Tiểu luận về Vật liệu NANO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA VẬT LÝ VÀ CÔNG NGHỆ
TÊN TIỂU LUẬN
VẬT LIỆU NANO
Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phạm Minh Tân
Sinh viên thực hiện : Dương Hương Quỳnh
Đỗ Thị Quỳnh
Phạm Văn Hiện
Lớp : Cử nhân Vật Lý k7


Thái Nguyên, 4 – 2013
MỤC LỤC
Mở đầu
Chương I : Giới thiệu vật liệu Nano
1.1 Vật liệu nano là gì ?
1.2: Cơ sở khoa học của công nghệ nano.
Chương II : Chế tạo vật liệu Nano.
2.1 Phóng điện hồ quang hay hồ quang plazma.
2.2 Phương pháp hoá và lý phủ từ pha hơi (CVD và PVD).
2.2.1 Phương pháp CVD
2.2.2. Phương pháp Lắng đọng pha hơi vật lý (PVD)
2.3 Phương pháp mạ điện.
2.4 Phương pháp sol-gel.
2.5 Phương pháp nghiền bi.
2.6 Sử dụng các hạt nano có trong tự nhiên.
2.7 Phương pháp nguội nhanh.
Chương III : Ứng dụng của vật liệu Nano.
3.1 Vật liệu ngăn cách.
3.2 Ứng dụng trong chế tạo máy.
3.3 Ứng dụng làm màn hình.

3.4 Ứng dụng làm pin.
3.5 Ứng dụng làm Nam châm cực mạnh.
3.6 Ứng dụng trong động cơ ôtô, máy bay.
3.7 Vật liệu thích nghi sinh học để cấy vào cơ thể.
3.8 Một số ứng dụng khác của vật liệu nano.
Kết Luận.

MỞ ĐẦU
Nếu Thế kỷ 20 được coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì Thế
kỷ 21 sẽ thuộc về công nghệ nano. Nanotechnology là một ngành công nghệ non
trẻ , tuy nhiên nó có khả năng sẽ làm thay đổi một cách toàn diện bộ mặt cuộc sống
của chúng ta . Bằng công nghệ Nano , người ta có thể "nhét" tất cả thông tin của 27
cuốn Từ điển Bách khoa toàn thư của Anh nằm gọn trong một thiết bị chỉ bằng sợi
tóc. Người ta cũng có thể chế tạo ra những con robot mà mắt thường không nhìn
thấy được . Và còn vô số điều kỳ lạ khác mà con người có thể khai thác nhờ vào
công nghệ Nano . Vì thế nhiều quốc gia trên thế giới đã quan tâm và đặt ra mục tiêu
nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ Nano như là một đòn bẩy thúc đẩy sự
phát triển của nền kinh tế , cùng các ngành khoa học công nghệ khác, vốn đã phát
triển như : công nghệ thông tin, công nghệ thiết kế vi mạch , công nghệ sinh học .
Trong những năm gần đây, khoa học và công nghệ nano đang thu hút được
sự quan tâm đặc biệt của nhiều quốc gia trên thế giới, do các khả năng ứng dụng
của nó vào đời sống. Với vật liệu kích thước nanomét, các tính chất quang có thể
được kiểm soát nhờ việc thay đổi kích thước, hình dạng và thành phần của vật liệu.
Khả năng điều khiển các tính chất quang của các nano tinh thể làm cho vật liệu này
chiếm một vị trí quan trọng trong khoa học vật liệu và đang thu hút được rất nhiều
sự quan tâm của các nhà khoa học trong các lĩnh vực như vật lý, hoá học, sinh học
và ứng dụng kỹ thuật. Những nghiên cứu về các vật liệu có kích thước nano rất
phong phú và đa dạng như nghiên cứu chế tạo các vật liệu (vật liệu bán dẫn, vật
liệu quang học, thông tin quang ), nghiên cứu cơ bản các tính chất về cấu trúc,
tính chất quang, tính chất điện - từ, và các ứng dụng của nó. Các vật liệu nano thể

