mở đầu tiên chỉ 51 nguyên tử vàng được hấp thụ vào ống nano. Hình được sao chép với sự cho phép từ Ref [10]. Bản quyền Nature Publishing Group, 2008 6 Luan van Hình 1.5: Ống nano carbon đơn vách và mô hình đàn hồi liên tục [22].2 Nanowires: Nanowire (dây nano) là một cấu trúc ở thang nano, có hình dạng như sợi dây và rất mỏng (hình 1.6), đường kính của dây khoảng vài nanomet hay nhỏ hơn. Nanowire là một trong những vật liệu nano có thuộc tính một chiều rất đặc biệt mà các thuộc tính đó có được chủ yếu được cấu thành từ các thành phần hóa học và có cấu trúc không đẳng hướng, với tỉ số xếp chặt rất cao.
Chính nhờ các thuộc tính đặc biệt này mà nó có khả năng ứng dụng cũng như phát triển vào các thiết bị điện tử về sau, linh kiện quang điện tử và các thiết bị cảm biến. Ví dụ như nanowire đã được sử dụng trong việc phát triển hệ thống cơ điện nano, đặc biệt là cộng hưởng cơ học ở thang nano có thể được áp dụng để phát hiện khối lượng. Trong số các dây nano (gồm dây nano kim loại và dây nano bán dẫn), silicon nanowire (SiNW) có nhiều tính chất đặc biệt có khả năng ứng dụng vào các thiết bị quang điện, sensor,…[23] Mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp Si-NWs và đã thu được những kết quả khả quan nhưng để đi đến việc ứng dụng chúng vào các thiết bị quang điện với hiệu năng cao thì vẫn còn là một khoảng cách dài. Silicon nanowire là đối tượng đầu tiên được chọn cho sự phát triển của hệ NEMS, đặc biệt là thiết bị cộng hưởng ở thang nano.
Điều này thực tế là silicon được sử dụng rộng rãi ở các tài liệu trong ngành công nghiệp vi điện tử, tức là các thiết bị có kích thước nano silicon có thể dễ dàng phát triển dựa trên công nghệ chế tạo hiện có áp dụng đối với silicon. 7 Luan van Hình 1.6: Những sợi dây nano Khi một cộng hưởng dây nano được thu nhỏ lại đến kích thước nano, ứng xử cơ học của dây nano trở nên rất độc đáo do thực tế bề mặt các nguyên tử, nó hiển thị các nguyên tử với số lượng lớn, góp phần vào việc làm giản mật độ năng lượng. Hầu hết các thí nghiệm và nghiên cứu về lý thuyết về thuộc tính cơ học của dây nano bị sự ảnh hưởng của modul đàn hồi của các dây nano thì nó bị sai lệch đáng kể so với các vật liệu rời rạc khi kích thước mặt cắt ngang của dây nano nhỏ hơn 100 nm.3 Graphene sheet: Graphene là một dạng carbon, có hình dạng là một mạng lưới lục giác nối kết với các nguyên tử carbon trong giống như tổ ong hai chiều (hình 1. Vì vậy, graphene là vật liệu hai chiều và có độ dày của một nguyên tử carbon.
Chính vì độ dày của nó quá nhỏ nên nhìn tấm graphene như trong suốt. Graphene là một chất liệu hoàn toàn mới – nó không những mỏng nhất mà còn bền nhất, có độ cứng rất lớn lớn gấp hàng trăm lần so với thép [24]. Ngoài ra, graphene còn là một chất dẫn điện cực tốt và nó dẫn nhiệt tốt hơn mọi chất liệu dẫn điện đã biết khác – ví dụ như đồng. Vì nó trong suốt và là chất dẫn tốt, nên graphene thích hợp cho việc sản xuất các màn hình cảm ứng trong suốt, các tấm phát sáng (hình 1.8) và kể cả tế bào quang điện.
Ngày nay, vật liệu này đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ cho nhiều lĩnh vực ứng dụng quan trọng như tích trữ năng lượng, pin mặt trời, transistors, xúc tác, cảm biến, vật liệu polymer tổ hợp… 8 Luan van Graphene đôi khi được sánh với các ống nano carbon, về cơ bản nó là những miếng graphene cuộn lại thành hình ống hút. Cả hai đều là chất dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt. Cả hai đều khá bền. Graphene bán dẫn được nhiều người xem là chất liệu lí tưởng dùng cho các dụng cụ điện tử vì nó cực kì mỏng nhưng lại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao và có độ bền lớn.
Tuy nhiên, thật không may, các kĩ thuật chế tạo mà ngành công nghiệp bán dẫn sử dụng hiện nay không thể áp dụng cho graphene vì chúng đưa các khiếm khuyết vào trong vật liệu, làm hỏng mất hiệu suất của dụng cụ. Qua một số tính chất đặc biệt của graphene ta có thể thấy nó có thể giữ vai trò nhất định trong sự phát triển của công nghệ hiển thị điện tử trong tương lai.7 : Cấu trúc tinh thể của Graphene Gần đây, graphene được coi là một ứng cử viên cho sự phát triển của hệ NEMS dựa trên các tính chất cơ học tuyệt vời của một graphene mà nó đảm bảo dải động với tần số cao. Để đạt được một cái nhìn sâu sắc vào các cơ chế ứng xử cộng hưởng của một graphene, một mô hình đàn hồi liên tục như một mô hình tấm gần đây đã được đưa vào tính toán. Nó chỉ ra rằng một mô hình tấm là thích hợp trong việc dự đoán các ứng xử cộng hưởng của graphene cộng hưởng.
Như vậy dự đoán phù hợp với quá trình quan sát thực nghiệm cộng hưởng từ tấm graphene. 9 Luan van Hình 1.8 : Tấm phát sáng 1.2 Tổng quan về NEMS 1.1 Tổng quan về NEMS NEMS là gì, NEMS là từ tiếng anh viết tắt của Nano-Electro-Mechanical System. Nó chính là hệ thống cơ điện ở thang nano, nó có thể thực hiện nhiều chức năng như bộ dẫn điện hay cảm biến, với thang chiều dài ở đơn vị là 1 nano met (1 nm = 10-9 m).9 mô tả nguyên lý chức năng làm việc của hệ NEMS [25]. NEMS có thể được coi là một thiết bị dùng để biến đổi cơ điện, nó có thể đọc các tín hiệu đầu vào khi được kích thích cơ và phát tín hiệu đầu ra khi gặp cộng hưởng cơ học.
Thêm vào đó khi tại điểm điều khiển ở cuối, tín hiệu điện đầu vào có thể được đính vào và sau đó được chuyển đổi bởi bộ biến đổi điều khiển thành lực, chính vì vậy mà nó có thể làm xáo trộn các thuộc tính của hệ cơ học. Có thể thấy, hệ thống cơ điện ở thang nano (NEMS) là một thiết bị rất đặc biệt, chính vì vậy nó được sự quan tâm rất lớn từ 2 lĩnh vực đó là khoa học và kỹ thuật. Vì NEMS có khả năng nhìn ra các hiện tượng cơ bản trong vật lý và các hiện tượng tương tác trong hóa học. Trong đề tài này chỉ tập trung duy nhất một 10 Luan van loại cấu trúc nano đó là ống nano carbon.
Vì ở CNTs này có rất nhiều thuộc tính cơ học rất đặc biệt như kích thước ống rất nhỏ nhưng tỉ số các cạnh lại rất lớn, có khối lượng riêng nhỏ, độ cứng cao, độ bền cao, đặc biệt nó có tính dẫn điện cực kì tốt. Chính vì những thuộc tính này mà người ta sử dụng kết cấu carbon nanotube rất nhiều cho khoa học công nghệ. CNTs là một vật liệu lý tưởng phù hợp dùng để thiết kế các hệ NEMS trong rất nhiều ứng dụng như trong bộ dẫn động phát ra nguồn năng lượng cơ học, các thiết bị cộng hưởng cơ học hay trong cảm biến hóa học và cảm biến khối lượng. Với một số ứng dụng trên của hệ NEMS thì trong đó cảm biến khối lượng NEMS đã được sử dụng rộng rãi để đo các đại lượng vật lý như khối lượng nguyên tử (ngay cả ở độ phân giải yocto-gram, 1yg = 〖10〗 ^ (- 24) g) dựa trên nguyên lý cộng hưởng.
Độ nhạy phát hiện cực kỳ cao của cảm biến NEMS là do các dải động cao tần đạt được bằng cách thu hẹp các bộ cảm biến, khi tần số cộng hưởng tỉ lệ nghịch với bình phương chiều dài của cộng hưởng. Hầu hết các NEMS phát hiện cộng hưởng dựa trên dao động điều hòa, khi nó xuất hiện rung động phi tuyến. Luận văn này là mục đích để nghiên cứu các rung động phi tuyến của cảm biến NEMS bằng cách sử dụng các lý thuyết và mô phỏng số, tính toán, thiết kế cho hệ, được bắt rễ sâu trong cơ học cổ điển liên tục. Đầu tiên, ta sẽ nghiên cứu các dao động phi tuyến của CNT cộng hưởng bằng cách sử dụng mô hình liên tục dựa trên cơ học (ví dụ như mô hình Duffing).
Quan trọng hơn,việc nghiên cứu vai trò của rung động phi tuyến vào sự nhạy cảm phát hiện khối lượng của cảm biến NEMS dựa trên nguyên lý cộng hưởng. Nó được thể hiện rằng dao động phi tuyến có thể được sử dụng như một con đường hữu ích để cải thiện phát hiện độ nhạy. Hơn nữa, việc phát hiện ra ứng suất kéo cơ học rất có lợi trong việc tăng cường dò tìm độ nhạy sự dao động về chiều một cách hài hòa, trong khi độ nhạy dò tìm sự rung động phi tuyến không được cải thiện một cách triệt để bởi ứng suất kéo với sự dao động điều hòa dựa trên cảm biến khối lượng. Luận văn này có thể được coi như là bước đầu tiên hướng tới việc thành lập các khái niệm thiết kế mô phỏng số cho một hệ NEMS cảm biến khối lượng ở 11 Luan van Để mô tả hoạt động của một hệ NEMS, ta giả dụ hệ NEMS bao gồm có 3 điện cực (Hình 1.10), giữa 2 điện cực 2 bên và một cực nữa nằm phía bên dưới, 2 cực 2 bên được nối với nhau bởi ống Nano Carbon.
Đây chính là một kết cấu nano, ta không cần xem xét đến cách chế tạo, bằng cách nào đó người ta sẽ thiết kế được một mạch điện, mà khi chích điện vào ống Nano carbon chính do hiệu ứng cơ điện mà ống Nano Carbon sẽ dao động. Lúc này ống nano carbon được xem như một phần tử cơ học nên chính nó sẽ dao động. Khi ống nano carbon dao động ta xét về mặt cơ học thì ta có thể vẽ được một đường tần số dao động trước khi có khối lượng bám vào (nét đứt) và sau khi khối lượng đã bám vào (nét liền). Như vậy đặc trưng về đặc tính cơ học lúc này của ống nano carbon sẽ khác nhau, khi đó dựa trên sự khác biệt này thì ta nhận biết được có hay không có khối lượng bám trên bề mặt CNT.10 : Nguyên lý hoạt động của hệ NEMS [26] 13 Luan van 1.2 Ứng dụng Ứng dụng của NEMS trong lĩnh vực cảm biến, hiển thị, năng lượng, trong lĩnh vực dược và xử lý ảnh.