nghiên cứu công nghệ và các điều kiện chế tạo ống na nô cac bon đơn tường SWCNTs định hướng diêu dài sử dụng ethanol trên đề si

Nghiên cứu công nghệ và các điều kiện chế tạo Ống nano cacbon đơn tƣờng SWCNTs định hƣớng, siêu dài, sử dụng Ethanol trên đế Si Nguyễn Bá Thăng Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu và linh kiện Nano Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Phan Ngọc Minh Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Trình bày cơ sở lý luận về chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng Swcnts: Tổng quan ống nano cacbon (CNTs); Vật liệu ống nano cacbon đơn tƣờng (SWCNTs); Một số phƣơng pháp chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng; SWCNTs mọc định hƣớng siêu dài và cơ chế mọc; Nguồn cung cấp cacbon; Một số ứng dụng của ống nano cacbon đơn tƣờng. Nghiên cứu quy trình chế tạo SWCNTs trên hệ thiết bị CVD nhiệt: Hệ thiết bị CVD nhiệt; Quy trình chế tạo; Phân tích tán xạ Raman của SWCNTs. Trình bày các kết quả nghiên cứu đạt đƣợc: Kết quả ảnh hiển vi điện tử quét SEM; Ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo SWCNTs siêu dài, định hƣớng; Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM; Kết quả đo Raman; Mọc SWCNTs dạng lƣới; Phƣơng pháp nhiệt nhanh (fast-heating); Mọc SWCNTs băng qua rãnh. Keywords: Công nghệ Nano; Ống nano cacbon; Vật liệu Nano Content CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Vật liệu ống nano cacbon (CNTs) nhận đƣợc sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học, các phòng nghiên cứu lớn trên thế giới, ghi nhận đƣợc nhiều bƣớc phát triển mạnh mẽ, và đã thu đƣợc một số thành công nổi bật trong việc chế tạo CNTs và ứng dụng. Mục đích của công trình nghiên cứu là tìm ra điều kiện tốt nhất để chế tạo SWCNTs, có đƣờng kính từ 1 - 2 nm, chiều dài mỗi ống nano cacbon từ mm đến centimet (1 cm), và nghiên cứu cơ chế mọc nằm ngang (horizontal) theo hƣớng chiều khí thổi của SWCNTs trên đế silic (Si) từ hai dạng xúc tác khác nhau là spin-coating muối FeCl 3 và bốc bay các hạt Fe kích thƣớc nano. Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đặc tính của ống nano cacbon, các yếu tố tác động lên quá trình mọc của chúng nhƣ nhiệt độ, thời gian, xúc tác, lƣu lƣợng khí thích hợp, vv… và nắm rõ ƣu nhƣợc điểm, cách thức chế tạo ống nano cacbon của từng điều kiện, từ đó có thể xây dựng đƣợc một quy trình tối ƣu chế tạo ống nano cacbon mọc định hƣớng, chất lƣợng cao. SWCNTs chế tạo sử dụng nguồn cung cấp cacbon ở dạng lỏng là dung dịch ethanol (C 2 H 5 OH) thay cho dạng khí (C 2 H 2 , CH 4 ) nhƣ vẫn dùng trƣớc đây, kết quả cho thấy sản phẩm CNTs mọc với số lƣợng và chất lƣợng rất tốt. 2 Thách thức đối với việc nghiên cứu là cần phải nâng cao hiệu quả mọc và kiểm soát chính xác vị trí và hƣớng của các ống cacbon nano đơn tƣờng đồng thời làm tăng chiều dài của mỗi ống. Vì vậy, công