NANO BẠC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP POLYOL
Thông thường đối với các phương pháp tổng hợp hóa học (trong đó có phương pháp polyol) thì sự tinh khiết của sản phẩm cuối cùng là rất quan trọng. Và quy trình xử lý để mẫu đạt độ tinh khiết cao, loại bỏ được hết sản phẩm phụ thường là khâu tốn kém nhất. Trong nghiên cứu của chúng tôi về tổng hợp dây nano bạc bằng phương pháp polyol, ngoài các tiền chất như AgNO3, NaCl, sẽ có các tác nhân bề mặt đóng vai trò khác nhau như KBr, PVP. Quy trình loại sản phẩm phụ sau quá trình tổng hợp mà chúng tôi thực hiện là pha loãng và quay li tâm. Để xác định các thành phần dư như NaCl, KBr, PVP... trong điều kiện cho phép của quá trình thực hiện luận văn, chúng tôi chỉ sử dụng phép đo FTIR để xác định chủ yếu thành phần PVP vì quá trình lọc rửa trong dung môi nước cất sẽ dễ dàng loại bỏ các chất như NaCl, KBr. Chúng tôi tập trung khảo sát hàm lượng thừa PVP trong các mẫu tổng hợp với lượng PVP thay đổi là các mẫu PVP100, 300, 600 trong cùng một điều kiện lọc rửa và quay li tâm của quy trình 2 và 3 đã trình bày trong phần tiến trình thực nghiệm của chương 2. Các mẫu dung dịch chứa dây nano bạc PVP100, 300, 600 được pha loãng với nồng độ tương đương nhau, sau đó đem lần lượt nhỏ một lượng thể tích dung dịch như nhau lên đế KBr dạng tròn – đế này được ép lại từ bột KBr với áp lực 4500kg/m2. Những đế KBr có chứa dây nano bạc được sấy khô và đem đo phổ FTIR được trình bày trong hình 3.12.
Theo nhiều tài liệu tham khảo và tra cứu [11,22] đỉnh hấp thụ ở số sóng khoảng 1650cm-1 là dao động gốc C = O của PVP, còn các đỉnh còn lại ở vùng 3500cm-1 là của các gốc – OH của dung môi. Từ hình 3.12 chúng tôi nhận thấy khi hàm lượng PVP tăng trong quá trình tổng hợp thì lượng PVP thừa còn lại trong mẫu cũng tăng. Do đó để quy trình lọc rửa và ly tâm hiệu quả thì lượng PVP phải được cân đối lựa chọn hàm lượng thích hợp trong quá trình tổng hợp sao cho hàm lượng PVP vừa đủ để tạo ra dây nano bạc theo yêu cầu chế tạo.
Hình 3.12: Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR của các mẫu dung dịch PVP100, 300, 600
Bên cạnh đó, lượng PVP dư là một vấn đề nan giải trong quá trình chế tạo dây nano với hiệu suất cao, vì mỗi quy trình lọc rửa và ly tâm đều làm mất mát dây nano và làm giảm hiệu suất tổng hợp. Để hoàn thiện được hiệu suất thì quy trình này phải được tối ưu hóa trong các nghiên cứu tiếp theo định hướng này của Bộ môn. Cụ thể trong quá trình thực nghiệm của chúng tôi hiện nay, nếu chỉ lọc rửa một lần thì hiệu suất dây nano bạc thu được cao nhưng vẫn còn một lượng nhỏ PVP bám theo dây (thể hiện ở đỉnh hấp thụ tại số sóng 1650 cm-1 trong phổ FTIR như trình bày trên hình 3.12), điều này kéo theo màng dây nano bạc (độ truyền qua T = 75%) chế tạo từ dung dịch lọc rửa một lần có độ dẫn điện kém do sự chồng chập của các dây nano bạc bị xen giữa bởi một lớp polymer mỏng. Nhưng khi tăng quy trình lọc rửa và ly tâm lên thì hiệu suất tổng hợp dây nano giảm hẳn (mỗi lần lọc rửa và ly tâm thì lượng dây nano bạc thu lại giảm 1/3) nhưng độ dẫn của màng dây nano bạc (T = 75%) tăng lên đáng kể. Kết quả sơ bộ màng dây nano bạc (T= 75%) mà chúng tôi thực hiện sau ba lần lọc rửa có độ điện trở là 50 Ω/□ ( đo bằng phương pháp bốn mũi dò).
1648cm-1 3500cm-1 PVP100 PVP300 PVP600 3496cm-1 3493cm-1 1647cm-1 1650cm-1
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod nano… “Công nghệ nano – Vật liệu nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý của người tiêu dùng. Thực chất công nghệ nano – vật liệu nano là gì và vai trò của nó như thế nào?
Khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ – kích thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).
Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet.
