class="bi x0 y0 w1 h1"
class="bi x1 y1 w1 h1"
i

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô
giáo PGS.TS.Vũ Thị Bích, Thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Bình, người đã tận
tình giúp đỡ, hỗ trợ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành
luận văn này.
Xin cám ơn các Thầy, Cô giáo đã giảng dạy, hướng dẫn tôi trong suốt
chương trình học cao học. Cám ơn các cô, chú, anh, chị, các bạn đồng nghiệp
thuộc Trung tâm điện tử học lượng tử thuộc Viện Vật lý đã tận tình giúp đỡ tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như thực
hiện luận văn này.
Tôi xin cảm ơn sự hợp tác và giúp đỡ của GS. TS.Nguyễn Văn Đỗ, TS.
Phạm Đức Khuê trung tâm Vật Lý Hạt Nhân và cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ đề
tài nghiên cứu cơ bản thuộc Chương trình Khoa học và Công nghệ Vũ trụ - Viện
Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình và những người thân của
mình đã luôn hỗ trợ về vật chất, động viên tinh thần và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn!

Tác giả Nguyễn Đình Hoàng

ii


Lời nói đầu 1
Chương 1 - Ống nano carbon 2
1.1. Lịch sử hình thành 2
1. 2. Một số dạng cấu hình phổ biến của vật liệu carbon 2
1.3. Cơ chế mọc ống nano carbon 5
1.4. Các phương pháp chế tạo ống nano carbon 6
1.5. Tính chất của ống nano carbon 8
1.6. Các sai hỏng có thể tồn tại trong mạng của ống nano carbon 10
1.7. Một số ứng dụng của ống nano carbon 11
Chương 2 – Lý thuyết tán xạ Raman 16
2.1. Hiệu ứng Raman 16
2.2. Tán xạ Raman cộng hưởng 17
2.3. Các mode dao động của ống nano carbon 17
2.4. Phổ kế raman 20
Chương 3 – Nguồn bức xạ năng lượng cao 22
3.1. Tia vũ trụ 22
3.2. Nguồn bức xạ nhân tạo 23
3.2.1. Máy gia tốc tuyến tính 24
3.2.2. Nguồn Americium-241, phát tia X 26
3.2.3. Nguồn Radium-226, phát gamma 26
Chương 4 –Thực nghiệm 27
iv

4.1. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ laser lên CNTs 28
4.2. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạ hãm lên CNTs 31
4.3. Sự ảnh hưởng của tia X và tia Gamma lên cấu trúc CNTs 37
KẾT LUẬN 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 42
Các công trình đã công bố có liên quan đến luận văn 44


carbon kiểu zig-zag có tính chất bán dẫn
Hình 1.12. Sai hỏng Stone Wales tạo ra cặp ngũ giác và thất giác trong CNTs
Hình 1.13. Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H
2

Hình 1.14. Màn hình hiển thị sử dụng CNTs
Hình 1.15. Típ STM, AFM có gắn CNTs
Hình 1.16. Típ CNTs biến tính
Hình 1.17. Vật liệu CNTs-COOH dùng cho sensor xác định nồng độ cồn
Hình 1.18. Áo chống đạn siêu bền, vỏ tàu vũ trụ làm bằng CNTs
Hình 1.19. Transistor trường sử dụng ống nanno carbon
Hình 2.1. C. V. Raman
Hình 2.2. Tán xạ Raman thu được khi kích thích phân tử bằng laser
Hình 2.3. Nguyên lý của quá trình tán xạ raman
Hình 2.4. Phổ tán xạ Raman của CNTs đa tường
vii

Hình 2.5. Một số mode dao động của CNTs, Hình bên trái: mode hướng tâm,
các nguyên tử dao động theo phương bán kính, hình bên phải: mode tiếp tuyến
tương ứng với dao động dọc theo trục và xung quanh trục
Hình 2.6. Sơ đồ khối của phổ kế Raman
Hình 2.7. Phổ kế Raman của hãng Renishaw
Hình 3.1. Phổ năng lượng của tia vũ trụ
Hình 3.2. Sự ảnh hưởng của các tia vũ trụ theo độ cao
Hình 3.3.Máy gia tốc electron tuyến tính, trung tâm gia tốc Pohang, Hàn Quốc
Hình 3.4. Nơi đặt mẫu được chiếu xạ
Hình 3.5. Nguyên lý tạo ra bức xạ hãm
Hình 3.6. Phổ bức xạ hãm thu được từ bắn máy gia tốc
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm chiếu xạ CNTs bằng bức xạ hãm
Hình 4.2. Phổ Raman của CNTs khi chưa chiếu khi tăng cường độ laser từ 3

và giảm cường độ laser từ 60 xuống 3 kW/cm
2
(a- 3
kW/cm
2
, b- 15 kW/cm
2
,c-30 kW/cm
2
, d-60 kW/ cm
2
).
viii

Hình 4.10. (a)Tần số mode D, (b)Tần số mode G, và (c)tỷ lệ cường độ của
chúng của CNTs sau khi chiếu bằng bức xạ hãm, khi tăng cường độ laser từ 3
đến 60 kW/cm
2
và giảm cường độ laser từ 60 xuống 3 kW/cm
2
Hình 4.11. Phổ Raman của CNTs sau khi chiếu bằng tia X, khi tăng cường độ
laser từ 3 đến 60 kW/cm
2
và giảm cường độ laser từ 60 xuống 3 kW/cm
2
(a- 3
kW/cm
2
, b- 15 kW/cm
2


1

MỞ ĐẦU

Do có nhiều tính chất rất đáng chú ý như khả năng dẫn điện, độ cứng cao,
độ dẫn nhiệt tốt. Vật liệu nano carbon (CNTs) không chỉ được ứng dụng trong
các vật liệu nano composite, vật liệu chịu nhiệt, vật liệu hấp thụ sóng điện từ,
đầu dò và đầu phát điện tử mà còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như tàu vũ trụ, lò phản ứng hạt nhân, và các ứng dụng môi trường[10][12][16].
Trong môi trường vũ trụ, CNTs có thể được dùng để làm vỏ tầu, các linh
kiện điện tử, thiết bị lưu trữ hidro, pin lithium và pin nhiên liệu Ở điều kiện
này, các thiết bị này chịu sự tương tác của nhiều loại hạt, các loại bức xạ điện từ
có năng lượng cao như proton, electron, alpha, photon, nơtron, các ion nặng, vì
vậy có thể dẫn đến sự biến đổi về cấu trúc mạng, đưa vào mạng các nguyên tử
lạ, làm thay đổi các tính chất cơ, hóa, lý, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động
của các thiết bị này
[8]. Thêm vào đó, các bức xạ, hạt có năng lượng cao còn gây
ra các phản ứng hạt nhân, tạo thành các đồng vị phóng xạ, có thể gây ra sự thay
đổi tính chất của vật liệu.
Nhằm mục đích mô phỏng quá trình tương tác của các bức xạ trên vũ trụ
lên các vật liệu nano người ta thường tiến hành các nghiên cứu thử nghiệm trên
mặt đất với các nguồn bức xạ nhân tạo, trong đó chủ yếu được tạo ra từ các máy
gia tốc hạt và các nguồn đồng vị phóng xạ.
Luận văn này đã đưa một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong việc
nhận diện các đồng vị phóng xạ và xác định suất lượng của chúng được tạo
thành từ các vật liệu CNTs khi chiếu bởi chùm photon hãm năng lượng cực đại
60 MeV trên máy gia tốc electron tuyến tính, đồng thời đã khảo sát ảnh hưởng
của các nguồn bức xạ khác nhau như: bức xạ hãm, tia gama, tia X, tia laser có
mật độ năng lượng cao lên cấu trúc của CNTs bằng phương pháp phân tích phổ

1. 2. Một số dạng cấu hình phổ biến của vật liệu carbon
1.2.1.Than chì Hình 1.1. Cấu trúc của than chì
3

Than chì là dạng tồn tại phổ biến nhất của carbon, có màu đen, tỉ trọng
nhỏ và thường gặp trong tự nhiên. Cấu trúc của than chì là các lớp mạng lục giác
các nguyên tử carbon lai hoá sp
2
. Các lớp này liên kết với nhau bằng lực hút
Van de Wall. Khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon là 1,42 A
0
.
1.2.2. Kim cương

Hình 1.2. Cấu trúc của kim cương
Kim cương là dạng tinh thể được tạo thành từ các nguyên tử carbon, có
cấu trúc tứ diện, trạng thái lai hoá của các nguyên tử carbon trong kim cương là
sp
3
. Kim cương được biết đến là một loại đá quí với giá trị sử dụng cao. Với các
đặc tính đặc biệt như rất cứng, truyền nhiệt tốt, tính thẩm mỹ cao , kim cương

Hình 1.6. Ảnh TEM các ống carbon nano đa tường
1.3. Cơ chế mọc ống nano carbon
Có thể hiểu một cách đơn giản quá trình mọc CNTs như sau
[3]
Hạt xúc tác được tạo trên đế.
Khí chứa carbon (C
n
H
m
) sẽ bị phân ly thành nguyên tử carbon và các sản
phẩm phụ khác do năng lượng nhiệt, năng lượng plasma.
Các sản phẩm sau phân ly sẽ lắng đọng trên các hạt xúc tác. Ở đây sẽ xảy
ra quá trình tạo các liên kết carbon-carbon và hình thành CNTs.
Kích thước của ống CNTs về cơ bản phụ thuộc kích thước hạt xúc tác. Liên
kết giữa các hạt xúc tác và đế mà ống nano carbon quyết định cơ chế mọc: mọc
từ đỉnh của hạt lên hay mọc từ đế lên tạo thành CNTs.
Kích thước của hạt xúc tác kim loại và các điều kiện liên quan khác quyết
định ống nano carbon là đơn tường (SWCNTs) hoặc đa tường (MWCNTs).

Hình 1.7. Cơ chế mọc ống nano carbon
Cơ chế mọc từ đế
Cơ chế mọc từ đỉnh
của hạt xúc tác
6 1.4. Các phương pháp chế tạo ống nano carbon

- Phương pháp CVD với xúc tác Co-Mo ( CoMoCat).
1.4.2. Chế tạo CNTs bằng phương pháp phóng điện hồ quang
Trong phương pháp này hơi carbon được tạo ra bằng cách phóng một luồng
hồ quang điện ở giữa hai điện cực làm bằng carbon có hoặc không có chất xúc
tác. CNTs tự mọc lên từ hơi carbon. Hai điện cực carbon đặt cách nhau 1 mm
trong buồng khí trơ (He hoặc Ar) ở áp suất thấp (giữa 50 và 700 mbar). Một
7

dòng điện có cường độ 50 - 100 A được điều khiển bởi thế khoảng 20V tạo ra sự
phóng điện hồ quang nhiệt độ cao giữa hai điện cực carbon. Luồng hồ quang
này làm bay hơi một điện cực carbon và lắng đọng trên điện cực còn lại, tạo ra
sản phẩm là SWCNTs hoặc MWCNTs tuỳ theo việc có chất xúc tác kim loại
(thường là Fe, Co, Ni , Y, Mo) hay không. Hiệu suất tạo ra CNTs phụ thuộc vào
môi trường plasma và nhiệt độ của điện cực nơi carbon lắng đọng.

Hình 1.9. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp hồ quang điện
Với điện cực là carbon tinh khiết, ta thu được MWCNTs còn khi có kim
loại xúc tác (Ni, Co, Fe) ta thu được SWCNTs.
Các kĩ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác:
- Chế tạo CNTs bằng hồ quang ngoài không khí.
- Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong nitơ lỏng.
- Chế tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường.
- Chế tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực plasma quay.
1.4.3. Chế tạo ống nano carbon dùng nguồn laser
Một chùm laser năng lượng cao (xung hoặc liên tục) làm bay hơi một bia
graphite trong lò ở nhiệt độ cao khoảng 1200
o
C. Trong lò có chứa khí trơ He
hoặc Ne với mục đích giữ áp suất trong lò ở 500 torr và đóng vai trò của khí
mang đưa hơi carbon về phía cực lắng đọng.

Phụ thuộc vào véc tơ cuộn ống (chiran) của chúng, các ống nano carbon có
thể hoặc là chất bán dẫn hoặc là kim loại. Sự khác nhau trong các tính chất dẫn
điện gây bởi cấu trúc phân tử điều đó dẫn đến cấu trúc dải năng lượng khác
nhau. Ngoài ra độ dẫn điện của ống nano carbon đơn tường cũng phụ thuộc rất
nhiều vào lực tác dụng lên ống. Điều này sẽ mở ra một hướng mới sử dụng vật
liệu CNTs làm cảm biến lực, v.v… trong tương lai
9 Hình 1.11. Ống nano carbon kiểu armchair có tính chất kim loại và nano
carbon kiểu zig-zag có tính chất bán dẫn
Dùng hiển vi lực nguyên tử để đo điện trở ở từng phần của ống nano
carbon thì thấy rằng đối với ống nano đơn tường dẫn điện như kim loại thì điện
trở không đổi dọc theo ống. Tuy nhiên đối với ống nano đơn tường dẫn điện
kiểu bán dẫn, khi kết lại thành sợi thì điện trở rất phụ thuộc vào các vị trí đặt các
đầu bốn mũi dò để đo.
Nói chung điện trở suất của ống nano carbon vào cỡ 10
-4
ohm /cm ở nhiệt
độ phòng( điện trở suất của đồng là 1,678
-6
ohm/cm). Cường độ dòng tối đa của
CNTs từ 10
7
– 10
8
A/cm
2
(gấp hàng trăm lần so với cường độ dòng tối đa của
kim loại đồng). Ngoài ra, sai hỏng ở ống nano có thể làm thay đổi tính dẫn điện

Do cấu trúc rất nhỏ của CNTs, độ bền kéo của ống là do phần yếu nhất của
ống quyết định.
Khuyết tật tinh thể ảnh hưởng đến tính chất dẫ điện của CNTs. Một khuyết
tật trong kiểu ống CNTs loại Armchair (dẫn điện) có thể làm cho các khu vực
xung quanh chỗ khuyết tật trở thành bán dẫn.
Khuyết tật tinh thể ảnh hưởng mạnh đến tính chất dẫn nhiệt của CNTs.
Khuyết tật như vậy dẫn đến tán xạ phonon, làm tăng tốc độ hồi phục của các
phonon. Điều này làm giảm quãng đường tự do trung bình, và giảm tính dẫn
nhiệt của CNTs.

Hình 1.12. Sai hỏng Stone Wales tạo ra cặp ngũ giác và thất giác trong CNTs
11

1.7. Một số ứng dụng của ống nano carbon
1.7.1. Các ứng dụng về năng lượng
Sử dụng CNTs trong pin litium có thể tăng dung lượng pin lên 10 lần. Các
nhà nghiên cứu tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra
rằng, nếu sử dụng các lớp ống nano carbon đã qua xử lý để làm điện cực, chúng
có thể tăng năng lượng tích lũy trên mỗi đơn vị trọng lượng của pin lên hơn 10
lần.( 10 kW /Kg –trong khi pin Lithium thông thường 1 kW/kg ). Pin có sự ổn
định rất tốt theo thời gian, sau khi 1000 chu kỳ sạc và xả pin thử nghiệm, không
phát hiện có sự thay đổi của vật liệu. Điều này hứa hẹn khả năng ứng dụng của
CNTs trong xe hơi, các thiết bị điện tử cầm tay
[11]. Bằng phương pháp “layer
by layer”. Các nhà khoa học đã chế tạo được điện cực làm từ CNTs đa tường để
tạo thành điện cực dương, và lithium titanium oxide để làm điện cực âm. Thông
qua ảnh TEM độ phân giải cao và so sánh chu trình phóng nạp của pin trước và
sau khi xử lý nhiệt với khí hidro, họ cũng chứng minh được rằng, nguyên nhân
của sự cải thiện về mặt tích trữ năng lượng là do các nhóm chức có chứa oxi trên
bề mặt của CNTs.

transistor hiệu ứng trường, các màn hình hiển thị ,tip STM, AFM
.

Hình 1.14. Màn hình hiển thị sử dụng CNTs
Các tính năng của CNT-FED: Mỏng, độ sáng cao, độ tương phản cao, hiệu
suất phát quang cao, góc nhìn rộng, đáp ứng nhanh, điện thế tiêu thụ thấp, tiêu
thụ ít điện năng.
1.7.3. Đầu dò nano và sensơ
Do tính dẻo dai được sử dụng như các đầu dò quét trong các thiết bị kính
hiển vi điện tử AFM và STM. Thuận lợi chủ yếu của các đầu dò loại này là độ
phân giải được cải thiện hơn nhiều so với các tip Si hoặc các tip kim loại mà
không phá mẫu (do CNTs độ đàn hồi cao).
Các ống CNTs gắn trên đầu tip có thể được biến tính bằng cách gắn các
nhóm chức năng (-COOH) để tăng các tương tác hóa, sinh. Các tip này có thể
13

được sử dụng như các đầu dò phân tử, ứng dụng trong các lĩnh vực hoá học và y
sinh.
Chẳng hạn với các sensor xác định nồng độ cồn cực thấp sử dụng vật liệu
CNTs thì vật liệu CNTs phải được biến đổi trước để gắn các nhóm -COOH trên
bề mặt. Các nhóm này sẽ tương tác với phân tử ethanol (CH
3
CH
2
OH) và gắn các
phân tử này lên bề mặt CNTs, làm thay đổi độ dẫn điện. Từ sự thay đổi này, ta
có thể xác định được nồng độ cồn.
[17]

Hình 1.15. Típ STM, AFM có gắn CNTs

do đó luôn tồn tại điện trở. Nhưng với ống nano carbon thì khác, các điện tử
chuyển động theo kiểu xung kích và ống nano lại rất nhỏ, không có sai hỏng nên
điện tử không bị tán xạ. Điều đó có nghĩa là điện tử có thể chuyển động được
một quãng đường xa mà không thay đổi xung lượng, vẫn giữ nguyên trạng thái
của mình và có nghĩa là spin được bảo toàn. Ta đã biết spin của điện tử có hai
giá trị -1/2 và +1/2 (spin up và spin down), nên ta có thể dùng từ trường để điều
15

khiển spin thay cho việc điều khiển điện tử và lỗ trống trong các bán dẫn thông
thường.
Hiện nay với sự phát triển như vũ bão của các linh kiện điện tử, kích thước
của các linh kiện đã được giảm nhỏ. Tuy nhiên chúng ta không thể cực tiểu hoá
mãi được vì hiện nay quá trình cực tiểu hoá đã đang tiến gần đến giới hạn vật lý.
Từ đó chúng ta cần phải nghĩ đến một vật liệu mới nào đó có khả năng đặc biệt
và từ đó có thể cực tiểu hoá được các linh kiện. Và điều đó đã được giải quyết
bằng sự xuất hiện của ống nano carbon. Ống carbon được dùng làm kênh dẫn
trong transistor.

Hình 1.19. Transistor trường sử dụng ống nanno carbon
Điện thế cực cổng có ảnh hưởng rất lớn đến tính dẫn điện của ống nano
carbon. Với việc sử dụng ống nano carbon làm kênh dẫn điện, độ dẫn điện có
thể thay đổi hơn một triệu lần so với transistor trường trên cơ sở silic. Hơn nữa
vì có kích thước nhỏ, transistor trường trên cơ sở ống nano làm việc với độ tin
cậy cao hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn, nó có thể đóng mở với tốc độ Terahert.
Khi các thiết bị được cực tiểu hoá về kích thước và được tăng mạnh về tốc
độ thì các điện tử sẽ hoạt động với tốc độ cao nên toả nhiều nhiệt để giải quyết
vấn đề đó người ta đã sử dụng khả năng dẫn nhiệt rất tốt của ống carbon gắn vào
các linh kiện
[16]. Vì kích thước của các linh kiện rất nhỏ nên không thể sử
dụng các dây dẫn kim loại thông thường như hiện nay vẫn dùng để nối các linh