trình này nghiên cứu sâu về cơ chế mọc SWCNTs, quy trình nuôi SWCNTs trên đế Si/SiO2 bằng phƣơng pháp CVD nhiệt nhanh (fast-heating), xem xét tác động của phƣơng pháp này tới kết quả mọc SWCNTs và so sánh với phƣơng pháp CVD thông thƣờng vẫn hay làm trƣớc đây. Ống nano cacbon hay còn gọi là sợi nano cacbon CNTs có thể đƣợc coi là những tấm phẳng graphen đƣợc cuộn lại có đƣờng kính từ 0.5nm đến 400nm, chiều dài của mỗi ống từ vài micromet (µm) đến vài milimet (mm). Trong nhiều công trình mới công bố gần đây, ngƣời ta đã chế tạo đƣợc ống nano cacbon có chiều dài lên tới vài centimet [2], mọc rất đều và thẳng. CNTs mọc dựa trên sự khuếch tán cacbon vào xúc tác kim loại nhƣ Fe, Al, Ni, hay có thể là các dung dịch muối hoặc kim loại khác đƣợc bốc bay, khi lắng đọng sẽ hình thành và tạo ra các ống nano cacbon. SWCNTs có những tính chất cơ học đặc biệt quý nhƣ độ cứng lớn, độ bền và độ đàn hồi cao, đây là những đặc tính ƣu việt hơn hẳn so với một số vật liệu khác. Ngoài ra, CNTs còn đƣợc biết tới là vật liệu có độ dẫn điện, nhiệt cao và đặc biệt là khả năng phát xạ trƣờng ở điện thế thấp. Nhờ các tính chất đặc trên, CNTs đã đƣợc sử dụng trong một dải rộng các ứng dụng. Đặc tính phát xạ điện tử của CNTs là rất quý báu mà chúng ta có thể ứng dụng trong các thiết bị nhƣ màn hình phẳng phát xạ trƣờng, đầu dò hiển vi lực nguyên tử, đầu dò xuyên hầm. Ngoài ra SWCNTs còn đƣợc ứng dụng trong linh kiện điện tử nano transistor hiệu ứng trƣờng. 3 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM Trong luận văn này, toàn bộ phần thực nghiệm nhƣ việc chuẩn bị đế Si, chế tạo mẫu, quay phủ xúc tác (spin-coating) và tiến hành các thí nghiệm CVD nhiệt đƣợc chúng tôi thực hiện trên các thiết bị tại Phòng Vật liệu Cacbon nano và Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam. 2.1 Hệ thiết bị CVD nhiệt Hệ thiết bị chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng đƣợc xây dựng và đặt tại Phòng Vật liệu Cacbon nano. Đây là hệ thiết bị điện tử hoàn toàn tự động, gồm 3 bộ phận chính là: 1) Lò nhiệt UP 150; 2) Flowmeter số và bộ điều khiển điện tử Flowmeter số; 3) Hệ thống khí, các khớp nối và đƣờng dẫn khí. Lò nhiệt UP 150 đƣợc nhập từ Nhật Bản, đây là lò nhiệt điện tử tự động có hiển thị số, toàn bộ quá trình nâng nhiệt, hạ nhiệt, cài đặt các giai đoạn nhiệt cho quá trình CVD đƣợc thực hiện với độ chính xác gần nhƣ tuyệt đối. Hình 2.2. a) Lò nhiệt CVD UP 150; b) hình bộ phận điều khiển điện tử của lò Nguyên lý cấu tạo của lò nhiệt UP 150 sử dụng dây may so bọc bằng gốm cách điện chịu đƣợc nhiệt độ cao, lò nhiệt sẽ đƣợc đốt bằng hệ hai dây may so này, chúng nằm bao quanh ống thạch anh, do vậy hệ lò này có khả năng nâng nhiệt rất nhanh. Gốm cách nhiệt có tác dụng giúp cho nhiệt độ lò ổn định, hạn chế tỏa nhiệt ra môi trƣờng xung quanh. Lắp lò đƣợc thiết kế có thể giúp dễ dàng đóng mở lò và đảm bảo