Chương 1 – Tổng quan - Giới thiệu tổng quan về cấu trúc, các tính chất đặc trưng, các ứng dụng thực tế của ống nano carbon. - Giới thiệu sơ lược về transistor hiệu ứng trường (MOSFET). - Giới thiệu về transistor hiệu ứng trường ứng dụng ống nano carbon (CNTFET). Chương 2 – Thiết bị và phương pháp nghiên cứu 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Giới thiệu vật liệu và thiết bị sử dụng trong quá trình chế tạo và khảo sát CNTFET.
- Trình bày các phương pháp nghiên cứu chế tạo CNTFET. Chương 3 – Chế tạo CNTFET - Trình bày chi tiết các bước chế tạo CNTFET Chương 4 – Đo đạc - Khảo sát, đánh giá qui trình chế tạo CNTFET. - Kiểm tra đặc tính điện của sản phẩm CNTFET tạo thành. Kết luận - Đánh giá kết quả đạt được.
- Hướng phát triển của đề tài. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Ống nano carbon 1. Tổng quan ống nano carbon Carbon là nguyên tố cơ bản và quan trọng nhất trong tự nhiên.
Carbon có thể liên kết với chính nó hoặc các nguyên tố khác trong ba kiểu lai hóa orbi tal. Điều này tạo nên sự đa dạng trong cấu trúc carbon cùng nhiều tính chất đặc biệt, khiến carbon trở thành một nguyên tố cơ bản trong hóa học hữu cơ và sự sống. Từ những cấu trúc đã được biết đến từ nhiều thế kỷ trước là than chì (graphite) và kim cương (diamond) đến các cấu trúc nano mới được khám phá gần đây như Fullerene C60, ống nano carbon (carbon nanotubes), sơ ̣i nano carbon đã mang đ ến nhiều ứng dụng trong công nghiệp và thương mại. Cho đến ngày nay, đã có một cấu trúc phi tinh thể (vô đinh ̣ hin ̀ h) và bốn nhóm cấu trúc tinh thể của carbon được phát hiê ̣n.1: Một số cấu trúc của carbon (a) Kim cương; (b) Than chì; (c) Lonsdaleite; (d)(f) Cấu trúc Fullerene (C60, C540, C70); 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (g) Vô định hình; (h) Ống nano carbon Vào năm 1985, Smalley cùng các cô ̣ng sự khám phá ra mô ̣t cấ u trúc mới của carbon bên ca ̣nh các cấ u trúc đã biế t trước đây.
Đó là các Buckminster fullerene C60, gọi tắt là Fullerene , có cấu trúc khối cầu gồm 60 nguyên tử carbon liê n kế t thành các vòng lục giác và ngũ giác. Trước năm 1991, đã có nhiề u khám phá về mô ̣t loa ̣i cấ u trúc có chiề u dài lớn (cỡ nhiề u micro ) và đường kính bé (chỉ vài nano ). Lúc đầu, nó chỉ được xem như là cấu trúc một chiề u của các fullerene. Vào năm 1991, cấ u trúc cơ bản và tin ́ h chấ t đă ̣c trưng của loại vật liệu mới này đư ợc Sumio Ijima công bố lầ n đầ u tiên [19].
Khi nghiên cứu tổ ng hơ ̣p fullerene bằ ng phương pháp hồ quang điê ̣n với xúc tác kim loại, Ijima tim ̀ thấ y rấ t nhiề u cấ u trúc graphite bám ta ̣i tâm điê ̣n cực bao gồ m các ha ̣t nano và các ố ng rấ t đă ̣c biê ̣t có đường kić h ngoài cùng từ 4 – 30nm và chiề u dài cỡ 1µm. Bởi vì các ống này có cấu trúc gồm nhiều l ớp vỏ là các tấm carbon graphite , cuô ̣n la ̣i theo hin ̀ h xoắ n ố c , đường kiń h ngoài cùng ở kić h thước nano nên Ijima go ̣i các ố ng này là ố ng nano đa vách (Multi-wall nanotubes, MWNTs).2: Ảnh điện tử của các ống micro nhiều vách graphite [5] (a) ống 5 tấ m, đường kính 6,7 nm; (b) ống 2 vách, đường kính 5,5 nm; (c) ống 7 tấ m, đường kính 6,5 nm, đường kính bên trong nhỏ nhấ t là 2,2 nm Đế n năm 1993, ống nano đơn vách (single-wall nanotubes, SWNTs) đươ ̣c tìm ra. Đây là các ố ng chỉ do mô ̣t tấ m graphite cuô ̣n tròn la ̣i , có đường kính từ 0,4 đến 3 nm, chiề u dài chừng vài µm.3: Ảnh TEM của ống nano đơn vách (SWCNTs) 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấ u trúc ố ng nano carbon Về bản chấ t , ống na no carbon là một hay nhiều tấ m graphite cuộn tròn lại thành dạng các ống nano, có đường kính từ 1 nm (đố i với ố ng đơn vách) đến 30 nm (với ố ng có nhiều vách), chiều dài khoảng từ 1 µm trở lên, và khoảng cách giữa các vách graphite từ 0,34 – 0,36 nm. Cấ u trúc của ố ng nano được xác đinh ̣ bởi vector chiral Ch và góc chiral θ.
