Vật lý và công nghệ nano

Công nghệ nano (nanotechnology) là lĩnh vực khoa học liên quan tới điều khiển, thao tác ở mức độ phân tử, nguyên tử nhằm tạo ra các cấu trúc, linh kiện, hệ thống có kích thước nanomét. Mô hình hóa hoặc tính toán lý thuyết là cơ sở quan trọng để nghiên cứu các tính chất và biểu hiện của các vật liệu và thiết bị nano. Phải chăng giới hạn của vật liệu có thể là kích thước nguyên tử (0,1 nm)? Các tính chất có thể ứng dụng ở kích thước 0,1 nm sẽ như thế nào?

GIỚI THỆU MƠN HỌC • Thế kích thước nano? Phân tử Phân tử bóng H2O Gluco Vật liệu nano? So sánh với kích thước sợi tóc Antibody thư Virus Vi khuẩn tenis Tế bào ung mm Quả Kích thước nano? Fe (bcc): d = 0.25 nm Sợi tóc bình thường có kích thước ~ 100 m Vật liệu nano: có chiều kích thước nhỏ từ ~1-100 nm nm Kích thước nano? Khái niệm cơng nghệ nano • Cơng nghệ nano (nanotechnology) lĩnh vực khoa học liên quan tới điều khiển, thao tác mức độ phân tử, nguyên tử nhằm tạo cấu trúc, linh kiện, hệ thống có kích thước nano-mét Richard Feynman (1918-1988): “Cha đẻ” công nghệ nano • 1959 - Richard Feynman – đoạt giải Nobel Vật lý Câu nói tiếng năm “There’s plenty of room at the bottom” – lời giới thiệu lĩnh vực công nghệ  “I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done in principle This field is not quite the same as the others in that it will not tell us much of fundamental physics (in the sense of, ``What are the strange particles?'') but it is more like solid-state physics in the sense that it might tell us much of great interest about the strange phenomena that occur in complex situations Furthermore, a point that is most important is that it would have an enormous number of technical applications  What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale – Chế tạo động điện với kích thước 1/64 inch3 – Giảm số trang sách 25.000 lần; sách phải đọc hiển vi điện tử Kỹ thuật khắc chùm điện tử 1985 – sinh viên tốt nghiệp (Tom Newman) chép trang truyện “A Tale of Two Cities” (Charles Dickens) lên miếng nhựa poly(methyl methacrylate) kích thước 200×200 m sử dụng kỹ thuật lithography chùm điện tử “It was the best of times, it was the worst of times” Tom Newman used an electron beam to etch the opening of Dickens' Tale of Two Cities onto a 200 x 200 micron square of plastic and won the Feynman challenge (Photo: Tom Newman) Công nghệ nano đời sống ngày Một số lĩnh vực CN nano • Nghĩa nano? • Làm chế tạo vật liệu/linh kiện nano? • Làm phân tích tính chất vật liệu/linh kiện nano? • Tính chất vật lý vật liệu/linh kiện nano The Woodrow Wilson International Center f9 or Scholars Nội dung C1 Giới thiệu C2 Ý tưởng tạo vật thể ngày nhỏ C3 Giới hạn cho công nghệ nano C4 Bản chất lượng tử giới nano C5 Ảnh hưởng tính chất lượng tử lên giới vĩ mơ C6 Các cấu trúc nano tự lắp ghép tự nhiên công nghiệp C7 Công nghệ chế tạo vật liệu linh kiện nano C8 Công nghệ nano dựa hiệu ứng từ, spin điện tử, spin hạt