đƣợc độ kín, tránh nhiệt tỏa ra ngoài. Việc kiểm soát đƣợc lƣu lƣợng khí cần sử dụng trong quá trình CVD có vai trò rất quan trọng, và ảnh hƣớng lớn đến kết quả chế tạo sản phẩm. Toàn bộ hệ thiết bị điều khiển dòng khí mà chúng tôi sử dụng là hoàn toàn tự động, và đạt độ chính xác gần nhƣ tuyệt đối. Hệ thiết bị này gồm hai bộ phận: bộ điều khiển lƣu lƣợng khí điện tử GMC 1200, và các flowmeters SEC – E40 khí điện tử. Trong quá trình làm thí nghiệm, chúng ta có thể cài đặt các giá trị lƣu lƣợng khí (đơn vị: sccm) sẵn trên GMC-1200, thiết bị này sẽ có chức năng điều khiển các flowmeters, cho phép các loại khí nhƣ: Ar, H 2 , C 2 H 2 hoặc CH4… đi vào bên trong lò phản ứng với lƣu lƣợng chính xác. 2.2 Quy trình chế tạo 2.2.1 Chuẩn bị mẫu Trƣớc khi tiến hành CVD nhiệt, các mẫu Si đƣợc xử lý sạch bề mặt bằng phƣơng pháp rung siêu âm trong các dung môi hóa học nhằm loại bỏ những tạp bẩn và các chất hữu cơ a) b) 4 không mong muốn còn bám trên bề mặt của đế. Các đế Si đƣợc dùng để chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng có kích thƣớc 0.5cm × 1cm và 0.5cm × 0.5cm. Chúng tôi sử dụng hai dung dịch là aceton và cồn ethanol C 2 H 5 OH để làm sạch đế Si với quy trình làm sạch nhƣ sơ đồ hình 2.6 bên dƣới. Hình 2.6. Quy trình xử lý hóa làm sạch bề mặt đế Si Các đế Si đƣợc đƣa vào cốc thủy tinh, sau đó đổ từ từ dung dịch aceton vào cốc, bật máy rung siêu âm trong khoảng thời gian 15 phút để làm sạch, tiếp đó các đế này đƣợc lấy ra rửa sạch 3 lần bằng nƣớc cất. Chúng tôi thực hiện quy trình trên lần lƣợt 3 lần với dung môi aceton và 1 lần với ethanol để đảm bảo toàn bộ tạp bẩn bám trên đế đƣợc loại bỏ. Các đế Si sau khi xử lý hóa, đƣợc sấy khô và bảo quản trong các hộp thủy tinh sạch để đem đi tiến hành CVD nhiệt. Hình 2.1. a) Đế Si sạch; b) máy rung siêu âm Sau khi các đế Si đã đƣợc làm sạch, chúng tôi tiến hành phủ xúc tác lên bề mặt đế bằng hệ thiết bị quay phủ ly tâm đƣợc đặt tại Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện KHVL. Dung dịch muối FeCl 3 , nồng độ 0.1M đƣợc spin-coating lên đế Si để tạo lớp xúc tác có chứa Fe kích thƣớc nano trƣớc khi tiến hành mọc SWCNTs. Hình 2.2. a) Thiết bị quay phủ spin-coating; b) thực hiện nhỏ dung dịch FeCl 3 lên đế Si sạch; c) dung dịch FeCl 3 0.1M 2.2.2 Quy trình chế tạo SWCNTs trên hệ thiết bị CVD nhiệt Hình 2.9 là hệ sơ đồ các thiết bị để thực hiện chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng sử dụng phƣơng pháp CVD nhiệt nhanh, quy trình tiến hành thực nghiệm bao gồm các bƣớc sau: a) b) a) b) c) b) c) 5 - Bƣớc 1: trƣớc khi thực hiện CVD, cần phải kiểm tra hệ lò, bình khí, các khớp nối, các van đóng mở trên hệ thiết bị để đảm bảo công việc sẽ đƣợc thao tác chính xác. - Bƣớc 2: đƣa xúc tác vào: ở đầu khí ra của hệ lò, có một cửa đóng mở, thuyền bằng thạch anh có chứa mẫu là các đế Si đƣợc đƣa vào lò nhiệt để thực hiện CVD