Vector chiral được cho bởi công thức sau: Ch=na1+ma2 Trong đó , số nguyên n và m là các tham số của vector chiral , diễn tả số bước do ̣c theo các liên kế t chữ chi (zig-zag) của carbon trong mặt lục giác , a1và a2 là các vector đơn vi ̣(hình 1. Cấ u trúc ố ng hiǹ h thành bằ ng cách cuô ̣n tấ m graphite do ̣c theo vector Ch, còn góc chiral θ sẽ xác định độ xoắn của ố ng.4: Các giá trị khác nhau của vector chiral và góc chiral trên tấm graphite Tùy thuộc vào góc chiral θ mà các dạng khác nhau của CNTs được xác định: - Nế u θ = 0o (n = 0 hoă ̣c m = 0), ống “zig - zag” - Nếu θ = 30o (n = m), ống “armchair” - Nế u θ = 0o – 30o (n ≠ m), ống “chiral” Đường kính d của ống nano được cho bởi công thức: d=Lπ trong đó: L là chiề u dài vector chiral: L=Ch=an2+m2+nm a = 2,49Å, là chiều dài một cạnh của graphite. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1.5: Ống nano carbon (a) zig – zag; (b) chiral; (c) armchair Ngoài ra, các tham số chiral cũng cho biết tính chất điện tử của ống nano carbon. Các ống nano carbon có thể hoặc là kim loại , hoă ̣c là bán dẫn phu ̣ thuô ̣ c vào hai tham số m và n.
Mô ̣t ố ng nano sẽ là kim loa ̣i khi tỷ số (m-m)/3 là số nguyên , còn lại tất cả đều là chấ t bán dẫn.6: Tính chất dẫn điê ̣n của ố ng nano carbon theo vector chiral 1. Các tính chất của ố ng nano carbon Tính chất điện tử Các đặc tính điện học của ống nano carbon được chú ý nhiều nhất trong các nghiên cứu và ứng du ̣ng của ố ng nano carbon. Với kić h thước cực kỳ nhỏ và tin ́ h đố i 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xứng cao khiế n CNTs có những hiê ̣u ứng lươ ̣ng tử đă ̣c biê ̣t cùng các đă ̣c tính điê ̣n tử , từ ho ̣c và quang ho ̣c khác thường. Các tính toán lý thuyết ban đầu và thực nghiệm sau đó cho thấ y nhiề u tính chấ t điê ̣n tử la ̣ thường trong CNTs , ví dụ như cấu trúc lượng tử trong hai loa ̣i ố ng nano carbon, tính chất kim loại và bán dẫn của ống nano đơn vách.
Ống nano carbon có thể hoặc có tính chất kim loại hoặc là chất bán dẫn phụ thuộc vào vector chiral và đường kính ống nano nhưng không phu ̣ thuô ̣c vào chiề u dài ố ng. Trong ố ng nano carbon đơn vách , nế u hê ̣ số (m – n) chia hế t cho 3 thì đó là kim loại (chiế m khoảng 1/3), có độ rộng vùng cấm là 0eV; còn lại là chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm ~ 0,5 eV. Đối với ống nano carbon đa vách thì phức ta ̣p hơn nhiề u do từng ống bên trong s ẽ có tính chất điện tử và độ dẫn điện khác nhau. Nhưng theo nhiề u kế t quả nghiên cứu thực nghiệm thì ống nano carbon đa vách sẽ có độ dẫn điện khá cao với mô ̣t hiê ̣u điê ̣n thế thấ p.
Do đó, ống nano carbon đa vách đươ ̣c xem là vâ ̣t liê ̣u kim loại điển hình. Hầu hết kế t quả thực nghiê ̣m cho thấ y , ống nano carbon có độ dẫn điện rất cao , mô ̣t SWCNT có đô ̣ dẫn điê ̣n cao hơn các po lymer dẫn , với suấ t điê ̣n trở là 10-4 Ω. [4] Còn mật độ điện tử của một ống nano carbon kim loại sẽ cao gấp 1.000 lầ n so với kim loa ̣i thông thường, khi đó, mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n tố i đa khoảng 1013 A/m2. Tính chất quang và quang điê ̣n Các ống nano carbon đơn vách với cấu trúc vùng năng lượng rất phù hợp cho nhiề u ứng du ̣ng quang ho ̣c và quang điê ̣n.
Phổ quang ho ̣c của SWCNTs có vùng phổ từ tử ngoa ̣i đế n gầ n hồ ng ngoa ̣i. Do có đặc tính phát xa ̣ quang điê ̣n và quang dẫn nên có thể ứng dụng trong các phương pháp nghiên cứu cấ u trúc và tính ch ất của SWCNTs. [4][5] Mă ̣c khác , các tính chất điện tử và quang học của ống nano carbon cũng liên quan chă ̣t chẽ đến các ảnh hưởng cơ ho ̣c, hóa học, nhiê ̣t và từ trường. Tính chất cơ học Từ khi đươ ̣c khám phá , ống nano carbon đã thu hút sự chú ý của nhiề u nhà khoa học và nghiên c ứu do có độ bề n và đô ̣ cứng rấ t cao mà la ̣i có mâ ̣t đô ̣ khố i cùng tiń h biế n da ̣ng thấ p.
Các tính toán lý thuyết và phép đo thực nghiệm đều cho thấy CNTs có đô ̣ cứng tương tự hoă ̣c hơn cả kim cương. Cho đế n thời điể m này , ống nano carbon là vâ ̣t liê ̣u có đô ̣ cứng, ứng suất Young và sức căng cơ học lớn nhất mà loài người tìm ra. Tính chất cơ học của ống nano carbon không phụ thuộc vào độ xoắn chiral nhưng phụ thuộc vào đường kính của ống. Độ cứng lớn nhất của một ống nano carbon đơn vách có đường kiń h từ 1 đến 2 nm vào khoảng 1 TPa, còn ống nano carbon đa vách thì lớn hơn, vào khoảng 1,1 đến 1,3 TPa.1: Một số tính chấ t cơ học của hai loại ố ng than nano Ứng suất Young (GPa) Độ cứng (Gpa) Tỷ trọng (g/cm3) MWCNT 1.200 ~ 150 2,6 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.