Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2 Kết quả chế tạo ống nano cacbon định hướng vng góc (VA-CNTs)
3.2.3 Ảnh hưởng của hơi nước trong quá trình mọc CNTs
Một vài nghiên cứu gần đây đã chứng minh ảnh hưởng của hơi nước đến quá trình tổng hợp CNTs sử dụng chất xúc tác Fe2O3, cobalth [7,22,27]. Sự xuất hiện của hơi nước khiến cho khơng chỉ chiều dài mà đường kính ống nano cacbon cũng thay đổi một cách đáng kể. Trong luận văn này, chúng tôi đã tiến hành tổng hợp CNTs sử dụng hạt xúc tác Fe3O4 nồng độ 0,026M với cùng điều kiện CVD trong hai trường hợp có hơi nước và khơng có hơi nước. Sơ đồ thiết bị CVD cùng cách thức đưa hơi nước vào lị trong q trình tổng hợp CNTs được thể hiện trên hình 3.12. Đưa khí Ar sục qua bình thủy tinh 2 cổ (đóng van 1, mở van 2 và 3) có chứa nước cất. Hơi nước sẽ theo khí Ar vào trong lò nhiệt trong suốt quá trình CVD. Tùy theo lưu lượng của khí Ar, lượng hơi nước được đưa vào trong lò cũng sẽ khác. Trong nghiên cứu này chúng tơi tiến hành thí nghiệm CVD nhiệt với lưu lượng khí Ar là 60sccm.
Hình 3.12. Sơ đồ thiết bị CVD và cách thức đưa hơi nước vào lị trong q trình tổng hợp CNTs.
Kết quả chụp SEM và TEM trong hai trường hợp chế tạo VA – CNTs có hơi nước và khơng có hơi nước được thể hiện trên hình 3.13 và hình 3.14. Từ ảnh SEM ta
thấy được sự khác biệt rõ rệt về chiều dài của VA-CNTs trong 2 trường hợp. Chiều dài của CNTs được tạo thành trong điều kiện CVD bình thường (khơng có hơi nước) vào khoảng 3 – 4 (hình 3.13a). Khi cho thêm hơi nước trong quá trình CVD, chiều dài của CNTs thu được vào khoảng 10 – 12 , tăng lên đến 3 lần so với trường hợp khơng có hơi nước (hình 3.13b).
Ngồi ra, ảnh TEM (hình 3.14) và phổ Raman (hình 3.15) cịn giúp ta quan sát được sự tồn tại của cacbon vơ định hình thậm chí cả các hạt xúc tác vẫn cịn dính trong ống nano cacbon trong trường hợp khơng có hơi nước. Ngược lại, trường hợp CVD có hơi nước ta thu được CNTs với sự định hướng tốt, một vài đầu ống vẫn cịn mở (hình 3.14c). So sánh dải D trên phổ Raman trong hai trường hợp có và khơng có hơi nước ta thấy: cường độ đỉnh dải D khi khơng có hơi nước cao hơn nhiều so với trường hợp có hơi nước. Điều đó khẳng định rằng sự xuất hiện của hơi nước giúp cải thiện độ sạch của CNTs. Hơi nước có tác dụng rất lớn trong việc thúc đẩy quá trình phát triển của CNTs về tốc độ cũng như thời gian mọc. Nó được coi như 1 chất oxi hóa yếu giúp loại bỏ sự lắng đọng của cacbon vơ định hình cùng những tạp chất của cacbon. Hơn nữa, hơi nước cịn có khả năng ngăn chặn quá trình Ostwald ripening của hạt xúc tác (q trình khiến các hạt xúc tác nhỏ có thể bị tan biến trong khi các hạt xúc tác có kích cỡ lớn lại có xu hướng kết hợp lại với nhau). Như vậy, sự hiện diện của hơi nước sẽ ngăn chặn quá trình kết tụ của các hạt xúc tác. Điều này dẫn đến việc giảm đường kính của ống nano cacbon thu được vì quá trình Ostwald ripening dẫn đến các hạt xúc tác lớn hơn và do đó đường kính của ống nano cacbon lớn hơn. Điều này cũng được thể hiện rõ qua ảnh TEM (hình 3.14c) với đường kính ống nano cacbon định hướng vng góc chỉ khoảng 9 – 11 nm.
Hình 3.13. Ảnh SEM của VA – CNTs trong 2 trường hợp: (a) khơng có hơi nước, (b) có hơi nước.
Hình 3.14. Ảnh TEM của VA – CNTs trong 2 trường hợp:
Hình 3.15. Phổ Raman của VA – CNTs trong 2 trường hợp có và khơng có hơi nước
Như vậy, với việc cho thêm hơi nước trong quá trình CVD tổng hợp ống nano cacbon định hướng vng góc, chất lượng của CNTs tạo thành được cải thiện rõ rệt. Hơi nước đóng vai trị quan trọng đến sự định hướng, chiều dài, đường kính của VA-CNTs, giúp giảm lượng cacbon vơ định hình và các sai hỏng về mặt cấu trúc.
KẾT LUẬN
Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo, đặc trưng tính chất của ống nano cacbon định hướng (vng góc, nằm ngang)”, chúng tơi đã thu được một số kết quả chính như sau:
- Đã chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon định hướng nằm ngang bằng phương pháp CVD nhiệt nhanh trên đế Si/SiO2 với nguồn cấp cacbon là ethanol trong thời gian 60 phút, nhiệt độ CVD và nồng độ dung dịch xúc tác FeCl3 thích hợp nhất là 950 C và 0,01M. Kết quả ảnh TEM, SEM và phổ tán xạ Raman cho thấy: UL – CNTs thu được là đơn tường, đường kính khoảng 1,26nm.
- Tổng hợp thành công UL – SWCNTs trên điện cực mở ra khả năng ứng dụng CNTs trong transistor hiệu ứng trường.
- Luận văn này đã nghiên cứu thành cơng các điều kiện và cơng nghệ thích hợp để tổng hợp vật liệu ống nano cacbon định hướng vng góc theo chiều khí thổi,
sử dụng phương pháp CVD, với nồng độ dung dịch xúc tác Fe3O4 là 0,026M trong thời gian là 30 phút, tại nhiệt độ CVD 750oC. Vật liệu thu được là đa tường có độ sạch cao và cấu trúc tương đối tốt.
- Khảo sát ảnh hưởng của hơi nước trong quá trình CVD và thu được những kết quả độc đáo. Với sự xuất hiện của hơi nước, các ống nano cacbon thu được có độ sạch cao, khơng có cacbon vơ định hình, đướng kính nhỏ (9 – 11 )và chiều dài của CNTs tăng gấp 3 lần trường hợp khơng có hơi nước.
CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ
1. Cao Thị Thanh, Vương Thị Quỳnh Phương, Ngô Thị Thanh Tâm, Thân Xuân Tình, Nguyễn Hải Bình, Trần Đại Lâm, Elena D. Obraztsova, Phan
Ngọc Minh, Nguyễn Văn Chúc, “ Tổng hợp vật liệu ống nano cacsbon định
hướng nằm ngang trên đế SiO2/Si và trên điện cực”, Tạp chí Khoa học và
Cơng nghệ, Volume 52, Number 3B, 2014, pp 351-358
2. Cao Thi Thanh, Nguyen Van Tu, Vuong Thi Quynh Phuong, Pham Viet Thang, Ngo Thi Thanh Tam, Phan Ngoc Minh, and Nguyen Van Chuc,
“Synthesis of graphene-carbon nanotube hybrid films on copper substrate by
chemical vapor deposition”, The 2nd International Conference on Advanced
3. Nguyen Van Chuc, Cao Thi Thanh, Nguyen Van Tu, Vuong Thi Quynh
Phuong, Pham Viet Thang, Ngo Thi Thanh Tam, “A Simple Approach for
the Fabrication of Graphene-Carbon Nanotube Hybrid Films on Copper Substrate by Chemical Vapor Deposition”, đã được chấp nhận đăng trên tạp
chí Materials Science and Technology, 2014.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đặng Thu Hà (2007), Nghiên cứu công nghệ chế tạo và các tính chất của vật
liệu ống nano cácbon định hướng, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, Viện Khoa học và
Công nghệ Việt nam.
2. Nguyễn Bá Thăng (2012), “Nghiên cứu công nghệ và các điều kiện chế tạo ống
nano cacbon đơn tường định hướng, siêu dài sử dụng ethanol trên đế Si”, Luận
văn Thạc sĩ vật lý, Trường Đại học Công nghiệp - Đại học Quốc gia Hà Nội.
3. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2005), “Công nghệ nanô điều khiển đến
từng phân tử nguyên tử”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr. 124-
138.
4. Bachtold, P. Hadley, T. Nakanishi, C. Dekker (2001), “Logic circuits with
carbon nanotube transistor”, Science, 294, pp. 1317-1319.
5. A.R. Barron, Carbon Nanomaterials, http://cnx.org/content/m22580/latest/ .
6. AJorio, AGSouza Filho, MAPimenta, RSaito, GDresselhaus and M S
Dresselhaus (2003), Characterizing carbon nanotube samples with resonance
Raman scattering, NewJournal of Physics 5, pp 139.1–139.17.