hiện các tính chất quang, điện tử và từ đặc biệt mà ở các vật liệu khối không có.
Vật liệu nano ( nano materials ) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu
đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các
công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế , số các công ty có liên quan
đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Con số ước tính về số
tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 . Vậy thì tại sao vật
liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Bài tiểu
luận này chúng em sẽ trình bày về vật liệu nano, các phương pháp chế tạo, tính
chất lí hóa, và các ứng dụng của chúng.
CHƯƠNG I :
GIỚI THIỆU VẬT LIỆU NANO
Xu hướng của khoa học ứng dụng (bài này không đề cập đến khoa học cơ bản)
hiện nay là tích hợp lại để cùng nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước tiến
đến kích thước của nguyên tử. Hàng ngàn năm trước đây, kể từ khi các nhà bác học
cổ Hy Lạp xác lập các nguyên tắc đầu tiên về khoa học (đúng hơn là siêu hình học),
thì các ngành khoa học đều được tập trung thành một môn duy nhất đó là triết học,
chính vì thế người ta gọi họ là nhà bác học vì họ biết hầu hết các vấn đề của khoa
học. Đối tượng của khoa học lúc bất giờ là các vật thể vĩ mô.
Cùng với thời gian, hiểu biết của con người càng tăng lên, và do đó, độ phức
tạp cũng gia tăng, khoa học được phân ra theo các ngành khác nhau như toán học,
vật lí, hóa học, sinh học, để nghiên cứu các vật thể ở cấp độ lớn hơn micro mét.
Sự phân chia đó đang kết thúc và khoa học một lần nữa lại tích hợp với nhau khi
nghiên cứu các vật thể ở cấp độ nano mét. Nếu ta gọi sự phân chia theo các ngành
toán, lí, hóa, sinh là phân chia theo chiều dọc, thì việc phân chia thành các ngành
khoa học nano, công nghệ nano, khoa học vật liệu mới, là phân chia theo chiều
ngang. Điều này có thể được thấy thông qua các tạp chí khoa học có liên quan. Ví
dụ các tạp chí nổi tiếng về vật lí như Physical Review có số đầu tiên từ năm 1901,
hoặc tạp chí hóa học Journal of the American Chemical Society có số đầu tiên từ
năm 1879, đó là các tạp chí có mặt rất lâu truyền tải các nghiên cứu khoa học sôi
nổi nhất trong thế kỷ trước. Trong thời gian gần đây, người ta thấy xuất hiện một

loạt các tạp chí không theo một ngành cụ thể nào mà tích hợp của rất nhiều ngành
khác nhau như tạp chí uy tín Nano Letters có số đầu tiên từ năm 2001, tạp
chí Nanotoday có số đầu tiên từ năm 2003. Chúng thể hiện xu hướng mới của khoa
học đang phân chia lại theo chiều ngang tương tự như khoa học hàng ngàn năm về
trước. Bài này xin giới thiệu sơ lược về đối tượng của khoa học và công nghệ nano,
đó là vật liệu nano.
1.1. Vật liệu nano là gì ?
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước cỡ nanomet. Về
trạng thái của vật liệu, các nhà khoa học phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và
khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau
đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, các nhà khoa học phân ra thành
các loại sau:
• Các vật liệu nano một chiều: màng mỏng, các lớp, các bề mặt ,
• Các vật liệu nano hai chiều: dây nano, các ống nano,
• Các vật liệu nano ba chiều: các hạt nano, các hạt keo, các chấm lượng tử, các vật
liệu dạng tinh thể nano, các đám nano
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocompozit trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nano, hoặc cấu trúc của nó có nano ba chiều, một
chiều, hai chiều đan xen nhau.
Hai yếu tố chính tạo nên các tính chất của vật liệu nano, làm cho nó khác biệt
lớn đối với các vật liệu khác, đó là diện tích bề mặt được tăng lên đáng kể và các
hiệu ứng lượng tử. Những yếu tố này có thể làm thay đổi hoặc tăng cường các tính
chất ví dụ như độ phản ứng, độ cứng và các tính chất về điện. Khi giảm kích thước
một hạt, thì tỷ lệ các nguyên tử ở trên bề mặt tăng lên so với các nguyên tử ở bên
trong. Ví dụ, một hạt có kích thước 30 nm có 5% nguyên tử ở trên bề mặt của nó,
với kích thước 10nm có 20% nguyên tử trên bề mặt của nó và 3 nm có 50% nguyên
tử trên bề mặt của nó. Do vậy, các hạt nano sẽ có diện tích bề mặt trên đơn vị khối
lớn hơn so với các hạt ở kích thước lớn hơn. Vì các phản ứng hóa học xúc tác diễn
ra ở bề mặt, nên điều này có nghĩa là một khối vật liệu dạng hạt nano sẽ phản ứng
nhạy hơn với cùng khối vật liệu đó có cấu tạo từ các hạt lớn hơn.

Song song với các hiệu ứng diện tích bề mặt, các hiệu ứng lượng tử bắt đầu chi
phối những tính chất của vật liệu khi kích thước bị giảm xuống cỡ nano. Chúng có
thể tác động tới phản ứng điện, từ tính và quang học của vật liệu đặc biệt là khi cấu
trúc của kích cỡ hạt tịnh tiến tới mức kích cỡ nhỏ nhất trong bảng kích thước nano.
Vật liệu nano khai thác những hiệu ứng này bao gồm các chấm lượng tử, các tia
laze năng lượng lượng tử (quantum well lasers), các linh kiện điện quang Đối với
các vật liệu khác, ví dụ như những chất rắn tinh thể, khi kích thước các thành phần
cấu trúc của chúng giảm, thì diện tích giao diện trong lòng vật liệu tăng lên sẽ tác
động mạnh tới các tính chất điện và cơ. Hầu hết các kim loại được tạo ra từ các hạt
tinh thể nhỏ, khi vật liệu bị giảm kích cỡ xuống thì ranh giới giữa các hạt giảm
xuống đến mức gần bằng không, vì vậy tạo cho nó độ rắn. Nếu những hạt này có
thể được làm cho cực nhỏ, hoặc thậm chí ở kích thước nano, thì diện tích giao diện
bên trong vật liệu tăng lên rất nhiều, điều này càng làm tăng độ cứng của nó. Ví dụ,
niken tinh thể nano có độ cứng bằng thép. Hiện nay có rất nhiều vật liệu nano mới
chỉ đang ở giai đoạn sản xuất trong phòng thí nghiệm, nhưng một số ít đã bắt đầu
được thương mại hóa.
1.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano.
Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung
bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm
3
có khoảng 10
12
nguyên tử) và có thể bỏ
qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì
các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được
coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử.
Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ

đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề
mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu
có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Kích thước tới hạn
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích
thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị
thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt
là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính
chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích
thước vĩ mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ
hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị
từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của
vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật
liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính
chất mà nó được nghiên cứu.
Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính
chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm. Chính vì thế mà người ta
gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ nano.
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu.
CHƯƠNG II :
CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
2.1. Phóng điện hồ quang hay hồ quang plazma
Hình 2.1. Hồ quang plasma
Để có phóng điện hồ quang, người ta dùng một cái bình kín có thể hút chân
không rồi cho một chất khí, thường là khí trơ thổi qua với ấp suất thấp (hình 2.1)
Trong bình có hai điện cực nối với một điện thế, cỡ hàng chục vôn. Khi mồi
cho phóng điện, có hồ quang giữa hai điện cực. Khí giữa hai điện cực khi có hồ
quang là rất nóng thực chất ở đây có các nguyên tử đã bị mất điện tử trở thành các
ion và điện tử tự do. Đó chính là plasma
Một điện cực (anot) bị điện tử bắn phá làm cho các nguyên tử ở đấy bốc bay

lên, bị mất điện tử trở thành ion dương hướng về catot. Do đó catot bị phủ lớp vật
chất từ anot bay sang. Đồng thời có những hạt không đến được catot nên rơi xuống
dưới. Phải chọn chế độ phóng điện hồ quang hợp lý thì mới có được các hạt nano
mong muốn rơi xuống dưới hoặc hình thành ở catot. Chất làm điện cực phải là dẫn
điện. Thành phần hóa học của chất làm điện cực không những có ảnh hưởng quyết
định đến thành phần hóa học của các hạt nano được tạo ra mà còn ảnh hưởng đến
việc tạo ra hạt nano dạng gì, hiệu suất cao hay thấp…
Với phương pháp hồ quang plasma khó tạo ra vật liệu khối, chủ yếu là tạo ra
được một lớp bột mịn, hạt nhỏ trên catot. Phương pháp này có đặc điểm là ban đầu
không phải nguyên tử, phân tử trung hòa đến catot mà là ion mang điện dương thu
nhận điện tử ở catot.
Một dạng tương tự với hồ quang plasma là ion hóa bằng ngọn lửa. Nếu phun
vật liệu vào ngọn lửa, các nguyên tử cũng bị ion hóa về nhiệt và cũng bị hút về điện
cực âm để tạo ra vật liệu nano.
2.2. Phương pháp hoá và lý phủ từ pha hơi (CVD và PVD)
Bằng những phương pháp hóa hoặc lý người ta tạo ra vật liệu dưới dạng hơi
rồi cho hơi này ngưng đọng trên bề mặt chất rắn để có lớp phủ. Khi ngưng đọng có
thể có phản ứng hóa học xảy ra nên không nhất thiết vật liệu ở lớp phủ phải giống
như là vật liệu ở pha hơi.
Để chế tạo bột kim loại tinh khiết, người ta dùng bình kín, hút chân không cao
và đốt nóng kim loại để kim loại nóng chảy rồi bốc bay lên hoặc trực tiếp bốc bay
lên từ pha rắn (thăng hoa). Hơi kim loại bay lên được ngưng tụ lại trên bề mặt vật
rắn đặt gần đấy cũng ở trong bình chân không.
Để chế tạo bột với khối lượng đáng kể người ta dùng lò cao tần (vi sóng) để
làm nóng chảy và bốc bay liên tục. Hơi được dẫn qua ống có bề mặt được làm lạnh
bằng nước nên ngưng tụ lại, tạo thành bột kim loại, được làm lạnh tiếp để bột rơi
xuống, lọc lấy ra ngoài.
Muốn tạo bột oxyt hoặc nitrit kim loại, thay cho chân không cao người ta cho
khí oxy hay khí nito ở áp suất thích hợp thổi qua bình. Cùng với sự ngưng đọng
trên bề mặt, có các phản ứng hóa học xảy ra tạo được bột với thành phần mong

muốn.
2.2.1. Phương pháp CVD
CVD là tên viết tắt bằng tiếng Anh của từ Chemical Vapor Deposition tức
là phương pháp Lắng đọng pha hơi hóa học đây là phương pháp linh hoạt được
sử dụng để chế tạo các vật liệu rắn có độ tinh khiết và hiệu suất cao.
CVD có thể chế tạo hầu hết các kim loại. Một số phi kim quan trọng như
Carbon , Silicon… cũng như một số lượng lớn các hợp chất Carbide, Nitride,
Oxide…, và nhiều loại vật liệu khác.
CVD là quá trình tổng hợp vật liệu rắn bằng cách cho các chất hóa học ban
đầu (precursor ) ở pha hơi phản ứng với nhau và lắng đọng trên một đế được nâng
nhiệt. Precusor có thể bao gồm một hay nhiều chất vô cơ, kim loại hữu cơ… và
được vận chuyển ở pha hơi đến buồng phản ứng, nơi tại đó sẽ diễn ra các phản ứng
hóa học để tạo thành màng bật liệu rắn lắng đọng trên đế.
Chính xác phản ứng hóa học xảy ra trong phương pháp CVD này là đặc điểm
để phân biệt CVD với các phương pháp PVD tức là Lắng đọng Vật Lý như phún
xạ, bốc bay….
Ứng dụng CVD vào công nghiệp đã đạt được nhiều thành công trong thời
gian gần đây, đăch biệt là ngành công nghiệp mạ và công nghiệp bán dẫn. Ngành
công nghiệp bán dẫn được xem là ngành ứng dụng phương pháp CVD nhiều nhất
khi chiếm sản phẩm tạo bởi phương pháp CVD.
Các quá trình trong phương pháp CVD
Sự hình thành vật liệu của phương pháp CVD bao gồm các quá trình vận
chuyển, phản ứng và lắng đọng của các chất gốc lên đế nền. Các quá trình vận
chuyển chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ khí tải, thiết kế
buồng… Do đó kiểm soát được các yếu tố ảnh hưởng đến mỗi quá trình là ta có thể
kiểm soát được cấu trúc, tính chất cũng như hình thái của vật liệu tạo thành.
2.2.1.1. Vận chuyển các precursor vào buồng phản ứng.
Mục đích của quá trình vận chuyển là nhằm cung cấp một cách lien tục và
đồng nhất lượng precursor ( chất gốc ) đưa vào để lắng đọng trên đế. Độ tinh khiết
của cấu trúc tạo thanhfcos thể bị suy giảm do các khí tạp và quá trình tạo mầm. Các

phản ứng ở pha khí không mong muốn có thể được giảm thiểu bằng các sử dụng
các hệ thống chân không cao để làm giảm khả năng va chạm của các phân tử khí
trước khi chúng lắng đọng trên bề mặt. Sự vận chuyển các precursor ở pha khí phụ
thuộc vào dạng và thiết kế của buông phản ứng.
Dòng khí vận chuyển trong buồng bao gồm dòng chảy do sự phun khí vào
buồng và dòng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ của vật liệu lên đế nền. Dòng
chảy của khí không thể vận chuyển khí xuống đến nền mà dòng khuếch tán mới
chính là dòng gây ra hiện tượng lắng đọng trong VCD.
Trong đa số trường hợp, sự dịch chuyển của các khối khí là dòng chảy lớp.
Khi đó vận tốc của dòng chảy biến thiên từ zero tại thành buồng đến vận tốc lớn
nhất tại tâm buồng. Đây chính là lớp biên của dòng khí, lớp biên này bắt đầu hình
thành ở một đầu buồng và có độ dày tang đến một mức xác định khi đi vào trong
long buồng như hình. Khi phản ứng di chuyển bên trong lớp biên sẽ khuếch tán qua
nó để lắng đọng lên đế.
Hình a: Sự thay đổi lớp biên và vận tốc trong long buồng
Ngoài lớp biên vận tốc trong lòng buồng còn hình thành lớp biên nồng độ.
Lớp biên vận tốc sinh ra do độ nhớt của dòng khí và ma sát giữa dòng khí với thành
buồng (hình a). Trong khi đó lớp biên nồng độ sinh ra do sự hấp thụ chất phản ứng
vào đế gây ra gradient nồng độ. Lớp biên nồng độ có dạng tương tự như lớp biên
vận tốc.
Hình b : Sự thay đổi lớp biên nhiệt độ và nhiệt độ trong buồng
Hình trên là sơ đồ điển hình của các profile nhiệt độ. Lớp biên cũng tương tự
như lớp biên vận tốc. Khí trong dòng hay sẽ nâng nhiệt một cách nhanh chóng khi
tiếp xúc với thành buồng tạo nên một gradient nhiệt giữa thành buồng và tâm
buồng. Nhiệt độ trung bình cũng tang theo chiều dịch chuyển của dòng khí.
Khi dòng khí chảy trong buồng, sụ lắng đọng, phản ứng và tạo thành các sản
phẩm phụ diễn ra sẽ khiến cho luồng khí có sự thay đổi về nồng độ. Sơ đồprofile
nồng độ và lớp biên được miêu tả như trên hình c.
Hình c : Sự thay đổi lớp biên nồng độ và nồng độ của khí phản ứng trong
buồng

Lớp biên của ba đại lượng vận tốc, nhiệt độ và nồng độ trùng nhau trong đa
số các trường hợp. Tuy nhiên một số trường hợp các phản ứng diễn ra với vận tốc
chậm trong buồng.
Càng vào sâu trong buồng, lớp biên càng dày và gradient nồng độ càng nhỏ
khiến cho độ dày màng tạo thành sẽ không đồng đề. Do vậy đế nền được đặt
nghiêng, song song với bề mặt lớp biên sẽ giúp quá trình lắng đọng diễn ra một
cách đồng đều và giúp màng có độ dày đồng đều hơn.
2.2.1.2. Các phản ứng pha khí
Tùy thuộc vào các precursor khác nhau mà trong buồng xảy ra các phản ứng
hóa học khác nhau.
Các yêu cầu về đặc tính cần của precursor bao gồm : ổn định ở nhiệt độ
phòng, dễ bay hơi ở nhiệt độ thấp, có thể điều chế với độ tinh khiết cao và có thể
phản ứng hoàn toàn trong vùng phản ứng mà không xảy ra phản ứng phụ.
Các phản ứng trong phương pháp CVD có thể xảy ra trong pha khí hoặc trên
bề mặt đế hay cả hai. Những phản ứng này bao gồm phản ứng nhiệt phân, thủy
phân, phản ứng khử, oxi hóa…có thể được kích thích bằng nhiều cách.
Sự phân loại các phương pháp CVD có thể dựa trên cách kích thích để cho
phản ứng xảy ra như : Nhiệt CVD , PE- CVD, PA-CVD.
2.2.1.3. Khuếch tán và kết hợp để tạo màng trên đế.
Sau khi phản ứng xảy ra, các phần tử vật liệu sẽ hấp thụ trên bề mặt. Một khi
hấp thụ trên bề mặt đế, các phần tử vật liệu sẽ được khuếch tán đến vùng phát triển.
Độ linh động và khả năng khuếch tán trên bề mặt của các phần tử precursor phụ
thuộc vào các tính chất như cấu trúc, nhiệt độ của đế.
Sự phát triển của vật liệu trên bề mặt đế có thể được dự đoán thông qua
tương tác tự nhiên giữa phim và đế, nhiệt động lực học của sự hấp thụ và động
năng của quá trình phát triển tinh thể.
Ba cơ chế hình thành vật liệu chính trong phương pháp CVD ( hình d ) là cơ
chế Franck –Van der Merwe hình thành lớp, cơ chế Stranski – Krastanov hình
thành đảo (island) và cơ chế Volmer – Weber kết hợp của cả 2 cơ chế trên.
Hình d : Các cơ chế hình thành vật liệu trong phương pháp CVD

(a) cơ chế cơ chế Stranski – Krastanov
(b) cơ chế Volmer – Weber
(c) cơ chế Franck –Van der Merwe
2.2.1.4. Giải hấp các sản phẩm phụ và vận chuyển ra khỏi buồng.
Trong bước cuối cùng của phương pháp CVD các sản phẩm phụ được giải
hấp ra khỏi đế và vận chuyển ra khỏi buồng phản ứng. Các sản phẩm phụ hình
thành trên bề mặt đế phụ thuộc vào tương tác giữa chúng với đế. Trong khi đó, khả
năng loại bỏ các sản phẩm này phụ thuộc vào áp suất, sự có mặt của khí tải và thiết
kế của hệ.
Hình e: Sơ đồ các quá trình tạo vật liệu trên đế của phương pháp CVD
2.2.1.5. Ưu nhược điểm của phương pháp CVD.
Ưu điểm :
- Không bị hạn chế do sự che khuất khi lắng đọng như các phương pháp
phún xạ, bốc bay và các phương pháp Lắng đọng pha hơi vật lý (PVD) khác. Do
vậy, CVD có khả năng phủ cao ngay cả đối với các câu trúc 3 chiều phức tạp, các
rãnh hay lỗ sâu.
- Tốc độ lắng đọng lớn và độ dày màng
- Các thiết bị CVD rất linh hoạt bởi nó thường không đòi hỏi chân không cao
và có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số. Sự linh hoạt của CVD còn thể hiện ở
chỗ nó có thể cho phép thay đổi hợp chất phản ứng ngay cả trong quá trình lắng
đọng.
Nhược điểm:
- Quá trình lắng đọng khó thực hiện với một số đế kém bền nhiệt bởi thông
thường CVD chỉ hoạt động linh hoạt ở nhiệt độ từ trở lên.
- Các hóa chất ban đầu đóng vai trò precursor thường đòi hỏi áp suất cao và
độc hại. Do đó các sản phẩm phụ của quá trình CVD thường độc và có độ ăn mòn
cao.
2.2.2. Phương pháp Lắng đọng pha hơi vật lý (PVD)
2.2.2.1. Các khái niệm
Lắng đọng pha hơi vật l. là sản phẩm của pha hơi ngưng tụ tạo ra bằng

phương pháp vật l., sau đó hơi này lắng đọng lên trên đế tạo thành màng mỏng.
Cách “vật l.” đầu tiên tạo ra pha hơi là đốt nóng vật liệu cần bốc bay (hay còn gọi
là vật liệu gốc) bằng thuyền điện trở hay chén bốc bay, như mô tả trên hình 1.1.
Chúng được gọi là “nguồn nhiệt” hay nguồn bốc bay. Các kiểu nguồn có dạng đặc
biệt hơn có thể là bình thoát hơi chính xác (hình 1.2.) hay chùm tia điện tử hội tụ
(súng điện tử, hình 1.3). Ngày nay đã có nhiều cách hoá hơi vật lý khác như hoá
hơi bằng laze cộng hưởng với chùm photon mạnh (lắng đọng laze xung; hình 1.4),
bắn phá bia bằng nguồn ion có năng lượng cao (phún xạ, hình 1.5). Các kỹ thuật
trên đều được thực hiện trong chân cao ( Torr) hoặc siêu cao (
Torr). Phún xạ được thực hiện trong áp suất khí ứng với chân không thấp hơn (cỡ
Torr), nhưng trước khi đưa khí vào buồng phún xạ, buồng này cũng
đã được hút chân không cao.
Hình 1. Ảnh một số kiểu nguồn bốc bay làm từ kim loại khó nóng chảy
Hình 2. Ảnh thuyền và chén làm nguồn bốc bay
Hình 3. Ảnh nguồn bốc bay bằng chùm tia điện tử với các cấu hình khác nhau
2.2.2.2. Kỹ thuật chân không và công nghệ màng mỏng
Để có thể nhận được màng mỏng tinh khiết như mong muốn, thì bốc bay chân
không hay lắng đọng pha hơi vật l. nói chung cần được thực hiện trong điều kiện
chân không cao. Trong thí dụ tr ước, tần suất va chạm của khí nitơ tại áp suất này
tính được bằng 3,8. . Nếu dòng va chạm của phân tử hóa hơi trên đế
cũng có giá trị vào khoảng này thì màng mỏng hình thành có thể bị nhiễm tạp chất
từ phân tử khí dư với một lượng phân tử chiếm khoảng 50% số phân tử khí c òn lại
ở trong chuông.
2.2.2.3. Phún xạ
Sơ đồ mô tả cơ chế phún xạ do va chạm được trình bày trên hình 2.2.2.3a, trong đó
ion có năng lượng đủ lớn bắn phá bề mặt của bia phún xạ. Sự va chạm mạnh giữa
ion và nguyên tử của bia khiến nguyên tử có thể thoát ra khỏi bề mặt bia. Các
nguyên tử thoát khỏi bia tạo ra dòng hơi. Một phần dòng hơi này sẽ lắng đọng lên
đế tạo thành màng mỏng. Trong phún xạ cao áp một chiều, ion bắn ra từ plasma
khối, mà trạng thái plasma này được hình thành bởi nguồn cao áp một chiều (hình

2.2.2.3b). Chuông chân không để phún xạ thường chỉ cần áp suất cỡ 0,01 đến 1
Torr (tuy nhiên chuông chân không cần được hút đến mức cao nhất có thể, tr ước
khi đưa khí argon vào). Trong thực tế, động năng của các ion va chạm bị giảm bởi
quá trình tương tác trao đổi điện tích giữa ion và nguyên tử ở trong lớp vỏ catốt
(hình 2.2.2.3c). Khi chuyển động va chạm, ion có thể bị trung hòa điện tích. Do đó,
nó chỉ còn lại một phần động năng lớn nhất mà nó có được lúc đầu.
Hình 2.2.2.3 Phương pháp phún xạ
a. Cơ chế phản xạ va chạm
b. Phân bố điện thế trong phún xạ cao áp một chiều,
c. Quá trình trao đổi điện tích trong vỏ catốt – plasma.
Nguyên lý hoạt động của loại linh kiện này dựa trên hiệu ứng chuyển pha
bán dẫn - kim loại xảy ra trong màng VO2 khi nó bị đốt nóng đến nhiệt độ chuyển
pha ( . Hệ màng mỏng WO3/ITO chế tạo bằng phương phap chum tia điện tử co
khả năng điều khiển anh sang truyền qua bằng nguồn điện của một pin tiểu (1,5V).
Từ trạng thai trong suốt, hệ màng này chuyển sang xanh nhạt hoặc xanh xẫm, khi
chung đ ược đặt điện thế từ - 300mV ÷ -1500mV. Đó la linh kiện điện sắc, một loại
hiển thị mới, khác với hiển thị tinh thể lỏng ở chỗ hình ảnh không bị lóa, dù nhìn
dưới góc độ nào. Một khi có được chất điện ly rắn, thí dụ như mang mỏng
chúng ta có thể thiết kế, chế tạo linh kiện hiển thị toàn rắn. Cuối cùng là linh kiện
điện huỳnh quang hữu cơ, được thiết kế chế tạo từ nhiều lớp màng mỏng hữu cơ
như PVK, PPV, Alq3… Chúng đều được bốc bay bằng phương pháp chân không
hay phủ ly tâm, công nghệ đơn giản hơn rất nhiều so với công nghệ chế tạo LED vô
cơ phải sử dụng các kỹ thuật nuôi đơn tinh thể, epitaxy. Linh kiện này còn có ưu
điểm vượt trội so với điốt phát quang vô cơ, vì diện tích làm việc có thể trải rộng
đến mức có thể sử dụng làm hiển thị cho điện thoại di động hoặc tiến tới làm màn
hình phẳng cho máy vô tuyến truyền hình.
2.3. Phương pháp mạ điện
Phương pháp mạ điện vẫn được dùng rất phổ biến để tạo các lớp kim loại
mỏng trên bề mặt vật dẫn điện. Dung dịch điện phân, chất liệu ở điện cực, mật độ
dòng điện, điện thế, nhiệt độ… là những yếu tố quan trọng để có lớp mạ có chất

lượng.
Thông thường yêu cầu chất lượng lớp mạ là phải bám chắc vào bề mặt, phải
láng bóng, phải đặc nghĩa là khối lượng riêng của lớp mạ giống như là khối lượng
riêng của vật liệu khối xuất phát. Đối với công nghệ nano có thể có ba yêu cầu khác
nhau.
- Cần một lớp vật liệu như thông thường nhưng mỏng (một chiều cỡ nanomet), thí
dụ làm điện cực (dẫn điện), làm lớp lót để có ái lực nhằm thu hút một số nguyên tử,
phân tử nào đó bám vào.
- Cần lớp vật liệu đặc nhưng có cấu trúc hạt tinh thể rất nhỏ. Chọn chế độ mạ thích
hợp có thể có được lớp mạ dày, đặc với cấu trúc tinh thể là những hạt nhỏ, đến kích
thước cỡ nanomet. Đây là vật khối có các hạt tinh thể nano.
- Có thể chọn chế độ để lớp phủ hình thành ở điện cực không phải là liên tục mà là
gồm các hạt nano rời, liên kết với nhau yếu. Lớp phủ không thật đặc, bề mặt không
láng bóng mà có nhiều nhấp nhô vi mô. Dùng trực tiếp hoặc cạo ra lấy bột.
Thí dụ, có thể mạ để có platin sáng bóng, rất đồng đều. Nhưng cũng có thể mạ
để có lớp phủ platin gồm các hạt platin đen mịn, có tính chất như vật đen lý tưởng,
dùng làm mặt hấp thụ bức xạ nhiệt. Được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như mạ
đồ trang sức, máy móc, thiết bị kỹ thuật, oto, máy bay……
Việc mạ điện không phải đơn thuần là chuyển vật liệu từ điện cực này sang
điện cực kia để tạo thành lớp mỏng. Rất nhiều trường hợp chất tạo ra lớp phủ lấy từ
trong dung dịch, đó là hỗn hợp các chất ở dạng lỏng. Màng có cấu trúc nano của
paladi, niken, vàng, polyme hữu cơ (thí dụ polyanilin), các oxyt, bán dẫn … đều
được chế tạo theo cách mạ điện từ hỗn hợp ở dạng lỏng. Các màng này được dùng
ở pin, pin nhiên liệu, pin mặt trời, lớp tản nhiệt và đổi màu phủ ở cửa kính, cảm
biến, linh kiện photonic…
Phương pháp mạ điện còn được dùng để lấp lỗ nano trong màng polyme để
tạo ra các điện cực nano nhằm điều khiển ion chuyển động. Đó là màng nhân tạo có
cỏc kờnh ion iu khin c, thớ d cu to ca nano composit kim loi cht do
phõn tỏch chn lc ion (hỡnh 2.2)
Hỡnh 2.2. Nanocomposit kim loi cht do tỏch ion cú chn lc

2.4. Phng phỏp sol-gel
Phơng pháp sol-gel do R.Roy đề xuất năm 1956, cho phép trộn lẫn các chất ở quy
mô nguyên tử do đó, sản phẩm thu đợc có độ đồng nhất và độ tinh khiết cao, bề mặt
riêng lớn, kích thớc hạt nhỏ, khả năng tạo composit với thành phần khác nhau mà
phơng pháp nóng chảy không thể tổng hợp đợc; đồng thời còn tạo ra vật liệu ở các
dạng khác nhau: màng, bột, khối,