class="bi x0 y0 w1 h1"
class="bi x1 y1 w1 h1"
iii Mục lục
Lời cảm ơn i
Lời cam đoan ii
Mục lục iii
Danh mục các bảng v
Danh mục các hình vẽ vi
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

60
(một dạng của fullerene)
Hình 1.4. Cấu trúc của ống đơn tường SWCNTs và đa tường MWCNTs
Hình 1.5. Ảnh SEM của CNTs với hạt xúc tác ở đáy ống và ở đầu ống
Hình 1.6. Ảnh TEM các ống carbon nano đa tường
Hình 1.7. Cơ chế mọc ống nano carbon
Hình 1.8. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD
Hình 1.9. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp hồ quang điện
Hình 1.10. Hệ tạo CNTs bằng phương pháp chùm laser
Hình 1.11. Ống nano carbon kiểu armchair có tính chất kim loại và nano
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 4.4. Tỷ số về cường độ ID/IG của ống nano carbon khi chưa chiếu xạ
Hình 4.5. Hệ phổ kế gamma HPGe (CANBERRA, Mỹ)
Hình 4.6. Phổ gamma đặc trưng của ống nano carbon
Hình 4.7. Suất lượng tạo thành các đồng vị phóng xạ trong mẫu ống nano
carbon khi chiếu bởi chùm photon hãm năng lượng cực đại 60 MeV.
Hình 4.8. Ảnh SEM của CNTs (a) ban đầu và (b) sau khi được chiếu bằng bức
xạ hãm.
Hình 4.9. Phổ Raman 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
(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 4.13. Độ dịch tần số của (a) đỉnh D và (b) đỉnh G và ( c) tỷ lệ về cường
độ đỉnh của CNTs chưa chiếu, và sau khi chiếu bằng tia X, tia Gamma, khi tăng
cường độ laser từ 3 đến 60 kW/cm
2
và giảm cường độ laser từ 60 xuống 3
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.

Mặc dù có nhiều tính chất đặc biệt, nhưng không dễ dàng để phân tích ống
nano carbon bằng phương pháp quang phổ, do vậy điều này đã cản trở việc
nghiên cứu về chúng.
Năm 1993, ống nano carbon đơn tường (SWCNTs- single wall carbon
nanotubes) đã được phát hiện, đó là các ống rỗng đường kính từ 1,5 - 2 nm, dài
cỡ micrômét. Vỏ của ống bao gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo các đỉnh
sáu cạnh rất đều đặn. Sự phát hiện này đã thúc đẩy sự nghiên cứu của các nhà
khoa học trên toàn thế giới. Phương pháp quang phổ Raman là phương pháp đơn
giản, rẻ tiền so với kính hiển vi điện tử, được dùng rộng rãi để nghiên cứu trên
CNTs trong thập kỉ trước.
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

1.2.4. Ống nano carbon (Carbon nanotube) - CNTs
Khác với fullerene, CNTs có dạng hình trụ rỗng và có thể tồn tại ở dạng
đơn tường hoặc đa tương (gồm các ống đơn tường lồng vào nhau). SWCNTs MWCNTs
Hình 1.4. Cấu trúc của ống đơn tường SWCNTs và đa tường MWCNTs

Hình 1.5. Ảnh SEM của CNTs với hạt xúc tác ở đáy ống và ở đầu ống
5
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

Hình 1.8. Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD
Phương pháp lắng đọng hoá học pha hơi thường tạo ra ống nano carbon đa
vách hoặc đơn vách với độ sạch không cao, thường người ta phải phát triển các
phương pháp làm sạch. Phương pháp này có ưu điểm là dễ chế tạo và rẻ tiền.
Một số kỹ thuật CVD tạo CNTs thường được sử dụng là:
- Phương pháp CVD nhiệt.
- Phương pháp CVD tăng cường Plasma.
- Phương pháp CVD xúc tác alcohol.
- Phương pháp CVD nhiệt có laser hỗ trợ.
- Phương pháp mọc pha hơi.
- 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.

dẫn nhiệt của vật liệu của SWCNTs có đạt giá trị trong khoảng từ 20-3000
W/mK ở trên nhiệt độ phòng

[18],so với 400 W/ mK của đồng (Cu ). Có tác giả
còn công bố độ dẫn nhiệt có thể đạt tới 6600 W/mK [
13]. Vì khả năng dẫn nhiệt
tốt này mà CNTs đã được sử dụng cho việc tản nhiệt cho các linh kiện điện tử
công suất cao.
[16]
1.5.3.Tính chất điện
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

có thể phát xạ dòng điện tử lên tới 20µA . Đây là một thuận lợi lớn của vật liệu
CNTs, do vậy chúng được ứng dụng trong các thiết bị phát xạ điện tử
[12].
1.6. Các sai hỏng có thể tồn tại trong mạng của ống nano carbon
Với vật liệu bất kỳ, sự tồn tại của một khuyết tật tinh thể ảnh hưởng đến các
đặc tính vật liệu. Trong CNTs có hai loại khuyết tật chủ yếu.
[1]
+ Một loại là do sai hỏng điểm.
+ Một dạng khuyết tật ống nano carbon là sai hỏng Stone Wales, sai hỏng
này tạo ra 1 cặp ngũ giác và 1 cặp thất giác.
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

Vì CNTs rất bền, cho nên trong tương lai, rất có thể ống nano carbon sẽ được sử
dụng để thay thế cho dây điện kim loại truyền thống.
1.7.2. 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.
Vật liệu CNTs đã được sử dụng cho các thiết bị phát xạ điện tử trường như:
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

1.7.5. Ống nano carbon tạo ra các linh kiện điện tử nano
Hiện nay với sự xuất hiện của ống nano carbon, cùng với khả năng chế tạo
ra các ống carbon có tính chất như là bán dẫn loại p hay loại n. Người ta đã có
thể sắp xếp được các sợi carbon nhỏ nằm gối lên nhau, tại những điểm giao nhau
đó chúng có tác dụng như một điốt. Các điốt này có kích thước rất nhỏ cỡ vài
nm. Tuy nhiên kỹ thuật chế tạo các điốt này khá phức tạp, người ta đã sử dụng
phương pháp dòng chảy để định hướng các sợi carbon. Nghiên cứu gần đây, các
nhà khoa học đã chỉ ra rằng với ống nano carbon có thể chế tạo các linh kiện
hoạt động trên cơ sở những hoạt động của Spin điện tử. Với các dây dẫn thông
thường các điện tử luôn bị tán xạ bởi mạng các ion, hay với chính các điện tử,
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
Hình 2.2. Tán xạ Raman thu được khi kích thích phân tử bằng laser
Hình
2.3 mô tả các quá trình tán xạ khác nhau, trong đó có cả những
phonon. Độ rộng của các mũi tên chỉ ra khả năng của tán xạ. Tán xạ thường xảy
ra nhất là tán xạ Rayleigh, tán xạ này là tán xạ đàn hồi, đây là kết quả của quá
trình phát ra một photon với cùng bước sóng với ánh sáng kích thích. Nếu các
phân tử ban đầu ở trạng thái cơ bản, sau khi tán xạ thì nó ở trạng thái kích thích
cao hơn, quá trình này được gọi là tán xạ Raman Stokes. (Các photon thực hiện
tán xạ không đàn hồi bị mất năng lượng và làm xuất hiện tán xạ Stokes)
Ngược lại, với một phân tử ban đầu ở trạng thái kích thích, sau khi tán xạ
thì nó trở về trạng thái cơ bản, được gọi là quá trình tán xạ Anti-Stoles. (các
Hình 2
.1.
C. V.
Raman
17

photon thực hiện tán xạ không đàn hồi thu năng lượng làm xuất hiện tán xạ anti-
Stokes)
Tiết diện tán xạ Raman là cỡ 10
6
, tiết diện tán xạ phụ thuộc vào số phân tử
ban đầu ở trạng thái kích thích, số phân tử này lại phụ thuộc vào nhiệt độ (theo
phân bố Boltzmann). Như vậy, tỷ lệ cường độ của vạch Stokes/Anti-Stokes
trong phổ Raman có thể được sử dụng để tính toán điều kiện nhiệt độ khi đo đạc.

Hình 2.3. Nguyên lý của quá trình tán xạ raman
2.2. Tán xạ Raman cộng hưởng