Tổng quan kiến thức khoa học và công nghệ nano: Phần 1

Ebook Khoa học và công nghệ nano: Phần 1 gồm 4 chương với các nội dung trong một thế giới cực nhỏ; cấu trúc nano thiên nhiên; mỹ học trong cấu trúc nao; cơ học lượng tủ và vật liệu nano.

tCJ Tỏ SÁCH KIÊN THỨC TRƯƠNG VÂN TẦN 2005 2006 2004 2007 man TÙ SÁCH KIẾN THỨC Saỉgon Times Foundation Trương Văn Tân KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO' NHÀ XUẤT BẢN TRI THỨC "Rong mây gặp hội ưa duyên Đem quách sở tôn làm sở dụng." ("Luận kẻ sĩ", Nguyễn Cơng Trứ) Tặng gia đình tơi Kính tặng người yêu thích khoa học đam mê vĩ đại thếgiới cực to đẽh thê'giới cực nhỏ Lời tựa "Sự tưởng tượng quan trọng tri thức." Albert Einstein N h ữ n g thuật ngữ với tiền tố "nano" cụm từ "khoa học nano, công nghệ nano" xuất từ hai thập niên trước cộng đồng nghiên cứu khoa học trở thành từ ngừ thông dụng ngày Chúng ta sống thời đại mà ba cách mạng công nghệ âm thầm diễn Trước nhất, cách mạng công nghệ tin học vi tính mang lại thay đổi lớn sinh hoạt xã hội Tiếp đến, cách mạng vật liệu nano cách mạng công nghệ sinh học đặt móng cơng nghệ nano tiến tới đợt sóng thần Cơng nghệ nano đề cập thường xuyên báo chí, phương tiện ữuyền thông, mạng điện tử với nhiều hứa hẹn tiềm "đổi đời" Nhưng phần với nhiều viết không chuyên nằm vùng giao thoa khoa học ứng dụng khoa học viễn tưởng Phần ngầm công nghệ nano cơng trình nghiên cứu nghiêm túc nhiều năm qua nhà khoa học lỗi lạc nhóm nghiên cứu tồn giới Khoa học cơng nghệ nano mơn địi hỏi kiến thức đa ngành, liên quan đến vật liệu cấu trúc cực nhỏ kích cỡ nanomét; nanomét phần tỷ mét, hay 1/100.000 đường kính sợi tóc Nó quy tụ nhiều tài khoa học bao gồm vật lý, hóa học, sinh học, sinh y học, vật liệu học, điện học, học, tốn học, vi tính, cho việc nghiên cứu vật vơ nhỏ mang lại lợi ích vơ lớn Cơng nghệ nano có nguồn gốc từ thiên nhiên đồng thời có ảnh hưởng liên hệ với tất chất liệu làm nên vũ trụ, người, sinh thực vật đất nhiên liệu, quặng mỏ, kim loại, kim cương, than, tế bào, xương, máu, protein, DNA mặt khoa học, nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano ngày cho thấy nhiều tượng lạ, công nghệ nano tạo vật liệu lý tưởng mà nhà vật lý lý thuyết mơ ước, ống nano, chấm lượng tử (hạt nano), dây thứ nguyên (dây nano), mặt phẳng hai thứ nguyên (graphene than chì) để thực chứng cơng thức lý luận Có lẽ khơng có mơn khoa học nghiên cứu có ảnh hưởng liên hệ sâu sắc đến nghiên cứu ứng dụng khoa học nano Trong bối cảnh rộng lớn đa dạng này, công nghệ nano mang tới cho người nguồn tri thức phong phú cộng thêm tư cách mạng với nhiều khả đột phá để làm tốt hơn, rẻ sản phẩm khoa học mà từ xưa tạo nhiều lợi nhuận dược 10 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NANO phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, tơ sợi, chip vi tính, nhớ vi tính, hình, chất bán dẫn, lượng, dụng cụ y khoa, dụng cụ điện tử nhiều sản phẩm quan trọng khác Như Einstein nói, "Sự quan tâm người số phận người ỉúc cung phải mục tiêu tất nỗ lực khoa học kỹ thuật Đừng quên yếu tố nằm biểu đồ công thức bạn" Mọi nghiên cứu không dừng điểm thỏa mãn hiếu kỳ hàn lâm Nhà khoa học khơng thể đứng