ống nano các bon và ứng dụng

Với nhu cầu tìm hiểu về những tính chất độc đáo và khả năng ứng dụng của ống nano carbon, vật liệu nano một lĩnh vực khá mới mẻ và hứa hẹn nhiều điểm thú vị, tôi đã chọn đề tài “Nghiên c

LỜI CẢM ƠN

Khoá luận được thực hiện ở ĐH Vinh dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Nguyễn Hồng Quảng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đối với thầy hướng dẫn của mình – người đã đặt vấn đề, hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa vật lý

đã nhiệt tình giảng dạy, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tác giả học tập và hoàn thành khoá luận

Tác giả cũng xin cảm ơn gia đình, bạn bè và tất cả các bạn SV lớp 46B đã động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận

Xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 05 năm 2009

Tác giả

Võ Thanh Thanh

MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh………3

Các kí hiệu viết tắt……….4

Mở đầu……….5

Chương1 Các tính chất vật lý của ống nano carbon … 7

1 Sự ra đời của ống nano carbon……… …… 7

2 Đặc điểm cấu trúc của ống nano carbon… 8

3 Các phương pháp tổng hợp ống nano carbon……… 12

4 Tính chất vật lý cơ bản của ống nano carbon……… … 13

4.1 Tính chất cơ học……… 13

4.2 Tinh dẫn nhiệt……… 14

4.3 Tính chất điện tử……… 14

5 Một số khả năng ứng dụng của ống nano carbon………… 20

Chương 2: Ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử …….21

1 Ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trường… … 21

2 Ứng dụng của ống nano carbon làm nguồn phát xạ điện tử……… … 27

3.Ứng dụng của ống nano carbon trong xây dựng chuyển tiếp p-n… … 32

4 Ứng dụng của ống nano carbon trong mạch tích hợp……… … 32

5 Các ứng dụng khác 36

Kết luận……… 37

Tài liệu tham khảo 39

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Các dạng thù hình của carbon……… 7

Hình 2 Các dạng ống nano carbon đa lớp………7

Hình 3 Ảnh chụp cắt dọc một tấm nano carbon đơn lớp……… 8

Hình 4 Mô phỏng cấu trúc tấm graphit……… 9

Hình 5 Các ống nano carbon từ các cách cuộn tấm graphit……… 10

Hinh 6 Tính chất cơ học của ống nano carbon………12

Hình 7 Cấu trúc và vùng năng lượng của ống nano carbon kim loại và bán dẫn 13

Hình 8 Hình ảnh vùng Briluin thứ nhất của ống nano carbon……… 14

Hình 9 Sự phụ thuộc của tính chất điện tử vào cấu trúc của ống nano carbon……14

Hình 10 Đặc trưng I-V của ống nano carbon bán dẫn……….17

Hình 11 Đặc trưng I-V của ống nano carbon kim loại……… 18

Hình 12 Cấu trúc của MOSFET……… 21

Hình 13 Cấu trúc của CNTFET……… 22

Hình 14 Ảnh chụp cổng sau (Back gate) của CNTFET……… 23

Hình 15 Đặc tuyến I-V của CNTFET với điện cực kim loại là Co……… 25

Hình 16 Súng phóng điện tử………26

Hình 17 Nguồn phát xạ điện tử từ ống nano carbon….……… 27

Hình 18 Mật độ dòng phát xạ của một ống nano carbon đơn lớp……… …28

Hình 19 Đặc tuyến I-V của các ống nano carbon khác nhau……… 28 Hình 20 Khả năng phát xạ trường phụ thuộc vào mật

carbon………33

CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

Viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt

s-SWNT Semiconductor single

walled carbon nanotube

Ống nano carbon có tính bán dẫn m-SWNT Metallic single walled

carbon nanotube

Ống nano carbon có tính kim loại FET Field effect transistor Transistor hiệu ứng

trường

Metallic-oxide-semiconductor fet

Transistor hiệu ứng trường loại có cổng kim loại-oxit-bán dẫn p-CNTFET p-type CNTFET Transistor hiệu ứng

