MỞ ĐẦU Các cấu trúc nano của kẽm oxit (ZnO) đã thu hút sự quan tâm to lớn trong những năm gần đây vì nó có nhiều tính chất rất lý thú khiến cho vật liệu này có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Thực tế, ZnO có nhiều đặc tính rất quí báu như độ rộng vùng cấm lớn, năng lượng liên kết exciton lớn, độ bền hóa học cao, tương thích sinh học, có tính chất áp điện, các hiệu ứng quang phi tuyến. Hơn nữa, khi chuyển từ dạng khối sang dạng cấu trúc nano, sự lôi cuốn của vật liệu này còn tăng cao hơn nữa do ngoài những tính chất riêng của vật liệu ZnO nó còn có những tính chất của các cấu trúc thấp chiều. Những nghiên cứu trong lĩnh vực này càng được đẩy mạnh do khả năng tạo ra rất nhiều cấu trúc nano khác nhau của ZnO như chấm, dây, thanh, tetrapod, vành, ống, kim… ZnO khi ở dạng màng mỏng, rất thích hợp cho các thiết bị điện tử và quang điện tử như các tiếp xúc Ohmic, tiếp xúc Schottky, LED, laze, transitor trường (FET) trong suốt, detector quang, tế bào quang điện.
Để tạo ra các thiết bị quang điện tử, việc điều khiển được tính chất điện như loại dẫn, nồng độ hạt tải là rất cần thiết. Ngoài ra, do những tính chất đặc biệt của chúng, các cấu trúc nano bán dẫn là một đối tượng được nghiên cứu rất mạnh cho các thiết bị quang điện tử. Khi nghiên cứu vật liệu nano ZnO, rất nhiều ứng dụng khác nhau của ZnO trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử đã được phát hiện. Việc tạo ra các cực tiếp xúc có kích thước nano bằng phương pháp bốc bay các kim loại khác nhau lên các cấu trúc nano ZnO đã được công bố, cho thấy khả năng có thể đạt được tính chất tiếp xúc Ohmic hoặc Schottky.
Tính chất điện huỳnh quang dùng trong các ứng dụng về LED đã được nghiên cứu rộng rãi với các thiết bị dựa trên cả các tập hợp thanh nano ZnO [82, 83] và đơn thanh nano ZnO [10]. Nhờ có chiết suất lớn (~2,0) và có các biên mặt khá sắc nét nên các dây nano có thể đóng vai trò là các gương phản xạ và do đó các dây nano có thể được dùng làm các bộ cộng hưởng rất lý tưởng. Thực tế tính chất phát laze ở nhiệt độ phòng đã được phát hiện đối với các thanh nano ZnO được sắp xếp một cách trật tự [20, 44] và các đơn thanh nano ZnO [52], các cấu trúc nano khác cũng đã được sử dụng để phát laze ngẫu nhiên. Thậm chí laze ngẫu nhiên trong màng gồm các hạt nano đơn tinh thể cũng đã được nghiên cứu.
FET chế tạo bằng đơn thanh nano ZnO, vành nano [14, 39] và cấu trúc lai hóa giữa cấu trúc nano tứ cực (tetrapod) của ZnO và các hỗn hợp polyme cũng đã được chế tạo thành công [8, 120]. Dây và thanh nano ZnO đã được nghiên cứu để sử dụng cho các detector 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com quang vùng tử ngoại và các công tắc quang [41, 53]. Phôtô-điốt UV trên cơ sở tetrapod ZnO với tiếp xúc Shottky đã được công bố [76]. Khi được ứng dụng vào pin mặt trời, người ta tin rằng các thanh nano ZnO có thể đạt được hiệu suất cao vì các electron được vận chuyển nhanh hơn nhiều so với các tế bào quang điện thông thường, do đó, có rất nhiều nghiên cứu được tập trung vào hướng ứng dụng này [11, 60].
Trong lĩnh vực điốt Schottky dạng kim loại- bán dẫn hoặc FET, thanh nano ZnO đã được sử dụng để tạo ra các mạch logic [85]. Do chiết suất cao, ZnO cũng có thể được sử dụng trong các bộ dẫn sóng. Ánh sáng có thể được truyền trong một dây nano, đóng vai trò như một sợi quang nano, và nó tỏ ra đặc biệt hữu hiệu cho các mạch quang tử tích hợp. Thậm chí các bộ liên kết quang giữa các cấu trúc nano của các vật liệu nano khác nhau (như ZnO và SnO2) cũng đã được công bố [59].
Do ZnO thể hiện tính áp điện mạnh, nó rất thích hợp để chế tạo ra các bộ chuyển đổi điện cơ, sensor và các đầu đọc dữ liệu cũng như sử dụng trong các thiết bị sóng âm bề mặt (SAW). Ví dụ như tính áp điện của ZnO đã được sử dụng để tạo ra các sensor áp suất. Tính áp điện của các cấu trúc nano cũng được nghiên cứu rộng rãi. Một phương pháp để có thể chuyển năng lượng cơ thành năng lượng điện thông qua tính áp điện của dây nano ZnO đã được công bố, cho thấy khả năng có thể chuyển năng lượng cơ-sinh học, năng lượng dao động âm, và năng lượng của các dòng chảy thành năng lượng điện [109].
Tính áp điện có thể được sử dụng trong các sensor lực và áp điện. Ví dụ, trong một FET được làm từ dây nano, một sự thay đổi áp suất hay lực tác dụng vào dây có thể khiến nó bị cong đi và do đó sẽ làm thay đổi đường đặc trưng của FET, mà đường đặc trưng này có thể đo được và nó sẽ liên quan đến sự thay đổi của áp suất hay áp lực đặt vào dây nano đó. Các cấu trúc nano của ZnO cũng có khả năng được sử dụng để làm các đầu đo, ví dụ như đầu đo của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [47]. Nhờ có tính chất áp điện và kích thước nhỏ hơn kích thước của các đầu đo thông dụng (như đầu đo làm bằng Si3N4 và SiC) nên đầu đo bằng các cấu trúc nano của ZnO sẽ nhạy hơn nhiều.