ngồi vịng xã hội, chi biết thu tháp ngà nghiên cứu, hay hãnh diện với số báo cáo khoa học minh Những thành nghiên cứu cần phải áp dụng để làm phong phú kinh té quốc gia tiện ích sống đời thường người Công nghệ nano ngoại lệ Công nghệ nano mang tiềm chế tạo vật liệu, linh kiện, dụng cụ hệ thống cho ứng dụng mới, đồng thời thay vật liệu cũ sản phẩm có để cải thiện phẩm chất trở nên bền vững, ứng đáp nhanh, tốt thu nhỏ Trong đứng trung tâm, công nghệ nano làm giàu tri thức khoa học người mà cịn cho vơ số tiềm để tạo lợi nhuận, làm tiền, nhiều tiền Trước viễn ảnh nhiều hứa hẹn này, phủ nước tiên tiến đầu tư hàng tỷ đô la cộng vớỉ hàng tỷ đô la khác từ doanh nghiệp tư nhân vào việc nghiên cứu triển khai công nghệ nano Nhưng khác vái việc đầu tư LỞỂ tựa XI A vào dự án nghiên cứu khoa học khổng lồ, chẳng hạn chương trình khám phá khơng gian Mỹ với mục đích rõ ràng thời gian hồn tất tiên định, mục đích cơng nghệ nano ngõ ngách bao gồm nhiều lĩnh vực Vì đa dạng mình, hành trình vơ định công nghệ nano đường độc đạo mà tỏa nhiều hướng Có người so sánh "đổ xơ tìm vàng” vài kỷ trước châu Mỹ châu ức Nhà nghiên cứu cơng nghệ nano cúng người tìm vàng mang theo giấc mơ tưởng tượng hướng phía, tiến vào vùng đất hoang vu, chưa khai phá, tìm kiếm kho tàng khoa học Cũng ngành công nghệ khác, công nghệ nano có "quang phổ" bao trùm tất ý kiến Ở đầu "quang phổ" với người lạc quan xem công nghệ nano công nghệ toàn mang lại cho người xã hội lý tưởng "utopia" dồi vật chất, chí làm sụp đổ kinh tế tư truyền thống biết dựa vào bòn rút tài nguyên thiên nhiên Ở đầu "quang phổ" số người bi quan nghi ngờ lo ngại công nghệ nano tạo vi rút, vi trùng nhân tạo, loại robot nano cực nhỏ tự sinh sơi nảy nở có khả tạo đại dịch phá hoại môi sinh đưa người đến đường tự hủy diệt tận thế! Giữa ý tưởng cực đoan hai trường phái muôn ngàn ý tưởng thành tựu khoa học hàng ngàn khoa học gia, nghiên cứu sinh toàn giới hai thập niên vừa qua 12 KHOA HỌC VÀ CỒNG NGHỆ NANO Mục đích Khoa học công nghệ nano giới thiệu số thành tựu rực rỡ ngôn ngữ giản dị "Văn dĩ tải đạo”, viết xin dùng chút thơ văn đem đến tươi mát corn mưa nắng hạ để tải "đạo khoa học" khô khan, viết nên sách khoa học đại chúng Đây khơng phải sách giáo khoa dùng tài liệu tham khảo cho giáo trình bậc đại học Trong trình biên soạn, tơi giải thích thuật ngữ dựa kiến thức trình độ năm thứ thứ hai đại học Để tránh rườm rà nội dung nặng nề, phương trình tốn học cơng thức hóa học dùng thực cần thiết Tuy nhiên, phần Phụ lục với cơng thức tốn cách tính tốn đơn giản trình bày sau số chương để minh họa cách định lượng nội dung viết Phần giản lược độc giả khơng thích tốn Quyển sách chia làm bảy chương Chương tổng quan nói đến nguồn gốc, ý nghĩa tiềm ứng dụng khoa học công nghệ nano Một điều hiển nhiên bình thường hữu ta, xung quanh ta người biết đến sinh thực vật, kể thể người, sản phẩm ưu việt cơng nghệ nano Vơ hình trung, tạo hóa người tận dụng cơng nghệ nano xa xưa từ có sống địa cầu Chương đề cập đến bàn chân thạch sùng, sản phẩm thiên nhiên với cấu trúc nano làm cho bàn chân dính khơng cần chất keo, khiến thạch sùng leo tường hay di chuyển Lời tựa 13 