Vat Lieu Nano_Ch0-2012

ĐẠII HỌ TRƯỜNG TRƯỜ NG ĐẠ HỌC BÁC BÁCH H KHO KHOA A HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (HUT)

INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE VIỆN

VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO NANOSTRUCTURED MATERIALS Nguyễn Anh Tuấn

PHẦN MỞ ĐẦU 1- GIỚI THIỆU CHUNG 2- TỔNG QUAN VỀ NANO

PHẦN MỞ ĐẦU 1- GIỚI THIỆU CHUNG

PHẠM VI, CẤU TRÚC MÔN HỌC & PHÂN CÔNG GIẢNG DẠ Y PHẠM VI p chi ều _ V ật lý nano - V ật lý c á ác hệ thấ ng t ụ - V ật lý c á ư ng ác c chấ t ng ư úc nano ụ c ó c ấ ấu tr ú - V ật li ệu nano _ V ật li ệu đ i i ện t ử úc nano ử c ấ ấu tr ú - Công nghệ & linh ki ện nano

Khoa học & Công nghệ nano

CẤU TRÚC NỘI DUNG (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn) - Gi ớ ới thi ệu chung & t ổng quan (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn) - Gi ớ ới thi ệu v ề nanoelectronics (TS. Nguyễn Văn Quy) (TS. - V ật li ệu nano bá n d ẫ ẫn i ệ n t ử (……) - V ật li ệu quang t ử -đ i ử v à quang - đ ử nano (……) - V ật li ệu nano t ừ (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn) ừ & Spintronics - C á ác v ật li ệu nano khá c v à một số v ấ ấn đ ề liên quan (PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn)

MỤC ĐÍCH MÔN HỌC Học viên nắm đư ợ cươ ng ng): ợc (một cách đại cươ

ở đđó sử - Các loại/dạng vật liệu nano (chủ yếu là các vật liệu điện tử) ở dụng các tính chất vật lý nào phụ thuộc vào kích thướ c/c c/cấu trúc nano: điện tử, quang, quang-điện tử, từ, nhiệt, đặc tính sinh-hóa, tổ hợ p đa chức năng, đa tính chất, và .... hơ n thế nữa. - Những công nghệ/k ỹ thuật/phươ ng ng pháp/cách thức tiêu biểu để chế tạo, xử lý, gia công, thao tác, l ắ p ráp các các cấu trúc, các tổ chức nano, hay để quan sát, đo lườ ng ng và ph phân ân tí tích ch cá cácc đặc tr ưng nano. - Phần nào thấy đượ c bản chất vật lý của các tính chất, tính năng nổi tr ội do cấu trúc hay kích thướ c nano tạo ra. - Thấy đượ c những ứng dụng chính của các vật liệu điện tử nano tươ ng ng ứng trong một số l ĩ ĩ nh nh vực. - Thấy đượ c ý ngh ĩ a của KH & CN nano trong khoa học và đờ i sống.

NỘI DUNG MÔN HỌC GIỚ I THIỆU CHUNG Mục đích môn học, Cấu trúc & phạm vi môn học, Sác Sáchh GK và tà tàii liệu tham kh khảo TỔNG QUAN ( Nguy Nguyễ n Anh Tuấ n) 1. Tóm lượ c lịch sử về KH&CN nano 2. Phân loại, giớ i thiệu chung về cách thức tiế p cận nghiên cứu các vật liệu nano 3. Những đặc tr ưng, tính chất chung phụ thuộc kích thướ c 4. Một số vấn đề chung về công nghệ chế tạo vật liệu nano 5. Các công cụ cho khoa học nano (chế tạo, thao tác, lắ p ráp và phân tích các cấu trúc nano) 6. Ứ ng ng dụng của công nghệ nan anoo - Cá Cácc sản phẩm từ công nghệ nano 7. Những thách thức và cơ hội đối vớ i KH & CN nano.

CHƯƠ NG NG 1: GIỚ I THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ NANO – DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO ( Nguy Nguyễ n Anh Tuấ n) 1.1. Nhắc lại về dòng điện v ĩ mô 1.2. 1. 2. Dòn òngg điện lượ ng ng tử 1.3. Sự vận chuyển mesoscopic 1.4. 1. 4. Dòn òngg xu xuyê yênn ng ngầm lượ ng ng tử 1.5. 1. 5. Di tr trúú điện tử (electromigration)

NỘI DUNG MÔN HỌC CHƯƠ NG NG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO ( Nguy Nguyễ n V ăn Quy) 2.1. Giớ i thiệu về linh kiện bán dẫn có cấu trúc nano 2.2. Hạt nanô bán dẫn: Tính chất, tổng hợ p và ứng dụng 2.3.. Dây nan 2.3 nanôô bán bán dẫn: Tính chất, tổng hợ p và ứng dụng 2.4. Cấu trúc trúc nan nanôô “3D” “3D” dạng màng mỏng 2.5. 2. 5. Cá Cácc ph phươ ng ng pháp vật lý chế tạo cấu trúc nanô 2.6. Các chấm lượ ng ng tử bán dẫn 2.7. Nano silic 2.8. Các cấu trúc trúc nano nano ZnS và Zn ZnO O

CHƯƠ NG NG 3: QU QUAN ANG G TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ NANO ( Nguy Nguyễ n Anh Tuấ n) 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

NỘI DUNG MÔN HỌC CHƯƠ NG NG 4: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS ( Nguy Nguyễ n Anh Tuấ n) 4.1. Tính chất từ ở thang nano 4.2. Vật liệu từ khối có cấu trúc nano 4.3. Hạt từ nano, dot từ và cá cácc chùm chùm nan nanoo từ 4.44. Dây từ và ống từ nano 4. 4.5. 4. 5. Mà Màng ng mỏng từ cấu trúc nano 4.6. 4. 6. Ph Phân ân tử và ng nguy uyên ên tử từ cô lậ p 4.77. Các k ỹ thuật hiện đại quan 4. quan sát và và phâ phânn tích tích các đặc tr ưng cấu trúc từ nano 4.8. Spintronics CHƯƠ NG NG 5: CÁC VẬT LIỆU NANO NANO KH KHÁC ÁC VÀ NHỮ NG NG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 5.1. Các vật liệu nano carbon (…) 5.2. Các vật liệu nano chức năng đặc biệt khác (…) 5.33. Ho 5. Hoá học nano (…) 5.4. Khía cạnh an to toàn àn và những thách thức của vật liệu nano (…) Nguyễ n Anh Tuấ n) 5.5. Các cấu trúc nano trong tự nhiên ( Nguy Nguyễ n Anh Tu Tuấ n) 5.6. Điện tử học phân tử, nguyên tử và thông tin lượ ng ng tử ( Nguy Nguyễ n Anh Tuấ n) 5.7. Tình tr ạng phát triển và tươ ng ng lai của công nghệ nano ( Nguy

ấ đề

NỘI DUNG MÔN HỌC Tài liệ liệu tham khả khảo 1) Nanostructured Materials Materials and Nanotechnology Nanotechnology, Hari Singh Nalwa, Academic Press, US, 2002. 2) Nanostructured Materials: Materials: Selected Selected synthesis methods, methods, Properties and applications applications , Harry L. Tuller, Kluwer Academice, US, 2004. 2004. 3) Nanostructured Fabrication Fabrication and Analysis Analysis , H. Nejo, Spinger, 2006. 4) ADVANCED MAGNETIC NANOSTRUCTURES , Eds. by David Sellmyer and Ralph Skomski; Springer Science + Business Media, Inc. 2006. 5) Nanoscience - Nanotechnologies and Nanophysics; Eds. by C. Dupas, P. Houdy, and M. Lahmani; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007. 6) Nanoscience and Technologies Technologies; Ed. By Peter Rodgers, Nature Publishing Group (Macmillann Publishers Ltd.), World Scientific Publishing Co., 2010. (Macmilla

TÀI LIỆU ĐỌC THÊM ừng g phân t ử ử , nguyên t ử ử , Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân 1) Công nghệ nano - Điề u khiể n đế n t ừ n Chán Ch ánh, h, NX NXB B KHK KHKT T – Hà nội 2004. 2) V ật lý ứ ng ng d ụng trong đờ i số ng ng hiện đại, Nguyễn Xuân Chánh, NXB TR Ẻ – TP.HCM 2009 3) Magnetism in Ultrathin Transition Metal Films Films, Ulrich Gradmann, Chapter 1 in “Handbook of Magnetic Materials”, Vol. 7 Ed. Ed. by K.H.J. K.H.J. Buschow, Buschow, North-Holland, North-Holland, Elsevier Science Publishers B.V., 1993. 4) Ultrathin Magnetic Structures I , II , III , Eds. by J.A.C. J.A.C. Bland and B. Heinrich Heinrich,, Spinger-Verl Spinger-Verlag ag Berlin Ber lin Heiden Heidenber bergg 19 1994. 94. 5) Nanotechnology, Gregory Timp, Springer-Verlag New York, Inc. 1999. 6) Nanomaterials: Synthesis, properties and applications, Eds. by A.S. Edelstein and R.C. Cammarata, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia 1996. 7) Nanoscale characterization characterization of surfaces and and interfaces, N.J. DiNardo, in Vol. 2B “Characteri -zation of Materials”, Part II (vol. ed. by E. Lifshin) of “Materials Science and Technology – A Comprehensive Treatment” ed. by R.W. Cahn, P. Haasen Haasen and E.J. Kramer. Weinheim – New York – Basel – Cambridge – Tokyo 1993. Nanostructures; Eds. by B. Akta¸s, L. Tagirov and F. Mikailov; Springer-Verlag 8) Magnetic Nanostructures Berlin Heidelberg 2007. 9) Magnetic Properties of Fine Fine Particles, Ed. by J.L. Dormann and D. Fiorani, North-Holland, Amst Am sterd erd Lond Lo nd New Ne w Y k – To Toky kyoo 199 1992. 2.

PHẦN MỞ ĐẦU 2- TỔNG QUAN VỀ NANO

CÁC VẤN ĐỀ CHÍNH 1.

Địn Đị nh ngh ĩ a và Tóm lượ c lịch sử về KH & CN nano

2. Phân loại và giớ i thiệu chung về cách thứ c tiếp cận nghiên cứ u các cấu trúc nano 3. Nhữ ng ng đặc trư ng, ng, tính chất chung phụ thuộc kích thướ c 4. Một số vấn đề chung về công nghệ chế tạo c á c vật liệu cấu trúc nano ắ p 5. Các công cụ cho khoa học & côn ôngg ng nghệ nano (chế t ạo, thao tác, l ắ ráp và ph phân ân tíc tích h các các cấ u trúc nano) 6. Ứ ng ng dụng của công nghệ nano - Các sản phẩm từ công nghệ nano 7. Nhữ ng ng cơ hội và th thác ách h thứ c đối vớ i KH & CN nano

1- ĐN & Tóm lượ lượ c lịlịch sử sử vvề KH&CN nano C«ng ng ng nghÖ hÖ na nano no ĐỊNH NGHĨA VỀ KHOA HỌC VÀ C«

Từ “nano” có nguồn gốc từ chữ Hy lạ p: “nannos”, ngh ĩ a là bé nhỏ , thấ p lùn. ¾

Theoo quy ®Þnh què The quècc tÕ, tiÒn tè nan nanoo t − ư¬ng øng víi 10-9, viÕt t¾t lµ n. ThÝ dô: nanogam viÕt t¾t lµ ng = 10-9 g, nanomet viÕt t¾t lµ nm = 10-9 m.

¾

Mét nanomÐt cã kÝch th − íc íc cì 10 ng nguy uyªn ªn tö H, ho hoÆc Æc 5 ngu nguyª yªnn tö tö Si Si.. Ví dụ: Tinh thể Au - Mạng LPTM

~ 0.45 nm (4.5 Ǻ)

~ 0.318 nm (3.18 Ǻ)

1 nm nm có có kí kích ch thướ c khoảng 3 nguyên tử Au

1- ĐN & Tóm lượ lượ c lịlịch sử sử vvề KH&CN nano ĐỊNH NGHĨA VỀ KHOA HỌC VÀ C« C«ng ng ng nghÖ hÖ na nano no ¾

ĐN: KHnano & CNnano nghiên cứu và ứng dụng các hiện tượ ng, ng,

ở đđó: các hệ thống, và và các cấu trúc mà ở 1- Ít nhất có một chiều l c (kích thướ c tớ i hạn) có kí kícch thướ c vài nm. 2- Có những tính chất hoàn toàn khác, nổi tr ội khi l < l c

Điều kiện thứ 2 làm cho "nano" khác vớ i "micro", "(macro)-molecular chemistry" chemistry " or "biology" (sinh học liên quan đến các cấu trúc phân tử). Chú ý : Sub-micron không phải

là 'nano' ! là

Vớ i công nghệ nano, kích thướ c chính xác của nguyên tử không quan tr ọng bằng việc gắn nó vớ i những phần nhỏ nhất của vật chất mà con ngườ i có thể thao tác, điều khiển đượ c. c. ¾

1- ĐN & Tóm lượ lượ c lịlịch sử sử vvề KH&CN nano TÓM LƯỢ C LỊCH SỬ VỀ KH VÀ Cn nano

• Vµo TK 4th sau CN: CN: ng− ưêi ta ®· ch chÕÕ t¹o t¹o ® ư− îc îc mét chiÕc cèc (Lycurgus Cup) chøa chøa çc h¹t h¹t vµng ë d¹ng nano nano (gold colloids) colloids) cã tÝnh tÝnh chÊt cho ¸nh s¸ng ®á ®á truyÒn qua qua vµ ph¶n ph ¶n x¹ ¸n ¸nh h s¸ng s¸ng xan xanh. h. • 1618 1618:: quyÓn s¸ch ®Çu tiªn vÒ nhò t ư− ¬ng ¬ng vµng (Collo (Co lloida idall Gold Gold)) ®· ®· ® ư− îc îc nh nhµµ tr triÕ iÕtt häc häc,, ®ån ®ångg thê thêii lµ b¸ b¸cc sÜ, Francisci Antonii xuÊt b¶n. • Vµo TK 17th -18th: -18th : mét mét sè s¸c s¸chh vÒ vÒ nhò nhò t ư− ¬ng ¬ng vµng tiÕp tôc ® ư− îc îc xuÊt b¶n b¶ n vµ vµ b¶ b¶n n th©n th©n nh nhò ò tư− ¬ng vµng ®· ® − sö dôn dôngg trong trong y häc häc,, nhuém nhuém −ư îc sö mµu ch cho gè gèm vµ vµ t¬ lô lôa a.

• 1857 1857:: Micha Michael el Far Farada adayy ®· ®· ® − ¬ng ph¸p ph¸p t¹o t¹o ra dun dungg dÞch ®á thÉ thÉm m −a ra phư− ¬ng tõ nhò t− ư¬ng vµng b»n b»ngg çch çch sö sö dôn dôngg CS 2 ®Ó lµ lµm m gi¶ gi¶m m kic kichh th thước hạt AuCl4. • 1908 1908:: Lý thuyÕt thuyÕt Mie vÒ vÒ d¶i plasmo plasmonn bÒ mÆt mÆt cña AuNP AuNP ®· ® ư− îc îc ph¸t triÓn. • 1970s 1970s:: AuNP ®· ® ư− îc îc sö dô dông ng ®Ó d¸ d¸nn nh· nh·nn miÔ miÔnn dÞc dÞchh häc häc vµ ®¸ ®¸nh nh dÊ dÊuu

1- ĐN & Tóm lượ lượ c lịlịch sử sử vvề KH&CN nano TÓM LƯỢ C LỊCH SỬ VỀ KH VÀ Cn nano (191818-198 1988) 8) nhà nhà vật lý ngườ i Mỹ gốc Do Thái, giải thưở ng ng Nobel Vật lý năm • 1959, Richard Feynman (19 1965 về Điện độ ng lự lự c họ học lượ lượ ng ng tử tử (QED - quantum electrodynamics ) và Sắc độ ng lự lự c họ học lượ lượ ng ng tử tử ((QCD động động quantum chromodynamics ).

Trong bài giảng ở Hội Vật lý Mỹ (American Physical Society - APS) There’s Plenty of Room at the Bottom” Bottom” , R. Feynman năm 1959: “ There’s tiên đoán và tin tưởng về việc con người có thể tạo ra được các linh kiện ngày càng nhỏ hơn với công năng ngày càng lớn hơn: “ ... ... computers with wires no wider than 100 atoms, a

microscope that could view individual atoms, machines that could manipulate atoms 1 by 1, and circuits involving quantized energy levels or the interactions of quantized of quantized spins”. spins”. - Máy tính có các mạch dẫn điện với độ r ộng khôn không g quá quá 100 ngu nguyên yên tử. - Kính hi hiển vi có thể nhìn thấy các nguyên tử riêng r ẽ. - Những cỗ máy có có thể thao tác với từng nguyên tử một. - Các mạch điện tử sử dụng các linh kiện hoạt động trên cơ sở các mức năng lượng được lượng tử hoá, hoặc các tương tác của các spin được lượng tử hoá.

NHỮ NG NG TIÊN ĐOÁN CỦA R. FEYNMAN ĐÃ ĐƯỢ C THỰ C HIỆN - Kính hi hiển vi nhìn thấy các nguyên tử riêng r ẽ - V í dụ: Hiển vi STM, AFM Ảnh AFM mode khong tiế p xúc của mạng nguyên tử Si Si(11 (111) 1) 7x7 7x7 trê trênn đế Ag(√3x √3)

Ảnh STM của các nguyên tử bề mặt graphite

Ảnh STM của mạng nguyên tử HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite)

- C ó t hể thao tác vớ i từng nguyên tử một (Ảnh hiển vi ion)

6 nguyên tử tử

5 nguyên tử tử

4 nguyên tử tử

3 nguyên tử tử

NHỮ NG NG TIÊN ĐOÁN CỦA R. FEYNMAN ĐÃ ĐƯỢ C THỰ C HIỆN - Các tươ ng ng tác spin đượ c lượ ng ng tử hóa

Hiệu ứ ng ng CMR (Collosal MagnetorResistance)

Hiệu ứ ng ng GMR (Giant Magnetoesistance) Magnetization

O

Ferromagnetic layer (Fe ~3-6 nm)

Mn La

Non-magnetic layer, (Cr ~1-6 nm)

Mn3+

O2 -

Mn4+ (001) Substrate

Cấu trúc lớp của siêu mạng Fe/Cr H

FM NM FM

NHỮ NG NG TIÊN ĐOÁN CỦA R. FEYNMAN ĐÃ ĐƯỢ C THỰ C HIỆN - Các mạch điện vớ i các mức năng lượ ng ng lượ ng ng tử

Hybrid system-on-chip / Lab-on-a-chip

Resistance Temperature Detectors

NHỮ NG NG TIÊN ĐOÁN CỦA R. FEYNMAN ĐÃ ĐƯỢ C THỰ C HIỆN - Cá Cácc trans transis isto torr một điện tử riêng r ẽ (SET) SET - Single electron transistors C

M

e-

3

O 2 l A

M

Q U " Đảo nano" giữa một khe nano

điện tử đến

Tiếp xúc xuyên ngầ Tiế ngầm

e-

NHỮ NG NG TIÊN ĐOÁN CỦA R. FEYNMAN ĐÃ ĐƯỢ C THỰ C HIỆN - Cá Cácc lin linhh ki kiện vận chuyển một spin riêng r ẽ (SSET) ng tử hóa → Các spin đượ c lượ ng

SSET - Single spin electron transistors Al2O3

FM

Al2O3

FM

FM

FM e-

Điiện cự c FM Đ

e-

e-

T ann= 250oC(1h)

3540 3520 3500 ) 3480 3460 (

1 -

“ Đảo nano” nano” Co Điiện cự c FM Đ Lớ p rào Al2O3 hay TiO

G3440

3420 3400 3380 3360

-60

-40

-20

0 V (mV)

20

40

60

Nhữ ng ng khái niệm/quan niệm về công nghệ nano −a ra «ng g nghÖ nghÖ na nan« n« ®Çu tiªn (nano• Taniguchi (1974) ® − ra thu thuËt Ët ng ng÷÷ vÒ c«n technology): Lµ Lµ c«ng ngh nghÖÖ nh» nh»m m gia c«n c«ngg vËt vËt liÖu liÖu chÝnh chÝnh x¸c tõ 100 100 ®Õn ®Õn 0,1 nm. • K. Eric Drexler (1986) (Nh÷ ng ng c ç m¸y s¸ng t ¹o - Engines of Creation ): §iÓm ®Æc biÖt cña c«ng nghÖ nghÖ nan« lµ theo h ư− íng íng tõ nh nháá ®Õ ®Õnn to. to. §ã lµ hưíng ®iÒu khiÓn l¾p ghÐp ghÐp (hoÆc (hoÆc ®iÒu khiÓn tù l¾p ghÐp) ghÐp) çc nguyªn nguyªn tö, ph©n ph ©n tö ®Ó t¹ t¹o o ra ra nh÷ nh÷ng ng cç m¸ m¸yy tÝ ho honn cã cã chø chøcc n¨n n¨ngg nh nh ư− tÕ bµo cña c¬ thÓ th Ó sè sèng ng,, cã cã thÓ thÓ sa sao o chÐ chÐp. p. • Mihail C. Roco (1999) : C«ng nghÖ nan« lµ c«ng nghÖ liªn quan ®Õn vËt liliÖu Öu vµ hÖ cã ç çcc tÝtÝnh nh ch chÊt Êt ch chñ ñ yÕ yÕu u nh− ư nhÊtt cã mét chiÒ chiÒu u kÝch cì tõ ư: Ýt nhÊ −ư îc ư c thi mét ®Õn mét tr¨m nanomet, ® − î thiÕt Õt kÕ kÕ chÕ chÕ t¹o t¹o dùa dùa trªn trªn c¬ c¬ së ®i ®iÒu Òu khiÓ kh iÓn n th theo eo nh nh÷n ÷ng g qu qu¸ ¸ tr tr×n ×nh h lý hã hãa a tõ cÊ cÊu u tr tróc óc cì ph ph©n ©n tö vµ cã th thÓ Ó tæ hî hîp p l¹i ®Ó ®Ó t¹o ra cÊu cÊu tróc tróc lín lín h¬n h¬n. • Mét çch tæng qu¸t, KH KH vµ vµ CN Na Nanno lµ lµ kh khooa hä häc vµ vµ c« c«nng ng nghÖ nh»m tiÕp cËn, t¹o ra ra çc vËt liÖu, liÖu, linh linh kiÖn kiÖn vµ hÖ thè thèng ng cã çc tÝnh tÝnh chÊt chÊt míi, míi, −ư îc vµ ®iÒ næi tréi nhê vµo kÝch th − ưíc nanomÐt, ®ång thêi hiÓu ® − iÒuu khiÓn ® ư− îc îc çc çc tÝnh tÝnh chÊt chÊt vµ vµ chø chøcc n¨ng n¨ng cña cña chó chóng ng khi khi ë kÝc kÝchh th − ưíc

Nano: Khoa học Phục hưng Renaissance Science đổii thế ới quan - Thay đổ đổii phong cách số Thay đổ thế gi giớ sống

size solid state physics & engineering nm

biology chemistry now!

time

(Theo Peter Grutter, Physics Dept., McGill University)

Các động lực cách mạng

Những tiến bộ cơ bản trong KH và CN đã và sẽ làm xoay chuyển 2 lần trong một thế k ỷ và dẫn đến việc tạo ra nhiều của cải vật chất. ~ 20 ys Hiện tại s y 0 0 1 ~

~ 29 ys

~ 53 ys

~ 60 ys

~ 28 ys

~ 56 ys

~ 27 ys

Cách mạ mạng công nghiệ nghiệp

~ 30 ys

~ 56 ys

~ 56 ys

~ 28 ys

Hiện tại

Bắt đầu đưa công nghệ vào Chấ p nhận và phổ biến K ết thúc thờ i k ỳ phát triển nhanh

Cách mạng thông tin

Những l ĩ nh vực chịu ả /h nhiều nhất của KHnano & CNnano ĩ nh ¾ ¾ ¾ ¾

Điện tử → Điện tử nano (Nanoelectronics (Nanoelectronics)) Vật liệu → Vật liệu nano (Nanomaterials) Y-sinh học → Y-sinh học nano (Nanobio/nanomed) Các công cụ mới (gồm cả phần cứng và phần mềm) → có nền tảng & tổ hợp từ

Những hệ quả /kết quả từ sự ảnh hưởng ¾

Điện tử học và qu quan ang g tử học (Electronics and photonics) • Đi ện t ử ử học spin (spintronics), đ i i ện t ử ử học phân t ử ử (molecular electronics), máy tính l ượ ng t ử ượ ng ử

¾

¾

• V ật li ệu quang t ử ử bán d ẫn, các nguồn đơ n photon • C ảm bi ến và đầu dò/phát hi ện Khoa học vật liệu (Materials Science) • Bột siêu m ị n, các loại composites • Các v ật li ệu mớ i có độ c ứ n c, ứng g cao, siêu ch ống mài mòn, không thấm nướ c, kháng khuẩn, chống bụi, t ự ự làm sạch,... • Sản xuất thân thi ện môi tr ườ ng , giá thành phù hợ p ườ ng Y-Sinh học (Bio-medical) • Nhữ ng ng ứ ng ng d ụng mớ i xuất hi ện (về vật liệu y-sinh, chẩn đoán, điều tr ị,...) • Các công c ụ nghiên c ứ ứ u sinh học (đánh dấu, dụng cụ nano cho y-sinh)

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.1. Phân loại tổng quát các cấu trúc nano Các dạng cấu trúc

E

'There is plenty of room at the bottom'

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano So sánh các cấu trúc/tổ chứ c nano và micro Phế nang phổ Phế phổi

Phấấn hoa Ph

Nơ ron ron thầ thần kinh

Sợ i tóc

Vi trùng Hồng cầ cầu Vi khuẩ khuẩn Đườ ng ng kính chuỗỗi xoắ chu xoắn DNA Muộội khói Mu

Nguyên tử tử

Fullerine, C60

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.2. Các h ình thái nano cơ bản & kiểu vật liệu nano thông dụng Các hình thái cấu trúc nano cơ bản - Hạt, chùm (nguyên tử) - Sợ i (dây), thanh, ống, cột - Màn àngg siê siêuu mỏng, bề mặt

0D

- Khối, mà màng dà dày, y, tấm, phiến

1D

Các kiểu vật liệu nan nanoo th thôn ôngg dụng - Qu Quan antu tum m Dot Dot (ch (chấm lượ ng ng tử) - Na Nano noco comp mpos osit itee (h (hỗn hợ p nano) nano) - Na Nano nopo poly lyme merr (ch (chất dẻo nano) nano) - Na Nano noce cera rami micc (g (gốm nano) nano)

2D

- Na Nano nodr drop ople lett (giọt nano)

(chất lỏng nano) nano) 3D - Nanofluidics (ch Nanobi Nan obi

teria ter iall (sinh (sinh h

)

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.2. Các h ình thái nano cơ bản & kiểu vật liệu nano thông dụng - Một số số hình thái cấ cấu trúc nano tiêu biể biểu và thườ thường ng gặ gặp: Chuỗ Chuỗi hạt nano Dot nano Dây nano dạ dạng dả dải

Dây nano dạng trụ trụ

Dot ngượ ngượ c (Antidot) Tiế Tiếp xúc nano Ống nano

Bậc nano bề bề mặt k ề cận

Xuyế Xuyến (vòng) nano

Màng mỏ mỏng đượ c tạ tạo cấ cấu trúc nano theo khuôn mẫ mẫu (pattern).

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.2. Các h ình thái nano cơ bản & kiểu vật liệu nano thông dụng Các hình thái phức tạ p khác

Hình cầu Dạng thanh

Dạng đa giác 2D

Dạng đa diện 3D

Dạng phân nhánh

Dạng phức hợ p

Dạng hốc lõm/r ỗng

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.2. Các h ình thái nano cơ bản & kiểu vật liệu nano thông dụng

Vật liệu nano kiểu 0D 0D:: Các hạt, dot, chùm, đám k ết tụ,.,..... có kí kích ch thướ c nano theo cả 3 chiều KG

30 nm

Các hạt Co (d ~ 30 nm) phân tán trong nề n Ag

Hạt Fe nano: các nguyên tử Fe k ết tụ thành hạt có d ~ 25 nm, đượ c bao bọc

ằ

Hạt coban nano: các nguyên tử Co k ết tụ lại thành các hạt có đườ ng ng

ề



Chùm hạt nano: Một chùm (cluster) gồm các đám hạt kích thướ c ~ 5 nm của các phân tử NiS k ết t l i vớ i kích thướ c ~ 15-20 nm.



19

18

16

14

7 atoms


Vật liệu nano kiểu 0D 0D::

- Qu Quan antu tum m do dott • QDs là đám k ết tụ các ng.tử/ph.tử có kí kích ch thướ c nhỏ ~ 1- 10 nm. QD còn đượ c gọi là nano ườ ng tinh thể (nanocrystals, NCs), thườ ng có cấu trúc kiểu lõi-vỏ. Trong tr ườ ng hợ p có cả thành phần liên k ết bên ngoài (như các phân tử hóa học hay sinh học), có thể lên tớ i 15-20 nm. • Tính chất nổi bật của QD QD là giữa tính chất khối và và tí tính nh chất của phân tử riêng r ẽ.

QD CdSe/ZnS vớ i cấu trúc lõi-vỏ có dạng hình cầu: lõii là ti lõ tinh nh th thể bán dẫn CdSe đượ c bao bở i lớ p vỏ là bán dẫn ZnS. Đươ ng ng fkính lõi từ 2 tớ i 10 10 nm, nm, và vỏ dày từ 0.5 to 4 nm. ( Evident Technologies Technologies Inc.).

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.2. Các h ình thái nano cơ bản & kiểu vật liệu nano thông dụng - Quantum dot


Ảnh AFM của Quantum Dot GaAs trên bề mặt của InGaAs

Cấu trúc của một QD gồm cấu trúc lõi-vỏ (VD: InGaP-ZnS)

Quantum dot của GaAs, gồm có có 465 nguyên tử. Mầu xanh l c thể hiệ ật


Vật liệu nano kiểu 1D 1D:: Các sợ i,i, dây, chuỗi có có kích thướ c na nano no th theo eo 1 chi chiều KG

Sợ i nano Carc bon dài tớ i 10 m

μ

Sợ i (ống) carbon nano: các nguyên tử C xắ p xế p định hướ ng ng dọc theo 1 chiều có độ r ộng d ~ 1 - 2 nm.