bằng cửa này MFC Valve Gas in Gas out Ethanol Ar H 2 Quartz tube Sample Quartz plate Furnace Furnace Rail Hình 2.3. Sơ đồ hệ thiết bị CVD nhiệt sử dụng để chế tạo SWCNTs - Bƣớc 3: thiết lập các thông số cho hệ lò để thực hiện quá trình nâng nhiệt từ nhiệt độ phòng (27 o C) đến nhiệt độ cần thiết CVD là 900 o C trong thời gian 40 phút. Mở các van khí ở hai bình H 2 , Ar, hiệu chỉnh lƣu lƣợng khí đi qua MFC (bộ lƣu tốc khí điện tử) bằng hệ thiết bị điện tử GMC 1200. Trƣớc khi nâng nhiệt cho khí Ar đi qua lò với lƣu lƣợng 800 sccm, trong thời gian 10 phút, để làm sạch lò đẩy các khí còn dƣ, tạp bẩn ra. - Bƣớc 4: điều chỉnh lƣu lƣợng khí mang Ar về 100 sccm, tiến hành bật lò đốt để bắt đầu thực hiện quá trình CVD. Hình 2.4. Giản đồ nhiệt của quá trình CVD - Bƣớc 5: Khi nhiệt độ của hệ lò đạt tới 850 o C, tiến hành mở khí H 2 , đồng thời đƣa khí Ar (đóng van 1, mở van 2 và 3 trên hình 2.9) xục qua bình thủy tinh 2 cổ, mang hơi cồn C 2 H 5 OH vào trong lò. Mục đích của việc này là để đảm bảo dòng khí bên trong ống thạch anh ổn định và đủ lƣợng hơi cồn trƣớc khi tiến hành CVD. Khi nhiệt độ hệ lò đạt tới 900 o C, thực hiện dịch chuyển lò, đƣa mẫu vào tâm vùng nhiệt, bắt đầu quá trình CVD trong thời gian 60 phút. - Bƣớc 6: Kết thúc quá trình nuôi SWCNTs, ngắt khí Ar xục qua hơi cồn (đóng van 2 và 3, mở van 1), tắt khí H 2 . 2 3 1 6 - Bƣớc 7: tiếp tục thổi khí mang Ar cho đến khi nhiệt độ lò hạ xuống dƣới 150 o C, mục đích tránh để CNTs cháy khi nhiệt độ trong lò còn đang cao, sau đó tắt khí Ar để cho lò hạ về nhiệt độ phòng, mở lắp lấy mẫu, kết thúc quá trình thí nghiệm. 7 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả ảnh hiển vi điện tử quét SEM Sau khi các mẫu đƣợc tiến hành CVD bằng phƣơng pháp nhiệt nhanh, chúng tôi thực hiện kiểm tra kết quả bằng thiết bị kính hiển vi điện tử quét SEM để đánh giá hình thái bề mặt. Sản phẩm ống nano cacbon đơn tƣờng đƣợc chế tạo trong điều kiện:  CVD nhiệt nhanh ở 900 o C  thời gian CVD 60 phút  nguồn cung cấp cacbon cho toàn bộ quá trình là dung môi ethanol C 2 H 5 OH  xúc tác là dung dịch FeCl 3 nồng độ 0.1M  lƣu lƣợng khí Ar:30sccm/H 2 :30sccm Dƣới đây là ảnh SEM kết quả sản phẩm sau quá trình CVD: Hình 3.1. Ảnh SEM ống nano cacbon mọc định hướng trên bề mặt đế Si; a) hướng chụp theo chiều dọc; b) hướng chụp theo chiều ngang ở thang rộng 1mm Từ ảnh SEM trên hình 3.1 cho thấy các ống nano cacbon mọc đều trên bề mặt đế Si, nằm ngang theo chiều khí thổi với mật độ tƣơng đối dày, các ống nằm thẳng hàng giống nhƣ các đƣờng kẻ song song. Chất lƣợng sản phẩm sạch, không thấy có cacbon dƣ thừa, vô định hình amorphous trên bề mặt đế Si. Chiều dài của các ống dao động từ 5mm đến 1cm, tốc độ mọc trung bình của SWCNTs mà chúng tôi khảo sát trong khoảng thời gian 60 phút là: 10000( ) 166( / út) 60( út) lm v m ph t ph      (3.1) vận tốc mọc của các ống tƣơng đối nhanh, kết quả này cho thấy việc chế tạo ống nano cacbon với điều kiện nhƣ trên là rất tốt. 3.2 Ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo SWCNTs siêu dài, định hƣớng 3.2.1 Nguồn cung cấp cacbon Bằng thực nghiệm, chúng tôi đã khảo sát cả 3 nguồn cung cấp cacbon là ethanol, khí CH 4 và C 2 H 2 trên ở cùng một điều kiện: nhiệt độ CVD 900 o C, thời gian CVD 1 tiếng, FeCl 3 0.1M, lƣu lƣợng khí Ar:30sccm/H 2 :30sccm, cho các kết quả khác nhau: với nguồn cung cấp cacbon bằng hơi cồn ethanol (C 2 H 5 OH) cho kết quả mọc rất tốt, sợi thẳng, dài, định hƣớng. Còn với hai loại khí CH 4 và C 2 H 2 cho thấy kết quả không thực sự tốt, bề mặt silic không có hoặc có rất ít SWCNTs. Dƣới đây, là một số ảnh SEM chụp đƣợc: 1mm b) 8 Hình 3.2. Ảnh SEM SWCNTs với các nguồn cung cacbon khác nhau: a)CH 4 ; b) C 2 H 2 ; c) ethanol (C 2 H 5 OH) Điều này có thể giải thích rằng nhiệt độ 900 o C đƣợc xem là phù hợp nhất để phân hủy ethanol thành các nguyên tử cacbon trƣớc khi chúng đƣợc khuếch tán, lắng đọng vào các hạt xúc tác mọc thành ống nano cacbon, kết quả cho thấy sợi mọc dài. Còn đối với hai loại khí CH 4 và C 2 H 2 qua các thực nghiệm chúng tôi thấy rằng nhiệt độ thích hợp để phân hủy tạo thành cacbon là ở 750 o C – 800 o C với màng Fe bốc bay nhiệt. Với nhiệt độ cao 900 o C kết quả trên ảnh SEM trên hình 3.2.a,b cho thấy không xuất hiện hoặc rất ít SWCNTs khi sử dụng khí CH 4 và C 2 H 2 . 3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ Để khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện CVD với các thông số giống nhau: thời gian CVD 1 tiếng, FeCl 3 0.1M, lƣu lƣợng khí Ar:30sccm/H 2 :30sccm, nguồn cung cấp cacbon ethanol, nhiệt độ khác nhau: 700 o C, 800 o C, 900 o C, 1000 o C và thu đƣợc các kết quả khác nhau nhƣ hình 3.3 bên dƣới. Chúng ta nhận thấy ở hình 3.3.a khi CVD ở nhiệt độ 700 o C không thấy xuất hiện SWCNTs, nguyên nhân là do tại nhiệt độ thấp (<750 o C), nguồn cacbon ethanol ở dạng hơi cung cấp cho quá trình CVD không đƣợc phân hủy hoàn toàn, do vậy lƣợng cacbon đƣợc lắng đọng để tạo CNTs là rất ít, đây không phải là nhiệt độ thích hợp cho việc chế tạo SWCNTs. Hình 3.3. Kết quả ảnh SEM SWCNTs mọc với điều kiện: FeCl 3 0.1M, CVD 1h, Ar:30sccm/H 2 :30sccm, Ethanol; a) 700 o C; b) 800 o C; c) 900 o C; d) 1000 o C Tại nhiệt độ 800 o C, kết quả ảnh SEM thu đƣợc cho thấy xuất hiện các sợi CNTs trên bề mặt đế Si, nhƣng số lƣợng không nhiều, và sợi ngắn (hình 3.3.b). Do nguồn cung cấp cacbon 9 C 2 H 5 OH chỉ đƣợc đƣợc phân hủy một phần tại nhiệt độ này, nên không đáp ứng đủ cho việc mọc các ống trong thời gian dài 60 phút. Tại nhiệt độ 900 o C, đây đƣợc xem là giá trị nhiệt độ thích hợp cho việc chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng bởi toàn bộ nguồn cung cấp cacbon ethanol dƣới dạng hơi đƣợc phân hủy hết, tạo ra các nguyên tử cacbon khuếch tán và lắng đọng trên các hạt xúc tác nano để hình thành các ống. Lƣợng cacbon trong trƣờng hợp này đƣợc cung cấp liên tục và đủ, đây chính là điều kiện lý tƣởng cho việc mọc SWCNTs với mật độ đều và chất lƣợng tốt. Hình 3.3.c cho thấy, các sợi CNTs mọc đều, định hƣớng theo chiều nằm ngang với bề mặt đế Si (horizontal), và sắp xếp thẳng với nhau nhƣ những đƣờng kẻ ngang. Với điều kiện nhiệt độ quá cao 1000 o C trong quá trình CVD nhiệt cũng cho kết quả không thực sự tốt, hình 3.3.d. Bởi điểm nhiệt này cao hơn so với nhiệt độ phân hủy lý tƣởng của hơi cồn ethanol, khi đó tốc độ phân hủy của C 2 H 5 OH sẽ tăng, dẫn đến tốc độ di chuyển và khuếch tán của các nguyên tử cacbon vào hạt xúc tác cũng tăng lên, có thể làm cho đƣờng kính của ống nano cacbon có thể lớn hơn và có nhiều cacbon vô định hình bám trên bề mặt CNTs. 3.2.3 Thời gian CVD Chúng tôi đã thực hiện CVD với các thông số khác nhau về thời gian để từ đó có thể đƣa ra các nhận xét về sự ảnh hƣởng của điều kiện thời gian tác động lên quá trình mọc SWCNTs. Dung dịch FeCl 3 0.1M đóng vai trò là xúc tác đƣợc quay phủ trên đế Si sạch, lƣu lƣợng khí Ar:30sccm/H 2 :30sccm, nhiệt độ 900 o C, nguồn cung cấp cacbon ethanol, thời gian tiến hành CVD khác nhau: 20; 60; 120 phút và thu đƣợc các kết quả khác nhau nhƣ hình 3.4 bên dƣới. Ở điều kiện thời gian 60 phút, kết quả thu đƣợc là tốt nhất. Với khoảng thời gian 20 phút, lƣợng cacbon đƣợc phân hủy dƣới nhiệt độ cao từ ethanol là không đủ để mọc CNTs từ nguồn xúc tác do thời gian quá ngắn. Kết quả trên ảnh SEM hình 3.4.a đã cho thấy bề mặt Si xuất hiện SWCNTs với mật độ rất ít, và các ống có chiều dài rất hạn chế, khoảng vài chục µm. Ảnh SEM ở điều kiện thời gian 60 phút nhƣ hình 3.4.b cho thấy, khi thời gian tăng lên thì mật độ SWCNTs cũng tăng, các ống mọc đều và dài. Tuy nhiên sự gia tăng này không phải là tuyến tính. Bởi nếu để thời gian CVD quá lâu 120 phút, có thể ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm thu đƣợc vì khi đó lƣợng cacbon dƣ thừa lắng đọng có thể tạo ra bẩn, vô định hình (amorphous) hình 3.4.c, hoặc sản phẩm là các ống SWCNTs kết thành các bó. Hình 3.4. Ảnh SEM của SWCNTs với thời gian CVD khác nhau: a) 20; b) 60; c) 120 phút 10 3.2.4 Ảnh hưởng của lưu lượng khí Trong quá trình thực nghiệm, nguồn khí cung cấp Ar, H 2 , để CVD luôn cần đƣợc đảm bảo cung cấp đầy đủ và với một lƣu lƣợng khí phù hợp để có đƣợc sản phẩm tốt nhất. Ở nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát lƣu lƣợng khí Ar sục quá ethanol mang hơi cồn, đƣa vào lò phản ứng với các mức khác nhau: 5; 30; 120 sccm. Đồng thời để chứng minh sự ổn định của dòng khí bên trong ống thạch anh trong quá trình CVD ảnh hƣớng đến khả năng mọc thẳng của SWCNTs. Chúng tôi sử dụng hai loại thuyền thạch anh khác nhau. Một loại thuyền thẳng, trơn, và mẫu Si đƣợc bên trong một ống thạch anh nhỏ khác nữa đƣờng kính khoảng 7mm để tạo sự ổn định của dòng khí (3.5.b), còn một loại ở phần đuôi thuyền bị làm cong lên (3.5.a), mục đích là để tạo ra sự mất ổn định của dòng khí. Hình 3.5. Ảnh SEM của ống nano cacbon đơn tường trên các thuyền khác nhau Qua thực nghiệm, chúng tôi thấy rằng lƣu lƣợng khí thích hợp đƣợc sử dụng việc chế tạo SWCNTs mọc thẳng là 30sccm. SWCNTs đƣợc mọc ở cùng điều kiện lƣu lƣợng khí Ar:30sccm /H 2 :30sccm dùng loại thuyền thẳng, có thêm ống thạch anh nhỏ bên trong, và loại thuyền cong, kết quả ảnh SEM hình 3.5.d cho thấy các ống SWCNTs mọc nhƣ những đƣờng kẻ song song trên loại thuyền thẳng, trƣờng hợp còn lại ống mọc không thực sự thẳng (hình 3.5.c). 3.3 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM Hình 3.6 là kết quả chụp TEM của SWCNTs đƣợc tiến hành CVD bằng phƣơng pháp nhiệt nhanh (fast-heating), trong thời gian 60 phút, tại nhiệt độ 900 o C, sử dụng nguồn cung cấp cacbon là ethanol, xúc tác là dung dịch FeCl 3 0.1M, lƣu lƣơng khí Ar:30sccm/H 2 :30sccm. [...]... chuẩn và điều khiển đƣợc chiều dài và hƣớng mọc của SWCNTs Những hướng nghiên cứu tiếp theo - Chế tạo vật liệu SWCNTs si u dài, định hƣớng với số lƣợng lớn hơn và chất lƣợng tốt hơn nữa - Khảo sát một số tính chất của vật liệu SWCNTs định hƣớng chế tạo đƣợc - Ứng dụng sản phẩm SWCNTs chế tạo đƣợc vào các trong thiết bị, linh kiện điện tử nano Mọc SWCNTs băng quá các cực (drain – source) của transistor... từ vài µm đến vài mm để thử nghiệm khả năng mọc băng qua rãnh của các ống nano cacbon, kết quả từ ảnh SEM đã cho thấy các ống dễ dàng mọc băng qua các rãnh Đồng thời, chúng tôi cũng thử nghiệm điều khiển khả năng định hƣởng của các ống thông qua việc chế tạo SWCNTs ở dạng lƣới (grid) Tóm lại, luận văn đã thành công trong việc làm chủ công nghệ chế tạo, đƣa ra các điều kiện công nghệ, thông số chuẩn và. .. LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm chúng tôi đã đạt đƣợc các kết quả sau: - Đã nghiên cứu thành công các điều kiện và công nghệ thích hợp để tổng hợp thành công vật liệu ống nano cacbon đơn tƣờng mọc si u dài, định hƣớng nằm ngang theo chiều khí thổi, sử dụng phƣơng pháp CVD nhiệt nhanh, với xúc tác là dung dịch FeCl3 0.1M, nguồn cung cấp cacbon ở dạng lỏng, dung môi ethanol (C2H5OH)... Mọc SWCNTs băng qua rãnh Để chứng minh cho giả thuyết các ống nano cacbon mọc nổi trên bề mặt của đế Si, chúng tôi đã tạo ra các rãnh trên bề mặt đế Si để nghiên cứu khả năng mọc băng qua các rãnh này của ống SWCNTs, với độ rộng của rãnh thẳng và rãnh hình tam giác thay đổi khác nhau từ khoảng vài chục µm đến vài milimet Kết quả ảnh SEM trong luận văn cho thấy, các ống đều dễ dàng mọc băng ngang qua các. .. của SWCNTs mọc trên đế Si với xúc tác FeCl3 0.1M, thời gian CVD 60 phút, nhiệt độ 900oC, lưu lượng khí Ar:30sccm/H2:30sccm Từ kết quả TEM ở trên ta thấy rằng ống nano cacbon đƣợc chế tạo là ống đơn tƣờng, có đƣờng kính