nhân siêu dẫn C9 Công nghệ nano điện tử CHƯƠNG KHÁI NIỆM VẬT LÝ NANO Vật lý nano Định luật Moore Đi-ốt xuyên hầm lượng tử (tunnel diode) Chấm lượng tử (QD, quantum dot) Đầu đọc ổ cứng dựa hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR Tăng tốc động Màng lọc kích thước nano (nanopore filters) Một số ứng dụng khác vật liệu nano 1.1 Vật lý nano - Nanophysics • Hiểu biết tính chất vật lý vật liệu/vật chất chuyển từ giới hạn cổ điển sang giới hạn lượng tử • Tìm hiểu khai thác đưa tính chất bất thường vật chất dạng nano vào ứng dụng (công nghệ nano) Vật lý nano – Nanophysics: • Mơ hình hóa tính tốn lý thuyết sở quan trọng để nghiên cứu tính chất biểu vật liệu thiết bị nano • Phải giới hạn vật liệu kích thước ngun tử (0,1 nm)? • Các tính chất ứng dụng kích thước 0,1 nm nào? 1.2 Định luật Moore Công nghệ điện tử/vi điện tử: Hiệu kinh tế thu hẹp kích thước Kích thước nhỏ thiết bị hiệu quả, tin cậy, tiết kiệm, … Tuy nhiên vấn đề xảy kích thước đạt đến giới hạn nguyên tử Công nghệ dựa Silic tiếp cận với khó khăn kích thước kinh kiện giảm thiểu: chiều dày lớp SiO2 nhỏ nm => hiệu ứng lượng tử, xuyên ngầm… Vật liệu thay công nghệ phát triển? 1.3 Đi-ốt xuyên hầm lượng tử (tunnel) Di-ôt xuyên ngầm khác với đi-ơt thường chỗ thường pha tạp mạnh (gấp ~1000 lần so với đi-ốt thường), khiến cho vùng nghèo có bề dày cực mỏng 1.3 a) Cấu tạo ứng dụng đi-ơt tunnel Mỗi phía pha tạp mạnh (cỡ 1019 cm-3) - Thế khuếch tán: - Chiều rộng vùng ĐTKG: D V bi (V )  kT W  x p x n N D (x n )N A (x p ) q ni ln b) So sánh với đi‐ôt pn thông thường Định nghĩa: Chuyển tiếp PN  2 sc0   (V V ) q  N A N D  bi  W nhỏ (cỡ vài chục Å) => hiệu ứng xuyên hầm xảy  Đặc trưng IV: có đoạn dốc âm (điện trở vi sai âm) Ứng dụng:  Bộ dao động: đi-ôt dùng kết hợp với mạch cộng hưởng công suất thấp (~mW), tần số thay đổi từ đến siêu cao (100 GHz)  Khuếch đại siêu cao tần nhờ có hệ số phản xạ >1 (cường độ sóng siêu cao tần phản xạ lớn cường độ sóng tới) E Vùng tiếp xúc loại bán dẫn hình thành lớp chuyển tiếp p-n, vùng điện tích khơng gian Vùng gọi lớp nghèo hạt tải điện, gọi tắt lớp nghèo 20 Tóm tắt vị trí mức Fermi Đặc trưng IV đi‐ốt thơng thường Vùng ion hóa tạp chất BD loại N BD loại P n  Nd p  Na N a ni e 21 ( Ei E F ) N d  nie kT N (Ei  EF ) Ptype  kT ln  a   ni   (E C E )F N type  kT ln  N C  N d  P n  ND ( Ei E F ) kT (Ei  E F)Ptype  kT ln N A   i n N D  n ie ( EF E i ) ‐ (V/cm) N W + -qNA kT (E F E )i N type  kT ln N D   ni   VD  kT ln N D (x n )N A (x p ) q n i2 P qND -xp N A n ei (C/cm3) N Vùng N p  NA 22 Chuyển tiếp PN đột ngột qVD (Ei  EF )ptype (EF  Ei )Ntype Vùng P kT (E F E )i N type  kT ln  N d  n i N  (EF  EV )Ptype  kT ln  V   Na  Thế khuếch tán ( EF Ei ) xn x -xp xn x -qNA NX: Điện trường có giá trị âm điểm, có phân bố dạng tam giác có giá trị cực đại mặt chuyển tiếp max   0   qN A xp   qN D x  sc 0  sc0 n 9/8/201 Chuyển tiếp PN đột ngột 1.3 c) Đặc trưng IV đi-ôt tunnel Nếu nồng độ tạp bán