Thạc Sĩ Nghiên cứu cấu trúc của ống nano carbon dưới tác động của các loại bức xạ năng lượng cao định hướng

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu cấu trúc của ống nano carbon dưới tác động của các loại bức xạ năng lượng cao định hướng ứng dụng trong môi trường vũ trụ

Mục lục
Lời cảm ơn i
Lời cam đoan ii
Mục lục iii
Danh mục các bảng v
Danh mục các hình vẽ vi
Lời nói đầu 1
Chương 1 - Ống nano carbon 2
1.1. Lịch sửhình thành . 2
1. 2. Một sốdạng cấu hình phổbiến của vật liệu carbon . 2
1.3. Cơchếmọc ống nano carbon . 5
1.4. Các phương pháp chếtạo ống nano carbon 6
1.5. Tính chất của ống nano carbon . 8
1.6. Các sai hỏng có thểtồn tại trong mạng của ống nano carbon 10
1.7. Một số ứng dụng của ống nano carbon . 11
Chương 2 – Lý thuyết tán xạRaman 16
2.1. Hiệu ứng Raman . 16
2.2. Tán xạRaman cộng hưởng . 17
2.3. Các mode dao động của ống nano carbon . 17
2.4. Phổkếraman . 20
Chương 3 – Nguồn bức xạnăng lượng cao 22
3.1. Tia vũtrụ . 22
3.2. Nguồn bức xạnhân tạo . 23
3.2.1. Máy gia tốc tuyến tính . 24
3.2.2. Nguồn Americium-241, phát tia X 26
3.2.3. Nguồn Radium-226, phát gamma 26
Chương 4 –Thực nghiệm . 27
iv
4.1. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạlaser lên CNTs 28
4.2. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của bức xạhãm lên CNTs 31
4.3. Sự ảnh hưởng của tia X và tia Gamma lên cấu trúc CNTs . 37
KẾT LUẬN . 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 42
Các công trình đã công bốcó liên quan đến luận văn 44

MỞ ĐẦU
Do có nhiều tính chất rất đáng chú ý nhưkhảnăng dẫn điện, độcứng cao,
độdẫn nhiệt tốt. Vật liệu nano carbon (CNTs) không chỉ được ứng dụng trong
các vật liệu nano composite, vật liệu chịu nhiệt, vật liệu hấp thụsóng điện từ,
đầu dò và đầu phát điện tửmà còn được sửdụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
nhưtàu vũtrụ, lò phản ứng hạt nhân, và các ứng dụng môi trường[10][12][16].
Trong môi trường vũtrụ, CNTs có thể được dùng đểlàm vỏtầu, các linh
kiện điện tử, thiết bịlưu trữhidro, pin lithium và pin nhiên liệu . Ở điều kiện
này, các thiết bịnày chịu sựtương tác của nhiều loại hạt, các loại bức xạ điện từ
có năng lượng cao nhưproton, electron, alpha, photon, nơtron, các ion nặng, vì
vậy có thểdẫn đến sựbiến đổi vềcấu trúc mạng, đưa vào mạng các nguyên tử
lạ, làm thay đổi các tính chất cơ, hóa, lý, .ảnh hưởng đến khảnăng hoạt động
của các thiết bịnày[8].Thêm vào đó, các bức xạ, hạt có năng lượng cao còn gây
ra các phản ứng hạt nhân, tạo thành các đồng vịphóng xạ, có thểgây ra sựthay
đổi tính chất của vật liệu.
Nhằm mục đích mô phỏng quá trình tương tác của các bức xạtrên vũtrụ
lên các vật liệu nano người ta thường tiến hành các nghiên cứu thửnghiệm trên
mặt đất với các nguồn bức xạnhân tạo, trong đó chủyếu được tạo ra từcác máy
gia tốc hạt và các nguồn đồng vịphóng xạ.
Luận văn này đã đưa một sốkết quả nghiên cứu thực nghiệm trong việc
nhận diện các đồng vị phóng xạ và xác định suất lượng của chúng được tạo
thành từcác vật liệu CNTs khi chiếu bởi chùm photon hãm năng lượng cực đại
60 MeV trên máy gia tốc electron tuyến tính, đồng thời đã khảo sát ảnh hưởng
của các nguồn bức xạkhác nhau như: bức xạhãm, tia gama, tia X, tia laser có
mật độnăng lượng cao lên cấu trúc của CNTs bằng phương pháp phân tích phổ
raman.

Chương 1 - Ống nano carbon
1.1. Lịch sửhình thành
Ống nano carbon được tạo ra bởi các nguyên tử carbon, các nguyên tử
carbon này liên kết hóa trịvới nhau bằng lai hóa sp
2
.Năm 1991, khi nghiên cứu
Fulleren C
60
, Tiến sĩIijima một nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện ra trong
đám muội than, sản phẩm phụtrong quá trình phóng điện hồquang có những
ống tinh thể cực nhỏ và dài bám vào catốt. Hình ảnh từkính hiển vi điện tử
truy ền qua cho thấy rằng các ống này có nhiều lớp carbon, ống này lồng vào ống
kia. Các ống sau này được gọi là ống nano carbon đa tường (MWCNTs- multi
wall carbon nanotubes).
Mặc dù có nhiều tính chất đặc biệt, nhưng không dễdàng đểphân tích ống
nano carbon bằng phương pháp quang phổ, do vậy điều này đã cản trở việc
nghiên cứu vềchúng.
Năm 1993, ống nano carbon đơn tường (SWCNTs- single wall carbon
nanotubes) đã được phát hiện, đó là các ống rỗng đường kính từ1,5 - 2 nm, dài
cỡmicrômét. Vỏcủa ống bao gồm các nguyên tửcarbon sắp xếp theo các đỉnh
sáu cạnh rất đều đặn. Sựphát hiện này đã thúc đẩy sựnghiên cứu của các nhà
khoa học trên toàn thếgiới. Phương pháp quang phổRaman là phương pháp đơn
giản, rẻtiền so với kính hiển vi điện tử, được dùng rộng rãi đểnghiên cứu trên
CNTs trong thập kỉtrước.
1. 2. Một sốdạng cấu hình phổbiến của vật liệu carbon
1.2.1.Than chì
Hình 1.1. Cấu trúc của than chì
3
Than chì là dạng tồn tại phổbiến nhất của carbon, có màu đen, tỉtrọng
nhỏvà thường gặp trong tựnhiên. Cấu trúc của than chì là các lớp mạng lục giác
các nguyên tửcarbon lai hoá sp
2
. Các lớp này liên kết với nhau bằng lực hút
Van de Wall. Khoảng cách giữa hai nguyên tửcarbon là 1,42 A
0
.
1.2.2. Kim cương
Hình 1.2.Cấu trúc của kim cương
Kim cương là dạng tinh thể được tạo thành từcác nguyên tửcarbon, có
cấu trúc tứdiện, trạng thái lai hoá của các nguyên tửcarbon trong kim cương là
sp
3
. Kim cương được biết đến là một loại đá quí với giá trịsửdụng cao. Với các
đặc tính đặc biệt nhưrất cứng, truyền nhiệt tốt, tính thẩm mỹcao ., kim cương
được sửdụng rất nhiều trong thực tế.
1.2.3. Fullerene
Hình 1.3.Cấu trúc của carbon C
60(một dạng của fullerene)
Fullerene là những phân tửcấu thành từcác nguyên tửcacbon, chúng có
dạng rỗng nhưmặt cầu, ellipsoid. Fullerene có cấu trúc tương tựvới than chì, là
4
tổhợp của lớp than chì độdày một nguyên tử(còn gọi là graphene) liên kết với
nhau tạo thành vòng lục giác; nhưng chúng cũng có thểtạo thành vòng ngũgiác
hoặc thất giác.
Fullerene đầu tiên được khám phá ra, và trở thành tên gọi tương tự cho
nhiều fullerene sau này, đó là buckminsterfullerene (C60), do các nhà khoa học
Harold Kroto, James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl và Richard Smalley tại
đại học Rice công bốnăm 1985.
Sựkhám phá ra fullerene đã trởthành một bước tiến lớn trong sựhiểu biết
về thù hình cacbon, mà trước đó chỉ bỉ giới hạn ở than chì, kim cương, và
cacbon vô định hình nhưmuội than và than gỗ.
1.2.4. Ống nano carbon (Carbon nanotube) - CNTs
Khác với fullerene, CNTs có dạng hình trụrỗng và có thểtồn tại ởdạng
đơn tường hoặc đa tương (gồm các ống đơn tường lồng vào nhau).

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. David J Appelhans, Lincoln D Carr, Mark T Lusk (2010), “Embedded
ribbons of graphene allotropes: an extended defect perspective”, New
Journal of Physics, 12, 125006.
2. G. Compagnini, G. A. Baratta, R.S. Cataliotti, and A. Morresi (2005), “New
assignment of crystalline and ion-irradiated graphite phonon spectra”,
Journal of Raman spectroscopy, 26, pp. 917
3. M. Daenen, R.D. de Fouw, B. Hamers, P.G.A. Janssen, K. Schouteder,
M.A.J. Veld (2003), The Wondrous World of Carbon Nanotubes,
Eindhoven University of Technology, pp. 8-21.
4. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and M. Hofman (2007), “The big
picture of raman scattering in carbon nanotubes” , Vibrational spectroscopy,
vol. 45, pp. 71–81.
5. Nguyen Duc Dung, Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Nguyen Hong
Quang, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh (2008), “Carbon-Nanotube
Growth over Iron Nanoparticles Formed on CaCO3
Support by Using
Hydrogen Reduction”, Journal of the Korean Physical Society, 52, pp.1372-1377.
6. Nguyen Dinh Hoang, Nguyen Ngoc Trung, Pham Duc Khue, Nguyen Thi
Thanh Bao, Phung Viet Tiep, Dao Duy Thang, Nguyen Thanh Binh, Vu Thi
Bich (2011), “The synergistic effect of bremsstrahlung photons and intense
laser radiation on the structural properties of carbon nanotubes ”, Adv. Nat.
Sci: Nanosci. Nanotechnol.2, 035010.
7. A. Jorio, A. G. Souza Filho, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, A. K.
Swan, M. S. Ünlü, B. B. Goldberg, M. A. Pimenta, J. H. Hafner, C. M.
Lieber, R. Saito (2002), “G-band resonant Raman study of 62 isolated
single-wall carbon nanotubes”,Phys. Rev. B, 65, 155412.
8. A.V.Krasheninnikov, K.Nordlund (2010), “Ion and electron irradiation
effects in nanostructured materials”, Journal of Applied Physics, 107,
071301.
9. Amit Kumar , F. Singh , P.M. Koinkar , D.K. Avasthi, J.C. Pivin , M.A.
More (2009), “Effect of intense laser and energetic ion irradiation on
Raman modes of multiwalled Carbon Nanotubes”, Thin Solid Films, 517,
pp. 4322–4324.
10. Seung Mi Lee, Ki Soo Park, Young Chul Choi, Young Soo Park, Jin Moon
Bok, Dong Jae Bae, Kee Suk Nahm, Yong Gak Choi, SooChang Yu, Nam-
43
gyun Kim, Thomas Frauenheim, Young Hee Lee (2000), “Hydrogen
adsorption and storage in carbon nanotubes”, Synthetic Metals, 113, pp.
209–216.
11. Seung Woo Lee, Naoaki Yabuuchi, Betar M. Gallant, Shuo Chen, ByeongSu Kim,Paula T. Hammond, Yang Shao-Horn ( 2010), “High-power lithium
batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes”, Nature
Nanotechnology, 5, pp.531-537.
12. W. I. Milne, K. B. K. Teo, M. Chhowalla, G. A. J. Amaratunga, S. B. Lee,
D. G. Hasko, H. Ahmed, O. Groening, P. Legagneux, L. Gangloff, J. P.
Schnell, G. Pirio, D. Pribat, M. Castignolles, A. Loiseau, V. Semet, Vu
Thien Binh (2003), “Electrical and field emission investigation of
individual carbon nanotubes from plasma enhanced chemical vapour
deposition”, Diamond and Related Materials,12, pp. 422–428.
13. Eric Pop, David Mann, Qian Wang, Kenneth Goodson, Hongjie Dai (2005),
“Thermal conductance of an individual single-wall carbon nanotube above
room temperature”, Nano Letters, 6, pp. 96–100.
14. Md. Shakilur Rahman et al (2009), "Measurement of isomeric yield ratios
for
90
Zr(γ, n)
89m,g
Zr,
nat
Zr(γ, xn1p)
86m,g
Y, and
89
Y(γ,xn)
87m,g,86m,g
Y
reactions with 50-, 60-, and 70-MeV bremsstrahlung", Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research vol. B267, pp. 3511- 3518.
15. J.-P. Salvetat, J.-M. Bonard, N.H. Thomson, A.J. Kulik, L. Forro, W.
Benoit, L. Zuppiroli (1999), “Mechanical properties of carbon nanotubes”,
Applied Physics A, 69, pp. 255–260.
16. Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Pham Van Trinh, Ngo Thi Thanh
Tam and Phan Ngoc Minh (2011), “Thermal dissipation media for high
power electronic devices using a carbon nanotube-based composite”,
Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2,
025002.
17. Ren-Jang Wu, Yu-Ching Huang, Ming-Ru Yu, Tzu Hsuan Lin and Shih-Lin
Hung (2008), “Application of m-CNTs/NaClO4/Ppy to a fast response,
room working temperature ethanol sensor”, Sensors and Actuators B:
Chemical, 134, pp. 213-218.
18. Da Jiang Yang, Qing Zhang, George Chen, S. F. Yoon,J. Ahn, S. G. Wang,
Q. Zhou, Q. Wang, J. Q. Li (2002), “Thermal conductivity of multiwalled
carbon nanotubes”, Physical Review B, 165440 .
19. Qing Zhang et al (2006), “Influences of temperature on the Raman spectra
of single-walled carbon nanotubes”, Smart Mater.Struct., 15, pp.1-4.
44
Các công trình đã công bốcó liên quan đến luận văn:
1. N. D Hoang, N. T. T. Bao, N. X. Nghia, N. T. Binh , D. V. Trung, N. T. T.
Tam, V.T. Bich, “The effects of intense laser on vibrational modes of Carbon
Nanotubes”, ALTA 2010, OSK, Vol. 9, Iss. 1, (2010) ISSN 205-8705, pp. 104.
2. Phạm Đức Khuê, Nguyễn Đình Hoàng, VũThịBích “Xác định suất lượng
của các đồng vịphóng xạtạo thành từvật liệu nano dưới tác dụng của chùm
photon năng lượng cao”, Kỷyếu Hội thảo Khoa học “Công nghệvũtrụvà ứng
dụng- 2010” Hà Nội, 16-17/12/2010, Nhà xuất bản KHTN và CN, Số
XB:1202-2010/CXB/001-10/KHTNCN, ISBN:978-604-913-023-6, trang 268-273.
3. Nguyen Dinh Hoang , Nguyen Ngoc Trung , Pham DucKhue, Nguyen Thi
Thanh Bao, Phung Viet Tiep, Dao Duy Thang, Nguyen Thanh Binh and Vu
Thi Bich, “ The synergistic effect of bremsstrahlung photons and intense laser
radiation on the structural properties of carbon nanotubes”, 2011, Adv. Nat.
Sci: Nanosci. Nanotechnol. 2 035010