Công nghệ Nano và một số ứng dụng

Chia sẻ: Quanghai Quanghai | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:7

0
470
lượt xem
185
download

Công nghệ Nano và một số ứng dụng

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, công nghệ nano đã trở nên phổ biến, là ngành công nghệ cao đang được quan tâm nghiên cứu, phát triển và có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực: sinh học, y tế, hoá học, môi trường, điện - điện tử, vật liệu mới... Trong ngành Điện tử viễn thông, công nghệ nano đã mở ra cuộc cách mạng trong công nghệ bán dẫn và đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực sản xuất vi mạch, IC, cáp quang...Bài báo sẽ đề cập sơ lược về công nghệ nano và một số......

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Công nghệ Nano và một số ứng dụng

  1. LÜnh vùc C«ng nghÖ th«ng tin C«ng nghÖ nano vµ mét sè øng dông KS.§Æng Hoµi B¾c Khoa Kü thuËt §iÖn tö 1 Tãm t¾t: Ngµy nay, c«ng nghÖ nano ®· trë nªn phæ biÕn, lµ ngµnh c«ng nghÖ cao ®ang ®îc quan t©m nghiªn cøu, ph¸t triÓn vµ cã nhiÒu øng dông thùc tiÔn trong c¸c lÜnh vùc: sinh häc, y tÕ, ho¸ häc, m«i tr êng, ®iÖn - ®iÖn tö, vËt liÖu míi... Trong ngµnh §iÖn tö viÔn th«ng, c«ng nghÖ nano ®· më ra cuéc c¸ch m¹ng trong c«ng nghÖ b¸n dÉn vµ ®ãng vai trß quan träng trong lÜnh vùc s¶n xuÊt vi m¹ch, IC, c¸p quang...Bµi b¸o sÏ ®Ò cËp s¬ l îc vÒ c«ng nghÖ nano vµ mét sè øng dông liªn quan. 1. S¬ lîc vÒ c«ng nghÖ nano C«ng nghÖ nan« lµ tËp hîp c¸c ph¬ng ph¸p kü thuËt cho phÐp thao t¸c nh÷ng cÊu tróc riªng biÖt, nh÷ng ®èi t îng, vËt thÓ cã kÝch th íc ®o b»ng nan«mÐt ( 1nm = 10-9m). Trong kho¶ng c¸ch 1nm chØ chøa tõ 3 ®Õn 5 nguyªn tö. I NCL UDEPI CTURE "ht t p://www.wt ec.or g/loyola/nano/f05_01.gif" \ * M ERGEFO H ×nh 1. Ph©n l o¹i kÝch cì nano Vµo nh÷ng n¨m cuèi cïng cña thÕ kû 20, c¸c nhµ khoa häc ®· chÕ t¹o ra ®îc nh÷ng thiÕt bÞ cho phÐp n¾m b¾t, th¶ ®i hay s¾p xÕp, chÊt ®èng c¸c nguyªn tö hay c¸c ph©n tö, cã nghÜa lµ con ngêi cã thÓ thao t¸c c¸c vËt liÖu ë møc Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT
  2. Héi nghÞ Khoa häc lÇn thø 5 nguyªn tö, cÊp nan«. Nhê vËy mµ ngêi ta cã thÓ chÕ t¹o ®îc c¸c vi m¹ch cã ®é ph©n gi¶i ë cÊp nguyªn tö, nhê ®ã mµ c¸c nhµ kü thuËt cã thÓ t¨ng gÊp nhiÒu lÇn mËt ®é bãng b¸n dÉn vµ tèc ®é tÝnh to¸n trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch b¸n dÉn. Cho ®Õn nay, tÊt c¶ c¸c níc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn ®Òu ®· coi c«ng nghÖ nan« lµ c«ng nghÖ chiÕn lîc cña thÕ kû 21. Chóng ta cã thÓ liÖt kª ra ®©y mét sè øng dông quan träng cña c«ng nghÖ nan« trong c¸c lÜnh vùc sau: - Trong c«ng nghiÖp ®iÖn, ®iÖn tö: mËt ®é vµ tèc ®é vi xö lý t¨ng vät, mét con rÖp ®iÖn tö cã thÓ chøa tíi vµi tû linh kiÖn, nhê ®ã mµ c¸c thiÕt bÞ xö lý, nghe nh×n, viÔn th«ng cã ®é ph©n gi¶i siªu cao, cã tèc ®é xö lý, truyÒn dÉn ... cùc lín kh«ng cßn lµ íc m¬ mµ sÏ trë thµnh thùc tiÔn kh«ng xa. (Ngµy 26/8 /2001 H·ng IBM ®· tuyªn bè chÕ t¹o thµnh c«ng vi m¹ch m¸y tÝnh nhá nhÊt thÕ giíi, gåm hai transitor, ®îc lµm tõ mét ph©n tö cacbon ®¬n lÎ. Bé chip nµy ®îc mét "èng nano cacbon"- mét chuçi cac nguyªn tö cacbon kÕt nèi theo d¹ng èng, cã kÝch th íc máng h¬n sîi tãc 10000 lÇn. Bíc tiÕn nµy cã thÓ dÉn ®Õn sù ra ®êi c¸c m¸y tÝnh m¹nh h¬n nh ng tiªu thô Ýt ®iÖn n¨ng h¬n). - C¸c thiÕt bÞ c¶m biÕn n¨ng lîng mÆt trêi siªu tÝnh n¨ng cã thÓ thu nhËn n¨ng lîng mÆt trêi hiÖu qu¶ h¬n, gän nhá h¬n, gi¸ thµnh h¹ h¬n vµ kh«ng phô thuéc vµo thêi tiÕt, cêng ®é ¸nh s¸ng mÆt trêi... - Ngµnh ho¸ häc vµ c«ng nghÖ sinh häc sÏ cã nh÷ng ph¬ng tiÖn ®Ó sö dông tõng ph©n tö trong c¸c ph¶n øng tinh vi kh¸c nhau... VÝ dô: gÇn ®©y híng nghiªn cøu sö dông c¸c h¹t TiO 2 kÝch th íc nan« ®Ó chÕ t¹o lo¹i g¹ch gèm cã t¸c dông quang xóc t¸c, xö lý m«i tr êng « nhiÔm; sö dông h¹t nan« CaO tø diÖn ®Ó chèng xuèng cÊp, n©ng cao tuæi thä cho c¸c t¸c phÈm héi häa cã gi¸ trÞ cao HiÖn nay chóng ta kh«ng thÓ dù ®o¸n ®îc hÕt nh÷ng lîi Ých mµ c«ng nghÖ nan« sÏ ®em l¹i cho con ngêi, song cã mét ®iÒu ch¾c ch¾n lµ c«ng nghÖ nan« sÏ lµ c«ng nghÖ mòi nhän cña thÕ kû 21, lµ c«ng nghÖ sÏ ®em l¹i nh÷ng biÕn ®æi kú diÖu cuéc sèng cña con ngêi trong t ¬ng lai kh«ng xa. Ngêi ta ®· dù ®o¸n r»ng c«ng nghÖ nan« sÏ lµ mang ®Õn cho nh©n lo¹i hai cuéc c¸ch m¹ng c«ng nghÖ trong thÕ kû 21: cuéc c¸ch m¹ng c¸c c«ng nghÖ chÕ t¹o cÊp ph©n tö vµ cuéc c¸ch m¹ng c«ng nghiÖp c¸c m¸y sao chÐp thÕ hÖ míi. Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT
  3. LÜnh vùc C«ng nghÖ th«ng tin 2. Mét sè c«ng nghÖ nan« then chèt C«ng nghÖ nan« cã nhiÒu øng dông quan träng trong ®êi sèng, ®Æc biÖt lµ nh÷ng øng dông trong c«ng nghiÖp chÕ t¹o b¸n dÉn, vi ®iÖn tö, c¸c hÖ c¬ ®iÖn tö cì nan« (Nanoelectromechanical systems - NEMS) , c¸c hÖ vi c¬ ®iÖn tö (Microelectromechanical systems- MEMS) cã thÓ biÕn c¸c th«ng sè vËt lý thµnh c¸c tÝn hiÖu ®iÖn. NEMS vµ MEMS sÏ t¹o ra nh÷ng bíc ngoÆt quan träng trong c«ng nghÖ th«ng tin vµ thiÕt bÞ ®iÖn to¸n, hÖ thèng n¨ng l îng, hµng kh«ng vµ an ninh quèc gia. MÆc dï cã chøc n¨ng gièng nhau nhng gi÷a NEMS vµ MEMS cã nh÷ng kh¸c biÖt: - NEMS lµ c«ng nghÖ nan« ph©n tö tËp trung vµo viÖc thiÕt kÕ, m« h×nh ho¸, m« pháng hãa s¶n xuÊt c¸c linh kiÖn kÝch th íc ph©n tö (tõ 0,1 ®Õn 100nm) - MEMS ®îc chÕ t¹o theo c«ng nghÖ b¸n dÉn oxit kim lo¹i (complementary metal oxide semiconductor- CMOS), kü thuËt in kh¾c (lithography)...bao gåm 2 bé phËn chÝnh: vi ®iÖn tö (c¸c IC) vµ vi m¸y (c¸c cÊu tróc chuyÓn ®éng vi m«). Trªn ph¬ng diÖn vËt liÖu, hiÖn nay, c«ng nghÖ vi c¬ silicon vµ cacbua silicon (Silicon and silicon carbide micromachining) lµ mét trong nh÷ng c«ng nghÖ ph¸t triÓn nhÊt, ®îc øng dông nhiÒu nhÊt ®Æc biÖt trong lÜnh vùc s¶n xuÊt linh kiÖn b¸n dÉn. Trªn ph¬ng diÖn t¹o mµng máng b¸n dÉn, ta cã c¸c c«ng nghÖ nano nh PCVD, LPCVD... Sau ®©y, chóng ta sÏ t×m hiÓu mét sè c«ng nghÖ nano chñ yÕu. 2.1. C«ng nghÖ vi c¬ silicon vµ cacbua silicon a) B¶n chÊt c«ng nghÖ: Cã thÓ nªu tãm t¾t c«ng nghÖ nµy nh sau: c¸c thái ®¬n tinh thÓ silicon h×nh trô ®êng kÝnh 300mm, dµi 1000mm (®îc nu«i trong thiÕt bÞ ®Æc biÖt) ®îc c¾t thµnh tõng l¸t nhá (wafer) víi c¸c ®é dµy theo ý muèn, sau sö dông c¸c kü thuËt c¬- hãa häc ®Ó ®¸nh bãng c¸c wafer. TÝnh chÊt c¬ vµ ®iÖn tõ cña c¸c wafer phô thuéc vµo híng ph¸t triÓn tinh thÓ (khi nu«i tinh thÓ), nång ®é vµ d¹ng chÊt ®îc cÊy vµo. Tõ c¸c wafer nµy ngêi ta sÏ chÕ t¹o ra c¸c IC qua c¸c bíc sau: khuyÕch t¸n, «xi ho¸, t¹o mµng polisilicon, quang kh¾c, che phñ, kh¾c axit, t¹o líp phñ kim lo¹i... Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT
  4. Héi nghÞ Khoa häc lÇn thø 5 C¾t M ask Quang Tinh Wafer Khu«n I H ×nh 2. Quy tr ×nh chÕ t¹o I C b»ng c«ng nghÖ nano C¸c giai ®o¹n cña qu¸ tr×nh trªn ®îc m« t¶ nh sau: - Quang kh¾c ®Ó chÕ t¹o khu«n 3 chiÒu (photolithograhy, mould, three- dimensional shape) - Mask (khu«n t«) : h×nh ®en tr¾ng cña c¸c linh kiÖn MEMS trªn kÝnh. - Photoresist: líp polime c¶m quang ®îc phñ trªn wafer. Tia tö ngo¹i chiÕu xuyªn qua mask, räi h×nh trªn mask xuèng photoresist. Chç nµo ¸nh s¸ng räi qua sÏ bÞ polime ho¸, trë nªn r¾n ch¾c, b¸m dÝnh chÆt trªn bÒ mÆt wafer vµ kh«ng bÞ röa tr«i bëi ho¸ chÊt, ngîc l¹i chç nµo kh«ng bÞ ¸nh s¸ng räi tíi, sÏ bÞ röa tr«i, ®Ó tr¬ líp mÆt wafer. - C¸c chi tiÕt vi c¬ ®iÖn tö (cÊu tróc chuyÓn ®éng) ®îc chÕ t¹o qua c¸c bíc: thiÕt kÕ, kh¾c kh« hay kh¾c ion ho¹t ®éng (Reactive ion etching, RIE or dry etching): c¸c r·nh s©u hay n«ng, hÑp hay réng cã thÓ ®îc ®iÒu chØnh tuú theo yªu cÇu. - Metal film ®îc t¹o khu«n nhê kü thuËt t¹o khu«n t« gièng nh ®· nªu ë trªn. ë ®©y, ngêi ta t¹o ra mét líp oxit kim lo¹i trªn bÒ mÆt wafer tr íc khi phñ mét líp c¶m quang (photoresist) lªn trªn, sau ®ã räi tia tö ngo¹i nh ®· nªu. Líp oxit ®îc kh¾c axit theo khu«n t«. Ngêi ta phñ lªn wafer mét líp kim lo¹i (metal film) theo c«ng nghÖ ho¸ h¬i kim lo¹i vµ lo¹i bá phÇn (film) kim lo¹i (phÝa trªn r·nh trèng photoresist). Lo¹i bá líp oxit kim lo¹i, ta ®îc khu«n h×nh mµng kim lo¹i (metal film pattern) C¸c wafer silicon vµ c¸c chi tiÕt kh¸c ®îc nèi víi nhau nhê kü thuËt nèi tÜnh ®iÖn anèt. Ngêi ta cã thÓ sö dông ¸p suÊt víi ®iÒu kiÖn bÒ mÆt ph¶i thËt s¹ch, ph¼ng. b) LÜnh vùc øng dông: Nh trªn ta thÊy, lÜnh vùc chñ yÕu cña c«ng nghÖ nµy lµ s¶n xuÊt chÕ t¹o IC kÝch cì nhá cã mËt ®é tÝch hîp cao. Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT
  5. LÜnh vùc C«ng nghÖ th«ng tin 2.2. C«ng nghÖ t¹o mµng theo ph ¬ng ph¸p ho¸ h¬i ho¸ häc thÓ plasma (Plasma Chemical Vapor Deposition- PCVD) a/ B¶n chÊt cña c«ng nghÖ: Dßng plasma (dßng ion cã n¨ng lîng cao) trong khÝ mªtan (CH4) díi t¸c dông cña tõ tr êng tÇn sè radio bÞ kÝch thÝch, c¸c phÇn tö trong hçn hîp plasma ph©n ly, khuyÕch t¸n víi tèc ®é cao, gÆp vËt c¶n lµ bÒ mÆt vËt liÖu (vÝ dô: silicon) sÏ s¶y ra c¸c ph¶n øng ho¸ häc, t¹o thµnh c¸c hîp chÊt nh SiO 2, GaO2... phñ lªn bÒ mÆt vËt liÖu. §©y chÝnh lµ qu¸ tr×nh t¹o mµng plasma. b/ LÜnh vùc øng dông: + Trong y häc: t¹o mµng hydroxyapatit (HA) nèi x¬ng g·y... + Trong c«ng nghiÖp ®iÖn tö b¸n dÉn: chÕ t¹o c¸c b¸n dÉn vi ®iÖn tö, sîi quang nan«... + Trong b¶o vÖ m«i tr êng: t¹o líp mµng b¶o vÖ cho kim lo¹i chèng gØ... c/ Mét sè øng dông cô thÓ: S¶n xuÊt sîi quang: (fibre production) Dßng khÝ SiCl 4, GeCl 4, C2F 6, O2 ®i qua èng thuû tinh th¹ch anh nung nãng ë 1200oC biÕn thµnh dßng plasma nhiÖt ®é cao (tíi 6000oC). ë ®©y sÏ s¶y ra ph¶n øng ho¸ häc, t¹o thµnh c¸c ®ioxit SiO 2, GeO2: SiCl 4 + O2 SiO 2 + 2Cl 2 GeCl 4 + O2 GeO2 + 2Cl 2 C¸c ph©n tö SiO 2, GeO2 l¾ng ®äng trªn bÒ mÆt èng thuû tinh th¹ch anh thµnh tõng líp. Líp SiO 2 ®îc nhiÖt luyÖn ë 2200oC trë nªn mÒm, dÎo, cã thÓ kÐo dµi thµnh sîi víi nh÷ng kÝch th íc tuú ý. Sîi quang cã thÓ ®îc øng dông trong c«ng nghÖ truyÒn th«ng, vò trô do tÝnh chÞu lùc, chÞu nhiÖt, chÞu sãi mßn... Kh¾c ion (Reactive Ion Etching- RIE) - Nguyªn lý: Dïng dßng ion díi thÓ plasma t¹o trªn bÒ mÆt vËt liÖu líp kh¾c b¸n dÉn. Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT
  6. Héi nghÞ Khoa häc lÇn thø 5 Sãng cao tÇn 13,56MHz t¹o ra plasma gåm c¸c chÊt khÝ CF 6, CF 5+, F -, ph¹t photon, ®iÖn tö, c¸c gèc Flo (F)., kÝch thÝch vµ lµm ph©n cùc líp phñ (wafer) bÒ m¹t m¹ch in. H ×nh 3. Nguyªn l ý kh¾c I on T¹i ®©y, trong dßng plasma s¶y ra ph¶n øng ho¸ häc , t¹o thµnh mµng thô ®éng gåm tõ c¸c hîp chÊt nh SiF 4 - øng dông cña c«ng nghÖ: chÕ t¹o c¸c chÊt b¸n dÉn, m¹ch in kÝch th íc nano. 2.3. C«ng nghÖ t¹o mµng ho¸ h¬i ¸p lùc thÊp (Low pressure chemical vapor deposition- LPCVD) a) B¶n chÊt cña c«ng nghÖ: Mµng ®îc t¹o thµnh trong m«i tr êng ch©n kh«ng ë nhiÖt ®é cao trªn c¬ së ph¶n øng ho¸ häc thÓ h¬i ®Ó t¹o thµnh mµng máng . N¨ng lîng nhiÖt lµ ®éng lùc cña ph¶n øng ho¸ häc trong khi ¸p suÊt thÊp lµm t©m pha khÝ. H×nh 4. T¹o mµng LPCVD Díi ®©y lµ mét sè vÝ dô vÒ líp mµng LPCVD Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT
  7. LÜnh vùc C«ng nghÖ th«ng tin S¶n phÈm Ph¶n øng NhiÖt ®é Silicon nhiÖt ®é thÊp SiH 4 +2O2 SiO 2(solid ) + 450oC LTO 2H 2(g) Tetraethoxysilan TEOS 700oC Thuû tinh P-Si SiH 4 +O2 +PH 3 SiO 2(solid ) + - P Nitrit SiCl 2H 2 +NH 3 SiN 4 800oC b) øng dông cña c«ng nghÖ: Dïng ®Ó chÕ t¹o m¹ch in, c¸c chÊt b¸n dÉn kÝch th íc nano. 3. KÕt luËn Bªn c¹nh c¸c c«ng nghÖ nano ®îc ®Ò cËp s¬ l îc ë trªn, cßn cã c¸c c«ng nghÖ nano tiªu biÓu kh¸c nh c«ng nghÖ t¹o mµng ho¸ h¬i c¬ kim (MOCVD) hay t¹o mµng ho¸ h¬i ®iÖn ho¸ (Electroplating)... Nh×n chung, c«ng nghÖ nano ®ang ph¸t triÓn kh«ng ngõng vµ më ra nhiÒu híng nghiªn cøu cïng víi c¸c øng dông ®a d¹ng trong thùc tiÔn. C¸c nghiªn cøu míi nhÊt ®· gi¶m kÝch th íc øng dông cña nano tõ 180nm ( n¨m 2000) xuèng cßn 130nm ( n¨m 2003). ë ViÖt Nam, viÖc tiÕp cËn, nghiªn cøu, øng dông c«ng nghÖ nano tuy cßn míi mÎ nhng cã ý nghÜa rÊt quan träng, ®Æc biÖt trong c«ng nghÖ chÕ t¹o b¸n dÉn vµ vi m¹ch ®iÖn tö. §©y lµ ®iÒu tÊt yÕu ®Ó ph¸t triÓn, t¨ng tÝnh tù chñ c«ng nghÖ trong c¸c ngµnh c«ng nghÖ cao nh §iÖn tö - ViÔn th«ng vµ C«ng nghÖ th«ng tin. Muèn vËy, chóng ta ph¶i lùa chän c«ng nghÖ nano thÝch hîp, x©y dùng ®éi ngò nghiªn cøu cïng víi c¸c phßng Lab ®îc trang bÞ thiÕt bÞ tiªn tiÕn, hiÖn ®¹i. Trong c¸c bµi b¸o sau, chóng t«i sÏ ®Ò cËp cô thÓ h¬n vÒ c«ng nghÖ nano còng nh c¸c qui tr×nh nghiªn cøu chÕ t¹o s¶n phÈm nano trong phßng Lab vµ trªn thùc tÕ. Häc viÖn C«ng nghÖ BCVT

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản