Mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống nanô cácbon luận văn ths vật liệu và linh kiện nanô

ðI HC QUC GIA HÀ NI

TRƯNG ðI HC CÔNG NGH

BÙI HÙNG THNG

MÔ PHNG VÀ THC NGHIM QUÁ TRÌNH TN
NHIT CHO VI X LÝ MÁY TÍNH NG DNG VT
LIU NG NANÔ CÁCBON

LUN VĂN THC SĨ

Hà Ni – 2010


M ðU ...........................................

CHƯƠNG 1: TNG QUAN ..............................
1.1 Tng quan v vt liu ng nanô các bon

1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.2 Tn nhit cho vi x lý máy tính ..............

1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
CHƯƠNG 2: THC NGHIM ............................

2.1 Ý tưng ng dng CNTs trong kem tn nhit
2.2 Phương án thc nghim ........................
2.3 H thit b và phương án thí nghim ..........

2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4 Các bưc tin hành thí nghim ................

2.4.1
2.4.2
2.5 Các phương pháp phân tích ...................................................................

2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.6 Phương pháp mô phng .........................
CHƯƠNG 3: KT QU VÀ THO LUN ...................
3.1 Kt qu chp SEM .............................
3.2 Ph Raman ....................................
3.3 Ph EDX ......................................
3.4 Xác ñnh nng ñ CNTs ti ưu trong kem tn nhi


3.5 Kt qu mô phng và thc nghim quá trình tn n

3.5
3.5
3.5

3.5
3.5
3.5
3.6 Tính n ñnh và tui th ca kem tn nhit ...
3.7 Bưc ñu ng dng CNTs trong tn nhit cho LED
KT LUN .........................................

DANH MC CÁC CÔNG TRÌNH CA TÁC GI
TÀI LIU THAM KHO ...............................


DANH MC
Ch vit
tt
CNTs

Carbon N

CVD

Chemical

EDX

Energy D

spectrosc

SEM

Scanning

SWCNTs

SingleWa

MWCNTs

MultiWal


DAN

Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8.
Hình 1.9.
Hình 1.10. Sơ ñ h thit b bc bay bng laser ............
Hình 1.11. Sơ ñ khi h CVD nhit ..........................
Hình 1.12. a) Cu trúc ñin t ca hàm phân b năng lưng, b)

Các trng thái
Cu trúc Grap
a) Cu trúc tin
Cu trúc cơ bn

Các dng cu tr
Hình 1.6. (a)
(9, 0) và chiral (10
Các loi defee
Sơ ñ thit b h
H phóng ñin

Brillouin ca g
Hình 1.13. Hàm phân b năng lưng: a) armchair(5,5) b) zigza g (9,0) c)

zigzag(10,0) ........
Hình 1.14. So sánh ñ dn nhit ca CNTs vi các vt liu khá
Hình 1.15. a) S ph thuc ca ñ dn nhit ca CNTs vào nhi

vi graphite và
Hình 1.16. Các loi CPU (vi x lý) thưng gp ..............
Hình 1.17. Cu trúc bên trong ca CPU ......................
Hình 1.18. H thng tn nhit bng qut gió .................
Hình 1.19. H thng tn nhit bng cht lng ................
Hình 1.20. Nitơ hóa lng ñưc rót vào ng làm lnh gn trên C
Hình 1.21. Sơ ñ h tn nhit dùng qut có kem tn nhit ....
Hình 1.22. Tác dng ca kem tn nhit ......................
Hình 1.23. Kem tn nhit Stars 350 .........................
Hình 1.24. Kem tn nhit FrozenCPU Copper ..................
Hình 1.25. Kem tn nhit Arctic Silver 5 ...................
Hình 2.1. H thí nghim kho sát nhit ñ CPU ...........
Hình 2.2. Sơ ñ mch ñin ño nhit ñ CPU ...............
Hình 2.3. Giao din phn mm Speedfan ...................
Hình 2.4.

Giao din phn


Hình 2.5.
Hình 2.6.
Hình 2.7.
Hình 2.8.
Hình 2.9.
Hình 2.10.
Hình 2.11.
Hình 2.12.
Hình 2.13.
Hình 2.14.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.

Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Hình 3.9.

Vt liu CN
Vt liu CN
Vt liu CN
Kem Stars 350

Kem Arctic sili

Chloroform và

Các bưc bôi
Mô hình h
Sơ ñ mch
Sơ ñ mch
nh SEM c
22.000 ln .
nh SEM c
ch to bng
nh SEM c
80.000 ln,
chloroform
Ph Raman
Kt qu phâ
Kt qu phâ
Kt qu thc
nng ñ ca C
Kt qu thc
s dng kem
Kt qu thc
dng kem t

Hình 3.10. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU k

dng kem t
Hình 3.11. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU k

dng kem t

Hình 3.12. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU k

dng kem tn
Hình 3.13. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU t
trình gim
Hình 3.14. Kt qu thc nghim vi kem tn nhit STARS / 2% C

thi gian ké
Hình 3.15. Các nh SEM ca (a) ñ tn nhit cho LED, (b) ñ t


ñưc ph lp màng VACNTs, (c) nh SEM ca lp màng
CNTs ..............................................................................................
Hình 3.16. Hình nh chip LED ñưc gn trên ñ Cu .............
Hình 3.17. nh chp ñ sáng t linh kin LED vi dòng ñu vào
mA, (b) 350 mA s dng màng VACNTs và (c) 500 mA s
dng màng VACNTs .................................


M ðU
Máy vi tính cá nhân (PC) ngày càng tr nên ph bin
rng rãi trong nhiu lĩnh vc ca ñi sng, trong ñ
trng nht, có chc năng x lý lnh và s liu. Vi
hc và công ngh, mt ñ tích hp transistor trong
cao, t 55 triu transistor Pentium 4 Prescott ñ
triu transistor. ðiu này làm tăng tc ñ x lý c
làm tăng lưng nhit ta ra trên vi x lý. Lưng nh
gim tui th và kh năng x lý ca CPU do các linh
trong mt gii hn nhit ñ nht ñnh. Do ñó bài to
bài toán quan trng và cn ñưc gii quyt. Hin na

phương pháp tn nhit dùng qut. Phương pháp này s
(heatsink) có ñ dn nhit cao áp lên b mt CPU ñ
ñó lưng nhit này ñưc tn ra ngoài không khí nh
CPU và ñ kim loi có ñ mp mô, không tip xúc hoà
qu tn nhit b gim ñi ñáng k, ñ khc phc vn
lp kem gia CPU và ñ kim loi. ð dn nhit ca
then cht quyt ñnh hiu sut tn nhit cho CPU. V
kem tn nhit là mc tiêu mà lun văn này hưng ti
S ra ñi và phát trin ca công ngh nano ñã to r
mi có kh năng ng dng cao trong công nghip và ñ
là vt liu ng nanô các bon (CNTs Carbon NanoTub
th nghim ñã cho thy vt liu CNTs là vt liu có
bit ñn hin nay, vì vy rt có tim năng trong vi
liu kem tn nhit cho vi x lý máy tính.
Da vào nhng kt qu nghiên cu ch to thành công
cácbon ti Vin Khoa hc Vt liu và nhng thành t
trên th gii v ng dng ng nanô cácbon làm vt l
mc tiêu ng dng ng nanô cácbon ñ tn nhit cho
tôi chn hưng nghiên cu vi ni dung: “
tn nhit cho vi x lý máy tính ” là ñ tài Lun văn Thc s.

1


Mc ñích nghiên cu
– Th nghim ñưa vt liu ng nanô cácbon (CNTs) vào
thương mai có sn trên th trưng vi nng ñ phn
khi lưng (.wt). Kho sát nhit ñ ca vi x lý v
ñưc.
– Xây dng mô hình mô phng quá trình tn nhit ca v

tăng gim nhit ñ ca vi x lý theo thi gian, côn
dn ca kem tn nhit.
– So sánh thc nghim vi quá trình mô phng ñ so sá
sut tn nhit ca các loi kem ng dng vt liu C
ñ dn nhit ca kem tn nhit.
Phương pháp nghiên cu
– Ch to vt liu CNTs bng phương pháp lng ñng hó
(CVD) nhit.
– Kho sát cu trúc và các tính cht ca vt liu kem
ch to ñưc bng các phương pháp: Kính hin vi ñi
ph tán x Raman.
– Kho sát quá trình tăng gim nhit ñ ca CPU bng
trong vi x lý và phn mm SpeedFan.
– Mô phng quá trình tn nhit ca CPU, qua ñó ñánh g
ca loi kem tn nhit ng dng vt liu CNTs.

kem tn nhit
trăm CNTs t 15%
i các loi kem ch to
i x lý, ñc trưng
g sut làm vic và ñ
nh, ñánh giá hiu
NTs, qua ñó tính toán

a hc t pha hơi
tn nhit cho vi x lý
n t quét (SEM),
sensor nhit tích hp

iá hiu qu tn nhit

B cc ca lun văn
Ni dung lun văn bao gm ba phn chính:
CHƯƠNG 1: TNG QUAN
Gii thiu chung v vt liu ng nanô cácbon, các
tính cht ni bt, các
ng dng và phương pháp ch to. Các phương pháp t
n nhit cho vi x lý máy
tính, các loi kem tn nhit thông dng trên th tr
ưng hin nay.
CHƯƠNG 2: THC NGHIM
Trình bày ý tưng ng dng CNTs ñ tn nhit cho v
i x lý máy tính, các
phương pháp nghiên cu ñưc s dng ñ kho sát cu
trúc ca vt liu như các
phương pháp SEM và Raman. Phương pháp mô phng ñ k ho sát quá trình tn
nhit và ñánh giá hiu qu tn nhit ca kem.
CHƯƠNG 3: KT QU VÀ THO LUN

2


ðánh giá các kt qu phân tích vt liu qua phép ph
ân tích SEM, Raman.
Các kt qu ñã ñt ñưc v thc nghim quá trình t
n nhit ñ ñánh giá ñiu
kin ti ưu ca quá trình tn nhit. Kt hp kt qu
thc nghim và quá trình mô
phng ñ ñánh giá hiu qu tn nhit, ñ dn ca ke
m tn nhit. T ñây cũng ñ

ra nhng hưng mi trong nghiên cu tip theo.

3


CHƯƠNG 1
TNG QUAN
1.1 Tng quan v vt liu ng nanô các bon
1.1.1 Lch s phát trin
Trong bng h thng tun hoàn cácbon là nguyên t n
ñin t, nguyên t lưng là 12), có cu hình ñin t
cácbon có bn ñin t hóa tr. Năng lưng liên kt
2p và mc năng lưng thp 2s là rt nh so vi năng
kt hóa hc [20], vì vy các hàm sóng ca bn ñin
kt hp hoc kt hp vi các nguyên t khác. Trng
các ñin t gi là các trng thái lai hóa. Cácbon c
sp3 tn ti trong các dng vt cht khác nhau ca cácb
Trng thái lai hóa sp 1 thng hàng (hình 1a) ñưc to thành như mt chui
dây xích phng. Mi mt xích là mt nguyên t cácbo
ñưc to ra trong t nhiên nhưng khó tn ti dng
trng thái liên kt phng, trong trng thái lai hóa
thành còn li là mt obital 2p. Ba obital ñng phn
(hình1b) và to thành liên kt σ khi chng chp vi
cnh. Obital p cũng to ra mt liên kt π vi các n
hóa sp2 gia các nguyên t cácbon tưng tưng ging như m
2D phng trong ñó góc liên kt to bi các nguyên t
như mt mng hình t ong. Mng này thưng tn ti t

Sp1 hybrid

Hình 1.1 Các trng thái lai hóa khác nhau ca các bon a) s

4
3

Trng thái lai hóa sp (hình 1.1c). Trong trng thái này bn obital lai h


sp3 tương ñương nhau ñưc to thành ñnh hưng theo cá
quanh mt nguyên t và có th to thành bn liên k
các obital ca các nguyên t bên cnh. Mt ví d ñi
(C2H6), liên kt σ Csp3 Csp 3 (CC) ñưc to thành gia hai nguyên t cácbon
bi s chng chp các orbital sp
mi nguyên t cácbon. Trong t nhiên trng thái lai
cu trúc kim cương.
Graphit
Mt dng khác ca cácbon hay gp trong kĩ thut, ñó
gi là than chì. Graphit là mt dng tinh th khác
mi lp là mt tm graphene, các tm graphene này l
lc liên kt yu như là mt dng liên kt Van Der W
mt nguyên t cácbon liên kit phng vi ba nguyên
bng liên kt cng hóa tr vi góc liên kt là 120
Trong graphite, nguyên t cácbon trng thái lai h
lp mng lc giác song song. Khong cách gia các n
cùng mt lp mng là 1,42 Å (hình 1.2a), gia hai l
Å như ñưc th hin trên (hình 1.2b). Dng thù hình
màu ñen như lá cây, g cháy còn li. V mt cu trú
ñnh hình trong ñó các nguyên t cácbon có tính tr
khong 10% liên kt sp 2 và không có liên kt sp.

Hình 1.2. Cu trúc Graphit: a) Chiu ñng b)Chiu ngang [22
Kim cương
5

]


Như ñã bit cácbon có ba trng thái lai hóa sp 1, sp2, sp3. Các trng thái lai
hóa này hình thành nên các dng vt cht khác nhau nhau trong t nhiên.

(a)
Hình 1.3. a) Cu trúc tinh th ca kim cương b) Kim cương
Kim cương là mt dng cu trúc tinh th khác ca cá
th th hin rõ nét nht trng thái lai hóa sp
dng lp phương và lc giác. Cu trúc ca mng tinh
hin trên hình 1.3a. dng lp phương, mi nguyên
nguyên t cácbon khác xung quanh gn nht bi bn
kt này ñu là các liên kt cng hóa tr. Vì năng l
t cácbon trong tinh th kim cương là rt ln nên k
mng cơ s ca kim cương to thành trên cơ s lp p
nguyên t cácbon bên trong chim ti các v trí
(3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4). Khong
cácbon trong tinh th kim cương là 1,544 Å. Góc c
hóa tr trong mng kim cương là 109,5
dn nhit cao (c 2000W/m.K) và nhit ñ nóng chy
Fullerenes
Năm 1985, trong khi nghiên cu v cácbon Kroto và ñ
khám phá ra mt tp hp ln các nguyên t cácbon k
có dng hình cu kích thưc c nanomet dng thù h
ñưc gi là Fullerenes. Fullerenes là mt lng phân

nguyên t cácbon sp xp thành mt mt cu hoc mt
ñn ñu tiên là C 60, có dng hình cu gm 60 nguyên t cácbon nm ñ
khi 32 mt to bi 12 ngũ giác ñu và 20 lc giác
6


Hình 1.4. Cu trúc cơ bn ca các Fullerenes a) C
Liên kt ch yu gia các nguyên t cácbon là liên
ln vi mt vài liên kt sp
mà có dng mt cu hoc elip. Cu trúc ca phân t
ñá nhiu múi nên ñ có ñưc mt mt cu, mi ngũ gi
năm lc giác. S có mt ca các ngũ giác cung cp ñ
thành cu trúc dng lng. Năm 1990, Kratschmer [22]
phm mui than to ra do s phóng ñin h quang gi
cha C 60 và các dng fullerenes khác như C 70, C80 (hình 1.4b, hình 1.4c).
Hin nay, fullerenes có rt nhiu ng dng trong th
siêu ñàn hi ñc bit là rt bn nên fullerenes có
loi áo giáp trong quân s. ng dng ñang ni nên h
ñ làm cht mang dưc phm dùng trong y t. Ngưi t
bám ngoài qu cu fullerene dùng ñ ngăn chn vir
Nhng thuc cha bnh có s dng fullerene ñang bt
trưng. Vic kt hp mt s loi vt liu vi fulle
vt liu mi vi các tính cht ña dng như to ra c
ñin ... [1].
ng nanô cácbon
Năm 1991, trong quá trình ch to fullerenes S. Iij ima [25] ñã khám phá ra
mt cu trúc mi ca các bon vi kích thưc c nano
met và có dng hình ng,
(MWCNTs). Hai năm sau,
cu trúc này ñưc gi là ng nanô các bon ña tưng

bon ñơn tưng (SWCNT)
Iijima và Bethune tip tc khám phá ra ng nanô các
có ñưng kính 1,4 nm và chiu dài c micromét. K t
ñó ñn nay, có hai loi
ng nanô cácbon (CNTs) ñưc bit ñn là: CNTs ñơn t
ưng (SWCNT) và CNTs
ña tưng (MWCNTs) (hình 1.5a, hình 1.5b).

7


(a)

(b)
Hình 1.5. Các
dng cu trúc ca
CNTs: a)
SWCNT b)
MWCNTs
ng nanô cácbon
ñơn tưng có cu trúc
ging như là
s cun li ca mt
lp than chì ñ dày mt
nguyên t (còn gi là
graph
ene) thành mt hình tr
lin,
và ñưc khép kín mi ñu
bng mt na phân t ful

lerenes. Do ñó CNTs
còn
ñưc bit ñn như là
fullerenes có dng hình
ng g
m các nguyên t cácbon
liên
kt vi nhau bng liên kt
cng hoá tr sp
2 bn vng. ng nanô các
bon ña
tưng gm nhiu ng ñơn
tưng ñưng kính khác
nhau
lng vào nhau và ñng
trc, khong cách gia các
lp t 0,34 nm ñn 0,39
nm. Ngoài ra, SWCNT
thưng t liên kt vi nhau ñ
to thành tng bó x
p cht (ñưc gi là SWNTs


ropes) và to thành mng tam giác hoàn ho vi
hng
s mng là 1,7 nm. Mi
bó có th gm hàng trăm ng SWCNT nm song
song vi
nhau và chiu dài có
th lên ñn vài mm.

Phát hin mi v ng nanô cácbon cũng như
nhng tín
h cht ñc bit ca
nó ñã thu hút nhiu s quan tâm nghiên cu và ng
d
ng trong nhiu lĩnh vc
khác nhau. S góp mt ca CNTs ñánh du s ra ñi c
a ngành khoa hc vt
liu mi: các vt liu da trên cơ s các bon vt
liu mi cho tương lai.
1.1.2 Cu trúc ca ng nanô các bon
CNTs có cu trúc ging như các lp mng
graphene cu
n li thành dng
ng tr rng, ñng trc. Tùy theo hưng cun, s l
h
.
p mng graphene mà vt liu
CNTs ñưc phân thành các loi khác nhau.
Cu trúc ca vt liu CNTs ñưc ñc trưng bi
véc t
ơ Chiral, kí hiu là C
Véc tơ này ch hưng cun ca các mng graphene
và
ñ ln ñưng kính ng
(hình 1.6a).
C( n, m)
(
1
=

)
na
+
ma
=
Trong ñó: n và m là các s nguyên.
a1 và a2 là các véc tơ ñơn v
ca mng graphene
Có nhiu cách chn véctơ cơ s a
1, a2, mt
trong các cách chn ch ra trong

hình 1.6a dưi ñây.
8

Vi a là hng s mng
ca graphite: a =
0,246 nm.
Góc ca véc tơ
Chiral θ:

cosθ =

ðưng kính D ca ng
ñưc tính theo công
thc sau:
D=kn2+
( k ∈ N)

(2)

cácbon cu thành nên CNTs.
Các defect theo cu trúc hình h
vòng cácbon không phi 6 cnh. Các
cnh, ch yu xy ra ñu ng và gn vùng l

(3)
9

Các defect theo kiu lai hóa, có
(4)
Theo vector chiral, vt liu CNTs có các cu
trúc
khác nhau tương ng vi
các cp ch s (n, m) khác nhau. Ba cu trúc thưng
gp ñó là: amchair, zigzag
và chiral tương ng vi các cp ch s (n, n), (n,
0) và (n, m) (hình 1.6b).
CNTs có ñưng kính t vài nanômét ti vài
chc nan
ômét và chiu dài t
mt vài micromét ñn vài minimét, dn ti t l chi
u dài/ñưng kính và din
tích b mt ca nó là rt ln.

cácbon ca CNTs là s kt hp gia các d
ca CNTs không ch gm các liên kt C
α < 1). ðây là nguyên nhân gây ra s
Ngoài các dng defect trên, còn

không hoàn toàn, khuyt và dch v tr
chúng là ñu mi chìa khóa trong các
defect này có th ñu ng hay trên thâ
nhóm chc hot ñng như carboxyl, hy
công c ch yu ñ hot hóa, bin tính vt l
cũng nh hưng ti các tính cht ca CNT
Nó có th làm gim ñ bn v mt cơ hc v
ca CNTs.

Defect

(
a
)
(
b
)
(a)
Hình 1.7. Các loi
Hình 1.6. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loi amchair(5, 5),defeet
zi gzag(9,
0) và
trên ng
CNTs:
a) ñu ng, b) t
chiral(10, 5) [19]
hân ng [22]
Tuy nhiên, ñây là các cu trúc lý tưng c
ca CNTs bao gi cũng tn ti các sai hng hay còn
này ñưc phân loi theo cu trúc hình hc hay dng

1.1.3 Các phương pháp ch to ng nanô các
bon
Hin nay có rt nhiu phương pháp khác
nhau tng h
p vt liu CNTs.
Nhưng ph bin nht là ba phương pháp:
phương pháp phóng ñin h quang, phương
pháp s dng laser và phương pháp lng ñng
pha hơi hóa hc.
• Phương pháp phóng ñin h quang
Ban ñu phương pháp này ñưc dùng ñ ch
to fuller
ene C60, k t sau khi
khám phá ra CNTs thì phương pháp này
cũng ñưc s d ng rng rãi ñ ch to CNTs.
S phóng ñin h quang ñưc thc hin gia hai
ñin
cc ñt ñi din và
cách nhau mt khong 1 mm trong mt bung kín có
ch a khí trơ (He hoc Ar)
áp sut trong khong 50 – 700 mbar. Gia hai ñin
cc có dòng ñin mt
chiu 50 – 100 A và hiu ñin th trong khong 20 –
25 V, nhit ñ trong bung
lên ti 3000 – 4000 K. Khi phóng ñin, khí gia
hai
ñin cc than b ion hoá tr
10

thành dn ñin. ðó là plasma, vì vy phương pháp nà
plasma. Hiu sut tng hp CNTs ph thuc vào ñ n
plasma gia hai ñin cc, mt ñ dòng, áp sut khí
bung chân không và mt vài yu t khác. Trong tt
kt qu to CNTs tt nht vì ñây là cht có kh năn
Trong ñiu kin ch to MWCNTs ti ưu thì quá trình
ra mt lưng nh mui than cácbon vô ñnh hình và 7
graphit sch lng ñng lên trên b mt ca thanh gr
hp ti ưu là s dng ñin th mt chiu vi th 20
D.C và áp sut heli
gin cho CNTs cht lưng cao và cu trúc hoàn ho.

Hình 1.8. Sơ ñ thit b h
quang ñin [22]

Tuy nhiên, phóng h
quang thông thưng
là mt quá t
rình không liên tc
và không n ñnh nên phương pháp n
CNTs ñưc to ra bám trên b mt catot
tc nào, vì dòng chuyn ñng và ñin tr
nghiên cu cho thy do mt ñ hơi cácb
nanô cácbon và các tp bn luôn tn ti
này, ngưi ta ñã to ra nhng h h quang
qu cao. Lee ñã phát trin h phóng ñi
pháp h quang plasma quay ñ ch to C
quang vi plasma quay dùng tng hp
tâm gây ra bi s quay ñ to ra hin tưn

ca nguyên t cácbon theo phương th
trình quay làm cho s phóng ñin vi c
vy ñã làm tăng th tích plasma và tă
11

5000 vòng/phút (rpm) ti nhit ñ 102

sut có th ñt ti 90 % nu tc ñ quay tăn
Trong phương pháp h quang ñ
mt ca xúc tác. Tuy nhiên ñ to SWC
xúc tác, ñc bit là các xúc tác kim lo


SWCNT bng cách phóng ñin h quang bng ñin cc F
trưng khí argon. Trong trưng hp này, các nhà kho
trên thanh graphit ant, h này ñưc lp ñy bi m
bt graphit còn catt là thanh graphit sch. Các ch
dng ñ ch to SWCNT bao gm mt s kim loi chuy
và mt s kim loi ñt him như Y. Trái li hn hp
như Fe/Ni hay Co/Ni li thưng ñưc s dng ñ ch

kính t 10 nm ñn 20 nm và dài trên 1
Giá tr trung bình ca ñưng kính
tuỳ thuc vào nhit ñ tng hp và thành
ta còn dùng phương pháp xung cc n
phương pháp xung laser liên tc.
Phương pháp này có ưu ñim là
90%) so vi phương pháp h quang ñ
pháp có li ích kinh t cao và khá tn k
ñó ngun laser yêu cu công sut ln và

Hình 1.9. H phóng ñin h quang bng plasma quay
[22]

Tóm li, trong phương pháp phóng ñin h quang, vi
graphit tinh khit (hoc có th b sung thêm mt v
Hình 1.10. Sơ ñ h thit b bc
bay bng laser
t cácbon t ant chy ñn catt to ra các ng nan
cùng nhiu sn phm ph khác. ðây là phương pháp ñơ
• Phương pháp lng ñng pha hơi h
ch to CNTs và fullerenes. Sn phm to ra có cu
Lng ñng pha hơi hóa hc (CVD
th ñiu khin ñưc ñưng kính cũng như chiu dài c
to CNTs ph bin nht. CVD có rt nhiu
• Phương pháp bc bay laser
phóng ñin h quang và phương pháp
Phương pháp bc bay bng laser là mt phương pháp c
và bc bay bng laser là hai phương p
quá trình tng hp bó SWCNT vi vùng phân b hp. T
thi gian phn ng ngn (sms), còn phư
mt ming graphit dùng làm bia b bc bay bi bc x
bình (7001473K) và thi gian phn ng
trong môi trưng khí trơ. MWCNTs ñưc to ra trên b
Mt hn ch chính ca phương pháp ph
lưng và hiu sut ca sn phm to ra ph thuc và
bay bng laser là: sn phm CNTs ñưc
lưng sn phm tt nht nhit ñ 1200
ñn, không theo mt quy tc cho trưc h
cu trúc gim và CNTs bt ñu xut hin nhng sai h

có nhiu phương pháp CVD s dng c
bc bay bng chùm laser, năng lưng ca chùm tia
hp CNTs, ví d như: phương pháp C
graphite ñưc ñt trong lò ñt bng ñin nhit
plasma, phương pháp
Ar (áp sut ~500 Torr) thi hơi cácbon t vùng nhi
CVD xúc tác alcohol,
phương pháp CVD có
12
laser h tr, v.v….
ñng bng ñng ñưc làm lnh bng nưc như ñưc th
dùng bia graphite tinh khit ta s thu ñưc MWCNTs.
khong 1,2% nguyên t Co/Ni vi khi lưng Ni và Co
13
H CVD nhit có cu to gm mt ng
SWCNT. Trong sn phm còn có các dây nanô to bi c


lò nhit (hình 1.11). Bn cht và hiu sut tng h
ng b nh hưng ca rt nhiu yu t khác nhau như
tác kim loi và tác dng ca các cht xúc tác này,
khí, nhit ñ phn ng, thi gian phn ng v.v… Hu
nhit thưng ñưc dùng ñ ch to MWCNTs vi ngun
dùng là acetylene (C2H2) hoc ethylene (C 2H4)
và các ht nanô Fe, Ni, Co như là
các cht xúc tác. Nhit ñ mc CNTs thông thưng n
m trong di nhit ñ 500
9000C. di nhit ñ này các hydrocácbon phân
tách thà nh cácbon và hydro. Cácbon lng ñng
trên các ht nanô kim loi và khu ch tán vào

trong các ht nano này. Khi lưng cacbon ñt ñn
giá tr bão hoà thì bt ñu quá trình mc
CNTs. ðưng kính ca CNTs ph thuc vào kích
thưc
ca các ht xúc tác kim
loi. Vi ht kim loi xúc tác có kích thưc là 13
nm thì ñưng kính ca ng
CNTs vào khong 30 40 nm. Khi kích thưc ca
ht
xúc tác là 27 nm thì
ñưng kính ca ng CNTs dao ñng t 100 200 nm.
[22]

Hình 1.11. Sơ ñ khi h CVD nhit [22]
ð tăng hiu sut mc CNTs, ngoài vic s dng thíc
như: nhit ñ, t l liu lưng khí cũng như cht x
s dng thêm cht h tr xúc tác chng hn như CaCO
to lưng ln ng nanô cácbon bng cách cho acetyle
có xúc tác là Co và Fe. Vì zêolit là cht có nhiu
d dàng lt vào các l trng ñó nên khi cho acetyle
có ñưc ng nanô cácbon nhiu vách nhưng ñng thi

nanô cácbon ñơn vách.

1.1.4 Tính cht ca vt liu CNTs
Vi cu trúc như ñã trình bày trê
ưu vit, tt hơn so vi các vt liu thông
ng sut cao, dn nhit, dn ñin tt và kh n
14

trưng thp. Các tính cht này m ra nhiu hưng n
quan tâm ca nhiu nhà khoa hc trên th gii.
• Tính cht ñin
CNTs ñưc bit là vt liu dn ñin tt. Tính dn ñ
ph thuc mnh vào cu trúc. Tùy thuc vào cp ch
CNTs có th là bán dn hay kim loi.
Tính cht ñin ca CNTs xét mt cách cơ bn chính l
graphit 2 chiu hay còn ñưc gi là graphene. Mô hì
b năng lưng trong mng cu trúc graphene ñưc cho
sau :

g dng mi, thu hút s

Vi E 2p là năng lưng ca ñin t qu ño 2p, t nm tron
nm trong min s thc, và w(k) cho bi công thc:

Hình 1.12. a) Cu trúc ñin t ca hàm phân b năng lưng, b)
Hình 1.12(a) là ñ th th hin s phân b năng lư
toàn vùng Brillouin. ð th này ñưc suy ra t công
lưng ca graphene ti
la chn bng nguyên lí tính toán th nht ca vùng
Khi s =0, ta có hàm Slater Koster cho hàm phân b năng lưng ñơn gin


nht ca graphene là:

E

15

Cu trúc di ca CNTs (n, m) ñưc rút ra t
graphene bng cách s dng các liên kt cht vi ñi
theo hưng chu vi ca ng CNTs như sau:

cu trú c di ca mng u kin
biên tun hoàn dc

E =E
kµ

2D

Trong ñó:
+ k là véc tơ
sóng (π/T < k <
π/T)
+ T là chu kì dch
ca mng
graphene.
+ là s lưng t ri rc
( =1, 2,…, N)
+ N là s cp
nguyên t cácbon
trong ô ñơn v ca
C
NTs.
+ K1 và K2 ñưc
biu din thông qua

các véc tơ ñơn v
b
1 và b2

ca mng

graphene.

K
1

T cu trúc di ñin t, ta thy ñ dn ca
sóng ñưc phép bao gm ñim K trong
là bán dn khi tn ti khe năng lưng gia

ñiu kin chung ñ CNTs là kim loi là:
t mt véctơ sóng ca sáu ñim K trong
graphene). Tương t, CNTs là bán dn
trên hình 1.13, CNTs (5, 5) và (9, 0)
kim loi, CNTs (10, 0) khe năng lưng


(a)

Hình 1.13. Hàm phân b năng lưng: a) armchair(5,5)
b) zigz ag (9,0) c)
zigzag(10,0) [18]
Dùng phương pháp hin vi lc nguyên t (AFM), ta c ó
th ño ñưc ñin tr
tng phn ca ng CNTs. ði vi SWNTs dn ñin nh

ư kim loi thì ñin tr
không thay ñi dc theo ng. Tuy nhiên ñi vi các
ng dn ñin kiu bán dn,
16


khi kt li thành si dài thì ñin tr ph thuc r
t nhiu vào các v trí ñt các ñu
dò
• Tính cht quang và quang ñin
Nhng sai hng cu trúc ca ng nanô cácbon ñc bi
t là ñi vi SWCNT,
dn ti s xut hin vùng cm thng vi cu trúc vù
ng hoàn toàn ñưc xác ñnh,
ñó chính là cơ s cho nhng ng dng quang và quang
ñin ca CNTs. Ph
quang hc ca tng SWCNT riêng l hoc bó SWCNT ñã
ñưc chng minh
bng cách s dng ph cng hưng Raman, ph huỳnh q
uang, hoc ph tia cc
tím gn hng ngoi (UVVISNIR).
Tính cht quang và quang ñin ca CNTs có th bit
ñưc t cu trúc vùng
hoc DOS ca SWCNT. DOS mt chiu ca SWCNT có th
ñưc suy ra t
graphit vi biu thc như sau:

ε

Vi

ε