BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN QUANG LỊCH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON BẰNG
PHƯƠNG PHÁP CVD ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN KHÍ NH3
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN QUANG LỊCH
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ỐNG NANO CACBON BẰNG
PHƯƠNG PHÁP CVD ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN KHÍ NH3
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS Nguyễn Hữu Lâm
Hà Nội – 2016
tôi hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày..…tháng..…năm 2016
Tác giả
Nguyễn Quang Lịch
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................................... 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... 3
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ỐNG NANÔ CÁC BON
1.1 Giới thiệu về ống nanô các bon ................................................................................. 13
1.1.1 Lịch sử phát hiện ................................................................................................ 13
1.1.2 Cấu trúc của ống nanô các bon ........................................................................... 15
1.2 Một số tính chất của ống nanô các bon ..................................................................... 17
1.2.1 Tính chất cơ học ................................................................................................. 17
1.2.2 Tính chất điện ..................................................................................................... 18
1.2.3 Tính chất nhạy khí và khả năng hấp phụ ............................................................ 20
1.3 Cơ chế hình thành ống nanô các bon ......................................................................... 22
1.3.1 Cơ chế hình thành CNT không có hỗ trợ xúc tác ............................................... 22
1.3.2 Cơ chế hình thành CNT có sự hỗ trợ của hạt xúc tác ......................................... 23
1.4 Một số phương pháp tổng hợp ống nanô các bon...................................................... 24
1.4.1 Phương pháp phóng điện hồ quang .................................................................... 24
1.4.2 Phương pháp tổng hợp bằng chùm tia laze......................................................... 25
1.4.3 Phương pháp nghiền bi và ủ nhiệt ...................................................................... 26
1.4.4 Phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) ............................................... 26
1.5 Một số phương pháp làm sạch CNT .......................................................................... 28
3.1.1 Nghiên cứu và chế tạo điện cực cảm biến khí .................................................... 62
3.1.2 Tạo màng nhạy khí – tổng hợp CNT trên điện cực răng lược ............................ 67
3.2 Kết quả khảo sát cảm biến khí trên cơ sở CNT thuần ............................................... 69
3.2.1 Kết quả khảo sát trên điện cực Pt đế SiO2/Si ..................................................... 69
3.2.2 Kết quả khảo sát trên điện cực Pt đế Al2O3 ........................................................ 85
CHƯƠNG 4 TĂNG CƯỜNG TÍNH NHẠY KHÍ NH3 TRÊN CƠ SỞ MÀNG CNT
PHỦ NANÔ KIM LOẠI
4.1 Hình thái cấu trúc của lớp màng nhạy khí CNT phủ các hạt nanô của một số kim loại
(Co, Ag, Pt và Au) ........................................................................................................... 91
4.2 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của lớp màng nhạy khí CNT phủ các hạt nanô
của một số kim loại (Co, Ag, Pt và Au) .......................................................................... 95
4.3 Đặc trưng nhạy khí của cảm biến trên cơ sở màng CNT phủ các hạt nanô của một số
kim loại (Co, Ag, Pt và Au) ........................................................................................... 100
4.3.1 Kết quả khảo sát đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT phủ 2 nm kim loại Co,
Ag, Pt và Au .............................................................................................................. 100
4.3.2 Kết quả khảo sát đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT phủ 4 nm kim loại Co,
Ag, Pt và Au .............................................................................................................. 108
4.3.3 So sánh đặc trưng nhạy khí của vật liệu CNT/(Co, Ag, Pt, Au)4nm và CNT/(Co,
Ag, Pt, Au) 2 nm ........................................................................................................ 114
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 131
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký hiệu
Tên tiếng Anh – Tên tiếng Việt
Field Effect Transistor - Transitor hiệu ứng trường
FED
Field Emission Display – Hiển thị phát xạ trường
G-band
Field Emission Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử
quét phát xạ trường
Dải G trong phổ Raman
LPG
Liquefied Petroleum Gas - Khí ga hóa lỏng
MWCNT
Multi Walled Carbon Nanotube - Ống nanô các bon đa vách
NP
Nanoparticle - Hạt na nô
RBM
Radical Breathing Mode - Mode dao động xuyên tâm của phổ Raman
FE-SEM
X-ray Diffraction - Nhiễu xạ tia X
1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1
Mối quan hệ giữa góc θ và Ch.
