Chế tạo và ứng dụng ống nanô các bon trên mũi nhọn kim loại wônfram

  • Số trang: 65 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 25 |
  • Lượt tải: 0
sakura

Đã đăng 9571 tài liệu

Mô tả:

DẠI IIỌC' Ọ l ỉ ỏ c ( Í I A I IA NỌ1 T R Ư Ờ N G DẠI H Ọ C C Ô N G N G H Ẹ PH AN NGỌC’ HÓ N G CHÉ TAO VÀ ỬNG DỤNG ÓNG NANÔ CÁC BON TRỂN MŨI NHỌN KIM LOẠI W ỒNFRAM • « C h u y ê n n g à n h : V ậ t liệ u v à L i n h k iệ n n a n ỏ ( C h u y ê n n g à n h đ à o tạ o th í d iê m ) LUẬN V Ả N THẠC Sĩ NGƯỜI HƯỞNG DÁN KHOA HỌC; PGS. TS. Phan N gọc M inh Hà N ội - 2009 M ỤC LỤC L ờ i cam đoan M ụ c lụ c D a n h m ụ c c á c k ý h iệ u , c á c c h ừ v i ế t tắ t D a n h m ụ c cá c bảng D a n h m ụ c c á c h ìn h v è , đ ồ th ị M Ở ĐÀU Chương 1 - TỐ N G Q UAN 1.1 T ổ n g q u a n v ề k ỹ th u ậ t h iể n v i q u é t đ ầ u d ò S P M .................................................3 1. 1. 1 H iể n v i đ iệ n tử q u é t x u y ê n h ầ m ....................................................................................4 1 . 1 . 2 H iể n v i lự c n g u y ê n t ử A F M .............................................................................................. 8 1 . 1 . 3 H iể n v i q u a n g h ọ c tr ư ờ n g g ầ n .....................................................................................10 1 .2 T ổ n g q u a n v ề v ậ t liệ u ố n g n a n ô c á c b o n ......................................................................11 1. 2. 1 C á c b o n v à c á c d ạ n g th ù h ìn h c ủ a n ó t r o n g t ự n h iê n .......................... 11 1 . 2 . 2 Ố n g n a n ô c á c b o n ...................................................................................................................... 15 1 . 2 . 3 M ộ t s ố t ín h c h ấ t c ủ a v ậ t liệ u ố n g n a n ô c á c b o n ......................................18 1 . 2 . 4 Ý tư ở n g s ử d ụ n g ố n g n a n ô c á c b o n là m đ ầ u d ò tr o n g h iể n v i đ iệ n t ử q u é t x u y ê n h ầ m S T M ................................................................................. 2 4 C h ư ơ n g 2 - T H ự C N G H IỆ M 2 .1 C h ế tạ o m ũ i n h ọ n w b ằ n g p h ư ơ n g p h á p ă n m ò n đ iệ n h ó a ................... 2 6 2 . 1 . 1 C ơ s ở l ý t h u y ế t .............................................................................................................................. 2 6 2 . 1 . 2 T h ự c n g h iệ m c h ế tạ o m ũ i n h ọ n w 2 .2 T ạ o x ú c tá c F e trê n đ ìn h m ù i n h ọ n .......................................................................... 2 7 w bằng p h ư ơ n g pháp m ạ đ i ệ n ..................................................................................................................................................................... 2 9 2 . 2 . 1 C ơ s ở l ý t h u y ế t .............................................................................................................................. 2 9 2 .2 .2 T h ự c n g h iệ m tạ o x ú c tá c F e .......................................................................................... 2 9 2 .3 T ạo ổ n g n an ô cá c bon trên mùi n h ọ n w c ó x ú c tác Fe.................................................................................................................. 31 2.3.1 Nguyên lý tổng hợp ống nanô cácbon............................................31 2.3.2 Thực nghiệm tổng hợpống nanô cácbon trên mũi nhọn w có xúc tác Fe............................................................................................ 32 Chiưo-ng 3 - KẾT QUÀ VÀ THẢO LUẬN r 9 _ \ 3.1 Kêt quả chê tạo mũi nhọn w băng phương pháp ăn mòn điện hóa ....................................................................................................... 