ZnO dạng khối và dạng màng cũng thể hiện các hiệu ứng quang phi tuyến với hệ số phi tuyến lớn nên chúng có khả năng ứng dụng trong các thiết bị điện hoạt động ở chế độ lượng tử và các mạch quang tích hợp. Sự sinh các họa ba bậc 2 (second harmonic generation - SHG) và bậc 3 (third harmonic generation - THG) trong ZnO [13, 58, 105] đã được công bố cho thấy khả năng sử dụng vật liệu này trong lĩnh vực công nghệ, vì nó rẻ hơn và dễ tích hợp hơn 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com các vật liệu đơn tinh thể có tính chất quang phi tuyến khác như LiNbO 3 và LiTaO3. Tính chất quang phi tuyến cũng đã được nghiên cứu đối với dây nano ZnO. Tính sắt từ trong ZnO pha tạp các kim loại chuyển tiếp như Mn và Co đã được chứng minh bằng các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết [25] và mở ra khả năng ứng dụng vật liệu này trong lĩnh vực spin điện tử.
Khả năng tạo ra các cấu trúc nano sắp xếp trật tự là đặc biệt quan trọng đối với việc tạo ra các tinh thể photonic. Các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra khả năng thu được các cấu trúc photonic bằng các opal đảo ZnO và các tập hợp cấu trúc nano dạng cột của ZnO [22]. Một ứng dụng khác của các cấu trúc nano ZnO là các bộ phát xạ trường dùng trong các thiết bị hiển thị, catốt lạnh và các thiết bị quang điện. Các cấu trúc nano có hiệu suất cao và giá thành hạ, kích thước nhỏ so với các bộ phát nhiệt ion tiêu chuẩn và chúng bền hơn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Những mối quan tâm to lớn đối với vật liệu này cũng có một phần nguyên nhân là do chúng có nhiều cấu trúc nano có dạng hình kim ở đầu. Trong các cấu trúc này, tính phát xạ trường electron được tăng cường bởi sự tăng cường điện trường cục bộ ở các đầu nhọn đó. Một số công trình đã công bố về phát xạ trường từ tập hợp các cấu trúc nano khác nhau như dây, kim, ống nano, nanotetrapod và các cấu trúc nano khác [40, 43, 113]. Ngoài ra, tính chất phát xạ trường của tổ hợp lai hóa giữa các thanh nano ZnO và ống nano cacbon, dây nano ZnO riêng lẻ cũng đã được nghiên cứu.
Một ứng dụng khả dĩ khác của các cấu trúc nano ZnO có liên quan đến tính chất dính ướt, do các vật liệu hút nước đang được quan tâm cho một số loại ứng dụng như trong các thiết bị dòng chất lưu có kích thước micro, các sensor hóa học hoặc sinh học và cho công nghiệp như trong quá trình lau rửa và làm khô… Sự biến đổi từ các bề mặt kị nước sang các bề mặt ưu nước của thanh nano ZnO khi chiếu sáng bằng ánh sáng tử ngoại [27] hoặc bằng quá trình xử lý plasma oxy hoặc ủ nhiệt [71] cũng đã được công bố. Một trong những ứng dụng hấp dẫn nhất của ZnO là trong các sensor hóa học và sinh học. Nhờ có những tính chất đó các cấu trúc nano của bán dẫn đang là một chủ đề được nghiên cứu mạnh trong lĩnh vực khoa học kĩ thuật. ZnO cũng tương thích về mặt sinh học khiến nó có thể được sử dụng trong lĩnh vực dược liệu mà không cần phải sử dụng chất bọc bảo vệ.
Một hệ quả tất yếu của tất cả các khả năng ứng dụng như trên, là việc giới khoa học và công nghệ dành mối quan tâm to lớn cho các cấu trúc nano của ZnO 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trong những năm qua. Một bằng chứng rõ ràng của sự quan tâm này chính là số lượng lớn các công trình công bố tập trung vào chủ đề ZnO và các cấu trúc nano của nó trong những năm gần đây. Sự quan tâm mạnh mẽ trong lĩnh vực nghiên cứu này cũng đẩy mạnh khả năng tạo ra các cấu trúc nano ZnO với chất lượng tinh thể tốt bằng các công nghệ chế tạo khác nhau, và do đó cho phép ta tạo ra các thiết bị có chất lượng cao mà giá thành lại hạ. Các công nghệ có thể được sử dụng để tạo ra ZnO là: bốc bay nhiệt, lắng đọng hơi hóa học, quang khắc laze, lắng đọng điện hóa, phương pháp thủy nhiệt và các phương pháp khác dựa trên pha dung dịch, phún xạ, epitaxy chùm phân tử (MBE), các phương pháp tổng hợp bằng khuôn.
Đặc biệt, phún xạ được biết đến là một phương pháp khá thích hợp để chế tạo màng ZnO với chất lượng tốt. Hơn nữa phương pháp này cho phép tạo ra các màng đa lớp hay pha tạp rất dễ dàng. Trong khi đó, các cấu trúc 1 chiều như dây, thanh thì bốc bay nhiệt là một phương pháp vừa đơn giản lại vừa cho hiệu quả tốt. Ngoài ra, đối với các cấu trúc dạng hạt nano thì phương pháp hóa lại tỏ ra đặc biệt hữu hiệu và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm còn hạn chế như ở Việt Nam.