Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực ñiện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM


VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU





BÙI HÙNG THẮNG




NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT
LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG
NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU






HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM


VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU





Vũ ðức Chính





NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC
CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe VỚI CẤU TRÚC LÕI/VỎ
VÀ ðỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG



Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang ñiện tử và quang tử
Mã số: 62 44 50 05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1: TS. Phan Tiến Dũng
2: PGS.TS. Phạm Thu Nga



Hà Nội- 2011



BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM


VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU




BÙI HÙNG THẮNG


NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ VẬT
LIỆU TỔ HỢP NỀN HỮU CƠ PHA TRỘN ỐNG
NANÔ CÁCBON VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG

TẢN NHIỆT TRONG LĨNH VỰC ðIỆN TỬ


Chuyên ngành: Vật liệu ñiện tử
Mã số: 62.44.01.23


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Phan Ngọc Minh
2. TS. Hoàng Anh Sơn



HÀ NỘI 2015



LỜI CẢM ƠN

Lời ñầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
hai người thầy hướng dẫn là PGS. TS. Phan Ngọc Minh và TS. Hoàng Anh
Sơn, những người thầy ñã ñịnh hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình
chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Phan Hồng Khôi, TS. Ngô Thị Thanh
Tâm, KS. Lê ðình Quang, TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phan Ngọc Hồng, TS.
Nguyễn Tuấn Hồng, ThS. Phạm Văn Trình, ThS. Cao Thị Thanh, ThS. Nguyễn
Văn Tú, NCS. Nguyễn Mạnh Hồng - những người ñã luôn giúp ñỡ, khích lệ,
ñộng viên tôi trong suốt thời gian làm luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng Thí nghiệm Trọng ñiểm
Quốc gia về vật liệu và linh kiện ñiện tử, Viện Khoa học vật liệu ñã giúp tôi
thực hiện phép ño phân tích trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục và ðào tạo, Lãnh ñạo Viện Khoa
học vật liệu, Bộ phận ðào tạo sau ñại học ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi làm
luận án nghiên cứu sinh.
Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm sâu sắc nhất tới những người
thân trong gia ñình: Cha, mẹ, anh, chị, em ñã chia sẻ những khó khăn, thông
cảm và ñộng viên, hỗ trợ tôi.
Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm ñặc biệt và biết ơn của mình tới vợ
và con, bằng tình yêu, sự cảm thông, quan tâm và chia sẻ, ñã cho tôi nghị lực,
tạo ñộng lực cho tôi thực hiện thành công luận án.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Nghiên cứu sinh


Bùi Hùng Thắng


LỜI CAM ðOAN


Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Ngọc
Minh và TS. Hoàng Anh Sơn. Các số liệu và kết quả trong
luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất cứ
công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Nghiên cứu sinh


Bùi Hùng Thắng


1

NỘI DUNG
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG 5

1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon 5

1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình 5

1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô 7

1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon 9

1.1.4 Tính chất của ống nanô cácbon 13

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp ống nanô cácbon 20

1.2 Vật liệu tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25

1.2.1 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 25

1.2.2 Kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 34

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng 38

2.1.1. Phương pháp tính toán lý thuyết 38

2.1.2. Phương pháp mô phỏng 38

2.2. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu 39

2.2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị chế tạo 39

2.2.2. Biến tính vật liệu ống nanô cácbon 40

2.2.3. Chế tạo chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon 41

2.2.4. Chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon 43

2.3. Các phương pháp phân tích đo đạc vật liệu 44

2.3.1. Hiển vi điện tử quét 44

2.3.2. Phổ tán xạ Raman 45

2.3.3. Phổ hấp thụ hồng ngoại 45

2.3.4. Phổ huỳnh quang tia X 46

2.3.5. Phổ phân tán Zeta-Sizer 47

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG 48


2

3.1. Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48

3.1.1. Đánh giá một số mô hình tính toán độ dẫn nhiệt chất lỏng chứa CNTs 48

3.1.2. Đề xuất mô hình tính toán cải tiến 54

3.1.3. Đánh giá độ chính xác của mô hình với thực nghiệm 60

3.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng các hệ thống tản nhiệt 63

3.2.1. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm 63

3.2.2. Mô phỏng hệ thống tản nhiệt tuần hoàn tự đối lưu 69

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79

4.1. Kết quả biến tính ống nanô cácbon 79

4.1.1. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại truyền qua 79

4.1.2. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman 80

4.2. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs 81

4.2.1. Kết quả chế tạo chất lỏng chứa thành phần CNTs 81

4.2.2. Thử nghiệm chất lỏng chứa CNTs trong tản nhiệt cho CPU 87

4.2.3. Thử nghiệm chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED 97

4.2.4. Giải thích về cơ chế tản nhiệt sử dụng chất lỏng CNTs 110

4.3. Kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113

4.3.1. Kết quả chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs 113

4.3.2. Thử nghiệm kem tản nhiệt CNTs cho vi xử lý 117

4.3.3. Tính toán mô phỏng độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt CNTs 121

KẾT LUẬN CHUNG 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH 144

1. Các bài báo và báo cáo liên quan đến luận án 144

1.1. Bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI 144

1.2. Bài báo quốc tế khác 144

1.3. Bài báo đăng trên tạp chí quốc gia 145

1.4. Báo cáo đăng trên kỷ yếu hội nghị khoa học 145

2. Sáng chế và giải thưởng liên quan đến luận án 145

2.1. Sáng chế được chấp nhận đơn 145

2.2. Giải thưởng khoa học 146




DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU


Viết tắt Tên ñầy ñủ
CNTs Ống nanô cácbon
SWCNTs Ống nanô cácbon ñơn tường
MWCNTs Ống nanô cácbon ña tường
CVD Lắng ñọng hóa học từ pha hơi
EDX Phổ tán sắc năng lượng
FTIR Phổ hồng ngoại biến ñổi Fourier
SEM Kính hiển vi ñiện tử quét
TEM Kính hiển vi ñiện tử truyền qua
AFM Kính hiển vi lực nguyên tử
LED ðiốt phát quang
CPU Vi xử lý máy tính

EG Ethylene Glycol
DEG Diethylene Glycol
DW

Nư
ớc cất

EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất
STARS Kem tản nhiệt thương mại Stars
AS5 Kem tản nhiệt thương mại AS5
STARS/CNTs

Kem tản nhiệt Stars chứa thành phần CNTs
AS5/CNTs Kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs



DANH MỤC CÁC BẢNG

STT

Trang

1 Bảng 1.1 So sánh cơ tính của vật liệu CNTs với một số vật liệu khác 14

2 Bảng 1.2 Phân loại ñặc trưng dẫn của một số loại CNTs 17

3 Bảng 1.3 Tính chất của các oxit và chất lỏng nanô của chúng 29

4 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả tản nhiệt cho CPU bằng chất lỏng 94

5 Bảng 4.2 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem STARS và
STARS/2%CNTs
116

6 Bảng 4.3 Kết quả phân tích EDX trên mẫu kem AS5 và AS5/2%CNTs 117

7 Bảng 4.4 Tổng kết kết quả ño ñạc và tính toán với các loại kem tản nhiệt 128




DANH MỤC CÁC HÌNH

STT

Trang

1 Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp
1
, sp
2
và sp
3

và ñịnh hướng trong
không gian và sự tồn tại của chúng trong các liên kết trong
phân tử C
2
H

2
, C
2
H
4
và C
2
H
6

5

2 Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA) 6

3 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng
lục giác (b)
7

4 Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau 9

5 Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon 10

6 Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs 10

7 Hình 1.7 (a) Biểu diễn véctơ chiral, (b) CNTs loại amchair (5, 5), zigzag
(9, 0) và chiral (10, 5)
11

8 Hình 1.8 Các sai hỏng trên bề mặt CNTs với các vòng cácbon 5 cạnh và
7 cạnh

12

9 Hình 1.9 (a) ðộ dẫn nhiệt của CNTs có véc tơ Chiral (10, 10) và (b) So
sánh ñộ dẫn nhiệt của CNTs so với graphit khối và ñơn lớp
graphit (graphene)
15

10 Hình 1.10 (a) Cấu trúc vùng năng lượng và (b) Vùng Brillouin của mạng
graphit
16

11 Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của SWCNTs với các véc tơ chiral
khác nhau
17

12 Hình 1.12 Giản ñồ năng lượng và thế năng của ñiện tử tại bề mặt vật liệu 19

13 Hình 1.13 (a) Sơ ñồ nguyên lý phương pháp nghiền bi ñể tổng hợp CNTs,
(b) Ảnh SEM của CNTs tổng hợp theo phương pháp nghiền bi
20

14 Hình 1.14 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 21

15 Hình 1.15 Tổng hợp ống nanô cácbon bằng phương pháp hồ quang 23

16 Hình 1.16 Sơ ñồ khối hệ CVD nhiệt 24

17 Hình 1.17 ðồ thị phụ thuộc của ñộ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và 28

Ethylen Glycol (EG) vào nồng ñộ % thể tích của CNTs trong
chất lỏng
18 Hình 1.18 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho lớp tiếp giáp bằng
cách sử dụng kem tản nhiệt
35

19 Hình 1.19 Kết quả ño ñộ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt lớp tiếp giáp
của linh kiện ñiện tử nền PEG chứa thành phần CNTs
35

20 Hình 1.20 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu Indra Vir
Singh cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36

21 Hình 1.21 Kết quả tính toán lý thuyết của nhóm nghiên cứu M. B.
Bryning cho ñộ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần
CNTs
36

22 Hình 2.1 Quy trình biến tính gắn nhóm chức –COOH và –OH lên bề mặt
CNTs
40

23 Hình 2.2 Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng 42

24 Hình 3.1 So sánh kết quả tính toán lý thuyết của nhóm H E Patel với kết
quả thực nghiệm của nhóm Hwang trong trường hợp phân tán
CNTs vào nước cất

52

25 Hình 3.2 Cấu trúc hình ống của CNTs 53

26 Hình 3.3 Mô hình tính ñộ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs 58

27 Hình 3.4 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân
tán MWCNTs vào nước cất
60

28 Hình 3.5 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Lifei Chen với trường hợp
phân tán MWCNTs vào nước cất
61

29 Hình 3.6 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Gensheng Wu với trường
hợp phân tán SWCNTs vào nước cất
61

30 Hình 3.7 So sánh kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình của luận án
với kết quả thực nghiệm của nhóm Hwang với trường hợp phân
62



tán MWCNTs vào EG
31 Hình 3.8 Mô hình cấu trúc hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất

64

32 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử theo thời gian
với các nồng ñộ khác nhau về thể tích của CNTs trong chất
lỏng
69

33 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống tản nhiệt tự ñối lưu sử dụng chất lỏng chứa
thành phần CNTs cho linh kiện ñiện tử công suất

70

34 Hình 3.11 Mô hình gần ñúng của hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng tự ñối
lưu dùng trong mô phỏng
71

35 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tốc ñộ tự ñối lưu của dòng chất lỏng trong
hệ thống tản nhiệt theo thời gian hoạt ñộng của linh kiện ñiện
tử ở các công suất nhiệt khác nhau
77

36 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng nhiệt ñộ của linh kiện ñiện tử công suất 50
W trong hệ thống tản nhiệt tự bằng chất lỏng ñối lưu theo thời
gian và nồng ñộ CNTs
78

37 Hình 4.1 Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
79

38 Hình 4.2 Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính, CNTs
biến tính gắn nhóm chức -COOH và CNTs biến tính gắn nhóm
chức –OH
80

39 Hình 4.3 Phổ phân tán theo kích thước của CNTs phân tán trong nước
cất với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40
phút (c)
82

40 Hình 4.4 Ảnh chụp CNTs-COOH phân tán tốt trong nước cất so sánh với
CNTs không biến tính
83

41 Hình 4.5 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của (a) vật liệu CNTs trước khi
biến tính và phân tán vào nước cất; (b) vật liệu CNTs sau khi
biến tính và phân tán vào nước cất
83

42 Hình 4.6 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW
với thời gian rung siêu âm là 10 phút: ño ngay sau khi phân
84



tán (a) và ño sau 72 h lắng ñọng kể từ lúc phân tán CNTs-OH
vào EG/DW (b)
43 Hình 4.7 Phổ phân bố kích thước của CNTs-OH phân tán trong EG/DW
với thời gian rung siêu âm: 20 phút (a), 30 phút (b) và 40 phút

(c)
85

44 Hình 4.8 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
88

45 Hình 4.9 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
89

46 Hình 4.10 Giao diện phần mềm Speedfan 90

47 Hình 4.11 Giao diện phần mềm StressPrime 2004 ORTHOS 90

48 Hình 4.12 Lắp hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
cho vi xử lí máy tính Intel Pentium IV
91

49 Hình 4.13 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt tự
nhiên
92

50 Hình 4.14 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng quạt
92

51 Hình 4.15 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng phương pháp tản nhiệt
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
93

52 Hình 4.16 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho vi xử lý máy tính Intel Core-i5
95

53 Hình 4.17 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương
pháp tản nhiệt bằng quạt
95

54 Hình 4.18 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương
pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs
96

55 Hình 4.19 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho chip LED 50 W
98

56 Hình 4.20 Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho
chip LED 50 W chế tạo ñược
99

57 Hình 4.21 ðèn pha LED 50 W trên thị trường dùng ñể so sánh hiệu quả 99



tản nhiệt
58 Hình 4.22 ðồ thị nhiệt ñộ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường
hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng
phương pháp tản nhiệt bằng nước cất và nước cất chứa thành
phần CNTs (1,0 g/lit)

100

59 Hình 4.23 ðồ thị nhiệt ñộ của chíp LED 50W theo thời gian hoạt ñộng với
các nồng ñộ khác nhau của CNTs trong nước cất
100

60 Hình 4.24 Sơ ñồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần
CNTs cho ñèn pha LED công suất 450W
101

61 Hình 4.25 Sơ ñồ (a) và ảnh thực (b) ñế tản nhiệt của ñèn pha LED công
suất 450W
102

62 Hình 4.26 ðèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt
chứa CNTs
102

63 Hình 4.27 ðồ thị nhiệt ñộ của ñèn pha LED 450W theo thời gian khi sử
dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng ñộ
khác nhau của CNTs
103

64 Hình 4.28 Kết quả tính toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ñèn LED 450W vào
hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
104

65 Hình 4.29 Sơ ñồ môñun ñèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần CNTs ñược lắp vào hộp ñèn chiếu sáng công cộng
107

66 Hình 4.30 Ảnh chụp giàn tỏa nhiệt của moñun ñèn LED 108

67 Hình 4.31 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt
bằng chất lỏng CNTs ñược lắp vào vỏ ñèn ñường chiếu sáng
công cộng
108

68 Hình 4.32 Ảnh chụp sản phẩm moñun ñèn LED công suất 100 W tản nhiệt
bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs khi hoạt ñộng
109

69 Hình 4.33 ðồ thị nhiệt ñộ của chip LED và nhiệt ñộ của chất lỏng CNTs
trong giàn tỏa nhiệt theo thời gian khi ñèn LED hoạt ñộng
110

70 Hình 4.34 Sơ ñồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ ñế tản
nhiệt vào chất lỏng khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần
CNTs
111



71 Hình 4.35 Sơ ñồ mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng
ra giàn tỏa nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs
112

72 Hình 4.36 Ảnh SEM kem tản nhiệt Stars (a) và kem tản nhiệt AS5 (b) 113

73 Hình 4.37 Ảnh SEM kem Stars/ 2% CNTs 114

74 Hình 4.38 Ảnh SEM kem AS 5/ 2% CNTs 114

75 Hình 4.39 Phổ Raman kem Stars và kem Stars / 2% CNTs 115

76 Hình 4.10 Kết quả phân tích EDX của kem Stars / 2% CNTs 116

77 Hình 4.41 Kết quả phân tích EDX của kem AS5 / 2% CNTs 117

78 Hình 4.42 Hệ thí nghiệm khảo sát nhiệt ñộ CPU khi sử dụng kem tản
nhiệt chứa thành phần CNTs
118

79 Hình 4.43 Các thao tác ñưa kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs lên
CPU
119

80 Hình 4.44 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt STARS /
CNTs với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120

81 Hình 4.45 ðồ thị nhiệt ñộ của CPU khi sử dụng kem tản nhiệt AS5 / CNTs
với nồng ñộ của CNTs từ 0% wt. ñến 7% wt.
120

82 Hình 4.46 Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý máy tính 122

83 Hình 4.47 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý 122

84 Hình 4.48 Sơ ñồ mạch hệ thống tản nhiệt bằng quạt cho vi xử lý ñơn giản

hóa
122

85 Hình 4.49 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi không sử
dụng kem tản nhiệt
124

86 Hình 4.50 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt STARS
125

87 Hình 4.51 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt STARS / 2% CNTs
126

88 Hình 4.52 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt AS5
127

89 Hình 4.53 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU khi sử dụng
kem tản nhiệt AS5 / 2% CNTs
128



90 Hình 4.54 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt ñộ CPU trong quá
trình giảm nhiệt ñộ khi sử dụng kem tản nhiệt STARS
129

1

MỞ ðẦU

Vật liệu ống nanô cácbon (CNTs) đã được giới khoa học-công nghệ quan tâm
đặc biệt kể từ khi phát hiện vào năm 1991. Sau hơn 20 năm nghiên cứu phát triển,
đến nay một số loại sản phẩm công nghệ cao ứng dụng vật liệu CNTs đã ra đời với
nhiều tính năng vượt trội. Vật liệu ống nanô cácbon có rất nhiều tính chất độc đáo,
dễ chế tạo nên có tiềm năng ứng dụng rất phong phú. Lý do chính để loại vật liệu
này trở thành trung tâm chú ý là chúng có nhiều tính chất cơ học, vật lý, hoá học
đặc biệt và nhiều tiềm năng ứng dụng mang tính đột phá.
Vật liệu ống nanô cácbon có khả năng dẫn nhiệt rất tốt dọc theo trục của ống,
độ dẫn nhiệt của CNTs biến đổi trong khoảng từ 1800 đến 6000 W/mK. Ngoài khả
năng dẫn nhiệt tốt, CNTs còn có tính chất bền vững ở nhiệt độ rất cao trong chân
không và trong các môi trường khí trơ (lên đến 2800
o
C). CNTs cũng được biết là
vật liệu dẫn điện linh hoạt với độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào cấu trúc. Độ dẫn
của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại tùy thuộc vào cặp chỉ số Chiral (n,m). Với
nhiều tính chất ưu việt, vật liệu CNTs khi được đưa vào các nền vật liệu khác sẽ
giúp tăng cường các tính chất cơ nhiệt điện của vật liệu đó. Chẳng hạn với việc gia
cường một lượng nhỏ ống nanô cácbon, tính chất cơ học, độ cứng, độ chống mài
mòn, độ chịu hoá của các loại vật liệu nền như thép, cao su, polymer, v.v được
tăng cường mạnh mẽ. Với tính chất dẫn điện tốt, tính dẫn nhiệt cao và diện tích bề
mặt lớn, vật liệu ống nanô cácbon có khả năng ứng dụng trong việc chế tạo tụ điện
có điện dung cực lớn, chế tạo điện cực tích trữ Hydro cho pin nhiên liệu, chế tạo
vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất. Với tính chất phát xạ điện tử
mạnh ở điện thế thấp, kích thước bé, vật liệu ống nanô cácbon đã và đang được
nghiên cứu để chế tạo màn hình phẳng cao cấp, công suất tiêu thụ thấp, chế tạo các

nguồn phát xạ điện tử kích thước bé với phân bố năng lượng điện tử hẹp. Ngoài ra
vật liệu nanô cácbon cũng là đối tượng quan trọng cho các nghiên cứu về điện tử
nanô, các linh kiện cảm biến, v.v
Từ những tính chất lý thú và tiềm năng ứng dụng lớn của CNTs, luận án
hướng tới việc nghiên cứu ứng dụng tính chất nhiệt của CNTs để nâng cao hệ số
dẫn nhiệt cho một số loại vật liệu nền hữu cơ ở dạng lỏng (ethylen glycol / nước
cất) và dạng kem (STARS, AS5). Vật liệu nền hữu cơ dạng lỏng và dạng kem chứa
thành phần CNTs với độ dẫn nhiệt tốt sẽ được thử nghiệm ứng dụng trong một số
linh kiện điện tử công suất lớn như vi xử lý máy tính (CPU), điốt phát quang
(LED), v.v… nhằm nâng cao hiệu quả tản nhiệt, công suất làm việc và kéo dài tuổi
thọ cho linh kiện.

2

Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh đã lựa chọn thực
hiện luận án: “Nghiên cứu tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền hữu cơ pha trộn
ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng tản nhiệt trong lĩnh vực ñiện tử”.

Mục ñích luận án
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính chất của một số vật liệu tổ hợp nền
hữu cơ chứa thành phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho
linh kiện điện tử công suất lớn.
Nhằm đạt được mục đích trên, một số nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đã
được triển khai thực hiện:
– Nghiên cứu mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của chất lỏng chứa
thành phần ống nanô cácbon.
– Nghiên cứu mô phỏng một số hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành
phần ống nanô cácbon cho linh kiện điện tử công suất.
– Nghiên cứu biến tính vật liệu ống nanô cácbon với nhóm chức -COOH và -OH.
– Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt nền ethylene glycol/nước cất chứa thành

phần ống nanô cácbon và thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho linh kiện
điện tử công suất lớn (CPU và LED).
– Nghiên cứu chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon và thử
nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính.
– Kết hợp phương pháp mô phỏng với kết quả thực nghiệm để xác định độ dẫn
nhiệt của kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs.
ðối tượng nghiên cứu
Chất lỏng nền hữu cơ ethylen glycol / nước cất chứa thành phần CNTs, kem tản
nhiệt Stars và kem tản nhiệt AS5 chứa thành phần CNTs.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với
phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, trong đó:
- Phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên việc phát triển một số mô hình tính
toán lý thuyết đã có trên thế giới để xây dựng mô hình cải tiến tính toán độ dẫn nhiệt
của chất lỏng tản nhiệt CNTs với độ chính xác cao hơn khi so sánh với thực nghiệm.
- Phương pháp mô phỏng được sử dụng nhằm dự đoán hiệu quả và tìm hiểu cơ
chế tản nhiệt của vật liệu chứa thành phần CNTs trong các hệ thống tản nhiệt cho linh
kiện điện tử công suất lớn. Phương pháp mô phỏng được thực hiện thông qua việc chia
hệ thống tản nhiệt cho linh kiện thành nhiều phần nhỏ và chia thời gian làm nhiều phần
đủ ngắn, sau đó tiến hành thiết lập các phương trình động lực học, truyền nhiệt và trao
đổi nhiệt dựa trên ngôn ngữ Visual Basic hoặc C để thu được kết quả mô phỏng.

3

- Phương pháp thực nghiệm bao gồm phương pháp để biến tính CNTs với các
nhóm chức –COOH và –OH, chế tạo chất lỏng nền ethylene glycol/nước cất chứa
thành phần ống nanô cácbon, chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon
và thử nghiệm ứng dụng các vật liệu chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử
công suất (CPU và đèn LED).
Bố cục và nội dung của luận án

Luận án bao gồm 146 trang với 7 bảng, 90 hình vẽ và đồ thị. Ngoài phần Mở
đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và Kết luận về những kết
quả đã đạt được cũng như một số vấn đề có thể nghiên cứu tiếp tục, luận án được cấu
trúc trong 4 Chương:
Chương 1 trình bày

trình bày tổng quan về vật liệu CNTs, chất lỏng tản nhiệt và
kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phần tổng quan về vật liệu CNTs trình bày về
cấu trúc và một số tính chất của vật liệu CNTs, các phương pháp tổng hợp vật liệu
CNTs. Phần tổng quan về vật liệu tản nhiệt trình bày về chất lỏng chứa thành phần ống
nanô cácbon và kem tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon.
Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao
gồm phương pháp tính toán lý thuyết, phương pháp mô phỏng, thực nghiệm chế tạo và
thử nghiệm ứng dụng. Chương 2 cũng trình bày về các phương pháp nghiên cứu phân
tích đo đạc sử dụng trong luận án, bao gồm: phép phân tích kính hiển vi điện tử, phổ
tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại, phổ huỳnh quang tia X, máy đo phổ phân tán
Zeta-Sizer.
Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về mô hình cải tiến tính toán lý thuyết độ
dẫn nhiệt của chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon. Chương 3 cũng
trình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống tản nhiệt tuần hoàn dùng bơm và hệ thống
tản nhiệt tuần hoàn tự đối lưu sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs cho
linh kiện điện tử công suất.
Chương 4 trình bày các kết quả biến tính vật liệu CNTs với các nhóm chức –OH
và –COOH, kết quả chế tạo chất lỏng tản nhiệt (nền glycol/nước cất) và kem tản nhiệt
(nền Stars và AS5) chứa thành phần CNTs. Chương 4 cũng trình bày kết quả thử
nghiệm chất lỏng và kem tản nhiệt chứa thành phần CNTs chế tạo được trong tản nhiệt
cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU và đèn LED).
Ở cuối luận án, danh sách những công trình đã công bố liên quan và danh mục
các tài liệu tham khảo đã được liệt kê.
Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam.



4

Những ñóng góp mới của luận án
Luận án đã xây dựng thành công mô hình cải tiến tính toán hệ số dẫn nhiệt của
chất lỏng có chứa thành phần vật liệu CNTs, mô hình tính toán cho kết quả phù hợp
với kết quả thực nghiệm đã công bố trên các tạp chí quốc tế.
Luận án đã chế tạo thành công chất lỏng tản nhiệt, kem tản nhiệt chứa thành
phần CNTs và thử nghiệm thành công trong tản nhiệt cho một số linh kiện điện tử
công suất (CPU và đèn LED).


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CNTs VÀ CÁC ỨNG DỤNG
1.1 Tổng quan về vật liệu ống nanô cácbon
1.1.1 Vật liệu cácbon và các dạng thù hình
Nguyên tố cácbon đứng ở vị trí thứ 6, thuộc chu kỳ thứ 2 và nhóm 4B trong bảng
tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Cấu tạo của nguyên tử cácbon C
12
(dạng đồng vị phổ
biến nhất của nguyên tố cácbon) gồm có 6 proton, 6 nơtron và 6 điện tử, nguyên tử
lượng của cácbon là 12. Cấu hình điện tử của cácbon là 1s
2
2s
2
2p

2
. Cácbon liên kết hóa
học với các nguyên tử xung quanh bằng kiểu liên kết cộng hóa trị. Theo lý thuyết lai
hóa, nguyên tử cácbon đóng góp các electron dùng chung từ ba trạng thái lai hoá sp
1
,
sp
2
và sp
3
.
[1]

Hình 1.1 biểu diễn trạng thái lai hóa và định hướng không gian tương ứng của
chúng. Lai hóa sp
1
là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p tạo thành 2 obitan lai hóa sp
đồng nhất, hướng về hai phía của một đường thẳng. Lai hóa sp
2
là sự tổ hợp 1 obitan
s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai
hóa sp
2
đồng nhất, hướng về 3 đỉnh của tam giác đều. Lai hóa sp
3
là sự tổ hợp 1 obitan
s với 3 obitan p tạo thành 4 obitan lai hóa sp
3
đồng nhất hướng về 4 đỉnh của hình tứ
diện đều. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp

1
, sp
2
, sp
3
tồn tại trong các dạng vật chất
khác nhau của cácbon.
[1]







Hình 1.1 Các trạng thái lai hoá sp
1
, sp
2
và sp
3
và ñịnh hướng trong không gian và sự
tồn tại của chúng trong các liên kết trong phân tử C
2
H
2
, C
2
H
4

và C
2
H
6
[1]

180
o

sp
1
sp
3

120
o

109,5
o

sp
2

Phân tử C
2
H
2

Phân tử C
2

H
6

Phân tử C
2
H
4


6

Trong tự nhiên, cácbon xuất hiện ở ba dạng thù hình tiêu biểu đó là than, graphit
và kim cương. Dạng thù hình phổ biến nhất xét về mặt số lượng đó là than, có màu
đen, dễ cháy, xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên như than đá, than cốc,
than nâu, than gỗ, v.v
[1]

Dạng thù hình phổ biến thứ hai xét về mặt số lượng đó là graphit, đây là dạng thù
hình dẫn điện tốt của cácbon. Người ta cũng có thể coi graphit như là một dạng đặc
biệt của than, vì vậy nó còn được gọi với một tên khác là “than chì”. Graphit có hàm
lượng cácbon cao xấp xỉ 100%. Về mặt cấu trúc, các nguyên tử cácbon trong graphit
được sắp xếp theo các lớp, mỗi lớp có cấu trúc tinh thể như một mạng tổ ong (hình lục
giác) với đỉnh là các nguyên tử cácbon. Các nguyên tử cácbon trong graphit liên kết
với nhau bằng hai liên kết đơn (σ) và một liên kết đôi (π). Trong hầu hết dạng tinh thể
lục giác, các lớp graphit nằm song song với cấu trúc xếp lớp ABA,… hay còn gọi là
đống Bernal như mô tả trên hình 1.2. Trong cùng mặt phẳng, khoảng cách gần nhất
của hai nguyên tử cácbon a
C-C
là 0,142 nm, hằng số mạng của mặt tinh thể là a
0

=
0,246 nm. Hằng số mạng trục c là c
0
= 0,668 nm và khoảng cách giữa hai lớp mạng
liền kề nhau là c
0
/2 = 0,334 nm.
[1]


Hình 1.2 Cấu trúc ô cơ sở của graphit (xếp lớp ABA)
[1]

Graphit có khối lượng riêng khoảng 2,26 g/cm
3
. Liên kết giữa các đơn lớp
graphite khá yếu do sự chồng phủ của các quỹ đạo nguyên tử của các lớp lân cận là
nhỏ. Lực liên kết giữa các đơn lớp graphit chủ yếu là lực Van der Waals do khoảng
cách giữa các lớp graphit vào khoảng 0,334 nm. Tuy nhiên lực Van der Waals khá yếu

7

nên các lớp graphit rất dễ trượt lên nhau. Ngược lại, do liên kết giữa các nguyên tử
cácbon trong một đơn lớp graphite rất mạnh (liên kết σ và π) nên mặt graphit rất bền
vững về mặt cơ học. Lợi dụng đặc tính này, graphit được sử dụng làm chất bôi trơn
dạng rắn, chổi than, lõi bút chì, v.v
[1]

Dạng thù hình phổ biến và rất nổi tiếng thứ ba của cácbon là kim cương. Kim
cương được biết đến là một dạng thù hình rất quý hiếm của cácbon tồn tại ở hai cấu

trúc tinh thể cơ bản là lập phương và lục giác với nhiều tính chất cơ lý ưu việt. Trong
dạng cấu trúc tinh thể lập phương, mỗi nguyên tử cácbon được liên kết với bốn nguyên
tử cácbon khác bằng bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp
3
trong một mạng tứ diện với
độ dài liên kết C-C khoảng 0,1544 nm. Cấu trúc tinh thể kim cương dạng này là cấu
trúc lập phương tâm mặt (FCC), với một ô cơ sở có hai nguyên tử, nguyên tử thứ nhất
có ở vị trí (0,0,0), nguyên tử cácbon thứ hai ở vị trí (1/4, 1/4, 1/4) và hằng số mạng là
a
0
=3,567 Ǻ. Trong dạng cấu trúc tinh thể lục giác (wurzite), độ dài kiên kết C-C vào
khoảng 0,152 nm. Kim cương có cấu trúc tinh thể lục giác cũng được gọi với một tên
khác là kim cương sáu phương (lonsdaleite), chỉ được tìm thấy ở một số thiên thạch.
Hình 1.3 mô tả cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương và dạng lục giác.
[1]


Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của kim cương dạng lập phương (a) và dạng lục giác (b)
[1]

1.1.2 Vật liệu cácbon cấu trúc nanô
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong vài thập kỷ gần đây đã
khám phá ra một loạt các cấu trúc mới của nguyên tố cácbon, đó là vật liệu cácbon cấu
trúc nanô. Loại vật liệu này có cấu trúc tinh thể độc đáo, sở hữu nhiều tính chất vật lý,
hóa học, cơ học ưu việt. Chính vì vậy, cácbon cấu trúc nanô là đối tượng được tập
trung nghiên cứu mạnh mẽ trên cả hai phương diện, khoa học cơ bản và khoa học ứng

8

dụng. Vật liệu cácbon cấu trúc nanô là tập hợp một số các dạng thù hình tiêu biểu của

nguyên tố cácbon điển hình gồm nanô kim cương, quả cầu fullerene, ống nanô cácbon
đa tường (MWCNTs), ống nanô cácbon đơn tường (SWCNTs) và graphene.
[1]

Nanô kim cương là tên gọi chung cho sự tồn tại của kim cương ở kích thước
nanô. Chúng có thể tồn tại ở dạng hạt, đám, hoặc sự pha trộn của cả hai. Nanô kim
cương được nghiên cứu và tổng hợp bằng phản ứng tại áp suất cao - nhiệt độ cao
(High Pressure and High Temperature - HPHT) của các hợp chất chứa nguyên tử
cácbon. Môi trường HPHT có thể được tạo ra bởi sóng xung kích (Shock wave). Ở
điều kiện này cho phép hình thành kim cương đa tinh thể trong đó chứa pha nanô kim
cương ở kích thước 10 nm - 20 nm (1961)
[72]
. Năm 1963, Danilenko và các cộng sự
đã tổng hợp thành công các hạt nanô kim cương kích thước 5 nm - 20 nm ở dạng tụ
đám bằng cách kích nổ hợp chất chứa nguyên tử cácbon (graphit)
[3]
. Vật liệu nanô kim
cương thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó có tính chất tiêu biểu như trơ về mặt hóa
học, bền về mặt cơ học và chịu được nhiệt độ cao, dẫn nhiệt tốt. Bột nanô kim cương
được sử dụng làm màng bảo vệ để tăng khả năng chống mài mòn, chịu được nhiệt độ
cao của vật liệu nền. Ngoài ra, ngành y sinh cũng tìm thấy sự hấp dẫn từ nanô kim
cương do vật liệu này có tính tương thích sinh học và khả năng thụ động hóa bề mặt.
Vì những đặc điểm này nanô kim cương được nghiên cứu sử dụng trong y khoa như là
chất vận chuyển thuốc và dán nhãn sinh học.
Bên cạnh phương pháp HPHT, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD)
cũng được sử dụng rộng rãi để chế tạo màng mỏng nanô kim cương và ứng dụng trong
lĩnh vực cảm biến, linh kiện điện tử chân không. Sử dụng màng mỏng kim cương cho
phép các thiết bị điện tử hoạt động trong môi trường không thuận lợi như nhiệt độ cao,
bức xạ hạt nhân và nhiễu từ mạnh.
Vật liệu fullerene được chính thức thừa nhận năm 1985. Vật liệu này là tập hợp

các nguyên tử cácbon phân bố mắt lưới ngũ giác, lục giác với hình dạng phổ biến là
hình cầu. Cũng như nanô kim cương, vật liệu fullerene có nhiều tính chất lý thú xuất
phát từ cấu trúc tinh thể kỳ lạ của nó.
Carbon nanotubes (CNTs) được phát hiện đầu tiên từ năm 1991
[4]
. Kể từ đó đến
nay, có hàng vạn công bố về vật liệu này trên phương diện khoa học cũng như ứng
dụng của nó trong vật liệu điện tử, vật liệu tổ hợp (composite), vật liệu tích trữ năng
lượng.
[104-110]


9

Vật liệu graphene là dạng thù hình mới nhất của cácbon được tạo ra trong phòng
thí nghiệm (2004)
[5]
. Có thể nói rằng những gì xảy ra đối với ống nanô cácbon dường
như đang lặp lại với graphene từ sự kỳ vọng, tính chất kỳ lạ và đặc biệt là tiềm năng
ứng dụng trong linh kiện điện tử, quang điện tử và tích trữ năng lượng. Chỉ sau 6 năm
kể từ khi được tìm thấy, hai nhà khoa học khám phá ra nó đã nhận giải thưởng Nobel
vật lý danh giá (2010), qua đó chúng ta có thể hình dung được tính hấp dẫn, tiềm năng
hứa hẹn của vật liệu graphene.
Hình 1.4 mô tả tổng thể về “gia đình” vật liệu cácbon ở các dạng hình thù và cấu
trúc khác nhau.

Hình 1.4 “Gia ñình” vật liệu Cácbon với hình thù và cấu trúc khác nhau
[1]

1.1.3 Cấu trúc của ống nanô cácbon

Năm 1976, bằng phương pháp CVD nhóm nghiên cứu M. Endo lần đầu tiên đã
phát hiện ra cấu trúc dạng sợi của vật liệu cacbon với kích thước nano mét
[103]
. Đến
năm 1991, trong quá trình nghiên cứu về vật liệu fullerene chế tạo bằng phương pháp
hồ quang bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, Tiến sỹ S. Iijima (Nhật Bản) một lần
nữa phát hiện ra một dạng thù hình mới của cácbon - đó là ống nanô cácbon (carbon
1D
Multi-wall CNTs 1991
Single-wall CNTs 1993
0D
Buckyball 1985
(Giải Nobel 1996)

3D
Graphene 2004
(Giải Nobel 2010)

2D
Kim cương

Graphite



10

nanotubes - CNTs). Kể từ đó đến nay, CNTs đã trở thành một trong những đối tượng
được tập trung nghiên cứu mạnh nhất do nó sở hữu những tính chất độc đáo hứa hẹn
nhiều ứng dụng tiềm năng. Một điều lý thú là kể từ khi S. Iijima giới thiệu ống nanô

cácbon, nhiều công bố sau đó khẳng định rằng CNTs đã được ngẫu nhiên tạo ra trước
thời gian đó nhưng chưa được quan tâm chú ý.
[6]

Khác với fullerene có cấu trúc dạng cầu hoặc elip rỗng, ống nanô cácbon (CNTs)
có dạng hình trụ dài. Trạng thái lai hóa của các nguyên tử cácbon trong CNTs là sp
2
.
Quan sát CNTs bằng kính hiển vi điện tử cho thấy đó là những ống rỗng, dài, đường
kính từ một vài nanomet đến hàng chục nanomet, chiều dài có thể đến micromet. Với
cấu trúc hình học như vậy, CNTs có tỉ lệ chiều dài / đường kính và diện tích bề mặt rất
lớn. Một cách đơn giản để hình dung, CNTs có cấu trúc giống như lá graphit cuộn tròn
(hình 1.5).

Hình 1.5 Minh họa ñơn giản cấu tạo của ống nanô cácbon
[7]

Tùy theo hướng cuộn, số lớp mạng graphit, ống nanô cácbon được chia thành hai
loại cơ bản đó là ống cácbon đơn tường (Single Wall Carbon Nanotubes - SWCNTs)
và ống cácbon đa tường (Multi Wall Carbon Nanotubes - MWCNTs).

Hình 1.6 Cấu trúc của SWCNTs và MWCNTs
[8]