báo cáo thực hành chế tạo màng cấu trúc sợi nano bằng phương pháp electrospinning chế tạo và khảo sát hình thái màng mỏng sử dụng phương pháp spin coating

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Bài 2: Chế tạo màng cấu trúc sợi bằng phương pháp

1.Giới thiệu về phương pháp

Electrospinning là một kỹ thuật đơn giản và linh hoạt để chế tạo màng cấu trúc sợi với nhiều ưu điểm như:

 Khả năng tạo sợi có đường kính nano đến micro

 Kiểm soát được cấu trúc và hình dạng sợi

 Có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau

 Tiết kiệm chi phí và thời gian

2.Nguyên lý hoạt động

Phương pháp Electrospinning hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng chảy dung dịch polymer dưới tác dụng của một điện trường mạnh Khi dung dịch polymer được đưa ra khỏi kim phun, điện trường sẽ tạo ra lực điện kéo, làm cho dung dịch polymer bị kéo thành sợi Sợi polymer sau đó

được thu thập trên một tấm thu đặt cách kim phun một khoảng cách nhất định.

3.Cấu tạo hệ thống Electrospinning

 Nguồn điện cao áp: Cung cấp điện áp từ 0 đến 30kV.

 Hệ thống bơm: Bơm dung dịch polymer với tốc độ từ 0,1 đến 10 ml/

 Kim phun: Kim loại hoặc nhựa, có đường kính từ 0,1 đến 1mm.

 Bộ thu: Tấm kim loại hoặc vật liệu dẫn điện khác.

 Chứa dung dịch: Chứa dung dịch polymer.

 Cọc kim loại: Giữ cố định kim phun.

 Tấm thu: Thu thập màng sợi.

Nguyên lý hoạt động: Dung dịch polymer được bơm qua kim phun Dưới

tác dụng của điện trường mạnh, dung dịch polymer bị kéo thành sợi và thu thập trên tấm thu.

4.Yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng sợi

 Điện áp: Điện áp càng cao, lực kéo điện càng lớn, sợi càng mảnh.

 Tốc độ bơm: Tốc độ bơm càng cao, lượng dung dịch polymer được

đưa ra khỏi kim phun càng nhiều, sợi càng dày.

 Khoảng cách từ kim phun đến bộ thu: Khoảng cách càng xa, thời

gian dung dịch polymer bay trong điện trường càng lâu, sợi càng mỏng.

 Nồng độ dung dịch polymer: Nồng độ càng cao, độ nhớt càng cao,

sợi càng dày.

 Độ dẫn điện dung dịch polymer: Độ dẫn điện càng cao, lực kéo điện

 Có thể tạo ra sợi có đường kính nano đến micro

 Kiểm soát được cấu trúc và hình dạng sợi

 Có thể sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau

 Tiết kiệm chi phí và thời gian

Nhược điểm

 Khó khăn trong việc kiểm soát độ đồng đều của màng sợi

 Năng suất sản xuất thấp

 Có thể tạo ra các sợi có khuyết tật

Bài 3: Chế tạo và khảo sát hình thái màng mỏng sử dụng phương

pháp Spin-coating

1.Giới thiệu về phương pháp Spin-coating

Lớp phủ quay là một quy trình được sử dụng để áp dụng các màng mỏng đồng nhất lên các bề mặt phẳng Một quy trình điển hình bao gồm việc đặt một vũng nhỏ dung dịch gồm vật liệu và dung môi vào giữa chất nền và

sau đó quay chất nền ở tốc độ cao (thường là khoảng 3000 vòng/phút) Lực ly tâm sẽ làm cho dung dịch ra và cuối cùng bong ra khỏi mép của chất nền để lại một màng mỏng trên bề mặt Độ dày màng cuối cùng và các đặc tính khác sẽ phụ thuộc vào bản chất của dung dịch (độ nhớt, tốc độ khô, phần trăm chất rắn, sức căng bề mặt, v.v.) Các yếu tố như tốc độ quay cuối cùng, gia tốc và khí thải góp phần xác định các đặc tính của màng phủ Máy được sử dụng để phủ quay được gọi là máy spin.

Hình ảnh máy spin

Quá trình quay được tiếp tục trong khi chất lỏng quay tròn khỏi các cạnh của chất nền cho đến khi đạt được độ dày mong muốn của màng Dung môi được sử dụng thường dễ bay hơi và đồng thời bay hơi Vì vậy, tốc độ góc quay càng cao thì màng càng mỏng Độ dày của màng cũng phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch.

Lớp phủ quay được sử dụng rộng rãi trong chế tạo vi mô, trong đó nó có thể được sử dụng để tạo ra các màng mỏng có độ dày dưới 10 nm Nó được sử dụng rộng rãi trong quang khắc, để lắng đọng các lớp chất quang dẫn dày khoảng 1 micromet Chất quang dẫn thường được quay với tốc độ 20 đến 80 vòng mỗi giây trong 30 đến 60 giây Do giá trị độ dày thấp có thể đạt được bằng phương pháp phủ quay, phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo vật liệu trong suốt

2 Mô tả quy trình phủ quay

Có ba giai đoạn riêng biệt trong quá trình phủ quay Bao gồm các giai đoạn:

2.1 Giai đoạn phân phối

 Một quy trình quay điển hình bao gồm một bước phân phối trong đó

chất lỏng nhựa được lắng đọng trên bề mặt chất nền như trong Hình 2(a) Hai phương pháp phân phối phổ biến là Phân phối tĩnh và Phân phối động Phân phối tĩnh chỉ đơn giản là lắng đọng một vũng nhỏ chất lỏng trên hoặc gần tâm của bề mặt Lượng này có thể dao động từ 1 đến 10 cc tùy thuộc vào độ nhớt của chất lỏng và kích thước của chất nền được phủ Độ nhớt cao hơn và hoặc chất nền lớn hơn thường yêu cầu vũng nước lớn hơn để đảm bảo bao phủ toàn bộ chất nền trong bước quay tốc độ cao Phân phối động là quá trình phân phối trong khi chất nền đang quay ở tốc độ khoảng 500 vòng/phút Điều này giúp trải đều chất lỏng trên bề mặt và có thể dẫn đến ít

lãng phí vật liệu nhựa hơn vì thường không cần thiết phải đổ nhiều để làm ướt toàn bộ bề mặt của bề mặt Đây là một phương pháp đặc biệt thuận lợi khi bản thân chất lỏng hoặc chất nền có khả năng làm ướt kém và có thể loại bỏ các khoảng trống có thể hình thành

Hình 2a

2.2 Giai đoạn tăng tốc bề mặt

 Giai đoạn này thường được đặc trưng bởi sự trục xuất chất lỏng

mạnh mẽ ra khỏi bề mặt bằng chuyển động Độ sâu ban đầu của chất lỏng trên bề mặt tấm bán dẫn (Hình 2(b)), màng mỏng sẽ hình thành do chuyển động quay gây ra bởi đế Tốc độ quay điển hình cho giai

đoạn này dao động từ 1500-6000 vòng/phút, tùy thuộc vào đặc tính của chất lỏng cũng như chất nền Bước này có thể mất từ 10 giây đến vài giây.

Sự kết hợp giữa tốc độ quay và thời gian được chọn cho giai đoạn này sẽ xác định độ dày màng cuối cùng Nói chung, tốc độ quay cao hơn và thời gian quay dài hơn sẽ tạo ra màng mỏng hơn.

Hình 2b

2.3 Giai đoạn sấy

 Sau khi độ dày của màng đạt yêu cầu màng sẽ được sấy để làm bay

hơi lượng nước ở dung môi ban đầu cho vào.Lưu ý khi sấy phải sử

dụng nhiệt độ phù hợp cho mỗi loại vật liệu khác nhau để tránh làm hỏng các tính chất của màng.

3.Một số tác nhân ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu tạo ra

3.1 Tăng tốc

 Sự tăng tốc của đế tới tốc độ quay cuối cùng cũng có thể ảnh hưởng

đến đặc tính màng Vì dung dịch bắt đầu khô trong phần đầu tiên của chu kỳ sấy nên điều quan trọng là phải kiểm soát gia tốc một cách chính xác Trong một số quy trình, 50% dung môi trong dung dịch sẽ bị mất đi

3.2 Gia tốc

 Gia tốc cũng đóng một vai trò lớn trong tính chất của màng Trong

nhiều trường hợp, màng sẽ giữ lại các đặc điểm từ các quá trình trước đó.

3.3 Độ ẩm

 Tốc độ khô và do đó độ dày màng cuối cùng cũng bị ảnh hưởng bởi

độ ẩm xung quanh Sự thay đổi chỉ một vài phần trăm độ ẩm tương đối.

3.4 Nhiệt độ sấy

 Nhiệt độ sấy không phù hợp cũng có thể làm tính chất của màng bị

thay đổi.Ví dụ như nhiệt độ quá cao sẽ làm màng bị quá khô.

3.5 Độ sạch của dung dịch

 Khi dung dịch sử dụng không có độ tinh khiết đạt yêu cầu thì màng

dễ bị dính các khuyết tật không mong muốn.

4 Các khuyết tật thường gặp liên quan đến phương pháp spin-coating

4.1 Sao chổi

 Những hiện tượng này thường xảy ra khi các hạt rắn tương đối lớn

cản trở dòng chảy bình thường của dung dịch trên tấm bán dẫn quay.

Sao chổi có thể được giảm bớt hoặc loại bỏ bằng cách làm việc trong môi trường sạch hơn và bằng cách lọc các dung dịch phủ như một phần của quy trình phân phối.

4.2 Đường vân

 Các đường sọc là các đường định hướng xuyên tâm có độ dày thay

đổi trong màng được phủ Thông thường, chúng có sự thay đổi độ dày khá trơn tru với khoảng cách hoặc chu kỳ trong phạm vi 50-200 micron, hoặc hơn Hướng của chúng tương ứng với hướng của dòng chất lỏng chính.

4.4 Độ dày không đồng nhất

 Do ảnh hưởng của gia tốc quay hoặc tốc độ quay có thể làm cho

màng có độ dày không đồng nhất.Ví dụ như dày ở viền mà mỏng ở trong hoặc mỏng ở viền mà dày ở trong

5.Kết luận

Phương pháp spin-coating là một trong những phương pháp chế tạo màng được rất nhiều phòng thí nghiệm sử dụng vì độ hiệu quả và đơn giản của nó Tuy nhiên vẫn phải lưu ý một số tác nhân đã nêu ở trên để có thể tạo ra sản phẩm ưng ý nhất và không mắc các dạng khuyết tật