vat lieu nano gttq phan iv 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIHANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (HUT)

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE

VIỆN

VVẬẬT LIT LIỆỆU CU CẤẤU TRU TRÚÚC NANOC NANONANOSTRUCTURED MATERIALSNANOSTRUCTURED MATERIALS

HANOIHANOI--20102010

PGS. TSPGS. TS. . NguyNguyễễnn AnhAnh TuTuấấnn

PGS. TS. NguyPGS. TS. Nguyễễn Văn Hin Văn Hiếếuu

TS. NguyTS. Nguyễễn Văn Quyn Văn Quy

GIỚI THIỆU CHUNG

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

CCẤẤU TRU TRÚÚC & PHC & PHẠẠM VI MÔN HM VI MÔN HỌỌCC

MMởở đ đầầuu -- GiGiớới thii thiệệu nhu nhữững vng vấấn đn đềề chung chung

PhPhầần In I -- VVậật lit liệệu nano bu nano báán dn dẫẫnn

PhPhầần IIn II -- VVậật lit liệệu nano quang tu nano quang tửử & & quang điquang điệện tn tửử

PhPhầần IIIn III -- VVậật lit liệệu nano tu nano từừ & Spintronics& Spintronics

PhPhầần IVn IV -- CCáác vc vậật lit liệệu nano khu nano kháác vc vàà mmộột st sốố vvấấn n

đ đềề liên quanliên quan


HHọọc viên nc viên nắắm đưm đượợc:c:

- Các loại/dạng vật liệu điện tử nano ở đó sử dụng các tính chất phụthuộc kích thước/cấu trúc nano: điện tử, quang, quang-điện tử, và từ.

- Những công nghệ/kỹ thuật/phương pháp cách thức tiêu biểu để chếtạo, xử lý, gia công, thao tác, lắp ráp các cấu trúc, các tổ chức nano, hay để quan sát, đo lường và phân tích các đặc trưng nano.

- Bản chất vật lý của các tính chất, tính năng do cấu trúc hay kích thước nano tạo ra.

- Những ứng dụng chính của các vật liệu điện tử nano tương ứng.

- Thấy được ý nghĩa của KH & CN nano trong khoa học và đời sống.

MỤC ĐÍCH MÔN HỌC


GIỚI THIỆU CHUNG & TỔNG QUANPGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

VẬT LIỆU NANO BÁN DẪN (PhPhầần In I)PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu

VẬT LIỆU NANO QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ (PhPhầần IIn II)TS. Nguyễn Văn Quy

VẬT LIỆU NANO TỪ & SPINTRONICS (PhPhầần IIIn III)PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN (PhPhầần IVn IV)PGS. TS. Nguyễn Anh TuấnPGS. TS. Nguyễn Văn HiếuTS. Nguyễn Văn Quy


PHÂN CÔNG GIPHÂN CÔNG GIẢẢNG DNG DẠẠYY

GIỚI THIỆU CHUNGMục đích môn học, Cấu trúc & phạm vi môn học, Sách GK và tài liệu tham khảo

TỔNG QUAN (Nguyễn Anh Tuấn)

1. Tóm lược lịch sử về KH&CN nano2. Phân loại, giới thiệu chung về cách thức tiếp cận nghiên cứu các vật liệu nano3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước4. Một số vấn đề chung về công nghệ chế tạo vật liệu nano5. Các công cụ cho khoa học nano (chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)6. Ứng dụng của công nghệ nano - Các sản phẩm từ công nghệ nano

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO (Nguyễn Văn Hiếu)

1.1. Giới thiệu về linh kiện bán dẫn có cấu trúc nano1.2. Hạt nanô bán dẫn: Tính chất, tổng hợp và ứng dụng1.3. Dây nanô bán dẫn: Tính chất, tổng hợp và ứng dụng1.4. Cấu trúc nanô “3D” dạng màng mỏng1.5. Các phương pháp vật lý chế tạo cấu trúc nanô

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU QUANG TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC NANO(Nguyễn Văn Quy)

2.1. Các chấm lượng tử bán dẫn2.2. Nano silic2.3. Các cấu trúc nano ZnS và ZnO NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

NNỘỘI DUNG CHI TII DUNG CHI TIẾẾTT

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS(Nguyễn Anh Tuấn)

3.1. Tính chất từ ở thang nano3.2. Vật liệu từ khối có cấu trúc nano3.3. Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ3.4. Dây từ và ống từ nano3.5. Màng mỏng từ cấu trúc nano3.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập3.7. Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng cấu trúc từ nano

CHƯƠNG 4: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN4.1. Các vật liệu nano carbon (Nguyễn Văn Quy)

4.2. Các vật liệu nano chức năng đặc biệt khác (Nguyễn Văn Hiếu)

4.3. Hoá học nano (Nguyễn Văn Hiếu)

4.4. Khía cạnh an toàn và những thách thức của vật liệu nano (Nguyễn Văn Hiếu)

4.5. Các cấu trúc nano trong tự nhiên (Nguyễn Anh Tuấn)

4.6. Điện tử học phân tử, nguyên tử và thông tin lượng tử (Nguyễn Anh Tuấn)

4.7. Tình trạng phát triển và tương lai của công nghệ nano (Nguyễn Anh Tuấn)



SpintronicsSpintronics


Tài liệu tham khảo

1) Nanostructured Materials and Nanotechnology, Hari Singh Nalwa, Academic Press, US, 2002.

2) Nanostructured Materials: Selected synthesis methods, Properties and applications, Harry L. Tuller, Kluwer Academice, US, 2004.

3) Nanostructured Fabrication and Analysis, H. Nejo, Spinger, 2006.

4) ADVANCED MAGNETIC NANOSTRUCTURES, Eds. by David Sellmyer and Ralph Skomski; Springer Science + Business Media, Inc. 2006.

5) Nanoscience - Nanotechnologies and Nanophysics; Eds. by C. Dupas P. Houdy M. Lahmani; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007.


TÀI LIỆU ĐỌC THÊM


1) Công nghệ nano - Điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử, Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, NXB KHKT – Hà nội 2004.

2) Vật lý ứng dụng trong đời sống hiện đại, Nguyễn Xuân Chánh, NXB TRẺ – TP.HCM 20093) Magnetism in Ultrathin Transition Metal Films, Ulrich Gradmann, Chapter 1 in “Handbook

of Magnetic Materials”, Vol. 7 Ed. by K.H.J. Buschow, North-Holland, Elsevier Science Publishers B.V., 1993.

4) Ultrathin Magnetic Structures I, II, III, Eds. by J.A.C. Bland and B. Heinrich, Spinger-Verlag Berlin Heidenberg 1994.

5) Nanotechnology, Gregory Timp, Springer-Verlag New York, Inc. 1999. 6) Nanomaterials: Synthesis, properties and applications, Eds. by A.S. Edelstein and R.C.

Cammarata, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia 1996.7) Nanoscale characterization of surfaces and interfaces, N.J. DiNardo, in Vol. 2B “Characteri

-zation of Materials”, Part II (vol. ed. by E. Lifshin) of “Materials Science and Technology –A Comprehensive Treatment” ed. by R.W. Cahn, P. Haasen and E.J. Kramer. Weinheim –New York – Basel – Cambridge – Tokyo 1993.

8) Magnetic Nanostructures; Eds. by B. Akta¸s, L. Tagirov and F. Mikailov; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007.

9) Magnetic Properties of Fine Particles, Ed. by J.L. Dormann and D. Fiorani, North-Holland, Amsterdam - London - New York – Tokyo 1992.

TỔNG QUAN


1. Định nghĩa và Tóm lược lịch sử về KH & CN nano

2. Phân loại và giới thiệu chung về cách thức tiếp cận nghiên cứu các cấu trúc nano

3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước

4. Một số vấn đề chung về công nghệ chế tạo các vật liệu cấu trúc nano

5. Các công cụ cho khoa học nano (chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)

6. Ứng dụng của công nghệ nano - Các sản phẩm từ công nghệ nano


Từ “nanonano” có nguồn gốc từ chữ Hy lạp: “nannos”, nghĩa là bé nhỏ, thấp lùn.

Theo quy ®Þnh quèc tÕ, tiÒn tè nano t−¬ng øng víi 10-9, viÕt t¾t lµ n. ThÝ dô: nanogam viÕt t¾t lµ ng = 10-9 g, nanomet viÕt t¾t lµ nm = 10-9 m.

Mét nanomÐt cã kÝch th−íc cì kho¶ng 10 nguyªn tö H, hoÆc 5 nguyªn tö Si.

Ví dụ: Tinh thể Au - Mạng LPTM

~ 0.45 nm (4.5 Ǻ)

~ 0.318 nm (3.18 Ǻ)

1 nm có kích thước khoảng 3 nguyên tử Au

ĐỊNH NGHĨA VỀ KHOA HỌC VÀ C«ng nghÖ nano

1- ĐN & Tóm lược lịch sử về KH&CN nano


ĐN: KHnano & CNnano nghiên cứu và ứng dụng các hiện tượng,

các hệ thống, và các cấu trúc mà ở đó:

1- Ít nhất có một chiều lc (kích thước tới hạn) có kích thước vài nm.

2- Có những tính chất hoàn toàn khác, nổi trội khi l < lc

Điều kiện thứ 2 làm cho "nano" khác với "micro", "(macro)-molecular chemistry" or "biology" (sinh học liên quan đến các cấu trúc phân tử).

Chú ý: Sub-micron không phải là 'nano' !

Với công nghệ nano, kích thước chính xác của nguyên tử không quan trọng bằng việc gắn nó với những phần nhỏ nhất của vật chất mà con người có thể thao tác, điều khiển được.

ĐỊNH NGHĨA VỀ KHOA HỌC VÀ C«ng nghÖ nano



• Vµo TK 4th sau CN: ng−êi ta ®· chÕ t¹o ®−îc mét chiÕc cèc (Lycurgus Cup) chøa c¸c h¹t vµng ë d¹ng nano (gold colloids) cã tÝnh chÊt cho ¸nh s¸ng ®á truyÒn qua vµ ph¶n x¹ ¸nh s¸ng xanh.

• 1618: quyÓn s¸ch ®Çu tiªn vÒ nhò t−¬ng vµng (Colloidal Gold) ®· ®−îc nhµ triÕt häc, ®ång thêi lµ b¸c sÜ, Francisci Antonii xuÊt b¶n.

• Vµo TK 17th -18th: mét sè s¸ch vÒ nhò t−¬ng vµng tiÕp tôc ®−îc xuÊt b¶n vµ b¶n th©n nhò t−¬ng vµng ®· ®−îc sö dông trong y häc, nhuém mµu cho gèm vµ t¬ lôa.

• 1857: Michael Faraday ®· ®−a ra ph−¬ng ph¸p t¹o ra dung dÞch ®á thÉm tõ nhò t−¬ng vµng b»ng c¸ch sö dông CS2 ®Ó lµm gi¶m kt hạt AuCl4.

• 1908: Lý thuyÕt Mie vÒ d¶I plasmon bÒ mÆt cña AuNP ®· ®−îc ph¸t triÓn.

• 1970s: AuNP ®· ®−îc sö dông ®Ó d¸n nh·n miÔn dÞch häc vµ ®¸nh dÊusinh häc.



Trong bài giảng ở Hội Vật lý Mỹ (American Physical Society - APS) năm 1959: “There’s Plenty of Room at the Bottom”, R. Feynman tiên đoán và tin tưởng về việc con người có thể tạo ra được các linh kiện ngày càng nhỏ hơn với công năng ngày càng lớn hơn:

“... computers with wires no wider than 100 atoms, a microscope that could view individual atoms, machines that could manipulateatoms 1 by 1, and circuits involving quantized energy levels or the interactions of quantized spins”.

