BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
BÙI HÙNG THẮNG
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT
LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG
NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
HÀ NỘI - 2015
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1: TS. Phan Tiến Dũng
2: PGS.TS. Phạm Thu Nga
Hà Nội- 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU
BÙI HÙNG THẮNG NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT
LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG
NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng ñiểm
Quốc gia về vật liệu và linh kiện ñiện tử, Viện Khoa học vật liệu ñã giúp tôi
thực hiện phép ño phân tích trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và ðào tạo, Lãnh ñạo Viện Khoa
học vật liệu, Bộ phận ðào tạo sau ñại học ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi làm
luận án nghiên cứu sinh.
Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người
thân trong gia ñình: Cha, mẹ, anh, chị, em ñã chia sẻ những khó khăn, thông
cảm và ñộng viên, hỗ trợ tôi.
Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm ñặc biệt và biết ơn của mình tới vợ
và con, bằng tình yêu, sự cảm thông, quan tâm và chia sẻ, ñã cho tôi nghị lực,
tạo ñộng lực cho tôi thực hiện thành công luận án.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Nghiên cứu sinh Bùi Hùng Thắng LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Ngọc
Minh và TS. Hoàng Anh Sơn. Các số liệu và kết quả trong
luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất cứ
công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25
1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 34
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38
2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng 38
2.1.1. Phương pháp tính toán lý thuyết 38
2.1.2. Phương pháp mô phỏng 38
2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 39
2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo 39
2.2.2. Biến tính vật liệu ống nanô cácbon 40
2.2.3. Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon 41
2.2.4. Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 43
2.3. Các phương pháp phân tích đo đạc vật liệu 44
2.3.1. Hiển vi điện tử quét 44
2.3.2. Phổ tán xạ Raman 45
2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại 45
4.1.2. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman 80
4.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs 81
4.2.1. Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs 81
4.2.2. Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU 87
4.2.3. Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED 97
4.2.4. Giải thích về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs 110
4.3. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113
4.3.1. Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113
4.3.2. Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý 117
4.3.3. Tính toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs 121
KẾT LUẬN CHUNG 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO 132
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH 144
1. Các bài báo và báo cáo liên quan đến luận án 144
1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI 144
EG Ethylene Glycol
DEG Diethylene Glycol
DW
Nư
ớc cất
EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất
STARS Kem tản nhiệt thương mại Stars
AS5 Kem tản nhiệt thương mại AS5
STARS/CNTs
Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs
AS5/CNTs Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
Trang
1 Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác 14
2 Bảng 1.2 Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs 17
3 Bảng 1.3 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 29
4 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng 94
2
, C
2
H
4
và C
2
H
6
5
2 Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) 6
3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng
lục giác (b)
7
4 Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau 9
5 Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon 10
6 Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs 10
7 Hình 1.7 (a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag
(9, 0) và chiral (10, 5)
11
8 Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và
7 cạnh
Ethylen Glycol (EG) vào nồng ñộ % thể tích của CNTs trong
chất lỏng
18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng
cách sử dụng kem tản nhiệt
35
19 Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp
của linh kiện ñiện tử nền PEG chứa thành phần CNTs
35
20 Hình 1.20 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu Indra Vir
Singh cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36
21 Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M. B.
Bryning cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36
22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt
CNTs
40
23 Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng 42
24 Hình 3.1 So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết
quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán
CNTs vào nước cất
64
32 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử theo thời gian
với các nồng ñộ khác nhau về thể tích của CNTs trong chất
lỏng
69
33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu sử dụng chất lỏng chứa
thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất
70
34 Hình 3.11 Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối
lưu dùng trong mô phỏng
71
35 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tốc ñộ tự ñối lưu của dòng chất lỏng trong
hệ thống tản nhiệt theo thời gian hoạt ñộng của linh kiện ñiện
tử ở các công suất nhiệt khác nhau
77
36 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử công suất 50
W trong hệ thống tản nhiệt tự bằng chất lỏng ñối lưu theo thời
gian và nồng ñộ CNTs
78
37 Hình 4.1 Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
79
(c)
85
44 Hình 4.8 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
88
45 Hình 4.9 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
89
46 Hình 4.10 Giao diện phần mềm Speedfan 90
47 Hình 4.11 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS 90
48 Hình 4.12 Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
91
49 Hình 4.13 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự
nhiên
92
50 Hình 4.14 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng quạt
92
51 Hình 4.15 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
93
100
59 Hình 4.23 ðồ thị nhiệt ñộ của chíp LED 50W theo thời gian hoạt ñộng với
các nồng ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất
100
60 Hình 4.24 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho ñèn pha LED công suất 450W
101
61 Hình 4.25 Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công
suất 450W
102
62 Hình 4.26 ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt
chứa CNTs
102
63 Hình 4.27 ðồ thị nhiệt ñộ của ñèn pha LED 450W theo thời gian khi sử
dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng ñộ
khác nhau của CNTs
103
64 Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ñèn LED 450W vào
hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
104
65 Hình 4.29 Sơ ñồ môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần CNTs ñược lắp vào hộp ñèn chiếu sáng công cộng
107
74 Hình 4.38 Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs 114
75 Hình 4.39 Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs 115
76 Hình 4.10 Kết quả phân tích EDX của kem Stars / 2% CNTs 116
77 Hình 4.41 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 / 2% CNTs 117
78 Hình 4.42 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản
nhiệt chứa thành phần CNTs
118
79 Hình 4.43 Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên
CPU
119
80 Hình 4.44 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS /
CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120
81 Hình 4.45 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs
với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120
82 Hình 4.46 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính 122
83 Hình 4.47 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý 122
84 Hình 4.48 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ñơn giản
1
MỞ ðẦU
Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) đã được giới khoa học-công nghệ quan tâm
đặc biệt kể từ khi phát hiện vào năm 1991. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển,
đến nay một số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs đã ra đời với
nhiều tính năng vượt trội. Vật liệu ống nanô cácbon có rất nhiều tính chất độc đáo,
dễ chế tạo nên có tiềm năng ứng dụng rất phong phú. Lý do chính để loại vật liệu
này trở thành trung tâm chú ý là chúng có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học
đặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá.
Vật liệu ống nanô cácbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống,
độ dẫn nhiệt của CNTs biến đổi trong khoảng từ 1800 đến 6000 W/mK. Ngoài khả
năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất cao trong chân
không và trong các môi trường khí trơ (lên đến 2800
o
C). CNTs cũng được biết là
vật liệu dẫn điện linh hoạt với độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. Độ dẫn
của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cặp chỉ số Chiral (n,m). Với
nhiều tính chất ưu việt, vật liệu CNTs khi được đưa vào các nền vật liệu khác sẽ
giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu đó. Chẳng hạn với việc gia
cường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, độ cứng, độ chống mài
mòn, độ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v được
tăng cường mạnh mẽ. Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề
mặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ điện
có điện dung cực lớn, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo
vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất. Với tính chất phát xạ điện tử
mạnh ở điện thế thấp, kích thước bé, vật liệu ống nanô cácbon đã và đang được
nghiên cứu để chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo các
phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện
điện tử công suất lớn (CPU và LED).
– Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thử
nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính.
– Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm để xác định độ dẫn
nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs.
ðối tượng nghiên cứu
Chất lỏng nền hữu cơ ethylen glycol / nước cất chứa thành phần CNTs, kem tản
nhiệt Stars và kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với
phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, trong đó:
- Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tính
toán lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt
của chất lỏng tản nhiệt CNTs với độ chính xác cao hơn khi so sánh với thực nghiệm.
- Phương pháp mô phỏng được sử dụng nhằm dự đoán hiệu quả và tìm hiểu cơ
chế tản nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs trong các hệ thống tản nhiệt cho linh
kiện điện tử công suất lớn. Phương pháp mô phỏng được thực hiện thông qua việc chia
hệ thống tản nhiệt cho linh kiện thành nhiều phần nhỏ và chia thời gian làm nhiều phần
đủ ngắn, sau đó tiến hành thiết lập các phương trình động lực học, truyền nhiệt và trao
đổi nhiệt dựa trên ngôn ngữ Visual Basic hoặc C để thu được kết quả mô phỏng.
3
- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với các
nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo chất lỏng nền ethylene glycol/nước cất chứa
thành phần ống nanô cácbon, chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon
và thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử
công suất (CPU và đèn LED).
Bố cục và nội dung của luận án
Công nghệ Việt Nam.
4
Những ñóng góp mới của luận án
Luận án đã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của
chất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs, mô hình tính toán cho kết quả phù hợp
với kết quả thực nghiệm đã công bố trên các tạp chí quốc tế.
Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thành
phần CNTs và thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện điện tử
công suất (CPU và đèn LED). 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG
1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon
1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình
Nguyên tố cácbon đứng ở vị trí thứ 6, thuộc chu kỳ thứ 2 và nhóm 4B trong bảng
tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu tạo của nguyên tử cácbon C
12
(dạng đồng vị phổ
biến nhất của nguyên tố cácbon) gồm có 6 proton, 6 nơtron và 6 điện tử, nguyên tử
lượng của cácbon là 12. Cấu hình điện tử của cácbon là 1s
2
2s
2
2p
1
, sp
2
, sp
3
tồn tại trong các dạng vật chất
khác nhau của cácbon.
[1]
Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp
1
, sp
2
và sp
3
và ñịnh hướng trong không gian và sự
tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C
2
H
2
, C
2
H
4
H
6
Phân tử C
2
H
46
Trong tự nhiên, cácbon xuất hiện ở ba dạng thù hình tiêu biểu đó là than, graphit
và kim cương. Dạng thù hình phổ biến nhất xét về mặt số lượng đó là than, có màu
đen, dễ cháy, xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên như than đá, than cốc,
than nâu, than gỗ, v.v
[1]
Dạng thù hình phổ biến thứ hai xét về mặt số lượng đó là graphit, đây là dạng thù
hình dẫn điện tốt của cácbon. Người ta cũng có thể coi graphit như là một dạng đặc
biệt của than, vì vậy nó còn được gọi với một tên khác là “than chì”. Graphit có hàm
lượng cácbon cao xấp xỉ 100%. Về mặt cấu trúc, các nguyên tử cácbon trong graphit
được sắp xếp theo các lớp, mỗi lớp có cấu trúc tinh thể như một mạng tổ ong (hình lục
giác) với đỉnh là các nguyên tử cácbon. Các nguyên tử cácbon trong graphit liên kết
với nhau bằng hai liên kết đơn (σ) và một liên kết đôi (π). Trong hầu hết dạng tinh thể
lục giác, các lớp graphit nằm song song với cấu trúc xếp lớp ABA,… hay còn gọi là
đống Bernal như mô tả trên hình 1.2. Trong cùng mặt phẳng, khoảng cách gần nhất
của hai nguyên tử cácbon a
C-C
là 0,142 nm, hằng số mạng của mặt tinh thể là a
0
trúc tinh thể cơ bản là lập phương và lục giác với nhiều tính chất cơ lý ưu việt. Trong
dạng cấu trúc tinh thể lập phương, mỗi nguyên tử cácbon được liên kết với bốn nguyên
tử cácbon khác bằng bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp
3
trong một mạng tứ diện với
độ dài liên kết C-C khoảng 0,1544 nm. Cấu trúc tinh thể kim cương dạng này là cấu
trúc lập phương tâm mặt (FCC), với một ô cơ sở có hai nguyên tử, nguyên tử thứ nhất
có ở vị trí (0,0,0), nguyên tử cácbon thứ hai ở vị trí (1/4, 1/4, 1/4) và hằng số mạng là
a
0
=3,567 Ǻ. Trong dạng cấu trúc tinh thể lục giác (wurzite), độ dài kiên kết C-C vào
khoảng 0,152 nm. Kim cương có cấu trúc tinh thể lục giác cũng được gọi với một tên
khác là kim cương sáu phương (lonsdaleite), chỉ được tìm thấy ở một số thiên thạch.
Hình 1.3 mô tả cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương và dạng lục giác.
[1]Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b)
[1]
1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ gần đây đã
khám phá ra một loạt các cấu trúc mới của nguyên tố cácbon, đó là vật liệu cácbon cấu
trúc nanô. Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể độc đáo, sở hữu nhiều tính chất vật lý,
hóa học, cơ học ưu việt. Chính vì vậy, cácbon cấu trúc nanô là đối tượng được tập
trung nghiên cứu mạnh mẽ trên cả hai phương diện, khoa học cơ bản và khoa học ứng
8
dụng. Vật liệu cácbon cấu trúc nanô là tập hợp một số các dạng thù hình tiêu biểu của
các nguyên tử cácbon phân bố mắt lưới ngũ giác, lục giác với hình dạng phổ biến là
hình cầu. Cũng như nanô kim cương, vật liệu fullerene có nhiều tính chất lý thú xuất
phát từ cấu trúc tinh thể kỳ lạ của nó.
Carbon nanotubes (CNTs) được phát hiện đầu tiên từ năm 1991
[4]
. Kể từ đó đến
nay, có hàng vạn công bố về vật liệu này trên phương diện khoa học cũng như ứng
dụng của nó trong vật liệu điện tử, vật liệu tổ hợp (composite), vật liệu tích trữ năng
lượng.
[104-110]9
Vật liệu graphene là dạng thù hình mới nhất của cácbon được tạo ra trong phòng
thí nghiệm (2004)
[5]
. Có thể nói rằng những gì xảy ra đối với ống nanô cácbon dường
như đang lặp lại với graphene từ sự kỳ vọng, tính chất kỳ lạ và đặc biệt là tiềm năng
ứng dụng trong linh kiện điện tử, quang điện tử và tích trữ năng lượng. Chỉ sau 6 năm
kể từ khi được tìm thấy, hai nhà khoa học khám phá ra nó đã nhận giải thưởng Nobel
vật lý danh giá (2010), qua đó chúng ta có thể hình dung được tính hấp dẫn, tiềm năng
hứa hẹn của vật liệu graphene.
Hình 1.4 mô tả tổng thể về “gia đình” vật liệu cácbon ở các dạng hình thù và cấu
trúc khác nhau.
Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau
[1]
1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon
cácbon, nhiều công bố sau đó khẳng định rằng CNTs đã được ngẫu nhiên tạo ra trước
thời gian đó nhưng chưa được quan tâm chú ý.
[6]
Khác với fullerene có cấu trúc dạng cầu hoặc elip rỗng, ống nanô cácbon (CNTs)
có dạng hình trụ dài. Trạng thái lai hóa của các nguyên tử cácbon trong CNTs là sp
2
.
Quan sát CNTs bằng kính hiển vi điện tử cho thấy đó là những ống rỗng, dài, đường
kính từ một vài nanomet đến hàng chục nanomet, chiều dài có thể đến micromet. Với
cấu trúc hình học như vậy, CNTs có tỉ lệ chiều dài / đường kính và diện tích bề mặt rất
lớn. Một cách đơn giản để hình dung, CNTs có cấu trúc giống như lá graphit cuộn tròn
(hình 1.5).
Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon
[7]
Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphit, ống nanô cácbon được chia thành hai
loại cơ bản đó là ống cácbon đơn tường (Single Wall Carbon Nanotubes - SWCNTs)
và ống cácbon đa tường (Multi Wall Carbon Nanotubes - MWCNTs).
Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs
[8]
Copyright: Tài liệu đại học ©