Chương 1 giới thiệu về hóa học nano

HÓA HỌC NANO
NANOCHEMISTRY
PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Phong
NỘI DUNG MÔN HỌC
1.GiỚI THIỆU VỀ HÓA HỌC NANO (1)
2.VẬT LiỆU NANO VÀ ỨNG DỤNG (2)
3.PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LiỆU NANO (TOP-
DOWN *** BOTTOM-UP) (2)
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LiỆU NANO (1)
GIÁO TRÌNH
1.GIÁO TRÌNH HÓA HỌC NANO - Nguyễn Thị Phương Phong
2.HÓA HỌC NANO- Nguyễn Đức Nghĩa, Nhà xuất bản Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam (2007).
3. VẬT LiỆU TỪ CẤU TRÚC NANO VÀ ĐiỆN TỪ HỌC SPIN -
Nguyễn Hữu Đức,Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà nội (2008)
4. NANOCHEMISTRY, Sergeev- Elsivier (2006)
5. NANOMATERIALS & NANOCHEMISTRY, Catherine Bréchignac,
Philippe Houdy, Marcel Lahmani - European Materials Research
Society (2006)
6. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
Nano?
Single Hair
Width = 0.1 mm
= 100 micrometers
= 100,000 nanometers !
1 nanometer = one billionth (10-9) meter
KÍCH THƯỚC NANO?
HOÁ HỌC NANO
Đ N Gi N, D TH C Hi N, KHÔNG C N CÓ NH NG THI T B Đ T Ti NƠ Ả Ễ Ự Ệ Ầ Ữ Ế Ị Ắ Ề
LIPOSOME

KÍCH TH C V T Li U NANO T 1-1OOOnmƯỚ Ậ Ệ Ừ
KÍCH THƯỚC VẬT LiỆU NANO KIM LOẠI TỪ 1-1OOnm
V T Li U NANO VÔ CẬ Ệ Ơ: KIM LO I, CÁC OXID KIM LOAI, CAC Ạ
H P KIM NANO,… Ợ
V T Li U NANO H U CẬ Ệ Ữ Ơ: NANO CURCUMIN, NANO RUTIN (CÁC
H P CH T SINH H C, CÁC CHI T TÁCH Đ A V KÍCH TH C Ợ Ấ Ọ Ế Ư Ề ƯỚ
NANO), NANOPOLYMER, LYPOSOME, DENDRIMER,….
V T Li U NANO COMPOSITEẬ Ệ : v t li u nano kim loai, nano clay trên n n ậ ệ ề
polymer, hay
Chương 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
•
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng
và vận dụng vào các vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và
đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với
tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.
•
Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và
ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển
hình dáng và kích thước trên quy mô nano mét.
•
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và
công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước
của vật liệu nano trải dài một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài
trăm nm.
•
Hóa học nano: là các phương pháp chế tạo vật liệu và linh kiện
nano bằng các phản ứng hóa học.
Vật liệu nano
•
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về

trạng thái của vật liệu, người ta 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, người ta phân ra thành các loại sau:
•
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều
tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano ( vật liệu nano 3 chiếu)
•
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử
được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, (vật
liệu nano hai chiều)
•
Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều
tự do, ví dụ, màng mỏng, (vật liệu nano một chiếu)
•
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một
phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Tính chất Thông số Độ dài đặc trưng
(nm)
Điện - Bước sóng của điện tử
- Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi
- Hiệu ứng đường ngầm
10 – 100
1 – 100
1 – 10
Từ - Vách domain, tương tác trao đổi
- Quãng đường tán xạ spin
- Giới hạn siêu thuận từ
10 – 100
1 – 100

5 – 100
Quang - Hố lượng tử (bán kính Bohr)
- Độ dài suy giảm
- Độ sâu bề mặt kim loại
- Hấp thụ plasmon bề mặt
1 – 100
10 – 100
10 – 100
10 – 500
Xúc tác - Hình học topo bề mặt 1 – 10
KÍCH THƯỚC NANO?
Hiệu ứng cầm tù lượng tử
VÙNG NGHIÊN C U Ứ
C A HÓA H C NANOỦ Ọ
Do kích cỡ của HẠT NANO nhỏ, những hạt dẫn bị
cầm tù trong một không gian nhỏ hơn trong bán dẫn
khối. Sự cầm tù lượng tử (quantum confinement
effect) các exciton (một chuẩn hạt sinh ra do sự liên
kết của điện tử và lỗ trống) là nguyên nhân làm cho
những tính chất quang - điện của HẠT NANO phụ
thuộc vào kích cỡ của nó. Nếu kích cỡ của HẠT
NANO càng giảm xuống thì bậc cầm tù càng cao, khi
đó sinh ra exciton có năng lượng cao (như sẽ chỉ rõ ở
mục sau), kéo theo sự tăng lên của khe năng lượng
làm cho photon bức xạ có năng lượng thay đổi, dẫn
đến ánh sáng phát ra có bước sóng khác nhau.
Hiệu ứng cầm tù lượng tử
Metal Nanoparticles
Chemistry changes with Size!
Au

Au
CO CO2
CO CO2
X
See, for example:
Valden
et al
.,
Science
1998,
281
, 1647.
Scott
et al
.,
J. Phys. Chem. B
2005,
109
, 692.
Hiệu ứng bề mặt
Đường
kính hạt
nano (nm)
Số
nguyên
tử
Tỉ số
nguyên tử
trên bề mặt
(%)

Năng
lượng bề
mặt
(erg/mol)
Năng lượng bề
mặt / Năng
lượng tổng (%)
10 30.000 20 4.8×1011 7,6
5 4.000 40 8,6×1011 14,3
5 4.000 40 8,6×1011 14,3
1 30 90 9,23×1012 82,2
Hiệu ứng bề mặt
KÍCH THƯỚC NANO?
Hiệu ứng plasmon bề mặt
Kim loại có thể được xem như cầm tù plasma của ion dương (bao gồm hạt
nhân và các điện tử lõi) và các electron tự do. Trong trường hợp chưa có
kích thích, đám mây điện tích dương của các ion và đám mây điện tích âm
của các điện tử xen phủ nhau. Do một vài nhiễu loạn của trường ngoài, các
đám mây điện tích bị nhiễu loạn và các địên tử tự do bị dịch chuyển ra khỏi
vị trí cân bằng. Nếu mật độ của electron trong một vùng tăng lên, chúng sẽ
đẩy nhau và có xu hướng trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Vì các electron dịch
chuyển về vị trí cân bằng nên nó nhận được một động năng, tuy nhiên, động
năng này thì vượt quá năng lượng ban đầu vì thế chúng dao động quanh vị
trí cân bằng. Tập hợp dao động của những electron tự do trong kim loại dưới
kích thích của bức xạ điện từ đươc gọi là những plasmon.
Nh ng dao đ ng này sinh ra d i h p th m nh ánh sáng trong vùng kh ki n. ữ ộ ả ấ ụ ạ ả ế
Nanochemistry
Nanophysics
NGUYÊN T C CH T O V T Li U NANOẮ Ế Ạ Ậ Ệ
PHƯƠNG PHÁP TOP-

DOWN (Nanophysics)
PH NG PHÁP NGHI N C H C(NGHI N BI)ƯƠ Ề Ơ Ọ Ề
ƯU ĐiỂM: nhanh, nghiền một
lượng lớn vật liệu, kích
thước hạt có thể xuống đến
2-10nm.
KHUYẾT ĐIỂM: kích thước
không đồng đều, độ phânbố
khá rộng, hạt bị khuyết tật và
thường lẫn các tạp chất
PH NG PHÁP NGHI N C H C(NGHI N BI)ƯƠ Ề Ơ Ọ Ề
NGHIỀN KHÔ
NGHIỀN KHỐ THÊM PHỤ GIA
NGHIỀN ƯỚT
PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN
(Nanophysics)
PHƯƠNG PHÁP TOP-DOWN
Photolithography: Quang khắc
Kỹ thuật liff-off Kỹ thuật ăn mòn
* CH TẤ C N QUANG D NG Ả ƯƠ
LÀ CH T CÓ TÍNH CH T Bi N Ấ Ấ Ế
Đ I: KHI ÁNH SÁNG Ổ
CHI UVÀO S B HÒA TAN Ế Ẽ Ị
TRONG CÁC DUNG D CH Ị
TRÁNG R A.Ử
*CH T C N QUANG ÂM: Ấ Ả
KHÔNG B HOÀ TAN TRONG Ị
CÁC DUNG D CH TRÁNG R A Ị Ử
:
•

Quang khắc hay photolithography là kỹ thuật
sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ
vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu và
linh kiện với hình dạng và kích thước xác định
bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến
đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo
ra hình ảnh cần tạo. Phương pháp này được sử
dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và
vi điện tử, nhưng không cho phép tạo các chi tiết
nhỏ do hạn chế của nhiễu xạ ánh sáng, nên
được gọi là quang khắc micro (micro lithography
).
PHƯƠNG PHÁP BOTTOM-UP
•
Electron beam lithography (EBL) là
công nghệ tạo các chi tiết trên bề mặt (các
phiến Si ) có kích thước và hình dạng
giống như thiết kế bằng cách sử dụng
chùm điện tử có năng lượng cao làm biến
đổi các chất cản quang phủ trên bề mặt
phiến. EBL là một công cụ phổ biến trong
công nghệ nanô để tạo ra các chi tiết, các
linh kiện có kích thước nhỏ với độ chính
xác cực cao.
PHƯƠNG PHÁP BOTTOM-UP
PHƯƠNG PHÁP BOTTOM-UP
CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION (CN LẮNG ĐỌNG HƠI HOÁ HỌC)
TẠO HẠT HOẶC MÀNG MỎNG NANO BẰNG PHẢN ỨNG PHA HƠI
*D KI M SOÁT B DÀY MÀNGỄ Ể Ề
*MÀNG CÓ Đ Đ NG NH T CAOỘ Ồ Ấ

Hiệu suất trong buồng được tăng cường bởi
môi trường khí ion (plasma), hình thành do áp
vào một hiệu điện thế xoay chiều nhằm đốt
nóng ở nhiệt độ cao
Nhiệt độ trong buồng có thể giảm xuống
khoảng dưới 300oC.
PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION
(CN LẮNG ĐỌNG HƠI HOÁ HỌC TĂNG CƯỜNG BẰNG
PLASMA) PECVD