Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu Graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng Nguyễn Văn Tú Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội Luận văn ThS. Vật liệu và Linh kiện nano (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Văn Chúc Năm bảo vệ: 2013 46 tr . Abstract. Làm sáng tỏ những nội dung cơ bản trong tư tưởng Hồ Chí Minh về đạo đức cách mạng, chủ yếu là đạo đức của đội ngũ cán bộ y tế. Chỉ ra và phân tích một số những vấn đề cơ bản, góp phần phát hiện những yếu tố, điều kiện tác động, chi phối thực trạng đạo đức của đội ngũ cán bộ y tế ở Việt Nam trong những năm gần đây. Đề xuất một số quan điểm cơ bản và luận chứng một số giải pháp chủ yếu nhằm tiếp tục xây dựng đạo đức cho đội ngũ cán bộ y tế ở Việt Nam hiện nay. Keywords.Công nghệ Nano; Linh kiện nano; Vật liệu Graphene đa lớp Content. Lý do chọn đề tài Năm 2004 với việc tách thành công những tấm graphene đầu tiên từ bột graphite, đến năm 2010 giải thưởng Nobel về vật lý đã được trao cho hai nhà khoa học Konstantin S. Novoselov và Andre K. Geim thuộc trường đại học Manchester nước Anh đã tách được những đơn lớp graphene đầu tiên và mô tả đặc trưng của chúng [26]. Sự kiện này đánh dấu mộc mốc quan trọng trong sự phát triển của khoa học về vật liệu. Đây là một vật liệu mới, có những tính chất cơ học và vật lý đặc biệt như tính dẫn điện = 10 -6  cm (với điện trở suất nhỏ hơn của Cu đến 35%), dẫn nhiệt = 5300 Wm -1 K -1 (gấp 10 lần Cu), độ bền cao = 42N/m (gấp 100 lần thép), mềm dẻo, tỉ trọng nhẹ = 0,77 mg/m 2 , gần như trong suốt (hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng truyền qua)…Dạng vật liệu này đã và đang thu hút được sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm tận dụng triệt để các ưu việt của dạng vật liệu này. Tuy nhiên để có thể thực hiện được các ứng dụng, việc tìm kiếm các điều kiện công nghệ để tổng hợp vật liệu graphene với diện tích lớn và chất lượng tốt là hết sức cần thiết. Ngoài phương pháp bóc tách cơ học từ graphite của Geim, còn có một số phương pháp khác để tổng hợp vật liệu graphene như phương pháp epitaxy, phương pháp bóc tách hóa học, phương pháp khử graphene oxide, và phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) sử dụng vật liệu xúc tác kim loại chuyển tiếp. Trong số các phương pháp trên, phương pháp CVD nhiệt rất thuận lợi cho việc tổng hợp các màng graphene với diện tích lớn và chất lượng cao. Ngoài ra điều quan trọng là các kim loại chuyển tiếp có thể được loại bỏ bằng việc ăn mòn hóa học và các màng graphene được tổng hợp trên những vật liệu này có thể dễ dàng chuyển sang các loại điện cực vật liệu khác nhau, dễ dàng chức năng hóa để ứng dụng cho chế tạo cảm biến sinh học. Do đó tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng” Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene trên đế Cu bằng phương pháp CVD nhiệt. Tìm điều kiện công nghệ thích hợp để chế tạo màng graphene chất lượng cao. - Nghiên cứu công nghệ chuyển lớp màng graphene từ đế Cu sang các loại đế khác. - Khảo sát hình thái học và cấu trúc của vật liệu graphene thông qua các phép đo: hiển vi điện tử quét SEM, phổ Raman và hiển vi lực nguyên tử AFM. - Nghiên cứu công nghệ chế tạo cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở màng graphene được chức năng hóa bề mặt. - Thử nghiệm - tối ưu hóa cảm biến sinh học điện hóa sử dụng màng graphene; thử nghiệm xác định hàm lượng atrazin Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Nghiên cứu và tìm ra quy trình công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu graphene có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp bách về mặt khoa học, làm chủ được công nghệ tiên tiến chế tạo vật liệu. Việc chế tạo thành công vật liệu graphene có ý nghĩa thực tiễn lớn phục vụ cho các ứng dụng như nano composite, graphene- FET, cảm biến sinh học điện hóa… Phương pháp nghiên cứu Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm Bố cục của luận văn Luận văn được chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về vật liệu graphene, những tính chất nổi bật của vật liệu, các phương pháp chế tạo vật liệu và các ứng dụng của vật liệu graphene Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vật liệu graphene, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình tổng hợp. Tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp Chương 3: Kết quả và thảo luận Đưa ra các kết quả phân tích ảnh SEM, Raman và AFM để phân tích cấu trúc và độ dày của vật liệu. Từ đó giải thích các cơ chế của quá trình tổng hợp vật liệu. Chương 4: Ứng dụng của vật liệu graphene Bước đầu ứng dụng thử nghiệm chế tạo cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu graphene. Đánh giá độ nhạy của cảm biến khi sử dụng vật liệu graphene Tài liệu tham khảo 1. Vũ Thị Hồng Ân (2008), Cảm biến sinh học trên cơ sở composite polypyrrole và ống nanocacbon ứng dụng xác định GOx và AND, Luận văn Thạc sĩ Hóa lý thuyết – Hóa lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2. Nguyễn Hải Bình (2011) Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa với sự làm giàu nồng độ bằng hạt nano từ ứng dụng xác định hàm lượng thuốc trừ sâu atrazine . Báo cáo thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu khoa học công nghệ thường xuyên năm 2011 cấp cơ sở. CSTX 11.01 3. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2005), “Công nghệ nanô điều khiển đến từng phân tử nguyên tử”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, tr. 124-138. 4. Vũ Ngọc Minh (2007), Tổng hợp điện hóa và nghiên cứu hình thái cấu trúc bề mặt của màng polyaniline cấu trúc bởi các sợi nano có chứa các nano cluster kim loại, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội. 5. Nguyễn Lê Huy (2010), Nghiên cứu phát triển polyaniline/ống nanocacbon ứng dụng trong cảm biến sinh học, Luận văn Thạc sĩ Hóa phân tích, Đại học Bách Khoa Hà Nội 6. Nguyễn Đức Nghĩa, Bán dẫn hữu cơ polyme. Công nghệ chế tạo, tính chất, ứng dụng, .2007: Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 7. Bor Z. Jang*, Chenguang Liu, David Neff, Zhenning Yu,Ming C. Wang, Wei Xiong, and Aruna Zhamu, Graphene Surface-Enabled Lithium Ion-Exchanging Cells: Next-Generation High-Power Energy Storage Devices, Nano Lett. 2011, 11, 3785–3791 8. Bernal J. D. (1924), “The structure of graphite”, Proc. Roy. Soc. A, 106, pp. 749 9. Bhaviripudi , S., Jia, X., Dresselhaus, M. S., and Kong, J., 2010, Role of Kinetic Factors in Chemical Vapor Deposition Synthesis of Uniform Large Area Graphene Using Copper Catalyst, Nano Letters, 10(10), pp. 4128-4133 10. Conrad, J. H, 2008, The growth and morphology of epitaxial multilayer graphene, Journal of physics: Condensed Matter, 20(32), p. 323202 11. Dong X, Wang P, Fang W, Su C Y, Chen Y H, Li L J, Huang W and Chen P 2011 Carbon 49 3672 12. Donald E. Tillitt , Diana M. Papoulias, Jeffrey J. Whyte, Catherine A. Richter, Atrazine reduces reprodution in fathead minnow ( Pimephales promelas), Aquatic Toxicology, 99 (2), pp. 149-159 (2010) 13. Futado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., and Eklund, P. C., 2004, Debundling and Dissolution of Singgle-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents, Journal of the American Chemical Society, 126(19), pp. 6095-6105 14. Hernandez, Y., Nicolosi, V., Lotya, M., Blighe, F. M., Sun, Z., De, S., McGovern, I. T., Holland, B., Byrne, M., Gun’Ko, Y . K., Boland, J. J., and Coleman, J. N., 2008, High –yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite, Nat Nano, 3(9), pp. 563-568 15. Iijima S. (1991), “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature 354, pp. 56- 58. 16. Iijima S., and Ichihashi T. (1993), “Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter”, Nature 363, pp. 603-605 17. http://chemistry.about.com/od/moleculescompounds/a/Table-Of Electrical- Resistivity-And-Conductivity.htm 18. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/thrcn.html 19. http://phys.org/news187430392.html 20. IUPAC, Recommended Definitions and Classification. Pure Appl. Chem., 1999. 71(12): p. 2333-2348 21. Jiao, L., Zhang, L., Wang, X., Diankov, G., and Dai, H., 2009, Narrow graphene nano-ribbons from carbon nanotubes, Nature, 458(7240), pp. 877-880. 22. Ji, H., Hao, Y., Charlton, M., Lee, W. H., Wu, Q., Li, H., Zhu, Y., Wu, Y., Piner, R., and Ruoff, R. S., 2011, Graphene Growth Using a Solid Carbon Feedstock and Hydrogen, ACS Nano, 5(9), pp. 7656-7661 23. Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., Curl R. F., and Smalley R. E. (1985), “C60: Buckminsterfullerene”, Nature 318, pp. 162-163 24. Kratschmer W., Lamb L. D., Fostiropoulos K., and Huffman D. R. (1990), “ Solid C60: a new form of carbon”, Nature 347, pp. 354-358 25. Kosynkin, D. V., Higginbotham, A. L., Sinitskii, A., Lomeda, J. R., Dimiev, A., Price, B. K., and Tour, J. M., 2009, Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to from graphene nano-ribbons, Nature, 458(7240), pp. 872-876 26. Kumar, A., A. M. Pharhad(2003), Electrochemical synthesis and characterization of chloride doped polyaniline, Bull. Mater Sci., 26(3): p 329- 334. 27. Lung-Hao Hu*, Feng-Yu Wu*, Cheng-Te Lin, Andrei N. Khlobystov and Lain- Jong Li, Graphene-modified LiFePO4 cathode for lithium ion battery beyond theoretical capacity, nature communication(4:1687)doi: 10.1038/ncomms2705 28. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 2004, 306, 666-9 29. Li, X., Cai, W., Colombo, L., and Ruoff, R.S., 2009, Evolution of Graphene Growth on Ni and Cu by Carbon Isotope Labeling, Nano Letters, 9(12), pp. 4268-4272 30. Leland C. Clack Jr., C. L. (1962) Electrode systems for continuos monitoring in cardiovascular surgery. Annals of the New York Academy of Scienes, 102(Automated and Semi-Automated Systems in Clinical Chemistry): p. 29-45. 31. Lam, T. D. (2003), Direct Electrochemical AND biosensor based on novel conducting polymes. Ph. D Thesis, University Paris VII. 32. Morgan, A. E., and Somorjai, G. A., Low energy electron diffraction studies of gas adsorption on the platinum (100) single crystal surface, Surface Science, 12(3), pp. 405-425 33. M.G. Paulino, M.M. Sakuragui, M.N. Fernandes, Effects of atrazine on the gill cells and ionic balance in a neotropical fish, prochilodus lineatus, Chemosphere, 86 (1), pp. 1-7 (2012) 34. Nazaré M. H., and Neves A. J. (2001), Properties, Growth and Applications of Diamond, The Institution of Electrical Engineers, United Kingdom 35. Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., and Firsov, A. A., 2004, Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science, 306(5696), pp. 666-669 36. Nguyen H B et al 2012 Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 3 025011 37. Pearce R, Iakimov T, Andersson M, Hultman L, Spetz A L and Yakimova R 2011 Sensors Actuators B 155 451 38. Rowell M W, Topinka M A, McGehee M D, Prall H J, Dennler G, Sariciftci N S, Hu L and Gruner G 2006 Appl Phys. Lett. 88 233506 39. Reina A, Jia X T, Ho J, Nezich D, Son H B, Bulovic V, Dresselhaus M S and Kong J 2009 Nano Lett. 9 30 40. Renee M. Zaya, Zakariya Amini, Ashley S. Whitaker, Steven L. Kohler, Charles F. Ide, Atrazine exposure affects growth, body condition and liver health in xenopus laevis tadpoles, Aquatic Toxicology, 104 ( 3–4), pp. 243-253 (2011) 41. S.V. Dzyadevych, V.N. Arkhypova, A.P. Soldatkin, A.V. El'skaya, C. Martelet, N. Jaffrezic-Renault, Amperometric enzyme biosensors: Past, present and future. IRBM. 29(2-3): p. 171-180 42. Tian Gan, Sheng Shui Hu (2011) Electromical sensors based on graphene materials, State Key laboratory of Transducer Techology chinese Academy of Sciences, Beijing 10080, china 43. Van Tu Nguyen, Huu Doan Le, Van Chuc Nguyen,Thi Thanh Tam Ngo, Dinh Quang Le, Xuan Nghia Nguyen and Ngoc Minh Phan, Synthesis of multi-layer graphene films on copper tape by atmospheric pressurechemical vapor deposition method, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 4 (2013) 035012 (5pp). 44. Cecilia Mattevi, Hokwon Kim and Manish Chhowalla, “A review of chemical vapour deposition of graphene on copper”, J. Mater. Chem., 2011, 21, 3324– 3334 45. Guixia Zhao, Tao Wen, Changlun Chen and Xiangke Wang, Synthesis of graphene-based nanomaterials and their application in energyrelated and environmental-related areas, RSC Advances, 2012, 2, 9286–9303 46. Nguyê ̃ n Văn Tu ́ , “ Tô ̉ ng hơ ̣ p ống nanô ca ́ c bon đi ̣ nh hươ ́ ng sư ̉ du ̣ ng vâ ̣ t liê ̣ u xu ́ c tác hai lớp Al/Fe” Kho ́ a luâ ̣ n tốt nghiê ̣ p năm 2009. 47. I.A. Ovid’ko et al Rev. Adv. Mater. Sci. 34 1-11. 48. Metals Handbook, Metallography (1973), Structures and Phase Diagrams, American Society for Metals, Me- tals Park, OH, 8, 8th ed 49. S. S. Sabri et al., “Graphene field effect transistors with parylene gate dielectric,” Appl. Phys. Lett., vol. 95, no. 24, Dec. 2009 50. Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrahn, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Superior Thermal Conductivityof Single Layer Graphene. Nano Letters 2008, 8, 902-7. 51. Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science 2008, 321, 385-8. 52. Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Noveselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K.; Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science 2008, 320, 1308. http://graphenewiki.org/graphene/graphene-platform-supplies-the-worlds-largest- single-layer-single-crystal-graphene-samples . tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene trên đế Cu. Nghiên cứu công nghệ tổng hợp vật liệu Graphene đa lớp và thử nghiệm ứng dụng Nguyễn Văn Tú Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội Luận văn ThS. Vật liệu và Linh. Chương 1: Tổng quan về vật liệu graphene, những tính chất nổi bật của vật liệu, các phương pháp chế tạo vật liệu và các ứng dụng của vật liệu graphene Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vật liệu graphene,