CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1.1 Giới thiệu về công nghệ nano 1.1 Một số khái niệm cơ bản Trong khoảng hai thập niên gan đây, trong khoa học xuất hiện một day các từ mới gắn lién với hậu tổ “#øanø”: cau trúc nano, công nghệ nano. vật liệu nano, hoá học nano, vật lý nano, cơ học nano, công nghệ sinh học nano, hiệu ứng kích thước nano v. Nano có nghĩa là nanomet (ky hiệu: nm) bằng một phản tỷ mét (1/1.000 m), một đơn vị đo lường ` Water Glucose Antibody Vượt «Bacteria Cancer ceil A period dé đo kích thước những ww ce ow 1 9 OY OE’ @ : Nanomet là điểm kì điệu trong8 kích 5 thước chiều \ ° ` 2 £ # Ra of dề dai, là điểm mà tại đó Š ` về những vật sáng chế nhỏ nhất ECON EE Hình 1.1: M6 ta kích thước hat nano ở cấp độ nguyên tử vả phân tử của thé giới tự nhiên 3]. Khoa học va công nghệ nano là một hoạt động nghiên cứu liền ngảnh đặt trên cơ sở của các môn học cổ điển và những thành quả nghiên cứu sẽ trực tiếp trở lại các bộ môn nảy.
4$ Khoa học nano [6] Là ngành khoa học nghiên cửu vẻ các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tứ và đại phân tử. Tại các quy mô đỏ, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chủng tại các quy mô lớn hơn. Ngành khoa học nảy liên quan đến nhiều ngành khoa học khác như vật lý học, hóa học, sinh học. % Công nghệ nano [6] “Hội chứng công nghệ nano” về cơ bản đang tràn qua tất cả các lĩnh vực của khoa học va công nghệ va sẽ thay đổi bản chat của hau hết mọi đối tượng do con người tạo ra trong thé ky tiếp theo.
công nghệ nano có nghĩa là kĩ thuật sử dụng SVTH: Lê Nhật Thùy § Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyén Anh Tién kích thước từ 0,1 nm đến 100 nm để tạo ra sự biến đổi hoàn toàn ly tính một cách sâu sắc do hiệu img kích thước lượng tử. Trong công nghệ nano, các hạt nano được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Những phương pháp này được phân nhóm theo kích thước của vật liệu ban dau, gồm 2 nhóm: phương pháp từ trên xuống (top - down) và phương pháp từ đưới lên (bottom — up) [6].
> Phương pháp top - down: là phương pháp tao hạt kích thước nano tử các hạt có kích thước lớn hơn. Dùng kỹ thuật nghiên và biến dạng dé biến vật liệu thé khối với tố chức hạt thô thành cờ hạt kích thước nano. Phương pháp đơn giản. >» Phương pháp bottom - up: là phương pháp hình thành các hạt nano từ các nguyên tứ, phan tứ hay ion.
Phương pháp từ dudi lên có thé là phương pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cá hai phương pháp hóa lý. Đặc biệt gắn đây, việc thực hiện công nghệ nano theo phương pháp bottom — up thu hút nhiều sự quan tắm, do có thé tạo thành các hình thái vật liệu như mong muốn. + Vật liệu nano [8] Là các tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thếng,. có kích thước nano (khoảng từ | đến 100 nm, tức cỡ nguyễn tử, phân tử hay đại phan tử).
Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ quang. rat đặc biệt, khác han các vật liệu có kích thước lớn. Vì vậy, vật liệu nano được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Thông thường vật liệu nano được phân ra thành nhiều loại, phụ thuộc vao hình dang.
cấu trúc của vật liệu va kích thước của chúng v. =" + chiên x = tị “—2<=se a.~ done net (reng mene ay tu true 9 thứ rer 0Me tư mer hin 2 chuêu \íTT “2? wang mene Care het Nene meet ren chu 9/6 cot Hình 1.2: Phản loại vat liệu nano theo sé chiêu SVTH: Lẻ Nhật Thủy 9 Khỏa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Vẻ trạng thải của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng vả khi. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn.
sau đó mới đến chất lỏng và khi. Về mặt cấu trúc thì vật liệu nano được phân ra thành 4 loại: vật liệu nano không chiêu (OD), một chiêu (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D) > Vật liệu nano không chiều (cá ba chiêu đều có kích thước nano, không còn chiéu tự do nào cho điện tử). Vi du : dam nano, hat nano v. > Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự đo trên một chiêu (hai chiều cầm tù), Vi dụ: đây nano, dng nano v.
> Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự đo. Vi dụ: mang mỏng v. > Vật liệu nano ba chiều là vật liệu đạng khối được cấu tạo từ các hạt nano tỉnh thé. Vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phan của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan SVTH: Lê Nhật Thùy 10 Khóa luận tết nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tién Ngoài ra, người ta còn phan loại các dang vat liệu nano dựa vảo lĩnh vực img đụng khác nhau của chúng như vật liệu nano kim loại, vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano từ tinh, vật liệu nano sinh hoc.2 Ung dụng của công nghệ nano Công nghệ nano hứa hẹn sẽ “thay đổi cuộc sống của con người” bởi có những tinh chất nỗi trội và mới lạ. Chúng được img dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng. e Công nghệ nano với lĩnh vực điện tử, quang điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông e Công nghệ nano với lĩnh vực sinh học va y học © Công nghệ nano với van dé môi trưởng se Công nghệ nano với vấn dé năng lượng ® Công nghệ nano với lĩnh vực vật liệu Thời kì ngành công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, vật liệu nano có những tính năng ưu việt như có độ bên cơ học cao, tính chất điện quang nỗi trội, hoạt tinh xúc tác cao. đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cửu của các nhà khoa học.
Trong đó, tổng hợp vật liệu nano oxit với cấu trúc perovskite ABO, dang gây sự chú ý nhiều nhà nghiên cứu.2 Giới thiệu về perovskite ABO,|13| Perovskite là tên gọi chung của các vật liệu có cấu trúc tinh thé giống với cấu trúc của canxi titanat (CaTiO;). Cation Ti nằm ởtrong tâm lập phương. 6 ion oxi nằm ở các mặt, 8 ion Ca nắm ở các đỉnh, mỗi tế bào chứa một phân tử CaTiO.4: Cấu trúc lập phương của tinh thé canxi titanat CuTiO, SVTH: Lẻ Nhật Thùy 11 Khóa luận tốt nghiệ GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiên 1.Perovski (1792-1856), người cd công nghiên cứu va phát hiện ra vật liệu này ở vùng nui Uran của Nga năm 1839.
The Ural Vountawns Russia Lev A Perovshs Figure 1.5: Nha khoảng học người Nga L 4 Perovski 1.1 Cấu trúc tinh thé vật liệu perovskite ABO, Cau trúc li tưởng của perovskite lá dang lập phương. có công thức cau tạo tong quát là ABO,. A là cation có kích thước lớn hơn B, thường là các kim loại dat e Vị trí A hiểm, kiểm, kiểm thỏ hoặc các ion có ® vimsB kích thước lớn như PbỶ" vả Bi”, còn B là oO Vi tri Oxy các kim loại chuyển tiếp 3đ. Sd (như Co, Cu, Ni, Pt, Fe, Mn,.) [rong cầu trúc nảy, 6 mang đơn vị đậc trưng cho cấu trúc là một hình lập phương có các hing số mạng a=b“c va các góc a=P=y= 90”, Vị trí 8 đỉnh của hình lập phương là vị trí của ion A, tim của 6 mat hinh lập phương la vị trí của Hình 1.6: Cau trúc perovskite (ABOY lắp ion phỏi tri, thường lả vị trí của ton oxy phương lý tương (a), và sự sip xép các vả tam của hình lập phương là vị trí của bát diện trong cấu trúc perovskite lập lon B.
Điều đó có nghĩa 1a xung quanh phương lý tương (b) ion B có 6 jon oxy và quanh A có 12 ton oxy phoi trí SVTH: Lẻ Nhật Thay Khoa luận tốt nghỉ GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiên Đặc trưng tinh thẻ quan trọng nhất của các hợp chat có cau trúc nay 1a sự tôn tại các bát điện BO, nội tiếp trong 6 mạng don vị với 6 ion phối trí (thường là ion O*) tại định của bát diện vả một ion đương B tại tâm của bát điện. Góc liên kết B- k O-B, a = 180* và độ dai liên kết B-O és 4 giữa các ion đương B va ion phỏi trí Tk] ta hình dung một cách tường minh về bing nhau. Diéu nay cho phép ching hơn khi có sự biến dang của cấu trúc perovskite khi hệ tinh thé không còn là lập phương.
độ dai liên kết B-O Hình 1.7: Sự biến dang của cau trúc theo các trục sẽ không bằng nhau vả perovskite khi góc liên kết B - O-— B 2 180° góc liên kết B-O-B sẽ khác 180° (hinh 6) Trong cấu trúc lý tưởng, khoảng cách B-O là a/2 (a là hing số mạng của 6 mạng lập phương) trong khí khoảng cách A-O là a/Ý2 va mối quan hệ giữa các bán kính ion là: ra + to = V2{rg + ro). Tuy nhiên, người ta cũng thấy ring cấu trúc lập phương của các hợp chất ABO; vẫn được đuy trì ngay cả khi phương trình trên không được thỏa man. Khi đo độ lệch khỏi cấu trúc ly tưởng, thửa số dung han (1) dp dụng ở nhiệt độ phòng được định nghĩa bởi phương trình: t =( ra + ro)/2(rg + ro) Mặc di đổi với cấu trúc perovskite lý tưởng. t' = nhưng kiểu cấu trúc này vẫn tổn tại ở các giá trị t' thấp hon (0.
Cấu trúc lập phương lý tưởng nay xuất hiện trong một số trưởng hợp giá trị t` rất gin 1 va ở các nhiệt độ cao. Trong đa số trường hợp xuất hiện sự méo mạng tinh thé. Sự lệch khỏi cấu trúc lý tưởng dẫn đến các hệ tinh thể có đối xứng thấp hơn như orthorhombic (trực thoi), rhombohedral (mật thoi), tetragonat (tứ giác), monoclinic (đơn tả hay một nghiéng) va triclinic (tam tả hay ba nghiêng). Cấu trúc méo mạng có thé tổn tại ở nhiệt độ phòng nhưng nó có thé chuyên sang cau trúc lập phương khi & nhiệt độ cao.
Sự chuyên pha cau trúc nảy có thể xuất hiện theo nhiều bước qua các pha méo trung gian. SVTH: Lẻ Nhật Thay 13 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiền Trong để tai nay, chúng tôi thay the một phan cation A là ytri bang bari: ilies TM + To LS + rạ+- - 0.26) U trong trường hợp này là 0.