LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Chúng ta đang sống trong thời đại khoa học và kỹ thuật phát triển hết sức nhanh
chóng và mạnh mẽ, ảnh hưởng sâu sắc đến mọi hoạt động của con người và xã hội. Công
nghệ nano ra đời đã mở ra nhiều khả năng cho con người có thể chủ động tác động vào tự
nhiên. Những lợi ích mà công nghệ nano mang lại rất có ý nghĩa và đa dạng trong nhiều
lĩnh vực của cuộc sống. Ví dụ như công nghệ nano giúp chế tạo ra những loại vật liệu có
những đặc tính ưu việt và những ứng dụng hiệu quả của công nghệ nano trong y sinh học,
điện tử. Vì những lợi ích to lớn mà công nghệ nano mang lại, việc tìm hiểu, thu thập
thông tin về ngành công nghệ này là rất quan trọng, làm nền tảng để có thể tiếp tục
nghiên cứu, phát triển những ứng dụng của công nghệ nano trong cuộc sống. Do đó, mục
tiêu mà đề tài này đề ra là nghiên cứu, thu thập, hệ thống hóa các thông tin về ngành công
nghệ nano: từ thực trạng phát triển của công nghệ nano hiện nay đến cơ sở khoa học của

Trung
tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
công nghệ nano, các phương pháp chế tạo các vật liệu nano và những ứng dụng hiện nay
của ngành công nghệ mũi nhọn này. Do những hạn chế của một đề tài cấp sinh viên, hạn
chế về điều kiện để thực hiện những nghiên cứu thực nghiệm và những hạn chế về thời
gian nên đề tài này chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết. Về sau nếu có thêm cơ
hội và điều kiện, chúng em sẽ nghiên cứu, phát triển đề tài sâu rộng hơn.

2. CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong đề tài này chúng em tiến hành nghiên cứu lịch sử hình thành, sự phát triển của
công nghệ nano và tầm quan trọng của nó, nghiên cứu các khái niệm, phương pháp chế
tạo, các công cụ và phương pháp nghiên cứu thế giới nano cũng như cơ sở Vật lý và các
vấn đề liên quan của công nghệ này. Bên cạnh việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết, chúng em
còn đưa ra các ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực của đời sống xã hội và
viễn cảnh phát triển của ngành trong tương lai.

Như đã nói, đây là một đề tài cung cấp một cái nhìn khái quát về công nghệ nano nên
nó có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho bất cứ độc giả nào có nhu cầu tìm hiểu về một
ngành công nghệ mũi nhọn: công nghệ nano!
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

1

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

3. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Do những đặc điểm và những mục tiêu của đề tài như đã chỉ ra ở trên mà phương
pháp nghiên cứu chủ yếu chúng em đã sử dụng là phương pháp thu thập, chọn lọc và hệ
thống hoá thông tin thu được; phương tiện để nghiên cứu là các nguồn sách báo ở trong
và ngoài nước và các nguồn tài liệu trên Internet.

4. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
 Bước 1: Tìm hiểu sơ lược để có cái nhìn tổng quan về đề tài từ đó định hướng
được hướng nghiên cứu chính của đề tài.
 Bước 2: Thu thập, chọn lọc, hệ thống hoá thông tin và lập đề cương cho đề tài.
 Bước 3: Tiến hành viết đề tài.
 Bước 4: Từng bước hoàn chỉnh nội dung đề tài thông qua những ý kiến đóng góp
của giáo viên hướng dẫn.
 Bước 5: Hoàn chỉnh đề tài, nộp đề tài cho giáo viên hướng dẫn và giáo viên phản
biện.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

 Bước 6: Bảo vệ đề tài.

5. CÁC THUẬT NGỮ


TSM (Tunneling scanning microscope): kính hiển vi quét xuyên hầm.



AFM (Atomic force microscope): kính hiển vi lực nguyên tử.



TEM (Transmission electron microscope): kính hiển vi điện tử truyền qua.



SEM (Scanning electron microscope): kính hiển vi điện tử quét.



XRD (X-Ray Diffraction): Phương pháp nhiễu xạ tia X.



MEMS (Microelectromecanic): hệ vi cơ điện.



NEMS (Nanoelectromecanic): hệ thống cơ điện nano.




QD (Quantum dot hay nano dot): điểm, chấm lượng tử, đảo.



Quantum wire: dây lượng tử.



Quantum well: giếng lượng tử.



FET: transistor trường.



MOSFET: transistor trường oxit kim loại bán dẫn.



RTD: diod đường hầm cộng hưởng.

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

2

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương

Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng


RTT: transistor đường hầm cộng hưởng.



SET (Single electron transistor): transistor đơn điện tử.



Sensor: cảm biến.



Chip: loại mạch điện tử siêu nhỏ.



Lithography: phương pháp quang khắc.



EBL: quang khắc chùm điện tử.




MBE: phương pháp epitaxy chùm phân tử.



Detector: máy dò.



Photodetector: thiết bị dò cảm biến quang học.



Robot nano: người máy kích cỡ nano.



“Top - down”: phương pháp chế tạo từ trên xuống.



“Bottom - up”: phương pháp chế tạo từ dưới lên.



“Điểm”: nhiệt dộ đông đặc của vật chất.



Fulleren: cấu trúc hình cầu, được cấu thành từ 60 nguyên tử cacbon. Các nguyên
tử cacbon nằm ở 60 đỉnh của một hình gồm 90 cạnh và 32 mặt được tạo


Trung tâm Học
liệu
ĐH
Thơ
@hình
Tàilụcliệu
thành
từ 12
hìnhCần
ngũ giác
và 20
giác. học tập và nghiên cứu


Nano tube (ống nano cacbon): cấu tạo rỗng bên trong, thành ống như những lá
graphite cuộn tròn, đầu ống là bán cầu fullerence úp lại. Vỏ của ống
nanocacbon bao gồm các nguyên tử cacbon xắp xếp đều đặn ở đỉnh của các
hình lục giác đều. Có hai loại là ống nano cacbon đơn tường (một lớp) và
ống nano cacbon đa tường (nhiều lớp).



Màng mỏng Langmuir – Blodgett (màng L.B): Do nhà Vật lí và Hóa học Mỹ
Irving Langmuir cùng học trò của ông là bà K. Blodgett thực hiện và đã
được trao giải Nobel vào năm 1932. Đây là loại màng mỏng phân tử hữu cơ
được chế tạo chính xác dựa vào sự tự sắp xếp của các phân tử, thường chứa
1, 2, 3,…, 25,..lớp phân tử trong một mẫu.




Xăng đuých: lớp hoặc mẫu tinh thể (đơn chất hay tạp chất).



Tip: Đầu dò.



Pic (peak): Đường cong phổ của một chất.



WDS ( Wavelength – Dispersive Spectrometer): phổ kế tán sắc sóng.



EDS ( Energy – Dispersive Spectrometer): phổ kế tán sắc năng lượng.

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

3

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ SỞ VỀ CÔNG NGHỆ NANO
1.1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO
1.1.1. Lịch sử hình thành
Công nghệ nano (Nanotechnology) ra đời từ sự phát triển theo hướng thu nhỏ dần
kích thước của các thiết bị điện tử: từ chiếc máy tính dùng đèn chân không đầu tiên vào
khoảng thập niên 30 của thế kỉ trước, chiếm không gian bằng những tòa nhà và sau đó là
những máy điện toán dùng các con vi chip mạch (sơ đồ tích hợp và đại tích hợp) thập
niên 70 - 80 có kích thước của các thành phần cấu tạo cỡ 10-6 – 10-8 [m]. Đến cho phép
cấu tạo những động cơ điện và cơ cấu truyền động có kích thước bằng đường kính của
sợi tóc người...[6]
Một số cột mốc khởi điểm của công nghệ nano [8], [4]
- Vào khoảng
3.5 tỉ ĐH
năm trước
bào sống
xuấthọc
hiện. Nó
phần cứu
tử
Trung tâm
Học liệu
CầntếThơ
@đầu
Tàitiênliệu
tậpchứa
vànhững
nghiên
sinh học kích cỡ nanomet tiếp nhận những nhiệm vụ như xử lý vật liệu di truyền.
- Khoảng 400 năm trước công nguyên, Democrit đưa vào khái niệm nguyên tử để chỉ
những thành phần nhỏ nhất của vật chất mà theo tiếng Hi Lạp cổ có nghĩa là “không chia

nhỏ được”.
- Năm 1905, trong luận văn tiến sĩ: “Một phương pháp mới để xác định kích cỡ phân
tử đường” của mình, Albert Einstein tính được đường kính của phân tử đường là vào
khoảng 1 nanomet.
- Năm 1931, Max Knoll và Ernst Ruska phát minh ra kính hiển vi điện tử có thể tạo
ảnh của những vật nhỏ hơn 1 nanomet.
- Năm 1959, Richard Feynman đọc bài giảng nổi tiếng của ông về khả năng thu nhỏ
lại: “There’s plenty of room at the bottom” - Ở dưới đang còn nhiều chỗ trống (đại ý là ở
sâu trong tự nhiên còn nhiều khả năng nữa).
- Năm 1965, Richard Feyman đoạt giải Nobel Vật lý về lĩnh vực công nghệ nano.
Ông nhấn mạnh: Công nghệ nano là lĩnh mới đầy triển vọng của thế kỉ 21, hứa hẹn mang

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

4

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
lại những lợi ích vượt bậc trong đời sống và sự phồn vinh của nhân loại. Đây cũng là đề
tài bất tận cho các nghiên cứu và ứng dụng trong Vật lý, Hóa học, Sinh học.
- Năm 1968, Alfied V.Cho và John Arthur của Bell Laboratories cùng với các đồng
nghiệp phát minh ra phương pháp epitaxy chùm phân tử.
- Năm 1974, Norio Taniguchi đề ra ý tưởng về phương pháp chế tạo nhỏ hơn 1
micromet gọi là “Công nghệ nano”.
- Năm 1981, Gerd Binnig và Heinrich Rohrer sáng chế ra kính hiển vi quét cho phép
chụp hình từng nguyên tử riêng rẻ.
- Năm 1985, Robert F. Curl Jr., Harold W. Kroto và Richard E. Smalley phát minh ra

Buckminster – Fulleren hay còn gọi là các quả cầu Bucky có đường kính khoảng 1
nanomet.
- Năm 1986, K. Eric Drexler xuất bản cuốn “Engines of Creation” (Những cỗ máy
đầy sức sáng tạo), từ đó thuật ngữ công nghệ nano trở nên đại chúng hơn.
- Ngày 11 - 09 - 1989, khởi đầu một kỉ nguyên mới, đánh dấu sự khởi đầu chính thức
của kỉ nguyên công nghệ nano. Một sự kiện quan trọng xảy ra tại trung tâm nghiên cứu

Trung
tâm của
HọcIBM
liệu
ĐHJose,
Cần
Thơ @
liệuhọc
học
nghiên
cứu
Almaden
ở San
California:
hai Tài
nhà khoa
củatập
IBMvà
– Don
Eigler và
Erhard Schweizer đã thao tác có chủ định từng nguyên tử để tạo nên một cấu trúc, một
logo IBM đơn giản, được tạo ra từ 35 nguyên tử Xenon (350 triệu logo này mới chỉ vừa
khít trong diện tích của một dấu chấm câu). Eigler và Schweizer đã phá vỡ rào chắn cuối

cùng của đơn vị cấu trúc cơ bản nhất của con người và tự nhiên – đó là nguyên tử.
- Năm 1991, Sumio Fijima của hãng NEC tại Tsukaba (Nhật Bản) phát minh ống
nano cacbon.
- Năm 1993, Warren Robinett của Đại học Bắc California (University of North
California) và R. Stanley Williams của Đại học California (University of California) tại
Los Angeles kết nối một kính hiển vi điện tử quét với một Video Recoder, chúng ta như
có thể nhìn thấy và thậm chí sờ mó được các nguyên tử trong một thực tế ảo.
- Năm 1996, Richard Smalley đoạt giải Nobel hóa học về công nghệ Nano.
- Năm 1998, nhóm của Cee Dekker tại trường Đại học Tổng hợp Delft ở Hà Lan phát
minh ra transistor từ ống nano cacbon.
- Năm 1999, James M. Tour của Đại học Rice và Mark A. Reed ở trường Đại học
Yale cho thấy rằng các phân tử riêng rẻ có thể hoạt động như dụng cụ đóng ngắt mạch.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

