2.3 Ứng dụng vật liệu nanophotonics 13 2.3.1 Ứng dụng quang học 13 2.3.1.1 Cấu trúc định kỳ chống phản xạ 13 2.3.1.2 Kiểm soát bề mặt gồ ghề với số liệu thống kê 14 2.3.1.3 Interconnects 14 2.3.1.4 Chức quang học khác 14 2.3.2 Pin lượng mặt trời 14 2.3.3 Cảm biến 16 2.3.4 Sản xuất chip với mạng lưới thần kinh nhân tạo quang học 17 2.3.5 Y sinh 18 2.3.6 Các ứng dụng khác 21 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOPHOTONICS 22 3.1 Phương pháp mẫu 22 Trang ii 3.1.1 Mẫu cứng 22 3.1.1.1 Màng khắc theo dõi hạt (PTMs) 22 3.1.1.2 Màng Anodic Aluminum Oxide (AAO) 23 3.1.2 Mẫu mềm 24 3.1.2.1 khối Copolymer làm khuôn mẫu 24 3.1.2.2 Chất hoạt động bề mặt chất kết tụ dạng mẫu 25 3.1.2.3 Tinh thể lỏng làm mẫu 26 3.1.2.4 Sợi nanopolymer làm mẫu 26 3.1.2.5 Các phân tử sinh học làm mẫu 26 3.2 Phương pháp Electrospining 26 3.3 Kỹ thuật Nanolithography 27 3.3.1 Quang khắc chùm điện tử (EBL) 28 3.3.2 Phương pháp in đầu dò quét (SPL) 28 3.3.3 In Nanoimprint kỹ thuật in mềm 29 3.3.4 Kỹ thuật in giao thoa 29 3.4 Kỹ thuật ghi trực tiếp laser (DLW) 29 3.5 Các loại khác Photonic crystals (PCs) 29 3.5.1 PCs kim loại 30 3.5.2 PCs điều chỉnh 30 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Trang iii DANH SÁCH HÌNH Hình 2-1 Ứng dụng cơng nghệ nano sống Hình 2-2 Một ngun mẫu chip quang tử silicon tập đoàn IBM phát triển Hình 2-3 Những mạng lưới thần kinh chip quang tử tận dụng tảng chip silicon quang tử, để truy cập vào khả việc xử lý thông tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, tính tốn khoa học Hình 2-4 Laser tinh thể quang tử cơng suất cao Hình 2-5 Đèn LED khơng có (bên trái) có (bên phải) tăng cường phát xạ có tán xạ ánh sáng từ hạt nano Ag nhúng Hình 2-6 Tấm silicon đen với bề mặt quang học điện môi (bên phải) (bên trái) bề mặt quang điện mơi để tăng cường ghép bẫy ánh sáng lượng mặt trời Hình 2-7 Cấu trúc phân tử nanophotonic Hình 2-8 Cấu trúc 3D phân tử nano định hướng nguyên tố Hình 2-9 (a) Độ suốt cánh ve sầu (b) Cấu trúc nano cánh ve sầu Hình 2-10 (a) Ảnh chụp TEM đầu phẳng cắt ngắn (b) Chi tiết đầu phẳng (c) Bề mặt gồ ghề Hình 2-11 a) Sơ đồ khái niệm nanophotonic-ferroelectric cho TNPh, b) Con đường lắng đọng dẫn đến TNPh, c) Ảnh chụp nguyên mẫu TNPh-pyro Hình 2-12 a) Sơ đồ ba chiều thiết kế nanophotonic cho TNPh, b) Ảnh SEM mặt cắt TNPh, c) Bề mặt TiO2/Cu trung tính, d) Hình ảnh TEM SiO2 Hình 2-13 a) Mẫu nhà có mái che lắp đặt TNPh (trái) cửa sổ kính (phải) c) Hình ảnh hồng ngoại hai nhà chụp lúc 11:30 Hình 2-14 Các thành phần tảng cảm biến quang tử tích hợp biểu diễn dạng giản đồ Tín hiệu quang bị ảnh hưởng vùng tương tác chế cảm biến đầu từ giai đoạn phân tích loạt phổ cách sử dụng quang phổ kế chip để nhận dấu hiệu định trình cảm biến để lại Hình 2-15 Bố trí thí nghiệm - với bước sóng ánh sáng 637nm chuẩn trực phân cực với điện trường song song với đường cách tử trước qua đĩa Petri có chứa tế bào HeLa cố định phía NEC Khi qua NEC, ánh sáng thu vật kính × 20 chụp ảnh máy ảnh Trang iv Hình 2-16 Hình 3-1 Hình 3-2 Hình 3-3 Hình 3-4 Hình 3-5 Ảnh thu kính hiển vi NEC (a) hình ảnh kiến hiển vi thơng thường (d), hình ảnh kiến hiển vi huỳnh quang (e) (A-D) Hình ảnh kính hiển vi điện tử mẫu cứng: (A) Hình ảnh SEM màng khắc theo vết hạt (PTM) với đường kính lỗ rỗng μm; (B) Hình ảnh TEM than chì PTM có lỗ rỗng đường kính 30 nm; (F) Sơ đồ tổng hợp dây nano ống nano với hỗ trợ mẫu cứng polycarbonate khắc rãnh (PC) (C) Hình ảnh SEM oxit nhơm anốt (AAO) màng có đường kính lỗ 70 nm (D) TEM hình ảnh Màng AAO cắt đoạn với đường kính lỗ 10 nm (A) Minh họa việc chế tạo khối copolymer mẫu mảng mật độ siêu cao nano polymer dẫn điện (B) Hình ảnh SEM khn mẫu nano xốp nano PPy: (a) mặt (b) hình ảnh mặt cắt màng hỗn hợp polystyrene-block-poly (methyl methacrylate) (PS-bPMMA) PS-b-PMMA /Poly(methyl methacrylate) PMMA kính ITO; (c) (d) hình ảnh