• 1959, Richard Feynman (1918-1988) nhà vật lý người Mỹ gốc Do Thái, giải thưởng Nobel Vật lý năm 1965 về Điện động lực học lượng tử (QED - quantum electrodynamics) và Sắc động lực học lượng tử (QCD - quantum chromodynamics).

- Máy tính có các mạch dẫn điện với độ rộng không quá 100 nguyên tử.- Kính hiển vi có thể nhìn thấy các nguyên tử riêng rẽ.- Những cỗ máy có thể thao tác với từng nguyên tử một.- Các mạch điện tử sử dụng các linh kiện hoạt động trên cơ sở các mức năng lượng được lượng tử hoá, hoặc các tương tác của các spin được lượng tử hoá.


- Kính hiển vi nhìn thấy các nguyên tử riêng rẽ

6 nguyên tử 5 nguyên tử 4 nguyên tử 3 nguyên tử

- Có thể thao tác với từng nguyên tử một (Ảnh hiển vi ion)

- Ví dụ: Hiển vi STM, AFM

Ảnh STM của mạng nguyên tử HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite)

Ảnh AFM mode khong tiếp xúc của mạng nguyên tử Si(111) 7x7 trên đế

Ag(√3x √3)Ảnh STM của các nguyên tử bề

mặt graphite


• Taniguchi (1974) ®−a ra thuËt ng÷ vÒ c«ng nghÖ nan« ®Çu tiªn (nano-technology): Lµ c«ng nghÖ nh»m gia c«ng vËt liÖu chÝnh x¸c tõ 100 ®Õn 0,1 nm.

•• K. Eric Drexler (1986)K. Eric Drexler (1986) ((NhNh÷÷ng cng cçç mm¸̧y sy s¸̧ng tng t¹¹o o -- Engines of CreationEngines of Creation): ): §iÓm ®Æc biÖt cña c«ng nghÖ nan« lµ theo h−íng tõ nhá ®Õn to. §ã lµh−íng ®iÒu khiÓn l¾p ghÐp (hoÆc ®iÒu khiÓn tù l¾p ghÐp) çc nguyªn tö, ph©n tö ®Ó t¹o ra nh÷ng cç m¸y tÝ hon cã chøc n¨ng nh− tÕ bµo cña c¬thÓ sèng, cã thÓ sao chÐp.

•• Mihail C. Roco (1999)Mihail C. Roco (1999): : C«ng nghÖ nan« lμ c«ng nghÖ liªn quan ®Õn vËt liÖu vμ hÖ cã çc tÝnh chÊt chñ yÕu nh−: Ýt nhÊt lμ cã mét chiÒu kÝch cì tõ mét ®Õn mét tr¨m nanomet, ®−îc thiÕt kÕ chÕ t¹o dùa trªn c¬ së ®iÒu khiÓn theo nh÷ng qu¸ tr×nh lý hãa tõ cÊu tróc cì ph©n tö vμ cã thÓ tæ hîp l¹i ®Ó t¹o ra cÊu tróc lín h¬n. .

•• MMéét ct ç̧ch tch tææng qung qu¸̧tt, KH vµ CN Nano lµ khoa häc vµ c«ng nghÖ nh»m tiÕp cËn, t¹o ra çc vËt liÖu, linh kiÖn vµ hÖ thèng cã çc tÝnh chÊt míi, næi tréi nhê vµo kÝch th−íc nanomÐt, ®ång thêi hiÓu ®−îc vµ ®iÒu khiÓn ®−îc çc tÝnh chÊt vµ chøc n¨ng cña chóng khi ë kÝch th−íc nanomÐt.

Khoa học và công nghệ nano là gì ?

Nano: Khoa học Phục hưng

now!

size

time

solid state physics& engineering

biology

chemistry

nm


(Theo Peter Grutter, Physics Dept., McGill University)


Những tiến bộ cơ bản trong KH và CN đã và sẽ làm xoay chuyển 2 lần trong một thế kỷ và dẫn đến việc tạo ra nhiều của cải vật chất.

Cách mạng công nghiệp Cách mạng thông tin

Bắt đầu đưa công nghệ vàoChấp nhận vàphổ biếnKết thúc thời kỳphát triển nhanh


Điện tử nano (Nanoelectronics)Vật liệu nano (Nanomaterials)Y-sinh học nano (Nanobio/nanomed)Các công cụ mới (gồm cả phần cứng và phần mềm)

Điện tử học và quang tử học (Electronics and photonics)• Điện tử học spin (spintronics), điện tử học phân tử (molecular electronics),

máy tính lượng tử• Vật liệu quang tử bán dẫn, các nguồn đơn photon• Cảm biến và đầu dò/phát hiện

Khoa học vật liệu (Materials Science)• Bột siêu mịn, các loại composites• Các vật liệu mới có độ cứng cao, siêu chống mài mòn, không thấm nước,

kháng khuẩn, chống bụi, tự làm sạch,...• Sản xuất thân thiện môi trường, giá thành phù hợp

Y-Sinh học (Bio-medical)• Những ứng dụng mới xuất hiện (về vật liệu y-sinh, chẩn đoán, điều trị,...)• Các công cụ nghiên cứu sinh học (đánh dấu, dụng cụ nano cho y-sinh)• Công nghệ sinh học ứng dụng cho KH&CN nano

Những khu vực chịu ảnh hưởng nhiều nhất

Nhiều lĩnh vực chịu ảnh hưởng của KHnano & CNnano


'There is plenty of room at the bottom'(Richard P. Feynman, 1959)

E

2- Phân loại & cách thức tiếp cận nghiên cứu các cấu trúc nano

Dạng 3D được cấu trúc thành nano

Các dạng cấu trúc

2.1. Đặc trưng chung về cấu trúc



So sSo sáánh cnh cáác cc cấấu tru trúúc/tc/tổổ chchứức nano vc nano vàà micromicro

Phế nang phổi

Phấn hoa

Vi trùng

Vi khuẩn

Muội khói

Nguyên tử

Nơron thần kinh

Sợi tóc

Hồng cầu

Đường kínhchuỗi xoắn DNA

Fullerine, C60


30 nm

Các hạt Co (d ~ 30 nm) phân tán trong nền Ag


CCấấu tru trúúc nano kic nano kiểểuu 0D0D: Các hạt, dot, chùm, đám kết tụ,... có kích thước nano theo cả 3 chiều KG

Hạt Fe nano: các nguyên tử Fe kết tụthành hạt có d ~ 25 nm được bao bọc bằng lớp C dày ~ 2 nm.

Hạt coban nano: các nguyên tử Co kết tụ lại thành các hạt có đường kính d ~ 30 nm trong nền Ag.


Chùm hạt nano



: Một chùm (cluster) gồm các đám hạt kích thước ~ 5 nm của các phân tử NiS kết tụ lại với kích thước ~ 15-20 nm.


Sợi nano Fe 25 nm


Sợi nano Carc bon dài tới 10 μm

CCấấu tru trúúc nano kic nano kiểểuu 1D1D:

Các sợi, dây, chuỗi có kích thước nano theo 1 chiều KG

Sợi (ống) carbon nano: các nguyên tử C xắp xếp định hướng dọc theo 1 chiều có độ rộng d ~ 1 - 2 nm.

Sợi sắt nano: các nguyên tử Fe mọc thành sợi có đường kính d ~ 25 nm.


100 nm CoAl2O3(3nm)/Co(1nm)/Al2O3(3nm)

Co

Một cấu trúc màng mỏng nhiều lớp (trên đế Si):

Co(100nm)/AlO(3nm)/Co(1nm)/AlO(3nm)/Co(100nm)


CCấấu tru trúúc nano kic nano kiểểuu 2D2D:

Các màng siêu mỏng, lớp, mặt, tấm có kích thước nano theo 2 chiều KG

Graphene: các nguyên tử carbon xắp xếp theo đơn lớp (chỉ 1 lớp nguyên tử).

Màng siêu mỏng: các nguyên tử xắp xếp theo những lớp mỏng nanomét.



1 2

3 4

Cấu trúc kỳ lạ của carbon – các dạng thù hình:1- Graphene 2- Graphite3- Ống nano carbon (CNT)4- Fullerene


Hình ảnh TEM của một vật liệu khối có cấu trúc nano pha, là các nano tinh thể(nanocrystallites) với kích thước pha nano tinh thể ~ 10 nm.

CCấấu tru trúúc nano kic nano kiểểuu 3D3D: Các khối có kích thước lớn theo cả 3 chiều KG nhưng chứa các phần tử cấu thành có kích thước nano: vật liệu nano pha, vật liệu nano tinh thể, vật liệu chứ các hạt/chùm hạt nano, sợi nano, tấm nano, v.v...



2.2. C2.2. Cáách tich tiếếp cp cậận cn cáác cc cấấu tru trúúc nanoc nano

S¾p xÕp/lắp ráp tõ c¸c “khèi” cã kích thước nano:

- C« ®Æc tõ bét/sol khÝ- Tæng hîp b»ng ph−¬ng ph¸p ho¸

học (sol-gel, hoμn nguyªn)- L¾ng ®äng b»ng ph−¬ng ph¸p vËt

lý (bèc bay, phón x¹,...)

“§Ïo gọt” tõ khèi lín xuèng ®Õn cÊu tróc nano:

- Bằng c¬ häc (nghiÒn, c¸n, ®ïn, Ðp, mài,…)

- Bằng vật lý (b»ng các thuật khắc ánhs¸ng, chùm tia X, chïm tia ®iÖn tö, chùm ion,...),

- Bằng hoá học (ăn mòn, tẩm thực,…)

TiTiếếp cp cậận tn từừ dư dướới lên i lên BottomBottom--UpUp

TiTiếếp cp cậận tn từừ trên xutrên xuốốngngTopTop--DownDown

Vật liệu được tạo thành có cấu trúc nano




3.1. CCáác LOc LOẠẠI HÌNH CƠ BI HÌNH CƠ BẢẢN cN củủa ca cấấu tru trúúc nanoc nano

3.2. Đặc trung chung về tính chất VẬT LÝ

3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano


3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.1. C3.1. Cáác LOc LOẠẠI HÌNH cơ bI HÌNH cơ bảản cn củủa ca cấấu tru trúúc nanoc nano

Các dạng cấu trúc nano cơ bản - Hạt, chùm (nguyên tử)- Sợi (dây), thanh, ống, cột- Màng siêu mỏng, bề mặt

- Khối, màng dày, tấm, phiến

Các loại hình cấu trúc nano cơ bản - Quantum Dot (chấm lượng tử)- Nanocomposite (hỗn hợp nano)- Nanopolymer (chất dẻo nano)- Nanoceramic (gốm nano)

- Nanodroplet (giọt nano)- Nanofluidics (chất lỏng nano)- Nanobiomaterial (sinh học nano)

0D

1D

2D

3D

•• QDsQDs là đám kết tụ các ng.tử/ph.tử có kích thước nhỏ ~ 1- 10 nm. QD còn được gọi là nano tinh thể (nanocrystals, NCs), thường có cấu trúc kiểu lõi-vỏ. Trong trường hợp có cả thành phần liên kết bên ngoài (như các phân tử hóa học hay sinh học), có thể lên tới 15-20 nm.

• Tính chất nổi bật của QD là giữa tính chất khối và tính chất của phân tử riêng rẽ.

- Quantum dot


3.1. C3.1. Cáác LOc LOẠẠI HÌNH cơ bI HÌNH cơ bảản cn củủa ca cấấu tru trúúc nanoc nano3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước

QD CdSe/ZnS với cấu trúc lõi-vỏ có dạng hình cầu: lõi là tinh thể bán dẫn CdSe được bao bởi lớp vỏ làbán dẫn ZnS. Đương fkính lõi từ 2 tới 10 nm, và vỏdày từ 0.5 to 4 nm. (Evident Technologies Inc.).


- Quantum dot

3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.1. C3.1. Cáác LOc LOẠẠI HÌNH cơ bI HÌNH cơ bảản cn củủa ca cấấu tru trúúc nanoc nano

Quantum dot của GaAs, gồm có 465 nguyên tử. Mầu xanh lục thể hiện mật độ điện tử của 465 nguyên tử GaAs.

Ảnh AFM của Quantum Dot GaAs trên bề mặt của InGaAs

Cấu trúc của một QD gồm cấu trúc lõi-vỏ (VD: InGaP-ZnS) vàlớp bao phủ do liên kết tự nhiê hay được tổng hợp.

• Một hỗn hợp nano (nanocomposite) là một loại vật liệu đa pha (multiphase) trong đómột hay nhiều pha có ít nhất một chiều ở thang nanomét (≤ 100 nm).

• Cũng có thể hiểu nanocomposite chính là composite mang các ưu điểm của các tính chất vật liệu khác thường khi ở thang nanomét.

- Nanocomposite


3.1. C3.1. Cáác LOc LOẠẠI HÌNH cơ bI HÌNH cơ bảản cn củủa ca cấấu tru trúúc nanoc nano


Polymer/Metal Nanocomposite

Platinum

Silicon Nền polymer được lấp đầy bởi bột nano kim loại.Cấu trúc của một vật liệu

nanocomposite kiểu polymer/KL.

- Nanocomposite




Nanocomposite PP-clay (NanoclayNanoclay)): Nền polymer được trộn đầy sợi nano polypropylene (PP) [Gilman, et al, Chemistry of

Materials; 2000; 12; 1866-1873.]Màng gelatin được trộn hạt nano

alumina (ôxýt nhôm) (nanoparticlesnanoparticles).

Vật liệu nanocomposite được mở rộng ra cho tất cả các hệ vật liệu dạng 1D, 2D, 3D và vô định hình, mà được tạo ra từ các thành phần có tính chất hoàn toàn khác biệt nhau, được trộn lẫn với nhau ở thang nanomét.

Các hạt nanopolymer hình cầu có đường kính d ~ 50-70 nm.

- Nanopolymer




Cấu trúc polymer dạng nhánh cây (dendrimers) phân ly đơn (monodisperse) được hình thành từ một lõi có cấu trúc kiểu đa lớp nanopolymer hình cầu có đường kính d ~ 35-70 nm.

Nanopolymer dạng hạt

Nanopolymer dạng sợi

- Nanopolymer




(a) Ảnh SEM của các sợi nanopolymer (-C60TMB-)n (TMB = trimethylbenzene. (b) Giản đồnhiễu xạ điện tử diện tích chọn lọc (SAED) của một sợi nanopolymer, cho thấy bản chất vi tinh thể của polymer này.

- Nanoceramic





3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.2. Đặc trưng chung về VẬT LÝ

A A -- ĐI ĐIỆỆN TN TỬỬ TRONG CTRONG CÁÁC HC HỆỆ THTHẤẤP CHIP CHIỀỀUU

Kích thước suy giảm ➼+ Tính chất vận chuyển (transport) thay đổi

+ Xuất hiện các hiệu ứng lượng tử hóa

+ Tính chất vận chuyển ➼ Các yếu tố chiều dài đặc trưng quan trọng nhất:

- Quãng đường tự do trung bình (mean free pathmean free path): khoảng cách trung bình giữa các va chạm của các hạt dẫn – ĐN: λ = (nσ)-1 ; σ = ne2τ/m (τ = th/gian tự do tb).

- Chiều dài phá vỡ pha (phasephase--breaking lengthbreaking length): là giới hạn khoảng cách mà khi vượt qua nó sự kết hợp của hàm sóng bị mất đi – Chính là khoảng cách (trung

bình) mà các điện tử khuếch tán giữa các tán xạ không đàn hồi trong một khoảng d nào đó. – ĐN: λinel = (2dDτinel)½ (d = phạm vi xảy ra sự khuếch tán giữa các va chạm không đàn hồi, D = hệ số khuếch tán, τinel = thời gian (trung bình) giữa các lần va chạn không đàn hồi.

- Bước sóng Fermi (Fermi wavelengthFermi wavelength) – ĐN: λF = 2π/kF (kF = vectơ sóng của điện tử ở mặt Fermi).


+ Các hiệu ứng lượng tử

3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.2. Đặc trung chung về VẬT LÝ

Mật độ trạng thái của điện tử (DOS) phụ thuộc vào kích thước của hệ.

- Sự chuyển động của các hạt vi mô trong một khoảng không gian có kích thước theo phương chuyển động đó so sánh được với các chiều dài đặc trưng (λ, λinel , λF) sẽ bịlượng tử hóa. ➼ Dẫn đến sự thay đổi trong phổ năng lượng và trong các tính chất động lực của hệ.- Các hiệu ứng vật lý bị lượng tử hóa:+ Trạng thái của điện tử+ Hiện tượng chắn Coulomb+ Các trạng thái liên kết+ Sự vận chuyển trong cấu trúc lớp dị thể+ Sự giam hãm/nhốt điện tử

+ Dòng điện ở thanh nanov.v...



- ĐN: Các vật liệu cấu trúc nano khối là những khối chất rắn có các cấu trúc vi mô ởthang nano hay một phần cấu trúc vi mô ở thang nano.

- Lịch sử: * Hiện tượng hóa cứng của các hợp kim nhôm (Alfred Wilm, 1906) Al-4%Culà do hình thành các chùm (cluster) ng.tử Cu có kích thước ~ 10 nm chiều dày và ~

100 nm đường kính trong nền Al.* Hay mật độ dòng tới hạn của vật liệu siêu dẫn thương mại Nb3Sn đạt giá trị cao

khi kích thước hạt ~ 50 - 80 nm (Scanlan et al. 1975).* Các vật liệu vi tinh thể, cho đến nano tinh thể dưới dạng khối hay băng vô định

hình (Fine-Met), 1980s, có nhiều tính chất hoá, lý được cải thiện rất gây ấn tượng, thậm chí xuất hiện những tính chất hòan toàn mới khi kích thước hạt tinh thể kim loại giảm xuống ~ < 1 μm (đối với vi tinh thể), và ~ < 100 nm (đối với hạt nano tinh thể).

➽ Các tính chất khối của vật liệu sẽ thay đổi hòan toàn hoặc rất nhiều khi vi cấu trúc của chúng nằm trong thang nanomét.

- Có một số loại hành vi khối của vật liệu nano thường được đề cập đến: * Các tính chất cơ học: tính đàn hồi, tính cứng/dẻo, v.v...* Các tính chất từ: từ mềm, từ cứng, tính chất làm lạnh từ (từ nhiệt), các hiện

tượng từ điện trở, v.v...* Khả năng tích trữ hydro,...



Ví dụ về vật liệu khối có cấu trúc nano



Grain

Particle


Hành vi khối (hay những tiên đoán) về t/c cơ học của vật liệu nano:

- Tính chất đàn hồi (elastic):Có môdul đàn hồi Young, E, thấp hơn đáng kể so với các vật liệu có kích thước hạt

thông thường: chỉ bằng khoảng 30-50%.

- Tính cứng (hardness) và tính bền (strength): + Đối với nano tinh thể của KL sạch:

Có độ cứng và độ bền rất cao: từ 2 đến 7 lần lớn hơn của nano tinh thể của các KL sạch với kích thước hạt ~ 10 nm so với các KL có kích thước hạt > 1 μm.

+ Đối với các vật liệu ở chế độ có kích thước hạt ở thang nano:Độ cứng giảm khi giảm kích thước hạt – có độ dốc Hall-Petch âm.

- Tính dễ kéo sợi (ductility) và tính dẻo (toughness)Ở nhiệt độ tương đối thấp, đối với các vật liệu gốm giòn, dễ gãy vỡ; hoặc các hợp kim liên KL có kích thước hạt ở thang nano, khi có cấu trúc nano, cơ chế biến dạng tuân theo kiểu khuếch tán (diffusional deformation mechanisms). ➼ Các vật liệu

giòn thông thường trở nên có tính dẻo, thậm chí siêu dẻo.

3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano


- Tính dễ kéo sợi (ductility) và tính dẻo (toughness)+ Kích thước hạt có ảnh hưởng mạnh lên tính chất mềm và dẻo của vật liệu có kích

thước hạt thông thường (> 1μm). Khi kích thước hạt trở nên tinh hơn, các vết nứt vi mô khó lan rộng hơn, do đó làm tăng độ dẻo nứt biểu kiến.

+ Trong các VL nanocomposite, ứng suất nứt có thể thấp hơn ứng suất đàn hồi, do đó làm giảm độ dẻo. Về độ bền, các KL nano tinh thể sạch có kích thước hạt < 30 nm thể hiện hành vi dễ kéo dài đáng kể.

- Hành vi siêu dẻo (superplastic) – Là khả năng biến dạng kéo căng rất lớn mà không cần xiết hay bẻ (độ dãn dài có thể lên đến từ 100 % đén > 1000 %).Khi kích thước hạt giảm xuống, nhiệt độ giảm tại điểm xuất hiện trạng thái siêu dẻo; trong khi tỷ suất sức căng lại tăng lên.

- Những tính chất cơ học khác thường khác của các vật liệu nanocompositeVới kích thước hạt nhỏ xuống đến ~ 2 nm ➼ xuất hiên biến dạng trượt: VD như ở

hợp kim Fe-10%Cu với kích thước hạt trong khoảng 45 – 1.680 nm; hay trong các vật liệu hợp kim KL vô định hình, hoặc polymer vô định hình.




4. Một số vấn đề chung về công nghệ chế tạo vật liệu nano

TOP – DOWNTECHNOLOGY

BOTTOM – UPTECHNOLOGY

CÊu tróc nano

CÔNG NGHỆ "TỪ TRÊN XUỐNG" CÔNG NGHỆ "TỪ DƯỚI LÊN"

Sắp xếp/lắp ráp từ các “khối”có kích thước nano:- C« ®Æc tõ bét/sol khÝ- Tæng hîp b»ng ph−¬ng

ph¸p ho¸ häc (sol-gel, hoμn nguyªn,...)- L¾ng ®äng b»ng ph−¬ng ph¸p vËt lý (bèc bay, phón x¹, phun, quay phủ, ...)

“Đẽo gọt” từ khối lớn xuống đến cấu trúc nano:- Ph−¬ng ph¸p c¬ häc (nghiÒn

bi, c¸n, ®ïn, Ðp, …)- Kü thuËt kh¾c (b»ng ¸nh s¸ng,

chùm tia X, chïm tia ®iÖn tö, ...)- ¨n mßn ho¸ häc (tÈm thùc,…)

4.1. Nguyên tắc chung



4.2. Một số phương pháp chế tạo các cấu trúc nano điển hình

Sắp xếp/lắp ráp từ các “khối”có kích thước nano:

- Cô đặc từ bột/sol khí- Tổng hợp bằng phương pháp hoá học (sol-gel, hoàn nguyên,...)- Lắng đọng bằng các kỹ thuậtvật lý (bốc bay, phún xạ catốt, phun, quay phủ, ...)- Mạ điện hóa,...

