nghiên cứu chế tạo dây coban có kích thước nano bằng phương pháp điện hóa

Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý
MỤC LỤC

Lời mở đầu......................................................Error! Bookmark not defined.
Chương 1: Tổng quan về chế tạo dây nano từ tính bằng phương pháp
điện hóa................................................................................................................. 4
1.1 Giới thiệu về dây nano.......................................................................... 4
1.2 Tế bào điện hóa..................................................................................... 8
1.2.1 Cấu tạo tế bào điện hóa...................................................................... 8
1.2.2 Các loại điện cực................................................................................. 9
1.3 Quá trình lắng đọng ........................................................................... 11
1.3.1 Các tương tác của các ion trong quá trình lắng đọng........................ 11
1.3.2 Độ dày lớp lắng đọng ........................................................................ 12

Chương 2: Các phương pháp kĩ thuật chế tạo dây nanoError! Bookmark not defin
2.1 Kĩ thuật phún xạ. ........................................Error! Bookmark not defined.
2.2 Lắng đọng điện hóa ............................................................................. 15
2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)...................................................... 15
2.4 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM). ..................................................... 18
2.5 Từ kế mẫu rung (VSM). ....................................................................... 20
Chương 3: Kết quả và thảo luận ...................Error! Bookmark not defined.
3.1 Ảnh SEM của lớp màng xốp dùng làm khuôn cho dây nano................. 22
3.2 Kết quả hiển vi điện tử quét của mẫu ................................................... 23
3.3 Kết đo tính chất từ của dây…………………………………………..22
3.4 Kết quả phân tích cấu trúc .................................................................... 26

Vũ Thị Huyền Trang

1

Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

MỞ ĐẦU
Nếu thế kỷ XX được coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì thế
kỷ XXI thuộc về công nghệ nano. Bằng công nghệ nano, người ta có thể “nhét”
tất cả thông tin của 27 cuốn Từ điển Bách khoa toàn thư nước Anh Britannica
nằm gọn trong một thiết bị chỉ bằng sợi tóc, chế tạo ra những con robot mà mắt
thường không nhìn thấy được và còn vô số điều kỳ lạ khác...
Khái niệm công nghệ nano (CNNN) được nhà vật lý học Richard
Feynman nhắc đến lần đầu tiên trong bài diễn văn đọc tại Hội nghị các nhà vật lý
Mỹ năm 1959. Khi đó, ông đã dự báo một thời kỳ mà người ta có thể ráp nguyên
tử với nguyên tử, phân tử với phân tử, các công cụ thật nhỏ giúp sản xuất các vật
chất nhỏ hơn nữa.
Vào những năm 1980, nhờ phương pháp và thiết bị khoa học hiện đại, các
nhà khoa học đã chế tạo thành công vật chất có kích thước ở quy mô phân tử,
nghĩa là chỉ bằng một phần một tỷ mét và đặt tên cho chúng là “nano”. Trong
tiếng Hy Lạp, “nano” nghĩa là “nhỏ xíu” và đường kính một sợi tóc người cũng
lớn hơn 80.000 lần so với một nano. Theo nguyên tắc chung, CNNN nằm trong
vùng vật chất từ 0,1-100 nanomét (1nm = 1 phần triệu mm), mở ra khả năng sản
xuất các vật liệu mới ở mức độ nguyên tử - vật liệu nano và hứa hẹn làm đảo lộn
nhiều lĩnh vực từ hóa học đến hàng không.
Cho đến nay, nhiều sản phẩm ra đời từ CNNN đã có mặt trên thị trường.
Chẳng hạn, các thanh nano carbon có thể làm cách mạng ngành công nghiệp xây
dựng. Những thanh graphite “không vết nối” có đường kính 1nm và dài
10.000nm (nhìn bằng mắt thường, một khối lượng lớn của vật liệu này sẽ giống
như bụi bồ hóng) cứng hơn thép gấp 100 lần, nhưng nhẹ hơn khoảng 8 lần.

Người ta có thể biến chúng thành những sợi dây rồi bện thành tấm mỏng, và nếu
pha trộn với một vài vật liệu composite, nó có thể làm thay đổi một cách cơ bản
cách thức xây dựng và chiều cao các công trình. Thậm chí, những công trình xây
Vũ Thị Huyền Trang

2


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

dựng này có thể được phủ các tế bào làm bằng vật liệu nano để biến ánh nắng
thành điện năng cung cấp cho nhu cầu năng lượng.
Hiện nay, nhiều nước đang phát triển như Ấn Độ, Nam Phi, Mexico, Thái
Lan, Philippines… đã thực hiện các sáng kiến công nghệ nano để hỗ trợ sự phát
triển của khoa học. Không nằm ngoài quy luật đó, Việt Nam cũng đã và đang
chế tạo các vật liệu nano để sử dụng các ứng dụng của nó. Đặc biệt tập trung vào
y sinh học trong việc phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ…Tại bộ
môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN,
nhóm nghiên cứu chế tạo dây có kích thước nano cũng đã được hình thành và
đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, trong đó nội dung chủ yếu là chế
tạo các dây nano từ tính bằng phương pháp điện hóa. Phương pháp lắng đọng
điện hóa có những ưu việt hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết
bị đắt tiền, nhiệt độ cao, hoặc chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ
phát triển nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Sử dụng phương
pháp này, có thể tổng hợp dễ dàng các dây nano nhiều đoạn bằng cách thay đổi
các dung dịch phù hợp, còn để biến đổi khả năng lắng đọng ta chỉ cần thay đổi
xung điện đưa vào trong quá trình lắng đọng là có thể kiểm soát được. Để tìm
hiểu về phương pháp lắng đọng điện hóa và một số tính chất của dây nano từ

tính, nhóm nghiên cứu đã tiến hành những thí nghiệm ban đầu về việc chế tạo
dây Co có kích thước nano. Chính vì vậy nhiệm vụ của bản khóa luận này là
“nghiên cứu chế tạo dây Coban có kích thước nano bằng phương pháp điện hóa”.
Bản khóa luận gồm 3 phần chính:
+ Chương 1: Tổng quan về chế tạo dây nano từ tính bằng phương pháp
điện hóa.
+ Chương 2: Các phương pháp kĩ thuật chế tạo dây nano
+ Chương 3: Kết quả và thảo luận.

Vũ Thị Huyền Trang

3


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CHẾ TẠO DÂY NANO TỪ TÍNH BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA
1.1 Giới thiệu về dây nano
Sự kết hợp giữa sinh vật học và vật lý học đã tác động đến nhiều lĩnh vực
của khoa học và kỹ thuật ở quy mô micro và nano. Trong số những lĩnh vực đó
thì từ y sinh là lĩnh vực cực kỳ thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nanô từ đã
được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Đây là lĩnh vực
phát triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã được phát triển, như phân
tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào, cũng như một loạt
các ứng dụng y học và trị liệu tiềm năng. Hầu hết các hạt từ tính sử dụng có dạng
hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hóa các phối tử

độc hại về sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng
của các hạt từ tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và
công nghệ sinh học, các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể
thực hiện nhiều chức năng. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và
các linh kiện, chúng ta cần phải tuân thủ một số điều kiện như: phải điều kiển
kích thước và hình dạng các hạt. Ngoài ra, các hạt phải được bảo quản trong các
môi trường hoá học hoặc phải giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp
riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến. Dây nano từ tính
là một dạng của hạt từ tính. Dây nano còn gọi là thanh nano, có cấu trúc dị
hướng gần như một chiều với tỷ số rất cao.
Các dây nano từ tính sở hữu các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau
hoàn toàn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối là hạt hình phỏng cầu và màng
mỏng. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim
loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp điện hóa trên các tấm xốp có các lỗ
kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5 đến
500nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60µm. Cần lưu ý rằng
cả dây nano từ đơn thành phần và dây nano từ nhiều đoạn đều được sử dụng
rộng rãi trong cả nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tế. Có thể biến đổi các
Vũ Thị Huyền Trang

4


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư,
định hướng trục dễ từ hóa bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần
của các đoạn từ tính/ không từ tính của dây nano nhiều đoạn. Nhiều nỗ lực đã

được thực hiện để phát triển các phương pháp tổng hợp, chế tạo và điểu khiển
các dây nano từ để có thể ứng dụng được trong y sinh và tiến tới ứng dụng trong
các lĩnh vực khác. Một điều rất quan trọng mà chúng ta không thể không quan
tâm đó là sự tạo thành cấu trúc của dây nano. Peter Krogstrup và đồng nghiệp đã
phân tích hình ảnh cấu trúc của dây nano InAs được chụp có độ phân giải cao
qua một chiếc máy hiển vi điện tử.

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của dây nanô InAs
Dây nano được phát triển theo hướng tiến lên. Trong quá trình phát triển,
cấu trúc tinh thể của dây nano thay đổi từ hình lục giác (WZ) sang hình khối
(ZB). Từ cấu trúc tinh thể (như trong hình 1.1), cấu trúc lục giác là sự thay đổi
của các nguyên tử Indi sang Asen theo hướng lớp này sang lớp khác trong khi
đó, sự thay đổi của cấu trúc hình khối lại luôn giống nhau.

Vũ Thị Huyền Trang

5


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

Thành phần quan trọng nhất của những thiết bị điện tử trong tương lai sẽ
dựa vào những tinh thể nano. Tinh thể này nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng mà
con người có thể thấy được. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu rất
nhiều năm để có thể phát triển những thuộc tính đặc trưng này của các dây nano.
1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán
Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều được sử dụng ở
dạng cả mảng dây hoặc phân tán thành các dây rời rạc. Hình 1.2 (a) chỉ ra một ví

dụ về mảng dây nano Ni có đường kính khoảng 200nm. Cần lưu ý rằng dây nano
Ni biểu diễn trên hình 1.3 (a) được tạo mảng một cách ngẫu nhiên. Trên hình 1.3
(b) biểu diễn dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70nm. Trong các ứng
dụng y sinh, các dây nano thường bị treo lơ lửng trong các dung dịch.

Hình 1.2: (a) Dây nano Ni được tạo mảng có đường kính 200nm; (b) Dây
nano Co bị phân tán có đường kính khoảng 70nm
1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp
Do mong muốn có một vật liệu nano đơn lẻ có thể thực hiện nhiều chức
năng cùng một lúc nên cấu trúc nano nhiều đoạn đã được nghiên cứu chuyên sâu,
cũng do đó mà khám phá được nhiều chức năng vốn có của chúng. Hình 1.1 cho
thấy rằng có thể phát triển dây nano có nhiều thành phần hóa học liên kết dọc
theo trục chiều dài của chúng. Hình 1.3 (a) biểu diễn một phần dây nano Ni một
đoạn. Cần lưu ý rằng, dây nano một đoạn có thể được làm từ nguyên tố đơn lẻ
Vũ Thị Huyền Trang

6


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

như kim loại, hợp kim hoặc oxit. Hình 1.4 (b) biểu diễn một phần dây nano NiAu hai đoạn. Hình 1.4(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều lớp Co-Cu.

Hình 1.3 (a) Dây Ni một đoạn; (b) Dây nano Ni-Au hai đoạn; (c) Dây nano
nhiều lớp Co-Cu.(c) biểu diễn một phần dây nano nhiều lớp Co-Cu.

Vũ Thị Huyền Trang

7


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

1.1.3 Ảnh hưởng của chiều dài dây nano

Hình 1.5 (a) Các đường từ trễ với từ trường ngoài đặt vào theo trục của
mảng các dây nano có chiều dài khác nhau; (b) Sự phục thuộc của lực kháng từ
và độ từ dư theo chiều dài của các dây nano.
Hình 1.5 (a) biểu diễn các chu trình trễ của các mảng dây nano khác nhau
có chiều dài từ 500 nm đến 2000 nm. Hình 1.5 (b) biểu diễn sự phụ thuộc tuyến
tính của lực kháng từ và độ từ dư của các mảng dây nano theo chiều dài dây
nano. Những kết luận đó đưa ra giả thuyết: các dây nano có chiều dài khác nhau
có thể là kết quả của các tương tác từ tính giữa các dây nano với cường độ khác
nhau.
1.2 Tế bào điện hóa
1.2.1 Cấu tạo tế bào điện hóa
Trong hình 1.1a là cấu tạo một tế bào điện hóa điển hình của thực nghiệm
chế tạo dây nano. Một tế bào điện hóa đơn giản nhất gồm 3 điện cực được nhúng
chìm trong dung môi. Hình 1.1b mô tả một điện cực cô lập được tách ra từ dung
môi. Tiến hành thí nghiệm với bình dung môi, cất điện phân, một hay nhiều điện
tử hoạt tính, và thuốc thử, có thể xảy ra các quá trình phản ứng với sản phẩm
điện phân. Trước thí nghiệm ta phải loại bỏ oxi ở catot cơ thể gây cản trở cho
việc quan sát dòng phản hồi. Việc này thường được thực hiện bằng cách làm
sạch dung dịch với khí hiếm N2 hay Ar. Loại bỏ oxi cũng có thể được thực hiện
Vũ Thị Huyền Trang

