Công nghệ nano và ứng dụng

Khoá luận tốt nghiệp đại học LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang, người hướng dẫn em tận tình hiệu giúp em hoàn thành khóa luận Em xin cảm ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý - Trường ĐHSP Hà Nội giúp đỡ em suốt trình học tập làm khoá luận Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè bên, động viên em suốt trình học tập làm luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2010 Người thực Nguyễn Thị May Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khoá luận nỗ lực thân giúp đỡ tận tình thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang Kết nghiên cứu khoá luận trung thực không trùng lặp với kết nghiên cứu đề tài khác chưa công bố công trình nghiên cứu Nếu kết cam đoan sai, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Người thực Nguyễn Thị May Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn…………………………………………………………… Lời cam đoan………………………………………………………… Mục lục………………………………………………………………… Phần 1: Mở Đầu Phần 2: Nội dung………………………………………… Chương 1: Công nghệ chế tạo nano………………………………… 1.1 Giới thiệu chung…………………………………………… 1.2 Chế tạo sản phẩm nhỏ……………………………… 1.3 Cơ sở khoa học……………………………………………… 1.4 Nguyên lý hiệu ứng dùng………………………………… 12 1.5 Chế tạo vật liệu nano……………………………………… 13 1.6 Nghiên cứu fuloren ống cacbon……………………… 22 1.6.1 Giới thiệu fuloren ống cacbon………………… 22 1.6.2 Các tính chất đặc biệt ống nano cacbon………… 25 1.6.3 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon fuloren 27 1.6.4 Các ứng dụng ống nano cacbon fuloren……… 29 Chương 2: Ứng dụng công nghệ nano……………………………… 33 2.1 Giới thiệu chung…………………………………………… 33 2.2 Ứng dụng nano số lĩnh vực………………… 34 2.2.1 Vật liệu ngăn cách…………………………………… 34 Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học 2.2.2 Cơ khí chế tạo máy…………………………………… 34 2.2.3 Điện tử………………………………………………… 36 2.3 Công nghệ nano với ngành điện tử………………………… 36 2.3.1 Từ vi điên tử đến nano điện tử………………………… 37 2.3.2 Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano điện tử………… 40 Chương 3: Kết luận…………………………………………………… 45 Tài liệu tham khảo…………………………………………………… 46 Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học PHẦN 1: MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Công nghệ nano ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước nanomét (1nm = 10-9m) Ngành khoa học non trẻ phải dựa nhiều vào vật lý chất rắn, khoa học kỹ thuật, sinh học phân tử hoá học có xu hướng phát triển mạnh ngành điện tử phân tử, bán dẫn, y học… Khoa học công nghệ nano khởi đầu tiến ngành vi điện tử gần lúc Mỹ, châu Âu Nhật Bản Tiếp theo Nhật bản, gần số nước vùng lãnh thổ châu Á như: Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan đầu tư phát triển khoa học công nghệ nano Cùng với phát triển này, hội đồng khoa học ngành vật lý thuộc hội đồng khoa học tự nhiên Việt Nam tham gia diễn đàn công nghệ nano để khẳng định Việt Nam quan tâm đầu tư phát triển ngành công nghệ mẻ Tôi thấy ngành khoa học lý thú hứa hẹn ứng dụng rộng rãi tương lai Tìm hiểu cách chế tạo ứng dụng công nghệ nano lĩnh vực ngành công nghiệp, thấy đặc biệt hữu ích ngành kĩ thuật Chính chọn đề tài “ Công nghệ nano ứng dụng ’’ Mục tiêu - Tìm hiểu công nghệ nano - Tìm hiểu ứng dụng công nghệ nano Nhiệm vụ : - Nghiên cứu công nghệ chế tạo nano - Một số ứng dụng cụ thể công nghệ nano Đối tượng nghiên cứu Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Công nghệ nano Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan lí thuyết số ứng dụng ngành công nghiệp Ý nghĩa khoa học thực tiễn Hiểu đuợc phát triển, cách chế tạo ứng dụng công nghệ nano thực tiễn Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết Cấu trúc luận văn Chúng cấu trúc luận văn làm hai chương: Chương 1: Công nghệ chế tạo nano Chương tìm hiểu tính chất vật liệu nano, sở khoa học, phương pháp, nguyên lý chế tạo vật liệu nano tìm hiểu cụ thể fuloren ống cacbon Chương 2: Ứng dụng công nghệ nano Chương khai thác, nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano số lĩnh vực như: vật liệu cách ngăn, khí chế tạo máy, điện tử Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NANO 1.1 Giới thiệu chung Ta thường gặp vật liệu nanô dạng bột Nói chung bột có kích thước cỡ hàng chục micromet xem mịn nhìn kính hiển vi quang học khó thấy rõ hạt Còn kim loại hợp kim dạng khối qua phân tích kính hiển vi nhiều hạt tinh thể nhỏ kết liền lại với chặt chẽ Kim loại, hợp kim gọi có hạt nhỏ kích thước vào cỡ hàng chục, hàng trăm micromet, loại hạt to kích thước đến milimet, chí đến centimet Vật liệu nanô dạng bột, dạng khối có kích thước hạt nhỏ cỡ đến 100 nm Tuy nhỏ hạt có cấu trúc tinh thể, nghĩa nguyên tử xếp có trật tự phạm vi hạt Tất nhiên mặt mặt phân cách hạt có cấu trúc khác với bên chiếm tỉ lệ đáng kể kích thước hạt nhỏ Vật liệu có cấu trúc hạt nhỏ hoàn toàn Từ năm 1900 để làm lốp xe người ta phải trộn vào cao su hạt muội than Các hạt than màu đen, mịn, kích thước hạt vào cỡ nhỏ phần mười micromet (100nm) trộn vào cao su cho cao su đàn hồi tốt không mềm, chịu mài mòn với mặt đường Thực chất nanô composit Bột oxit silic lấy từ bụi khói dùng trộn với keo để dán, để phủ sơn v.v phổ biến từ năm 1940 vật liệu nanô Nhưng trước người ta có ý tưởng chung dùng bột thật mịn tốt, sử dụng số hạt theo kinh nghiệm cảm tính chưa phải nghiên cứu có hệ thống, chưa thấy đầy đủ tính chất ưu việt lạ thường hạt kích thước chúng vào cỡ nanomet Phân tích kỹ thuật kích Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học thước hạt giảm đến nanomet lượng nguyên tử bề mặt hạt đáng kể với lượng nguyên tử bên hạt Nói cách khác, đặc điểm vật liệu nano diện tích mặt (mặt phân cách) lớn đáng kể Bản thân việc diện tích mặt lớn làm cho tính chất cơ, quang, từ, điện khác biệt so với vật liệu thông thường Mặt khác hạt nhỏ phần bên trong, phần có cấu trúc tinh thể (nguyên tử xếp trật tự) hạt thu nhỏ lại Điều dẫn đến nhiều tính chất lạ, đặc biệt tính chất điện, quang từ Hình 2.1.So sánh kích thước vật liệu nano tế bào Hình 2.2 Hình ảnh Fulơren Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Từ lâu nhà vật lý biết giới nano, định luật vật lý cổ điển, vốn áp dụng vào vật thể hàng ngày, không giá trị Các tính toán phải dựa vào định luật Cơ học lượng tử thuyết Tương đối Khi vào công nghệ nano có hai vấn đề quan trọng sau phải đặc biệt lưu ý: - Thứ thông tin, liên lạc giới nano giới bình thường Theo học lượng tử, ta biết cố gắng đo lường hệ thống hạt vô nhỏ ta làm xáo trộn chúng Do đó, có khác biệt định luật vật lý, trao đổi tin tức hai giới khó trung thực - Thứ hai hiệu ứng bề mặt vật thể Trong giới marco micro, định luật vật lý chất rắn luôn áp dụng với điều kiện tiên tỷ số diện tích bề mặt thể tích vật thể phải vô nhỏ Nói cách khác, định luật áp dụng khối vật chất lớn Trong công nghệ nano với thao tác xuống đến mức hàng chục nghìn, hàng nghìn, hàng trăm hay đến phân tử ta có điều kiện hạt vật chất nhỏ số lượng phân tử/nguyên tử diện bề mặt hạt vật chất so với tổng số nguyên tử/phân tử tạo nên hạt vật chất tăng Để sản xuất thiết bị không nhỏ mà có đặc tính kỹ thuật nano, người đề độ lớn bậc trung Những vật thể mesoscale có kích thước từ đến vài trăm nano mét, cấu thành từ tích lũy số lớn nguyên tử hay phân tử Với số lượng hạt tử lớn ta áp dụng định luật vật lý cổ điển phải để ý đến ảnh hưởng học lượng tử Nguyễn Thị May Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Sự phát triển công nghệ nano phụ thuộc vào việc liệu nhà khoa học có thành công không việc chế tạo cấu trúc kích cỡ trăm nanomet (phần triệu milimet) cách hiệu Tuy kỹ thuật quang khắc – phương pháp dung để chế tạo mạch điện vi chip – cho phép tiểu hình hóa cấu trúc tới kích cỡ nanomet, tiếp tục phát triển khó khăn mặt kỹ thuật, tốn Các phương pháp chế tạo nano phân phương pháp: Phương pháp từ xuống bứt hay gắn thêm vật liệu theo lượng tử lớn phương pháp từ lên kết hợp nguyên tử hay phân tử riêng lẻ với thành cấu trúc nano 1.2.Chế tạo sản phẩm nhỏ Toàn ngành vi điện tử dựa phương pháp thông thường cho phép chế tạo cấu trúc nhỏ tới kích cỡ phần mười micromet Vậy giới hạn khoảng 100nm Nếu so với vật dụng sống thường ngày độ lớn cực nhỏ - khoảng phần ngàn bề dầy sợi tóc – lớn so với kích cỡ nguyên tử phân tử: khoảng cách 100nm đủ để xếp khoảng 500 nguyên tử silic nằm cạnh (bán kính nguyên tử Si rSi = 1,17 Ǻ, 1nm = 10 Ǻ ) Ý tưởng chế tạo “các cấu trúc nano” có kích cỡ nhỏ “chiều rộng nguyên tử” mê nhà khoa học, kỹ sư, nhà lý thuyết người thực hành Tuy nhiên kích cỡ nguyên tử lại thể giới hạn bản: đạt tới kích cỡ nhỏ thay đổi hạt nhân nguyên tử, nguyên tắc điều có nghĩa biến nguyên tố thành nguyên tố khác Tuy năm qua nhà khoa học phát minh phương pháp công nghệ khác để chế tạo cấu trúc nano họ bắt đầu nghiên cứu tính chất ứng dụng tiềm tàng chúng Nói khác đi: Thời đại chế tạo nano thực Nguyễn Thị May 10 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học CHƯƠNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO 2.1 Giới thiệu chung Các cấu trúc nano có tiềm ứng dụng làm thành phần chủ chốt dụng cụ thông tin kỹ thuật có chức mà truớc chưa có Chúng lắp ráp vật liệu trung tâm cho điện từ quang Những vi cấu trúc trạng thái độc vật chất có hứa hẹn đặc biệt cho sản phẩm hữu dụng Nhờ vào kích thuớc nhỏ, cấu trúc nano đóng gói chặt lại làm tăng tỉ trọng gói Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý liệu khả chứa thông tin gia tăng Tỉ trọng gói cao nguyên nhân cho tương tác điện từ phức tạp vi cấu trúc kế cận Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt phân tử hữu lớn, khác biệt nhỏ lượng cấu hình khác tạo thay đổi đáng kể từ tương tác Vì mà chúng có nhiều tiềm cho việc điều chế vất liệu với tỉ trọng cao tỉ số diện tích bề mặt thể tích cao, chẳng hạn nhớ Những phức tạp hoàn toàn chưa đuợc khám phá việc xây dựng kỹ thuật dựa vào vi cấu trúc đòi hỏi hiểu biết sâu sắc khoa học tìm ẩn chúng Những phức tạp mở đuờng cho tiếp cận với hệ phi tuyến phức tạp mà chúng phô bày lớp biểu khác với lớp biểu hai cấu trúc phân tử cấu trúc quy mô micrômét Vật liệu nanô bao gồm bột nanô nanô tinh thể có nhiều ứng dụng chúng có nhiều tính chất cơ, lý, hóa đặc biệt Các ứng dụng nói đến nhiều xét đến nanô composit, vật liệu nanô, bán dẫn nanô Nguyễn Thị May 37 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học 2.2 Ứng dụng nano số lĩnh vực 2.2.1 Vật liệu ngăn cách Vật liệu nanô tổng hợp phương pháp sol – gel dạng gel khí tức gồm có hạt nhỏ kết lại với hạt có nhiều lỗ nhỏ nanô chứa đầy không khí Dùng gel khí để làm vật liệu cách nhiệt tốt, ví dụ: Tường nhà có lớp gel khí tốn nhiệt để sưởi ấm nhiệt bị tản Bên cạnh việc cách nhiệt, việc cách âm tốt Các cửa sổ kính cần ánh sáng lọt vào thành phần khác phổ mặt trời lọt vào lại có hại Loại cửa sổ thông minh, kính tức ánh sáng nhìn thấy lọt qua dễ dàng tử ngoại hồng ngoại không lọt qua Đó nhờ phủ lên kính lớp hạt nanô tinh thể ví dụ hạt oxit angtimoan thiếc (ATO) hay oxit inđi thiếc (ITO) đường kính 50 nm, ánh sáng lọt qua dễ dàng tia tử ngoại bị tán xạ mạnh hạt ngăn chặn hồng ngoại Người ta gọi cửa sổ thông minh cho ánh sáng lọt qua không cho tử ngoại hồng ngoại lọt qua nhờ nhà, ôtô không bị nóng, tia có hại mà sáng sủa thường Còn có loại cửa sổ thông minh khác ứng dụng công nghệ nanô đặc biệt : Lúc