ngược đầu không rớt xuống đất cấ u trúc nano bề mặt sen hoa hồng mơ tả Chương Đặc tính bề mặt "cực ghét nước" (khơng dính nước) hay "hiệu ứng sen" tự làm sạch, lý giải từ đa dạng cấu trúc nano bề mặt hoa lồi thực vật Sự địi hỏi thu nhỏ linh kiện điện tử nhu cầu chế tạo dược phẩm cho hóa trị liệu ung thư hai lĩnh vực tiêu biểu thúc đẩy nhà khoa học nhìn đến tiềm phương pháp luận công nghệ nano Từ bối cảnh sản phẩm nano thiên nhiên đề cập Chương Chương 3, thành tựu việc thu nhỏ vật liệu đến kích cỡ nanomét, tổng hợp ống than nano, việc mô thiên nhiên đến cấp phân tử ứng dụng sản phẩm nano đừợc đề cập chương lại Chương giới thiệu sơ lược ý nghĩa học lượng tử giải thích ảnh hưởng hạt nano (cịn gọi chấm lượng tử) ứng dụng liên quan với sóng điện từ bao trùm tia tử ngoại, ánh sáng thấy tia hồng ngoại Chương nói đến khả ứng dụng vật liệu rtano y học mà mục tiêu chế tạo loại hạt nano "thơng minh" có khả tải thuốc diệt ung thu tự động nhả thuốc nơi chi định tế bào ung thư Chương đặc biệt lưu tâm đến nguy hiểm ẩn tàng vật liệu nano tồn thể người Công nghệ nano từ thiên nhiên; nhà khoa học mô động phân tử tế bào sinh vật để làm 14 KHOA HỌC VÀ CỐNG NGHỆ NANO Hiệu ứng SPR biến vật liệu trở lại trạng thái khối Khi hạt nano vàng tập tích đến độ lớn micromét, màu vàng quyến rũ nguyên thủy kim loại vàng xuất trở lại Ngược lại, hiệu ứng SPR biến hạt nano nhỏ nm Ở thứ nguyên này, ta vào giới lượng tử Giống chấm lượng tử bán dẫn đề cập trên, lượng lượng tử hóa thành mức rịi rạc Sóng điện từ có tác dụng hạt (quang tử) Nhóm giáo sư Robert Dickson (Georgia Institute of Techology, Mỹ) tạo hạt nano (chấm lượng tử) vàng với kích thước thật xác chứa 5, 8, 13, 23 31 nguyên tử [15] Đây hạt phát huỳnh quang, chùm 31 nguyên tử có đường kính lớn khoảng nm Những hạt xử lý bề mặt để hòa tan nước Trong dung dịch nước, theo thứ tự kích thước từ nhỏ đến lớn, kích hoạt hạt có khả phát tia tử ngoại, ánh sáng xanh, xanh cây, đỏ tia hồng ngoại (Hình 4.11) So với chấm lượng tử bán dẫn CdSe chứa vài trăm đến 1.000 nguyên tử, chấm lượng tử vàng nhỏ với vài chục nguyên tử khơng có độc tính Cd Vì vậy, tiềm áp dụng y học lớn 128 KHOA HỌC VÀ CỎNG NGHỆ NANO Hình 4.11: S ự phát huỳnh quang ánh sáng xanh cùa hạt nano vàng chứa nguyên tử vàng [15] 4.8 Giếng lượng tử tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (hồng: đỏ, ngoại: ngoài) vùng sóng phía ngồi ánh sáng đỏ, có bước sóng dài ánh sáng đỏ trải dài từ 700 nm đến 14.000 nm (14 ụ,m) Tia hồng ngoại vùng sóng điện từ vơ quan trọng ứng dụng viễn thơng, khơng gian, quốc phịng dân dụng Những ta gọi "nhiệt" theo ý nghĩa thơng thường phát từ lị sưởi, ly nước nóng/ thể người nằm vùng sóng hồng ngoại Mặc dù tia hồng ngoại có băng tần dải rộng (broadband), phần lớn bị bầu khơng khí hấp thụ chi chừa lại "cửa sổ", tức vùng sóng tia hồng ngoại không bị hấp thụ, đặc biệt vùng sóng - /im -1 jLtm Hai vùng theo định luật xạ Planck tương đương vật phát nhiệt có nhiệt độ 300 - 600°c (3 - fim) 30 - 40°c (8 -1 Một cách ngẫu nhiên, củng vùng nhiệt độ động nổ hay động phản lực nhiệt độ người Vì vậy, Cơ học ỉượng tử vật liệu nano 129 dụng cụ cảm biến với tia hồng ngoại (infrared detector/sensor) người ta thiết kế vật liệu hấp thụ hai vùng sóng Cơng nghệ tia hồng ngoại đạt đến mức độ trưởng thành sản xuất dụng cụ thiết bị quan trọng Bộ cảm biến hồng ngoại phận trung tâm tên lửa tìm nhiệt, dùng để truy lùng nguồn nhiệt từ máy bay tàu chiến đối phương, điều khiển tên lửa phá tung mục tiêu Bộ cảm biến viễn hồng ngoại (bước sóng - ịim) thiết bị quan trọng vệ tinh dùng để quan sát mặt đất cho mục đích quân dân Một dụng cụ quan trọng khác máy ảnh hồng ngoại chọc thủng đêm, xuyên qua bụi rậm chụp ảnh khác biệt nhiệt độ mục tiêu chụp mơi trường xung quanh (Hình 4.12) Thiết bị gắn vào ống nhịm kính cá nhân (goggle) xé toạc bóng tối phát dễ dàng kẻ ngang tắt, thích chui vào bụi làm chuyện mờ ám linh tinh! 130 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NANO Hình 4.12: Hai người lính bụi rậm với đêm dày đặc máy ảnh hồng ngoại (Nguồn: Wikipedia) Mặc dù công nghệ hồng ngoại đă trưởng thành, chế tạo vật liệu cảm ứng hồng ngoại bước sóng định với độ nhạy cao thử thách lớn vật liệu học Những vật liệu cảm thụ tia hồng ngoại thường silicon hợp chất bán dẫn PtSi, InSb, InGaAs, HgCdTe Gần đây, vật liệu hữu ống than nano polymer dẫn điện khảo sát cho thấy cảm ứng đối vói tia hồng ngoại Khi quang tử hồng ngoại kích hoạt điện tử vật liệu, dịng điện xuất hiện, qua cường độ dòng điện khác biệt nhiệt độ mục tiêu ghi nhận thành hình ảnh Nguyên tắc giống máy ảnh kỹ thuật số thơng thường, xuất dòng điện cảm ứng với ánh sáng thấy Cơ học ỉượng tử vật liệu nano 131 Từ thập niên 80 kỷ trước, nhà khoa học ghi nhận khả hấp thụ tia hồng ngoại xảy bậc lượng giếng lượng tử Cơ quan NASA Jet Propulsion Laboratories (California Institute of Technology, Mỹ) từ hai thập niên qua đầu tư vào chương trình nghiên cứu "bộ cảm ứng hồng ngoại giếng lượng tử" (quantum well infrared photodetector, QWIP) chế tạo máy ảnh QWIP cho vệ tinh cho thiết bị theo dõi tên lửa đạn đạo [16] QW1P chương trình nghiên cứu mật quốc gia Mỹ giải mật vào năm 1997 Nhu cầu chế tạo "thiên lý nhãn" dùng txong vệ tinh ngồi khơng gian để quan sát địa cầu cho việc dự báo thời tiết, tìm kiếm quặng mỏ, trinh sát qn địi hỏi vật liệu cảm ứng tia viễn hồng ngoại với bước sóng dài (> 12 Ịim) Ở bước sóng dài lượng nhỏ (E = h v = hc/Ả) giếng lượng tử phương trình sóng Schrỏdinger trở thành tảng việc thiết kế vật liệu để đáp ứng nhu cầu Vật liệu tiêu biểu QWIP hợp chất bán dẫn GaAs AlGaAs GaAs lớp mỏng nanomét kẹp hai lớp AlGaAs AlGaAs có khe dải lượng to GaAs, nên kết hợp lại với giếng lượng tử GaAs với đường kính vài nanomét hình thành (Hình 4.13) Kích thước giếng GaAsđược thiết kế cho điện tử giếng quang tử hồng ngoại kích hoạt lên bậc lượng cao nhảy thoát khỏi miệng 132 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO giếng trở thành dịng điện (Hình 4.13) Chiều cao giếng điều chỉnh nồng độ nhôm hợp chất AlGaAs khoảng cách bậc lượng đường kính giếng (cơng thức 5, Phụ lục) Giống trường hợp phát huỳnh quang chấm lượng tử, ta dùng vật liệu giống cần điều chỉnh đường kính chiều cao nano giếng, QWIP có thê bao trùm toàn vùng hồng ngoại, cảm ứng vùng sóng từ cận hồng ngoại ( - ịim) đến viễn hồng ngọai (8 - 12 ju,m), cực viễn hồng ngoại ( > /xm) Các nhà vật liệu học xa hơn, thiết kế loại giếng lượng tử cảm nhận quang tử vùng sóng có bước sóng dài tiến đến vùng sóng terahertz (bước sóng 30 - 3.000 ịxm, lượng mili eV) có nhiều áp dụng y học việc chống khủng bố, rà sốt vũ khí hay bom mang người Cơ học ỉượng tử vật liệu nano 133 a b a if + Hình 4.13: Cơ chế QWIP Điện tử ( 0) kích hoạt giếng lượng tử nhày ngồi trở thành dỏng điện, (a): AIGaAs; (b):GaAs; (1) (2): Khe dải lượng; ( ): Bậc lượng giếng lượng từ hóa Những tiến cách tạo hình chấm lượng tử bán dẫn cơng nghệ nano đưa đến việc áp dụng chấm lượng tử cảm ứng hồng ngoại (quantum dot infrared detector, QDIP) Những năm gần đây, nhiều kết quà cơng trình QDIP cơng bố tạp chí chun ngành [17] Theo lý thuyết, QDIP có độ nhạy cao QWIP hợp chất bán dẫn cảm ứng vùng viễn hồng ngoại, chúng cần thời gian cho 134 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO nghiên cứu để ữ thành sản phẩm điện tử quang điện tử hữu dụng Chỉ vịng 20 năm QWIP có bứt phá kỹ thuật trở thành môn quan trọng công nghệ bán dẫn Lý thuyết QWIP viết thành sách [18-19], phương thức công nghệ nano tạo vật liệu nano với độ xác cấp nanomét cho ta dụng cụ hồng ngoại, terahertz thỏa mãn độ nhạy chức cao tương lai không xa 4.9 Tiềm ứng dụng Ngồi phát quang, việc chuyển hốn lượng mặt trời thành điện ứng dụng quan trọng khác chấm lượng tử với hiệu suất kinh ngạc 300%, vượt trội tất vật liệu biết từ trước đến (hiệu suất pin mặt trời silicon ữên thương trường có 15%) [20] Vật liệu nano cịn có ứng dụng bật trị liệu, chẩn đoán bệnh, tải thuốc đến tế bào bệnh áp dụng khác nghiên cứu sinh y học Sự phát sáng huỳnh quang không ngừng việc tạo loại bóng đèn nhiều màu sắc Chấm lượng tử (hạt nano) "gắn" vào phân tử sinh học ữong tế bào Dưới kích hoạt tia tử ngoại, chấm lượng tử phát quang giống thông Giáng Sinh tế bào, giúp ta phân biệt phắn tử ta muốn quan sát với phân tử xung quanh Các nhà khoa học tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon hạt nano vàng tạo cảm ứng sinh học phát Cơ học ĩượng tử vật liệu nano 135 huỳnh quang việc trị liệu ung thư "Thiên lý nhãn" QWIP bao trùm vùng hồng ngoại sóng terahertz loại thiết bị cảm ứng đa năng, áp dụng cho thiên văn có khả "nhìn" thấy hành tinh lạnh chơi vơi vũ trụ, hay gần gũi nhìn địa cầu từ vệ tinh, hướng vàò thể người QWIP giúp y sĩ định vị khối u ung thư, gia tăng xác cho trình phâu thuật Tất tiềm ứng dụng nhiều hứa hẹn đề cập Chương 4.10 Thượng đế đổ xí ngầu! Mặc dù Einstein người "đã thấy rõ hết trước ông tảng xác suất định luật vật lý, ông người tiên phong chiến đấu chinh phục hoang dã tượng lượng tử" (Max Born) [21], cuối Einstein khơng tin vào tính xác suất tảng giới vi mô Cho đến ngày ông qua đời, Einstein không tin học lượng tử lý thuyết hồn chỉnh Ơng hồi nghi ngun lý bất định Heisenberg sau phải cơng nhận nó, bất đồng ý kiến với Bohr giới quan lượng tử, diễn tả qua câu nói "Thượng đế khơng đổ xí ngầu” (God does not play dice) Câu nói ám ảnh lớn nhà khoa học nhiều thập niên liền, làm cho nhiều trí tuệ lớn ữong vật lý phải ngập ngừng, bối rối Nhưng định lý Bell (1964) kiểm tra thực nghiệm nối tiếp sau chứng minh Thượng đế thật đổ xí ngầu [21] 136 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO Và Thượng đế chơi trị giỏi ngày ứng dụng điện tử, quang điện tử hữu ích cho người xuất nhờ vào tính chất xác suất giới lượng tử Bước vào kỷ 21, học lượng tử khơng cịn mang màu sắc huyền bí triết học chơi tốn học cao cấp thỏa mãn tính hiếu kỳ hàn lâm, mà khốc lên áo thực dụng với áp dụng quan trọng tin học lượng tử (quantum information) công nghệ nano Như viết trình bày, thu nhỏ vật liệu đến cấp nanomét cho thấy rõ chi phối lượng tử, tạo bậc lượng rời rạc Chỉ cần quy luật học lượng tử đủ ứng dụng lạ qua tác động sóng điện từ vật liệu nano trải rộng từ sóng terahertz, viễn hồng ngoại vùng ánh sáng thấy được, tia tử ngoại, bao trùm vùng to lớn sóng điện từ với bước sóng kéo dài từ vài ngàn micromét đến vài trăm nanomét Điều phản ánh thành công lớn cảm ứng hồng ngoại công nghiệp bán dẫn đại Vật liệu nano trở thành sân chơi để học lượng tử thao túng khẳng định tiềm áp dụng Cơ học lượng tử củng ánh đuốc dẫn đường định hướng việc chế tạo vật liệu nano cho ứng dụng tương lai điện tử, quang điện từ quang tử học Tinh thể nano, hạt nano, ống nano, que nano chất hữu cơ, oxide kim loại hay bán dẫn vơ với nhiều hình Cơ học lượng tử vật liệu nano 13? dạng kích thước khác nhau, xuất phịng thí nghiệm giới Đèn LED, đèn huỳnh quang hạt nano cho tiềm ứng dụng vô phong phú công nghệ "xanh" theo tiêu chuẩn tiêu hao lượng, giảm thiểu ô nhiễm gìn giữ mơi sinh Lượng tử nano bàn tay êm dịu người hiền mẫu Chúng cột sống áp dụng y khoa đại ngày đem đến nhiều thành bất ngờ việc định vị, kết hợp, cảm ứng với phấn tử sinh học, tải thuốc, phát tế bào ung thư cho việc trị liệu phẫu thuật Khi cơng trình nghiên cứu lý học lượng tử kết hợp với cứu cánh thực dụng công nghệ nano, nhiều ý tưởng nảy sinh, nâng cao lý luận vật lý vượt phạm vi có, tạo nhiều hội cho nghiên cứu đa ngành để hình thành loại vật liệu với ứng dụng siều việt cho sống đời thường Có thể khẳng định điều không xảy số Planck; số khiêm tốn có trị số nhỏ ảnh hưởng thật vĩ đại Nó mang tính phổ qt bao trùm vũ trụ, ngự trị giới vật chất cực nhỏ đến giới vô số thiên hà bao la, làm thay đổi hiểu biết vũ trụ, tiếp tục phong phú hóa sống người địa cầu nhỏ bé 138 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NANO Phụ lục: Bài tốn chấm lượng tử giếng lượng tử phương trình sóng Schrỏdinger Chi tiết phương trình sóng Schrồdinger tìm thấy sách giáo khoa hóa lý năm thứ đại học Ở đây, lời giải bậc lượng giếng lượng tử trình bày Phương trình sóng Schrodinger phương trình vi phân, cho trường hợp thứ nguyên X, viết sau: (-hr/8 T^m)(d2ựịdx1) = Eụ/ h số Planck (6,626 (1) X 10'34 J.s), m khối lượng điện tử, E bậc lượng điện tử, \ụ hàm số sóng Lời giải phương trình (1) cho giếng hay chấm lượng tử có đường kinh a là: y /= Asin(nnxỉa) n = ĩ , f 3, (2) A số, n số thứ tự bậc lượng (Hình Pl) Thay cơng thức (2) vào (1), ta có: £ = n2h2/8ma2 n = 1, 2, 3, (3) Khi n = ta có: Ej = = h2/8ma2 (4) Độ sai biệt lượng bậc n = n = là: £ ,-£ ,= 3h2/8ma2 Cơ học ỉượng tử vật liệu nano (5) 139 Kết trê n cho ta thấy số Planck, h, chi phối trị số lượng sai biệt mức lượng (công thức 5) Vì số Planck nhỏ, theo cơng thức vật có kích thước vĩ mô, trung mô (m, cm, mm, trị số gần zero Vì vậy, dải lượng cho ta cảm giác gần liên tục Tuy nhiên, a thứ nguyên nanomét trường hợp giếng lượng tử hay chấm lượng tử độ sai biệt bậc lượng tăng lên đáng kể xem zero Các bậc lượng trở nên rời rạc, ta gọi lượng tử hóa lượng n= X = X = a Hình P1: Các bậc lượng điện tử chấm lượng tử hay giếng lượng từ có đường kính a 140 KHOA HỌC VÀ CÓNG NGHỆ NANO Tài liệu tham khảo ghi Để điện tử di chuyển điện áp volt, ta cần lượng electron-volt (eV) (£ = eV = 1,602 X 10‘19 J) Vận tốc V tính từ E = 1/2 (mv2), V - 5,93 X 105 m/s Khối lượng m electron 9,1 X 10'28 g Từ công thức de Broglie, Ả - h/mv, Ằ —1,2 X 10'9 m Một cú vớt làm trái bóng golf (khối lượng m - 45 g) bay với vận tốc 30 m/s Dùng cơng thức de Broglie, bước sóng trái bóng golf 4,9 X 10'34 m Đây số nhỏ vô nghĩa Matthieu Ricards and Trinh Xuan Thuan, "The quantum and the lotus", Three Rivers Press, New York, 2001 M Arndt, K Hornberger and A Zeilinger, Physics World, March 2005, pp.35 J Park, J Joo, s G Kwon, Y Jang and T Hyeon, Angnezv Chem Int E d 46 (2007) 4630 M B Cortie, Gold Bulletin, 37 (2004) K S Suslick, M Fang, T Hyeon, / Am Cfom Soc., 118 (1996)11960 w Eberhart, Surface Science, 500 (2002) 242 Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến: từ polymer dẫn điện đến ống than nano, nxb Trẻ, TP HCM, 2008 10 B o Dabbousi, J Rodriguez - Viejo, F.v Mikulec, J.R Heine, H Mattoussi, R Ober, K F Jensen and M G Bawendi, / Phys Chem B, 101 (1997) 9463 Cơ học lượng tử vật liệu nano 141 11 Photonics Spectra, June 2008/ pp.98 12 H S Jang, H Vang, s w Kim, J Y Han, s G Lee and D Y Jeon, Adv Mater, 20 (2008) 2696 13 M.-C Daniel and D Astruc, Chem Rev., 104 (2004) 293 14 S J Odenburg, J B Jacson, s L Westcott and N J Halas, Appi Phys Lett., 75 (1999) 2897 15 J Zheng, c Zhang, R M Dickson, Phys Rev Lett., 93 (2004) 077402-1 16 S D Gunapala et al, Infrared Phỵs & Tech., 42 (2001) 267 17 J Jiang et al, Appl Phys Lett., 84 (2004) 2166 18 K K Choi, "The physics of quantum well infrared photodetectors", World Scientific, London, 1997 19 H Schneider and H c Liu, "Quantum well infrared photodetectors", springer, Berlin New York, 2007 20 R J Ellingson, M c Beard, J c Johnson, p Yu, o I Micic, A J Nozik, A Shabaev and A L Efros, Nano Lett., (2005) 865 21 Nguyễn Xuân Xanh, "Einstein", Chương 7, nxb Tổng hợp TP HCM, 2007 142 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NANO ... Tin Học Vi Tính Học Hình 1. 1: Cơng nghệ nano íà mơn liên ngành khoa học 1. 2 "Có nhiều chỗ trống miệt dưới" Tiến sĩ Richard Feynman (19 18 -19 88, giải Nobel Vật lý 19 65) thiên tài vật lý Năm 19 59,... Hình 1. 1, khoa học cơng nghệ nano hoạt động nghiên cứu liên ngành đặt sở môn học cổ điển thành nghiên cứu trực tiếp tác động trở lại đến môn 22 KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NANO Cơng Nghệ Nano Điện Học. .. muôn ngàn ý tưởng thành tựu khoa học hàng ngàn khoa học gia, nghiên cứu sinh toàn giới hai thập niên vừa qua 12 KHOA HỌC VÀ CỒNG NGHỆ NANO Mục đích Khoa học cơng nghệ nano giới thiệu số thành