Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu cực hay nói về màng nano vô cơ, hữu cơ, các tính chất, phương pháp chế tạo và ứng dụng của màng nano.
TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC NGÀNH KỸ THUÂT HÓA HỌC oOo HỌC VIÊN: Ngô Nguyễn Phương Duy MSHV: 13050180 GVHD: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh Tp.HCM, ngày 21 tháng 03 năm 2014 Tiễu luận Hóa Nano Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 Mục lục TRƯƠNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM 1 KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC 1 NGÀNH KỸ THUÂT HÓA HỌC 1 oOo 1 Mục lục 2 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG NANO 1 1. MÀNG NANO 1 2. PHÂN LOẠI MÀNG NANO 2 2.1. MÀNG VÔ CƠ 2 2.2. MÀNG HỮU CƠ 5 II. TÍNH CHẤT MÀNG NANO 5 III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT GIA CÔNG MÀNG NANO 9 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 9 1.1. PHƯƠNG PHÁP BAY BỐC NHIỆT CHÂN KHÔNG 9 1.2. PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ CATHODE 10 1.3. PHƯƠNG PHÁP NUÔI CẤY CHÙM PHÂN TỬ 16 1.4. PHƯƠNG PHÁP LAYER-BY-LAYER 17 1.5. PHƯƠNG PHÁP PHỦ QUAY 18 2. CÁC KỸ THUẬT GIA TĂNG ĐẶC TÍNH MÀNG 19 2.1. KỸ THUẬT SỬ DỤNG CÁC CHẤT ĐỘN 19 2.2. KỸ THUẬT CÁN MỎNG 20 2.3. KỸ THUẬTN THAY ĐỔI CẤU TRÚC MÀNG 21 2.4. KỸ THUẬT THAY ĐỔI BỀ MẶT MÀNG 22 IV. ỨNG DỤNG CỦA MÀNG NANO 23 2 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 1. TỔNG QUÁT 23 2. ỨNG DỤNG MÀNG NANO TRONG CÔNG NGHÊ PIN MẶT TRỜI 26 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 3 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG NANO Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ nano đang được biết đến như một phép màu. Một trong số đó, phải nói đến màng nano. Với kích thước bề dày khá nhỏ - nanomet- đem lại nhiều tính năng vượt trội, đang dần thay thế các loại màng truyền thống với kích thước micromet đến milimet. Từ lâu, màng là một vật liệu dạng tấm mỏng có bề dài từ vài micromet đến vài milimet. Từ quan điểm thuyết đàn hồi, màng sẽ cân bằng với áp lực ngoài bằng sức căng mà không có phần tử nào bị biến dạng. Quả bong bóng cao su hay bong bóng xà phòng là một ví dụ điển hình của cấu trúc màng trong thế giới vĩ mô. Màng được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến hóa học, sinh học, hay trong các thiết bị quang - điện như ống, gương kích thước micro… Tuy nhiên, khi ứng dụng cho các cảm biến về cơ tính thì bị giới hạn vì đòi hỏi cảm biến áp lực điện dung và độ uốn phải nhỏ, trong khi độ uốn của màng khá cao. Điều này có thể giải thích, khi đi từ thế giới vĩ mô đến vi mô, thì các tính chất vật lý cơ bản như điện, quang, nhiệt của vật liệu dạng tấm – màng thì gần như không đổi do các giá trị thông số vật lý là như nhau, trong khi tính chất cơ tính lại còn phụ thuộc vào tác động của trọng lực khi ở kích thước micromet đến milimet. Nhưng khi giảm bề dày xuống dưới từ vài nm đến 100nm thì đã xuất hiện một số hiện tượng: các định luật tỷ lệ về cơ-quang-điện dường như không còn áp dụng được nữa. Và ảnh hưởng lượng tử trở nên rõ rệt trong truyền điện, truyền nhiệt cũng như trong các tương tác điện từ. Từ đó, hình thành nên 1 nhóm riêng biệt và gọi chung là màng siêu mỏng, hay màng nano. 1. MÀNG NANO Màng nano là một loại vật liệu nano có cấu trúc 2D (tức có 1 chiều là ở kích thước nano) với bề dày khoảng dưới 100nm và có tỉ lệ bề mặt màng là 1cm 2 hoặc hơn. Do màng 1 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 nano điển hình có thể nhỏ hơn 5nm - xấp xỉ 15 lớp nguyên tử, và trong một vài trường hợp, có thể chỉ 0.3nm - tương đương 1 lớp nguyên tử; nên bề dày của màng nano khá gần với giới hạn cơ bản của chất rắn. Vì thế, màng nano được xếp vào nhóm vật liệu nano có cấu trúc 2D. Với cấu trúc 2D, tức bề dày không đáng kể so với bề rộng, màng nano có thể lơ lửng trong không khí và trong chân không. Một số tên thường gọi của màng nano: nanomembranes, nanofilms, utra-thin films, atomic membranes, monolayer membranes, nanocoatings, free-standing films, free-floating films, … 2. PHÂN LOẠI MÀNG NANO Màng nano được chia ra làm 2 nhóm chính: màng vô cơ và màng hữu cơ. Có sự phân chia như thế này là do: màng nano vô cơ thường có độ bền và khả năng chịu điều kiện khắc nghiệt hơn so với các loại màng hữu cơ, chẳng hạn trong môi trường nhiệt độ cao, áp lực cao hay ăn mòn cao… Hơn nữa, màng vô cơ thì có cấu trúc đơn giản hơn nhiều. Hay nói cách khác, màng nano hữu cơ khá nhạy với môi trường, dễ bị phá hủy ở nhiệt độ cao, hóa chất và độ bền về cơ tính cũng khá thấp. Đồng thời cấu trúc của màng hữu cơ lại khá phức tạp, gồm một số lượng vật chất gần như vô hạn và khả năng cho việc chức năng hóa là vô tận, các hình thức của sự sống nguồn gốc hữu cơ và những chức năng của nó là ví dụ điển hình… Từ đó, việc kết hợp 2 nhóm này với nhau để hình thành vô tận các loại màng nano composit mới là một triển vọng đầy hứa hẹn. Và việc tận dụng các quá trình tìm thấy trong cấu trúc sinh học để từ đó tạo nên các cấu trúc phỏng sinh học bằng việc chức năng hóa bằng công nghệ nano cũng là một điều có thể trong tương lai. 2.1. MÀNG VÔ CƠ Mặc dù màng nano vô cơ có cấu trúc đơn giản hơn rất nhiều so với màng hữu cơ, nhưng nó lại mới xuất hiện gần đây, sau ít nhất một thế kỷ kể từ khi màng nano hữu cơ nhân tạo ra 2 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 đời. Dĩ nhiên, màng nano sinh học, tức màng hữu cơ tự nhiên thì đã ra đời từ rất lâu, hình thành nên sự sống hiện nay. Màng vô cơ có nhiều loại, đơn giản nhất là các màng nano chứa nguyên tố tinh khiết, có thể chia làm 3 nhóm phụ: thứ nhất là màng nano kim loại; thứ hai là màng nano trên nền carbon, mà quan trọng là kim cương và các chất như kim cương (diamondoid); thứ 3 là các nguyên tố bán dẫn, trong đó tiêu biểu là silicon (chiếm 90% trong các hệ thống cơ-quang- điện). Ngoài ra còn có màng nano vô cơ của các hợp chất oxide, nitride, carbide, glass, ceramic Trong các oxide, silicon oxide lại là được dùng nhiều nhất trong các hệ thống cơ- quang-điện. 2.1.1. Màng nano kim loại Màng nano kim loại được xem là loại màng đơn giản nhất, vì nó chỉ chứa một loại kim loại. Những kim loại thường dùng, gồm có chromium, nikel, alumium, platinum, palladium, vàng, bạc…Ngoài ra đôi lúc còn có titanium, tungsten, đồng, chì, thiếc… Đặc điểm thông thường của những kim loại này là cơ tính của chúng thường có thể tốt hay không tốt. Hầu hết, chúng thường dùng trong lĩnh vực quang-điện, một vài trong số chúng còn được dùng làm xúc tác. Về tính trơ, thì chúng khá tốt. Lịch sử của màng nano kim loại bắt nguồn từ màng nano vàng với kích thước 80nm được chế tạo đầu tiên vào năm 1931 bởi Winch bằng phương pháp Sputter. Đến năm 1950, một kỹ thuật khác được phát minh là phương pháp bay hơi ngưng tụ tạo màng kim loại trên lớp nền bởi Capenter và Curico. Và sau này, một kỹ thuật tiên tiến hơn là phương pháp bay hơi trong buồng chân không siêu cao (Utra High Vaccum Chamber) bởi Aristov (1998), Glozer (2004)… Hiện nay, còn có thêm phương pháp chế tạo màng nano bằng hệ thống micro cho kết quả tốt hơn, được phát minh bởi Striemer và Fauchet vào năm 2006. 3 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 Màng nano kim loại chế tạo hiện nay thường có cơ tính yếu, dễ gãy, giòn. Nhưng tính dẫn điện màng nano thì khá tốt như khối kim loại kích thước ban đầu. 2.1.2. Màng nano composit-kim loại Màng nano composit-kim loại là màng có thành phần gồm một hay nhiều loai kim loại cùng các thành phần bổ sung khác nhau như các oxide, slicon,… và có thể được tạo nên từ các cấu trúc khác nhau như đơn tinh thể, đa tinh thể, dạng hạt hay là các sợi tinh thể đan xen nhau,… Cấu trúc màng có thể giống hay khác, nhưng các thành phần trong đó thì luôn đồng nhất ở kích thước phân tử hay nguyên tử, và ít nhất có kích thước nhỏ hơn bề dày màng nano. Những màng composit này thường có độ bề và cơ tính khá cao, dẫn điện cũng khá tốt. Tính chất quang học thì độ truyền quang phụ thuộc vào độ dày: 6-7nm thì truyền qua khoảng 70%, nhưng khi độ dày khoảng 20nm thì phản chiếu gần như là gương. Lợi dụng đặc điểm này mà có thể điều chỉnh theo mong muốn khi ứng dụng. 2.1.3. Màng nano nền carbon Những màng carbon vô định hình, graphene, dạng diamondoid… thì có cấu trúc khá bền, nhẹ, gần như trơ và có độ truyền quang điện cao nên hiện nay thường dùng làm các lớp phủ bảo vệ, và các ứng dụng trong vi mạch, điện tử. 2.1.4. Màng nano nguyên tố bán dẫn Màng nano loại này có thành phần thường là các nguyên tố bán dẫn như silic hay các hợp chất bán dẫn như galium nitride, silicon carbide… hoặc là kết hợp của các chất bán dẫn… Trong đó, màng bán dẫn nền silicon là được ứng dụng khá nhiều. Với cơ tính khá tốt, màng nền silicon là nền tảng cho sự ra đời của các sensor, các diode, hay các transitor cho công nghệ bán dẫn. 2.1.5. Màng nano oxide, nitride, carbide 4 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 Trong nhóm màng này, silicon oxide là nguyên liệu thường dùng nhất. Ngoài ra còn có các nguyên liệu khác như TiO 2 , Ta 2 O 3 , Y2O 3 , La 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 … Đáng chú ý, chúng là các chất bán dẫn có cơ tính tốt, có tính lưỡng cực và bandgap rộng. Trong đó, silicon oxide có cơ tính yếu nhất do nó khá giòn, nhưng nó lại là nguyên liệu nổi tiếng và được ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ vi điện tử. Nhưng nhìn chung, đa số màng oxide, thường là hợp chất oxide vô cơ đơn giản thương giòn và dễ vỡ, nên khó có thể chịu được lực cơ học lớn… 2.1.6. Màng nano glass, ceramic Màng nano glass, ceramic thường được dùng như vật liệu xốp, nên có thể ứng dụng như là rây phân tử cho các quá trình tách pha, lọc acid hay kiềm Sodium borosilicate glass thương dùng làm nguyên liệu cho màng xốp nano có bề dày khoảng 100nm, và đường kính lỗ xốp thường được điều chỉnh từ 1nm đến 120nm. 2.2. MÀNG HỮU CƠ Màng hữu cơ thường là các màng nano đại phân tử và composite của nó. Nhóm này khá đa dạng về cấu trúc cũng như tính chất lý, hóa, sinh. Nhưng chúng đều có chung một số tính chất vật lý như: nhạy với độ ẩm, nhiệt độ, dung môi. Phương pháp sử dụng hiện nay cho dạng màng này là phương pháp Layer-By-Layer (LBL). II. TÍNH CHẤT MÀNG NANO Nếu như ở màng thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn lại nằm sâu bên trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong vật liệu màng nano, hầu hết các nguyên tử bị phơi ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở màng có bề dày kích thước nano, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh theo hướng bề mặt màng nano, làm xuất hiện nhiều đặc tính nổi trội theo chiều này như: quang, điện, từ, cơ…. Và những tính chất này bị ảnh hưởng bởi ba hiệu ứng sau: 5 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 Hiệu ứng lượng tử: đối với các vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử (1µm có khoảng 10 12 nguyên tử), các hiệu ứng lượng tử được trung hòa cho các nguyên tử. Vì thế có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhưng, đối với cấu trúc màng nano, do kích thước bề dày rất rất nhỏ, hệ có ít nguyên tử nên tính chất lượng tử của màng nano thể hiện rõ hơn và không thể bỏ qua. Hiện tượng lượng tử gây bởi màng nano còn có tên là “quantum well” hay còn gọi là hố lượng tử - là tập hợp các hạt lượng tử (quantum dot). Hiện tượng này gây ra các thay đổi trong tính chất quang (xuất hiệu ứng plasmon và plasmon bề mặt, độ hấp thu ánh sáng, truyền qua hay phản ánh sáng…), cũng như tính chất điện (bán dẫn, dẫn điện…) của màng nano. Ví dụ, màng bong bóng xà phòng thể hiện ánh sáng sặc sỡ dưới ánh sáng nhờ bề dày rất nhỏ, trong khi khối nước xà phòng không thể có… Hình II.1: Tính chất quang gây bởi hiệu ứng lượng tử của màng nano composite chứa hạt nano Au@SiO 2 : (Bên trái)-Hình lớp màng nano đa lớp (1-glass, 2-polycation, 3-hạt nano). (Bên phải)-Hình ảnh về màu sắc truyền qua (trên) và phản xạ (dưới) của hạt nano Au@SiO2 theo độ dày lớp vỏ SiO 2 6 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 Hiệu ứng bề mặt: ở vật liệu nano, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Mà các nguyên tử trên bề mặt thường có tính chất khác biệt so với các nguyên tử bên trong. Nên các hiệu ứng liên quan đến bề mặt như: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt… của vật liệu màng nano sẽ lớn hơn so với màng thông thường. Điều này mở ra những ứng dụng kỳ diệu trong lĩnh vực xúc tác và nhiều lĩnh vực khác mà các nhà khoa học đang quan tâm nghiên cứu. Hiệu ứng kích thước: các vật liệu màng truyền thống thường đặc trưng bởi một số đại lượng vật lý, hóa học không đổi như: độ dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy, cơ tính, độ bền… Tuy nhiên, các đại lượng này thường có giới hạn về kích thước. Khi bề dày của màng đủ nhỏ hơn kích thước này, tức có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu, thì tính chất của màng sẽ bị thay đổi hoàn toàn so với tính chất vật liệu khối. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng kích thước. Lúc này các tính chất của vật liệu sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Bảng II.1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn (nm) Tính chất điện Bước sóng điện tử 10-100 Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100 Hiệu ứng đường ngầm 1-10 Tính chất từ Độ dày vách domain 10-100 Quãng đường tán xạ spin 1-100 Tính chất quang Hố lượng tử 1-100 Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tính chất cơ Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 7 [...]... dùng thường dễ bay hơi và bốc hơi ngay Vì vậy, gia tốc góc càng cao, màng càng mỏng Độ dày của màng cũng phụ thuộc vào độ nhớt và nồng độ dung dịch và dung môi Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo của màng micro oxit sử dụng tiền chất sol-gel Đồng thời cũng có thể được sử dụng để tạo ra màng có độ dày nano 18 Ngô Nguyễn Phương Duy – MSHV: 13050180 Hình III.7: Tạo màng nano đa lớp bằng... TĂNG ĐẶC TÍNH MÀNG Chức năng hóa màng nano là là một bước quang trọng nhằm mở rộng ứng dụng của chúng, tức là thêm vào các chức năng, tính chất mong muốn như độ bền cơ, điện, quang, từ… 2.1 KỸ THUẬT SỬ DỤNG CÁC CHẤT ĐỘN Đây là một kỹ thuật giúp gia tăng tính chất màng bằng cách đưa chất độn vào bên trong cấu trúc màng Ví dụ như hạt nano có tính chất mong muốn, vì thế tạo nên vật liệu composite có tính. .. 13050180 Một vài sự thay đổi bề mặt có thể thông qua ứng dụng in nano như hình Sự thay đổi có thể thực hiện trên màng nano hay thông qua sự gắn các dạng hình học khác nhau lên màng như hình trụ, dạng sọc… Hình III.12 : Các kiểu thay đổi bề mặt màng nano IV ỨNG DỤNG CỦA MÀNG NANO 1 TỔNG QUÁT Từ khi màng nano ra đời, nó được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghệ cũng như trong đời sống Trong số các tính chất... cao, sử dụng các khí hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, ví dụ như nitơ lỏng ở 77 K , để bẫy khí nhằm tạo ra chân không siêu cao) Vì thế, hệ MBE vận hành khá phức tạp và tốn kém Kỹ thuật MBE được sử dụng nhiều trong vật lý chất rắn, khoa học và công nghệ vật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn để chế tạo các màng đơn tinh thể với chất lượng rất cao, với độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục... Nhiệt Cứng, bám dính Lớp ngăn Lớp toả nhiệt Với các tính chất này, màng nano được xem là vật liệu không thể thiếu trong đời sống công nghệ hiện nay III CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT GIA CÔNG MÀNG NANO 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 1.1 PHƯƠNG PHÁP BAY BỐC NHIỆT CHÂN KHÔNG Phương pháp bay bốc nhiệt (Thermal evaporation), còn gọi là phương pháp bay bốc nhiệt trong chân không, là kỹ thuật tạo màng nano... chiếc gương một chiều thường dùng trong nghiên cứu, điều tra… 2 ỨNG DỤNG MÀNG NANO TRONG CÔNG NGHÊ PIN MẶT TRỜI Với tính chất lượng tử (quantum) nổi trội tạo nên đặc tính quang – điện đặc biệt khi ở kích thước nano, màng nano là đối tượng được nghiên cứu và ứng dụng lớn trong pin mặt trời nói riêng và hệ thống quang-điện-bán dẫn nói chung Màng nano hiện nay được dùng trong pin mặt trời nhằm tăng khả... và phạm vi sử dụng Tác dụng của màng nano trong pin mặt trời trình bày như sau: Dựa vào tính chất plasmon bề mặt (hay tính chất quantum) của hạt nano, nên sự hấp thu ánh sáng sẽ phụ thuộc vào từng loại hạt nano và kích thước hạt, hạt càng nhỏ thì bandgap sẽ càng tiến về vùng tử ngoại, càng lớn tiến về vùng hồng ngoại (hình IV.3) Do đó, màng nano kim loại hay composite-kim loại sẽ thay thế các lớp màng. .. nghệ màng Với các tính chất nổi bật về quang-cơ-điện do bởi các hiệu ứng đặc biệt của vật liệu nano gây nên… mà nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi, giải quyết được những vấn đề mà công nghệ màng micro vẫn chưa làm được Hiện nay, công nghệ màng nano là một trong những lĩnh vực đang được nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học vật liệu, vật lý chất rắn, điện tử, bán dẫn cũng như trong các ứng dụng cho đời sống... nhất để tăng tính năng cho màng nano là tạo cấu trúc nano composite dạng sandwich từ hai hay nhiều lớp màng nano mỏng Mỗi lớp sẽ mang đặc tính riêng để tạo nên cấu trúc nanocomposit mang đặc tính vượt trội Ví dụ, lớp này có thể tốt về điện, lớp kia thì thiên về cơ tính Có thể nói, sự kết hợp này khá đa dạng, gần như là vô hạn và trong đó, sự giới hạn cơ bản là sự kết dính và sự phản ứng giữa các lớp... năng hóa là dựa trên sự bố trí cấu trúc màng nano Ví dụ, ta có thể tạo ra các lỗ nano hay khe hở trên cấu trúc 2D của màng bằng việc kiểu soát hình học của màng Hình III.10: Thay đổi cấu trúc màng bằng việc hình thành lỗ, khe hở Kỹ thuật hình tạo lỗ trong màng được thể hiện ở hình III.11 Màng nano silicon được kẹp giữa 2 lớp silica tạo hệ silica-silicon-silica và đặt lên tấm nền Si Sau khi tôi luyện, . nano có thể lơ lửng trong không khí và trong chân không. Một số tên thường gọi của màng nano: nanomembranes, nanofilms, utra-thin films, atomic membranes, monolayer membranes, nanocoatings,