Chương 2: Khái quát về vật liệu từ nano

NỘI DUNG 1. Cấu trúc nano từ 2. Từ học nano I. Từ học nano II. Ứng dụng công nghệ nano trong việc chế tạo vật liệu từ 1. Công nghệ nano – Khoa học nano 2. Chế tạo vật liệu từ nano 3. Nghiên cứu vật liệu từ nano ở Việt Nam.

pdf116 trang | Chia sẻ: nguyenlinh90 | Ngày: 23/07/2019 | Lượt xem: 137 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Chương 2: Khái quát về vật liệu từ nano, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
CHƢƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ VẬT LiỆU TỪ NANO TS. NGUYỄN KHÁNH DŨNG NỘI DUNG 1. Cấu trúc nano từ 2. Từ học nano I. Từ học nano II. Ứng dụng công nghệ nano trong việc chế tạo vật liệu từ 1. Công nghệ nano – Khoa học nano 2. Chế tạo vật liệu từ nano 3. Nghiên cứu vật liệu từ nano ở Việt nam. Vật liệu từ nano có thể đƣợc hiểu là: Vậy để hiểu về vật liệu từ nano chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc, từ tính của vật liệu có cỡ hạt nanomét và ứng dụng công nghệ nano vào việc chế tạo vật liệu từ. 1. Các vật liệu từ mà cấu trúc của chúng bao gồm các hạt có kích thước cỡ nanomét (10-9m). 2. Vật liệu từ đƣợc chế tạo theo công nghệ nano. §1. Cấu trúc nano 1. Khái niệm: Cấu trúc nano bao gồm các chấm lƣợng tử, các lƣỡng cực lƣợng tử, các dây lƣợng tử - thuộc về các mạch lƣợng tử của các máy tính lƣợng tử có kích thƣớc nanomét. Nền tảng của cấu trúc nano là nguyên tử và phân tử. 2. Cấu trúc Nguyên tử: a. Vài nét lịch sử Một số mô hình nguyên tử Dalton 1802 Banh bida Thomson 1897 Bánh hạt nho Rutherford 1911 Đám mây điện tử Bohr 1913 Lớp vỏ e- Nguyên tử là phần tử bé nhỏ nhất cấu tạo nên vật chất. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dƣơng, xung quanh hạt nhân có các điện tử mang điện âm, chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau. Mỗi nguyên tố hóa học có một loại nguyên tử đặc trƣng. Kí hiệu nguyên tử ZX A - X là tên nguyên tử (nguyên tố hóa học) - Z là số điện tử hay số proton của hạt nhân - A là số khối lƣợng (số nucleon) b. Các mẫu cấu trúc nguyên tử a.1. Maãu Rutherford (1911): - Nguyeân töû laø haït nhoû nhaát cuûa nguyeân toá hoùa hoïc, coù kích thöôùc khoaûng 10 -9 m - Giöõa nguyeân töû laø haït nhaân mang gaàn nhö toaøn boä khoái löôïng nguyeân töû (3,35.10 -27 kg), coù ñieän tích döông (+1,6.10 -19 C), kích thöôùc ~ 10 -14 m - Xunh quanh haït nhaân laø caùc ñieän töû, coù ñieän tích aâm (-1,6.10 -19 C), chuyeån ñoäng treân caùc quyõ ñaïo khaùc nhau, saép xeáp theo caùc lôùp - Nguyeân töû soá z = soá ñieän tích döông = soá e - , laø soá thöù töï nguyeân töû trong baûng tuaàn hoaøn. - Khoâng giaûi thích ñöôïc hieän töôïng böùc xaï. a.2. Maãu N.Bohr (1913): - Töông töï maãu Rutherford - Caùc electron chuyeån ñoäng treân caùc quyõ ñaïo beàn, ôû traïng thaùi döøng, khoâng böùc xaï vaø khoâng haáp thuï naêng löôïng - Chæ khi electron nhaåy töø quyõ ñaïo döøng naøy sang quyõ ñaïo döøng khaùc noù môùi böùc xaï hoaëc haáp thuï moät löôïng töû naêng löôïng hf mn =E m -E n - Chæ ñuùng cho nguyeân töû coù ít ñieän töû vaø khoâng giaûi thích ñöôïc hieäu öùng Zeeman (söï taùch caùc vaïch phoå khi ñaët nguyeân töû trong töø tröôøng). - Töông töï maãu Bohr - Caùc e chuyeån ñoäng treân caùc quyõ ñaïo öùng vôùi moät löôïng töû soá n=1,2,3..., do ñoù naêng löôïng cuûa e vaø khoaûng caùch cuûa noù tôùi haït nhaân giaùn ñoaïn. - Ñöa theâm löôïng töû soá l ñeå xaùc ñònh hình daïng cuûa quyõ ñaïo cuûa e, löôïng töû soá m xaùc ñònh söï ñònh höôùng cuûa quyõ ñaïo (l, m laø caùc soá nguyeân). a.3. Maãu Xommecphen : a.4. Mẫu nguyên tử Paoli: - Paoli ñöa theâm löôïng töû soá s, goïi laø spin, öùng vôùi söï töï quay cuûa e vaø nguyeân lí loaïi tröø (trong nguyên tử không thể có 2 điện tử cùng có 4 số lượng tử như nhau). - Giaûi thích ñöôïc hieäu öùng Zeeman bình thöôøng (phoå bò taùch thaønh hai vaïch) nhöng khoâng giaûi thích ñöôïc hieäu öùng dò thöôøng (phoå taùch thaønh nhieàu vaïch). a.5. Maãu De Broglie, Heisenberg vaø Schrödinger - Coi nguyeân töû coù tính chaát soùng, khi noù chuyeån ñoäng gaén vôùi moät quaù trình soùng naøo ñoù, coù naêng löôïng: E=hf=mc 2 , lan truyeàn cuøng phöông vôùi nguyeân töû. - Moâ taû traïng thaùi caùc haït (electron, photon..) ñaëc tröng bôûi baùn kính r, caùc soá löôïng töû n, l, m vaø s töông öùng vôùi moät haøm soùng (phöông trình Schrödinger) : - Tôùi nay vaãn chöa coù maãu hoaøn toaøn hoaøn chænh. i y t 2m U 2               c. : N RA ELECTRON c.2. Haït nhaân nguyeân töû: - Haït nhaân khoâng chæ goàm moät loaïi haït maø coù raát nhieàu loaïi vôùi caùc tính chaát khaùc nhau, soá haït leân tôùi haøng traêm, coù theå phaân laøm caùc haït chuû yeáu: + Barion: proton, notron,lamda, sigma... + Lepton: nôtrino, muon, tau... + Medon: pion, kao, Dmedon... + Quac: quac leân, quac xuoáng, quac laï... Moãi lepton vaø quac goàm 6 haït vaø 6 phaûn hat, laø caùc haït vaät chaát. Ngoaøi ra coøn caùc haït khaùc nhö haït photon...(haït böùc xaï, laø löôïng töû cuûa caùc tröôøng töông taùc giöõa caùc haït vaät chaát vôùi nhau) PHÁT HiỆN HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ SỰ TỒN TẠI CỦA NGUYEÂN TÖÛ KÍCH THÖÔÙC NGUYEÂN TÖÛ NHÌN THAÁY NGUYEÂN TÖÛ Một số tính chất của nguyên tử: • Các nguyên tử được sắp xếp theo một sơ đồ tuần hoàn (bảng tuần hoàn). • Các nguyên tử phát xạ hoặc phát ánh sáng ở những tần số xác định: hf mn =E m -E n • Các nguyên tử có mômen động lượng và từ tính. • Sự tồn tại của các nguyên tử là do có các lực tương tác giữa các phần tử cấu tạo nên nguyên tử. TÓM TẮT - Tâm nguyên tử - Kt: 10-9m Hạt nhân - Kl: 3,35.10-27kg - Đt: +1,6.10-19C (proton) - Nhiều loại hạt Nguyên tử ZX A - Quay quanh hạt nhân - Năng lượng gián đoạn E=hf=hc/λ=Em-En Điện tử - Nglí loại trừ: n, l, m, s - Đt: -1,6.10-19C - Kl: 9,1.10-31kg 3. Phân tử: • Phân tử đơn nguyên tử: H2 • Phân tử lưỡng nguyên tử: H2O • Phân tử nhiều nguyên tử: SrFe12O19 • Các đại phân tử: các phân tử sinh học như protein, polisaccarit (tinh bột), lipit... Là các phần tử bé nhỏ nhất tạo ra các hợp chất hóa học, chúng là các hạt trung hòa về điện. 4. Cấu trúc nano: Các phần tử vật chất ở giới hạn kích thƣớc μm và nm. Cấu trúc nano là các hệ thống có kích thƣớc cỡ nanomét (từ 1 100 nm), gồm các nguyên tử, phân tử đƣợc sắp đặt vị trí sao cho cả hệ thống thực hiện đƣợc các chức năng định trƣớc. - Về mặt hình học, cấu trúc nano có hạt nano, sợi hoặc ống nano, lớp hoặc màng mỏng nano. a. Các dạng của cấu trúc nano: -Về mặt chức năng có: • Vật liệu nano: + Chấm lƣợng tử + Vật liệu nền, nano tinh thể + Composit, cốt sợi, ống nano • Linh kiện nano: + Cảm biến nano, linh kiện đơn điện tử, linh kiện kĩ thuật spin • Máy nano: MEMS, NEMS, Protein... b. Đặc điểm cấu trúc nano: • Số nguyên tử, phân tử trong một đơn vị cấu trúc rất ít, chỉ vài tới vài trăm nguyên tử, xuất hiện nhiều tính chất hoàn toàn mới, của chính nguyên tử. • Các tính chất điện tử và từ bị khống chế bởi các quy luật lƣợng tử, có thể thực hiện các chức năng mà các cấu trúc vi điện tử không có đƣợc. • Kích thƣớc nhỏ, tính xếp chặt cao tạo ra tốc độ sử lí và truyền thông tin lớn. • Là cấu trúc của muôn loài trong tự nhiên c. Ví dụ về cấu trúc nano: * Phân tử Furenlơ C60 (a), C70 (b) Gồm các nguyên tử C (60 hoặc 70 nguyên tử) nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, tạo thành một cái lồng rất chắc và nhẹ. Khi pha tạp có thể là chất dẫn điện, bán dẫn, điện môi, thậm chí là siêu dẫn. * Ống nano carbon Tạo thành từ các nguyên tử C, dạng ống rỗng, đƣờng kính 1 25 nm, dài đến cm. • Nhẹ hơn thép hàng chục lần, bền hơn thép hàng trăm lần. • Có độ dẫn điện phụ thuộc cấu trúc. Có thể là điện môi, bán dẫn hay dẫn điện. • Là một dây lƣợng tử, dùng làm linh kiện điện tử nhƣ tranzitor trƣờng... • Làm bộ nguồn phẳng, chất độn composit... • Pha tạp làm chất điện quang, điện cực, pin nhiên liệu, xƣơng mô nhân tạo... Đặc trƣng volt-Amper của trazitor tạo bởi ống nano carbon * Chấm lƣợng tử (quantum dot QD): Kích thƣớc chỉ vài nm, làm từ vật liệu bán dẫn, kim loại hay polyme, sử dụng làm bộ nhớ có độ tích hợp cao, làm linh kiện đóng mở * Các linh kiện đóng mở có độ nhạy cao, đa chức năng nhƣ tranzitor đơn điện tử, linh kiện điện tử xuyên hầm, linh kiện vi điện tử-nano điện tử (spintronics)... Chấm lƣợng tử của germani đƣợc tạo ra theo công nghệ tự sắp xếp trên đế silicon 5. Cấu trúc nano từ a. Khái niệm: • Theo quan niệm cổ điển, các vật liệu sắt từ cấu tạo từ những hạt nhỏ bé, gọi là các đômen mà trong đó luôn tồn tại một mômen từ tự phát. Đômen có kích thƣớc khoảng 1 μm, tức là chứa hàng triệu nguyên tử. • Theo cơ học lƣợng tử, mỗi nguyên tử đều có từ tính, nghĩa là một hạt cỡ nanomét có thể xem nhƣ một đômen từ rồi. • Mặt khác khi đã hạ đƣợc kích thƣớc của các linh kiện vi điện tử xuống cỡ nm thì cũng cần có các “nam châm tí hon” để tƣơng hợp với chúng khi sử dụng. • Các vật liệu từ cỡ hạt nanomét làm xuất hiện nhiều tính chất vật lí thú vị và độc đáo nhƣ hiệu ứng từ trở khổng lồ, độ bền cơ học cao, từ tính cao... • Có khả năng chế tạo các vật liệu nano từ. Các hạt nano sắt từ đƣợc tạo ra trên đế Cu và Pt b. Ví dụ về các sản phẩm cấu trúc nano từ 1. Van Spin: a) Van thƣờng; b) Van có ghim Thực hiện chức năng đóng mở nhờ spin của điện tử, sử dụng trong kĩ thuật số. Cấu tạo tối thiểu gồm 3 lớp, hai lớp từ hai bên, giữa có lớp phi từ. Dòng điện có thể chạy song song hoặc vuông góc với các lớp. Có thể chọn vật liệu và làm các lớp phi từ sao cho khi không có từ trường ngoài véctơ mômen từ spin của hai lớp từ ngược chiều nhau còn khi có từ trường thì chúng cùng chiều. 2. Tiếp xúc tunen từ MTJ (Magnetic Tunneling Junction) H = 0 H = HCLớp từ Lớp từ Điện môi Cũng là một van đóng mở, hoạt động theo nguyên tắc xuyên hầm. Là van spin lí tưởng: khi van mở (có từ trường ngoài) có dòng điện xuyên hầm chạy qua. Khi van đóng (không có từ trường ngoài) dòng xuyên hầm không chạy qua được. Hai trạng thái có và không có dòng xuyên hầm (van mở và đóng) phân biệt rất rõ ràng. 3. Tranzito tiếp xúc tunen từ TMTJ Lớp từ Điện môi Phần chủ yếu là hai lớp từ làm bằng hợp kim từ Lantan, Stronti, Mangan Oxid LSMO ở giữa có lớp điện môi SiO2 . Việc đóng mở tranzito phụ thuộc vào từ trường ngoài điều khiển véctơ từ độ ở lớp từ LSMO: nếu có từ trường ngoài, hai véctơ này song song cùng chiều, tranzito mở và ngược lại. 4. Đầu từ GMR Cấu tạo chủ yếu gồm các lớp sắt từ NiFe/CoFe và CoFe kẹp ở giữa các lớp phi từ Cu, các lớp còn lại có nhiệm vụ ghim cho lớp sắt từ CoFe có từ độ theo một phương nhất định. Các bit thông tin được ghi trên đĩa cứng dưới dạng các diện tích nhỏ có véctơ từ độ hoặc theo chiều này (0) hoặc chiều kia (1). Từ trường do các véctơ từ độ ở đĩa từ tạo ra sẽ làm cho véctơ từ độ lớp NiFe/CoFe tự do quay sang bên này hay bên kia, tức là làm cho điện trở ở đầu từ cao hay thấp, ứng với bit 0 hay bit 1. Đầu đọc theo hiệu ứng AMR, xuất hiện từ 1996. Đầu đọc trên cơ sở hiệu ứng GMR với cấu hình có dòng điện trong mặt phẳng (current in the plane CIP) và có dòng điện vuông góc với mặt phẳng màng (current perpendicular to the plane CPP). Một đầu đọc GMR dã được sản xuất năm 2002 của IBM Sự phát triển của đầu đọc theo hiệu ứng từ trở. Sự phát triển ổ đĩa cứng qua các năm 5. Bộ nhớ MRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính ) Bộ nhớ MRAM ứng dụng hiệu ứng TMR Yêu cầu của bộ nhớ: • Ghi đƣợc, đọc đƣợc • Ghi nhanh, đọc nhanh • Ghi đƣợc nhiều • Xóa đƣợc và ghi đi ghi lại đƣợc nhiều lần • Ghi đƣợc lâu, không cần phải nuôi • Giá thành rẻ Hiện nay chƣa có loại bộ nhớ nào đáp ứng đƣợc tất cả những yêu cầu này. Bộ nhớ MRAM chế tạo trên cơ sở spin điện tử học thỏa mãn đƣợc nhiều yêu cầu nhất. Mỗi ô nhớ là một van spin làm việc theo kiểu tiếp xúc tunen từ, có hai trạng thái đóng mở tùy theo véctơ từ độ ở lớp tự do cùng chiều hay khác chiều với véctơ từ độ của lớp bị ghim. Trên và dưới của các ô nhớ có các đường dẫn điện song song theo trục X và Y. Mỗi ô nhớ ứng với một cặp tọa độ XY. - Để ghi ngƣời ta cho xung dòng điện đồng thời qua X và Y, ở chỗ gặp nhau (trên và dƣới) của ô nhớ chúng gây ra một từ trƣờng tổng cộng làm cho véctơ từ độ của lớp tự do của tiếp xúc tunen từ quay song song hoặc phản song song với véctơ từ độ bị ghim ở lớp dƣới. Một khi véctơ từ độ của lớp tự do đã quay về bên nào nó cứ nằm mãi ở bên đó, trừ khi chủ động tạo ra xung điện khác để xóa nó và bắt nó quay sang hƣớng khác. Nhƣ vậy là có thể ghi đƣợc và chủ động xóa đƣợc bất kì ô nhớ nào. - Việc đọc về nguyên tắc rất dễ dàng: cho dòng điện qua X về Y. Tùy theo điện trở cao hay thấp ta biết đƣợc véctơ từ độ của lớp tự do của ô nhớ quay về phía nào. Nhƣ vậy là qua đo điện trở ta đọc đƣợc trạng thái đã ghi. - Năm 2002 Motorola công bố đã làm đƣợc MRAM dung lƣợng 1Mb, cứ mỗi ô nhớ có một tranzito và một MTJ. Bộ MRAM này đƣợc bố trí có 64Kbx12 cấu hình và tranzito CMOS kích thƣớc 0,6μm cho mỗi ô nhỏ. Đọc hay ghi chỉ cần 50 ns (nano giây). véctơ từ độ của lớp tự do đƣợc xung điện điều khiển cho theo chiều nào thì nó ở mãi theo chiều đó, trừ khi chủ động tạo ra các xung để xóa hoặc để định hƣớng lại. Nhờ đó không cần phải lƣu trữ một số chƣơng trình trên đĩa khi máy tắt và nạp lại lúc mở ra, tránh mất dữ liệu và khởi động máy nhanh, tiết kiệm năng lƣợng, tăng tuổi thọ acquy... Hiện nay ngƣời ta đã chế tạo đƣợc MRAM dung lƣợng hàng trăm Gb, chứa hàng tỷ các ô nhớ, tốc độ đọc, ghi chỉ cỡ 1ns, mật độ thông tin chứa trong đĩa cứng tăng lên hàng ngàn lần. Ngƣời ta dự đoán đây là bộ nhớ nay mai sẽ lên ngôi thống trị trong lĩnh vực tinh học. MRAM là bộ nhớ có nhiều ƣu việt: nhớ đƣợc nhiều, ghi đƣợc nhiều lần, ghi và đọc đƣợc nhanh. Đặc biệt nhất đây là bộ nhớ không tự xóa (non volatile), không cần phải làm tƣơi (refresh) , tức là một khi §2. Từ học của vật liệu nano 1. Hiệu ứng kích thƣớc: - Khi kích thƣớc của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo 1, 2 hay 3 chiều, các tính chất vật lí nhƣ cơ, nhiệt, điện, từ, quang của vật thay đổi một cách đột ngột, do sự điều chỉnh hình dạng và kích thƣớc nano của chúng. - Khi kích thƣớc vật giảm xuống cỡ nanomet có hai hiện tƣợng đặc biệt xẩy ra: * Thứ nhất: tỷ số giữa số nguyên tử nằm trên bề mặt và số nguyên tử trong cả hạt nano trở nên rất lớn: Ví dụ Nmặt ngoài/Nbên trong ≈ 3a/R = ½ với R=6a ~ 1nm (hạt nano hình cầu, bán kính R còn nguyên tử có kích thƣớc trung bình là a). Khi đó lớp bề mặt có thể quyết định tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu. Từ đây đƣa tới hiệu ứng bề mặt có các ứng dụng nêu ở phần trên (nhƣ tính hấp phụ bề mặt, phản ứng tiếp xúc, dị hƣớng từ, từ trở khổng lồ...) . Ngoài ra năng lƣợng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không đƣợc liên kết một cách đầy đủ, khiến cho các hạt nano nóng chẩy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chẩy của vật liệu khối tƣơng ứng. * Thứ hai: khi kích thƣớc của hạt giảm xuống sấp xỉ bán kính Bohr của exciton (khoảng không gian có hạt điện tích và quỹ đạo chuyển động của nó) thì có thể xảy ra hiệu ứng kích thước lượng tử hay hiệu ứng giam giữ lượng tử (khi kích thước khối vật liệu giảm xuống cỡ nanomet, tương ứng với bước sóng chuyển dịch của điện tích thì hạt tải điện bị giam trong khối này, giống như nó chuyển động trong một hộp thế - potential box), trong đó các trạng thái electron cũng nhƣ các trạng thái dao động trong hạt nano bị lƣợng tử hóa, sẽ quyết định các tính chất vật lí của cấu trúc. c đômen: • c đơn đômen • nh. • n) Đômen từ Domen và vách domen Sự ghi từ trong tƣơng lai 3. Tính siêu thuận từ • Tính chất từ của vật liệu phụ thuộc vào kích thƣớc hạt. • Khi các hạt có kích thƣớc giảm xuống cỡ nanomet thì vật liệu biểu thị tính siêu thuận từ. ” • m • v nh). • t. • ng. • m. • p. Giới hạn siêu thuận từ :• . • . • t). • t. 5. Dị hƣớng từ Dị hƣớng lƣỡng cực Dị hƣớng hình dạng Dị hƣớng hình dạng Dị hƣớng từ tinh thể 6. Spitronics §3. Công nghệ nano: 1. Khái quát: Công nghệ nano là khoa học thiết kế, xây dựng và ứng dụng các hệ thống chức năng ở cấp nguyên tử, phân tử. Trong công nghệ nano trƣớc hết phải xây dựng và mô hình hóa các hệ với các thông số xác định, tiếp đó thực hiện những chức năng sắp xếp các nguyên tử, phân tử theo các đặc tính điện tử, từ và quang điện tử vào các khuôn hình “kích thƣớc nanomét”. Việc hình thành các cấu kiện thụ động (vật thể) hay linh động (máy móc) nano sẽ bắt đầu từ các chấm lƣợng tử đơn lẻ từ một nhóm nguyên tử định vị ở một vị trí cho trƣớc, tập hợp lại thành một dây, ghép thành các mạch tích hợp đơn giản (các nơron) để tạo ra cỗ máy hoạt động theo chức năng định sẵn. • Công nghệ nano giúp chế tạo ra các vật liệu có các tính chất theo ý muốn mà không cần thay đổi thành phần hóa học của nó. • Tạo ra các hệ thống nhỏ hơn, nhanh hơn, ít tốn năng lƣợng hơn. • Là bƣớc đột biến từ thế giới vô cơ sang thế giới hữu cơ, đặc thù bởi “tính sống”. • Là sự bắt chƣớc tự nhiên một cách triệt để nhất, sâu sắc nhất. 2. Điều kiện thực hiện công nghệ nano • Chế tạo đƣợc vật liệu nguồn có kích thƣớc nanomet (hay các nguyên tử, phân tử) có đặc tính quen thuộc. • Chế tạo đƣợc các thiết bị có khả năng “nhìn thấy” các nguyên tử, phân tử để thực hiện việc sắp xếp chúng theo một mô hình định sẵn. • Giải pháp ít tốn kém là nano hóa các vật liệu chế tạo theo công nghệ truyền thống. §4. Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano từ Các sản phẩm của vật liệu nano từ có thể ở dạng khối, bột, màng mỏng, có thể rắn hoặc lỏng. Tùy theo nhu cầu sử dụng và tính năng của các vật liệu khác nhau mà ngƣời ta chế tạo chúng dƣới các dạng khác nhau và áp dụng các phƣơng pháp khác nhau. 3. Phƣơng thức thực hiện: 3.1. Phƣơng thức “từ trên xuống” (top-down) • Chia nhỏ, “đẽo gọt” một vật thể lớn để tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano và các tính chất mong muốn. • Vật thể lớn có thể đƣợc chia nhỏ bằng kỹ thuật nghiền bi hoặc kỹ thuật khắc nano hiện đại (advanced nanolithographic techniques) nhƣ khắc bằng chùm tia electron, chùm tia ion hội tụ, chùm tia X, kính hiển vi quét đầu dò, ngòi bút nhúng, khắc hình mềm... Nhƣng kỹ thuật này rất chậm và giá thành cao. a. Nghiền bi: • Dùng bình nghiền và bi nghiền bằng thép không rỉ, thật cứng. Các dạng máy nghiền: trống quay, trục khuấy, hành tinh, rung... • Đổ vật liệu và dung môi (nƣớc, cồn... Nếu nghiền ƣớt; khí trơ nếu nghiền khô) vào trong máy nghiền rồi cho máy quay trong nhiều giờ, tùy loại máy và vật liệu cần nghiền. • Máy nghiền trống quay thƣờng tốn nhiều thời gian nhất (vài trăm giờ) nhƣng sản lƣợng lớn. Máy nghiền rung cho hiệu suất cao nhất. Máy nghiền rung b. Phƣơng pháp phun c. Phƣơng pháp nóng chẩy hồ quang d. Phƣơng pháp lò cao tần b. Khắc hình nano 1. Quang khắc: sử dụng các loại tia tử ngoại cực xa, tia X, tia điện tử, chùm ion... a. Đƣa tấm vật liệu vào lò nung và phủ lớp cảm quang. b. Chiếu tia tử ngoại qua khuôn, chụp ảnh c. Nhúng tấm vật liệu vào dung dịch hiện d. Nhúng axid để hòa tan các phần không ghi hình e. Nhúng tấm vật liệu vào dung dịch tẩy lớp cảm quang 2. Khắc hình bằng ngòi bút nhúng (Phân tử thiol) Các phân tử Alkanethiol có đầu to gắn xuống đế, đuôi dài chổng lên trên, sắp xếp song song, trật tự, tạo thành tinh thể ổn định. 3. Khắc hình mềm 3.2. Phƣơng thức “từ dƣới lên” (bottom up) • Lắp ghép những hạt có kích thƣớc cỡ nguyên tử, phân tử hay nanomét để tạo ra các vật liệu có cấu trúc nano và các tính chất mong muốn. • Thƣờng sử dụng các phƣơng pháp nuôi cấy epitaxy, lắng đọng hóa học CVD, lắng đọng vật lý PVD, các phƣơng pháp hóa học ƣớt (hóa keo, đồng kết tủa, sol-gel, phƣơng pháp hóa lý (thủy phân, điện hóa...). • Có nhiều hứa hẹn, chế tạo khối lƣợng lớn, có thể điều khiển kích thƣớc chính xác, giá rẻ. 3.2.1. Phƣơng pháp bốc bay chân không và phƣơng pháp phún xạ a. Epitaxy b. Bay hơi trực tiếp: Tạo các màng từ đơn kim loại (Au, Ag, Al, Cr...) hoặc các hợp chất bay hơi không bị phân li (SiO, TiO, MgF2, Al2O3...) Vật liệu Màng (Cấp năng lượng) c. Bay hơi phản ứng có kích hoạt (ARE): Nguyên lí hoạt động d. Mạ ion (IP): Sơ đồ nguyên lí hoạt động Áp dụng tạo màng oxid từ các đơn kim loại Ta, Mo, Nb, Al, Mg với O2 , hoặc các màng carbide (có C) , nitride (có N) ... 1. Nguyên lí phún xạ diod phẳng (phún xạ catode DC) e. Phún xạ: Phản ứng ngưng tụ silicon nitride theo chiều hình trụ, bán kính,
Tài liệu liên quan