Tính chất và phương pháp chế tạo hạt Nano dạng sợi (Nanowire)

SỢI NANO
(nanowire)
1
Giới thiệu sợi nano

Kích thước ngang vài chục nanomet.

Chiều dài không giới hạn.

Còn được gọi là sợi lượng tử (do ở kích thước này các hiệu ứng lượng tử
rất quan trọng)
Sợi nano vàng và Ni
2
2
Giới thiệu sợi nano
Được tạo thành từ các phân tử lặp đi lặp lại: hữu cơ (DNA), vô cơ (Si)
DNA
Sợi nano Si
3
3
Giới thiệu sợi nano

Phân loại
◦
Sợi nano kim loại: Ni, Pt, Au
◦
Sợi nano bán dẫn: InP, Si, GaN, . . .
◦
Sợi nano cách điện: SiO
2
, TiO

2
Sợi nano Si
Sợi nano Au
Sợi nano TiO
2
4
4
Các tính chất của sợi nano

Sợi nano có 2 chiều giới hạn ở kích thước nano – hiệu ứng cơ học lượng tử
rất quan trọng.

Các tính chất khác biệt so với vật liêu kích thước lớn:
◦
Tính chất từ
◦
Tính chất nhiệt điện
◦
Tính chất điện
◦
Tính chất quang học
◦
Tính chất hóa học
5
5
Tính chất của sợi nano

Sợi nano có hình dạng đặc biệt và các tính chất vật lý đặc biệt do kích thước
lượng tử của chúng
◦

Tính chất điện
◦
Tính chất từ
◦
Tính chất quang
◦
Tính chất cơ học
6
6
Sarkar, J., Khan, G. G., & Basumallick, A. (2007). Nanowires: properties, applications and synthesis via porous anodic aluminium oxide
template. Bulletin of Materials Science, 30(3), 271-290.
Tính chất từ

Độ cong của vòng lặp trễ thay đổi khi thay đổi đường kính sợi nano
Độ cong vòng lặp trễ thay đổi khi thay đổi đường kính sợi nano Co: (a) 78nm và (b) 18 nm
7
7
Tính chất từ

Độ kháng từ cũng thay đổi khi thay đổi đường kính dây và nhiệt độ
Độ kháng từ thay đổi theo đường kính D
w
: (a) ở nhiệt độ phòng và (b) 0
o
C
8
8
Tính chất từ

Tính bất đẳng hướng từ của sợi nano bị ảnh hưởng mạnh của dị hướng từ

trường, hình dạng của sợi nano và từ trường khử từ.

Độ trở từ (MR) phụ thuộc mạnh vào đường kính sợi
9
9

Sợi nano kim loại cho thấy sự gia tăng
nhiều lần hệ số Seebeck do hiệu ứng giam
giữ lượng tử làm tăng trạng thái mật độ điện
tử ở mép băng tần phụ 1 chiều

Hệ số Seebeck và năng lượng nhiệt của sợi
nano kim loại bị ảnh hưởng bởi đường kính
dây và nồng độ pha hợp kim

độ dẫn nhiệt của sợi nano bị ảnh hưởng bởi
đường kính dây
Tính chất nhiệt điện
(Thermoelectric)
Độ dẫn nhiệt (k) là một hàm theo nhiệt độ đối
với sợi nano Si ở các đường kính khác nhau
10
10

Heremans phát hiện rằng Si và Sb được pha vào sợi nano Bi, năng lượng
nhiệt sẽ tăng bằng cách giảm đường kính sợi

Sợi nano Bi có điện trở phụ thuộc nhiệt độ, hiện tượng này bị ảnh hưởng
mạnh bởi đường kính dây
◦

Ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ phòng, pha bán kim loại của sợi nano Bi chuyển
đổi thành bán dẫn có thể chỉ bằng cách thay đổi đường kínk
Tính chất nhiệt điện
(Thermoelectric)
11
11
Tính chất điện
(Electrical properties - Transport properties)

Tính dẫn điện của sợi nano thấp hơn so với vật liệu khối tương ứng

Sợi nano cho thấy tính chất điện khác do kích thước của chúng
◦
Độ dẫn điện bị ảnh hưởng của các hiệu ứng cạnh: các điện tử nằm trên bề mặt của
sợi nano liên kết yếu với các nguyên tử lân cận bên trong sợi làm giảm độ dẫn điện
của sợi nano
◦
Độ dẫn điện xem như một tổng độ dẫn ở các đường dẫn có mức năng lượng khác
nhau  đường kính sợi càng nhỏ, số lượng đường dẫn càng nhỏ  độ dẫn càng thấp
15:18, 18/03/2014
12
12

Năng lượng băng tần plasmon bề mặt
nhạy cảm với sự thay đổi các yếu tố
như kích thước hạt, hình dạng, thành
phần, môi trường xung quanh và tương
tác bên trong hạt

Mảng sợi nano cho thấy tính chất quang

học phi tuyến tính, sự gia tăng cường độ
hấp thụ khi đường kính sợi nano giảm
do hiệu ứng giam giữ lượng tử và sự
xảy ra hiện tượng blue shift
Tính chất quang học
Sợi nano Ag: với độ dài cố định, bước sóng λ giảm (ngắn
hơn) khi giảm đường kính dây do hiệu ứng giam giữ lượng
tử
13
13

Tính chất hóa học thay đổi (hoạt tính hóa học tăng) do:
◦
tỉ lệ bề mặt/thể tích tăng
◦
tỉ lệ cạnh lớn
◦
số lượng nguyên tử bề mặt cao
Tính chất hóa học
14
14
Các phương pháp
chế tạo sợi nano

Quá trình kết tinh rất quan trọng
◦
Phát triển mầm tinh thể trong pha hơi, pha lỏn, pha rắn.
◦
Khi nồng độ các đơn vị (nguyên tử, phân tử, ion) của chất rắn đủ cao sẽ tập hợp lại
thành hạt nhân hoặc nhóm hạt – quá trình tạo mầm.

◦
Các nhóm này sẽ đóng vai mầm, tiếp tục phát triển thành các nhóm lớn hơn.
15
15
Các phương pháp
chế tạo sợi nano

Các chiến lược tổng hợp sợi nano: kiểm soát các thông số:
◦
sử dụng cấu trúc tinh thể đẳng hướng của chất rắn để định hướng phát triển tinh thể
◦
gắn bề mặt lỏng – rắn để giảm tính đối xứng của mầm
◦
dùng khuôn định hướng sự hình thành sợi nano
◦
kiểm soát trạng thái quá bão hòa để thay đổi thói quen phát triển của mầm
◦
sử dụng tác nhân bao phủ để kiểm soát tốc độ phát triển các chiều khác nhau của
mầm
◦
Cấu trúc 0D lắp ráp lại với nhau
◦
Giảm tính đối xứng của mầm bằng giao diện bề mặt lỏng rắn
16
16
Có thể chia làm 2 loại:

Phát triển sợi nano trong pha khí

Phương pháp chế tạo sợi nano dựa trên dung dịch.

Các phương pháp
chế tạo sợi nano
17
17
Hu, J., Odom, T. W., & Lieber, C. M. (1999). Chemistry and physics in one dimension: synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Accounts of Chemical
Research, 32(5), 435-445.
Phát triển sợi nano trong pha hơi

Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)

Phương pháp dùng oxit hỗ trợ (Oxide assited)

Phương pháp rắn – hơi (VS).

Phản ứng nhiệt Carbon (Carbothemal)

Các phương pháp khác trong pha khí
18
18
Hu, J., Odom, T. W., & Lieber, C. M. (1999). Chemistry and physics in one dimension: synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Accounts of Chemical
Research, 32(5), 435-445.
Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)

Phát triển tinh thể dị hướng được thúc đẩy bởi sự hiện diện của một bề
mặt tiếp xúc rắn – hợp kim lỏng

Ứng dụng cho sợi nano Si, Ge và các loại khác
19
19
Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)

3 giai đoạn phát triển:
(I): Ge và Au sẽ tạo thành hợp kim lỏng ở nhiệt độ cao hơn điểm eutecti
(363
o
C)
(bề mặt lỏng có hệ số tương thích lớn, thích hợp ngưng tụ Ge)
(II) (III): Hơi Ge ngưng tụ ở bề mặt tiếp xúc rắn – lỏng
20
20
20
Hu, J., Odom, T. W., & Lieber, C. M. (1999). Chemistry and physics in one dimension: synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Accounts of Chemical
Research, 32(5), 435-445.
Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)
21
21
21
Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)

VLS đã được khai thác trong quá khứ nhiều thập kỷ để sản xuất cấu trúc
1D đường kính 1 -100nm

VLS nguyên tố bán dẫn ( Si và Ge), bán dẫn III-V (GaAs, InP, InAs), bán
dẫn II-IV (ZnS, CdS,CdSe), oxit (ZnO, SiO2)
22
22
22
Hu, J., Odom, T. W., & Lieber, C. M. (1999). Chemistry and physics in one dimension: synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Accounts of Chemical
Research, 32(5), 435-445.
Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)


Lieber và đồng nghiệp:
◦
Phát triển và tối ưu hóa VLS dựa trên cắt đốt laser để sản xuất dây nano bán
dẫn với nhiều thành phần khác nhau.
◦
TEM: kích thước đồng nhất với đường kính10nm và chiều dài >1 µm
23
23
23
Hu, J., Odom, T. W., & Lieber, C. M. (1999). Chemistry and physics in one dimension: synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Accounts of Chemical
Research, 32(5), 435-445.
Phương pháp hơi – lỏng – rắn (VLS)

Lee và đồng nghiệp:
◦
sợi nano bán dẫn siêu dài, độ tinh khiết cao, kích thước đồng đều với số lượng
lớn
◦
TEM: đường kính: 20-80nm (a)
◦
Mỗi sợi nano gồm lớp oxit Si bên ngoài và lõi Si bên trong (HREM (C))
24
24
24
Hu, J., Odom, T. W., & Lieber, C. M. (1999). Chemistry and physics in one dimension: synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Accounts of Chemical
Research, 32(5), 435-445.
Surface Step-Edge Templates

Các bậc kích thước nguyên tử có thể được sử dụng làm khuôn phát triển sợi nano


Phương pháp này thuận lợi ngưng tụ nhiều loại vật liệu trên bề mặt, ưu tiên những khu
vực khuyết tật

Khó tách sợi nano ra khỏi khuôn
25
25