ỐNG NANO CÁC BON – CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO,
TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG

QUÁCH DUY TRƯỜNG
Bộ môn Vật lý
Khoa Khoa học cơ bản
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Với cấu trúc tinh thể đặc biệt, ống nano các bon (CNTs) có nhiều tính năng đặc
biệt như: độ dẫn điện thay đổi theo cấu trúc và kích thước của ống, nhẹ hơn thép 6 lần nhưng
lại bền hơn cỡ 100 lần, chịu nhiệt độ cao rất tốt (~ 2800
o
C trong chân không và ~ 700
o
C trong
không khí), có tính đàn hồi tốt, độ dẫn nhiệt cao ~ 3000 W/mK Các ống nano các bon có diện
tích bề mặt lớn (250 m
2
/g), có khả năng phát xạ điện tử ở điện trường thấp (V/
μ
m) ứng với
mật độ dòng phát xạ lớn (
μ
A/cm
2
). Do những tính đặc biệt như vậy nên chúng được tập trung
nghiên cứu nhằm tạo ra các linh kiện điện tử, các chip vi xử lý có độ tích hợp cao, các bộ nhớ
dung lượng lớn. Ngoài ra chúng cũng được dùng làm nguồn phát xạ điện tử cho màn hình
phẳng, các đầu dò nano như mũi nhọn ở hiển vi quét đầu dò (SPM), các loại vật liệu nano
composite siêu bền, các bộ tích trữ năng lượng cao hay các cảm biến kích thước bé…

C60
buckminsterfulleren
e
Graphite
(10,10) tube
1.1. Kim cương (hình 1)
Kim cương tồn tại ở dạng cubic và hexagonal, có độ dẫn
nhiệt rất cao (25 W/cm.K) và nhiệt độ nóng chảy rất cao
(4500K).
1.2. Graphit (hình 1)
Có cấu tạo nhiều lớp, trong đó liên kết giữa các nguyên
tử các bon là liên kết cộng hóa trị còn giữa các lớp là liên kết yếu Van der Waals.
1.3. Các bon nano dạng hình cầu (Fullerence) (hình 1)
CNTT-CB
Fullerence C
60
là một
phân tử dạng hình cầu, đường
kính 0,7 nm và được cấu tạo
từ 60 nguyên tử các bon như
được thể hiện trên hình 1.
Các dạng fullerence khác là
C
60
, C
70
, C

và a
1
(0 ≤ θ ≤ 30
0
): chỉ
rõ góc nghiêng của hình lục giác so với
trục của ống.
22
1h
1h
mnmn2
mn2
a.C
a.C
cos
++
+
==θ
r
r
r
r
(2)
Cặp số (n, m) và θ quyết định cấu trúc CNT.
Bảng 1. Các loại cấu trúc CNT
Loại cấu trúc Θ C
h
Armchair 0
0
(n, n)

Zigzag
a
1

(0,0)
(6,4)
Hình 2. Cấu trúc của ống nanô các bon đơn vách [3]

Hình 3. Ống nanô các bon đơn vách
SWCNTs và đa vách MWCNTs Cấu trúc của ống nano các bon đa vách (MWCNTs) bao gồm từ 2 đến 30 SWCNTs (hình
3) có đường kính khác nhau lồng vào nhau, khoảng cách giữa các vách của SWCNTs là 0,34-
0,36 nm [4].
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
Hiện nay, có bốn phương pháp phổ biến được sử dụng:
- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học
(CVD).
- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano bằng phương pháp phóng điện hồ quang.
- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano dùng nguồn laze.
- Công nghệ tạo vật liệu các bon nano bằng phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt.
1. Cơ chế mọc ống nano cácbon [5]
CNTT-
CB
Có thể hiểu một cách đơn giản quá
trình mọc CNTs như sau (hình 4):
Hạt xúc tác được tạo trên đế.
Khí chứa cácbon (C
n

Metal
Metal
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 cácbon quyết định cơ chế mọc: mọc từ đỉnh của hạt lên hay mọc
từ đế lên tạo thành CNTs.

Hình 5. Ảnh SEM của CNTs với hạt xúc tác
ở đáy ống và ở đầu ống
Kích thước của hạt xúc tác kim loại
và các điều kiện liên quan khác quyết
định ống nano các bon là đơn vách
(SWCNTs) hoặc đa vách (MWCNTs).
2. Chế tạo vật liệu CNTs bằng
phương pháp lắng đọng pha hơi hoá
học (CVD)
Trong phương pháp CVD thường sử dụng nguồn các bon là các hyđrô các bon (CH
4
, C
2
H
2
)
hoặc CO và sử dụng năng lượng nhiệt hoặc plasma hay laser để phân ly các phân tử khí thành các nguyên tử các bon hoạt hóa. Các nguyên tử các bon này khuếch tán xuống đế, và lắng đọng
lên các hạt kim loại xúc tác (Fe, Ni, Co), và CNTs được tạo thành. Nhiệt độ để vào khoảng
650
0
C

cực nơi các bon lắng đọng.
CNTT-CB
Với điện cực là các bon tinh khiết, ta thu được
MWCNTs còn khi có kim loại xúc tác (Ni, Co, Fe) ta
thu được SWCNTs. Hình 7. Hệ thiết bị chế tạo CNTs
bằng phương pháp hồ quang điện
Cathode
Anode
Grapite rod
Transition metals
(Ni, Co, Fe)
MWNT
SWNT
Các kĩ thuật chế tạo CNTs bằng hồ quang khác:
- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang ngoài không khí.
- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang trong nitơ lỏng.
- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang trong từ trường.
- Hệ tạo CNTs bằng hồ quang với điện cực plasma quay. 4. Chế tạo CNTs dùng nguồn laze

Dùng bình thép không rỉ có chứa các bi thép không rỉ với độ cứng cao và đổ vào bình thép
bột graphit tinh khiết (98%). Bình thép không rỉ được thổi khí Argon với áp suất 300 kPa. Quay
bình để bi thép không rỉ nghiền bột graphit khoảng 15 giờ. Sau khi nghiền, bột có rất nhiều ống
nano các bon đa vách. Người ta cho rằng quá trình nghiền tạo ra các hạt graphit nhiều mầm để
phát triển ống nano các bon và khi nung ủ nhiệt, các mầm đó phát triển thành ống nano các bon.
III. CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ỐNG CÁC BON NANO
1. Tính chất cơ
Phép đo độ bền được thực hiện bằng hệ AFM (hình 10). Các tip AFM di chuyển vuông góc
với ống CNTs và ghi các lực tương tác giữa đầu típ với ống CNTs phát sinh từ sự dịch chuyển
đàn hồi của thanh. Sự dịch chuyển lớn có thể dẫn tới cong, biến dạng dẻo hoặc gẫy ống CNTs
và do đó xác định được độ bền của CNTs.
Bảng 2. Các thông số cơ tính của vật liệu
CNTs và một số vật liệu khác [6]
Vật liệu
Suất Young
(GPa)
Độ bền kéo
(GPa)
Mật độ khối
lượng (g/cm
3
)
SWCNT 1054 150 1.4
MWCNT 1200 150 2.6
Steel 208 0.4 7.8
Trong bảng 2, so với thép, suất Young của CNTs (MWNTs và SWNTs) gấp khoảng 5 đến
6 lần và độ bền kéo gấp 375 lần. Trong khi đó, khối lượng riêng của CNTs nhẹ hơn tới 3 hoặc 6
lần so với thép. Điều này chứng tỏ rằng CNTs có các đặc tính cơ học rất tốt, bền và nhẹ, thích
- Nhiệt dung riêng:
Nhiều thực nghiệm đo nhiệt dung riêng của MWNTs và bó SWNTs với các đường kính
khác nhau, trên các khoảng nhiệt độ khác nhau đều chỉ ra rằng nhiệt dung riêng phụ thuộc tuyến
tính vào nhiệt độ trong vùng nhiệt độ thấp. So với mạng graphene, nhiệt dung riêng chênh lệch
khoảng 100K. Nhiệt dung riêng của MWNTs và bó SWNTs phụ thuộc vào các tương tác giữa
các ống trong bó hay các lớp graphene trong MWNTs và đường kính của chúng.
- Độ dẫn nhiệt:
Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt khoảng 3 x 10
4
W/m.K và đạt giá trị cao nhất 4 x 10
4

W/m.K ở khoảng 100 K. So với graphite và mạng graphene, ở nhiệt độ thấp độ dẫn nhiệt của
CNTs cao hơn nhiều, nhưng ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt của CNTs xấp xỉ bằng.
4. Tính chất hóa học
CNTs hoạt động hóa học mạnh hơn so với graphene. Tuy nhiên, thực tế cho thấy CNTs vẫn tương đối trơ về mặt hóa học, do đó để tăng hoạt tính hóa học của CNTs ta phải tạo ra các
defect trên bề mặt của ống, gắn kết với các phân tử hoạt động khác. Các nghiên cứu cũng chỉ ra
rằng, CNTs có đường kính càng nhỏ thì hoạt động hóa học càng mạnh, song hiện tượng tụ đám
càng nhiều. Đó là ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt xảy ra với các vật liệu
nano. Sự tụ đám này làm giảm khả năng hoạt động hóa học của các ống CNTs. Vì vậy, vấn đề
quan trọng là tách bó CNTs thành các ống riêng rẽ bằng các xử lý lý, hóa phù hợp.
5. Tính chất phát xạ điện tử trường
Sự phát xạ trường là quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt của một pha rắn vào chân không,
dưới tác dụng của một điện trường tĩnh (khoảng 10
8
V/cm). Khi áp một điện trường đủ lớn, các
điện tử tại bề mặt xuyên hầm qua hàng rào thế và thoát ra ngoài. Với CNTs, do tỷ lệ chiều

lithium.
Do CNTs có cấu trúc dạng trụ rỗng và đường kính cỡ nanomét nên vật liệu CNTs có thể
tích trữ chất lỏng hoặc khí trong lõi trơ thông qua hiệu ứng mao dẫn. Hấp thụ này được gọi là
hấp thụ vật lý. CNTs cũng có thể tích trữ hydrogen theo cách hóa học (hấp thụ nguyên tử
hydrogen) [9]. 2. Ứng dụng trong các linh kiện điện tử
Hình 12. Màn hình hiển thị
sử dụng CNTs
- Thiết bị phát xạ điện tử trường:
Yêu cầu chung là ngưỡng thế phát xạ của vật liệu phải
thấp, mật độ dòng phải có độ ổn định cao, vật liệu phát xạ phải
có đường kính nhỏ cỡ nanomet, cấu trúc tương đối hoàn hảo, độ
dẫn điện cao, độ rộng khe năng lượng nhỏ và ổn định về mặt
hóa học. Các điều kiện này, vật liệu CNTs đáp ứng đầy đủ. Hơn
nữa, CNTs lại tương đối trơ về mặt hóa học nên có độ ổn định
về mặt hóa học rất cao.
CNTT-CB
, AFM (hình 13).
và khả năng dẫn điện nên CNTs cũng có
thể đ
ng CNTs gắn trên đầu tip có thể được biến tính bằng
cách
NTs được biến đổi trước khi ứng dụng vào các sensor để tăng khả
năng

hợp
ật liệu
com

Hình 14. Sợi composite của polyaniline với CNT ra các đặc tính cơ lý tốt như độ bền, độ dẻo dai cao. Với các vật liệu polyme dẫn, CNTs có thể
làm tăng khả năng dẫn điện của chúng khi được pha tạp vào.
Một hướng ứng dụng khác cũng đang được tập trung nghiên cứu là mạ crôm gia cường vật
liệu CNTs. Vật liệu CNTs được pha vào dung dịch mạ. Trong quá trình mạ điện hóa, CNTs
được xen lẫn vào trong lớp mạ và định vị một cách ngẫu nhiên trên lớp mạ hoặc hút tĩnh điện
(với CNTs biến tính). Kết quả mạ cho thấy độ cứng tăng rỗ rệt và lớp mạ cũng nhẵn hơn.
V. KẾT LUẬN
Báo cáo đã đưa ra một cách tổng quan về các đặc tính cấu trúc, công nghệ chế tạo, tính chất
hóa, lý và các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu các bon cấu trúc nano, đặc biệt là ống nano các
bon.
Để chế tạo vật liệu ống nano các bon có bốn phương pháp cơ bản kể trên. Tùy theo mục
đích chế tạo và điều kiện công nghệ mà ta sẽ chọn phương pháp chế tạo phù hợp.
Các tính chất cơ, điện, nhiệt, hóa và phát xạ điện từ của vật liệu ống nano các bon đều rất lý
thú và có những ưu điểm vượt trội so với những vật liệu khác có nhiều khả năng ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau.

CNTT-
CB
Tài liệu tham khảo
[1]. GS. Phan Hồng Khôi (2006). “Bài giảng Nhập môn Khoa học và Công nghệ Nano”, Trường Đại Học
Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
[2]. TS. Phan Ngọc Minh và GS. Phan Hồng Khôi. “Bài giảng Vật liệu các bon có cấu trúc nano và một
số ứng dụng ban đầu”, Trường Đại Học Công Nghệ (2006).
[3]. H. S. Nalwa. Handbook of Nanostructure Materials and Nanotechnology, Volume 5: Organics,
Polymers, and Biological Materials, Copyright 2000 by Academic Press.
[4]. S.Iijima. Physcal B 323 (2002), 1-5.
[5]. M. Daenen(N), R.D. de Fouw (ST), B. Hamers (ST, Treasurer), P.G.A. Janssen(ST), K. Schouteder