Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

Do đó, mục tiêu mà đề tài này đề ra là nghiên cứu, thu thập, hệ thống hóa các thông tin về ngành công nghệ nano: từ thực trạng phát triển của công nghệ nano hiện nay đến cơ sở khoa học c

Trang 1

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Chúng ta đang sống trong thời đại khoa học và kỹ thuật phát triển hết sức nhanh chóng và mạnh mẽ, ảnh hưởng sâu sắc đến mọi hoạt động của con người và xã hội Công nghệ nano ra đời đã mở ra nhiều khả năng cho con người có thể chủ động tác động vào tựnhiên Những lợi ích mà công nghệ nano mang lại rất có ý nghĩa và đa dạng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Ví dụ như công nghệ nano giúp chế tạo ra những loại vật liệu có những đặc tính ưu việt và những ứng dụng hiệu quả của công nghệ nano trong y sinh học, điện tử Vì những lợi ích to lớn mà công nghệ nano mang lại, việc tìm hiểu, thu thập thông tin về ngành công nghệ này là rất quan trọng, làm nền tảng để có thể tiếp tục nghiên cứu, phát triển những ứng dụng của công nghệ nano trong cuộc sống Do đó, mục tiêu mà đề tài này đề ra là nghiên cứu, thu thập, hệ thống hóa các thông tin về ngành công nghệ nano: từ thực trạng phát triển của công nghệ nano hiện nay đến cơ sở khoa học của công nghệ nano, các phương pháp chế tạo các vật liệu nano và những ứng dụng hiện nay của ngành công nghệ mũi nhọn này Do những hạn chế của một đề tài cấp sinh viên, hạn chế về điều kiện để thực hiện những nghiên cứu thực nghiệm và những hạn chế về thời gian nên đề tài này chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết Về sau nếu có thêm cơ hội và điều kiện, chúng em sẽ nghiên cứu, phát triển đề tài sâu rộng hơn

2 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong đề tài này chúng em tiến hành nghiên cứu lịch sử hình thành, sự phát triển của công nghệ nano và tầm quan trọng của nó, nghiên cứu các khái niệm, phương pháp chếtạo, các công cụ và phương pháp nghiên cứu thế giới nano cũng như cơ sở Vật lý và các vấn đề liên quan của công nghệ này Bên cạnh việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, chúng emcòn đưa ra các ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực của đời sống xã hội và viễn cảnh phát triển của ngành trong tương lai

Như đã nói, đây là một đề tài cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ nano nên

nó có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho bất cứ độc giả nào có nhu cầu tìm hiểu về một ngành công nghệ mũi nhọn: công nghệ nano!

Trang 2

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Do những đặc điểm và những mục tiêu của đề tài như đã chỉ ra ở trên mà phương pháp nghiên cứu chủ yếu chúng em đã sử dụng là phương pháp thu thập, chọn lọc và hệthống hoá thông tin thu được; phương tiện để nghiên cứu là các nguồn sách báo ở trong

và ngoài nước và các nguồn tài liệu trên Internet

4 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

 Bước 1: Tìm hiểu sơ lược để có cái nhìn tổng quan về đề tài từ đó định hướng được hướng nghiên cứu chính của đề tài

 Bước 2: Thu thập, chọn lọc, hệ thống hoá thông tin và lập đề cương cho đề tài

 Bước 3: Tiến hành viết đề tài

 Bước 4: Từng bước hoàn chỉnh nội dung đề tài thông qua những ý kiến đóng góp của giáo viên hướng dẫn

 Bước 5: Hoàn chỉnh đề tài, nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn và giáo viên phản biện

 Bước 6: Bảo vệ đề tài

5 CÁC THUẬT NGỮ

 TSM (Tunneling scanning microscope): kính hiển vi quét xuyên hầm.

 AFM (Atomic force microscope): kính hiển vi lực nguyên tử.

 TEM (Transmission electron microscope): kính hiển vi điện tử truyền qua.

 SEM (Scanning electron microscope): kính hiển vi điện tử quét.

 XRD (X-Ray Diffraction): Phương pháp nhiễu xạ tia X.

 MEMS (Microelectromecanic): hệ vi cơ điện.

 NEMS (Nanoelectromecanic): hệ thống cơ điện nano.

 QD (Quantum dot hay nano dot): điểm, chấm lượng tử, đảo.

 Quantum wire: dây lượng tử.

 Quantum well: giếng lượng tử.

 FET: transistor trường.

 MOSFET: transistor trường oxit kim loại bán dẫn.

 RTD: diod đường hầm cộng hưởng.

Trang 3

 RTT: transistor đường hầm cộng hưởng.

 SET (Single electron transistor): transistor đơn điện tử.

 Sensor: cảm biến.

 Chip: loại mạch điện tử siêu nhỏ.

 Lithography: phương pháp quang khắc.

 EBL: quang khắc chùm điện tử.

 MBE: phương pháp epitaxy chùm phân tử.

 Detector: máy dò.

 Photodetector: thiết bị dò cảm biến quang học.

 Robot nano: người máy kích cỡ nano.

 “Top - down”: phương pháp chế tạo từ trên xuống.

 “Bottom - up”: phương pháp chế tạo từ dưới lên.

 “Điểm”: nhiệt dộ đông đặc của vật chất.

 Fulleren: cấu trúc hình cầu, được cấu thành từ 60 nguyên tử cacbon Các nguyên

tử cacbon nằm ở 60 đỉnh của một hình gồm 90 cạnh và 32 mặt được tạo thành từ 12 hình ngũ giác và 20 hình lục giác

 Nano tube (ống nano cacbon): cấu tạo rỗng bên trong, thành ống như những lá

graphite cuộn tròn, đầu ống là bán cầu fullerence úp lại Vỏ của ống nanocacbon bao gồm các nguyên tử cacbon xắp xếp đều đặn ở đỉnh của các hình lục giác đều Có hai loại là ống nano cacbon đơn tường (một lớp) và ống nano cacbon đa tường (nhiều lớp)

 Màng mỏng Langmuir – Blodgett (màng L.B): Do nhà Vật lí và Hóa học Mỹ

Irving Langmuir cùng học trò của ông là bà K Blodgett thực hiện và đã được trao giải Nobel vào năm 1932 Đây là loại màng mỏng phân tử hữu cơ được chế tạo chính xác dựa vào sự tự sắp xếp của các phân tử, thường chứa

1, 2, 3,…, 25, lớp phân tử trong một mẫu

 Xăng đuých: lớp hoặc mẫu tinh thể (đơn chất hay tạp chất).

 Tip: Đầu dò.

 Pic (peak): Đường cong phổ của một chất.

 WDS ( Wavelength – Dispersive Spectrometer): phổ kế tán sắc sóng.

 EDS ( Energy – Dispersive Spectrometer): phổ kế tán sắc năng lượng.

Trang 4

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ VỀ CÔNG NGHỆ NANO

1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO

1.1.1 Lịch sử hình thành

Công nghệ nano (Nanotechnology) ra đời từ sự phát triển theo hướng thu nhỏ dần kích thước của các thiết bị điện tử: từ chiếc máy tính dùng đèn chân không đầu tiên vào khoảng thập niên 30 của thế kỉ trước, chiếm không gian bằng những tòa nhà và sau đó lànhững máy điện toán dùng các con vi chip mạch (sơ đồ tích hợp và đại tích hợp) thập niên 70 - 80 có kích thước của các thành phần cấu tạo cỡ 10-6 – 10-8 [m] Đến cho phép cấu tạo những động cơ điện và cơ cấu truyền động có kích thước bằng đường kính của sợi tóc người [6]

Một số cột mốc khởi điểm của công nghệ nano [8], [4]

- Vào khoảng 3.5 tỉ năm trước tế bào sống đầu tiên xuất hiện Nó chứa những phần tửsinh học kích cỡ nanomet tiếp nhận những nhiệm vụ như xử lý vật liệu di truyền

- Khoảng 400 năm trước công nguyên, Democrit đưa vào khái niệm nguyên tử để chỉnhững thành phần nhỏ nhất của vật chất mà theo tiếng Hi Lạp cổ có nghĩa là “không chia nhỏ được”

- Năm 1905, trong luận văn tiến sĩ: “Một phương pháp mới để xác định kích cỡ phân

tử đường” của mình, Albert Einstein tính được đường kính của phân tử đường là vào khoảng 1 nanomet

- Năm 1931, Max Knoll và Ernst Ruska phát minh ra kính hiển vi điện tử có thể tạo ảnh của những vật nhỏ hơn 1 nanomet

- Năm 1959, Richard Feynman đọc bài giảng nổi tiếng của ông về khả năng thu nhỏlại: “There’s plenty of room at the bottom” - Ở dưới đang còn nhiều chỗ trống (đại ý là ởsâu trong tự nhiên còn nhiều khả năng nữa)

- Năm 1965, Richard Feyman đoạt giải Nobel Vật lý về lĩnh vực công nghệ nano Ông nhấn mạnh: Công nghệ nano là lĩnh mới đầy triển vọng của thế kỉ 21, hứa hẹn mang

Trang 5

lại những lợi ích vượt bậc trong đời sống và sự phồn vinh của nhân loại Đây cũng là đềtài bất tận cho các nghiên cứu và ứng dụng trong Vật lý, Hóa học, Sinh học

- Năm 1968, Alfied V.Cho và John Arthur của Bell Laboratories cùng với các đồng nghiệp phát minh ra phương pháp epitaxy chùm phân tử

- Năm 1974, Norio Taniguchi đề ra ý tưởng về phương pháp chế tạo nhỏ hơn 1 micromet gọi là “Công nghệ nano”

- Năm 1981, Gerd Binnig và Heinrich Rohrer sáng chế ra kính hiển vi quét cho phép chụp hình từng nguyên tử riêng rẻ

- Năm 1985, Robert F Curl Jr., Harold W Kroto và Richard E Smalley phát minh ra Buckminster – Fulleren hay còn gọi là các quả cầu Bucky có đường kính khoảng 1 nanomet

- Năm 1986, K Eric Drexler xuất bản cuốn “Engines of Creation” (Những cỗ máy đầy sức sáng tạo), từ đó thuật ngữ công nghệ nano trở nên đại chúng hơn

- Ngày 11 - 09 - 1989, khởi đầu một kỉ nguyên mới, đánh dấu sự khởi đầu chính thức của kỉ nguyên công nghệ nano Một sự kiện quan trọng xảy ra tại trung tâm nghiên cứu Almaden của IBM ở San Jose, California: hai nhà khoa học của IBM – Don Eigler và Erhard Schweizer đã thao tác có chủ định từng nguyên tử để tạo nên một cấu trúc, một logo IBM đơn giản, được tạo ra từ 35 nguyên tử Xenon (350 triệu logo này mới chỉ vừa khít trong diện tích của một dấu chấm câu) Eigler và Schweizer đã phá vỡ rào chắn cuối cùng của đơn vị cấu trúc cơ bản nhất của con người và tự nhiên – đó là nguyên tử

- Năm 1991, Sumio Fijima của hãng NEC tại Tsukaba (Nhật Bản) phát minh ống nano cacbon

- Năm 1993, Warren Robinett của Đại học Bắc California (University of North California) và R Stanley Williams của Đại học California (University of California) tại Los Angeles kết nối một kính hiển vi điện tử quét với một Video Recoder, chúng ta như

có thể nhìn thấy và thậm chí sờ mó được các nguyên tử trong một thực tế ảo

- Năm 1996, Richard Smalley đoạt giải Nobel hóa học về công nghệ Nano

- Năm 1998, nhóm của Cee Dekker tại trường Đại học Tổng hợp Delft ở Hà Lan phát minh ra transistor từ ống nano cacbon

- Năm 1999, James M Tour của Đại học Rice và Mark A Reed ở trường Đại học Yale cho thấy rằng các phân tử riêng rẻ có thể hoạt động như dụng cụ đóng ngắt mạch

Trang 6

- Năm 2000, Eigler và các nhà nghiên cứu khác của hãng IBM chế tạo được gương lượng tử Một nguyên tử từ tính tại tiêu điểm này của kính elip gồm các nguyên tử sẽ tạo nên hình ảnh đối xứng gương của chính nguyên tử đó tại chính tiêu điểm kia Điều này có thể sẽ là một phương tiện để truyền thông tin mà không dùng dây dẫn

- Trong năm 2001, nhiều trường Đại học đã thành lập trung tâm công nghệ Nano trịgiá nhiều triệu đôla

- Năm 2001, tại trường Đại học tổng hợp Ulm (Cộng Hòa Liên Bang Đức) Florian Bamberg thành công trong việc hàn hai ống nano với nhau bằng một chùm điện tử Các nhà Vật lý Mĩ ở Moscow (Bang Ohio – Mĩ) nuôi cấy các ống nano theo hình xoắn ốc và qua đó tạo được những lò xo nano

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ nano [8], [4], [18]

Khoa học và công nghệ nano được khởi đầu từ sự tiến bộ trong công nghệ vi điện tửgần như cùng một lúc ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản

 Mĩ

- Trong các trường đại học ở Mĩ, nhiều trung tâm và phòng thí nghiệm nghiên cứu các vấn đề của Vật lý nano đã được thành lập từ những năm 90 của thế kỉ 20 Một số trung tâm sau này được mở rộng thành các trung tâm nghiên cứu khoa học và công nghệ nano

- Năm 2000, thông qua Quỹ Khoa học Quốc gia, Nhà Trắng đã thông qua chương trình quốc gia về khoa học và công nghệ nano và được Tổng thống quyết định là chương trình Khoa học Quốc gia ưu tiên số một Ngoài nguồn kinh phí đầu tư ngày càng tăng từngân sách của Chính phủ, còn có các nguồn đầu tư của các doanh nghiệp và của các trường Đại học

- Cuối thập niên 1990, Tổng thống Clinton ký tài trợ cho trung tâm khởi xướng công nghệ nano Quốc gia ở mức 422 triệu đô la vào năm cuối nhiệm kì của ông Tầm quan trọng chiến lược của vấn đề công nghệ đã thúc giục chính quyền Bush gia tăng tài trợ đến

710 triệu đô la vào năm 2003

- Vào năm 2004, sự đầu tư cho các ngành công nghệ này phát triển mạnh mẽ tại các chính quyền liên bang

+ Ở tiểu bang California, chính quyền bang đóng góp 100 triệu đô la và các công

ty máy tính HP (Hewlett - Packard), Sun Microsystems và Sequenom góp thêm hàng triệu đô la để thành lập Viện nghiên cứu các hệ nano của California

Trang 7

+ Ở bang NewYork đầu tư 50 triệu đô la kết hợp với 100 triệu đô la do IBM đóng góp, mục đích là xác định tiểu bang này trở thành bang dẫn đầu trong lĩnh vực điện tửnano

+ Các bang Texas, New Mexico, Pennsylvania, Indianna, Florida và Illinois cũng tiến hành tương tự nhưng với mức độ đầu tư có thấp hơn, mục đích là để phát triển kinh tế

- Những nỗ lực phát triển công nghệ nano được thể hiện ở sự hoạt động mạnh mẽ ởcác trường đại học và phòng thí nghiệm Liên bang Tháng 9 - 2004, chính quyền Liên bang đã bầu chọn sáu trung tâm ưu tú trong lĩnh vực công nghệ nano Mỗi trung tâm nhận xấp xỉ 12 triệu đô la với những nhà nghiên cứu công nghệ nano xuất sắc nhất và những nghiên cứu sinh giỏi nhất

 Trường Đại học Columbia

 Trường Đại học Cornell

 Trường Đại học Harward

 Trường Đại học Northwestern

 Trường Đại học Bách Khoa Rensselaer

 Trường Đại học RiceNgoài ra Duke, Northwestern, Purdue và trường đại học của Washington đều thành lập những trung tâm công nghệ nano liên kết với đại học Michigan, Georgia Tech, Harward và Stanford

 Nhật Bản

- Nhờ có những vận động của các doanh nghiệp mạnh như Keiranden, chính phủ Nhật Bản đã nhận thấy công nghệ nano là một ưu tiên hàng đầu của Quốc gia và đang đầu tư

465 triệu đô la/năm cho sự phát triển nền công nghệ này Vào những năm cuối của thế kỉ

XX, đã hình thành được một mạng lưới quốc gia các đơn vị nghiên cứu triển khai khoa học công nghệ nano đó là ba Bộ (Bộ thương mại quốc tế và công nghiệp; Bộ khoa học công nghệ; Bộ giáo dục, thể thao và văn hóa) và các doanh nghiệp tham gia

- Các trường đại học Tokyo, Osaka và Viện công nghệ Tokyo cũng đã mở ra Viện nghiên cứu công nghệ nano

 Châu Âu

Trang 8

- Nghiên cứu về các vấn đề của khoa học nano đến nay đã được tiến hành ở tất cả các trường đại học lớn

- Pháp, Anh, Italia và nhiều nước khác đều ưu tiên cho việc nghiên cứu khoa học nano

Ở Đức, một mạng lưới các trung tâm và phòng thí nghiệm khoa học nano đã được hình thành

Ở Pháp, ở đây đang hình thành hai tập đoàn quốc gia về khoa học và công nghệ nano:

 MINATEC: được thành lập bởi trường Đại học Bách Khoa Grenoble và các xí nghiệp công nghiệp điện tử ở vùng Rhone – Alpee

 Một tập đoàn khác được hình thành ở vùng Ile - de - France và Essonne bởi các trường đại học có danh tiếng như: Đại học Sư phạm Paris, Đại học Bách khoa, Đại học sư phạm Cachan, Đại học Điện (Ecole Superieure ở Electricite), Đại học Paris XI,…

 Những quốc gia khác

Những quốc gia khác đầu tư vào công nghệ nano là Hàn Quốc (200 triệu đô la/năm), Trung Quốc (khoảng 200 triệu đô la/năm), Canada (120 triệu đô la/năm), Đài Loan (110 triệu đô la/năm), Israel (100 triệu đô la/năm) và Australia (50 triệu đô la/năm)

- Ở Hàn Quốc: gần như tất cả các trường đại học và viện khoa học đều chú trọng nghiên cứu công nghệ nano: Viện khoa học và công nghệ Kwang - ju K – JIST, Viện Khoa học và Công nghệ KIST

- Ở Đài Loan, nghiên cứu cơ bản về khoa học nano được tập trung tại Viện Hàn lâm khoa học, nghiên cứu triển khai công nghệ nano được tập trung trong Viện nghiên cứu Công nghệ công nghiệp ITRI

- Ở Trung Quốc, một chương trình nghiên cứu triển khai công nghệ nano đã tiến hành trên qui mô toàn quốc và đã đạt được những kết quả rõ rệt Cuối năm 2002, Trung Quốc đã tổ chức triển lãm các sản phẩm công nghệ nano tại Bắc Kinh

- Ở Canada, Australia và New Zeeland mỗi nước đều thành lập Trung tâm nghiên cứu khoa học và công nghệ nano để tập trung sự đầu tư Ba nước này cùng với Đài Loan đã đóng vai trò chủ chốt trong việc thành lập Diễn đàn công nghệ Nano của APEC (APEC Nanotechnology Forum) với sự tham gia của các tổ chức khoa học các nước Asean, trong

đó có Hội đồng khoa học ngành Vật lý thuộc Hội đồng khoa học tự nhiên của Việt Nam

Trang 9

- Ở Việt Nam, tại Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc tại Đồ Sơn năm 1997 đã kêu gọi các hội viên nghiên cứu Vật lý nano Theo kiến nghị của Hội đồng khoa học tự nhiên năm 2004, Bộ Khoa học và Công nghệ mở hướng nghiên cứu trọng điểm khoa học và công nghệ nano trong chương trình nghiên cứu cơ bản về khoa học tự nhiên Một sốtrường đại học trong nước đã có hướng nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ nano

từ rất sớm, điển hình là trường đại học Bách khoa Hà Nội

Nhận xét: Công nghệ nano đang bùng nổ và là ngành công nghệ mũi nhọn ở tất cả các quốc gia trên thế giới Điều đó chứng tỏ công nghệ nano có tầm quan trọng cũng như sức mạnh rất lớn

1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO[4]

1.2.1 Lợi ích từ việc thay đổi tính chất vật liệu

 Đặc điểm: Nanomet là một điểm kì diệu trên thước đo mà ở đó những công cụ

do con người tạo ra có thể bắt đầu thao tác với nguyên tử và phân tử riêng rẻ Mọi thứ, từ độ bền và độ dẫn điện cho đến các tính chất quang học, từ tính và tính chất nhiệt đều có khả năng thay đổi, dựa trên cấu trúc nguyên tử và sự kết hợp các vật liệu được sử dụng

 Lợi ích: Bằng cách sắp xếp các nguyên tử của vật liệu một cách chọn lọc, mọi

thứ từ kim loại, gốm sứ, chất dẻo, và chất bán dẫn cho đến thủy tinh và các vật liệu composite đều thể hiện những tính chất mới lạ Điều này mở ra khả năng chế tạo các vật liệu mới một cách vô hạn

1.2.2 Lợi ích của việc trở thành nhỏ bé

 Đặc điểm:

 Vật liệu kích thước nano sẽ có nhiều nguyên tử tiếp xúc với bề mặt

 Những hạt có kích thước nano sẽ không bị phát hiện đối với hệ miễn dịch của

cơ thể như những hạt ở kích thước micro, có thể dễ dàng hòa tan vào trong nước

 Có thể đến được những nơi trong cơ thể mà những loại hạt hoặc những thiết

bị khác không dễ dàng đến được: thẩm thấu qua màng tế bào, tự biến đổi bềmặt để gắn vào những thực thể của tế bào hoặc những phân tử protein đặc biệt trong tế bào…

 Lợi ích:

Trang 10

 Vì có nhiều nguyên tử tiếp xúc với bề mặt nên có ý nghĩa đối với thị trường chất xúc tác, sẽ làm tăng sản lượng hay hiệu suất của quá trình nào đó

 Vì không bị phát hiện bởi hệ miễn dịch nên cơ thể sẽ không đào thải thuốc;

do hòa tan hoàn toàn vào trong nước, nên cơ chế hấp thụ thuốc sẽ trở nên dễdàng hơn và giảm thiểu các tác dụng không mong muốn của thuốc

 Do có thể thẩm thấu qua màng tế bào và gắn vào các thực thể sinh học mong muốn nên điều này được ứng dụng vào việc phân phối thuốc đích xác vào những tế bào bị bệnh, tăng cường khả năng chữa trị bệnh ung thư

1.2.3 Lợi ích từ việc phù hợp với đặc điểm, kích thước của tự nhiên

 Đặc điểm: Trong ngành sinh học phân tử, các phân tử sinh học cũng hoạt động

ở kích thước nano

 Lợi ích: Nhờ áp dụng công nghệ ở kích thước nano chúng ta hiểu sâu sắc hơn

về hoạt động thật sự của cơ thể con người và cả thế giới quanh ta Ví dụ: nếu chúng ta hiểu được tại sao thành phần phân tử cấu tạo nên bộ xương bị xấu đi, thì chúng ta có thể tìm ra phương pháp điều trị bệnh loãng xương; nếu chúng ta hiểu được bằng cách nào vi rút AIDS làm biến đổi gen, thì chúng ta có thể tiến gần đến việc tìm ra phương thuốc để chữa căn bệnh này,…

1.2.4 Tăng độ chính xác và rất sạch cho môi trường

 Đặc điểm: Công nghệ nano chỉ sử dụng đúng số nguyên tử theo yêu cầu,

không sử dụng những hóa chất và dung môi không cần thiết và phức tạp đểtổng hợp vật liệu

 Lợi ích: Tăng độ chính xác, giảm khiếm khuyết cho vật liệu; không làm ô

nhiễm môi trường

1.3 CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ NANO

1.3.1 Khái niệm công nghệ nano

1.3.1.1 Công nghệ nano là gì?

- Định nghĩa: Công nghệ nano, là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân

tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomet.[23]

Trang 11

- Mihail C Roco thuộc hội đồng Khoa học và công nghệ nano của Mỹ cũng đã đưa ra một định nghĩa mang tính chất hạn chế Theo định nghĩa này, công nghệ nano chỉ còn liên quan tới các vật liệu và hệ thống có các tính chất sau: [9]

 Ít nhất theo một chiều chúng cũng phải có độ lớn nằm giữa một và một trăm nanomet

 Chúng được tạo ra bởi những quá trình qua đó người ta có thể kiểm tra được các tính chất hóa - lý của các cấu trúc kích cỡ phân tử

 Chúng cho phép liên hợp thành những thực thể lớn hơn

Thuật ngữ “nano” được công nhận từ năm 1960 có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp (nanos) có nghĩa là bé nhỏ Một nano bằng một phần một tỷ của một kích thước nào đó (1n = 10-9) Chẳng hạn, một nanomet bằng một phần một tỷ của mét, nó xấp xỉ kích cỡcủa mười nguyên tử Hydro Để dễ hiểu, bạn hãy hình dung dấu chấm trên chữ “i” của câu này có kích cỡ khoảng một triệu nanomet Nếu mỗi ký tự của bảng chữ cái có thể được in

ra với chiều cao mười nanomet thì toàn thể bộ Bách khoa toàn thư Anh quốc (tổng cộng 30.000 trang) có thể ghi lại bằng đầu của cây kim gút [23]

Bảng 1.1 Kích thước của một số cấu tử nano[15]

Nguyên tử Hiđro 0.1Fullerene 1

Ống nano 3-30Protein 5-50Quantum dot 2-10Virus 75-100Hạt nano 2-100

Ty thể 500-1000

Vi khuẩn 1000-10000

Tế bào máu trắng 10000

Trang 12

Hình 1.1 Kích thước vật liệu nano và tế bào.[15]

1.3.1.2 Phân biệt công nghệ nano và khoa học nano [23]

- Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy

mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn

- Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomét

1.3.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử [23]

- Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu Số nguyên tử chứa trong vật liệu nano là quá lớn để chỉ thể hiện chúng qua các qui luật lượng tử nhưng cũng quá nhỏ để chỉ bị chi phối bởi các qui luật Vật lí cổ điển

- Các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn

- Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử

 Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối [23]

Trang 13

Mặt khác, năng lượng liên kết của nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ Vì vậy, các hạt nano có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với vật liệu khối [5]

 Kích thước tới hạn [23]

Các tính chất Vật lý, Hóa học của bất kì một vật liệu nào đó đều có một giới hạn xác định Các tính chất như tính chất từ, tính chất điện, tính chất quang, tính chất hóa học…sẽthay đổi khi vật liệu đạt đến một kích thước tới hạn nào đó

Kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất

Trong công nghệ nano ta đang xét, kích thước của vật liệu trong khoảng giới hạn từ 1 đến 100 nanomet sẽ được thể hiện theo những tính chất nhất định tùy thuộc vào kích thước của chúng Điều này được thể hiện qua bảng sau:

Bước sóng điện tử 10-100Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100Tính chất điện

Độ sâu bề mặt kim loại 10-100

Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100Tính siêu dẫn

Độ thẩm thấu Meisner 1-100Tương tác bất định xứ 1-1000

Tính chất cơ

Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100

Trang 14

Cấu trúc tam cấp 10-1000Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10

Bảng 1.2 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu [23]

1.3.3 Các hiệu ứng

1.3.3.1 Hiệu ứng cầm tù lượng tử (quantum confinement) [22]

Điện tử chuyển động trong chất rắn sẽ chịu tác động của thế tương tác với các ion đứng ở các nút mạng tinh thể Do vậy, các trạng thái mô tả chuyển động này sẽ mang tính chất tuần hoàn Nhưng nếu ta ngày càng giảm dần kích thước của chất rắn đến thang nanomet (nhỏ hơn bước sóng de Broglie của điện tử) thì các tính chất sẽ thay đổi và xuất hiện hiệu ứng lượng tử (hiệu ứng kích thước lượng tử hay hiệu ứng cầm tù lượng tử) Trong hiệu ứng này, các trạng thái electron cũng như các trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử hóa Điều này sẽ quyết định tính chất điện và quang nói riêng, tính chất Vật lí và Hóa học nói chung của cấu trúc đó

Hình 1.2 Vật liệu khối, màng

mỏng, dây lượng tử, chấm lượng tử

Trang 15

- Nếu ta có sự giảm kích thước 1 chiều (điện tử chuyển động tự do theo 2 chiều XY) thì ta có các giếng lượng tử, đó là các màng mỏng có chiều dày kích thước nano, các siêu mạng…

- Nếu ta giảm theo 2 chiều, có nghĩa là điện tử chuyển động tự do theo 1 chiều, ta sẽ

có các dây lượng tử

- Nếu ta hạn chế kích thước cả 3 chiều, sẽ được 1 hạt nhỏ, gọi là chấm lượng tử

a) Giếng lượng tử (nano well hay quantum well)

 Đặc điểm [22]

Nếu ta giảm kích thước theo một chiều, ta có các cấu trúc kiểu các màng mỏng, cấu trúc này gọi là giếng lượng tử Nếu phân chia vật liệu theo số chiều giam giữ thì giếng lượng tử giam giữ theo một chiều nên gọi là 2D (còn lại 2 chiều tự do)

 Biểu thức năng lượng [1]

Giả sử, kích thước vật rắn theo phương z giảm xuống cỡ vài nanomet (nghĩa là cùng bậc với độ lớn bước sóng de Broglie của hạt tải điện), thì hạt tải điện tự do trong cấu trúc này sẽ thể hiện các tính chất giống như một hạt chuyển động trong giếng thế có chiều cao

vô hạn (V(z) = )

Do bị giam giữ, năng lượng của hạt dẫn

chuyển động theo chiều z sẽ bị lượng tử hóa:

Còn theo hai chiều x, y, do không bị hạn chế

nên chuyển động của điện tử theo hàm sóng

tuần hoàn, và phổ năng lượng sẽ giống như

 (1.3)

Với kx, ky là vectơ sóng theo hai trục x, y

Năng lượng của điện tử sẽ là: E = Ez+Ex+Ey

Hình 1.3 Phổ năng lượng bị gián đoạn

theo chiều giam giữ (z) nhưng do thành phần liên tục của phổ theo chiều x, y nên các điện tử thuộc cùng một mức năng lượng En sẽ có giá trị năng lượng bất kì từ En đến vô cực [27]

Trang 16

 (1.4)

Ta thấy phổ năng lượng sẽ bị gián đoạn theo số nguyên n

- Ví dụ: Cấu trúc giếng lượng tử GaAs hay siêu mạng GaAs

Hình 1.4 Giếng lượng tử siêu mạng GaAs.[22]

b) Dây lượng tử

 Đặc điểm [22]

- Vật liệu một chiều hay còn gọi là dây lượng tử là một loại chất rắn thấp chiều bịgiam giữ theo hai chiều y, z và hạt dẫn chỉ chuyển động tự do theo chiều x

- Các dây lượng tử có thiết diện ngang vài

nm2 và chiều dài có thể lên tới vàim

- Thiết diện ngang của dây lượng tử rất đa

dạng có thể là hình tròn, hình vuông, hình chữ

nhật Tùy thuộc vào hình dạng của dây mà

người ta có thể phân ra nhiều loại dây: nano dây

(nanowires), nano thanh (nanorods), nano lá

(nanobelds), chùm (whishers) Hình 1.5 Quantum wire

Trang 17

Giả sử dây bị giam giữ theo hai chiều y, z và hạt dẫn chỉ chuyển động tự do theo chiều x

Do bị giam giữ, năng lượng của hạt dẫn chuyển động theo hai chiều y, z sẽ bị lượng

tử hóa:

Ey = Eny = 2

2 2 2

Ở đây, ay, az là kích thước theo các chiều y, z; ny, nz là lượng tử số theo chiều y, z; m

là khối lượng của điện tử

Còn theo chiều x, do chiều này không bị hạn chế, chuyển động của điện tử theo hàm sóng tuần hoàn, và phổ năng lượng sẽ giống như trong vật rắn ở dạng khối:

2

2 2 2

Như vậy: Sự thay đổi kích thước sẽ dẫn đến việc thay đổi mạnh phổ năng lượng của

vật liệu, và dẫn đến việc thay đổi các tính chất điện, quang

c) Chấm lượng tử (quantum dot hay nano dot)

 Đặc điểm

- Trong quantum dot, electron bị giam giữ theo cả ba chiều gần giống như các nguyên tử và do đó quantum dot thường được gọi là nguyên tử nhân tạo, siêu nguyên tử [22]

- Quantum dot có ưu điểm nổi bật so với nguyên tử là có thể thay đổi kích thước, hình dạng, cũng như số lượng electron trong nó Và do đó, với quantum dot, ta có thể mô phỏng toàn bộ bảng hệ thống tuần hoàn [22]

Trang 18

- Điện trở của quantum dot tuân theo công thức Landaur: [22]

R=h/Ne2i (1.10)Với:

i là số mức năng lượng trong quantum dot

Ne là số electron chứa trong quantum dot

h là hằng số Planck

- Quantum dot có nhiều tính chất quang học kì lạ: quantum dot hấp thụ ánh sáng rồi lại nhanh chóng phát xạ nhưng với màu sắc khác Vì kích thước bé nên chỉ một sự thay đổi nhỏ về kích thước thì khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng của quantum dot đã biến đổi khá rõ Bởi vậy nên quantum dot có độ nhạy và khả năng phát quang cao hơn nhiều

so với các vật liệu chế tạo ra nó Ngoài tính chất là có thể điều chỉnh được độ đa dạng của màu sắc phát xạ, quantum dot còn có thể được chế tạo sao cho có một quang phổ tối ưu với nhiều màu sắc mà ta muốn có Ta có thể điều chỉnh để quantum dot có thể hấp thụánh sáng cho trước trong một dải phổ rộng, do đó chỉ cần dùng những nguồn sáng đơn giản, rẻ tiền như đèn, laser, LED để làm nguồn kích thích cho quantum dot Ngược lại, bằng một từ trường thích hợp, ta lại có thể điều khiển quantum dot chỉ hấp thụ và phát xạánh sáng trong một dải phổ rất hẹp [22]

- Một đặc tính nữa của quantum dot là bờ hấp thụ và đỉnh phổ huỳnh quang dịch chuyển về phía năng lượng cao khi kích thước của nó giảm Hiện tượng này được gọi là hiện tượng “dịch chuyển về phía xanh” (blue shiff) [5]

Năng lượng của electron trong giếng thế một chiều:

Nếu hộp thế có dạng hình lập phương cạnh a, thì phương trình Schrodinger đối với một trong ba bậc tự do có thể giải độc lập với nhau và khi đó ta có:

Trang 19

E3chiềuhlp = 3.E 1chiều= 2 22 2

d) Điều kiện quan sát hiệu ứng lượng tử

- Xét theo điều kiện biên tuần hoàn Born Karman, vectơ sóng kbị lượng tử hóa: [3]

x

x x

a

n

k  2 (1.14)Nếu điện tử không bị giam giữ trong tất cả 3 chiều thì ax, ay, az là lớn, dẫn đến gia số:

x x

a

k  2

y y

a

k  2

z z

a

k  2

 (1.15) là nhỏ, nghĩa là theo trục kx, ky, kz các trạng thái gần như liên tục Trường hợp này xảy ra trong những mẫu có kích thước lớn và điện tửkhông bị giam giữ Tuy nhiên nếu điện tử bị giam giữ theo bất kì một chiều nào đó thì kích thước theo chiều đó của mẫu là nhỏ, nên các gia số

a

k  2

 là lớn

Như vậy ta không thể xem những điểm

vectơ k đặc trưng cho trạng thái phân bố đều

và gần như liên tục mà chúng được phân bố

gián đoạn trong những mặt phẳng có phương

vuông góc với chiều bị giam giữ và cách đều

nhau một khoảng

a

2

Ví dụ: Xét màng mỏng, trong đó các điện

tử bị giam giữ theo chiều z Như vậy, theo

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn các trạng thái

trong màng mỏng bởi hiệu ứng lượng tử hóa vì kích thước.

Trang 20

chiều z thì vectơ sóng kz là gián đoạn; còn theo chiều x, y, vectơ k x,ky là liên tục Giả

sử mặt đẳng năng là mặt cầu thì các điện tử sẽ xếp vào các đĩa như hình

Sự gián đoạn của vectơ sóng k theo chiều mà điện tử bị giam giữ thể hiện sự gián đoạn của các mức năng lượng của điện tử như đã nêu ở trên Sự gián đoạn của các mức năng lượng chỉ có thể quan sát được khi nồng độ của hạt dẫn đủ thấp Khi đó, các hạt dẫn chỉ xếp vào các mặt đĩa mà không lan ra những vùng lân cận Trường hợp này thường xảy ra đối với chất bán dẫn

- Do khoảng cách giữa các mức lượng tử hóa do giảm kích thước tỷ lệ với 1/a2, tức các En= 2 2 22

Nếu khí điện tử suy biến thì En+1>EF>En để biên độ thu đủ lớn Vì khi EF >> En+1 – En

về nguyên tắc có thể quan sát được hiệu ứng lượng tử hóa do giảm kích thước nhưng biên

độ thu được rất nhỏ [1]

- Trong thực tế, hạt dẫn luôn luôn bị tán xạ bởi tạp chất, phonon,…Xác suất tán xạđược đặc trưng bởi thời gian hồi phục động lượng  Giá trị hữu hạn của  ảnh hưởng đến việc xác định giá trị năng lượng của trạng thái với sai số vào cỡ ∆E ≈ ħ/ Vậy:



e E

E n1 n    . (1.16)với µ là độ linh động của hạt dẫn, µ = e/m (1.17)

Theo cơ học lượng tử, sự lượng tử hóa các mức năng lượng xảy ra đối với các hạt chuyển động tuần hoàn Điều này chỉ xảy ra khi tán xạ là đủ yếu sao cho khoảng cách giữa hai lần tán xạ hạt dẫn đã kịp thực hiện vài dao động Do đó(1.14) tương đương với với điều kiện quãng đường tự do trung bình của hạt dẫn phải lớn hơn kích thước giam giữ.[1]

 Tóm lại:

Để quan sát được các hiệu ứng lượng tử thì dây lượng tử phải có kích thước giam giữnhỏ, nhiệt độ đủ thấp, độ linh động hạt dẫn cao và nồng độ hạt dẫn đủ thấp Ngoài ra chất

Trang 21

lượng bề mặt dây lượng tử phải cao, có sự phản xạ gần như gương (bước sóng Broglie phải lớn hơn độ gồ ghề) và không chứa các tâm tích điện gây thêm các tán xạ phụ đối với hạt dẫn [22]

1.3.3.2 Hiệu ứng thông hầm lượng tử (hiệu ứng Hall) [17]

- Hiện tượng thông hầm lượng tử là hiện tượng các electron bằng các cơ chế của cơ học lượng tử đã “đi xuyên” qua được bờ rào thế năng chắn giữa hai vùng chứa electron ngay cả khi động năng của electron thấp hơn chiều cao của rào thế

- Trong hiện tượng này, khi một

electron đến bờ rào thế năng của một hố thế,

nếu năng lượng của nó “trùng khít” với một

mức năng lượng rời rạc nào đó trong hố thế

thì electron đó sẽ vượt qua bờ rào vào hố

thế với xác suất tăng vọt Nếu trong hố thế

không tồn tại mức năng lượng nào bằng với năng lượng của electron thì electron đó không thể vượt qua rào thế để vào trong hố thế Điều chỉnh các mức lượng tử trong hốthế lên xuống, ta có thể điều khiển quá trình thông hầm của các electron

1.3.3.3 Hiệu ứng khoá Coulomb (Coulomb Blockade) [17]

- Dòng điện trong vật liệu khối được biểu diễn bằng định luật Ohm: U = IR, trong đó R

là điện trở của kim loại Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính

- Khi kích thước của vật liệu giảm dần, I-U không còn tuyến tính nữa mà có dạng bậc thang

- Khi không có điện áp ngoài, ở mức Fecmi có khe rộng là

Trang 22

ra khỏi quantum dot để làm mức Fecmi bị hạ xuống Quá trình này cứ diễn ra như vậy và electron chỉ có thể chui vào quantum dot từng hạt một

1.3.4 Công nghệ chế tạo nano

Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

(top Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu kích thước nano từ các vật liệu có kích thước lớn hơn

- Phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử.[26]

1.3.4.1 Phương pháp từ trên xuống (top - down)

Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về

kích thước nano [4]

a) Phương pháp nghiền [26]

Vật 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 (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) 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)

b) Phương pháp biến dạng [26]

- Có các loại: đùn thủy lực, tuốt, cán, ép

- Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độlớn hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nóng, nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm)

 Nhận xét: Hai phương pháp trên là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu không cao và dễ bị nhiễm bẩn Hiện nay, người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp

c) Phương pháp quang khắc [23]

 Quang khắc truyền thống (photolithography)

 Nguyên tắc chế tạo

Trang 23

- Chế tạo âm bản: Khi sản xuất âm bản (mặt nạ) cho chip máy tính, đầu tiên là thiết kếmạch điện theo kích cỡ phóng đại, sau đó dùng laser để chuyển dạng của mạch lên một màng mỏng kim loại được phun phủ đặc biệt (thường bằng Crôm), màng này trải trên một tấm trong suốt, thường bằng thủy tinh hay silicat Sau khi cho ăn mòn những phần đã được “rọi sáng”, âm bản đã được hoàn thành

- Chế tạo dương bản: Âm bản sau khi hoàn thành được đưa vào máy chiếu dùng tia tửngoại Một thấu kính tạo ảnh thu nhỏ của nó lên lớp cảm quang của đế silic Những phần được rọi sáng của lớp cản quang sẽ được bóc đi, ta được dương bản của vân cấu trúc ởdạng tiểu hình hóa trên lớp silic

Hình 1.9 Sơ đồ của phương pháp quang khắc truyền thống

 Ưu, nhược điểm:

Quang khắc thông dụng ngày càng trở nên khó khăn một khi nó đi xuống kích cỡ nhỏhơn, nên các nhà sản xuất nano chip phải đi tìm các công nghệ thay thế Thay vì khắc bằng tia tử ngoại người ta có thể dùng tia điện tử Bởi lẽ tia điện tử không đi lệch trong kích cỡ nguyên tử nên nó cũng không làm biến dạng các nấc thang hay góc cạnh của các cấu hình Với kỹ thuật này các nhà nghiên cứu đã viết ra những đường chỉ rộng vài

Trang 24

nanomet lên chất cản quang của một đế silic, tia điện tử “khắc” từng dòng một theo đúng chi tiết từng cấu trúc riêng lẻ

 Quang khắc chùm tia điện tử (Electron beam lithography - EBL)

 Khái niệm: Đây là một phương pháp tương tự như phương pháp quang khắc

truyền thống nhưng sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao để làm biến đổi các chất cản quang phủ trên bề mặt (các phiến Si ) để tạo ra các chi tiết có kích thước và hình dạng giống như thiết kế

 Nguyên lý của EBL

Bề mặt của phiến được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản quang (resist), chất này nhạy cảm với điện tử chiếu vào, và bị thay đổi tính chất dưới tác dụng của chùm điện

tử Sự thay đổi có thể là nó sẽ bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa (developer) hoặckhông bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý thiết bị EBL

Trang 25

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Cấu tạo của thiết bị EBL

- Thiết bị EBL có cấu tạo gần giống như kính hiển vi điện tử quét, có khả năng tạo chùm điện tử có năng lượng cao, sau đó khuếch đại và thu hẹp nhờ hệ thấu kính từ, rồi chiếu chùm điện tử trực tiếp lên mẫu cần tạo

- Khác với quang khắc truyền thống, EBL sử dụng chùm điện tử nên không cần mặt

nạ tạo hình mà chiếu trực tiếp chùm điện tử lên bề mặt mẫu, và dùng các cuộn dây đểquét điện tử nhằm vẽ ra các chi tiết cần tạo Chùm điện tử của các EBL mạnh có thể có kích thước từ vài nanomét đến hàng trăm nanomét

 Các phương pháp

 Kỹ thuật lift-off (loại bỏ)

- Phương pháp này tạo ra phần vật liệu sau khi được tạo hình

Hình 1.11 Nguyên lý 2 phương pháp trong EBL:

Kỹ thuật lift-off (trái) và kỹ thuật ăn mòn (phải)

Trang 26

+ Thực hiện tráng rửa, ta sẽ có các khe có hình dạng của chi tiết muốn tạo

+ Các vật liệu cần tạo sẽ được bay bốc lên đế bằng các kỹ thuật tạo màng mỏngkhác nhau, một phần nằm trong các khe đã tạo hình và một phần nằm trên bề mặt cản quang

+ Dùng dung môi hữu cơ, hòa tan phần cản quang dư, sẽ loại bỏ cả vật liệu thừa bám trên bề mặt cản quang, chỉ còn lại phần vật liệu có hình dạng như đã tạo

 Kỹ thuật ăn mòn (etching)

- Trong phương pháp này lớp cản quang sẽ có tác dụng bảo vệ phần vật liệu muốn tạo hình

- Các bước:

+ Phủ vật liệu cần tạo lên đế

+ Phủ chất cản quang âm lên vật liệu cần tạo Cản quang âm là loại cản quang sau khi chiếu điện tử sẽ không bị hòa tan sau khi qua dung dịch tráng rửa, cản quang âm có tác dụng bảo vệ phần vật liệu bên dưới

+ Đem chiếu điện tử

+ Sau đó cả mẫu sẽ được đưa vào buồng ăn mòn, phần vật liệu không có cản quang sẽ bị ăn mòn và giữ lại phần được bảo vệ, có hình dạng của cản quang

+ Rửa cản quang bằng dung môi hữu cơ Ta thu được chi tiết cần tạo

- Các kỹ thuật ăn mòn thường dùng là ăn mòn khô (dry etching), sử dụng các plasma hoặc hỗn hợp khí có tính phá hủy mạnh (CH4/O2/H2, F2 ); hay ăn mòn hóa ướt (dùng các dung dịch hóa chất để hòa tan vật liệu )

- Ngoài tia điện tử người ta còn nghiên cứu việc sử dụng tia X (X = 0,1nm đến 10 nm) hay tia cực tử ngoại (=10nm đến 70nm)

+ Hai tia này đều có bước sóng sắc nét ngắn hơn ánh sáng tử ngoại chuẩn ngày nay đang được sử dụng Bởi vậy hiện tượng viền không sắc nét do nhiễu xạ đã giảm đi nhiều

+ Tuy nhiên lại nảy sinh những vấn đề mới: các thấu kính thông thường sẽ không cho ánh sáng tử ngoại rất ngắn đi qua và chúng không hội tụ được tia X, nhiều loại vật liệu được dùng làm thấu kính và mặt nạ không có khả năng chịu được loại bức xạ có năng lượng cao trong khoảng thời gian dài mà không bị phá hủy, phương pháp này lại không cung cấp cho ta những cấu trúc nano rẻ

Trang 27

+ Phương pháp này vẫn đang được các nhà nghiên cứu kiên trì theo đuổi vì khảnăng ứng dụng cao của nó trong tương lai (sản xuất chip thương mại…), bên cạnh đó các nhà nghiên cứu đi vào công nghệ nano để tìm ra những giải pháp rẻ hơn

 Ưu điểm và nhược điểm của EBL so với photolithography

- Chùm điện tử có khả năng tạo chùm tia hẹp hơn rất nhiều so với ánh sáng, do đó có thể tạo các chi tiết có độ phân giải cao và kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với photolithography, đồng thời dễ dàng tạo các chi tiết phức tạp

- Chùm điện tử có thể điều khiển quét trên bề mặt mẫu bằng cách cuộn dây nên có thể

vẽ trực tiếp chi tiết mà không cần mặt nạ như photolithography

- Phương pháp EBL chậm hơn nhiều so với photolithography

- Hiện tượng nhiễu xạ làm cho các viền không còn sắc nét nữa và chúng bị mờ đi

- Các máy phát chùm tia điện tử đều rất đắt nên không thích hợp cho việc sản xuấthàng loạt

d) Kỹ thuật khắc mềm [8]

 Nguyên lí

Nhờ khuôn đàn hồi có thể chế tạo các cấu trúc trong miền nano Phương pháp này được gọi là “kỹ thuật khắc mềm” vì “dụng cụ” chung của chúng là một khối polydimethylsiloxan (PDMS), một loại silicon giống cao su và ở đây dùng các quá trình

cơ học: ép, dập, nhào nặn và chạm khắc để tạo ra các cấu trúc mong muốn

Trang 28

bị ăn mòn Những cấu trúc cảm quang còn lại được gọi là các “đảo cảm quang” trên nền silic và nó sẽ được sử dụng như là các khuôn mẫu

+ Đổ lên khuôn mẫu này một lớp chất PDMS PDMS là chất lỏng dễ chảy rồi đông cứng trên khuôn Khuôn PDMS hình thành thể hiện trung thực các đường nét lồi lõm chỉ cao vài nanomet của khuôn gốc

 Phương pháp đóng nhãn tiếp xúc

- Là một trong các phương pháp chế tạo rẻ các cấu trúc nano do Amit kumar ở đại học Havard tại Cambrigde, Massachusetts đề xuất

- Các bước tiến hành

+ Nhúng ướt khuôn PDMS với một loại “mực” bằng thiol Đó những phân tử hữu

cơ chứa lưu huỳnh

+ Khuôn PDMS với “mực” sẽ được ấn lên một tấm “giấy” thích hợp – một màng mỏng bằng vàng trên một tấm thủy tinh hoặc silic hoặc nhựa

+ Thiol phản ứng với bề mặt vàng và tự nó tạo nên một lớp đơn phân tử có trật tự Dạng của đơn lớp này thể hiện chính xác các phần nổi của khuôn

- Bởi vì mực thiol sau khi tiếp xúc với bề mặt bị chảy ra một chút nên mẫu được in ra không đạt được tới độ phân giải cao như phân giải của chính cái khuôn PDMS Tuy nhiên nếu thực hiện một cách nghiêm chỉnh thì vẫn thực hiện được các cấu trúc tinh tế ở kích

cỡ khoảng 50 nm

 Sử dụng khuôn PDMS như dụng cụ đúc khuôn

- Phương pháp này sử dụng khuôn PDMS như dụng cụ đúc khuôn

- Các bước tiến hành

Hình 1.13 Phương pháp đóng nhãn

tiếp xúc

Trang 29

+ Khuôn PDMS sẽ được đặt lên một bề mặt cứng rồi đổ lên đó một chất lỏng polymer, chất này chảy vào các khe giữa bề mặt và những chỗ lõm trong khuôn bởi các lực mao dẫn

+ Khi chất polymer đông cứng thì nó sẽ có hình dạng mà chúng mong muốn

- Với kỹ thuật đúc khuôn này chúng ta có thể tạo được cấu trúc tinh thể nhỏ hơn 10nm

Vì vậy nó thích hợp cho việc chế tạo những linh kiện quang học trong miền bước sóng cực ngắn: các ống dẫn sóng và phân cực trong quang học được dùng trong các mạng quang sợi hoặc có thể trong các máy tính quang học trong tương lai

 Ưu nhược điểm của kĩ thuật khắc mềm

nó vẫn tiếp xúc với phần còn lại của bề mặt Bởi vậy cấu trúc muốn có vẫn được chuyển tải chính xác chỉ trừ chỗ bẩn, không gây nên những vết ố trong cấu trúc và linh kiện sản xuất

+ Có thể chế tạo các cấu trúc nano từ những vật liệu hoàn toàn khác nhau, thậm chí từ cả những phân tử hữu cơ phức tạp rất cần thiết đối với những nghiên cứu sinh học

và không chỉ trên mặt phẳng mà còn trên cả mặt cong

- Nhược điểm

Hình 1.14 Sử dụng khuôn PDMS như dụng

cụ đúc khuôn

Trang 30

+ Công nghệ này không phải là lý tưởng để chế tạo các cấu trúc cho ngành điện tửnano phức tạp Hiện nay tất cả các mạch tổ hợp đều gồm đa lớp (multilayer), nghĩa là nhiều lớp bằng những vật liệu khác biệt nằm chồng lên nhau Nếu như khuôn PDMS mềm bị biến dạng thì cấu trúc được sao chép có thể chứa những sai sót nhỏ hay bị biến dạng tới mức không vừa đối với cấu trúc được sản xuất từ trước, nằm dưới đó Tuy nhiên mỗi sai lệch dù nhỏ nhất cũng lại làm cho một linh kiện nano – điện tử đa lớp trở thành phế phẩm Để tìm ra lối thoát thì thay vì khuôn mềm, các nhà nghiên cứu dùng các khuôn dạng cứng

- Cả hai phương pháp đều cho các cấu trúc hai chiều với sự trung thành tối đa về chi tiết Tuy nhiên liệu nó có thích hợp với việc chế tạo các linh kiện điện tử hay không thì còn phải chờ một thời gian để xem xét thử nghiệm

e) Đầu dò quét [8]

 Khái niệm

- Đầu nhọn của một kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi quét xuyên hầm(TSM) không chỉ quét được các hạt nano mà còn dịch chuyển và sắp xếp nó vào những khuôn mẫu nhất định

- Nếu ta gia tăng cường độ dòng điện chảy qua đầu nhọn tới mức máy biến thành một nguồn phát tia điện tử cực nhỏ, thì qua đó chúng ta cũng “ghi’ được các cấu trúc nano

Trang 31

- Ngoài ra bằng đầu dò quét các nhà nghiên cứu còn có thể dịch chuyển từng nguyên

tử trên bề mặt để tạo thành những sợi dây lượng tử thẳng hay cong có độ rộng đúng bằng một nguyên tử

- Một phương pháp chế tạo mới bằng kỹ thuật đầu dò quét là kỹ thuật khắc “dip-pen”

do Chad A.Mirkin của Northwestern University đề xuất Nó hoạt động hoàn toàn như một ngòi bút được nhúng vào mực (bởi vậy có tên “dip pen”)

 Kỹ thuật khắc “dip pen”

- Nguyên lí

+ Đầu nhọn của kính hiển vi lực nguyên tử được phết bằng một lớp mỏng các phân tử thiol không tan trong nước nhưng lại có phản ứng với bề mặt vàng kim loại (tương tự như quá trình hóa học ở kỹ thuật dập tiếp xúc)

+ Trong một môi trường chứa lượng lớn hơi nước sẽ có một giọt nước rất nhỏngưng tụ giữa bề mặt vàng và đầu nhọn của đầu dò

+ Sức căng bề mặt đang tác động sẽ kéo đầu nhọn tới sát đáy, và khoảng cách nhỏhơn này được giữ nguyên khi đầu nhọn với giọt nước chuyển động trên bề mặt

+ Qua cái cầu bằng nước, các phân tử thiol chuyển sang bề mặt vàng Bằng phương pháp này các nhà nghiên cứu đã “vẽ” được các vạch chỉ rộng vài nanomet

- Tuy việc “viết bằng đầu dò nano” diễn ra khá chậm, nhưng lại có thể dùng nhiều phân tử khác nhau làm “mực” Mới đây Mirkin đã dùng một loại mực khác để trực tiếp viết lên silic

- Cho tới nay vẫn chưa rõ liệu sẽ ứng dụng kỹ thuật này tốt nhất ở đâu, nhưng có thể

sẽ dùng nó để tạo ra chính sự thay đổi trong việc thiết kế mạch

 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật đầu dò quét

- Ưu điểm: với các kính hiển vi quét xuyên hầm và lực quét có thể xê dịch từng hạt nano và sắp xếp thành các cấu trúc mới Qua đó, chẳng hạn, có thể tạo ra những vòng và các sợi dây chỉ dài bằng một nguyên tử

- Nhược điểm: để sản xuất hàng loạt thì các phương pháp này quá chậm, có lẽ chúng chỉ được áp dụng cho những chế tạo đặc biệt

1.3.4.2 Phương pháp từ dưới lên (Bottom - up)

Nguyên lý: Kết hợp từng nguyên tử hay phân tử riêng lẻ với nhau thành các cấu trúc

nano

Trang 32

- Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này

- Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp Vật lý, Hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp Hóa-Lý [26]

a) Phương pháp Vật lý

- Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha

+ Phương pháp chế tạo từ nguyên tử: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồquang), epitaxy chùm phân tử

+ Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độnhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình

- tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh)

- Phương pháp Vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano,…[26]

 Bay bốc nhiệt (đốt) (Bay bốc nhiệt trong chân không -Thermal evaporation)

Trang 33

 Nguyên lý của hệ bay bốc nhiệt

- Bộ phận chính của các thiết bị bay bốc nhiệt là một buồng chân không được hút chân không cao (cỡ 10-5 – 10-6 Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử )

- Người ta dùng một thuyền điện trở (thường làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tương tác với vật liệu, ví dụ như vônphram, tantan, bạch kim ) đốt nóng chảy các vật liệu nguồn, và sau đó tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi

- Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên Đôi khi đếcòn được đốt nóng (tùy theo mục đích tạo màng tinh thể hay vô định hình ) để điều khiển các quá trình lắng đọng của vật liệu trên màng

- Chiều dày của màng thường được xác định trực tiếp trong quá trình chế tạo bằng cảm biến thạch anh Khi màng bay hơi sẽ bám lên cảm biến đặt cạnh đế, biến thiên tần sốdao động của cảm biến sẽ tỉ lệ với chiều dày của màng bám vào cảm biến

 Ưu điểm, nhược điểm và những cải tiến gần đây

- Ưu điểm: Đơn giản, dễ tạo màng hợp chất vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn thểhợp chất hoặc hợp kim sẽ bị bay hơi do đó màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần của vật liệu nguồn (đặc biệt là các hợp kim)

- Nhược điểm: + Không thể tạo các màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều dày của phương pháp này rất kém do tốc độ bay bốc khó điều khiển

+ Việc chế tạo các màng đa lớp là rất khó khăn với phương pháp này

- Gần đây người ta cải tiến phương pháp này như sử dụng chùm điện tử để bay bốc, cải tiến tường bao quanh nguồn đốt (phương pháp tường nóng) Tuy nhiên tỉ lệ sử dụng phương pháp bay bốc nhiệt trong kỹ thuật màng mỏng đang ngày càng ít

 Phún xạ catốt (Cathode Sputtering) [23]

 Nguyên lý của quá trình phún xạ

Phún xạ hay phún xạ catốt là kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên lý truyền động năng bằng cách dùng các ion khí hiếm được tăng tốc dưới điện trường bắn phá bềmặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế

Trang 34

 Bản chất quá trình phún xạ

- Xét tiến trình hoạt động của quá trình phún xạ: vật liệu nguồn được tạo thành dạng các tấm bia (target) và được đặt tại điện cực (thường là catốt), trong buồng được hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ 10-2 mbar) Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khí hiếm bị ion hóa, tăng tốc và chuyển động về phía bia với tốc

độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền động năng cho các nguyên tử vật liệu tại bề mặt bia Các nguyên tử được truyền động năng sẽ bay về phía đế và lắng đọng trên đế Các nguyên tử này được gọi là các nguyên tử bị phún xạ

