Download báo cáo môn học chương 6 với đề tài: Vật liệu và kĩ thuật nano, cho các bạn có thể tham khảo

1. 8/5/2014
1
VẬTVẬT LiỆULiỆU VÀ KỸ THUẬTVÀ KỸ THUẬT
NANONANO
Chương 6
TS. Hồ Thị Thu Nga,
Nội dung:
6.1. Khái niệm chung
6.2. Lịch sử phát triển và khoa học nano
6.3. Carbon nanotubes
6.4. Nanocomposites và ứng dụng
6.5. Kỹ thuật Chế tạo vật liệu nano
Tài liệu tham khảo
1. “Advances in Nanocomposite Technology”
2. Bharat Bhushan, “Handbook of Nanotechnology”,
Springer Verlag, 2004
3. Papers
6.1. Khái niệm về nano
Chữ nano, gốc Hy Lạp, được gắn vào trước các đơn
vị đo để tạo ra đơn vị ước giảm đi 1 tỷ lần(10-9). Ví
dụ : nanogam = 1 phần tỷ của gam ; nanomet = 1
phần tỷ mét.
Vật liệu Nano
Vật liệu Nano có thể được định nghĩa một cách khái
quát là loại vật liệu mà trong cấu trúc của các thành
phần cấu tạo nên nó ít nhất phải có một chiều ở kích
thước nanomet.

2. 8/5/2014
2
Khái niệm về nanotechnology
Ý tưởng cơ bản về « công nghệ nano » được đưa ra
bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào
năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều
sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên
tử vào sâu hơn nữa.
Nhưng thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu
được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một
nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để
đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi
điện tử.

3. 8/5/2014
3
Kỹ thuật nano là gì?
Kỹ thuật (công nghệ) nano liên quan đến việc chế tạo
và ứng dụng các thực thể có kích thước nằm trong
khoảng từ 1 nm đến 100 nm.
1 nm = 10-3 µm = 10-6 mm = 10-9 m
Các thực thể bao gồm: kết cấu, màng mỏng, lớp phủ,
điểm, đường thẳng, ống tube và các hệ thống.
Khoa học nano – lĩnh vực nghiên cứu khoa học liên
quan đến các vật thể trong khoảng từ 1 đến 100 nm
Kích thước nano – chỉ các kích thước trong khoảng
này và thấp hơn một chút..
Vài ví dụ về các thực thể cỡ nano.
Nguyên tử Helium – đường kính khoảng 0.1 nm
Nguyên tử Uranium – đường kính khoảng 0.22 nm
Các phân tử có xu hướng to ra vì chúng bao gồm
nhiều nguyên tử.
Các phân tử tạo bởi khoảng 30 nguyên tử với kích
thước khoảng 1 nm
Phụ thuộc vào các nguyên tử có trong phân tử
Tại sao nhỏ lại tốt?
- Nhanh hơn
- Nhẹ hơn
- Chiếm không gian ít hơn
- Rẻ hơn
- Hiệu suất năng lượng tốt hơn
- Các thuôc tính khác nhau cho các cấu trúc rất
nhỏ

4. 8/5/2014
4
Xu hướng hiện đại: thu nhỏ các sản phẩm và
chi tiết với kích thước được đo trong khoảng
microns (10-6 m).
Ưu điểm của các vi sản phẩm hay vi hệ thống :
Tốn ít nguyên vật liệu;
Giảm tiêu hao năng lượng
Tính năng làm việc cao hơn trên một đơn vị không gian
Khả năng vào được các vùng hay vị trí mà sản phẩm có
kích thước lớn hơn không vào được
Trong nhiều trường hợp, các sản phẩm nhỏ hơn có nghĩa
là giá thành thấp hơn do tiêu hao vật liệu ít hơn.
13
Ví dụ các thiết bị MEMS và các bộ phận
Nanoelectromechanical systems (NEMS)
Microelectromechanical systems (MEMS)
CƠ SỞ CỦA KỸ THUẬT NANO
Nguyên tử là các khối xây dựng cho tất cả các vật
chất trong vũ trụ của chúng ta. Tất cả mọi thứ xung
quanh chúng ta được tạo nên từ nguyên tử.
Thiên nhiên đã hoàn thiện khoa học của vấn đề
sản xuất phân tử vật chất. Ví dụ, cơ thể của chúng
ta được lắp ráp một cách đặc biệt từ hàng triệu tế
bào sống. Các tế bào là các máy nano của tự
nhiên. Hãy tưởng tượng nếu chúng ta có thể thao
tác từng nguyên tử cá thể của một đối tượng. Đó
là ý tưởng cơ bản của công nghệ nano.
Kích thước vật chất
Khi kích thước của một vật thể trở nên nhỏ hơn và càng
nhỏ hơn, tiến gần tới cỡ nano, các phân tử bề mặt ngày
càng trở nên quan trọng so với các phân tử bên trong.
Do tỷ lệ ngày càng tăng của các phân tử bề mặt so
với các phân tử bên trong:
Vì vậy, các thuộc tính bề mặt vật liệu của các vật
thể có kích thước nano trở nên ảnh hưởng nhiều
hơn trong việc xác định tính chất ứng xử của vật
thể.
ảnh hưởng của các tính chất bên trong giảm

5. 8/5/2014
5
Một vài ảnh hưởng của kích thước:
Liên kết nguyên tử
Có 2 dạng liên kết nguyên tử:
1. Các liên kết chính – kết hợp các nguyên tử vào
trong các phân tử
2. Các liên kết thứ yếu – thu hút giữa các phân tử để
tạo thành khối vật liệu
Liên kết thứ cấp trở nên quan trọng hơn đối với các vật
thể có kích thước nano, bởi vì hình dạng và tính chất
của chúng phụ thuộc vào các lực liên kết thứ cấp.
Do đó, tính chất và ứng xử vật liệu của vật thể kích
thước nano khác so với các vật thể kích thước lớn
hơn.
Ảnh hưởng của kích thước :
Cơ học lượng tử
Lĩnh vực vật lý có liên quan với khái niệm là: tất cả các
dạng năng lượng xảy ra trong đơn vị rời rạc khi được
quan sát trên một quy mô đủ nhỏ.
Ví dụ: Điện được dẫn trong các đơn vị điện tử (units
of electrons)
Cơ học lượng tử có ý nghĩa đối với các thực thể kích cỡ
nano.
Ý nghĩa: Khi các thiết bị vi điện tử đạt tới kích cỡ
nano, chúng ta tiến đến giới hạn của tính khả thi của
các quá trình chế tạo mạch tích hợp.

6. 8/5/2014
6
6.2. Lịch sử phát triển khoa học
Nano và ứng dụng
Khoa học nano và công nghệ nano là những lĩnh vực
liên ngành:
Hóa học, Vật lý, các môn kỹ thuật khác nhau, khoa
học máy tính, sinh học, và khoa học y tế.
Sinh học hoạt động trong phạm vi kích thước nano
Proteins – các phân tử lớn có kích thước nằm trong
khoảng 4 nm - 50 nm.
Chất diệp lục trong cây – kích thước khoảng 1 nm
Huyết cầu tố trong máu – khoảng 7 nm.
2000 Years Ago – Sulfide nanocrystals used by Greeks and
Romans to dye hair.
1000 Years Ago (Middle Ages) – Gold nanoparticles of
different sizes used to produce different colors in stained
glass windows.
1974 – “Nanotechnology” - Taniguchi uses the term
nanotechnology for the first time.
1981 – IBM develops Scanning Tunneling Microscope. This
microscope evolved to allow the manipulation of individual
atoms and molecules in the field of Nano technology.
1985 – “Buckyball” - Scientists at Rice University and
University of Sussex discover C60
1991 – Carbon nanotube discovered by S. Iijima
Lịch sử phát triển của kỹ
thuật nano
CácCác lĩnhlĩnh vựcvực nghiênnghiên cứucứu vềvề nanonano
vật liệu nano và chế tạo cấu trúc nano;
vật liệu nano và đặc tính cấu trúc nano, đánh
giá đặc tính và các ứng dụng có thể;
sự hiểu biết các mối quan hệ giữa tính chất
vật lý và cấu trúc có kích thước nano;
thiết kế các thiết bị nano và tích hợp vào một
hệ thống vĩ mô;
đánh giá tác động đến con người của công
nghệ nano.

7. 8/5/2014
7
Các ứng dụng của vật liệu nano
Các tính chất độc đáo của vật liệu nano cho phép sản xuất các sản
phẩm rất mạnh, ánh sáng, và hiệu quả hơn. Sau đây là một số ứng
dụng hiện tại và tiềm năng cho các vật liệu nano:
a. Dụng cụ cắt và mảnh lưỡi cắt bằng cacbua nanocrystalline và gốm
sứ khác.
b. Gốm sứ có pha nano dễ uốn và dễ gia công (cắt gọt)
c. Bột để chế biến bột luyện kim.
d. Các ống nano cacbon đã được sử dụng trong các khung xe đạp đặc
biệt, gậy bóng chày, và vợt tennis.
e. Chip máy tính thế hệ mới sử dụng vật liệu nanocrystalline bắt đầu
với độ tinh khiết rất cao, dẫn nhiệt tốt hơn, và mối liên kết bền hơn.
Các ứng dụng của vật liệu nano
f. Màn hình phẳng cho máy tính xách tay và TV, được làm bằng
cách tổng hợp phốt pho tinh thể nano để cải thiện độ phân giải
màn hình.
g. Spark điện cực cắm, dây cháy và nhiên liệu cho tên lửa, cấy
ghép y tế, cảm biến độ nhạy cao, chất xúc tác để loại bỏ các chất
gây ô nhiễm, nam châm điện cao, và pin năng lượng mật độ cao.
h. Thiết bị chuyển mạch, van, động cơ và máy bơm.
i. Lớp phủ làm bằng vật liệu nano đang được nghiên cứu cải thiện
mài mòn, chống ăn mòn và cách nhiệt; vật liệu tinh thể nano; vật
liệu nanophase do tính dẫn nhiệt thấp hơn.
Bởi vì vật liệu nano là rất tốn kém để sản xuất và chế biến thành
các sản phẩm, hiệu quả chi phí của họ đang được tiếp tục nghiên
cứu.
Các ứng dụng vật liệu nano và kỹ thuật
nano
Mỹ phẩm và kem chống nắng
Banh tennis, lốp xe hơi
Các loại sáp và chất đánh bóng xe hơi
Lớp phủ ngoài cho kính mắt
Sơn chống trầy xướt
Thiết bị MEMS/NEMS
BioMEMS/BioNEMS: dùng phân tích hóa sinh
(biosensors) trong chuẩn đoán y học (e.g., DNA, RNA,
proteins, cells, blood pressure and assays, and toxin
identification), kỹ thuật mô, và truyền thuốc thuốc, vi phẫu
thuật..v..v..

8. 8/5/2014
8
Ví dụ thiết bị MEMS
SEM micrograph of a polysilicon
microelectromechanical motor
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng
kỹ thuật nano trên thế giới
Theo các chuyên gia, thị trường thế giới được đánh giá khoảng hơn 430
tr. $ in 2004, và tăng lên vài tỉ $ trước năm 2009.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng
kỹ thuật nano trên thế giới
The European Union (EU): Sixth Framework Program (FP6)
in 2002 for the period 2003–2006. There were also small
dedicated funds in FP4 and FP5 before. FP6 was tailored to
help better structure
Japan:The funding levels increased sharply from US$ 400
million in 2001 to around US$ 950 million in 2004.
In 2003, South Korea embarked upon a 10 year program
with around US$ 2 billion of public funding,
Taiwan has committed around US$ 600 million of public
funding over 6 years.
Singapore and China are also investing on a large scale.
Russia is well funded as well.
6.3. Cấu trúc nano
Ít nhất kích thước 1 chiều: từ 1 - 100 nm
Cấu trúc 2-D (1-D confinement):
Màng mỏng
• Siêu tinh thể
Cấu trúc 1-D (2-D confinement):
Dây nano
Dây lượng tử (Quantum wires)
Thanh nano
Ống nano
Phần tử nano (hạt)
Kích thước và giới hạn phụ thuộc vào cấu trúc nano

9. 8/5/2014
9
Màng mỏng (Thin films)
Màng mỏng kích thước nano:
Màng mỏng 2D, bề dày < ~100 nm
Các điện tử có thể được giới hạn trong 1 chiều; ảnh
hưởng đến chức năng sóng, tỉ trọng
Photons có thể được giới hạn trong 1 chiều; ảnh
hưởng đến sự lan truyền nhiệt
Ranh giới, giao diện ảnh hưởng đến sự lan truyền
Ứng dụng của màng mỏng
Các tế bào nhiên liệu rắn (solid
fuel cells): (cấu trúc nano) điện
cực màng mỏng rắn với độ dẫn
cao
Transitor màng mỏng cho màn
hình tinh thể lỏng: yêu cầu tính
di động cao và các chất nền
mềm dẻo
Ứng dụng cảm biến khí
Các lớp mỏng trong các thiết bị
điện tử
100 nm sputtered
YSZ
film for solid oxide
fuel
Dây nano (Nanowires)
Rắn (solid), “1D"
• Có thể dẫn điện, bán dẫn, cách nhiệt
• Có thể là tinh thể, ít khuyết tật
• Có thể thể hiện các hiệu ứng giới hạn lượng
tử (electron, photon)
• đường kính dây hạn chế làm tăng
khoảng cách giữa các dải, có thể dẫn đến
giảm tính dẫn nhiệt
• Dạng mới bao gồm vỏ và lõi
siêu tinh thể
Nanotube: hình trụ dài có đường kính trong –
ngoài cỡ nm
Nanowire: dây đặc, dài có đường kính cỡ nm.
Ứng dụng dây nano
Transistors hiệu ứng trường
Vật liệu nhiệt điện (biến đổi
chênh lệch nhiệt độ thành
hiệu điện thế và ngược lại)
Diodes phát sáng
Dụng cụ dò tìm khuyết tật
Cảm biến
Nanolasers
Dây nano siêu tinh thể trong
các ứng dụng yêu cầu siêu
tinh thể
Cấu trúc màng nhiều lớp siêu
tinh thể GaAs/AlAs (chiều dày
mỗi lớp khoảng 24 nm)

10. 8/5/2014
10
Họ carbon: graphite, diamond, fullerenes
and carbonnanotubes
Buckyballs (Fullerenes)
Các phân tử carbon có chứa chính xác 60
nguyên tử (C60) và có hình dạng như một
quả bóng đá
Ban đầu được gọi là buckministerfullerene,
theo tên R. Buckminister Fuller, nhà thiết kế
mái vòm đo đạc (viết ngắn là fullerene)
Có thể được liên kết với nhau để tạo thành
các tinh thể có cấu trúc mạng tinh thể lập
phương mặt định tâm
Buckyballs
(Buckminsterfullerene)
Cấu trúc của phân tử C60
12 mặt 5 cạnh
20 mặt 6 cạnh
Các tính chất và ứng dụng của
Fullerenes
Tính chất của chất cách điện, nhưng có thể được
pha tạp (ví dụ, K3C60) để trở thành dây dẫn
Thể hiện tính chất của một chất siêu dẫn và
nhiệt độ rất thấp (khoảng 18°°°°K)
Các ứng dụng y tế có thể vì chúng có nhiều điểm
dính kèm đối với thuốc
Các ứng dụng y tế khác bao gồm chất chống
oxy hóa, kem chữa bỏng, và chẩn đoán bằng
hình ảnh

11. DOWNLOAD ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ NỘI DUNG
MÃ TÀI LIỆU: 50786
DOWNLOAD: + Link tải: Xem bình luận
Hoặc : + ZALO: 0932091562