8


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

bằng cách dùng bơm chân không. Các thí nghiệm điện hóa có thể thực hiện trong
túi, hộp đựng, hay chân không của các loại điện cực hoạt tính dễ tiếp xúc với
không khí và hơi nước.

H1-1 (a) Tế bào điện hóa điển hình

b. Điện cực được cô lập

1.2.2 Các loại điện cực
a. Điện cực làm việc
Những điện cực hình đĩa rắn được dùng rất phổ biến trong các thí nghiệm.

H1-2: Điện cực làm việc
Trong đó Platin, hay thủy tinh carbon, vàng, bạc hay các hợp chất vấn
thường được sử dụng làm điện cực này. Việc sử dụng các loại điện cực cacbon
cũng đã được nghiên cứu. Điện cực giọt thủy ngân rất hữu ích cho điện cực hóa
học trong dung dịch nước tại thế âm lớn vì phản ứng của điện cực hydro chậm
hơn so với các điện cực khác. Tuy nhiên, đối với việc làm khan và điện hóa tại
thế dương thì các điện cực rắn được ưu tiên hơn. Điện cực làm việc cần có các
Vũ Thị Huyền Trang

9

Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

điện tử di chuyển dễ dàng với các loại điện cực hoạt tính. Các nhân tố tạo điều
kiện cho việc di chuyển các điện tử phức tạp không phải lúc nào cũng được hiểu
rõ, và sử lý sơ bộ cẩn thận bằng cách đánh bong, làm sạch bằng siêu âm. Việc
điện cực đóng cặn xuất hiện khá dễ dàng nên đánh bong đôi khi là cần thiết.
Những hiệu ứng không tốt như sụt thế và thời gian tích điện dung (dung tích)
được giảm bớt đáng kể khi bán kính điện cực được làm nhỏ hơn. Hầu hết các
nghiên cứu quét sơ bộ ở mức vừa phải đều sử dụng điện cực có bán kính khoảng
0,2 cm.
b. Điện cực chuẩn (điện cực so sánh)
Hầu hêt các điện cực chuẩn được sử dụng trong dung dịch là điện cực
Ag/AgCl và điện cực caloment. Nếu các bản cực chuẩn được sử dụng trong dung
môi khan, tuy nhiên, mặt tiếp xúc lớn của chất lỏng đã được sinh ra; và thường
quan trọng hơn sự nhiễm nước của tế bào khô. Vì vậy, đây là sự kết hợp không
phù hợp. Việc sử dụng điện cực Ag/AgCl được đề cử cho điện hóa học khan. Để
tránh thế tiếp xúc lớn, dung môi của tế bào càng tốt. Thông thường các thế được
đã được kiểm định theo tiêu chuẩn, như ferrocene và cobaltocene. Cấu tạo của
một điện cực Ag/Ag+ chuẩn được mô tả trong hình sau.

H1-3: Điện cực chuẩn khan
Vũ Thị Huyền Trang

10


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

Các điện cực chuẩn có thể thăng giáng theo thời gian và phải được bảo vệ
cẩn thận.
c. Điện cực đếm
Điện cực đếm là điện cực phụ trong tế bào điện hóa. Các quá trình diễn ra
ở điện cực làm việc và điện cực đếm thường ngược nhau, nếu tại điệc cực làm
việc xảy ra quá trình oxi hóa thì tại điện cực đếm sẽ xảy ra quá trình khử và
ngược lại. Dòng Faraday sinh ra do sự di chuyển điện tử ở điện cực làm việc sẽ
được cân bằng nhờ quá trình ngược diễn ra ở điện cực đếm. Trong hầu hết các
thí nghiệm ta đều đo được dòng sinh ra tại điện cực này là rất nhỏ, hay nói một
cách khác thì sự điện phân diễn ra tại điện cực đếm không làm ảnh hưởng tới quá
trình xảy ra tại điện cực làm việc.
Điện cực đếm được làm bằng các vật liệu có tính trơ như platin, cacbon và
vật liệu được sử dụng nhiều nhất là Pt. Do điện cực được làm bằng vật liệu trơ
nên nó không tham gia phản ứng điện cực chỉ đóng vai trò như vật truyền dấn
điện tử do sự trao đổi điện tử giữa chất oxi hóa và chất khử gây ra. Tức là trong
quá trình điện hóa luôn xảy ra quá trình cho và nhận điện tử, khi chất khử cho
điện tử thì điện cực Pt sẽ dẫn truyền điện tử tới chất oxi hóa nhận điện tử. Thực
tế, để ngăn cản ảnh hưởng của điện cực đếm trong suốt quá trình điện phân ta có
thể làm điện cực đếm có kích thước lớn hơn so với điện cực làm việc cùng với
chất liệu.
1.3 Quá trình lắng đọng
1.3.1 Các tương tác của các ion trong quá trình lắng đọng
Cực dương và cực âm trong bình điện hóa được nối với nhau bởi 1 nguồn
điện xoay chiều, 1 bộ pin hoặc 1 dụng cụ chỉnh lưu. Anot được nối với cực
dương của nguồn, cathot nối với cực âm của nguồn. Khi bộ cấp nguồn bên ngoài
chuyển mạch, kim loại anot bị oxi hóa từ trạng thái bằng không đến một trạng
thái có giá trị xác định. Các cation liên kết với các anion trong dung dịch. Các

cation bị khử tại cathode của kim loại, hóa trị không. Ví dụ trong dung dịch axit,
quá trình khử Co tại anot tạo ra Co2+ bởi sự mất đi của 2 electron. Co2+ kết hợp
Vũ Thị Huyền Trang

11


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

với (SO4)2- trong dung dịch tạo thành CoSO4 . Tại cực âm Co2+ được khử từ kim
loại Co nhờ mất đi 2 electron.
1.3.2 Độ dày lớp lắng đọng
Bề dày độ kết tủa có thể được đánh giá bởi thể tích của lớp kết tủa. Khi đó
thể tích lớp lắng đọng (V) là kết quả của việc mạ diện tích lên trên bề mặt độ
dày h đạt được. Thể tích của lớp lắng đọng có liên quan đến trọng lượng của lớp
lắng đọng “w” và mật độ của lớp lắng đọng là “d” . Ta có d= w/ V. Như vậy h=
v/a = w/ ad.
Những tính toán thiết yếu đòi hỏi phải tìm được bề dày của lớp lắng đọng
“h”, xác định cường độ của dòng, chúng ta sừ dụng dòng faraday.
h= w/ ad = ZQ/ ad= Z It / ad (cm).
Trong đó Z độ cân bằng điện hóa.
Q là điện tích.
1.3.3 Ảnh hưởng của dòng xoay chiều
Trong quá trình lắng đọng, khi ta sử dụng dòng độ dòng xoay chiều, thì
cường độ dòng xoay chiều có tác dụng làm tăng độ kết dính lớp mạ và chất
lượng lớp mạ. Cường độ này có thể làm biến đổi các chi tiết bề mặt ngoài, tác
dụng của dòng xoay chiều lên sự thay đổi bề mặt bên ngoài mạnh hơn sự thay
đổi phía bên trong. Cường độ dòng xoay chiều cao hơn, mạnh hơn làm cho tốc

độ lắng đọng cũng sẽ như vậy. Mặc dù vậy giới hạn bắt buộc để có độ kết dính là
không đáng kể và chất lượng lớp mạ trong quá trình lắng đọng cũng tốt hơn.
1.3.4 Mối liên hệ giữa dòng xoay chiều và điện áp
Khi điệc cực trở thành một phần của bình điện phân thông qua dòng điện
đang chạy qua thì điện thế này khác với điện thế cân bằng. Nếu điện thế cân
bằng là E, điện thế tại cực điện sẽ là E(I) và sự khac nhau này được tính như sau:
η = E (I) – E và được gọi là sự chênh lệch điện áp.

Vũ Thị Huyền Trang

12


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

1.3.5 Hiệu suất dòng xoay chiều
Khi có 2 hay nhiều phản ứng xảy ra đồng thời một lúc tại điện cực, số
culong đi qua điện cực phù hợp với tổng số culong cân bằng của mỗi phản ứng.
Ví dụ trong quá trình lắng đọng của Cu trong dung dịch đồng nitrat tron axit
nitric loãng, có 3 phản ứng xảy ra tại cực âm đó là quá trình lắng đọng đồng. Đó
là sự giảm bớt của ion đồng , sự giảm bớt ion nitrat và hydrogen. Hiệu suất dòng
xoay chiều CE của jth, quá trình lắng đọng được xác định như là số culong cần
tìm trong phản ứng. Qj được chia ra bởi tổng số culong đi qua Q tổng.
CE= Qj / Qtổng

CHƯƠNG 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP KĨ THUẬT CHẾ TẠO DÂY NANO
Vũ Thị Huyền Trang

13


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

2.1 Kĩ thuật phún xạ
Phún xạ hay phún xạ catot là kĩ thuật chế tạo màng mỏng dựa trên nguyên
lý truyền động năng bằng cách dùng các ion khí hiếm (ion Ar+) tăng tốc dưới
điện trường bắn phá bề mặt vật liệu từ bia vật liệu, truyền động năng cho các
nguyên tử này bay về phía đế và lắng đọng trên đế.

H 2-1 Mô hình phún xạ
Bản chất quá trình phún xạ: Là một quá trình truyền động năng. Vật liệu
nguồn được tạo thành các tấm bia và được đặt tại điện cực (thường là catot),
trong buồng được hút chân không cao và nạp khí hiếm với áp suất thấp (cỡ 10-2
mbar). Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử khí hiếm (các ion Ar+ ) bị
ion hóa và di chuyển về phía bia với tốc độ lớn và bắn phá bề mặt bia, truyền
động năng cho các nguyên tử vật liệu tại bề mặt của bia. Các nguyên tử được
truyền động năng bay về phía đế và lắng đọng trên đế. Các nguyên tử này được
gọi là các nguyên tử bị phún xạ. Như vậy cơ chế của quấ trình phún xạ là va
chạm và trao đổi xung lượng.
Kĩ thuật phún xạ hay sử dụng là:
+ Phún xạ phóng xạ 1 chiều.
+ Phún xạ phóng điện xoay chiều.
+ Phún xạ magnetron

Vũ Thị Huyền Trang

14


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

2.2 Lắng đọng điện hóa

Khuôn có kích
thướcnano

Lắng đọng
Điện cực so sánh

Điện cực đếm

Chất điện phân

+
Màng xốp
(khuôn)
Điện cực
làm việc

-

Hình2-2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm lắng đọng điện hóa chế tạo dây nano
Sử dụng hệ điện hóa ba cực để chế tạo các dây nano, thí nghiệm được thực

hiện tại nhiệt độ phòng, các hóa chất được sử dụng là 1 M CoSo4.5H2O và 0,7 M
H3PO3 trong dung dịch nước đã khử ion với độ pH là 3,82. Thế làm việc được
được đặt ổn định là -0,74V.
2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRAY)
Cấu trúc tinh thể của một chất quy định các tính chất vật lý của nó. Do đó,
nghiên cứu cấu trúc tinh thể là 1 phương pháp cơ bản nhất để nghiên cứu cấu
trúc vật chất. Ngày nay, một phương pháp được dùng hết sức rộng rãi để xác
định cấu trúc tinh thể học, thành phần pha của mẫu đó là nhiễu xạ tia X.
Ưu điểm của phương pháp này là xác định được các cấu trúc, thành phần
pha của vật liệu mà không phá hủy mẫu và cũng chỉ cần một lượng nhỏ để phân
Vũ Thị Huyền Trang

15


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

tích. Phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg khi chiếu chùm tia X
lên tinh thể.



H 2-3 (a) Hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể

H2-3 (a) Nhiễu xạ tia X góc nhỏ
Tinh thể được cấu tạo bởi các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn, liên tục có thể
xem là cách tử nhiễu xạ tự nhiên ba chiều, có khoảng cách giữa các khe cùng bậc
với bước sóng tia X. Khi chùm tia đập vào nút mạng tinh thể, mỗi nút mạng trở

thành một tâm tán xạ. Các tia X bị tán xạ giao thoa với nhau tạo nên các vân giao

Vũ Thị Huyền Trang

16


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

thoa có cường độ thay đổi theo θ. Điều kiện để có cực đại giao thoa được xác

định theo công thức Bragg:

2dhkl . sinθ = nλ

Trong đó:
phản xạ.

+ d : Khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử tham gia

+ θ : Góc phản xạ.

+ λ : Bước sóng tia X.
+ n :Số bậc phản xạ.
+ h,k,l : Các chỉ số Miller.
Về mặt định lượng, dựa trên những đỉnh có mặt phổ nhiễu xạ ta có
thể xác định được hằng số mạng a,b và của tinh thể theo công thức:
h2

k2
l2
1
=
+
+
.
2
a2
b2
c2
dhkl

Vũ Thị Huyền Trang

17


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

Bằng cách thay đổi vị trí của đầu dò (detector) quay trên vòng tròn

giác kế kế, cường độ nhiễu xạ theo các góc nhiễu xạ 2θ sẽ được ghi nhận, ta thu

được phổ nhiễu xạ của mẫu nghiên cứu.

Việc nghiên cứu phân tích các cực đại nhiễu xạ dưới góc 2θ khác

nhau sẽ cho thông tin về cấu trúc tinh thể (kiểu ô mạng, hằng số mạng…), thành
phần pha của mẫu và nhiều thông tin khác nhau của mẫu đo.

H2-3 (c) Hệ đo nhiễu xạ tia X (XRAY)
2.4 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề
mặt với độ phóng đại gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng

Vũ Thị Huyền Trang

18


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

của chùm tia điện tử nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng của chùm tia điện tử
nhỏ gấp nhiều lần so với bước sóng vùng khả biến.

H2-4 (a) Tương tác chùm điện tử với chất rắn.
Điện tử được tăng tốc bằng điện trường có vận tốc v tương ứng với bước
sóng De Broglie với bước sóng : λ =

h
mv

Chùm điện tử bị tán mạnh khi đi vào trường thế biến thiên đột ngột do
đám mây điện tử mang điện tích âm và hạt nhân và nguyên tử mang điện tích
dương. Mỗi nguyên tử cũng trở thành tâm tán xạ của chùm điện tử. Nhiễu xạ

chùm điện tử có nhứng đặc điểm rất thích hợp cho việc nghiên cứu cấu trúc
màng mỏng.

Vũ Thị Huyền Trang

19


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

H2-4 (a) Kính hiển vi điện tử quét
Người ta tạo ra một chùm điện tử rất mảnh và điều khiển chùm tia này
quét theo hàng và theo cột trên diện tích rất nhỏ trên bề mặt mẫu cần nghiên cứu.
Chùm điện tử chiếu vào mẫu sẽ kích thích mẫu phát ra điện tử thứ cấp, điện tử
tán xạ ngược, tia X,…. Mỗi loại điện tử, tia X thoát ra mang thông tin về mẫu
phản ánh 1 tính chất nào đó ở chỗ tia điện tử tới đập vào mẫu. Thí dụ, khi điện tử
tới chiếu vào chỗ lồi trên mẫu thì điện tử thứ cấp phát ra nhiều hơn khi chiếu vào
chỗ lõm. Căn cứ vào lượng điện tử thứ cấp nhiều hay ít, ta có thể biết được chỗ
lồi hay lõm trên bề mặt mẫu. Ảnh SEM được tạo ra bằng cách dùng một ống
điện tử quét trên màn hình một cách đồng bộ với tia điện tử quét trên mẫu.
2.5 Từ kế mẫu rung (VSM)
 Nguyên lý hoạt động của VSM:
Khi mẫu có từ tính bị rung trong một từ trường đều sẽ gây ra sự biến điệu
của đường sức từ. Mức độ biến điệu này lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ lớn của từ
độ trong mẫu đo. Một hệ thống các cuộn dây được bố trí trong vùng từ trường
biến điệu để ghi nhận sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây bằng cmar ứng từ
(hay còn gọi là cuộn dây đo).

Vũ Thị Huyền Trang

20


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

H 2.5 (a) Máy đo từ kế mẫu rung (VSM).

H 2.5 (b) Mô hình từ kế

mẫu rung.
Hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây đo tỷ lệ với mô men từ mẫu M của
mẫu.Trên cơ sở đó có thể xác định được từ độ của mẫu.
Máy VSM được sử dụng trong nghiên cứu này là loại Lake Shore 7400,
đặt tại Trường Đại học quốc gia Chungnam, Hàn quốc.

Vũ Thị Huyền Trang

21


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

CHƯƠNG 3:
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Các mẫu dây nano với các thời gian lắng đọng khác nhau 10 phút, 15 phút
và 30 phút đã được chế tạo với các bước như sau:
+ Rửa sạch tấm Si (1,5 cm x 1,5 cm) bằng acetone và làm khô.
+ Phủ một lớp vàng với chiều dày 100 nm bằng phương pháp phún xạ
catot.
+ Chế tạo lớp màng xốp có các lỗ kích thước nano đều nhau bằng cách sử
dụng các polymer : polystyrene (PS) và polymethylmethacrylate (PMMA) trộn
với một tỷ lệ thích hợp và ủ trong điện trường.
+ Thực hiện các quá trình lắng đọng như trên hình 2.
Mẫu sau khi đươc chế tạo được mang đi đo đạc và phân tích với các phép
đo:
+ Hiển vi điện tử quét : về hình thái học của dây
+ Từ kế mẫu rung về tính chất từ của dây
+ Nhiễu xạ tia X với cấu trúc tinh thể của dây
Các kết quả thu được như sau:

Vũ Thị Huyền Trang

22


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

3.1 Ảnh SEM của lớp màng xốp dùng làm khuôn cho dây nano

Hình 3-1 Ảnh SEM chụp bề mặt của lớp màng xốp sau khi ủ
Các dây nano được chế tạo trên khuôn có các lỗ với đường kính khoảng
45 nm, chiều dài khoảng 8 µm và khoảng cách giữa các lỗ trên khuôn 60 nm.

3.2 Kết quả hiển vi điện tử quét của mẫu
Mẫu sau khi lắng đọng 30 phút được cắt ra và đem đi đo theo mặt cắt
ngang của màng xốp, ta thu được kết quả như hình 3.2

Vũ Thị Huyền Trang

23


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

Hình3-2 Ảnh SEM bề mặt cắt ngang của tấm màng xốp đối với dây lắng đọng
trong 30 phút
Từ hình 3.2 chụp được 1 phần của đoạn cắt ngang của mảng dây nano Co
với chiều dài dây nano chưa hoàn chỉnh không được đều nhau với các đường
kính khoảng 200 nm, và chiều dài khoảng hơn 5 µm. Từ kết quả trên ta có thể
đánh giá kích thước của dây lớn hơn kích thước của khuôn ban đầu, điều đó có
thể dự đoán trong quá trình lắng đọng dây có thể bị giãn ra hoặc dây bị một lớp
polymer bám xung quanh khi lắng đọng.

Vũ Thị Huyền Trang

24


Khóa luận tốt nghiệp

Khoa Vật Lý

3.3 Kết quả đo tính chất từ của dây
0.003
0.003
0.002
0.002

Moment(emu)

0.001
0.001
0.000
-0.001
-0.001

10 phút

-0.002
-0.002
-0.003
-0.003
-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Field(Oe)
0.004
0.003

Moment (emu)

0.002
0.001
0.000
-0.001
-0.002

15 phút

-0.003
-0.004
-4000

-2000

0

2000

4000

Field (O e)
0.010
0.008
0.006

moment(emu)

0.004
0.002
0.000
-0.002
-0.004
-0.006

30 phút

-0.008
-0.010
-4000

-2000

0

2000

4000

field(Oe)

Kết quả đo VSM với từ trường ngoài đặt vuông góc với màng xốp (mầu
đỏ) và song song với màng xốp (mầu đen)
Vũ Thị Huyền Trang

25