Công nghệ nano là vấn đề không hoàn toàn mới, thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong thế giới tự nhiên. Từ thế kỷ thứ 10, người ta đã sử dụng hạt nano để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào kích thước của hạt)… Nghĩa là con người đã sử dụng, chế tạo các vật liệu nano từ rất lâu, chỉ có điều chúng ta chưa biết nhiều về nó.
Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM – Scanning tunneling microscopy hay STM – Scanning probes miroscopy) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Ra đời
mới hơn hai mươi năm, là một ngành công nghệ non trẻ nhưng công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt.
Hình 0:Sơ đồ của kính hiển vi đầu dò quét (SPM hay STM)
Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường.
Vật liệu nano là vật liệu có kích thước nano có thể là các kim loại, oxit kim loại,
các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các chất bán dẫn,… Hiện nay có rất nhiều vật liệu nano với cấu trúc hình thái khác nhau (dạng hạt, dạng thanh, dạng ống,…) đang được các nhà nghiên cứu quan tâm.
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng nanomet có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano.
Điều khiển điện thế dùng ống áp lực Ống áp điện với những
điện cực
Bộ khuyếch đại Bộ phận quét
Bộ phận nhận dữ liệu Thế truyền qua MMẫu
Hiệu ứng bề mặt: ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao.
Kích thước tới hạn: các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ, quang… ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng thường gặp ở vật liệu vĩ mô phổ biến. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang… của vật liệu.
Như đã trình bày ở trên, công nghệ nano được xem như là công nghệ tương lai đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm và các công ty công nghệ trên thế giới quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Nhiều hiệu ứng quan trọng liên quan đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước của các vật liệu nano oxit kim lọai, kim loại… ở các dạng thù hình khác nhau như hạt, dây, mảng…đã được tìm thấy như hiệu ứng quang xúc tác, hiệu ứng trường, tính chất quang, điện dị hướng,… và đang từng bước áp dụng vào công nghệ. Riêng ở Việt Nam, các loại vật liệu nano cũng thu hút nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu từ cuối những năm 1990 và đem lại những thành tựu đáng kể. Như các nghiên cứu về oxit bán dẫn cấu trúc nano ZnO [21], ZnS [19], TiO2 [14] ứng dụng trong các lĩnh vực quang điện tử, quang tử, y sinh. Các nghiên cứu về các hạt cầu nano SiO2 làm vật liệu nền cho các vật liệu quang học mới, các nghiên cứu về chấm lượng tử của các hợp chất bán dẫn ứng dụng trong chiếu sáng rắn và đánh dấu huỳnh quang y sinh [13], [20],…
So với những vật liệu trên, vật liệu nano của kim loại bạc với cấu trúc “dây nano” – nanowire cũng thu hút không kém các nhà nghiên cứu ngoài nước như: nhóm Liangbing Hu của Đại học Stanford, California nghiên cứu ứng dụng của những dây nano bạc làm điện cực [15], nhóm Anand Habib của Đại học Tesxas tại Dallas nghiên cứu những điều kiện tối ưu hóa để tổng hợp những dây nano bạc – 2006 [4],… Còn trong nước hướng nghiên cứu này còn khá mới mẻ.
Phương pháp chế tạo ra những dây nano bạc có rất nhiều như phương pháp polyol – tổng hợp hóa học, phương pháp điện hóa, phương pháp khuôn mẫu,… Những dây nano bạc với những tính chất quang, điện, bề mặt ưu việt hơn so với vật liệu khối nên có nhiều ứng dụng hữu ích trong đời sống. Vì tính mới mẻ, chế tạo đa phương pháp và có nhiều ứng dụng rộng rãi được xem là hướng nghiên cứu khá hiện đại và đầy triển vọng trong lĩnh vực nano kim loại ở nước ta. Chính vì lí do đó tôi quyết định chọn
đề tài “Chế tạo dây nano bạc (Ag nanowire) bằng phương pháp polyol - Khảo sát
hình thái và cấu trúc” để làm khóa luận tốt nghiệp sau đại học.
Trên cơ sở tham khảo các kết quả nghiên cứu của tập thể khoa học thế giới về lĩnh vực dây nano kim loại, chúng tôi xác định rõ mục tiêu của luận văn là tập trung nghiên cứu, tìm ra quy trình chế tạo tạo những dây nano bạc với hiệu suất cao như mong muốn. Từ đó có thể làm chủ được phương pháp chế tạo, nghiên cứu chi tiết về tính chất bề mặt, hình thái cấu trúc và tìm hiểu những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của vật liệu dây nano bạc. Để đạt được mục tiêu nêu ra, trong luận văn này, chúng tôi xây dựng phương pháp chế tạo từ dưới lên (bottom – up) và sử dụng phương pháp hóa học – phương pháp polyol là phương pháp chính để chế tạo có điều khiển kích thước và hình dạng của cấu trúc nano thấp chiều dưới dạng dây của kim loại bạc – nanowire bạc. Tiếp theo là sử dụng các phương pháp: phân tích X – ray – nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại khai triển Fourier (FTIR), phổ hấp thụ UV – Vis, phương pháp đo Hall để xác định cấu trúc cũng như những tính chất của vật liệu này. Các kết quả đạt được trong quá trình thực hiện luận văn sẽ được trình bày một cách có hệ thống trong 3 chương với nội dung chính của mỗi chương như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu nano, dây nano bạc.
Chương 2 trình bày phương pháp thực nghiệm chế tạo dây nano bạc.
Chương 3 trình bày các kết quả và một số bàn luận liên quan tính chất của dây nano bạc.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 VẬT LIỆU NANO
1.1.1 Khái niệm vật liệu nano
Ngày nay, chúng ta vẫn thường xem vật liệu nano và công nghệ nano là một phát minh hiện đại nhưng như đã nói ở trên thực ra chúng đã được con người biết đến và khám phá từ rất lâu từ thời La Mã ở thế kỷ thứ IV (sau công nguyên) cho đến thời Trung Đại, rồi Phục Hưng thông qua quá trình chế tạo các sản phẩm trang trí như các màu trên gốm sứ, vật liệu trang điểm, thuốc chữa bệnh… một cách tự phát… [1]
Nhưng việc nghiên cứu và kiểm chứng bằng thực nghiệm chỉ bắt đầu ở giữa thế kỷ 20 với công trình nghiên cứu năm 1957 của M. Faraday và 1959 của R. Feynman. Cho tới những năm 80, 90 của thế kỷ 20 khoa học và công nghệ nano mới thực sự phát triển và phát triển rất nhanh do đòi hỏi của các ngành khoa học và công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp vi điện tử, nó mở ra triển vọng ứng dụng rất lớn và rộng rãi của các vật liệu nano. Cùng phát triển với nó là các phát minh và phát triển về máy móc, thiết bị nghiên cứu vật liệu nano, đặc biệt là các thiết bị hiện đại xác định kích thước của vật liệu nano như TEM (scanning electron microscopy), STM (scanning tunneling microcopy), HRTEM (high resoution transmission electron microcopy), AFM (atomic force microcopy), XRD (X ray diffraction),…
Khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ - kích
thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).
Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế
tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet.
Vật liệu nano là vật liệu mà cấu trúc cơ bản cấu thành nên nó có kích thước
nằm ở thang nano. Ở thang nano các tính chất mới của vật chất được khám phá có các hiệu ứng đặc biệt liên quan đến kích thước. Chính vì vậy mà hầu hết các tính chất của
vật liệu nano sẽ liên quan mật thiết đến tính chất và kích thước của các “phần tử vi mô” cấu thành nên chúng, tức là phụ thuộc vào thang kích thước điển hình của nguyên tử hay phân tử, hay nói đúng hơn là trung gian giữa kích thước vĩ mô và các kích thước nguyên tử hoặc phân tử. Trong các quá trình và hiệu ứng xảy ra ở thang nano, cơ học lượng tử đóng vai trò quan trọng và chủ đạo. Các tính chất như áp suất chuyển pha, điểm nóng chảy, tính chất quang, điện, từ, xúc tác,… cũng khác so với vật liệu khối cùng thành phần và chỉ có thể hiểu và giải thích được khi áp dụng các quan điểm của vật lý lượng tử.
Vì vật liệu nano cùng với công nghệ nano mở ra nhiều ứng dụng mới trong thực tế và vật liệu nano được xem là trạng thái mới của thế giới vật chất, là cầu nối trung gian liên kết giữa thế giới nano và micro nên khoa học công nghệ sẽ có những bước tiến nhảy vọt và công nghệ nano sẽ trở nên hết sức quan trọng, là mối quan tâm lớn có ảnh hướng sâu sắc đến sự phát triển kinh tế của nhiều nước trên thế giới.
1.1.2 Phân loại vật liệu nano
Ngày nay, vật liệu nano được nghiên cứu và chế tạo với kích thước ngày càng nhỏ và cấu trúc đa dạng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Tùy mục đích sử dụng mà các nhà nghiên cứu chế tạo ra loại vật liệu nano phù hợp. Việc phân loại vật liệu nano chỉ mang tính chất tương đối, tuy nhiên để làm rõ lĩnh vực nghiên cứu thì việc phân loại vật liệu nano là rất cần thiết. Thường người ta phân loại theo hình dáng của vật liệu nano. Dựa theo hình dáng của vật liệu, người ta có một số loại vật liệu nano như sau:
+ Vật liệu nano không chiều (0D): là vật liệu mà ở đó cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử (sự giam hãm lượng tử xảy ra ở cả ba chiều). Các vật liệu nano không chiều điển hình là các đám nano, hạt nano, chấm lượng tử nano,…
+ Vật liệu nano một chiều: là vật liệu có kích thước chiều dài trên chiều rộng