Sợ i nano Fe 25 nm

Sợ i sắt nano: các nguyên tử Fe mọc thành sợ i có đườ ng ng kính d ~ 25 nm.

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 2.2. Các h ình thái nano cơ bản & kiểu vật liệu nano thông dụng

Vật liệu nano kiểu 1D 1D:: - Na Nano nopo poly lyme merr dạng sợ i

(a) Ảnh SEM của các sợ i nanopolymer (-C60TMB-)n (TMB = trimethylbenzene. (b) Giản đồ nhiễu xạ điện tử diện tích chọn lọc (SAED) của một sợ i nanopolymer, cho thấy bản chất vi tinh thể của polymer này.


Vật liệu nano kiểu 2D 2D:: Các màng siêu m ỏng, lớ p, mặt, tấm có kích thướ c nano theo 2 chiều KG

Graphene: các nguyên tử carbon xắ p xế p theo đơ n lớ p (chỉ 1 lớ p nguyên tử) tạo thành

Từ gr grap aphe hene ne 2D 2D có thể tạo ra các dạng ứng vớ i số chiều khác nhau: cuộn lại thành bóng 0D (buckyballs), quấn


Về vật liệu carbon:

1 2

3

4

Cấu trúc k ỳ lạ của car carbo bon n – cá cácc dạng th thù ù hì hình nh: 1- Graphene 2- Graphite 3- Ống nano carbon (CNT)


Vật liệu nano kiểu 3D 3D:: Các khối có có kí kích ch thướ c lớ n theo cả 3 chiều KG nhưng chứa các phần tử cấu thàn th ànhh có có kí kích ch thướ c nano: vật liệu nano pha, vật liệu nano tinh thể, vật liệu chứa các hạt/chùm hạt nano, sợ i nano, tấm nano, v.v...

Hình ảnh TEM của một vật liệu khối có cấu trúc trúc nano pha, là các nano nano tinh tinh thể



- Na Nano nocom compo posit sitee • Một hỗn hợ p nano (nanocomposite) (nanocomposite) là một loại vật liệu đa pha (multiphase) trong đó một hay nhiều pha pha có ít nhất một chiều ở thang nanomét (≤ 100 nm). • Cũng có thể hiểu nanocompo nanocomposite site chính chính là compo composite site mang mang các ưu điểm của các tính chất vật liệu khác thườ ng ng khi ở thang nanomét.

Polymer/Metal Nanocomposite Platinum Silicon Cấu trúc của một vật liệu

Nền polymer đượ c lấ p đầy bở i bột nano kim loại.


Vật liệu nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano nocom compo posit sitee Vật liệu nanocomposite đượ c mở r ộng ra cho tất cả các hệ vật liệu dạng 1D, 2D, 3D và vô định hình, mà đượ c tạo ra từ các thành phần có có tí tínnh ch chất hoàn toàn khác biệt nhau, đượ c tr ộn lẫn vớ i nhau ở thang nanomét.

Màng gelatin đượ c tr ộn hạt nano

Nanocomposite PP-clay (Nanoclay)): Nền polymer đượ c tr ộn đầy sợ i nano polypropylene (PP) [ Gilman, et al , Chemistry of


Vật liệu nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noce cera rami micc

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.2. Các h ình thái nano cơ sở & kiểu vật liệu nano cơ bản

Vật liệu nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano nomu mult ltife ifero roic icss KiÓu ®a líp, (hay cÊu tróc ngang) Lớp spinel Lớp perovskite Đế perovskite

KiÓu th¼ng ®øng Khối spinel Nền perovskite Đế perovskite

Ảnh TEM của màng mỏng composite dị thể hai pha sắt từsắt điện CoFe2O4-BaTiO3 (kiểu thẳng đứng). perovskite e (BaTiO3/PbTiO3) Ferri từ spinel (CoFe2O4)- sắt điện perovskit


Vật liệu nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano nopo poly lyme merr Nanopolymer khối dạng hạt Cấu trúc polymer dạng nhánh cây (dendrimers) phân ly đơ n (monodisperse) đượ c hình thành từ một lõi có cấu trúc kiểu đa lớ p nanopolymer hình cầu có đườ ng ng kính d ~ 35-70 nm.


Cấu trúc nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noph phot oton onics ics Light in tiny holes λ

λ

λ

λ

λ λ

- Án Ánhh sáng sáng tán tán xạ qua một lỗ lý tưở ng ng (không có độ dày) vớ i r << λ (subwavelength) → nhiễu xạ ở rìa lỗ & λ) giảm liên tục theo quy luật bậc bốn độ truyền qua T ( λ λ. của tỷ số r / λ r ~ 270 nm, h ~ 200 nm

Lỗ trò trònn trên trên lá kim lo loại

Năng suất truyền qua ηB = 64(kr )4/27π2 (k = 2π/ λ λ)

λc ~ 700 nm

λ

λ

- Án Ánhh sáng sáng tán tán xạ qua một lỗ có độ dày h (có chiều sâu và ma mang ng tín tínhh dẫn sóng), vớ i r << λ (subwavelength) → sóng điện từ lan truyền r ất khác vớ i sự lan truyền trong không gian tự do: LAN TRUYỀ N TRONG KHÔNG GIAN BỊ HẠ N CHẾ (confined space) → ng điện từ. điều biến sự tán sắc của tr ườ ườ ng - Bướ c sóng giớ i hạn/ngưỡ ng ng (cutoff) λc đượ c xác định bở i kích thướ c ngang của ống dẫn sóng, ở ở đđó sóng không còn lan truyền đượ c nữa. - λc khó xác định đượ c rõ ràng/c ràng/chính hính xác vì vì cơ chế chuyển liên tục từ chế độ lan truyền đến mờ dần khi


Cấu trúc nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noph phot oton onics ics Light in tiny holes/apertures + λc phụ thuộc vào bản chất vật liệu đượ c sử dụng làm dẫn sóng: độ thấm bề mặt (hiệu ứng lớ p da) của tr ườ ườ ng ng điện từ đối vớ i vật liệu cụ thể - skin-depth. (phản ánh mức độ thấm bề mặt của ống dẫn sóng) + λc phụ thuộc vào hình dạng và kí kích ch thướ c hình học (thiết diện) của ống dẫn sóng → điều khiển/khống chế λc bằng cách sử dụng dẫn són sóngg có có hìn hìnhh dạng và kí kích ch thướ c phức tạ p. - Các lỗ đơ n giản luôn tồn tại λc xác định - Các lỗ dạng vòng xuyến không có λc, sóng điện từ luôn truyền qua qua (ví dụ như cáp quang đồng tr ục). + Độ tuyền qua T ( λ λ) đối vớ i các ống dẫn sóng không phải hình tròn phụ thuộc (r ất nhạy) vào góc phân cực (θ ) của tr ườ ng điện từ. ườ ng - Tí Tính nh chất truyền qua của ánh sáng vớ i một khe chữ nhật nằm ngan ngangg có kí kích ch thướ c a × b = (210 (210 × 310 310)) nm2, nm2, vớ i a, b << λ (subwavelength) và độ dà dàyy lá lá ki kim m loại h ~ 700 nm, phụ thuộc vào góc phân cực θ so vớ i hình học của lỗ: sự truyền qua đối vớ i góc phân cực θ = 0 khi λ < b, thậm chí chí ng ngay ay cả khi a << λ. Vớ i góc phân cực θ = 90o, luôn truyền qua, hầu như không phụ thuộc

210 nm × 310 nm (láá ki (l kim m lo loại dày 700 nm (0.7 µm) θ

a b

(θ : góc phân cực) Lỗ chữ nhật trên trên lá kim loại


Cấu trúc nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noph phot oton onics ics Điều biế biến tính chấ chất quang đố đốii vớ vớ i các khe đơ n + T Tín ínhh chất quang của một khe đơ n có thể đượ c điều chỉnh bằng những biến thái hình học ở xung quanh khe đơ n - Sử dụng công nghệ chế tạo nano (nanofabrication): - khắc (rãnh) xung quang khe đơ n - cá cácc kíc kíchh th thướ c (độ r ộng, sâu, cao, dày) ~ λ. - đắ p/tạo ra các g ờ , bờ thành xung quanh khe đơ n → làm tăng mạnh độ truyền qua ở một bướ c sóng λ xác định, thậm chí η B > 1. - có tác dụng: → các hiệu ứng thấu kính mớ i (gồm hội tụ, phân k ỳ, r ọi sáng) đượ c cảm n. ứng bằng cách bố trí (sắ p xế p/sắ p đặt) thích hợ p phía mặt ra của khe đơ n. Phổ truyền qua khe đơ n

- Tính chất quang của khe đơ n có khắc các rãnh nano bao xung quanh: làm tăng T ( λr ). - Mặt ra của khe đơ n đượ c khắc rãnh có tác dụng nắn tia sáng → tác dụng như thấu kính (làm lệch tia) hay antenna thu-phát sóng điện từ có bướ c sóng xác định. - Bướ c sóng cộng hưở ng ng λr chủ yếu đượ c xác định bằng chu k ỳ của rãnh.

λr Một cấu trúc rãng nano tu ần hoàn bao xung quanh quanh một khe đơ n. n.

Tác dụng như một thấu kính của khe đơ n. n.


Cấu trúc nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noph phot oton onics ics Điều biế biến tính chấ chất quang đố đốii vớ vớ i các khe đơ n ánh sáng sáng ló ra khỏi khe đơ n tươ ng ng C ơ ơ chế : Do ánh

+ Một títính chất quang quan tr ọng khác của một khe đơ n khi bề mặt ra cũng tạo rãnh nano tuần hoàn: chùm tia ra c ực hẹ p, nhỏ hơ n nhiều so vớ i khe đơ n, n, vớ i độ phân k ỳ nhỏ, dướ i vài độ → tạo ra đượ c chùm tiaa nan ti nanoo có có mức độ song song r ất cao, cườ ng ng độ lớ n. n.

tác/ liên k ết vớ i cấu trúc tuần hoàn của bề mặt phía sau (mặt ló ló ra của tia tia sáng sáng)) và vớ i các mode tồn tại ở trong các rãnh: - ở mỗi rãnh lần lượ t tán xạ các sóng bề mặt thành ánh sáng lan truyền tự do. - án ánhh sáng sáng tru truyyền thẳng qua khe sẽ giao thoa vớ i các sóng bề mặt bị tán xạ bở i các rãnh → tạo nên chùm tia hội tụ.

+ Nhữ ng ng ứ ng ng d ụng tiêu biể u khác: ú y, ủ t ú n đ ầ ầ o n - Cô Công ng ng nghhệ lưu tr ữ số liệu quang mật độ siêu cao: h e đ ơ n ỏ t h s u ẽ k h ô g n p g h h o t o k k t h h n h o ạ đ ơ n sử dụng các vết sáng sáng (spot) (spot) có có kích thướ c nhỏ V n ớ ế i u q u c á ấ n p s ố l e ư tư e ợe c t o o r k h e o d d ụ n g . n g h t o u o c h hơ n bướ c sóng. n o h o p → s ử h c h h n a n g ã ã n r a đ ộ k - Các hiện tượ ng ng quang phi tuyến. h í a c ó - Cô Công ng ng nghhệ viễn thông quang học hiện đại: sử dụng các các photode photodetec tector tor - biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện - để truyền tải thông tin qua mạng viễn thô thông ng và hiển thị trên màn hình. yêu cầu siêu siêu nha nhanh nh và và c nhỏ

Photodetector siêu nhanh cự cự c nhỏ nhỏ


Cấu trúc nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noph phot oton onics ics Điều biế biến tính chấ chất quang bằ bằng các dãy khe (hole arrays) tuầ tuần hoàn ơ chế : C ơ + Dãy các khe tu ần hoàn (trên một màng mỏng kim loại) - Tươ ng ng tự như ở hệ khe đơ n đượ c bao xung quanh có thể có tác dụng như một màng lọc sắc – ch choo phép phép tru truyyền bở i các rãnh tuần hoàn, gồm 3 bướ c: c: (1) tươ ng ng tác qua các các ánh ánh sáng sáng có màu xác xác định bằng cách điều chỉnh của ánh sáng vớ i plasmon bề mặt ở phía phía sóng tớ i; i; chu k ỳ tuần hoàn. (2) truyền qua các khe tớ i mặt sau; (3) tái phát xạ ở bề mặt sau. - Cườ ng ng độ plasmon bề mặt ở trên mỗi khe khe bù ch choo - Màng mỏng Au, sự truyền qua không hiệu quả thông qua mỗi khe dày h = 225 nm, riêng r ẽ. đế thủy tinh. - Vị tr tríí cá cácc pea peak k λmax: - Đườ ng ng kính lỗ: d η = 170 nm. - Chu kỳ : P = 520nm - Chú ý : I / I I o là độ truyền qua tuyệt đối, η là độ truyền qua chuẩn theo diện tích các lỗ .

vớ i P là chu k ỳ của dãy khe, εm và εm tươ ng ng ứng là hằng số điện môi của vật liệu KL và ĐM, i, j là bậc tán xạ của dãy. Vớ i cấu trúc các khe tuần hoàn bố trí kiểu so le (tam giác) như đượ c cho (ảnh), hiện tượ ng ng truyền qua dị thườ ng ng xuất hiện vớ i phổ truyền qua gồm các peak có η > 1, thậm chí chí ng ngay ay cả khi các khe riêng r ẽ nhỏ


Cấu trúc nano kiểu 3D 3D:: - Na Nano noph phot oton onics ics Điều biế biến tính chấ chất quang bằ bằng các dãy khe (hole arrays) tuầ tuần hoàn + Mỗi khe trong dãy tuần hoàn, ở phía phía đầu ra, hoạt động tươ ng ng tự như một nguồn sáng (điểm) mớ i.i. + Đặc biệt, hình dạng và kí kích ch thướ c của các các khe khe tr tron ongg một dãy ảnh hưở ng ng đến phổ truyền qua, trong đó mo mode de pla plasm smon on bề mặt vẫn nổi bật nhất, do tính tuần hoàn của dãy. - Một dãy các v ết lõm đượ c chế tạo bằng cách mài bằng chùm ion hội tụ trên bề mặt một màng Ag. Một số vết lõm đượ c màu cho thủng xuyên qua màng Ag để án sá sáng ng có thể truyền qua đượ c. c. - Chiếu chùm ánh sáng tr ắng lên dãy cấu trúc → ánh sáng có bướ c sóng nào đó – ứng vớ i mầu cụ thể – truyền đượ c qua sẽ đượ c xác định bằng chu k ỳ P của dãy. - Các dãy lỗ có nhiều ứng dụng: linh kiện quang, vi dụ như lọc sắc (ánh sáng màu); các c ảm biến trong sinh học và và hó hóaa học. Chu k ỳ P = 550 nm → ánh

Chu k ỳ P = 450 nm →

[C. Genet & T. W. Ebbesen, Nature 2007 445, 39-46.]


Các kiểu vật liệu nano khác: c: - Na Nano nodr drop ople lets ts - Na Nano nofl flui uidi dics cs - Na Nano nobio biomat materi erial alss - Na Nano nome medi dici cine ne

2- Phân loại & cách thứ c tiế tiếp cận nghiên cứ u các cấ cấu trúc nano 2.3. Cách tiếp cận các cấu trúc nano Tiếp cận từ dưới lên Bottom-Up

đượcc tạ Vật liệ liệu đượ tạo thành có cấu trúc nano

S¾p xÕp/lắp ráp tõ çc “khèi” cã kích thướ thướcc nano: bét/so /soll khÝ khÝ - C« ®Æc tõ bét ¬ng ph¸p ho¸ - Tæng hîp b»ng ph − ¬ng học (sol-gel, hoµn nguyªn) ¬ng ph¸p vËt - L¾ng ®äng b»ng ph − ¬ng lý (bèc bay, phón x¹,...)