- Kết luận:

+ Khác với phương pháp bay bốc nhiệt, phún xạ không làm cho vật liệu bị bay hơi

do đốt nóng mà thực chất quá trình phún xạ là quá trình truyền động năng

+ Như vậy, cơ chế của quá trình phún xạ là va chạm và trao đổi xung lượng, hoàn toàn khác với cơ chế của phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không

 Kỹ thuật phún xạ phóng điện phát sáng

 Phún xạ phóng điện phát sáng một chiều (DC discharge sputtering)

- Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện thế một chiều để gia tốc cho các ion khí hiếm

- Bia vật liệu được đặt trên điện cực âm (catốt) trong chuông chân không được hút chân không cao, sau đó nạp đầy bởi khí hiếm (thường là Ar hoặc He ) với áp suất thấp

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lí của quá trình phún xạ

Trang 35

(cỡ 10-2 mbar) Người ta sử dụng một hiệu điện thế một chiều cao thế đặt giữa bia (điện cực âm) và đế mẫu (điện cực dương) Quá trình này là quá trình phóng điện có kèm theo phát sáng (sự phát quang do ion hóa)

- Vì dòng điện là dòng điện một chiều nên các điện cực phải dẫn điện để duy trì dòng điện, do đó kỹ thuật này thường chỉ dùng cho các bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim )

 Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF discharge sputterin)

- Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện thế xoay chiều để gia tốc cho ion khí hiếm

- Nó vẫn có cấu tạo chung của các hệ phún xạ, tuy nhiên máy phát là một máy phát cao tần sử dụng dòng điện tần số sóng vô tuyến (thường là 13,56 MHz) Máy phát cao tần

sẽ tạo ra các hiệu điện thế xoay chiều dạng xung vuông

- Quá trình phún xạ có hơi khác so với phún xạ một chiều ở chỗ bia vừa bị bắn phá bởi các ion có năng lượng cao ở nửa chu kỳ âm của hiệu điện thế và bị bắn phá bởi các điện tử ở nửa chu kỳ dương

- Vì dòng điện là xoay chiều, nên nó có thể sử dụng cho các bia vật liệu không dẫn điện và phải đi qua một bộ phối hợp trở kháng và hệ tụ điện có tác dụng tăng công suấtphóng điện và bảo vệ máy phát

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ catốt xoay chiều

Trang 36

 Phún xạ magnetron

Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều và một chiều) cải tiến từ các hệ phún

xạ thông dụng bằng cách đặt bên dưới bia các nam châm Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và ion lại gần bia và tăng hiệu ứng ion hóa, tăng số lần va chạm giữa các ion, điện tử với các nguyên tử khí tại bề mặt bia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và ion trên bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo ra sựphóng điện ở áp suất thấp hơn

 Phún xạ chùm ion, chùm điện tử

Nguyên tắc giống với phương pháp phún xạ phát sáng, tuy nhiên người ta sử dụng các súng phóng ion hoặc chùm điện tử riêng biệt bắn trực tiếp vào bia, do đó điều khiển các thông số của quá trình tạo màng một cách hiệu quả hơn

 Ưu điểm và hạn chế của phún xạ catốt

- Ưu điểm

+ Dễ dàng chế tạo các màng đa lớp nhờ tạo ra nhiều bia riêng biệt

+ Đây là phương pháp rẻ tiền, dễ thực hiện nên dễ dàng triển khai ở quy mô công nghiệp

+ Độ bám dính của màng trên đế rất cao do các nguyên tử đến lắng đọng trên màng có động năng khá cao so với phương pháp bay bốc nhiệt

+ Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp và có hợp thức gần với của bia, có độdày chính xác hơn nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không

Hình 1.18 Thiết bị sputtering Univex 450 tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại

học Quốc gia Hà Nội

Trang 37

 Phương pháp epitaxy chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE) [23]

 Khái niệm

- Là phương pháp chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao, để thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế hay nói cách khác là tạo ra các cấu trúc lặp lại với cấu trúc nguồn

- Được phát minh vào những năm 60 của thế kỷ 20 bởi J.R Arthur và Alfred Y Chotại Phòng thí nghiệm Bell (Bell Telephone Laboratories)

- Đây là phương pháp thường sử dụng nhất để chế tạo màng mỏng

 Kỹ thuật

- MBE chế tạo các màng hợp chất hoặc đơn chất từ các nguồn vật liệu riêng biệt Các vật liệu nguồn được đốt đến mức độ bay hơi nhưng với tốc độ rất chậm và được dẫn tới đế Ở đó, nếu là màng hợp chất, các chất sẽ phản ứng với nhau chỉ tại bề mặt đế đểphát triển thành đơn tinh thể Các chùm nguyên tử, phân tử của các vật liệu nguồn sẽkhông phản ứng với nhau cho đến khi chúng kết hợp với nhau trên đế do quãng đường tự

do trung bình của chúng rất dài Đây là lý do chính của tên gọi chùm phân tử

- Lớp đế bên dưới là đơn tinh thể, có tác dụng như một mầm để lớp màng phát triển lên trong quá trình ngưng đọng, màng mỏng đơn tinh thể được mọc lên từ lớp đế đơn tinh

Trang 38

thể với tốc độ cực thấp và có độ hoàn hảo rất cao Đây là điểm khác biệt cơ bản nhất của MBE so với các kỹ thuật màng mỏng khác (ví dụ như phún xạ, bốc bay nhiệt (đốt) )

- Trong quá trình hình thành màng, người ta thường dùng kỹ thuật nhiễu xạ điện tửphản xạ năng lượng cao (RHEED) để kiểm soát quá trình mọc màng thông qua phổ nhiễu

xạ điện tử được ghi trực tiếp Quá trình này cho phép kiểm soát sự phát triển của màng với độ chính xác từng lớp nguyên tử Đồng thời, trong quá trình chế tạo, đế cần được giữlạnh

- Chất lượng màng cũng như tốc độ tạo màng phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo của môi trường chân không Kỹ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong môi trường chân không siêu cao (áp suất thấp hơn 10-9 Torr), do đó cho phép tạo ra các màng mỏng vật liệu có độ tinh khiết rất cao

- Để đạt được môi trường chân không siêu cao, ban đầu buồng chế tạo được hút chân không sơ cấp (cỡ 10-3 Torr), sau đó sử dụng bơm turbo để tạo chân không cao tới

10-7 Torr và tạo chân không siêu cao bằng bơm iôn hoặc bằng cryo-pump (bơm chân không siêu cao, sử dụng các khí hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, ví dụ như nitơ lỏng ở 77 K ,

để bẫy khí nhằm tạo ra chân không siêu cao) Vì thế, hệ MBE vận hành khá phức tạp và tốn kém

 Ứng dụng

- Kỹ thuật MBE được sử dụng nhiều trong vật lý chất rắn, khoa học và công nghệvật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn để chế tạo các màng đơn tinh thể với chất lượng rất cao, với độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet

- Với sự phát triển của công nghệ nano hiện nay, MBE là một trong những kỹ thuật chủ đạo của công nghệ nano để chế tạo các vật liệu nano

Trang 39

Hình 1.19 Sơ đồ nguyên lý phương pháp epitaxy chùm phân tử [22]

Hình 1.20 Ảnh chụp thiết bị epitaxy chùm phân tử[22]

Chùm phân tử

Nền Dải nhiệt nền

Màn trập Nguồn phát

Trang 40

 Phương pháp làm nguội nhanh [12]

- Đặt kim loại, hợp kim cần tạo màng vào trong một ống thủy tinh thạch anh

- Dùng lò cao tần để làm nóng chảy kim loại, hợp kim trong ống

- Cho khí trơ vào ống tạo áp suất phun lên bề mặt một hình trụ bằng đồng quay rất nhanh

- Chọn chế độ thích hợp sao cho khi ống dẫn dòng kim loại, hợp kim lỏng phun lên bề mặt trống thì mặt trống bị kéo theo và nguội đi rất nhanh Sau đó lớp kim loại, hợp kim lỏng hóa rắn lại thành một băng mỏng Tùy theo chế độ băng tạo ra mà có thể thu được cấu trúc hoàn toàn vô định hình hoặc là các hạt tinh thể cỡ nano

b) Phương pháp hóa học

- Là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion

- Phương pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp

- Có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại:

+ Hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, )

+ Hình thành vật liệu nano từ pha khí (phương pháp kết tủa (nhiệt phân) )

- Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, [26]

- Phương pháp được thực hiện theo qui trình [2]:

Dung dịch  sol  gel  xerogel  tinh thể nano

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	17,46 MB