MÀNG MỎNG (có CHỨA NANO TINH THỂ SILIC) TÍNH CHẤT, CÔNG NGHỆ CHẾ tạo và ỨNG DỤNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN - - TIỂU LUẬN MÔN: VẬT LÝ VẬT LIỆU NANO ĐỀ TÀI: MÀNG MỎNG (CÓ CHỨA NANO TINH THỂ SILIC): TÍNH CHẤT, CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG HỌC VIÊN: Võ Thị Thu Trang LỚP CAO HỌC LÝ K20 GVHD: PGS.TS Phạm Thành Huy Bình Định - Năm 2018 MỤC LỤC: MÀNG MỎNG 1.1 Màng mỏng 1.2 Màng nano TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 3.1 Các phương pháp chế tạo loại màng mỏng 3.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt chân không 3.1.2 Phương pháp phún xạ cathode 10 3.1.3 Phương pháp Epitaxy chùm phân tử 15 3.2 Phương pháp chế tạo màng mỏng Silic có cấu trúc nano 16 ỨNG DỤNG CỦA MÀNG MỎNG 18 4.1 Tổng quát 18 4.2 Ứng dụng màng mỏng chứa nano tinh thể Silic 20 KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 MÀNG MỎNG 1.1 Màng mỏng Màng mỏng hay nhiều lớp vật liệu chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại (chiều rộng chiều dài) Khái niệm "mỏng" màng mỏng đa dạng, từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet Khi chiều dày màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự trung bình điện tử (cỡ 10 đến 100 nm) chiều dài tương tác tính chất màng mỏng hồn tồn thay đổi so với tính chất vật liệu khối Lớp màng mỏng: - Màng đơn lớp (Single-layer film) màng mỏng gồm lớp vật liệu chế tạo lớp đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu (và ảnh hưởng tác động từ lớp đế) - Màng đa lớp (Multi-layer film) màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, tạo nhằm thay đổi tính chất màng mỏng Cấu trúc màng mỏng Cấu trúc màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, mang cấu trúc vật liệu nguồn, thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, điều kiện chế tạo Ví dụ phương pháp phún xạ catốt, ta tạo màng tinh thể vơ định hình với việc thay đổi áp suất khí, thay đổi cơng suất phún xạ, thay đổi nhiệt độ đế Hay loại màng hợp kim Permalloy, ta tạo màng mỏng permalloy có cấu trúc lập phương tâm mặt phương pháp phún xạ catốt, tạo màng đơn tinh thể có cấu trúc lục giác xếp chặt chế tạo phương pháp Epitaxy chùm phân tử Hình 1.1 Cấu trúc màng SiOx 1.2 Màng nano Khi giảm bề dày xuống từ vài nm đến 100nm xuất số tượng: định luật tỷ lệ cơ-quang-điện dường không áp dụng Và ảnh hưởng lượng tử trở nên rõ rệt truyền điện, truyền nhiệt tương tác điện từ.Từ đó, hình thành nên nhóm riêng biệt gọi chung màng siêu mỏng, hay màng nano Màng nano kiểu hình thái vật liệu nano có cấu trúc 2D (tức có chiều kích thước nano) với bề dày khoảng 100nm có tỉ lệ bề mặt màng 1cm Do màng nano điển hình nhỏ 5nm - xấp xỉ 15 lớp nguyên tử, vài trường hợp, 0.3nm - tương đương lớp nguyên tử; nên bề dày màng nano gần với giới hạn chất rắn Vì thế, màng nano xếp vào nhóm vật liệu nano có cấu trúc 2D Với cấu trúc 2D, tức bề dày không đáng kể so với bề rộng, màng nano lơ lửng khơng khí chân khơng Một số tên thường gọi màng nano: nanomembranes, nanofilms, utra-thin films, atomic membranes, monolayer membranes, nanocoatings, free-standing films, free-floating films, … Hình 1.2 Ảnh chụp cắt ngang màng mỏng đa lớp Si/SiO2/Cu/IrMn/CoFeB/Ta/Cu/Au thực kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20, lớp