Thạc Sĩ Chế tạo dây nano bạc bằng phương pháp polyol – khảo sát hình thái và cấu trúc

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, trên thị trường bắt đầu xuất hiện nhiều sản phẩm được quảng bá sử dụng công nghệ nano như khẩu trang nano bạc, thiết bị lọc nước nano, tủ lạnh nano, máy giặt nano, nano LCD, mỹ phẩm nano, sơn nano, ipod nano “Công nghệ nano – Vật liệu nano” không chỉ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn trở thành một chiêu thức tiếp thị của các nhà sản xuất nhằm thu hút sự chú ý của người tiêu dùng. Thực chất công nghệ nano – vật liệu nano là gì và vai trò của nó như thế nào?
Khoa học nano là khoa học nghiên cứu vật chất ở kích thước cực kì nhỏ – kích thước nanomet (nm). Một nano bằng một phần tỉ của met (m) hay bằng một phần triệu của milimet (mm).
Công nghệ nano là các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo, ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước ở quy mô nanomet.
Công nghệ nano là vấn đề không hoàn toàn mới, thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong thế giới tự nhiên. Từ thế kỷ thứ 10, người ta đã sử dụng hạt nano để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào kích thước của hạt) Nghĩa là con người đã sử dụng, chế tạo các vật liệu nano từ rất lâu, chỉ có điều chúng ta chưa biết nhiều về nó.
Khái niệm về công nghệ nano được nhắc đến năm 1959 khi nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đề cập tới khả năng chế tạo vật chất ở kích thước siêu nhỏ đi từ quá trình tập hợp các nguyên tử, phân tử. Những năm 1980, nhờ sự ra đời của hàng loạt các thiết bị phân tích, trong đó có kính hiển vi đầu dò quét (SPM – Scanning tunneling microscopy hay STM – Scanning probes miroscopy) có khả năng quan sát đến kích thước vài nguyên tử hay phân tử, con người có thể quan sát và hiểu rõ hơn về lĩnh vực nano. Công nghệ nano bắt đầu được đầu tư nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Ra đời mới hơn hai mươi năm, là một ngành công nghệ non trẻ nhưng công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt.
Công nghệ nano cho phép thao tác và sử dụng vật liệu ở tầm phân tử, làm tăng và tạo ra tính chất đặc biệt của vật liệu, giảm kích thước của các thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ. Công nghệ nano giúp thay thế những hóa chất, vật liệu và quy trình sản xuất truyền thống gây ô nhiễm bằng một quy trình mới gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, giảm tác động đến môi trường.
Vật liệu nano là vật liệu có kích thước nano có thể là các kim loại, oxit kim loại, các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các chất bán dẫn, Hiện nay có rất nhiều vật liệu nano với cấu trúc hình thái khác nhau (dạng hạt, dạng thanh, dạng ống, ) đang được các nhà nghiên cứu quan tâm.
Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ trong khoảng nanomet có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và do kích thước tới hạn của vật liệu nano.
Hiệu ứng bề mặt: ở kích thước nano, tỉ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích hạt. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao.
Kích thước tới hạn: các tính chất vật lý, hóa học như tính chất điện, từ, quang ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng thường gặp ở vật liệu vĩ mô phổ biến. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang của vật liệu.
Như đã trình bày ở trên, công nghệ nano được xem như là công nghệ tương lai đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm và các công ty công nghệ trên thế giới quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Nhiều hiệu ứng quan trọng liên quan đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước của các vật liệu nano oxit kim lọai, kim loại ở các dạng thù hình khác nhau như hạt, dây, mảng đã được tìm thấy như hiệu ứng quang xúc tác, hiệu ứng trường, tính chất quang, điện dị hướng, và đang từng bước áp dụng vào công nghệ. Riêng ở Việt Nam, các loại vật liệu nano cũng thu hút nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu từ cuối những năm 1990 và đem lại những thành tựu đáng kể. Như các nghiên cứu về oxit bán dẫn cấu trúc nano ZnO [21], ZnS [19], TiO2 [14] ứng dụng trong các lĩnh vực quang điện tử, quang tử, y sinh. Các nghiên cứu về các hạt cầu nano SiO2 làm vật liệu nền cho các vật liệu quang học mới, các nghiên cứu về chấm lượng tử của các hợp chất bán dẫn ứng dụng trong chiếu sáng rắn và đánh dấu huỳnh quang y sinh [13], [20],
So với những vật liệu trên, vật liệu nano của kim loại bạc với cấu trúc “dây nano” – nanowire cũng thu hút không kém các nhà nghiên cứu ngoài nước như: nhóm Liangbing Hu của Đại học Stanford, California nghiên cứu ứng dụng của những dây nano bạc làm điện cực [15], nhóm Anand Habib của Đại học Tesxas tại Dallas nghiên cứu những điều kiện tối ưu hóa để tổng hợp những dây nano bạc – 2006 [4], Còn trong nước hướng nghiên cứu này còn khá mới mẻ.
Phương pháp chế tạo ra những dây nano bạc có rất nhiều như phương pháp polyol – tổng hợp hóa học, phương pháp điện hóa, phương pháp khuôn mẫu, Những dây nano bạc với những tính chất quang, điện, bề mặt ưu việt hơn so với vật liệu khối nên có nhiều ứng dụng hữu ích trong đời sống. Vì tính mới mẻ, chế tạo đa phương pháp và có nhiều ứng dụng rộng rãi được xem là hướng nghiên cứu khá hiện đại và đầy triển vọng trong lĩnh vực nano kim loại ở nước ta. Chính vì lí do đó tôi quyết định chọn đề tài “Chế tạo dây nano bạc (Ag nanowire) bằng phương pháp polyol - Khảo sát hình thái và cấu trúc” để làm khóa luận tốt nghiệp sau đại học. Trên cơ sở tham khảo các kết quả nghiên cứu của tập thể khoa học thế giới về lĩnh vực dây nano kim loại, chúng tôi xác định rõ mục tiêu của luận văn là tập trung nghiên cứu, tìm ra quy trình chế tạo tạo những dây nano bạc với hiệu suất cao như mong muốn. Từ đó có thể làm chủ được phương pháp chế tạo, nghiên cứu chi tiết về tính chất bề mặt, hình thái cấu trúc và tìm hiểu những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của vật liệu dây nano bạc. Để đạt được mục tiêu nêu ra, trong luận văn này, chúng tôi xây dựng phương pháp chế tạo từ dưới lên (bottom – up) và sử dụng phương pháp hóa học – phương pháp polyol là phương pháp chính để chế tạo có điều khiển kích thước và hình dạng của cấu trúc nano thấp chiều dưới dạng dây của kim loại bạc – nanowire bạc. Tiếp theo là sử dụng các phương pháp: phân tích X – ray – nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại khai triển Fourier (FTIR), phổ hấp thụ UV – Vis, phương pháp đo Hall để xác định cấu trúc cũng như những tính chất của vật liệu này. Các kết quả đạt được trong quá trình thực hiện luận văn sẽ được trình bày một cách có hệ thống trong 3 chương với nội dung chính của mỗi chương như sau:
 Chương 1 trình bày tổng quan về vật liệu nano, dây nano bạc.
 Chương 2 trình bày phương pháp thực nghiệm chế tạo dây nano bạc.
 Chương 3 trình bày các kết quả và một số bàn luận liên quan tính chất
của dây nano bạc.

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục hình ảnh và bảng biểu
Lời mở đầu . 1
Chương 1: Tổng quan 5
1.1 Vật liệu nano 5
1.1.1 Khái niệm vật liệu nano 5
1.1.2 Phân loại vật liệu nano 6
1.1.3 Xu hướng chế tạo vật liệu nano . 7
1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano và công nghệ nano . 8
1.2 Nanowires bạc – những dây nano bạc . 10
1.2.1 Vật liệu bạc khối 10
1.2.1.1 Giới thiệu về kim loại bạc 10
1.2.1.2 Tính chất vật lý 12
1.2.1.3 Tính chất hóa học . 12
1.2.1.4 Phương pháp điều chế 14
1.2.1.5 Ứng dụng . 15
1.2.2 Định nghĩa “nanowires” bạc – những dây nano bạc 15
1.2.3 Tính chất những dây nano bạc . 16
1.2.3.1 Tính chất quang . 16
1.2.3.2 Tính chất điện 17
1.2.3.3 Tính chất bề mặt 18
1.2.3.4 Hình thái và cấu trúc 20
1.2.4 Một số phương pháp điều chế dây nano bạc . 21
1.2.4.1 Chế tạo những dây nano bạc bằng phương pháp khuôn mềm 22
1.2.4.2 Chế tạo những dây nano bạc bằng phương pháp điện hóa . 22
1.2.4.3 Chế tạo những dây nano bạc bằng phương pháp khuôn mẫu . 23
1.2.4.4 Chế tạo những dây nano bạc bằng phương pháp tạo mầm tinh thể -
phương pháp polyol 24
1.2.4.5 So sánh những ưu điểm và hạn chế của các phương pháp chế tạo
dây nano bạc – Tính ưu việt của phương pháp polyol . 36
1.2.5 Ứng dụng của những dây nano bạc . 36
Chương 2: Thực nghiệm 39
Mục đích nghiên cứu của đề tài 39
2.1 Chuẩn bị thực nghiệm . 39
2.1.1 Dụng cụ thực nghiệm 39
2.1.2 Hóa chất sử dụng 41
2.2 Tiến trình thực nghiệm . 42
2.2.1 Quy trình chế tạo 42
2.2.1.1 Quy trình 1: tổng hợp dây nano bạc 44
2.2.1.2 Quy trình 2: tách sản phẩm phụ 48
2.2.1.3 Quy trình 3: quay li tâm . 49
2.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của KBr trong quá trình điều chế những dây nano
bạc bằng phương pháp polyol . 51
2.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của PVP trong quá trình điều chế những dây nano
bạc bằng phương pháp polyol . 52
2.2.4 Các phép đo đạc 54
2.2.4.1 Thiết bị đo Xray 54
2.2.4.2 Thiết bị chụp SEM 55
2.2.4.3 Thiết bị đo UV – Vis 55
2.2.4.4 Thiết bị đo FTIR . 56
2.2.4.5 Thiết bị đo bốn mũi dò 57
Chương 3: Kết quả và bàn luận . 58
3.1 Khảo sát cấu trúc và hình thái của dây nano bạc 58
3.1.1 Xác định hình thái học và cấu trúc của dây nano bạc bằng ảnh SEM và giản
đồ nhiễu xạ XRD 58
3.1.2 Sự tương thích của phổ UV-Vis với các kết quả thu được từ XRD và SEM
61
3.2 Ảnh hưởng của KBr tới hình thái và cấu trúc của dây nano bạc trong quá trình tổng
hợp bằng phương pháp polyol 64
3.2.1 Phổ UV – Vis của các dung dịch tổng hợp với KBr thay đổi 64
3.2.2 Hình thái và cấu trúc của dây nano bạc xác định bởi ảnh SEM và giản đồ
nhiễu xạ XRD 66
3.3 Ảnh hưởng của PVP tới hình thái và cấu trúc dây nano bạc trong quá trình tổng hợp
bằng phương pháp polyol . 71
3.4 Khảo sát hàm lượng thừa của PVP trong dung dịch dây nano bạc tổng hợp được
bằng phương pháp polyol 76
Kết luận chung . 78
Hướng phát triển của đề tài 80
Tài liệu tham khảo 81