mặt cắt ngang nano PPy sau loại bỏ mẫu (A) Minh họa trình tổng hợp ống nano PPy (2) hỗ trợ chất hoạt động bề mặt (B) (a) Ảnh SEM (b) TEM ống nano PPy (2) Mô tả khối thiết bị quay điện Trang v DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT AAO Anodic Aluminum Oxide AR Anti-reflection AFM Atomic Force Microscopy DIC Differential interference contrast DNA Deoxyribonucleic Acid DLW Direct Laser Writing EBL Electron Beam Lithography IL Interference Lithography LCs Liquid Crystals NMR Nuclear magnetic resonance NSOM Near-field scanning optical microscopy NIR Near-infrared radiation NEC The nanophotonics enhanced coverslip PTMs Particle Track-Etched Membranes PC Photonic Crystal PCs Photonic Crystals PBG Photonic Band Gap PCFs Photonic crystal fibres PTM Particle Track Membrane PTMs Particle Track Membranes RNA Ribonucleic Acid STM Scanning Tunneling Microscope SEM Scanning Electron Microscopy SPP Surface plasmon polariton SPL Scanning Probe Lithography TEM Transmission Electron Microscopy TNPh The thermal nanophotonic TNPh-pyro Thermal Nanophotonic-pyroelectric Trang vi Chương 1: Đặt vấn đề CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài Bước vào kỉ XXI, với xu hướng giới nước ta tiến bước nhảy vọt cách mạng khoa học kỹ thuật, ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhằm nâng cao chất lượng sống sản xuất Và nước ta – nước phát triển trình đẩy mạnh phát triển ngành cơng nghiệp việc nghiên cứu, cải tiến tìm nguồn vật liệu ngày quan tâm đầu tư hoàn chỉnh nhằm nâng cao suất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thiểu chi phí sản xuất Với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, đời cơng nghệ nano bệ phóng giúp người giải nhiều vấn đề khó khăn mà từ trước đến chưa thể giải Hiện nay, nhiều kết nghiên cứu nhà khoa học nước cho đời sản phẩm nano phục vụ cho nhiều lĩnh, nhằm nâng cao suất, chất lượng sản phẩm, cung cấp vật liệu mới, nói đến việc ứng dụng công nghệ nano nghiên cứu sản xuất vật liệu Nanophotonics Nanophotonics lên lĩnh vực thú vị liên quan đến tương tác ánh sáng vật liệu cấu trúc nano Những nghiên cứu nguồn vật liệu có tiềm nhiều lĩnh vực điện, điện tử, quang học… “Nanophotonics” coi lĩnh vực khoa học nghiên cứu tương tác ánh sáng với cấu trúc nano bao gồm hạt nano điện mơi có giá trị chiết suất cao (chỉ số cao) Với đặc tính tiêu biểu nanophotonics nguồn vật liệu đầy tiềm - khắc phục hạn chế nguồn vật liệu trước Chính lý trên, nhằm để tìm hiểu rõ phương pháp tổng hợp, quy trình sản xuất ứng dụng nanophotonics khả áp dụng chúng thực tiễn, nhóm tiến hành tìm hiểu đề tài: “Tìm hiểu vật liệu nanophotonics” 1.2 Mục tiêu đề tài Tìm hiểu tính chất, cấu trúc vật liệu Nanophotonics Phương pháp tổng hợp vật liệu Nanophotonics Ứng dụng vật liệu Nanophotonics Trang Chương 1: Đặt vấn đề 1.3 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.3.1 Ý nghĩa khoa học Tổng hợp kiến thức giới thiệu cách tổng quát công nghệ nano vật liệu Nanophotonics cần cho nghiên cứu Cho thấy tiềm phát triển vật liệu nanophotonics sức ảnh hưởng sâu rộng lĩnh vực nanophotonics liên quan đến lĩnh vực vật lý, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện quang, kỹ thuật quy trình kỹ thuật y sinh phát triển cách nhanh chóng từ thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu tương lai Ngoài đề tài tìm hiểu số phương pháp tạo vật liệu với kích thước nano để ứng dụng cho vật liệu nanophotonics 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn Thông qua đề tài nhóm giúp nắm số kiến thức công nghệ nano vật liệu Nanophotonics Ngoài biết thêm số phương pháp sản xuất vật liệu với kích thước nano Ngồi ra, nhìn thấy đa dạng lĩnh vực vật liệu nanophotonics từ có tư liệu để tiến hành tìm hiểu thêm lĩnh vực Kết đồ án tìm hiểu vật liệu nanophotonics hy vọng sở để giảng viên sinh viên tham khảo trình giảng dạy học tập Trang Chương 2: Tổng quan vật liệu nanophotonics CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS 2.1 Tổng quan công nghệ vật liệu nano 2.1.1 Khái quát công nghệ nano Công nghệ nano việc sử dụng loại vật chất quy mô nguyên tử, phân tử siêu phân tử cho mục đích sử dụng nhiều lĩnh vực khác Thông tin phổ biến sớm công nghệ nano đề cập đến mục tiêu công nghệ cụ thể thao tác xác nguyên tử phân tử để chế tạo sản phẩm có quy mơ vĩ mơ, ngày cịn gọi công nghệ nano phân tử Sau này, mô tả khái quát công nghệ nano thiết lập định nghĩa công nghệ nano điều khiển vật chất với kích thước có kích thước từ đến 100 nanomet Định nghĩa phản ánh thực tế hiệu ứng lượng tử quan trọng quy mô lĩnh vực lượng tử này, định nghĩa chuyển từ mục tiêu công nghệ cụ thể sang hạng mục nghiên cứu bao gồm tất loại nghiên cứu cơng nghệ xử lý tính chất đặc biệt vật chất ngưỡng kích thước cho "Cơng nghệ nano" "cơng nghệ kích thước nano" để phạm vi rộng nghiên cứu ứng dụng có đặc điểm chung kích thước Cơng nghệ nano xác định theo kích thước rộng lớn cách tự nhiên, bao gồm nhiều lĩnh vực khoa học đa dạng như: hóa học hữu cơ, sinh học phân tử, vật lý bán dẫn, lưu trữ lượng, kỹ thuật, chế tạo vi mô, kỹ thuật phân tử Các nghiên cứu ứng dụng liên quan đa dạng nhau, từ mở rộng thiết bị vật lý thông thường đến cách tiếp cận hồn tồn dựa q trình tự lắp ráp phân tử, từ việc phát triển vật liệu với kích thước quy mơ nano đến điều khiển trực tiếp vật chất quy mô nguyên tử Những tác động công nghệ nano tương lai thể rõ ràng Công nghệ nano tạo nhiều vật liệu thiết bị với nhiều ứng dụng, chẳng hạn y học nano, điện tử nano, sản xuất vật liệu sinh học, lượng sản phẩm tiêu dùng 2.1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano Phương pháp từ xuống Nguyên lý: phương pháp dùng kỹ thuật nghiền, kỹ thuật xử lý học để làm biến đổi vật liệu dạng khối kích thước lớn thành hạt có kích thước nano Trang Chương 2: Tổng quan vật liệu nanophotonics mạch điện hoạt động giống tế bào thần kinh, cịn gọi chip neuromorphic (chip mô não người) [36] Alexander Tait đồng nghiệp Đại học Princeton New Jersey, Mỹ tạo chip neuromorphic tích hợp quang tử silicon (integrated silicon photonic neuromorphic chip), cho thấy tốc độ tính tốn siêu nhanh Mạng lưới thần kinh mở hội cho chip quang tử “Những mạng lưới thần kinh chip quang tử tận dụng tảng chip silicon quang tử, để truy cập vào khả việc xử lý thông tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, tính tốn khoa học” Điện tốn quang học từ lâu giấc mơ vĩ đại khoa học máy tính Các lượng tử ánh sáng có băng thơng nhiều đáng kể so với electron (các điện tử) xử lý nhiều liệu nhanh Nhưng ưu điểm hệ thống xử lý liệu quang học chưa đủ bù đắp chi phí tăng thêm làm chúng, chúng chưa chấp nhận rộng rãi Tuy nhiên, điều bắt đầu thay đổi vài lĩnh vực điện tốn, ví dụ xử lý tín hiệu analog, vốn ln địi hỏi tốc độ xử lý đặc biệt nhanh mà có chip quang tử đáp ứng Không vậy, mạng lưới thần kinh mở hội cho chip quang tử “Những mạng lưới thần kinh chip quang tử tận dụng tảng chip silicon quang tử, để truy cập vào khả việc xử lý thông tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, tính tốn khoa học.” Tait đồng nghiệp cho biết Điện toán quang học từ lâu giấc mơ vĩ đại khoa học máy tính Các lượng tử ánh sáng có băng thơng nhiều đáng kể so với electron (các điện tử) xử lý nhiều liệu nhanh Ví dụ: xử lý tín hiệu analog, vốn ln địi hỏi tốc độ xử lý đặc biệt nhanh mà có chip quang tử đáp ứng [36] 2.3.5 Y sinh Lớp phủ nâng cao Nanophotonics cho hình ảnh pha sinh học Khả hình dung vật thể suốt tế bào sinh học có tầm quan trọng sinh học chẩn đoán y tế Các phương pháp tiếp cận thông thường để đạt điều bao gồm kính hiển vi tương phản pha kỹ thuật dựa phương pháp nhuộm hóa học tế bào sinh học [37] Tuy nhiên, kỹ thuật dựa vào thành phần quang học đắt tiền cồng kềnh số