17
Bảng 1.2
Tính chất cơ học của CNT và một số vật liệu thông dụng.
19
Bảng 2.1
Bảng so sánh cơ chế hoạt động theo kiểu biến điệu rào thế
SB và cơ chế truyền điện tích của cảm biến khí NH3 trên cơ
sở CNT.
57
Bảng 3.1
Ảnh HRTEM của MWCNT của S. Iijima chụp năm 1991: (a) 5
14
13
13
vách, (b) 2 vách, (c) 7 vách.
Hình 1.5
Cấu trúc mạng graphit hai chiều cuộn lại thành SWCNT và các
16
cấu trúc CNT.
Hình 1.6
Tính chất điện của SWCNT phụ thuộc vào chỉ số (n, m).
Hình 1.7
Đường hấp phụ đẳng nhiệt của N2 (hình vuông) và O2 (hình tròn)
19
20
của SWCNT tại nhiệt độ 77,3 K. Ký hiệu HT và AG là SWCNT
đã xử lý nhiệt và chưa xử lý nhiệt, V là phần trăm thể tích khí hấp
phụ trên khối lượng mẫu, p/p0 là áp suất riêng phần của khí bị hấp
Hình 1.12
Cơ chế một đầu mở: các phân tử dimmers C2 và các phân tử
22
trimers C3 bị hấp thụ để hình thành cấu trúc CNT.
Hình 1.13
Mô hình và ảnh SEM của CNT hình thành và mọc với (a) hạt xúc
tác ở đỉnh và (b) hạt xúc tác ở đáy.
3
23
Hình 1.14
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị tổng hợp CNT bằng phương pháp hồ
24
quang.
Hình 1.15
H
.
34
CNT phát xạ là 20 µm.
Hình 1.21
Sơ đồ minh họa cấu trúc lai CNT và graphen ứng dụng làm vật
34
liệu lưu trữ hydrogen.
Hình 1.22
CNT được sử dụng làm đầu dò trong AFM.
Hình 1.23
Cảm biến sinh học trên cơ sở CNT phủ ADN: a) hình minh họa
35
36
ADN quấn quanh sợi SWCNT, b) đồ thị thể hiện sự phát hiện
nồng độ Hg2+ qua bước sóng của cảm biến.
Hình 1.24
Minh họa cảm biến sinh học trên cơ sở SWCNT: cảm biến phát
37
hiện protein hình a) và cảm biến phát hiện glucose hình b).
Hình 2.5
Ảnh SEM của (a) CNT thuần, sau khi được phủ PANI theo tỷ lệ
4
44
45
(b) 33%, (c) 50%, (d) 67% khối lượng.
Hình 2.6
(a) Độ nhạy khí NH3 đo tại nhiệt độ phòng của MWCNT thuần,
45
PANI và MWCNT/33wt% PANI theo các nồng độ NH3 khác
nhau, (b) độ nhạy khí 150 ppm NH3 của PPY/SWCNT với các tỷ
lệ polymer hóa khác nhau.
Hình 2.7
Ảnh SEM của (a) CNT thuần, (b) CNT phủ Pt, (c) CNT phủ Au,
46
(d) CNT phủ Fe, (e) CNT phủ Co, (f) CNT phủ Ti, (g) CNT phủ
Pd, (h) CNT phủ Ag, (i) CNT phủ Ru.
Hình 2.8
49
Hình 2.13
Đường đáp ứng của IDS với 500 ppm NH3 với VGS = 8V và -8V
50
(a) và giản đồ năng lượng vùng tiếp xúc Au-CNT, NH3 làm giảm
khả năng hoạt động của Au do đó mức Fecmi chuyển dịch từ
đường liền nét lên đường đứt đoạn (b).
Hình 2.14
Mô phỏng linh kiện cảm biến sử dụng MWCNT làm cực dương,
50
tấm thủy tinh cách điện dày 180 µm và cực âm là tấm Al (a); sơ
đồ thực tế thử nghiệm cảm biến khí ion hóa trên cơ sở CNT (b);
ảnh SEM của MWCNT mọc thẳng sử dụng như cực dương (c).
Hình 2.15
Sơ đồ cấu trúc 1: CNTFET có kênh dẫn là CNT nối giữa hai điện
52
cực nguồn và máng (a); cấu trúc 1A: với các điểm tiếp xúc
CNT/Au bị che phủ Si3N4 (b) và cấu trúc 2: lớp tiếp xúc thụ động
Si3N4 nằm ở trung tâm kênh dẫn CNT giữa hai điện cực nguồn và
máng (c).