7. Amama P B, Pint C L, McJilton L, Kim S M, Stach E A, Murray P T, Hauge R
H and Maruyama B (2009), “Role of water in super growth of single-walled
carbon nanotube carpets”, Nano Lett.
8. Cao Thị Thanh, Vương TQ Phương, Ngô Thị Thanh Tâm, Thân Xuân Tình, Nguyễn Hải Bình, Trần Đại Lâm, Elena D. Obraztsova, Phan Ngọc Minh,
Nguyễn Văn Chúc, “ Tổng hợp vật liệu ống nano cacsbon định hướng nằm
ngang trên đế SiO2/Si và trên điện”, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ, Volume
52, Number 3B, 2014, pp 351-358.
9. H. Shimoda, B. Gao, X. P. Tang, A. Kleinhammes, L. Fleming, Y. Wu and O. Zhou (2002), “Lithium intercalation into opened single-wall carbon nanotubes:
storage capacity and electronic properties”, Phys. Rev. Lett. 88 015502.
10. Iijima S. (1991), “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature 354, pp.
56-58.
11. Iijima S., and Ichihashi T. (1993), “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm
diameter”, Nature 363, pp. 603-605.
12. Ijima. S, (2002), Carbon nanotubes: past, present, and future, Physical B, 323,
pp.1-5.
13. J. H. Hafner, C. L. Cheung and C. M. Lieber (1999), “Direct Growth of
SingleWalled Carbon Nanotube Scanning Probe Microscopy Tips”, J. Am.
Chem. Soc, 121, pp. 9750-9751.
15. J. P. Salvetat, J. M. Bonard, N. H. Thomson, A. J. Kulik, L. Forro, W. Benoit,
L. Zuppiroli (1999), “Mechanical properties of carbon nanotubes”, Applied
Physics A Materials Science & Processing, 69, pp. 255-260.
16. Kratschmer W., Lamb L. D., Fostiropoulos K., and Huffman D. R. (1990), “
Solid C60: a new form of carbon”, Nature 347, pp. 354-358
17. Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., Curl R. F., and Smalley R. E. (1985),
“C60: Buckminsterfullerene”, Nature 318, pp. 162-163.
18. L. Dai, D. W. Chang, J.-B. Baek and W. Lu, Small 8 (2012), “Carbon
nanomaterials for advanced energy conversion and storage”,Small 8(8):1130
19. Lianxi Zheng et al., J. Phys. Chem. C, 2009, “Kinetics Studies of Ultralong
Single –Walled Carbon Nanotubes”,. 113: p. 10896-10900.
20. M. Croci, I. Arfaoui, T. Stockli, A. Chetelain and J. M. Bonard (2004), “A fully
sealed luminescent tube based on carbon nanotube field emission”,
Microelectronics Journal, 35, pp. 329-336.
21. N.S. Lee, D.S. Chung, I.T. Han, J.H. Kang, Y.S. Choi, H.Y. Kim, S.H. Park, Y.W. Jin, W.K. Yi, M.J. Yun, J.E. Jung, C.J. Lee, J.H, You, S.H. Jo, C.G. Lee
and J.M. Kim (2001), “Application of carbon nanotubes to field emission
displays”, Diamond and related materials, pp. 265-270.
22. Pint C L, Pheasant S T, Parra-Vasquez A N G, Horton C, Xu Y Q and Hauge R
H, 2009, “Investigation of optimal parameters for oxide-assisted growth of
vertically aligned single-walled carbon nanotubes”, J. Phys. Chem. C 113 4125.
23. R. Saito, G. Dresslhaus and M. S. Dresselhaus (1993), “Electronic structure and
growth mechanism of carbon nanotubes”, Materials Sicence and Engineering,
19, pp.185-191.
24. S . Berber and Epron F. (2005), “Characterization methods of carbon
nanotubes: a review”, Small, 1 (2), pp. 180-192.
25. S. Huang, M. Woodson, R. Smalley, J. Liu (2004), “Growth Mechanism of
Oriented Long Single Walled Carbon Nanotubes Using Fast-Heating Chemical Vapor Deposition Process”, Nano Letters, 4, pp. 1025-1028.
26. X. Liu, M. Wang, S. Zhang and B. Pan, (2013), “Application potential of carbon
nanotubes in water treatment”, J. Environ. Sci. 25 1263.
27. Xie K, Muhler M and Xia W , 2013, “Influence of water on the Initial Growth
Rate of Carbon Nanotubes from Ethylene over a Cobalt – Based Catalyst”, Ind.
Eng. Chem. Res. 52 14081.
Website
28. http://www.intechopen.com/books/carbon-nanotubes-synthesis-characterization- applications/flame-synthesis-of-carbon-nanotubes.