Vật lý và công nghệ nano

GIỚI THỆU MƠN HỌC
• Thế nào là kích thước nano?
Phân tử Phân tử
bóng H2O Gluco

Vật liệu nano? So sánh với kích thước
sợi tóc

Antibody
thư

Virus Vi khuẩn
tenis

Tế bào ung 1 mm

Quả

Kích thước nano?

Fe (bcc): d = 0.25 nm

Sợi tóc bình thường có kích thước ~ 100 m.
Vật liệu nano: có ít nhất 1 chiều kích thước nhỏ từ ~1-100 nm.

1 nm

1


Kích thước nano?

Khái niệm cơng nghệ nano
• Cơng nghệ nano (nanotechnology) là lĩnh vực
khoa học liên quan tới điều khiển, thao tác ở
mức độ phân tử, nguyên tử nhằm tạo ra các
cấu trúc, linh kiện, hệ thống có kích thước
nano-mét.

Richard Feynman (1918-1988): “Cha đẻ” của cơng nghệ nano
•

1959 - Richard Feynman – đoạt giải Nobel Vật lý. Câu nói
nổi tiếng năm đó “There’s plenty of room at the bottom” –
như 1 lời giới thiệu về lĩnh vực công nghệ mới.
 “I would like to describe a field, in which little has been
done, but in which an enormous amount can be done in
principle. This field is not quite the same as the others in
that it will not tell us much of fundamental physics (in the
sense of, ``What are the strange particles?'') but it is more
like solid-state physics in the sense that it might tell us
much of great interest about the strange phenomena that
occur in complex situations. Furthermore, a point that is
most important is that it would have an enormous number
of technical applications.
 What I want to talk about is the problem of manipulating
and controlling things on a small scale.
– Chế tạo được động cơ điện với kích thước 1/64 inch3
– Giảm số trang của mỗi cuốn sách 25.000 lần; sách này
phải đọc bằng hiển vi điện tử.

Kỹ thuật khắc bằng chùm điện
tử
1985 – một sinh viên tốt nghiệp
(Tom Newman) chép 1 trang
truyện “A Tale of Two Cities”
(Charles Dickens) lên miếng nhựa
poly(methyl
methacrylate)
kích thước 200×200 m sử dụng
kỹ thuật lithography chùm điện tử.
“It was the best of times, it was
the worst of times”
Tom Newman used an electron beam to etch
the opening of Dickens' Tale of Two Cities onto
a 200 x 200 micron square of plastic and won
the Feynman challenge. (Photo: Tom Newman)

2


Công nghệ nano và đời sống ngày
nay

Một số lĩnh vực CN nano
• Nghĩa của nano?
• Làm sao chế tạo vật liệu/linh kiện nano?
• Làm sao phân tích tính chất vật liệu/linh kiện nano?
• Tính chất vật lý của vật liệu/linh kiện nano

1

The Woodrow Wilson International Center f9 or

Scholars

Nội dung
C1. Giới thiệu
C2. Ý tưởng tạo các vật thể ngày càng nhỏ
C3. Giới hạn nào cho công nghệ nano
C4. Bản chất lượng tử trong thế giới nano
C5. Ảnh hưởng của tính chất lượng tử lên thế giới vĩ mô
C6. Các cấu trúc nano tự lắp ghép trong tự nhiên và công
nghiệp
C7. Công nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện nano
C8. Công nghệ nano dựa trên các hiệu ứng từ, spin điện tử,
spin hạt nhân và siêu dẫn
C9. Công nghệ nano điện tử

3


CHƯƠNG 1.
KHÁI NIỆM VẬT LÝ NANO
1. Vật lý nano
2. Định luật Moore
3. Đi-ốt xuyên hầm lượng tử (tunnel diode)
4. Chấm lượng tử (QD, quantum dot)
5. Đầu đọc ổ cứng dựa trên hiệu ứng từ trở khổng
lồ GMR
6. Tăng tốc động cơ

7. Màng lọc kích thước nano (nanopore filters)
8. Một số ứng dụng khác của vật liệu nano

1.1. Vật lý nano - Nanophysics
• Hiểu biết các tính chất vật lý của vật liệu/vật chất khi chuyển từ
giới hạn cổ điển sang giới hạn lượng tử.
• Tìm hiểu và khai thác đưa các tính chất bất thường của vật chất
dạng nano vào ứng dụng (cơng nghệ nano).
Vật lý nano – Nanophysics:
• Mơ hình hóa hoặc tính tốn lý thuyết là cơ sở quan trọng để
nghiên cứu các tính chất và biểu hiện của các vật liệu và thiết bị
nano.
• Phải chăng giới hạn của vật liệu có thể là kích thước ngun tử
(0,1 nm)?
• Các tính chất có thể ứng dụng ở kích thước 0,1 nm sẽ như thế nào?

1.2. Định luật Moore
Công nghệ điện tử/vi điện tử:
Hiệu quả kinh tế khi thu hẹp kích thước
Kích thước càng nhỏ thiết bị càng
hiệu quả, càng tin cậy, càng tiết kiệm,
…
Tuy nhiên vấn đề gì sẽ xảy ra khi
kích thước đạt đến giới hạn ngun
tử.
Cơng nghệ dựa trên nền Silic đang
tiếp cận với khó khăn khi kích thước
kinh kiện giảm thiểu: chiều dày lớp
SiO2 nhỏ hơn 1 nm => hiệu ứng
lượng tử, xuyên ngầm….

Vật liệu nào sẽ thay thế để
cho công nghệ phát triển?

4


1.3. Đi-ốt xuyên hầm lượng tử (tunnel)

Di-ôt xuyên ngầm khác với đi-ơt thường ở chỗ nó thường được
pha tạp rất mạnh (gấp ~1000 lần so với đi-ốt thường), khiến
cho vùng nghèo có bề dày cực mỏng.

1.3. a) Cấu tạo và ứng dụng đi-ơt tunnel
Mỗi phía đều pha tạp rất mạnh (cỡ 1019 cm-3)
- Thế khuếch tán:
- Chiều rộng vùng ĐTKG:

D
V bi (V ) 

kT

W  x p x n

N D (x n )N A (x p )
q
ni 2

ln

b) So sánh với đi‐ôt pn thông
thường
Định nghĩa: Chuyển tiếp PN



2 sc0  1 
(V V )
1 q  N A N D  bi

 W nhỏ (cỡ vài chục Å) => hiệu ứng xuyên hầm có thể xảy ra.
 Đặc trưng IV: có đoạn dốc âm (điện trở vi sai âm)
Ứng dụng:
 Bộ dao động: đi-ôt dùng kết hợp với 1 mạch cộng hưởng công
suất thấp (~mW), tần số thay đổi từ 0 đến siêu cao (100 GHz).
 Khuếch đại siêu cao tần nhờ có hệ số phản xạ >1 (cường độ
sóng siêu cao tần phản xạ lớn hơn cường độ sóng tới).

E
Vùng tiếp xúc 2 loại bán dẫn đã hình thành lớp chuyển tiếp p-n,
vùng điện tích khơng gian. Vùng này còn được gọi là lớp nghèo
hạt tải điện, gọi tắt là lớp nghèo.
20

5


Tóm tắt vị trí mức
Fermi

Đặc trưng IV của đi‐ốt thơng
thường

Vùng ion hóa tạp chất
BD loại
N

BD loại
P

n  Nd

p  Na
N a ni e

21

( Ei E F )

N d  nie

kT

N
(Ei  EF ) Ptype  kT ln  a 
 ni 



(E C E )F N type  kT ln  N C
 N d 

P

n  ND
( Ei E F )

kT

(Ei  E F)Ptype  kT ln N A 
 i
n

N D  n ie

( EF E i )

‐

(V/cm) N
W

+

-qNA

kT

(E F E )i N type  kT ln N D 

 ni 

 VD  kT ln N D (x n )N A (x p )
q
n i2

P

qND
-xp

N A n ei

(C/cm3) N

Vùng N

p  NA

22

Chuyển tiếp PN đột ngột

qVD (Ei  EF )ptype (EF  Ei )Ntype
Vùng P

kT

(E F E )i N type  kT ln  N d
 n i

N 
(EF  EV )Ptype  kT ln  V 
 Na 

Thế khuếch tán

( EF Ei )

xn x

-xp

xn x

-qNA

NX: Điện trường có giá trị âm tại mọi điểm, có phân bố dạng tam
giác và có giá trị cực đại ngay trên mặt chuyển tiếp.

max   0   qN A xp   qN D x
 sc 0
 sc0
2
3

n
2
4

6


9/8/201
7

Chuyển tiếp PN đột ngột

1.3. c) Đặc trưng IV của đi-ôt tunnel
Nếu nồng độ tạp trong bán dẫn lớn hơn nồng độ
trạng thái hiệu dụng ở vùng dẫn hoặc vùng
hóa trị (Nc hoặc NV ~ 1019 cm-3) thì:

Từ 2 pt trên suy ra, bề dày vùng ĐTKG

W  x p x n

2 sc0  1 1 
V 
q  N A N
D 

NA


xn W 
 N A  ND 

(1) Mức Fermi tiến vào phần dưới vùng dẫn
(N) hoặc phần trên vùng hóa trị (P) => bán

dẫn suy biến, với cấu trúc dải năng lượng
giống kim loại.
(2) Mức năng lượng của tạp mở rộng thành 1
dải năng lượng
(3) Chiều rộng vùng cấm giảm do sự tồn tại
của đuôi dải tạp.

D

 N

x p W  D  N 
NA
D

Ví dụ: chuyển tiếp Si (PN) ở 300K
A 10 18 cm 3
 
N
có

D 10 15 cm 3
 
N
19
 NA  10 cm

4

 W  0,96  m,   1,56.10 0V / cm ;V D 0,75V


0,96
A
p
 xn  0,96  m; x

3

19
 ND  5 10 cm

có
3

W  ....nm,   ......V / cm
 xn  .....nm; x p ....nm

;V D .....V

Chưa phân cực Điện áp thuận nhỏ; Đ.áp thuận lớn hơn; Điện áp thuận rất lớn; P/c ngược

2
5

(a) Chưa phân cực: vùng ĐTKG rất mỏng, EC phía N thấp hơn EV phía P.
Điện trường tại mặt tiếp giáp PN có giá trị rất lớn (~ 106 V/cm). Dải
NL bị uốn mạnh, tạo điều kiện cho việc vượt vùng cấm bằng tunnel.
Việc di chuyển có thể theo cả 2 chiều:
- Luồng điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn
- luồng điện tử từ vùng dẫn sang vùng hóa trị.

(b) Điện áp thuận nhỏ: các trạng thái điền đầy của vùng dẫn phía N++ lúc
này đối diện với vùng cấm của phía P++ => luồng e- đi từ vùng dẫn
sang vùng hóa trị
(c) Điện áp thuận lớn hơn: các trạng thái điền đầy của vùng dẫn phía N++
lúc này đối diện với vùng cấm của phía P++ => luồng e- 0, dịng
thuận giảm. => vùng điện trở vi sai âm khống chế bởi điện áp.
(d) Điện áp thuận rất lớn: rào thế bị mất dần, trích e- từ N++ sang P++ và
lỗ trống theo chiều ngược lại. => dòng lại tăng.
(e) P/c ngược: các mức điền đầy vùng hóa trị nằm đối diện các mức trống
ở vùng dẫn. Lúc này, luồng điện tử lớn, ứng với dịng ngược lớn. =>
Đi-ơt tunnle khơng khóa điện áp ngược => cịn có tên là đi-ơt ngược
(backward diode).

7


1.4. Chấm lượng tử - nhiều màu sắc
Kích thước hạt đạt đến kích thước nano: số các
nguyên tử vẫn đủ lớn để các kiến thức về chất rắn
vẫn còn đúng.

Bài tốn chuyển động trong giếng
thế
Thế năng của điện tử có dạng

Tuy nhiên kích thước nhỏ dẫn đến có cấu trúc
giống phân tử (nhân tạo) có cấu trúc vùng rời rạc:
các vạch hấp thụ và phát xạ không liên tục.

U = 0 , khi 0 < x < R

(Vùng trong
QD) U = ∞ khi x  0, x  R (Vùng ngồi
QD)
2
2

  (x)
Phương trình sóng
Schrodinger
độc
(x)lập
 Ethời
 gian trong
 2m
x2  U (x)
trường hợp này có dạng:
Năng lượng bị lượng tử hóa, n=1,2,3…
E

n
2

2

2

2mR2

1.5. Đầu đọc ổ cứng dựa trên hiệu ứng từ trở
khổng lồ GMR

Khi kích thích bằng tia UV, vật liệu
nano cho bức xạ huỳnh quang với
bước sóng phụ thuộc vào kích thước
hạt nano L.
Giải thích: Mỗi hạt nano được xem
như một giả “nguyên tử”, có các mức
năng lượng điện tử rời rạc

Cửa sổ tịa thị chính Freiburg
có màu sắc thay đổi do các hạt
nano vàng có kích thước khác
nhau tạo ra.

Ổ cứng máy tính mã hóa thơng tin dựa trên sự
nhiễm từ của đĩa từ tính. Kích thước của các
domain khoảng 20-100 nm. Hiệu ứng từ trở
khổng lồ cho phép giảm các domain đến mức
nhỏ nhất có thể dựa trên spin electron.
GMR: (giải Nobel vật lý 2007)

8


Hiệu ứng GMR (Giant magnetoresistance)
• GMR: là sự thay đổi lớn của điện trở ở
các vật liệu từ dưới tác dụng của từ
trườngngồi.
• Hiệu ứng GMR có được là do sự tán
xạ của điện tử trên magnon. Khi có

các phần tử mang từ tính (ví dụ các
lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay
các hạt siêu thuận từ trong các màng
hợp kim dị thể) có sự định hướng khác
nhau về mơmen từ (do tác động của từ
trường ngồi), sẽ dẫn đến sự thay đổi
về tính chất tán xạ của điện tử và do
đó sẽ làm thay đổi điện trở của chất
rắn.

1.6. Tăng tốc động cơ
Ví dụ: Túi khí an tồn trong ơ –tơ
Cảm biến gia tốc làm bằng bán dẫn với cơng nghệ MEM
Micro-electro-mechanical) đặt ở tấm chắn phía trước,
nhanh chóng thổi hơn vào túi khí khi cần thiết.
Cấu tạo: khối lượng m gắn vào lị xo có độ cứng k trên
khung cảm biến (trơ với lửa).
Nếu ô tô (và khung cảm biến) chịu gia tốc đủ lớn: lò xo
trên sẽ chịu nén hoặc giãn, khiến m chuyển động.
Chuyển động này được đo (ví dụ thơng qua một tụ điện):
rồi trigger làm mở túi khí.

1.6. Tăng tốc động cơ

• Cơng nghệ vi cơ điện tử
MEMs microelectromechanics.
• Cơng nghệ quang khắc

9

1.7. Màng lọc kích thước nano (nanopore filters)
Các màng lọc có kích thước nano dùng để lọc nước, vi khuẩn...
Loại 1: Những tấm polycarbonate dày 6 – 11mm: với các lỗ nano
(kích thước từ 15 nm -12 m) tạo thành ma trận vng góc với tấm.
Cách tạo lỗ: ăn mịn có định hướng
Loại 2: Màng lọc từ anodic aluminium oxide (AAO). Xốp hơn loại
trên (lên tới 40%). Có thể ứng dụng chế tạo sợi nano định hướng
thẳng đứng: nén kim loại mềm lên bề mặt màng alumina xốp.

CHƯƠNG 2.
Ý tưởng tạo các vật thể ngày càng nhỏ

1.8. Một số ứng dụng khác của vật liệu
nano trong công nghệ và đời sống
 Mỹ phẩm.
 Các hạt nano AgBr và AgI được dùng trong phim ảnh. Độ phân giải của

phim phụ thuộc kích thước hạt.
 Thuốc sử dụng các phần tử nano (tăng cường hiệu quả sử dụng).

2.1. Hiệu ứng giảm kích
thước

Sự thay đổi một số tính chất khi thu nhỏ kích thước vật/linh kiện:
 Tính chất cơ học: lực liên kết, lực mao dẫn.
 Tính chất hóa học: hoạt tính, tính xúc tác
 Tính chất nhiệt: nhiệt độ nóng chảy, độ dẫn nhiệt
 Tính chất điện: dịng tunnel
 Tính chất quang: độ hấp thụ, tán xạ

 Tính chất từ: hiện tượng siêu thuận từ
=> Triển vọng ứng dụng mới!

10


Phân loại vật liệu nano
Dựa trên số kích thước của vật liệu khơng thỏa mãn điều kiện ở kích
thước nano là <100 nm.
(1) khơng-kích thước (0-D)
(3) Kích thước 2
chiều (2-D)
(2) Kích thước 1 chiều (1-D)
(4) Kích thước 3
chiều (3-D)

Tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích phụ thuộc hình dạng

?

Diện tích bề mặt tăng bao nhiêu lần khi một hạt hình cầu

đường kính 10 m chia nhỏ thành nhóm hạt đường kính 10 nm
(giả thiết thể tích khơng đổi).

Tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích phụ thuộc hình dạng
Hình dạng của hạt nano rất được quan tâm nghiên cứu:
Vì phụ thuộc hình dạng mà tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích sẽ
khác nhau => tính chất khác nhau.

Magic numbers: Tỷ lệ số nguyên tử trên bề mặt
Tỷ lệ số nguyên tử trên bề mặt tăng lên khi kích
thước hạt nano giảm. Ví dụ, với hạt hình cầu: V là
thể tích hạt nano, A là diện tích bề mặt, rA là bán
kính nguyên tử, n là số nguyên tử =>
Tỷ lệ số nguyên tử trên bề mặt của hạt nano hình
cầu là FA

11


Tỷ lệ số nguyên tử trên bề mặt

Năng lượng bề mặt
Nguyên tử trên bề mặt có năng lượng
lớn hơn các nguyên tử bên trong
 Nguyên tử trên bề mặt có hoạt tính
hóa học lớn hơn
 Hạt nano có hoạt tính hóa học lớn
hơn (so với vật liệu khối)

A nanomaterial’s

Ví dụ:
Vàng khối trơ về mặt hóa học.
Vàng dạng hạt nano thường được xử
dụng làm xúc tác cho các phản ứng
hóa học.

Con lắc đơn

2.2. Tần số dao động tăng khi kích thước giảm

 g/
l

T

2

 k/
m



Con lắc đơn: Tần số cộng hưởng

tăng lên khi l giảm. Ví dụ, l=1 m
thì T ~ 1 kHz.

 Tần số cộng hưởng tăng lên khi l giảm

 g/
l

T

2





f 2

Con lắc lị xo: Ta có, khối lượng

Ví dụ, l=1 m thì T =2s, f = 0,5 Hz (đồng
 hồ quả lắc)
l=1 m thì T =2 ms, f = 0,5 kHz.

m ~ L3 , độ cứng lò xo k ~ L (L là
kích thước của hệ), vậy   L-1 .

Nếu hệ chuyển động có gia tốc a=d2y/dt2, theo phương
thẳng đứng.


Cộng hưởng sóng âm: thanh dài L sẽ có dao động cộng hưởng

với chu kỳ T = 2L/v (thời gian đi lại giữa hai đầu thanh).

  2  / L



(g  a) / l

Đo sự thay đổi của tần số (với thiết bị đo/đếm tần số
khác) sẽ xác định được a.

Khi đó, chiều dài con lắc càng nhỏ, thì T càng nhỏ, thể
hiện tốc độ đáp ứng với tín hiệu nhanh.

F/

12


Con lắc lị xo

Dao động của thanh đàn hồi
Ví dụ:1 thanh đồng thau chiều dài 0,1 m thì: f = v/2L = 15 kHz
Nếu chiều dài100 nm, thì f = 15 GHz
Sự thay đổi cực lớn về tần số dao động này dẫn đến ứng dụng hoàn
toàn khác của linh kiện khi thay đổi kích thước.
NHỎ = NHANH

 Ta có, khối lượng m=V~ L3,

độ cứng lò xo k ~ L (L là kích thước của hệ),
=>   L-1
Có thể nhận thấy kL trong trường hợp lò xo là 1 thanh
khơng khối lượng có tiết diện A, dài L đặc trưng bởi suất
Young:
Y = (F/A)/(L/L).
Nếu thanh chịu lực nén F, sẽ chịu độ nén L = –(LY/A)F.
Suy ra, độ cứng của thanh k = A/LY => k  L.

Con lắc lò xo: sự phụ thuộc của vận tốc, gia tốc, cơng
suất và mật độ cơng suất vào kích thước

• Giữ nguyên độ nén cực đại của lò xo xmax/L, với xmax là biên độ dao
động, L là chiều dài lò xo.
=> vận tốc cực đại vmax= .xmax  L0 (là hằng số), vì   L-1.
• Tương tự, ta có gia tốc cực đại amax=2 .xmax  L–1.
• Xét con lắc trong điều kiện giảm kích thước đồng đều theo 3 chiều,
năng lượng của con lắc
1
2
W  k.xmax
 L3
2

• Năng lượng = thế năng cực đại (khi x = xmax). Thế năng này sẽ chuyển
hoàn toàn thành động năng sau ¼ chu kỳ, ứng với x=0. => công suất
W

P  t  L
(vì T = 2/  L)
=> mật độ cơng suất (cơng suất tính trên 1 đơn vị thể tích)
p=P/V  L-1.
2

Tương tự dao động của các thanh, các phân tử cùng dao động với
cùng qui luật, nhưng với tần số rất lớn.
Tần số dao động cơ bản của phân tử CO là 6,42 x 1013Hz (64,2
THz). Nếu xem đây là hệ hai vật nối với nhau qua lò xo thì độ
cứng tương đương của lị xo là 1860 N/m.
Suất Yang tỉ lệ với chiều dài: Y ~ L

3. Tính chất điện : điện dung

Tụ điện:

 Điện dung tụ điện phẳng : C = 0A/d ~ L

(vì A ~ L2 )
 Cường độ điện trường (với giả thiết mật độ điện mặt

không đổi)
E=o ~L0
 Năng lượng tụ W=Q2/2C = (1/2) o E2 Ad ~ L3 .

Nếu tụ điện phóng điện qua điện trở R
 Với R= l/A ~ L-1),
 Hằng số thời gian =RC ~ L0 . Tần số f~L0.
 Cơng suất điện q trình phóng điện:
W W
3
P  dW
dt    L



RC

=> công suất riêng (trên một đơn vị thể tích) p=P/V ~ L0

13


2.3. Tính chất điện: từ trường

Từ trường của dịng điện thẳng gây ra tại M
B = o  I/2r ~ L;
Giả thiết, trong dây dẫn có điện trường E khơng
đổi, mật độ dịng điện khơng đổi =>Cường độ
dịng điện I = AE/ ~ L2 .
=> B ~ L.
Mật độ năng lượng w = o B2/2 ~ L2
=> Năng lượng từ trường Wm ~ V.w ~ L5

2.3. Tính chất điện
Điện dung của khối chất
Điện dung của vật dẫn hình cầu: C = 4o.R
Một giọt kim loại hình cầu R=1 mm, có C = 4o.R

Tách ra thành các hạt có r =1 nm. Số hạt là N = 1018
Tổng điện dung là C’ = N 4o.r tăng 1012 lần so với điện dung 1 giọt
ban đầu.

Xét ống dây thẳng dài vô hạn (N vòng, dài
l, tiết diện A)
B = o (N/L) I
~ L2
(giả thiết, mật độ vòng dây N/L = no = hằng
số)
Mật độ năng lượng w = o B2/2 ~ L4
=> NL từ trường trong ống dây ~ L7

2.4. Tính chất nhiệt
Phương trình truyền nhiệt và hằng số thời gian nhiệt
Xét vật dẫn nhiệt có tiết diện A, dài L và độ dẫn nhiệt kT. Một đầu tiếp

xúc với nguồn nhiệt hữu hạn T. Một đầu tiếp xúc với nguồn
nhiệt vô hạn 0K
Phương trình dịng nhiệt: dQ/dt = kTAT/L
Tốc độ tỏa nhiệt từ nguồn nóng dQ/dt = CV dT/dt.
dT/T =–(kTA/LCV)dt
T = T(0)exp(–t/ th),
Trong đó, th = LCV/kTA là hằng số thời gian nhiệt ~ L2C/kT,
=> kích thước thu nhỏ hằng số thời gian nhiệt giảm.
Đk cân bằng
Công suất cơ học dQ/dt ~ L2

2.4. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy?
Vật liệu khối: Tm  kích thước.
Ví dụ: 1 cục nước đá và 1 tảng nước đá lớn ở Bắc cực đều tan chảy ở 0o C
Vật liệu nano: Tm  kích thước.

Ở vật liệu khối: tỷ lệ diện tích bề mặt/thể
tích nhỏ => Bỏ qua sức căng bề mặt => Bỏ
qua hiệu ứng bề mặt.
Ở vật liệu nano: tỷ lệ diện tích bề mặt/thể
tích khá lớn => Khơng bỏ qua được biến
đổi năng lượng của các phân tử ở bề mặt:

Chênh lệch nhiệt độ giảm khi kích thước giảm

14

2.5. Lực cản nhớt sẽ chiếm ưu thế khi hạt có kích
thước nhỏ chuyển động trong mơi trường chất lỏng
Lực ma sát trong chất lỏng F: 6πηRV
Vận tốc rơi của vật khối lượng m trong trọng
trường V = mg/6πηR

2.6. Lực ma sát biến mất trong các cấu trúc phân tử
nano đối xứng
Lực ma sát 0
CNTs: ~ gồm những phiến graphite cuộn lại

Khi R của vật rơi nhỏ => v tăng lên ?

Hạt có R=10 m, mật độ khối lượng =2000 kg/m3 sẽ rơi với V = 23 mm/s
Hạt có R=15 nm, mật độ khối lượng =500 kg/m3 sẽ rơi với V = 13 nm/s

2.7. Tính chất cơ học

Khơng có các phân tử,
nguyên tử nằm xen
giữa các lớp graphite,
hay giữa các lớp
nguyên tử trong cấu
trúc ống nano khác.

Môi trường giữa các
nguyên tử rất gần
nhau là chân khơng.

2.7. Tính chất cơ học

Lệch mạng, cơ chế tăng sức bền của vật liệu

Mỗi nguyên tử ở đỉnh hình
lập phương có cạnh =ao

15


VẬT LÝ VÀ CƠNG NGHỆ NANO

3.1. TÍNH CHẤT HẠT CỦA VẬT CHẤT

Chương 3.
Giới hạn của kích thước nhỏ?

• Hạt vật chất nhỏ nhất được biết tới hiện tại là phôton (được giả định
năm 1905). Photon ứng với ánh sáng có bước sóng  thì có năng
lượng
E = h= hc/
• Electron được tìm ra từ hiệu ứng quang điện có động năng là
K = (hc/ ) – ,
trong đó  là cơng thốt điện tử.
Điện tích của electron, điện tích ngun tố, e=1,602. 10-19C xác định
theo phương pháp Milikent:
v = (mg + neE)/(6R)
• Ngun tử: kích thước~ Å

2. MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ ĐỘNG CƠ VÀ LINH KIỆN NANO
Chuyển động tịnhh tiến, quay, dao động là những dạng chuyển động cơ bản

1.

Động cơ lị xo tuyến tính (Linear Spring Motors)
Spasmoneme spring:
(A) Đơn bào Vorticella ở trạng thái giãn
hoàn toàn ~ mm (trái), nén hoàn toàn
(giữa), và trạng thái nén một phần
(phải).
(B) Trạng thái lị xo giãn hồn tồn gồm
các sợi mảnh (~2nm) được giữ khoảng
cách với nhau nhờ các điện tích âm
(các chấm xanh)
Các điện tích âm (chấm xanh) xen kẽ
các điện tích dương: ứng với trạng thái
co/nén của phần tử đơn bào.

Khi tiếp xúc với canxi, các sợi màu xanh bị co lại, do các điện tích âm bị trung hòa
=> phần thân tế bào co lại, trong vòng vài ms giảm 40% chiều dài, và đạt vận tốc
co lại ~ 8 cm/s.
L. Mahadevan and P. Matsudaira, Science 288, 95 (2000).

Sự bắt mồi của Vorticella

 Chiều dài tối đa (khi duỗi hết) là vài mm
 Trong vài ms có thể co lại còn 40% chiều dài tối đa

=> vận tốc lên tới 8 cm/s


3.2. MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ ĐỘNG CƠ VÀ LINH KIỆN NANO

3.2.2 Động cơ phân tử tuyến tính (Linear Engines on Tracks)
Khi động cơ phân tử kinesin di động, mỗi bước đi của phân tử
cần 1 năng lượng là 50 x 10-21 J. Năng lượng này có được bằng
cách thủy phân ATP thành ADP và phosphate vô cơ. Mỗi bước
đi của kinesin cỡ 8 nm.
Tốc độ di chuyển là ~ 100 bước 1s.
Hiệu suất của các động cơ sinh vật (kinesin, myosin,…) vào
khoảng 50-60%; lớn hơn nhiều so với động cơ đốt trong
10- 15%. Nguyên nhân: cơ chế hoạt động khác nhau

Kinesin and myosin

So sánh mật độ công suất và vận tốc

3.2.3. Động cơ quay (ATP synthase,…)
Giải Nobel hóa học 1997: Dr. John Walker, Dr
Paul Boyer and Dr Jens Skou…

Sợi đánh dấu huỳnh quang actin cho phép quan sát chuyển động quay của nhánh “c”
trong enzym ATP Synthase (F0F1) [20]. Khi một nhánh “c” Glu2 được thay thế bằng
cysteine rồi tới biotinylated để bám vào streptavidin và sợi actin.
Các phần tử , , e, và c được xem như là rotor,
còn , , , a và b là stator.
Tốc độ quay của sợi actin trong môi trường nhớt phụ thuộc vào chiều dài sợi. Ví dụ,
f=0.5 Hz – 10 Hz ứng với momen xoắn 40 pN.nm.

3.2.4. Kênh dẫn ion, nano-transitor trong sinh học

Các màng protein truyền dẫn sắp xếp theo trật tự, như những động cơ quay có
đường kính ~8 nm và chiều dài ~ 14 nm.

3.

CHÚNG TA CÓ THỂ CHẾ TẠO LINH KIỆN NHỎ NHƯ THẾ NÀO?

3.3.1. Phương pháp chế tạo các vật/linh kiện kích thước nhỏ

Kích thước giới hạn lý thuyết: kích thước các phân tử/động cơ
phân tử sinh học
Các thiết bị được chế tạo thực tế lớn hơn rất nhiều các phân tử
sinh học (do giới hạn của công nghệ, kỹ thuật hiện tại).
Làm như thế nào để có thể đạt được kích thuớc nano?
1.

Phương pháp chế tạo các vật/linh kiện kích thước nhỏ

2.

Phương pháp quan sát vật thể/linh kiện nhỏ

Các phương pháp “bottom-up”
Lắp ghép từ các phần tử nhỏ để có cấu trúc phức tạp
hơn:
• Cơng nghệ nano DNA: sử dụng kỹ thuật lắp ghép
Watson–Crick để chế tạo các cấu trúc có trật tự khác
DNA hay các nucleic acids.
• Phương pháp tổng hợp hóa học.
• Đầu dị Hiển vi lực ngun tử (AFM) được dùng như
đầu ghi, nhằm lắp ghép các phân tử/nguyên tử lên một

bề mặt theo hình dạng xác định. => còn được gọi là bút
ghi nano (dip pen nanolithography).
=> Kỹ thuật in “nanolithography”

Bánh răng của động cơ được chế
tạo trên phiến silic bằng phương
pháp ăn mòn (deep reactive ion
etching)

Các phương pháp “top-down”
• Cơng nghệ mới, phát triển từ cơng nghệ silic truyền thống, có thể cho phép
tạo các linh kiện kích thước nhỏ hơn 100 nm => cơng nghệ nano.
• Ổ đĩa cứng dựa trên hiện tượng từ trở khổng lồ với kích thước các linh
kiện thành phần (<100 nm) đã có mặt trên thị trường; trong đó có sử dụng
kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử (ALD). Peter Grünberg và Albert Fert đã
được nhận giải Nobel vật lý năm 2007 cho phát minh hiệu ứng từ trở
khổng lồ và những đóng góp của họ trong lĩnh vực spintronics.
• Cơng nghệ nanoelectromechanical systems (NEMS) liên quan tới
microelectromechanical systems (MEMS).
• Focused ion beams can directly remove material, or even deposit material
when suitable precursor gasses are applied at the same time. For example,
this technique is used routinely to create sub-100 nm sections of material
for analysis inTransmission electron microscopy.
• Đầu dị AFM dùng như đầu ghi để phủ phần tử cảm quang trên bề mặt vật
liệu, sau đó q trình ăn mịn được thực hiện để thu được các cấu trúc
nano.


PP chế tạo các vật/linh kiện kích thước nhỏ
(1) Hiển vi đầu dò quét xuyên hầm (STM)

3.3.2. Phương pháp quan sát vật thể/linh kiện nhỏ
Hiển vi điện tử quét tunel, STM: vừa chế tạo, đồng thời quan sát
các vật thể nhỏ

Đầu dò của STM sắp xếp các
nguyên tử vào vị trí => hình
thành cấu trúc nano lắp ghép.

Các phân tử Fe(48) được STM bố trí trên
vịng trịn đường kính 14,3 nm và sóng
đứng thể hiện mật độ electron (hàm sóng).

3.

Sự phân bố của 8 phân tử CsI
trên bề mặt (111) của Cu

Molecular Communication
Giao tiếp qua các phân tử y sinh học

. Làm thế nào để kết nối những kinh kiện nhỏ bé
đó với thế giới bên ngồi?
Hai hướng đang được quan tâm chính:

Nanomachine

o Thơng qua kỹ thuật điện tu nano

Bacteria

I. F. Akyildiz, F. Brunetti, C. Blasquez, “Nanonetworks: A New Communication Paradigm”, Computer Networks, 52, 2008

o Thông qua các phân tử y sinh học
•
•
•
•

Sender nanomachines encode information into information molecules (e.g.
DNA, proteins, peptides)
Information can be transmitted through diffusion or active transport
Ability to create communication systems and networks using biological
components and processes that are found in nature
Interdisciplinary research (nanotechnology, communication technology,
biochemistry, molecular biology)


3.3.4. Cơng nghệ tự lắp ghép liệu có khả quan?
• Phương pháp sinh học: các cấu trúc được sắp xếp, lắp ráp hồn
tồn (hoặc hầu như) tự động.
• Ngun lý tự lắp ghép để hình thành phân tử DNA là cơ sở để
cơng nghệ hiện tại có thệ tiệm cận tới được hiện tượng tự lắp
ghép để hình thành nên cấu trúc nano mong muốn.

3.3.5. Tiệm cận tới hiện tượng tự lắp ghép các phần tử
3 chiều


VẬT LÝ VÀ CƠNG NGHỆ NANO

4.1. MƠ HÌNH NGUN TỬ BOHR
•

Chương 4.
BẢN CHẤT LƯỢNG TỬ TRONG
THẾ GIỚI NANO

Năm1913, NielsBohr đã phát triển một mẫu nguyên tử mới nhằm giải thích những
câu hỏi chưa giải đáp về mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford.

•

Mẫu nguyên tử của Bohr dựa vào các nghiên cứu đã cơng bố của Planck (lượng tử
hóa năng lượng), của Einstein (bản chất hạt của ánh sáng) và củaRutherford (hạt
nhân tại tâm ngun tử)

•
- Tính chất sóng-hạt của vật chất
- Giới hạn vĩ mô và vi mô (nguyên tử)
- Thế giới vi mơ có qui luật khác vĩ mô
- Định luật Moore

Cấu trúc nguyên tử cho khái niệm về vật lý nano địi hỏi sử dụng cơng cụ cơ
lượng tử.

•

Năng lượng tồn phần cổ điển của electron chuyển động quanh hạt nhân =
động năng + thế năng. Đối với nguyên tử tương tự Hidro

=> Vấn đề đặt ra: Năng lượng E có xu hướng giảm về giá trị thấp nhất khi r =0,
nguyên tử mất dần năng lượng và như thế nhanh chóng bị phá hủy?

•
1

Giả định Borh

2

4.1.1 Số lượng tử mô men quỹ đạo
Giả định của Borh về lượng tử hóa moment quĩ đạo (bán cổ điển):

Tiên đề về các trạng thái dừng

•

Các số lượng tử mà Borh đưa ra là một bước tiến dài đầu tiên giải thích đúng
bản
chất của thế giới vi mơ.

Ngun tử chỉ tồn tại trong các trạng thái có năng lượng xác định,
gọi là trạng thái dừng. Khi ở trạng thái dừng ngun tử khơng bức xạ.

•

Trong các trạng thái dừng của nguyên tử , electron chỉ chuyển
động trên các quỹ đạo có bán kính hồn tồn
rn =xác
n2 rđịnh

đạo -11 m
o với :rQuỹ
o = 5,3.10
dừng.
M
N
O
P…
• Với ngun tử Hidro, bán kính các quỹ đạo 9r
dừng
tăng
thuận
với
16rtỉ0 lệ25r
0
0
Bán kính:
r 4r0
bình phương của0 các
số ngun36r
liên
tiếp:
…
0
 Năng lượng cũng bị lượng tử hóa
Tên quỹ đạo: K
L

(n là số tự nhiên 1, 2, 3,…)
Năng lượng cũng bị lượng tử hóa

Phổ hấp thụ và phát xạ
Giả thuyết Borh giải thích sự tạo thành quang phổ vạch, một số tính chất của
nguyên tử (đặc biệt nguyên tử Hidro) tuy nhiên quan niêm về quĩ đạo không
đúng.

3
4

21


Quang phổ vạch của Hydro
P
O
N
M

L

K

Laiman

Banme

Pasen

6
5

4.2. TÍNH CHẤT SĨNG-HẠT CỦA ÁNH SÁNG, VÀ
CỦA VẬT CHẤT

4.1.2. Mở rộng mơ hình ngun tử Bohr
Giả thuyết Borh cũng được dùng để giải thích mẫu nguyên tử dạng Hidro (chỉ chứa
một điện tử) như tính chất của các nguyên tử trong vật lý bán dẫn bằng việc bổ
sung thêm khái niệm khối lượng hiệu dụng để tính đến ảnh hưởng của tương tác
tinh thể (hằng số điện mơi).

• Tính chất sóng của ánh sáng thế hiện ở sự giao thoa của nguồn kết
hợp (giao thoa Young). Điều kiện giao thoa:
•

Giải thích phổ quang học của các chất bán dẫn
Giả thích sự phát quang của các hạt bán dẫn nano (quantumdot) ở đây các
electron và lỗ trống bị giới hạn trong thế năng 3 chiều có kích thướcL cỡ
nanomet

Tính chất hạt của ánh sáng: dựa trên hiện tượng quang
điện. p = h/ λ,E = hv
• Tính chất sóng của vật chất được Đơ-Brơi giả định: hạt có động năng
p, NL E tương đương sóng có (,)

• Đối với hạt chuyển động chậm

ta có

8
7

22


4.3. HÀM SĨNG CỦA HẠT ĐIỆN TỬ
•

4.4. HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL

Tính chất của các hạt có kích thước cỡ ngun tử được mơ tả bởi hàm sóng
(thơng thường là hàm phức). Mật độ xác suất tìm thấy hạt tại r, thời điểm t là:

•

Điều kiện chuẩn hóa
sau.

•

Hàm sóng của hệ nhiều hạt và mật độ xác suất cũng được định nghĩa tương tự

•

Hàm sóng của hạt chuyển động thẳng có năng lượng xác định =p2/2m

•

Vận tốc pha:

•

Mật độ xác suất có giá trị bằng 1 trên đoạn L

-

và các tính chất khác sẽ khảo sát

vị trí cùng pha

Định nghĩa trường điện từ
Từ trường biến đổi sinh ra điện trường (khép kín) và điện trường
biến đổi cũng sinh ra từ trường.
-Từ trường và điện trường đồng thời tồn tại, cũng như có mối
liên hệ với nhau.
=> tạo thành một trường thống nhất gọi là trường điện từ.
Định nghĩa: Trường điện từ là một dạng vật chất đặc trưng cho
tương tác giữa các hạt mang điện. Điện từ trường (hay trường
điện từ) là một trường thống nhất của cả điện trường và từ
trường. Sự thống nhất này không phải là sự cộng lại đơn giản vì
giữa điện trường và từ trường có mối tương quan.
Tại mỗi điểm trong khơng gian có điện từ trường, đồng thời xác
định 4 đại lượng
( E,D và H, B )

9

10

Hệ phương trình Maxwell (tổng hợp)
Các phương trình dạng tích phân

(1) Pt Maxwell‐Faraday: Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra
 xoáy


điện trường
d

dB
( C )Edl   dt S B.dS
rot E  
dt

(2) ĐL Ơ‐G: Điện thơng gửi qua mặt kín bất kỳ = tổng đại số
đ/tích trong
đó   q V 
D.dS
(
S)

.D  div D  

dV
(3) Pt Maxwell‐Ampere
: Điện trường biến thiên theo

thời
trườngian sinh ra từ



 

D
 
g
D
rot H  J 
H .dl 
J
dS

 

(C)

S

 

t  

t

(4) ĐL Ô‐G:=>Đường sức từ trường là đường khép kín (tính bảo
tồn của từ 
thơng
B.dS 
)
div B  0
(

S)
(5) Liên 0hệ giữa các đại lượng đặc trưng và tính chất
mơi trường
D   0 E

J  E

Một số trường hợp đặc biệt

Các phương trình dạng vi phân

B   0 H

Điện trường
tĩnh

 B  0, H  0

Từ trường không
đổi





rotE  0


div



 , và









 E
 0,Dj  0
rotH



div  0, và   



D điện từ trongDkhông gian tự do:B =
Sóng
0 và j rot
= 0E  



 t

 div D  0
 
D   0  E


B
0 E



D
 rotH 

 t
 divB
 0
 
B



B
0

H

 0H

23

Đề tài seminar

u cầu
• Chia nhóm (theo danh sách lớp, 5
bạn1 nhóm; riêng nhóm 9 gồm 4
bạn)
• Mỗi nhóm cần có:

Chương 9. Silicon Nanoelectronics and Beyond
1. Electron Interference Devices with Coherent Electrons

3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

2. Carbon Nanotube Sensors and Dense Nonvolatile Random
Access Memories
Resonant Tunneling Diodes, Tunneling Hot Electron Transistors
Double-well Potential Charge Qubits
Single Electron Transistors
Experimental Approaches to the Double-well Charge Qubit
Ion Trap on a GaAs Chip, Pointing to a New Qubit
Single Molecules as Active Elements in Electronic Circuits
Hybrid Nanoelectronics Combining Si CMOS and Molecular
Electronics:

CMOL

– Bản dịch word
– Báo cáo ppt (~15 phút)

4.5. NGUYÊN LÝ BẤT ĐỊNH HENDENBEC

4.4. HỆ PHƯƠNG TRÌNH MAXWELL
•

14

1
3

•

Vị trí x và động lượng p chỉ có thể xác định đồng thời với độ bất định thỏa mãn bất
đẳng thức:

Mật độ năng lượng của trường điện từ là:

w  wE w M 

1
1
 0E 2  H0 2 ED  BH 
2
2

• Mật độ năng lượng có thể xem như là hàm xác suất tìm thấy hạt photon.
• Chẳng hạn, sự truyền năng lượng trong sợi quang học, sóng E và B
phản xạ tồn phần ở vỏ sợi quang và có thể xem tồn bộ năng lượng
truyền theo sợi quang và có thể xem là sóng phẳng
Năng lượng của trường điện từ trong thể tích V

W 





V

wdV  1
 0E 2  H0
2 V



2

dV 

Hằng số Planck (hệ SI): h=6,626  10‐34 J.s.
Hằng số Planck rút
h/
gọn:
2
Ví dụ 1: Một hạt tự do có động lượng chính xác bằng p  k được

mơ tả bằng phương trình sóng
, thì x=
(x,t) = L exp(ikx-it)
và p  0.
-1/2

Ví dụ 2: Một hàm sóng mơ tả hạt định xứ có thể xây
dựng sự chồng chập của hai hàm sóng.
•

1
ED  BH dV
2 V

Giả sử các giá trị k và  rất gần
nhau

1
5

24


4.6. PHƯƠNG TRÌNH SCHRODINGER
Phương trình Schrodinger tổng qt



•

Đường bao có khoảng cách hai đỉnh gần nhau là

•

Do ta có

•

Sự lan truyền của nút đường bao

•

Vận tốc nhóm

•

Ví dụ: Đối với một hạt cổ

2
i  ( , t)     U  (r ,
 2m

r

t)
t pˆ . pU
ˆ (r, t)  2  U (r ,
Hˆ  
2m
2m


t)

hay tính tốn chi tiết hơn

NếuU khơng phụ thuộc thời
gian:

)
r
r
Phương trình Schrodinger độc lập thời gian (p.tr sóng dừng)



2





 U  (r ) E.(r )
 2m



1
7

4.6.2. Giếng lượng tử 1 chiều

PHƯƠNG TRÌNH SCHRODINGER

1.
Phương trình Schrodinger trong khơng gian 1 chiều
Phương trình phụ thuộc thời gian


 ( , t)  ( ) exp(

iEt

điển chuyển động có E.

6.

Tốn tử Hamilton

U = 0 , khi 0 < x < L



1
8

 2  2 ( x ) U ( x ) ( x )  E .

2 m x 2
(x)

I

II
L

U = ∞ khi x < 0, x > L và do đó ψ = 0 (vùng I, và III)

   (x,t) U (x, t) (x,t)  i (x, t) Hˆ


2m
x22
t
2

III

(vùng I)

Như vậy trong miền khi 0 < x < L, ph.tr Schrodinger

  (x) 2mE (x)  0
x2  2 
2

Hàm sóng (nghiệm): (x)=Asin(kx)+Bcos(kx)
(So sánh p.tr dao động điều hịa)

Phương trình sóng dừng (khơng phụ thuộc thời gian), nếu U không
phụ thuộc thời gian

   (x) U (x) (x)  E.

2m
x2 2 (x)
2

Do tính liên tục ψ = 0 khi x= 0 => hệ số B = 0
Do tính liên tục ψ = 0 khi x= L => (L)=0=Asin(kL)
=n

Tính chất và điều kiện của hàm sóng và phương trình Schrodinger:
+ Là hàm liên tục (thỏa mãn các điều kiện biên)
+ Đạo hàm bậc nhất cũng liên tục (trừ tại nơi có U vơ hạn)
+ Điều kiện chuẩn hóa

=> kL

Từ điều kiện chuẩn hóa:

1
9

NX: giống điều kiện sóng trên dây đàn

2
0

25