KHÁI QUÁT VỀ VẬT LIỆU TỪ NANO

CHƢƠNG 2
KHÁI QUÁT VỀ
VẬT LiỆU TỪ NANO
TS. NGUYỄN KHÁNH DŨNG
NỘI DUNG
1. Cấu trúc nano từ
2. Từ học nano
I. Từ học nano
II. Ứng dụng công nghệ nano trong việc
chế tạo vật liệu từ
1. Công nghệ nano – Khoa học nano
2. Chế tạo vật liệu từ nano
3. Nghiên cứu vật liệu từ nano ở Việt nam.
Vật liệu từ nano có thể đƣợc hiểu là:
Vậy để hiểu về vật liệu từ nano chúng ta sẽ
tìm hiểu về cấu trúc, từ tính của vật liệu có
cỡ hạt nanomét và ứng dụng công nghệ
nano vào việc chế tạo vật liệu từ.
1. Các vật liệu từ mà cấu trúc của chúng
bao gồm các hạt có kích thước cỡ nanomét
(10
-9
m).
2. Vật liệu từ đƣợc chế tạo theo công nghệ
nano.
§1. Cấu trúc nano
1. Khái niệm:
Cấu trúc nano bao gồm các chấm lƣợng
tử, các lƣỡng cực lƣợng tử, các dây lƣợng
tử - thuộc về các mạch lƣợng tử của các
máy tính lƣợng tử có kích thƣớc nanomét.

Nền tảng của cấu trúc nano là nguyên tử
và phân tử.
2. Cấu trúc Nguyên tử: a. Vài nét lịch sử



Một số mô hình nguyên tử
Dalton 1802
Banh bida
Thomson 1897
Bánh hạt nho
Rutherford 1911
Đám mây điện tử
Bohr 1913
Lớp vỏ e
-

Nguyên tử là phần tử bé nhỏ nhất cấu tạo
nên vật chất. Nguyên tử gồm hạt nhân
mang điện tích dƣơng, xung quanh hạt
nhân có các điện tử mang điện âm, chuyển
động trên các quỹ đạo khác nhau.


Mỗi

nguyên tố hóa học có một loại nguyên
tử đặc trƣng. Kí hiệu nguyên tử
Z
X

A
- X là tên nguyên tử (nguyên tố hóa học)
- Z là số điện tử hay số proton của hạt nhân
- A là số khối lƣợng (số nucleon)

b. Các mẫu cấu trúc nguyên tử
a.1. Mẫu Rutherford (1911):
-
Nguyên tử
là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hóa học, có
kích
thước khoảng 10
-9
m
- Giữa nguyên tử là
hạt nhân
mang gần như toàn bộ
khối lượng

nguyên tử (
3,35.10
-27
kg
), có
điện tích dương

(+1,6.10
-19
C
), kích thước

~
10
-14
m
- Xunh quanh hạt nhân là các
điện tử
, có
điện tích âm

(-1,6.10
-
19
C
), chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau, sắp xếp theo các
lớp
-
Nguyên tử số z
= số điện tích dương = số e
-
, là số thứ tự
nguyên tử trong bảng tuần hoàn.
- Không giải thích được hiện tượng bức xạ.
a.2. Mẫu N.Bohr (1913):
- Tương tự mẫu Rutherford
- Các electron chuyển động trên các
quỹ đạo bền
, ở
trạng
thái dừng
, không bức xạ và không hấp thụ năng lượng

- Chỉ khi electron nhẩy từ quỹ đạo dừng này sang quỹ đạo
dừng khác nó mới bức xạ hoặc hấp thụ một
lượng tử
năng lượng hf
mn
=E
m
-E
n
- Chỉ đúng cho nguyên tử có ít điện tử và không giải thích
được hiệu ứng Zeeman (sự tách các vạch phổ khi đặt nguyên
tử trong từ trường).
- Tương tự mẫu Bohr
- Các e chuyển động trên các quỹ đạo ứng với một
lượng tử số n=1,2,3
, do đó năng lượng của e và
khoảng cách của nó tới hạt nhân gián đoạn.
- Đưa thêm
lượng tử số l
để xác đònh hình dạng của
quỹ đạo của e,
lượng tử số m
xác đònh sự đònh
hướng của quỹ đạo (l, m là các số nguyên).
a.3. Mẫu Xommecphen :
a.4. Mẫu ngun tử Paoli:
- Paoli đưa thêm
lượng tử số s
, gọi là
spin

, ứng với
sự tự quay của e và
nguyên lí loại trừ
(trong
ngun tử khơng thể có 2 điện tử
cùng có 4 số lượng tử như nhau).
- Giải thích được hiệu ứng Zeeman bình thường (phổ
bò tách thành hai vạch) nhưng không giải thích được
hiệu ứng dò thường (phổ tách thành nhiều vạch).
a.5. Mẫu De Broglie, Heisenberg và Schrưdinger
- Coi nguyên tử có tính chất sóng, khi nó chuyển động gắn với
một quá trình sóng nào đó, có năng lượng: E=hf=mc
2
, lan truyền
cùng phương với nguyên tử.
- Mô tả trạng thái các hạt (electron, photon ) đặc trưng bởi bán kính
r, các số lượng tử n, l, m và s tương ứng với một
hàm sóng

(phương trình Schrưdinger) :


- Tới nay vẫn chưa có mẫu hoàn toàn hoàn chỉnh.
i
y
t 2m
U
2






  









c. Cấu tạo nguyên tử:
c.1. PHÁT HIỆN RA ELECTRON
c.2. Hạt nhân nguyên tử:
- Hạt nhân không chỉ gồm một loại hạt mà có rất nhiều loại
với các tính chất khác nhau, số hạt lên tới hàng trăm, có thể
phân làm các hạt chủ yếu:
+
Barion
: proton, notron,lamda, sigma
+
Lepton
: nơtrino, muon, tau
+
Medon:
pion, kao, Dmedon
+
Quac

: quac lên, quac xuống, quac lạ
Mỗi lepton và quac gồm 6 hạt và 6 phản hat, là các hạt vật
chất. Ngoài ra còn các hạt khác như hạt photon (hạt bức xạ, là
lượng tử của các trường tương tác giữa các hạt vật chất với
nhau)
PHÁT HiỆN HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
SỰ TỒN TẠI CỦA NGUYEÂN TÖÛ
KÍCH THÖÔÙC NGUYEÂN TÖÛ
NHÌN THAÁY NGUYEÂN TÖÛ
Một số tính chất của nguyên tử:
• Các nguyên tử được sắp xếp theo một sơ
đồ tuần hoàn (bảng tuần hoàn).
• Các nguyên tử phát xạ hoặc phát ánh
sáng ở những tần số xác định: hf
mn
=E
m
-E
n

• Các nguyên tử có mômen động lượng và
từ tính.
• Sự tồn tại của các nguyên tử là do có các
lực tương tác giữa các phần tử cấu tạo
nên nguyên tử.
TÓM TẮT
- Tâm nguyên tử
- Kt: 10
-9
m

Hạt nhân - Kl: 3,35.10
-27
kg
- Đt: +1,6.10
-19
C (proton)
- Nhiều loại hạt
Nguyên tử
Z
X
A
- Quay quanh hạt nhân

- Năng lượng gián đoạn

E=hf=hc/λ=E
m
-E
n

Điện tử


- Nglí loại trừ: n, l, m, s
- Đt: -1,6.10
-19
C
- Kl: 9,1.10
-31
kg

3. Phân tử:
• Phân tử đơn nguyên tử: H
2

• Phân tử lưỡng nguyên tử: H
2
O
• Phân tử nhiều nguyên tử: SrFe
12
O
19

• Các đại phân tử: các phân tử sinh học như
protein, polisaccarit (tinh bột), lipit
Là các phần tử bé nhỏ nhất tạo ra các hợp
chất hóa học, chúng là các hạt trung hòa về
điện.
4. Cấu trúc nano:
Các phần tử vật chất ở giới hạn kích thƣớc
μm và nm.
Cấu trúc nano là các hệ thống có kích
thƣớc cỡ nanomét (từ 1 ÷ 100 nm), gồm
các nguyên tử, phân tử đƣợc sắp đặt vị trí
sao cho cả hệ thống thực hiện đƣợc các
chức năng định trƣớc.
- Về mặt hình học, cấu trúc nano có hạt
nano, sợi hoặc ống nano, lớp hoặc màng
mỏng nano.

a. Các dạng của cấu trúc nano:

-Về mặt chức năng có:
• Vật liệu nano:
+ Chấm lƣợng tử
+ Vật liệu nền, nano tinh thể
+ Composit, cốt sợi, ống nano
• Linh kiện nano:
+ Cảm biến nano, linh kiện đơn điện tử,
linh kiện kĩ thuật spin
• Máy nano: MEMS, NEMS, Protein
b. Đặc điểm cấu trúc nano:
• Số nguyên tử, phân tử trong một đơn vị
cấu trúc rất ít, chỉ vài tới vài trăm nguyên
tử, xuất hiện nhiều tính chất hoàn toàn
mới, của chính nguyên tử.
• Các tính chất điện tử và từ bị khống chế
bởi các quy luật lƣợng tử, có thể thực hiện
các chức năng mà các cấu trúc vi điện tử
không có đƣợc.
• Kích thƣớc nhỏ, tính xếp chặt cao tạo ra
tốc độ sử lí và truyền thông tin lớn.
• Là cấu trúc của muôn loài trong tự nhiên
c. Ví dụ về cấu trúc nano:
* Phân tử Furenlơ C60 (a), C70 (b)
Gồm các nguyên tử C (60 hoặc 70 nguyên
tử) nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị,
tạo thành một cái lồng rất chắc và nhẹ. Khi
pha tạp có thể là chất dẫn điện, bán dẫn, điện
môi, thậm chí là siêu dẫn.