kiddung1985
New Member
Luận văn: Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP : Luận văn ThS. Vật lý: 64 44 09
Nhà xuất bản: ĐHKHTN
Ngày: 2014
Miêu tả: 66 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Vật lý nhiệt -- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoPtP 4 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính 4 1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán 6 1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp 7 1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính 8 1.2.1 Dị hướng hình dạng 8 1.2.2 Chu trình từ trễ 8 1.2.3 Ảnh hưởng của đường kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên lực kháng từ Hc của dây nano thông qua mô hình tính toán 9 1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính 11 1.3.1 Ghi từ vuông góc 11 1.3.2 Động cơ điện từ cỡ nhỏ 13 1.3.3 Chức năng hóa các phân tử sinh học 15 1.4 Giới thiệu về vật liệu CoPtP 17 1.4.1 Giới thiệu về vật liệu CoNiP 17 1.4.2 Giới thiệu về màng mỏng CoPtP 19 1.4.3 Giới thiệu về dây nano CoPtP 20 CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22 2.1 Phương pháp Vol-Ampe vòng (CV) 23 2.2 Các phương pháp chế tạo mẫu 25 2.2.1 Phương pháp cơ học 26 2.2.2 Phương pháp hóa ướt 26 2.2.3 Phương pháp bốc bay 27 2.2.4 Phương pháp hình thành từ pha khí 27 2.2.5 Phương pháp phún xạ 28 2.2.6 Phương pháp lắng đọng điện hóa 28
2.3 Một số phương pháp phân tích mẫu 32 2.3.1 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRAY) 35 2.3.3 Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) 37 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ 39 3.1 Ảnh hưởng của độ pH lên tính chất của dây nano CoPtP 39 3.1.1 Ảnh hưởng của độ pH lên thế lắng đọng điện hóa 39 3.1.2 Kết quả đo hình thái học 40 3.1.3 Ảnh hưởng của độ pH lên thành phần của mẫu (EDS) 42 3.1.4 Kết quả phân tích cấu trúc 43 3.1.5 Kết quả đo từ kế mẫu rung 44 3.1.6. Ảnh hưởng của độ pH lên lực kháng từ Hc 47 3.2 Ảnh hưởng của một số tham số lên tinh chất từ của dây nano CoPtP 48 3.2.1 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano từ tính 48 3.2.2 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính 53 3.2.3 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào khoảng cách giữa các dây 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hay một sản phẩm nào đó có liên quan đến hai chữ “nano”. Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự là một vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính ứng dụng, nhưng hiện nay, ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và có được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Trong tiếng Hy Lạp, “nano” nghĩa là “nhỏ xíu” và đường kính một sợi tóc người cũng lớn hơn 80 000 lần so với một nano. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1954, nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 bởi nhà vật lý Nhật Bản Norio Taniguchi, ông dùng thuật ngữ này để mô tả sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [13]. Tổ chức National Nanotechnological Initiactive (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ đã định nghĩa công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100 nm” [9]. Những tính chất của vật chất trong lĩnh vực này còn có thể được quan sát và khảo sát ở quy mô vĩ mô hay vi mô và được ứng dụng để phát triển các nguyên liệu, công cụ với những chức năng và chức năng mới. Vào nửa cuối của thập niên 1980 và những năm đầu của thập niên 1990 đã có rất nhiều các phát minh và sáng chế được tạo ra, có ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển sau này của công nghệ nano. Sau đó, các nghiên cứu, các bài báo được công bố và phát minh về công nghệ nano gia tăng nhanh chóng, các ứng dụng của nó cũng được mở rộng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp hóa học, nông nghiệp, điện tử và môi trường... Đó cũng là lí do mà công nghệ nano trở thành mối quan tâm và đối tượng đầu tư của nhiều tổ chức và các quốc gia trên thế giới. Cho đến nay, nhiều ứng dụng của công nghệ nano đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ, những ý tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp các công ty lớn, các viện nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, vật liệu nano đóng vai trò quan trọng bởi sự gia tăng không ngừng của các ứng dụng trong khoa học và công nghệ như: ghi từ vuông góc, cảm biến, MRAM, chip máy tính ... Trong các loại vật liệu nano thì vật liệu nano từ tính đang thu hút được rất nhiều chú ý của các nhà khoa học trên thế giới cũng như tại Việt nam. Các loại vật liệu nano từ có thể kể đến như: hạt nano, dây nano, màng nano... Đặc biệt, hạt nano và dây nano có nhiều ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học như: cảm biến sinh học, phân tách tế bào, nghiên cứu chức năng tế bào... [25]. Các nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, dây nano từ tính sở hữu các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau hoàn toàn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối, hạt hình phỏng cầu và màng mỏng. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp điện hóa trên các tấm xốp có các lỗ kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5-500 nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60 µm. Các tính chất từ quan trọng của dây nano từ tính như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư, định hướng trục dễ từ hóa … phụ thuộc rất mạnh vào các tham số công nghệ như đường kính, chiều dài và thành phần hóa học của dây [1]. Hiện nay, công nghệ nano là một trong những mối quan tâm hàng đầu của chính phủ các nước. Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu và chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano nhằm hướng tới các ứng dụng của nó. Một số trung tâm mạnh trong nước đang triển khai nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc nano như Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, Viện Khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội… Tại bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN, nhóm nghiên cứu chế tạo dây có kích thước nano cũng đã được hình thành và đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, trong đó nội dung chủ yếu là chế tạo các dây nano từ tính bằng phương pháp lắng đọng điện hoá. Phương pháp lắng đọng điện hoá có những ưu việt hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, nhiệt độ cao, hay chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ phát triển nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Để tìm hiểu về phương pháp lắng đọng điện hóa và một số tính chất của dây nano từ tính, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH và một số tham số hình dạng lên tính chất từ của dây, nhóm nghiên cứu đã tiến hành những thí nghiệm ban đầu về việc chế tạo dây CoPtP có kích thứớc nano và sự thay đổi tính chất của dây nano CoPtP khi thay đổi các tham số độ pH và đường kính của dây. Chính vì vậy nhiệm vụ của luận văn này là: “Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP”. Nội dung của luận văn này được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoPtP. Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoPtP 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính Dây nano là một vật liệu đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng không chỉ vì cấu trúc hình học đặc biệt của nó mà còn vì chúng sở hữu những tính chất vật lý quan trọng bao gồm: tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và tính chất cơ. Khoảng một thập kỉ trước, các nghiên cứu cho thấy dây nano sở hữu nhiều tính chất từ đặc biệt. Thậm chí, tính chất từ của dây nano còn phụ thuộc nhiều vào đường kính và tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây nano (tỷ số hình dạng), điều đó cho thấy tính chất từ của dây nano có thể được kiểm soát thông qua việc kiểm soát các tham số hình dạng. Điển hình đó là đối với dây nano từ tính (Fe, Co, và Ni), với tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây tương đối lớn và cân xứng (ví dụ: lớn hơn 5 lần) thì chúng cho thấy trục dễ khi đó là dọc theo chiều dài của dây. Dây nano từ tính hay còn được gọi là thanh nano từ tính có cấu trúc dị hướng gần như một chiều với tỷ số giữa đường kính và chiều dài rất cao [1]. Các dây nano cũng cho thấy các tính chất điện kì lạ nhờ vào sự thay đổi hình dạng. Khi vật liệu giảm kích thước xuống nano mét, tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt (Nmặt ngoài) và số nguyên tử tổng cộng (N) của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vâ ̣t liê ̣u khối. 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 [1]: NmặtngoàiN ≈ 3aR Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều nằm trên bề mặt hay bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ…. Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước [1]. Không giống như các ống nano cacbon, các điện tử có thể di chuyển tự do trong ống, độ dẫn của dây nano bị ảnh hưởng lớn của hiệu ứng biên. Trong đó, nguyên nhân của hiệu ứng biên là khi các nguyên tử nằm trên bề mặt dây nano không được hoàn toàn gắn liền với các nguyên tử bên cạnh như trường hợp của các nguyên tử nằm bên trong dây nano. Các nguyên tử không liên kết với nhau thường là nguồn gốc của các khuyết tật trong dây nano, và đó cũng có thể là nguyên nhân của việc các dây nano dẫn điện kém hơn so với vật liệu khác. Khi kích thước của dây nano giảm, các nguyên tử trên bề mặt sẽ nhiều hơn so với các nguyên tử bên trong dây nano, khi đó, hiệu ứng biên trở thành một tính chất quan trọng của dây nano [7]. Tính chất từ của dây nano được mô tả thông qua một số các tham số như từ dư, lực kháng từ... Trong đó, từ dư là tham số cho biết từ độ còn lại sau khi ngừng tác dụng từ trường ngoài vào dây nano. Tỷ số từ dư của dây nano Fe, Co và Ni có thể lớn hơn 0.9 theo chiều dọc của dây. Lực kháng từ là một tham số quan trọng của vật liệu từ tính. Các nghiên cứu cho thấy dây nano từ tính có lực kháng từ rất lớn. Ngoài ra, một đặc điểm khác của dây nano từ có thể được ứng dụng vào một số kỹ thuật và công nghệ là hiệu ứng từ điện trở lớn (GMR – Giant magnatoresistance) [6]. Tóm lại, chúng ta có thể thay đổi các tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư, định hướng trục dễ từ hoá bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần của các đoạn từ tính/không từ tính của dây nano [18]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp tổng hợp, chế tạo và điều khiển các dây nano từ để có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực. Sự kết hợp giữa sinh vật học và vật lý học đã tác động đến nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật ở quy mô micro và nano. Trong số những lĩnh vực đó thì từ y sinh là một lĩnh vực cực kì thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Đây là lĩnh vực phát triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã được phát triển, như phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào, cũng như một loạt các ứng dụng y học và trị liệu tiềm năng [19]. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp điện hoá trên các tấm xốp có các lỗ kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5 đến 500 nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60 µm. Ngoài ra, chúng hầu hết có dạng hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hoá các phối tử độc hại về sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng của các hạt từ tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và công nghệ sinh học, các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện nhiều chức năng. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và các linh kiện, chúng ta cần tuân thủ một số điều kiện như: phải điều khiển môi trường hoá học hay giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến [1, 4]. 1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều được sử dụng ở dạng cả mảng dây hay phân tán thành các dây rời rạc. Hình 1.1(a) chỉ ra một ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70 nm. Trên hình 1.1(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm. Cần lưu ý rằng dây nano CuS được tạo thành mảng một cách ngẫu nhiên. Trong các ứng dụng y sinh, các dây nano thường bị treo lơ lửng trong các dung dịch [16]. 2.2.1 Phƣơng pháp cơ học Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Nguyên lý của phương pháp này là dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hay nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, rẻ tiền, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn. Nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano. Ngoài ra,trong quá trình nghiền, các hạt nano dễ bị nhiễm bẩn từ các công cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ, vì vậy, phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như kim loại. 2.2.2 Phƣơng pháp hóa ƣớt Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa, phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo tỷ lệ thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể được chế tạo rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Ngoài ra, đây cũng là một phương pháp chế tạo vật liệu nano rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhược điểm của phương pháp này là các hợp chất có liên kết với các phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp sol – gel thì không mang lại hiệu suất cao. 2.2.3 Phƣơng pháp bốc bay Bao gồm các phương pháp quang khắc, bốc bay trong chân không vật lý, hóa học. Phổ biến nhất là phương pháp bốc bay nhiệt. Nguyên lý của phương pháp bốc bay nhiệt là dùng một thuyền điện trở thường được làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tương tác với vật liệu như vonfram, lantan, bạch kim ... đốt nóng chảy vật liệu nguồn, và tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi. Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng trên các đế được gắn vào giá phía trên. Ưu điểm của các phương pháp này là đơn giản, áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hay lớp bao phủ bề mặt vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn bộ hợp chất hay hợp kim sẽ bị bay hơi, do đó màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần vật liệu nguồn, tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Nhược điểm của phương pháp này là không mang lại hiệu quả để có thể chế tạo ở quy mô thương mại. Ngoài ra, khi chế tạo màng bằng phương pháp bốc bay nhiệt thì không tạo được các màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều dài kém do tốc độ bay hơi khó điều khiển, và không chế tạo được màng đa lớp. 2.2.4 Phƣơng pháp hình thành từ pha khí Bao gồm các phương pháp nhiệt phân, nổ điện, đốt laser, bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Ưu điểm của phương pháp này nó có thể áp dụng để chế tạo ở quy mô thương mại, đặc biệt là để chế tạo lồng carbon hay ống carbon. Ngoài ra, trong từng phương pháp riêng lẻ cũng có những ưu điểm và nhược điểm, cụ thể như sau: Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để chế tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể lên đến 90000C. 2.2.5 Phƣơng pháp phún xạ Phún xạ thuộc phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý, bởi vì các nguyên tử, cụm nguyên tử hay phân tử được tạo ra bằng cách bắn phá ion. Trong phún xạ điốt (phún xạ hai điện cực), nhờ sự phóng điện từ trạng thái plasma, các ion năng lượng cao (thí dụ như khí Ar+) bắn phá lên bia (vật liệu cần phún xạ). Trong trường hợp này, bia là catôt, dưới tác dụng bắn phá của iôn, các nguyên tử bị bật ra khỏi bia, lắng đọng lên bề mặt đế và hình thành lớp màng mỏng (đế đồng thời cũng là anôt). Khi cần tẩy sạch bề mặt thì mẫu được gắn lên catôt đóng vai trò bia, chùm ion năng lượng cao bắn phá lên bề mặt mẫu làm cho các nguyên tử của tạp chất và một số nguyên tử ngoài cùng của mẫu bị tẩy, quá trình này gọi là ăn mòn phún xạ. Một số phương pháp phún xạ điển hình như: phún xạ cao áp một chiều, phún xạ cao tần, magnetron... Ưu điểm của phương pháp này là tất cả các loại vật liệu đều có thể phún xạ, nghĩa là từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất. Bia phún xạ thường dùng được lâu vì lớp phún xạ rất mỏng. Trong magnetron có thể chế tạo màng mỏng từ bia có cấu hình đa dạng, phụ thuộc vào cách lắp đặt nam châm, bia có thể thiết kế theo hình dạng của bề mặt đế. Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa. Độ bám dính của màng với đế rất tốt. Nhược điểm của phương pháp phún xạ là tốc độ phún xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chân không, bia thường khó chế tạo và đắt tiền, hiệu suất sử dụng bia thấp và màng có thể lẫn tạp chất từ thành chuông. 2.2.6 Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa Trong các phương pháp chế tạo trên, phương pháp lắng đọng điện hóa có những ưu điểm hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, không đòi hỏi nhiệt độ cao, hay chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ lắng đọng nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Chính vì vậy, luận
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Nhà xuất bản: ĐHKHTN
Ngày: 2014
Miêu tả: 66 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Vật lý nhiệt -- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014
MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoPtP 4 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính 4 1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán 6 1.1.2 Các dây nano một đoạn, nhiều đoạn và nhiều lớp 7 1.2 Tính chất từ của dây nano từ tính 8 1.2.1 Dị hướng hình dạng 8 1.2.2 Chu trình từ trễ 8 1.2.3 Ảnh hưởng của đường kính, chiều dài và tỷ số hình dạng lên lực kháng từ Hc của dây nano thông qua mô hình tính toán 9 1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính 11 1.3.1 Ghi từ vuông góc 11 1.3.2 Động cơ điện từ cỡ nhỏ 13 1.3.3 Chức năng hóa các phân tử sinh học 15 1.4 Giới thiệu về vật liệu CoPtP 17 1.4.1 Giới thiệu về vật liệu CoNiP 17 1.4.2 Giới thiệu về màng mỏng CoPtP 19 1.4.3 Giới thiệu về dây nano CoPtP 20 CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22 2.1 Phương pháp Vol-Ampe vòng (CV) 23 2.2 Các phương pháp chế tạo mẫu 25 2.2.1 Phương pháp cơ học 26 2.2.2 Phương pháp hóa ướt 26 2.2.3 Phương pháp bốc bay 27 2.2.4 Phương pháp hình thành từ pha khí 27 2.2.5 Phương pháp phún xạ 28 2.2.6 Phương pháp lắng đọng điện hóa 28
2.3 Một số phương pháp phân tích mẫu 32 2.3.1 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRAY) 35 2.3.3 Thiết bị từ kế mẫu rung (VSM) 37 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ 39 3.1 Ảnh hưởng của độ pH lên tính chất của dây nano CoPtP 39 3.1.1 Ảnh hưởng của độ pH lên thế lắng đọng điện hóa 39 3.1.2 Kết quả đo hình thái học 40 3.1.3 Ảnh hưởng của độ pH lên thành phần của mẫu (EDS) 42 3.1.4 Kết quả phân tích cấu trúc 43 3.1.5 Kết quả đo từ kế mẫu rung 44 3.1.6. Ảnh hưởng của độ pH lên lực kháng từ Hc 47 3.2 Ảnh hưởng của một số tham số lên tinh chất từ của dây nano CoPtP 48 3.2.1 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào đường kính dây nano từ tính 48 3.2.2 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào chiều dài dây nano từ tính 53 3.2.3 Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào khoảng cách giữa các dây 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hay một sản phẩm nào đó có liên quan đến hai chữ “nano”. Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự là một vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính ứng dụng, nhưng hiện nay, ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và có được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Trong tiếng Hy Lạp, “nano” nghĩa là “nhỏ xíu” và đường kính một sợi tóc người cũng lớn hơn 80 000 lần so với một nano. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1954, nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 bởi nhà vật lý Nhật Bản Norio Taniguchi, ông dùng thuật ngữ này để mô tả sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai [13]. Tổ chức National Nanotechnological Initiactive (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ đã định nghĩa công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100 nm” [9]. Những tính chất của vật chất trong lĩnh vực này còn có thể được quan sát và khảo sát ở quy mô vĩ mô hay vi mô và được ứng dụng để phát triển các nguyên liệu, công cụ với những chức năng và chức năng mới. Vào nửa cuối của thập niên 1980 và những năm đầu của thập niên 1990 đã có rất nhiều các phát minh và sáng chế được tạo ra, có ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển sau này của công nghệ nano. Sau đó, các nghiên cứu, các bài báo được công bố và phát minh về công nghệ nano gia tăng nhanh chóng, các ứng dụng của nó cũng được mở rộng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp hóa học, nông nghiệp, điện tử và môi trường... Đó cũng là lí do mà công nghệ nano trở thành mối quan tâm và đối tượng đầu tư của nhiều tổ chức và các quốc gia trên thế giới. Cho đến nay, nhiều ứng dụng của công nghệ nano đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ, những ý tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp các công ty lớn, các viện nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, vật liệu nano đóng vai trò quan trọng bởi sự gia tăng không ngừng của các ứng dụng trong khoa học và công nghệ như: ghi từ vuông góc, cảm biến, MRAM, chip máy tính ... Trong các loại vật liệu nano thì vật liệu nano từ tính đang thu hút được rất nhiều chú ý của các nhà khoa học trên thế giới cũng như tại Việt nam. Các loại vật liệu nano từ có thể kể đến như: hạt nano, dây nano, màng nano... Đặc biệt, hạt nano và dây nano có nhiều ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học như: cảm biến sinh học, phân tách tế bào, nghiên cứu chức năng tế bào... [25]. Các nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, dây nano từ tính sở hữu các tính chất đặc biệt, đó là sự khác nhau hoàn toàn giữa các vật liệu sắt từ dạng khối, hạt hình phỏng cầu và màng mỏng. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp điện hóa trên các tấm xốp có các lỗ kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5-500 nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60 µm. Các tính chất từ quan trọng của dây nano từ tính như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư, định hướng trục dễ từ hóa … phụ thuộc rất mạnh vào các tham số công nghệ như đường kính, chiều dài và thành phần hóa học của dây [1]. Hiện nay, công nghệ nano là một trong những mối quan tâm hàng đầu của chính phủ các nước. Việt Nam cũng đã và đang nghiên cứu và chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano nhằm hướng tới các ứng dụng của nó. Một số trung tâm mạnh trong nước đang triển khai nghiên cứu về vật liệu có cấu trúc nano như Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, Viện Khoa học vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội… Tại bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN, nhóm nghiên cứu chế tạo dây có kích thước nano cũng đã được hình thành và đang tiến hành các chương trình nghiên cứu, trong đó nội dung chủ yếu là chế tạo các dây nano từ tính bằng phương pháp lắng đọng điện hoá. Phương pháp lắng đọng điện hoá có những ưu việt hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, nhiệt độ cao, hay chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ phát triển nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Để tìm hiểu về phương pháp lắng đọng điện hóa và một số tính chất của dây nano từ tính, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH và một số tham số hình dạng lên tính chất từ của dây, nhóm nghiên cứu đã tiến hành những thí nghiệm ban đầu về việc chế tạo dây CoPtP có kích thứớc nano và sự thay đổi tính chất của dây nano CoPtP khi thay đổi các tham số độ pH và đường kính của dây. Chính vì vậy nhiệm vụ của luận văn này là: “Nghiên cứu chế tạo dây nano CoPtP”. Nội dung của luận văn này được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về dây nano từ tính và vật liệu CoPtP. Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm. Chương 3: Kết quả và thảo luận. CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ DÂY NANO TỪ TÍNH VÀ VẬT LIỆU CoPtP 1.1 Giới thiệu về dây nano từ tính Dây nano là một vật liệu đầy hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng không chỉ vì cấu trúc hình học đặc biệt của nó mà còn vì chúng sở hữu những tính chất vật lý quan trọng bao gồm: tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và tính chất cơ. Khoảng một thập kỉ trước, các nghiên cứu cho thấy dây nano sở hữu nhiều tính chất từ đặc biệt. Thậm chí, tính chất từ của dây nano còn phụ thuộc nhiều vào đường kính và tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây nano (tỷ số hình dạng), điều đó cho thấy tính chất từ của dây nano có thể được kiểm soát thông qua việc kiểm soát các tham số hình dạng. Điển hình đó là đối với dây nano từ tính (Fe, Co, và Ni), với tỷ số giữa chiều dài và đường kính dây tương đối lớn và cân xứng (ví dụ: lớn hơn 5 lần) thì chúng cho thấy trục dễ khi đó là dọc theo chiều dài của dây. Dây nano từ tính hay còn được gọi là thanh nano từ tính có cấu trúc dị hướng gần như một chiều với tỷ số giữa đường kính và chiều dài rất cao [1]. Các dây nano cũng cho thấy các tính chất điện kì lạ nhờ vào sự thay đổi hình dạng. Khi vật liệu giảm kích thước xuống nano mét, tỉ số giữa số nguyên tử nằm ở bề mặt (Nmặt ngoài) và số nguyên tử tổng cộng (N) của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vâ ̣t liê ̣u khối. 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 [1]: NmặtngoàiN ≈ 3aR Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều nằm trên bề mặt hay bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở các vật liệu có kích thước nano mét, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính nổi trội, đặc biệt là các tính chất điện, quang, từ…. Kích thước hạt nhỏ bé còn là nguyên nhân làm xuất hiện ở vật liệu nano ba hiệu ứng: hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước [1]. Không giống như các ống nano cacbon, các điện tử có thể di chuyển tự do trong ống, độ dẫn của dây nano bị ảnh hưởng lớn của hiệu ứng biên. Trong đó, nguyên nhân của hiệu ứng biên là khi các nguyên tử nằm trên bề mặt dây nano không được hoàn toàn gắn liền với các nguyên tử bên cạnh như trường hợp của các nguyên tử nằm bên trong dây nano. Các nguyên tử không liên kết với nhau thường là nguồn gốc của các khuyết tật trong dây nano, và đó cũng có thể là nguyên nhân của việc các dây nano dẫn điện kém hơn so với vật liệu khác. Khi kích thước của dây nano giảm, các nguyên tử trên bề mặt sẽ nhiều hơn so với các nguyên tử bên trong dây nano, khi đó, hiệu ứng biên trở thành một tính chất quan trọng của dây nano [7]. Tính chất từ của dây nano được mô tả thông qua một số các tham số như từ dư, lực kháng từ... Trong đó, từ dư là tham số cho biết từ độ còn lại sau khi ngừng tác dụng từ trường ngoài vào dây nano. Tỷ số từ dư của dây nano Fe, Co và Ni có thể lớn hơn 0.9 theo chiều dọc của dây. Lực kháng từ là một tham số quan trọng của vật liệu từ tính. Các nghiên cứu cho thấy dây nano từ tính có lực kháng từ rất lớn. Ngoài ra, một đặc điểm khác của dây nano từ có thể được ứng dụng vào một số kỹ thuật và công nghệ là hiệu ứng từ điện trở lớn (GMR – Giant magnatoresistance) [6]. Tóm lại, chúng ta có thể thay đổi các tính chất từ quan trọng như nhiệt độ Curie, lực kháng từ, trường bão hòa, từ dư, định hướng trục dễ từ hoá bằng cách thay đổi đường kính, độ dày và thành phần của các đoạn từ tính/không từ tính của dây nano [18]. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để phát triển các phương pháp tổng hợp, chế tạo và điều khiển các dây nano từ để có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực. Sự kết hợp giữa sinh vật học và vật lý học đã tác động đến nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật ở quy mô micro và nano. Trong số những lĩnh vực đó thì từ y sinh là một lĩnh vực cực kì thú vị và đầy hứa hẹn. Ví dụ, các hạt nano từ đã được dùng để chọn lọc đầu dò và thao tác các hệ thống sinh học. Đây là lĩnh vực phát triển nhanh chóng, đã có một loạt ứng dụng đã được phát triển, như phân tách tế bào, cảm biến sinh học, nghiên cứu chức năng tế bào, cũng như một loạt các ứng dụng y học và trị liệu tiềm năng [19]. Hầu hết các dây nano từ tính được sử dụng trong y sinh là các thanh kim loại hình trụ được chế tạo bằng phương pháp điện hoá trên các tấm xốp có các lỗ kích thước nano. Bán kính của chúng có thể kiểm soát trong phạm vi từ 5 đến 500 nm, chiều dài của chúng có thể được kiểm soát lên tới 60 µm. Ngoài ra, chúng hầu hết có dạng hình cầu, thường bao gồm lõi từ và vỏ, nó cho phép chức năng hoá các phối tử độc hại về sinh học để thực hiện các mục đích y sinh mong muốn. Các ứng dụng của các hạt từ tính đang trở nên phổ biến hơn trong các nghiên cứu y học và công nghệ sinh học, các nghiên cứu này sẽ thuận lợi nếu các hạt từ tính có thể thực hiện nhiều chức năng. Để sử dụng các hạt nano từ tính trong các thiết bị và các linh kiện, chúng ta cần tuân thủ một số điều kiện như: phải điều khiển môi trường hoá học hay giữ ổn định nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp riêng biệt, các dây nano từ có tính trật tự cao đã được tính đến [1, 4]. 1.1.1 Các dây nano tạo mảng và phân tán Trong hầu hết các ứng dụng của dây nano, chúng đều được sử dụng ở dạng cả mảng dây hay phân tán thành các dây rời rạc. Hình 1.1(a) chỉ ra một ví dụ về dây nano Co phân tán rời rạc có đường kính 70 nm. Trên hình 1.1(b) biểu diễn mảng dây nano CuS có đường kính khoảng 50 nm. Cần lưu ý rằng dây nano CuS được tạo thành mảng một cách ngẫu nhiên. Trong các ứng dụng y sinh, các dây nano thường bị treo lơ lửng trong các dung dịch [16]. 2.2.1 Phƣơng pháp cơ học Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Nguyên lý của phương pháp này là dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thước nano. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hay nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano). Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, rẻ tiền, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn. Nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thước hạt không đồng nhất vì khó có thể khống chế quá trình hình thành hạt nano. Ngoài ra,trong quá trình nghiền, các hạt nano dễ bị nhiễm bẩn từ các công cụ chế tạo và thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ, vì vậy, phương pháp này thường được dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như kim loại. 2.2.2 Phƣơng pháp hóa ƣớt Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa, phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, kết tủa. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với nhau theo tỷ lệ thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano được kết tủa từ dung dịch. Sau quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật liệu nano. Ưu điểm của phương pháp hóa ướt là các vật liệu có thể được chế tạo rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Ngoài ra, đây cũng là một phương pháp chế tạo vật liệu nano rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu. Nhược điểm của phương pháp này là các hợp chất có liên kết với các phân tử nước có thể là một khó khăn, phương pháp sol – gel thì không mang lại hiệu suất cao. 2.2.3 Phƣơng pháp bốc bay Bao gồm các phương pháp quang khắc, bốc bay trong chân không vật lý, hóa học. Phổ biến nhất là phương pháp bốc bay nhiệt. Nguyên lý của phương pháp bốc bay nhiệt là dùng một thuyền điện trở thường được làm bằng các vật liệu chịu nhiệt và ít tương tác với vật liệu như vonfram, lantan, bạch kim ... đốt nóng chảy vật liệu nguồn, và tiếp tục đốt sao cho vật liệu bay hơi. Vật liệu bay hơi sẽ ngưng đọng trên các đế được gắn vào giá phía trên. Ưu điểm của các phương pháp này là đơn giản, áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hay lớp bao phủ bề mặt vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn bộ hợp chất hay hợp kim sẽ bị bay hơi, do đó màng tạo ra có hợp thức khá gần với thành phần vật liệu nguồn, tuy vậy người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách cạo vật liệu từ đế. Nhược điểm của phương pháp này là không mang lại hiệu quả để có thể chế tạo ở quy mô thương mại. Ngoài ra, khi chế tạo màng bằng phương pháp bốc bay nhiệt thì không tạo được các màng quá mỏng, khả năng khống chế chiều dài kém do tốc độ bay hơi khó điều khiển, và không chế tạo được màng đa lớp. 2.2.4 Phƣơng pháp hình thành từ pha khí Bao gồm các phương pháp nhiệt phân, nổ điện, đốt laser, bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Ưu điểm của phương pháp này nó có thể áp dụng để chế tạo ở quy mô thương mại, đặc biệt là để chế tạo lồng carbon hay ống carbon. Ngoài ra, trong từng phương pháp riêng lẻ cũng có những ưu điểm và nhược điểm, cụ thể như sau: Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu, được dùng để chế tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp đốt laser thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể lên đến 90000C. 2.2.5 Phƣơng pháp phún xạ Phún xạ thuộc phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý, bởi vì các nguyên tử, cụm nguyên tử hay phân tử được tạo ra bằng cách bắn phá ion. Trong phún xạ điốt (phún xạ hai điện cực), nhờ sự phóng điện từ trạng thái plasma, các ion năng lượng cao (thí dụ như khí Ar+) bắn phá lên bia (vật liệu cần phún xạ). Trong trường hợp này, bia là catôt, dưới tác dụng bắn phá của iôn, các nguyên tử bị bật ra khỏi bia, lắng đọng lên bề mặt đế và hình thành lớp màng mỏng (đế đồng thời cũng là anôt). Khi cần tẩy sạch bề mặt thì mẫu được gắn lên catôt đóng vai trò bia, chùm ion năng lượng cao bắn phá lên bề mặt mẫu làm cho các nguyên tử của tạp chất và một số nguyên tử ngoài cùng của mẫu bị tẩy, quá trình này gọi là ăn mòn phún xạ. Một số phương pháp phún xạ điển hình như: phún xạ cao áp một chiều, phún xạ cao tần, magnetron... Ưu điểm của phương pháp này là tất cả các loại vật liệu đều có thể phún xạ, nghĩa là từ nguyên tố, hợp kim hay hợp chất. Bia phún xạ thường dùng được lâu vì lớp phún xạ rất mỏng. Trong magnetron có thể chế tạo màng mỏng từ bia có cấu hình đa dạng, phụ thuộc vào cách lắp đặt nam châm, bia có thể thiết kế theo hình dạng của bề mặt đế. Quy trình phún xạ ổn định, dễ lặp lại và dễ tự động hóa. Độ bám dính của màng với đế rất tốt. Nhược điểm của phương pháp phún xạ là tốc độ phún xạ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bốc bay chân không, bia thường khó chế tạo và đắt tiền, hiệu suất sử dụng bia thấp và màng có thể lẫn tạp chất từ thành chuông. 2.2.6 Phƣơng pháp lắng đọng điện hóa Trong các phương pháp chế tạo trên, phương pháp lắng đọng điện hóa có những ưu điểm hơn các phương pháp khác ở chỗ không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, không đòi hỏi nhiệt độ cao, hay chân không cao. Chế tạo các dây nano có tốc độ lắng đọng nhanh, phương pháp này cũng không tốn thời gian. Chính vì vậy, luận
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
Last edited by a moderator: