Trong tổng hợp CVD, người ta phân huỷ các nguồn cacbon thành dạng khí bằng các nguồn năng lượng như plasma, nhiệt từ lò điện trở. Nguồn cacbon thường dùng bao gồm CH4, CO, C2H2,... Năng lượng được dùng để tách các nguyên tử cacbon, làm cho nó trở lên linh động hơn. Một đế có phủ các hạt kim loại xúc tác, nung nóng và được đặt vào nơi có các nguyên tử cacbon được tạo ra ở trên. Các nguyên cacbon tập trung ở nơi có các hạt kim loại xúc tác và mọc thành ống cacbon. Sử dụng phương pháp CVD, người ta có thể tạo được CNT thẳng hàng, đồng đều. Ngoài ra còn có thể dễ dàng điều khiển các kích thước và vị trí mọc của CNT.
Các hạt xúc tác được sử dụng là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni,... Chúng thường được xử lý bằng các chất oxi hoá để làm sạch trước khi cho vào lò phản ứng. Nhiệt độ phản ứng trong phương pháp này thường từ 650 ÷ 9000C. Nếu sử dụng plasma thì nhiệt độ có thể giảm đi rất nhiều. Hiệu suất của phản ứng vào khoảng 30%.
Các hướng phát triển trong kỹ thuật CVD bao gồm: CVD dùng plasma tăng cường, CVD nhiệt,... Các kỹ thuật này sẽ được làm rõ hơn sau đây.
+ Phương pháp CVD plasma tăng cường
Hệ thống CVD plasma tăng cường sẽ tạo ra một lớp phóng điện sáng trong lò phản ứng bằng cách đặt vào hai điện cực một hiệu điện thế cao tần (hình 2.16).
Một bản đế được đặt trên bản điện cực mà được nối đất. Nguồn khí chứa cacbon như CH4, C2H2, CO,... được cho vào lò từ bản cực còn lại. Trên bản đế có phóng xạ các hạt kim loại xúc tác kích thước nano như Ni, Fe, Co,... Sự phóng điện giữa hai bản cực làm phân huỷ các khí chứa cacbon tạo ra các
33
nguyên tử cacbon. Khi gặp kim loại xúc tác, các nguyên tử cacbon này tự sắp xếp và tạo thành ống cacbon.
Hình 2.16: Giản đồ của hệ thống CVD plasma tăng cường.
Các hạt kim loại xúc tác có ảnh hưởng rất lớn đến kích thước ống, tốc độ mọc, độ dày của thành ống và cấu trúc vi mô của ống. Ni dường như thích hợp hơn cả để tạo ra được MWCTNs thẳng hàng và đồng đều. Kích thước của MWCTNs tạo được vào khoảng 15 nm. Hiệu suất hình thành cao nhất từng đạt được khoảng 50 % ở nhiệt độ tương đối thấp
(dưới 330 0C).
+ Phương pháp CVD nhiệt
34
Trong phương pháp này, trước hết từ một phiến Silic, người ta oxi hóa một bề mặt của nó tạo ra một lớp oxit bề mặt cỡ một vài trăm nanomet. Sau đó phún xạ lên bề mặt này các kim loại xúc tác như Ni, Fe, Co,... tạo ra lớp màng kim loại dày cỡ từ vài nanomet đến vài trăm nanomet. Sau khi ủ nhiệt, lớp kim loại xúc tác không tồn tại ở dạng màng mà bị “vón” lại thành các hạt
kim loại có kích thước nanomet.
Hệ lò có cấu tạo giống như (hình 2.17) bao gồm các bộ phận cơ bản: một lò nhiệt mà được cung cấp nhiệt bằng cách cho dòng điện xoay chiều chạy qua một điện trở lò so kim loại, một ống thạch anh hoặc gốm đặt ở giữa lò, một đầu của ống là đầu vào của các đường khí dùng để tổng hợp CNT và đầu còn lại là đầu ra của khí thải. Mỗi đường khí vào được cho đi qua một bộ điều chỉnh lưu lượng. Nhiệt độ của lò được điều khiển tự động nhờ tín hiệu được đưa về từ một cặp nhiệt đặt trong lò. Áp suất trong lò có thể thay đổi nếu sử dụng thêm một máy hút chân không
Mẫu đế Silic trước khi được đặt trên một cái máng thạch anh rồi đưa vào lò để tổng hợp CNT thường được làm sạch bề mặt bởi dung dịch axit HF loãng. Tiếp đó người ta còn có thể làm sạch tiếp bằng cho dòng khí NH3 vào lò và nung ở nhiệt độ khoảng 750 0C đến trên 1000 0C. Sau khi được làm sạch, khí NH3 bị ngắt. Đưa vào trong lò khí chứa cacbon và khí trơ. Khí trơ đóng vai trò khí mang, tạo môi trường cho phản ứng xảy ra. Khí chứa cacbon như CH4, C2H2,… đóng vai trò nguồn cung cấp cacbon. Các khí được điều chỉnh lưu lượng phù hợp, ổn định. Nhiệt độ trong lò cũng được giữ ổn định từ khoảng 600 đến trên 1000 0C. Thời gian tổng hợp có thể kéo dài từ vài phút đến vài giờ.
Tốc độ mọc của CNT thay đổi theo thời gian trong giai đoạn tổng hợp và nhiệt độ của lò. CNT mọc rất nhanh ở những phút đầu tiên và ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ càng cao thì CNT càng kém đồng đều hơn, mọc dài hơn và thường là ống đa vành. Kích thước của CNT phụ thuộc vào bề dày của lớp
35
kim loại xúc tác, loại xúc tác và nhiệt độ lò. Lớp kim loại càng mỏng thì CNT tạo được có kích thước càng nhỏ.
Ví dụ: Với kim loại Fe xúc tác, bề dày khoảng 13 nm sẽ cho ra CNT có kích thước khoảng 30 ÷ 40 nm, nhưng với bề dày khoảng 27 nm sẽ tạo ra được CNT có kích thước khoảng 100 ÷ 200 nm. Nhiệt độ tối ưu để tạo CNT vào khoảng từ 700 ÷ 9000C.
2.6 Ứng dụng
Ứng dụng của CNT rất đa dạng và phong phú, tùy theo trí tưởng tượng của con người. Người ta có thể làm CNT như một sợi dây dẫn điện, một ống dẫn nguyên tử, phân tử, hay bình chứa, thậm chí CNT có thể làm một trục quay trong bánh răng, trong ống dẫn động,... Kết hợp CNT với các vật liệu khác có thể tạo nên những vật liệu mới với các tính chất tốt hơn trước đây rất nhiều. Có thể nói ống nano cacbon cũng như công nghệ nano đã mở ra một chân trời mới cho khoa học và kĩ thuật.
Sau đây, là minh họa một số ứng dụng của ống CNT trong những lĩnh vực quan trọng:
• Điện tử. • Vật liệu.
• Cảm biến, NEMS, sinh học. • Về năng lượng.
• …