Tiếp cận từ trên xuống Top-Down

“§Ïo gọt” tõ khèi lín xuèng

®Õn cÊu tróc nano:

häc c (n (ngh ghiÒ iÒn, n, ç çn, n, ®ï ®ïn, n, Ðp Ðp,, - Bằng c¬ hä mài,…) - Bằng vật lý (b»ng các thuật khắc ánh s¸ng, chùm tia X, chïm tia ®iÖn tö, chùm ion,...), - Bằng hoá học (ăn mòn, tẩm thực,…)

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c Chú ý tớ i 3 đặ đặcc trư trư ng/tính ng/tính chấ chất sau:

3.1. Đặ Đặcc trư trư ng ng chung về về tính chấ chất VẬ VẬT LÝ 3.2. Đặ Đặcc trư trư ng ng chung về về tính chấ chất VẬ VẬN CHUYỂ CHUYỂN 3.3. Hành vi KHỐ KHỐI củ của cấ cấu trúc nano

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.1. Đặc trư ng ng chung về VẬT LÝ + Tính chất vận chuyển (transport) thay đổi Kích thước suy giảm

+ Xuất hiện các hiệu ứng lượ ng ng tử hóa

A - ĐIỆN TỬ TRONG CÁC HỆ THẤP CHIỀU

+ Tính chấ t vận chuyể n

Các yếu tố chiều dài đặc tr ưng quan tr ọng nhất:

- Quãng đườ ng ng t ự ự do trung bình (mean free path): path khoảng cách trung bình giữa các va chạm của các hạt dẫn – Đ N: λ = (nσ )-1 ; σ = ne2τ /m (τ = th/gian tự do tb). - Chiề u dà leng dài phá vỡ pha pha ( phase- breaking length): length lengtth): h là giớ i hạn khoảng cách mà khi vượ t qua nó sự k ết hợ p của hàm sóng bị mất đi – Chính là khoảng cá cách ch (t (tru rung ng bình) mà các điện tử khuếch tán giữa các tán xạ không đàn hồi trong một khoảng d nào đó. – Đ N N:: λinel = (2dDτ inel)½ (d = phạm vi xảy ra sự khuếch tán giữa các va va ch chạm không đàn hồi, D = hệ số khuếch tán, τ inel = thờ i gian (trung bình) giữa các lần va chạn không đàn hồi. - Bướ c sóng Fermi (Fermi wavelength) wavelength – Đ N: λF = 2π/k F (k F = vectơ sóng của điện tử ở ặt Fermi).

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.1. Đặc trung chung về VẬT LÝ ượ ng ử + Các hi ệu ứ ng ng l ượ ng t ử

- Sự chuyển động của các hạt vi mô trong

Mật độ tr ạng thái của điện tử (DOS) phụ thuộc vào kích thướ c của hệ.

một khoảng khôn không g gian gian có có kíc kích h thước theo phương chuyển động đó so sá sánh được với các chiều dài đặc tr ưng ( λ, λinel , λF) sẽ bị l ượ ng t ử ượ ng ử hóa. Dẫn đến sự thay đổi trong phổ năng lượng và tr tron ong g cá cácc tính chất động lực của hệ. - Các hiệu ứng vật lý bị lượng tử hóa: + Tr ạng thái của điện tử + Hiện tượng chắn Coulomb + Các tr ạng thái liên kết + Sự vận chuyển trong cấu trúc lớp dị thể + Sự giam hãm/nhốt điện tử + Dòng điện ở thanh nano

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.1. Đặc trung chung về VẬT LÝ 1- CÁC TR TR Ạ NG THÁI ĐIỆ N TỬ TRONG CÁC HỆ THẤP CHIỀU 2- HIỆ N TƯỢ NG MÀN CHẮ N (SCREENING) (SCREENING) 3- CÁC TR TR Ạ NG THÁI LIÊN LIÊN K ẾT 4- SỰ VẬ N CHUYỂ N TRONG CÁC CẤU TRÚC LỚP DỊ THỂ 5- SỰ NH NHỐT (GIAM HÃM) ĐIỆ N TỬ 6- DÒNG ĐIỆ N Ở THA THANG NG NANO NANO – NAN NANOEL OELECTR ECTRONIC ONICS S

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano - ĐN: Các vật liệu cấu trúc nano khối là những khối chất r ắn có các cấu trúc vi mô ở thang nano hay một phần cấu trúc vi mô ở thang nano. - Lịch sử: * Hiện tượng hóa cứng của các hợp kim nhôm (Alfred Wilm, 1906 1906)) Al-4%Cu là do hình thành các các chùm chùm (cluster (cluster)) ng.tử Cu có kí kích ch thước ~ 10 nm chiều dày và ~ 100 nm đường kính trong nền Al. * Hay mật độ dòng tới hạn của vật liệu siêu dẫn thương mại Nb3Sn đạt giá tr ị cao khi kích thước hạt ~ 50 50 - 80 nm nm (Scan (Scanlan lan et al. 1975 1975). ). * Các vật liệu vi tinh thể, cho đến nano tinh thể dưới dạng khối hay băng vô định hình (Fine-Met), 1980s 1980s,, có nhiều tính chất hoá, lý được cải thiện r ất gây ấn tượng, thậm chí xuất hiện những tính chất hòan toàn mới khi kích thước hạt tinh thể kim loại giảm xuống ~ < 1 µm (đối với vi tinh thể), và ~ < 100 nm (đối với hạt nano tinh thể). Các tính chất khối của vật liệu sẽ thay đổi hòan toàn hoặc r ất nhiều khi vi cấu trúc của chúng nằm trong thang nanomét. - Một số loại hành vi khối c ủa v ật li ệu nano thường được đề cập đến: ơ học : tính đàn hồi, tính cứng/dẻo, v.v... * Các tính chất c ơ ừ : từ mềm, từ cứng, tính chất làm lạnh từ (từ nhiệt), các hiện * Các tính chất t ừ tượng từ điện tr ở, v.v...

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano

Ví dụ về vật liệu khối có cấu trúc nano Particle

Grain

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano Hành vi khố i (hay nhữ ng ng tiên đ oán) oán) về t/c cơ học của vật liệu nano:

- Tính chất đàn hồi (elastic): Có môdul đàn hồi Young, E , thấp hơn đáng kể so với các vật liệu có có kíc ích h th thước hạt thông thường: chỉ bằng khoảng 30-50%.

ng (hardness) và và tính bền (strength): - Tính cứ ng + Đối với nano tinh thể của KL sạch: Có độ cứng và độ bền r ất cao: từ 2 đến 7 lần lớn hơn của nano tinh thể của các KL sạch với kích thước hạt ~ 10 nm so với các các KL có kí kích ch thước hạt > 1 µm. + Đối với các vật liệu ở chế độ có kích th thước hạt ở thang nano: Độ cứng giảm khi giảm kích thước hạt – có độ dốc Hall-Petch âm.

và tín ính h dẻo (toughness) - Tính dễ kéo sợ i (ductility) và Ở nhiệt độ tương đối thấp, đối với các vật liệu gốm giòn, dễ gãy vỡ; hoặc các hợp kim liê liên n KL KL có có kíc kích h thước hạt ở th than ang g nano nano,, khi khi có cấu trúc nano, cơ chế biến dạng tuân theo kiểu khuếch tán (diffusional deformation mechanisms). Các vật liệu giòn thông thường tr ở nê có tí tính nh dẻo, thậ hí si siêu êu dẻ

3. Nhữ ng ng đặ đặcc trư trư ng, ng, tính chấ chất chung phụ phụ thu thuộộc kích thướ thướ c 3.3. Hành vi KHỐI của cấu trúc nano - Tính dễ kéo sợ i (ductility) và tín ính h dẻo (toughness) + Kích thước hạt có ảnh hưởng mạnh lên tính chất mềm và dẻo của vật liệu có có kích thước hạt thông thường (> 1µm). Khi kích thước hạt tr ở nên tinh hơn, các vết nứt vi mô khó lan r ộng hơn, do đó làm tăng độ dẻo nứt biểu kiến. + Trong các VL nanocomposite, ứng suất nứt có thể thấp hơn ứng suất đàn hồi, do đó làm giảm độ dẻo. Về độ bền, các KL nano tinh thể sạch có kí kích ch thước hạt < 30 nm thể hiện hành vi dễ kéo dài đáng kể.

- Hành vi siêu dẻo (superplastic) – Là khả năng biến dạng kéo căng r ất lớn mà mà không cần xiết hay bẻ (độ dã dãn n dài dài có thể lên đến từ 100 % đén > 1000 %). Khi kích thước hạt giảm xuống, nhiệt độ giảm tại điểm xuất hiện tr ạng thái siêu dẻo; trong khi tỷ suất sức căng lại tăng lên.

ng tính chất cơ học khác thườ ng khác của các vật liệu nanocomposite - Nhữ ng ượt: VD như ở hợp Với kích thước hạt nhỏ xuống đến ~ 2 nm  xuất hiên biến dạng tr ượ kim Fe-10%Cu với kích thước hạt trong khoảng 45 – 1.6 1.680 80 nm; nm; hay tron trong g các vật liệu hợp kim KL vô định hình, hoặc polymer vô định hình.

4. Một số vấn đề chung về công nghệ nghệ ch chếế tạo vật liệ liệu nano 4.1. Nguyên tắc chung CÔNG NGHỆ NGHỆ "T "TỪ TRÊN XUỐ XUỐNG" Ừ TRÊN

CÔNG NGHỆ "T "TỪ DƯỚ I LÊN" Ừ D

BOTTOM – UP

TOP – DOW TOP OWN N TECHNOLOGY

TECHNOLOGY

CÊu tróc nano “ Đẽo gọt” từ khối lớn xuống đến cấu trúc nano: ¬ng ph¸p ph¸p c¬ c¬ häc (nghiÒ (nghiÒnn - Ph− ¬ng bi, çn, ®ïn, Ðp, …) kh¾c (b»ng (b»ng ¸nh ¸nh s¸ng, s¸ng, - Kü thuËt kh¾c chùm tia X, chïm tia ®iÖn tö, ...) ¨n

mßn ho¸ ho¸

tÈm th

Sắp xếp/lắp ráp từ các “khối” có kí kích ch thước nano: - C« ®Æc tõ bét/sol bét/sol khÝ ¬ng - Tæng hîp b»ng ph − ¬ng

ph¸p ho¸ häc (sol-gel, hoµn nguyªn,...) ¬ng ph¸p vËt lý - L¾ng ®äng b»ng ph − ¬ng (bèc bay, phón x¹, phun, quay ph ủ ...)

4. Một số vấn đề chung về công nghệ nghệ ch chếế tạo vật liệ liệu nano 4.2. Một số phươ ng ng pháp chế tạo các cấu trúc nano điển hình CÔNG NGHỆ "TỪ DƯỚ I LÊN"

CÔNG NGHỆ "TỪ TRÊN XUỐNG"

Sắp xếp/lắp ráp từ các “khối” có kích th thướ c nano:

“Đẽo gọt” từ khối lớ n xuống đến cấu trúc nano:

- Cô đặc từ bột/sol khí ng pháp - Tổng hợ p bằng phươ ng hoá học (sol-gel, hoàn nguyên,...) - Lắng đọng bằng các k ỹ thu thuậật vật lý (bốc bay, phún xạ cat catốốt, phun, quay phủ, ...) - Mạ điện hóa,...

ng pháp cơ học (nghiền bi, - Phươ ng cán, đùn, ép, …) - K ỹ thuật khắc (bằng ánh sáng, chùm tia X, chùm tia điện tử , ion ...) c,…) - Ăn mòn hoá học (tẩm thự c,…) - Ăn mòn vậ vật lý (in PRF)

Dướ i đây sẽ tr ình bày các phươ ng ng pháp chế tạo màng mỏng cơ bản: - bốc ba bayy - ph phú ún xạ catốt - ep epit itax axii bằng chùm phân t ử (MBE)

NGHỆ "TỪ DƯỚI LÊN“ (BO Mét sè ph− ¬ng ¬ng ph¸p chÕ t¹o mµng máng – ÔNG NGHỆ BOTT TTOM OM – UP UP)) Çc ph− ¬ng ¬ng ph¸p ph¸p sö sö dô dông ng kü kü th thuË uËtt phñ phñ vË vËtt lý (PV (PVD) D) Kü thu thuËt Ët bay bay h¬i h¬i trong ch©n kh«ng (Evaporation)

Bay h¬i trong ch©n kh«ng

Kü thuËt phãng ®iÖn hµo quang (Glow Discharge Discharge))

Bay h¬i nhiÖt Joule

Phón x¹ cat«t (DC / AC AC)

Bay h¬i b»ng chïm ®iÖn tö (EBE)

Bias sputtering (Ion plating) Reactive sputtering

Bay h¬i ph¶n øng (Reactive evaporation)

Bay h¬i b»ng chïm tia lade (Laser ablation deposition, LAD)

Cluster beam deposition

Phón Phó n x¹ magn magnetr etron on Ion beam deposition Ion beam sputter deposition Reactive ion platin Cluster beam deposition Plasma-enhanced CVD Plasma oxidation

Epitaxy

Epitaxy b»ng chïm ph©n tö (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

Plasma anodization Plasma

Plasma polymerization Plasma nitridation Plasma reduction Microwave ECR plasma CVD

Çc ph− ¬ng ¬ng ph¸ ph¸p p sö dôn dông g kü thu huËt Ët ph phñ ho¸ häc (C (CVD VD)) Ph/ph¸p ho¸ Ph/ph¸p ho¸ häc tõ pha khÝ häc tõ pha láng

4. Một số vấn đề chung về công nghệ nghệ ch chếế tạo vật liệ liệu nano 4.3. Điều khiển sự hì hình nh th thàn ành h cá cácc cấu trúc nano nguyên tử /phân /phân tử ử đơ đơ n lớ p trên bề mặt (SAM: SAM self -assembly monolayers) monolayers

Các kỹ thuật chế tạo tự lắp ráp (self-assembly ) & kiến trúc theo khuôn mẫu ( pattern pattern) các cấu trúc nano dạng đơn lớp nguyên tử/phân tử Phương pháp

Thang độ dài đặc tr ưng

- In vi tiếp xúc (µCP) .............. 10 100 0 nm nm – cm cm’s ’s - Vi gia công cơ khí ... ...... ...... ...... ...... ... 10 100 0 nm nm – µm µm’s ’s c/lift-off ff ............... - Quang khắc/lift-o

> 1 µm

- Kiến trúc khuôn mẫu kiểu

quang hóa ............................. > 1 µm - Quang ôxy hóa .................... > 1 µm - Viết bằng chùm ion hội tụ ....

~ µm’s

- Viết bằng chùm e- ................ 25 – 100 nm

.................... ... - Viết bằng STM .................

15 – 50 nm

- Viết bút siêu nhỏ .................

~ 10 – 10 100 0 µm

Ảnh TEM của các hạt FePt tự sắ p xế p vớ i khoảng cách ~ 6.5 nm

5. Các cô công ng cụ cho khoa học nano

(chế tạo, thao tác, lắp ráp ráp và phâ phân n tích tích các các cấu trúc nano)

5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 5.3. Các công cụ thao tác/lắp ráp trên các đối tượ ng ng nguyên tử /phân /phân tử



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano

Thang nano

Thang nano

Độ phân giải từ thang nano tr ở xuống của một số kỹ thuật nhiễu xạ và hiển vi SPM



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano

ố

ố

ể



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi lự c nguyên t ử ử (AFM) - Ato Atomic mic Force Force Micro Microsco scopy py

Vết chùm tia laser phản xạ thay đổi vị trí



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi lự c nguyên t ử Atomic mic Force Force Micro Microsco scopy py ử (AFM) - Ato

Cấu tạo của AFM



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi lự c nguyên t ử ử (AFM) - Atom Atomic ic Force Force Micros Microscop copyy

Một hệ kính hiển vi AFM

Ảnh AFM (topography) cho thấy mạng nguyên tử HOPG (Highly Oriented Pyrolitic Graphite). Kích thướ ảnh: 2 nm x 2 nm.



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi xuyên ng ầm quét (STM) - Scanning Tunneling Microscope

0

I ∝ ΨS

2

0

ΨT

2

ΨS0

exp( −2 Kd )

ΨT0 ∞

∫

J (V ) ~ DS ( E − V ) DT ( E )[ f ( E − V ) − f ( E )]d

d

−∞



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi xuyên ng ầm quét (STM) - Scanning Tunneling Microscope

Mode dòng không đổ đổii

Mode chiều cao không đổ đổii

z = const.

∆ z

I = const.

∆ I

Ảnh STM phân giải đến kích thước nguyên tử của bề mặt HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite)



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi quang học (quét) tr ườ ng g ần ( Near-Field Near-Field Optical Microscopy ) ườ ng

C ác khác ác nh nhau au: ác tên g ọi kh

- SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy) - NSOM (Near-Fiel (Near-Field d Scanning Optical Microscopy) ỏ

- Án Ánhh sá sáng tr ắng có λtrung bình ~ 0.55 µm (550 nm)

→ có độ phân giải r min ~ 0.275 µm (275 nm). ng gần (quang học - Sử dụng quang học trườ ng nano) → phá vớ giớ i hạn nhiễu xạ → có thể phân giải đến < 50 nm (bị hạn chế bở i kích thướ c lỗ aperture)

h n ỗ l ó g c n i ó ạ s o l c m ớ i ư k b m n ấ ơ

T h

Tr ườ ường gần

Tr ườ ường xa



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope Hi ển vi quang học (quét) tr ườ ng g ần ( Near-Field ườ ng Near-Field Optical Microscopy )

Các cấu hình của SNOM Cấu hình sử dụng aperture phẳng

CCD Cấu hình sử dụng aperture kiểu ống r ỗng hình côn đầ



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 1) Các hiển vi đầu dò quét (SPM) - Scanning Probe Microscope ườ ng Hi ển vi quang học (quét) tr ườ ng g ần ( Near-Field Near-Field Optical Microscopy )

- V í dụ về ảnh SNOM:

Ảnh topography

Ảnh NSOM


(chế tạo, thao tác, l ắp ráp ráp và phâ phân n tích tích các các cấu trúc nano)

5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - FE-SEM

Nguyên lý cấ cấu tạ tạo và tạo ảnh SEM



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - FE-SEM

Đơ n tinh thể W đượ c ăn mòn để tạo thành mũi nhọn dùng làm nguồn phát xạ tr ườ ng. ườ ng.

Sự phát xạ của điện tử là do bị bứt ra khỏi nguyên tử ườ ng dướ i tác dụng của điện tr ườ ng cao.



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - HRTEM TEM

Nguyên lý quang h ọc tạo ảnh của TEM thườ ng ng

Sứ cách điện Súng điện tử Kính tụ

λ = h/(mv) Khi điện áp gia tố tốc càng cao của điện tử tử, λ, càng ngắ ngắn:

bướ ướcc sóng

Vật kính Vị trí đặt mẫu Kính phóng

Quan sát

50,000 volt (50 kV) λ ~ 0.0055 nm (0.055 Å) Ống nhòm phóng đại Màn huỳnh quang Buồng chụp ảnh

1MeV

λ ~ 0.00123 nm (0.0123 Å)

Tiêu chuẩn Rayleigh (Rayleigh’s Criterion) cổ điển xác định khả năng phân giải lớn nhất:

r min ~ λ/2



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - HRTEM

ườ TEM 1 triệu vôn (MeV) với nguồ điện tử phát x tr ườ

(FE) (F E),, có thể phân giải đến ~ 0.5 Å.



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) - HRTEM



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 2) Các hiển vi điện tử phân giải cao (HREM) So sánh nguyên lý c ấu tạo và tạo ảnh trong các hiển vi OM, TEM & SEM



5.1. Các công cụ quan sát/phân tích cấu trúc nano 3) Các phươ ng ng pháp nhiễu xạ

Nhiễễu xạ Nhi xạ tia X (XRD)

Nguyên lý nhiễu xạ trên mạng tinh thể

Giản đồ nhiễu xạ của đơ n tinh thể

Giản đồ nhiễu xạ của đa tinh thể Nguyên lý xác định kích thướ c hạt tinh thể bằng pp Scherrer.




Nhiễu xạ Nhiễ xạ điện tử tử (ED) (ED)




Nhiễu xạ Nhiễ xạ neutron (ND) XRD

ND

Sử dụng nhiễu xạ Neutron (ND) cho phép xác định pp XRD XRD - ph phân ân đượ c nhiều mặt tinh thể hơ n so vớ i pp tích/xác định cấu trúc tốt hơ n. n.

Dự a trên đo cườ ng ng độ tán xạ, xác định đượ c phân bố mật độ điện tíc tích h và và hạt nhân các

K ỹ thuật tán xạ Neutron góc nhỏ (SANS) trên tinh thể La Sr CuO



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không

- Môi trườ trườ ng ng ch chân ân kh khôn ôngg là là gì gì?? - Vật lý phân tử tử vvà dòng chảy củ của chấ chất khí - Các bơ m chân không - Hệ chân không - Đo chân không - Qu Quáá tr trìn ình h hìn hình h thà thành nh mà màng ng mỏng




t ệ i h n . . m . , ả g i g n : ờ g ư r n t ờ n ư ệ r i t đ a / t ủ c ấ h n c e t i d ậ v a r ộ g đ g t n ậ ớ m / ư ộ H đ

Đế lắng đọng màng mỏng Dòng hơi vật liệu/ Chùm ng. tử/ Chùm ph. tử

ường Môi tr ường chân không Dòng hơi vật liệu/ Chùm ng. tử/ Chùm ph. tử

Vật liệu r ắn hóa hơi, tách thành các ng.tử/ph.tử

M«i tr− êng êng ch©n kh«ng Quan hệ giữa mức độ chân không (áp suất P ) và quãng đường tự do trung bình của nguyên tử/phân tử ( λ λ))

P (Torr) P (Torr)

λ

10 -1

0.5 mm

10 -2

5

mm

10 -3

5

cm

10 -4

50 cm

10 -5

5

10 -6

50 m

10 -7

500 m

10 -8

5

10 -9

50 km

m

km



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không ¾

¾

¾

Ch©n kh«ng thÊp: • ¸p suÊt khÝ quyÓn

ph©n lo¹i Çc kho¶ng ch©n kh«ng 10 torr,

• Çc øng dông kh«ng c«ng nghiÖp Ch©n kh«ng trung b ình: • 10 torr 1 x 10-3 torr • CVD, çc hÖ hÖ bèc bay bay trong trong ch©n kh«ng

o a c u ê i s g n ô h k n â h C

Ch©n kh«ng cao: • 1 x 10-3 1 x 10-6 torr • Bèc bay trong ch©n kh«ng, cÊy ion, phón ph ón x¹ x¹ ca cat« t«tt

¾

o a c t ấ r g n ô h k n â h C

h n ì b g n u r t

o a c g n ô h k n â h C

p

ấ

h t g n ô h k n â h C

g n ô h k n â h C

Ch©n kh«ng rÊt cao: • 1 x 10-6 1 x 10-9 torr • CÊy ion ion,, phón phón x¹ x¹ cat cat«t «t

¾

1 Atmosphere

Ch©n kh«ng siªu cao: • ThÊp h¬n 1 x 10-9 torr

10-18 10-15 10-12 10-9 10-6

10-3

103 (Torr )

1

• MBE (molecular beam epitaxy) -18

-15

-12

-9

-6

-3

3

6



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không Çc kho¶ng ch©n kh«ng HAY ÁP SU ẤT KHÁC ¾

Ch©n kh«ng cự c cao (Extremely high vacuum)

Chân không ngoài vũ tr ụ

< 1 10-12 Torr (< 100 pPa) ¾

Ch©n kh«ng ngoài kh«ng gian (Outer Space) Từ ừ 11 10-6 tớ i < 3 10-17 Torr

Chân không đạt được ở trong PTN: 10-13

o a c t ấ r g n ô h k n â h C

h n ì b g n u r t


p

ấ


g n ô h k n â h C

(100 µPa to < 3 fPa) 1 Atmosphere ¾

Ch©n kh«ng hoàn hảo (Perfect vacuum) 0 Torr (0 Pa)

10-18 10-15 10-12 10-9 10-6 10-18 10-15 10-12 10-9

10-6

10-3

10-3 1

103 (Torr )

1 103

106 (Pa Pa))



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không Çc kho¶ng ch©n kh«ng HAY ÁP SU ẤT KHÁC Áp suấ suất tính theo Pa Máy hút bụ bụi chân không

Áp suất tính theo Torr

gần 80 kPa

600 Torr

Bơm chân không vòng chấ ch ất gần 3.2 kPa lỏng

24 Torr

Máy sấ sấy khô đông lạ lạnh

100 -- 10 Pa

1 -- 0.1 Torr

Bơm cánh quạ quạt

100 Pa -- 100 mPa

1 -- 10 Torr

Đèn Đ èn điện nóng sáng

10 -- 1 Pa

0.1 -- 0.01 Torr

Phích đự đựng ng nướ nướcc sôi

1 -- 0.1 Pa

10 -- 10 Torr

Khoảng không gian gầ Khoả gần đấtt Trái đấ

gần 100 µPa

10 Torr

Đèn Đ èn điện tử tử chân không

10 µPa -- 10 nPa

10 -- 10

đượcc bơ Buồng MBE đượ Buồ bơm lạnh

100 nPa -- 1 nPa

10 -- 10

Áp suấ suất trên Mặ Mặt tr ăng

gần 1 nPa

10

Không gian giữ giữa các các vì sa sao o

gần 1 fPa

10

số phân 3 tử /cm

mean free path 70 nm

19

10

−3

−2

−3

−6

−7

−10

Torr

−9

−11

Torr

−11

Torr

−17

Torr

5

1..10 km

9

10 ..10

1

4

®¬n vÞ ®o ¸p suÊt & HÖ sè chuyÓn ®æi Ghi chú: lb = pound; bar = barom baromete eterr (khí (khí áp k Õ ); kgf kgf = = kilogam lù c; c; psi = pounds per squaere inch Õ ); Pa (N/m2)

Bar

Torr (mmHg)

psi (lb/in2)

kgf/cm2

mmH2O

inHg

3

1.02×10-5

0.1021

2.953×104

1.45×10-4

7.501×10-

atm 9.869×10-

1 Pa

1

1×10-5

1 Bar

1×105

1

750.1

1.02

1.02×104

29.53

14.5

0.9869

1 Torr

133.3

1.333×103

1

1.359×103

13.61

0.03937

0.01934

1.316×10-

0.9807

735.5

1

1.001×104

28.96

14.22

0.9678

1 Kgf/cm2 9.807×104

6

3

1 mmH2O

9.807

9.807×105

0.07348

9.96×10-5

1

2.89×10-3

1.42×10-3

9.68×10-4

1 inHg

3.386×103

0.03386

25.4

0.03453

345.6

1

0.4912

0.03342

1 psi

6.895×103

0.06895

51.71

0.07031

703.7

2.035

1

0.06805

1 atm

1.013×105

1.013

760

1.033

1.034×104

29.92

14.7

1



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không ÇC CHÕ ®é dßn dßng g chẢy cña chÊt khÝ (phụ thuộc vào MFP) ¾

¾

¾

Dòng chảy nhớ t (Viscous Flow): MFP tương đối ngắn. • Đây là kiểu dòng chẩy của chất khí xuất hiện khi các phân tử khí khá gần nhau đến mức luôn va chạm vớ i nhau giống như chất lỏng đượ c nén từ áp suất cao xuống áp suất thấp hơn. • Ứ ng ng vớ i chế độ chân không thấp. MFP P khá khá dà dài.i. Dòng chảy phân tử (Molecular Flow): MF • Đây là kiểu dòng chẩy của chất khí xuất hiện khi hướ ng ng di chuyển của các phân tử khíí ho kh hoàn àn to toàn àn ng ngẫu nhiên, nhưng vẫn có đôi chút va chạm giữa các phân tử khí. • Ứ ng ng vớ i chế độ chân khôn không g cao và siêu cao. Dòng chảy (Knudsen Flow) (MFP nằm trong khoảng chuyển tiếp giữa hai khoảng trên) • Đây là kiểu dòng chẩy đan xen giữa kiểu chảy nhớ t và chảy phân tử của chất kh khí (có tính chất của cả hai kiểu chảy).



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không Các thành phầ phần cơ cơ bản củ của mộ một hệ hệ chân không - Buồng chân không - Bơm chân không - Ống dẫn, ống nối - Va Van n chân chân kh khôn ông g - Dụng cụ đo chân không (đo áp suất thấp) Buồ Buồng chân không

G3

Đầu Đầu đo chân không cao (Penning)

VAr

HÖ ch ch©n ©n kh kh«n «ng g Buång ch©n kh«ng

V4

V2

Van xả xả, V4 Van chân không cao, V2

Van bơ bơm sơ bộ, V3 G2 G1

Bơm kh. tán

Đầu Đầu đo chân không thấ thấp (Pirani)

V1

Bơm cơ cơ học

Van bơ bơm sơ bộ, V1

V3

B¬m khuÕch t¸n

B¬m c¬ häc



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không Hệ chân không




Hệ chân không

Kho¶ng ¸p suÊt suÊt lµm viÖc viÖc cña çc lo¹i lo¹i b¬m ch©n kh«ng kh«ng High Vacuum 10-7…..10-3 mbar (10-5 …..10-1 Pa )

Ultra-high Vacuum <10-7 mbar (<10-5 Pa)

Med Vacuum 10-3…. …..1 .1 mb mbar ar -1 1 (10 …..10 Pa)

Rough Vacuum 1.....103 mbar 102.....105 Pa Piston Pump Diaphragm Pump Liquid-Ring Pump

Sliding Vane Rotary Pump Multiple-Vane Rotary Pump Rotary Piston Pump Rotary Plunger Pump Roots Pump Turbine Pump Gaseous-Ring Pump

(Turbomolecular ar Pump) ử (Turbomolecul Bơm tubo phân tử

B¬m phản lùc chÊ láng (Liquid Jet Pump) B¬m phản lùc h¬I (Vapor Jet Pump) Bơm khu ch tán (Diffusion Pump) Bơm phụt khu ch tán (Diffusion Ejector Pump)

(Sublimation n Pump) B¬m thăng hoa (Sublimatio

Bơm hấp thụ (Absorption Pump)

Bơm phún xạ ion (Sputter-Ion Pump) Bơm nhiệt lạnh (Cryo Pump)

10-14

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không Các bơ bơm cơ cơ học thông dụ dụng Bơm rotor (Bơ (Bơm quay dầ dầu): Khoảng làm việc: từ áp suất khí quyển - 10-3 Torr

Torr rr;; khi khi có bơm Bơm Roots: Khoảng làm việc của chính nó: từ áp suất khí quyển - 100 To cơ học khác tr ợ giúp: từ áp suất khí quyển - 10-4 Torr.




Bơm khuếch tán thông dụng

Oil Diffusion Pump: Khoảng làm việc: từ 10-3 tớ i 10-8 Torr.



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không Bơm turbo thông dụng

Đầu vào nối với buồng chân không Rotor: Roto r: là cá cácc đĩ a gồm các cánh quạt được xếp nghiêng với góc khác nhau

Bơm turbo phân tử: - Tốc độ quay: 20.000 30.000 vg/ph - Tốc độ bơm: 103 lít/giây - Khoảng chân không đạt được: 10-9 -- 10-11 Torr.

Động cơ điện Đầu ra nối với bơm cơ học

Đầu đấu điện cho động cơ điện

Turbo-molecular Pump




Đo chân không Hai cách đo chân không, tùy thuộ thuộc vào khoả khoảng áp suấ suất chấ chất khí: ¾

Phương pháp tr ự ng ở áp suấ suất cao - chân không thấ thấp) ự c ti p (thườ ng ở áp • Ống Bourdon • Áp kế tụ điện

¾

ở áp Phương pháp gián ti p (thườ ng ng ở áp suấ suất thấ thấp - chân không cao) cao) • Cặp nhiệt điện • Đầu đo Pirani • Đầu đo ion catốt nóng/lạnh (Hot-Cathode/C (Hot-Cathode/Cold-Cathode old-Cathode Ion Gauge) • Đầu đo rôto xoắy (Spinning Rotor Gauge)

Khoảng ¸p suÊt làm việc của çc đầu đo ch©n kh«ng Ultra-high Vacuum <10-7 mbar ( <10-5 Pa)

High Vacuum 10-7…..10-3 mbar (10-5 …..10-1 Pa)

Med Vacuum 10-3….. …..11 mba mbarr -1 ( 10 …..101 Pa)

Rough Vacuum 1.....103 mbar (102.....105 Pa)

Áp k ế mức chất lỏng (Liqu (Liquid id Level Manome Manometer) ter)

Đầu đo phần tử đàn hồi (Elastic Element Gauge) Đầu đo nén (Compression Gauge) Cân bằng áp suất (Pressure Balance)

Đầu đo cặ p nhiệt (Thermomolecular Gauge) Đầu đo Penning (Penning Gauge)

Đầu đo độ nhớ t (Viscosity Gauge) Đầu đo độ dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Gauge)

phóng xạ (Radioactive Ionization Gauge) Đầu đo ion hoá do phóng

Đầu đo ion catốt lạnh Cold-cathode Magnetron Gauge Đầu đo ion nghịch chuyển catốt lạnh (Cold-cathode Inverted Magnetron Gauge) Đo chân không tần số cao (High-frequency Vacuum Test) Đầu đo ion ion hoá hoá ca cattốt nóng (Hot-cathode Ionization Gauge) ion hoá áp su suất cao (High-pressure Ionization Gaugue) Đầu đo ion Đầu đo Bayar-Alpert (Bayard-Alpert Gauge) Đầu đo điều biến (Modulator Gauge) Đầu đo nén (Suppressor Gauge) Đầu đo tách chiết (Extractor Gauge) Đầu đo chùm tia Bent (Bent Beam Gauge) Đầu đo ion catốt nóng (Hot-cathode Magnetron Gauge)

10-14

10-13 10-12 10-11 10-10 10-9

10-8

10-7 10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không cặp nhiệ nhiệt: (TC Gauge) Đầu đo cặ ¾ Khoảng làm việc: từ áp suất khí quển tớ i 1 Torr .

Đầu đo Pirani • Khoảng làm việc: từ áp suất khí quển tớ i 10-4 Torr



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 1) K ỹ thuật chân chân không catốt nóng Đầu đo ion catố ¾ Khoảng làm việc: từ 10-2 tớ i 10-10 Torr.

Đầu đo ion catôt l¹nh

¾

Khoảng làm việc: từ 10-2 tớ i 10-9 Torr .




¾

Độ dẫn và tốc độ hút trong các hệ chân không Độ dẫn: là khả năng cho phép dòng phân tử chảy qua một thành phần của hệ chân không (ống dẫn, van, buồng,...). Đơ n v ị : thể tích/thờ i gian (lit/s, foot3/min (CFM), hoặc cm3/min,...) Độ dẫn trong các hệ đượ c hút song song Độ dẫn trong các hệ đượ c hút nối tiếp 1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + . . .

Ctotal = C1 + C2 + C3 + . . .




¾

¾

Tốc độ bơm (S = V /t ): ): là tốc độ rút kh khí khỏi một hệ thống của bơm chân không (ở đầu vào của bơm). Đơ n v ị: thể tích/thờ i gian (lit/s, foot3/min (CFM), cm3/min,...) Lượ ng khí tải (Q, quantity of gas): là lượ ng ng khí đượ c vận chuyển ra khỏi hệ chân không. Đơ n v ị: torr ×liter Tốc độ khí rút (Thoughput): là khối lượ ng ng khí đượ c bơm ở áp suất đã cho (Q =PS ) trong một đơn vị thờ i gian: PV /t . Đơ n v ị: torr ×lit/s, atm×cm3/h

) s / t i l ( í h k g n ô h k ộ đ

Tốc độ ở đầu vào của bơm Tốc độ bơm

Tốc độ rút khí

c

ộ đ

c

ố

ố

T

Sự phụ thuộc áp suất của tốc độ bơm của một bơm khuếch tán đường kính 15.24 cm với bơm cơ học tr ợ giúp có tốc độ bơm là là 20 CF CFM M và và đường cong ủa tố độ rút khí.

) s / t i l r r o T ( í h k t ú r

T

đầu vào (Torr) Áp suấ suất khí đầu



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano ¾

¾

¾

Sự hình thành màng mỏng từ lắng đọng nguyên tử /phân tử ắ ng ng đọng mµng máng (b»ng PVD): Çc qu á trình l ắ - T¹ T¹oo ra tr¹n tr¹ng g th¸i th¸i h¬i h¬i,, chïm chïm ngu nguyª yªn n tö ha hayy ph©n ph©n tö tö ph ph©n ©n ly, ly, ho hoặc chïm h¹t của vËt liÖu. - ®Þnh h− íng/phát íng/phát tán dßng h¬i h¬i vËt liÖu, liÖu, nguyªn nguyªn tö, tö, ph©n tö hay chïm h¹t ). tới bề mặt ngưng tụ (thường sử dụng sự chênh lệch về nhiệt độ, grad.T ). - HÊ HÊp p thô thô vµ l¾ l¾ng ng ®ä ®äng ng (n (ng g− ng ng tô) thµnh mµng máng. Çc ph− ¬ng ph¸p ph¸p c¬ b¶n t¹o ra ra çc tr¹ng th¸i th¸i h¬i vËt liÖu, liÖu, nguyªn tö, ph©n tö hay chïm h¹t (b»ng PVD): - NhiÖt (Joule, (Joule, ®iÖn tö, tö, chiÕu x¹, c¶m øng,…) - B¾n ph¸ ph¸ (b» (b»ng ng çc chïm chïm h¹t h¹t nÆng: nÆng: ion, ion, ng.tö, ng.tö, ph.tö ph.tö,, chïm h¹t, h¹t, …) …) − êng, - Ph Ph¸t ¸t x¹ (n (nhi hiÖt Öt l¹ l¹nh nh sö dô dông ng ®i ®iÖn Ön tr − êng, c¶m øng hoÆ hoÆcc chiÕ chiÕu u x¹, …) - v.v… Çc b− íc c¬ c¬ b¶n tr tro ong qu qu¸ ¸ tr ì nh hì nh nh thµnh mµng: ì nh - Ng− ng ng tô - Kh Khu uÕc Õchh t¸n t¸n MÊtt m¸t MÊ m¸t (t ền) năng l− în în µ ®Þ ®Þnh nh vÞ (ổ định trong hố thế ăng).

Các bước cơ bản tro trong ng quá tr trình ình lớn lên của màng mỏng: 1- Hấp thụ thụ vật lý (physisorption) củ của nguyên tử tử /phân tử tử, 2- Khuếch tán bề bề mặt, 3- Hìn Hình h thành thành các liê liên n kế kết phân tử tử - phân tử và đế - phân tử (hấấp thụ (h thụ hóa họ học: chemisorption), 4- Tạo mầ mầm: kế kết tụ tụ (k (kếết tậ tập) củ của các ng.tử ng.tử /ph.t /ph.tử ử đơ đơn, n, 5- Hì Hình nh th thàn ành h cấ cấu trú trúcc và và vi cấu trúc (vô đị định nh hình, đa tinh thể thể ho hoặặc đơn đơ n tinh thể thể; các sai hỏ hỏng; mứ mức độ nhám bề bề mặt, v.v...), 6- Cá Cácc tha thayy đổ đổii trong lòng củ của màng, như như sự khu khuếếch tán, sự sự phát triể triển ở dạng hạ hạt, v.v... Hơi phân tử

Giải hấp thụ Phản xạ Tái hấp thụ

Dòng ion đi đến Hệ số hấp thụ vật lý Hệ số hấp thụ hóa học Hệ số bám dính

Bề mặt đế

Nhiệt độ đế

Độ dài bước nhảy



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano Sự hình thành màng mỏng từ lắng đọng nguyên tử /phân tử

3 cơ cơ ch chếế cơ ơ b bản hình thành màng mỏ mỏng

Quan sát bề bề mặt mọ mọc

Quan sát sát quá trình hình thành thành màng màng mỏ mỏng a) hình thành mầm b) hình thành hạt c) hình thành đảo d) liên kết/kết dính các đảo => hình thành các kênh liên thông nhau e) nối liền các kênh đảo: Quan sá sát sự kết dính các đả o: a) ở thời điểm bắt dầu quan sát b) sau 0.06 giây; c) sau 0.18giây; d) sau 0.50 giây; e) sau 1.06 giây; f) sau

Quan sát hướ hướ ng ng cộ cột mọ mọc

Mô phỏng bằng máy tính vi c ấu trúc của màng Ni được lắng đọng ở các thời điểm khác nhau và ở các nhiệt độ đế khác nhau,

ế



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 2) K ỹ thuật bốc bay trong ch chân ân không

Buồng chân không Đế mẫu

Màng mỏng r ắn lắng đọng Vật liệu bốc bay Thuyền đốt

Điện cực

Nguồn DC

Tới bơm chân không



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 2) K ỹ thuật bốc bay trong ch chân ân không Một số nguồn đốt bốc bay thông dụng Dạng nồi gốm bằng carbite/borite

Dạng dây W quấn thành giỏ


Cnơ tích chch nác phácbấềumtrúc ế bắcác ặt chấtnano) (chế tạo, thao tác, l ắp ráp ráp và phâ phân tí c r ắn tạo ra sự phún xạ

5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 3) K ỹ thuật phún phún xạ catốt Cơ chế bắn phá phá bia (ta (targe rget) t) & tạo ra hiện tượng phún xạ

Nguyên lý của kỹ thuật tạo màng mỏng bằng phún xạ catốt Phố Ph ối hợ hợp tr ở kháng Điiện cự Đ cực Catôt Bia

Bøc x¹

Vùng tối catôt

Các ion khí tr ơ (Ar +)

Vùng phóng điện hào quang

ố

Các ng.tử bia Vùng tối anôt

Điiện cự Đ cực Anôt

F R o a c

Đế lắng đọng màng mỏng

s n ầ t t á h p n ồ u g N



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 3) K ỹ thuật phún phún xạ catốt Một số số dạng bia (target) thông dụ dụng. - Dạng đĩ a kim loại & hợp kim - Dạng đĩ a gốm hay bột ép áp lực cao



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 3) K ỹ thuật phún phún xạ catốt Các bia (target) được lắp vào cathode tạo thành nguồn phún xạ (“súng” - gun)

Hệ thống bia lắp trên cathode

Hiện tượng phóng điện plasma



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 4) K ỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano MBE:: Molecular Beam Epitaxy - sắp xếp tr ật tự, lần lượt, từng lớp một (epitaxy) - MBE các ph.tử/ng.tử (có thể nhiều loại, đến từ một hay nhiều nguồn, và tạo thành ường chân không cao dòng/chùm), lên bề mặt phiến tinh thể (đơn) sạch ch,, trong môi tr ườ và siê iêu u cao cao (~10-8 - 10-12 Torr), để tạo ra các màng mỏng đơn tinh thể. [ Được phát minh ở Bell Tel. Lab bởi J. R. Art Arthu hurr và Al Alfr fred ed Y. Y. Cho Cho những năm cuối của thập kỷ 1960].

- Ưu điểm phương pháp MBE: MBE + Chất lượng màng r ất cao, thậm chí chí ho hoà àn hảo ở mức nguyên tử (tốc độ lắng đọng r ất chậm: ~ 1000 1000 nm/ nm/h), h), và siê siêu u sạch; + Chiều dày r ất xác định, chính xác (đến cỡ 1 lớp nguyên tử đơn); + Bề mặt màng r ất bằng phẳng (mặt nguyên tử); + Tạo được các gờ, bậc dốc thẳng đứng hoàn hảo trên bề mặt màng; + Điều khiển được thành phần gần như tuỳ ý theo profile Do đó tạo được thế V (z ) có dạng tuỳ ý là hàm của vị trí z dọc theo phương xếp chồng của các nguyên tử/phân tử (vuông góc với bề ặt màng).



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 4) K ỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano đơn ụ thu ộc vào áp suấ Thời gian hình thành đơ Thờ n lớ lớp nguyên tử tử ph phụ thuộ suất

o a c u ê i s g n ô h k n â h C

o a c t Ê r g n ô h k n â h C


h n ì b g n u r t g n ô h k n â h C

p

ấ




5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 4) K ỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano

- Một hệ MBE



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 4) K ỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano - Ứng dụng chính của phương pháp MBE: + Tạo ra các hố l ư ư ợ ợng g t ử ử (QW: quantum well); n + Tạo ra các r ào thế xuyên xuyên ng ầm hoàn hảo; + Tạo ra các siêu mạng (superlattice) hay hợp kim số (digital alloy ); ); + Tạo ra các bề mặt ti ế ị c ấ ế p x ú ấu tr ú úc d úc c hoàn hảo đến mức nguyên tử; + Tạo ra các bậc thẳng v à phẳng hoàn hảo của mặt tiếp xúc; + Tạo ra các vi c ấ ư ợ ấu tr ú ợng g t ử ử khác. úc l ư n - Kỹ thuật nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản xạ (RHEED - Re Reflflec ectition on High High Energy Electron Diffraction) luôn song hành v ới kỹ thuật MBE để quan sát và điều chỉ nh nh qu quá á tr trìn ình h lắng đọng tạo các lớp đơn tinh thể.



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 4) K ỹ thuật MBE tạo ra các cấu trúc nano

Quáá trì Qu trình nh hì hình nh th thàn ành h các các lớ p nguyên tử bằng k ỹ thuật MBE



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 5) K ỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano

NanoQuebec

McGill University




- Tạo ra các cấu trúc xoắn lượ ng ng tử (quantum corral)




Thao tác theo kiểu xô đẩy (Pushing mode) làm dịch chuyển nguyên tử một cách cơ học bằng hiển vi động lự c học biên độ nhỏ (S (Sma mall ll Ampl Amplit itud udee Dy Dyna nami micc Force Microscopy). Nguyên tử đích đã bị chuyển đến chỗ khuyết vớ i khoảng dịch chuyển ~ 270 pm (10-3 nm).

Các nguyên tử bề mặt Si(111) (S. Kawai and H. Kawakatsu, " Mechanical atom manipulation manipulation with small amplitude dynamic force microscopy ",



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 5) K ỹ thuật SPM tạo ra các cấu trúc nano “Xế p giấy” nghệ thuật lá gr grap aphe hene ne bằng giọt chất lỏng nano (nanodroplet)



5.2. Các công cụ chế tạo cấu trúc nano 6) Các k ỹ thuật khắc - ăn mòn nano

Ừ D CÔNG NGHỆ NGHỆ "T "TỪ DƯỚ I LÊN" - Khắc bằng chùm ánh sáng (Quang kh ắc) - Tử ngoại xa (ExUVL) - Khắc bằng chùm tia X (XPL) - Khắc bằng chùm tia điện tử (EBL) - Khắc bằng chùm tia ion phân k ỳ (IPL) - Khắc bằng chùm tia ion hội tụ (FIBL) - K ỹ thuật photoresist (FPR) - K ỹ thuật ăn mòn khô và ướ t - K ỹ thuật ăn mòn ion phản ứ ng ng - K ỹ thuật lift-off

6. Ứ ng ng dụ dụng củ của công nghệ nghệ nano - Các sản phẩ phẩm từ từ công công nghệ nghệ nano M ột số sản phẩm đ ã có có trên th th ị tr ườ ng : ườ ng

L’Oréal

- Kem chống nắng (Sunscreen Sunscreen)) - c hứa các hạt nano là ôxýt kẽm (ZnO) hoặc oxýt oxýt tit titan an (Ti (TiO) O) có khả năng chống tia cực tím (UV) gây ung th ư da. - Kính tự sạch (Self-cleaning glass) glass) – Hay còn gọi là là kí kính nh tí tích ch cực (Activ Glass), được sử dụng nhiều trong các công trình xây d ựng cao tầng. Các hạt nano chứa bên trong thủy tinh thực hiện phản ứng quang xúc tác và thấm nước: Hiệu ứng quang xúc tác xảy ra khi bức xạ cực tím (UV) từ ánh sáng mặt tr ời chiếu lên kính, cấp năng lượng cho các hạt nano thực hiện sự bẻ gẫy liên kết bề mặt và làm mất đi các phân tử hữu cơ nằm ở trên bề mặt kín ính h (là (là cá cácc hạt bụi). Sự thấm nước có ngh ĩ a là khi nước tiếp xúc với kính sẽ nhanh chóng loang ra, làm cho kính được tẩy r ửa sạch bụi và và ch chón óng g khô khô..

6. Ứ ng ng dụ dụng củ của công nghệ nghệ nano - Các sản phẩ phẩm từ từ công công nghệ nghệ nano - Vật liệu chống xước (Scratch-resistant coatings) coatings) – Cho cá các hạt nano AlSiO2 (aluminum silicate) vào trong polymer người ta đã tạo ra được một loại vật liệu có có tính ch chống xước (scratch-resistant polymer) dùng để phủ bảo vệ chống bo bong ng tr tróc óc và tr ầy xước cho ôtô, xe máy, kính m ắt, v.v... - Vải nano - Phủ lên bề mặt sợi dệt một lớp mỏng chứa các hạt nano ZnO.

Vải được tạo ra từ loại sợi nà này có thể chống bức xạ tia cực tím tím (U (UV) V) và có tính đẩy nước (vì vậy vải không thấm nước, chóng khô) và đẩy bụi bẩn bám vào mặt vải (c (có tín ính h ch chống bụi bẩn (stai (stain-r n-resi esista stant) nt),, vì vậy quần áo r ất sạch), và đặc biệt vải nano có tính chống nhăn/nhàu (wrinkle-resistant fabrics). - Băng/gạc y tế chống nhiễm tr ùng (An (Antim timicr icrobi obial al bandag bandages) es) – – Các hạt nano Ag được đưa vào bông, băng y tế (kể cả quần áo) sẽ làm tăng mạnh tính kháng khuẩn do các ion bạc có tác dụng khóa các tế bào hô hấp của vi khuẩn làm chết ngạt chúng.

6. Ứ ng ng dụ dụng củ của công nghệ nghệ nano - Các sản phẩ phẩm từ từ công công nghệ nghệ nano disinfectants) - Chất làm sạch và tẩy uế bể bơi (Swimming pool cleaners and disinfectants) Một hỗn hợp, của một loại dầu dưới dạng giọt có có kích th thước nano tr ộn với một chất xát trùng tạo ra một loại nhũ tương nano nano (nano (nanoemu emulsi lsion) on) có có tín tính h chất sát khuẩn, tẩy trùng, tẩy uế. Các hạt dầu bám dính vào vi khuẩn làm cho việc tẩy r ửa, sát trùng hiệu quả hơn. - Một số sản phẩm khác: Mỹ phẩm thấm sâu (deep-penetrating cosmetics). Vợt tennis làm bằng sợi nano carbon (CNT) vừa nhẹ vừa bền hơn thép nhiều lần. Bóng tennis 2 lõi trong đó lõi bên trong được phủ các hạt nano đất sét (clay (cl ay nanop nanopart articl icles, es, có có tác dụng như là chất bịt kín kín,, làm làm ch cho o khô không ng kh khíí kh khó ó bị rò r ỉ ỉ ra ngoài). Màn hiển thị tinh thể lỏng (LCD: liquid crystal displays); các linh kiện vi điện tử và nano điện tử.

6. Ứ ng ng dụ dụng củ của công nghệ nghệ nano - Các sản phẩ phẩm từ từ công công nghệ nghệ nano M ột số khả năng ứ ng ng d ụ n ụng g khác :

- Chế tạo thuốc và phương thức vận chuyển thuốc hoàn toàn mới • Các hạt và vàng ng (c (có ó thể được gắn với nhau) được làm nóng bằng hồng ngoại từ bên ngoài cơ thể điều khiển việc nhả thuốc. • Các hạt từ nano có có thể được dùng để dẫn thuốc ường tới khu vực bị tổn thương. bằng từ tr ườ • Kim tiêm thuốc nano. • ... Kim tiêm nano


- Chuyển đổi và tích tr ữ năng lượng • Chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện & ngược lại • Chuyển đổi năng lượng từ thành năng lượng điện & ngược lại • Chuyển đổi năng lượng từ thành năng lượng nhiệt (từ nhiệt) • Nhớ hình dạng • Chuyển đổi năng lượng điện hóa • Tích tr ữ hyđro


Ví dụ về chuyển đổi và tí tích ch tr ữ năng lượng - Chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện: Các hướ ng ng di chuyển của tấm điện cực

Tension

Compression Na Nanowire ire

- Dâ Dâyy na nano no Zi Zinc nc Ox Oxid idee có các tính chất bán dẫn và nhiệt điện ( piezoelectric piezoelectric).

Tension

Compression

Nanowire Nanowire

- Lực hấ p dẫn khô không ng có bất k ỳ óngg góp góp gì về chuyển động ở đón thang nanomét.

- Sử dụng một dãy dãy cá cácc dây dây na nano no có cá cácc tính chất bán dẫn và nhiệt điện (như "cỏ nano" Zinc Oxide).

- Trong khi đó dâ dâyy nan nanoo bị uốn khi có có một vật đẩy đầu dây từ đi kh phía này sang phía kia.

- Tấm điện cực đặt trên đầu các dây nano có thể di chuyển sang hai bên do chuy ển động cơ học Làm biến dạng cơ học các dây nano Xuất hiện hiệu ứng áp điện  Tạo ra điện áp mạch ngoài.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ Nh ững cơ cơ hội từ từ KH & CN NANO: -

Làm thay đổi sản phẩm công nghiệp → Làm thay đổi nền kinh tế. Làm thay đổi … con người: đời sống xã hội và đời sống sinh học. Phá vỡ những rào cản truyền thống giữa các ngành như hóa học, vật lý lý và và si sinh nh lĩ nh học. → Hình thành các liên ngành/đa ĩ nh vực & Nhận thức/hiểu biết mới.

-

ường: Những cơ hội to lớn trong việc cải thiện việc đánh giá và bảo vệ môi tr ườ • Đủ năng lực để đối diện với các thể hỗn độn phức tạp ẩn chứa trong môi ường xung quanh một cách tr ườ cách thông thông minh và chính xác; • Tạo ra được những thiết bị cảm biến "thô "thông ng min minh" h" có có khả năng thực hiện được các các thao thao tác tác mà mà khô không ng cần tiếp xúc với chất gây ô nhiễm; • Có kh khả năng thiết kế và chế tạo các hợp chất và vật liệu mong muốn mà không tạo ra chất thải; • Có kh khả năng hóa giải được các chất gây ô nhiễm mà các kỹ thuật khắc phục truyền thống r ất khó khó ha hayy khô không ng th thể thực hiện được. • Có kh khả năng thiết kế các vật liệu na nano no có thể tự suy thoái, hay phân hủy thành các vật liệu hữu ích thứ cấp.

ứ c đố đốii vớ 7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ vớ i KH & CN nano ững cơ Nhữ Nh cơ hội: Phá t tri ển kinh t ế ế -

ường các sản phẩm dựa tr Thị tr ườ trên ên cô công ng ng ngh hệ nano đang gia tăng nhanh chóng: • Các sản phẩm y t ế: như van tim, hệ thống phân phối thuốc, kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh, … • Các linh ki ện và thi ết b ị đ i i ện t ử ử • Sơ n chứ c năng bảo v ệ: chống xước, chống mài mòn, chống bụi, chống bức xạ tử ngoại,… • Các d ụng c ụ, thi ết b ị thể thao: vợt, khung, vỏ xe đua, vỏ bóng, … • Các loại sợi vải chống nhăn, chống biến màu, chống nhiễm bụi, bẩn,… • Mỹ phẩm: kem chống nắng, và các mỹ phẩm khác.

-

ường các sản phẩm nano của riêng châu Âu vào năm 2008 ước tính ~ 2,5 Thị tr ườ tỷ €, được đánh giá có thể sẽ tăng lên đến hàng tr ăm tỷ € vào năm 2015, và ~ 1 nghìn tỷ € vào những năm tiếp sau đó.

-

Từ năm 1999, đã có khoảng $ 900 triệu USD vốn đầu tư mạo hiểm cho các công ty công nghệ nano, riêng vào năm 2003 được đầu tư tới 386 triệu USD.

-

Trong năm 2004, trên toàn cầu các tổng công ty (corporations) đã phải chi tới 3,8 tỷ US USD D cho cho ng nghi hiên ên cứu và và ph phát át tr triiển công ng nghệ nano.

-

Riêng Mỹ, trong những năm cuối thập niên 2010, mỗi năm đầu tư > 1 tỷ USD cho nghiên cứu KH&CN nano.

ứ c đố đốii vớ 7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ vớ i KH & CN nano ững cơ Nhữ Nh cơ hội: Phá t tri ển kinh t ế ế - Lux Research dự đoán đến 2014 công nghệ nano sẽ có liên quan tới 15% tất cả các sản xuất hàng hoá, có tr ị giá khoảng 2,6 nghìn tỷ USD. - Các sản phẩm kết hợp các công nghệ nano mới nổi sẽ tạo ra ra ~ $ 920 920 tỷ USD về giá tr ị, chiếm 2% GDP toàn cầu. - Chế tạo, sản xuất kết hợp Công nghệ nano sẽ chịu trách nhiệm cho 10 triệu việc làm trên toàn thế giới, bao gồm 11% tổng số nghề nghiệp chế tạo, sản xuất. Lý do kỳ vọng vào nền sản suất, chế tạo theo công nghệ nano nano:: ường sạch hơn, vì: Sẽ cho phép tạo ra một môi tr ườ •

ừ trên Dự kiến quy trình chế tạo sẽ được dịch chuyển từ cách thức t ừ xuống thành t ừ ừ d ướ ướ i lên.

•

Các công nghệ và vật liệu hiện có sẽ được cải thiện, vì vậy hiệu quả sẽ gia tăng và cá cácc tín tính h ch chất có thể được kiểm soát/điều khiển.

•

Một số hạt nan nano o có có thể có hiệu quả trong việc xử lý một số chất thải độc hại.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Tuy nhiên: - Những tiến bộ trong KH&CN nano đã gặp khó khăn, do đó bị chậm lại trong việc đưa các vật liệu nano từ ph phòn òng g thí thí ng nghi hiệm đến với sản xuất công nghiệp. - Có hai thách thức cơ bản đã làm chậm sự phát triển này: • sự thiếu hiểu biết về các mối nguy hiểm mới do công nghệ nano mang lại, • thiếu các chính sách thích hợp để quản lý những r ủi ro. Lưu ý - Để thực hiện được những cơ hội này, trong khi những cơ hội khác chưa hình

ường thành, và để tránh những cạm bẫy/r ủi ro - chủ yếu tác động có hại đến môi tr ườ và sức khỏe - cần phải xây dựng được một mô hình tổng thể, trong đó quan tr ọng nhất là phải nỗ lực phối hợp được với tất cả các bên có liê liên n quan, quan, cần kết hợp cân nhắc giữa việc cải thiện chất lượng đời sống trên các l ĩ nh vực xã hội và văn hóa, ĩ nh với các vấn đề công bằng và và bình đẳng, với nhu cầu kinh tế và sự hạn chế về nguồn lực, và nhu cầu về năng lượng và hạn chế về nguồn năng lượng.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Tuy nhiên: - Bên cạnh những ích lợi và những thách thức là những bất ổn, r ủi ro và mạo c độ nguy hại ti ềm ẩn c ủa các hạt nano t ớ ới mứ c vào 1/2008 hiểm. (Ví dụ: mứ c Hi ệ p hội đất tr ồng c ủa Anh (UK Soil Association) đ ã phải thông qua chính sách

) . t ừ ng sản phẩm hữ u c ơ ừ chối nano (nano-free) cho nhữ ng ơ). - Đòi hỏi sự tư duy khác về: quản lý, cộng (hợp) tác, những vấn đề chuỗi giá tr ị (chuỗi các hoạt động nhằm tạo ra ra các các gi giá á tr ị gia tăng cho sản phẩm), giáo dục, và về kêu gọi các tài tr ợ nghiên cứu (đặt ra các mục tiêu, nhiệm vụ thích hợp). - Người tiêu dùng “lạc hậu” so với sự phát triển của KH&CN nano → Không cảm nhận chắc chắn, rõ ràng về sản phẩm nano. - Các phương tiện thôn thông g tin tin và tr truy uyền thông, thông, các các nh nhà à SX quảng cáo về sản phẩm công nghệ nano gây tình tr ạng lộn xộn, nhiễu, hỗn loạn, khó nắm bắt thực chất về tính năng, tính chất và nguy cơ của sản phẩm công nghệ nano.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ng bất ổn và rủi ro: - Trong th thời gia gian n qu qua, a, cá cácc chu chuyê yên n gia gia cô công ng ngh nghệ đã chỉ ra những ảnh hưởng tiềm ẩn của vật liệu nano đối với xã hội, và nhu cầu cần giải quyết các bất ổn hiện nay. - Đã có thái độ hoài nghi của giới khoa học về ý ngh ĩ a của những phát hiện và đưa vào sử dụng các tính năng nano cho các vật liệu nano 'thực tế' (ngh ĩ a là thiết kế/lắp đặt ra vật liệu). → cần phải có thái độ nghiêm túc về vấn đề này

ường, như dio - Các sản phẩm na nano khối trên thị tr ườ dioxi xide de tit titani anium um (TiO (TiO2), dio dioxi xide de si sililicc vô định hì hình nh (S (SiO iO2), và và ox oxitit sắt, đã và đang có mặt trong nhiều sản phẩm tiêu dùng, bao gồm cả phụ gia thực phẩm, bột màu, sơn, và mỹ phẩm,... • Vấn đề đặt ra là cần chú ý tới các tác hại của các hạt nano thế hệ mới, làm sao có thể phân biệt và ngăn chặn được giữa tính tốt, xấu, và tệ hại, để điều chỉ nh nh thiết kế và kiểm tra đ/v các vật liệu này. • Cần phải có có các ph phương pháp để ngăn chặn các lọai hạt nan nano o có có tá tácc động xấu và tệ hại. Đây là một trong những nhu cầu cấp bách nhất của ngành công nghiệp sử dụng công nghệ nano. • Cần lưu ý các quy định phù hợp với một loại vật liệu nano cụ thể có thể không phù hợp về tính chất độc hại cho tất cả các vật liệu na nano no kh khác ác

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ng bất ổn và rủi ro:

Một số mối quan tâm, lo ngại hiên nay về các hạt nano - Những phát hiện đầu tiên về nguy cơ tiềm ẩn của nano là đối với các hạt siêu mịn (các hạt sơ cấp và đám tích tụ < 100 nm), gây ô nhiễm trong không khí, chủ yếu được sinh ra từ quá trình đốt cháy, như các kh khí thải động cơ diesel, đã được chứng minh là là có tác động đến tim mạch, huyết áp, áp, quá quá tr trìn ình h đông máu, và gây xơ vữa động mạch. - Các ống nano carbon (CNTs) cũng được cho là có tác động tương tự lên quá trình đông máu như các hạt siêu mịn tro trong ng kh khôn ông g khí khí,, và và có thể gây tác hại như hình thành các u hạt và các ổ viêm loét trong phổi khi hít phải. - Các hạt nano được thiết kế (ENPs) có thể xuy xuyên ên qua màn màng g thành thành mạch máu não, đến được khu vực khứu giá giácc tro trong ng nã não, o, và có thể vượt qua màng nhau thai,... đã gây ra lo ngại về những tác động đến các cơ quan này. - Sự lo ngại về những tác động tiềm ẩn của các hạt na nano no EN ENPs Ps lên các bệnh thoái hóa thần kinh, như Alz Alzhei heimer mer và Par Parkin kinson son

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ng bất ổn và rủi ro: - Vì một số loại hạt nano ENPs (như TiO2, fullerenes) thể hiện hiệu ứng quang xúc và tạo ra các dạng phản ứng ôx ôxyy hó hóa a kh khử. Do đó hạt nano TiO2 đã được dùng để khảo sát mức độ xuống cấp tr tron ong g ô nh nhiiễm bởi các chất hữu cơ, để khử trùng nước, thanh lọc khôn không g khí, khí, và làm lớp phủ qu quan ang g xú xúcc tác. tác. Tuy nhiên, nhiên, các đặc tính này r ất giống nhau, thích hợp ở trong một sản phẩm hoặc một ứng dụng nào đó, nhưng các hạt nan nano o có có thể tr ở nên nguy hiểm nếu ường nước, ENPs sẽ thực chúng hoạt động không đúng chỗ. V í dụ, trong môi tr ườ hiện các phản ứng với các cat cation ion,, anion anion và các ch chất hữu cơ tự nhiên. Nhưng các phản ứng này lại có thể dẫn đến làm biến đổi hình thái bề mặt, gây tích tụ các hạt ENPs, ho hoặc kết tụ với các hạt, các chất kết tủa, các vi sinh vật. Tóm lại: Những bất ổn, r ủi ro chủ yếu tác động tr ực tiếp lên cơ thể sống, đến sức ường sống (môi tr ườ ường tự nhiên). khỏe của con người, và tác động lên môi tr ườ

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro: - Nanosilver • Lớp phủ nano bạc được biết đến có tác dụng kháng khuẩn nên đang ngày càng được sử dụng trong một loạt các sản phẩm, như băng gạc vết thương, ống thông đường tiểu, quần áo tự làm sạch, kem đánh r ăng ng,, và và cá cácc máy máy r ửa bát, hay làm các lớp phủ bảo vệ kh khác ác nh nhau au,, từ túi đóng gói thực phẩm đến các giấy phủ tường hay tr ần nhà. • Mặc dù dù ng nguy uyên ên lý được dựa trên sự hì hình nh th thàn ành h và và giải phóng chậm của các ion Ag, nhưng chưa có có th thôn ông g tin tin về ảnh hưởng của các hạt nano hoặc ion ường xu Ag lên quần áo và phát tán từ lớp phủ vào môi tr ườ xung ng qua quanh nh.. • Mặc dù độc tính của ion Ag đã được mô tả rõ, chủ yếu khi ở tình tr ạng vượt ường và sức khỏe, quá ngưỡng ch cho o phé phép p và và nồng độ cao, về mặt môi tr ườ nano Ag có thể nguy hiểm vì vì khi titiếp xúc với Ag có thể gây hại cho môi ường nước, là môi tr ườ ường r ất nhạy cảm. Mối lo ngại này đã khiến một số tr ườ tổ chức xử lý chất thải đã phản đối việc sử dụng nano nano Ag tro trong ng máy giặt.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro: - Nanosilver • Có rấ t ít dữ liệu về tác hại khi tiếp xúc lâu dài với lượng ion Ag thấp, và khô kh ông có th thôn ông g tin tin gì về việc các hạt na nano no Ag hoạt động như là một hệ mang mầm bệnh ẩn giấu. • Lập luận chủ đạo trong việc dùn dùng g nan nano o Ag để diệt khuẩn là là,, các các vi kh khu uẩn không thể kháng lại A g bởi vì chúng có xu xu hướng chống lại sự kháng này. • Truy nhiên không phải như vậy, người t a lại cho r ằng kh khán áng g Ag Ag có có thể đạt được tương đối nhanh so với các hiệu ứng nhạy cảm với kháng sinh. Do đó sự kh khán áng g Ag Ag có có thể phát triển dễ dàng ở các vi khuẩn đã có cơ chế kháng đối với kháng sinh, như là khuẩn tụ cầu vàng vàng (MR (MRSA SA)) và và những loại khuẩn khác kháng với methicillin. • Sự khá kháng ng Ag Ag có liê liên n quan quan tới sự kháng lại kh khán áng g si sinh nh đã được quan sát thấy ở các vi khuẩn được cô lập từ các con chi him m và tr tron ong g cá cácc khuẩn salm sa lmon onel ella la (một loại khuẩn gây ngộ độc thức ăn).

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro: - Nanosilver • Có vi khuẩn kháng Ag ở trong miệng của chú chúng ng ta ta,, có có thể liên quan đến Ag trong hỗn hợp các chất hàn r ăng. Vi khuẩn kh khán áng g Ag cũng được tìm thấy trong tự nhiên, trong thực phẩm, trong đường ruột từ các vùng địa lý khác nhau, và ở tr tron ong g các các bệnh viện. • Thử nghiệm lâm sàng một cách hệ thống tr trên các ống thông niệu có phủ Ag cho thấy r ằng: một số nghiên cứu đã làm nhiễm trùng máu thứ cấp, đã gây tử vong, gây tốn kém, hoặc gây kháng vi khuẩn; một số nghiên cứu khác lại cho thấy khôn không g có tá tácc nhân nhân khá kháng ng Ag Ag tr tron ong g hai hai năm dùng thử.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro:

- Cerium oxide (CeO2) nanoparticles • Hạt nano CeO2 được bổ sung và vào dầu diesel nhằm là làm m xú xúcc tá tácc để giảm khí thải độc hại và sự phát tán hạt thải từ các xe vận tải chạy bằng di dies ese el. • Envirox ™, một loại chất xúc tác CeO2 dùng cho nhiên liệu, vừa làm giảm lượng khí thải dạng hạt, vừa làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu lên đến 10%, đã được thử nghiệm thành công với xe buýt ở Hồng Kông. • Hiện chưa rõ mức độ phát thải của CeO2 sẽ ảnh hưởng thế nào khi thải vào ường xun môi tr ườ xung g quan quanh h cá cácc hạt nano, và các mối nguy hiểm tiềm ẩn của nó. • Dữ liệu từ một số nghiên cứu (của hãng hãng sx sx Envi Enviro roxx ™ (O (Oxo xoni nica ca,, USA) USA))) bằng cách kích thích phản ứng da, gây độc tế bào, gây biến dị vi khuẩn,… với hai loại CeO2 có kích th thước khác khác nhau: nhau: 9 nm và 320 nm, nm, cho cho thấy khô khôn ng có có sự gây nhiễm độc cho tế bào, gây đột biến, cũng như không có ức chế về hô hấp.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro:

- Cerium oxide (CeO2) nanoparticles • Mặc dù những cuộc kiểm tra không xác nhận một cách cụ thể cho các hạt nano na no nà này, y, nhưng chúng vẫn cho thấy r ằng không phải bình thường mà việc sử dụng na nano no CeO2 cũng kh khôn ông g có có hiệu lực đối với nhiên liliệu diesel. • Các thử nghiệm cho tiếp xúc mô phổi với kh khí thuần CeO2 và các hạt di dies ese el có và không có CeO2 cho thấy khô không ng có tá tácc dụng độc hại nào. ường và chu kỳ đời sống có • Đán ánh h gi giá á tác động đến môi tr ườ có xét đến tính hiệu quả sử dụng và tiết kiệm nhiên liệu cũng cho th thấy là là tích cực. • Các ứng dụng trong y tế của CeO2 cũng có thể được thực hiện dựa trên các tính chất làm sạch triệt để của nó → Vì vậy người ta đề xuất sử dụng hạt nano CeO2 tự xú xúcc tác tác có tá tácc dụng bảo vệ ở trong các loại tế bào khác nhau. • Dù sao, nếu có ứng dụng CeO2, tốt nhất vẫn hạn chế sao ch cho chỉ hít phải hạt này với liều lượng thấp nhất có thể.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro: - TiO2 and ZnO nanoparticles • Các hạt nano TiO2 và ZnO đang được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm khác nhau, đặc biệt là là kem chống nắng. • Nếu có sự hấp thụ qua da của các hạt nano này từ các sản phẩm mỹ phẩm, có thể sẽ gây phiền toái đáng kể cho cơ thể. → Do đó vấn đề r ất quan tr ọng là cần phải kiểm tra xem liệu các hạt na nano có còn tr trên da da, hoặc có thể thâm nhập được vào hệ tuần hoàn hay không. • Có rấ t ít bằng chứng cho thấy các hạt nano trong kem chống nắng đi qua được lớp sừng vào lớp hạ bì, và từ đó di chuyển ra những nơi khác. • Vấn đề cần qu quan an tâ tâm m titiếp the theo o là liệu có sự thâm nhập qua lớp da bị hư hại hay khô không. ng. Tuy Tuy nhiê nhiên n có một số bằng chứng cho thấy có ứng suất do sự oxyy hóa ox hóa và gâ gâyy hư hại cho DNA trong ống nghiệm do các thành ph phần của kem chống nắng vô cơ. • Ngoài ra, các nghiên cứu cũng cho thấy r ằng, khi ở trong mạch máu, nh những h t nà nà ó thể đế đượ nh th thai ai à nã

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro: - TiO2 and ZnO nanoparticles • Các hạt nano TiO2 được sử dụng trong nhiều ứng dụng kh khác nữa . V í dụ, trong các lớp sơn phủ bảo vệ cho tàu nước mặn để kiểm soát tính chống gỉ và giảm ăn mòn. • Ảnh hưởng của các hạt nano TiO2 lên các sinh vật vẫn chưa được biết. • TiO2 cũng là một thành phần trong một số công nghệ xử lý nước, vì có tác dụng làm giảm các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và diệt vi khuẩn (như E-coli) khi kết hợp với án ánh h sán sáng g. • Hiện na nay TiO2 dạng hạt – như Adsorbia ™ GTO ™ - có thể loại bỏ được As ra khỏi nước. • Có khoảng 1/3 lượng kem chống nắng có chứa các hạt nan nano o Zn ZnO, O, bởi vì ZnO có chức năng bảo vệ da khỏi tia cực tím tím (U (UV) V).. Nhưng loại hạt nano này lại có xu hướng ở lại trên da lâu hơn. • Một số cơ quan bảo vệ người tiêu dùng đã chỉ trích về các chỉ tiêu kỹ thuật lý ủ ề đầ đủ

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano Nhữ ng ví dụ tiêu biểu về tính bất ổn và rủi ro: - TiO2 and ZnO nanoparticles • Các hạt ZnO có kích thước 200 nm, được phủ bằng các hợp chất khác và được sử dụng như là một thành phần trong kem chống nắng, đã được chứng tỏ là một tác nhân phá hủy DNA bằng ánh sáng, gây tổn hại ch cho các tế bào của động vật có vú. → Do đó cần phải làm rõ mối liliên ên qu quan an của những phát hiện trên đây với cơ thể người và và cá cácc sin sinh h vật khác. • Tóm lại: Còn thiếu các dữ liệu đáng tin cậy về sự hấp thụ qua da của các hạt ZnO mịn, để trên cơ sở đó có cho phép sử dụng các hạt mịn ZnO để lọc UV trong mỹ phẩm ha hayy kh khôn ông. g. • KẾT LUẬN: Mặc dù dù các hạt nan nano o có có những tính chất, tính năng vượt tr ội so với các vật liệu khối, mang lại nhiều lợi ích cho con người, nhưng vẫn còn r ất nhiều những r ủi ro, bất ổn, những nguy cơ tiềm ẩn đe dọa đến sức khỏe và sự ường sống của con người. → Vì vậy cần an toàn cho cuộc sống và cho môi tr ườ hết sức lưu tâm khi tiếp xúc với chúng chúng trong quá trình nghiê nghiên n cứu và sử dụng.

7. Nhữ Nhữ ng ng cơ cơ h hội và th tháách th thứ ứ c đố đốii vớ vớ i KH & CN nano

KẾT LUẬ LUẬN CHUNG: - Có nhiều cơ hội r ất lớn để phát triển khoa học, kinh tế, xã hội, và con người. - Nhưng cần ý thức được giữa sự phát triển, đặc biệt là sử dụng các vật liệu nano với các lợi ích của chúng, với việc đảm bảo được sự an toàn cho sức khỏe con người và cho môi tr ườ ường tự nhiên. - Do đó, thách thức tr ọng tâm là: đồng thời vừa phát triển các sản phẩm hữu ích cho thị tr ườ ường, cho xã hội, vừa thúc đẩy được khoa học cơ bản. - V ì vậy r ất cần triển khai được mô hình green nanoscience &

nanotechnology.

HẾT PHẦN GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Vat Lieu Nano_Ch0-2012

Recommend Documents