Công nghệ nano Công nghệ nano Bởi: Wiki Pedia Cấu trúc ống nanô cácbon có chiều ngang 1,4 nm - dạng thù hình các-bon, thể nhiều tính chất khác thường Công nghệ nano, đọc công nghệ nanô, (tiếng Anh: nanotechnology) 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 quy mô nanômét (nm, nm = 10-9 m) Ranh giới công nghệ nano khoa học nano không rõ ràng, nhiên chúng có chung đối tượng vật liệu nano Công nghệ nano bao gồm vấn đề sau đây: • • • • Cơ sở khoa học nano Phương pháp quan sát can thiệp qui mô nm Chế tạo vật liệu nano Ứng dụng vật liệu nano Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nano mét Về trạng thái vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng khí Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân thành loại sau: • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thước nano, không chiều tự cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano 1/7 Công nghệ nano • Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, • Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng, • Ngoài có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn Cơ sở khoa học công nghệ nano Có ba sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm nhiều nguyên tử, hiệu ứng lượng tử trung bình hóa với nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng cấu trúc nano có nguyên tử tính chất lượng tử thể rõ ràng Ví dụ chấm lượng tử coi đại nguyên tử, có mức lượng giống nguyên tử Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học vật liệu có giới hạn kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ kích thước tính chất hoàn toàn bị thay đổi Người ta gọi kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt kích thước so sánh với kích thước tới hạn tính chất vật liệu Ví dụ điện trở kim loại tuân theo định luật Ohm kích thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước vật liệu xuống nhỏ quãng đường tự trung bình điện tử kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, định luật Ohm không Lúc điện trở vật có kích thước nano tuân theo quy tắc lượng tử Không phải vật liệu có kích thước nano có tính chất khác biệt mà phụ thuộc vào tính chất mà nghiên cứu Các tính chất khác tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang tính chất hóa học khác có độ dài tới hạn khoảng nm Chính mà người ta gọi ngành khoa học công nghệ liên quan khoa học nano công nghệ nano 2/7 Công nghệ nano Độ dài tới hạn số tính chất vật liệu Chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano chế tạo hai phương pháp: phương pháp từ xuống (topdown) phương pháp từ lên (bottom-up) Phương pháp từ xuống phương pháp tạo hạt kích thước nano từ hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ lên phương pháp hình thành hạt nano từ nguyên tử Phương pháp từ xuống 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 Đây 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) Trong phương pháp nghiền, vật liệu dạng bột trộn lẫn với viên bi làm từ vật liệu cứng đặt cối Máy nghiền có 3/7 Công nghệ nano thể nghiền lắc, nghiền rung nghiền quay (còn gọi nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào phá vỡ bột đến kích thước nano Kết thu vật liệu nano không chiều (các hạt nano) Phương pháp biến dạng sử dụng với kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo biến dạng cự lớn(có thể >10) mà không làm phá huỷ vật liệu, phương pháp SPD điển hình Nhiệt độ điều chỉnh tùy thuộc vào trường hợp cụ thể 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 phức tạp Phương pháp từ lên Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ nguyên tử ion Phương pháp từ lên phát triển mạnh mẽ tính linh động chất lượng sản phẩm cuối Phần lớn vật liệu nano mà dùng chế tạo từ phương pháp Phương pháp từ lên phương pháp vật lý, hóa học kết hợp hai phương pháp hóa-lý • Phương pháp vật lý: phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử chuyển pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano tạo từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu nung nóng cho nguội với tốc độ nhanh để thu trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường dùng để tạo hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính • Phương pháp hóa học: phương pháp tạo vật liệu nano từ ion Phương pháp hóa học có đặc điểm đa dạng tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, phân loại phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, • Phương pháp kết hợp: phương pháp tạo vật liệu nano dựa nguyên tắc vật lý hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, Hướng ứng dụng 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 đuợc lắp ráp vật liệu trung tâm cho điện từ quang Những vi cấu trúc 4/7 Công nghệ nano 