Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý
MỤC LỤC

Lời mở đầu......................................................Error! Bookmark not defined.
Chương 1: Tổng quan về chế tạo dây nano từ tính bằng phương pháp
điện hóa................................................................................................................. 4
1.1 Giới thiệu về dây nano.......................................................................... 4
1.2 Tế bào điện hóa..................................................................................... 8
1.2.1 Cấu tạo tế bào điện hóa...................................................................... 8
1.2.2 Các loại điện cực................................................................................. 9
1.3 Quá trình lắng đọng ........................................................................... 11
1.3.1 Các tương tác của các ion trong quá trình lắng đọng........................ 11
1.3.2 Độ dày lớp lắng đọng ........................................................................ 12

Chương 2: Các phương pháp kĩ thuật chế tạo dây nanoError! Bookmark not defin
2.1 Kĩ thuật phún xạ. ........................................Error! Bookmark not defined.
2.2 Lắng đọng điện hóa ............................................................................. 15
2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)...................................................... 15
2.4 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM). ..................................................... 18
2.5 Từ kế mẫu rung (VSM). ....................................................................... 20
Chương 3: Kết quả và thảo luận ...................Error! Bookmark not defined.
3.1 Ảnh SEM của lớp màng xốp dùng làm khuôn cho dây nano................. 22
3.2 Kết quả hiển vi điện tử quét của mẫu ................................................... 23
3.3 Kết đo tính chất từ của dây…………………………………………..22
3.4 Kết quả phân tích cấu trúc .................................................................... 26

Vũ Thị Huyền Trang

1

Người ta có thể biến chúng thành những sợi dây rồi bện thành tấm mỏng, và nếu
pha trộn với một vài vật liệu composite, nó có thể làm thay đổi một cách cơ bản
cách thức xây dựng và chiều cao các công trình. Thậm chí, những công trình xây
Vũ Thị Huyền Trang

2


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

dựng này có thể được phủ các tế bào làm bằng vật liệu nano để biến ánh nắng
thành điện năng cung cấp cho nhu cầu năng lượng.
Hiện nay, nhiều nước đang phát triển như Ấn Độ, Nam Phi, Mexico, Thái
Lan, Philippines… đã thực hiện các sáng kiến công nghệ nano để hỗ trợ sự phát
triển của khoa học. Không nằm ngoài quy luật đó, Việt Nam cũng đã và đang
chế tạo các vật liệu nano để sử dụng các ứng dụng của nó. Đặc biệt tập trung vào
y sinh học trong việc phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ…Tại bộ
môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN,
nhóm nghiên cứu chế tạo dây có kích thước nano cũng đã được hình thành và
đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, trong đó nội dung chủ yếu là chế
tạo các dây nano từ tính bằng phương pháp điện hóa. Phương pháp lắng đọng
điện hóa có những ưu việt hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết
bị đắt tiền, nhiệt độ cao, hoặc chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ
phát triển nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Sử dụng phương
pháp này, có thể tổng hợp dễ dàng các dây nano nhiều đoạn bằng cách thay đổi
các dung dịch phù hợp, còn để biến đổi khả năng lắng đọng ta chỉ cần thay đổi
xung điện đưa vào trong quá trình lắng đọng là có thể kiểm soát được. Để tìm
hiểu về phương pháp lắng đọng điện hóa và một số tính chất của dây nano từ

độc hại về sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng
của các hạt từ tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và
công nghệ sinh học, các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể
thực hiện nhiều chức năng. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và
các linh kiện, chúng ta cần phải tuân thủ một số điều kiện như: phải điều kiển
kích thước và hình dạng các hạt. Ngoài ra, các hạt phải được bảo quản trong các
môi trường hoá học hoặc phải giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp
riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến. Dây nano từ tính
là một dạng của hạt từ tính. Dây nano còn gọi là thanh nano, có cấu trúc dị
hướng gần như một chiều với tỷ số rất cao.
Các dây nano từ tính sở hữu các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau
hoàn toàn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối là hạt hình phỏng cầu và màng
mỏng. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim
loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp điện hóa trên các tấm xốp có các lỗ
kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5 đến
500nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60µm. Cần lưu ý rằng
cả dây nano từ đơn thành phần và dây nano từ nhiều đoạn đều được sử dụng
rộng rãi trong cả nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế. Có thể biến đổi các
Vũ Thị Huyền Trang

4


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư,
định hướng trục dễ từ hóa bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần
của các đoạn từ tính/ không từ tính của dây nano nhiều đoạn. Nhiều nỗ lực đã

dụ về mảng dây nano Ni có đường kính khoảng 200nm. Cần lưu ý rằng dây nano
Ni biểu diễn trên hình 1.3 (a) được tạo mảng một cách ngẫu nhiên. Trên hình 1.3
(b) biểu diễn dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70nm. Trong các ứng
dụng y sinh, các dây nano thường bị treo lơ lửng trong các dung dịch.

Hình 1.2: (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) Dây
nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm
1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp
Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện nhiều chức
năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã được nghiên cứu chuyên sâu,
cũng do đó mà khám phá được nhiều chức năng vốn có của chúng. Hình 1.1 cho
thấy rằng có thể phát triển dây nano có nhiều thành phần hóa học liên kết dọc
theo trục chiều dài của chúng. Hình 1.3 (a) biểu diễn một phần dây nano Ni một
đoạn. Cần lưu ý rằng, dây nano một đoạn có thể được làm từ nguyên tố đơn lẻ
Vũ Thị Huyền Trang

6


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

như kim loại, hợp kim hoặc oxit. Hình 1.4 (b) biểu diễn một phần dây nano NiAu hai đoạn. Hình 1.4(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều lớp Co-Cu.

Hình 1.3 (a) Dây Ni một đoạn; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn; (c) Dây nano
nhiều lớp Co-Cu.(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều lớp Co-Cu.

Vũ Thị Huyền Trang


8


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

bằng cách dùng bơm chân không. Các thí nghiệm điện hóa có thể thực hiện trong
túi, hộp đựng, hay chân không của các loại điện cực hoạt tính dễ tiếp xúc với
không khí và hơi nước.

H1-1 (a) Tế bào điện hóa điển hình

b. Điện cực được cô lập

1.2.2 Các loại điện cực
a. Điện cực làm việc
Những điện cực hình đĩa rắn được dùng rất phổ biến trong các thí nghiệm.

H1-2: Điện cực làm việc
Trong đó Platin, hay thủy tinh carbon, vàng, bạc hay các hợp chất vấn
thường được sử dụng làm điện cực này. Việc sử dụng các loại điện cực cacbon
cũng đã được nghiên cứu. Điện cực giọt thủy ngân rất hữu ích cho điện cực hóa
học trong dung dịch nước tại thế âm lớn vì phản ứng của điện cực hydro chậm
hơn so với các điện cực khác. Tuy nhiên, đối với việc làm khan và điện hóa tại
thế dương thì các điện cực rắn được ưu tiên hơn. Điện cực làm việc cần có các
Vũ Thị Huyền Trang

9



Khoa Vật Lý

Các điện cực chuẩn có thể thăng giáng theo thời gian và phải được bảo vệ
cẩn thận.
c. Điện cực đếm
Điện cực đếm là điện cực phụ trong tế bào điện hóa. Các quá trình diễn ra
ở điện cực làm việc và điện cực đếm thường ngược nhau, nếu tại điệc cực làm
việc xảy ra quá trình oxi hóa thì tại điện cực đếm sẽ xảy ra quá trình khử và
ngược lại. Dòng Faraday sinh ra do sự di chuyển điện tử ở điện cực làm việc sẽ
được cân bằng nhờ quá trình ngược diễn ra ở điện cực đếm. Trong hầu hết các
thí nghiệm ta đều đo được dòng sinh ra tại điện cực này là rất nhỏ, hay nói một
cách khác thì sự điện phân diễn ra tại điện cực đếm không làm ảnh hưởng tới quá
trình xảy ra tại điện cực làm việc.
Điện cực đếm được làm bằng các vật liệu có tính trơ như platin, cacbon và
vật liệu được sử dụng nhiều nhất là Pt. Do điện cực được làm bằng vật liệu trơ
nên nó không tham gia phản ứng điện cực chỉ đóng vai trò như vật truyền dấn
điện tử do sự trao đổi điện tử giữa chất oxi hóa và chất khử gây ra. Tức là trong
quá trình điện hóa luôn xảy ra quá trình cho và nhận điện tử, khi chất khử cho
điện tử thì điện cực Pt sẽ dẫn truyền điện tử tới chất oxi hóa nhận điện tử. Thực
tế, để ngăn cản ảnh hưởng của điện cực đếm trong suốt quá trình điện phân ta có
thể làm điện cực đếm có kích thước lớn hơn so với điện cực làm việc cùng với
chất liệu.
1.3 Quá trình lắng đọng
1.3.1 Các tương tác của các ion trong quá trình lắng đọng
Cực dương và cực âm trong bình điện hóa được nối với nhau bởi 1 nguồn
điện xoay chiều, 1 bộ pin hoặc 1 dụng cụ chỉnh lưu. Anot được nối với cực
dương của nguồn, cathot nối với cực âm của nguồn. Khi bộ cấp nguồn bên ngoài
chuyển mạch, kim loại anot bị oxi hóa từ trạng thái bằng không đến một trạng
thái có giá trị xác định. Các cation liên kết với các anion trong dung dịch. Các

độ lắng đọng cũng sẽ như vậy. Mặc dù vậy giới hạn bắt buộc để có độ kết dính là
không đáng kể và chất lượng lớp mạ trong quá trình lắng đọng cũng tốt hơn.
1.3.4 Mối liên hệ giữa dòng xoay chiều và điện áp
Khi điệc cực trở thành một phần của bình điện phân thông qua dòng điện
đang chạy qua thì điện thế này khác với điện thế cân bằng. Nếu điện thế cân
bằng là E, điện thế tại cực điện sẽ là E(I) và sự khac nhau này được tính như sau:
η = E (I) – E và được gọi là sự chênh lệch điện áp.

Vũ Thị Huyền Trang

12


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

1.3.5 Hiệu suất dòng xoay chiều
Khi có 2 hay nhiều phản ứng xảy ra đồng thời một lúc tại điện cực, số
culong đi qua điện cực phù hợp với tổng số culong cân bằng của mỗi phản ứng.
Ví dụ trong quá trình lắng đọng của Cu trong dung dịch đồng nitrat tron axit
nitric loãng, có 3 phản ứng xảy ra tại cực âm đó là quá trình lắng đọng đồng. Đó
là sự giảm bớt của ion đồng , sự giảm bớt ion nitrat và hydrogen. Hiệu suất dòng
xoay chiều CE của jth, quá trình lắng đọng được xác định như là số culong cần
tìm trong phản ứng. Qj được chia ra bởi tổng số culong đi qua Q tổng.
CE= Qj / Qtổng

CHƯƠNG 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP KĨ THUẬT CHẾ TẠO DÂY NANO
Vũ Thị Huyền Trang


14


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

2.2 Lắng đọng điện hóa

Khuôn có kích
thướcnano

Lắng đọng
Điện cực so sánh

Điện cực đếm

Chất điện phân

+
Màng xốp
(khuôn)
Điện cực
làm việc

-

Hình2-2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa chế tạo dây nano
Sử dụng hệ điện hóa ba cực để chế tạo các dây nano, thí nghiệm được thực

thành một tâm tán xạ. Các tia X bị tán xạ giao thoa với nhau tạo nên các vân giao

Vũ Thị Huyền Trang

16


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

thoa có cường độ thay đổi theo θ. Điều kiện để có cực đại giao thoa được xác

định theo công thức Bragg:

2dhkl . sinθ = nλ

Trong đó:
phản xạ.

+ d : Khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử tham gia

+ θ : Góc phản xạ.

+ λ : Bước sóng tia X.
+ n :Số bậc phản xạ.
+ h,k,l : Các chỉ số Miller.
Về mặt định lượng, dựa trên những đỉnh có mặt phổ nhiễu xạ ta có
thể xác định được hằng số mạng a,b và của tinh thể theo công thức:
h2

nhau sẽ cho thông tin về cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng…), thành
phần pha của mẫu và nhiều thông tin khác nhau của mẫu đo.

H2-3 (c) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRAY)
2.4 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề
mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng

Vũ Thị Huyền Trang

18


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

của chùm tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng của chùm tia điện tử
nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng vùng khả biến.

H2-4 (a) Tương tác chùm điện tử với chất rắn.
Điện tử được tăng tốc bằng điện trường có vận tốc v tương ứng với bước
sóng De Broglie với bước sóng : λ =

h
mv

Chùm điện tử bị tán mạnh khi đi vào trường thế biến thiên đột ngột do
đám mây điện tử mang điện tích âm và hạt nhân và nguyên tử mang điện tích
dương. Mỗi nguyên tử cũng trở thành tâm tán xạ của chùm điện tử. Nhiễu xạ

Vũ Thị Huyền Trang

20


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

H 2.5 (a) Máy đo từ kế mẫu rung (VSM).

H 2.5 (b) Mô hình từ kế

mẫu rung.
Hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây đo tỷ lệ với mô men từ mẫu M của
mẫu.Trên cơ sở đó có thể xác định được từ độ của mẫu.
Máy VSM được sử dụng trong nghiên cứu này là loại Lake Shore 7400,
đặt tại Trường Đại học quốc gia Chungnam, Hàn quốc.

Vũ Thị Huyền Trang

21


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

CHƯƠNG 3:
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.2 Kết quả hiển vi điện tử quét của mẫu
Mẫu sau khi lắng đọng 30 phút được cắt ra và đem đi đo theo mặt cắt
ngang của màng xốp, ta thu được kết quả như hình 3.2

Vũ Thị Huyền Trang

23


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

Hình3-2 Ảnh SEM bề mặt cắt ngang của tấm màng xốp đối với dây lắng đọng
trong 30 phút
Từ hình 3.2 chụp được 1 phần của đoạn cắt ngang của mảng dây nano Co
với chiều dài dây nano chưa hoàn chỉnh không được đều nhau với các đường
kính khoảng 200 nm, và chiều dài khoảng hơn 5 µm. Từ kết quả trên ta có thể
đánh giá kích thước của dây lớn hơn kích thước của khuôn ban đầu, điều đó có
thể dự đoán trong quá trình lắng đọng dây có thể bị giãn ra hoặc dây bị một lớp
polymer bám xung quanh khi lắng đọng.

Vũ Thị Huyền Trang

24


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý


4000

6000

Field(Oe)
0.004
0.003

Moment (emu)

0.002
0.001
0.000
-0.001
-0.002

15 phút

-0.003
-0.004
-4000

-2000

0

2000

4000


Kết quả đo VSM với từ trường ngoài đặt vuông góc với màng xốp (mầu
đỏ) và song song với màng xốp (mầu đen)
Vũ Thị Huyền Trang

25