nắng cửa sổ tối lại, lúc ánh sáng yếu cửa sổ lại “ trong” 2.2.2 Cơ khí chế tạo máy Công nghệ nanô tạo vật liệu cứng dùng để cắt gọt chế tạo máy Mũi khoan, dao cắt có phủ lớp vật liệu nanô làm từ carbid vonfram, carbid tantal cứng nhiều, bị mài mòn, bị ăn mòn so với carbid kim loại dạng thông thường tức carbid có cấu trúc hạt to Lò xo cao cấp, ổ bi đặc biệt, chổi đầu van v.v Ở công nghệ chế tạo ôtô phải dùng đến vật liệu cứng đàn hồi tốt làm từ tinh thể nanô nitrid silic Nguyễn Thị May 38 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học (Si3N4) carbid silic (SiC) Các loại vật liệu hay dùng lò nhiệt độ cao Mặt khác từ công nghệ nanô làm vật liệu mềm dẻo thông thường Gốm thông thường cứng giòn nung thành gốm thi không gia công Nhờ oxit zirconi ZrO2 có kích thước hạt nanô làm gốm siêu dẻo biến dạng đến 300% so với kích thước ban đầu Gốm tinh thể nanô nén liên kết thành nhiều hình dạng khác nhiệt độ thấp, gốm thường khó, thực tế thực việc nén liên kết nhiệt độ cao Cụ thể ứng dụng động ô tô, máy bay,… Động ôtô hao tổn lượng nhiều nhiệt động sinh bị mát nhiều nên biến công Điều đặc biệt cần ý động diesel Để tổn hao nhiệt người ta phủ lớp gốm nanô tinh thể xylanh thường gốm oxit zirconi oxit silic Lớp gốm giữ nhiệt tốt giúp cho nhiên liệu cháy hết chuyển sang lượng có hiệu Ở động máy bay độ bền mỏi quan trọng Động quay nhanh nhiệt độ phận động cao cần phải có vật liệu có độ bền mỏi tốt Vật liệu nanô có kích thước hạt nhỏ đến cỡ nanomet nên độ bền mỏi tốt ba lần Trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, tên lửa Vật liệu nhẹ, chịu nhiệt độ cao bền yếu tố định Các ống nano vững chắc, có sức mạnh gấp mười lần thép đặc biệt kháng nhiệt, điều giúp người sản xuất hàng loạt thiết bị cho ngành sản xuất xe hơi, máy bay tàu vũ trụ Tầu chở hàng, tàu thoi về, dùng nhiều lần vận chuyển Trái đất trạm không gian nhờ có lớp vật liệu đặc biệt phủ bề mặt tàu Chịu hiệu ứng nhiệt, cọ xát với không khí với tốc độ cao Xu hướng ngày dùng Nguyễn Thị May 39 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học vật liệu composit ngày tìm nhiều loại composit hạt nanô thích hợp Vật liệu nanô nanô tinh thể vonfram – titan – bo – đồng vật liệu nanô tinh thể có triển vọng để chịu nhiệt độ cao 2.2.3 Điện tử Nhiều phòng thí nghiệm bắt tay vào nghiên cứu hệ máy tính nano, máy tính có chi tiết thiết kế việc xếp nguyên tử có khả lưu giữ ( chứa nhiều terabyte thông tin ), xử lý thông tin với tốc độ lớn nhiều lần đặc biệt giá thành rẻ Các ống nano làm sợi tóc thắp sáng bóng đèn, mà chúng phát triển để thay bóng điện, bảng hiển thị thông tin, hình máy tính, điện thoại di động - Chế tạo hình: Màn hình tivi, máy tính thông thường có lớp mỏng gồm hạt phôtpho (có pha tạp), điện tử đập vào lóe sáng lên Màn hình chia thành nhiều điểm ảnh, điểm ảnh chứa số hạt phôtpho Năng suất phân giải hình phụ thuộc vào kích cỡ hạt phôtpho Các hạt ZnS, ZnSe, CdS, PbTe chế tạo theo phương pháp sol – gel có kích thước cỡ nanômet dùng làm hình cho suất phân giải cao Ống nanô cacbon dùng làm hình suất phân giải cực cao 2.3 Công nghệ nano với ngành điện tử Hiện hình ảnh ngành điện tử mang nặng dấu ấn chip silic mỏ hàn Nhưng tương lai , phòng thí nghiệm hóa nhỏ Việc thu nhỏ mạch điện tử phương pháp truyền thống tới giới hạn cuối Bởi vậy, tới kỹ sư phải thực chiến lược hoàn toàn cho việc chế tạo linh kiện điện tử Nguyễn Thị May 40 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Các nhà khoa học thiết kế chế tạo linh kiện điện tử transitor, điôt, rơle kích thước cỡ nano từ nguyên tử hữu cơ, cacbon, ống nano dây nano bán dẫn Thách thức ghép linh kiện cực nhỏ mạch điện Các ứng dụng ngành điện tử bao gồm: Ổ cứng máy tính, nhớ từ, cảm ứng, máy dò quặng la bàn Như biết, gắn thành phần vào chip bán dẫn giới hạn định Thông thường, vi mạch khắc lên chíp cách dùng axít bóc diện tích nhỏ Tuy nhiên, lý thuyết, tạo chíp từ nguyên tử, giúp cho thiết bị có kích thước nhỏ nhiều so với công nghệ khắc axít Phương pháp không tạo nguyên tử không cần thiết Dây dẫn điện công nghệ Nano (Nanowire) dày nguyên tử Một cổng logic cần vài nguyên tử Một bit liệu biểu có mặt hay mặt điện tích (electron) đơn lẻ 2.3.1.Từ vi điện tử đến nanô điện tử Từ năm 60 kỷ 20 có công nghệ trội lên ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi đời sống xã hội, công nghệ vi điện tử Nhờ có công nghệ vi điện tử có công nghệ thông tin, công nghệ thông tin làm thay đổi toàn xã hội, xuất kinh tế tri thức, xu toàn cầu hóa Những phát triển nhanh chóng xã hội có liên quan với phát triển công nghệ vi điện tử Từ cuối năm 1960, Gordon Moore người đồng sáng lập hãng Intel đưa nhận xét, sau người ta gọi quy luật Moore: Cứ 18 tháng số transistor chip mạch vi điện tử tăng lên gấp đôi Cho đến quy luật thực tế kiểm nghiệm Nguyễn Thị May 41 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Số trasistor tích hợp chip tăng nhanh đôi với việc diện tích cần cho transisto chip giảm theo hàm mũ Như theo quy luật Moore diễn biến thực tế công nghệ vi điện tử, kích thước linh kiện mạch tích hợp đến nhỏ micromet quy luật Moore đến năm 2010, kích thước linh kiện vài phần trăm micromet Nhưng kích thước linh kiện , nhỏ làm cho công nghệ vi điện tử đứng trước hai mối lo tương lai Mối lo thứ tương lai kinh tế, Kích thước nhỏ việc chế tạo đòi hỏi tinh vi, xác đắt tiền Mối lo thứ hai quan trọng thuộc lý kỹ thuật Đó kích thước linh kiện, ví dụ transistor nhỏ mức hiệu ứng lượng tử thể mạnh, linh kiện không làm việc cũ Con đường từ vi điện tử đến điện tử nanô đường tiếp tục làm linh kiện nhỏ dần, từ micromet đến nanômet mà đường: Tìm linh kiện làm việc theo quy tắc vật lý kích thước linh kiện nhỏ, tìm công nghệ chế tạo phải tích hợp nhiều linh kiện Xu hướng có hai cách: tiếp tục đường vật lý chất rắn chuyển sáng hẳn tính chất lượng tử để đến kích thước nanô hai chuyển sang đường dùng phân tử, có nhiều đặc thù mà giới vật rắn Một hướng nữa, theo đường vật lý chất rắn chuyển sang điều khiển spin điện tử từ trường Đó spin điện tử học Công nghệ vi điện tử gặp phải khó khăn hạn chế tiếp tục giảm kích thước linh kiện Không đâu rõ công nghệ vi điện tử: Không tiến lên lạc hậu mà lạc hậu chết Yêu cầu tiến lên công nghệ vi điện tử khắt khe: Ít sau 18 tháng mật độ tích hợp linh kiện phải tăng lên gấp đôi (quy luật Nguyễn Thị May 42 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Moore), kích thước linh kiện phải giảm theo quy luật hàm mũ tương tự Ta xét riêng mặt kỹ thuật xét linh kiện tiêu biểu transisto trường MOSFET Khi kích thước giảm, nhỏ mức xuất nhiều khó khăn - Khó khăn điện trường: nhiệt độ làm việc bình thường (nhiệt độ phòng) luôn có nhiễu nhiệt độ vào cỡ 25mV Muốn transisto làm việc ổn định nhiệt độ phòng, điện tác dụng lên transistor bốn năm lần lớn điện nhiễu, tức cỡ 100mV Nhưng transistor nhỏ, khoảng cách cực nhỏ, điện 100mV gây nên điện trường lớn Đối với bán dẫn điện môi điện trường cao mức dễ xảy phóng điện thác lũ, tạo dòng điện lớn đủ sức phá hỏng bán dẫn, điện môi - Trở ngại xuyên hầm: Các transistor mạch tổ hợp phải cách điện với (chỉ nối với đường dẫn điện) Điện tử từ trường transistor không rò rỉ qua transistor qua chỗ cách điện - Trở ngại tỏa nhiệt: Số lượng transistor centimet vuông tăng, tức transistor nhỏ, mạch tích hợp làm việc nhiệt tỏa nhiều Với mức tích hợp nay, transistor nhỏ micromet vấn đề tỏa nhiệt bắt đầu vất vả Với công nghệ vi điện tử nay, nhiều trường hợp thiết kế mạch tích hợp cao hơn, số linh kiện chip nhiều không khắc hình đủ mức xác mà không giải tốt vấn đề tỏa nhiệt