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 (packing density) 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 (memory) 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 (behavior) khác với lớp biểu hai cấu trúc phân tử cấu trúc quy mô micrômét Khoa học nano biên giới khoa học chưa thám hiểm tường tận Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú Các nguyên lý hiệu ứng dùng Một tính chất quan trọng cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thuớc Vật chất dạng vi thể (nano-size) có tính chất mà vật chất dang nguyên thể (bulk) thấy đuợc Khi kích thuớc vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc nanômét, điện tử không di chuyển chất dẫn điện dòng sông, mà đặc tính lượng tử điện tử biểu dạng sóng Kích thuớc nhỏ dẫn đến tượng lượng tử tạo cho vật chất có thêm đặc tính kỳ thú Một vài hệ hiệu ứng lượng tử bao gồm, chẳng hạn như: • Hiệu ứng đường hầm: điện tử tức thời chuyển động xuyên qua lớp cách điện Lợi điểm hiệu ứng vật liệu điện tử xây dựng kích cỡ nano đóng gói dầy đặc chíp mà hoạt động nhanh hơn, với điện tử lượng transistor thông thường • Sự thay đổi tính chất vật chất chẳng hạn tính chất điện tính chất quang phi tuyến (non-linear optical) • Bằng cách điều chỉnh kích thuớc, vật chất dạng vi mô trở nên khác xa với vật chất dạng nguyên thể 5/7 Công nghệ nano Chấm lượng tử, đuợc viết tắt QD (quantum dots) Một QD hạt vật chất có kich thuớc nhỏ tới mức việc bỏ thêm hay lấy điện tử làm thay đổi tính chất theo cách hữu ích Do hạn chế không gian (hoặc giam hãm) điện tử lỗ trống vật chất (một lỗ trống hình thành vắng mặt địên tử; lỗ trống hoạt động điện tích dương), hiệu ứng lượng tử xuất phát làm cho tính chất vật chất thay đổi hẳn Khi ta kích thích QD, QD nhỏ lượng cường độ phát sáng tăng Vì mà QD cửa ngõ cho hàng loạt áp dụng kỹ thuật • Hiện liên hệ tính chất vật chất kích thước chúng tuân theo "định luật tỉ lệ" (scaling law) Những tính chất vật chất, chẳng hạn nhiệt độ nóng chảy kim loại, từ tính môt chất rắn (chẳng hạn tính sắt từ tượng từ trễ), band gap chất bán dẫn (semiconductor) phụ thuộc nhiều vào kích thước tinh thể thành phần, miễn chúng nằm giới hạn kích thước nanômét Hầu hết thuộc tính vật rắn kết hợp với môt kích thước đặc biệt, duới kích thước tính chất vật chất thay đổi Mối quan hệ mở đường cho sáng tạo hệ vật chất với tính chất mong muốn, không thay đổi thành phần hóa học cấu tử, mà điều chỉnh kích thuớc hình dạng Các thiết bị dùng việc nghiên cứu quan sát cấu trúc nano Một thiết bị sử dụng nhiều công nghệ nano kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường ngầm (Scanning Tunneling Microscope - STM) Nó chủ yếu bao gồm đầu dò cực nhỏ quét bề mặt Tuy nhiên, đầu dò cách bề mặt vật cần quan sát vào khoảng vài nguyên tử đầu dò có cấu trúc tinh vi (kích thuớc cỡ chừng khoảng vài phân tử nguyên tử), cho hiệu ứng lượng tử xảy Khi đầu dò đuợc quét bề mặt, hiệu ứng đường ngầm, điện tử vuợt qua khoảng không gian bề mặt vật liệu đầu dò Kỹ thuật làm cho máy tính xây dựng phóng đại hình ảnh phân tử nguyên tử vật chất Những phương tiện dụng cụ khác bao gồm • • • • • • • Molecular beam epitaxy Molecular self-assembly Electron beam lithography Focused ion beam Electron microsopy X-ray crystallography NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy 6/7 Công nghệ nano • AFM (Atomic Force Microsopy) • SEM (Scanning Electron Microscopy) • TEM (Transmission Electron Microscopy) Điều chế vật liệu Những kỹ thuật lắp ráp vi cấu trúc thành kiểu mẫu cấu trúc thấy nhiều lãnh vực vi điện tử Những kỹ thuật phổ biến bao gồm quang khắc (photolithography), quang khắc tia X (X-ray lithography), quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography), soft lithography, chùm ion hội tụ (focused ion beam), solgel Các phương pháp tính toán Bên cạnh thực nghiệm, việc nghiên cứu vi cấu trúc thực cách sử dụng phép tính lượng tử (chẳng hạn hoá lượng tử) mô (simulation) Phương pháp ab initio phương pháp phổ biến Những thí dụ bao gồm ab initio molecular dynamics, quantum Monte Carlo, quantum mechanics, vv Những phương pháp đặc biệt hữu hiệu việc tìm hiểu tính chất vật chất dạng vi mô vi cấu trúc chứa vài nguyên tử 7/7 ... người ta gọi ngành khoa học công nghệ liên quan khoa học nano công nghệ nano 2/7 Công nghệ nano Độ dài tới hạn số tính chất vật liệu Chế tạo vật liệu nano Vật liệu nano chế tạo hai phương pháp:.. .Công nghệ nano • Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, • Vật liệu nano hai chiều vật liệu... vật liệu nano dựa nguyên tắc vật lý hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp tạo hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano, Hướng ứng dụng chung Các cấu trúc nano có