Thiết bị bốc bay e-beam Model Edwards FL400 và cấu tạo buồng
58
chân không.
Hình 2.20
Cấu tạo của hệ CVD nhiệt kiểu lò ngang sử dụng để tổng hợp
59
CNT.
Hình 2.21
Sơ đồ hệ khảo sát đặc trưng nhạy khí.
Hình 2.22
Buồng chân không và hệ thống gá mẫu của hệ khảo sát đặc tính
59
60
nhạy khí.
Hình 2.23
Bộ cấp và điều khiển nhiệt của hệ đo đặc trưng nhạy khí.
Hình 3.1
65
tạo điện cực và hình ảnh chụp thực tế vị trí mọc của CNT chỉ mọc
trên điện cực Pt.
Hình 3.6
Cảm biến khí trên cơ sở điện cực Pt trên đế Al2O3.
Hình 3.7
Vị trí đặt mẫu điện cực trong lò phản ứng CVD.
6
66
68
Hình 3.8
Quá trình gia nhiệt trong quá trình phản ứng CVD.
Hình 3.9
Cảm biến kiểu điện trở răng lược và màng CNT được tổng hợp
68
70
Ảnh FESEM của CNT được tổng hợp bằng phương pháp CVD tại
74
o
nhiệt độ 750 C trong thời gian 30 phút trên đế SiO2 có chứa điện
cực răng lược Pt . Các ống CNT kết hợp với nhau tạo thành màng
dày (a). Ảnh phóng đại x 10.000 lần (b) và x 150.000 lần (c) của
màng CNT thu được.
Hình 3.14
Phổ Raman của màng CNT nhận được, đỉnh G-band thể hiện tính
75
tinh thể của ống cácbon đa thành, đỉnh D-band thể hiện tính bất
trật tự của cấu trúc.
Hình 3.15
Ảnh TEM của CNT được tổng hợp bằng phương pháp CVD tại
76
nhiệt độ 750 oC trong thời gian 30 phút trên đế SiO2 có chứa điện
cực răng lược Pt, chụp tại hai độ phân giải khác nhau a) thang
200 nm, b) thang 100 nm.
Hình 3.16
Hình 3.19
Ảnh FESEM của CNT chỉ mọc trên vùng điện cực răng lược đế
83
SiO2/Si, tổng hợp tại 725 oC trong thời gian 30 phút với khí
nguồn là C2H2 và khí mang là N2, được tiền xử lý bằng khí NH3
và được ủ nhiệt tại 400 oC chụp tại các vùng khác nhau và các
thang khác nhau: vùng giữa hai điện cực Pt (a), vùng tiếp giáp (b),
CNT chụp trong thang 1 μm và 200 nm (c, d).
Hình 3.20
Đặc trưng nhạy khí NH3 của CNT mọc giữa các điện cực Pt trên
84
đế SiO2 đo tại 50 oC.
Hình 3.21
Hình ảnh CNT mọc trong vùng giữa các điện cực Pt của cảm biến
86
với đế ôxit nhôm (a); CNT trên bề mặt đế ôxit nhôm (b).
Hình 3.22
Đồ thị khảo sát điện trở của CNT phụ thuộc vào nhiệt độ.
Hình 3.23
94
Au) với các thang đo khác nhau.
Hình 4.4
Phổ EDX của CNT sau khi phủ 2 nm Co (a) và 4 nm Co (b).
96
Hình 4.5
Phổ EDX của CNT sau khi phủ 2 nm Ag (a) và 4 nm Ag (b).
97
Hình 4.6
Phổ EDX của CNT sau khi phủ 2 nm Pt (a) và 4 nm Pt (b).
98
Hình 4.7
Phổ EDX của CNT sau khi phủ 2 nm Au (a) và 4 nm Au (b).
99
Hình 4.8
Độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến CNT/Co 2
nm (a); CNT/Ag 2 nm (b); CNT/Pt 2 nm (c) và CNT/Au 2 nm (d)
khi đo liên tục ở vùng nồng độ thấp từ 28 đến 70 ppm.
Hình 4.12
Độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến CNT/Co 2
106
nm (a); CNT/Ag 2 nm (b); CNT/Pt 2 nm (c) và CNT/Au 2 nm (d)
khi đo liên tục ở vùng nồng độ cao.
Hình 4.13
Khảo sát tính chọn lọc khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến
108
CNT/Co 2 nm với các khí LPG và C2H5OH.
Hình 4.14
Độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến CNT/Co 4
109
nm (a); CNT/Ag 4 nm (b); CNT/Pt 4 nm (c) và CNT/Au 4 nm (d)
khi đo từng mức ở vùng nồng độ thấp.
Hình 4.15
Độ đáp ứng khí NH3 ở nhiệt độ phòng của cảm biến CNT/Co 4
Sự phụ thuộc của độ đáp ứng vào nồng độ khí NH3 ở nhiệt độ
phòng của cảm biến CNT/Ag, Co, Pt, Au.
9
116
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu nanô (nano materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu sôi động
trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các
bằng phát minh sáng chế nanô gia tăng theo cấp số mũ. Tính chất hấp dẫn của vật liệu nanô
bắt nguồn từ kích thước rất nhỏ của chúng có thể so sánh với các kích thước tới hạn của
nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Vật liệu nanô nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử
và tính chất khối của vật liệu hoặc có thể có những tính chất mới. Trong thế giới nanô, ống
nanô các bon (CNT) là một trong những vật liệu đặc biệt. Việc ứng dụng vật liệu các bon
nanô vào đời sống đã cho ra đời nhiều sản phẩm. Vì vậy, các nhà khoa học, các nhà sản
xuất luôn theo dõi sát sao về những tính chất, đặc điểm và những ứng dụng tiềm tàng của
nó. Chính điều này làm cho CNT có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ:
dùng làm vật liệu lưu trữ khí, vật liệu dẫn nhiệt, vật liệu điện tử...[22, 35, 38, 41, 66, 68]
hoặc trong lĩnh vực hấp phụ, nhạy các khí độc hại trong môi trường (như NH3, NO2,
CO…) [3, 18, 27, 41, 48, 66, 71, 90, 94].
Trong những năm gần đây, những nghiên cứu trong lĩnh vực cảm biến phát hiện
phân tử khí đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài
nước. Mục tiêu cuối cùng của các nhà nghiên cứu cảm biến khí là tạo ra một thiết bị điện
tử có thể phát hiện từng loại khí có trong môi trường với giới hạn nồng độ phát hiện thấp,
độ nhạy cao, có tính chọn lọc và độ lặp lại cao làm việc ở nhiệt độ phòng. Hiện nay, môi
trường sống ngày càng ô nhiễm với sự xuất hiện của nhiều loại khí độc hại hoặc dễ gây
cháy nổ như: khí ga hóa lỏng (LPG), CO2, NH3, NO2, H2, …, trong số này thì khí NH3 là
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu CNT trong lĩnh vực cảm biến khí hiện ở Việt
Nam đã được một số nhóm quan tâm thực hiện. Nổi bật là nhóm nghiên cứu GS.TS
Nguyễn Văn Hiếu tập trung vào việc khảo sát đặc tính nhạy khí của CNT trên cơ sở kết
hợp với các vật liệu ô xít kim loại; tiếp theo là nhóm PGS.TS Dương Ngọc Huyền khai
thác đặc tính nhạy khí của polymer dẫn kết hợp với vật liệu CNT thuần. Tuy nhiên, các
nhóm nghiên cứu trên đều sử dụng CNT ở dạng thương phẩm có sẵn trên thị trường, chưa
có nhóm nghiên cứu nào theo hướng tổng hợp trực tiếp vật liệu CNT lên điện cực cũng
như theo hướng tăng cường độ nhạy khí của cảm biến trên cơ sở CNT phủ nanô kim loại.
Việc phát triển công nghệ mọc trực tiếp ống nano các bon lên điện cực cho chế tạo cảm
biến khí có nhiều ưu điểm so với các phương pháp gián tiếp như phân tán CNT trong các
dung môi thích hợp rồi phủ lên điện cực bằng phương pháp nhỏ phủ hoặc quay phủ truyền
thống. Phương pháp mọc trực tiếp đơn giản, có thể chế tạo số lượng lớn, bề mặt CNT
không bị nhiễm bẩn, CNT bám dính tốt trên điện cực nên khá bền với các rung động cơ
học.
11
Do vậy, tác giả hy vọng những nghiên cứu của mình sớm được áp dụng vào thực
tiễn và là cơ sở để cho các nghiên cứu khác tiếp bước nhằm thúc đẩy lĩnh vực cảm biến khí
ngày càng phát triển và lớn mạnh.
5. Những đóng góp mới của Luận án:
Luận án đã trình bày kết quả tổng hợp chọn lọc CNT tại các vị trí chọn trước cho
ứng dụng nhạy khí. Cảm biến trên cơ sở vật liệu CNT có khả năng làm việc ở nhiệt độ
phòng, tuy nhiên độ đáp ứng tại nhiệt độ phòng không cao, việc nâng cao độ nhạy của cảm
biến tại nhiệt độ phòng có ý nghĩa thực tiễn lớn lao. Nâng cao độ đáp ứng của CNT ở nhiệt
độ phòng bằng việc chức năng hóa bề mặt CNT bằng các hạt kim loại xúc tác.
Các kết quả khảo sát tính nhạy khí trên cơ sở vật liệu CNT phủ một số kim loại
(Co, Ag, Pt, Au) là mới so với trên thế giới. Các bài báo công bố về kết quả này của nhóm
Hình 1.2 Cấu trúc của kim cương [39].
Năm 1985, ba nhà khoa học Curl, Kroto và Smalley đã tìm ra một dạng thù hình
mới của các bon đó là fulơren (C60) khi quan sát bột than tạo ra do phóng điện hồ quang
giữa hai điện cực graphit bằng kính hiển vi điện tử [57]. Fulơren C60 có dạng hình cầu
giống như quả bóng, cụ thể C60 gồm 60 nguyên tử các bon nằm ở đỉnh các đa giác (hình
1.3), kết nối với nhau theo các hình lục giác kiểu như lá graphen nhưng gói lại như bề mặt
bên ngoài của quả bóng đá. Khi gói lại như vậy một số hình lục giác bị co lại chuyển thành
hình ngũ giác.
13
Năm 1990 Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than hình thành từ việc
phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit ngoài C60 còn có hai dạng thù hình khác đó
là C70 và C80 [56]. Về sau người ta còn tìm thấy các phân
tử C76, C84, C90, C94… cơ bản cũng có cấu trúc như cái
lồng nhưng to hơn, không thật gần hình cầu như C60 nên
đều gọi là fulơren. Các nhà khoa học tìm ra fulơren đã
được trao tặng giải Nobel hoá học năm 1996 [40]. Năm
1991, Sumio Iijima làm việc ở hãng NEC (Nhật) khi quan
sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
(HRTEM) trên sản phẩm được hình thành trong quá trình
phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit đã phát
Hình 1.3 Cấu trúc của fulơren
C60 [39].
hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực catốt [43],
graphen rộng đến 100 micromet mỗi chiều. Đó là lần đầu tiên có được tinh thể hai chiều
mỏng nhất của các bon, mỏng đến mức là lớp một nguyên tử. Năm 2010, với công trình
này, giáo sư Andre Geim và tiến sỹ Konstantin Novoselov đã vinh dự được trao giải
Nobel về Vật lý.
Trong thang nanô, khi tinh thể có một chiều co lại đến mức nhỏ nhất, không thể
nhỏ hơn được nữa (cấu trúc này được gọi là cấu trúc 2 chiều -2 D) khi đó có rất nhiều hiệu
ứng mới xảy ra. Nhiều lý thuyết về tinh thể hai chiều này được xây dựng và có điều kiện
để kiểm nghiệm thực tế và hiện nay thế giới đã bắt đầu có các linh kiện gọi là linh kiện
graphen. Người ta thấy trong graphen, điện tử chuyển động linh hoạt hơn là trong silic (Si),
trong đó có chuyển động dị thường như chuyển động theo kiểu đạn đạo (ballistic).
Cũng giống như nguyên tố Si đã tạo ra kỷ nguyên Si từ những nguyên tố bình
thường nhất và vật liệu phổ biến nhất là cát, những điều lạ lùng và hay của tự nhiên là
fulơren, ống nanô các bon và graphen, những vật liệu nanô hiện đại nhất này lại bắt nguồn
từ nguyên tố bình thường nhất là các bon, có mặt phổ biến trên Trái đất.
1.1.2 Cấu trúc của ống nanô các bon
1.1.2.1 Cấu trúc của ống nanô các bon đơn vách
Để đơn giản, có thể tưởng tượng ống nanô các bon đơn vách (SWCNT) được tạo
thành từ việc cuộn một lá graphen và dán lại, những cách cuộn khác nhau sẽ thu được các
SWCNT có cấu trúc khác nhau như hình 1.5 [24]. Tuy nhiên, thực tế SWCNT thường có
hai vùng cấu trúc liên kết khác nhau dẫn đến có tính chất vật lý và hoá học tại hai vùng đó
khác nhau. Vùng đầu ống có cấu trúc tương tự như phân tử Fulơren C60 tạo thành từ việc
ghép các hình lục giác và ngũ giác với nhau. Mỗi hình lục giác được bao quanh bởi 6 hình
ngũ giác và để tạo thành mạng kín thì cấu trúc phải là bội số của 12 hình ngũ giác. Vùng
thân ống có cấu trúc hình trụ và được tạo nên từ việc liên kết những hình lục giác tạo thành
ống. Cấu trúc của SWCNT có thể khảo sát chi tiết bằng kính hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) và kính hiển vi quét hiệu ứng xuyên hầm (STM).
Về mặt toán học, SWCNT được đặc trưng bởi đường kính của ống và góc θ (góc
chiral)- góc giữa véctơ cuộn Ch (còn gọi là véctơ chiral – trên hình 1.5) và véctơ cơ sở a1
của mạng hai chiều graphit.
và được xác định thông qua cặp số (n, m) theo hệ thức:
m
m 2n
θ = tan-1[ 3
]
(1.3)
Với các giá trị n, m và θ khác nhau sẽ tạo nên ba dạng cấu trúc khác nhau của ống
là: ghế bành (armchair), ziczac (zigzag) và xoắn (chiral) như trong bảng 1.1.
Đường kính d của SWCNT được đặc trưng bởi cặp số (n, m) xác định theo hệ thức
sau:
d=
Ch
=
3
ac
c
(n2 nm m2 )
(1.4)
300
(n, n) ; (2n, -n)
Zigzag
00
(n, 0)
Chiral
00≤ θ ≤300
(n, m)
Tính chất vật lý và hoá học của SWCNT có mối liên hệ chặt chẽ với cấu trúc của
nó. CNT có tính dẫn điện của kim loại hoặc vật liệu bán dẫn phụ thuộc vào véctơ chiral (n,
m). Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy những ống có cấu trúc dạng ghế bành có tính chất
của vật liệu kim loại, trong khi tính chất điện của cấu trúc dạng ziczac thì phụ thuộc vào
giá trị n và m. Nếu (n-m) chia hết cho 3 thì CNT có tính chất của kim loại còn nếu (n-m)
không chia hết cho 3 thì nó là vật liệu bán dẫn [24].
1.1.2.2 Cấu trúc của ống nanô các bon đa vách
Có hai mô hình được sử dụng để mô tả cấu trúc của ống nano các bon đa vách
(MWCNT). Trong mô hình thứ nhất (mô hình Russian doll): MWCNT gồm nhiều ống
SWCNT đơn lồng vào nhau.
Trong mô hình thứ hai: (mô hình Parchment) MWCNT được mô tả như một graphit
cuộn lại. Khoảng cách giữa các lớp MWCNT tương đương khoảng cách các lớp graphit
trong cấu trúc than chì, xấp xỉ 3,4 Å. MWCNT có đường kính lớn hơn SWCNT và có độ
Độ bền kéo
Khối lượng riêng
(GPa)
(GPa)
(g/cm3)
SWCNT
1054
75
1,3
MWCNT
1200
~150
2,6
Graphit
350
Các công trình nghiên cứu cho thấy vật liệu CNT thực sự là vật liệu có tính chất cơ
học tốt nhất và hứa hẹn sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực, nhiều ngành công
nghệ mới. Đặc biệt là tăng cường tính cơ lý của các vật liệu tổ hợp khi gia cường một
lượng nhỏ vật liệu CNT. Kết quả so sánh một số tính chất cơ học của vật liệu CNT với các
vật liệu khác được nêu trong bảng 1.2.
1.2.2 Tính chất điện
Kể từ khi được phát hiện, tính chất điện của vật liệu CNT đã giành được sự chú ý
của giới khoa học. CNT có kích thước nanô và đặc điểm cấu trúc có tính đối xứng cao, các
hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng quang cũng như các tính chất điện, tính chất từ, tính chất
nhiệt... của CNT rất đặc biệt.
18
Copyright: Tài liệu đại học ©