rất nhỏ (1 nm), không thấy xuất hiện hình ảnh của cacbon vô định hình (amorphous) bám trên bề mặt của SWCNTs và đế Si, cho thấy CNTs đƣợc chế tạo tƣơng đối sạch Điều đó chứng tỏ các điều. .. hạt nano khi đó nằm ở đỉnh của mỗi ống (cơ chế tip growth) SWCNTs sẽ mọc hƣớng lên trên, tách ra khỏi bề mặt của đế Si, tạo ra một quỹ đạo đƣờng cong (cánh diều) Dòng khí ở trên bề mặt của đế (laminar flow) sẽ “nâng” các ống nano cacbon trong suốt quá trình CVD, và định hƣớng những ống này theo chiều dòng khí thổi Trong quá trình mọc, phần đỉnh (đầu) của ống nano cacbon luôn “nổi”, tạo một khoảng cách... thấy, các sợi SWCNTs mọc thẳng và khá đồng đều - Kết quả chụp ảnh TEM cho thấy đƣờng kính của ống nano cacbon đơn tƣờng khoảng 1 nm Phổ tán xạ Raman một lần nữa khẳng định đƣờng kính của ống SWCNT ~ 1 nm thông qua các các đỉnh phổ xuất hiện ở vùng tần số thấp RBM, các đỉnh phổ đặc trƣng của vật liệu ống nano cacbon ở dải G và D - Luận văn này cũng tiến hành các thí nghiệm chỉ ra sự ảnh hƣởng của các điều. .. tử AFM, STM Chúng tôi thử nghiệm mọc các ống SWCNTs đan vào nhau, giống nhƣ mắt lƣới Hình 3.8 Mô phỏng SWCNTs mọc dạng lưới trên bền mặt đế Si Chúng tôi sử dụng đế Si kích thƣớc 5cm×5cm đã đƣợc làm sạch để tiến hành chế tạo SWCNTs ở dạng lƣới Đây là một kỹ thuật khó, đòi hỏi phải đảm bảo sự chính xác của các điều kiện công nghệ trong quá trình CVD SWCNTs đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp CVD nhiệt nhanh,... trong dải từ 1000 cm-1 và 1900cm -1 Chúng tôi sử dụng bƣớc sóng ánh sáng kích thích 623nm Hai đỉnh đặc trƣng này một lần nữa khẳng định sản phẩm tổng hợp đƣợc là ống nano cacbon 3.5 Mọc SWCNTs dạng lƣới Để điều khiển hƣớng mọc của ống nano cacbon đơn tƣờng, định hƣớng trên bề mặt đế Si theo chiều mong muốn cho việc ứng dụng trong các thiết bị điện tử, hay mọc ở những vị trí khó trên các đầu dò, đầu tips... a) phổ RBM, b) phổ ở dải D và G Quan sát trên hình 3.7.a, đây là phổ raman của sản phẩm SWCNTs ở vùng đặc trƣng tần số thấp, từ 100 đến 350 cm-1 thấy xuất hiện các đỉnh có giá trị lần lƣợt là: 197 cm-1, 253 cm-1 và 300 cm-1 Các giá trị RBM này một lần nữa khẳng định sản phẩm ống nano cacbon chế tạo đƣợc là ống nano cacbon đơn tƣờng, với đƣờng kính của ống đƣợc tính theo công thức theo nhƣ lý thuyết . Nghiên cứu công nghệ và các điều kiện chế tạo Ống nano cacbon đơn tƣờng SWCNTs định hƣớng, si u dài, sử dụng Ethanol trên đế Si Nguyễn Bá Thăng Trƣờng Đại học Công nghệ Luận. liệu ống nano cacbon đơn tƣờng (SWCNTs) ; Một số phƣơng pháp chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng; SWCNTs mọc định hƣớng si u dài và cơ chế mọc; Nguồn cung cấp cacbon; Một số ứng dụng của ống nano. tốc mọc của các ống tƣơng đối nhanh, kết quả này cho thấy việc chế tạo ống nano cacbon với điều kiện nhƣ trên là rất tốt. 3.2 Ảnh hƣởng của các điều kiện chế tạo SWCNTs si u dài, định hƣớng