1.4.1. Cấu trúc của ống nano cacbon
Ống nano cacbon (CNT) có cấu trúc dạng hình ống. Hai đầu ống CNT được bịt kín
bởi hai bán cầu Fuloren. Trong đó, các nguyên tử cacbon được sắp xếp với nhau theo
dạng hình 6 cạnh. Ống nano cacbon có kích thước rất nhỏ, đường kính của ống cỡ từ vài nanomet đến hàng chục nanomet, nhưngchiều dài ống là vài micromet [52].
Liên kết C-C trong ống nano cacbon có độ dài là 0,14 nm,ngắn hơn so với liên kết
C-C trong kim cương là 0,15 nm. Bản chất của sự liên kết trong ống CNT được giải thích bởi hóa học lượng tử, cụthể là sự xen phủ obital. Trạng thái lai hóa của nguyên tử cacbon trong CNT là sp2, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với 3 nguyên tử lân cận, cấu trúc liên kết lục giác này mạnhhơn liên kết trong kim cương tạo cho CNT độ cứng đặc biệt [53].
Dựa vào đặc tính đơn tường hay đa tường của tấm graphen có thể chia ống CNT
thành hai loại chính:
27
tấm graphen dài đượccuộnlại thành một hình trụliền và được gắn kín hai đầu bằng hai bán cầu dẫn fuloren có cùng đường kính [54].
• Ống nano cacbon đa tường – MWCNTs (multi walled cacbon nanotubes): là
một tập hợp các SWCNT đồng trục với đường kính khác nhau. Chiều dài và
đường kính của MWCNTs khác nhiều so với các SWCNT và các tính chấtcủa
chúng cũng khác nhau [54].
Hình 1.7. Ống nano cacbon đơn tường (SWCNT) và đa tường (MWCNTs)
1.4.2. Tính chất của ống nano cacbon
Do cấu trúc gần như một chiều của CNT và do đường kính của ống có kích thước rất nhỏ chỉ cỡ nm nên CNT có những độ bền cơ học, điện, quang rất đặc biệt.
Độ bền cơ học:
Ống nano cacbon chỉ gồm các nguyên tử cacbon nên nhẹ và liên kết giữa các nguyên tử là liên kết cộng hóa trị nên bền. Modul Young của SWCNT khoảng 1054 GPa, còn với
MWCNTs là 1200 GPa, ngoài ra độ bền kéo khoảng 150 GPa. Khối lượng riêng của
MWCNTs khoảng 2,6g/cm3 và 1,4 g/cm3 đối với SWCNT. Trong khi Modul Young của thép chỉ cỡ 300 GPa, độ bền kéo chỉ đạt 2 GPa [53].
+ Khi chịu ứng suất kéo quá mức, CNT bị biến dạng dẻo.
+ CNT có cấu trúc rỗng và có hệ số co cao, nên nó thường có khuynh hướng bị oằn khi chịu ứng suất nén, xoắn hay uốn.
Bảng 1.3. So sánh độ bền cơ học của CNT với một số vật liệu khác (nguồn: [53])
Vật liệu Mođun Young(GPa)
Độ bền kéo
đứt (GPa) riêng (g/cm3) Khối lượng
SWCNT 1054 ̴ 150 1,4
28
Thép 300 2 7,8
Nhựa Epoxy 3,5 0,05 1,25
Tính chấtnhiệt:
Tất cả các ống nano sẽ là vật dẫn nhiệt rất tốt dọc theo ống, nhưng nếu theo chiều ngang với trục của ống thì nó trở nên cách nhiệttốt. Các phép đo cho thấymột ống nano cacbon đơn tường SWCNT có độdẫnnhiệt ở nhiệt độ phòng theo trục trong khoảng 3500 W/mK; so sánh với đồng, một kim loại được biết có độ dẫn nhiệt tốt, cũng chỉ có 385W/mK và có độ dẫn nhiệt theo chiều ngang với trục(chiều hướng tâm) trong khoảng
1,52 W/mK [53].
Sự ổn định nhiệt độ của các ống nano cacbon lên đến 2800oC trong chân không và
khoảng 750oC trong khơng khí. Vì khảnăng dẫn nhiệttốt này mà CNT đãđược sửdụng cho việc tản nhiệt trong các linh kiện điện tử công suất cao.
Tính chất hóahọc:
CNT hoạt động hóa học mạnh hơn so với graphen. Tuy nhiên, thực tế cho thấy CNT
vẫn tương đối trơ về mặt hóa học, do đó, để tăng hoạt tính hóa học của CNT người ta
phải tạo ra các khuyết tật trên bề mặt của ống, gắn kết với các phân tử hoạt động khác để tạo ra các vi đầu dị nhạy với hóa chất [55].
Tính chất điện:
Điện trở của CNT khơng phụ thuộc vào chiều dài ống vì qng đường chuyển động tự do trung bình của điện tử dài hơn bản thân ống nhiều lần. Các electron di chuyển thông
qua các hầm cộng hưởng giữa mức năng lượng không liên tục của ống nano và dịch chuyển quá chiều dài mở rộng của ống. Độ dẫn điện của CNT được dự đoán rất cao bởi vì trong cấu trúc mộtchiều các photon rất khó để tán xạ [56].
Tính chất phát xạ điện trường:
Sự phát xạđiện trường là quá trình phát xạđiệntửtừbềmặtcủamột pha rắn vào chân
không, dưới tác dụng của một điện trường (khoảng 108 V/cm). Với hình dạng là dạng ống nên làm cho CNT có một tính chất đặc biệt quan trọng là sự truyền điện trong đó các electron chuyển động thẳng theo một phương hướng nhất định, khơng cósự va chạm đến
các ngun tử củavậtliệu. Vì vậy, CNT có thể xem nhưmột dây dẫn điện có đường kính cực nhỏ, thuận lợi cho các ứng dụng trong điện tử hay quang điện tử [57].
29
1.4.3. Các phương pháp chế tạo CNT
a) Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học
Trong phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học thường sử dụng nguồn cacbon là các
hydrocacbon (CH4, C2H2) hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt, plasma hoặc laser để
phân ly các phân tử khí thành các nguyên tử cacbon hoạt hóa. Các nguyên tử cacbon này
khuếch tán xuốngđế và lắngđọng lên các hạt kim loại xúc tác (Fe, Ni, Co) và CNT được tạo thành. Nhiệt độ vào khoảng 650oC – 900oC [58].
Hình 1.8. Chế tạo CNT bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học
Yêu cầu của phương pháp lắng đọng hóa học là phải sử dụng xúc tác trong quá trình
lắng đọng. Tùy theo từng loại xúc tác mà có các sản phẩm ống nano cacbon khác nhau như đa tường hay đơn tường. Để chế tạo một lượng lớn ống nano cacbon thường sử dụng xúc tác kim loại là Co, Fe và đây là phương pháp dễchếtạo,rẻtiền.
b) Phương pháp phóng điện hồ quang
Phương pháp phóng điện hồ quang được nhà nghiên cứu Thomas Ebbesen và Pulickel M. Ạjayan thực hiện tại phịng thí nghiệm của hãng NEC tại Tsukuba (Nhật Bản) công bố năm 1992. Phương pháp này được thực hiện với hai điện cực cacbon đặt cách nhau 1mm trong buồng khí trơ (He hoặc Ar) ởáp suất thấp (giữa 50 và 700 mbar). Một dịng điện có cường độ 50-100A được điều khiển bởi điện thế khoảng 20V tạo ra sự phóng điện hồ quang nhiệt độ cao giữa hai điện cực cacbon. Luồng hồ quang này làm bay
hơi một điện cực cacbon và lắng đọng trên điện cực cịn lại, khi đó CNT tự mọc lên từ hơi cacbon và sản phẩm SWCNT hoặc MWCNTs sinh ra tùy thuộc vào chất xúc tác kim
30
Hình 1.9. Chế tạo CNT bằng phương pháp phóng điện hồ quang
c) Phương pháp laser
Phương pháp laser được thực hiện khi cho tia laser chiếu vào một thanh graphit có pha hạt Co và Ni với tỉ lệ 50:50, kích thước hạt cỡ 1 micromet. Thanh graphit được đặt
trong mơi trường khí trơ Ar hoặc He, tia laser năng lượng cao (xung hoặc liên tục) chiếu
vào làm graphit nóng đến 1200oC và bị bốc bay tạo thành các sản phẩm nano cacbon. Tiếp đó là gia cơng nhiệt ở 1000oC để lấy đi C60 và các fuloren khác để thu được ống
nano cacbon. Trong lị có chứa khí trơ He hoặc Ar với mục đích giữ áp suất trong lị ở 500 torr và đóng vai trị khí mang đưa hơi cacbon về phía cực lắng đọng. Phương pháp chủ yếu sản xuất ra những ống nano cacbon 1 lớp, hiệu suất > 70%. CNT được tạo ra bằng phương pháp bay hơi chùm tia laser có độ tinh khiết cao hơn phương pháp hồ quang điện. Tuy nhiên do phương pháp này cần nguồn laser có cường độ lớn nên tốn kém [58].
Hình 1.10. Chế tạo CNT bằng phương pháp laser
1.4.4. Ứng dụng của ống nano cacbon [58]
31
dụngrộng rãi trên nhiều lĩnhvực:
+ Linh kiện điện tử nano (tranzito, điốt, mạch vi điện tử…)
+ Màn hình hiển thị siêu phẳng phát xạ trường (FED) với độ sáng cao, góc nhìn
rộng, tốc độ nhanh và tiêu tốn ít năng lượng hơn màn hình tinh thể lỏng (LCD).
+ Các linh kiệnđiện và linh kiện cảmbiến:tạo ra các linh kiện cảm biến cực nhỏ
và nhạy ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh học.
+ Vật liệu nanocompozit: chế tạo các vật liệu nền polyme hoặc cao su có độ dẫn nhiệttốt,độcứng cao, chốngăn mịn, tạo ra nhiềuvậtliệu siêu bền, tính chất cơ lý cao. + Ngoài ra, ống nano cacbon có thể kéo thành sợi, sau khi gia cơng nhiệt có thể quấn hay bện lại thành sợi to hơn để dệt làm áo chống đạn hoặc vải ngăn cản sóng điện từ. Đây là một lĩnh vực có ứng dụng to lớn trong an ninh, quốc phòng.