“Đẽo gọt” từ khối lớn xuống đến cấu trúc nano:

- Phương pháp cơ học (nghiền bi, cán, đùn, ép, …)- Kỹ thuật khắc (bằng ánh sáng, chùm tia X, chùm tia điện tử, ion ...)- Ăn mòn hoá học (tẩm thực,…)- Ăn mòn vật lý (in PRF)

CÔNG NGHỆ "TỪ DƯỚI LÊN" CÔNG NGHỆ "TỪ TRÊN XUỐNG"

Dưới đây sẽ trình bày các phương pháp chế tạo màng mỏng cơ bản: - bốc bay - phún xạ catốt - epitaxi bằng chùm phân tử (MBE)

Mét sè ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o mμng máng – cÔNG NGHỆ "TỪ DƯỚI LÊN“ (BOTTOM – UP)

C¸c ph−¬ng ph¸p sö dông kü thuËt phñ vËt lý (PVD)C¸c ph−¬ng ph¸p sö dông kü thuËt phñ ho¸ häc (CVD)

Kü thuËt bay h¬itrong ch©n kh«ng (Evaporation)

Kü thuËt phãng ®iÖnhµo quang (Glow Discharge)

Ph/ph¸p ho¸häc tõ pha khÝ

Ph/ph¸p ho¸häc tõ pha láng

Bay h¬i nhiÖt Joule Phón x¹ cat«t (DC /AC)

Bay h¬i b»ng chïm ®iÖn tö(EBE)

Bay h¬i ph¶n øng(Reactive evaporation)

Bias sputtering (Ion plating)

Reactive sputtering

Phón x¹ magnetron

Ion beam depositionBay h¬i b»ng chïm tia lade (Laser ablation

deposition, LAD) Ion beam sputter deposition

Reactive ion platin

Cluster beam deposition

Plasma-enhanced CVD

Plasma oxidation

Plasma anodization

Plasma polymerization

Plasma nitridation

Plasma reduction

Microwave ECR plasma CVD

Cathodic arc deposition

PlasmaEpitaxy

Epitaxy b»ng chïm ph©n tö(Molecular Beam Epitaxy,

MBE)

Cluster beam

deposition

Bay h¬i trong ch©n

kh«ng




4.3. Điều khiển sự hình thành các cấu trúc nano nguyên tử/phân tử đơn lớp trên bề mặt (SAMSAM: selfself--assembly monolayersassembly monolayers)

Các kỹ thuật chế tạo tự lắp ráp (self-assembly) & kiến trúc theo khuôn mẫu(pattern) các cấu trúc nano dạng đơn lớp nguyên tử/phân tử

Phương pháp Thang độ dài đặc trưng

- In vi tiếp xúc (μCP) ..............

- Vi gia công cơ khí ...............

100 nm – cm’s

100 nm – μm’s

- Quang khắc/lift-off ...............

- Kiến trúc khuôn mẫu kiểu quang hóa .............................

- Quang ôxy hóa ....................

> 1 μm

> 1 μm

> 1 μm- Viết bằng chùm ion hội tụ ....

- Viết bằng chùm e- ................

- Viết bằng STM ....................

- Viết bút siêu nhỏ .................

~ μm’s

25 – 100 nm

15 – 50 nm

~ 10 – 100 μmẢnh TEM của các hạt FePt tự sắp xếp với

khoảng cách ~ 6.5 nm

5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)


5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano

5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano

5.3. Các công cụ thao tác/lắp ráp trên các đối tượng nguyên tử/phân tử

Độ phân giải từ thang nano trở xuống của một số kỹ thuật nhiễu xạ và hiển vi SPM



Thang nano Thang nano


Phân bố độ phân giải ở thang nanomét trong không gian của một số kỹ thuật hiển viNguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano



1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe MicroscopeHiển vi lực nguyên tử (AFM) - Atomic Force Microscopy

Nguyên lý hoạt động của AFM

Vết chùm tia laser phản xạ thay đổi vị trí





Cấu tạo của AFM





Ảnh AFM (topography) cho thấy mạng nguyên tử HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite). Kích thước ảnh: 2 nm x 2 nm.

Một hệ kính hiển vi AFM




1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe MicroscopeHiển vi xuyên ngầm quét (STM) - Scanning Tunneling Microscope

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STM

[ ]∫∞

∞−

−−− dEEfVEfEDVEDVJ TS )()()()(~)(

)2exp(2020 KdI TS −ΨΨ∝

d

ΨS0

ΨT0




Δz

I = const. ΔI

z = const.

Mode dòng không đổi Mode chiều cao không đổi

Hiển vi xuyên ngầm quét (STM) - Scanning Tunneling Microscope

Ảnh STM phân giải đến kích thước nguyên tử của bề mặt HOPG

(Highly Oriented Pyrolytic Graphite)

1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano

Hiển vi quang học (quét) trường gần (Near-Field Optical Microscopy)

Trường gần

Trường xaTấ

m k

im loại

có

lỗnhỏ

hơn

bước

són

g

- Ánh sáng trắng có λtrung bình ~ 0.55 μm (550 nm)

→ có độ phân giải rmin ~ 0.275 μm (275 nm).

- Sử dụng quang học trường gần (quang học nano) → phá vớ giới hạn nhiễu xạ

→ có thể phân giải đến < 50 nm(bị hạn chế bởi kích thước lỗ aperture)


Các tên gọi khác nhau:

- SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy)

- NSOM (Near-Field Scanning Optical Microscopy)



1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope

Các cấu hình của SNOM

Cấu hình sử dụng aperture phẳng

Cấu hình sử dụng aperture kiểu ống rỗng hình côn(sợi quang với đầu tip hình côn có lỗ rỗng)



1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope

CCD

Hiển vi quang học (quét) trường gần (Near-Field Optical Microscopy)




Ảnh topography Ảnh NSOM

- Ví dụ về ảnh SNOM:

1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe MicroscopeHiển vi quang học (quét) trường gần (Near-Field Optical Microscopy)




- FE-SEM


2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM)

Nguyên lý cấu tạo và tạo ảnh SEM



- FE-SEM


2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM)

Sự phát xạ của điện tử là do bị bứt ra khỏi nguyên tử dưới tác dụng của điện trường cao.

Đơn tinh thể W được ăn mòn để tạo thành mũi nhọn dùng làm nguồn phát xạ trường.




2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - HRTEM

Sứ cách điệnSúng điện tử

Kính tụ

Vật kính

Vị trí đặt mẫu

TEMTEM

Quan sátKính phóng

Màn huỳnh quang

Buồng chụp ảnh

Ống nhòm phóng đại

Nguyên lý quang học tạo ảnh của TEM thường

λ = h/(mv)Khi điện áp gia tốc càng cao bước sóng của điện tử, λ, càng ngắn:

50,000 volt (50 kV) ➽ λ ~ 0.0055 nm (0.055 Å)

1MeV ➽ λ ~ 0.00123 nm (0.0123 Å)

Tiêu chuẩn Rayleigh (Rayleigh’s Criterion) cổ điển xác định khả năng phân giải lớn nhất:

rmin ~ λ/2




2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - HRTEM

TEM 1 triệu vôn (MeV) với nguồn điện tử phát xạ trường (FE), có thể phân giải đến ~ 0.5 Å.

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010TEM 3 triệu vôn (MeV) với nguồn điện tử phát xạ trường (FE), có thể phân giải đến ~ 0.1 Å.


- HRTEM5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM)


5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM)

So sánh nguyên lý cấu tạo và tạo ảnh trong các hiển vi OM, TEM & SEM




3) Các phương pháp nhiễu xạ

Nhiễu xạ tia X (XRD)

Giản đồ nhiễu xạ của đa tinh thể

Giản đồ nhiễu xạ của đơn tinh thể

Nguyên lý nhiễu xạ trên mạng tinh thể

Nguyên lý xác định kích thước hạt tinh thể bằng pp Scherrer.




3) Các phương pháp nhiễu xạ Nhiễu xạ điện tử (ED)




3) Các phương pháp nhiễu xạ

Nhiễu xạ neutron (ND)

Kỹ thuật tán xạ Neutron góc nhỏ (SANS) trên tinh thể La1.83Sr0.17CuO4+δ

XRD ND

Sử dụng nhiễu xạ Neutron (ND) cho phép xác định được nhiều mặt tinh thể hơn so với pp XRD - phân tích/xác định cấu trúc tốt hơn.

Dựa trên đo cường độ tán xạ, xác định được phân bố mật độ điện tích và hạt nhân các nguyên tử trong mẫu



1) Kỹ thuật chân không


- Môi trường chân không là gì?

- Vật lý phân tử và dòng chảy của chất khí

- Các bơm chân không

- Hệ chân không

- Đo chân không

- Quá trình hình thành màng mỏng

M«i tr−êng ch©n kh«ngQuan hệ giữa mức độ chân không (áp suất P) và quãng đường tự do trung bình của nguyên tử/phân tử (λ)

P (Torr) λ

10-1 0.5 mm10-2 5 mm10-3 5 cm10-4 50 cm10-5 5 m10-6 50 m10-7 500 m 10-8 5 km10-9 50 km



1) Kỹ thuật chân không5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano

Môi trường chân không

Đế lắng đọng màng mỏng

Vật liệu rắn hóa hơi, tách thành các

ng.tử/ph.tử

Dòng hơi vật liệu/Chùm ng. tử/Chùm ph. tử

Dòng hơi vật liệu/Chùm ng. tử/Chùm ph. tử

Hướn

g gr

adie

n củ

a trư

ờng:

giả

m n

hiệt

độ

/mật

độ

vật c

hất/đ

iện

trườn

g,...

ph©n lo¹i Çc kho¶ng ch©n kh«ngCh©n kh«ng thÊp:

• ¸p suÊt khÝ quyÓn ÷ 10 torr,• Çc øng dông kh«ng c«ng nghiÖp

Ch©n kh«ng trung bình:• 10 torr ÷ 1 x 10-3 torr• CVD, çc hÖ bèc bay trong ch©n

kh«ngCh©n kh«ng cao:

• 1 x 10-3 ÷ 1 x 10-6 torr• Bèc bay trong ch©n kh«ng, cÊy ion,

phón x¹ cat«tCh©n kh«ng rÊt cao:

• 1 x 10-6 ÷ 1 x 10-9 torr• CÊy ion, phón x¹ cat«t

Ch©n kh«ng siªu cao:• ThÊp h¬n 1 x 10-9 torr• MBE (molecular beam epitaxy)• Çc thiÕt bÞ nghiªn cøu

10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 (Torr)

10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 106 (Pa)

1 Atmosphere

Châ

n kh

ông

thấp

Châ

n kh

ông

trun

g bì

nh

Châ

n kh

ông

cao

Châ

n kh

ông

rất c

ao

Châ

n kh

ông

siêu

cao



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano1) Kỹ thuật chân không

C¸c kho¶ng ch©n kh«ng HAY ÁP SUẤT KHÁC

Ch©n kh«ng cực cao (Extremely high vacuum)

< 1×10-12 Torr (< 100 pPa)

Ch©n kh«ng ngoài kh«ng gian(Outer Space)

Từ 1×10-6 tới < 3×10-17 Torr

(100 µPa to < 3 fPa)

Ch©n kh«ng hoàn hảo(Perfect vacuum)

0 Torr (0 Pa)

10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 (Torr)

10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 1 103 106 (Pa)