Qua điều khó khăn trên, thấy rõ thêm dùng công nghệ vi điện tử nay, cải tiến cho linh kiện từ kích cỡ Nguyễn Thị May 43 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học micromet ngày nhỏ tiến đến kích cỡ nanomet không lâu gặp bế tắc Có hai hướng đầu tư nghiên cứu để phát triển: Một hướng tiếp tục dùng vật liệu bán dẫn, theo đường phải thay đổi, làm linh kiện hoạt động theo nguyên lý mới, dựa theo hiệu ứng lượng tử Hiện bắt đầu xuất linh kiện transistor đơn điện tử linh kiện tunen cộng hưởng, linh kiện spin điện tử học Có thể có biện pháp lai, làm linh kiện lai vi điện tử nanô điện tử Đây hướng thực nhiều triển vọng giai đoạn độ Một hướng dùng phân tử làm linh kiện, gọi điện tử học kích cỡ phân tử Người ta chọn số phân tử có khả làm dây, làm điốt, làm transistor Hướng có khó khăn có ưu điểm làm đồng loạt nhiều linh kiện cách rẻ tiền Hinh 3.1: Phân tử liên kết động,hữu ích chuyển mạch phân tử 2.3.2 Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano điện tử Các nhà nghiên cứu tạo bóng bán dẫn nhỏ giới – có bề dày nguyên tử rộng 10 nguyên tử, từ loại nguyên liệu cho thay silicon tương lai không xa Nguyễn Thị May 44 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Chiếc bóng bán dẫn này, chất công tắc bật tắt, sử dụng công nghệ Graphene, nguyên liệu phát cách khoảng năm Graphene lớp đơn than chì, tìm thấy bút chì đơn Chiếc bóng bán dẫn thiết bị quan trọng bảng vi mạch tảng thiết bị điện tử - Nano transistor Transistor phân tử linh kiện cho điện tử nano Mỗi phân tử dẫn điện dây dẫn mảnh, có phản ứng hóa học làm thay đổi cấu hình nguyên tử chúng qua đóng điện Những dây nano giao giải toán khó điện tử học kích cỡ nano: Làm nối dây dẫn với linh kiện – chẳng hạn transistor hay điôt? Các dây có chức kép, chúng vừa dây dẫn mà vừa linh kiện Mỗi giao điểm linh kiện, trường hợp vi rơle Để đóng ngắt rơle người ta phải đặt điện định lên dây nano giao Sau rơle mãi trạng thái Các dây nano bán dẫn giao dùng làm rơle hoạt động phương pháp điện tử, nghĩa chuyển động học - Siêu nguyên liệu Graphene từ lâu ca ngợi siêu nguyên liệu có nhiều khả ứng dụng Đó phân tử phẳng, với chiều dày nguyên tử, ổn định mạnh Các nhà nghiên cứu tìm cách ứng dụng Graphene vào công nghệ biểu diễn suốt Grapene không chủ đề nóng nhà nghiên cứu bóng bán dẫn vốn chất dẫn điện tuyệt vời Không giống Silicon, bóng bán dẫn Graphene nhỏ lại hoạt động tốt Nguyễn Thị May 45 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học - Hở điện Ngành kinh doanh chất bán dẫn tiến hành sở chắn, loại bỏ chip siêu nhỏ làm từ nguyên liệu silicon mỏng manh Các công ty Intel có lộ trình để giảm kích cỡ mạch sử dụng silicon, xuống khoảng 10 nanomet - nhỏ bề ngang sợi tóc đến 10,000 lần Nhiều nhà nghiên cứu tin việc sản xuất mạch nhỏ 10 nanomet silicon khó kích thước đó, chúng làm hở điện Kế hoạch triển khai sản xuất mạch silicon dự định kết thúc vào năm 2020, khiến cho chạy đua tìm nguyên liệu thay tiềm trở nên có lợi - Các ống Nano tạo nối điện Các ống Nano bán dẫn lại loại khác Chúng lớn ống nano cacbon, thành phần chúng dễ điều khiển xác Để chế tạo dây phải bắt đầu với chất xúc tác kim loại quy định từ trước đường kính dây lớn dần lên định phân tử vật liệu cần tạo phải tập trung lại đâu Trong trình lớn lên, dây pha tạp nguyên tử tạp chất để tạo bán dẫn loại n hay loại p Loại n thừa điện tử, loại p thiếu điện tử (thừa lỗ trống) tích điện dương Việc chế tạo vật liệu loại n hay loại p vật liệu cho transistor, điôt linh kiện điện tử khác mở cửa sang giới Vậy xây dựng nhiều linh kiện mới, chẳng hạn hai loại transistor MOSFET transistor lưỡng cực, linh kiện chuyển đổi để chuyển mức ”0” sang mức “1” điôt phát sáng mở đường dẫn đến kết nối quang học Những transistor lưỡng cực linh kiện kích cỡ phân tử