trường từ ống nano carbon loại p n-CNTFET n-type CNTFET Transistor hiệu ứng

trường từ ống nano carbon loại n

microscopy

Kính hiển vi điện tử kiểu quét ngầm

SEM Scanning electron

microscopy

Kính hiển vi điện tử kiểu quét

TEM Transmission electron

microscopy

Kính hiển vi điện tử kiểu truyền qua

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, điện tử học cũng có những bước phát triển vượt bậc Yêu cầu của các thiết bị điện tử là tốc độ cao, kích thước gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng Muốn đạt được điều này thì các chi tiết trên thiết bị phải nhỏ nhẹ và ít phát nhiệt Trước nay thì silicon đang là vật liệu chủ chốt trong các thiết bị điện tử Tuy nhiên, đến một lúc mà vật liệu silicon đạt đến

“giới hạn” không thể bé hơn được nữa Yêu cầu đặt ra là phải tìm được loại vật liệu mới đáp ứng được yêu cầu về kích thước và tính chất phù hợp để có thể thay thế cho silicon trong các thiết bị điện tử

Công nghệ nano ra đời nhằm phục vụ các yêu cầu mới của công nghệ hiện đại Đối tượng của ngành công nghệ này là vật liệu nano và ống nano carbon là một đại diện xuất sắc của loại vật liệu mới này

Ống nano carbon được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi nhà khoa học Nhật Bản Sumio Iijima Một cách tình cờ, trong khi làm thí nghiệm quan sát các loại bụi hình thành trong bình phóng điện hồ quang, ông đã quan sát thấy vật có hình ống có đường cỡ nanomet trong khi chiều dài lớn gấp hàng ngàn lần (cỡ m)

Với cấu trúc độc đáo đó ống nano carbon hứa hẹn sẽ có nhiều tính chất đặc biệt và nhiều khả năng ứng dụng

Ngay sau khi phát hiện ống nano carbon đã tạo ra một cơn chấn động và thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới Người ta bắt đầu tập trung vào nghiên cứu về cấu trúc, các tính chất cũng khả năng ứng dụng của loại vật liệu mới này Đặc biệt lĩnh vực được quan tâm nhiều nhất là tính chất điện

tử và khả năng ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử

Với nhu cầu tìm hiểu về những tính chất độc đáo và khả năng ứng dụng của ống nano carbon, vật liệu nano một lĩnh vực khá mới mẻ và hứa hẹn nhiều điểm thú vị,

tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất và khả năng ứng dụng của ống nano

carbon trong các thiết bị điện tử” cho khoá luận tốt nghiệp đại học của mình Tôi

hi vọng qua việc làm luận văn này sẽ được tiếp cận với lĩnh vực còn khá mới mẽ với khoa học việt nam là lĩnh vực công nghệ và vật liệu nano

Bằng việc tìm hiểu các tài liậu liên quan, các bài báo khoa học, thông qua các phương pháp phân tích, tổng hợp, phân loại và hệ thống hoá tôi đã hoàn thành khoá luận này

Khoá luận bắt đầu với phần mở đầu, nội dung chính được trình bày trong 2 chương: Chương1 Trình bày tóm tắt về sự phát hiện ra ống nano carbon, cấu trúc hình học và tính chất vật lý cơ bản của ống nano carbon Các tiềm năng ứng dụng của ống nano carbon cũng được trình bày trong chương này Phần chi tiết về ứng dụng của ống nano carbon trong các thiết bị điện tử được trình bày trong chương 2, trong đó điển hình là các ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trường (CNTFET), trong mạch tích hợp, điốt Asaki và nguồn phát xạ điện tử Phần kết luận tóm tắt các kết quả đạt được của khoá luận Khoá luận kết thúc bằng danh mục các tài liậu tham khảo

Sau đây là nội dung chính của khoá luận

CHƯƠNG 1 CÁC TÍNH CHẤT CỦA ỐNG NANO CARBON

(CARBON NANOTUBE)

