Luận văn Nghiên cứu chế tạo dây nano coptp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHưƠNG 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

CHưƠNG 2 - CÁC PHưƠNG 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

pdf66 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Lượt xem: 441 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu chế tạo dây nano coptp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Nếu thừa nhận từ trường chuyển trạng thái Hs bằng Hc, ta có: Hc = H0 - Hint (6) Hint tương ứng với trường khử từ của cả mảng dây, được tính bằng công thức: Hint = 2K(L) μ0M0 2 ε Ẽint (D) K(L) 1 2 (7) Ở phương trình trên, ta thừa nhận rằng trường đảo từ của một dây nano làm giảm năng lượng tĩnh từ Eint mà có độ lớn bằng rào cản năng lượng dị hướng ΔE. Bên cạnh đó, ε là một tham số có thể thay đổi được phụ thuộc vào sự phân bố các dây từ tính trong không gian và sự liên hệ theo trục dài giữa các dây và E int(D) là mật độ năng lượng tương tác tĩnh từ giữa hai dây có khoảng cách D, được tính bởi công thức sau [3] : Ẽ𝑖𝑛𝑡 𝐷 = 𝐸𝑖𝑛𝑡 𝑉 = 𝜇0𝑀0 2𝑅2 2𝐿𝐷 1− 1 1+ 𝐿2 𝐷2 (8) 1.3 Một số ứng dụng của dây nano từ tính Cho đến nay, các 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. Đối với dây nano từ tính, do có các tính chất đặc biệt nên thu hút được nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh, cảm biến, ghi từ... 1.3.1 Ghi từ vuông góc Trong những năm gần đây, để tăng mật độ lưu trữ thông tin, giảm kích thước của thiết bị lưu trữ người ta sử dụng phương pháp ghi từ vuông góc, điều này có thể làm tăng mật độ tích luỹ từ 1 Tbit/in2 trên mỗi mức [14, 20]. Để thực hiện ghi 12 từ vuông góc, chúng ta cần thiết phải có các màng mỏng chứa các hạt từ cứng đơn đômen, hoặc các hạt nano có tính dị hướng ở mật độ cao. Nói cách khác là mômen từ của các phần tử ghi riêng lẻ phải được sắp xếp thẳng hàng theo hướng vuông góc với mặt phẳng, sự dị hướng này có thể có được từ dị hướng từ tinh thể và dị hướng từ hình dạng. Như mô tả ở hình 1.4(a), đối với cách ghi từ song song và 1.4(b) là ghi từ vuông góc. Hình 1.4. (a) Ghi từ song song; (b) Ghi từ vuông góc. Về cơ bản, nguyên lý của ghi từ song song và ghi từ vuông góc là giống nhau. Khi đầu ghi đi qua bề mặt vật liệu ghi từ thì các hạt từ tính trên bề mặt vật liệu sẽ bị từ hóa. Đối với ghi từ vuông góc, mômen của các hạt từ tính này được xếp theo chiều lên, xuống (sắp xếp theo chiều dọc) thay vì sắp xếp theo chiều ngang đối với ghi từ song song. Vì vậy, mật độ lưu trữ thông tin trong ghi từ song song bị hạn chế đáng kể, khoảng 300 GB/in2 [20]. Trong khi, nhờ sự định hướng theo chiều dọc của các mômen mà các thiết bị ghi từ vuông góc có xu hướng mỏng hơn so với các thiết bị ghi từ song song [20]. Ngoài ra, để tăng hiệu quả của việc ghi từ trong các thiết bị ghi từ vuông góc, người ta làm tăng lực kháng từ và kiểm soát tín hiệu nhiễu của thiết bị nhờ một lớp 13 từ mềm nằm bên dưới lớp ghi từ (hình 1.5) [7]. Hình 1.5. Cấu tạo thiết bị ghi từ vuông góc 1.3.2 Động cơ điện từ cỡ nhỏ Chuyển động thẳng và chuyển động quay là hai loại chuyển động phổ biến trong hầu hết các thiết bị động cơ. Vì vậy, việc kiểm soát các dây nano từ tính để ứng dụng trong các chuyển động này đóng vai trò chủ đạo trong việc phát triển các máy móc sử dụng các thiết bị ở cấp độ nano. Sự chuyển động thẳng của các dây nano từ thường có được nhờ các gradient từ, trong khi việc kiểm soát các dây nano từ trong chuyển động quay thì phức tạp hơn nhiều [24]. Barbic đã tạo ra chuyển động quay của các roto từ không có chốt quay trong các chất lưu. Các roto từ này là các dây nano từ đơn đômen với chiều dài dây nhỏ hơn 100 µm và chuyển động quay của dây nano từ được kiểm soát bởi một stato bên ngoài chất lưu [24]. 14 Hình 1.6. Động cơ điện từ cỡ nhỏ Hình 1.6 mô tả cấu tạo của loại động cơ này. Stato của động cơ được tích hợp bởi những cuộn dây và các đầu nhọn cỡ micro. Mỗi cuộn dây này được làm từ vật liệu từ mềm và có xấp xỉ 10 vòng dây với đường kính mỗi dây là 25 µm cuốn quanh một vật liệu từ mềm có đường kính 50 µm. Một bộ gồm ba cuộn dây cỡ micro và ba đầu nhọn cỡ micro được sắp xếp vào một tam giác đều sao cho khoảng cách giữa các đầu nhọn là 100 µm. Các đầu nhọn của stato liên kết với ba bộ khuếch đại dòng độc lập với nhau bởi các kênh D/A, chú ý là các kênh D/A này cũng độc lập với nhau. Việc kiểm soát các kênh này được thiết lập sao cho ba cuộn dây trong stato được điều khiển bởi ba dòng điện hình sin với độ lệch pha giữa mỗi dòng điện là 1200. Kết quả là, stato có thể gây ra các lực hút và lực đẩy hình sin lên roto từ, bằng cách này mà các roto từ sẽ quay dưới tác động của stato [24]. Chuyển động quay này được quan sát bởi một kính hiển vi quang học và được ghi lại bởi một hệ thống máy ảnh CCD. Chính vì vậy, công nghệ này có thể sử dụng cho van và bơm cỡ nhỏ (micro) [24]. Hình 1.7. (a) Bơm cỡ micro, (b) Van cỡ micro 15 1.3.3 Chức năng hóa các phân tử sinh học Chức năng hóa các phân tử sinh học là một trong những ứng dụng y sinh sử dụng các dây nano đa đoạn, trong đó, đối tượng được sử dụng nhiều nhất là các protein [6,7]. Tuy nhiên, việc liên kết các protein với từng đoạn của dây nano mặc dù đã đạt được một số thành công nhất định, nhưng lại gặp phải một thách thức không nhỏ đó là các protein có xu hướng bị trói chặt trên hầu hết bề mặt dây nano [26]. Nhà khoa học Wildt đã phát triển một vài phương pháp trong việc chức năng hóa có chọn lọc của các protein sử dụng các dây nano, mặc dù bị ảnh hưởng không nhỏ của sự hình thành các liên kết cộng hóa trị [26]. Hình 1.8 mô tả phương pháp của việc chức năng hóa có chọn lọc các protein của dây nano đa đoạn. 16 Hình 1.8. Chức năng hóa các protein có chọn lọc của các dây nano đa đoạn. Sự móc nối của các nhóm amin gốc với hyđrosunphua (thiol) được sử dụng như một cách để liên kết các protein với các đoạn Au, và các đoạn Ni được chức năng hóa với PEG thì được sử dụng như các đoạn đề kháng protein. Để hình dung việc liên kết có chọn lọc của các protein móc nối với các thiol trên dây nano, kháng thể IgG huỳnh quang được sử dụng để liên kết có chọn lọc với kháng thể KE2, trong đó kháng thể KE2 được liên kết vơi đoạn Au cuối cùng [26]. Hình 1.9. (a) Hình ảnh kính hiển vi quang học, (b) Ảnh huỳnh quang của dây nano đa đạn Au/Ni/Au với một kháng thể KE2 được liên kết với đoạn Au cuối cùng. Hình 1.9 (a) và 1.9 (b) cho thấy hình ảnh huỳnh quang và hình ảnh thu được nhờ sử dụng kính hiển vi quang học của các dây nano đa đoạn Au/Ni/Au được chức 17 năng hóa bởi phương pháp này. Hình ảnh huỳnh quang cho thấy dây nano có hai màu sáng ở hai đầu, và độ sáng là tương ứng với sự tập trung của các protein ở bề mặt của dây nano. Điều này cho thấy sự xuất hiện của các protein ở cuối dây nano nhiều hơn so với đoạn giữa của dây và sự đề kháng protein tốt của PEG được chức năng hóa với các đoạn Ni [26]. 1.4 Giới thiệu về vật liệu CoPtP Ngày nay, lắng đọng điện hoá các màng mỏng hợp kim của Co đang được quan tâm đặc biệt vì các màng mỏng này hứa hẹn nhiều ứng dụng hữu ích. Đặc biệt là ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), các cảm biến, y sinh... Hầu hết các màng mỏng này được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hoá các hợp chất một hay nhiều thành phần với Co như CoNiP, CoNiB, CoNiP, CoNiZnP, CoNiReP, CoNiFe, CoNiMo, CoMo, CoB, CoFeB, và CoFeCr[17]. 1.4.1 Giới thiệu về vật liệu CoNiP 18 Vật liệu CoNiP được xếp vào loại vật liệu từ cứng, màng mỏng CoNiP được ứng dụng nhiều trong hệ vi cơ điện tử (MEMS), các cảm biến và trong lưu trữ thông tin. Màng mỏng CoNiP có tính dị hướng vuông góc cao, lực kháng từ lớn cỡ 3000 Oe. Đối với màng mỏng, sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày màng mỏng là rất mạnh [1]. Theo các nghiên cứu đã được công bố, trường kháng từ vuông góc của màng tăng khi độ dày của màng là 30 nm, nhưng lực kháng từ của các màng dày hơn 30 nm là ổn định. Ngược lại, lực kháng từ song song của màng thấp hơn so với trường kháng từ vuông góc trương ứng với từng độ dày, cụ thể ở độ dày 30 nm, trường kháng từ song song là 700 Oe, trong khi trường kháng từ vuông góc là 3000 Oe [1]. Hình1.10. Sự phụ thuộc của trường kháng từ vào độ dày của màng CoNiP: vuông góc (đường hình tròn) và song song (đường hình vuông). Tuy nhiên, liệu còn vật liệu nào có lực kháng từ lớn hơn lực kháng từ của vật liệu CoNiP? Trong khi đó, vật liệu CoPtP đã được một số các nhóm nghiên cứu và ứng dụng vào các thiết bị ghi từ siêu cao và trong các hệ vi cơ điện tử (MEMS) [23] bởi tính chất lực kháng từ và từ độ rất cao của nó. Đó cũng là lí do tại sao luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo vật liệu CoPtP để tìm hiểu tính chất từ cứng của vật liệu này và nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH và đường kính dây lên tính chất từ của dây nano CoPtP. 19 1.4.2 Giới thiệu về màng mỏng CoPtP Trên thế giới, quá trình lắng đọng điện hoá của hợp chất CoPtP trong dung dịch có tính axit đã được nghiên cứu. Thành phần, cấu trúc, và các tính chất từ của màng mỏng phụ thuộc nhiều vào các tham số như nhiệt độ, độ pH và thành phần của dung dịch. Các kết quả cho thấy, hợp chất CoPtP có tính từ cứng rất rõ nét [21]. Đối với màng mỏng CoPtP đã được nhóm tác giả Ho Dong Park, Kwan Hyi Lee, Gyeng Ho Kim, Won Young Jeung và nhóm tác giả M. Cortes, S. Matencio, E. Gomez, E. Valles nghiên cứu. Kết quả cho thấy màng mỏng CoPtP có tính dị hướng từ vuông góc lớn (PMA) và lực kháng từ lớn [11]. Trong nhiều nghiên cứu, lực kháng từ của màng tăng lên rõ rệt khi phần trăm của Pt trong hợp chất lắng đọng trong khoảng 30-40% khối lượng và độ cảm từ của màng CoPtP cũng đã tăng lên sau khi mẫu đã được ủ nhiệt [11]. Hình 1.11. Đường cong từ trễ của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa trên đế Si/Ti/Ni ở nhiệt độ phòng và từ trường đặt vào song song với màng. (a) mẫu không được ủ nhiệt; (b)mẫu được ủ nhiệt ở 400oC trong suốt 90 phút [11]. Để tăng lực kháng từ, các tác giả đã tìm ra trong quá trình lắng đọng điện hóa cần phải đặt thêm từ trường ngoài. Kết quả thu được cho thấy nếu đặt từ trường ngoài từ 0 đến 1 Tesla (hình 1.12), và khi từ trường ngoài tăng lên, lực kháng từ của màng được tăng lên rõ rệt [11]. 20 Hình 1.12. Lực kháng từ của vật liệu CoPtP với các giá trị khác nhau của từ trường ngoài [11]. Hình 1.13. Hình ảnh AFM (kính kiển vi lực nguyên tử) của vật liệu CoPtP được lắng đọng điện hóa: (a) không có từ trường ngoài; (b) có từ trường ngoài (1 Tesla) [11]. Từ các kết quả trên, để có màng mỏng CoPtP với tính từ cứng tốt thì phần trăm khối lượng của Pt trong khoảng 30 – 40 % và mẫu cần phải ủ nhiệt. 1.4.3 Giới thiệu về dây nano CoPtP Trên thế giới cũng đã có những công trình nghiên cứu về dây nano CoPtP, trong đó có cả dây nano đơn đoạn CoPtP và dây nano đa đoạn như CoPtP/Ag [23]. Một số tính chất từ và hình thái học của dây cũng đã được khảo sát, các kết quả cho thấy dây nano CoPtP có tính từ cứng rõ rệt với lực kháng từ lớn [23]. 21 Hình 1.14. (a) Hình ảnh FE-SEM của dây nano CoPtP sau khi đã loại bỏ đế. (b) Đường cong từ trễ của dây nano CoPtP với từ trường đặt vào song song với trục của dây được tại ở nhiệt độ phòng Hình 1.14(a) là hình ảnh FE-SEM của dây nano CoPtP sau khi đã loại bỏ đế với chiều dài dây là 6 µm. Hình 1.14(b) biểu diễn đường cong từ trễ của dây nano CoPtP với từ trường đặt vào song song với trục của dây tại nhiệt độ phòng, đường cong từ trễ cho thấy lực kháng từ Hc=1,83 kOe [23]. Đối với dây CoPtP được lắng đọng điện hóa trên đế polycacbonat (PC) ở nhiệt độ phòng thì các tính chất từ của mẫu được coi như là tính chất từ của dây CoPtP vì đế polycacbonat là vật liệu phi từ [24]. 22 Hình 1.15. Đường cong từ trễ của dây nano CoPtP với từ trường đặt vào song song và vuông góc với trục của dây. Hình 1.15 cho thấy lực kháng từ với trường hợp từ trường đặt song song với trục của dây là Hc=143 kAm -1 (cỡ 1800 Oe) và lực kháng từ với trường hợp từ trường đặt vuông góc với trục là Hc=103 kAm -1 (cỡ 1300 Oe). Điều này cho thấy, dây nano CoPtP có tính từ cứng rõ rệt và trục dễ từ hóa theo hướng song song với trục của dây. Giá trị của từ độ bão hòa và từ dư trong trường hợp từ trường đặt song song với trục của dây đều lớn lớn hơn từ độ bão hòa và từ dư trong trường hợp từ trường đặt vuông góc với trục của dây. Trên thực tế, giá trị của các thông số trên phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như tỷ số hình dạng, thành phần dung dịch lắng đọng và các điều kiện lắng đọng [18]. Vì vậy, với điều kiện lắng đọng đặc biệt, trong đó, hàm lượng Pt chiếm tỷ trọng lớn trong dung dịch điện hóa và thế lắng đọng phù hợp thì lực kháng từ khi từ trường đặt song song với trục của dây có thể lên đến 2800 Oe và từ dư lên đến khoảng 0,5 T, với kết quả này, dây nano CoPtP có những ứng dụng tiềm năng, đặc biệt là trong các cảm biến sử dụng hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và ứng dụng trong các hệ vi cơ điện tử (MEMS) [5]. CHƢƠNG 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23 2.1 Phƣơng pháp Vol-Ampe vòng (CV) Cùng với sự phát triển và trưởng thành của ngành điện hóa, hàng loạt các phương pháp nghiên cứu về cơ chế điện hóa đã được hình thành, trong đó, phương pháp Vol-Ampe vòng là một trong những phương pháp tỏ ra rất hữu hiệu. Phương pháp Vol-Ampe vòng là thí nghiệm điện hóa về thế - điều khiển “thuận-nghịch” ở đó một chu kỳ thế quét đặt lên điện cực và dòng phản ứng được quan sát. Đường cong đặc trưng Vol-Ampe vòng có thể cung cấp các thông tin về động học và nhiệt động học quá trình chuyển điện tử cũng như hệ quả của quá trình chuyển giao điện tử [2]. Hình 2.1. Mô hình tổng quan của thí nghiệm CV. Nội dung chính của thí nghiệm CV là đặt lên một điện cực (điện cực làm việc) một chu kì thế quét tuyến tính và kết quả lối ra là một đường cong V-A. Quá trình quét này thường được mô tả bởi thế ban đầu (Ei), thế chuyển mạch (Es), thế kết thúc (Ef), và tốc độ quét (v, đơn vị V/s). Điện thế được biến thiên tuyến tính theo thời gian: E = Ei + vt (quá trình thuận) E = Es - vt (quá trình nghịch) Thường người ta ghi dòng như hàm số của điện thế. Vì điện thế biến thiên tuyến tính nên cách ghi trên cũng tương đương với ghi dòng theo thời gian. Các 24 phản ứng điện hóa chúng ta cần quan tâm đều diễn ra tại điện cực làm việc. Dòng điện tại điện cực làm việc được sinh ra bởi sự dịch chuyển của các điện tử gọi là dòng Faraday (dòng cảm ứng). Một điện cực phụ, hay điện cực đếm (CE) được điều khiển bởi mạch ổn áp để cân bằng với quá trình Faraday tại điện cực làm việc (WE) với sự dịch chuyển của các điện tử theo hướng ngược lại (ví dụ, nếu tại điện cực làm việc WE là quá trình khử thì ở điện cực đếm CE sẽ là quá trình oxi hóa). Chúng ta không cần quan tâm tới quá trình xảy ra ở CE, trong hầu hết các thí nghiệm quan sát thấy dòng rất nhỏ, tức là sự điện phân ở CE không ảnh hưởng đến quá trình tại WE [2]. Xét quá trình khử: O + ne → R Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quá trình khử. Nếu quét từ điện thế đầu tiên φđ dương hơn điện cực tiêu chuẩn danh nghĩa 𝜑0 ′ thì chỉ có dòng không Faraday đi qua. Khi điện thế đạt tới 𝜑0 ′ thì sự khử bắt đầu và có dòng Faraday đi qua. Điện thế càng dịch về phía âm, nồng độ bề mặt chất oxy hóa giảm xuống và sự khuếch tán tăng lên, do đó dòng điện cũng tăng lên. Khi nồng độ chất oxi hóa giảm xuống đến không ở sát bề mặt điện cực thì dòng điện cực đại, sau đó lại giảm xuống vì nồng độ chất oxi hóa trong dung dịch bị giảm xuống (Hình 2.2). 25 Khi quét thế ngược lại phía dương, chất khử (R) bị oxy hóa thành chất oxy hóa (O) khi điện thế quay về đến 𝜑0 ′ và dòng anot đi qua (Hình 2.3). Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng - thế trong quét thế vòng. Dòng Faraday tại điện cực WE được biến đổi thành thế lối ra ở đầu chọn độ nhạy, được biểu diễn bằng đơn vị ampe/vol, và được thể hiện dưới dạng số hay tín hiệu tương tự. Đặc trưng CV là đồ thị của dòng so với thế trong một chu trình quét tuyến tính. Đặc trưng CV có dạng đối xứng giữa đường đi và về nếu quá trình oxi hóa - khử là hoàn toàn thuận nghịch. Trong rất nhiều trường hợp, quá trình là không thuận nghịch nên dạng đường đặc trưng CV không đối xứng [2]. 2.2 Các phƣơng pháp chế tạo mẫu Vật liệu nano có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc: vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano (phương pháp từ trên xuống) và tổng hợp vật liệu nano từ các nguyên tử (phương pháp từ dưới lên). Phương pháp từ trên xuống bao gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung. Phương pháp từ dưới lên được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay...) và phương pháp hóa học (kết tủa từ dung dịch và kết tủa từ khí hơi...). Dưới đây là các phương pháp phổ biến nhất, mỗi phương pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể áp dụng được với một số loại vật liệu nhất định mà thôi. 26 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 hoặc 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 dụng 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. 27 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 hoặc lớp bao phủ bề mặt vì khi làm bay hơi vật liệu thì toàn bộ hợp chất hoặc 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 hoặc 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. 28  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, hoặc 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 29 văn này tập trung vào việc chế tạo dây nano từ cứng CoPtP bằng phương pháp lắng đọng điện hóa và nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH, đường kính dây lên tính chất từ của dây nano CoPtP. Trong việc chế tạo vật liệu nano có nhiều thành phần, mẫu thu được bằng phương pháp lắng đọng điện hóa có thể được chế tạo theo hai quá trình: điện hóa một bước hoặc điện hóa nhiều bước. Với quá trình điện hóa nhiều bước: lần lượt các thành phần sẽ được lắng đọng độc lập với nhau và với từng thế lắng đọng riêng biệt tương ứng với mỗi nguyên tố. Phương pháp này có ưu điểm là không phải tìm một thế lắng đọng chung cho tất cả các nguyên tố trong hợp thức của vật liệu cần lắng đọng điện hóa. Tuy nhiên, phương pháp này gặp nhiều khó khăn như phải bố trí nhiều bể lắng đọng khác nhau, quá trình chuyển các điện cực giữa các bể có thể gây hỏng mẫu, và không đảm bảo độ sạch cho mẫu, để có thành phần mẫu hợp nhất đòi hỏi quá trình xử lý nhiệt đối với mẫu sau khi chế tạo sẽ phức tạp... Để khắc phục các khó khăn trên, giải pháp đưa ra đó là chế tạo mẫu bằng phương pháp lắng đọng điện hóa một bước, đó là quá trình lắng đọng đồng thời các nguyên tố của vật liệu trong cùng một bể lắng đọng và cùng một thế lắng đọng. Và khó khăn ở đây là phải tìm được thế lắng đọng chung cho toàn bộ các nguyên tố để đảm bảo được thành phần của mẫu như mong muốn. Tuy nhiên, khó khăn này được giải quyết nhờ sử dụng phương pháp vol – ampe vòng (CV) để tìm thế lắng đọng điện hóa như đã trình bày ở mục 2.1. Lắng đọng điện hoá (hay còn gọi là mạ điện) là một phương pháp chế tạo màng mỏng từ pha lỏng mà dựa trên các phản ứng điện hoá (oxi hoá hay khử) khi sử dụng bộ cấp nguồn bên ngoài. Trong đó bộ cấp nguồn sử dụng ít nhất 3 điện cực, giữa chúng có các dòng trong dung dịch mạ. Một trong các điện cực là điện cực làm việc WE (Working Electrode), hoặc đế đặt màng cần mạ, và một điện cực khác là điện cực đếm CE (Counter Electrode). Màng cần mạ xuất hiện thường xuyên nhất thông qua các phản ứng khử tức là điện cực làm việc là một catot. Một hệ điện hoá phổ biến bao gồm một hệ gồm 3 điện cực, trong đó điện cực thứ ba là điện cực so sánh RE (Reference Eelectrode), từ đó thế điện hoá của điện cực làm việc có thể 30 điều khiển được hoặc đo được. Nếu có thể điều khiển được thế của điện cực làm việc ta có thể đo được dòng trong bình điện hoá và ngược lại. Thực chất lắng đoṇg điêṇ hóa là quá trình phủ môṭ lớp

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluanvanthacsi_chuaphanloai_180_93_1870042.pdf
Tài liệu liên quan