có chiều dày từ vài nanomet đến vài chục nanomet TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG Nếu màng thông thường, số ngun tử nằm bề mặt, cịn lại nằm sâu bên trong, bị lớp che chắn vật liệu màng nano, hầu hết nguyên tử bị phơi bề mặt bị che chắn khơng đáng kể Do vậy, màng có bề dày kích thước nano, nguyên tử tự thể tồn tính chất tương tác với môi trường xung quanh theo hướng bề mặt màng nano, làm xuất nhiều đặc tính trội theo chiều như: quang, điện, từ, cơ… Và tính chất bị ảnh hưởng ba hiệu ứng sau: - Hiệu ứng lượng tử: vật liệu vĩ mơ gồm nhiều ngun tử (1m có khoảng 1012 nguyên tử), hiệu ứng lượng tử trung hịa cho ngun tử Vì bỏ qua khác biệt ngẫu nhiên nguyên tử mà xét giá trị trung bình chúng Nhưng, cấu trúc màng nano, kích thước bề dày rất nhỏ, hệ có ngun tử nên tính chất lượng tử màng nano thể rõ bỏ qua Hiện tượng lượng tử gây màng nano cịn có tên “quantum well” hay gọi hố lượng tử - tập hợp hạt lượng tử (quantum dot) Hiện tượng gây thay đổi tính chất quang (xuất hiệu ứng plasmon plasmon bề mặt, độ hấp thu ánh sáng, truyền qua hay phản ánh sáng…), tính chất điện (bán dẫn, dẫn điện…) màng nano Ví dụ, màng bong bóng xà phịng thể ánh sáng sặc sỡ ánh sáng nhờ bề dày nhỏ, khối nước xà phịng khơng thể có… - Hiệu ứng bề mặt: vật liệu nano, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Mà ngun tử bề mặt thường có tính chất khác biệt so với nguyên tử bên Nên hiệu ứng liên quan đến bề mặt như: khả hấp phụ, độ hoạt động bề mặt… vật liệu màng nano lớn so với màng thông thường Điều mở ứng dụng kỳ diệu lĩnh vực xúc tác nhiều lĩnh vực khác mà nhà khoa học quan tâm nghiên cứu - Hiệu ứng kích thước: vật liệu màng truyền thống thường đặc trưng số đại lượng vật lý, hóa học khơng đổi như: độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy, độ bền… Tuy nhiên, đại lượng thường có giới hạn kích thước Khi bề dày màng đủ nhỏ kích thước này, tức so sánh với kích thước tới hạn tính chất vật liệu, tính chất màng bị thay đổi hoàn toàn so với tính chất vật liệu khối Hiện tượng gọi hiệu ứng kích thước Lúc tính chất vật liệu tuân theo quy tắc lượng tử Bảng II.1: Độ dài tới hạn số tính chất vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Bước sóng điện tử Tính chất điện Qng đường tự trung bình khơng đàn hồi 10-100 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách domain 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100 Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 Độ nhăn bề mặt 1-10 Hình học topo bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Nhận biết phân tử 1-10 Tính chất từ Tính chất quang Tính siêu dẫn Tính chất Xúc tác Siêu phân tử Miễn dịch Các tính chất màng nano có loại tính chất sau: Loại tính chất màng nano Ví dụ ứng dụng điển hình Lớp phản xạ hay chống phản xạ Quang học Màng lọc giao thoa Trang trí (màu sắc, sáng bóng) Đĩa nhớ (CDs) Ống dẫn sóng Cách điện Điện Dẫn điện Linh kiện bán dẫn Linh kiện áp điện Từ Đĩa nhớ Lớp ngăn khuếch tán Hóa Lớp chống Oxy hố ăn mịn Cảm biến khí/ lỏng Cơ Nhiệt Lớp chống mài mịn Cứng, bám dính Lớp ngăn Lớp toả nhiệt Với tính chất này, màng nano xem vật liệu thiếu đời sống công nghệ Màng mỏng chứa nano tinh thể silic chứa đầy đủ tính chất màng nano Hình 2.1 Phổ huỳnh quang màng SiOx Hình 2.2 Phổ phát xạ siêu mạng Si/SiO2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 3.1 Các phương pháp chế tạo loại màng mỏng - Thông thường, màng mỏng để sử dụng chế tạo lớp đế, khối vật liệu đơn tinh thể (ví dụ Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh ) Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu phát triển từ cuối kỷ 19, thời điểm tại, có nhiều phương pháp dùng tùy theo mục đích điều kiện kinh tế, kỹ thuật: - Kỹ thuật mạ điện - Kỹ thuật phun tĩnh điện - Bay bốc nhiệt chân không - Phún xạ catốt - Epitaxy chùm phân tử - Lắng đọng hóa học (CVD) - Lắng đọng chùm laser - Phương pháp sol-gel 3.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt chân không Phương pháp bay bốc nhiệt (Thermal evaporation), gọi phương pháp bay bốc nhiệt chân không, kỹ thuật tạo màng nano cách bay vật liệu cần tạo môi trường chân không cao ngưng tụ đế (được đốt nóng khơng đốt nóng) - Ngun lý phương pháp: Bộ phận thiết bị bay bốc nhiệt buồng chân không hút chân không cao (cỡ 10-5 - 10-6 Torr) nhờ bơm chân không (bơm khuếch tán bơm phân tử ) Người ta dùng thuyền điện trở (thường làm vật liệu chịu nhiệt tương tác với vật liệu, ví dụ vonphram, tantan, platinum ) đốt nóng chảy vật liệu nguồn, sau tiếp tục đốt cho vật liệu bay Vật liệu bay ngưng đọng lên đế gắn vào giá phía Đơi đế cịn đốt nóng (tùy theo mục đích tạo màng tinh thể hay vơ định hình ) để điều khiển trình lắng đọng vật liệu màng Chiều dày màng thường xác định trực tiếp trình chế tạo biến tử thạch anh Khi màng bay bám lên biến tử đặt cạnh đế, biến thiên tần số dao động biến tử tỉ lệ với chiều dày màng bám vào biến tử 10 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý phương pháp bay bốc nhiệt - Ưu nhược điểm phương pháp: Phương pháp bay bốc nhiệt có ưu điểm đơn giản, dễ tạo màng hợp chất làm bay vật liệu tồn thể hợp chất hợp kim bị bay màng tạo có hợp thức gần với thành phần vật liệu nguồn (đặc biệt hợp kim) Nhược điểm quan trọng tạo màng mỏng, khả khống chế chiều dày phương pháp tốc độ bay bốc khó điều khiển Đồng thời, việc chế tạo màng đa lớp khó khăn với phương pháp Gần người ta cải tiến phương pháp sử dụng chùm điện tử để bốc bay, cải tiến tường bao quanh nguồn đốt (phương pháp tường nóng) Tuy nhiên tỉ lệ sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt kỹ thuật màng mỏng ngày 3.1.2 Phương pháp phún xạ cathode Phún xạ (Sputtering) hay Phún xạ cathode (Cathode Sputtering) kỹ thuật chế tạo màng mỏng dựa nguyên lý truyền động cách dùng ion khí Ar, Xe, He…được tăng tốc điện trường, nhằm bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động cho nguyên tử bay phía đế lắng đọng đế Phương pháp phún xạ cathode xem phương pháp thường dùng để chế tạo màng nano - Nguyên lý trình phún xạ Phương pháp dựa trình truyền động Vật liệu nguồn tạo thành dạng bia (target) đặt điện cực (thường cathode), buồng hút chân khơng cao nạp khí với áp suất thấp (cỡ 10−2 mbar) Dưới 11 tác dụng điện trường, ngun tử khí bị ion hóa, tăng tốc chuyển động phía bia với tốc độ lớn bắn phá bề mặt bia, truyền động cho nguyên tử vật liệu bề mặt bia Các nguyên tử truyền động bay phía đế lắng đọng đế Các nguyên tử gọi nguyên tử bị phún xạ Như vậy, chế trình phún xạ va chạm trao đổi xung lượng Thông thường, nguyên tử bị phún xạ đến đế mẫu có lượng cịn khoảng 1-2eV, lượng đủ lớn để nguyên tử lăng đọng tự động xếp bám vào đế mẫu so với phương pháp bay bốc nhiệt Bề dày lớp màng phụ thuộc vào thời gian phún xạ Hình 3.2: Nguyên lý trình phún xạ - Các kỹ thuật phún xạ: a Kỹ thuật phún xạ phóng điện phát sáng: Kỹ thuật có loại: - Phún xạ phóng điện phát sáng chiều (DC discharge sputtering) Là kỹ thuật phún xạ sử dụng hiệu điện chiều để gia tốc cho ion khí Bia vật liệu đặt điện cực âm (cathode) chuông chân không hút chân không cao, sau nạp đầy khí (thường Argon) với áp suất thấp (cỡ 10−2 mbar) Người ta sử dụng hiệu điện chiều cao đặt bia (điện cực âm) đế mẫu (điện cực dương) Q trình q trình phóng điện có kèm theo phát sáng plasmon (sự phát quang ion hóa) Vì dịng điện dịng điện chiều nên điện cực phải dẫn điện để trì dịng điện, kỹ thuật thường dùng cho bia dẫn điện (bia kim loại, hợp kim ) 12 Hình 3.3: Sơ đồ kỹ thuật phún xạ cathode chiều - Phún xạ phóng điện phát sáng xoay chiều (RF discharge sputtering) Là kỹ thuật sử dụng hiệu điện xoay chiều để gia tốc cho ion khí Nó có cấu tạo chung hệ phún xạ, nhiên máy phát máy phát cao tần sử dụng dịng điện tần số sóng vơ tuyến (thường 13,56 MHz) Vì dịng điện xoay chiều, nên sử dụng cho bia vật liệu không dẫn điện Máy phát cao tần tạo hiệu điện xoay chiều dạng xung vuông Vì hệ sử dụng dịng điện xoay chiều nên phải qua phối hợp trở kháng hệ tụ điện có tác dụng tăng cơng suất phóng điện bảo vệ máy phát Q trình phún xạ có khác so với phún xạ chiều chỗ bia vừa bị bắn phá ion có lượng cao nửa chu kỳ âm hiệu điện bị bắn phá electron nửa chu kỳ dương 13 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật phún xạ cathode xoay chiều - Phún xạ magnetron Là kỹ thuật phún xạ (sử dụng với xoay chiều chiều) cải tiến từ hệ phún xạ thông dụng cách đặt bên bia nam châm Từ trường nam châm có tác dụng bẫy điện tử vào vùng gần bia Nhờ làm tăng hiệu ứng ion hóa, làm tăng tần số va chạm điện tử với nguyên tử khí gần bề mặt bia Do đó, làm tăng tốc độ lắng đọng đồng thời giảm bắn phá điện tử ion bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế tạo phóng điện áp suất thấp Áp suất phóng điện thấp giảm nồng độ tạp chất màng tăng động nguyên tử đến lắng đọng màng (do quảng đường tự trung bình (mean free path) ngun tử khí tăng, số va chạm với nguyên tử lắng động giảm, áp suất thấp) 14 Hình 3.5: Sơ đồ kỹ thuật phún xạ cathode magnetron b Kỹ thuật phún xạ chùm electron hay chùm ion: Có nguyên tắc giống với phún xạ phát sáng, người ta sử dụng súng phóng ion hay chùm electron riêng biệt bắn trực tiếp vào bia Do đó, kỹ thuật điều khiển thơng số q trình, tạo màng hiệu - Ưu nhược điểm phương pháp phún xạ cathode Có thể ứng dụng cho nhiều loại vật liệu bia khác nhau: vật liệu dẫn điện hay khơng dẫn điện, vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hay có áp suất bão hòa thấp Dễ dàng chế tạo màng đa lớp nhờ tạo nhiều bia riêng biệt Đồng thời, phương pháp rẻ tiền, dễ thực nên dễ dàng triển khai quy mô công nghiệp Độ bám dính màng đế cao nguyên tử đến lắng đọng màng có động cao (cỡ vài eV) so với phương pháp bay bốc nhiệt Màng tạo có độ nhám bề mặt thấp có cấu tạo gần với bia, có độ dày xác nhiều so với phương pháp bay bốc nhiệt chân khơng Do chất có hiệu suất phún xạ khác nên việc khống chế thành phần với bia tổ hợp trở nên phức tạp Khả tạo màng mỏng với độ xác cao phương pháp phún xạ khơng cao Hơn nữa, tạo màng đơn tinh thể Hiệu suất lượng trình phún xạ thấp: phần lớn lượng bắn phá ion biến thành nhiệt nung nóng bia (vì bia cần phải làm mát tốt) 15 3.1.3 Phương pháp Epitaxy chùm phân tử Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (Molecular beam epitaxy, viết tắt MBE) kỹ thuật chế tạo màng nano cách sử dụng chùm phân tử lắng đọng đế đơn tinh thể chân không siêu cao, để thu màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc lớp đế Kỹ thuật phát minh vào năm 60 kỷ 20 Phịng thí nghiệm Bell (Bell Telephone Laboratories) J.R Arthur Alfred Y Cho Kỹ thuật MBE thực môi trường chân không siêu cao (áp suất thấp 10−9 Torr), cho phép tạo màng mỏng vật liệu có độ tinh khiết cao Điểm khác biệt MBE so với kỹ thuật màng mỏng khác (ví dụ phún xạ, bốc bay nhiệt ) màng mỏng đơn tinh thể mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc độ cực thấp có độ hồn hảo cao Vì thế, kỹ thuật MBE cho phép tạo siêu mỏng, chí vài lớp nguyên tử với chất lượng cao Tuy nhiên, chất lượng màng tốc độ tạo màng phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo môi trường chân không Lớp đế bên đơn tinh thể, có tác dụng mầm để lớp màng phát triển lên trình ngưng đọng MBE chế tạo màng hợp chất đơn chất từ nguồn vật liệu riêng biệt Các vật liệu nguồn đốt đến mức độ bay với tốc độ chậm dẫn tới đế Ở đó, màng hợp chất, chất phản ứng với bề mặt đế để phát triển thành đơn tinh thể Các chùm nguyên tử, phân tử vật liệu nguồn không phản ứng với chúng kết hợp với đế quãng đường tự trung bình chúng dài Đây lý tên gọi chùm phân tử Trong trình hình thành màng, người ta thường dùng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử phản xạ lượng cao (Reflection high-energy electron diffraction-RHEED) để kiểm sốt q trình mọc màng thơng qua phổ nhiễu xạ điện tử ghi trực tiếp Quá trình cho phép kiểm soát phát triển màng với độ xác lớp nguyên tử Đồng thời, trình chế tạo, đế cần giữ lạnh Để đạt môi trường chân không siêu cao, ban đầu buồng chế tạo hút chân không sơ cấp (cỡ 10−3 Torr), sau sử dụng bơm turbo để tạo chân không cao tới 10−7 Torr tạo chân không siêu cao bơm iôn cryo-pump (bơm chân khơng siêu cao, sử dụng khí hóa lỏng nhiệt độ thấp, ví dụ nitơ lỏng 77 K , để bẫy khí nhằm tạo chân khơng siêu cao) Vì thế, hệ MBE vận hành phức tạp tốn 16 Kỹ thuật MBE sử dụng nhiều vật lý chất rắn, khoa học công nghệ vật liệu, đặc biệt công nghệ bán dẫn để chế tạo màng đơn tinh thể với chất lượng cao, với độ dày thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet 3.2 Phương pháp chế tạo màng mỏng Silic có cấu trúc nano - Phương pháp phún xạ Ca tốt: Phương pháp phún xạ catốt thực môi trường khí Argon , Argon pha Hyđro để chế tạo màng silic phát quang Hệ phún xạ catốt mơi trường khí mơ tả hình 3.6 Phương pháp cho ta màng mỏng silic có cấu trúc đám (clusters), kích thước thay đổi từ 30-100nm (Hình 3.7) Hình 3.6 Hệ phún xạ catốt mơi trường khí Ar hỗn hợp khí Ar Màng Silic chế tạo sau: Một đế đơn tinh thể Si hình đĩa có đường kính 33 mm, chiều dày mm, điện tở suất ρ = 10 Ω cm dùng làm bia Nguồn chiều 10 KV/50mA dùng để ion khí Ar q trình bốc bay Anốt catốt hai đĩa tròn đặt song song với Khoảng cách anốt catốt cm, đế catốt 1,7 cm Tấm Silic dùng làm bia bốc bay nhôm gắn vào catốt bột bạc Đế dùng để lắng đọng màng thủy tinh, phiến đơn tinh thể Si ơxy hóa bề mặt tạo lớp SiO2 cách điện Quá trình phún xạ che chắn hình trụ thạch anh có đường kính cm, cao cm thực chuông đặt buồng chân không Chiều dày màng tùy theo công nghệ bốc bay thời gian bốc bay đạt khoảng vài trăm nm Nhiệt độ đế đạt từ 300-500 oC Thời gian bốc bay từ 30 đến 60 phút, cỡ KV, dòng điện nằm khoảng 10 - 30 mA khí Ar đối lưu 17 Hình 3.7 Ảnh chụp thiết bị chế tạo màng nano Si phương pháp phún xạ catốt Hình 3.8 Ảnh chụp buồng phản ứng thiết bị Hình 3.9 Màng mỏng Si có cấu trúc nano chế tạo phương pháp phún xạ catốt 18 Màng Silic chế tạo vơ định hình, nanơ tinh thể lẫn hai pha, chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ đế Màng phát ánh sáng đỏ ghoặc vàng nhiệt độ phòng ỨNG DỤNG CỦA MÀNG MỎNG 4.1 Tổng quát Từ màng nano đời, ứng dụng rộng rãi công nghệ đời sống Trong số tính chất màng nano, tỉ lệ bề dày với tổng thể tích bề mặt điều đáng quan tâm Ở hình 4.1, cho thấy thể tích nhau, hấp phụ màng nano tỏ vượt trội so với màng thông thường Do thể tích, kích thước nhỏ bề dày diện tích bề mặt màng nano tăng lên đáng kể, làm gia tăng tỉ lệ diện tích bề mặt so với thể tích, từ tăng khả hấp phụ Điều quan trọng cho ứng dụng vào trình xúc tác, giúp gia tăng hiệu suất chuyển hóa, đồng thời tiết kiệm lượng đáng kể kim loại quý-đắt tiền platinum, palladium… hệ thống xúc tác microreactor, microconvertor… Những thiết bị sử dụng đặc tính xúc tác màng nano cịn hệ thống pin micro, hệ thống làm sạch-chuyển hóa nhiên liệu… đặc biệt, màng nano cịn xem vật liệu thay màng Nafion truyền thống pin nhiên liệu trao đổi proton PEM nhằm nâng cao hiệu pin Màng Nafion loại màng Sulfonate tetrafluoroehtylene fluoropolymer-copolymer đời từ năm 1960, cơng ty hóa chất DuPont (Mỹ) Hình 4.1: So sánh khả hấp phụ màng thông thường (a) màng nano (b) thể tích 19 Ứng dụng rộng lớn khác màng nano cho q trình phân riêng, đóng vai trị rây phân tử hay lọc tiểu phân – từ phân tách chất lỏng, khí làm nước khỏi chất ô nhiễm hay vi khuẩn, virus, hay khử muối từ nước biển Bởi vì, màng nano tỉ lệ kích thước lỗ xốp (thường kích thước meso hay micro) với bề dày nhỏ nhiều so với màng thông thường, dày khoảng 1000-10000 lần so với tiểu phân cần phân tách Do tỉ lệ nhỏ này, tiểu phân qua màng nano phải qua lỗ xốp có độ dài kênh ngắn nhiều kết tốc độ truyền vận qua màng lớn Và với tỉ lệ nhỏ thế, việc lọc màng nano dễ dàng kiễm soát tránh lãng phí q trình lọc Với màng nano, cịn dễ dàng kiểm sốt phân bố điện tích lỗ, tăng khả chọn lọc tiểu phân qua màng, đặc biệt tiểu phân có độ phân cực Hình 4.2: Các loại màng nano cho trình lọc: (a) màng có lỗ xốp, (b) màng đặc, (c) màng trao đổi ion, (d) màng với kênh chứa ion Ngoài ra, với tính chất quang học lượng tử có bề dày kích thước nano, màng nano cịn ứng dụng hệ thống quang điện như: hấp thu ánh sáng pin mặt trời, sensor hay thiết bị bán dẫn…Hoặc lĩnh vực trang trí, xây dựng… Sau tóm tắt lĩnh vực ứng dụng màng nano nay: - Sản xuất chuyển hóa lượng: loại pin nhiên liệu, pin mặt trời, hệ thống pin micro nguồn lượng micro, phân tách hydro, khử lưu huỳnh, tổng hợp hydrocarbon hóa dầu, sản xuất nhiên liệu sinh học, tách làm nhiên liệu… - Y học: dẫn truyền