Ngay sau khi được phát hiện ống nano carbon đã nhận được sự quan tâm

lớn của các nhà khoa học Người ta đã đang tập trung vào nghiên cứu về cấu trúc

và các tính chất vật lý của ống nano carbon và nhận thấy rằng ống nano carbon có cấu trúc rất độc đáo cùng với các tính chất vật lý thú vị mà chưa loại vật có loại vật liệu nào hiện nay có được

1.1 Sự ra đời của ống nano carbon

Do vị trí đặc biệt của nguyên tố carbon trong bảng hệ thống tuần hoàn (carbon ở nhóm IV, có 4 nguyên tử ở lớp ngoài cùng) nên carbon khả năng tạo ra nhiều dạng liên kết: Liên kết kiểu s, liên kết kiểu p và các liên kết lai s-p Sự phong phú trong cách liên kết cho phép carbon tồn tại dưới nhiều dạng thù hình khác nhau [hình 1] Hai dạng thù hình phổ biến của carbon là kim cương và than chì (graphit) được phát hiện từ rất lâu Vào năm 1985, nhóm nghiên cứu của giáo sư Groto và

cộng sự phát hiện ra dạng thù hình thứ ba của carbon có dạng hình quả bóng, kí hiệu là C60 và gọi là Buckball fullerene [1,2]

Năm 1991, dạng thù hình thứ tư của carbon được phát hiện bởi nhà khoa học người Nhật Bản Sumio Iijima Đó là một cấu trúc có dạng ống được tạo bởi các nguyên tử carbon gọi là ống nano carbon[3,4,5] Sự phát hiện này ngay lập tức đã gây sự chú ý của các nhà khoa học thời đó Rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc cũng như tính chất của loại vật liệu mới này đã nhanh chóng được triển khai

Hình 1 Các dạng thù hình của Carbon

Từ trái qua phải lần lượt là kim cương, than chì (graphit), Buckminster fullerene,

carbon nanotube

1.2 Đặc điểm cấu trúc của ống nano carbon

Năm 1992, các nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của ống nano carbon được công bố Về mặt hình học, có thể hình dung ống nano carbon như được tạo thành từ các tấm graphit cuộn tròn lại liền mạch và khoảng cách giữa các lớp là xác định

nm

d tt  0 34 , loại này được gọi là ống nano carbon đa lớp (MWNT) (Hình 2)

Hình 2 Ảnh TEM chụp một ống nano carbon đa lớp (ảnh trên bên trái: Hình ảnh

mô phỏng cấu trúc của ống nano carbon đa lớp này) Năm 1993, cũng Iijima là người đầu tiên phát hiện ra cấu trúc của ống nano carbon chỉ gồm một lớp gọi là ống nano carbon đơn lớp (SWNT)

Hình 3 Ba dạng cấu trúc của SWNTs: a) zig-zag tube (9, 0); b) arm-chair tube (5,

5); and c) chiral tube (10, 5) [9]

Mỗi lớp của ống nano carbon được hình dung như được tạo bởi một tấm graphit cuộn lại theo một hướng xác định Tuỳ thuộc vào hướng cũng như kích

thước của ống được tạo thành mà có các dạng ống nano carbon khác nhau Người

ta phân biệt ba hướng: Armchair, zizzag, chiral (Hình 3) Các hướng này được xác định bởi vectơ định hướng Ch hay còn gọi là vectơ xoắn (Hình 4)

n,m n a1 m a2

Trong đó: a1, a2 là các vectơ đơn vị

n,m là các số nguyên

Hình 4 Ống nano carbon đơn lớp có thể hình dung được tạo bằng cách cuộn

một tấm graphit Tuỳ theo hướng cuộn mà hình thành nên các cấu trúc ống nano carbon khác nhau: Armchai (n=m), zizzag (n hoặc m=0), chiral (còn lại) [6,7,8]

Với:  là góc xoắn chiral được xác định bởi vectơ chiral với trục chuẩn a1

Đường kính của ống được xác định:





2 2

m nm n a C

Trong đó, aa1 a2 là độ dài vectơ đơn vị

Hình 5 Các dạng khác nhau của ống than nano do cách cuộn tấm graphit Ta có 3

loại ống armchair, zizzag, chiral

1.3 Các phương pháp tổng hợp ống nano carbon

Có nhiều cách để tổng hợp ống nano carbon Trong đó có một số cách được dùng phổ biến hơn đó là: Phóng điện hồ quang, ăn mòn laser, phương pháp CVD (phủ bằng hơi hoá học), phương pháp cơ nhiệt (nghiền bi và nung)

1.3.1 Tổng hợp ống nano carbon băng phương pháp phóng điện hồ quang

Làm một buồng kín chứa khí agron hoặc Heli, có hai điện cực bằng than và giữa chúng có một hiệu điện thế để có phóng điện giữa hai cực than, tạo ra hồ quang Than ở cực dương (anot) bị bốc bay bám vào cực âm (catot) đối diện ở catot cũng như ở muội than rơi xuống đáy bình có fullerene và ống nano carbon lẫn với than vô định hình Chọn điều kiện phóng điện thích hợp và dùng thêm chất xúc tác

có thể có được ống nano carbon loại này hoặc loại khác Đặc biệt dùng xúc tác (thí

dụ Co) có thể có được ống nano carbon chất lượng cao, với số lượng lớn

1.3.2 Tổng hợp ống nano carbon bằng phương pháp ăn mòn laser

Chiếu tia laser công suất lớn vào graphit làm cho graphit bốc bay và gia công nhiệt tiếp theo có thể thu được những thanh có đường kính cỡ 10-20 nm và dài đến hàng trăm m, mỗi thanh như vậy là bó ống nano carbon

1.3.3 Phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposotion-lắng pha hơI hoá học)

Có thể cho hơi acetylene phân huỷ có xúc tác là kim loại (Fe, Co…) Có nhiều dạng của carbon hình thành, trong đó có dạng ống nano carbon Dùng các chất như êtylen, hỗn hợp H2/CH4…để làm hơi hoá chất và chế độ thích hợp có thể

có được các ống nano carbon tương đối đồng nhất tại những vị trí mong muốn

1.3.4 Phương pháp cơ nhiệt

Đổ bột graphit vào máy nghiền, khi nghiền các hòn bi lăn và rơi xuống làm cho bột ngày càng mịn, đồng thời thổi khí trơ vào bình Đưa bột than nghiền mịn vào lò để ủ nhiệt trong thời gian lâu, các ống nano carbon được hình thành Để tạo được ống nano carbon chất lượng tốt, thường phải dùng thêm chất xúc tác, thí dụ hạt Co hoặc Fe

1.4 Các tính chất vật lý của ống nano carbon

Ống nano carbon được xem là có các tính chất vật lý hết sức đặc biệt mà

chưa vật liệu nào có được Các tính chất cơ học, tính chất nhiệt và tính chất điện tử đều vô cùng độc đáo

Các tính chất của ống nano carbon được quyết định bởi cấu trúc của ống Tuỳ thuộc vào điều kiện xử lý mà tính chất của ống nano carbon là khác nhau

1.4.1 Tính chất cơ học

Các nghiên cứu về tính chất cơ học của ống nano carbon cho biết loại vật liệu này có những đặc điểm rất độc đáo Về mặt lý thuyết, người ta tính toán được rằng ống nano carbon có thể có hệ số Young’s modulus rất cao vào cỡ 1000 GP và biến dạng cắt cỡ 500 GP Sử dụng kính hiển vi điện tử kiểu truyền qua (TEM), Treacy và cộng sự đã đo được Young’s modulus của ống nano carbon là 1800 GP

và giá trị 1280 GP được đo bởi Wong nhờ kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Như các nhà khoa học đã hi vọng, các giá trị này đều rất gần với giá trị của các tấm graphit và phụ thuộc vào độ uốn cong của ống Ngoài ra ống nano carbon cũng thể hiện một suất đàn hồi rất lớn, nó có thể bị uốn cong và có khả năng duổi thẳng (hình 6)

