Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu xây dựng một hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm xây một hệ thiết bị phát plasma ở áp suất khí quyển sử dụng khí Argon/ không khí. Chế tạo thử nghiệm các hạt nano bạc và nano carbon bằng hệ thiết bị phát plasma nhờ sự tương tác của plasma với dung dịch. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu xây dựng một hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ THỊ THỦY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT HỆ PHÁT PLASMA ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN, 10/2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VŨ THỊ THỦY NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT HỆ PHÁT PLASMA ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO Chuyên ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HẢO THÁI NGUYÊN, 10/2019
i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo, TS. Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các Thầy, Cô giáo Khoa Vật lý và Công nghệ, trường Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên, đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báu cũng như tạo điều kiện và giúp đỡ em trong việc học tập và hoàn thành luận văn này. Em cũng tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong Ban giám hiệu, các đồng nghiệp trong tổ Vật lý - Công nghệ trường THPT Gia Bình số 1 đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian đi học Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình học tập. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2019 Học viên Vũ Thị Thủy
ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ ............................................................. vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3 1.1. Tổng quan về vật lý plasma ..................................................................................3 1.1.1. Plasma là gì? ..................................................................................................3 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma ...................................................................4 1.2. Tổng hợp các vật liệu nano bằng phương pháp thông thường .............................6 1.3. Tổng hợp vật liệu nano bằng plasma ....................................................................8 1.4. Tổng hợp vật liệu nano bằng microplasma .........................................................10 1.4.1. Microplasma .................................................................................................10 1.4.2. Các hệ microplasma cho việc tổng hợp vật liệu nano..................................12 1.4.2.1 Phóng điện micro điện cực rỗng.............................................................12 1.4.2.2. Microplasma jet với điện cực ngoài ......................................................14 1.4.2.3. Microplasma jet với các điện cực tiêu thụ.............................................16 1.4.2.4. Hệ microplasma – chất lỏng ..................................................................18 1.5. Tổng quan về hạt nano bạc .................................................................................23 1.6. Tổng quan về hạt nano carbon ............................................................................25 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................28 2.1. Chế tạo nguồn cao áp cho phát microplasma .....................................................28 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ...................................................................28 2.1.2. Hệ microplasma cho việc chế tạo các hạt nano ...........................................29 2.2. Quy trình chế tạo mẫu .........................................................................................30 2.2.1.Các dụng cụ và hóa chất sử dụng .....................................................................30 2.2.1.1. Dụng cụ thí nghiệm.......................................................................................30
iii 2.2.1.2. Hoá chất ........................................................................................................30 2.2.2. Chế tạo nano bạc (AgNPs) bằng microplasma ...............................................30 2.2.3. Chế tạo nano carbon (C-dots) bằng microplasma............................................30 2.3. Phương pháp xác định các đặc trưng điện và quang của hệ microplasma .........31 2.3.1. Xác định các đặc trưng điện .........................................................................31 2.3.2. Xác định các đặc trưng quang ......................................................................33 2.4. Phương pháp khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất quang của vật liệu nano chế tạo được ...............................................................................................................33 2.4.1 Quang phổ hấp thụ UV-Vis ..........................................................................33 2.4.2. Phương pháp phổ huỳnh quang ....................................................................34 2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X .........................................................................36 2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..........................................38 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................39 3.1. Kết quả xây dựng hệ microplasma cho chế tạo vật liệu nano ............................39 3.1.1. Đặc trưng điện thế của hệ microplasma .......................................................39 3.1.2. Các đặc trưng quang phổ của hệ microplasma ............................................39 3.2. Kết quả chế tạo hạt nano bạc bằng hệ microplasma ...........................................43 3.2.1. Phổ nhiễu xạ tia X ........................................................................................43 3.2.2. Quang phổ hấp thụ UV-Vis .........................................................................43 3.2.3. Hình thái học của vật liệu AgNPs ................................................................ 47 3.3. Kết quả chế tạo hạt nano carbon bằng hệ microplasma .....................................49 3.3.1. Quang phổ hấp thụ UV-Vis .........................................................................49 3.3.2. Phổ huỳnh quang của C-dot .........................................................................50 3.3.3. Hình thái học của vật liệu C-dots .................................................................51 3.4. Kết quả chế tạo nanocomposit giữa C-dots và nano bạc ....................................52 KẾT LUẬN ..................................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57
iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt VOC Volatile organic compound Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi NMs Nanomaterials Vật liệu nano CCP Capacitive coupling plasma Plasma ghép điện dung ICP Inductive coupling plasma Plasma ghép cảm ứng DC Direct current plasma Plasma một chiều AC Alternating current plasma Plasma xoay chiều NPs Nanoparticles Các hạt nano CNTs Carbon nanotubes Ống nano carbon NSF Nanostructured films Màng mỏng nano O.D Outside diameter Đường kính ngoài I.D Inner diameter Đường kính trong CTAB Cetyltrimethylammonium Chất hoạt động bề mặt CTAB bromide SPR Surface Plasmon Resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt SERS Surface Enhanced Raman Tán xạ Raman tăng cường bề Scattering mặt C-dots Carbon nano dots Chấm nano carbon SWCNTs Single-wall carbon nanotubes Ống nano carbon đơn tường
v CCD Charge Coupled Device Linh kiện tích điện kép (cảm biến) A/D Converts analog into digital Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự / số UV-Vis Ultraviolet–visible Phổ tử ngoại khả kiến spectroscopy XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền qua Microscopy AgNPs Ag nanoparticles Các hạt nano bạc AuNPs Au nanopartilces Các hạt nano vàng
vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một bản tóm tắt các hệ microplasma được sử dụng để tổng hợp vật liệu nano Bảng 3.1. Các vạch phát xạ thu được trong phổ phát xạ của microplasma trong khí Ar
vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Jonhannes Stark 3 Hình 1.2. Irving Langmuir 3 Hình 1.3. Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của 4 vật chất Hình 1.4. Tổng số tiền tài trợ cho nghiên cứu công nghệ nano 6 tính tới năm 2015 Hình 1.5. Các ứng dụng quan trọng của microplasma 11 Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý phóng điện micro điện cực rỗng để 13 tổng hợp vật liệu nano Hình 1.7. Sơ đồ các microplasma jet với các điện cực bên ngoài 15 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của microplasma jet với điện cực dây 16 Au tiêu thụ Hình 1.9. Một máy phát điện tần số cao 450 MHz cho phép chế 17 tạo nano vàng AuNPs theo nguyên lý microplasma jet với điện cực dây Au tiêu thụ Hình 1.10 Thiết lập thí nghiệm và sơ đồ nguyên lý của hệ 19 plasma-chất lỏng tiếp xúc gián tiếp để điều chế các hạt nano Au Hình 1.11 Thiết lập sơ đồ và hình ảnh của hệ plasma-chất lỏng 21 tiếp xúc trực tiếp để tổng hợp hạt nano Sn Hình 1.12 Màu sắc của các bạc nano thay đổi theo kích thước hạt 23 Hình 1.13 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt 24 Hình 1.14 Ảnh TEM của các hạt C-dots 25 Hình 2.1. Sơ đồ mạch nguồn cao áp một chiều 28 Hình 2.2. Ảnh chụp bộ nguồn cao áp một chiều 28
viii Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm hệ chế tạo các hạt nano AgNPs 29 Hình 2.4. Ảnh chụp quá trình chế tạo hạt nano carbon bằng 31 plasma Hình 2.5. Hệ đo đặc trưng điện và quang của plasma 32 Hình 2.6. Ảnh chụp đầu dò điện cao áp và dao động ký số trong 32 hệ đo đặc trưng điện của plasma Hình 2.7. Máy quang phổ Avantes AvaSpec 33 Hình 2.8. Sơ đồ chuyển dời quang học của các phân tử 35 Hình 2.9. Cấu hình của một máy phổ kế huỳnh quang Carry 36 Eclipse Hình 2.10. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể 37 Hình 3.1. Điện thế của nguồn plasma 39 Hình 3.2. Phản xạ của tia X trên họ mặt mạng tinh thể 41 Hình 3.3. Đặc trưng phổ phát xạ của tia plasma trong không khí 42 (sử dụng bơm không khí). Hình 3.4. Giản đồ XRD của các hạt nano bạc chế tạo bằng kỹ 43 thuật plasma Hình 3.5. Hình ảnh dung dịch chứa hạt nano bạc ở các nồng độ 44 AgNO3 khác nhau Hình 3.6. Phổ hấp thụ UV-Vis của các hạt nano Ag chế tạo bằng 45 phương pháp plasma ở các nồng độ khác nhau của AgNO3 Hình 3.7. Phổ hấp thụ UV-Vis của các hạt nano Ag chế tạo bằng 46 phương pháp plasma ở các khoảng thời gian khác nhau Hình 3.8. Quang phổ phát xạ của microplasma trong suốt quá 47 trình tổng hợp nano Ag
ix Hình 3.9. Ảnh TEM của các hạt nano Ag chế tạo bằng phương 48 pháp tương tác plasma-dung dịch với nồng độ AgNO3 1 mM ở thời gian 10 phút Hình 3.10. Ảnh TEM của hạt AgNPs chế tạo bằng phương pháp 48 tương tác plasma-dung dịch với nồng độ tiền chất AgNO3 2 mM và thời gian tác dụng là 20 phút. Hình 3.11. Phổ hấp thụ của các hạt nano carbon 49 Hình 3.12. Các hạt C-dot dưới ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại UV 49 Hình 3.13. Phổ huỳnh quang phụ thuộc vào bước sóng kích thích 50 của C-dot Hình 3.14. Phổ huỳnh quang chuẩn hóa của C-dot ở các bước 51 sóng kích thích khác nhau Hình 3.15. Ảnh TEM của các hạt nano carbon chế tạo bằng kỹ 52 thuật plasma Hình 3.16. Phổ hấp thụ UV –Vis của dung dịch C-dots, 52 AgNPs và dung dịch composit C-dots/Ag chế tạo bằng phương pháp tương tác plasma-dung dịch Hình 3.17. Hình thái học của C-dots/Ag nanocomposit chế tạo 53 bằng phương pháp tương tác plasma tác-dung dịch
1 MỞ ĐẦU Plasma thường được gọi là trạng thái thứ tư của vật chất và thường được mô tả là hỗn hợp khí ion hóa hoàn toàn hoặc một phần. Do sự hiện diện của các thành phần mang năng lượng như electron, ion, nguyên tử, hạt tích điện và phân tử kích thích, plasma được áp dụng để kích thích hóa học, đặc biệt là những loại khó có thể nhận biết theo cách thông thường, như sự khử metan, chuyển đổi CO2, phân hủy VOC (Volatile organic compound), xử lý bề mặt polymer, xử lý y tế, tổng hợp vật liệu [1- 3] , v.v ... Công nghệ plasma đã được thương mại hóa và công nghiệp hóa trong các lĩnh vực sản xuất ozon, biến tính bề mặt vật liệu, làm sạch không khí /nước, cơ sở y tế, v.v., đã cho thấy hiệu quả năng lượng và lợi ích kinh tế đầy hứa hẹn. Trong vài thập kỷ qua, lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano (NMs) đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng nhờ các tính chất điện, quang, từ và xúc tác độc đáo của các vật liệu này [4]. Các hạt nano hợp kim và kim loại nguyên chất đã được ứng dụng làm vật liệu xúc tác, vi điện tử, quang điện tử và từ tính, cũng như bột nhão dẫn điện, pin nhiên liệu và điện cực pin [5]. Trong số các phương pháp khác nhau hiện nay để tổng hợp NMs, các kỹ thuật tạo plasma trong chất lỏng là tương đối mới. Hầu hết các báo cáo nghiên cứu plasma trong chất lỏng tổng hợp NMs đã được công bố sau năm 2005 [6] và sự quan tâm ngày càng tăng đối với kỹ thuật này do nhiều ưu điểm của nó như đơn giản trong thiết kế thực nghiệm. Đây là phương pháp chế tạo mới, có nhiều ưu điểm hứa hẹn sẽ thay thế được các phương pháp truyền thống. Thiết bị tổng hợp các hạt nano với kích thước nhỏ dựa trên sự phóng điện microplasma sẽ giúp chế tạo được nhiều loại các vật liệu nano với chất lượng tốt, nhanh và sạch [7-9]. Ở Việt Nam hiện có rất ít nhóm nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bằng phương pháp plasma do việc khó chế tạo nguồn điện cao áp phù hợp. Do đó, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài: Nghiên cứu xây dựng một hệ phát plasma để
2 chế tạo vật liệu nano. Thành công của hệ phát plasma để chế tạo vật liệu nano này sẽ là chìa khóa trong việc chế tạo các hạt nano khác nhau như kim loại, phi kim, oxit kim loại, nano carbon và vật liệu composit... Mục tiêu của đề tài - Xây một hệ thiết bị phát plasma ở áp suất khí quyển sử dụng khí Argon/ không khí. - Chế tạo thử nghiệm các hạt nano bạc và nano carbon bằng hệ thiết bị phát plasma nhờ sự tương tác của plasma với dung dịch. Nội dung của luận văn - Tổng quan về vật lý plasma và ứng dụng cơ bản. Tổng quan về chế tạo vật liệu nano theo phương pháp thông thường và phương pháp microplasma. Tổng quan về hạt nano bạc và nano carbon. - Xây dựng một bộ nguồn cao áp để làm nguồn phát microplasma cho việc tổng hợp các vật liệu nano. - Chế tạo thử nghiệm hạt nano bạc và nano carbon bằng phương pháp tương tác plasma-dung dịch. - Chế tạo thử nghiệm vật liệu nanocomposit giữa nano bạc và nano carbon bằng phương pháp tương tác plasma-dung dịch. Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo được chia làm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận
3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vật lý plasma 1.1.1. Plasma là gì? Cơ sở của ngành vật lý plasma có công đóng góp rất lớn của hai nhà vật lý Stark và Langmuir. Năm 1902, nhà Vật lý học người Đức Jonhannes Stark đã cho ra đời cuốn sách lý thuyết vật lý đầu tiên đầy đủ nhất về khí tích điện (Die Elektrizitaet in Gasen) và nhờ đó ông được nhận giải Nobel vật lý năm 1919 [10]. Sau đó đến năm 1923, nhà bác học Irving Langmuir (1881-1957) khám phá ra “dao động Plasma” trong chất khí bị ion hóa và đến năm 1928 ông là người đầu tiên chính thức đưa ra thuật ngữ “Plasma” cho ngành Vật lý [11]. Hình 1.1. Jonhannes Stark Hình 1.2. Irving Langmuir Trong trạng thái plasma đa số phân tử hay nguyên tử chỉ còn lại hạt nhân. Các electron không còn liên kết chặt chẽ với hạt nhân nữa nên chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân. Plasma không phải là vật chất phổ biến trên Trái đất nhưng các nghiên cứu cho thấy 99% vật chất đã phát hiện trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Plasma được coi là trạng thái đầu tiên của vật chất trong vũ trụ [11].
4 Hình 1.3. Các trạng thái và quá trình chuyển hóa trạng thái của vật chất Khi cung cấp năng lượng cho một chất rắn, sự chuyển động của những nguyên tử hoặc phân tử tăng lên làm vật chất chuyển sang trạng thái lỏng, sau đó thành trạng thái khí. Nếu tiếp tục cung cấp năng lượng cao hơn nữa thì quá trình va chạm giữa các hạt trong vật chất trở nên đủ mạnh khiến các hạt vỡ thành từng phần tạo thành các hạt mang điện tích là các electron và ion. Trạng thái này được gọi là plasma hay “trạng thái thứ tư” của vật chất, ba trạng thái trước đó lần lượt là rắn, lỏng và khí. Plasma xét trên toàn thể là hệ trung tính về điện tích vì trong tổng thể khối plasma có số lượng cân bằng nhau giữa điện tích âm và điện tích dương. Một đặc trưng đáng kể đến đầu tiên của plasma là các hạt tích điện và có năng lượng cao. Do đó môi trường plasma có thể phát ra ánh sáng từ bức xạ hồng ngoại với bước sóng vài trăm micromet tới bước sóng ngắn nằm trong vùng tử ngoại. Plasma ở nhiệt độ cao thậm chí còn có thể bức xạ một số bức xạ bước sóng ngắn hơn cả tia tử ngoại [11]. 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của plasma Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp nhờ hệ thống thiết bị máy móc hiện đại, tạo cơ hội cho việc ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, laser, đèn huỳnh quang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô bệnh và nhiều ứng dụng khác. Rất nhiều các bộ phận của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay được sản xuất dựa trên công nghệ plasma. Nói chung, plasma có ba đặc tính quan trọng để đưa vào ứng dụng:
5 (i) Nhiệt độ và mật độ năng lượng của một vài thành phần hạt trong plasma có thể vượt quá khả năng của công nghệ tạo nhiệt thông thường. Nhiệt độ của plasma có thể dễ dàng vượt qua mức 10.000 K nên trong một số lĩnh vực sản xuất công nghiệp đòi hỏi môi trường nhiệt độ cao duy trì liên tục thì plasma là lựa chọn có thể nghĩ đến đầu tiên [11]. Ví dụ, làm gốm tan chảy cần cung cấp cho lớp bề mặt gốm nhiệt độ trên 3000 K, không có lựa chọn nào hợp lý hơn sử dụng nhiệt tạo ra từ plasma. Trong lĩnh vực y học, plasma với nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn có thể dễ dàng đốt cháy và cắt các mô bệnh mà không làm chảy máu. Trong thực tế hiện nay ứng dụng đặc tính nhiệt độ cao và mật độ năng lượng lớn là phổ biến trong công nghệ, nghiên cứu khoa học và y học. (ii) Bên trong plasma có các phần tử hoạt chất (electron, các ion dương và âm, các nguyên tử và gốc tự do, các nguyên tử và phân tử bị kích thích, cũng như các photon có dải quang phổ rộng) với mật độ lớn và nồng độ cao. Mật độ lớn và nồng độ cao các hoạt chất là vô cùng cần thiết cho các ứng dụng plasma đóng vai trò nguồn để sinh ra tia lửa điện và đốt cháy, sinh ra ozon để làm chất ô xi hóa [11]. Trong y tế, việc tạo ra nồng độ cao các chất có thể hữu ích cho việc khử trùng các bề mặt mô sống, không khí và nước [3]. (iii) Trạng thái của môi trường plasma có thể khác xa so với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Do đó, nó có thể cho phép một nồng độ rất cao các thành phần hoạt chất có trong plasma mà vẫn duy trì nhiệt độ cỡ nhiệt độ phòng. Đặc tính này là riêng biệt của plasma. Đặc tính này được sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử và bán dẫn. Đa số các linh kiện của máy tính, điện thoại di động, tivi, đèn ánh sáng lạnh được sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh. Đặc tính này của plasma cũng được ứng dụng trong việc xử lý bề mặt polyme. Trong y học, plasma tạo ra môi trường hoạt chất hóa học nồng độ rất cao khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho việc điều trị đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khử khuẩn da và
6 các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trước đây điều trị không có hiệu quả bằng các phương pháp thông thường [11-13]. Ba đặc tính trên đã mở rộng phạm vi và số lượng các lĩnh vực, các ngành có thể ứng dụng plasma. Trong thực tế hiện nay ứng dụng của plasma vẫn đang tiếp tục được phát triển sang các ngành sản xuất khác và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y học. 1.2. Tổng hợp các vật liệu nano bằng phƣơng pháp thông thƣờng Vật liệu nano (nano-materials) là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số nhân. Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 và tăng lên hơn 100 tỷ đô la vào năm 2015 (Hình 1.4) và theo dự đoán sẽ vượt lên 125 tỷ đô la vào năm 2025 [14]. Vậy thì tại sao vật liệu nano lại thu hút được nhiều đầu tư về tài chính và nhân lực đến vậy? Hình 1.4. Tổng số tiền tài trợ cho nghiên cứu công nghệ nano tính tới năm 2015
7 Tính chất thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Chỉ là vấn đề kích thước thôi thì không có gì đáng nói, điều đáng nói là kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của một số tính chất. Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nano thì điều đó không đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này. Do kích thước thấp và diện tích bề mặt lớn, vật liệu nano thể hiện các tính chất độc đáo so với vật liệu khối, khiến chúng trở nên linh hoạt và hấp dẫn cho các ứng dụng bao gồm xúc tác cảm biến, phân phối thuốc, hiện ảnh sinh học, lưu trữ dữ liệu hay năng lượng và y sinh [15, 16]. Trong vài thập kỷ qua, đã có nhiều nỗ lực cho việc chế tạo vật liệu nano với kích thước, hình dạng và cấu trúc có thể điều khiển được, nhằm mục đích để tìm hiểu làm thế nào các tham số đó ảnh hưởng đến tính chất của hạt nano, và cuối cùng, để điều chỉnh chúng cho các ứng dụng cụ thể. Mặt khác, các nghiên cứu sâu rộng như vậy cũng dẫn đến một loạt các phương pháp mới hoặc đã được thiết lập tốt để tổng hợp vật liệu nano. Nhìn chung, chúng có thể được chia thành ba loại: + Loại thứ nhất, bao gồm các phương pháp vật lý như bay hơi /ngưng tụ, phún xạ, tán nghiền và ăn mòn laser. + Loại thứ hai, bao gồm các phương pháp hóa học như keo tụ, sol-gel, vi nhũ tương và thủy nhiệt. + Loại thứ ba, là tổng hợp vật liệu nano nhờ phương pháp khử sinh học, giống như khử nhờ vi sinh vật, phương pháp tổng hợp xanh nhờ dịch chiết từ cây cối.
8 Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận vật lý luôn thực hiện các quy trình tiêu tốn thời gian /năng lượng và phản ứng cần thực hiện trong môi trường khí trơ, đòi hỏi thiết bị và chi phí vận hành đáng kể. Ngược lại, phương pháp hóa học tương đối đơn giản, hoạt động ở nhiệt độ thấp và dễ dàng được kiểm soát. Sản phẩm chất lượng tốt có thể thu được khi nguyên liệu ban đầu được chọn đúng và quy trình được kiểm soát tốt. Một vấn đề không thể tránh khỏi là việc đưa vào hoặc tạo ra các sản phẩm phụ (ví dụ: chất hoạt động bề mặt, chất khử và chất ổn định) đòi hỏi các bước tinh chế tiếp theo sau quá trình tổng hợp. Trong một số trường hợp, các phương pháp xử lý sau như nung hoặc ủ được yêu cầu để cải thiện sản phẩm tinh thể. Hơn nữa, phần lớn các kỹ thuật hóa học hiện nay là các quy trình xử lý theo quy mô phòng thí nghiệm, trong khi việc nâng cao sản xuất công nghiệp với chất lượng sản phẩm giữ lại thể hiện nhiệm vụ rất khó khăn [17]. Về tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp khử sinh học, do quá trình phức tạp và thời gian phản ứng dài khó kiểm soát và điều chỉnh các thuộc tính của sản phẩm. Trong khi đó, các sản phẩm thu được có độ đồng đều thấp, vì nguồn gốc của thực vật / vi sinh vật là độc lập và có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của hạt nano. Do đó, việc tổng hợp các vật liệu nano có thể kiểm soát được với các tính chất mong muốn một cách đơn giản, cách thân thiện với môi trường và hiệu quả vẫn là một thách thức. 1.3. Tổng hợp vật liệu nano bằng plasma Plasma được coi là trạng thái thứ tư của vật chất như đã trình bày ở phần trước. Plasma chứa các hạt tích điện như electron, ion dương và ion âm như cũng như các nguyên tử và phân tử trung tính, có thể hình thành gốc hóa trị bởi các quá trình phân ly tồn tại ở các trạng thái điện tử và dao động quay bị kích thích khác nhau. Bắt đầu từ các ứng dụng truyền thống như tạo ozon, nguồn sáng, lắng đọng màng mỏng và khắc với sự phát triển của công nghệ plasma, nó đã được mở rộng sang nhiều lĩnh vực như phân hủy metan, phân hủy VOC (Volatile
9 Organic Compounds), chuyển đổi CO2, chức năng bề mặt, điều trị y tế ... [18]. Ngoài ra, còn có một số lượng lớn các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp plasma, chủ yếu được thúc đẩy nhờ các đặc tính hấp dẫn của chúng. Các hóa chất được tăng cường nhờ plasma, trong đó các hạt tích điện, trạng thái kích thích và gốc tự do sẽ đóng một vai trò trong quá trình chế tạo hạt nano, về cơ bản khác với phương pháp truyền thông. Trong plasma phi nhiệt, các electron thu được năng lượng trong phạm vi ~ eV từ điện trường, đủ để bắt đầu các phản ứng hóa học plasma khi va chạm với các hợp chất tiền chất. Do đó, các quá trình này vốn là dung môi và không có phối tử (ligand- free), cho phép tổng hợp vật liệu nano có độ tinh khiết cao [19]. Trong khi đó, các electron năng lượng cũng có thể tạo ra các hợp kim kim loại có thể điều chỉnh thành phần với các tính chất được chọn bởi các tinh thể, như tinh thể và hình thái học [20], trong một số trường hợp, các hóa chất được tăng cường plasma cho phép các phản ứng khó có thể thực hiện được theo những cách thông thường tổng hợp hạt nano kim loại. Một mặt, chúng cung cấp một điều kiện phản ứng cao cho quá trình tạo mầm nguyên tử kim loại, trong đó tiền chất được phân tách nhanh chóng thông qua tác động với các điện tử, các hạt nặng kích thích và các gốc được tạo ra trong plasma. Đồng thời nhiệt độ khí (và chất nền) vẫn thấp, cho phép sử dụng các tiền chất nhạy cảm với nhiệt độ và hạn chế sự kết tụ của vật liệu nano [21]. Cần lưu ý ở đây, plasma gần với trạng thái cân bằng nhiệt như sự phóng điện hồ quang hoặc vi sóng có thể mang lại những lợi thế nhất định cho việc sản xuất số lượng lớn các hạt nano với chi phí thấp và kiểm soát quá trình một cách chính xác hơn. Trong các hệ thống như vậy sự phân hủy nhiệt của tiền chất sẽ có khả năng diễn ra. Hơn nữa, nồng độ cao của các electron năng lượng thấp có thể góp phần tăng cường hóa học plasma được kích thích bởi sự kích thích dao động, điều này, đến lượt nó, có thể làm giảm chi phí năng lượng sản xuất.