dẫn lớn nồng độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn vùng hóa trị (Nc NV ~ 1019 cm-3) thì: Từ pt suy ra, bề dày vùng ĐTKG W  x p x n 2 sc0  1  V  q  N A N D  NA   xn W   N A  ND  (1) Mức Fermi tiến vào phần vùng dẫn (N) phần vùng hóa trị (P) => bán dẫn suy biến, với cấu trúc dải lượng giống kim loại (2) Mức lượng tạp mở rộng thành dải lượng (3) Chiều rộng vùng cấm giảm tồn đuôi dải tạp D  N  x p W  D  N  NA D Ví dụ: chuyển tiếp Si (PN) 300K A 10 18 cm 3   N có  D 10 15 cm 3   N 19  NA  10 cm   W  0,96  m,   1,56.10 0V / cm ;V D 0,75V  0,96 A p  xn  0,96  m; x 3 19  ND  10 cm có 3 W  nm,   V / cm  xn  .nm; x p nm ;V D .V Chưa phân cực Điện áp thuận nhỏ; Đ.áp thuận lớn hơn; Điện áp thuận lớn; P/c ngược (a) Chưa phân cực: vùng ĐTKG mỏng, EC phía N thấp EV phía P Điện trường mặt tiếp giáp PN có giá trị lớn (~ 106 V/cm) Dải NL bị uốn mạnh, tạo điều kiện cho việc vượt vùng cấm tunnel Việc di chuyển theo chiều: - Luồng điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn - luồng điện tử từ vùng dẫn sang vùng hóa trị (b) Điện áp thuận nhỏ: trạng thái điền đầy vùng dẫn phía N++ lúc đối diện với vùng cấm phía P++ => luồng e- từ vùng dẫn sang vùng hóa trị (c) Điện áp thuận lớn hơn: trạng thái điền đầy vùng dẫn phía N++ lúc đối diện với vùng cấm phía P++ => luồng e- 0, dòng thuận giảm => vùng điện trở vi sai âm khống chế điện áp (d) Điện áp thuận lớn: rào bị dần, trích e- từ N++ sang P++ lỗ trống theo chiều ngược lại => dòng lại tăng (e) P/c ngược: mức điền đầy vùng hóa trị nằm đối diện mức trống vùng dẫn Lúc này, luồng điện tử lớn, ứng với dịng ngược lớn => Đi-ơt tunnle khơng khóa điện áp ngược => cịn có tên đi-ôt ngược (backward diode) 1.4 Chấm lượng tử - nhiều màu sắc Kích thước hạt đạt đến kích thước nano: số nguyên tử đủ lớn để kiến thức chất rắn cịn Bài tốn chuyển động giếng Thế điện tử có dạng Tuy nhiên kích thước nhỏ dẫn đến có cấu trúc giống phân tử (nhân tạo) có cấu trúc vùng rời rạc: vạch hấp thụ phát xạ không liên tục U = , < x < R (Vùng QD) U = ∞ x  0, x  R (Vùng QD) 2    (x) Phương trình sóng Schrodinger độc (x)lập  Ethời  gian  2m x2  U (x) trường hợp có dạng: Năng lượng bị lượng tử hóa, n=1,2,3… E n 2 2mR2 1.5 Đầu đọc ổ cứng dựa hiệu ứng từ trở khổng lồ GMR Khi kích thích tia UV, vật liệu nano cho xạ huỳnh quang với bước sóng phụ thuộc vào kích thước hạt nano L Giải thích: Mỗi hạt nano xem giả “nguyên tử”, có mức lượng điện tử rời rạc Cửa sổ tịa thị Freiburg có màu sắc thay đổi hạt nano vàng có kích thước khác tạo Ổ cứng máy tính mã hóa thơng tin dựa nhiễm từ đĩa từ tính Kích thước domain khoảng 20-100 nm Hiệu ứng từ trở khổng lồ cho phép giảm domain đến mức nhỏ dựa spin electron GMR: (giải Nobel vật lý 2007) Hiệu ứng GMR (Giant magnetoresistance) • GMR: thay đổi lớn điện trở vật liệu từ tác dụng từ trườngngồi • Hiệu ứng GMR có tán xạ điện tử magnon Khi có phần tử mang từ tính (ví dụ lớp sắt từ màng đa lớp hay hạt siêu thuận từ màng hợp