Trước khi tiến hành CVD nhiệt, các mẫu Si/SiO2 được xử lý sạch bề mặt bằng phương pháp rung siêu âm trong các dung môi hóa học nhằm loại bỏ những tạp bẩn và các chất hữu cơ không mong muốn còn bám trên bề mặt của đế. Các đế Si/SiO2
được dùng để chế tạo ống nano cacbon có kích thước 0.5cm × 1cm và 0.5cm × 0.5cm. Chúng tôi sử dụng hai dung dịch là aceton và cồn ethanol C2H5OH để làm sạch đế Si/SiO2 với quy trình làm sạch như sơ đồ hình 2.4 bên dưới.
Hình 2.4. Quy trình xử lý hóa làm sạch bề mặt đế Si/SiO2
Các đế Si/SiO2 được đưa vào cốc thủy tinh, sau đó đổ từ từ dung dịch aceton vào cốc, bật máy rung siêu âm trong khoảng thời gian 15 phút để làm sạch, tiếp đó các đế này được lấy ra rửa sạch 3 lần bằng nước cất. Chúng tôi thực hiện quy trình trên lần lượt 3 lần với dung môi aceton và 1 lần với ethanol để đảm bảo toàn bộ tạp bẩn bám trên đế được loại bỏ. Các đế Si/SiO2 sau khi xử lý hóa, được sấy khô và bảo quản trong các hộp thủy tinh sạch để đem đi tiến hành CVD nhiệt.
Sau khi các đế Si/ SiO2 đã được làm sạch, chúng tôi tiến hành phủ xúc tác lên bề mặt đế bằng 2 phương pháp: quay phủ spin –coating và nhỏ giọt trực tiếp (droplet – drying).
Xúc tác được phủ lên bề mặt đế bằng hệ thiết bị quay phủ ly tâm được đặt tại Phòng thí nghiệm trọng điểm, Viện KHVL. Dung dịch chứa hạt xúc tác được quay phủ đồng đều trên toàn bộ bề mặt đế Si/SiO2 sạch.
Hình 2.5. (a) Thiết bị quay phủ spin-coating, (b) thực hiện nhỏ dung dịch lên đế Si/ SiO2 sạch.
Phương pháp nhỏ giọt trực tiếp
Dung dịch có chứa hạt xúc tác được nhỏ giọt trực tiếp lên trên toàn bộ bề mặt đế Si sạch hoặc lên một phần của đế (mép của đế Si) sau đó để khô. Tiếp đó, các mẫu có chứa xúc tác này được đưa vào lò nhiệt thực hiện quá trình CVD.
2.3 Quy trình chế tạo ống nano cacbon
2.3.1 Quy trình chế tạo ống nano cacbon định hướng nằm ngang (UL-CNTs) Qui trình chế tạo ống nano cacbon định hướng nằm ngang bằng phương pháp CVD được thể hiện qua hình 2.7 bao gồm 7 bước sau:
Hình 2.7. Sơ đồ quá trình tiến hành CVD chế tạo CNTs định hướng nằm ngang. Bước 1: Trước khi thực hiện CVD, cần phải kiểm tra hệ lò, bình khí, các khớp nối,
các van đóng mở trên hệ thiết bị để đảm bảo công việc sẽ được thao tác chính xác.
Bước 2: Đặt đế có xúc tác vào ống thạch anh nhỏ rồi đưa vào lò phản ứng tại nhiệt
độ phòng.
Bước 3: Bật lò nhiệt, đặt các chế độ cho quá trình CVD như thời gian nâng nhiệt
(khoảng 18oC/ 1 phút), thời gian khử trước và sau CVD, thời gian CVD.
Bước 4: Cho khí Ar đi qua lò với lưu lượng 800sccm để làm sạch lò, đẩy các khí
Bước 5: Khi nhiệt độ của hệ lò đạt tới nhiệt độ CVD, tiến hành mở khí H2, đồng thời điều chỉnh lưu lượng khí về 30sccm rồi đưa khí Ar (đóng van 1, mở van 2 và 3 như trên hình 2.8) sục qua bình thủy tinh 2 cổ, mang hơi cồn C2H5OH vào trong lò. Mục đích của việc này là để đảm bảo dòng khí bên trong ống thạch anh ổn định và đủ lượng hơi cồn trước khi tiến hành CVD. Sau khi các dòng khí ổn định, ethanol được thổi qua khí Ar với lưu lượng và tốc độ như mong muốn, thực hiện dịch chuyển lò, đưa mẫu vào tâm vùng nhiệt, bắt đầu quá trình CVD trong thời gian 60 phút. Đây là phương pháp CVD nhiệt nhanh, sẽ được nghiên cứu và giải thích về cơ chế mọc CNTs rõ hơn ở chương 3 của luận văn này.
Bước 6: Kết thúc quá trình mọc CNTs, ngắt khí Ar sục qua hơi cồn (đóng van 2 và
3, mở van 1), tắt khí H2.
Bước 7: Tiếp tục thổi khí Ar cho đến khi nhiệt độ lò hạ xuống dưới 150oC, mục đích tránh để CNTs cháy khi nhiệt độ trong lò còn đang cao, sau đó tắt khí Ar để cho lò hạ về nhiệt độ phòng, mở lắp lấy mẫu, kết thúc quá trình thí nghiệm.
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thiết bị CVD nhiệt sử dụng để chế tạo CNTs
2.3.2. Quy trình chế tạo ống nano cacbon định hướng vuông góc (VA-CNTs) Qui trình chế tạo ống nano cacbon định hướng vuông góc bằng phương pháp CVD được thể hiện qua hình 2.9 bao gồm 7 bước sau:
Hình 2.9. Sơ đồ quá trình tiến hành CVD chế tạo CNTs định hướng nằm ngang.
Bước 1: Trước khi thực hiện CVD, cần phải kiểm tra hệ lò, bình khí, các khớp nối,
các van đóng mở trên hệ thiết bị để đảm bảo công việc sẽ được thao tác chính xác.
Bước 2: Đặt đế có xúc tác vào ống thạch anh nhỏ rồi đưa vào vùng nhiệt trung tâm
ở giữa lò phản ứng tại nhiệt độ phòng.
Bước 3: Bật lò nhiệt, đặt các chế độ cho quá trình CVD như thời gian nâng nhiệt
(khoảng 18 C/ 1 phút), thời gian khử trước và sau CVD, thời gian CVD.
Bước 4: Giữ nhiệt độ lò 4000C trong môi trường không khí khoảng 20 phút để loại bỏ các hợp chất hữu cơ bao quanh hạt Fe3O4 rồi tiến hành thổi khí Ar vào với lưu lượng 800 sccm để đẩy các khí khác trong ống phản ứng tạo môi trường trơ, đồng thời đậy đậy nắp cửa ống thạch anh lại ngăn không cho mẫu tiếp xúc với môi trường không khí.
Bước 5: Khi nhiệt độ của hệ lò đạt tới 600oC, tiến hành cho khí H2 vào với lưu lượng 100sccm với mục đích khử các hạt Fe3O4 thành các hạt Fe làm xúc tác cho quá trình mọc CNTs. Quá trình khử được kéo dài thêm 30 phút sau khi đạt nhiệt độ mọc CNTs (750oC)
Bước 6: Đưa tiếp khí C2H2 vào với lưu lượng 30sccm và bắt đầu quá trình CVD trong thời gian 30 phút.
Bước 7: Kết thúc quá trình CVD, đóng khí C2H2 và H2 (sau đó 10 phút), vẫn duy trì khí Ar cho đến khi nhiệt độ lò hạ xuống dưới 150oC, mục đích tránh để CNTs cháy khi nhiệt độ trong lò còn đang cao, sau đó tắt khí Ar để cho lò hạ về nhiệt độ phòng, mở lắp lấy mẫu, kết thúc quá trình thí nghiệm.