Semi Cnts.docx

I) Giới thiệu Ống nanocarbon (CNTs): là một dạng thù hình của cacbon, nó có cấu trúc flueren, dạng hình trụ rỗng, có bề dày một nguyên tử, chiều dài ống lớn gấp khoảng 10.000 lần đường kính ống. Các loại ống nanocarbon: Ống nanocarbon đơn lớp (SWNT-Single Walled Nano Tubes): là ống chỉ gồm một lớp, nó được hình thành bằng cách cuộn tấm graphene (tấm carbon độ dày một nguyên tử cấu trúc 2 chiều) và cố định 2 mép lại, sau đó bịt 2 đầu ống, mỗi đầu bằng một nửa quả cầu bucky C60 (cấu trúc flueren dạng hình cầu có 60 nguyên tử cacbon), đường kính ống thường gặp là khoảng 1.4nm.

Hình 3: Ống nanocarbon đơn lớp Ống nano carbon đa lớp (MWNT-Multi Walled Nano Tubes): là nhiều ống nano cacbon đơn thành bao bọc nhau theo cấu trúc các trụ đồng tâm. Khoảng cách giữa các lớp trong khoảng 0.34-0.39nm và các ống dao động trong khoảng 10-20 nm. Chiều loại ống này chỉ giới hạn ở mức một vài µm.

Hình 4: Ống nanocarbon đa lớp Ngoài ra còn có các loại ống nanocarbon khác như ống nanocarbon vòng, ống nanocarbon mầm, …. II)

Phân loại:

Đơn vách

Cách đặt tên ống nano (n,m) có thể tưởng tượng như là một vector (Ch) trong một tấm than chì vô hạn mà mô tả cách "cuộn" tấm than chì để tạo ống nano. T thể hiện trục của ống, và a1 với a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực Phần lớn các ống nano đơn vách (SWNT-Single-Walled Nanotube) có đường kính gần 1 nanomet, với độ dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần như vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dung là cuộn một vách than chì độ dày một-nguyên-tử (còn gọi là graphene) thành

một hình trụ liền. Cách mà tấm graphene được cuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên n và m là số của các vector đơn vị dọc theo hai hướng trong lưới tinh thể hình tổ ong của graphene. Nếu m=0, ống nano được gọi là "zigzag". Nếu n=m, ống nano được gọi là "ghế bành". Nếu không, chúng được gọi là "chiral". Ống nano đơn vách là loại ống nano cacbon cực kì quan trọng bởi chúng thể hiện các tính chất điện quan trọng mà không ống nano đa vách nào có được. Các ống nano đơn vách là ứng cử viên sáng giá trong việc thu nhỏ kích thước sản phẩm ngành cơ điện từ cỡ micro hiện nay xuống còn nano. Sản phẩm căn bản của ngành này là dây điên, mà SWNT lại dẫn điện rất tốt. Một ứng dụng hữu ích khác của SWNT là trong việc phát triển các transitor cảm ứng (FET-field effect transitor) nội phân tử. Việc sản xuất cổng logic (logic gate) đầu tiên sử dụng FET làm bằng SWNT gần đây đã trở thành hiện thực. Bởi vì SWNT trở thành p-FET khi tiếp xúc với oxy và n-FET khi không tiếp xúc với oxy, chúng đều có thể bảo vệ một nửa SWNT khỏi bị tiếp xúc với oxy, trong khi cho tiếp xúc với oxy nửa còn lại. Kết quả là một SWNT đơn có thể hoạt động như một cửa luận lý NOT với cả loại FET n và p trong cùng một phân tử. Ống nano đơn vách vẫn có chi phí sản xuất cao, khoảng $1500 mỗi gam vào năm 2000, và việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn là rất cần thiết cho tương lai của công nghệ nano. Nếu không thể phát hiện các phương pháp tổng hợp rẻ hơn, nó sẽ trở thành cản trở về mặt tài chính trên con đường đưa ống nano đơn vách ra ứng dụng trong thực tế. Một vài nhà cung cấp phân phối SWNT arc discharge với khoảng $50–100 vào năm 2007 Đa vách Ống carbon nano đa vách (MWNT) gồm nhiều vách than chì(graphite). Có hai mô hình được sử dụng để mô tả MWNT. Trong mô hình thứ nhất có tên gọi:Russian doll, MWNT gồm nhiều ống SWNT đơn lồng vào nhau. Trong mô hình thứ hai: Parchment, MWNT được mô tả như một tấm graphite cuộn lại. Khoảng cách giữa các vách trong MWNT tương

đương vách khoảng cách các vách graphite trong cấu trúc than chì, xấp xỉ 3.4 Å. MWNT có đường kính lớn hơn SWNT, và có độ trơ với hóa chất cao hơn. Năm 2009, nhóm nghiên cứu của giáo sư James Tour ở ĐH Rice dùng KMnO4 trong H2SO4 đặc để mở ống MWNT tạo nên Graphene nanoribbon, công trình được đăng trên tạp chí nature. MWNT hai vách được gọi là DWNT, được tổng hợp trên quy mô gram vào năm 2003 bằng phương pháp CCVD. Vòng

nanobud Cấu trúc của mầm ống carbon nano Ống carbon nano vòng được tiên đoán bằng lý thuyết với nhiều tính chất đặc biệt. Mầm Ống carbon nano mầm và một dạng đặc biệt, kết hợp bởi ống carbon nano và fullerene. Trong vật liệu composite, mầm fullerene đóng vai trò như là mỏ neo, giúp các ống carbon nano không trượt, giúp tăng cường độ bền của vật liệu. Các dạng khác

Cycloparaphenylene Ống carbon nano dài 18.5 cm được báo cáo vào năm 2009, được tổng hợp trên nền Silic bằng phương pháp CVD cải tiến. Ống carbon nano

ngắn nhất được biết đến là phân tử cycloparaphenylene, được tổng hợp vào đầu năm 2009. Ống carbon nano mỏng nhất là loại ghế bành (armchair) (2,2) với đường kính 3Å, được tổng hợp trong lòng ống carbon nano đa vách. Việc xác định loại ống được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử quét truyền qua độ phân giải cao(HRTEM), máy quang phổ raman và lý thuyết mật độ chức năng(DFT). III) Các phương pháp chế tạo ống nano carbon 1. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) Trong phương pháp CVD thường sử dụng nguồn carbon là các hyđrô carbon (C𝐻4 , C2 H2 ) hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt hoặc plasma hay laser để phân ly các phân tử khí thành các nguyên tử các bon hoạt hóa. Các nguyên tử các bon này khuếch tán xuống đế, và lắng đọng lên các hạt kim loại xúc tác (Fe, Ni, Co), và CNTs được tạo thành. Nhiệt độ để vào khoảng 650 độ C – 900 độ C. Phương pháp lắng đọng hoá học pha hơi thường tạo ra ống nano các bon đa vách hoặc đơn vách với độ sạch không cao, thường người ta phải phát triển các phương pháp làm sạch. Phương pháp này có ưu điểm là dễ chế tạo và rẻ tiền.

Hình 8: Hệ CVD nhiệt 2. Phương pháp phóng điện hồ quang

Hơi carbon được tạo ra bằng cách phóng một luồng hồ quang điện ở giữa hai điện cực làm bằng carbon có hoặc không có chất xúc tác. CNTs tự mọc lên từ hơi carbon. Hai điện cực các bon đặt cách nhau 1 mm trong buồng khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất thấp (giữa 50 và 700 mbar). Một dòng điện có cường độ 50 - 100 A được điều khiển bởi hiệu điện thếkhoảng 20V tạo ra sự phóng điện hồ quang nhiệt độ cao giữa hai điện cực các bon. Luồng hồ quang này làm bay hơi một điện cực các bon và lắng đọng trên điện cực còn lại, tạo ra sản phẩm là SWCNTs hoặc MWCNTs tuỳ theo việc có chất xúc tác kim loại (thường là Fe, Co, Ni, hay Mo) hay không. Hiệu suất tạo ra CNTs phụ thuộc vào môi trường plasma và nhiệt độ của điện cực nơi các bon lắng đọng. Với điện cực là các bon tinh khiết, ta thu được MWCNTs còn khi có kim loại xúc tác (Ni, Co, Fe) ta thu được SWCNTs.

Hình 9: Hệ chế tạo CNTs bằng phương pháp phóng điện hồ quang 3. Dùng nguồn laser Một chùm laser năng lượng cao (xung hoặc liên tục) làm bay hơi một bia graphite trong lò ở nhiệt độ cao khoảng 1200 độ C. Trong lò có chứa khí trơ He hoặc Ne với mục đích giữ áp suất trong lò ở 500torr và đóng vai trò của khí mang đưa hơi các bon về phía cực lắng đọng. Các nguyên tử, phân tử các bon lắng đọng lại tạo thành các đám có thể gồm fullerence và MWCNTs. Đểtạo ra SWCNTs thì bia phải có xúc tác kim loại (Co, Ni, Fe hoặc Y). CNTs được tạo ra bằng phương pháp bay

hơi bằng chùm tia laser có độ tinh khiết cao hơn so với phương pháp hồ quang điện. Với xúc tác hỗn hợp Ni/Y (tỉ lệ 4,2/1) cho kết quả tạo SWCNTs tốt nhất.

Hình 10: Hệ chế tạo CNTs bằng phương pháp dung nguồn laser 4. Phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt Dùng bình thép không rỉ có chứa các bi thép không rỉ với độ cứng cao và đổ vào bình thép bột graphit tinh khiết (98%). Bình thép không rỉ được thổi khí Argon với áp suất 300kPa. Quay bình để bi thép không rỉ nghiền bột graphit khoảng 15 giờ. Sau khi nghiền, bột có rất nhiều ống nanocarbon đa vách. Quá trình nghiền tạo ra các hạt graphit nhiều mầm đểphát triển ống nano các bon và khi nung ủ nhiệt, các mầm đó phát triển thành ống nano carbon.

Hình 11: Cơ chế nghiền bi

III) Ứng dụng của ống nanocarbon 1. Các ứng dụng về năng lượng CNTs có khả năng tích trữnăng lượng cao. Tốc độ chuyển tải điện tử từ cực này sang cực kia với vật liệu CNTs là rất nhanh. Do đó hiệu suất của các pin nhiên liệu loại này thường rất cao.Hai thành phần có thể tích trữđiện hóa trong CNTs là hydrogen và lithium. Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng và đường kính cỡ nanomét nên vật liệu CNTs có thểtích trữ chất lỏng hoặc khí trong lõi trơ thông qua hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này được gọi là hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể tích trữ hydrogen theo cách hóa học (hấp thụ nguyên tửhydrogen).

Hình 28: Pin sử dụng ống nanocarbon được sử dụng ngoài không gian 2. Ứng dụng trong các linh kiện điện tử Thiết bị phát xạ điện tử trường: ngưỡng thế phát xạ của vật liệu thấp, mật độ dòng có độ ổn định cao, vật liệu phát xạ phải có đường kính nhỏ cỡ nanomet, cấu trúc tương đối hoàn hảo, độ dẫn điện cao, độ rộng khe năng lượng nhỏ và ổn định về mặt hóa học. Các điều kiện này, vật liệu CNTs đáp ứng đầy đủ. Hơn nữa, CNTs lại tương đối trơ về mặt hóa học nên có độ ổn định về mặt hóa học rất cao. Các ứng dụng sử dụng vật liệu CNTs cho các thiết bị phát xạ điện tử trường như: transistor hiệu ứng trường, các thiết bị hiển thị bản mỏng tip STM Đầu dò nano: Do tính dẻo dai được sử dụng như các đầu dò quét trong các thiết bị kính hiển vi điện tử AFM và STM. Thuận lợi chủ yếu của

các đầu dò loại này là độ phân giải được cải thiện hơn nhiều so với các tip Si hoặc các tip kim loại mà không phá mẫu (do CNTs độ đàn hồi cao). Các ống CNTs gắn trên đầu tip có thể biến tính bằng cách gắn các nhóm chức năng (COOH) để tăng các tương tác hóa, sinh. Các tip này có thểđược sử dụng như các đầu dò phân tử, ứng dụng trong các lĩnh vực hoá học và y sinh. Các ứng dụng sensor: Thông thường, vật liệu CNTs tương tác hóa học cũng như đặc tính tương tác hay hấp thụ có chọn lọc, tùy theo yêu cầu của từng ứng dụng. Chẳng hạn với các sensor xác định nồng độ cồn cực thấp sử dụng vật liệu CNTs thì vật liệu CNTs phải được biến đổi trước để tạo các nhóm COOH trên bề mặt. Các nhóm này sẽ tương tác với phân tử ethanol (𝐶𝐻3 𝐶𝐻2 𝑂𝐻) và gắn các phân tử này lên bề mặt CNTs, làm thay đổi độ dẫn điện của vật hấp thụ. Từ sự thay đổi này, nồng độ cồn được hấp thụ có thể xác định được. 3. Các vật liệu tổ hợp Các vật liệu composite trên cơ sở vật liệu CNTs đều tỏ ra các đặc tính cơ lý tốt như độ bền, độ dẻo dai cao. Với các vật liệu polyme dẫn, CNTs có thể làm tăng khả năng dẫn điện của chúng khi được pha tạp vào. Một hướng ứng dụng khác cũng đang được tập trung nghiên cứu là mạ crôm gia cường vật liệu CNTs. Vật liệu CNTs được pha vào dung dịch mạ, trong quá trình mạ điện hóa, CNTs được xen lẫn vào trong lớp mạ và định vị một cách ngẫu nhiên trên lớp mạ hoặc hút tĩnh điện (với CNTs biến tính). Kết quả mạ cho thấy độ cứng tăng rỗ rệt và lớp mạ cũng nhẵn hơn.