34 3.2 Kết quả tạo xúc tác Fe trên mùi nhọn w bằng phương pháp mạ điện .......................................................................................................38 3.3 Kết quả tổng hợp ống nanô cácbon..................................................45 Chiương 4 - THỬ NGHIỆM s ử DỤNG ÔNG NANỘ CÁC BON TRÊN MŨI NHỌN KIM LOẠI w LÀM NGUỒN PHÁT XẠ ĐIỆN TỪ VÀ ĐÀU DÒ STM 4.1 Đặc trưng phát xạ điện tử và khả năng ứng dụng..........................47 4.2 Thử nghiệm ứng dụng ống nanô các bon trên mũi nhọn kim loại w làm đầu dò STM..........................................................................50 KÉT LUẬN DANH MỰC CỐNG BÓ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIÉT TẤT SPM STM AFM MFM SNOM SEM TEM EDX PZT NA w CNTs SWCNT MWCNT HF-CVD Kính hiện vi quét đầu dò Kính hiển vi điện tử quét xuyên hầm Kính hiển vi lực nguyên tử Kính hiện vi lực từ Kính hiển vi quang học quét trường gần Kính hiện vi điện tử quét Kính hiển vi điện từ truyền qua Phổ phân tích thành phần nguyên tố theo năng lượng Gốm áp điện Khẩu độ phân dải thấu kính Wônfram Ống nanô cácbon Ống nanô cácbon đơn tường Ống nanô cácbon đa tường Lắng đọng pha hơi hóa học sự dụng sợi đốt làm nguồn nhiệt DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MUC • . So sảnh tính chảt c ơ cùa C N T s v ớ i m ộ t s ổ vật liệu khác 3 .1 . Giá trị dòng điện theo thời gian ăn mòn với điện thế nguồn B ảng 1 .1 Bảng 5V B ả n g 3 .2 . 23 34 Giá trị dòng điện theo thời gian ăn mòn với điện thế nguồn 12V B ả n g 3 .3 . Trang 34 Bàng s o liệu kết quci phân tích phổ EDX tại vùng không cỏ hạt xúc tác B ả n g 3 .4 . Bảng số liệu kết quả phân tích phổ EDX tại vùng có hạt xúc tác 43 43 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ DANII MỤC • Trarm /. /. Sơ đồ mủ ta s ự xuyên ham của điện tư q u a hùng thế trong H ìn h STM 4 H ìn h Sơ đồ hệ thong phan hồi s ư dụng trong hiên vi quét xuyên 1 .2 . hầm 6 Nguyên lý tạo anh STM trong chế độ dong không đôi H ì n h ì . 4 . Sự tạo anh STM ớ chế độ khoang cách trung bình không đôi H ì n h 1 .5 . Sơ đồ nguyên lý kỉnh hiên vi lực nguyên tư M ì n h 1 .6 . Moi quan hệ giữa lực tưưng rác và khoang cách giữa mũi dù và bề mặt mẫu H ì n h ỉ. 7. Các trạng thải lai hóa khác nhau của nguyền tư cacbon a) sp ; b) sp2; c) sp ? H ì n h 1 .8 . Cẩu trúc Graphit: a) chiều đứng; b) chiều ngang 7 H ì n h 1 .3 . 7 8 9 12 12 a) c ấ u trúc tình thê của kim cương; h) Tinh thẻ kim cương tự H ì n h 1 .9 . nhiên 13 H ình ì. 1 0 . Cấu trúc cơ bàn cua các Ful/erenes a) c 60; b) c 70,' c) Cso H ìn h 1.11. Anh TEM cùa M W NTs lan đầu tiên bơi Ịịima năm ì 9 9 ỉ 14 14 H ì n h ĩ . 12. Các dạng cấu trúc ong na nó cácbon 15 H ìn h 1 .13. Véc tơ chiral 17 H ìn h 1 .1 4 . (a) CNTs loại amchair (5, 5); (b) zigzag (9, 0); (c) chiral (10, 5) 17 H ì n h 1 .1 5 . a) Các defect ở đầu CNTs; (b) defect ơ thản ống CNTs 17 a) Cáu trúc điện tư của hùm phân bô năng lượng; b) Vừng Brilloiiin cua graphene H ì n h 1 .1 7 . Hàm phân bổ năng lượng a) armchair(5,5); b) zigzag ( 9 ,0 ) ; 19 c) zigzag( 10,0) 20 H ì n h ỉ . 16. H ì n h ỉ . 18. Sơ đồ quy trình ch ẻ tạo đầu dò CNT/W và ứng dụng bước đầu H ìn h 25 2 . 1. Sơ đồ hệ ăn mòn điện hóa H ình 2.2. Quá trình ăn mòn dây XV trong dung dịch ân mòn H ì n h 2 .3 . Anh hệ thực nghiệm tạo m ũi nhọn kim loại w 27 27 28 Sơ đô bô trí /lự mạ điện tạo xúc tác Fơ H ì n h 2 .5 . Giai thích cơ ehe mọc đầu hoặc mọc đáy cua ong nanô cảcbon H ì n h 2 .6 . Sơ đồ câu lạo và anh chụp tlìiết bị HF-CVD H ì n h 3 .1 . Anh SEM mùi nhọn w với thế ăn mòn 51' H ì n h 3 .2 . Anh SEM mùi nhọn w với thẻ ăn mòn 1 2 1 ' H ì n h 3 .3 . Mô hình tinli toán kích thước đầu mùi nhọn H ì n h 3 .4 . Kích thước đầu mũi nhọn d phụ thuộc đường kính ban đầu (D) và chiều dài L phan sợi đây ngập trong dung dịch ủn mòn theo cóng thức (31) H ì n h 3.5. Anh SEM kích thước đau mũi nhọn áp dụng mô hình tính toán ỊÝ thuyết (L = 0,5 mm) H i n tì 3 .6 . Anh SEM kích thước đầu mũi nhọn với L = 0.5 mm H ì n h 3. 