1 Atmosphere

Châ

n kh

ông

thấp

Châ

n kh

ông

trun

g bì

nh

Châ

n kh

ông

cao

Châ

n kh

ông

rất c

ao

Chân không ngoài vũ trụ

Chân không đạt được ở trong

PTN: 10-13




C¸c kho¶ng ch©n kh«ng HAY ÁP SUẤT KHÁC




Áp suất tính theo Pa Áp suất tính theoTorr

mean free path

số phân tử/cm3

Máy hút bụi chân không gần 80 kPa 600 Torr 70 nm 1019

Bơm chân không vòng chất lỏng

gần 3.2 kPa 24 Torr

Máy sấy khô đông lạnh 100 -- 10 Pa 1 -- 0.1 Torr

Bơm cánh quạt 100 Pa -- 100 mPa 1 -- 10−3 Torr

Đèn điện nóng sáng 10 -- 1 Pa 0.1 -- 0.01 Torr

Phích đựng nước sôi 1 -- 0.1 Pa 10−2 -- 10−3 Torr

Khoảng không gian gần Trái đất

gần 100 µPa 10−6 Torr

Đèn điện tử chân không 10 µPa -- 10 nPa 10−7 -- 10−10 Torr

Buồng MBE được bơm lạnh

100 nPa -- 1 nPa 10−9 -- 10−11 Torr 1..105 km 109..104

Áp suất trên Mặt trăng gần 1 nPa 10−11 Torr

Không gian giữa các vì sao gần 1 fPa 10−17 Torr 1

®¬n vÞ ®o ¸p suÊt & HÖ sè chuyÓn ®æiGhi chú: lb = pound; bar = barometer (khí áp kÕ); kgf = kilogam lùc; psi = pounds per squaere inch

Pa (N/m2) Bar Torr(mmHg) kgf/cm2 mmH2O inHg psi

(lb/in2) atm

1 Pa 1 1×10-5 7.501×10-3 1.02×10-5 0.1021 2.953×10-4 1.45×10-4 9.869×10-6

1 Bar 1×105 1 750.1 1.02 1.02×104 29.53 14.5 0.9869

1 Torr 133.3 1.333×10-3 1 1.359×10-3 13.61 0.03937 0.01934 1.316×10-3

1 Kgf/cm2 9.807×104 0.9807 735.5 1 1.001×104 28.96 14.22 0.9678

1 mmH2O 9.807 9.807×10-5 0.07348 9.96×10-5 1 2.89×10-3 1.42×10-3 9.68×10-4

1 inHg 3.386×103 0.03386 25.4 0.03453 345.6 1 0.4912 0.03342

1 psi 6.895×103 0.06895 51.71 0.07031 703.7 2.035 1 0.06805

1 atm 1.013×105 1.013 760 1.033 1.034×104 29.92 14.7 1


C¸C CHÕ ®é dßng chẢy cña chÊt khÝ

(phụ thuộc vào MFP)

Dòng chảy nhớt (Viscous Flow): MFP tương đối ngắn.• Đây là kiểu dòng chẩy của chất khí xuất hiện khi các phân tử khí khá gần nhau đến

mức luôn va chạm với nhau giống như chất lỏng được nén từ áp suất cao xuống áp suất thấp hơn.

• Ứng với chế độ chân không thấp.

Dòng chảy phân tử (Molecular Flow): MFP khá dài.• Đây là kiểu dòng chẩy của chất khí xuất hiện khi hướng di chuyển của các phân tử

khí hoàn toàn ngẫu nhiên, nhưng vẫn có đôi chút va chạm giữa các phân tử khí.• Ứng với chế độ chân không cao và siêu cao.

Dòng chảy (Knudsen Flow) (MFP nằm trong khoảng chuyển tiếp giữa hai khoảng trên)• Đây là kiểu dòng chẩy đan xen giữa kiểu chảy nhớt và chảy phân tử của chất khí (có

tính chất của cả hai kiểu chảy).• Ứng với chế độ chân không trung bình.





HÖ ch©n kh«ng

Các thành phần cơ bản của một hệ chân không- Buồng chân không- Bơm chân không- Ống dẫn, ống nối- Van chân không- Dụng cụ đo chân không (đo áp suất thấp)

S¬ ®å mét hÖ ch©n kh«ng c¬ b¶n

Bơm cơ họcBơm kh. tán

Van chânkhông cao,

V2

Buồng chânkhông

Van bơm sơ bộ, V3

Van xả, V4

Van bơm sơ bộ, V1

G1G2Đầu đo chân không thấp(Pirani)

Đầu đo chân không cao(Penning)G3

V3

V1

V2V4

VAr

Buång ch©n kh«ng

B¬mkhuÕch

t¸n

B¬m c¬ häc





Hệ chân không



10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101

P (mbar)

Ultra-high Vacuum<10-7 mbar (<10-5 Pa)

High Vacuum10-7…..10-3 mbar (10-5 …..10-1 Pa )

Med Vacuum10-3…..1 mbar(10-1 …..101 Pa)

Rough Vacuum1.....103 mbar102.....105 Pa

Bơm nhiệt lạnh (Cryo Pump)

Piston Pump

Diaphragm Pump

Liquid-Ring Pump

Sliding Vane Rotary Pump

Multiple-Vane Rotary Pump

Rotary Piston Pump

Rotary Plunger Pump

Roots Pump

Turbine Pump

Gaseous-Ring Pump

B¬m phản lùc chÊ láng (Liquid Jet Pump)

Bơm tubo phân tử (Turbomolecular Pump)

Bơm khuếch tán (Diffusion Pump)

B¬m phản lùc h¬I (Vapor Jet Pump)

Bơm phụt khuếch tán (Diffusion Ejector Pump)

Bơm hấp thụ (Absorption Pump)B¬m thăng hoa (Sublimation Pump)

Bơm phún xạ ion (Sputter-Ion Pump)

Kho¶ng ¸p suÊt lµm viÖc cña c¸c lo¹i b¬m ch©n kh«ng


Các bơm cơ học thông dụngBơm rotor (Bơm quay dầu): Khoảng làm việc: từ áp suất khí quyển - 10-3 Torr

Bơm Roots: Khoảng làm việc của chính nó: từ áp suất khí quyển - 100 Torr; khi có bơm cơ học khác trợ giúp: từ áp suất khí quyển - 10-4 Torr.




Bơm khuếch tán thông dụng


Oil Diffusion Pump: Khoảng làm việc: từ 10-3 tới 10-8 Torr.




Bơm turbo thông dụng

Bơm turbo phân tử:- Tốc độ quay: 20.000 -30.000 vg/ph

- Tốc độ bơm: 103 lít/giây- Khoảng chân không đạt được: 10-9 -- 10-11 Torr.

Turbo-molecular Pump

Động cơ điện

Đầu ra nối với bơm cơ học

Đầu vào nối với buồng chân không

Đầu đấu điện chođộng cơ điện

Rotor: là các đĩa gồm các cánh quạt được xếp

nghiêng với góc khác nhau




http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Cut_through_turbomolecular_pump.jpg

Đo chân không

Hai cách đo chân không, tùy thuộc vào khoảng áp suất chất khí:

Phương pháp trực tiếp (thường ở áp suất cao - chân không thấp)• Ống Bourdon• Áp kế tụ điện

Phương pháp gián tiếp (thường ở áp suất thấp - chân không cao)• Cặp nhiệt điện• Đầu đo Pirani• Đầu đo ion catốt nóng/lạnh (Hot-Cathode/Cold-Cathode Ion Gauge)• Đầu đo rôto xoắy (Spinning Rotor Gauge)





Khoảng ¸p suÊt làm việc của c¸c đầu đo ch©n kh«ngUltra-high Vacuum

<10-7 mbar( <10-5 Pa)

High Vacuum10-7…..10-3 mbar

(10-5 …..10-1 Pa)

Med Vacuum10-3…..1 mbar( 10-1 …..101 Pa)

Rough Vacuum1.....103 mbar(102.....105 Pa)

Áp kế mức chất lỏng (Liquid Level Manometer)

Đầu đo phần tử đàn hồi (Elastic Element Gauge)

Đầu đo nén (Compression Gauge)

Cân bằng áp suất (Pressure Balance)

Đầu đo độ nhớt (Viscosity Gauge)

Đầu đo độ dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Gauge)Đầu đo cặp nhiệt (Thermomolecular Gauge)

Đầu đo ion hoá do phóng xạ (Radioactive Ionization Gauge)Đầu đo Penning (Penning Gauge)

Đầu đo ion catốt lạnh Cold-cathode Magnetron Gauge

Đầu đo ion nghịch chuyển catốt lạnh (Cold-cathode Inverted Magnetron Gauge)

Đầu đo ion hoá catốt nóng (Hot-cathode Ionization Gauge)

Đầu đo ion catốt nóng (Hot-cathode Magnetron Gauge)

Đầu đo chùm tia Bent (Bent Beam Gauge)

Đầu đo tách chiết (Extractor Gauge)

Đầu đo nén (Suppressor Gauge)Đầu đo điều biến (Modulator Gauge)

Đầu đo Bayar-Alpert (Bayard-Alpert Gauge)

Đo chân không tần số cao (High-frequency Vacuum Test)

Đầu đo ion hoá áp suất cao (High-pressure Ionization Gaugue)

10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

P (mbar) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

Đầu đo cặp nhiệt: (TC Gauge)Khoảng làm việc: từ áp suất khí quển tới 1 Torr.

Đầu đo Pirani• Khoảng làm việc: từ áp suất khí quển tới 10-4 Torr.





Khoảng làm việc: từ10-2 tới 10-10 Torr.

Đầu đo ion catôt l¹nh Khoảng làm việc: từ 10-2 tới 10-9 Torr.


Đầu đo ion catốt nóng




Độ dẫn và tốc độ hút trong các hệ chân không

Độ dẫn trong các hệ được hút nối tiếp1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + . . .

Độ dẫn trong các hệ được hút song songCtotal = C1 + C2 + C3 + . . .

Độ dẫn: là khả năng cho phép dòng phân tử chảy qua một thành phần của hệ chân không (ống dẫn, van, buồng,...).

Đơn vị : thể tích/thời gian (lit/s, foot3/min (CFM), hoặc cm3/min,...)




Tốc độ bơm (S = V/t): là tốc độ rút khí khỏi một hệ thống của bơm chân không (ở đầu vào của bơm). Đơn vị: thể tích/thời gian (lit/s, foot3/min (CFM), cm3/min,...)

Lượng khí tải (Q, quantity of gas): là lượng khí được vận chuyển ra khỏi hệ chân không. Đơn vị: torr×liter

Tốc độ bơm

Tốc độ rút khí

Áp suất khí đầu vào (Torr)

Tốc độ ở đầu vào của bơm

Tốc độ

rút k

hí(T

orr-

lit/s

)

Tốc độ

khôn

g kh

í(lit

/s)


Tốc độ khí rút (Thoughput): là khối lượng khí được bơm ởáp suất đã cho (Q=PS) trong một đơn vị thời gian: PV/t. Đơn vị

Sự phụ thuộc áp suất của tốc độ bơm của một bơm khuếch tán đường kính 15.24 cm với bơm cơ học trợ giúp có

tốc độ bơm là 20 CFM và đường cong của tốc độ rút khí.

: torr×lit/s, atm×cm3/h




Sự hình thành màng mỏng từ lắng đọng nguyên tử/phân tửÇc quá trình lắng đọng mμng máng (b»ng PVD):

- T¹o ra tr¹ng th¸i h¬i, chïm nguyªn tö hay ph©n tö ph©n ly, hoặc chïm

h¹t của vËt liÖu.

- ®Þnh h−íng/phát tán dßng h¬i vËt liÖu, nguyªn tö, ph©n tö hay chïm h¹t

tới bề mặt ngưng tụ (thường sử dụng sự chênh lệch về nhiệt độ, grad.T).- HÊp thô vµ l¾ng ®äng (ng−ng tô) thµnh mµng máng.

Çc ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n t¹o ra çc tr¹ng th¸i h¬i vËt liÖu, nguyªn tö, ph©n töhay chïm h¹t (b»ng PVD):

- NhiÖt (Joule, ®iÖn tö, chiÕu x¹, c¶m øng,…)

- B¾n ph¸ (b»ng çc chïm h¹t nÆng: ion, ng.tö, ph.tö, chïm h¹t, …)

- Ph¸t x¹ (nhiÖt l¹nh sö dông ®iÖn tr−êng, c¶m øng hoÆc chiÕu x¹, …) - v.v…

Çc b−íc c¬ b¶n trong qu¸ trình hình thμnh mμng:- Ng−ng tô- KhuÕch t¸n- MÊt m¸t (truyền) năng l−îng vµ ®Þnh vÞ (ổn định trong hố thế năng).


5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano


Các bước cơ bản trong quá trình lớn lên của màng mỏng:

1- Hấp thụ vật lý (physisorption) của nguyên tử/phân tử,2- Khuếch tán bề mặt,3- Hình thành các liên kết phân tử - phân tử và đế - phân tử

(hấp thụ hóa học: chemisorption),4- Tạo mầm: kết tụ (kết tập) của các ng.tử/ph.tử đơn,5- Hình thành cấu trúc và vi cấu trúc (vô định hình, đa tinh thể hoặc đơn tinh thể; các sai hỏng; mức độ nhám bề mặt, v.v...),6- Các thay đổi trong lòng của màng, như sự khuếch tán, sự phát triển ở dạng hạt, v.v...

Dòng ion đi đến

Hệ số hấp thụ vật lý

Hệ số hấp thụ hóa học

Hệ số bám dính

Giải hấp thụ

Tái hấp thụ

Phản xạ

Hơi phân tử

Bề mặt đế

Nhiệt độ đế Độ dài bước nhảy

Sự hình thành màng mỏng từ lắng đọng nguyên tử/phân tử

5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano


3 cơ chế cơ bản hình thành màng mỏng

Quan sát sự kết dính các đảo:a) ở thời điểm bắt dầu quan sátb) sau 0.06 giây; c) sau 0.18giây; d) sau 0.50 giây; e) sau 1.06 giây; f) sau 6.18 giây

Quan sát quá trình hình thành màng mỏnga) hình thành mầmb) hình thành hạtc) hình thành đảod) liên kết/kết dính các đảo

=> hình thành các kênh liên thông nhaue) nối liền các kênh


Quan sát bề mặt mọc

Mô phỏng bằng máy tính vi cấu trúc của màng Ni được lắng đọng ở các thời điểmkhác nhau và ở các nhiệt độ đế khác nhau,và hình ảnh quan sát được thực tế (SEM).

Quan sát hướng cột mọc



2) Kỹ thuật bốc bay trong chân không5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano

Tới bơm chân không

Đế mẫu

Thuyền đốt

Nguồn DC

Điện cực

Màng mỏng rắn lắng đọng

Vật liệu bốc bay

Buồng chân không

Một số nguồn đốt bốc bay thông dụng

Dạng dây W quấn lò xo (coil)

Dạng dây W quấn thành giỏ

Dạng dây W quấn phủ aluminaNguyenAnhTuan-ITIMS - 2010



2) Kỹ thuật bốc bay trong chân không

Dạng nồi gốm bằng carbite/borite

Dạng lá W/Mo dập thành thuyền




3) Kỹ thuật phún xạ catốt

Bøc x¹

Cơ chế bắn phá bia (target) & tạo ra hiện tượng phún xạ

Cơ chế bắn phá bề mặt chất rắn tạo ra sự phún xạ

Vùng tối catôt Các ion khí trơ (Ar+)

Vùng phóng điện hào

quang

Các ng.tử biaVùng tối anôt

Phối hợp trở kháng

Bia

Điện cực Anôt

Đế lắng đọngmàng mỏng

Điện cực Catôt

Nguồn

phá

t tần

sốca

o R

F

Nguyên lý của kỹ thuật tạo màng mỏng bằng phún xạ catốt


5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano3) Kỹ thuật phún xạ catốt

Một số dạng bia (target) thông dụng. - Dạng đĩa kim loại & hợp kim- Dạng đĩa gốm hay bột ép áp lực cao


Hiện tượng phóng điện plasma


3) Kỹ thuật phún xạ catốt


Hệ thống bia lắp trên cathode

Các bia (target) được lắp vào cathode tạo thành nguồn phún xạ (“súng” - gun)



4) Kỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano

- MBE: Molecular Beam EpitaxyMolecular Beam Epitaxy - sắp xếp trật tự, lần lượt, từng lớp một (epitaxy) các ph.tử/ng.tử (có thể nhiều loại, đến từ một hay nhiều nguồn, và tạo thành dòng/chùm), lên bề mặt phiến tinh thể (đơn) sạch, trong môi trường chân không cao và siêu cao (~10-8 - 10-12 Torr), để tạo ra các mmààng mng mỏỏng đơn tinh thng đơn tinh thểể. [Được phát minh ở Bell Tel. Lab bởi J. R. Arthur và Alfred Y. Cho những năm cuối của thập kỷ 1960].

- Ưu điƯu điểểm phương phm phương phááp MBEp MBE: + Chất lượng màng rất cao, thậm chí hoàn hảo ở mức nguyên tử (tốc độ

lắng đọng rất chậm: ~ 1000 nm/h), và siêu sạch; + Chiều dày rất xác định, chính xác (đến cỡ 1 lớp nguyên tử đơn); + Bề mặt màng rất bằng phẳng (mặt nguyên tử); + Tạo được các gờ, bậc dốc thẳng đứng hoàn hảo trên bề mặt màng; + Điều khiển được thành phần gần như tuỳ ý theo profile ➽ Do đó tạo

được thế V(z) có dạng tuỳ ý là hàm của vị trí z dọc theo phương xếp chồng của các nguyên tử/phân tử (vuông góc với bề mặt màng).




4) Kỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano

Châ

n kh

ông

siêu

cao

Châ

n kh

ông

rÊt c

ao

Châ

n kh

ông

cao

Châ

n kh

ông

trun

g bì

nh

Châ

n kh

ông

thấp

Thời gian hình thành đơn lớp nguyên tử phụ thuộc vào áp suất




- Một hệ MBE





- Kỹ thuật nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản xạ (RHEEDRHEED - Reflection High Energy Electron Diffraction) luôn song hành với kỹ thuật MBE để quan sát và điều chỉnh quá trình lắng đọng tạo các lớp đơn tinh thể.

- Ứng dụng chính của phương pháp MBE:

+ Tạo ra các hhốố lư lượợng tng tửử (QW: quantum well);

+ Tạo ra các rràào tho thếế xuyên ngxuyên ngầầm m hoàn hảo;

+ Tạo ra các siêu msiêu mạạngng (superlattice) hay hợp kim số (digital alloy);

+ Tạo ra các bbềề mmặặt tit tiếếp xp xúúc dc dịị ccấấu tru trúúc c hoàn hảo đến mức nguyên tử;

+ Tạo ra các bbậậc thc thẳẳng vng vàà phphẳẳngng hoàn hảo của mặt titiếếp xp xúúc;c;

+ Tạo ra các vi cvi cấấu tru trúúc lưc lượợng tng tửử khác.






- Quá trình hình thành các lớp nguyên tử bằng kỹ thuật MBE


5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano5) Kỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano

McGill University

NanoQuebec



5) Kỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano

- Tạo ra các cấu trúc xoắn lượng tử (quantum corral)



Thao tác theo kiểu xô đẩy (Pushing mode) làm dịch chuyển nguyên tử một cách cơ học bằng hiển vi động lực học biên độ nhỏ (Small Amplitude Dynamic Force Microscopy). Nguyên tử đích đã bịchuyển đến chỗ khuyết với khoảng dịch chuyển ~ 270 pm (10-3 nm).

Các nguyên tử bề mặt Si(111) (S. Kawai and H. Kawakatsu, "Mechanical atom manipulation with small amplitude dynamic force microscopy", Applied Physics Letters 89 (2006) 023113).


5) Kỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano



“Xếp giấy” nghệ thuật lá graphene bằng giọt chất lỏng nano (nanodroplet)

Materialstoday | MARCH 2010 | VOLUME 13 | NUMBER 3 | p.8/ Katerina Busuttil

5. Các công cụ cho khoa học nano(chế tạo, thao tác, lắp ráp và phân tích các cấu trúc nano)5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano5) Kỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano



6) Các kỹ thuật khắc - ăn mòn nano

- Khắc bằng chùm ánh sáng (Quang khắc) - Tử ngoại xa (ExUVL)

- Khắc bằng chùm tia X (XPL)

- Khắc bằng chùm tia điện tử (EBL)

- Khắc bằng chùm tia ion phân kỳ (IPL)

- Khắc bằng chùm tia ion hội tụ (FIBL)

- Kỹ thuật photoresist (FPR)

- Kỹ thuật ăn mòn khô và ướt

- Kỹ thuật ăn mòn ion phản ứng

- Kỹ thuật lift-off


CÔNG NGHỆ "TỪ DƯỚI LÊN"

Một số sản phẩm đã có trên thị trường:

-- Kem chKem chốống nng nắắngng (Sunscreen) - chứa các hạt nano làôxýt kẽm (ZnO) hoặc oxýt titan (TiO) có khả năng chốngtia cực tím (UV) gây ung thư da.

- KKíính tnh tựự ssạạchch (Self-cleaning glass) – Hay còn gọi là kính tích cực (Activ Glass), được sử dụng nhiều trong các công trình xây dựng cao tầng. Các hạt nano chứa bên trong thủy tinh thực hiện phản ứng quang xúc tác vàthấm nước: Hiệu ứng quang xúc tác xảy ra khi bức xạ cực tím (UV) từ ánh sáng mặt trời chiếu lên kính, cấp năng lượng cho các hạt nano thực hiện sự

bẻ gẫy liên kết bề mặt và làm mất đi các phân tử hữu cơ nằm ở trên bề mặt kính (là các hạt bụi). Sự thấm nước có nghĩa là khi nước tiếp xúc với kính sẽ nhanh chóng loang ra, làm cho kính được tẩy rửa sạch bụi và chóng khô.



L’Oréal

- VVậật lit liệệu chu chốống xưng xướớcc (Scratch-resistant coatings) – Cho các hạt nano AlSiO2 (aluminum silicate) vào trong polymer người ta đã tạo ra được một loại vật liệu có tính chống xước (scratch-resistant polymer) dùng để phủ bảo vệ chống bong tróc và trầy xước cho ôtô, xe máy, kính mắt, v.v...

- VVảải nanoi nano - Phủ lên bề mặt sợi dệt một lớp mỏng chứa các hạt nano ZnO. Vải được tạo ra từ loại sợi này có thể chống bức xạ tia cực tím (UV) và cótính đẩy nước (vì vậy vải không thấm nước, chóng khô) và đẩy bụi bẩn bám vào mặt vải (có tính chống bụi bẩn (stain-resistant), vì vậy quần áo rất sạch), và đặc biệt vải nano có tính chống nhăn/nhàu (wrinkle-resistant fabrics).

- BăngBăng/g/gạạc y tc y tếế chchốống nhing nhiễễm trm trùùngng (Antimicrobial bandages) – Các hạt nano Ag được đưa vào bông, băng y tế (kể cả quần áo) sẽ làm tăng mạnh tính kháng khuẩn do các ion bạc có tác dụng khóa các tế bào hô hấp của vi khuẩn làm chết ngạt chúng.




- ChChấất lt lààm sm sạạch vch vàà ttẩẩy uy uếế bbểể bơi bơi (Swimming pool cleaners and disinfectants)

Một hỗn hợp, của một loại dầu dưới dạng giọt có kích thước nano trộn với

một chất xát trùng tạo ra một loại nhũ tương nano (nanoemulsion) có tính

chất sát khuẩn, tẩy trùng, tẩy uế. Các hạt dầu bám dính vào vi khuẩn làm cho

việc tẩy rửa, sát trùng hiệu quả hơn.