5

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Năm 2000, Eigler và các nhà nghiên cứu khác của hãng IBM chế tạo được gương
lượng tử. Một nguyên tử từ tính tại tiêu điểm này của kính elip gồm các nguyên tử sẽ tạo
nên hình ảnh đối xứng gương của chính nguyên tử đó tại chính tiêu điểm kia. Điều này có
thể sẽ là một phương tiện để truyền thông tin mà không dùng dây dẫn.
- Trong năm 2001, nhiều trường Đại học đã thành lập trung tâm công nghệ Nano trị
giá nhiều triệu đôla.
- Năm 2001, tại trường Đại học tổng hợp Ulm (Cộng Hòa Liên Bang Đức) Florian
Bamberg thành công trong việc hàn hai ống nano với nhau bằng một chùm điện tử. Các
nhà Vật lý Mĩ ở Moscow (Bang Ohio – Mĩ) nuôi cấy các ống nano theo hình xoắn ốc và

qua đó tạo được những lò xo nano.
1.1.2. Sự phát triển của công nghệ nano [8], [4], [18]
Khoa học và công nghệ nano được khởi đầu từ sự tiến bộ trong công nghệ vi điện tử
gần như cùng một lúc ở Mĩ, châu Âu và Nhật Bản.
 Mĩ
- Trong các trường đại học ở Mĩ, nhiều trung tâm và phòng thí nghiệm nghiên cứu các

Trung
Cần
Thơ
Tài năm
liệu90học
tậpkỉvà
cứu
vấntâm
đề củaHọc
Vật lýliệu
nanoĐH
đã được
thành
lập @
từ những
của thế
20. nghiên
Một số trung
tâm sau này được mở rộng thành các trung tâm nghiên cứu khoa học và công nghệ nano.
- Năm 2000, thông qua Quỹ Khoa học Quốc gia, Nhà Trắng đã thông qua chương
trình quốc gia về khoa học và công nghệ nano và được Tổng thống quyết định là chương
trình Khoa học Quốc gia ưu tiên số một. Ngoài nguồn kinh phí đầu tư ngày càng tăng từ
ngân sách của Chính phủ, còn có các nguồn đầu tư của các doanh nghiệp và của các

trường Đại học.
- Cuối thập niên 1990, Tổng thống Clinton ký tài trợ cho trung tâm khởi xướng công
nghệ nano Quốc gia ở mức 422 triệu đô la vào năm cuối nhiệm kì của ông. Tầm quan
trọng chiến lược của vấn đề công nghệ đã thúc giục chính quyền Bush gia tăng tài trợ đến
710 triệu đô la vào năm 2003.
- Vào năm 2004, sự đầu tư cho các ngành công nghệ này phát triển mạnh mẽ tại các
chính quyền liên bang.
+ Ở tiểu bang California, chính quyền bang đóng góp 100 triệu đô la và các công
ty máy tính HP (Hewlett - Packard), Sun Microsystems và Sequenom góp thêm hàng
triệu đô la để thành lập Viện nghiên cứu các hệ nano của California.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

6

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
+ Ở bang NewYork đầu tư 50 triệu đô la kết hợp với 100 triệu đô la do IBM đóng
góp, mục đích là xác định tiểu bang này trở thành bang dẫn đầu trong lĩnh vực điện tử
nano.
+ Các bang Texas, New Mexico, Pennsylvania, Indianna, Florida và Illinois cũng
tiến hành tương tự nhưng với mức độ đầu tư có thấp hơn, mục đích là để phát triển kinh
tế.
- Những nỗ lực phát triển công nghệ nano được thể hiện ở sự hoạt động mạnh mẽ ở
các trường đại học và phòng thí nghiệm Liên bang. Tháng 9 - 2004, chính quyền Liên
bang đã bầu chọn sáu trung tâm ưu tú trong lĩnh vực công nghệ nano. Mỗi trung tâm
nhận xấp xỉ 12 triệu đô la với những nhà nghiên cứu công nghệ nano xuất sắc nhất và
những nghiên cứu sinh giỏi nhất.

 Trường Đại học Columbia
 Trường Đại học Cornell
 Trường Đại học Harward
 Trường Đại học Northwestern

Trung tâm Học
liệu
CầnKhoa
Thơ
@ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Trường
ĐạiĐH
học Bách
Rensselaer
 Trường Đại học Rice
Ngoài ra Duke, Northwestern, Purdue và trường đại học của Washington đều thành
lập những trung tâm công nghệ nano liên kết với đại học Michigan, Georgia Tech,
Harward và Stanford.
 Nhật Bản
- Nhờ có những vận động của các doanh nghiệp mạnh như Keiranden, chính phủ Nhật
Bản đã nhận thấy công nghệ nano là một ưu tiên hàng đầu của Quốc gia và đang đầu tư
465 triệu đô la/năm cho sự phát triển nền công nghệ này. Vào những năm cuối của thế kỉ
XX, đã hình thành được một mạng lưới quốc gia các đơn vị nghiên cứu triển khai khoa
học công nghệ nano đó là ba Bộ (Bộ thương mại quốc tế và công nghiệp; Bộ khoa học
công nghệ; Bộ giáo dục, thể thao và văn hóa) và các doanh nghiệp tham gia.
- Các trường đại học Tokyo, Osaka và Viện công nghệ Tokyo cũng đã mở ra Viện
nghiên cứu công nghệ nano.
 Châu Âu
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy


7

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Nghiên cứu về các vấn đề của khoa học nano đến nay đã được tiến hành ở tất cả các
trường đại học lớn.
- Pháp, Anh, Italia và nhiều nước khác đều ưu tiên cho việc nghiên cứu khoa học
nano.
Ở Đức, một mạng lưới các trung tâm và phòng thí nghiệm khoa học nano đã được
hình thành.
Ở Pháp, ở đây đang hình thành hai tập đoàn quốc gia về khoa học và công nghệ nano:
 MINATEC: được thành lập bởi trường Đại học Bách Khoa Grenoble và các xí
nghiệp công nghiệp điện tử ở vùng Rhone – Alpee.
 Một tập đoàn khác được hình thành ở vùng Ile - de - France và Essonne bởi các
trường đại học có danh tiếng như: Đại học Sư phạm Paris, Đại học Bách khoa,
Đại học sư phạm Cachan, Đại học Điện (Ecole Superieure ở Electricite), Đại
học Paris XI,…
 Những quốc gia khác
Những quốc gia khác đầu tư vào công nghệ nano là Hàn Quốc (200 triệu đô la/năm),

Trung
tâm
Học
liệu200
ĐH
Cần
Thơ @

Tài(120
liệutriệu
học
tập vàĐài
nghiên
cứu
Trung
Quốc
(khoảng
triệu
đô la/năm),
Canada
đô la/năm),
Loan (110
triệu đô la/năm), Israel (100 triệu đô la/năm) và Australia (50 triệu đô la/năm).
- Ở Hàn Quốc: gần như tất cả các trường đại học và viện khoa học đều chú trọng
nghiên cứu công nghệ nano: Viện khoa học và công nghệ Kwang - ju K – JIST, Viện
Khoa học và Công nghệ KIST.
- Ở Đài Loan, nghiên cứu cơ bản về khoa học nano được tập trung tại Viện Hàn lâm
khoa học, nghiên cứu triển khai công nghệ nano được tập trung trong Viện nghiên cứu
Công nghệ công nghiệp ITRI.
- Ở Trung Quốc, một chương trình nghiên cứu triển khai công nghệ nano đã tiến
hành trên qui mô toàn quốc và đã đạt được những kết quả rõ rệt. Cuối năm 2002, Trung
Quốc đã tổ chức triển lãm các sản phẩm công nghệ nano tại Bắc Kinh.
- Ở Canada, Australia và New Zeeland mỗi nước đều thành lập Trung tâm nghiên cứu
khoa học và công nghệ nano để tập trung sự đầu tư. Ba nước này cùng với Đài Loan đã
đóng vai trò chủ chốt trong việc thành lập Diễn đàn công nghệ Nano của APEC (APEC
Nanotechnology Forum) với sự tham gia của các tổ chức khoa học các nước Asean, trong
đó có Hội đồng khoa học ngành Vật lý thuộc Hội đồng khoa học tự nhiên của Việt Nam.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy


8

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Ở Việt Nam, tại Hội nghị Vật lý chất rắn toàn quốc tại Đồ Sơn năm 1997 đã kêu gọi
các hội viên nghiên cứu Vật lý nano. Theo kiến nghị của Hội đồng khoa học tự nhiên
năm 2004, Bộ Khoa học và Công nghệ mở hướng nghiên cứu trọng điểm khoa học và
công nghệ nano trong chương trình nghiên cứu cơ bản về khoa học tự nhiên. Một số
trường đại học trong nước đã có hướng nghiên cứu và phát triển ngành công nghệ nano
từ rất sớm, điển hình là trường đại học Bách khoa Hà Nội.
Nhận xét: Công nghệ nano đang bùng nổ và là ngành công nghệ mũi nhọn ở tất cả các
quốc gia trên thế giới. Điều đó chứng tỏ công nghệ nano có tầm quan trọng cũng như sức
mạnh rất lớn.

1.2. TẦM QUAN TRỌNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO [4]
1.2.1. Lợi ích từ việc thay đổi tính chất vật liệu
 Đặc điểm: Nanomet là một điểm kì diệu trên thước đo mà ở đó những công cụ
do con người tạo ra có thể bắt đầu thao tác với nguyên tử và phân tử riêng rẻ.
Mọi thứ, từ độ bền và độ dẫn điện cho đến các tính chất quang học, từ tính và
tính chất nhiệt đều có khả năng thay đổi, dựa trên cấu trúc nguyên tử và sự kết

Trung tâm Học
ĐHđược
Cần
Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
hợp cácliệu

vật liệu
sử dụng.
 Lợi ích: Bằng cách sắp xếp các nguyên tử của vật liệu một cách chọn lọc, mọi
thứ từ kim loại, gốm sứ, chất dẻo, và chất bán dẫn cho đến thủy tinh và các vật
liệu composite đều thể hiện những tính chất mới lạ. Điều này mở ra khả năng
chế tạo các vật liệu mới một cách vô hạn.
1.2.2. Lợi ích của việc trở thành nhỏ bé
 Đặc điểm:
 Vật liệu kích thước nano sẽ có nhiều nguyên tử tiếp xúc với bề mặt.
 Những hạt có kích thước nano sẽ không bị phát hiện đối với hệ miễn dịch của
cơ thể như những hạt ở kích thước micro, có thể dễ dàng hòa tan vào trong
nước.
 Có thể đến được những nơi trong cơ thể mà những loại hạt hoặc những thiết
bị khác không dễ dàng đến được: thẩm thấu qua màng tế bào, tự biến đổi bề
mặt để gắn vào những thực thể của tế bào hoặc những phân tử protein đặc
biệt trong tế bào…
 Lợi ích:
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

9

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
 Vì có nhiều nguyên tử tiếp xúc với bề mặt nên có ý nghĩa đối với thị trường
chất xúc tác, sẽ làm tăng sản lượng hay hiệu suất của quá trình nào đó.
 Vì không bị phát hiện bởi hệ miễn dịch nên cơ thể sẽ không đào thải thuốc;
do hòa tan hoàn toàn vào trong nước, nên cơ chế hấp thụ thuốc sẽ trở nên dễ

dàng hơn và giảm thiểu các tác dụng không mong muốn của thuốc.
 Do có thể thẩm thấu qua màng tế bào và gắn vào các thực thể sinh học mong
muốn nên điều này được ứng dụng vào việc phân phối thuốc đích xác vào
những tế bào bị bệnh, tăng cường khả năng chữa trị bệnh ung thư.
1.2.3. Lợi ích từ việc phù hợp với đặc điểm, kích thước của tự nhiên
 Đặc điểm: Trong ngành sinh học phân tử, các phân tử sinh học cũng hoạt động
ở kích thước nano.
 Lợi ích: Nhờ áp dụng công nghệ ở kích thước nano chúng ta hiểu sâu sắc hơn
về hoạt động thật sự của cơ thể con người và cả thế giới quanh ta. Ví dụ: nếu
chúng ta hiểu được tại sao thành phần phân tử cấu tạo nên bộ xương bị xấu đi,
thì chúng ta có thể tìm ra phương pháp điều trị bệnh loãng xương; nếu chúng ta

Trung tâm Học
liệubằng
ĐHcách
Cần
Thơ
@ Tài
liệuđổihọc
và nghiên
cứu
hiểu được
nào vi
rút AIDS
làm biến
gen, tập
thì chúng
ta có thể tiến
gần đến việc tìm ra phương thuốc để chữa căn bệnh này,…
1.2.4. Tăng độ chính xác và rất sạch cho môi trường

 Đặc điểm: Công nghệ nano chỉ sử dụng đúng số nguyên tử theo yêu cầu,
không sử dụng những hóa chất và dung môi không cần thiết và phức tạp để
tổng hợp vật liệu.
 Lợi ích: Tăng độ chính xác, giảm khiếm khuyết cho vật liệu; không làm ô
nhiễm môi trường.

1.3. CƠ SỞ CỦA CÔNG NGHỆ NANO
1.3.1. Khái niệm công nghệ nano
1.3.1.1. Công nghệ nano là gì?
- Định nghĩa: Công nghệ nano, là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân
tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình
dáng, kích thước trên quy mô nanomet.[23]

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

10

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Mihail C. Roco thuộc hội đồng Khoa học và công nghệ nano của Mỹ cũng đã đưa ra
một định nghĩa mang tính chất hạn chế. Theo định nghĩa này, công nghệ nano chỉ còn
liên quan tới các vật liệu và hệ thống có các tính chất sau: [9]
 Ít nhất theo một chiều chúng cũng phải có độ lớn nằm giữa một và một
trăm nanomet.
 Chúng được tạo ra bởi những quá trình qua đó người ta có thể kiểm tra
được các tính chất hóa - lý của các cấu trúc kích cỡ phân tử.
 Chúng cho phép liên hợp thành những thực thể lớn hơn.

Thuật ngữ “nano” được công nhận từ năm 1960 có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp
(nanos) có nghĩa là bé nhỏ. Một nano bằng một phần một tỷ của một kích thước nào đó
(1n = 10-9). Chẳng hạn, một nanomet bằng một phần một tỷ của mét, nó xấp xỉ kích cỡ
của mười nguyên tử Hydro. Để dễ hiểu, bạn hãy hình dung dấu chấm trên chữ “i” của câu
này có kích cỡ khoảng một triệu nanomet. Nếu mỗi ký tự của bảng chữ cái có thể được in
ra với chiều cao mười nanomet thì toàn thể bộ Bách khoa toàn thư Anh quốc (tổng cộng
30.000 trang) có thể ghi lại bằng đầu của cây kim gút. [23]

Trung tâm Học liệu ĐH
Tài liệu
học tập và nghiên cứu
LoạiCần Thơ @Đường
kính (nm)
Nguyên tử Hiđro

0.1

Fullerene

1

DNA

2

Ống nano

3-30

Protein


5-50

Quantum dot

2-10

Virus

75-100

Hạt nano

2-100

Ty thể

500-1000

Vi khuẩn

1000-10000

Tế bào máu trắng

10000

Bảng 1.1 Kích thước của một số cấu tử nano [15]

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy


11

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

Hình 1.1 Kích thước vật liệu nano và tế bào. [15]

1.3.1.2. Phân biệt công nghệ nano và khoa học nano [23]
- Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp
(manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy
mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn.

Trung tâm
Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
- Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu
trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanomét.
1.3.2. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử [23]
- Vật liệu nano nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chất khối của vật
liệu. Số nguyên tử chứa trong vật liệu nano là quá lớn để chỉ thể hiện chúng qua các qui
luật lượng tử nhưng cũng quá nhỏ để chỉ bị chi phối bởi các qui luật Vật lí cổ điển.
- Các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn.
- Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức
năng lượng giống như một nguyên tử.
 Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so

với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu
ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet
khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. [23]
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

12

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
Mặt khác, năng lượng liên kết của nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì
chúng không được liên kết một cách đầy đủ. Vì vậy, các hạt nano có nhiệt độ nóng chảy
thấp hơn so với vật liệu khối. [5]
 Kích thước tới hạn [23]
Các tính chất Vật lý, Hóa học của bất kì một vật liệu nào đó đều có một giới hạn xác
định. Các tính chất như tính chất từ, tính chất điện, tính chất quang, tính chất hóa học…sẽ
thay đổi khi vật liệu đạt đến một kích thước tới hạn nào đó.
Kích thước của vật liệu nano đủ nhỏ để có thể so sánh với các kích thước tới hạn của
một số tính chất.
Trong công nghệ nano ta đang xét, kích thước của vật liệu trong khoảng giới hạn từ 1
đến 100 nanomet sẽ được thể hiện theo những tính chất nhất định tùy thuộc vào kích
thước của chúng. Điều này được thể hiện qua bảng sau:

Lĩnh vực

Tính chất

Độ dài tới hạn (nm)


Bước sóng điện tử

10-100

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Tính chất điện

Tính chất từ

Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 1-100
Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Độ dày vách đô men

10-100

Quãng đường tán xạ spin

1-100

Hố lượng tử

1-100

Tính chất quang Độ dài suy giảm

Tính siêu dẫn

Tính chất cơ

10-100

Độ sâu bề mặt kim loại

10-100

Độ dài liên kết cặp Cooper

0,1-100

Độ thẩm thấu Meisner

1-100

Tương tác bất định xứ

1-1000

Biên hạt

1-10

Bán kính khởi động đứt vỡ

1-100

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy


13

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

Xúc tác

Siêu phân tử

Miễn dịch

Sai hỏng mầm

0,1-10

Độ nhăn bề mặt

1-10

Hình học topo bề mặt

1-10

Độ dài Kuhn

1-100


Cấu trúc nhị cấp

1-10

Cấu trúc tam cấp

10-1000

Nhận biết phân tử

1-10

Bảng 1.2 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu. [23]

1.3.3. Các hiệu ứng
1.3.3.1. Hiệu ứng cầm tù lượng tử (quantum confinement) [22]
Điện tử chuyển động trong chất rắn sẽ chịu tác động của thế tương tác với các ion
đứng
ở cácHọc
nút mạng
thể.Cần
Do vậy,
các trạng
thái mô
tả chuyển
độngvà
này nghiên
sẽ mang tính
Trung
tâm

liệutinh
ĐH
Thơ
@ Tài
liệu
học tập
cứu
chất tuần hoàn. Nhưng nếu ta ngày càng giảm dần kích thước của chất rắn đến thang
nanomet (nhỏ hơn bước sóng de Broglie của điện tử) thì các tính chất sẽ thay đổi và xuất
hiện hiệu ứng lượng tử (hiệu ứng kích thước lượng tử hay hiệu ứng cầm tù lượng tử).
Trong hiệu ứng này, các trạng thái electron cũng như các trạng thái dao động trong hạt
nano bị lượng tử hóa. Điều này sẽ quyết định tính chất điện và quang nói riêng, tính chất
Vật lí và Hóa học nói chung của cấu trúc đó.

Hình 1.2 Vật liệu khối, màng
mỏng, dây lượng tử, chấm lượng tử

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

14

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Nếu ta có sự giảm kích thước 1 chiều (điện tử chuyển động tự do theo 2 chiều XY)
thì ta có các giếng lượng tử, đó là các màng mỏng có chiều dày kích thước nano, các siêu
mạng…
- Nếu ta giảm theo 2 chiều, có nghĩa là điện tử chuyển động tự do theo 1 chiều, ta sẽ

có các dây lượng tử
- Nếu ta hạn chế kích thước cả 3 chiều, sẽ được 1 hạt nhỏ, gọi là chấm lượng tử.
a) Giếng lượng tử (nano well hay quantum well)
 Đặc điểm [22]
Nếu ta giảm kích thước theo một chiều, ta có các cấu trúc kiểu các màng mỏng, cấu
trúc này gọi là giếng lượng tử. Nếu phân chia vật liệu theo số chiều giam giữ thì giếng
lượng tử giam giữ theo một chiều nên gọi là 2D (còn lại 2 chiều tự do).
 Biểu thức năng lượng [1]
Giả sử, kích thước vật rắn theo phương z giảm xuống cỡ vài nanomet (nghĩa là cùng
bậc với độ lớn bước sóng de Broglie của hạt tải điện), thì hạt tải điện tự do trong cấu trúc
này sẽ thể hiện các tính chất giống như một hạt chuyển động trong giếng thế có chiều cao

Trung
tâm
Học
liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
(V(z)
= ).
vô hạn
Do bị giam giữ, năng lượng của hạt dẫn
chuyển động theo chiều z sẽ bị lượng tử hóa:
Ez = En =

 2 2 n 2
(1.1) với n=1, 2, 3,…
2ma 2

Còn theo hai chiều x, y, do không bị hạn chế
nên chuyển động của điện tử theo hàm sóng
tuần hoàn, và phổ năng lượng sẽ giống như

trong vật rắn ở dạng khối:
Ex =

 2 k x2
(1.2)
2m
 k
2

Ey =

2
y

2m

(1.3)

Với kx, ky là vectơ sóng theo hai trục x, y.
Năng lượng của điện tử sẽ là: E = Ez+Ex+Ey

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

15

Hình 1.3 Phổ năng lượng bị gián đoạn
theo chiều giam giữ (z) nhưng do thành
phần liên tục của phổ theo chiều x, y
nên các điện tử thuộc cùng một mức
năng lượng En sẽ có giá trị năng lượng

bất kì từ En đến vô cực [27]

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
2 2
 2  2 n 2  2 k x2  k y
=
+
+
(1.4)
2m
2m
2ma 2

Ta thấy phổ năng lượng sẽ bị gián đoạn theo số nguyên n.
- Ví dụ: Cấu trúc giếng lượng tử GaAs hay siêu mạng GaAs.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Hình 1.4 Giếng lượng tử siêu mạng GaAs. [22]

b) Dây lượng tử
 Đặc điểm [22]
- Vật liệu một chiều hay còn gọi là dây lượng tử là một loại chất rắn thấp chiều bị
giam giữ theo hai chiều y, z và hạt dẫn chỉ chuyển động tự do theo chiều x.
- Các dây lượng tử có thiết diện ngang vài
nm2 và chiều dài có thể lên tới vài  m.
- Thiết diện ngang của dây lượng tử rất đa

dạng có thể là hình tròn, hình vuông, hình chữ
nhật... Tùy thuộc vào hình dạng của dây mà
người ta có thể phân ra nhiều loại dây: nano dây
(nanowires), nano thanh (nanorods), nano lá
(nanobelds), chùm (whishers) ...
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

Hình 1.5 Quantum wire
16

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
 Biểu thức năng lượng [1]
Giả sử dây bị giam giữ theo hai chiều y, z và hạt dẫn chỉ chuyển động tự do theo
chiều x.
Do bị giam giữ, năng lượng của hạt dẫn chuyển động theo hai chiều y, z sẽ bị lượng
tử hóa:
 2  2 n y2

Ey = Eny =
Ez = Enz =

2 ma y2
 2  2 n z2
2 ma z2

(1.5)

(1.6)

Ở đây, ay, az là kích thước theo các chiều y, z; ny, nz là lượng tử số theo chiều y, z; m
là khối lượng của điện tử.
Còn theo chiều x, do chiều này không bị hạn chế, chuyển động của điện tử theo hàm
sóng tuần hoàn, và phổ năng lượng sẽ giống như trong vật rắn ở dạng khối:
Ex 

 2 k x2
(1.7)
2m

2 liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Trung tâm
với k Học
(1.8): vector sóng theo trục x

x



Năng lượng của điện tử sẽ là:
En= Ex+Ey+Ez
=

2
2 2
 2 k x2   n y  2  2 n z2
+
+

(1.9)
2 ma z2
2 ma y2
2m

Như vậy: Sự thay đổi kích thước sẽ dẫn đến việc thay đổi mạnh phổ năng lượng của
vật liệu, và dẫn đến việc thay đổi các tính chất điện, quang...
c) Chấm lượng tử (quantum dot hay nano dot)
 Đặc điểm
- Trong quantum dot, electron bị giam giữ theo cả ba chiều gần giống như các
nguyên tử và do đó quantum dot thường được gọi là nguyên tử nhân tạo, siêu nguyên tử.
[22]
- Quantum dot có ưu điểm nổi bật so với nguyên tử là có thể thay đổi kích thước, hình
dạng, cũng như số lượng electron trong nó. Và do đó, với quantum dot, ta có thể mô
phỏng toàn bộ bảng hệ thống tuần hoàn. [22]
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

17

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Điện trở của quantum dot tuân theo công thức Landaur: [22]
R=h/Ne2i (1.10)
Với:
i là số mức năng lượng trong quantum dot.
Ne là số electron chứa trong quantum dot.
h là hằng số Planck.

- Quantum dot có nhiều tính chất quang học kì lạ: quantum dot hấp thụ ánh sáng rồi
lại nhanh chóng phát xạ nhưng với màu sắc khác... Vì kích thước bé nên chỉ một sự thay
đổi nhỏ về kích thước thì khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng của quantum dot đã biến
đổi khá rõ. Bởi vậy nên quantum dot có độ nhạy và khả năng phát quang cao hơn nhiều
so với các vật liệu chế tạo ra nó. Ngoài tính chất là có thể điều chỉnh được độ đa dạng của
màu sắc phát xạ, quantum dot còn có thể được chế tạo sao cho có một quang phổ tối ưu
với nhiều màu sắc mà ta muốn có. Ta có thể điều chỉnh để quantum dot có thể hấp thụ
ánh sáng cho trước trong một dải phổ rộng, do đó chỉ cần dùng những nguồn sáng đơn
giản, rẻ tiền như đèn, laser, LED... để làm nguồn kích thích cho quantum dot. Ngược lại,

Trung
tâm
liệu
ĐH
@ Tài
họcdottập
vàthụ
nghiên
cứu
bằng
một Học
từ trường
thích
hợp,Cần
ta lại Thơ
có thể điều
khiểnliệu
quantum
chỉ hấp
và phát xạ

ánh sáng trong một dải phổ rất hẹp. [22]
- Một đặc tính nữa của quantum dot là bờ hấp thụ và đỉnh phổ huỳnh quang dịch
chuyển về phía năng lượng cao khi kích thước của nó giảm. Hiện tượng này được gọi là
hiện tượng “dịch chuyển về phía xanh” (blue shiff). [5]
 Biểu thức năng lượng [5]
Năng lượng của electron trong giếng thế một chiều:
E 1chiều= En1chiều =

 2 2 n 2
(1.11) với n=1, 2, 3,…
2ma 2

Tuy nhiên trong chấm lượng tử các hạt tải điện bị giam giữ trong cả ba chiều và hệ
này có thể được mô tả như một giếng thế ba chiều vô hạn: thế năng bằng không tại mọi
nơi bên trong giếng, nhưng bằng vô cùng tại các thành của giếng. Chúng ta gọi những
giếng thế này là “hộp thế”. Dạng đơn giản nhất của hộp thế ba chiều có thể là một hình
cầu hay một hình lập phương.
Nếu hộp thế có dạng hình lập phương cạnh a, thì phương trình Schrodinger đối với
một trong ba bậc tự do có thể giải độc lập với nhau và khi đó ta có:
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

18

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
E3chiềuhlp = 3.E 1chiều =


3 2 2 n 2
(1.12) với n=1, 2, 3,…
2 ma 2

Nếu hộp thế có dạng hình cầu đường kính a, giải phương trình Schrodinger trong tọa
độ cầu ta có:
E3chiềuhc =
Vì Vcầu=

2  2 2 n 2
(1.13) (n=1, 2, 3,..)
ma 2

a 3
< Vhlp = a3 nên chúng ta có thể kết luận rằng, kích thước vật liệu nano
6

càng nhỏ, các hạt tải điện bị giam giữ càng mạnh thì khoảng cách giữa các mức năng
lượng càng riêng biệt (lượng tử hóa càng mạnh).
d) Điều kiện quan sát hiệu ứng lượng tử


- Xét theo điều kiện biên tuần hoàn Born Karman, vectơ sóng k bị lượng tử hóa: [3]
kx 