trường hợp, làm hỏng tế bào cách đưa vào chất tương phản hóa học Những tiến đáng kể gần Trang 18 Chương 2: Tổng quan vật liệu nanophotonics công nghệ chế tạo nano cho phép cấu trúc vật liệu quy mô nano với độ xác chưa có Điều làm nảy sinh lĩnh vực siêu quang học mang tính cách mạng nhằm mục đích phát triển thành phần quang học siêu nhỏ gọn thay phận quang học số lượng lớn chúng, chẳng hạn thấu kính lọc quang học Những thiết bị siêu quang thể đặc tính khác thường mà gần chúng thu hút quan tâm giới khoa học tảng cho ứng dụng hình ảnh Trong báo xuất Light Science & Applications, nhóm nhà khoa học thuộc trung tâm Australian Research Council Center of Excellence, phát triển kính hiển vi siêu nhỏ gọn, có cấu trúc nano bìa mềm cho phép hình dung tế bào sinh học chưa nhuộm màu Thiết bị gọi che phủ nâng cao quang âm nano (NEC) bổ sung khả chụp ảnh theo pha cho che kính hiển vi thơng thường Trong nghiên cứu mình, nhà nghiên cứu chứng minh cần đặt tế bào sinh học lên NEC, hình ảnh 3D giả có độ tương phản cao tế bào khơng nhìn thấy thu Các nhà khoa học sử dụng ví dụ tế bào ung thư người (tế bào HeLa) để chứng minh tiềm phương pháp hình ảnh giai đoạn Phương pháp khơng cho phép hình dung hình dạng chung tế bào ung thư mà cịn giúp hiển thị chi tiết nhân tế bào Ví dụ tế bào ung thư người (tế bào Hela) [37] Tấm che phủ tăng cường quang âm nano (NEC) bổ sung khả chụp ảnh theo pha cho che kính hiển vi thơng thường, thu nhỏ phương pháp tạo ảnh theo pha cồng kềnh xuống kích thước chip Thiết kế dày 200 nm bao gồm khoảng cách bước sóng bước sóng màng mỏng quang học, hỗ trợ chất thủy tinh Ví dụ hình ảnh pha tế bào ung thư người (tế bào HeLa) NEC Bằng cách đặt đĩa Petri có chứa tế bào ni cấy trực tiếp lên NEC, hình ảnh 3D giả tế bào tạo Hình ảnh thu tương tự hình ảnh thu kỹ thuật tạo ảnh pha thơng thường kính hiển vi cản quang giao thoa vi sai (DIC) Trong hình ảnh tham chiếu, ghi lại mà khơng có NEC, khơng nhìn thấy [37] Việc sử dụng thiết bị NEC khơng cho phép hình dung hình dạng chung tế bào mà đặc điểm bên nhân tế bào Điều xác nhận thông qua so sánh với hình ảnh thu qua kính hiển vi DIC thơng thường kính hiển vi huỳnh quang Trang 19 Chương 2: Tổng quan vật liệu nanophotonics Hình 2-15 Bố trí thí nghiệm - với bước sóng ánh sáng 637 nm chuẩn trực phân cực với điện trường song song với đường cách tử trước qua đĩa Petri có chứa tế bào HeLa cố định phía NEC Khi qua NEC, ánh sáng thu vật kính × 20 chụp ảnh máy ảnh [38] Hình 2-16 ảnh thu kính hiển vi NEC (a) hình ảnh kiến hiển vi thơng thường (d), hình ảnh kiến hiển vi huỳnh quang (e) [38] Đây bước đột phá lĩnh vực chụp ảnh theo pha khơng cần phải nhuộm hóa học, thành phần quang học số lượng lớn xử lý sau máy tính trường hợp phương pháp thơng thường Nghiên cứu chứng minh phương pháp hình ảnh theo giai đoạn hồn tồn có tiềm đáng kể để trở Trang 20 Chương 2: Tổng quan vật liệu nanophotonics thành phần hệ thống hình ảnh sinh học cơng cụ chẩn đốn y tế di động tương lai [37] 2.3.6 Các ứng dụng khác Từ chức quang học điện tử đến hình ảnh cho sinh học, từ quan sát nâng cao đèn huỳnh quang kỹ thuật bẫy ánh sáng cho pin mặt trời từ tàng hình quang học đến quang học lọc, quang học nano công nghệ then chốt ứng dụng nhiều lĩnh vực Hiện nay, nhiều nghiên cứu thực dựa lĩnh vực bổ sung điểm mới, điểm sáng tạo, tiến liên tục cơng nghệ nano Ví dụ, làm chủ việc lắp ráp hạt nano vật thể nano phức tạp mở đường cho việc kiểm sốt hầu hết thuộc tính vật chất Nếu ủng hộ nghiên cứu cao, điều dẫn đến tiến to lớn y tế, viễn thơng, lượng sạch, an tồn môi trường… [24] Trang 21 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOPHOTONICS Hiện nay, có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu nano tổng hợp vật lý, hóa học, kết hợp hay phương pháp electrospinning,… Đối với vật liệu nanophotonics tổng hợp dựa phương pháp phổ biến Ngoài vật liệu nanophotonic tổng hợp từ nhiều phương pháp khác phương pháp mẫu, kỹ thuật nanolithography, kỹ thuật ghi trực tiếp laser (DLW) hay tổng hợp PC phương pháp kim loại tunable 3.1 Phương pháp mẫu 3.1.1 Mẫu cứng Việc sử dụng mẫu cứng đại diện cho cách tiếp cận linh hoạt việc tổng hợp vật liệu nano 1D, bao gồm nano, dây nano ống nano Có thể kiểm sốt tốt độ dài đường kính với mẫu cứng hình dạng hình thái vật liệu nano tạo thành sở mẫu Hơn thế, việc kiểm sốt mật độ lỗ khuôn mẫu cho phép sản xuất mảng dây nano (thanh nano, ống nano) chỉnh với mật độ suất mong muốn Trong tổng hợp mẫu cứng điển hình, lỗ rỗng lấp đầy dung dịch đơn chất tiền chất trình điện trùng hợp (hoặc lắng đọng điện) kênh nano mẫu tạo cấu trúc nano polymer mơ kích thước lỗ rỗng Sau đó, khn mẫu loại bỏ acid base để giải phóng cấu trúc nano tự Đề tài tập chung vào màng khắc theo dõi hạt (PTMs), Màng Anodic Aluminum (AAO) [39] 3.1.1.1 Màng khắc theo dõi hạt (PTMs) Màng polymer xốp, đặc biệt màng polycarbonate, thường sử dụng làm khuôn mẫu cứng cho tổng hợp dây nano Những màng xốp này, gọi màng khắc theo vết hạt (PTMs), thương mại hóa có sẵn nhiều kích cỡ lỗ chân khơng khác (hình A, B cho thấy ảnh hiển vi electron PTMs; đường kính lỗ mẫu A B 1μm 30nm PTMs sử dụng rộng rãi trình tổng hợp sợi nano ống nano Hình 3-1 F cho thấy sơ đồ quy trình trình tổng hợp sợi nano ống nano mẫu polycarbonate khắc theo dõi [39] Trang 22 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics Hình 3-1 (A-D) Hình ảnh kính hiển vi điện tử mẫu cứng: (A) Hình ảnh SEM màng khắc theo vết hạt (PTM) với đường kính lỗ rỗng μm; (B) Hình ảnh TEM than chì PTM có lỗ rỗng đường kính 30 nm; (F) Sơ đồ tổng hợp dây nano ống nano với hỗ trợ mẫu cứng polycarbonate khắc rãnh (PC) [40] Sự trùng hợp monome diễn màng lỗ chân khơng đó, đường kính cấu trúc nano 1D tạo phụ thuộc vào kích thước lỗ tiêu Tuy nhiên, mẫu PTMs thường tạo cách ngẫu nhiên bắn phá ion, cấu trúc xốp khơng kiểm sốt tổ chức tốt 3.1.1.2 Màng Anodic Aluminum Oxide (AAO) Mẫu AAO với lỗ rỗng hình trụ có đường kính từ đến 270 nm sản xuất theo quy trình anode hóa gồm hai bước Trước hết nhơm đánh bóng điện để loại bỏ oxide sau trải qua q trình anode hóa dung dịch điện phân có tính acid Sau oxide tạo loại bỏ dung dịch chromate q trình anode hóa thứ hai thực để tạo cấu trúc tổ ong alumina Ngồi kích thước lỗ chân lơng kiểm soát cách điều chỉnh thành phần, nồng độ nhiệt độ dung dịch điện phân có tính acid điện áp đặt vào, ngược lại chiều dài lỗ hình trụ điều chỉnh theo thời gian anode hóa Hình 4C, D cho thấy hình ảnh SEM TEM mẫu AAO có lỗ chân lơng 70 10 nm "Các lỗ chân lơng có hoa văn hình lục giác, chỉnh tốt với đường kính đồng thu mật độ lỗ chân lơng cao (tăng 1×10 11/ cm2) Vật liệu hữu xâm nhập vào lỗ hình trụ AAO mẫu đông đặc từ pha hơi, dung dịch, trạng thái chất lỏng tiền thân để tạo dây nano ống nano Sau tổng hợp, mẫu AAO bị loại bỏ nhúng hòa tan mẫu dung dịch NaOH [39] Trang 23 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics Hình 3-2 (C) Hình ảnh SEM oxit nhơm anốt (AAO) màng có đường kính lỗ 70 nm (D) TEM hình ảnh Màng AAO cắt đoạn với đường kính lỗ 10 nm [40] 3.1.2 Mẫu mềm 3.1.2.1 khối Copolymer làm khn mẫu Copolymer khối thích hợp làm mẫu để tổng hợp vật liệu nano khác khả nội chúng để lắp ráp phân tử thành cấu trúc có trật tự với miền phân cách pha kích thước nano Bằng cách điều chỉnh thành phần khối, hình thái kích thước nano tổ hợp đồng trùng hợp khối điều chỉnh từ hình cầu, hình trụ, lamellae, đến kim cương đơi có thứ tự hai lần liên tục Ngoài ra, để tổng hợp vật liệu nano 1D, copolymer khối tạo thành dạng hình trụ Sử dụng cách khắc ion phản ứng, chiếu xạ UV xử lý base nhẹ loại bỏ cách có chọn lọc khối cụ thể copolymer khối Như với cách ưu tiên loại bỏ miền hình trụ nên vật liệu nano kênh nano rỗng tạo thấy màng copolymer khối đóng vai trị khuôn mẫu [39] Trang 24 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics Hình 3-3 (A) Minh họa việc chế tạo khối copolymer mẫu mảng mật độ siêu cao nano polymer dẫn điện (B) Hình ảnh SEM khn mẫu nano xốp nano PPy: (a) mặt (b) hình ảnh mặt cắt màng hỗn hợp polystyrene-block-poly (methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) PS-b-PMMA / Poly(methyl methacrylate) PMMA kính ITO; (c) (d) hình ảnh mặt cắt ngang nano PPy sau loại bỏ mẫu [41] 3.1.2.2 Chất hoạt động bề mặt chất kết tụ dạng mẫu Chất hoạt động bề mặt phân tử lưỡng tính tự tập hợp dung dịch tạo thành cấu trúc nano khác micelle (hoặc micelle nghịch đảo) có nhiều hình dạng khác nhau, nồng độ chất hoạt động bề mặt cao nồng độ tới hạn micelle (CMC) Và micelle cung cấp mơi trường vi mơ cho q trình trùng hợp kích thước hình thái cấu trúc nano polymer tạo thành bổ sung cho cấu trúc tổ hợp chất hoạt động bề mặt Ví dụ trùng hợp hóa học Polypyrrole (Ppy) dung dịch sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate (AOT) tạo sợi dây nano ống nano với đường kính từ 40 đến 300 nm [39] Trang 25 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics Hình 3-4 (A) Minh họa trình tổng hợp ống nano PPy (2) hỗ trợ chất hoạt động bề mặt (B) (a) Ảnh SEM (b) TEM ống nano PPy (2) [42] 3.1.2.3 Tinh thể lỏng làm mẫu Sử dụng chất lỏng tinh thể (LC) làm khuôn mẫu mềm để tạo vật liệu nano hữu 1D chứng minh từ nhiều năm Tinh thể lỏng nematic, có trật tự định hướng, đạo tự lắp ráp phân tử nhỏ polymer trình tổng hợp cấu trúc nano [39] 3.1.2.4 Sợi nanopolymer làm mẫu Electrospun sợi nano polyme cách điện chứng minh hoạt động làm khuôn mẫu mềm để tổng hợp sợi nano ống nano nhiều vật liệu khác Một số yêu cầu cần đáp ứng để phù hợp với phương pháp hình thái kích thước sợi lõi quan trọng việc xác định hình thái ống nano kích thước Để chế tạo ống nano, vật liệu sợi lõi phải quay điện thành sợi nano siêu mịn [39] 3.1.2.5 Các phân tử sinh học làm mẫu Các phân tử sinh học, chẳng hạn dạng DNA, protein túi lipid, vi sinh vật, nấm khám phá mẫu mềm để tổng hợp cấu trúc nano hữu vô Trong số mẫu đó, ADN mẫu thường nghiên cứu Ví dụ mẫu phân tử sinh học sử dụng để sản xuất dây nano hữu dẫn bán dẫn DNA tương đối ổn định, lập trình độ dài dễ dàng chức hóa học Phương pháp tổng hợp sử dụng tương tác không cộng hóa trị DNA phân tử khác (monome oligome), dẫn đến việc hình thành nên vật liệu lai [39] 3.2 Phương pháp Electrospining Trang 26 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics Phương pháp electrospinning phương pháp phổ biến việc chế tạo sợi nano Phương pháp electrospinning kỹ thuật sử dụng lực điện để kéo sợi mảnh từ chất lỏng nhớt Khi đặt điện áp cao vào đầu phun khối thu sợi (được nối đất) để tạo điện trường lớn Một dòng điện nhỏ tạo ra, làm đầu phun bị nhiễm điện Sau đó, dung dịch qua đầu phun bị nhiễm điện hạt mang điện gia tốc điện trường, kéo dung dịch chuyển động theo chiều điện trường Kết dung dịch tăng tốc hình thành sợi mỏng với bán kính nhỏ từ micromet đến nanomet [43] Hình 3-5 Mơ tả khối thiết bị quay điện [44] Bằng cách thay đổi nồng độ dung dịch, độ nhớt, dung môi, cường độ điện trường, kiểm sốt hình dạng, kích thước sợi Vì khơng sử dụng nhiệt độ cao nên phương pháp phù hợp để dùng với loại phân tử bền nhiệt Sự tạo thành giọt đầu kim phun với ảnh hưởng sức căng bề mặt điện áp thích hợp tạo sợi nano khác để phù hợp với ứng dụng khác Điện áp cao gây lực lớn làm phá vỡ sức căng mặt ngồi giọt chất lỏng, sợi kéo dài liên tục (chuỗi liên tục) Do vậy, với phương pháp cho phép dễ dàng điều khiển đường kính chiều dài sợi [45] Có thể chế tạo vật liệu cấu trúc nano dạng sợi có hình thái khác Sản phẩm sợi phụ thuộc vào thông số dung dịch lực tĩnh điện Các thơng số bao gồm: độ nhớt, sức căng bề mặt, nồng độ dung dịch, lưu lượng dung dịch điện áp 3.3 Kỹ thuật Nanolithography Một phương pháp phổ biến để chế tạo tinh thể quang tử phẳng 2D Là phương pháp in thạch chùm điện tử chùm điện tử hội tụ Trang 27 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics quét xuyên qua chất kháng để tạo khuôn mẫu Độ phân giải lỗ trống tạo (10–20 nm) bị giới hạn tán xạ điện tử bên từ điện trở chất Sau đó, mẫu chuyển lên chất bán dẫn cách khắc khô (ion phản ứng) khắc Khắc khơ xem có sở vật lý hóa học; trước liên quan đến bắn phá ion sau liên quan đến phản ứng hóa học chất bán dẫn khắc ion Ngoài ra, hạn chế kỹ thuật in thạch chùm điện tử q trình nối tiếp nên hạn chế cho việc sản xuất khối lượng lớn [17] Kỹ thuật Nanolithography quy trình in tạo nhiều từ gốc với tính quy mô nanomet Các phương pháp khác phát triển để thực phép in thạch quy mơ kích thước nano Ví dụ kỹ thuật nanolithographic áp dụng để tổng hợp dây nano hữu bán dẫn bao gồm in thạch chùm điện tử (EBL), in thạch đầu dò quét (SPL), in thạch mềm, phương pháp khác Ngồi ra, khơng giống chiến lược khác cho việc tổng hợp dây nano, phương pháp tiếp cận nanolithographic tạo mẫu 1D 2D màng mỏng bán dẫn hữu với việc hướng, kích thước, tỷ lệ co chu kỳ kiểm sốt cách xác Các mẫu trở thành dây nano riêng biệt vào cuối tiến trình Nói chung, cấu trúc nano hữu chế tạo phương pháp in nanolithographic có xu hướng vơ định hình ngồi trừ số trường hợp mà tự láp ráp phân tử định hướng [39] 3.3.1 Quang khắc chùm điện tử (EBL) Phương pháp in khắc chùm tia điện tử (EBL) phương pháp tạo mẫu có cấu trúc nano mà khơng có mặt nạ mà kỹ thuật quang khắc thông thường tiếp cận giới hạn nhiễu xạ ánh sáng EBL quét chùm tia điện tử để tạo thiết kế lên màng mỏng Đặc biệt EBL tạo mẫu có độ phân giải cao với kích thước nhỏ hơn 100 nm [39] 3.3.2 Phương pháp in đầu dò quét (SPL) Kỹ thuật in thạch đầu dò quét (SPL) kỹ thuật mạnh mẽ xử lí vị trí có độ phân giải khơng gian nhỏ 10 nm Quét quang khắc trường gần, quét phân tán nano hóa nhiệt, quét kỹ thuật in thạch điện hóa kỹ thuật in nano bút nhúng ví dụ kỹ thuật SPL được sử dụng để tổng hợp dây nano bán dẫn hữu Vì kính hiển vi thăm dị qt (SPM) có nhiều biến thể tùy thuộc vào chế tác động lẫn nên dẫn đến kỹ thuật phân tích nano dựa PSL phát triển theo nhiều hướng [39] Trang 28 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics 3.3.3 In Nanoimprint kỹ thuật in mềm Kỹ thuật in thạch mềm kỹ thuật khơng phổ biến tem đàn hồi∼được sử dụng để tạo cấu trúc bên vật liệu có kích thước bên vật liệu từ 30 nm đến 500 μm Con tem thực cách đúc tiền chất đàn hồi lên mặt gốc có hoa văn chế tạo phương pháp in thạch quang học, quang khắc điện tử hay vi gia cơng [17] In Nanoimprint cịn gọi in phương pháp nghiên cứu rộng rãi số phương pháp in mềm phương pháp chế tạo mẫu quy mơ nanomet Đây quy trình in Nanolithography đơn giản với chi phí thấp, thơng lượng cao độ phân giải cao Nó tạo mẫu cách biến dạng học điện trở in trình [43] Kỹ thuật in nanoimprint in thạch mềm thường coi phương pháp hứa hẹn thay phương pháp quang khắc thông thường nhờ kết hợp độ phân giải cao, hiệu chi phí có thơng lượng cao khả tạo mẫu diện tích lớn [39] 3.3.4 Kỹ thuật in giao thoa Kỹ thuật in thạch giao thoa khơng có mặt nạ (IL) in thạch ba chiều phương pháp tạo mẫu quang học đường tối ưu hai nhiều sóng điện từ xếp chồng lên khơng gian Mơ hình giao thoa 3D thực cách sử dụng phần tử nhiễu xạ thay tách chùm Giống tinh thể keo, cấu trúc 2D 3D sử dụng làm mẫu kết hợp vật liệu tương phản có số khúc xạ cao cho ứng dụng PC Ngồi ra, IL sử dụng để chế tạo trực tiếp PC 3D từ chất cảm quang kính chalcogenide số cảm quang cao [17] 3.4 Kỹ thuật ghi trực tiếp laser (DLW) Sự sẵn có laser cực nhanh cho phép chế tạo mẫu PC cách ghi laser trực tiếp (DLW) Tại đây, đầu tia laser cực nhanh tập trung bên chất cản quang nhựa lỏng để bắt đầu hấp thụ phi tuyến hai photon cao vị trí khơng gian cụ thể Sự hấp thụ gây hư hỏng quang học