Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

129
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon (CNTs) và ứng dụng chất lỏng chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU, LED).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON TRONG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ HỘI- 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG NANO CACBON TRONG CHẤT LỎNG TẢN NHIỆT CHO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHAN NGỌC MINH HÀ NỘI - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi – học viên Nguyễn Thị Hương, chuyên ngành Vật lý Chất rắn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phan Ngọc Minh. Các số liệu, kết quả trong bản luận văn này là hoàn toàn trung thực, không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào. Nếu bản luận văn này được sao chép từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo và pháp luật. Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Hƣơng
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Phan Ngọc Minh, người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Bùi Hùng Thắng, người thầy đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong học tập và nghiên cứu khoa học. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo bộ môn Vật lý Chất rắn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ trong phòng Vật liệu Cacbon nano, Viện Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ em tận tình, tạo điều kiện thuận lợi và cho em nhiều kinh nghiệm quí báu trong suốt quá trình làm thí nghiệm, nghiên cứu, hoàn thành luận văn. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Hƣơng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU .................................................................. vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon ............................................................5 1.1.1 Lịch sử phát triển .........................................................................................5 1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon ...................................................................10 1.1.3 Tính chất của vật liệu CNTs ......................................................................13 1.1.4 Một số ứng dụng của ống nano cacbon .....................................................21 1.1.5 Các phương pháp chế tạo ống nano cacbon ..............................................22 1.2 Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs .....................................................28 1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano ..........................................................................28 1.2.2 Các phương pháp chế tạo ..........................................................................28 1.2.3 CNTs - Nanofluids ....................................................................................30 1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano ....................................................................35 2.1 Phương án thực nghiệm ...................................................................................42 2.2 Thực nghiệm chế tạo CNTs - nanofluids .........................................................42 2.2.1 Các hóa chất và vật liệu sử dụng ...............................................................42 2.2.2 Biến tính gắn nhóm chức - OH lên vật liệu CNTs ....................................43 2.2.3 Phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt ..................................................44 2.3 Thực nghiệm ứng dụng tản nhiệt cho linh kiện điện tử ...................................44 iii
2.3.1 Ứng dụng CNTs - nanofluids trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ........44 2.3.2 Ứng dụng CNTs trong đèn LED công suất lớn .........................................47 2.4 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu ...................................49 2.4.1 Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) ..............................................49 2.4.2 Phổ Raman ................................................................................................50 2.4.3 Phổ Zeta - Sizer .........................................................................................51 2.4.4 Phép đo hình thái học SEM .......................................................................51 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................54 3.1 Kết quả biến tính gắn nhóm chức - OH vào CNTs..........................................54 3.2 Kết quả phân tán CNTs - OH trong chất lỏng tản nhiệt EG/DW ....................57 3.3 Cơ chế phân tán CNTs trong chất lỏng tản nhiệt.............................................59 3.4 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho vi xử lý máy tính .......61 3.4.1 Tản nhiệt bằng quạt ...................................................................................61 3.4.2 Tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs .....................................62 3.5 Kết quả ứng dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs cho LED công suất lớn ....63 3.6 Cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt .................................................................65 KẾT LUẬN ..............................................................................................................69 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ……… 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71 iv
DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon ..............................................5 Hình 1.2. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang ....................................6 Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên .......7 Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80 ...........................8 Hình 1.5. Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991........................9 Hình 1.6. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs........................10 Hình 1.7. a) Lớp graphen được cuộn lại; b) quả cầu fullerences và khép kín đầu của ống nano cacbon ........................................................................................................11 Hình 1.8. (a) Véc tơ chiral; (b) CNTs loại amchair (5, 5); zigzag (9, 0) và chiral (10, 5)................................................................................................................................12 Hình 1.9. Các sai hỏng trong cấu trúc lục giác .........................................................13 Bảng 1. So sánh tính chất cơ của CNTs với một số vật liệu. ....................................14 Hình 1.10. a) Cấu trúc điện tử của hàm phân bố năng lượng; b) vùng Brillouin của graphene ....................................................................................................................17 Hình 1.11. Hàm phân bố năng lượng: a) armchair (5,5); b) zigzag (9,0); c) zigzag (10,0) .........................................................................................................................18 Hình 1.12. So sánh độ dẫn nhiệt của CNTs với các vật liệu khác ............................19 Hình 1.13. a) Sự phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của CNTs vào nhiệt độ; b) So với graphite và mạng graphene .......................................................................................20 Hình 1.14. Màn hình hiển thị làm từ CNTs ứng dụng phát xạ trường......................20 Hình 1.15. Sơ đồ thiết bị hồ quang điện ...................................................................23 Hình 1.16. Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay ...........................................24 Hình 1.17. Sơ đồ hệ thiết bị bốc bay bằng laser .......................................................25 Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt ........................................................................27 vii
Hình 1.19. Hệ CVD nhiệt chế tạo CNTs tại viện Khoa học vật liệu. .......................27 Hình1.20. Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids .............................................................31 Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt ................................32 Hình 1.21. Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) vào nồng độ % thể tích của CNTs trong chất lỏng ..........................................34 Hình 1.22. Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệt ...................................36 Hình 1.23. Modul đèn LED công suất 1,2 kW gồm 400 chíp LED trên diện tích 16 cm2 sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng của công ty COOLED chế tạo.37 Hình 1.24. Siêu máy tính của hãng IBM sử dụng chất lỏng tản nhiệt. .....................37 Hình 1.25. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google. ..............38 Hình 2.2. Quy trình phân tán CNTs trong chất lỏng .................................................44 Hình 2.3. Giao diện phần mềm Core Temp 1.0 RC5 ................................................45 Hình 2.4. Giao diện phần mềm Prime95 ...................................................................45 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng cho vi xử lý máy tính................46 Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống tản nhiệt cho đèn chiếu sáng LED 450 W .......................47 Hình 2.7. Sơ đồ (a) và ảnh thực (b) của đế nhôm tản nhiệt với 9 chíp LED ............48 Hình 2.8. Đèn LED công suất 450 W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs .......48 Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của giao thao kế Michelson ................................................49 Hình 2.10. Máy Zeta - sizer Nano ZS .......................................................................51 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử quét .....................52 Hình 3.1. Phổ FTIR truyền qua của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính gắn nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH .........................54 Hình 3.2. Phổ tán xạ Raman của vật liệu CNTs chưa biến tính; CNTs biến tính gắn nhóm chức - COOH và CNTs biến tính gắn nhóm chức – OH ................................55 viii
Hình 3.3. Phổ phân bố kích thước của CNTs - OH đo trên thiết bị Zeta - Sizer với thời gian rung siêu âm là 10 phút: (a) đo ngay sau khi phân tán CNTs - OH vào EG/DW; (b) đo sau khi lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán CNTs - OH vào EG/DW. ...................................................................................................................................57 Hình 3.4. Phổ tán phân bố kích thước của CNTs - OH đo trên thiết bị Zeta-Sizer sau khi để lắng đọng 72 h kể từ lúc phân tán trong các trường hợp: (a) rung siêu âm 20 phút; (b) rung siêu âm 30 phút; (c) rung siêu âm 40 phút. ........................................58 Hình 3.5. Ảnh SEM hình thái học bề mặt của: (a) vật liệu CNTs trước khi biến tính và phân tán vào EG/DW; (b) vật liệu CNTs sau khi biến tính và phân tán vào EG/DW ......................................................................................................................59 Hình 3.7. Kết quả đo nhiệt độ của CPU theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs với các nồng độ CNTs khác nhau. .....62 Hình 3.8. Nhiệt độ của đèn LED 450 W theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng độ khác nhau của CNTs. ....................................63 Hình 3.10. Mô tả cơ chế nâng cao hiệu quả truyền nhiệt từ chất lỏng ra giàn tỏa nhiệt khi sử dụng chất lỏng chứa thành phần CNTs. ................................................68 ix
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Viết tắt Tên đầy đủ AFM Kính hiển vi lực nguyên tử CNTs Ống nano cacbon CPU Vi xử lý máy tính CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi DEG Diethylene Glycol DW Nước cất EDX Phổ tán sắc năng lượng EG Ethylene Glycol EG/DW Hỗn hợp ethylene glycol với nước cất FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier LED Điốt phát quang MWCNTs Ống nano cacbon đa tường SEM Kính hiển vi điện tử quét SWCNTs Ống nano cacbon đơn tường TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua x
MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi điện tử, nano điện tử cho phép các linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả về mật độ linh kiện, công suất và tốc độ hoạt động. Tuy nhiên, các linh kiện điện tử, nhất là các linh kiện điện tử công suất lớn như điốt phát quang độ sáng cao (High Brightness LED – HBLED) hay vi xử lý máy tính (Center Processing Unit - CPU) với mật độ tích hợp transistor lên tới 400 triệu khi hoạt động trong một thời gian đủ dài sẽ tiêu tốn năng lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn có thể làm giảm hiệu quả, công suất cũng như độ bền. Do vậy, việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản nhiệt sẽ giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED, nâng cao tốc độ hoạt động của CPU nói riêng cũng như hiệu quả, và độ bền của các linh kiện điện tử công suất khác. Do đó, bài toán tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn là một bài toán quan trọng và cần được nghiên cứu giải quyết. Các phương pháp tản nhiệt phổ biến được sử dụng hiện nay là: tản nhiệt bằng quạt, ống dẫn nhiệt, dùng hóa chất tản nhiệt, làm mát bằng nhiệt điện, tản nhiệt bằng chất lỏng. Trong các phương pháp trên, phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng được ứng dụng rộng rãi cho các linh kiện điện tử công suất cao bởi giá thành hợp lí, khả năng tản nhiệt tốt và phù hợp với các linh kiện điện tử công suất cao. Sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng cao trong công nghiệp và đời sống, trong đó tiêu biểu là vật liệu ống nano cacbon (CNTs - Carbon NanoTubes). Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy vật liệu CNTs là vật liệu có độ dẫn nhiệt cao được biết đến hiện nay, với CNTs đơn sợi độ dẫn nhiệt có thể lên đến 2000 W/mK. Tính chất ưu việt này của CNTs đã mở ra hướng ứng dụng trong việc nâng cao độ dẫn nhiệt cho các vật liệu, trong hệ thống tản nhiệt cho các linh kiện và thiết bị công suất, đặc biệt là hướng ứng dụng trong chất lỏng tản nhiệt. Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon tại Viện Khoa học Vật liệu và những thành tựu của các nhóm nghiên cứu 1
trên thế giới về ứng dụng ống nano cacbon làm vật liệu tản nhiệt, chúng tôi đặt mục tiêu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn. Do đó, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu ứng dụng ống nano cacbon trong chất lỏng tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn” là đề tài Luận văn Thạc sỹ. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nano cacbon (CNTs) và ứng dụng chất lỏng chế tạo được trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất lớn (CPU, LED). Nội dung nghiên cứu - Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu nano cacbon (CNTs) bằng phương pháp hóa học. - Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng cách phân tán CNTs vào hỗn hợp ethylene glycol/ nước cất (EG/DW) sử dụng chất hoạt động bề mặt Tween và phương pháp rung siêu âm. - Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính Intel Core i5. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thánh phần CNTs với tản nhiệt bằng quạt từ đó đánh giá hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs. - Thử nghiệm chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho đèn LED công suất lớn 450 W. So sánh hiệu quả tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs và chất lỏng không chứa thành phần CNTs. - Đưa ra cơ chế nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho hệ thống linh kiện điện tử công suất lớn khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs. Phƣơng pháp nghiên cứu - Biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs bằng phương pháp hóa học. 2
- Kiểm tra kết quả gắn nhóm chức – OH bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và phổ tán xạ Raman. - Chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs bằng phương pháp hai bước (Two - step) sử dụng máy dung siêu âm và chất hoạt động bề mặt Tween. - Khảo sát cấu trúc, kích cỡ và các tính chất của chất lỏng chứa thành phần CNTs cho linh kiện điện tử công suất lớn bẳng phương pháp: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Thiết bị Zeta - sizer Nano ZS. - Đánh giá hiệu quả tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công suất lớn (450W) khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs bằng cách khảo sát quá trình tăng giảm nhiệt độ của CPU và LED thông qua các sensor nhiệt được tích hợp sẵn trong hệ thông thiết bị và phần mềm Core Temp 1.0 RC5. BỐ CỤC LUẬN VĂN Nội dung luận văn gồm 3 phần chính: CHƢƠNG I: TỔNG QUAN Giới thiệu chung về vật liệu ống nano cacbon, bao gồm cấu trúc, tính chất, ứng dụng và các phương pháp chế tạo. Khái niệm chất lỏng nano, chất lỏng nano chứa thành phần CNTs, phương pháp chế tạo và các ứng dụng của chất lỏng nano cũng được trình bày trong chương này. CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM Trình bày quá trình biến tính gắn nhóm chức – OH vào vật liệu CNTs, chế tạo chất lỏng nano chứa thành phần CNTs và ứng dụng chất lỏng nano chứa thành phần CNTs trong tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và đèn LED công suất lớn (450W). Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng để đánh giá hiệu quả, cấu trúc của vật liệu như: Phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman, 3
phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Giới thiệu các thiết bị và phần mềm được sử dụng trong quá trình thực nghiệm. CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Đánh giá kết quả biến tính, phân tán CNTs bằng phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán xạ Raman, phổ Zeta - Sizer và phép phân tích SEM. Kết hợp với kết quả thực nghiệm của quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính (CPU) và LED công suất lớn (450W) để đánh giá hiệu quả tản nhiệt của chất lỏng nano chứa thành phần CNTs. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu ống nano cacbon 1.1.1 Lịch sử phát triển  Cacbon Trong bảng hệ thống tuần hoàn cacbon là nguyên tố nằm ở vị trí thứ 6 (có 6 điện tử, nguyên tử lượng là 12), có cấu hình điện tử là 1s22s22p2 do đó nguyên tử cacbon có bốn điện tử hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa học [1], vì vậy các hàm sóng của bốn điện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các điện tử gọi là các trạng thái lai hóa. Cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau của cacbon. a) sp1 – dạng thẳng b) sp2 – dạng tam giác c) sp3 – dạng tứ diện Hình 1.1. Các trạng thái lai hóa khác nhau của cacbon Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1.1a) được tạo thành như một chuỗi dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cacbon. Dạng lai hóa này có thể được tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn. Trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp2 được tạo thành còn lại là một obital 2p. Ba obital đồng phẳng tạo với nhau một góc 120o (hình1.1b) và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các nguyên tố cacbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế 5
tiếp. Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cacbon tưởng tượng giống như một tấm cacbon đơn 2D phẳng trong đó góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cacbon là 120o trông giống như một mạng hình tổ ong. Mạng này thường tồn tại trong cấu trúc graphene (hình1.1b). Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1.1c), trong trạng thái này bốn obital lai hóa sp3 tương đương nhau được tạo thành định hướng theo các đỉnh của tứ diện đều quanh một nguyên tử và có thể tạo thành bốn liên kết σ bằng sự chồng chập với các obital của các nguyên tử bên cạnh. Một ví dụ điển hình là phân tử etan (C2H6), liên kết  Csp3 - Csp3 (C - C) được tạo thành giữa hai nguyên tử cacbon bởi sự chồng chập các orbital sp3 và ba liên kết  Csp3 - H1s được tạo thành tại mỗi nguyên tử cacbon. Trong tự nhiên trạng thái lai hóa sp3 thường tồn tại trong cấu trúc Kim cương.  Graphite Graphite hay than chì là một dạng thù hình của cacbon, có cấu trúc lớp. Mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như là một dạng liên kết Van - Der - Waals. Bên trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cacbon liên kết phẳng với ba nguyên tử cacbon khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 120o.[30] Hình 1.2. Cấu trúc Graphite a) Chiều đứng; b) Chiều ngang [30] Trong graphite, nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các lớp mạng lục giác song song. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å (hình 1.2a), giữa hai lớp mạng liền kề nhau là 3,34 Å như 6
được thể hiện trên (hình 1.2b). Dạng thù hình phổ biến nhất là than có màu đen như lá cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, than là dạng cacbon vô định hình trong đó các nguyên tử cacbon có tính trật tự cao, chủ yếu liên kết sp3, khoảng 10% liên kết sp2 và không có liên kết sp. Trong tự nhiên, các khoáng chất chứa graphite bao gồm: thạch anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin.  Kim cƣơng Như đã biết cacbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3. Các trạng thái lai hóa này hình thành nên các dạng vật chất khác nhau nhau trong tự nhiên. Kim cương là một dạng cấu trúc tinh thể khác của cacbon. Đây là dạng tinh thể thể hiện rõ nét nhất trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử cacbon, tồn tại ở dạng lập phương và lục giác. a) b) Hình 1.3. a) Cấu trúc tinh thể của Kim cương; b) Tinh thể Kim cương tự nhiên Cấu trúc của mạng tinh thể Kim cương được thể hiện trên hình 1.3a. Ở dạng lập phương, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác ở xung quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ sp3, các liên kết này đều là các liên kết cộng hóa trị. Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong tinh thể Kim cương là rất lớn nên Kim cương rất cứng và bền. Ô mạng cơ sở của Kim cương tạo thành trên cơ sở lập phương tâm mặt. Bốn nguyên tử cacbon bên trong chiếm tại các vị trí tọa độ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4). Khoảng cách giữa các 7
nguyên tử cacbon trong tinh thể Kim cương là 1,544 Å. Góc cố định giữa các liên kết cộng hóa trị trong mạng Kim cương là 109,5o. Cũng như graphite, Kim cương có độ dẫn nhiệt cao (cỡ 2000 W/m.K) và nhiệt độ nóng chảy lớn (cỡ 4500 K).  Fullerenes Năm 1985, trong khi nghiên cứu về cacbon Kroto và đồng nghiệp [30] đã khám phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cacbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình thứ ba này của cacbon được gọi là Fullerenes. Fullerenes là một lồng phân tử cacbon khép kín với các nguyên tử cacbon sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip. Fullerenes được biết đến đầu tiên là C60, có dạng hình cầu gồm 60 nguyên tử cacbon nằm ở đỉnh của khối 32 mặt tạo bởi 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều (hình 1.4a). Liên kết chủ yếu giữa các nguyên tử cacbon là liên kết sp2. Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do vậy các nguyên tử cacbon không có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip. Cấu trúc của phân tử C60 giống như một quả bóng đá nhiều múi nên để có được một mặt cầu, mỗi ngũ giác được bao quanh bởi năm lục giác. Sự có mặt của các ngũ giác cung cấp độ cong cần thiết cho sự hình thành cấu trúc dạng lồng. Năm 1990, Kratschmer [30] đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng điện hồ quang giữa 2 điện cực graphite có chứa C60 và các dạng fullerenes khác như C70, C80 (hình 1.4b, hình 1.4c). a) Fullerene C60 b) Fullerene C70 c) Fullerene C80 Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes a) C60; b) C70; c) C80 8
Fullerenes có rất nhiều ứng dụng trong thực tế hiện nay. Trong công nghệ may mặc, nhờ có tính chất siêu đàn hồi nên fullerenes có thể ứng dụng chế tạo các loại áo giáp trong chiến tranh. Ứng dụng đang nổi lên hiện nay là dùng fullerenes để mang dược phẩm dùng trong y tế. Người ta đã cho những ligand bám ở ngoài quả cầu fullerene dùng để ngăn chặn virus HIV tấn công các tế bào. Những thuốc chữa bệnh có sử dụng fullerenes kiểu này bắt đầu được bán trên thị trường. Việc kết hợp một số loại vật liệu với C60 hoặc các fullerenes khác có thể tạo ra một số loại vật liệu đa dạng hơn như các chất siêu dẫn, chất cách điện v.v… [1]  Ống nano cacbon Năm 1991, trong quá trình chế tạo fullerenes S. Iijima [23] đã khám phá ra một cấu trúc mới của cacbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này được gọi là ống nano cacbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.5). Hai năm sau, Iijima và Bethune tiếp tục khám phá ra ống nano cacbon đơn tường (SWCNTs) có đường kính 1,4 nm và chiều dài cỡ micromet. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống nano cacbon (CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNTs) và CNTs đa tường (MWCNTs) (hình 1.6a, hình 1.6b). Hình 1.5. Hình ảnh TEM của MWCNTs lần đầu tiên bởi Ijima 1991[23] Ống nano cacbon đơn tường có cấu trúc giống như là sự cuộn lại của một lớp than chì độ dày một nguyên tử (còn gọi là graphene) thành một hình trụ liền, và được khép kín ở mỗi đầu bằng một nửa phân tử fullerenes. Do đó, CNTs còn được 9
biết đến như là fullerenes có dạng hình ống gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị sp2 bền vững. (Hình 1.6a) Ống nano cacbon đa tường gồm nhiều ống đơn tường đường kính khác nhau lồng vào nhau và đồng trục, khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm. Ngoài ra, SWCNTs thường tự liên kết với nhau để tạo thành từng bó xếp chặt (được gọi là SWCNTs ropes) và tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng là 1,7 nm. Mỗi bó có thể gồm hàng trăm ống SWCNTs nằm song song với nhau và chiều dài có thể lên đến vài mm (hình 1.6b). a) b) Hình 1.6. Các dạng cấu trúc của CNTs: a) SWCNTs; b) MWCNTs Phát hiện mới về ống nano cacbon cũng như những tính chất đặc biệt của nó đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự góp mặt của CNTs đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học vật liệu mới: các vật liệu dựa trên cơ sở cacbon - vật liệu mới cho tương lai. 1.1.2 Cấu trúc của ống nano cacbon SWCNTs được định nghĩa là một tấm graphene được cuộn thành hình trụ tròn với đường kính khoảng 0,7 đến 10 nm (hầu hết là < 2nm). Mặc dù cơ chế phát triển không hoàn toàn là sự cuốn của các tấm graphene, nhưng mô hình tấm graphene được cuốn lại được sử dụng để giải thích cho những tính chất cơ bản của ống nano 10