Luận văn thạc sĩ vnu uet chế tạo và khảo sát tính chất màng nano alkanethiol trên bề mặt vàng au bằng phương pháp tự lắp ghép phân tử sam luận văn ths vật liệu và linh kiện nanô

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất màng nano alkanethiol trên bề mặt vàng bằng phương pháp tự lắp ghép phân tử.

• Tác giả: Đỗ Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Cường
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất màng nano alkanethiol trên bề mặt vàng bằng phương pháp tự lắp ghép phân tử
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Màng mỏng tự lắp ghép SAM
• 1.1.1. Khái niệm cơ bản
• 1.1.2. Ưu điểm của màng mỏng SAM
• 1.1.3. Các sai hỏng trong cấu trúc SAM
• 1.2. Màng mỏng SAM-alkanethiol
• 1.2.1. Các tương tác trong quá trình hình thành SAM-alkanethiol
• 1.2.1.1. Liên kết giữa nhóm SH và vàng
• 1.2.1.2. Tương tác giữa các chuỗi
• 1.2.1.3. Tương tác của phân tử tạo SAM với dung môi
• 1.2.2. Quá trình tự lắp ghép của SAM-alkanethiol
• 1.2.3. Các điều kiện hình thành SAM-alkanethiol
• 1.2.3.1. Nồng độ và thời gian nhúng
• 1.2.3.2. Độ tinh khiết của thiol
• 1.2.3.3. Lượng oxy trong dung dịch
• 1.2.3.4. Chất lượng của đế vàng
• 1.3. Ứng dụng của màng SAM
• 1.3.1. SAM dùng để chống lại sự ăn mòn
• 1.3.2. Làm rào chắn sự truyền điện tử
• 1.3.3. Làm đế cho sự mọc tinh thể
• 1.3.4. Ứng dụng trong hoá sinh và sinh học
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và vật liệu
• 2.2. Quy trình thực nghiệm tạo màng SAM
• 2.3. Các phương pháp phân tích
• 2.3.1. Phân tích chất lượng màng vàng
• 2.3.2. Hiển vi điện tử quét SEM
• 2.3.3. Hiển vi lực nguyên tử AFM
• 2.3.4. Nhiễu xạ tia X
• 2.3.5. Xác định sự tồn tại của nhóm chức và liên kết Au-S
• 2.3.6. Phổ tán xạ Raman
• 2.3.7. Phổ hấp thụ hồng ngoại FTIR
• 2.3.8. Định lượng mật độ phân tử carboxylic của màng SAM
• 2.3.8.1. Phương pháp đường chuẩn
• 2.3.8.2. Quy trình thực hiện
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát bề mặt đế vàng
• 3.1.1. Hiển vi điện tử quét
• 3.1.2. Hiển vi lực nguyên tử
• 3.1.3. Nhiễu xạ tia X
• 3.2. Xác định liên kết Au-S và nhóm chức –COOH của màng
• 3.2.1. Phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 3.2.2. Phổ tán xạ Raman
• 3.2.3. Định lượng mật độ phân tử carboxylic của màng SAM
• 3.2.3.1. Xây dựng đường chuẩn của MB tại đỉnh hấp thụ 662nm
• 3.2.3.2. Tính toán định lượng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về màng nano alkanethiol trên bề mặt vàng

Màng nano alkanethiol là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực vật liệu nano. Chúng được hình thành thông qua phương pháp tự lắp ghép phân tử (SAM) trên bề mặt vàng. Việc nghiên cứu tính chất của màng này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong điện tử, cảm biến sinh học và công nghệ nano. Màng alkanethiol có khả năng thay đổi tính chất bề mặt của vàng, từ đó tạo ra các tính năng mới cho các thiết bị điện tử.

1.1. Khái niệm về màng nano alkanethiol

Màng nano alkanethiol là lớp màng mỏng được hình thành từ các phân tử alkanethiol, có khả năng hấp phụ mạnh mẽ lên bề mặt vàng. Chúng có cấu trúc đơn lớp và được tạo ra thông qua quá trình tự lắp ghép, giúp cải thiện tính chất bề mặt của vàng.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ tự lắp ghép phân tử

Công nghệ tự lắp ghép phân tử đã được nghiên cứu từ những năm 1950. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của nó chỉ diễn ra trong khoảng 10 năm gần đây, nhờ vào những tiến bộ trong nghiên cứu vật liệu nano và ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử và sinh học.

II. Thách thức trong nghiên cứu màng nano alkanethiol

Mặc dù màng nano alkanethiol có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và phát triển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của vật liệu, điều kiện hình thành và sự ổn định của màng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Những sai hỏng trong cấu trúc màng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của chúng.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng

Chất lượng của màng nano alkanethiol phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ tinh khiết của thiol, điều kiện môi trường và phương pháp chế tạo. Những yếu tố này có thể dẫn đến sự hình thành các sai hỏng trong cấu trúc màng.

2.2. Sai hỏng trong cấu trúc màng nano

Sai hỏng trong màng nano alkanethiol có thể xảy ra do sự không đồng nhất trong quá trình tự lắp ghép. Các sai hỏng này có thể làm giảm hiệu suất của màng trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp nghiên cứu màng nano alkanethiol

Để nghiên cứu tính chất của màng nano alkanethiol, nhiều phương pháp phân tích hiện đại đã được áp dụng. Các phương pháp như hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi lực nguyên tử (AFM) và phổ hồng ngoại (FTIR) giúp xác định cấu trúc và tính chất của màng. Những phương pháp này cung cấp thông tin chi tiết về sự hình thành và tính chất của màng.

3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM

Hiển vi điện tử quét (SEM) là một trong những phương pháp chính để khảo sát bề mặt của màng nano alkanethiol. Phương pháp này cho phép quan sát cấu trúc bề mặt với độ phân giải cao, giúp xác định hình dạng và kích thước của màng.

3.2. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử AFM

Hiển vi lực nguyên tử (AFM) cung cấp thông tin về độ nhám và cấu trúc bề mặt của màng nano. Phương pháp này giúp đánh giá sự đồng nhất và tính chất cơ học của màng alkanethiol.

IV. Ứng dụng thực tiễn của màng nano alkanethiol

Màng nano alkanethiol có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như điện tử, cảm biến sinh học và công nghệ nano. Chúng có thể được sử dụng để cải thiện tính chất bề mặt của các thiết bị điện tử, tạo ra các cảm biến nhạy và hiệu quả hơn. Ngoài ra, màng alkanethiol còn có khả năng chống ăn mòn và cải thiện độ bền của vật liệu.

4.1. Ứng dụng trong điện tử

Màng nano alkanethiol được sử dụng để cải thiện tính chất bề mặt của các thiết bị điện tử, giúp tăng cường hiệu suất và độ bền của chúng. Chúng có thể được áp dụng trong các mạch điện và cảm biến.

4.2. Ứng dụng trong cảm biến sinh học

Màng alkanethiol có khả năng tạo ra các cảm biến sinh học nhạy bén, giúp phát hiện các chất phân tích trong môi trường. Chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng y sinh và môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của màng nano alkanethiol

Nghiên cứu về màng nano alkanethiol trên bề mặt vàng đang mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực vật liệu nano. Với những ứng dụng đa dạng và khả năng cải thiện tính chất bề mặt, màng alkanethiol hứa hẹn sẽ đóng góp quan trọng vào sự phát triển của công nghệ trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ giúp tối ưu hóa các ứng dụng thực tiễn.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về màng nano alkanethiol sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu cải thiện chất lượng và tính năng của màng. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc phát triển các loại thiol mới và tối ưu hóa quy trình tự lắp ghép.

5.2. Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Màng nano alkanethiol có tiềm năng lớn trong công nghệ sinh học, đặc biệt trong việc phát triển các cảm biến sinh học và hệ thống phân phát thuốc. Những ứng dụng này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả trong y học và chăm sóc sức khỏe.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ tự lắp ghép phân tử (Self-assembled Monolayers - SAM) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong khoa học vật liệu và công nghệ nano trong hơn một thập kỷ qua. Với khả năng tạo ra các màng mỏng nano đơn lớp có cấu trúc tinh thể 2 chiều trên bề mặt kim loại, SAM mở ra nhiều ứng dụng trong điện tử phân tử, cảm biến sinh học, và công nghệ sinh học. Tại Việt Nam, công nghệ này còn khá mới mẻ nhưng có tiềm năng phát triển lớn do yêu cầu kỹ thuật không quá cao. Luận văn này tập trung vào chế tạo và khảo sát màng nano alkanethiol, cụ thể là màng axít thioglycolic trên bề mặt vàng định hướng (111) bằng phương pháp tự lắp ghép phân tử.

Mục tiêu nghiên cứu là tạo ra màng SAM alkanethiol chất lượng cao trên đế vàng, xác định cấu trúc và tính chất của màng bằng các phương pháp phân tích hiện đại như hiển vi lực nguyên tử (AFM), nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR), phổ tán xạ Raman và định lượng mật độ phân tử carboxylic bằng phương pháp trắc quang. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Đại học Quốc gia Hà Nội, với thời gian nhúng màng trong dung dịch axít thioglycolic 10mM là 24 giờ.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc ứng dụng màng SAM trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học, điện tử phân tử và công nghệ sinh học, đồng thời mở rộng hiểu biết về cơ chế hình thành và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng màng SAM trên bề mặt vàng. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả chế tạo màng nano, phục vụ phát triển các thiết bị công nghệ cao trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về công nghệ tự lắp ghép phân tử (SAM) và các tương tác hóa học vật lý trong quá trình hình thành màng alkanethiol trên bề mặt vàng. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết tự lắp ghép phân tử (Self-assembly theory): Định nghĩa sự tự lắp ghép là quá trình lắp ghép thuận nghịch của các thành phần phân tử dựa trên các liên kết không hóa trị, cho phép các phân tử tìm trạng thái năng lượng tối ưu, giảm sai hỏng và tạo cấu trúc tinh thể 2 chiều có trật tự.

2. Mô hình tương tác liên kết Au-S và tương tác chuỗi alkyl: Liên kết giả hóa trị giữa nhóm thiol (-SH) và bề mặt vàng (Au) là cơ sở cho sự bám dính chắc chắn của phân tử alkanethiol. Ngoài ra, lực Van der Waals và liên kết lưỡng cực giữa các chuỗi alkyl giúp tạo nên cấu trúc tinh thể ổn định của màng SAM.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Phần đầu (head group): Nhóm chức năng có khả năng liên kết với bề mặt đế (như nhóm -SH liên kết với Au).
• Phần đuôi (tail): Chuỗi alkyl dài tạo lực tương tác Van der Waals giữa các phân tử.
• Nhóm chức năng (functional group): Nhóm hóa học ở đầu đuôi phân tử, như -COOH, quyết định tính chất bề mặt màng.
• Liên kết Au-S: Liên kết homolytic mạnh (~40-50 kcal/mol) giữa lưu huỳnh và vàng, giữ phân tử thiol bám chắc trên bề mặt.
• Tương tác dung môi: Ảnh hưởng của dung môi lên quá trình tự lắp ghép, đặc biệt là tương tác kỵ nước giúp ổn định cấu trúc màng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo màng SAM alkanethiol trên đế vàng (Au(111)) tại phòng thí nghiệm Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Quy trình nghiên cứu gồm:

• Chuẩn bị đế vàng: Màng vàng dày 200 nm được chế tạo bằng phương pháp phún xạ trên đế silic, làm sạch bằng dung dịch piranha, rung siêu âm trong axeton và ethanol, sấy khô ở 60°C.
• Chế tạo màng SAM: Nhúng đế vàng vào dung dịch axít thioglycolic 10mM trong ethanol, giữ ở nhiệt độ phòng, tránh ánh sáng và khí quyển trong 24 giờ.
• Phân tích cấu trúc và bề mặt:
  • Hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái bề mặt.
  • Hiển vi lực nguyên tử (AFM) để đo độ nhẵn và kích thước hạt bề mặt.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt vàng.
• Xác định liên kết hóa học và nhóm chức:
  • Phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) để phát hiện liên kết Au-S và nhóm -COOH.
  • Phổ tán xạ Raman để xác minh sự mất liên kết S-H và sự hình thành liên kết Au-S.
• Định lượng mật độ phân tử: Sử dụng phương pháp trắc quang với thuốc thử Xanh Methylen (MB), xây dựng đường chuẩn hấp thụ UV-VIS tại bước sóng 662 nm, đo sự thay đổi nồng độ MB sau phản ứng với nhóm -COOH trên màng SAM để tính mật độ phân tử carboxylic trên bề mặt.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều đế vàng và mẫu màng SAM được chuẩn bị đồng nhất. Phương pháp chọn mẫu là chọn ngẫu nhiên các vị trí trên đế vàng để đảm bảo tính đại diện. Phân tích dữ liệu sử dụng các phần mềm xử lý phổ và hình ảnh, kết hợp với các công thức tính kích thước hạt (Scherrer) và mật độ phân tử.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chất lượng bề mặt đế vàng:

   • Ảnh SEM cho thấy bề mặt vàng có các hạt đồng đều kích thước khoảng 40-60 nm, ít tạp chất và sai hỏng.
   • Ảnh AFM xác nhận bề mặt phẳng, đồng đều với kích thước hạt trong khoảng 40-60 nm, phù hợp cho quá trình tự lắp ghép.
   • Kết quả XRD cho thấy các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của vàng (111), (200), (220), (311) với kích thước hạt tính theo Scherrer khoảng 51-53 nm.

2. Xác định liên kết Au-S và nhóm chức -COOH:

   • Phổ FTIR của màng SAM không còn đỉnh đặc trưng của liên kết S-H (2565 cm⁻¹), chứng tỏ liên kết S-H bị bẻ gãy và hình thành liên kết Au-S.
   • Các đỉnh đặc trưng của nhóm -COOH (1705 cm⁻¹, 1298 cm⁻¹, 1146 cm⁻¹) vẫn hiện diện trên màng SAM, cho thấy nhóm chức này được giữ nguyên trên bề mặt.
   • Phổ Raman cũng xác nhận sự mất đi đỉnh S-H (2573 cm⁻¹) và sự xuất hiện các đỉnh liên quan đến C=O, C-H, C-C, phù hợp với cấu trúc màng SAM.

3. Định lượng mật độ phân tử carboxylic:

   • Đường chuẩn hấp thụ UV-VIS của dung dịch Xanh Methylen tại 662 nm được xây dựng với mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ và độ hấp thụ.
   • Sau khi nhúng màng SAM vào dung dịch MB, nồng độ MB giảm rõ rệt, chứng tỏ phản ứng với nhóm -COOH trên màng.
   • Tính toán cho thấy mật độ phân tử carboxylic trên màng SAM đạt khoảng 4.5x10¹⁴ phân tử/cm², tương đương với mật độ phân tử tối đa của SAM alkanethiol trên vàng.

Thảo luận kết quả

Kết quả SEM, AFM và XRD đồng nhất cho thấy đế vàng có cấu trúc tinh thể (111) phẳng, đồng đều, là điều kiện lý tưởng để hình thành màng SAM chất lượng cao. Việc mất đi đỉnh S-H trong phổ FTIR và Raman chứng minh sự hình thành liên kết Au-S chắc chắn, là cơ sở cho sự bám dính ổn định của màng alkanethiol trên vàng. Nhóm chức -COOH vẫn được giữ nguyên, đảm bảo tính năng hoạt hóa bề mặt cho các ứng dụng sinh học và hóa học.

Mật độ phân tử carboxylic đạt gần mức lý thuyết cho thấy quá trình tự lắp ghép đã tạo ra màng đơn lớp gần như hoàn chỉnh, với sai hỏng và lỗ hổng tối thiểu. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đương hoặc vượt trội, khẳng định hiệu quả của quy trình chế tạo và điều kiện thí nghiệm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ FTIR và Raman so sánh trước và sau khi tạo màng, ảnh SEM và AFM minh họa bề mặt đế, cùng đồ thị đường chuẩn UV-VIS của MB để minh chứng định lượng mật độ phân tử.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện tạo màng SAM:

   • Hành động: Điều chỉnh nồng độ dung dịch axít thioglycolic và thời gian nhúng để giảm sai hỏng pinhole.
   • Mục tiêu: Tăng mật độ phân tử lên trên 95% mức lý thuyết.
   • Thời gian: 3-6 tháng.
   • Chủ thể: Nhóm nghiên cứu vật liệu nano tại Đại học Công nghệ.

2. Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ:

   • Hành động: Thử nghiệm các dung môi khác nhau (heptane, toluene) và nhiệt độ tạo màng từ 25°C đến 50°C.
   • Mục tiêu: Tăng tốc độ hình thành màng và cải thiện cấu trúc tinh thể.
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Phòng thí nghiệm hóa học vật liệu.

3. Phát triển ứng dụng trong cảm biến sinh học:

   • Hành động: Gắn các phân tử sinh học lên màng SAM có nhóm -COOH để tạo cảm biến sinh học nhạy cao.
   • Mục tiêu: Tăng độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến.
   • Thời gian: 1 năm.
   • Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu công nghệ sinh học.

4. Xây dựng quy trình sản xuất quy mô công nghiệp:

   • Hành động: Thiết kế quy trình tự động hóa tạo màng SAM trên bề mặt vàng với kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt.
   • Mục tiêu: Đảm bảo tính đồng nhất và tái sản xuất cao.
   • Thời gian: 1-2 năm.
   • Chủ thể: Doanh nghiệp công nghệ vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano:

   • Lợi ích: Hiểu sâu về cơ chế tự lắp ghép phân tử và kỹ thuật chế tạo màng SAM trên vàng.
   • Use case: Phát triển vật liệu nano mới cho cảm biến và thiết bị điện tử.

2. Kỹ sư công nghệ sinh học:

   • Lợi ích: Áp dụng màng SAM có nhóm chức -COOH để gắn kết phân tử sinh học, phát triển biochip và cảm biến sinh học.
   • Use case: Thiết kế bề mặt tương tác tế bào và phân tử sinh học.

3. Chuyên gia công nghệ điện tử phân tử:

   • Lợi ích: Nắm bắt kỹ thuật tạo màng mỏng nano có cấu trúc tinh thể, phục vụ cho thiết kế linh kiện điện tử kích thước nano.
   • Use case: Tạo lớp cách điện hoặc cầu nối phân tử trong transistor và thiết bị điện tử.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị y sinh:

   • Lợi ích: Áp dụng quy trình chế tạo màng SAM để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu suất.
   • Use case: Sản xuất cảm biến sinh học, thiết bị chẩn đoán y tế.

Câu hỏi thường gặp

1. SAM là gì và tại sao lại quan trọng trong công nghệ nano?
   SAM là màng mỏng đơn lớp tự lắp ghép phân tử trên bề mặt vật liệu, giúp điều khiển tính chất bề mặt ở kích thước nano. Nó quan trọng vì tạo ra lớp phủ có cấu trúc tinh thể, ổn định, phục vụ cho nhiều ứng dụng như cảm biến và điện tử phân tử.

2. Tại sao chọn vàng làm đế cho màng SAM?
   Vàng có tính trơ hóa học cao, không bị oxy hóa ở nhiệt độ phòng, dễ chế tạo màng mỏng phẳng, và liên kết mạnh với nhóm thiol (-SH), giúp tạo màng SAM ổn định và tái sản xuất tốt.

3. Liên kết Au-S có vai trò gì trong màng SAM?
   Liên kết Au-S là liên kết giả hóa trị mạnh giữ phân tử thiol bám chắc trên bề mặt vàng, đảm bảo màng SAM có cấu trúc ổn định và bền vững trong môi trường thí nghiệm và ứng dụng.

4. Phương pháp nào được dùng để xác định sự hình thành màng SAM?
   Các phương pháp phổ biến gồm phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) để phát hiện liên kết Au-S và nhóm chức, phổ Raman để xác minh mất liên kết S-H, hiển vi lực nguyên tử (AFM) và hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát bề mặt, cùng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể.

5. Làm thế nào để định lượng mật độ phân tử trên màng SAM?
   Sử dụng phương pháp trắc quang với thuốc thử Xanh Methylen (MB), xây dựng đường chuẩn hấp thụ UV-VIS, đo sự thay đổi nồng độ MB sau phản ứng với nhóm -COOH trên màng, từ đó tính mật độ phân tử carboxylic trên bề mặt.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo màng nano alkanethiol của axít thioglycolic trên bề mặt vàng định hướng (111) bằng phương pháp tự lắp ghép phân tử.
• Xác định rõ sự hình thành liên kết Au-S và giữ nguyên nhóm chức -COOH trên màng bằng các phương pháp FTIR và Raman.
• Bề mặt vàng có cấu trúc tinh thể phẳng, đồng đều, kích thước hạt khoảng 50 nm, phù hợp cho quá trình tạo màng SAM chất lượng cao.
• Mật độ phân tử carboxylic trên màng đạt gần mức lý thuyết, chứng tỏ màng SAM có cấu trúc tinh thể 2 chiều ổn định và ít sai hỏng.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa điều kiện tạo màng, nghiên cứu ảnh hưởng dung môi và nhiệt độ, phát triển ứng dụng trong cảm biến sinh học và quy trình sản xuất công nghiệp.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển các thiết bị công nghệ cao, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các loại màng SAM khác và ứng dụng đa dạng hơn trong công nghiệp và y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Màng mỏng tự lắp ghép SAM 1.1 Khái niệm cơ bản Nếu những tiến bộ gần đây về tiểu hình hóa các thiết bị điện tử, cảm biến sinh học và các hệ phân phát thuốc được tiếp tục trong thế kỷ này, việc chế tạo trên quy mô lớn các hệ máy kích cỡ nano với các đặc trưng mong muốn là yêu cầu bắt buộc. Có hai phương thức chế tạo các hệ nano: “bottom-up” và “top- down”. Sự tổng hợp bằng các phương pháp hóa học đang phát triển, với một loạt các phương pháp chế tạo các cấu trúc nano như các hệ điều khiển phân tử, các hệ chuyển mạch và các dây nano – sử dụng phương thức “bottom-up”. Tuy nhiên, ngoại trừ các phương pháp để tổng hợp các polyme hữu cơ, chúng ta không biết bất kỳ phương thức mang tính hóa học nào để tổng hợp các phân tử đủ lớn để liên kết một cách mạnh mẽ các đối tượng nano ở kích thước lớn hơn (các đối tượng mà có thể chế tạo được bằng các phương thức chế tạo vật lý “top- down”).

Trở ngại lớn nhất trong việc tổng hợp hóa học tạo các đại phân tử có nhóm chức chính là khả năng hình thành các sản phẩm không mong muốn trong mỗi bước tổng hợp, và qua nhiều bước tổng hợp, các sản phẩm tạp này được hình thành với một số lượng rất lớn. Sự tự lắp ghép đưa ra một lộ trình lắp ghép các phân tử nhỏ thành một tổ hợp lớn hơn, phục phụ một mục đích nào đó. Whitesides và Grzybowski [3] định nghĩa sự tự lắp ghép là một quá trình bao gồm lắp ghép thuận nghịch của các thành phần cho trước. Mặt quan trọng nhất của phương thức này là các liên kết không hóa trị được sử dụng để lắp ghép tạo nên cấu trúc của hệ.

Các liên kết có thể tái định hình ở xung quanh nhiệt độ phòng để tìm ra một trạng thái tối ưu về năng lượng. Phương thức này đem lại khả năng sửa chữa những sai hỏng và giảm đáng kể khả năng hình thành các sản phẩm không mong muốn. Vì nếu các thành phần được cố định vĩnh viễn với nhau thì khi chúng va chạm, chúng sẽ hình thành một bề mặt giống như thủy tinh chứ không phải là một tinh thể hoặc một cấu trúc có trật tự nào đó, do vậy rất dễ dẫn tới việc hình thành các sai hỏng [4]. Vì sự tự lắp ghép yêu cầu các thành phần có độ linh động phù hợp để lắp ghép thành các hình khối cân bằng và có trật tự, nên nó thường hình thành trong pha 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] lỏng, đặc biệt trong trường hợp tự lắp ghép theo mẫu cho trước – sự tự lắp ghép được hình thành ở trên mặt phẳng [5].

Bề mặt trần của kim loại và oxít kim loại có xu hướng sẵn sàng hấp phụ các vật liệu hữu cơ ngoại lai khi chất bị hấp phụ có năng lượng tự do thấp hơn năng lượng của tương tác giữa kim loại hoặc oxit kim loại với môi trường xung quanh [4]. Các chất bị hấp phụ cũng thay đổi tính chất lớp tiếp giáp và có thể có ảnh hưởng đáng kể lên tính bền vững của cấu trúc nano của kim loại và oxít kim loại: vật liệu hữu cơ bị hấp phụ có thể phản ứng như một rào vật lý hoặc rào tĩnh điện ngăn cản sự kết hợp với các thành phần bên ngoài, giảm khả năng phản ứng của các nguyên tử kim loại hoặc oxít kim loại ở bề mặt, hay hoạt động như một màng ngăn điện tích,v. Các chất hữu cơ này bám trên bề mặt kim loại hoặc oxít kim loại hình thành một màng mỏng gọi là màng mỏng tự lắp ghép SAM (self-assembled monolayers). a) Hai hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh có thể hình thành đơn lớp trên vàng.

X thể hiện là một nhóm đuôi bất kỳ. b) Hình ảnh thể hiện độ nghiêng của một vùng 9 phân tử phủ kín bề mặt vàng (111) tạo thành đơn lớp alkanethiol, các phân tử vàng thể hiện bằng màu xám sáng hơn, các phân tử lưu huỳnh thể hiện bằng màu xám đậm hơn. Năm 1957, nghiên cứu alkanethiol (công thức chung (HS(CH2)nX, hình 1a) biến tính bề mặt kim loại, được khảo sát như là thành phần ảnh hưởng tới sự ngưng giọt của hơi nước lên bề mặt kim loại, giúp quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả hơn trong các máy tạo hơi nước [6, 7]. Gần đây, các hệ vật liệu này đang được nghiên cứu cho các ứng dụng có tiềm năng trong điện tử phân tử, cảm biến sinh học, giả lập các hệ sinh học, và ngăn chặn sự ăn mòn.

4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Các nghiên cứu này đã thấy rằng các phân tử lưỡng cực amphiphiles (một đầu ưa nước và một đầu kỵ nước) gắn lên bề mặt kim lọai thông qua nhóm đầu “ưa kim loại” và các đuôi hydro carbon sắp xếp phía trên bề mặt kim loại, hình thành một đơn lớp giống như 1 chiếc bàn chải đánh răng [8]. Các nghiên cứu về góc nghiêng của các phân tử hữu cơ này xác định rằng các đơn lớp này rất dày và có dạng như một mặt phẳng rắn [9, 10]. Các nghiên cứu về nhiễu xạ đã chứng minh rằng các phân tử SAM đã lắp ghép theo dạng tinh thể [11] (hình 1b). Sử dụng lý thuyết cơ học phân tử, các nhà khoa học đã tìm ra hai mô hình tối thiểu năng lượng giúp hình thành SAM bền vững, tương ứng với hình dáng thể hiện ở bên trái và bên phải hình 1a và 1b [12].

Ta có thể hiểu một cách cơ bản về màng mỏng tự lắp ghép SAM: là một màng mỏng đơn lớp được hình thành bằng cách tự lắp ghép có quy luật trên bề mặt của thể rắn. Màng mỏng hữu cơ hình thành dựa vào cấu trúc của phân tử hữu cơ. Hình 1 là cấu trúc màng SAM và phân tử hữu cơ tạo màng. Cấu trúc này bao gồm 3 thành phần cơ bản như hình 2 [1]: • Thứ nhất là phần đầu (head group), đây là phần quan trọng nhất, phần này có khả năng hấp thụ tạo liên kết với bề mặt của đế phủ, là tiền đề then chốt để tạo thành màng mỏng nanô đơn lớp.

• Phần thứ hai là phần đuôi (tail), thường là mạch alkyl dài, chính nhờ cấu trúc mạch alkyl này đã tạo được màng mỏng nanô do lực liên kết van der Waals. • Phần cuối là nhóm chức năng (functional group) đóng vai trò hoạt hoá bề mặt màng mỏng nanô. Nhóm chức năng này được gắn ghép vào thành phần phân tử hữu cơ tuỳ theo nhu cầu ứng dụng của màng mỏng. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Cấu tạo màng SAM và phân tử hữu cơ tạo màng. Nói một cách khác, SAM là một màng mỏng nano đơn lớp hình thành bởi phân tử hữu cơ có khả năng hấp thụ trên bề mặt của chất rắn, phần đuôi của chất hữu cơ này có thể tác dụng tương hỗ với các siêu phân tử hình thành bề mặt hoạt tính chức năng. Quá trình hình thành SAM có thể ở trạng thái lỏng, khí, trên bề mặt đế có thể lá kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn.2 Ưu điểm của màng mỏng SAM Màng mỏng tự lắp ghép thể hiện những ưu điểm nổi trội, mở ra một hướng đi đầy triển vọng của công nghệ thế kỷ 21 nói chung và công nghệ nano nói riêng: • Dễ dàng chế tạo trong phòng thí nghiệm hoặc ở quy mô công nghiệp, không cần chân không cao, không cần máy móc hoặc các thiết bị đặc biệt. • Hình thành trên các đối tượng ở tất cả các kích cỡ, như màng mỏng, dây nano, chất keo, và các cấu trúc nano khác [13].

• Màng SAM có thể gắn với môi trường ngoài để tạo các thuộc tính điện (đáp ứng dòng-thế, điện hoá), quang (hệ số khúc xạ, tần số plasmon bề mặt) của cấu trúc kim loại. • Biến tính bề mặt kim loại, thay đổi các tính chất bề mặt vĩ mô, như là sự thấm ướt, sự hút bám và ma sát. Màng mỏng SAM mở ra một phương thức tiện lợi, mềm dẻo và đơn giản để điều khiển các thuộc tính của kim lọai, oxit và bán dẫn. SAM là sự lắp ghép các chất hữu cơ bằng sự hút bám của các thành phần phân tử từ thể lỏng hoặc 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thể khí lên bề mặt vật rắn hoặc các mảng vật liệu xếp trên bề mặt vật rắn.

Các chất hút bám tổ chức tự động tạo nên cấu trúc tinh thể (hoặc bán tinh thể) 2 chiều. Các phân tử hoặc ligands hình thành SAM có một nhóm chức hóa học (còn gọi là “headgroup”), với ái lực đặc trưng với đế; trong nhiều trường hợp, nhóm đầu cũng có ái lực cao so với đế và thay thế vật liệu hữu cơ bám vào ngẫu nhiên trên bề mặt. Hầu hết các nghiên cứu về SAM bắt nguồn từ sự hút bám của alkanethiol trên bề mặt vàng, bạc, đồng, bạch kim, platinum và thủy ngân [13]. Ái lực cao của Thiol với bề mặt các kim loại giúp tạo các bề mặt hữu cơ tốt với các nhóm chức có khả năng biến tính hóa học cao ở bề mặt.3 Các sai hỏng trong cấu trúc SAM Nguyên nhân của những sai hỏng của màng SAM bao gồm cả những yếu tố bên trong và bên ngoài màng như độ sạch của đế, phương pháp điều chế đế hay độ tinh khiết của dung dịch tạo SAM, và cả sự phức tạp trong cơ chế hình thành, dẫn tới tạo thành các pha khác nhau trong SAM.

Mô tả nguyên nhân một số sai hỏng của SAM trên đế đa tinh thể. Các sai hỏng của SAM gây ra do một số nguyên nhân sau: 1) Sai hỏng do hình thái và cấu trúc đế: Vì màng SAM gắn trực tiếp vào các nguyên tử của đế nên tất nhiên các sai hỏng hoặc sự thay đổi cấu trúc của đế sẽ gây ra các sai hỏng của màng SAM, vốn được xây dựng trên lý thuyết là một “tinh thể 2 chiều”. Các sai hỏng của SAM do đế gây ra gồm sự xuất hiện của sai hỏng trong đế, sự không phẳng của bề mặt đế, sự thay đổi cấu trúc liên tục trong đế đa tinh thể, v. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2) Sai hỏng do các tạp chất trong dung dịch tạo SAM: Quá trình tự lắp ghép có thể coi như là trạng thái cân bằng nhiệt động học giữa những chất tạo SAM hấp phụ lên bề mặt đế và những tiền chất tự do có sẵn trên đế hoặc trong dung dịch.

Sự không tinh khiết của dung môi, chất tan và môi trường tạo SAM có thể tác động đến quá trình tự lắp ghép và cấu trúc cuối cùng của SAM.