Hình 6 Mô tả tính chất cơ của ống nano carbon a) ống nano carbon thẳng,

b) ống nano carbon bắt đầu uốn cong, c) tiếp tục uốn cong hơn nữa, d) ống nano

carbon được uốn cong gần như gấp khúc nhưng vẫn không gảy [10]

Có những tính chất cơ học kì diệu này là do bản chất liên kết trong ống than nano Điều này có thể được giải thích bởi hoá học lượng tử, cụ thể là sự xen phủ obital Liên kết hoá học của các ống than nano được cấu thành hoàn toàn bởi các liên kết 2

sp , tương tự với than chì Cấu trúc liên kết này mạnh hơn các liên kết 3

sp ở trong kim cương, tạo ra những phân tử với độ bền đặc biệt Các ống nano thông thường tự sắp xếp thành các “sợi dây thừng”được giữ với nhau bởi lực Van der Waals Dưới áp suất cao các ống nano có thể trộn với nhau, trao đổi một số liên kết 2

1.4.3.Tính chất điện tử của ống nano carbon

Hình 7 (a) cấu trúc tấm graphen, một lưới có dạng hình tổ ong của nguyên tử

carbon (b) cấu trúc vùng năng lượng theo vectơ sóng k Tuỳ thuộc vào cách cuộn mà ta

có hoặc (c) một kim loại hoặc (d) một bán dẫn

Sự tiên đoán về tính kim loại hay tính bán dẫn của ống nano carbon phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng đã được đưa ra từ năm 1992 Như chúng ta được biết graphit là một loại vật liệu có tính bán kim loại hoặc là bán dẫn

có vùng cấm bằng không, tức là vùng hoá trị và vùng dẫn chạm nhau ở 6 điểm (6 góc) của vùng Briluin thứ nhất Khi các ống nano carbon được tạo thành từ các tấm graphit này thì các tính chất của tấm graphit sẽ ảnh hưởng đến tính chất của ống này Cụ thể nếu:

n – m = 0, ống nano carbon có dạng armchair có tính kim loại

n – m =3q, ống nano carbon có tính kim loai, trong đó, q là số nguyên

n – m 3q, ống nano carbon có tính bán dẫn

Hình 8 (a)Cấu trúc vùng năng lượng của tấm graphit ở trên và vùng Brilunin thứ nhất ở

dưới (b)Cấu trúc năng lượng của một kim loại (3,3) CNT (c)Cấu trúc năng lượng của

một bán dẫn (4,2) CNT

Các kết quả lý thuyết đã được khẳng định bằng các phương pháp đo thực nghiệm nhờ sử dụng kính hiển vi điện tử kiểu quét ngầm (STM) của các sợi SWNT riêng lẻ Người ta đã có được những hình ảnh đầu tiên về ống nano carbon kim loại vào năm 1997, và sau đó là ống nano carbon bán dẫn vào năm 1998 [18,19] Odom

và Wilder đã độc lập khảo sát sự phụ thuộc của các tính chất điện tử của ống nano carbon vào đường kính và góc xoắn  Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng ống

dẫn khi n hoặc m bằng không (zizzag), khoảng 1/3 số còn lại (n – m = 3q) có tính kim loại, 2/3 còn lại có tính bán dẫn (Hình 9) [6,7,13,14]

Hình 9 Sự phụ thuộc của mật độ trạng thái vào năng lượng (trên), đặc tuyến I-V

(dưới) của một m-SWNT (9,9) (trái) và một s-SWNT (11,7) (phải)

Vậy các ống nano carbon thể hiện tính kim loại hoặc bán dẫn phụ thuộc vào chỉ số n, m Tức là phụ thuộc vào cách cuộn tấm graphit Điều đặc biệt là từ một ống nano carbon lúc đầu có tính kim loại có thể chuyển thành tính bán dẫn và ngược lại khi thay đổi nhiệt độ xử lý Các ống nano carbon có n-m=3q, thì các ống này thể hiện tính kim loại ở nhiệt độ phòng Thực nghiệm đã chứng minh ở điều kiện này thì vùng cấm Eg = 0 Khi nhiệt độ cao hơn (cỡ 3000 C)thì ống nano carbon thể hiện tính bán dẫn, người ta đã đo được khi này vùng cấm rộng ra cỡ Eg

= 0.70eV  0.90eV Điều này có thể được giải thích một cách định tính như sau: Mặc dù cùng một ống nano carbon ban đầu là kim loại hoặc bán dẫn, khi tăng nhiệt

độ thì cấu trúc của ống nano carbon thay đổi Ống nano carbon bị biến dạng: Xoắn, uốn cong…làm thay đổi vectơ (n,m) Vậy khi cấu trúc của ống nano carbon thay đổi thì các chỉ số n, m thay đổi Tức là kim loại khi n - m = 3q khi n, m thay đổi làm cho n - m  3q thì ống nano carbon kim loại trở thành bán dẫn và ngược lại

Với các ống nano carbon có chỉ số n – m  3q là các ống có tính chất bán dẫn

Vùng cấm trong bán dẫn phụ thuộc vào đường kính của ống theo biểu thức:

Hình 10 Hình ảnh STM của một s-SWNT bán dẫn (a), đặc trưng I-V của SWNT

tương ứng (b) Sự phụ thuộc của vùng cấm Eg vào đường kính ống SWNT [17]

Các ống nano carbon có tính bán dẫn có tính chất đặc biệt là cùng một ống nano carbon ban đầu nhưng có thể là loại p có thể là loại n tuỳ thuộc vào điều kiện xử lí Chẳng hạn trong quá trình xử lí ở nhiệt độ thấp ống nano carbon là bán dẫn loại p, khi nung lên 3000C nó trở thành bán dẫn loại n Hoặc ống nano carbon là bán dẫn loại n khi tiếp xúc với môi trường do quá trình doping các nguyên tử Oxi xen vào các mắt mạng làm thay đổi số lượng, tỉ lệ các hạt tải điện là lỗ trống (h+) và điện tử (e_) dẫn đến thay đổi tính chất, trở thành bán dẫn loại p

Ống nano carbon có chỉ số n = m, n – m = 3q là các ống có tính chất kim loại

Độ dẫn điện

M G

G , là độ dẫn đã được lượng tử hoá

e = 1.6.10-19(c) là điện tích của điện tử

Hình 11 (a, b) Hình 10 Hình ảnh STM của một s-SWNT kim loại, đặc trưng I-V

của SWNT tương ứng (c,d) [27]

Tính điện tử của ống nano carbon đã thu hút nhiều sự chú ý của các nhà vật

lí và thiết kế vi mạch Nhờ dạng hình ống mà các elecron tự do  trong ống có thể tải điện nhưng ít chụi sự phân tán (gọi là ballistic conduction_tính dẫn đạn đạo) Sự phân tán electron là nguyên nhân điện trở gây ra sự phát nhiệt thường thấy ở chất bán dẫn hay kim loại Nói cách khác ống nano có khả năng tải điện hữu hiệu và ít phát nhiệt Thực nghiệm đã chứng minh rằng ống nano carbon có điện dẫn suất lên tới 108 1011( đơn vị dẫn suất) >>cu

Trong lí thuyết ống nano carbon kim loại có thể có mật độ điện tích lớn hơn kim loại Ag, Au cỡ 100 lần

Tóm lại, về sự độc đáo và lý thú trong tính chất điện tử của ống nano carbon thì chưa có vật liệu nào sánh kịp Người ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để áp dụng

người Hy vọng trong thế kỉ 21 này ống nano carbon có thể là vật liệu chủ chốt thay thế cho silicon

1.5 Khả năng ứng dụng của ống nano carbon

Do ống nano carbon có nhiều tính chất vật lý rất đặc biệt, nên có nhiều ứng dụng mới, kì lạ và hứa hẹn nhiều triển vọng

Nhờ độ cứng, độ bền rất cao mà ống nano carbon được dự đoán là có khả năng ứng dụng rất lớn trong các thiết bị như dây kéo thang máy, vỏ tàu vũ trụ, đồ dùng thể thao (trong cuộc đua vòng quanh nước Pháp năm 1996 có một chiếc xe đạp đã sử dụng ống nano carbon trong vật liệu tổng hợp để làm khung xe)…

Các tính chất của ống nano carbon cũng cho phép loại vật liêụ này được sử dụng trong các lĩnh vực phát xạ điện tử trong các thiết bị như màn hình phát xạ trường, nguồn sáng, các thiết bị điện tử chân không…

Tính chất xốp và nhẹ của ống nano carbon hứa hẹn vật liệu này có thể được

sử dụng trong việc chế tạo các vật liệu tổng hợp (composit), trong các pin, ắc quy

và các thiết bị lưu trữ năng lượng khác Ống nano carbon cũng được nghiên cứu là vật liệu trong việc chế tạo sensor (cảm biến) để dùng trong đo đạc các thông số môi trường (khí hoặc lỏng)

Điểm nổi bật nhất của ống nano carbon là khả năng ứng dụng của nó trong lĩnh vực điện tử Khoa học đã ghi nhận khả năng chuyển động và dẫn điện của vật liệu này cao gấp 70 lần so với chất bán dẫn truyền thống Đây sẽ là một giải pháp khả thi và có thể mở ra hướng đi mới cho ngành chế tạo chip

Chi tiết về ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NANO CARBON

TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

Các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ, đến lúc mà vật liệu silicon

không thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra thì một loại vật liệu mới ra đời với cấu trúc

và tính chất vượt trội hơn nhiều so với silicon đó chính là ống nano carbon Các nghiên cứu đã khẳng định các tính chất điện tử độc đáo của ống nano carbon, các tài sản này mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dành cho ống nano carbon

2.1 Ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trường

Trong công nghệ điện tử bán dẫn, transistor trường có một vai trò quan trọng, đặc biệt để khuếch đại các tín hiệu yếu, giúp đóng mở các mạch logic trong các bộ vi xử lý Trước nay, transistor trường chế tạo trên cơ sở Si Như ta đã biết transistor ở thời điểm phát minh năm 1947 có kích thước khoảng vài cm, cho đến ngày nay thì đã thu hẹp xuống cỡ nm, tức là vài triệu lần nhỏ hơn, người ta đang tiếp tục nghiên cứu để có thể thu nhỏ hơn nửa kích thước của transistor Tuy nhiên,vấn đề chính của transistor thu nhỏ là sự phát nhiệt Càng thu nhỏ transistor càng nóng Sự phát nhiệt làm tổn hại và giảm công năng của các dụng cụ điện tử Hơn nữa, đặc tính thu nhỏ của silicon sẽ đến một mức giới hạn và dừng lại ở một kích thước nhất định nào đó Trong những năm gần đây nhiều nhóm nghiên cứu dùng phân tử ống nano carbon làm vật liệu để chế tạo transistor phân tử có kích thước vài nm Đây là một transistor đã đụng đến “tận đáy” của vật chất Ngoài ra, ống nano carbon có đặc tính dẫn điện đạn đạo, tức là dẫn điện mà không gây sự phát nhiệt Việc nghiên cứu các transistor từ ống nano carbon đang tiến triển khả quan và cho nhiều hứa hẹn Người ta dự đoán nếu transistor ống nano carbon được dùng cho máy vi tính thì máy sẽ thu nhỏ bằng cục đường uống cà phê (222 cm)

2.1.1 Transistor hiệu ứng trường

Transistor hiệu ứng trường (FET), ra đời khoảng những năm 60 của thế kỷ 20 Nguyên lý hoạt động của loại transistor trường này như sau: Khi điện áp đặt lên