công nghệ nano, sự phát triển và ứng dụng của công nghệ nano

Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới đã và đang hình thành một ngành khoa học và công
nghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ có những tác động mạnh mẽ đến tất
cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế-xã hội ở
thế kỷ 21. Đó là Khoa học và Công nghệ Nano.
Khoa học và Công nghệ Nano được định nghĩa là khoa học và công nghệ
nhằm tạo ra và nghiên cứu các vật liệu có cấu trúc nano, với rất nhiều tính chất vật lý
và hoá học mới lạ so với các vật liệu khối. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng
khi kích thước của vật rắn giảm xuống một cách đáng kể theo 1 chiều, 2 chiều, hoặc
cả 3 chiều, các tính chất vật lý như tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang có thể thay đổi
một cách đáng kể. Chính điều đó đã làm cho các cấu trúc nano trở thành đối tượng
của các nghiên cứu cơ bản, cũng như các nghiên cứu ứng dụng.
Bước đầu tìm hiểu về Khoa học và Công nghệ Nano, để bản thân có được cái
nhìn tổng thể và cơ bản nhất đối với ngành khoa học hấp dẫn này, em chọn cho mình
nội dung tiểu luận là “ Tìm hiểu về vật liệu nano và một số ứng dụng của chúng”.
Nội dung bài tiểu luận gồm hai phần:
Chương 1: Sơ lược về vật liệu nano
Chương 2: Sự phát triển và một số ứng dụng của công nghệ nano

...................................................................................................................................................
1


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

CHƯƠNG 1
SƠ LƯỢC VỀ VẬT LIỆU NANO

1.1 Định nghĩa
Bắt đầu từ những năm 80 của thế kỷ trước nền khoa học và công nghệ thế giới
đã đặc biệt chú ý tới một hướng nghiên cứu và phát triển đặc biệt kỳ lạ và lý thú mà
ngày nay được gọi là khoa học và công nghệ nano. Vật liệu có kích thước/cấu trúc nano
được hiểu theo nghĩa chung là kích thước các hạt vật liệu nằm trong vùng một vài nm
đến nhỏ hơn 100nm. Để có thể hình dung, so sánh về kích thước nano mét, hình ảnh
sau đây trình bày một số thực thể từ nhỏ như nguyên tử (atom, kích thước khoảng
angstron) hay lớn hơn như tế bào động vật (animal cell, khoảng một vài chục micron),
và vùng kích thước của vật liệu có cấu trúc nano/chấm lượng tử đang được quan tâm
(QDs/NCs, vùng một vài đến một vài chục nm, là vùng kích thước của các protein).

Hình 1.1. Một số thực thể nhỏ như nguyên tử (kích thước khoảng
angstron) hay lớn hơn như tế bào động vật (khoảng một vài chục micron)
Vật liệu nano có thể tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng, khí. Trong đó, vật liệu nano
rắn đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, sau đó mới đến vật liệu lỏng và khí.
Có thể phân chia vật liệu nano thành 3 loại dựa trên hình dạng:
* Vật liệu nano ba chiều (hay còn gọi là vật liệu nano không chiều) là vật liệu cả
3 chiều đều có kích thước nano mét. Ví dụ: đám nano, dung dịch keo nano, hạt nano...
...................................................................................................................................................
2


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

* Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó chỉ 2 chiều có kích thước
nano mét. Ví dụ: màng nano...
* Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó chỉ duy nhất 1 chiều có kích
thước nano mét. Ví dụ: ống nano, dây nano...
1.2 Đặc điểm, tính chất của vật liệu nano

Khi kích thước của vật liệu giảm xuống cỡ nanomet, có hai hiện tượng đặc
biệt xảy ra:
Thứ nhất, khi kích thước của hạt (chất bán dẫn) giảm xuống xấp xỉ bán
kính Borh của exciton thì có thể xảy ra hiệu ứng giam giữ lượng tử, trong đó các
trạng thái electron cũng như các trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử
hoá. Các trạng thái bị lượng tử hoá trong cấu trúc nano sẽ quyết định tính chất
điện và quang nói riêng, tính chất vật lý và hoá học nói chung của cấu trúc đó.
Trước hết chúng ta hãy mô tả một cách sơ lược hiệu ứng giam giữ lượng
tử. Thí dụ, trong bán dẫn khối, các electron trong vùng dẫn (và các lỗ trống trong
vùng hoá trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể, do lưỡng tính sóng-hạt,
chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của
các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nanomet. Nếu kích thước của khối bán dẫn
giảm xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt tải điện bị giam giữ
trong khối này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một hố
thế. Nghiệm của Schodinger trong trường hợp này là các sóng dừng bị giam trong
giếng thế và năng lượng tương ứng với hai hàm sóng riêng biệt, nói chung là khác
nhau và gián đoạn. Những chuyển dời của hạt tải điện nói trên sẽ gây ra quang
phổ vạch. Hệ hạt khi đó được gọi là hệ bị giam giữ lượng tử. Các biểu hiện của
hiệu ứng giam giữ lượng tử:
Hiệu ứng giam giữ lượng tử sinh ra sự dịch chuyển xanh của độ rộng vùng
cấm và cũng dẫn đến sự xuất hiện của các vùng con (sub-band) tương ứng với sự
lượng tử hoá dọc theo hướng giam giữ. Khi chiều dài giam giữ tăng, độ rộng
vùng cấm giảm, bởi vậy các dịch chuyển giữa các vùng di chuyển về phía các
bước sóng dài hơn, cuối cùng thì gần đến giá trị của vật liệu khối.
Các tính chất quang học như phát xạ huỳnh quang phụ thuộc một cách chặt
chẽ vào kích thước của các nano tinh thể. Ví dụ như các nano tinh thể với kích
thước khác nhau có thể phát huỳnh quang trong toàn bộ vùng nhìn thấy.

...................................................................................................................................................
3

Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Hình 1.2. Phát xạ huỳnh quang của các chấm lượng CdSe với kích thước khác
nhau dưới sự chiếu sáng của đèn tử ngoại.
Sự biến đổi cấu trúc tinh thể do kích thước, trong một số trường hợp có thể
quan sát thấy. Cấu trúc tinh thể của nano tinh thể đóng một vai trò đặc biệt quan
trọng trong các tính chất điện từ của chúng. Cùng một loại vật liệu có thể kết tinh
ở các dạng cấu trúc khác nhau do sự giảm kích thước phụ thuộc vào điều kiện
phản ứng. Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc quan trọng để đặc
trưng cho pha nano tinh thể. Ngoài việc cho biết cấu trúc pha của nano tinh thể,
kỹ thuật này còn giúp ta ước lượng kích thước của nano tinh thể. Khi kích thước
hạt giảm, các vạch nhiễu xạ quan sát được mở rộng một cách đáng kể, kích thước
hạt càng nhỏ thì các vạch nhiễu xạ càng được mở rộng.
Sự giam giữ lượng tử sinh ra nhiều biến đổi về mật độ các trạng thái đối
với cả hai vùng hoá trị và vùng dẫn. Thay cho sự phân bố liên tục và trơn về mật
độ trạng thái, các trạng thái năng lượng được sắp xếp theo dải năng lượng hẹp. Sự
đóng gói chặt các trạng thái năng lượng này gần vùng cấm trở nên quan trọng hơn
khi chiều giam giữ tăng từ giếng lượng tử tới sợi lượng tử và chấm lượng tử. Đối
với chấm lượng tử, mật độ trạng thái có các giá trị khác không chỉ tại các năng
lượng gián đoạn (được lượng tử hoá). Lực dao động tử đối với các dịch chuyển
quang học giữa các vùng phụ thuộc nhiều vào mật độ liên kết các trạng thái của
các mức trong vùng hoá trị và các mức trong vùng dẫn, mà giữa chúng các dịch
chuyển quang học xảy ra. Hơn nữa nó cũng phụ thuộc vào sự che phủ của các
hàm sóng của điện tử và lỗ trống. Cả hai yếu tố này sinh ra một sự tăng mạnh lực
dao động tử dưới điều kiện giam giữ. Hiệu ứng này hoàn toàn đáng kể đối với sợi
lượng tử và chấm lượng tử, với các cấu trúc bị giam giữ hơn (hai chiều hoặc ba
chiều).

...................................................................................................................................................
4


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Hình 1.3. Sự giam giữ lượng tử dẫn đến sự thay đổi các mức năng lượng và
mật độ trạng thái
Thứ hai, khi kích thước giảm xuống nanomet, tỷ số giữa số nguyên tử
nằm trên bề mặt và số nguyên tử trong cả hạt nano trở nên rất lớn. Thí dụ, đối với
một hạt nano hình cầu bán kính R cấu tạo từ các nguyên tử có kích thước trung
bình a, tỷ số này bằng:
N mặt ngoài /N ≈ 3a/R
Ví dụ: với R=6a ~ 1nm thì một nửa số nguyên tử nằm trên bề mặt.

Hình 1.4 Số nguyên tử nằm trên bề mặt phụ thuộc vào
đường kính của nano tinh thể CdSe
Diện tích bề mặt lớn của các hạt nano là một lợi thế khi chúng được áp dụng để
tàng trữ khí vì các phân tử khí được hấp thụ trên bề mặt, hoặc khi chúng được
ứng dụng trong hiện tượng xúc tác, trong đó các phản ứng xảy ra trên bề mặt của
...................................................................................................................................................
5


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

chất xúc tác. Mặt khác năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị hạ thấp

một cách đáng kể vì chúng không được liên kết một cách đầy đủ, kết quả là các
hạt nano nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của vật
liệu khối tương ứng.
1.3. Sự giảm kích thước từ vật liệu khối đến chấm lượng tử
Khảo sát hiện tượng giam giữ lượng tử các hạt tải điện khi kích thước của
vật giảm tới vài nanomet. Trước hết, ta hãy bắt đầu từ một mô hình electron đơn
giản trong vật liệu khối. Mô hình này sau đó sẽ được điều chỉnh để thích ứng với
trường hợp các hạt tải điện bị giam giữ.
* Hệ ba chiều (Vật liệu khối):
Giả sử có một vật rắn ba chiều với kích thước L x, Ly, Lz chứa N electron tự
do. “Tự do” ở đây được hiểu là các electron này không định xứ, nghĩa là trong
gần đúng bậc một tương tác giữa các electron, chúng ta giả thiết là trong gần
đúng bậc một, tương tác giữa electron với trường thế tinh thể có thể bỏ qua. Hệ
hạt electron như vậy được gọi là “Khí electron tự do”. Trong mô hình này,
chuyển động của các electron được mô tả bằng các tổ hợp tuyến tính của các sóng
phẳng có bước sóng λ rất nhỏ hơn kích thước của vật rắn. Phép tính trạng thái
năng lượng đối với tinh thể khối dựa trên giả thiết về điều kiện biên tuần hoàn.
Điều kiện biên tuần hoàn là một thủ thuật toán học để mô phỏng vật rắn vô hạn (L
→ ∞ ). Theo giả thiết này, các điều kiện tại các mặt biên đối diện nhau của vật rắn

là hoàn toàn giống nhau. Như vậy, các electron ở gần mặt biên sẽ không “cảm
nhận” thấy mặt biên. Nói cách khác, các electron ở gần “mặt biên” sẽ không chịu
ảnh hưởng của mặt này, do đó, các electron ở trên mặt biên sẽ thể hiện tính chất
giống hệt như khi chúng ở trong lòng khối vật rắn, nghĩa là hàm sóng của electron
phải thoả mãn điều kiện:
ψ ( x, y , z ) = ψ ( x + L x , y , z )
ψ ( x , y , z ) = ψ ( x, y + L y , z )
ψ ( x , y , z ) = ψ ( x, y , z + L z )

Nghiệm của phương trình Schrodinger với điều kiện biên như thế sẽ là tích

của ba hàm sóng độc lập:
...................................................................................................................................................
6


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

ψ ( x, y, z ) = ψ ( x)ψ ( y )ψ ( z ) = Aexp(ik x x)exp(ik y y)exp(ik z z)

Mỗi hàm sóng mô tả một electron tự do chuyển động dọc theo một trục toạ
độ Đêcac, với các thành phần của vectơ sóng k x , y , z = ± n∆k = ± n 2π / Lx , y , z trong đó n
là số nguyên. Các nghiệm này là các sóng truyền theo hướng dương và hướng âm,
tương ứng với k x , y , z > 0 và k x , y , z < 0 .
Như vậy mỗi trạng thái electron với vectơ sóng ( k x , k y , k z ) có thể được biểu
diễn bằng một điểm trong không gian đảo k; các điểm này cũng phân bố một cách
tuần hoàn trong không gian k. Một hệ quả quan trọng của điều kiện biên tuần
hoàn là tất cả các trạng thái có thể có trong không gian k đều được phân bố
(electron) như nhau; mỗi trạng thái ( k x , k y , k z )= (± n x ∆k ,± n y ∆k ,± n z ∆k ) với n x , y , z là
các số nguyên, đều có thể bị chiếm bởi hai electron ( m s = ±1 / 2 ). Ở nhiệt độ 0K,
tất cả các trạng thái có năng lượng E < E F (với E F là mức Fermi) đều bị chiếm,
trong khi đó, tất cả các trạng thái có năng lượng E > E F đều trống.

Hình 1.5. Electron trong vật rắn khối 3 chiều: (a) Đối với vật rắn khối, năng
lượng của electron tự do phụ thuộc vào k theo hàm parabol; các trạng thái phân
bố gần như liên tục. (b) Mật độ trạng thái g 3d ( E ) đối với electron tự do trong hệ
3 chiều tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng E 1 / 2 .


Trong không gian k , mặt Fermi là mặt cầu bán kính k F . Vì vectơ sóng của

hai trạng thái liền kề khác nhau một lượng ∆k = 2π / L x , y , z , nên trong vật rắn khối
...................................................................................................................................................
7


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

có kích thước L x,y,z lớn, ∆k rất nhỏ. Khi đó các trạng thái bên trong mặt cầu được
phân bố gần như liên tục, như vậy, số các trạng thái bên trong mặt cầu sẽ tỷ lệ với
k 3 . Mặt khác, năng lượng của electron tự do phụ thuộc vào k theo hàm parabol;

các trạng thái (được biểu hiện bằng các điểm trên hình 1.5 a) phân bố gần như
liên tục.
Đối với khí electron tự do trong vật rắn ba chiều, mật độ trạng thái tỷ lệ
với căn bậc hai của năng lượng (hình 1.5 b):

g 3d ( E ) ~ E

(1.1)

* Hệ hai chiều
Bây giờ ta khảo sát một vật rắn có kích thước rất lớn theo các phương x và
y, nhưng kích thước (chiều dày) của nó theo phương z ( Lz ) chỉ vào cỡ vài
nanomet. Như vậy, các electron có thể vẫn chuyển động hoàn toàn tự do trong
mặt phẳng x-y, nhưng chuyển động của chúng theo phương z sẽ bị giới hạn. Hệ
như thế tạo thành hệ electron hai chiều. Khi kích thước của vật rắn theo phương z
giảm xuống vào cỡ vài nanomet (nghĩa là cùng bậc độ lớn với bước sóng de
Broglie của hạt tải điện ), thì hạt tải điện tự do trong cấu trúc này sẽ thể hiện tính
chất giống như một hạt chuyển động trong giếng thế V (z ) , với V ( z ) = 0 bên trong

giếng và V (z ) = ∞ tại các mặt biên z = ± Lz / 2 . Vì không một electron nào có thể
ra khỏi vật rắn theo phương z, nên có thể nói electron bị giam trong giếng thế.
Nghiệm của phương trình Schrodinger đối với electron trong giếng thế
V(z) là các sóng dừng bị giam trong giếng thế. Năng lượng tương ứng với hai
hàm sóng riêng biệt, nói chung là khác nhau và không liên tục. Điều đó có nghĩa
là năng lượng của hạt không thể nhận giá trị tuỳ ý, mà chỉ nhận các giá trị gián
đoạn. Năng lượng của hạt là:

 2 k z2
E nz =
8π 2 m

(1.2)

Nếu thay k z = n z ∆k z với ∆k z = π / L z , ta được:

h 2 n z2
E nz =
8mL2z

với n z = 1,2,...

(1.3)

...................................................................................................................................................
8


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Hình 1.6. Electron trong hệ hai chiều: (a) Trong chuyển động theo các phương
x và y, năng lượng của các electron tự do phụ thuộc vào k x , k y theo hàm parabol;
các trạng thái phân bố gần như liên tục. Còn trong chuyển động theo phương z,
năng lượng của electron chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn ứng với n z = 1,2,... ;
(b) Mật độ trạng thái g 2 d ( E ) đối với khí electron hai chiều: mật độ trạng thái đối
với trạng thái k z cho trước sẽ không phụ thuộc vào năng lượng E.
Như đã nêu ở trên, các electron vẫn có thể chuyển động tự do dọc theo các
phương x và y. Hàm sóng theo các phương này có thể tìm được bằng giả thiết
điều kiện biên tuần hoàn, các trạng thái (k x , k y ) được phân bố gần như liên tục
trong mặt phẳng k x , k y , do đó, số trạng thái nằm trong một diện tích xác định (thí
2
2
2
dụ một đĩa tròn) tỷ lệ với diện tích, nghĩa là tỷ lệ với k = k x + k y , trong chuyển

động theo các phương x và y, năng lượng của electron tự do phụ thuộc vào k x , k y
theo hàm parabol; các trạng thái (được biểu thị bằng các điểm trên hình 1.6 a)
phân bố gần như liên tục. Trong khi đó, chuyển động của các electron theo
phương z bị giới hạn, các electron bị giam giữ trong “hộp”. Chỉ có một số nhất
định các trạng thái lượng tử hoá theo phương z (n z = 1,2,...) là được phép. Như
vậy, trong không gian k ba chiều, phân bố các trạng thái được mô tả như một dãy
các mặt phẳng song song với mặt phẳng chứa các trục k x và k y , khoảng cách giữa
hai mặt phẳng là ∆k z .
...................................................................................................................................................
9


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Ta hãy tìm mật độ trạng thái g 2 d ( E ) trong vật rắn hai chiều. Vì trong không
gian k số trạng thái trong một mặt phẳng tỷ lệ với diện tích của mặt phẳng, nên số
trạng thái có vectơ sóng có giá trị nằm trong khoảng k và k+dk bằng số trạng thái
trong một hình vành khăn có bán kính k và chiều rộng dk sẽ tỷ lệ với kdk:

g 2 d (k )dk ~ kdk

( 1.4)

với g 2 d ( k ) là mật độ trạng thái trong không gian k. Từ (1.3) suy ra:

g 2d (k ) ~ k

(1.5)

Bây giờ chúng ta hãy tìm số trạng thái có năng lượng nằm trong khoảng E
và E+dE:
g 2 d ( E )dE = g 2 d (k )dk = k

g 2d ( E ) = k

dk
dE
dE

dk
dE

(1.6)

(1.7)

Vì E(k) ~ k 2 nên k ~ E 1 / 2 và dk / dE ~ E −1 / 2 do đó mật độ trạng thái theo
năng lượng có dạng:
g 2d ( E ) = k

dk
~ E 1 / 2 .E −1 / 2 ~ 1
dE

(1.8)

Như vậy, mật độ trạng thái trong vật rắn hai chiều rất khác với trường hợp
ba chiều: trong vật rắn hai chiều mật độ trạng thái đối với một trạng thái k z cho
trước không phụ thuộc vào năng lượng, có dạng hàm bậc thang. Tính chất lượng
tử nêu trên của electron trong vật rắn hai chiều chính là nguồn gốc của rất nhiều
hiệu ứng vật lý quan trọng trong cấu trúc này.
* Hệ một chiều (Dây lượng tử)
Bây giờ chúng ta hãy xét trường hợp trong đó kích thước của vật rắn theo
phương y cũng co lại còn vài nanomet. Khi đó, các electron chỉ có thể chuyển động
tự do theo phương x, còn chuyển động của chúng theo phương y và z bị giới hạn bởi
các mặt của vật. Một hệ như thế được gọi là dây lượng tử hay hệ electron một chiều
(nếu hạt tải điện là electron). Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ
theo một chiều và chiếm các trạng thái lượng tử hoá ở cả hai chiều còn lại.

...................................................................................................................................................
10


Công nghệ nano

...................................................................................................................................................

Hình 1.7. (a) Phân bố trạng thái là liên tục, vì ∆k x → 0 . Tuy nhiên, sự phân bố
các đường lại có tính gián đoạn, bởi vì dọc theo các trục k y và k z chỉ tồn tại các
giá trị năng lượng gián đoạn. (b) Mật độ trạng thái g1d ( E ) trong phạm vi một
đường dọc theo trục k x tỷ lệ với E -1/2. Mỗi đường hypecbol trên hình tương ứng
với mật độ trạng thái riêng biệt.
Các trạng thái của vật rắn một chiều cũng có thể được tìm thấy bằng phương
pháp tương tự như đã mô tả đối với hệ ba chiều và hai chiều. Vì các electron có thể
chuyển động tự do theo phương x, nên chúng ta lại có thể áp dụng khái niệm điều
kiện biên tuần hoàn. Kết quả là phân bố các trạng thái, cũng như phân bố các mức
năng lượng tương ứng theo phương song song với trục k x là liên tục ( ∆k x → 0 ).
Trong khi đó, chuyển động của các electron dọc theo hai phương còn lại (phương y
và phương z) bị giới hạn và các trạng thái của chúng có thể tìm được bằng cách
giải phương trình Schrodinger sử dụng mô hình “hạt trong hộp thế”. Kết quả là các
trạng thái k y và k z bị lượng tử hoá, nhận các giá trị gián đoạn. Bây giờ chúng ta có
thể hình dung tất cả các trạng thái có thể có trong không gian k được phân bố trên
các đường thẳng song song với trục k x . Các đường thẳng này cách nhau những
khoảng gián đoạn tỷ lệ với ∆k y và ∆k z . Vì trên mỗi đường, phân bố các trạng thái
k x là liên tục, nên số trạng thái có vectơ sóng có giá trị nằm trong khoảng k và

k+dk sẽ tỷ lệ với chiều dài dk trên đường thẳng:
g1d (k ) dk ~ dk

(1.9)

với g1d (k ) là mật độ trạng thái trong không gian k.
...................................................................................................................................................
11

Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Bây giờ, chúng ta hãy tìm số trạng thái có năng lượng nằm trong khoảng E+dE:
g1d ( E )dE = g1d (k )dk ~
g1d ( E ) ~

dk
dE
dE

dk
dE

(1.10)
(1.11)

Vì E(k) ~ k 2 nên k ~ E 1 / 2 và dk / dE ~ E −1 / 2 do đó mật độ trạng thái theo năng
lượng g1d ( E ) có dạng:
g1d ( E ) ~

dk
~ E −1 / 2
dE

(1.12)

Từ biểu thức (1.12), nhận thấy rằng mật độ trạng thái trong một đường thẳng
dọc theo trục k x phụ thuộc vào năng lượng theo hàm E −1 / 2 . Sự phụ thuộc này

được biểu diễn trên hình 1.7 b. Mỗi đường hypebol trên hình tương ứng với một
trạng thái (k y , k z ) riêng biệt.
Sự lượng tử hoá các trạng thái trong hai chiều có tầm quan trọng đối với
quá trình vận chuyển các hạt tải điện. Như trên đã nêu, các electron chỉ có thể
chuyển động tự do dọc theo phương x, nhưng bị giới hạn ở một số trạng thái gián
đoạn trong các phương y và z, nói cách khác, trong vật rắn hai chiều các electron
chỉ vận chuyển trong các “kênh dẫn” gián đoạn. Điều này đặc biệt quan trọng đối
với công nghiệp vi điện tử. Nếu kích thước của mạch điện tử được thu lại càng
nhỏ, thì đường kính của dây dẫn có thể nhỏ, so sánh được với bước sóng de Broglie
của electron, khi đó, dây sẽ thể hiện tính chất của dây lượng tử.
* Hệ không chiều (Chấm lượng tử)
Khi các hạt tải điện và các trạng thái kích thích bị giam giữ trong cả 3
chiều, thì hệ được gọi là “chấm lượng tử”. Trong một chấm lượng tử, chuyển
động của các electron bị giới hạn trong cả ba chiều, vì thế trong không gian k chỉ
tồn tại các trạng thái gián đoạn ( k x , k y , k z ). Mỗi một trạng thái trong không gian k
có thể được biểu diễn bằng một điểm. Như vậy, chỉ có các mức năng lượng gián
đoạn là được phép hình 1.8a. Các mức năng lượng này có thể được biểu diễn như
các đỉnh δ (delta) trong hàm phân bố một chiều đối với mật độ trạng thái g 0 d ( E )
như đã chỉ ra trên hình 1.8 b. Như chúng ta đã thấy, các vùng năng lượng hội tụ
về các mức năng lượng giống như trong nguyên tử. Sự biến đổi này đặc biệt lớn
tại các bờ vùng năng lượng, do đó ảnh hưởng đến các chất bán dẫn nhiều hơn đến
...................................................................................................................................................
12


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

các kim loại. Trong các chất bán dẫn, các tính chất electron trên thực tế liên quan
mật thiết với các chuyển dời giữa bờ vùng hoá trị và bờ vùng dẫn điện. Ngoài tính

chất gián đoạn của các mức năng lượng, còn phải nhấn mạnh đến sự tồn tại của
mức năng lượng điểm không. Trong chấm luợng tử, ngay cả trong trạng thái cơ
bản, các electron cũng có năng lượng lớn hơn năng lượng của các electron tại bờ
vùng dẫn trong vật liệu khối.

Hình 1.8. (a) Các mức năng lượng gián đoạn là được phép; (b) Mật độ trạng thái
g0d(E) dọc theo một chiều chứa các hàm δ tương ứng với các trạng thái riêng biệt.
1.4. Phương pháp gần đúng khối lượng hiệu dụng (EMA) áp dụng cho tính
toán cấu trúc điện tử
Trên con đường đi từ tinh thể tới đám, điều hợp lý là xét các chuẩn hạt mô
tả các tính chất quen thuộc trong tinh thể vô hạn và kích thước hữu hạn của tinh
thể đã cho như bước nhảy thế tương ứng ở danh giới. Như các thông số chiều dài
của chuẩn hạt (sóng de Broglie và bán kính Borh exciton) là đáng quan tâm hơn
hằng số mạng đối với các bán dẫn thông dụng, chúng ta xét một tinh thể có một
số lớn nguyên tử và được khảo sát như tinh thể vĩ mô với sự lưu ý tới tính chất
mạng nhưng phải được xét như hộp lượng tử cho chuẩn hạt. Lý thuyết này cung
cấp một định nghĩa của thuật ngữ “quantum dot” mà được sử dụng rộng dãi trong
lý thuyết mô tả tính chất điện tử của nano tinh thể trong các số hạng của việc xét
hạt trong một hộp. Do đó điểm then chốt của gần đúng khối lượng hiệu dụng
...................................................................................................................................................
13


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

(EMA) trong áp dụng cho nano tinh thể là xem xét các điện tử và lỗ trống v ới
khối lượng hiệu dụng của nó cũng giống như trong tinh thể khối lý tưởng với cùng
thành phần hoá học. Sau đây chúng ta sẽ dùng thuật ngữ quantum dot có nghĩa mô
hình nano tinh thể trong đó gần đúng EMA được dùng.

Để phù hợp hiệu ứng giam giữ lượng tử chính trong cơ cấu của việc xem xét
EMA, sự hợp lý khi giải với giếng thế ba chiều đơn giản nhất đó là hộp thế hình
cầu với thế vô hạn và xét điện tử và lỗ trống với khối lượng hiệu dụng đẳng hướng.
Những kết quả vật lý rõ ràng và biểu thức giải tích nhận được cho hai trường hợp
giới hạn được gọi là giới hạn giam giữ yếu và giới hạn giam giữ mạnh.
* Chế độ giam giữ yếu
Chế độ giam giữ yếu tương ứng với trường hợp khi bán kính của chấm a
nhỏ nhưng vẫn lớn hơn vài lần bán kính Borh của exciton a B. Trong trường hợp
này sự lượng tử hoá của chuyển động khối tâm exciton xảy ra. Bắt đầu từ định lý
tán sắc của exciton trong tinh thể chúng ta phải thay thế động năng của exciton tự
do bằng lời giải bắt nguồn từ hạt trong hộp hình cầu. Năng lượng của một exciton
trong trường hợp giam giữ yếu được biểu diễn dưới dạng :

E nlm

χ ml :

R *y

 2 χ ml2
= Eg − 2 +
n 2Ma 2

(1.23)

hàm Bessel. Người ta có thể thấy rằng exciton trong quantum dot

được đặc trưng bởi số lượng tử n mô tả các trạng thái exciton bên trong do tương
tác Couluomb điện tử-lỗ trống (1S, 2S, 2P, 3S, 3P, 3D,...) và bởi hai số thêm vào
m và l mô tả các trạng thái liên hệ với chuyển động khối tâm trong sự có mặt của

rào thế bên ngoài (1s, 1p, 1d,..., 2s, 2p, 2d...). Để phân biệt trạng thái bên trong
và trạng thái bên ngoài chúng ta dùng chữ cái viết hoa (S) cho trạng thái đầu và
chữ thường (s) cho trạng thái sau.
Đối với trạng thái thấp nhất (n=1, m=1, l=0) năng lượng được biểu diễn :

E1S 1s

π 2 2
= E g − Ry * +
2 Ma 2

(1.24)

...................................................................................................................................................
14


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

E1S 1s

Hay

2

µ  πa B  
= E g − R 1 − 
 
 M  a  

*
y

(1.25)

µ là khối lượng điện tử- lỗ trống rút gọn. Trong phương trình (1.24) và (1.25)
giá trị χ 10 = π và các quan hệ : a B =

Ο
mo
ε
=
ε
0
,
53
Α
được sử dụng ở đây.
µ
µe 2

µ là khối lượng rút gọn: µ −1 = me *−1 + mh*−1 , và năng lượng Rydberg exciton :
R *y =

e2
µe 4
µ
= 2 2 =
13,6eV
2ε a B 2ε 

mo ε 2

(1.26)

Khối lượng điện tử lỗ trống rút gọn nhỏ hơn khối lượng điện tử m o và hằng
số điện môi ε lớn hơn vài lần so với trong chân không. Vì thế sự cộng hưởng
exciton đầu tiên tạo ra một dịch chuyển về phía năng lượng cao một lượng :

∆E1S 1s =

µ  πa B 

2

*

 Ry
M  a 

(1.27)

*
Tuy nhiên là nó là nhỏ so với Ry , do a>aB. Điều này chứng minh một cách

định lượng thuật ngữ “giam giữ yếu”.
Tính đến sự hấp thụ photon có thể sinh ra một exciton với xung lượng
bằng không, phổ hấp thụ sẽ gồm một số vạch tương ứng với trạng thái l=0. Do
đó, phổ hấp thụ có thể lấy được từ phương trình (1.23) với χ m 0 = πm

E nml = E g −

R *y
n2

+

 2π 2 2
m
2 Ma 2

(1.28)

Điện tử và lỗ trống tự do có phổ năng lượng:

E

e
ml

2
 2 χ ml
= Eg +
2m e a 2

và

h
E ml
= Eg +

2
 2 χ ml
2m h a 2

(1.29)

Do đó năng lượng dư thừa tổng cộng đối với các trạng thái điện tử và lỗ
trống thấp nhất 1s :
2

∆ E1s1s

 2π 2  π a B  *
= E + E − Eg =
=
 Ry
2µ a 2  a 
e
1s

h
1s

(1.30)

...................................................................................................................................................
15


Công nghệ nano

...................................................................................................................................................
*
được xem như là nhỏ hơn Ry . Tính đến biểu thức (1.25, 1.29) và xem xét sự khác

nhau giữa năng lượng tối thiểu cần thiết cho sự tạo thành một cặp e-h không liên kết

E yef = E g + ∆E1s1s

(1.31)

Và năng lượng tương ứng với cộng hưởng exciton đầu tiên (1.25) như
*
năng lượng liên kết exciton hiệu dụng R y là:

R

ef
y

 
µ
= R 1 + 1 −
  M
*
y

2
 πa B  
 


 a  

(1.32)

*
và nó lớn hơn Ry

*Giới hạn giam giữ mạnh
Gới hạn giam giữ mạnh tương ứng với điều kiện: a ≤ a B . Có nghĩa rằng
điện tử và lỗ trống bị giam giữ ở trạng thái không liên kết, trạng thái tương ứng
với exciton giống hyđro và động năng điểm không của điện tử và lỗ trống do
*
giam giữ là lớn hơn một cách đáng kể so với giá trị R y . Trong trường hợp này,

chuyển động không tương quan với nhau của điện tử và lỗ trống được xét như gần
đúng đầu tiên và tương tác Coulomb được bỏ qua. Sau đó mỗi hạt có phổ năng
lượng cho bởi (1.29). Định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng dẫn đến quy tắc
lọc lựa cho phép các dịch chuyển quang học, kết cặp các điện tử và lỗ trống với số
lượng tử chính và quỹ đạo giống nhau. Do đó phổ hấp thụ rút gọn thành một tập hợp
các dải phổ gián đoạn có đỉnh tại các mức năng lượng với giá trị:

E nl = E g +


2
χ nl
2
2µa

(1.33)

Vì lý do này, chấm lượng tử trong giới hạn giam giữ mạnh đôi khi được xem
như các nguyên tử nhân tạo hay quá nhiều nguyên tử cũng như các chấm lượng tử
trình diễn phổ quang học riêng biệt được điều khiển bởi kích thước (tức là bởi số
nguyên tử) ở đó một nguyên tử có phổ gián đoạn được khống chế bởi số nucleon.
Tuy nhiên, có thể nghĩ đây là một điện tử và một lỗ trống bị giam giữ trong
một khoảng không gian so sánh được với sự giãn nở của trạng thái nền exciton
trong tinh thể vô hạn lý tưởng. Do đó khảo sát độc lập chuyển động của điện tử
...................................................................................................................................................
16


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

và lỗ trống được chứng minh là đúng và bài toán bao gồm Hamilton hai hạt với
các số hạng động năng, thế Coulomb và thế bị giam giữ

2 2 2 2
e2
H = − * ∇e −
∇h −
+U (r)
ε re − rh
2 me
2mh*

(1.34)

phải được xem xét. Trái ngược với Hamilton giống hydro sự xuất hiện của thế

U(r) không chấp nhận chuyển động khối tâm và chuyển động của hạt với khối
lượng rút gọn được xét độc lập. Một số tác giả đã khảo sát bài toán này với gần
đúng khác nhau và tìm thấy rằng năng lượng của trạng thái nền cặp điện tử -lỗ
trống (1s1s) có thể được biểu diễn dưới dạng:

E1s1s

π 2h2  1
1 
e2
= Eg +
+
− 1.786
εa
2a 2  m * e m * h 

E1s1s

a
a 
= E g + π  B  Ry * −1.786 B Ry * −0.248 Ry *
a
 a 

2

hay
(1.35)

2

Trong đó số hạng tỷ lệ với e 2 / εa mô tả tương tác Coulomb điện tử-lỗ
*
trống hiệu dụng. So sánh số hạng này với năng lượng Rydberg của exciton R y =

e 2 / 2εa (giới hạn giam giữ mạnh a ≤ a B ). Ta nhận thấy rằng tương tác Coulomb

tuyệt nhiên không bị triệt tiêu trong các nano tinh thể. Hơn nữa, sự đóng góp của
tương tác Coulomb vào năng lượng của chuyển dời cơ bản là lớn hơn trong bán
dẫn khối. Có thể nói rằng tương tác điện tử-lỗ trống trong chế độ giam giữ mạnh
bị kích thích. Đây chính là sự khác nhau chính của các chấm lượng tử với tinh
thể, giếng lượng tử, dây lượng tử, ở đó năng lượng tương tác Coulomb của cặp
điện tử-lỗ trống tự do là bằng không. Nếu xét đến cả hiệu ứng trộn lẫn vùng hoá
trị thì các mức năng lượng và các dịch chuyển quang học được phép trong chấm
lượng tử có thể được minh hoạ như hình 1.9 và 1.10.

...................................................................................................................................................
17


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Hình 1.9. Các chuyển dời quang được

Hình 1.10. Các dịch chuyển quang

phép trong chấm lượng tử bán dẫn theo

học được phép trong chấm lượng

mô hình cặp điện tử- lỗ trống

tử với gần đúng các hạt không

tương tác.
Năng lượng của exciton đo được, như là sự lệch với năng lượng độ rộng
vùng cấm E g trong giới hạn giam giữ mạnh, có thể được viết một cách tổng quát
hơn, như một chuỗi:
2

E exc



a
a
a 
- E g =  B ÷ R *y  A1 +
A2 +
A 3 +...
aB
aB
 a 



(1.36)

với thông số a/a B << 1 . Hệ số thứ nhất A1 đối với các trạng thái khác nhau được

mô tả bởi nghiệm (căn bậc hai) của hàm Bessel. Hệ số A2 tương ứng với số hạng
Coulomb trong phương trình (1.32) và lấy các giá trị sau: A2 = −1,786 đối với
các trạng thái 1S1S, A2 = −1,884 đối với các trạng thái 1P1P, và các giá trị giữa
-1,6 và -1,8 cho các cấu hình khác (Schmidt và Weller 1986). Hệ số A3 đối với
các trạng thái 1S1S được tìm thấy A3 = −0,284 (Kayanuma 1986). Tổng cộng
các số liệu tìm được cho trạng thái cơ bản, ta có thể viết được năng lượng của
đỉnh hấp thụ thứ nhất như sau:

π 2 h2  1
1 
e2
Eg ( a ) = Eg +
+ * ÷ − 1,786
− 0,248R *y
2 
*
2a  me mεa
h 

(1.37)

...................................................................................................................................................
18


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

với E g là bề rộng vùng cấm của bán dẫn khối, số hạng thứ hai là động năng, chứa
các khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống, số hạng thứ ba xuất hiện do

tương tác Coulomb giữa điện tử và lỗ trống và số hạng thứ tư liên quan về không
gian giữa điện tử và lỗ trống và nó thường nhỏ so với các số hạng kia.
Công thức (1.37) được sử dụng để tính kích thước của các hạt nano tinh
thể chế tạo được theo hai chế độ giam giữ khác nhau

...................................................................................................................................................
19


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

CHƯƠNG 2
SỰ PHÁT TRIỂN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO
2.1. Sự phát triển của công nghệ nano
Nhiều nhà khoa học đã phải dùng đến cụm từ “nanoboom”-“sự bùng nổ
nano” để miêu tả tốc độ phát triển như vũ bão của công nghệ nano. Các cường
quốc trên thế giới đều coi công nghệ nano là ngành công nghệ mũi nhọn hàng
đầu và đều có những chính sách đặc biệt để đẩy mạnh việc nghiên cứu chế tạo và
ứng dụng các vật liệu nano. Mỗi quốc gia đến với công nghệ nano với nhiều con
đường và mục đích khác nhau.
Mỹ là một siêu cường quốc và có vị trí độc tôn trong lĩnh vực công nghệ
thông tin, công nghệ sinh học cùng với các cường quốc khác như Nhật Bản,
Singapo, vì vậy không có gì đáng ngạc nhiên khi chính phủ Mỹ ra sức xây dựng
và nghiên cứu, nhằm giữ vững vị trí thủ lĩnh của mình trong công nghệ nano.
Năm 2000 Nhà Trắng đã thông qua “Sáng Kiến Quốc gia về khoa học và công
nghệ nano” (NNI) với tư cách là chương trình khoa học quốc gia được ưu tiên số
1 với ngân sách hàng trăm triệu USD (mà nay đã lên tới hàng tỷ USD). Vốn mà
NNI được cấp từ ngân sách thường dành 70% để thúc đẩy nghiên cứu về công
nghệ nano ở các trường đại học. Từ đó ngân sách dành cho NNI tăng hàng năm:

2002 là 520 triệu USD, năm 2003 trên 700 triệu USD, năm 2004 dự kiến 800
triệu USD trong số 3,7 tỷ USD trong 5 năm (2004-2008) mà chính quyền Bush đã
quyết định.
Theo sau là các nước thuộc liên minh châu Âu, cũng có các chương trình
hợp tác chiến lược, xây dựng mạng lưới thông tin, chia sẻ tài nguyên và kinh
nghiệm trong việc khai thác các ứng dụng của nano. Mặc dù chưa có các bước
tiến trên đường đua nano, nhưng liên minh châu Âu là một đối thủ tầm cỡ với Mỹ
cũng như các nước châu Á.
Sức hút của công nghệ nano đã lôi kéo nhiều nước châu Á khác bao gồm
Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ và cả Israel. Nhật Bản chú trọng đến các dự án
đầu tư phục vụ cho nhu cầu xã hội, tuy nhiên chính phủ Nhật Bản đã vạch ra một
chiến lược phát triển công nghệ nano, với sự góp mặt của nhiều ngành bộ khác
...................................................................................................................................................
20


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

nhau. Và đã dẫn đầu thế giới về vốn đầu tư cho ngành công nghệ này, 1,6 tỷ đô la
năm 2003 .
Tiếp đến là Trung Quốc, một cường quốc kinh tế trẻ, chắc hẳn sẽ không bỏ
qua một cơ hội phát triển dựa trên tiềm năng của ngành công nghệ nano này.
Trung Quốc đã có các trung tâm nghiên cứu quốc gia, cùng các chương trình đào
tạo có hệ thống. Mặc dù trên số liệu thống kê, số vốn đầu tư của Trung Quốc chỉ
bằng 1/3 so với Mỹ, tuy nhiên số lượng nhà nghiên cứu của Trung Quốc lại gấp
đôi Mỹ. Đây là một lực lượng hùng hậu phục vụ cho nền công nghiệp cũng như
khoa học kĩ thuật của Trung Quốc.
Trên bản đồ công nghệ nano châu Á còn phải nhắc đến các quốc gia như
Hàn Quốc, Đài Loan và Ấn Độ. Mặc dù quốc gia này cũng chỉ trong giai đoạn

đầu xây dựng cơ sở vật chất để nghiên cứu vật liệu nano và bước đầu ứng dụng
và thương mại hoá các kết quả nghiên cứu. Tuy nhiên trong một vài năm tới, các
quốc gia này cũng tham gia một phần không nhỏ trong công nghệ nano thế giới.
Tuy muộn hơn so với các nước phát triển trong khu vực như Nhật bản,
Hàn Quốc, Trung Quốc, trong thời gian gần đây, công nghệ nano cũng đang là
một hướng nghiên cứu được ưu tiên ở Việt Nam. Nhiều trung tâm khoa học như
Viện Vật Lý, Viện Hoá Học, Viện Vật Liệu thuộc Viện Khoa Học và Công nghệ
Việt nam, Viện Kỹ thuật Quân sự, ITIM…kết hợp cùng các trường đại học lớn
như đại học Quốc gia Hà Nội, đại học Bách Khoa, đại học Sư Phạm Hà Nội… đã
và đang triển khai nhiều đề tài về công nghệ nano và bước đầu đã thu được các
kết quả đáng khích lệ. Ví dụ: Các hạt nano TiO 2 anatase với hoạt tính xúc tác
quang hóa cao đã được tổng hợp thành công và đang trong giai đoạn thử nghiệm
để chế tạo các vật liệu thương mại như gương, sơn, kính tự làm sạch, chống mờ
hơi nước, vật liệu hấp phụ sóng điện từ, chất làm sạch môi trường...Các nano tinh
thể chấm lượng tử (quantum dot) ZnO, CdSe với vỏ bọc là ZnS và polyme, CdSe,
PbSe, CdS pha tạp Mn... được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, bốc bay
nhiệt... đang trong giai đoạn nghiên cứu để dùng trong đánh dấu sinh học. Một số
vật liệu nano từ là các oxit hay oxit phức hợp như CoFe2O4, Co1-xZnxFe2O4, BaFe12O19,
Sr0.95La0.05Fe12O19 đã được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel hứa hẹn có nhiều
ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, điện tử...Tháng 6/2006, ống nano cacbon lần
đầu tiên được chế tạo thành công hoàn toàn bằng nguyên liệu và công nghệ trong
nước tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Khu Công nghệ cao của TPHCM.
...................................................................................................................................................
21


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Ống nano cacbon là một loại vật liệu nhẹ, cứng, siêu bền, siêu dẫn điện nên có

nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực điện tử, y học, không gian...Đây là tín
hiệu đáng mừng cho ngành công nghệ nano ở Việt Nam.
2.2. Một số ứng dụng của công nghệ nano
Sở dĩ ngành công nghệ nano được đầu tư phát triển mạnh mẽ đến như vậy
là do những ứng dụng vô cùng to lớn của nó trong mọi lĩnh vực của đời sống.
2.2.1.Công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), linh kiện điện tử và cảm biến
(sensor)
Công nghệ thu nhỏ các phần tử tích cực (Tranzito) trên chip đã đạt tới giới
hạn ở mức 0,1Mm (10-7m) và trở nên quá đắt nếu cứ sử dụng các quy trình (oxy
hoá, quang khắc, khuyếch tán…) như hiện nay để chế tạo các bộ vi xử lý, các loại
RAM, ROM (bộ nhớ). Công nghệ nano, do đó, vừa là lối thoát, vừa là bước nhảy
vọt để chế tạo các linh kiện nòng cốt của điện toán và chuyển mạch của viễn
thông. Thay vào tranzito là các linh kiện hoàn toàn mới về chế tạo, đơn giản hơn
và rẻ tiền hơn mà đồng thời tính năng cao hơn hẳn vài bậc.
Các chấm lượng tử đã được nghiên cứu kỹ từ nhiều năm nay, có nhiều bài
viết về linh kiện này, và đã được chế thử các chip với các chấm lượng tử gọi là
các chip nano (nano chip). Điều quan trọng là độ tích hợp của các chip nano rất
cao. Nếu mỗi chấm có kích thước 10nm (10-8m) thì trên một chip với diện tích
1cm2 sẽ có 1012 chấm tức là có thể dùng để xử lý, ghi 1000 Gigabit. Nếu các
chấm lượng tử lại được chế tạo ở mức tinh vi, mỗi chiều chỉ một nanomet, mà lại
sắp xếp cả 3 chiều, thì một linh kiện 1cm 3 (bằng một cục đường ngọt) sẽ lưu trữ
được 107 × 107 × 107 = 1021 = 1000 tỷ tỷ bit, tức là toàn bộ thông tin của tất cả các
thư viện trên thế giới này có thể ghi trong “cục đường” đó.
2.2.2. Y tế nano
Một trong những ứng dụng quan trọng của chấm lượng tử và vật liệu nano
là trong lĩnh vực khoa học sự sống, với đối tượng nghiên cứu chính là các cơ thể
sống (với đích ứng dụng là con nguời). Với kích thước đủ nhỏ để thâm nhập tế
bào, gắn với một số loại prôtêin, vật liệu nano được sử dụng nhằm tìm hiểu các
quá trình vận chuyển chất trong cơ thể sống, từ đó sẽ dẫn dắt cho việc tạo ra các
sản phẩm thuốc đặc trị hoặc phương pháp điều trị mới để có thể phát hiện sớm và

điều trị bệnh một cách hiệu quả. Ở đây, kích thước nanomet và tính chất huỳnh
quang tốt của chấm lượng tử đã hội tụ để thoả mãn yêu cầu gắn kết vào sinh chất
...................................................................................................................................................
22


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

(protein, DNA, thậm chí đơn giản hơn là tổ hợp của axit amin như peptide) và
ghi nhận dễ dàng huỳnh quang đặc trưng để khảo sát quá trình vận chuyển chất,
dẫn thuốc, dán nhãn sinh học cho việc hiện ảnh…
Hình 2.1. Các chuyên gia thuộc trường Y
Emory đã thành công trong việc gắn
chấm lượng tử với những kháng thể nhận
dạng những tế bào ung thư nhất định. Sau
đó họ dùng các chấm này để xác định
các vùng ung thư ở chuột.

Gần đây, các nhà khoa học Trung Quốc đã tuyên bố phát minh ra và thử
nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm một thiết bị siêu nhỏ có độ dài 200nm,
có thể lưu chuyển trong mạch máu người và nhả thuốc vào đúng nơi thầy thuốc chỉ
định. Thiết bị sau đó thoát ra ngoài qua đường bài tiết. Tạp chí Hội hoá học Mỹ và
tạp chí Đức Angew Chemie đã công bố và đánh giá cao phát minh này.

Hình 2.2. Các robot nano
làm việc trực tiếp với các
tế bào hồng cầu

2.2.3. Năng lượng, môi trường

Nhờ công nghệ nano, những loại pin mới có khả năng quang hợp nhân tạo
sẽ giúp con người sản xuất năng lượng sạch. Với công nghệ nano, người ta cũng
có thể chế tạo ra những thiết bị ít tiêu tốn năng lượng hơn do sử dụng những loại
vật liệu nhỏ nhẹ hơn.
...................................................................................................................................................
23


Công nghệ nano
...................................................................................................................................................

Các màng nano (với chi phí sản xuất thấp) hứa hẹn có thể hấp thụ được
nhiều năng lượng mặt trời hơn các vật liệu quang điện hiện nay. Đây có thể là
khởi đầu cho một cuộc cách mạng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời.
Các chất làm sạch môi trường cũng đang là vấn đề được quan tâm. Các máy
lọc tạo bởi ống cacbon nano, với hình trụ rỗng tiết diện chỉ vài nanomét bề ngang
có khả năng lọc được các vi khuẩn và virus trong nước uống. Công nghệ nano
giờ đây đang được áp dụng khá phổ biến ở Pháp để lọc nước thải .
2.2.4. An ninh quốc phòng
Công nghệ nano cũng đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực quốc
phòng. Những thiết bị kỹ thuật siêu nhỏ có thể trở thành vũ khí nguy hiểm hơn cả
bom nguyên tử. Với một đội quân nhỏ bé không thể phát hiện bằng mắt thường
và có khả năng tự nhân bản, robot siêu nhỏ có thể tiêu diệt kẻ thù chỉ trong chớp
nhoáng. Đây cũng là một vấn đề cần hết sức thận trọng trong việc nghiên cứu
ứng dụng công nghệ nano.
2.2.5. Những ứng dụng kì diệu của vật liệu nano
Các hạt nano của nhiều hợp chất đã có nhiều ứng dụng kì diệu. Kính được
phủ lớp hạt nano sẽ không dính nước, rất có lợi nếu dùng loại kính này trong xây
dựng, trong chế tạo ôtô. Các loại sơn có pha hạt nano sẽ có độ bám dính rất cao
làm cho lớp sơn bền lâu, không bị rêu mốc. Đặc biệt sử dụng các hạt nano để xử

lý sợi sẽ có được các loại vải không dính nước và bụi không bám được…
Ngoài những ứng dụng cơ bản trên, công nghệ nano còn có nhiều ứng
dụng quan trọng trong nhiều ngành nghề khác như thực phẩm, nông nghiệp...
Trên cơ sở khoa học và thực tiễn đã thu được, ta có thể thấy rằng chắc chắn
công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng chưa từng có trong khoa học
và đời sống.

...................................................................................................................................................
24