- MMộột st sốố ssảản phn phẩẩm khm kháácc: Mỹ phẩm thấm sâu (deep-penetrating cosmetics).

Vợt tennis làm bằng sợi nano carbon (CNT) vừa nhẹ vừa bền hơn thép nhiều

lần. Bóng tennis 2 lõi trong đó lõi bên trong được phủ các hạt nano đất sét

(clay nanoparticles, có tác dụng như là chất bịt kín, làm cho không khí khó bị

rò rỉ ra ngoài). Màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD: liquid crystal displays); các

linh kiện vi điện tử và nano điện tử.


Một số khả năng ứng dụng khác:

-- ChChếế ttạạo thuo thuốốc vc vàà phương th phương thứức vc vậận chuyn chuyểển thun thuốốc hoc hoààn ton toààn mn mớớii• Các hạt vàng (có thể được gắn với nhau) được

làm nóng bằng hồng ngoại từ bên ngoài cơ thể➽ điều khiển việc nhả thuốc.

• Các hạt từ nano có thể được dùng để dẫn thuốc bằng từ trường tới khu vực bị tổn thương.

• Kim tiêm thuốc nano. • ...



Kim tiêm nano

Một số khả năng ứng dụng khác:

-- ChuyChuyểển đn đổổi vi vàà ttíích trch trữữ năng lư năng lượợngng

•• Chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện & ngược lại

• Chuyển đổi năng lượng từ thành năng lượng điện & ngược lại

• Chuyển đổi năng lượng từ thành năng lượng nhiệt (từ nhiệt)

• Nhớ hình dạng

• Chuyển đổi năng lượng điện hóa

• Tích trữ hyđro



HHẾẾT PHT PHẦẦN TN TỔỔNG QUAN NG QUAN


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE

VIỆN

HANOI-2010

VVẬẬT LIT LIỆỆU CU CÓÓ CCẤẤU TRU TRÚÚC NANOC NANONANOSTRUCTURED MATERIALSNANOSTRUCTURED MATERIALS

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

PHPHẦẦN IVN IVCCÁÁC VC VẬẬT LIT LIỆỆU NANO KHU NANO KHÁÁC & CC & CÁÁC VC VẤẤN ĐN ĐỀỀ LIÊN QUANLIÊN QUAN

OTHER NANOMATERIALS AND RELATED ISSUESOTHER NANOMATERIALS AND RELATED ISSUES


CHƯƠNG 4

CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

4.1. Các vật liệu nano carbon (Nguyễn Văn Quy)

4.2. Các vật liệu nano chức năng đặc biệt khác (Nguyễn Văn Hiếu)

4.3. Hoá học nano (Nguyễn Văn Hiếu)

4.4. Khía cạnh an toàn và những thách thức của vật liệu nano (Nguyễn Văn Hiếu)

4.5. Các cấu trúc nano trong tự nhiên (Nguyễn Anh Tuấn)

4.6. Điện tử học phân tử, nguyên tử và thông tin lượng tử (Nguyễn Anh Tuấn)

4.7. Tình trạng phát triển và tương lai của công nghệ nano (Nguyễn Anh Tuấn)


4.5. Các cấu trúc nano trong tự nhiên

Cấu trúc kiểu đóng dấu trên polycarbonate

Cánh bướm có cấu trúc nano trên bề mặt - kiểu cấu trúc đóng dấu/vết hằn/vết in có kích thước nanomét: + Tăng sức căng bề mặt làm chất lỏng có dạng hình cầu ➼ Không dính ướt+ Tùy theo kích thước và khoảng cách giữa các phần tử nano bề mặt

➼ Phản xạ ánh sáng có bước sóng khác nhau ➼ Có mầu sắc sặc sỡ.

Một dạng cấu trúc photonic


4.5. Các cấu trúc nano trong tự nhiên

(Kunststoffe 94, No. 8, 2004)

"Cỏ nano" Si với đường kính của láchỉ vài nanômét.

Giọt nước được hình thành ở trên đầu các ngọn "cỏ nano" có dạng hình cầu gần như hoàn hảo (trái). Khi tác dụng một điện áp nhỏ, giọt nước bị thấm ướt và dính xuống bề mặt lớp cỏ một chút (trái)

Các giọt nước không bị dính ướt ở trên bề mặt của lá khoai. Khi trôi đi sẽ kéo theo các hạt bụi bẩn, làm cho bề mặt lá khoai trở nên rất sạch.


4.5. Các cấu trúc nano trong tự nhiênLá sen tự làm sạch Cấu trúc nano bề mặt lá Cấu trúc in dấu

Lá lúa thấm ướt dị hướng Cấu trúc nano bề mặt lá Cấu trúc in dấu

Chân siêu kỵ nước Cấu trúc nano bề mặt Cấu trúc in dấucủa nhện nước của chân nhện nước


4.6. Điện tử học phân tử, nguyên tử và thông tin lượng tử

- ĐiĐiệện tn tửử hhọọc phân tc phân tửử/nguyên t/nguyên tửử: Sử dụng các phân tử hay nguyên tử làm vật liệu cho phần tử vận chuyển điện tích của các linh kiện điện tử - Ví dụ, transitor phân ttransitor phân tửử - nhằm thực hiện việc điều khiển quá trình vận chuyển điện tích (một cách lượng tử) qua cấu trúc của phân tử.

- Thông tin lượng tử & Máy tính lượng tử - QCQC: + Sử dụng các trạng thái lượng tử của nguyên tử/phân tử, hoặc các trạng

thái spin điện tử hay hạt nhân nguyên tử để làm các bit thông tin: Qbit.Qbit.+ Một nguyên tử (ion) có thể chiếm các trạng thái lượng tử khác nhau. 2 trong số đó được sử dụng để lưu trữ thông tin số: 1 ng.tử ở trạng thái cơ bản ứng với giá trị “0” của Qbit, trạng thái bị kích thích của ng.tử này được dùng làm giá trị “1” của Qbit đó. ➼ Vậy chẳng có gì mới so với các máy tính thông thường trong việc kỳ vọng có mật độ cao hơn?

Hai hướng cơ bản được quan tâm nhiều nhất hiện nay của ngành vật lý hiện đại là:

+ Khoa học vật liệu (Material Science)+ Khoa học máy tính (Computer Science)


4.6. Điện tử học phân tử, nguyên tử và thông tin lượng tử

- Ưu điểm chính của QC không phải liên quan tới mmậật đt độộ ccủủa Qbita Qbit.

- Sự khác nhau cơ bản ở chỗ vật lý lượng tử cho phép thực hiện sự chồng chập các trạng thái lượng tử: Đối với một nguyên tử, có thể tạo ra vô số các trạng thái bằng việc chồng chập chỉ từ 2 trạng thái cơ bản:

ψ0 → 〈0│ → E0

ψ1 → 〈1│ → E1

ψ0 ψ1* → 〈0│1〉→ E0, E’... E’’... En’, E1

- Việc sử dụng nguyên lý chồng chập cho phép sử dụng các trạng thái lượng tử biểu diễn đồng thời các số khác nhau → tính tương đương (song song) lượng tử.


4.7. Tình trạng phát triển & Tương lai của công nghệ nanoTheo Mihail Roco (the U.S. National Nanotechnology Initiative), công nghệ nano phát triển qua 4 thế hệ (hay thời kỳ):

Thụ động

Chủ động

Các thành phần cấu tạo hệ tương tácCác tổ chức tương tác ởmức động.ử/ph.tử

Theo Mihail Roco of the U.S. National Nanotechnology Initiative

Molecular manufacturingMolecular manufacturing được coi như là một phần của thế hệ thứ 4.

Tiên đoán về ảnh hưởng chính đến kinh tế-xã hội của KHnano & CNnano:

Những công cụ mới: Hiện tạiVật liệu nano: Hiện tạiĐiện tử nano: 10-20 nămY-sinh học nano: 15-20 năm


QUAN NỆM VỀ NGHIÊN CỨU & PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO

- Một số ít: cần phát triển các vấn đề liên quan đến đo đạc & quan sát ở thang nanomet (1-100 nm).

- Đa số cho rằng: điều khiển và tổ chức sắp xếp lại vật chất mới là quan trọng.


4.7. Tình trạng phát triển và tương lai của công nghệ nano

CCáác chương trc chương trìình nghiên cnh nghiên cứứu vu vềề vvậật lit liệệu nano trên thu nano trên thếế gigiớớii

1) Tình trạng phát triển của KH&CN nano trên TG

Có rất nhiều các ấn phẩm dạng từ điển bách khoa về khoa học và công nghệ nano





Các nghiên cứu về nano gia tăng mạnh mẽ

Trends in Research on NANOPARTICLES

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

Year

Num

ber o

f pub

licat

ions

Số các bài báo nghiên cứu về graphene đơn lớp (vàng) và graphene hai lớp (xám) theo thời

gian: (1) Bắt đầu khám phá ra graphene; (2) Hiệu ứng Hall lượng tử dị thường (QHE).





Government Expenditures on Nanotechnology Research in 1997, Based on the WTEC Site Interviews





AMERICAS: The United States & CanadaSupport for Nanotechnology Research from U.S. Federal Agencies in 1997





- Các chủ đề nghiên cứu được quan tâm ở Mỹ:1. Các vật liệu kim loại và gốm có cấu trúc nano với các tính chất được điều khiển2. Thao tác trên các phân tử3. Các kỹ thuật tự sắp xếp hóa học của các cấu trúc nano “mềm”4. Các kỹ thuật vật lý và hóa học phun, phủ tạo ra các cấu trúc nano5. Chế tạo nano (nanofabrication) các linh kiện và sản phẩm điện tử6. Các vật liệu có cấu trúc nano sử dụng cho các vấn đề liên quan đến năng lượng (như các chất xúc tác, vật liệu từ mềm,...)7. Tạo ra các cỗ máy nano8. Tiểu hình hóa các hệ thống tàu vũ trụ

- Các chủ đề nghiên cứu được quan tâm ở Canada:Chủ yếu là các vật liệu bán dẫn có cấu trúc nano



MMộột st sốố khuynh hư khuynh hướớng tiêu bing tiêu biểểu trong công nghu trong công nghệệ nano trên thnano trên thếế gigiớớii


netvibes.com

Nanophotonics

NanolithographyNanosensors and nanoprobes

Nano & photovoltaics





Nanowires Carbon nanotubes

Nanospheres Iron oxide nanoparticles





Nanomedicine Nanobiotechnology

Nanoparticles & Cytotoxicity

Nanoparticles & Cancer therapy

netvibes.com





Nanoparticles & Ecotoxicity

Nanotech risks

Nanotech & DNA Nanosurgery

Quy luật Moore – I: Sè phÇn tö tÝch cùc tæ hîp ®−îc trªn mét

chÝp t¨ng gÊp ®«i sau mỗi kho¶ng 12-18 th¸ng.- Dự đoán: Trong TK 21: Mật độ lưu trữ hay tích hợp tăng

gấp 3 lần sau 12 tháng.Moore’s Law: The trend in the number of transistors per chip over time

Microprocessor Year Transistors (000s) Clock Speed (Mhz)4004 1971 2.3 0.18008 1972 3.5 0.28080 1974 6 28086 1978 29 1080286 1982 134 12.5Intel386TM 1985 275 16Intel486TM 1989 1,200.00 25Pentium® 1993 3,100.00 60Pentium®Pro 1995 5,500.00 200Pentium® II 1997 7,500.00 300Pentium® III 1999 9,500.00 600

Transistor count (K)

The number of transistors per chip doubles every 18 months

(Tài liệu nguồn: Science and Engineering Indicators – 2000, National Science Board (NSB), Washington, DC 20500, 2000 (NSB-00-1) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2010

SSỰỰ PHPHÁÁT TRIT TRIỂỂNN CCỦỦA A CÔNG NGHCÔNG NGHỆỆ BBÁÁN DN DẪẪN N –– CÔNG NGHCÔNG NGHỆỆ VI ĐI VI ĐIỆỆN TN TỬỬ


Gordon Moore


Quy luật Moore-II: Giá thành nhà máy chế tạo chip sau 3 năm tăng gấp đôi

Mâu thuẫn về Kinh tếQuy luật Moore về kinh tế trong TK 20

(Theo: Materials Today; Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25 by S. E. Thompsona, and S. Parthasarathy.)

Giá thành IC liên tục giảm trong suốt 30 năm qua




TK 21: Công nghệ nanoCác transitor trong mạch logic có

kích thước nanomét:- 2000: ~ 100 nm ~ 1000 ®iÖn tö

- 2010: ~ x10 nm ~ 10 ®iÖn tö

Th¨ng gi¸ng thèng kª lín.

- 2020: ~x1 nm: chÊm l−îng tö (Qdot):

1 ®iÖn tö (đơn điện tử)

ViÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn tö trong các chấm lượng tử ®−îc thùc hiÖn theo qui luËt của vật lý lượng tử.

Quy luật vật lý bị vi phạm

Sự giảm của kích thước đặc trưng trong công nghệ bán dẫn micro (đường xanh), và công nghệ bán dẫn nano (đường đỏ) biểu thị qua độdài của cổng transitor, trong vòng 4 thập kỷ. (Theo: Materials Today; Vol. 9, Iss. 6, June 2006, pp 20-25, by S. E. Thompsona, and S. Parthasarathy.)

Micro-technology




CÁI GÌ SẼ DIỄN RA TRONG THẾ KỶ 21 ?


Laser chÊm l−îng tö

èng nano

Nguyªn töPh©n tö

C¸c linh kiÖn spin

Transistor

Linh kiÖn ph¸t x¹ tr−êng

Transistor ®¬n ®iÖn tö

CÊp nano CÊp micro

Thang kÝch th−íc cña c¸c linh kiÖn chøc n¨ng

CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO (NANOELECTRONIC DEVICES)NANOELECTRONICS

1) Tình trạng phát triển của KH&CN nano trên TG4.7. Tình trạng phát triển và tương lai của công nghệ nano


ThiThiếết bt bịị nano nano -- phân tphân tửử


- Trong thế giới "Star Trek" (phim hành động-KH viễn tưởng) có những ccỗỗ mmááy sao chy sao chéépp(replicatorreplicator) có thể tái tạo ra bất kỳ một thực thể vật lý nào, từ những vũ khí tối tân cho đến tách trà nóng bốc hơi nghi ngút, dựa trên cơ sở chế tạo phân tử (molecular manufacturingmolecular manufacturing).

Với KH và CN nano hiện nay, người ta tin rằng trong tương lai gần điều đó là hoàn toàn thực hiện được. Khi đó bộ mặt thế giới sẽ thay đổi như thế nào?

2) Tương lai của công nghệ nano

- Trong thực tế, hiện nay người ta đang thực hiện việc tạo ra các cỗ máy phân tử đơn giản.Các nguyên tử và phân tử có thể được gắn chặt với nhau theo những hình dạng phức tạp nào đó theo nguyên lý liên kết điện tích. ➽ Từ đó tạo ra các ccỗỗ mmááy nanoy nano (nanomachines) ➽ Hình thành nên một dòng sản phẩm đặc biệt.


Một bánh răng nano có thể được tạo ra (các răng được làm bằng các phân tử benzyne đính lên bềmặt ống CNT). Một thiết kế cho cơ cấu bánh răng nano đang làm việc

ThiThiếết bt bịị nano nano -- phân tphân tửử

4.7. Tình trạng phát triển và tương lai của công nghệ nano2) Tương lai của công nghệ nano

Nguyen Anh Tuan - ITIMS-2010


Về Molecular nanotechnology xem trong "MOLECULAR MACHINERY AND MANUFACTURING WITH APPLICATIONS TO COMPUTATION" by K. ERIC DREXLER

2) Tương lai của công nghệ nano

Một mẫu thiết kế đơn giản về hệ truyền động cơ khí nano (môtơ - nanomechanical bearing) sửdụng các phân tử hữ cơ - Theo K.E. Drexler.

Ý tưởng tạo hệ bánh răng truyền động bằng ống

nano carbon (CNT)

Ý tưởng tạo đầu dò (tip) bằng ống nano

carbon (CNT)



"Hộp giảm tốc" phân tử kiểu trục song song, gồm 15,342 nguyên tử, là một trong số các linh kện/dụng cụ cơ học nano có kích thước lớn

nhất được mô phỏng chi tiết đến từng nguyên tử.

- Mục đích của chế tạo phân tử là thực hiện các thao tác trên từng nguyên tử riêng rẽ và đặt chúng vào những chỗ xác định theo một khuôn mẫu đã được thiết kế từ trước nằm tạo ra những cấu trúc thích hợp.

- Cơ chế tạo ra các máy cái lắp ráp các phân tử:+ Phát trển các máy công cụ thao tác ở phạm vi nano (nanoscopic machine), gọi là các

mmááy ly lắắp rp ráápp (assembler), có thể lập trình để điều khiển các nguyên tử và phân tử ởvào những nơi đã được xác định trước.

+ Có thể phải mất cả hàng triệu năm để lắp ráp tạo ra một lượng vật liệu có ý nghĩa, đủ để tạo ra một máy lắp ráp; có thể phải cần tới hàng tỷ tỷ máy lắp ráp làm việc cùng một

lúc. Tuy nhiên, chính kỹ thuật tự sao chép trong sinh học là cơ sở để từ đó tạo ra những máy lắp ráp thế hệ kế tiếp. Sự phát trển theo kiểu hàm mũ cho đến khi đủ để tạo ra những thực thể vật lý nào đó.

- Hàng tỷ tỷ ccỗỗ mmááy sao chy sao chéépp (replicatorreplicator) và ccỗỗ mmááy ly lắắp rp ráápp (assemblerassembler) sẽ lấp đầy một KG < 1 mm3 - có thể vẫn quá nhỏ để nhìn thấy bằng mắt thường. Những cỗ máy nano này sẽ làm việc cùng nhau và tự động tạo ra các sản phẩm là những thực thể vật lý bất kỳ(thậm chí cả kim cương, nước và thức ăn), và cuối cùng sẽ thay thế hoàn toàn các phương pháp thực nghiệm truyền thống.



Công nghCông nghệệ y y--dưdượợcc

Công nghệ nano có ảnh hưởng lớn nhất đến nền công nghiệp y-dược:

- Trong tương lai các nanorobotnanorobot đã lập trình sẵn được đưa vào người bệnh nhân để trực tiếp ttấấn công cn công cấấu tru trúúc phân tc phân tửử ccủủa ca cáác tc tếế bbàào ung thưo ung thư hay hay viruseviruse.

- Đã có những suy đoán cho rằng các nanorobot có thể llààmm chchậậm lm lạại qui quáá trtrìình lão nh lão hohoáá, thậm chí đảo ngược hẳn quá trình này, làm tăng đáng kể tuổi thọ con người.

- Các nanorobot cũng có thể được lập trình để thực hiện các ca phphẫẫu thuu thuậật không t không ccầần gây mên gây mê (delicate surgery) - nhà/BS phẫu thật nano (nanosurgeon) - chính xác

hơn hàng nghìn lần so với những con dao mổ sắc nhất, và đặc biệt không để lại những vết sẹo, hay làm thay đổi diện mạo cơ thể con người.

- Các nanorobot còn có thể được lập trình trước để thực hiện các phphẫẫu thuu thuậật tht thẩẩm m mmỹỹ (cosmetic surgery) - như sắp đặt lại các nguyên tử ở tai, mũi, mắt, hay bất kỳbộ phận nào trên cơ thể, từ hình dáng đến mầu sắc (nhưng sẽ gặp phải những vấn đề về nhân đạo, an ninh, pháp luật, văn hoá,... ???).



Công nghCông nghệệ môi trư môi trườờngng

Công nghệ nano có khả năng tác động tích cực đến môi trường:

- Tạo ra các nanorobot có thể kết nối phân tử không khí (airborne) để tạo ra lớp ozone mỏng bảo vệ bề mặt trái đất.

- Tạo ra nanorobot có thể tẩy sạch chất ẩn trong các nguồn nước, hoặc thu gom dầu tràn.

- Việc chế tạo các vật liệu nano hay sử dụng công nghệ nano theo các phương pháp kiểu bottom-up sẽ ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với việc sử dụng các

phương pháp truyền thống.

- Công nghệ nano làm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên không tái tạo được (hạn chế việc đốn chặt cây, khai khoáng, khoan dầu - những cỗ máy nano

có thể tạo ra các nguồn tài nguyên này.




Ghi chGhi chúú

- Nhiều chuyên gia công nghệ nano cho rằng nhiều ứng dụng trong tương lai của công nghệ nano là không hikhông hiệện thn thựựcc, ít nhất là trong tương lai trước mắt.

- Nhiều chuyên gia cảnh báo rằng có nhinhiềều u ứứng dng dụụng cng cóó vvẻẻ kkỳỳ ccụụcc và chchỉỉ mang mang ttíính lý thuynh lý thuyếếtt.

- Một số lo ngại rằng công nghệ nano sẽ kết thúc giống như là hihiệện thn thựực c ảảoo (virtual virtual realityreality).

- Tóm lại, công nghệ nano có vẻ chỉ là sự thổi phồng nhằm duy trì, kéo dài sự quan tâm để được tài trợ hơn là những khả năng hiện thực trong tương lai.

Việc này (việc thổi phồng) sẽ nhanh chóng suy tàn khi những hạn chế trong lĩnh vực công nghệ nano được ông đảo cộng đồng biết đến.




Quantum dot infrared photodetector (QDIP)Linh kiện thu ảnh hồng ngoại sử dụng QD

Cấu trúc của một QDIP

Ảnh hồng ngoại chụp từ một QDIP cho thấy rõ cả các

mạch máu ở bàn tay.

Ảnh hồng ngoại chụp người ban đêm bằng QDIP



Đèn chiếu sáng bằng LED làm từ QD cho ánh sáng dịu hơn

Các đèn chiếu sáng LED sử dụng QD tạo ra ánh sáng trong phổ mặt trời dịu hơn các đèn LED ánh sáng trắng thông tường



Cấu tạo của một Transistor đơn điện tử sử dụng graphene (Graphene

single-electron transistors)

Ảnh AFM của các cấu trúc graphene. (a) Một dải nano rộng 85 nm và dài 500 nm. (b) Một linh kiện đơn điện tử với các cực tiếp xúc nguồn S và máng D, và một số cực cổng trong mặt phẳng (in-plane gates) (Ví dụ, cổng nhúng – (plunger gate, PG). (c) Một linh kiện gồm 2 transitor đơn điện tử (SET) mắc nối tiếp. (d) Một SET với dải nano graphene sử dụng như một detector tích hợp điện tích (charge detector, CD).

Transistor đơn điện tử sử dụng graphene

HHẾẾT PHT PHẦẦN IV N IV VVỀỀ CCÁÁC VC VẬẬT LIT LIỆỆU CU CẤẤU TRU TRÚÚC NANO KHC NANO KHÁÁC C

& C& CÁÁC VC VẤẤN ĐN ĐỀỀ LIÊN QUANLIÊN QUAN


vat lieu nano gttq phan iv 2010

Documents