Mô tả chung về vật liệu graphene và ông nano carbon, vật liệu mới có nhiều ứng dụng nổi bật trong nhiều lĩnh vực, mở ra kỷ nguyên vật liêu carbon ứng dụng trong điện, cảm biến bán dẫn
Graphene ống nano Carbon: Tính chất ứng dụng Ngày đăng : 20/01/2016 Giới thiệu graphene ống nano carbon a Graphene: Graphene lớp nguyên tử carbon xắp xếp thành mạng lục giác hai chiều (mạng hình tổ ong) hình Graphene phát Andre Geim and Kostya Novoselov vào năm 2004 [1,2] Graphene vật liệu có nhiều tính chất đặc biệt dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, có độ cứng lớn (gấp hàng trăm lần so với thép) gần suốt [3,4] Bởi vậy, vật liệu nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng tích trữ lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp…[4,5,6,7,8] Hình 1: Cấu trúc tinh thể graphene b Ống nano carbon: - Ống nano carbon (CNTs) vật liệu nano carbon dạng ống với đường kính kích thước nm (1-20 nm) CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm Ống nano carbon phát vào năm 1991 Lijima [9] Với cấu trúc tinh thể đặc biệt tính chất học quý (nhẹ, độ cứng lớn), tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh… Ống nano carbon nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ [10] - Ống nano carbon gồm hai loại chính: + Ống nano carbon đơn tường (SWCNT) có cấu trúc graphene cuộn tròn lại thành hình trụ liền (hình 2) + Ống nano carbon đa tường (MWCNT)có cấu trúc nhiều graphene lồng vào cuộn lại graphene cuộn lại thành nhiều lớp (hình 2) Hình 2: Ống nano Carbon đơn tường ống nano carbon đa tường Tổng hợp tính chất CNTs graphene 2.1 Các phương pháp tổng hợp graphene CNTs a, Tổng hợp graphene Các phương pháp tổng hợp graphene thường chia thành hai loại phương pháp sau(hình 3): + Các phương pháp từ xuống (Top down) - Phương pháp cắt vi (micromechanical cleavage): phương pháp tách graphite thành miếng mỏng cách nạo chà graphite vào mặt phẳng khác, từ gỡ miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử - Phương pháp sử dụng băng keo: Phương pháp sử dụng băng keo để tách lớp graphite thành graphene Tấm graphite gắn lên miếng băng keo đặc biệt, dán hai đầu lại với nhau, mở băng keo Cứ làm nhiều lần miếng graphite trở nên thật mỏng Qua đó, mảnh graphite tách lớp một, ngày mỏng, sau người ta hòa chúng vào acetone Trong hỗn hợp thu có đơn lớp carbon dày nguyên tử Phương pháp Geim đồng nghiệp sử dụng để tạo graphene vào năm 2004 [2] - Phương pháp bóc tách pha lỏng: Các phương pháp dùng để tạo graphene môi trường chân không môi trường khí trơ Ở đây, sử dụng lượng hóa học để tách lớp graphene từ graphite Q trình bóc tách pha lỏng bao gồm ba bước: (1) phân tán graphite dung môi, (2) bóc tách, (3) lọc lấy sản phẩm Nhìn chung,các phương pháp sử dụng lượng học, lượng hóa học để tách graphite có độ tinh khiết cao thành lớp đơn graphene riêng lẻ Chúng có ưu điểm chế tạo đơn giản, rẻ tiền không cần thiết bị đặc biệt.Tuy nhiên, nhược điểm chúng chất lượng màng không đồng đều, độ lặp lại thấp, chế tạo với số lượng lớn khó khống chế [11] + Phương pháp từ lên (bottom up) - Phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD):Lắng đọng pha hóa học trình sử dụng để lắng đọng phát triển màng mỏng, tinh thể từ tiền chất dạng rắn, lỏng, khí nhiều loại