Luận văn: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất màng mỏng Nanocomposite trên cơ sở ống Carbon nano ứng dụng trong chế tạo Oled

Chia sẻ: Le Van Van | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

154
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ống nano cacbon ngoài những tính chất cơ học ưu việt còn thể hiện khả năng dẫn điện vượt trội. Mặc dù mới được phát hiện cách đây không lâu nhưng CNTs đã có mặt trong rất nhiều những nghiên cứu chuyên sâu và đã có những ứng dụng thưc tế quan trọng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất màng mỏng Nanocomposite trên cơ sở ống Carbon nano ứng dụng trong chế tạo Oled

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Duy Khanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO OLED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kĩ thuật HÀ NỘI - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Duy Khanh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG NANOCOMPOSITE TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO OLED KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kĩ thuật Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Phương Hoài Nam HÀ NỘI – 2011
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành nhất đ ến Ts. Nguy ễn Phương Hoài Nam. Thầy không chỉ truyền đạt kiến thức mà còn tận tình chỉ bảo em từ những công việc đơn giản nhất trong những ngày đầu bắt tay vào làm khóa luận cho đến khi hoàn thành. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các anh, chị nghiên cứu viên tại các phòng thí nghiệm-Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano, Trường Đại học Công nghệ. Các anh, chị đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em từ cách sử dụng máy móc cũng như cách làm việc của một người nghiên cứu khoa học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn sự giúp đỡ đến từ Phòng chụp ảnh FESEM-Viện Khoa học và Công nghệ VN, Khóa Hóa-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, hai đơn vị đã giúp đỡ em trong việc chụp hình và phân tích kết quả. Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến các thầy cô trong Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano nói riêng, các thầy cô giảng dạy tại Trường Đại học Công nghệ nói chung đã dìu dắt, nâng bước em trong suốt 4 năm học vừa qua. Đó quả là những tình cảm quý báu và những kỉ niệm mãi mãi đi theo em đến suốt cuộc đời. Bản khóa luận được hoàn thành với sự tài trợ kinh phí của đề tài NCKH cấp ĐHQG Hà Nội, mã số CN.10.08. Hà Nội, tháng 5-2011 Sinh viên Nguyễn Duy Khanh
TÓM TẮT NỘI DUNG Ống nano cacbon (CNTs) ngoài những tính chất cơ học ưu việt còn thể hiện khả năng dẫn điện vượt trội. Mặc dù mới được phát hiện cách đây không lâu nhưng CNTs đã có mặt trong rất nhiều những nghiên cứu chuyên sâu và đã có những ứng dụng thưc tế quan trọng. PEDOT-PSS, một dẫn suất của PEDOT, là một polymer dẫn sử dụng nhiều trong công nghệ chế tạo OLED bởi khả năng dẫn điện cũng như cho ánh sáng truyền qua. Tổ hợp vật liệu composite giữa CNTs và PEDOT-PSS được dự đoán sẽ là một vật liệu composite mới thích hợp để chế tạo ra các loại màng mỏng có đặc tính dẫn và ánh sáng dễ dàng truyến qua. Vật liệu tổ hợp nanocomposite của PEDOT-PSS và CNTs với các tỷ lệ thành phần khối lượng khác nhau đã được nghiên cứu chế tạo. Màng mỏng trong suốt và có đặc tính dẫn đã được sử dụng làm lớp truyền lỗ trống trong công nghệ chế tạo OLED. Tổ hợp CNTs/PEDOT:PSS theo khối lượng có độ dẫn tốt nhất và độ truyền qua cao, đã được sử dụng chế tạo linh kiện OLED cấu trúc đa lớp. Các kết quả nghiên cứu cho thấy OLED sử dụng màng tổ hợp nanocomposite của PEDOT-PSS và CNTs có sự cải thiện rõ rệt về cường độ, hiệu suất cũng như độ ổn định và tuổi thọ của linh kiện.
Lời cam đoan Khóa luận này được thực hiện với sự nghiêm túc, tỉ mỉ và cố gắng của tác giả. Tác giả cam đoan không sao chép bất cứ một tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác mà không trích dẫn. Tất cả các tài liệu tham khảo đã được trính dẫn c ụ thể và rõ ràng trong bản khóa luận.
MỤC LỤC Nguyễn Duy Khanh..................................................................................................... 1 .............................................................................................................................. 2 ...................................................................................................................... 2 Polythiophene.............................................................................................. 2 Hình 1. Cấu trúc phân tử của một vài polymer dẫn thông dụng...........................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CNTs Carbon Nano Tubes Ống nano cacbon EL Emission Layer Lớp phát ETL Electron Transport Layer Lớp truyền dẫn điện tử FESEM Field Emission Scanning Kính hiển vi điện tử quét phát Electron Microscopy xạ trường FTIR Fourier Transform Infrared Phổ hồng ngoại biến đổi spectroscopy Fourier HOMO Highest Occupied Molecular Vùng quỹ đạo phân tử được Orbital điền đầy cao nhất HTL Hole Transport Layer Lớp truyền dẫn lỗ trống ITO Indium Tin Oxide Oxit của Indium và thiếc LUMO Lowest Unoccupied Vùng quỹ đạo phân tử được Molecular Orbital điền đầy thấp nhất MEH-PPV poly[2-methoxy-5-(2′- ethylhexyloxy)-1,4- phenylenevinylene MWCNTs Multiple Wall Carbon Nano Ống Nano Cacbon đa tường Tubes PEDOT:PSS Poly(3,4- ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) PVK poly(N-vinylkarbazone)
SWCNTs Single Wall Carbon Nano Ống nano cacbon đơn tường Tubes TL Transport Layer Lớp truyền
MỞ ĐẦU Điốt phát sáng hữu cơ (OLED) đang là đề tài hấp dẫn để nghiên cứu cho những ứng dụng mà nó mang lại. So với điốt phát sáng thông thường (LED), OLED có những ưu thế vượt trội như bền, nhẹ, hiệu suất phát sáng cao, màn hình bằng OLED cho góc nhìn rộng, sắc nét, có thể uốn cong, tiêu thụ điện năng ít…Chính vì những ưu điểm vượt trội so với LED thông thường nên hiện nay, rất nhiều hãng công nghệ quan tâm nghiên cứu và chế tạo. Cấu trúc của một OLED cơ bản (single device) gồm 3 phần chính: Điện cực anốt, điện cực catốt và lớp phát quang hữu cơ kẹp giữa hai điện cực. Thông thường điện cực anốt được sử dụng là màng ITO trong suốt có khả năng cho ánh sáng truyền qua. Lớp phát quang hữu cơ là các polymer dẫn như PPV; PPP; MEH-PPV hay các phân tử hữu cơ nhỏ như Alq 3; TPD…, lớp này chính là nơi xảy ra sự tái hợp của điện tử và lỗ trống và phát ra ánh sáng. Điện cực catốt đ ược phủ trên lớp phát quang, lớp điện cực này thường được làm bằng kim loại chẳng hạn như Al. Với cấu trúc OLED đơn lớp như vậy, cường độ và hiệu suất phát sáng cũng như độ ổn định của linh kiện là không cao. Chính vì vậy các linh kiện OLED có cấu trúc đa lớp được quan tâm nghiên cứu và chế tạo nhằm khắc phục các nhược điểm của OLED cấu trúc đơn lớp. Việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các vật liệu có khả năng truyền dẫn điện tử và lỗ trống tốt làm các lớp truyền (TL) giữa điện cực và lớp phát quang trong chế tạo linh kiện đa lớp nhằm cải thiện sự tiếp xúc tại bề mặt phân chia pha và tăng cường sự dịch chuyển của các dòng hạt tải là hướng nghiên cứu đã và đang được quan tâm hiện nay, mang lại nhiều triển vọng ứng dụng thực tế cho OLED . Kể từ khi phát hiện năm 1991 đến nay, ống nanocacbon luôn là đề tài nóng thu hút các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn bởi những đặc tính ưu việt c ủa nó. Các đặc tính đó là: độ bền cơ học cao, dẫn điện dẫn nhiệt tốt...Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ lợi dụng tính dẫn điện siêu việt của nó để tạo lớp màng đệm cho OLED. Trong khi đó, PEDOT:PSS là một dẫn suất của PEDOT sử dụng nhiều trong chế tạo các linh kiện điện tử bán dẫn. Nếu như có thể tổ hợp được hai vật liệu này thành một vật liệu composite sẽ cho độ dẫn điện rất tốt, khả năng truyền quang cao có thể dùng làm lớp truyền dẫn hạt tải cho OLED và vì thế tăng khả năng làm vi ệc cũng như cải thiện hiệu suất của OLED. Trên cơ sở đó, nội dung nghiên cứu của đề tài được xác định là: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất màng mỏng nanocomposite trên cơ sở ống nano cacbon ứng dụng trong chế tạo OLED. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỐT PHÁT QUANG HỮU CƠ (OLED) 1.1. Vật liệu polymer dẫn 1.1.1. Giới thiệu chung về polymer dẫn Polymer dẫn là các polymer có hệ thống nối đôi liên hợp trong cấu trúc phân tử, đây là chất bán dẫn hữu cơ. Ưu điểm của polymer dẫn là dễ gia công, chủ yếu bằng cách hòa tan trong dung môi. PPV PPP Polythiophene Hình 1. Cấu trúc phân tử của một vài polymer dẫn thông dụng. Các hạt tải trong chất bán dẫn hữu cơ là điện tử và lỗ trống trong liên kết π. Sự truyền hạt tải trong chất bán dẫn hữu cơ phụ thuộc vào các quỹ đạo liên kết π và sự chồng chập của các hàm sóng cơ học lượng tử. Khả năng truyền hạt tại phụ thuộc vào khả năng các hạt tải vượt qua từ một phân tử này tới một phân tử khác. Các polymer truyền thống như polyethylene, các điện tử hóa trị được liên kết trong các liên kết hóa trị lai hóa sp3. Chẳng hạn như các điện tử liên kết sigma có độ linh động thấp và không góp phần vào quá trình dẫn điện. Tuy nhiên, đối với các polymer dẫn thì điều này lại hoàn toàn khác. Các polymer dẫn có các tâm cacbon lai hóa liền kề nhau sp2, mỗi điện tử hóa trị trên mỗi tâm cư trú trong quỹ đạo pz, liên kết này trực giao (vuông góc) với 3 liên kết sigma khác. Các điện tử trong các quỹ 2
đạo dịch chuyển này có độ linh động cao khi vật liệu được pha tạp bởi quá trình oxi hóa. Vì vậy các quỹ đạo liên hợp p hình thành một cấu trúc vùng điện tử một chi ều và các điện tử bên trong vùng này trở lên linh động khi cấu trúc vùng không điền đầy một phần. Cấu trúc vùng của polymer dẫn có thể dễ dàng tính toán bằng một mô hình liên kết chặt. Về mặt lý thuyết, các vật liệu giống nhau có thể đ ược pha t ạp bằng quá trình khử như thêm vào các điện tử tới một vùng không đầy khác. Trong thực tế, tất cả các vật liệu dẫn hữu cơ được pha tạp để trở thành vật liệu bán dẫn loại p. Phản ứng oxi hóa khử pha tạp của các vật liệu dẫn hữu cơ giống như quá trình pha tạp trong chất bán dẫn silic mà một phần nhỏ nguyên tử silic được thay thế bằng các vật liệu ít điện tử (Bo) hay nhiều điện tử (P) để tạo thành chất bán dẫn loại n hay loại p. Sự khác nhau đáng kể nhất giữa polymer dẫn và các chất bán dẫn vô cơ là độ linh động điện tử của polymer dẫn thấp hơn nhiều so với các chất bán dẫn vô cơ. Sự khác nhau này ngày nay đã được cải thiện nhờ việc phát minh ra các polymer mới và sự phát triển của các kĩ thuật mới trong quá trình tổng hợp polymer. Độ linh đ ộng của các hạt tải thấp liên quan đến sự mất trật tự của cấu trúc. Thực tế, đối v ới các chất bán dẫn vô định hình vô cơ, độ dẫn điện như là một hàm của độ rộng vùng linh động (“mobility gaps”)[7] với phonon linh động và polaron xuyên hầm giữa các trạng thái xác định. Các polymer dẫn không pha tạp, trạng thái ban đầu có thể là chất bán dẫn hay cách điện. Chẳng hạn như độ rộng vùng cấm năng lượng lớn hơn 2 eV là quá l ớn đối với chuyển động nhiệt. Vì vậy, các polymer dẫn không pha tạp như polythiophenes, polyacetylenes chỉ có độ dẫn thấp khoảng 10-10 đến 10-8 S/cm. Tuy nhiên, chỉ cần pha tạp rất ít (
1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn hữu cơ Hình 2. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng trong chất bán dẫn hữu cơ. Trong chất bán dẫn hữu cơ, tồn tại hai vùng gọi là vùng quỹ đạo phân tử được điền đầy cao nhất (Highest Highest Occupied Molecular Orbital-HOMO) và vùng quỹ đạo phân tử được điền đầy thấp nhất (Lowest Unoccupied Molecular Orbital- LUMO). Hai vùng HOMO và LUMO này tương ứng giống như hai vùng hóa trị và vùng dẫn trong chất bán dẫn vô cơ. Ở trạng thái cơ bản vùng HOMO có các điện tử được điền đầy trong khi vùng LUMO không có điện tử. Khi có tác nhân kích thích chẳng hạn như ánh sáng hay nhiệt độ, các điện tử ở vùng HOMO nhận năng l ượng và ở trạng thái kích thích, nếu chúng nhận năng lượng đủ lớn chúng có thể nhảy lên vùng LUMO, quá trình này cũng giống như quá trình điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn khi điện tử được kích thích trong chất bán dẫn vô cơ. Ở nhiệt độ đ ủ cao, các điện tử có thể nhảy lên từ vùng HOMO lên vùng LUMO nhờ năng lượng chuyển động nhiệt của các điện tử. Trong trường hợp kích thích bằng ánh sáng, các điện t ử sẽ hấp thụ photon để thu nhận đủ năng lượng và nhảy lên vùng LUMO. Lưu ý rằng photon ánh sáng kích thích phải có năng lượng lớn hơn hiệu năng lượng giữa hai vùng HOMO và LUMO thì điện tử mới thu nhận đủ năng lượng để nhảy lên vùng LUMO. Tóm lại, khi điện tử được kích thích nó sẽ từ vùng HOMO nhảy lên vùng LUMO nên tồn tại sự xen phủ (chồng chập) giữa các đám mây điện tử giữa hai vùng này và do đó chất bán dẫn hữu cơ có thể dẫn điện. 4
1.1.3. PEDOT và dẫn suất Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) hay PEDOT-PSS là một dẫn suất của Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), nó là một polymer dẫn được sử dụng nhiều trong công nghiệp điện tử và bán dẫn. Ưu điểm của PEDOT- PSS là nó có độ truyền quang tốt trong trạng thái dẫn điện, độ ổn đ ịnh cao, độ r ộng vùng cấm vừa phải. Hình 2 trình bày công thức phân tử của PEDOT và PEDOT-PSS. n (a) (b) Hình 2. Công thức phân tử của PEDOT (a) và PEDOT-PSS (b). PEDOT là một polymer dẫn tạo thành từ các monomer 3,4- ethylenedioxylthiophene (EDOT). PEDOT-PSS được sử dụng làm polymer dẫn điện và truyền quang với đặc tính mềm dẻo cho rất nhiều ứng dụng. Do có độ dẫn cao, nó có thể sử dụng làm catot trong tụ điện. PEDOT-PSS có thể tạo ra một màng mỏng dẫn bằng cách phân tán đều nó trên một đế thủy tinh bằng phương pháp quay phủ. Đặc biệt, các loại mực sử dụng PEDOT-PSS được sử dụng trong các quá trình in ấn và quay phủ. Các hạt PEDOT-PSS có thể được tạo ra bằng cách làm lạnh khô tức là phân tán lại trong nước hay các dung môi khác, chẳng hạn như ethanol làm tăng tốc độ sấy khô trong quá trình in. Một ứng dụng khác nữa là PEDOT-PSS được dùng để khắc phục sự thoái hóa, biến chất vật liệu do ánh sáng tử ngoại, nhiệt độ và độ ẩm cao gây ra. 5
1.2. Ống nano cacbon (CNTs) Có thể nói, CNTs là vật liệu đang được quan tâm nhiều trong khoa học và công nghệ hiện nay bởi các tính chất ưu việt. Kể từ khi được phát hiện ra vào năm 1991 đến nay, chỉ trong thời gian ngắn CNTs đã có mặt trong rất nhiều những ứng dụng khoa học & công nghệ nổi bật. Ống nano cacbon (CNTs) là ống có cấu trúc hình trụ cấu tạo bởi các nguyên tử cacbon, cấu trúc thành các vòng sáu cạnh. CNTs có thể được hình thành với tỉ l ệ chiều dài và đường kính lên tới 132.000.000:1.[17]. CNTs có các tính chất nổi bật hơn rất nhiều vật liệu khác nên nó có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghệ nano, điện tử, quang học và các lĩnh vực khác của khoa học vật liệu. 1.2.1. Phân loại CNTs được chia thành 2 loại chính: Ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs) và ống nano cacbon đa tường (MWCNTs), ngoài ra còn một số dạng khác như Torus (đế hoa), Nanobud (núm hoa). 1.2.1.1. Ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs) Tất cả các SWCNTs đều có đường kính gần bằng 1 nm, với chiều dài ống có thể gấp hàng triệu lần đường kính. Cấu trúc của một SWCNTs có thể tưởng tượng như một cuộn giấy tròn hình trụ. Các cuộn này được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m). Các số nguyên n và m chỉ ra số vector đơn vị dọc theo hai hướng trong mạng tinh thể “tổ ong” của graphene. Nếu như m = 0, ống nano cacbon là zigzag. Nếu n = m, ống nano cacbon gọi là armchair. Các trường hợp khác chúng được gọi là chiral. Đường kính của ống nano cacbon có thể được tính từ các chỉ số (n,m) của chúng: Với a = 0.246 nm. 6
Hình 3. Sự sắp xếp theo hệ thống của ống nano cacbon có cặp chỉ số (n,m) có thể được biểu diễn qua vector (Ch) trong tấm graphene vô hạn mô tả tấm này cuộn lên như thế nào để tạo thành ống nano cacbon. T biểu diễn trục ống, a1, a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực. Armchair Zigzag Chiral Hình 4. Các cấu trúc của CNTs. SWCNTs thể hiện các tính chất điện khác biệt so với ống nano cacbon đa tường. Cụ thể, độ rộng vùng cấm có thể thay đổi từ 0 eV đến 2 eV và đ ộ dẫn đi ện có thể là kim loại hay bán dẫn trong khi MWCNTs có độ rộng vùng cấm bằng không tức dẫn điện như kim loại. SWCNTs được sử dụng để thu nhỏ các linh kiện điện tử, chúng có thể làm dây điện cho độ dẫn điện rất tốt. Một trong những ứng dụng hữu ích của SWCNTs là được sử dụng trong transistors hiệu ứng trường (FET). Sản phẩm sử dụng trạng thái logic nội phân tử đầu tiên là dùng FET dựa trên SWCNTs đã thành công trong báo cáo gần đây[2]. Để tạo ra một trạng thái logic chúng ta phải có cả p-FET và n-FET. 7
1.2.1.2. Ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) Ống nano cacbon đa tường bao gồm nhiều lớp graphite cuộn lại tạo thành các ống hình trụ đồng tâm. Có 2 mô hình có thể dùng để mô tả các cấu trúc của MWCNTs. Theo mô hình của Russian Doll, các tấm graphite được sắp xếp trong các hình trụ đồng tâm, một ống nano cacbon với đường kính nhỏ hơn nằm trong các ống nano cacbon với đường kính lớn hơn. Theo mô hình của Parchment, một tấm graphite được cuộn vào giống như một cuộn giấy hay một cuộn báo. Khoảng cách giữa các lớp trong các ống nano cacbon đa tường gần bằng với khoảng cách giữa các lớp graphene khoảng 3,4 Å. Trong các ống nano cacbon đa tường, ống nano cacbon hai tường được quan tâm bởi hình thái học và các tính chất rất giống với ống nano cacbon đơn tường nhưng điện trở và tính chất hóa học của chúng được cải thiện đáng kể. Đây là t ầm quan trọng đặc biệt khi chúng ta chức năng hóa nó (nghĩa là ghép các nhóm chức hóa h ọc lên bề mặt của ống) để thêm các tính chất mới cho ống nano cacbon. Đối với trường hợp SWCNT, chức năng hóa cộng hóa trị sẽ làm gẫy một số liên kết đôi C=C, để lại các lỗ trống trong cấu trúc của ống nano cacbon và thay đổi cả hai tính chất điện và cơ của chúng. Trong trường hợp ống nano cacbon 2 tường, chỉ một tường ngoài được biến tính. 1.2.2. Các tính chất 1.2.2.1. Độ bền cơ Ống nano cacbon là loại vật liệu bền nhất, cứng nhất được biết đến hiện nay. Độ bền này là kết quả của liên kết hóa trị sp 2 được hình thành giữa các nguyên tử cacbon. Vào năm 2000, ống nano cacbon đa tường đã được kiểm tra và có đ ược kết quả độ bền kéo là 63 GPa. Điều này được hình dung bằng một sợi dây cáp có ti ết diện 1mm2 có thể chịu được lực căng 6422 kg. Khối lượng riêng của ống nano cacbon rất thấp với khoảng 1,3 -1,4 g/cm3, là vật liệu có sức bền riêng lớn nhất hiện nay với giá trị lên tới 48.000 kN.m/kg so với độ bền của thép cacbon chất l ượng cao là 154 kN.m/kg. 8
Bảng 1. So sánh các tính chất cơ học của CNTs với các cấu trúc khác nhau. [3],[8], [13],[15] Vật liệu Suất Young (TPa) Độ bền kéo Độ giãn đến điểm gãy (%) SWCNT 1-5 13-53 16 Armchair SWCNT 0,94 126,2 23,1 Zigzag SWCNT 0,94 94,5 15,6-17,5 Chiral SWCNT 0,92 MWCNT 0,2-0,8-0,95 11-63-150 Inoc 0,186-0,214 0,38-1,55 15-50 Kevlar (áo chống 0,06-0,18 3,6-3,8 2 đạn) 1.2.2.2. Độ cứng Ống nano cacbon đơn tường có thể chịu đựng được áp lực lên tới 24GPa mà không bị biến dạng. Áp lực lớn nhất đo được là 55 GPa, tuy nhiên, các ống nano siêu cứng này sẽ bị gãy tại một áp lực cao hơn. 1.2.2.3. Tính dẫn điện Do cấu trúc đối xứng của graphene, cấu trúc của ống nano cacbon ảnh hưởng mạnh đến các tính chất điện của nó. Chỉ số (m,n) của CNTs cho biết nó là kim loại, á kim hay bán dẫn cũng như độ rộng vùng cấm của chúng. Với một ống có chỉ số (n,m), nếu n = m thì ống là kim loại; nếu |n – m| =3k (k là số nguyên) thì ống là kim loại; nếu |m-n| = 3k +1, ống là bán dẫn; các trường hợp còn lại là chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm vừa phải. Bảng sau đây ghi lại tính chất dẫn điện của CNTs: Bảng 2. Cấu trúc của CNTs với chỉ số (m,n). 9
Cấu trúc của Chỉ số a (m,n) Đặc tính dẫn CNTs điện Armchair (n,n) Kim loại Zigzag (n,0) và n/3 nguyên Kim loại Zigzag (n,0) và n/3 không nguyên Bán dẫn Chiral |n-m| = 3k Kim loại Chiral |n-m| = 3k +1 Bán dẫn Tuy nhiên, các điều kiện trên cũng có ngoại lệ, bởi cấu trúc cong ảnh hưởng tới các ống nano cacbon có đường kính nhỏ có thể ảnh hưởng mạnh đến các tính chất điện. Vì vậy, SWCNT với a (5,0) theo điều kiện trên là bán dẫn nhưng thực chất nó lại là kim loại, điều này đã được xác định trong thực nghiệm. Theo lý thuyết, các ống nano kim loại có thể tải một dòng với mật độ dòng điện lên tới 4.109 A/cm2, lớn hơn 1000 lần so với các kim loại dẫn thông thường như đồng. MWCNTs với các lớp vỏ có mối liên hệ bên trong trở thành siêu dẫn tại nhiệt độ chuyển tiếp tương đối cao với Tc = 12K, ngược lại, giá trị Tc này là thấp đối với ống nano cacbon đơn tường hay ống nano cacbon đa tường không có các l ớp v ỏ liên kết với nhau. 1.2.2.4. Tính dẫn nhiệt Tất cả các ống nano cacbon đều dẫn nhiệt tốt dọc theo các ống, Các kết quả đo được chỉ ra rằng, một ống SWCNT tại nhiệt độ phòng dẫn nhiệt dọc theo tr ục của nó lên tới 3500 W.m-1.K-1 so với đồng được coi là kim loại dẫn nhiệt tốt cũng chỉ đạt được 385 W.m-1.K-1. Độ ổn định nhiệt của ống nano cacbon được xác định lên tới 2800oC trong chân không và 750oC trong không khí. 1.2.2.5. Tính chất quang 10
Các tính chất quang của CNTs liên quan đến sự hấp thụ, sự phát quang và phổ tán xạ Raman của nó. Các tính chất này cho phép xác định đặc điểm “chất lượng ống nano cacbon” nhanh chóng và chính xác. 1.2.2.5.1. Hấp thụ quang Hấp thụ quang trong CNTs khác với hấp thụ quang trong vật liệu khối 3D thông thường bởi sự hiện diện của các đỉnh nhọn (ống nano cacbon có cấu trúc 1D) thay vì một ngưỡng hấp thụ bởi sự tăng hấp thụ (trong trạng thái rắn có cấu trúc 3D). Hấp thụ trong ống nano bắt đầu từ sự chuyển tiếp điện tử từ v 2 đến c2 hay từ v1 đến c1. Sự chuyển tiếp này là tương đối nhanh và có thể sử dụng để nhận ra các loại ống nano. Chú ý rằng, độ sắc của đỉnh càng giảm thì năng lượng càng tăng và nhiều ống nano có các mức năng lương tương tự E22, E11 và vì thế có sự chồng chập đáng kể trong phổ hấp thụ. Hình 5. Cấu trúc năng lượng hấp thụ quang của CNTs. Hấp thụ quang thường được sử dụng để xác định chất lượng của bột ống nano cacbon. 11
Hình 6. Phổ hấp thụ quang từ sự phân tán của ống nano cacbon đơn tường. 1.2.2.5.2. Sự phát quang Hiện tượng phát sáng quang hóa (PL) là một trong những công cụ quan trọng để xác định đặc điểm của ống nano cacbon. Cơ chế của hiện tượng phát sáng quang hóa thường được mô tả như sau: một điện tử trong ống nano cacbon hấp thụ ánh sáng kích thích từ chuyển tiếp S22 tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống (exciton). Cả điện tử và lỗ trống nhanh chóng nhảy từ trạng thái c2 đến c1 và từ v2 đến v1. Sau đó chúng tái hợp thông qua một quá trình chuyển đổi ánh sáng phát xạ từ c1 đến c2. 1.2.2.5.3. Tán xạ Raman Phổ tán xạ Raman có độ phân giải và độ nhạy tốt. Tán xạ Raman trong SWCNTs là cộng hưởng, tức là chỉ những ống được dò có một độ rộng vùng cấm bằng với năng lượng kích thích laser. Hình 7. Phổ Raman của SWCNTs. Cũng giống như phổ PL, năng lượng của ánh sáng kích thích có thể được quét vì vậy mà tạo ra được phổ Raman. Phổ này cũng chứa các đặc điểm nổi bật nhân ra chỉ 12