kim dị thể) có định hướng khác mơmen từ (do tác động từ trường ngoài), dẫn đến thay đổi tính chất tán xạ điện tử làm thay đổi điện trở chất rắn 1.6 Tăng tốc động Ví dụ: Túi khí an tồn –tơ Cảm biến gia tốc làm bán dẫn với công nghệ MEM Micro-electro-mechanical) đặt chắn phía trước, nhanh chóng thổi vào túi khí cần thiết Cấu tạo: khối lượng m gắn vào lị xo có độ cứng k khung cảm biến (trơ với lửa) Nếu ô tô (và khung cảm biến) chịu gia tốc đủ lớn: lò xo chịu nén giãn, khiến m chuyển động Chuyển động đo (ví dụ thơng qua tụ điện): trigger làm mở túi khí 1.6 Tăng tốc động • Cơng nghệ vi điện tử MEMs microelectromechanics • Cơng nghệ quang khắc 1.7 Màng lọc kích thước nano (nanopore filters) Các màng lọc có kích thước nano dùng để lọc nước, vi khuẩn Loại 1: Những polycarbonate dày – 11mm: với lỗ nano (kích thước từ 15 nm -12 m) tạo thành ma trận vng góc với Cách tạo lỗ: ăn mịn có định hướng Loại 2: Màng lọc từ anodic aluminium oxide (AAO) Xốp loại (lên tới 40%) Có thể ứng dụng chế tạo sợi nano định hướng thẳng đứng: nén kim loại mềm lên bề mặt màng alumina xốp CHƯƠNG Ý tưởng tạo vật thể ngày nhỏ 1.8 Một số ứng dụng khác vật liệu nano công nghệ đời sống  Mỹ phẩm  Các hạt nano AgBr AgI dùng phim ảnh Độ phân giải phim phụ thuộc kích thước hạt  Thuốc sử dụng phần tử nano (tăng cường hiệu sử dụng) 2.1 Hiệu ứng giảm kích thước Sự thay đổi số tính chất thu nhỏ kích thước vật/linh kiện:  Tính chất học: lực liên kết, lực mao dẫn  Tính chất hóa học: hoạt tính, tính xúc tác  Tính chất nhiệt: nhiệt độ nóng chảy, độ dẫn nhiệt  Tính chất điện: dịng tunnel  Tính chất quang: độ hấp thụ, tán xạ  Tính chất từ: tượng siêu thuận từ => Triển vọng ứng dụng mới! 10  (x)  Tổ hợp tuyến tính nghiệm riêng (Linear Combinations of Solutions) nghiệm Ví dụ:  n x  L sin  L  TH này, mật độ xác suất phụ thuộc vào thời gian Giá trị kỳ vọng (Expectation Values) Giá trị kỳ vọng tọa độ x hai trạng thái m, n Giá trị kỳ vọng lượng L Hàm sóng của2 hạt (khơng tương tác) bị giam giếng lượng tử 1D L 4.6.3 Sự phản xạ xuyên ngầm qua rào Trường hợp 1: E >Uo Khi x <  2 ( x) 2mE ( x)    x 2  ( x)  A exp( ikx )  B exp( ikx k ), Khi x > Mật độ xác suất: Thú vị hơn, khác cổ điển Trường hợp 2: E 0:  2 ( x) 2m(E  U ) o   ( x)  x 2 k exp(ikx), 2 (x) 2m(E U )  x2 2 o  (x)  2mE k'  E-Uo < 0, k’ số phức k’= i với  (x)  C exp(ikx)  D exp(ikx), k'  2m(E  U )  A, B, C, D số phức Nhận xét: D = khơng có sóng phản xạ từ +∞  ( x)  C exp( x)  D exp( x), 2 2m(E U ) 2  2m(U0  E) 2 Nhận xét: D = (đk chuẩn hóa) hàm sóng giảm dần theo hàm mũ tạix > A + B = C k’C = k (A-B) tính chất liên tục đạo hàm bậc x=0 Sử dụng điều kiện hàm sóng liên tục, đạo hàm bậc liên tục x=0 , ta có: từ độ phản xạ R truyền qua T là: B=C ikA-ikB=C k  jk.   Giải hệ ptr ta có: B C  k22 2kk  j  A k22 A 26 Trường hợp 2: E ý nghĩa gì? Xác suất tìm thấy hạt vùng x>0: P(x>0)=0 Nhận xét 2: Xác suất tìm thấy hạt vùng x>0: Tại x < 0, phương trình sóng tới (như trường hợp x