BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU  BÙI HÙNG THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU Vũ ðức Chính NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe VỚI CẤU TRÚC LÕI/VỎ VÀ ðỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang ñiện tử và quang tử Mã số: 62 44 50 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: TS. Phan Tiến Dũng 2: PGS.TS. Phạm Thu Nga Hà Nội- 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU  BÙI HÙNG THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ Chuyên ngành: Vật liệu ñiện tử Mã số: 62.44.01.23 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Phan Ngọc Minh 2. TS. Hoàng Anh Sơn HÀ NỘI 2015 LỜI CẢM ƠN Lời ñầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai người thầy hướng dẫn là PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh Sơn, những người thầy ñã ñịnh hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phan Hồng Khôi, TS. Ngô Thị Thanh Tâm, KS. Lê ðình Quang, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn Hồng, ThS. Phạm Văn Trình, ThS. Cao Thị Thanh, ThS. Nguyễn Văn Tú, NCS. Nguyễn Mạnh Hồng - những người ñã luôn giúp ñỡ, khích lệ, ñộng viên tôi trong suốt thời gian làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng ñiểm Quốc gia về vật liệu và linh kiện ñiện tử, Viện Khoa học vật liệu ñã giúp tôi thực hiện phép ño phân tích trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và ðào tạo, Lãnh ñạo Viện Khoa học vật liệu, Bộ phận ðào tạo sau ñại học ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi làm luận án nghiên cứu sinh. Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người thân trong gia ñình: Cha, mẹ, anh, chị, em ñã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và ñộng viên, hỗ trợ tôi. Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm ñặc biệt và biết ơn của mình tới vợ và con, bằng tình yêu, sự cảm thông, quan tâm và chia sẻ, ñã cho tôi nghị lực, tạo ñộng lực cho tôi thực hiện thành công luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Nghiên cứu sinh Bùi Hùng Thắng LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh Sơn. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Nghiên cứu sinh Bùi Hùng Thắng 1 NỘI DUNG Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 5 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 5 1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình 5 1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô 7 1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon 9 1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon 13 1.1.5 Các phương pháp tổng hợp ống nanô cácbon 20 1.2 Vật liệu tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25 1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25 1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 34 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng 38 2.1.1. Phương pháp tính toán lý thuyết 38 2.1.2. Phương pháp mô phỏng 38 2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 39 2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo 39 2.2.2. Biến tính vật liệu ống nanô cácbon 40 2.2.3. Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon 41 2.2.4. Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 43 2.3. Các phương pháp phân tích đo đạc vật liệu 44 2.3.1. Hiển vi điện tử quét 44 2.3.2. Phổ tán xạ Raman 45 2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại 45 2.3.4. Phổ huỳnh quang tia X 46 2.3.5. Phổ phân tán Zeta-Sizer 47 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG 48 2 3.1. Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48 3.1.1. Đánh giá một số mô hình tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48 3.1.2. Đề xuất mô hình tính toán cải tiến 54 3.1.3. Đánh giá độ chính xác của mô hình với thực nghiệm 60 3.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng các hệ thống tản nhiệt 63 3.2.1. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm 63 3.2.2. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự đối lưu 69 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79 4.1. Kết quả biến tính ống nanô cácbon 79 4.1.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại truyền qua 79 4.1.2. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman 80 4.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs 81 4.2.1. Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs 81 4.2.2. Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU 87 4.2.3. Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED 97 4.2.4. Giải thích về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs 110 4.3. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113 4.3.1. Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113 4.3.2. Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý 117 4.3.3. Tính toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs 121 KẾT LUẬN CHUNG 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH 144 1. Các bài báo và báo cáo liên quan đến luận án 144 1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI 144 1.2. Bài báo quốc tế khác 144 1.3. Bài báo đăng trên tạp chí quốc gia 145 1.4. Báo cáo đăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học 145 2. Sáng chế và giải thưởng liên quan đến luận án 145 2.1. Sáng chế được chấp nhận đơn 145 2.2. Giải thưởng khoa học 146 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Viết tắt Tên ñầy ñủ CNTs Ống nanô cácbon SWCNTs Ống nanô cácbon ñơn tường MWCNTs Ống nanô cácbon ña tường CVD Lắng ñọng hóa học từ pha hơi EDX Phổ tán sắc năng lượng FTIR Phổ hồng ngoại biến ñổi Fourier SEM Kính hiển vi ñiện tử quét TEM Kính hiển vi ñiện tử truyền qua AFM Kính hiển vi lực nguyên tử LED ðiốt phát quang CPU Vi xử lý máy tính EG Ethylene Glycol DEG Diethylene Glycol DW Nư ớc cất EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất STARS Kem tản nhiệt thương mại Stars AS5 Kem tản nhiệt thương mại AS5 STARS/CNTs Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs AS5/CNTs Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs DANH MỤC CÁC BẢNG STT Trang 1 Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác 14 2 Bảng 1.2 Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs 17 3 Bảng 1.3 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 29 4 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng 94 5 Bảng 4.2 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và STARS/2%CNTs 116 6 Bảng 4.3 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs 117 7 Bảng 4.4 Tổng kết kết quả ño ñạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt 128 DANH MỤC CÁC HÌNH STT Trang 1 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp 1 , sp 2 và sp 3 và ñịnh hướng trong không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C 2 H 2 , C 2 H 4 và C 2 H 6 5 2 Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) 6 3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b) 7 4 Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau 9 5 Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon 10 6 Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs 10 7 Hình 1.7 (a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5) 11 8 Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và 7 cạnh 12 9 Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và ñơn lớp graphit (graphene) 15 10 Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng graphit 16 11 Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral khác nhau 17 12 Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu 19 13 Hình 1.13 (a) Sơ ñồ nguyên lý phương pháp nghiền bi ñể tổng hợp CNTs, (b) Ảnh SEM của CNTs tổng hợp theo phương pháp nghiền bi 20 14 Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 21 15 Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 23 16 Hình 1.16 Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt 24 17 Hình 1.17 ðồ thị phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và 28 Ethylen Glycol (EG) vào nồng ñộ % thể tích của CNTs trong chất lỏng 18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng cách sử dụng kem tản nhiệt 35 19 Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp của linh kiện ñiện tử nền PEG chứa thành phần CNTs 35 20 Hình 1.20 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu Indra Vir Singh cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 36 21 Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M. B. Bryning cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 36 22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt CNTs 40 23 Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng 42 24 Hình 3.1 So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán CNTs vào nước cất 52 25 Hình 3.2 Cấu trúc hình ống của CNTs 53 26 Hình 3.3 Mô hình tính ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs 58 27 Hình 3.4 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân tán MWCNTs vào nước cất 60 28 Hình 3.5 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen với trường hợp phân tán MWCNTs vào nước cất 61 29 Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu với trường hợp phân tán SWCNTs vào nước cất 61 30 Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân 62 [...]... ph n ng nanô cácbon cho linh ki n ñi n t công su t – Nghiên c u bi n tính v t li u ng nanô cácbon v i nhóm ch c -COOH và -OH – Nghiên c u ch t o ch t l ng t n nhi t n n ethylene glycol/nư c c t ch a thành ph n ng nanô cácbon và th nghi m ng d ng trong t n nhi t cho linh ki n ñi n t công su t l n (CPU và LED) – Nghiên c u ch t o kem t n nhi t ch a thành ph n ng nanô cácbon và th nghi m ng d ng trong t... h c cơ b n và khoa h c ng 7 d ng V t li u cácbon c u trúc nanô là t p h p m t s các d ng thù hình tiêu bi u c a nguyên t cácbon ñi n hình g m nanô kim cương, qu c u fullerene, ng nanô cácbon ña tư ng (MWCNTs), ng nanô cácbon ñơn tư ng (SWCNTs) và graphene [1] Nanô kim cương là tên g i chung cho s t n t i c a kim cương nanô Chúng có th t n t i kích thư c d ng h t, ñám, ho c s pha tr n c a c hai Nanô. .. ng trong m t s linh ki n ñi n t công su t l n như vi x lý máy tính (CPU), ñi t phát quang (LED), v.v… nh m nâng cao hi u qu t n nhi t, công su t làm vi c và kéo dài tu i th cho linh ki n 1 T nh ng lý do trên, t p th th y hư ng d n và nghiên c u sinh ñã l a ch n th c hi n lu n án: Nghiên c u tính ch t c a m t s v t li u t h p n n h u cơ pha tr n ng nanô cácbon và th nghi m ng d ng t n nhi t trong lĩnh. .. (a) và d ng l c giác (b) [1] 1.1.2 V t li u cácbon c u trúc nanô S phát tri n m nh m c a khoa h c và công ngh trong vài th p k g n ñây ñã khám phá ra m t lo t các c u trúc m i c a nguyên t cácbon, ñó là v t li u cácbon c u trúc nanô Lo i v t li u này có c u trúc tinh th ñ c ñáo, s h u nhi u tính ch t v t lý, hóa h c, cơ h c ưu vi t Chính vì v y, cácbon c u trúc nanô là ñ i tư ng ñư c t p trung nghiên. .. n án Nghiên c u lý thuy t và th c nghi m tính ch t c a m t s v t li u t h p n n h u cơ ch a thành ph n ng nanô cácbon và th nghi m ng d ng trong t n nhi t cho linh ki n ñi n t công su t l n Nh m ñ t ñư c m c ñích trên, m t s n i dung nghiên c u c th sau ñây ñã ñư c tri n khai th c hi n: – Nghiên c u mô hình c i ti n tính toán lý thuy t ñ d n nhi t c a ch t l ng ch a thành ph n ng nanô cácbon – Nghiên. .. v 4 ñ nh c a hình t di n ñ u Cácbon có ba tr ng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 t n t i trong các d ng v t ch t khác nhau c a cácbon [1] 120o 180o sp1 Phân t C2H2 sp2 Phân t C2H4 109,5o sp3 Phân t C2H6 Hình 1.1 Các tr ng thái lai hoá sp1, sp2 và sp3 và ñ nh hư ng trong không gian và s t n t i c a chúng trong các liên k t trong phân t C2H2, C2H4 và C2H6 [1] 5 Trong t nhiên, cácbon xu t hi n ba d ng thù hình... v t li u nanô cácbon cũng là ñ i tư ng quan tr ng cho các nghiên c u v ñi n t nanô, các linh ki n c m bi n, v.v T nh ng tính ch t lý thú và ti m năng ng d ng l n c a CNTs, lu n án hư ng t i vi c nghiên c u ng d ng tính ch t nhi t c a CNTs ñ nâng cao h s d n nhi t cho m t s lo i v t li u n n h u cơ d ng l ng (ethylen glycol / nư c c t) và d ng kem (STARS, AS5) V t li u n n h u cơ d ng l ng và d ng kem... ph n ng nanô cácbon và th nghi m ng d ng các v t li u ch t o ñư c trong t n nhi t cho linh ki n ñi n t công su t (CPU và ñèn LED) B c c và n i dung c a lu n án Lu n án bao g m 146 trang v i 7 b ng, 90 hình v và ñ th Ngoài ph n M ñ u trình bày ý nghĩa và lý do l a ch n v n ñ nghiên c u và K t lu n v nh ng k t qu ñã ñ t ñư c cũng như m t s v n ñ có th nghiên c u ti p t c, lu n án ñư c c u trúc trong 4... tìm th y s h p d n t nanô kim cương do v t li u này có tính tương thích sinh h c và kh năng th ñ ng hóa b m t Vì nh ng ñ c ñi m này nanô kim cương ñư c nghiên c u s d ng trong y khoa như là ch t v n chuy n thu c và dán nhãn sinh h c Bên c nh phương pháp HPHT, phương pháp l ng ñ ng pha hơi hóa h c (CVD) cũng ñư c s d ng r ng rãi ñ ch t o màng m ng nanô kim cương và ng d ng trong lĩnh v c c m bi n, linh... u trúc làm cho cơ tính c a m ng graphit không b ng CNTs Tuy nhiên, các thông s cơ h c như su t Young, h s ñàn h i và ñ b n kéo c a CNTs thư ng dao ñ ng trong kho ng r ng, tuỳ thu c vào c u trúc vách ng, ng v i m i quá trình t ng h p khác nhau V i các c u trúc khác nhau thì các thông s cơ tính c a CNTs cũng khác nhau Hai thông s cơ b n và ñ c trưng c a CNTs v m t cơ h c là su t Young và ñ b n kéo Su . nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực hiện luận án: Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực ñiện tử . . luận án Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công. trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs. Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày về chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon và kem tản nhiệt