vật liệu Có nhiều loại CVD khác lắng đọng pha nhiệt hóa học, lắng đọng pha hóa học tăng cường plasma… Phương pháp lắng đọng pha nhiệt hóa học ( thermal CVD) đế kim loại: Đây phương pháp mới, hiệu sử dụng để tổng hợp graphene Phương pháp Umeno đồng nghiệp sử dụng để tổng hợp graphene vào năm 2006 Trong phương pháp tiền chất sử dụng thân thiện với mơi trường có giá thành thấp.Các đế kim loại sử dụng đay thường Ni, Cu, Co [12] Ngoài graphene tổng hợp số đế bán dẫn để phục vụ cho ứng dụng lĩnh vực điện tử Nhược điểm phương pháp chất lượng sản phẩm thấp (do có nhiều sai hỏng mạng tinh thể) Phương pháp lắng đọng pha hóa học tăng cường plasma: Đây phương pháp hiệu dùng để tổng hợp graphene với diện tích lớn.Ưu điểm trội phương pháp so với phương pháp thermal CVD tổng hợp graphene nhiệt độ thấp Graphene tổng hợp từ methane nhiệt độ 5000C [13] - Phương pháp Epitaxy chùm phân tử: phương pháp sử dụng lượng chùm phân tử tạo carbon lắng đọng chúng đơn tinh thể chân không siêu cao Đây phương pháp đầy hứa hẹn dùng để chế tạo graphene với độ tinh khiết cao nhiều loại đế khác Graphene chế tạo theo phương pháp phù hợp cho thiết bị có yêu cầu cao chất lượng độ tinh khiết [12] Hình Giản đồ số phương pháp sử dụng tổng hợp graphene [12] b Tổng hợp CNTs - Phương pháp hồ quang điện: Phương pháp sử dụng dòng hồ quang điện để tạo carbon từ điện cực làm carbon Sau ống CNTs phát triển từ carbon điện cực lại Sản phẩm tạo thành SWCNT MWCNT tùy thuộc vào việc có hay khơng sử dụng xúc tác (Ni, Fe, Co ) Hiệu suất trình phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực lắng đọng CNTs mơi trường plasma Hình 4: Giản đồ phương pháp hồ quang điện dùng cho tổng hợp CNTs - Phương pháp lắng động pha hóa học (CVD): Là phương pháp sử dụng lượng (nhiệt, laze) để phân ly phân tử khí chứa carbon (thường hydrocarbon C 2H2, CH4) thành nguyên tử carbon hoạt hóa Sau lắng đọng nguyên tử phát triển chúng thành ống CNTs Đây phương pháp tổng hợp CNTs đơn giản, rẻ tiền chế tạo với lượng lớn Tuy nhiên chất lượng ống CNTs thường chưa cao Hình 5: Giản đồ phương pháp CVD chế tạo CNTs - Phương pháp sử dụng nguồn laze: Phương pháp sử dụng nguồn laze lượng cao bắn phá bia graphite tạo carbon nhiệt độ cao lắng đọng carbon đế Q trình lắng đọng mơi trường khí trơ áp suất cao Sản phẩm tạo thành SWCNT MWCNT phụ thuộc vào có sử dụng hay không chất xúc tác kim loại[14] CNTs chế tạo phương pháp có độ tinh khiết cao so với phương pháp hồ quang điện Hình 6: Giản đồ phương pháp xung laze tổng hợp CNTs 2.2 Tính chất graphene CNTss a Tính chất graphene + Tính chất cơ: Graphene có cấu trúc bền vững nhiệt độ bình thường Độ cứng graphene lớn so với vật liệu khác (Cứng kim cương gấp khoảng 200 lần so với thép) Đây nhờ liên kết cacbon- cacbon graphene vắng mặt khiếm khuyết phần căng cao độ màng graphene Bảng 1: Các thông số tính graphene thép + Tính chất điện nhiệt:Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh chất khác nhiệt độ bình thường Graphene truyền tải điện tốt đồng gấp triệu lần Hơn nữa, electron qua graphene khơng gặp điện trở nên sinh nhiệt Bản thân graphene chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt qua phát tán nhanh Độ dẫn nhiệt graphene cỡ 5000 W/m.K [15] Bên cạnh người ta quan sát hiệu ứng Hall lượng tử graphene nhiệt độ phòng [16] + Một số tính chất khác:Graphene vật liệu mỏng gần suốt với ánh sáng b, Tính chất CNTs + Tính chất cơ:CNTs vật liệu có tính chất tốt, bền nhẹ thích hợp cho việc gia cường vật liệu cao su, polymer, kim loại để tăng cường độ bền, độ chống mài mòn…Suất Yuong CNTs gấp 6, độ bền kéo gấp 375 lần so với thép lại nhẹ thép nhiều [14] Bảng 2: Các thơng số tính CNTs thép + Tính chất điện: Tính chất điện CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc Nó có tính dẫn điện kim loại bán dẫn(bảng 3) Bảng 3: Phân loại số đặc trưng dẫn CNTs [14] + Tính chất nhiệt:CNTs vật liệu dẫn nhiệt tốt(3.104 W/m.K) + Tính chất hóa học: CNTs tương đối trơ mặt hóa học, ống CNTs có kích thước nhỏ hoạt động hóa học mạnh Để tăng hoạt tính hóa học ống CNTs, người ta thường tạo sai hỏng ống biến tính bề mặt ống + Tính chất phát xạ trường: CNTs có khả phát xạ điện từ mạnh điện thấp (10V) [14] Ứng dụng graphene CNTs a, Ứng dụng graphene + Dây dẫn điện cực suốt: Graphene vật liệu suốt có tính dẫn điện tốt nên có tiềm dùng làm dây dẫn suốt pin mặt trời thiết bị điện tử gia dụng khác Các dây dẫn điện cực graphene vật liệu thay rẻ mềm dẻo nhiều so với loại vật liệu sử dụng pin mặt trời thiết bị điện tử dẻo khác Hình 7: Sơ đồ chế dẫn điện graphene pin mặt trời [17] + Chip máy tính:Các nhà nghiên cứu tạo bóng bán dẫn nhỏ giới- có bề dày nguyên tử rộng 10 nguyên tử từ Graphene Chiếc bóng bán dẫn này, chất cơng tắc bật tắt Chiếc bóng bán dẫn thiết bị quan trọng bảng vi mạch tảng thiết bị điện tử Những bóng bán dẫn làm việc với điều kiện nhiệt độ phòng giống yêu cầu thiết bị điện tử đại khác Bóng bán dẫn Graphene nhỏ lại hoạt động tốt Bóng bán dẫn chế tạo cách lắp Graphene vào mạch điện siêu nhỏ Chiếc bóng bán dẫn chế tạo nhà khoa học Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov giáo sư Andre Geim) + Màn hình ti vi cảm ứng:Các nhà nghiên cứu người Anh chế tạo hình tinh thể lỏng tí hon cách sử dụng Graphene Một ngày hình ứng dụng vào thứ từ hình cảm ứng điện thoại di động đến ti vi Để tạo hình tinh thể lỏng graphene, nhà nghiên cứu phân hủy mảnh graphite thành graphene, phun xịt thể vẩn thu lên bề mặt thủy tinh Khi bề mặt hòa tan sấy khơ, nhà nghiên cứu lựa mảnh nhỏ sử dụng chúng cực điện cho hình tinh thể lỏng nhỏ.Màn hình tinh thể lỏng nhỏ bé, độ phân giải pixel kích cỡ khoảng micromet Tuy nhiên, nhà nghiên cứu cho biết, số nâng cấp đ phân giải gần giống hình ên thoại di đơng + Ứng dụng cảm biến: Một ứng dụng hứa hẹn graphene cảm biến khí, cảm biến sinh học Nguyên lý hoạt động cảm biến dựa thay đổi độ dẫn graphene hấp thụ nguyên tử, phân tử lên bề mặt Các cảm biến sử dụng graphene có độ nhạy cao giới hạn phát nhỏ Hình 8: Một số lĩnh vực ứng dụng graphene [12] b, Ứng dụng CNTs + Các ứng dụng tích trữ lượng: CNTs có khả tích trữ lượng cao tốc độ truyền tải điện tử nhanh Bởi CNTs thường nghiên cứu ứng dụng cho pin nhiên liệu Pin nhiên liệu loại có hiệu suất cao [18] + Ứng dụng linh kiện điện tử: nhưthiết bị phát xạ điện từ trường đầu dò nano loại cảm biến tính dẫn điện tốt trơ mặt hóa học Ngồi CNT có diện tích bề mặt lớn có khả hấp phụ cao + Vật liệu gia cường: CNTs có độ cứng lớn, chống mài mòn tốt, nhẹ nên thường sử dụng để gia cường vật