CHƯƠNG I: TONG QUAN DE TÀI NGHIÊN CUU 1. Giới thiệu về công nghệ nano L. Tổng quan công nghệ nano Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo va img dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mỏ nanomet (Inm = 107° m). Ranh giới giữa công nghệ nano vả khoa học nano đôi khi không rd rang, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano.
s+ Cơ sơ khoa học của công nghệ nano [7] -Chuyển tiếp từ tính chất cô điền đến tỉnh chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rat nhiều nguyên tử (1m? có khoảng 1012 nguyên tử) và có thé bỏ qua các thăng giáng ngdu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có it nguyễn tử hơn thì các tính chất lượng tử thẻ hiện rd rang hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tứ, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. -Hiệu ứng bẻ mặt: Khi vật liệu có kích thước nanomet, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kế so với tổng số nguyên tử.
Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bẻ mặt, gọi tắt là hiệu ứng bẻ mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. -Kich thước tới hạn: Các tinh chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thước này thi tinh chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn.
Vật liệu nano có tinh chất đặc biệt là do kích thước của nó có thẻ so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở cua một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kich thước vĩ mô ma ta thấy hang ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vải đến vải trăm nanomet thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sé SVTH: Nguyễn Tuyết Nhung Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiến tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu. 4 Vật liệu nano [1] Là các tô chức. cấu trúc, thiết bị hệ thống.
có kích thước nano (khoảng tir 1 đến 100nm), tức cờ nguyên tử, phân tử hay đại phân tử). Các vật liệu với kích thước như vậy có những tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang. rat đặc biệt, khác hăn các vật liệu cỏ kích thước lớn hon. vật liệu nano được img dụng trong rất nhiều lĩnh vực.
Vẻ trạng thái cúa vật liệu. người ta phân chia thành ba trạng thái: rin, long va khí. Vat liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến long và khí. Một số ứng dụng công nghệ nano Công nghệ nano lả một trong những công nghệ tiên tiến bậc nhất hiện nay vả có rit nhiều ứng dụng trong y hoc, điện tử, may mac, thực phẩm v.
Trong tương lai, nó có thể cứu sống con người khỏi căn bệnh ung thư, tạo ra những bộ quần áo chống bụi bắn. để chữa bệnh ung thư người ta tim cách đưa các phân tử thuốc đến đúng các tế bao ung thư qua các hạt nano đóng vai trò là “xe tải kéo”, tránh được hiệu ứng phụ gây ra cho các tế bào lành. Y tế nano ngày nay đang nhằm vào những mục tiêu bức xúc nhất đối với sức khỏe con người, đó là các bệnh do đi truyền có nguyên nhân từ gien, các bệnh hiện nay như: HIV/AIDS, ung thu, tim mach, các bệnh đang lan rộng hiện nay như béo phi, tiểu đường, mat trí nhớ. Nhiều lọai mỹ phẩm có chứa các loại hạt nano để bảo vệ da.
Ngoài ra, các nhà khoa học tim cách đưa công nghệ nano vào việc giải quyết các vấn đề mang tính toàn cầu như thực trạng 6 nhiễm môi trường ngày cảng gia tăng. Thời kì ngành công nghệ nano phát triển mạnh mè, vật liệu nano có những tính nang ưu việt như có độ bền cơ học cao, tính chất quang điện nỏi trội, hoạt tính xúc tac cao. đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhả khoa học. vật liệu nano oxit với cấu trúc preovskite ABO; dang gây chú ý nhiều nhà nghiên cứu.
Vậy khái niệm vật liệu perovskite ABO; là gi? eee SVTH: Nguyễn Tuyết Nhung Trang 10 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến L. Vật liệu perovskite ABO; 1,2.C4u trúc tinh thé ABO; Cầu trúc tinh the perovskite ABO; thường dé cập đến 2 loại: - Cấu trúc tinh thé ABO; thuần, - Cấu trúc tinh thé ABO; biến tinh. Trong khuôn khổ khóa luận nay, chúng tôi chỉ đẻ cập tới cấu trúc tinh the ABO; thuần.
Cụ thé như sau: % Cấu trúc tỉnh thé ABO; thuần |2| Cau trúc lí tưởng của perovskite 14 dang lập phương. có công thức tổng quát là ABO). A là cation có kích thước lớn hơn B, thường là các kìm loại đất hiếm. kiểm thỏ hoặc các ion cỏ kích thước lớn như Pb" và Bì", còn B là các kim loại chuyền tiếp 3d, 4d.
Sd (như Co, Cu, Ni, Pt, Fe, Mn,. Trong cau trúc nay, 6 mạng đơn vị đặc trưng cho cau trúc là 1 hình lập phương có các hing số mạng a=b*c va các góc a=*ƒj“y= 90", Vị trí 8 đỉnh của hình lập phương là vị trí của ion A, tâm của 6 mặt hinh lập phương là vị trí của ion phối trí, thường là vị trí của ion oxy vả tâm của hình lập phương là vị trí của ion B. Điều đó có nghĩa là xung quanh ion B có 6 ion oxy và quanh A có 12 ion oxy phối trí, Đặc trưng tỉnh thể quan trọng nhất của các hợp chất có cấu trúc nảy là sự tổn tại các bát diện BOs nội tiếp trong ô mạng đơn vị với 6 ion phối trí (thưởng là ion O*) tại đỉnh của bát điện va một ion đương B tại tâm của bát diện. Góc liên kết B-O-B bằng 180° và độ dài liên kết B-O bằng nhau theo mọi phương.
nay ảnh hưởng rat nhiều đến tính chất điện va tính chất từ của vật liệu. z oO Vj tri cation A“(A© Vị trí cation B1“ (B**) © Hình 1.1: Cấu trúc tinh thé perovskite (ABOy) SVTH: Nguyên Tuyết Nhung Trang II Khoa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Nguyễn Anh Tiến Trong dé tài này, chúng tôi nghiên cứu tong hợp vật liệu nano perovskite ABO; thuan ở vị trí A là La **, còn B là Fe ** ( LaFeO;). Tinh chất của vật liệu perovskite ABO; Như da dé cập ở trên.
hat nano kim loại có hai tinh chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu img bẻ mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, đo đặc điểm các hạt nano có tính kim loại. tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trưng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao. Hợp chất được tông hợp và nghiên cứu trong luận văn này là hợp chat perovskite hệ sắt (LaFeOs).
Trong những năm gần đây loại hợp chất này được chú ý nghiên cứu đo có hiệu ứng nhiệt điện tốt ở nhiệt độ cao, ớ đạng bột nano chúng có thể dùng làm xúc tắc, cảm biến khí. chế tạo hợp chất multiferrit. Trong khuôn khỏ dé tai, chúng tôi chi trinh bay tính chất điện, từ và hoạt tính xúc tác của loại vật liệu này. % Tinh chất điện [15] Qua các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy các vật liệu perovskite LnBOs (Ln là một hoặc nhiều các nguyên tế đất hiểm như La, Nd, Eu.và B là một hay nhiều các nguyên tử của các kim loại như Mn, Co, Fe.) là vật liệu có độ bén nhiệt rất cao.
Các loại vật liệu này cho phép thay thế các nguyên tử ở vị trí Ln hay vị trí B bằng các kim loại có trạng thái oxi hóa khác nhau để tạo ra những khuyết tật (hay méo mạng), đẻ tạo ra các vị trí anion hoặc cation trống. Nhờ sự pha tạp, tính chất dẫn điện của perovskite có the thay đối tir tinh chất điện môi sang tính dẫn kiểu bán dẫn, hoặc thậm chí mang tính dẫn kiểu kim loại, hoặc tính chất điện đặc biệt là trật tự điện tích, trạng thái mà ở đó các hạt tải dẫn bị cô lập bởi các ion từ tính. Ngoài ra, nhiều perovskite có thể mang tinh chất siêu dan ở nhiệt độ cao. + Tinh chất từ [15] Các kim loại quý như vàng.có tính nghịch từ ở trang thái khối do sự bù trừ cặp điện tử.
Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toan điện nữa va vật liệu cỏ từ tính tương đối mạnh. Sự pha tạp các nguyên tế dẫn đến việc tạo ra các ion mang hóa trị khác nhau ở vị trí B, tạo ra cơ chế tương tac trao đổi gián tiếp sinh ra tính sắt từ. Các kim loại có tính sắt tử ở trang thái khối như các kim loại chuyên tiếp sắt, coban. niken thi khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho “—————ễễïễễễ————— SVTH: Nguyên Tuyết Nhung Trang 12 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.
Nguyễn Anh Tiến chúng chuyền sang trạng thai siêu thuận từ. Vật liệu ở trang thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có tử trường và không cỏ từ tính khi từ trường bị ngắt đi. tức là từ dư vả lực kháng tử hoàn toàn bằng không. s* Tỉnh xúc tác [2] Tinh xúc tác của các oxit perovskite chủ yêu dựa vào bản chất của các ion va các trạng thái hóa trị của chúng.
Ban chất của các nguyên tế A (đất hiếm) ảnh hưởng lên độ bẻn của các oxit perovskite nhưng it ảnh hướng lên hoạt tinh xúc tác của chúng. Điều này trái ngược với trường hợp nguyên tổ B, Tuy nhiên, khi pha tạp một phan nguyễn tố A bởi nguyễn tố khác sẽ tạo ra sự biến đổi cấu trúc, tạo ra các nút khuyết oxy vả làm thay đôi trạng thái hỏa trị của kim loại chuyển tiếp. làm thay đổi hoạt tỉnh xúc tác của vật liệu.