7. Anh SEM xúc tác Fe được tạo ra trên mũi nhọn w H ì n h 3.8. Sơ đồ hệ mạ điện sư dụng tụ điện làm nguồn H ì n h 3 .9 . Anh SEM hạt sắt tạo ra trên mũi nhọn w H ì n h 3 .1 0 . Quả trình bọc sáp nến trước khi mạ tạo xúc tác na/lô trên đinh mũi nhọn w H ì n h 3 .1 Ị . Anh SEM hạt nanô sắt tạo ra trên đinh mũi nhọn w H ì n h 3 . í 2 . Phô EDX tại vùng không củ hạt xúc tác H ì n h 3. 1 3 . Phô EDX tại vùng có hạt xúc tác H ì n h ỉ. 1 4 . Anh SEM ông nanỏ cảcbon trên mũi nhọn w với lớp xúc tác dạng màng H ì n h 3 .1 5 . Anh SEM ống nanô cácbon trên mũi nhọn w với lớp xúc tác dạng hạt nanô H ì n h .ĩ. ¡ 6 . Anh SEM một vài ống nanô cácbon trên mũi nhọn w với lớp xúc tác dạng hạt na nô H i n ft ỉ 7. Anh SEM một vài ổng nanó cảcbon trên mũi nhọn w với lớp xúc túc dạng hạt nanô H ì n h 4 . 1. Sơ đồ nguyên lý hệ đo phát xạ điện tư H ì n h 4.2. Đặc trưng phát xạ điện tư cua mũi nhọn w và mũi nhọn CNTs/W H ì n h 4 .3 . Đ ồ thị bien diễn giả trị ln(I/V ) theo l / v H ì n h 4 .4 . Thiết bị SPM tại Phòng thi nghiệm Trọng điẻm Quốc gia vê Vật liệu và Linh kiện Điện tư - Viện Khoa học Vật liệu H ì n h 4 .5 . Anh STM bề mặt thuy tinh phu vàng đo bằng đầu dò w ăn mòn điện hóa H ì n h 2 .4 . 30 31 32 34 35 36 37 37 38 39 40 41 42 43 44 44 45 45 46 46 47 48 49 51 51 51 4.5. Ánh STM bê m ậ t thủy tình phù vàng đo băng đau dò chuân cua thiết bị H ì n h 4. 7. Anh STM phán giai nguyên tư cua tủm graplìií .su íiụng mùi dò CN Ts/W H ìn h 52 52 MỞ ĐÀU Trong vài thập ky uân đây, vật liệu nanỏ đà có sự phát triên mạnh mè vê sô lượng, chung loại và cấp dộ kích thước. Điều này góp phần tạo nên bước đột phá cho công nghệ nanò, đưa công nghệ nanô trơ thành một trong nhừng ngành công nghệ chu chốt mang lại giá trị cho cuộc sổng con người. Hiện nay, các sán phâm ứng dụng công nghệ nanô trên thị trường ngày càng đa dạng về số lượng và chất lượng. Vật liệu ống nanô các bon là một trong nhừnụ vật liệu nanô được phát hiện vào năm 1991 bơi tiến sĩ người Nhật, Ijima. Kẻ từ khi được phát hiện và nghiên cứu, ống nanô các bon được coi là “vật liệu kì quan cua thê ky 21" hay “vật liệu thay thế hoàn hảo cho mạch Silic”. Ỏng nanô các bon có nhiều tính chất vật lý, hóa học vượt trội so với các loại vật liệu khác như độ bền cơ học cao, dần điện tốt, dẫn nhiệt tốt, không bị phan ứng trong môi trường axít, môi trường kiềm, v.v... Óng nanô các bon có thể ứng dụng để chế tạo điện cực cho pin nhiên liệu, siêu tụ điện, linh kiện phát xạ điện tư, vật liệu composit, v.v... Chính vì thế vật liệu này dang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm đầu tư nghiên cứu, đã hình thành nhiều công ty chuyên sản xuất và cung ứng sán phâm trên thị trường. Ờ nước ta, vật liệu ổng nanô các bon đà được nghiên cứu tại một sổ đơn vị nghiên cứu, trong đó phòng Vật lý và Công nghệ Linh kiện Điện tứ, Viện Khoa học Vật liệu là một trong nhừng đơn vị tiên phong. Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu ống nanô các bon được bắt đầu từ năm 2002. Hiện nay, phòng Vật lý và Cônu nghệ Linh kiện Điện tử đang từng bước thương mại hóa san phấm thiết bị, công nghệ và vật liệu. Các ứng dụng liên quan tới vật liệu ổng nanô các bon này cũng dã và đang được triển khai nghiên cứu. Đe tài cua luận văn “Chế tạo và ứng dụng ống nanô các bon trên mũi nhọn kim loại Vônfram” là một trong nhừng hướng nghiên cứu ứng dụng trên. Việc tạo ống nanô các bon trên mũi nhọn Vôfram cho phép chúng ta khai thác tính chất phát xạ điện tư dề đế làm nguồn phát xạ điện từ công suất lớn, kích thước bé ứng dụng làm nguồn phát xạ điện tư trong thiết bị hiển vi điện tư, điện tứ khẳc, v.v... Ngoài ra tính do chất dần điện tốt, độ bền cơ học cao, kích thước dường kính ống bé nên vật liệu ống nanô các bon có thế được sứ dụng đề làm đầu dò trong kính hiển vi điện tư quét đầu dò nhàm nâng cao độ phân giải cua thiết bị. I Nội dung luận văn bao gôm 4 chương: Chương 1 - rÓ N G Ọ U A N Giới thiệu chung ve các loại hiên vi quét đầu dò S I M, AIM . SNOM. Giới thiệu về vật liệu ổng nanô các bon, các phương pháp chế tạo, tính chất, ứng dụng và lý do thực hiện đề tài. Chương 2 - T H Ụ C NGHIỆM Trình bày quy trình công nghệ chế tạo mùi nhọn w sư dụng phương pháp ăn mòn điện hóa. Quy trinh tạo xúc tác Fe sư dụng phươna pháp mạ điện. Quy trình tông hợp ong nanô các bon trên mũi nhọn w sư dụng phương pháp HFCVD. Chương 3 - KÉT QUẦ VÀ THẢO LUẬN Đánh giá các kết quá đà đạt được, các khó khăn trong quá trình nghiên cứu, dưa ra các giai pháp mới. Chương 4 - T H Ử NGHIỆM ỨNG DỤNG ÓNG NANÔ CÁC BON TRÊN MŨI NHỢN KIM LOẠI w LÀ NGUÒN PHÁT XẠ ĐIỆN TỦ VÀ ĐÀU DÒ STM Nêu lên một số kết quá đo đạc ban đầu sử dụng ổng nanô các bon trên mùi nhọn w trong phát xạ điện tư và trong hiển vi xuyên hầm. C h iron g 1 TÔ N G QUAN 1.1 r ố n g q u a n về kỹ t h u ậ t hi en vi q u c t đ ầ u d ò S P M Kv thuật đẩu dò quét (Scanning Probe Microscope-SPM) là kỳ thuật dược phát triẽn năm 1981 cho phép nghiên cứu hình thái học và các tính chất cua bề mặt vật ran với độ phân giai cao. Khoang 10 năm trở lại đây, kỳ thuật này đà phát triên không ngừng, được sư dụng rộng rãi và trơ thành một công cụ nghiên cứu rất hiệu qua. Sáng kiến lớn nhất áp dụng ơ đâv là sứ dụng bộ áp điện điều khiên dịch chuyên cơ học tinh vi, quét đầu dò với độ chính xác đến phần trăm nanỏ mét. Kỳ thuật quét này do Bining và Rohrer ứ IBM Zurich công bố vào năm 1981, lần đầu tiên được dùng ơ kính hiên vi quét xuyên hầm [1]. Kính hiên vi quét xuyên hầm (Scanning Tunnelling Microscope-STM) là loại đầu tiên trong họ kính hiên vi đầu dò quét. Sau đó lần lượt kính hiền vi lực nguyên tư (Atomic Force Microscope-AFM), kính hiên vi lực từ (Magnetic Force Microscope-MFM), kính hiền vi quang học quét trường gần (Scanning NearField Optical Microscope-SNOM), v.v...được ra đời. Chúng có nguyên lý làm việc tươrm tự nhau trên cơ sơ sư dụng bộ quét và có tên chung là kính hiên vi quét đầu dò (SPM). c) hiên vi quét đầu dò, người ta dùng bộ quét đe di chuyển đầu dò (thường có hình dạng mũi nhọn) trên bề mặt mầu hoặc ngược lại di chuyền mầu bàng bộ quét dưới đầu dò. Đồng thời tín hiệu điều khiển bộ quét được sử dụng đế điều khiên chùm tia điện tứ ở màn hình quan sát ánh. Việc quét đâu dò và quét tia điện tư phai rất đồng bộ, chi khác nhau ở chồ diện tích quét trên mầu cùa đầu dò là rất nhỏ (cỡ nanô mét) còn diện tích quét trên màn hỉnh quan sát ánh cúa tia điện tư là rất lớn (bàng diện tích màn hình). Cường độ tín hiệu thu được từ đầu dò quét trên mẫu được khuếch đại thề hiện qua cường độ sáng cùa tia điện tử quét trên màn hình. Bộ quét thường được chế tạo từ các loại vật liệu áp điện như: tinh thế áp điện secnhet, gốm PZT, v.v... Các vật liệu này sê co, dăn khi có điện thế tác dụng. Một thanh gom PZT có mạ điện cực ở hai bên khi có hiệu điện thê cỡ 100V có thê biến dạnu co vào hay giãn ra đến micrô mét. Nếu gẳn mũi nhọn trên bộ quét và đặt bộ quét sát gần bề mặt mầu thì việc thay đôi điện thế tác dụng ơ điện cực sè điều khiến mùi nhọn quét theo các chiều X, y, z với độ chính xác mồi chieu nho hem phần trăm nanô mét. Tương tự có thế thực hiện các phép quét, phép dịch chuyền bằng cách cho mùi nhọn cố định và gẳn mẫu trên bộ quét. Sử 3 dựng nguyên lý quét dâu dò hàng loạt công cụ nguyên cửu vật chất ơ độ phân giai nanô mét, phân giai nguyên tư cỉà ra đời như STM, AFM, MFM, NSOM, ... 1.1.1 Hiển vi điện từ quct xuyên hầm STM Co’ chế dòng điện xuyên hầm: AZ —’H ị Ỷ-“’ Mũi nhọn Mẩu H ì n h 1. /. -•Jr. A, •* x í.K . . Sơ đồ mô ta sự xuyên hầm của điện tư qua hàng rào thế trong STM Kính hiên vi quét xuyên hầm STM là kính hiển vi ra đời đầu tiên, từ đó mở ra họ kính hiên vi quét đầu dò SPM. Loại kính hiển vi này được đưa ra bởi Billing và Rohrer vào năm 1981 dựa trên ý tưởng sư dụng dòng điện xuyên hầm qua hàng rào thế giừa mũi nhọn kim loại và bề mặt mầu dần điện. Khi mùi nhọn tiến gần tới bề mặt mầu tới khoang cách vài angstrom, nếu đặt hiệu điện thế V thì giừa mùi nhọn và mầu sê xuất hiện dòng điện chạy qua. Đó là dỏng xuyên hầm qua hàng rào thế. Dòng điện này sinh ra do hiệu ứng lượng tứ. Hình 1.1 mô tá cơ chế điện từ xuyên hầm khi mũi nhọn STM tiến sát gần bề mặt mẫu. Theo lý thuyết cơ học lượng tư, điện từ có thể xuyên hầm qua hàng rào thế chừ nhật với một chiều rộng nhất định. Hệ sổ truyền qua được xác định theo biểu thức ( 1 ): trong đó: + Ao là biên độ cua hàm sóng gần hàng rào thế + A| là biên độ cua hàm sóng điện từ truyền qua + k là hệ số suy giám cua hàm sóng bên trong hàntĩ rào thế + Ar độ rộng hàng rào thế Hệ sổ suy giam được tính: 4 k= 4xy]2m' (2) »- m là khối lượng cua diện tir + (p hàm phát xạ điện tứ /; là hàng số Plank Trong trường hợp tiêp xúc cua 2 kim loại, biêu thức tính mật mậ độ dòng dòr xuyên hầm ímôt (một chieu) chiều) là: 4- ^ ‘ e x p Ị-A yịặ)7,AZ- e V )cxp ị-AyJ*), mật độ dòng có thể được xấp xí bàng Với giá trị điện áp phân cực nhỏ (< (eV j, = j 0e x p . . t/J . A Z ) (p ~(

Ọ7 >(p*)) Chung chúng ta co: có: . .\> Ịĩp e V t± z /, =7i. p y Ịĩn ũ p r V 4 7t rz 7 — —---- exp(-Ayjợ> A Z ) = — i- y -----— e x p ) A Z 2 h AZ h (6 ) Công thức đem gián thường được sử dụng là: 4 n ------- — j, = J A V )e y jA2 nj ự) • A7 ZV ‘ với /0(K) được xem là không phụ thuộc vào khoảng cách típ - mẫu [5] Nguyên lý làm việc: Trong hệ STM, mũi nhọn được gấn trên gổm áp điện và có thê dịch chuyên theo ba phương X, y, z khi có điện trường áp đặt. Khoảng cách từ mùi nhọn tới bề mặt mầu khoáng 0,1 nm - 10 nm. Chúng ta chi xem xét anh hưởng của thông số p - là hàm trung gian phụ thuộc vào khoang cách giừa mùi nhọn và bề mặt mẫu. p = P(z), p được sư dụng trong hệ thống phan hồi đé điều khiền khoang cách giữa mùi nhọn và bề mặt mầu. Sơ đồ hệ thống phan hồi sử dụng trong hiên vi quét xuyên hầm được thể hiện trên hình 1.2. 5 /■<» /7 Ạ 0 H ì n h 1 .2 . ' Sơ đồ hệ thắng phan hồi sư dụng trong hiên vi quét xuyên hầm Hệ thống phán hoi FS sè giừ thông sổ p không đối: P=P() (được đặt bơi hệ điều khiên). Trong hệ thống phan hồi, tín hiệu AP vi sai được khuếch đại và được cung cấp cho cam biến điều khiên khoang cách mũi nhọn - mầu. Cam biến dùng tín hiệu AP để thay đồi khoáng cách, đưa nó về giá trị ban đầu, tương ứng với một tín hiệu vi sai về gần 0. Như vậy nó có thế điều khiển khoảng cách mũi nhọn - mẫu với độ chính xác cao. Khi mùi nhọn di chuyển, sự lồi lõm bề mặt mẫu làm thay đôi thông sổ p. Hệ thống phan hồi sẽ phục hồi lại giá trị ban đầu P(I trong thời gian thực. Do đó, khi mũi nhọn di chuyền đến điềm có tọa độ (x, y), tín hiệu V(x, y) được cung cấp cho cám biến là cân bàng với sự ghồ ghề cùa bề mặt mầu từ mặt phăng X, Y(Z=0). Điều này cho phép có thế sử dụng V(x, y) để vê lại bề mặt mầu, hay cho ta hình ảnh STM. Trong khi quét, đầu tiên mùi nhọn di chuyền trên bề mặt mầu dọc theo một đường nhất định (đường quét). Như vậy, giá trị cùa tín hiệu cung cấp cho cám biến tỷ lệ với giá trị chiều cao trên bề mặt mầu và được ghi lại trong bộ nhớ máy tính. Sau đỏ mùi dò trớ về điếm ban đầu, bất đầu đường quét tiếp theo và quá trình lặp đi lặp lại. Tín hiệu phàn hồi được máy tính ghi lại trong tất cả các lần quét và sau đó cho ra hình ảnh bề mặt z = f(x,y). Có hai kiêu chế độ tạo anh trong kính hiển vi tunnel STM: chế độ quét dòng không đối và quét chiều cao không đổi. Hình 1.3 là sơ đồ mô tà nguyên lý tạo ánh STM ơ chế độ dòng không đôi trong quá trình quét. Ờ chế độ này, mùi nhọn được di chuyến trên bề mặt mầu. Sự thay đồi chiều cao z của mùi nhọn được sư dụng đê tạo anh bề mặt mầu. Chế độ này được sử dụng phố biến để quan sát mẫu ở diện tích vùng quét lớn hơn 1 0 0 Ẳ 2. 6 ề H ì n h 1.3. Nguyên /ỷ tạo anh STM trong ché độ dòng không đôi [¡9 ] [19] Hình 1.4 mô ta nguyên lý tạo ảnh ở chế độ chiều cao không đôi trong quá trình quét. Ở chế độ này, mạch phán hồi mờ và độ cao z cua mũi nhọn luôn luôn không đổi. Dòng điện xuyên hầm giừa mũi nhọn - mầu nhận được nhờ hệ thống thu trong quá trình mũi nhọn quét trên bề mặt mầu. Trong chế độ này, độ biến thiên dòng xuyên hầm Ai sẽ phản ánh địa hình thực cùa bề mặt mầu. Chế độ này thường cho ánh có phân dai nguyên từ. Chế độ khoang cách không đối thườn được sư dụng để quan sát bề mặt mẫu phảng (diện tích vùng quét bé hom 1 0 0 Ả2). Kính hiển vi quét xuyên hầm STM cho phép ghi lại hình thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý, cấu trúc điện từ) bề mặt với độ phân dái cao và anh chất lượng cao. Việc thu anh STM không phá huy bề mặt mầu như kính hiên vi điện tư truyền qua phân giái cao. Ngoài ra người ta có thề sư dụng công cụ STM đê thao tác trên bề mặt cho quá trình gia công chế tạo. Tuy nhiên việc thu ảnh STM phai thực hiện trong môi trường chân không cao, mầu cần đo phai là mầu dần điện, cỏ bề mặt siêu sạch, tốc độ thu anh chậm. 7 1.1.2 Mien vi ly e n g u y e n t i i ' A F M 1 1 ien vi lire nguyen tir la mot loai hien vi dau do co irng dung rat rang rai. Bo phan chinh cua AI M la mot mui nhon dirge gan tren mot thanh lo xo la. Dau do thirong dirge lam bang vat lieu Si hoac SiN va co mot dau mui nhon. Hinh 1 .5 la so do eau tao cua he kinh hien vi lire nguyen tu. Khi dira mui nhon lai gan be mat mau, o khoang each nhat dinh xuat hien tuong tac lire nguyen tir giura mui nhon va cae nguyen tir o be mat mau (hut hoac day tuy theo khoang each xa hay gan be mat). Dieu nay lam 16 xo la bi cong. De nhan biet do eong cua thanh lo xo la, ngiroi ta thuong sir dung tia laze hoi tu chieu len lo xo la. Tia phan xa dirge chieu len hai nua tain pin quang dien tao thanh mot vet sang tron. Khi lo xo la hi cong, vet sang phan xa nay di chuyen. Hai nua tarn pin quang dien dirge chieu sang lech nhau. Can cir vao chenh lech dong quang dien (dugc khuech dai nho bo khuech dai vi sai) co the biet lo xo la cong nhieu hay it. Tire la biet dugc lure tuong tae giura cae nguyen tu tren be mat mau va mui nhon dau do Ion hay be. Thong qua bo quet ap dien, mui nhon dirge dua gan va quet tren be mat mau. Dung dong khuech dai vi sai de lam thay doi do sang cua tia dien tu quet tren man hinh, ta co dugc anh hien vi luc nguyen tu. Cho sang, cho toi tren anh tuong irng voi cho nguyen tir mui nhon gan (hut manh) hay xa (hut yeu) nguyen tir o be mat. Moi quan he giCra lire tuong tac va khoang cach giura mui nhon va be mat mau dugc mo ta nhu tren hinh 1.6. Nhir vay anh hien vi lire nguyen tu phan anh do loi lom tren be mat mau, co the chinh xac den mire nguyen tu. Trong thuc te, nguoi ta quet mui nhon theo true x, y va cho dong khuech dai vi sai ve mach phan hoi de dieu khien mui nhon len xuong theo theo phucmg z sao cho dong khuech dai vi sai khong thay doi. Nhu vay khi quet, mui nhon luon luon lugn len xuong theo cho cao cho thap tren be mat mau sao cho khoang each den be mat T o p o flr a p h y Hinh 1.5. Su dd nguyen Iv kinh hien vi lire nguyen tir 8 M ũ ở khoảng cách q u á gần: vùng đẩy MŨI d ò ở xa b ề rn ă t ► V ùng h ú t: mũi d ò bi k é o lai g ầ n b ê m ặ t K h o ả n g c á c h giữa đ â u mùi d ò v à b è m ă t m â u H ì n h 1 .6 . M ối quan hệ giữa lực tương túc và khoang cách giừa m ũi dò và b ề m ặt mẩu mâu không đôi. Như vậy độ biên thiên của z khi quét chính là độ mâp mô của bê mặt mầu. Đổi với kính hiến vi lực nguyên tử AFM, ngirời ta có thề chia thành các chế độ hoạt động: chế độ tiếp xúc (contact mode), chế độ không tiếp xúc (non-contact mode), hoặc chế độ quét kiểu gõ (tapping mode). Chê độ tiêp xúc là chê độ mà khoảng cách giữa đâu dò và bê mặt mâu được giữ không đối trong quá trình quét, và tín hiệu phán hồi từ tia laser sè là tín hiệu tĩnh. Ớ khoang cách này, lực sê trơ nên rất mạnh và lò xo lá sẽ bị kéo gần bề mặt mẫu (gần như tiếp xúc). Tuy nhiên bộ điều khiển phán hồi sẽ điều chinh để khoảng cách giữa mũi nhọn và bề mặt là không đối trong suốt quá trình quét. Chê độ không tiêp xúc là chê độ mà lò xo lá dao động với tân sô gân với tần số dao động cộng hương cua nó. Tần sổ, biên độ và pha cúa dao động sẽ bị ánh hưởng bới tương tác giữa mầu và mùi dò, do đó sè có thêm nhiều thông tin về mầu được biến điệu trong tín hiệu. Chế độ quét kiểu gõ thực chất là sự cải thiện cùa chế độ không tiếp xúc. Ờ chế độ này, lò xo lá được rung trực tiếp bằng bộ dao động áp điện gắn trên lò xo lá với biên độ trong khoang 10 0 nm - 200 nm cao hơn so với chế độ không tiếp xúc, và tần số rất gần với tần số dao động cộng hương. Quá trình thu anh hoàn toàn tương tự như ớ chế độ quét không tiếp xúc. Hiển vi lực nguyên tư AFM khẳc phục được nhược điềm cua hiến vi xuyên hầm STM là có thể chụp anh bề mặt cua tất ca các loại mầu, kế ca mầu không dần điện. AFM không đòi hòi môi trường chân không cao, có thể hoạt động trong môi trường khône khi. AFM hoạt động mà khônu đòi hoi sự phá huy hav 9 có dòng điện nên rât hữu ích trong lĩnh vực sinh học. Tuy vậy hiến vi lực nguyên tứ AFM quét anh trên một diện tích hẹp, tốc dộ tạo anh chậm, chất lượng anh bị anh hường bời quá trình trễ của bộ quét áp điện. ỉ. 1.3 lỉiên vi quang học truòng gần (5 hiên vi quaim học thông thường, ánh sáng được hội tụ chiếu vào mầu, vật kính tạo ra ánh phóng đại cua mầu. Anh do vật kính tạo ra lại được dùng làm vật cho các thấu kính tiếp theo phóng dại lên. Độ phóng đại cuối cùng bằnii tích các độ phóng đại cua các thấu kính. Đây là cách phòng đại nhiều lần bằng cách ghép nhiều thấu kính. Với cách phóng đại này các tia sáng đồng thời qua ca diện tích cua mầu vả đồng thời qua các thấu kính đê tạo anh phóng đại cuối cùng. Độ phân giai cua kính hiên vi quang học bị hạn bởi bước sóng. Nẻu sư dụng ánh sáng có bước sóng X và thấu kính có độ khâu độ là NA (NA = nsinG) thi độ phân dai cua kính hiên vi quang học là: d = 0,61/í / NA (8 ) Đê tăng độ phân dai d, người ta đã tìm nhiều cách đế tăng NA. Nhưng NA tốt nhất cũng cờ bang 1. Vì vậy năng suất phân phân dai tốt nhất cùa hiến vi quang học là: cl = 0,61/1 (9) Trên thực tế khó đạt được giá trị d lý thuyết nói trên nên có thè xem d = k. Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng trong khoáng 400 nm đến 700 nm. Vậy độ phân giai lý thuyết của hiến vi quang học vào cờ 300 - 500 nm. Thực ra, ở kính hiên vi quang học thông thường ánh sáng từ mẫu đi ra phải đi một đoạn đường tương đối dài mới đến được thấy kính đế tạo ảnh. Nên có thế gọi hiển vi quang học thông thường là hiên vi quang học trường xa. Tuy nhiên khi ánh sáng chiếu đến mầu còn có những sóng ánh sáng định xứ sát ớ bề mặt mầu không ra xa được. Trường ánh sáng ớ eần này cũng phán ánh những chi tiết ơ bề mặt mầu. Có thê bố trí một đầu dò đặc biệt để thu nhận sóng ánh sáng định xứ gần bề mặt đó, đo được chồ nào mạnh chồ nào yếu. Cho đầu dò này quét trên bề mặt mầu và dùng cường độ ánh sáng mà đầu dò thu được đé làm thay đổi độ sáng cùa các điêm anh trên màn hình, ta thu được ánh hiển vi quang học trường gần. Hiển vi quang học trường gần không có độ phân giai cao như hiển vi lực nguyên tư, hiến vi xuyên hầm. Nhưng ưu điểm là mầu không cần dẫn điện như hiên vi xuyên hầm. Đầu dò không tì lên bề mặt mầu không làm hóng mầu như ớ hiên vi lực nguyên tứ. Có thề quan sát được nhiều loại mầu. Ngoài ra, có thể dùng ánh sáng trường gần từ bề mặt mẫu dần đến máy phân tích quang phổ đê 10 phân tích. Cùng như hiên vi quang học, hiên vi quanu học trường gần có thẻ quan sát được nhiều loại mầu mà không hư hại, có thề nghiên cứu tính chất quang cua vật liệu ơ độ phân giai bé hơn bước sóng. 1.2 Tống quan về vật liệu ống nanô các bon 1.2.1 Các hon và các dạng thù hình của nó trong tự nhicn Các bon: Trong báng hệ thống tuần hoàn, các bon là nguyên tố ờ vị trí thứ 6 , nguyên tư lượnu là 12, có cấu hình điện tư là ls 22s 22p2. Do đó nguyên tư cacbon có bốn điện tư hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức nãng lượng cao 2p và mức năng iượng thấp 2 s là rất nho so với năng lượng liên kết cua các liên kết hóa học [20], Vì vậy các hàm sóng cua bốn điện tư hóa trị có thề dề dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tư khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sấp xếp các điện tư gọi là các trạng thái lai hóa. Các bon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp ’ tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau. Trạng thái lai hỏa sp' thăng hàng (hình 1.7a) được tạo thành như một chuồi dây xích phăni». Mồi mắt xích là một nguyên từ các bon. Dạng lai hóa này có thế được tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn. Trạng thái lai hóa sp 2 (hình l.7b) là trạng thái liên kết phăng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp 2 được tạo thành còn lại là một obital 2p. Ba obital đồng phăng tạo với nhau một góc 120 ° và tạo thành liên kết ơ khi chồng chấp với các nguyên tố các bon bên cạnh. Obital p cùng tạo ra một liên kết n với các nguyên tư kế tiếp. Trạng thái lai hóa sp 2 giữa các nguyên tử các bon có thề tưởng tượng giống như một tấm các bon đơn 2D phăng. Trong đó, góc liên kết tạo bới các nguyên tư các bon là 120 ° trông giống như một mạng hình tồ ong. Mạng này được gọi là tấm graphene. Trạng thái lai hóa sp' (hình 1.7c). Trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp3 tương đưcyng nhau được tạo thành định hướng theo các đinh cùa tứ diện đều quanh một nguyên tư và có thế tạo thành bốn liên kết ơ bằng sự chồng chập với các obital cua các nguyên tư bên cạnh. Một ví dụ điển hình là phản tử etan (C 2 H6), liên kết <7 Csp'- Csp? (C-C) được tạo thành giữa hai neuyên tứ cacbon bơi sự chồng chập các orbital sp' và ba liên kết a Csp' - H|S được tạo thành tại mồi níiuyên tư các bon. Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp' thường tồn tại trong cẩu trúc kim cương. 11 180° sp sp a) dạng thăng h) dạng tam giác c) dạng tử diện 1.7. c 'ác trạng tlìủi lai hóa khác nhau cua nguyên tư cacbon a) sp'; b) sp:: c) sp*[ỉ8] H ìn h 334 8 ptn / ?46 [Wỉ N. H ì n h 1.8. J ý Cấu trúc Graphit: a) chiều đứng; b) chiều ngang [22] Graphit Graphit hay than chì là một dạng thù hình của cacbon, có cấu trúc lớp. Mồi lớp là một tấm grapheme. Các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van Der Waals. Bên trong mồi lớp mồi một nguyên tử các bon liên kiết phăng với ba nguyên tử các bon khác bên cạnh bàng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1 2 0 ° [2 2 ]. Trong graphit, nguyên tư các bon ở trạng thái lai hoá sp 2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song. Khoáng cách giữa các nguyên tứ các bon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Ả (hình l . 8 a). Khoang cách giừa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Ả (hình 1 .8 b). c ác lớp mong graphit dẻo nhưng không đàn hồi có độ dần điện cao dọc theo phương song song với các lớp. Dạng thù hình phố biến nhất là than cỏ màu đen như lá cây, gồ sau khi cháy, v ề mặt cấu trúc, than là dạng các bon vô định hình. Trong đó các nguyên tư các bon có tính trật tự cao, chú yếu liên kết sp', khoảng 10% liên kết sp2 và không có liên kết sp. Trong tự nhiên các khoáng chất chứa graphít bao gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sất và tuamalin. 12

- Xem thêm -