Phƣơng pháp CVD nhiệt nhanh, và cơ chế mọc “cánh diều – kite mechanism” đƣợc nhiều nhà nghiên cứu dùng để giải thích trong quá tổng hợp thành công SWCNTs mọc siêu dài và định hƣớng. Nguyên lý của phƣớng pháp CVD nhiệt nhanh đó là toàn bộ mẫu và thuyền đƣợc đƣa vào tâm của vùng nhiệt CVD khoảng 900oC trong thời gian rất ngắn chỉ vài giây. Đây là điểm khác biệt so với phƣơng pháp CVD thông thƣờng, mẫu nằm sẵn ở trung tâm vùng nhiệt tại tâm lò, quá trình tăng nhiệt diễn ra từ từ. Quá trình nâng nhiệt nhanh này đƣợc thực hiện bằng cách dịch chuyển hệ lò nhiệt UP 150 nằm trên một đƣờng ray. Nó đƣợc thiết kế cho phép chúng ta có thể di chuyển hệ lò sang trái hoặc sang phải 30cm, nhƣ mô phỏng trên hình 3.10 bên dƣới, dịch chuyển hệ lò từ vị trí 1 tới vị trí 2.
Hình 3.10. Hình vẽ mô phỏng quá trình dịch chuyển lò trong phương pháp CVD nhiệt nhanh
Trong việc nghiên cứu chế tạo ống nano cacbon đơn tƣờng siêu dài từ vài mm đến cm, phƣơng pháp CVD nhiệt nhanh (fast-heating) có ảnh hƣởng rất lớn tới chiều dài ống, SWCNTs chế tạo ra có chiều dài (cm) và sự định hƣớng rất tốt. Trong khi đó, với phƣơng pháp CVD nhiệt thông thƣờng (conventional method), các ống nano cacbon đƣợc ghi nhận mọc ngắn hơn, chiều dài khoảng vài chục µm và không thẳng so với phƣơng pháp fast-heating. Sự khác biệt chính giữa hai phƣơng pháp CVD thông thƣờng và CVD nhiệt nhanh đó là tốc độ nhiệt ở trạng thái ban đầu của quá trình CVD khi chúng ta thực hiện dịch chuyển lò nhiệt, giải thích theo cơ chế “cánh diều” nhƣ hình 3.11 bên dƣới:
45
Hình 3.11. Hình vẽ giải thích cơ chế mọc “cánh diều” nâng ống SWCNT lên
Nhƣ đã nêu trong chƣơng I, có hai cơ chế để giải thích cho việc chế hình thành và mọc CNTs đó là: mọc từ đỉnh “tip-growth”, và mọc từ đáy “base-growth”. Đối với SWCNTs đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nhiệt nhanh ngƣời ta sử dụng cơ chế mọc từ đỉnh tip-growth để giải thích cho sự hình thành và mọc dài ống.
Do quá trình nâng nhiệt nhanh nhƣ vậy dẫn tới sự khác biệt về tốc độ ra nhiệt ở mẫu và vùng khí xung quanh, tạo ra các điểm nhiệt độ khác nhau quanh mẫu. Khi đó, một dòng đối lƣu (convection flow) sẽ đƣợc hình thành do sự chênh lệch về nhiệt độ tại điểm sát bề mặt đế và điểm cách xa bề mặt đế hơn. Dòng đối lƣu này sẽ nâng các ống cacbon lên, với xúc tác là các hạt nano khi đó nằm ở đỉnh của mỗi ống (cơ chế tip growth). SWCNTs sẽ mọc hƣớng lên trên, tách ra khỏi bề mặt của đế Si, tạo ra một quỹ đạo đƣờng cong (cánh diều). Dòng khí ở trên bề mặt của đế (laminar flow) sẽ “nâng” các ống nano cacbon trong suốt quá trình CVD, và định hƣớng những ống này theo chiều dòng khí thổi. Trong quá trình mọc, phần đỉnh (đầu) của ống nano cacbon luôn “nổi”, tạo một khoảng cách so với bề mặt. Còn phần đáy của ống đƣợc gắn với đế bởi lực tƣơng tác Van der Waals [12]. Theo cơ chế này, các ống nano tiếp tục mọc cho đến khi phần đỉnh của ống bị đổ xuống bề mặt đế Si, hoặc chúng ta ngừng cung cấp nguồn cacbon cho quá trình CVD.
xúc tác hƣớng khí
đế Silic
46
Hình 3.12.Giải thích dòng đối lưu tạo ra nâng ống lên (convection flow), và dòng khí thổi giữ cho ống luôn “nổi” (laminar flow) [12]
Cơ chế “cánh diều” đƣợc đánh giá là cách giải thích hợp lý, thuyết phục nhất cho việc mọc dài và định hƣớng ống nano cacbon. Ngƣợc lại, đối với cơ chế base-growth, có hai lý do để giải thích về sự hạn chế chiều dài ống nano cacbon. Thứ nhất, sự hạn chế về chiều dài nguyên nhân là do tƣơng tác Van der Waal giữa ống nano cacbon với bề mặt của đế Si khi ống nano đạt đƣợc tới một chiều dài nhất định nào đó, vài trăm µm. Sự tƣơng tác giữa ống và đế càng lớn thì chiều dài sẽ rất hạn chế, giá trị này là một hàm số của chiều dài, sự tƣơng tác càng lớn thì chiều dài càng giảm. Thứ hai, sự khác biệt về độ dài giữa hai cơ chế là sự khuếch tán của cacbon trên bề mặt của xúc tác. Đối với cơ chế mọc đỉnh tip-growth sự khuếch tán nguồn mang cacbon hơi cồn ethanol (C2H5OH) đƣợc xem là tốt hơn.
Hình 3.13. Kết quả ảnh SEM, a) phương pháp CVD thông thường; b) CVD nhiệt nhanh