thuốc, lọc máu, sensor cho y học, thiết bị nuôi cấy mô, dụng cụ chẩn đoán, nghiên cứu hệ thống miễn dịch chăn soc sức khỏe… 20 - Công nghệ sinh học: phân tách-phân tích nghiên cứu hệ gen, DNA, tế bào, protein, nghiên cứu phân tích virus phương pháp ức chế, chế tạo cấu trúc nano sinh học, hay chất nhạy sinh-hóa… - Kỹ thuật hóa học: q trình cho thực phẩm, hay trình lọc như: lọc nano, lọc thẩm thấu ngược, siêu lọc, lọc micro, nhằm sản suất hóa chất có độ tinh khiết cao, khử muối từ nước biển, phân tách khí đa cấu tử, loại nước… - Bảo vệ môi trường: thu hồi hợp chất hữu dễ bay từ khơng khí hay chất có giá trị, xử lý nước thải, kiểm sốt nhiễm khơng khí, tái sinh làm tinh khiết nước uống, chế tạo sensor sinh-hóa… - Bán dẫn, điện từ quang học: chế tạo detector nhiệt, plasmon, nhận biết tiểu phân hay gốc tự do, cấu trúc nanophoton, vật liệu quang học-điện từ, hình điện tử, siêu tụ điện hay ứng dụng cho thiết bị UV hay X-ray… - Đời sống: màng thay đổi màu sắc, phản quang, chống chói-chống nắng cho lĩnh vực trang trí, hay gương chiều thường dùng nghiên cứu, điều tra… 4.2 Ứng dụng màng mỏng chứa nano tinh thể Silic Màng mỏng chứa nano tinh thể silic ứng dụng công nghệ pin mặt trời silicon mỏng : Trong cấu trúc pin mặt trời với lớp tiếp xúc dị thể, lớp màng mỏng silic vơ định hình pha tạp loại n phủ lên đế wafer silic tinh thể loại p phương pháp lắng đọng hóa học tăng cường plasma (PECVD) để tạo mối nối p-n Một lớp màng mỏng silic vơ định hình khơng pha tạp (a-Si:H) đóng vai trị lớp hấp thụ nằm Lớp màng dẫn điện suốt Indium Tin Oxide (ITO) đóng vai trị lớp dẫn điện chống phản xạ phủ phương pháp phún xạ magnetron Hai hiệu ứng trọng để tăng hiệu suất pin thụ động hóa tốt bề mặt tiếp xúc a-Si/c-Si Đồng thời giảm khả hấp thụ ánh sáng điện trở bề mặt lớp màng ITO Màng nano tinh thể silic làm tăng khả hấp thụ ánh sáng, giúp giảm tượng phản ánh sáng, thất ngồi mơi trường khiến giảm khả hấp thụ ánh sáng gây linh kiện có pin, đồng thời giúp làm giảm kích thước pin, …cũng giảm giá thành, đồng thời tăng cảm quan màu sắc, phạm vi sử dụng 21 KẾT LUẬN Có thể nói, màng nano đời bước ngoặc công nghệ màng Với tính chất bật quang-cơ-điện hiệu ứng đặc biệt vật liệu nano gây nên… mà ngày ứng dụng rộng rãi, giải vấn đề mà công nghệ màng micro chưa làm Hiện nay, công nghệ màng nano lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ khoa học vật liệu, vật lý chất rắn, điện tử, bán dẫn ứng dụng cho đời sống 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://vi.wikipedia.org/wiki/màng mỏng Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trung tâm GS.TS Phan Hồng Khôi "Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu nanô màng, ống, hạt" năm 2002-2003 Tổng hợp từ nguồn internet tài liệu liên quan 23 ... Ứng dụng màng mỏng chứa nano tinh thể Silic Màng mỏng chứa nano tinh thể silic ứng dụng công nghệ pin mặt trời silicon mỏng : Trong cấu trúc pin mặt trời với lớp tiếp xúc dị thể, lớp màng mỏng silic... 15 3.2 Phương pháp chế tạo màng mỏng Silic có cấu trúc nano 16 ỨNG DỤNG CỦA MÀNG MỎNG 18 4.1 Tổng quát 18 4.2 Ứng dụng màng mỏng chứa nano tinh thể Silic 20 KẾT... LỤC: MÀNG MỎNG 1.1 Màng mỏng 1.2 Màng nano TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 3.1 Các phương pháp chế tạo loại màng mỏng