I. Vật liệu Nano Chức năng Tổng quan và Tiềm năng ứng dụng
Thế giới vật liệu nano ngày càng trở nên quan trọng, mở ra những chân trời mới trong khoa học và công nghệ. Vật liệu nano, với kích thước một chiều ở thang nanomet (1-100 nm), sở hữu những tính chất vật lý, hóa học độc đáo khác biệt so với vật liệu khối. Điều này là do sự chi phối của hiệu ứng lượng tử và diện tích bề mặt lớn. Vật liệu nano chức năng, một nhánh quan trọng, được thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể, hứa hẹn ứng dụng rộng rãi từ y sinh đến năng lượng và điện tử. Luận án Tiến sĩ tại Harvard University đi sâu vào tổng hợp và đặc tính của những vật liệu đầy tiềm năng này, khám phá các phương pháp tạo ra chúng và hiểu rõ tính chất để khai thác tối ưu.
1.1. Lịch sử và định nghĩa về Công nghệ Nano
Thuật ngữ công nghệ nano bao hàm nhiều kỹ thuật mới nổi từ công nghệ chất rắn, công nghệ sinh học, công nghệ hóa học và công nghệ thăm dò quét hội tụ ở quy mô nano. Công nghệ nano nên được gọi là “các công nghệ nano” không phải là công nghệ nano. Những kỹ thuật này bao gồm cả phương pháp “từ trên xuống” (downsizing macroscopic materials nanometer) và “từ dưới lên” (synthesis from individual molecules atoms). Giáo sư Norio Taniguchi thuộc Đại học Khoa học Tokyo đã định nghĩa thuật ngữ “công nghệ nano” trong một bài báo năm 1974.
1.2. Vật liệu Nano Kích thước và Phân loại
Vật liệu nano có hình thái được kiểm soát, với một chiều ở thang nanomet. Ví dụ đơn giản nhất có đường kính từ 1 đến nm (nanoparticles 0-D nanostructures) như Au hoặc Ag nanoparticles. Nanotubes nanowires nanorods cấu thành quasi 1-D nanomaterials trong khi thin films có độ dày vài nguyên tử được coi là 2-D nanomaterials. Bên cạnh các nanostructures riêng lẻ, các tập hợp trong số chúng tạo thành các mảng và siêu mạng.
II. Thách thức trong Tổng hợp Vật liệu Nano Chức năng Hiện nay
Mặc dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể, việc tổng hợp vật liệu nano chức năng vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Kiểm soát chính xác kích thước, hình dạng, thành phần và cấu trúc là rất quan trọng để đạt được tính chất mong muốn. Việc mở rộng quy mô tổng hợp từ phòng thí nghiệm ra sản xuất công nghiệp đòi hỏi các phương pháp hiệu quả về chi phí và có thể tái tạo. Hơn nữa, sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế hình thành nanomaterials vẫn còn hạn chế. Các nghiên cứu trong luận án Tiến sĩ Harvard này góp phần giải quyết những thách thức này bằng cách khám phá các phương pháp tổng hợp mới và nâng cao khả năng kiểm soát các đặc tính của vật liệu nano.
2.1. Khó khăn trong kiểm soát Kích thước và Hình dạng Nanoparticle
Từ quan điểm tổng hợp, sự hình thành và tăng trưởng tinh thể từ các nguyên tử riêng lẻ chưa được hiểu rõ. Ngoài ra, micelles và nuclei khó chuẩn bị và mô tả hơn so với các phân tử bulk materials. Bằng cách nghiên cứu động học tăng trưởng của một hệ thống nanocrystalline bao gồm ít nguyên tử hơn, có thể thu được những hiểu biết hữu ích về sự hình thành và tính chất của bulk.
2.2. Tính kinh tế và Khả năng tái tạo trong sản xuất Nano
Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hệ thống nanomaterials một cách chính xác để tạo ra các phân tử và bulk materials là một thách thức tuyệt vời đối với hóa học. Điều này đòi hỏi một quy trình hiệu quả về chi phí và có thể tái tạo. Các phương pháp “từ trên xuống” không còn phù hợp với electronic structures do giới hạn bởi bước sóng. Do đó, phương pháp tiếp cận “từ dưới lên” là khả thi hơn.
III. Phương pháp Hydrothermal Tổng hợp Nanocubes Manganite hiệu quả
Luận án Tiến sĩ tại Harvard này trình bày một phương pháp hydrothermal sáng tạo để tổng hợp các nanocubes manganite pha trộn. Manganite là một hệ oxit kim loại chuyển tiếp với sự đa dạng đáng kinh ngạc về tính chất điện tử và từ tính. Việc điều chỉnh các đặc tính này có thể được thực hiện thông qua việc pha tạp hóa học. Phương pháp hydrothermal cho phép kiểm soát thành phần hóa học và kích thước của nanocubes, mở đường cho việc khám phá các ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như cảm biến và xúc tác.
3.1. Tổng hợp Hydrothermal LBMO Nanocubes có thể kiểm soát
Mục tiêu là chuẩn bị nanocrystals manganite có kích thước theo thứ tự các mixed-phase ở thang nano sẽ xảy ra. Chương này trình bày hydrothermal synthesis manganite nanocubes 1V có thể điều chỉnh việc pha tạp hóa học bằng cách thay đổi sự phong phú của các tiền chất hóa học và độ pH của dung dịch.
3.2. Đặc tính hóa học và từ tính của Nanocubes Manganite
Vật liệu manganite này là một hệ thống oxit kim loại chuyển tiếp do sự đa dạng đáng kinh ngạc về tính chất điện tử và từ tính mà hệ thống có thể điều chỉnh bằng cách pha tạp hóa học. Hơn nữa, các giản đồ pha phức tạp được thể hiện bởi các vật liệu này được cho là bắt nguồn từ sự đồng tồn tại của các nanoscale, thể hiện các pha điện tử và từ tính.
IV. Hướng dẫn Tổng hợp Nanowires FeSi bằng Phương pháp Pha Hơi
Một phần khác của luận án tập trung vào tổng hợp nanowires monosilicide bằng phương pháp pha hơi. Các kim loại chuyển tiếp như FeSi có vai trò quan trọng trong ngành vi điện tử nhờ khả năng tương thích với quy trình sản xuất và khả năng tạo ra các tiếp xúc ohmic. Nanowires FeSi thể hiện các tính chất độc đáo, làm cho chúng trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng trong spintronic và cảm biến.
4.1. Tổng hợp Pha hơi Nanowires B FeSi Quy trình và Thực nghiệm
Các kim loại chuyển tiếp có ý nghĩa trong ngành vi điện tử phần lớn là do khả năng tương thích với chế tạo thông thường và 10 tiếp xúc ohmic được cung cấp bởi NiSi CoSia. Hợp kim Fe,Co;. Si là semiconductors sắt từ đầy hứa hẹn ứng dụng trong silicon-based spintronic.
4.2. Đo đạc Cấu trúc Thành phần và Từ tính của FeSi Nanowires
Hợp chất liên kim loại loại B20 lập phương ¢-FeSi, semiconductor có band-gap hẹp và Kondo insulator. Việc chemical-vapor-deposition synthesis và nanowires FeSi đơn tinh thể phân nhánh với đường kính từ nm 100 nm và chiều dài vài micron. Các phép đo từ tính được thực hiện trên các tập hợp nanowire cho thấy tính chất từ tính bất thường phù hợp với bulk materials.
V. Cách Tạo Nanorod Heterostructure CdE E Se S với Kiểm soát Cao
Luận án cũng khám phá tổng hợp nanorod heterostructure cadmium chalcogenides (CdE). Bằng cách kết hợp các kỹ thuật hóa học dung dịch và pha hơi, có thể tạo ra các cấu trúc phức tạp với các tính chất được điều chỉnh. Các nanorod heterostructure này hứa hẹn trong các ứng dụng như đi-ốt phát quang và pin mặt trời.
5.1. Tổng hợp Nanorod Heterostructure CdE Chiến lược và Vật liệu
Chương này thảo luận về tổng hợp và đặc tính của CdE nanorod heterostructures. Chiến lược tổng hợp đã khai thác hệ thống CdE kết hợp hóa học dung dịch và kỹ thuật xúc tác hỗ trợ tăng trưởng trên chất nền lấy cảm hứng từ phương pháp vapor—liquid—solid (VLS).
5.2. Đặc tính của Nanorod Heterostructure CdE Cấu trúc và Quang học
Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công heterostructures CdSe/CdS nanorod hai đoạn và ba đoạn với quan sát alloying, một vấn đề thường gặp trong gas-phase synthesis. Các phép đo Photoluminescence và sơ bộ đã được thực hiện trên các nanorod heterostructures riêng lẻ và được thảo luận trong chương.
VI. Ứng dụng Transistor Nanorod CdSe đơn tinh thể phát quang điện
Nghiên cứu này cũng trình bày một nghiên cứu về phát quang điện từ các nanorod CdSe đơn lẻ trong cấu hình transistor. Bằng cách đo đồng thời dòng điện và ánh sáng phát ra, có thể khám phá mối tương quan giữa vận chuyển điện tích và phát xạ ánh sáng. Kết quả này có thể mở ra những con đường mới cho việc phát triển các thiết bị nano điện tử tiên tiến.
6.1. Transistor Nanorod CdSe Thiết kế và Chế tạo
Nghiên cứu quan tâm đến việc nghiên cứu 11 sự tương tác giữa vận chuyển điện tích và phát xạ CdSe nanorods riêng lẻ trong cấu hình transistor ba cực. Các CdSe nanorods có đường kính nhỏ hơn nm và chiều dài 100 nm đã được tổng hợp bằng ***multip...
6.2. Cơ chế phát xạ trong Transistor Nanorod CdSe
Các thiết bị hiển thị Coulomb blockade behavior ở điện áp thấp. Ở điện áp cao hơn, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy sự gia tăng siêu tuyến tính của dòng điện đi kèm với phát quang điện với sự phân bố rộng. Các phép đo này cho phép khám phá sự tương tác giữa vận chuyển điện tích và phát xạ single-nanocrystal transistor và đề xuất cơ chế phát xạ.
