Các phương pháp chế tạo vật liệu nano

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP D13HPT01 Chủ đ ề : CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Nhập môn công nghệ nano THÀNH VIÊN Phạm Thị Hòa Lâm Thị Mỹ Hồng Lê Trúc Hòa Trương Minh Hiếu Nhập môn công nghệ nano NỘI DUNG Phân loại phương pháp chế tạo Phương pháp sol-gel Phương pháp Micelle nano Phương pháp lắng đọng pha ( CVD ) Nhập môn công nghệ nano Phân loại pp chế tạo Nhập môn công nghệ nano 1.1 Phương pháp từ xuống 1.1.1 Giới thiệu - Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano - Ưu điểm: phương pháp đơn giản, rẻ tiền hiệu quả, tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) 1.1 Phương pháp từ xuống 1.1.2 Phương pháp nghiền Vật liệu dạng bột trộn lẫn với viên bi làm từ vật liệu cứng đặt cối Máy nghiền nghiền lắc, nghiền rung nghiền quay Các viên bi cứng va chạm vào phá vỡ bột đến kích thước nano Kết thu vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Nhập môn công nghệ nano 1.1 Phương pháp từ xuống 1.1.3 Phương pháp biến dạng Được sử dụng với kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo biến dạng cực lớn mà không làm phá huỷ vật liệu Nhiệt độ điều chỉnh tùy thuộc vào trường hợp Nếu nhiệt độ gia công lớn nhiệt độ kết tinh lại gọi biến dạng nóng, ngược lại gọi biến dạng nguội Kết thu vật liệu nano chiều (dây nano) hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, người ta thường dùng phương pháp quang khắc để tạo cấu trúc nano Nhập môn công nghệ nano 1.2 Phương pháp từ lên 1.2.1 Giới thiệu - Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion - Ưu điểm: • Linh động, tạo sản phẩm cuối chất lượng • Được sử dụng rộng rãi Nhập môn công nghệ nano 1.2 Phương pháp từ lên 1.2.2 Phương pháp vật lý: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử chuyển pha Hình thành vật liệu nano phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu nung nóng  nguội với tốc độ nhanh  trạng thái vô định hình Xử lý nhiệt chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh)  Dùng để tạo hạt nano, màng nano Nhập môn công nghệ nano 1.2 Phương pháp từ lên 1.2.3 Phương pháp hóa học: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ ion Đặc điểm: đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Phương pháp hóa học chia thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) từ pha khí (nhiệt phân, )  Tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, Nhập môn công nghệ nano 10 4.2 Nguyên lý hoạt động Quá trình tạo màng phương pháp CVD mô tả đơn giản sau: Nhập môn công nghệ nano 45 4.2 Nguyên lý hoạt động Quá trình tạo phản ứng tạo màng mô tả theo sơ đồ sau: to Nhập môn công nghệ nano 46 4.3 Hệ thống thiết bị CVD Hệ thống xử lý khí thải Tấm lọc Bơm khí thải precursor Buồng phản ứng Van  Hệ thống chân không – làm buồng phản ứng ứng tạo môi trường áp suất thấp  Buồng phản ứng – nơi trình ngưng tụ xảy  Bộ phận cung cấp nhiệt cho tia (target) để làm bay vật liệu  Hệ thống hút khí thải khí thừa hệ thống xử lí khí thải  Hệ thống vận chuyển khí (precursor) vào khỏi buồng phản ứng  Nguồn nhiệt – cung cấp nhiệt chất khí phản ứng  Bộ phận giữ đế phận cung cấp nhiệt cho đế Nhập môn công nghệ nano 47 4.4 Điều kiện tạo màng • • • Màng mỏng ngưng tụ đế tồn pha bão hòa đế Nhiệt độ đế cao để tạo phản ứng hóa học: 900-1200oC Thành buồng phản ứng nóng hay lạnh tùy vào loại loại CVD Nhập môn công nghệ nano 48 4.4 Điều kiện tạo màng • Đối với Precursor (chất khí phản ứng):  Tính chất dễ bay phải thích hợp để đạt tốc độ bay thích hợp nhiệt độ bay vừa phải    Sự bền để phân ly không xảy suất trình bay Khoảng nhiệt độ bay lắng đọng đủ để lắng đọng màng Độ tinh khiết cao Nhập môn công nghệ nano 49 4.4 Điều kiện tạo màng  Phân ly mà hợp tạp chất dư  Tương thích tốt với co-precursor phát triển vật liệu phức tạp  Bền với môi trường xung quanh không khí ẩm  Sản xuất dễ dàng với độ bền cao giá thành thấp  Không nguy hiểm mức độ nguy hiểm thấp Nhập môn công nghệ nano 50 4.3 Điều kiện tạo màng • Buồng phản ứng:  Thành buồng nóng:   Dòng khí dễ dàng phản ứng với thành buồng Định kì làm thành buồng  Thành buồng lạnh:   Dòng khí khó phản ứng với thành buồng Khó kiểm soát nhiệt độ phản ứng Nhập môn công nghệ nano 51 4.5 Cơ chế vận chuyển nhiệt trình CVD Nhập môn công nghệ nano 52 4.5 Cơ chế vận chuyển nhiệt trình CVD 4.5.2 Ngưng tụ: • • • • Hơi vật liệu ngưng tụ bề mặt đế tồn pha bão hòa Dòng ngưng tụ hàm phụ thuộc vào dòng tới Tại nhiệt độ đế xác định, dòng tới có giá trị giới hạn gọi dòng giới hạn Dòng tới lớn dòng giới hạn màng hình thành nhỏ không nhận lắng đọng Nhập môn công nghệ nano 53 4.5 Cơ chế vận chuyển nhiệt trình CVD 4.5.3 Hấp phụ: • • Để tạo màng nguyên tử phải hấp phụ hóa học lên đế • Chuyển động mẫu bề mặt kim loại bán dẫn lớn dẫn đến giữ chặt phân tử chỗ bị hấp thụ hoá học phân tử bề mặt, chúng thay đổi vị trí xung quanh có phản ứng bề mặt để tạo thành màng Nhập môn công nghệ nano 54 4.6 Ưu, nhược điểm phương pháp CVD Ưu điểm Nhược điểm • Màng có độ dày đồng cao, bị xốp • Cơ chế phản ứng phức tạp • Màng có độ tinh khiết cao • Nhiệt độ đế cao nhiều so với phương pháp khác (19000F) • Có thể phủ đế có cấu hình phức tạp • Đế dụng cụ buồng phản ứng dễ bị ăn mòn dòng • Có thể phủ giới hạn khu vực • Nhiều sản phẩn khí sau phản ứng có tính độc nên cần hệ thống xử lí khí thải • Màng có tính xếp chặt • Một số vật liệu không tạo màng phương pháp phản ứng hóa học thích hợp • Có khả lắng đọng hợp kim nhiều thành phần • Tốc độ lắng đọng cao (đến 1µm /phút) • Hệ thiết bị đơn giản Nhập môn công nghệ nano 55 4.7 Các phương pháp CVD • • • Thermal CVD: Kích hoạt pư nhiệt  pp cổ điển APCVD: Tốc độ lắng đọng cao, đơn giản  chủ yếu tạo mạng oxit LPCVD: Buồng pư phải áp suất thấp, màng đều, độ cao  chế tạo màng silic, màng điện môi • MOCVD: dùng hỗn hợp khí hữu precursor  chế tạo màng kim loại, màng điện môi • PECVD: Sử dụng lượng plasma để kích hoạt pư Nhập môn công nghệ nano 56 4.8 Ứng dụng • • • • Trong công nghiệp điện tử: màng cách điện, dẫn điện, lớp chống gỉ Chế tạo pin mặt trời Chế tạo sợi composit, sợi quang chịu nhiệt cao Chế tạo vật liệu siêu dẫn Nhập môn công nghệ nano 57 Tài liệu tham khảo Nguyễn Đức Nghĩa, Hóa học nano công nghệ vật liệu nguồn (2007), NXB khoa học tự nhiên công nghệ Hà Nội Phương pháp CVD http://www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien %20tu/Tai_lieu_cua_BMVLUD/Vat_ly_mang_mong/N_PP_tao_mang_CVD.pdf Tạo màng phương pháp sol-gel http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren %20lop/Quang_hoc_ung_dung/New_1/Tao_mang_bang_phuong_phap_Sol.pdf Nhập môn công nghệ nano 58 Nhập môn công nghệ nano 59 [...]...1.2 Phương pháp từ dưới lên 1.2.4 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, Nhập môn công nghệ nano 11 2 Phương pháp sol-gel Nhập môn công nghệ nano 12 2.1 Khái niệm 2.1.1 Precursor Là những phần tử ban đầu để tạo những... nano 29 2.3.3 Phương pháp phủ phun và phủ dòng chảy Phương pháp này thường được dùng trong công nghiệp sơn dầu Việc kiểm soát tính toán dòng phun để suy ra độ dày màng tương đối khó khan  Vì thế phương pháp này ít đựơc dùng trong công nghệ chế tạo màng mỏng nano Nhập môn công nghệ nano 30 2.3.4 Quá trình xử lý nhiệt Tăng nhiệt : cung cấp nhiệt lượng để loại bỏ dung môi còn sót lại trong màng vừa tạo. .. lên các hình dạng phức tạp - Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao - Sản xuất được những sản phẩm có độ tinh khiết cao - Chi phí cao đối với những vật liệu thô - Là phương pháp hiệu quả, đơn giản để sản xuất màng - Hao hụt nhiều trong quá trình tạo màng có chất lượng cao - Tạo màng ở nhiệt độ bình thường Nhập môn công nghệ nano 32 2.5 Ứng dụng phương pháp Sol – gel Nhập môn công nghệ nano 33 3 Phương. .. môn công nghệ nano 24 Nhập môn công nghệ nano 25 2.3 Các phương pháp phủ màng Sol-gel 2.3.1 Phương pháp phủ nhúng (dip – coating):  Nhúng đế vào bên trong dung dịch phủ  Hình thành lớp màng ẩm khi kéo đế lên  Quá trình gel xảy ra bởi sự bay hơi dung môi Nhập môn công nghệ nano 26 2.3.1 Phương pháp phủ nhúng (dip – coating): • Độ dày màng: được tính bằng phương trình Laudau–Levich: Với: h : độ dày... nghệ nano 32 2.5 Ứng dụng phương pháp Sol – gel Nhập môn công nghệ nano 33 3 Phương pháp miclle nano Nhập môn công nghệ nano 34 3.1 Micell thuận: 3.1.1 khái niệm: Là hạt keo có kích thước nhỏ vài nm đến vài micromet theo các điều kiện chế tạo và môi trường khác nhau Nhập môn công nghệ nano 35 3.1 Micell thuận: 3.1.2 Cấu tạo: Micell được hình thành từ từ chất hoạt động bề mặt bao gồm: • • Nhân trong cùng... chứa các thành phần chất lỏng kết dính lại tạo thành Gel Nhập môn công nghệ nano 14 2.1 Khái niệm 2.1.4 Quá trình Sol – gel Là một quá trình liên quan đến hóa lý của sự chuyển đổi của một hệ thống từ precursor thành pha lỏng dạng Sol sau đó tạo thành pha rắn dạng Gel Theo mô hình: precursor  Sol  Gel Nhập môn công nghệ nano 15 Hình 1 Kỹ thuật Sol – gel và các sản phẩm của nó Nhập môn công nghệ nano. .. công nghệ nano 20 2.2 Qúa trình sol-gel 2.2.2 Phản ứng ngưng tụ: Hình 5 Quá trình ngưng tụ Nhập môn công nghệ nano 21 2.2 Qúa trình sol-gel 2.2.2 Phản ứng ngưng tụ: Phương trình phản ứng: MOR + MOH  M -O-M + ROH MOH + MOH  M-O-M + H2O Trong điều kiện thích hợp, sự ngưng tụ xảy ra liên tục và phá huỷ polimer, tái tạo thành những hạt keo lớn, từ đó tạo thành các polime lớn hơn Nhập môn công nghệ nano 22... của chất lỏng g : trọng lượng v : vận tốc kéo màng Nhập môn công nghệ nano 27 2.3.2 Phương pháp phủ quay (spin-coating):   Đế được đặt trên một bề mặt phẳng quay quanh 1 trục vuông góc với mặt đất Dung dịch được đưa lên đế và tiến hành quay (ly tâm), tán mỏng màng và bay hơi dung dịch dư Nhập môn công nghệ nano 28 2.3.2 Phương pháp phủ quay (spin-coating): • Độ dày màng: Meyerhofer mô tả sự phụ thuộc... còn sót lại trong màng vừa tạo thành Nung khô bằng cách bay hơi ở điều kiện bình thừơng ta thu đựơc sản phẩm gọi là gel khô Nung ở điều kiện tới hạn thì sản phẩm nhận được ít bị co hơn và gọi là gel khí Nhập môn công nghệ nano 31 2.4 Ưu và nhược điểm phương pháp Sol – gel Ưu điểm Nhược điểm - Tạo ra màng phủ liên kết mỏng - Sự liên kết trong màng yếu - Tạo màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn -... nghệ nano 17 2.2 Qúa trình sol-gel  Về cơ chế hoá học: Quá trình Sol – gel hình thành với 2 dạng phản ứng chính là phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ Nhập môn công nghệ nano 18 2.2 Qúa trình sol-gel 2.2.1 Phản ứng thủy phân: x: hoá trị kim loại Các thông số ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình thủy phân là pH, bản chất và nồng độ của chất xúc tác, nhiệt độ, dung môi, tỉ số H2O/M Nhập môn công nghệ nano ... nghệ nano NỘI DUNG Phân loại phương pháp chế tạo Phương pháp sol-gel Phương pháp Micelle nano Phương pháp lắng đọng pha ( CVD ) Nhập môn công nghệ nano Phân loại pp chế tạo Nhập môn công nghệ nano. .. Dùng để tạo hạt nano, màng nano Nhập môn công nghệ nano 1.2 Phương pháp từ lên 1.2.3 Phương pháp hóa học: Là phương pháp tạo vật liệu nano từ ion Đặc điểm: đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể... Là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử chuyển pha Hình thành vật liệu nano phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu nung nóng