phản ứng quang phân tử Chất cản quang chọn để suốt bước sóng laser mức photon quang hoạt hấp thụ phi tuyến Điều đảm bảo sửa đổi cảm ứng quang học xảy mặt phẳng tiêu điểm chọn [17] 3.5 Các loại khác Photonic crystals (PCs) Trang 29 Chương 3: Phương pháp tổng hợp vật liệu nanophotonics 3.5.1 PCs kim loại Hầu hết Photonic crystal (PC) làm vật liệu điện mơi có số ưu điểm việc xây dựng cấu trúc tuần hoàn sử dụng vật liệu kim loại để chế tạo PC Đặc biệt PC cho tương đối rẻ so với cụm điện mơi cịn có cân nặng nhẹ [17] 3.5.2 PCs điều chỉnh Hiện nhiều người quan tâm đến việc chế tạo Photonic crystal (PC) có đặc tính thay đổi để thích ứng với kích thích bên ngồi chúng có tiềm ứng dụng chuyển mạch quang học cảm biến PCs điều chỉnh thể bước sóng cường độ nhiễu xạ khác tiếp xúc với kích thích vật lý kích thích hóa học Một cách để tiếp cận đề cập chế tạo cấu trúc quang tử cách sử dụng khối xây dựng tự đáp ứng cách tiếp cận thứ hai giới thiệu tài liệu đáp ứng vào khoảng trống PC để tạo cấu trúc tổng hợp Các vật liệu sử dụng cho PC định phần lớn đến phù hợp với kích thích bên ngồi [17] Kích thích vật lý: Sự thay đổi nhiệt độ kích thích phổ biến áp dụng cách đốt nóng cách chiếu tia laser Kích thích hóa học: Một cách tiếp cận hóa học đơn giản để điều chỉnh đặc tính PC xâm nhập vào cấu trúc xốp với dung môi dẫn đến thay đổi số khúc xạ tổ hợp Các PCs làm hydrogel chức hóa hợp chất crown ethers để liên kết có chọn lọc Pb 2+, Ba2+ K+ vao mạng lưới gel phát sưng lên gia tăng áp suất thẩm thấu kết Donnan phát sinh từ ion ngược chiều tương tác với cation [17] Trang 30 Chương 4: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thông qua đồ án lần giúp đưa nhìn tổng quát vật liệu nanophotonic có nhìn sơ lượt cơng nghệ nano Ngồi việc tìm hiểu sâu nanophotonic cho thấy ứng dụng đa dạng nanophotonic nhiều lĩnh vực khác đời sống đề cập đồ án y sinh, lượng, điện tử, Cùng với số phương pháp chế tạo vật liệu có kích thước nano cho ứng dụng nanophotonics với nhiều cơng trình nghiên cứu vật liệu nanophotonic chứng minh tiềm vật liệu nanophotonic tính ứng dụng đa dạng nhiều lĩnh vực Một vật liệu phát triển từ nanophotonic tinh thể quang tử (photonic crystal) loại vật liệu nguyên cứu hành vi ánh sáng quy mơ nanomet vật liệu quang học hấp dẫn để kiểm soát điều khiển luồng ánh sáng Việc nghiên cứu vật liệu nanophotonic đem đến khả thu nhỏ kích thước thiết bị đông thời nâng cao hiệu thiết bị đem đến bước đột phá công nghệ Thế kỷ XXI gọi nhiều kỷ cơng nghệ nano bình minh nanophotonic Một lĩnh vực quang tử nghiên cứu rộng rãi giới nhiên Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu lĩnh vực nanophotonic nước nanophotonic có tiềm lớn ứng dụng cho thiết bị đại Công nghệ Việt Nam ngày đại mong có nhiều nghiên cứu nanophotonic đất nước ta với mục đích khai phá ứng dụng có cơng trình nghiên cứu giới ghi nhận Hy vọng đề tài giúp thầy bạn có nhìn tổng quan công nghệ nano nanophotonic, ứng dụng tiềm phát triển nanophotonic Nhóm thực hy vọng nhận số đóng góp ý kiến để đồ án hồn thiện trình tìm hiểu đề tài có mặt hạn chế định vật liệu nanophotonic chưa nghiên cứu rộng rãi Việt Nam khó khăn nghiên cứu đề tài dịch bệnh Covid-19 bùng phát Trang 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 32 ... hành tìm hiểu đề tài: ? ?Tìm hiểu vật liệu nanophotonics? ?? 1.2 Mục tiêu đề tài Tìm hiểu tính chất, cấu trúc vật liệu Nanophotonics Phương pháp tổng hợp vật liệu Nanophotonics Ứng dụng vật liệu Nanophotonics. .. chung 2.2 Vật liệu nanophotonics 2.2.1 Sơ lược vật liệu nanophotonics 2.2.1.1 Giới thiệu vật liệu photonics 2.2.1.2 Tìm hiểu vật liệu nanophotonics ... Kết đồ án tìm hiểu vật liệu nanophotonics hy vọng sở để giảng viên sinh viên tham khảo trình giảng dạy học tập Trang Chương 2: Tổng quan vật liệu nanophotonics CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOPHOTONICS