vat lieu nano_ch0-2012

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

HANOI HANOI -- 20122012

NguyNguyễễn Anh Tun Anh Tuấấnn

1- GIỚI THIỆU CHUNG2- TỔNG QUAN VỀ NANO

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012

PHPHẦẦN MN MỞỞ Đ ĐẦẦUU

1- GIỚI THIỆU CHUNG



PHPHẠẠM VI, CM VI, CẤẤU TRU TRÚÚC MÔN HC MÔN HỌỌC & PHÂN CÔNG GIC & PHÂN CÔNG GIẢẢNG DNG DẠẠYY

PHPHẠẠM VIM VI-- VVậật lý ct lý cáác hc hệệ ththấấp chip chiềềuu _ _ VVậật lý nanot lý nano-- VVậật lý ct lý cáác c chchấất ngưng tt ngưng tụụ ccóó ccấấu tru trúúc nanoc nano-- VVậật lit liệệu nano _ Vu nano _ Vậật lit liệệu u điđiệện tn tửử ccấấu tru trúúc nano c nano -- Công nghCông nghệệ & linh ki& linh kiệện nano n nano

CCẤẤU TRU TRÚÚC NC NỘỘI DUNGI DUNG-- GiGiớới thii thiệệu chung u chung & ttổổng quan ng quan (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn)-- GiGiớới thii thiệệu vu vềề nanoelectronics nanoelectronics (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn)-- VVậật lit liệệu nano bu nano báán dn dẫẫn n ((TS. Nguyễn Văn Quy)-- VVậật lit liệệu quang tu quang tửử vvàà quang quang--điđiệện tn tửử nano nano ((……)-- VVậật lit liệệu nano tu nano từừ & Spintronics & Spintronics (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn)-- CCáác vc vậật lit liệệu nano khu nano kháác vc vàà mmộột st sốố vvấấn đn đềề liên quan liên quan

(PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn)


Khoa học & Công nghệ nano

MỤC ĐÍCH MÔN HỌC

HHọọc viên nc viên nắắm đưm đượợcc (m(mộột ct cáách đch đạại cươngi cương))::

- Các loại/dạng vật liệu nano (chủ yếu là các vật liệu điện tử) ở đó sửdụng các tính chất vật lý nào phụ thuộc vào kích thước/cấu trúc nano: điện tử, quang, quang-điện tử, từ, nhiệt, đặc tính sinh-hóa, tổ hợp đa chức năng, đa tính chất, và .... hơn thế nữa.

- 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.

- Phần nào thấy được bản chất vật lý của các tính chất, tính năng nổi trội do cấu trúc hay kích thước nano tạo ra.

- Thấy được những ứng dụng chính của các vật liệu điện tử nano tương ứng trong một số lĩnh vực.


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

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 nano7. Những thách thức và cơ hội đối với KH & CN nano.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ NANO – DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO (Nguyễn Anh Tuấn)

1.1. Nhắc lại về dòng điện vĩ mô1.2. Dòng điện lượng tử1.3. Sự vận chuyển mesoscopic1.4. Dòng xuyên ngầm lượng tử1.5. Di trú điện tử (electromigration)1.6. Dòng đơn điện tử và điện tử học phân tử (molecular electronics)

NNỘỘI DUNG MÔN HI DUNG MÔN HỌỌCC


CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO (Nguyễn Văn Quy)

2.1. Giới thiệu về linh kiện bán dẫn có cấu trúc nano2.2. Hạt nanô bán dẫn: Tính chất, tổng hợp và ứng dụng2.3. Dây nanô bán dẫn: Tính chất, tổng hợp và ứng dụng2.4. Cấu trúc nanô “3D” dạng màng mỏng2.5. Các phương pháp vật lý chế tạo cấu trúc nanô2.6. Các chấm lượng tử bán dẫn2.7. Nano silic2.8. Các cấu trúc nano ZnS và ZnO

CHƯƠNG 3: QUANG TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ NANO (Nguyễn Anh Tuấn)

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

NNỘỘI DUNG MÔN HI DUNG MÔN HỌỌCC


NNỘỘI DUNG MÔN HI DUNG MÔN HỌỌCCCHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS (Nguyễn Anh Tuấn)

4.1. Tính chất từ ở thang nano4.2. Vật liệu từ khối có cấu trúc nano4.3. Hạt từ nano, dot từ và các chùm nano từ4.4. Dây từ và ống từ nano4.5. Màng mỏng từ cấu trúc nano4.6. Phân tử và nguyên tử từ cô lập4.7. Các kỹ thuật hiện đại quan sát và phân tích các đặc trưng cấu trúc từ nano4.8.

CHƯƠNG 5: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN

5.1. Các vật liệu nano carbon (…)

5.2. Các vật liệu nano chức năng đặc biệt khác (…)

5.3. Hoá học nano (…)

5.4. Khía cạnh an toàn và những thách thức của vật liệu nano (…)

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

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

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

5.8. Vấn đề độc hại và an toàn trong công nghệ nano (Nguyễn Anh Tuấn)NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012

SpintronicsSpintronics

NNỘỘI DUNG MÔN HI DUNG MÔN HỌỌCCTài 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, and M. Lahmani; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007.

6) Nanoscience and Technologies; Ed. By Peter Rodgers, Nature Publishing Group (Macmillan Publishers Ltd.), World Scientific Publishing Co., 2010.


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.

2- TỔNG QUAN VỀ NANO



CÁC VẤN ĐỀ CHÍNH

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 & công nghệ 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

7. Những cơ hội và thách thức đối với KH & CN nano


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

ĐỊNH NGHĨA VỀ KHOA HỌC VÀ C«ng nghÖ 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−ư¬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 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



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.

1- ĐN & Tóm lược lịch sử về KH&CN nanoTÓM LƯỢC LỊCH SỬ VỀ KH VÀ Cn nano

• Vµo TK 4th sau CN: ng−ưêi ta ®· chÕ t¹o ®ư−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 vµph¶n x¹ ¸nh s¸ng xanh.

• 1618: quyÓn s¸ch ®Çu tiªn vÒ nhò tư−¬ng vµng (Colloidal Gold) ®· ®ư−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 tư−¬ng vµng tiÕp tôc ®ư−îc xuÊt b¶n vµ b¶n th©n nhò tư−¬ng vµng ®· ®−ưîc sö dông trong y häc, nhuém mµu cho gèm vµ t¬ lôa.


• 1857: Michael Faraday ®· ®−a ra phư−¬ng ph¸p t¹o ra dung dÞch ®á thÉm tõ nhò t−ư¬ng vµng b»ng c¸ch sö dông CS2 ®Ó lµm gi¶m kich thước hạtAuCl4.• 1908: Lý thuyÕt Mie vÒ d¶i plasmon bÒ mÆt cña AuNP ®· ®ư−îc ph¸t triÓn.• 1970s: AuNP ®· ®ư−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 manipulate atoms 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).

TÓM LƯỢC LỊCH SỬ VỀ KH VÀ Cn nano


- 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.



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 - Kính hiển vi nhìn thấy các nguyên tử riêng rẽ

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

NHỮNG TIÊN ĐOÁN CỦA R. FEYNMAN ĐÃ ĐƯỢC THỰC HIỆN


- Các tương tác spin được lượng tử hóa


HiHiệệu u ứứng ng GMRGMR (Giant Magnetoesistance)(Giant Magnetoesistance)

Magnetization

Ferromagnetic layer (Fe ~3-6 nm)

Non-magnetic layer, (Cr ~1-6 nm)

(001) Substrate

Cấu trúc lớp của siêu mạng Fe/Cr

NMFM

FM

H

HiHiệệu u ứứng ng CMRCMR (Collosal MagnetorResistance)(Collosal MagnetorResistance)

O

MnLa

Mn3+ O2 - Mn4+


- Các mạch điện với các mức năng lượng lượng tử

Hybrid systemHybrid system--onon--chip / Labchip / Lab--onon--aa--chipchip

Resistance Temperature Detectors


- Các transistor một điện tử riêng rẽ (SET)


"Đảo nano" giữa một khe nano

SET SET -- Single electron transistorsSingle electron transistors


Q

C

U

e-

điện tử đến

Tiếp xúc xuyên ngầm

e-

Al 2O

3

M M


- Các linh kiện vận chuyển một spin riêng rẽ (SSET) → Các spin được lượng tử hóa

SSET SSET -- Single Single spinspin electron transistorselectron transistors

FMFM

e-e-

Al2O3 FMFM

e-

Al2O3

“Đảo nano” Co

Lớp rào Al2O3 hay TiO2

Điện cực FM

Điện cực FM

-60 -40 -20 0 20 40 6033603380340034203440

34603480350035203540

Tann= 250oC(1h)

V (mV)

G (µ

Ω-1

)



• 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 hư−íng tõ nhá ®Õn to. §ã lµ hưíng ®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 như− 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−ư: Ýt nhÊt cã mét chiÒu kÝch cì tõ mét ®Õn mét tr¨m nanomet, ®−ưîc 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 çch 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−ưíc nanomÐt, ®ång thêi hiÓu ®−ưîc vµ ®iÒu khiÓn ®ư−îc çc tÝnh chÊt vµ chøc n¨ng cña chóng khi ë kÝch th−ưíc nanomÐt.

Những khái niệm/quan niệm về công nghệ nano

Nano: Khoa học Phục hưngRenaissance Science

Thay đổi thế giới quan - Thay đổi phong cách sống

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

Các động lực cách mạng

Hiện tại~ 29 ys

~ 53 ys

~ 20 ys

~ 28 ys ~ 27 ys ~ 30 ys ~ 28 ys

~ 60 ys ~ 56 ys ~ 56 ys ~ 56 ys

~ 10

0 ys

Hiện tại


Điện tử → Điện tử nano (Nanoelectronics)Vật liệu → Vật liệu nano (Nanomaterials)Y-sinh học → Y-sinh học nano (Nanobio/nanomed)Các công cụ mới (gồm cả phần cứng và phần mềm) → có nền tảng & tổ hợp từ

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 hệ quả/kết quả từ sự ảnh hưởng

Những lĩnh vực chịu ả/h nhiều nhất 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

2.1. Phân loại tổng quát các cấu trúc nano

Các dạng cấu trúc


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

Nơron thần kinh

Sợi tóc

Hồng cầu

Đường kínhchuỗi xoắn DNA

Fullerine, C60

Phế nang phổi

Phấn hoa

Vi trùng

Vi khuẩn

Muội khói

Nguyên tử


2- Phân loại & cách thức tiếp cận nghiên cứu các cấu trúc nano2.2. C2.2. Cáác hc hìình thnh tháái nano cơ bi nano cơ bảản & kin & kiểểu vu vậật lit liệệu nano thông du nano thông dụụngng


Các hình thái 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 kiểu vật liệu nano thông dụng- 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


Nguyen Anh Tuan - ITIMS-

Chuỗi hạt nano

Dây nano dạng dảiDây nano dạng trụ

Dot nano

Tiếp xúc nano

Ống nano

Dot ngược (Antidot)

Bậc nano bề mặt kề cậnXuyến (vòng) nano

Màng mỏng được tạo cấu trúc nano theo khuôn mẫu (pattern).

- Một số hình thái cấu trúc nano tiêu biểu và thường gặp:

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012Shawn J. Tan, et al.; Nature Nanotechnology, 6, 268–276 (2011)

Các hình thái phức tạp khác


Hình cầu

Dạng thanh

Dạng đa giác 2D

Dạng đa diện 3D

Dạng phân nhánh

Dạng phức hợp

Dạng hốc lõm/rỗng

2.2. C2.2. Cáác hc hìình thnh tháái nano cơ bi nano cơ bảản & kin & kiểểu vu vậật lit liệệu nano thông du nano thông dụụngng


30 nm

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


VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểu u 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 một 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.



VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểuu 0D0D: Các hạt, dot, chùm, đám kết tụ,... có kích thước nano theo cả 3 chiều KG



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.


VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểuu 0D0D: Các hạt, dot, chùm, đám kết tụ,... có kích thước nano theo cả 3 chiều KG

19 18 16 14 7 atoms


•• 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


VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểuu 0D0D: 2.2. C2.2. Cáác hc hìình thnh tháái nano cơ bi nano cơ bảản & kin & kiểểu vu vậật lit liệệu nano thông du nano thông dụụngng


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

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) và lớp bao phủ do liên kết tự nhiê hay được tổng hợp.


VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểuu 0D0D:




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

Sợi nano Fe 25 nmSợi nano Carc bon dài tới 10 μm

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

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


3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước2.2. C2.2. Cáác hc hìình thnh tháái nano cơ bi nano cơ bảản & kin & kiểểu vu vậật lit liệệu nano thông du nano thông dụụngng


- Nanopolymer dạng sợi

(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.



VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểuu 2D2D: Các màng siêu mỏng, lớp, mặt, tấm có kích thước nano theo 2 chiều KG



Từ graphene 2D có thể tạo ra các dạng ứng với số chiều khác nhau: cuộn lại thành bóng 0D (buckyballs), quấn thành ống 1D, hay xếp chồng lên thành dạng tấm 3D.

Graphene: các nguyên tử carbon xắp xếp theo đơn lớp (chỉ 1 lớp nguyên tử) tạo thành vật liệu có cấu trúc 2D.


Về vật liệu carbon:

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.


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 chứa các hạt/chùm hạt nano, sợi nano, tấm nano, v.v...


• 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





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.




VVậật lit liệệu nano kiu nano kiểểuu 3D3D: - Nanoceramic



2- Phân loại & cách thức tiếp cận nghiên cứu các cấu trúc nano2.2. C2.2. Cáác hc hìình thnh tháái nano cơ si nano cơ sởở & ki& kiểểu vu vậật lit liệệu nano cơ bu nano cơ bảản n

- Nanomultiferoics

KiÓu ®a líp, (hay cÊu tróc ngang)

KiÓu th¼ng ®øng

Lớp spinelLớp perovskiteĐế perovskite

Khối spinelNền perovskiteĐế perovskite

Ảnh TEM của màng mỏng composite dị thể hai pha sắt từ-sắt điện CoFe2O4-BaTiO3 (kiểu

thẳng đứng).

Ferri từ spinel (CoFe2O4)- sắt điện perovskite (BaTiO3/PbTiO3)


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 khối dạng hạt



Light in tiny holes- Nanophotonics


CCấấu tru trúúc nano kic nano kiểểuu 3D3D:


[After: C. Genet & T. W. Ebbesen, Nature 2007, 445, 39-46.]

λ

λ

λ

λ

- Ánh sáng tán xạ qua một lỗ lý tưởng (không có độdày) với r << λ (subwavelength) → nhiễu xạ ở rìa lỗ & độ truyền qua T(λ) giảm liên tục theo quy luật bậc bốn của tỷ số r/λ.

- Ánh sáng tán xạ qua một lỗ có độ dày h (có chiều sâu và mang tính dẫn sóng), với r << λ (subwavelength) → sóng điện từ lan truyền rất khác với sự lan truyền trong không gian tự do: LAN TRUYỀN TRONG KHÔNG GIAN BỊ HẠN CHẾ (confined space) → điều biến sự tán sắc của trường điện từ.- Bước sóng giới hạn/ngưỡng (cutoff) λc được xác định bởi kích thước ngang của ống dẫn sóng, ở đó sóng không còn lan truyền được nữa.- λc khó xác định được rõ ràng/chính xác vì cơ chếchuyển liên tục từ chế độ lan truyền đến mờ dần khi bước sóng tăng lên.

λ

λλ

λ

r ~ 270 nm, h ~ 200 nm

Lỗ tròn trên lá kim loạiλc ~ 700 nm

Năng suất truyền qua ηηBB = 64(= 64(krkr))44/27/27ππ22 ((kk = 2= 2ππ//λλ))

Light in tiny holes/apertures- Nanophotonics




[C. Genet & T. W. Ebbesen, Nature 2007, 445, 39-46.]

- Tính chất truyền qua của ánh sáng với một khe chữ nhật nằm ngang có kích thước a × b = (210 × 310) nm2, với a, b << λ (subwavelength) và độ dày lá kim loại h ~ 700 nm, phụ thuộc vào góc phân cực θ so với hình học của lỗ: sựtruyền qua đối với góc phân cực θ = 0 khi λ < b, thậm chí ngay cả khi a << λ. Với góc phân cực θ = 90o, luôn truyền qua, hầu như không phụ thuộc vào độ hẹp của ống dẫn sóng (kích thước a).

210 nm × 310 nm (lá kim loại dày700 nm (0.7 µm)

θa

b(θ: góc phân cực)

Lỗ chữ nhật trên lá kim loại

+ λc phụ thuộc vào bản chất vật liệu được sử dụng làm dẫn sóng: độ thấm bề mặt (hiệu ứng lớp da) của trường điện từ đối với vật

liệu cụ thể - skin-depth. (phản ánh mức độ thấm bề mặt của ống dẫn sóng)

+ λc phụ thuộc vào hình dạng và kích thước hình học (thiết diện) của ống dẫn sóng → điều khiển/khống chế λc bằng cách sử dụng dẫn sóng có hình dạng và kích thước phức tạp.

- Các lỗ đơn giản luôn tồn tại λc xác định- Các lỗ dạng vòng xuyến không có λc, sóng điện từ luôn

truyền qua (ví dụ như cáp quang đồng trục).+ Độ tuyền qua T(λ) đối với các ống dẫn sóng không phải hình tròn

phụ thuộc (rất nhạy) vào góc phân cực (θ) của trường điện từ.



Điều biến tính chất quang đối với các khe đơn- Nanophotonics

+ Tính chất quang của một khe đơn có thể được điều chỉnh bằng những biến thái hình học ở xung quanh khe đơn - Sử dụng công nghệ chế tạo nano (nanofabrication):

- khắc (rãnh) xung quang khe đơn - đắp/tạo ra các gờ, bờ thành xung quanh khe đơn

→ làm tăng mạnh độ truyền qua ở một bước sóng λ xác định, thậm chí ηB > 1.→ các hiệu ứng thấu kính mới (gồm hội tụ, phân kỳ, rọi sáng) được cảm

ứng bằng cách bố trí (sắp xếp/sắp đặt) thích hợp phía mặt ra của khe đơn.

- các kích thước (độ rộng, sâu, cao, dày) ~ λ.

- có tác dụng:

[C. Genet & T. W. Ebbesen, Nature 2007, 445, 39-46.]NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012

- Tính chất quang của khe đơn có khắc các rãnh nano bao xung quanh: làm tăng T(λr).- Mặt ra của khe đơn được khắc rãnh cótác dụng nắn tia sáng → tác dụng như thấu kính (làm lệch tia) hay antenna thu-phát sóng điện từ có bước sóng xác định. - Bước sóng cộng hưởng λr chủ yếu được xác định bằng chu kỳ của rãnh.

Một cấu trúc rãng nano tuần hoàn bao xung quanh một khe đơn.

Phổ truyền qua khe đơn

Tác dụng như một thấu kính của khe đơn.

λr



Điều biến tính chất quang đối với các khe đơn- Nanophotonics


+ Một tính chất quang quan trọng khác của một khe đơn khi bề mặt ra cũng tạo rãnh nano tuần hoàn: chùm tia ra cực hẹp, nhỏ hơn nhiều so với khe đơn, với độ phân kỳ nhỏ, dưới vài độ → tạo ra được chùm tia nano có mức độ song song rất cao, cường độ lớn.

+ Những ứng dụng tiêu biểu khác:- Công nghệ lưu trữ số liệu quang mật độ siêu cao:

sử dụng các vết sáng (spot) có kích thước nhỏ hơn bước sóng.

- Các hiện tượng quang phi tuyến.- Công nghệ viễn thông quang học hiện đại:

sử dụng các photodetector - biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện - để truyền tải thông tin qua mạng viễn thông và hiển thị trên màn hình. → yêu cầu siêu nhanh và cực nhỏ.

Cơ chế: Do ánh sáng ló ra khỏi khe đơn tương tác/ liên kết với cấu trúc tuần hoàn của bề mặt phía sau (mặt ló ra của tia sáng) và với các mode tồn tại ở trong các rãnh:

- ở mỗi rãnh lần lượt tán xạ các sóng bề mặt thành ánh sáng lan truyền tự do.

- ánh sáng truyền thẳng qua khe sẽ giao thoa với các sóng bề mặt bị tán xạ bởi các rãnh→ tạo nên chùm tia hội tụ.

Photodetector siêu nhanh cực nhỏVới khe đơn thuần túy,

nếu quá nhỏ sẽ không đủ

cung cấp số lượng photon

cho photodetector hoạt

động → sử dụng khe đơn

có khía rãnh nano.


Điều biến tính chất quang bằng các dãy khe (hole arrays) tuần hoàn- Nanophotonics





+ Dãy các khe tuần hoàn (trên một màng mỏng kim loại) có thể có tác dụng như một màng lọc sắc – cho phép truyền qua các ánh sáng có màu xác định bằng cách điều chỉnh chu kỳ tuần hoàn.

Cơ chế: - Tương tự như ở hệ khe đơn được bao xung quanh bởi các rãnh tuần hoàn, gồm 3 bước: (1) tương tác của ánh sáng với plasmon bề mặt ở phía sóng tới; (2) truyền qua các khe tới mặt sau; (3) tái phát xạ ởbề mặt sau. - Cường độ plasmon bề mặt ở trên mỗi khe bù cho sự truyền qua không hiệu quả thông qua mỗi khe riêng rẽ.- Vị trí các peak λmax:

với P là chu kỳ của dãy khe, εm và εm tương ứng làhằng số điện môi của vật liệu KL và ĐM, i, j làbậc tán xạ của dãy.

η

Với cấu trúc các khe tuần hoàn bố trí kiểu so le (tam giác) như được cho (ảnh), hiện tượng truyền qua dị thường xuất hiện với phổ truyền qua gồm các peak có η > 1, thậm chí ngay cả khi các khe riêng rẽ nhỏ đến mức không thể cho phép truyền qua.

- Màng mỏng Au, dày h = 225 nm, đế thủy tinh.

- Đường kính lỗ: d= 170 nm.

- Chu kỳ: P = 520nm- Chú ý: I/Io là độ

truyền qua tuyệt đối, η là độ truyền qua chuẩn theo diện tích các lỗ .



Điều biến tính chất quang bằng các dãy khe (hole arrays) tuần hoàn- Nanophotonics

+ Mỗi khe trong dãy tuần hoàn, ở phía đầu ra, hoạt động tương tự như một nguồn sáng (điểm) mới.+ Đặc biệt, hình dạng và kích thước của các khe trong một dãy ảnh hưởng đến phổ truyền qua, trong đó mode plasmon bề mặt vẫn nổi bật nhất, do tính tuần hoàn của dãy.

- Một dãy các vết lõm được chế tạo bằng cách mài bằng chùm ion hội tụ trên bề mặt một màng Ag. Một số vết lõm được màu cho thủng xuyên qua màng Ag để án sáng có thể truyền qua được.

- Chiếu chùm ánh sáng trắng lên dãy cấu trúc → ánh sáng có bước sóng nào đó – ứng với mầu cụ thể –truyền được qua sẽ được xác định bằng chu kỳ Pcủa dãy.

- Các dãy lỗ có nhiều ứng dụng: linh kiện quang, vi dụ như lọc sắc (ánh sáng màu); các cảm biến trong sinh học và hóa học.

Chu kỳ P = 550 nm → ánh sáng đỏ truyền qua được.

Chu kỳ P = 450 nm →ánh sáng lục truyền qua. [C. Genet & T. W. Ebbesen, Nature 2007, 445, 39-46.]



CCáác kic kiểểu vu vậật lit liệệu nano khu nano kháácc:

- Nanodroplets

- Nanofluidics

- Nanobiomaterials

- Nanomedicine



2.3. C2.3. 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



Chú ý tới 3 đặc trưng/tính chất sau:

3.1. Đặc trưng chung về tính chất VẬT LÝ

3.2. Đặc trưng chung về tính chất VẬN CHUYỂN

3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano


3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.1. Đặc trưng chung về VẬT LÝ

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

+ Xuất hiện các hiệu ứng lượng tử hóa

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

+ 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).


3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.1. Đặc trung chung về VẬT LÝ


+ Các hiệu ứng lượng tử

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...

3. Những đặc trưng, tính chất chung phụ thuộc kích thước3.1. Đặc trung chung về VẬT LÝ

1- CÁC TRẠNG THÁI ĐIỆN TỬ TRONG CÁC HỆ THẤP CHIỀU

2- HIỆN TƯỢNG MÀN CHẮN (SCREENING)

3- CÁC TRẠNG THÁI LIÊN KẾT

4- SỰ VẬN CHUYỂN TRONG CÁC CẤU TRÚC LỚP DỊ THỂ

5- SỰ NHỐT (GIAM HÃM) ĐIỆN TỬ

6- DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO – NANOELECTRONICS



3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano

- 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.

- 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,...


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

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.




- 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

Bay h¬i trong ch©n

kh«ngCluster beam

depositionIon 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

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

MBE) Plasma

Cathodic arc depositionNguyenAnhTuan-ITIMS - 2012


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


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

Phân bố độ phân giải ở thang nanomét trong không gian của một số kỹ thuật hiển viNguyenAnhTuan-ITIMS - 2012



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


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 nano1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope

Hiển vi lực nguyên tử (AFM) - Atomic Force Microscopy

Cấu tạo của AFM


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

Một hệ kính hiển vi AFM

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




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 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012

[ ]∫∞

∞−

−−− dEEfVEfEDVEDVJ TS )()()()(~)(

)2exp(2020 KdI TS −ΨΨ∝

d

ΨS0

ΨT0


5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope

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

∆z

I = const. ∆I

z = const.

Mode dòng không đổi Mode chiều cao không đổi

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 MicroscopeHiển 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)

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)




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

- Ví dụ về ảnh SNOM:

Ảnh topography Ảnh NSOM



- 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.




- HRTEM2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM)


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



- HRTEM2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM)

TEM 1 triệu vôn (MeV) với nguồn điện tử phát xạ trường (FE), có thể phân giải đến ~ 0.5 Å.NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012


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

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012TEM 3 triệu vôn (MeV) với nguồn điện tử phát xạ trường (FE), có thể phân giải đến ~ 0.1 Å.

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«ng


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

Quan 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


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 KHÁCÁp suất tính theo Pa Áp suất tính theo

Torrmean free

pathsố 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)

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



S¬ ®å mét hÖ ch©n kh«ng c¬ b¶n NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012


Hệ chân không



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

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)


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.






1) Kỹ thuật chân không Bơm khuếch tán thông dụng


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



1) Kỹ thuật chân khôngBơm 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.

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

Turbo-molecular Pump

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 - 2012



1) Kỹ thuật chân khôngĐầu 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 khôngĐộ 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,...)Độ dẫn trong các hệ được hút song song

Ctotal = C1 + C2 + C3 + . . .Độ dẫn trong các hệ được hút nối tiếp

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + . . .





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: torr×lit/s, atm×cm3/h

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.

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

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).



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

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

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


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

Quan sát hướng cột 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).


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 - 2012

5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano2) Kỹ thuật bốc bay trong chân không

Dạng nồi gốm bằng carbite/borite

Dạng lá W/Mo dập thành thuyền



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

3) Kỹ thuật phún xạ catốt

Nguyên lý của kỹ thuật tạo màng mỏng bằng phún xạ catốtCơ chế bắn phá bia (target) & tạo ra

hiện tượng 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

Bøc x¹


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




3) Kỹ thuật phún xạ catốt

Các bia (target) được lắp vào cathode tạo thành nguồn phún xạ (“súng” - gun) Hiện tượng phóng điện plasma

Hệ thống bia lắp trên cathode




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



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano4) Kỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano

- Một hệ MBE





- 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.

- 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.






- 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)




5) Kỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano


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. 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

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

NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012Materialstoday | MARCH 2010 | VOLUME 13 | NUMBER 3 | p.8/ Katerina Busuttil



6) Các kỹ thuật khắc - ăn mòn nano

CÔNG NGHỆ "TỪ DƯỚI LÊN"

- 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



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.


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


6. Ứng dụng của công nghệ nano - Các sản phẩm từ công nghệ nanoMột số khả năng ứng dụng khác:

Ví dụ về chuyển đổi và tích trữ năng lượng - Chuyển đổi năng lượng cơthành năng lượng điện:

Tension Compression

Nanowire

Tension Compression

Nanowire

Các hướng di chuyển của tấm điện cực

- Dây nano Zinc Oxide cócác tính chất bán dẫn và

nhiệt điện (piezoelectric).

- Lực hấp dẫn không có bất kỳ đóng góp gì về chuyển động ở

thang nanomét.

- Trong khi đó dây nano bị uốn đi khi có một vật đẩy đầu dây từ

phía này sang phía kia.

- Sử dụng một dãy các dây nano có các tính chất bán dẫn và nhiệt điện (như "cỏ

nano" Zinc Oxide).

- Tấm điện cực đặt trên đầu các dây nano có thể di chuyển sang hai bên do chuyển động cơ học Làm biến dạng cơ học các dây nano Xuất hiện hiệu ứng áp điện

Tạo ra điện áp mạch ngoài.NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012

7. Những cơ hội và thách thức đối với KH & CN nanoNhững cơ hội từ KH & CN NANO:

- Làm thay đổi sản phẩm công nghiệp → Làm thay đổi nền kinh tế.- Làm thay đổi … con người: đời sống xã hội và đời sống sinh học.- Phá vỡ những rào cản truyền thống giữa các ngành như hóa học, vật lý và sinh

học. → Hình thành các liên ngành/đa lĩnh vực & Nhận thức/hiểu biết mới.

- Những cơ hội to lớn trong việc cải thiện việc đánh giá và bảo vệ môi trường: • Đủ năng lực để đối diện với các thể hỗn độn phức tạp ẩn chứa trong môi

trường xung quanh một cách thông minh và chính xác;• Tạo ra được những thiết bị cảm biến "thông minh" có khả năng thực hiện

được các thao tác mà không cần tiếp xúc với chất gây ô nhiễm; • Có khả năng thiết kế và chế tạo các hợp chất và vật liệu mong muốn mà

không tạo ra chất thải; • Có khả năng hóa giải được các chất gây ô nhiễm mà các kỹ thuật khắc phục

truyền thống rất khó hay không thể thực hiện được.• Có khả năng thiết kế các vật liệu nano có thể tự suy thoái, hay phân hủy

thành các vật liệu hữu ích thứ cấp.




- Thị trường các sản phẩm dựa trên công nghệ nano đang gia tăng nhanh chóng: • Các sản phẩm y tế: như van tim, hệ thống phân phối thuốc, kỹ thuật chẩn

đoán hình ảnh, …• Các linh kiện và thiết bị điện tử• Sơn chức năng bảo vệ: chống xước, chống mài mòn, chống bụi, chống bức

xạ tử ngoại,…• Các dụng cụ, thiết bị thể thao: vợt, khung, vỏ xe đua, vỏ bóng, …• Các loại sợi vải chống nhăn, chống biến màu, chống nhiễm bụi, bẩn,…• Mỹ phẩm: kem chống nắng, và các mỹ phẩm khác.

- Thị trường các sản phẩm nano của riêng châu Âu vào năm 2008 ước tính ~ 2,5 tỷ €, được đánh giá có thể sẽ tăng lên đến hàng trăm tỷ € vào năm 2015, và ~ 1 nghìn tỷ € vào những năm tiếp sau đó.

- Từ năm 1999, đã có khoảng $ 900 triệu USD vốn đầu tư mạo hiểm cho các công ty công nghệ nano, riêng vào năm 2003 được đầu tư tới 386 triệu USD.

- Trong năm 2004, trên toàn cầu các tổng công ty (corporations) đã phải chi tới 3,8 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển công nghệ nano.

- Riêng Mỹ, trong những năm cuối thập niên 2010, mỗi năm đầu tư > 1 tỷ USD cho nghiên cứu KH&CN nano.

Những cơ hội: PhPháát trit triểển kinh tn kinh tếế

Nguồn: Towards a sustainable nanotechnology. EC Communication 338, (2004)


Những cơ hội: PhPháát trit triểển kinh tn kinh tếế

- Lux Research dự đoán đến 2014 công nghệ nano sẽ có liên quan tới 15% tất cảcác sản xuất hàng hoá, có trị giá khoảng 2,6 nghìn tỷ USD.

- Các sản phẩm kết hợp các công nghệ nano mới nổi sẽ tạo ra ~ $ 920 tỷ USD vềgiá trị, chiếm 2% GDP toàn cầu.

- Chế tạo, sản xuất kết hợp Công nghệ nano sẽ chịu trách nhiệm cho 10 triệu việc làm trên toàn thế giới, bao gồm 11% tổng số nghề nghiệp chế tạo, sản xuất.

Lý do kỳ vọng vào nền sản suất, chế tạo theo công nghệ nano: Sẽ cho phép tạo ra một môi trường sạch hơn, vì:

• Dự kiến quy trình chế tạo sẽ được dịch chuyển từ cách thức từ trên xuống thành từ dưới lên.

• Các công nghệ và vật liệu hiện có sẽ được cải thiện, vì vậy hiệu quả sẽ gia tăng và các tính chất có thể được kiểm soát/điều khiển.

• Một số hạt nano có thể có hiệu quả trong việc xử lý một số chất thải độc hại.

Nguồn: Lux Research, The Nanotech Report 2004, (2004)NguyenAnhTuan-ITIMS - 2012


Tuy nhiên:

- Những tiến bộ trong KH&CN nano đã gặp khó khăn, do đó bị chậm lại trong việc đưa các vật liệu nano từ phòng thí nghiệm đến với sản xuất công nghiệp.

- Có hai thách thức cơ bản đã làm chậm sự phát triển này: • sự thiếu hiểu biết về các mối nguy hiểm mới do công nghệ nano mang lại, • thiếu các chính sách thích hợp để quản lý những rủi ro.

Lưu ý- Để thực hiện được những cơ hội này, trong khi những cơ hội khác chưa hình

thành, và để tránh những cạm bẫy/rủi ro - chủ yếu tác động có hại đến môi trường

và sức khỏe - cần phải xây dựng được một mô hình tổng thể, trong đó quan trọng

nhất là phải nỗ lực phối hợp được với tất cả các bên có liên quan, cần kết hợp cân

nhắc giữa việc cải thiện chất lượng đời sống trên các lĩnh vực xã hội và văn hóa,

với các vấn đề công bằng và bình đẳng, với nhu cầu kinh tế và sự hạn chế về

nguồn lực, và nhu cầu về năng lượng và hạn chế về nguồn năng lượng.



Tuy nhiên:

- Bên cạnh những ích lợi và những thách thức là những bất ổn, rủi ro và mạo hiểm. (Ví dụ: mức độ nguy hại tiềm ẩn của các hạt nano tới mức vào 1/2008 Hiệp hội đất trồng của Anh (UK Soil Association) đã phải thông qua chính sách từ chối nano (nano-free) cho những sản phẩm hữu cơ).

- Đòi hỏi sự tư duy khác về: quản lý, cộng (hợp) tác, những vấn đề chuỗi giá trị(chuỗi các hoạt động nhằm tạo ra các giá trị gia tăng cho sản phẩm), giáo dục, và về kêu gọi các tài trợ nghiên cứu (đặt ra các mục tiêu, nhiệm vụ thích hợp).

- Người tiêu dùng “lạc hậu” so với sự phát triển của KH&CN nano → Không cảm nhận chắc chắn, rõ ràng về sản phẩm nano.

- Các phương tiện thông tin và truyền thông, các nhà SX quảng cáo về sản phẩm công nghệ nano gây tình trạng lộn xộn, nhiễu, hỗn loạn, khó nắm bắt thực chất về tính năng, tính chất và nguy cơ của sản phẩm công nghệ nano.



Những bất ổn và rủi ro:

- Trong thời gian qua, các chuyên gia công nghệ đã chỉ ra những ảnh hưởng tiềm ẩncủa vật liệu nano đối với xã hội, và nhu cầu cần giải quyết các bất ổn hiện nay. - Đã có thái độ hoài nghi của giới khoa học về ý nghĩa của những phát hiện và đưa vào sử dụng các tính năng nano cho các vật liệu nano 'thực tế' (nghĩa là thiết kế/lắp đặt ra vật liệu). → cần phải có thái độ nghiêm túc về vấn đề này


- Các sản phẩm nano khối trên thị trường, như dioxide titanium (TiO2), dioxide silic vô định hình (SiO2), và oxit sắt, đã và đang có mặt trong nhiều sản phẩm tiêu dùng, bao gồm cả phụ gia thực phẩm, bột màu, sơn, và mỹ phẩm,...

• Vấn đề đặt ra là cần chú ý tới các tác hại của các hạt nano thế hệ mới, làm sao có thể phân biệt và ngăn chặn được giữa tính tốt, xấu, và tệ hại, để điều chỉnh thiết kế và kiểm tra đ/v các vật liệu này.

• Cần phải có các phương pháp để ngăn chặn các lọai hạt nano có tác động xấu và tệ hại. Đây là một trong những nhu cầu cấp bách nhất của ngành công nghiệp sử dụng công nghệ nano.

• Cần lưu ý các quy định phù hợp với một loại vật liệu nano cụ thể có thể không phù hợp về tính chất độc hại cho tất cả các vật liệu nano khác.



Một số mối quan tâm, lo ngại hiên nay về các hạt nano


- Những phát hiện đầu tiên về nguy cơ tiềm ẩn của nano là đối với các hạt siêu mịn (các hạt sơ cấp và đám tích tụ < 100 nm), gây ô nhiễm trong không khí, chủ yếu được sinh ra từ quá trình đốt cháy, như các khí thải động cơ diesel, đã được chứng minh là có tác động đến tim mạch, huyết áp, quá trình đông máu, và gây xơ vữa động mạch.

- Các ống nano carbon (CNTs) cũng được cho là có tác động tương tự lên quátrình đông máu như các hạt siêu mịn trong không khí, và có thể gây tác hại như hình thành các u hạt và các ổ viêm loét trong phổi khi hít phải.

- Các hạt nano được thiết kế (ENPs) có thể xuyên qua màng thành mạch máunão, đến được khu vực khứu giác trong não, và có thể vượt qua màng nhau thai,... đã gây ra lo ngại về những tác động đến các cơ quan này.

- Sự lo ngại về những tác động tiềm ẩn của các hạt nano ENPs lên các bệnh thoái hóa thần kinh, như Alzheimer và Parkinson.



- Vì một số loại hạt nano ENPs (như TiO2, fullerenes) thể hiện hiệu ứng quang xúc và tạo ra các dạng phản ứng ôxy hóa khử. Do đó hạt nano TiO2 đã được dùng để khảo sát mức độ xuống cấp trong ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, đểkhử trùng nước, thanh lọc không khí, và làm lớp phủ quang xúc tác.

Tuy nhiên, các đặc tính này rất giống nhau, thích hợp ở trong một sản phẩm hoặc một ứng dụng nào đó, nhưng các hạt nano có thể trở nên nguy hiểm nếu chúng hoạt động không đúng chỗ. Ví dụ, trong môi trường nước, ENPs sẽ thựchiện các phản ứng với các cation, anion và các chất hữu cơ tự nhiên.Nhưng các phản ứng này lại có thể dẫn đến làm biến đổi hình thái bề mặt, gây tích tụ các hạt ENPs, hoặc kết tụ với các hạt, các chất kết tủa, các vi sinh vật.

Tóm lại: Những bất ổn, rủi ro chủ yếu tác động trực tiếp lên cơ thể sống, đến sức khỏe của con người, và tác động lên môi trường sống (môi trường tự nhiên).



Những ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro:

- Nanosilver • Lớp phủ nano bạc được biết đến có tác dụng kháng khuẩn nên đang ngày

càng được sử dụng trong một loạt các sản phẩm, như băng gạc vết thương, ống thông đường tiểu, quần áo tự làm sạch, kem đánh răng, và các máy rửabát, hay làm các lớp phủ bảo vệ khác nhau, từ túi đóng gói thực phẩm đếncác giấy phủ tường hay trần nhà.

• Mặc dù nguyên lý được dựa trên sự hình thành và giải phóng chậm của các ion Ag, nhưng chưa có thông tin về ảnh hưởng của các hạt nano hoặc ion Ag lên quần áo và phát tán từ lớp phủ vào môi trường xung quanh.

• Mặc dù độc tính của ion Ag đã được mô tả rõ, chủ yếu khi ở tình trạng vượt quá ngưỡng cho phép và nồng độ cao, về mặt môi trường và sức khỏe, nano Ag có thể nguy hiểm vì khi tiếp xúc với Ag có thể gây hại cho môi trường nước, là môi trường rất nhạy cảm. Mối lo ngại này đã khiến một sốtổ chức xử lý chất thải đã phản đối việc sử dụng nano Ag trong máy giặt.




- Nanosilver

• Có rất ít dữ liệu về tác hại khi tiếp xúc lâu dài với lượng ion Ag thấp, vàkhông có thông tin gì về việc các hạt nano Ag hoạt động như là một hệmang mầm bệnh ẩn giấu.

• Lập luận chủ đạo trong việc dùng nano Ag để diệt khuẩn là, các vi khuẩnkhông thể kháng lại Ag bởi vì chúng có xu hướng chống lại sự kháng này.

• Truy nhiên không phải như vậy, người ta lại cho rằng kháng Ag có thể đạt được tương đối nhanh so với các hiệu ứng nhạy cảm với kháng sinh. Do đósự kháng Ag có thể phát triển dễ dàng ở các vi khuẩn đã có cơ chế kháng đối với kháng sinh, như là khuẩn tụ cầu vàng (MRSA) và những loại khuẩn khác kháng với methicillin.

• Sự kháng Ag có liên quan tới sự kháng lại kháng sinh đã được quan sát thấy ở các vi khuẩn được cô lập từ các con chim và trong các khuẩnsalmonella (một loại khuẩn gây ngộ độc thức ăn).




- Nanosilver

• Có vi khuẩn kháng Ag ở trong miệng của chúng ta, có thể liên quan đến Ag

trong hỗn hợp các chất hàn răng. Vi khuẩn kháng Ag cũng được tìm thấy

trong tự nhiên, trong thực phẩm, trong đường ruột từ các vùng địa lý khác

nhau, và ở trong các bệnh viện.

• Thử nghiệm lâm sàng một cách hệ thống trên các ống thông niệu có phủ Ag

cho thấy rằng: một số nghiên cứu đã làm nhiễm trùng máu thứ cấp, đã gây

tử vong, gây tốn kém, hoặc gây kháng vi khuẩn; một số nghiên cứu khác lại

cho thấy không có tác nhân kháng Ag trong hai năm dùng thử.




- Cerium oxide (CeO2) nanoparticles

• Hạt nano CeO2 được bổ sung vào dầu diesel nhằm làm xúc tác để giảm khíthải độc hại và sự phát tán hạt thải từ các xe vận tải chạy bằng diesel.

• Envirox ™, một loại chất xúc tác CeO2 dùng cho nhiên liệu, vừa làm giảm lượng khí thải dạng hạt, vừa làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu lên đến 10%, đã được thử nghiệm thành công với xe buýt ở Hồng Kông.

• Hiện chưa rõ mức độ phát thải của CeO2 sẽ ảnh hưởng thế nào khi thải vào môi trường xung quanh các hạt nano, và các mối nguy hiểm tiềm ẩn của nó.

• Dữ liệu từ một số nghiên cứu (của hãng sx Envirox ™ (Oxonica, USA)) bằng cách kích thích phản ứng da, gây độc tế bào, gây biến dị vi khuẩn,… với hai loại CeO2 có kích thước khác nhau: 9 nm và 320 nm, cho thấy không có sựgây nhiễm độc cho tế bào, gây đột biến, cũng như không có ức chế về hô hấp.




- Cerium oxide (CeO2) nanoparticles

• Mặc dù những cuộc kiểm tra không xác nhận một cách cụ thể cho các hạt nano này, nhưng chúng vẫn cho thấy rằng không phải bình thường mà việc sửdụng nano CeO2 cũng không có hiệu lực đối với nhiên liệu diesel.

• Các thử nghiệm cho tiếp xúc mô phổi với khí thuần CeO2 và các hạt diesel cóvà không có CeO2 cho thấy không có tác dụng độc hại nào.

• Đánh giá tác động đến môi trường và chu kỳ đời sống có xét đến tính hiệu quảsử dụng và tiết kiệm nhiên liệu cũng cho thấy là tích cực.

• Các ứng dụng trong y tế của CeO2 cũng có thể được thực hiện dựa trên các tính chất làm sạch triệt để của nó → Vì vậy người ta đề xuất sử dụng hạt nano CeO2 tự xúc tác có tác dụng bảo vệ ở trong các loại tế bào khác nhau.

• Dù sao, nếu có ứng dụng CeO2, tốt nhất vẫn hạn chế sao cho chỉ hít phải hạt này với liều lượng thấp nhất có thể.





- TiO2 and ZnO nanoparticles

• Các hạt nano TiO2 và ZnO đang được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm khác nhau, đặc biệt là kem chống nắng.

• Nếu có sự hấp thụ qua da của các hạt nano này từ các sản phẩm mỹ phẩm, có thể sẽ gây phiền toái đáng kể cho cơ thể. → Do đó vấn đề rất quan trọng là cần phải kiểm tra xem liệu các hạt nano có còn trên da, hoặc có thể thâm nhập được vào hệ tuần hoàn hay không.

• Có rất ít bằng chứng cho thấy các hạt nano trong kem chống nắng đi qua được lớp sừng vào lớp hạ bì, và từ đó di chuyển ra những nơi khác.

• Vấn đề cần quan tâm tiếp theo là liệu có sự thâm nhập qua lớp da bị hư hại hay không. Tuy nhiên có một số bằng chứng cho thấy có ứng suất do sựoxy hóa và gây hư hại cho DNA trong ống nghiệm do các thành phần của kem chống nắng vô cơ.

• Ngoài ra, các nghiên cứu cũng cho thấy rằng, khi ở trong mạch máu, những hạt này có thể đến được gan, nhau thai, và não.





• Các hạt nano TiO2 được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nữa. Ví dụ, trong các lớp sơn phủ bảo vệ cho tàu nước mặn để kiểm soát tính chống gỉvà giảm ăn mòn.

• Ảnh hưởng của các hạt nano TiO2 lên các sinh vật vẫn chưa được biết.• TiO2 cũng là một thành phần trong một số công nghệ xử lý nước, vì có tác

dụng làm giảm các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và diệt vi khuẩn (như E-coli) khi kết hợp với ánh sáng.

• Hiện nay TiO2 dạng hạt – như Adsorbia ™ GTO ™ - có thể loại bỏ được As ra khỏi nước.

• Có khoảng 1/3 lượng kem chống nắng có chứa các hạt nano ZnO, bởi vìZnO có chức năng bảo vệ da khỏi tia cực tím (UV). Nhưng loại hạt nano này lại có xu hướng ở lại trên da lâu hơn.

• Một số cơ quan bảo vệ người tiêu dùng đã chỉ trích về các chỉ tiêu kỹ thuật lý hóa của ZnO trong nhiều nghiên cứu đã không được đầy đủ.




• Các hạt ZnO có kích thước 200 nm, được phủ bằng các hợp chất khác và được sử dụng như là một thành phần trong kem chống nắng, đã được chứng tỏ là một tác nhân phá hủy DNA bằng ánh sáng, gây tổn hại cho các tế bào của động vật có vú. → Do đó cần phải làm rõ mối liên quan của những phát hiện trên đây với cơ thể người và các sinh vật khác.

• Tóm lại: Còn thiếu các dữ liệu đáng tin cậy về sự hấp thụ qua da của các hạt ZnO mịn, để trên cơ sở đó có cho phép sử dụng các hạt mịn ZnO để lọc UV trong mỹ phẩm hay không.

• KẾT LUẬN: Mặc dù các hạt nano có những tính chất, tính năng vượt trội so với các vật liệu khối, mang lại nhiều lợi ích cho con người, nhưng vẫn còn rất nhiều những rủi ro, bất ổn, những nguy cơ tiềm ẩn đe dọa đến sức khỏe và sựan toàn cho cuộc sống và cho môi trường sống của con người. → Vì vậy cần hết sức lưu tâm khi tiếp xúc với chúng trong quá trình nghiên cứu và sử dụng.



KẾT LUẬN CHUNG:

- Có nhiều cơ hội rất lớn để phát triển khoa học, kinh tế, xã hội, và con người.- Nhưng cần ý thức được giữa sự phát triển, đặc biệt là sử dụng các vật liệu nano với các lợi ích của chúng, với việc đảm bảo được sự an toàn cho sức khỏe con người và cho môi trường tự nhiên.- Do đó, thách thức trọng tâm là: đồng thời vừa phát triển các sản phẩm hữu ích cho thị trường, cho xã hội, vừa thúc đẩy được khoa học cơ bản.

- Vì vậy rất cần triển khai được mô hình green nanoscience & green nanoscience & nanotechnologynanotechnology.


HHẾẾT PHT PHẦẦN GIN GIỚỚI THII THIỆỆU TU TỔỔNG QUANNG QUAN


vat lieu nano_ch0-2012

Documents