khuếch đại dòng điện gần đạt tiến đặt dây nano pha tạp loại n thẳng góc lên dây pha Nguyễn Thị May 46 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học tạp loại p tạo nhớ nhớ thông tin vòng 10 phút; điện tích giữ lại điểm giao hai dây nano Tuy vậy, việc chế tạo linh kiện có kích cỡ nanomet phân tử bước đầu Thách thức lớn kết nối tổ hợp chúng cho có ý nghĩa Đầu tiên phải nối linh kiện nano với dây kích cỡ phân tử Cho đến linh kiện phân tử hữu gắn với dây kim loại thông thường, chế tạo phương pháp quang khắc Việc ứng dụng dây nano không dễ, lẽ chưa biết qua tạo liên kết điện hoàn hảo mà không phá hủy dây Nếu dùng dây ống nano linh kiện lẫn dây nối vấn đề coi giải xong Thứ hai sau dây nano nối với linh kiện chúng phải tự xếp lại Chẳng hạn theo trường hai chiều Mới người ta đạt tiến mang tính đột phá: Tạo mạch nano nhờ dòng chất lỏng Tương tự gỗ mảnh bè bị dòng nước trôi, dây nano chất lỏng xếp thành hàng song song, chất lỏng etanol hay dung môi Dòng chất lỏng điều khiển cách dẫn qua khe khía vào nhựa Đơn giản đặt lên đế mà muốn bố trí linh kiện Qua phương pháp nêu ta tạo liên kết theo chiều dòng chảy: Chừng dòng chảy chảy theo hướng có dây nano song song Để bổ sung thêm dây theo hướng khác, dòng lái đi, trình lập lại, tạo lớp dây nano bổ sung Chẳng hạn để tạo mạng vuông góc , trước hết xếp dây nano thành hàng song song, sau quay dòng chảy 900 , lập hàng Bằng cách dùng dây có thành phần khác cho lớp dây, nhanh tạo linh kết nano đầy hiệu Nguyễn Thị May 47 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học mà sử dụng thiết bị đơn giản thiết bị phòng thí nghiệm Một mạng điôt chẳng hạn gồm mặt phẳng ống nano dẫn điện nằm mặt khác gồm ống nano bán dẫn Hoặc người ta xếp lớp ống nano cấy1 loại n lên lớp cấy loại p Trong hai trường hợp điểm giao có tác dụng điôt Tiền đề mang tính định : Phải tạo cách xếp định, mang tính tiên định Hình thức tuân thủ chức Một sáng kiến khác : Ghép nối liên kết cách ngẫu nhiên Sau nghiên cứu xác định xem liệu cách chúng dùng làm nhớ hay linh kiện máy tính Trong trường hợp chức tuân thủ hình thức Vấn đề phương pháp khó nắm bắt mạng phức tạp sử dụng vào việc Nguyễn Thị May 48 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN Vi điện tử phát triển nhanh, vi điện tử nano điện tử để làm linh kiện có kích cỡ nhỏ mang tính ưu việt Luận văn khai thác giới thiệu công nghệ nano Qua trình thực đề tài, thu kết cụ thể:  Đã tìm hiểu sở khoa học phương pháp chế tạo vật liệu nano  Đã tìm hiểu, nghiên cứu fuloren ống cacbon: vật liệu nano có nhiều ứng dụng ngành điện tử  Giới thiệu ứng dụng nano lĩnh vực ngành công nghiệp đặc biệt ngành điện tử Đề tài có ý nghĩa tiếp tục nghiên cứu sở khoa học kiểm chứng thông qua thực nghiệm Cuối cùng, mong đuợc đóng góp ý kiến, giúp đỡ thầy cô giáo bạn để đề tài có ý nghĩa áp dụng vào thực tế Nguyễn Thị May 49 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Trương Văn Tân (2009), Khoa học Công nghệ nano, Nxb Tri Thức [2] Jack Uldrich – Deb Newberry (2006), Công nghệ nano - Đầu tư đầu tư mạo hiểm Nxb Trẻ [3] Nguyễn Đức Nghĩa (2007), Hoá học nano: Công nghệ vật liệu nguồn, Nxb Khoa học tự nhiên Công nghệ [4] www Khoahoc.com.vn/congnghemoi [5].Congnghenano.net/indek-php [6] Hocmai.com.vn/print [7] www.prt.vn/up load/Nghiencuu/congnghenanovaungdung [8].www.sinhhocvietnam.com/vn/module page% 3D3 [9] www:forum.lichhoc.vn/showthread.php%3d29571 Nguyễn Thị May 50 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Nguyễn Thị May 51 Lớp K32D - Lý [...]... Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano Phương pháp kết hợp: Là phương pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano  Một số phương pháp cụ thể Vật liệu nanô có thể là bột rời có kích thước hạt nanomet, có thể là vật khối nhưng... thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm Chính vì thế mà người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ. .. bột cho công nghệ nanô hiện đại Người ta dùng các hòn bi cứng, to và nặng cho vào một cái trống hình trụ cũng làm bằng vật liệu cứng Cho vật liệu vào trống và cho trống quay Với tốc độ quay thích hợp thì có thể có các tác dụng: + Bi quay theo trống đến một độ cao, rơi xuống đập nhỏ vật liệu Nguyễn Thị May 24 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học + Bi lăn trên mặt trống, có tác dụng nghiền và trộn... liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn mà không làm... liệu bán dẫn điện, siêu dẫn v.v Có nhiều ứng dụng kiểu như vậy nhưng thực tế mới là ứng dụng trong nghiên cứu Ứng dụng đang nổi lên hiện nay là dùng fulơren để mang dược phẩm dùng trong y tế Cái lồng fulơren nhỏ nhưng cứng làm bằng chất hạt mang thuốc Người ta đã cho những ligand (phối tử) thích hợp bám ra ngoài cái lồng fulơren và dùng để ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào Nếu phủ chắc được một... anốt bị bốc bay và bám vào điện cực đối diện tức là bám vào catốt Fulơren xuất hiện nhiều trong muội than rơi xuống còn ống nanô cacbon thường hình thành và bám vào catôt Tốt nhất là dùng graphit sạch để làm các điện cực Nhưng trong công nghệ để cho rẻ, có thể dùng than Sản phẩm hồ quang với điện cực làm từ than khác với làm từ graphit Dùng graphit hay than tỉ lệ hình thành fulơren C60 và C70 là như... tế, thời đại khoa học nano vừa mới được mở ra, nhưng thời đại kỹ thuật nano – việc chuyển hóa thành các ứng dụng thực tế thật ra vẫn đang ở phía trước Thế nên có thể xảy ra là tuy các nhà nghiên cứu chế tạo được các linh kiện có cấu trúc nano cho ngành điện tử nhưng các ứng dụng thật sự trọng đại lại nằm ở một lĩnh vực hoàn toàn khác Điều đó đã xảy ra trong trường hợp tinh thể nano bằng vật liệu bán... đưa vào một cái tương tự như máy phóng ảnh, nhưng ở đây ngược lại, nó chiếu ảnh ở dạng thu nhỏ lên lớp cảm quang của đế silic cần được gia công Sau đó những phần đã được rọi sáng của màng mỏng polyme hữu cơ nhạy sáng này sẽ được tách ra một cách có chọn lựa Trên tấm đó sẽ hiện lên “bản in” đã thu nhỏ của bản gốc Một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghệ nano là kính hiển vi quét sử dụng. .. 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 Bảng 2 Kích thước của một số cấu tử nano Nguyễn Thị May 15 Lớp K32D - Lý Khoá luận tốt nghiệp đại học Vật liệu nano Hình 2.3 : Các tinh thể kích thước nhỏ nano của germanium, được cố định trên thủy tinh silica 1.4 Các nguyên lý và hiệu ứng dùng Một trong những tính chất quan trọng của cấu trúc nano là sự phụ thuộc vào kích thước Vật chất khi ở dạng vi thể có thể có những tính... đại học Công nghệ nanô đã lợi dụng những tính chất vô cùng đặc biệt của ống nanô cacbon và fulơren để làm ra nhiều loại linh kiện, nhiều loại vật liệu mà trước đây chưa ai nghĩ rằng sẽ có ngày làm ra được Ảnh hưởng của ống nanô cacbon đến sự phát triển của công nghệ nanô là rất to lớn Có ba loại ống nanô cacbon là: - Kiểu Ziczac - Kiểu Ghế bành - Kiểu Chiral Hình 2.8: Mô hình 3D của ba loại ống nano cacbon ... tài “ Công nghệ nano ứng dụng ’’ Mục tiêu - Tìm hiểu công nghệ nano - Tìm hiểu ứng dụng công nghệ nano Nhiệm vụ : - Nghiên cứu công nghệ chế tạo nano - Một số ứng dụng cụ thể công nghệ nano. .. tạo ống nano cacbon fuloren 27 1.6.4 Các ứng dụng ống nano cacbon fuloren……… 29 Chương 2: Ứng dụng công nghệ nano …………………………… 33 2.1 Giới thiệu chung…………………………………………… 33 2.2 Ứng dụng nano số... kỷ 20 có công nghệ trội lên ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi đời sống xã hội, công nghệ vi điện tử Nhờ có công nghệ vi điện tử có công nghệ thông tin, công nghệ thông