Luận văn nghiên cứu tính chất và khả năng ứng dụng của ống nano carbon trong các thiết bị điện tử

Lời cảm ơn Khoá luận đợc thực hiện ở ĐH Vinh dới sự hớng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Hồng Quảng. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng đối với thầy hớng dẫn của mình ngời đã đặt vấn đề, hớng 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, hớng 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 1 Mục lục Danh mục hình ảnh3 Các kí hiệu viết tắt.4 Mở đầu.5 Chơng1. 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 phơng 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 Chơng 2: ứng dụng của ống nano carbon trong lĩnh vực điện tử .21 1. ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trờng 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 2 Danh mục hình ảnh Hình 1. Các dạng thù hình của carbon 7 Hình 2. Các dạng ống nano carbon đa lớp7 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 carbon12 Hình 7. Cấu trúc và vùng năng lợng 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 carbon14 Hình 10. Đặc trng I-V của ống nano carbon bán dẫn.17 Hình 11. Đặc trng 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 tử26 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 trờng phụ thuộc vào mật độ29 Hình 21. Các điện tử phát xạ ở gần mức năng lợng Fermi.30 Hình 22. ảnh chụp một ống nano carbon gắn trên một sợi vàng.30 Hình 23. Đặc tuyến I-V của chuyển tiếp p-n từ một ống nano carbon bán dẫn .31 Hình 24. Máy biến áp sử dụng ống nano carbon.32 Hình 25. Mạch logic sử dụng ống nano carbon33 3 Các kí hiệu viết tắt Viết tắt Nghĩa tiếng anh nghĩa tiếng việt Cnt Carbon nanotube ống nano carbon 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 tr- ờng Mosfet Metallic-oxide- semiconductor fet Transistor hiệu ứng tr- ờng loại có cổng kim loại-oxit-bán dẫn p-cntfet p-type cntfet Transistor hiệu ứng tr- ờng từ ống nano carbon loại p n-cntfet n-type cntfet Transistor hiệu ứng tr- ờng từ ống nano carbon loại n Stm Scanning tunnelling microscopy Kính hiển vi điện tử kiểu quét ngầm Afm Atomic fora microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử Sem Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử kiểu quét Tem Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử kiểu truyền qua sb Schottky barrier Rào cản Schottky 4 Mở đầu Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại, điện tử học cũng có những bớc phát triển vợt bậc. Yêu cầu của các thiết bị điện tử là tốc độ cao, kích thớc gọn nhẹ và tiêu thụ ít năng lợng. Muốn đạt đợc điều này thì các chi tiết trên thiết bị phải nhỏ nhẹ và ít phát nhiệt. Trớc 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 đợc nữa. Yêu cầu đặt ra là phải tìm đợc loại vật liệu mới đáp ứng đợc yêu cầu về kích thớc 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 tợng 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 đợc 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 đờng cỡ nanomet trong khi chiều dài lớn gấp hàng ngàn lần (cỡ à 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. Ngời 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 đợc 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 5 qua việc làm luận văn này sẽ đợc 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 phơng 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 đợc trình bày trong 2 ch- ơng: Chơng1. 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 đợc trình bày trong chơng này. Phần chi tiết về ứng dụng của ống nano carbon trong các thiết bị điện tử đợc trình bày trong chơng 2, trong đó điển hình là các ứng dụng của ống nano carbon trong transistor hiệu ứng trờng (CNTFET), trong mạch tích hợp, điốt Asaki và nguồn phát xạ điện tử. Phần kết luận tóm tắt các kết quả đạt đợc của khoá luận. Khoá luận kết thúc bằng danh mục các tài liậu tham khảo. Sau đây là nội dung chính của khoá luận. 6 Chơng 1. Các tính chất của ống nano carbon (carbon nanotube) Ngay sau khi đợc phát hiện ống nano carbon đã nhận đợc sự quan tâm lớn của các nhà khoa học. Ngời 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 cha loại vật có loại vật liệu nào hiện nay có đợc. 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 dới nhiều dạng thù hình khác nhau [hình 1]. Hai dạng thù hình phổ biến của carbon là kim cơng và than chì (graphit) đợc phát hiện từ rất lâu. Vào năm 1985, nhóm nghiên cứu của giáo s Groto và cộng sự phát hiện ra dạng thù hình thứ ba của carbon có dạng hình quả bóng, kí hiệu là C 60 và gọi là Buckball fullerene [1,2]. Năm 1991, dạng thù hình thứ t của carbon đợc phát hiện bởi nhà khoa học ngời Nhật Bản Sumio Iijima. Đó là một cấu trúc có dạng ống đợc 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 nh tính chất của loại vật liệu mới này đã nhanh chóng đợc triển khai. 7 Hình 1. Các dạng thù hình của Carbon. Từ trái qua phải lần lợt là kim cơng, 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 đợc công bố. Về mặt hình học, có thể hình dung ống nano carbon nh đợc tạo thành từ các tấm graphit cuộn tròn lại liền mạch và khoảng cách giữa các lớp là xác định nmd tt 34.0 = , loại này đợc 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) 8 Năm 1993, cũng Iijima là ngời 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 đợc hình dung nh đợc tạo bởi một tấm graphit cuộn lại theo một hớng xác định. Tuỳ thuộc vào hớng cũng nh kích thớc của ống đợc tạo thành mà có các dạng ống nano carbon khác nhau. Ngời ta phân biệt ba hớng: Armchair, zizzag, chiral (Hình 3). Các hớng này đợc xác định bởi vectơ định hớng C h hay còn gọi là vectơ xoắn (Hình 4). ( ) 21 , amanmnC h +== Trong đó: 21 , aa là các vectơ đơn vị n,m là các số nguyên. 9 Hình 4. ống nano carbon đơn lớp có thể hình dung đợc tạo bằng cách cuộn một tấm graphit. Tuỳ theo hớng 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] Nếu n = m, và góc chiral 0 30 = ta có ống armchair. Nếu m = 0 hoặc n=0, và góc chiral 0 0 = ta có ống zizzag. Các cách cuộn còn lại ta có ống chiral Với: là góc xoắn chiral đợc xác định bởi vectơ chiral với trục chuẩn 1 a ( ) + = nm m 2 3 arctan Đờng kính của ống đợc xác định: 22 mnmnaC D ++ == Trong đó, 21 aaa == là độ dài vectơ đơn vị 10