1.3. Chất doping
1.3.3.1. Cấu trỳc của vật liệu
CNTs là loại vật liệu mới được phỏt hiện năm 1991 bởi Ijima [26]. CNTs cú cấu trỳc dạng ống trụ rỗng, gồm cỏc nguyờn tử cacbon lai hoỏ dạng sp2. Vật liệu CNTs cú thể tổng hợp bằng nhiều phương phỏp như phương phỏp hồ quang điện, lắng đọng pha hơi hoỏ học (CVD), …Cỏc nghiờn cứu về vật liệu CNTs cho thấy rằng CNTs cú những tớnh chất đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt và khả năng phỏt xạ trường ở điện thế thấp. CNTs cú cấu trỳc giống như cỏc lớp mạng graphene cuộn lại thành dạng ống trụ rỗng, đồng trục. Tuỳ theo hướng cuộn số lớp mạng graphene mà vật liệu CNTs được phõn thành cỏc loại khỏc nhau.
Cấu trỳc của vật liệu CNTs được đặc trưng bởi vectơ chiral, kớ hiệu là Ch [ 12]. Vộc tơ này chỉ hướng cuộn với cỏc mạng graphene và độ lớn đường kớnh ống (hỡnh 17).
Ch = na1 + na2 = (n,m)
Trong đú: a1 và a2 là cỏc vộc tơ đơn vị của mạng graphene n, m là cỏc số nguyờn
Gúc của vộc tơ chiral kớ hiệu
cos = nm m n m n 2 2 2 2
Đường kớnh D của ống được tớnh theo cụng thức: D = k n2 m2 nm
kN
Theo vộc tơ chiral, vật liệu CNTs cú cấu trỳc khỏc nhau tương ứng với cỏc cặp chỉ số (n,m) khỏc nhau. Ba cấu trỳc thường gặp đú là: amchair, zigzag và chiral tương ứng với cỏc cặp chỉ số (n,n), (n,0) và (n,m) hỡnh 18. CNTs cú thể gồm một lớp hay nhiều lớp graphene, tương ứng CNTs đơn tường (SWNTs) và đa tường (MWNTs). Khoảng cỏch giữa cỏc lớp graphene trong MWNTs khoảng 0.34A0 (hỡnh 18).
CNTs cú đường kớnh từ vài nanomột tới vài chục nanomột và chiều dài từ vài chục micromột đến vài mm, dẫn đến tỉ lệ chiều dài/ đường kớnh và diện tớch bề mặt của nú là rất lớn.
Hỡnh 17: (a)Vộc tơ chiral, (b) cỏch cuộn mạng graphene thành ống CNTs [28]
Hỡnh 18: (a) CNTs loại amchair(5,5), zigzag (9,0), chiral (10,5) [28],(b) SWNTs, (c)MWNTs [16].
Tuy nhiờn, đõy là cỏc cấu trỳc lý tưởng của CNTs. Trờn thực tế, cấu trỳc của CNTs bao giờ cũng tồn tại cỏc sai hỏng. Cỏc sai hỏng này được phõn loại theo cấu trỳc hỡnh thỏi học hay dạng lai hoỏ của cỏc nguyờn tử carbon cấu thành lờn CNTs [13].
Cỏc sai hỏng trong cấu trỳc hỡnh học trờn ống CNTs là sự xuất hiện của cỏc vũng carbon khụng phải sỏu cạnh. Cỏc vũng cacbon này cú thể là bảy hoặc tỏm cạnh, chủ yếu xảy ra ở đầu ống và gần vựng liờn kết ống (hỡnh 19).
Cỏc sai hỏng theo kiểu lai hoỏ cú thể hiểu là dạng lai hoỏ của cỏc nguyờn tử carbon của CNTs, do đú cấu trỳc của CNTs khụng chỉ gồm cỏc liờn kết C- C lai hoỏ dạng sp2 mà cũn là sp2+a (0< a< 1). Đõy là nguyờn nhõn gõy ra sự uốn cong trờn bề mặt của CNTs.
Hỡnh 19: (a) Cỏc defect ở đầu, (b) thõn ống CNTs[ 9].
Ngoài cỏc sai hỏng trờn, cũn một dạng sai hỏng khỏc như liờn kết khụng hoàn toàn, khuyết và dịch vị trớ. Cỏc sai hỏng cú vai trũ rất quan trọng, chỳng là đầu mối chỡa khoỏ trong cỏc quỏ trỡnh biến tớnh của vật liệu CNTs. Cỏc sai hỏng này cú thể ở đầu ống, hay trờn thõn ống và mở ra cỏc cực thu hỳt cỏc nhúm chức hoạt động như carboxyl, hydrolxyl, ester… Cỏc nhúm chức này là cụng cụ chủ yếu để hoạt hoỏ, biến tớnh vật liệu. Tuy nhiờn, cỏc sai hỏng này cũng ảnh hưởng tới tớnh chất của CNTs, đặc biệt là cỏc tớnh chất cơ, điện. Nú cú thể làm giảm độ bền cơ học và làm thay đổi cấu trỳc dải điện tử.