liệu composite CNTs với polymer, CNTs với cao su, CNTs với kim loại Các vật liệu composite thường có đặc tính lý tốt, độ bền, dẻo cao dẫn điện tốt Thương mại Hiện nay, Ở Việt nam chế tạo CNTs cho thương mại với giá 10.000đ/g với sản phẩm có độ 99% (Viện khoa học vật liệu) Trong đó, CNTs Trung quốc sản suất có giá khoảng 400USD/Kg Kết luận: Graphene CNTs vật liệu có tính chất học quý độ bền, độ chống mài mòn cao, chịu nén tốt, nhẹ, khả dẫn điện, dẫn nhiệt tốt Bởi vậy, chúng nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khoa học cơng nghệnhư tích trữ lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp Có nhiều phương pháp tổng hợp graphene CNT, phương pháp có ưu khuyết điểm riêng, nhiên điều kiện phòng thí nghiệm Việt Nam, phương pháp thermal CVD phù hợp Ngô Xuân Đinh Tài liệu tham khảo [1] G Andre, K S Novoselov, ‘ The rise of graphene’, 2007 Nature Materials pp 183-191 [2] G Andre, K S Novoselov , ‘Electric field effect in atomically thin carbon films’ Science 306, 666 [3] V Chabot, D Higgins, A Yu, X Xiao, Z Chen, J Zhang, ‘A review of graphene and graphene oxide sponge:material synthesis and applications to energy and the environment’ J Energy Environ Sci., 2014, 7, 1564–1596 [4] Y Zhu, S Murali, W Cai, X Li , J W Suk,J R Potts, and R S Ruoff, ’Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications’, J Adv Mater 2010, xx pp 1-19 [5] L A Ponomarenko, F Schedin, M I Katsnelson, R Yang, E W Hill, K S Novoselov, A K Geim,Science 2008,320-356 [6] Y J Wang, D P Wilkinson and J Zhang, Chem Rev., 2011, 111, 7625–7651 [7] S Zhang, X Yang, Y Numata and L Han, Energy Environ Sci., 2013, 6, 1443–1464 [8] M Stoller, et al., Nano Lett., 2008, 8, 3498–3502 [9] Iijima, S., Nature 354, 56–58, 1991 [10]Susan B Sinnott, Rodney Andrews, Carbon Nanotubes: Synthesis, Properties, and Applications, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 26(3):145–249 (2001) [11] Carbon, 48,2127 –2150 (2010) [12] P R Somani, S P Somani, and M Umeno, Planer nano-graphenes from camphor by CVD, Chemical Physics Letters, 430, 56 (2006) [13] T.-o Terasawa and K Saiki, Carbon, 2012, 50, 869–874 [14] Ống nano carbon: chế tạo, tính chất ứng dụng, Quách Duy Trường [15] W Choi, ∗ I Lahiri, R Seelaboyina, and Y S Kang, Synthesis of Graphene and Its Applications: A Review, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 35:52–71, 2010 [16] K.S Novoselov , Z Jiang, Y Zhang, S.V Morozov, H.L Stormer, U Zeitler, J.C Maan , G.S Boebinger, Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene [17] Kevin Babb & Petar Petrov – Physics 141A – Spring 2013 [18] Schlapbach & Züttel, Nature 414 (2001) 353 ...Hình 2: Ống nano Carbon đơn tường ống nano carbon đa tường Tổng hợp tính chất CNTs graphene 2.1 Các phương pháp tổng hợp graphene CNTs a, Tổng hợp graphene Các phương pháp tổng hợp graphene. .. dụng tổng hợp graphene [12] b Tổng hợp CNTs - Phương pháp hồ quang điện: Phương pháp sử dụng dòng hồ quang điện để tạo carbon từ điện cực làm carbon Sau ống CNTs phát triển từ carbon điện cực... một, ngày mỏng, sau người ta hòa chúng vào acetone Trong hỗn hợp thu có đơn lớp carbon dày nguyên tử Phương pháp Geim đồng nghiệp sử dụng để tạo graphene vào năm 2004 [2] - Phương pháp bóc tách