2n y
2n x
2n z
, ky 
, kz 

(1.14)
ax
ay
az

Nếu điện tử không bị giam giữ trong tất cả 3 chiều thì ax, ay, az là lớn, dẫn đến gia số:
2 ĐH 2Cần
2 Học liệu

Trung
Thơ
@ nghĩa
Tài liệu
nghiên
cứu
, k 
, k 
(1.15)
là nhỏ,
là theohọc
trục tập
kx, ky,và
kz các
trạng thái
k tâm

x

ax


y

ay

z

az

gần như liên tục. Trường hợp này xảy ra trong những mẫu có kích thước lớn và điện tử
không bị giam giữ. Tuy nhiên nếu điện tử bị giam giữ theo bất kì một chiều nào đó thì
kích thước theo chiều đó của mẫu là nhỏ, nên các gia số k 

2
là lớn.
a

Như vậy ta không thể xem những điểm


vectơ k đặc trưng cho trạng thái phân bố đều
và gần như liên tục mà chúng được phân bố
gián đoạn trong những mặt phẳng có phương
vuông góc với chiều bị giam giữ và cách đều
nhau một khoảng

2
.
a

Ví dụ: Xét màng mỏng, trong đó các điện

tử bị giam giữ theo chiều z. Như vậy, theo

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

19

Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn các trạng thái
trong màng mỏng bởi hiệu ứng lượng tử
hóa vì kích thước.

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng






chiều z thì vectơ sóng k z là gián đoạn; còn theo chiều x, y, vectơ k x , k y là liên tục. Giả
sử mặt đẳng năng là mặt cầu thì các điện tử sẽ xếp vào các đĩa như hình.


Sự gián đoạn của vectơ sóng k theo chiều mà điện tử bị giam giữ thể hiện sự gián
đoạn của các mức năng lượng của điện tử như đã nêu ở trên. Sự gián đoạn của các mức
năng lượng chỉ có thể quan sát được khi nồng độ của hạt dẫn đủ thấp. Khi đó, các hạt dẫn
chỉ xếp vào các mặt đĩa mà không lan ra những vùng lân cận. Trường hợp này thường
xảy ra đối với chất bán dẫn.

- Do khoảng cách giữa các mức lượng tử hóa do giảm kích thước tỷ lệ với 1/a2, tức
các En=

 2 2 n 2
nên để quan sát được các hiệu ứng cơ học lượng tử thì chiều dày của vật
2ma 2

liệu phải đủ nhỏ. [1]
- Khoảng cách giữa các mức năng lượng phải đủ lớn: En+1 – En>> KT (KT: năng
lượng nhiệt của hạt dẫn).
Nếu khí điện tử suy biến thì En+1>EF>En để biên độ thu đủ lớn. Vì khi EF >> En+1 – En
về nguyên tắc có thể quan sát được hiệu ứng lượng tử hóa do giảm kích thước nhưng biên

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
độ thu được rất nhỏ. [1]

- Trong thực tế, hạt dẫn luôn luôn bị tán xạ bởi tạp chất, phonon,…Xác suất tán xạ
được đặc trưng bởi thời gian hồi phục động lượng  . Giá trị hữu hạn của  ảnh hưởng
đến việc xác định giá trị năng lượng của trạng thái với sai số vào cỡ ∆E ≈ ħ/  . Vậy:
E n 1  E n 

 .e

 m

(1.16)

với µ là độ linh động của hạt dẫn, µ = e  /m (1.17)
Theo cơ học lượng tử, sự lượng tử hóa các mức năng lượng xảy ra đối với các hạt
chuyển động tuần hoàn. Điều này chỉ xảy ra khi tán xạ là đủ yếu sao cho khoảng cách

giữa hai lần tán xạ hạt dẫn đã kịp thực hiện vài dao động. Do đó(1.14) tương đương với
với điều kiện quãng đường tự do trung bình của hạt dẫn phải lớn hơn kích thước giam giữ.
[1]
 Tóm lại:
Để quan sát được các hiệu ứng lượng tử thì dây lượng tử phải có kích thước giam giữ
nhỏ, nhiệt độ đủ thấp, độ linh động hạt dẫn cao và nồng độ hạt dẫn đủ thấp. Ngoài ra chất
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

20

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
lượng bề mặt dây lượng tử phải cao, có sự phản xạ gần như gương (bước sóng Broglie
phải lớn hơn độ gồ ghề) và không chứa các tâm tích điện gây thêm các tán xạ phụ đối với
hạt dẫn. [22]
1.3.3.2. Hiệu ứng thông hầm lượng tử (hiệu ứng Hall) [17]
- Hiện tượng thông hầm lượng tử là hiện tượng các electron bằng các cơ chế của cơ
học lượng tử đã “đi xuyên” qua được bờ rào thế năng chắn giữa hai vùng chứa electron
ngay cả khi động năng của electron thấp hơn chiều cao của rào thế.
- Trong hiện tượng này, khi một
electron đến bờ rào thế năng của một hố thế,
nếu năng lượng của nó “trùng khít” với một
mức năng lượng rời rạc nào đó trong hố thế
thì electron đó sẽ vượt qua bờ rào vào hố
thế với xác suất tăng vọt. Nếu trong hố thế

Hình 1.7 Hiệu ứng thông hầm lượng tử


không tồn tại mức năng lượng nào bằng với năng lượng của electron thì electron đó
không thể vượt qua rào thế để vào trong hố thế. Điều chỉnh các mức lượng tử trong hố

Trung
Họcta liệu
Cầnquá
Thơ
Tài
liệu
tập và nghiên cứu
thế tâm
lên xuống,
có thểĐH
điều khiển
trình@
thông
hầm
của học
các electron.
1.3.3.3. Hiệu ứng khoá Coulomb (Coulomb Blockade) [17]
- Dòng điện trong vật liệu khối được biểu diễn bằng định luật Ohm: U = IR, trong đó R
là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính.
- Khi kích thước của vật liệu giảm dần, I-U không còn tuyến tính nữa mà có dạng bậc
thang.
- Khi không có điện áp ngoài, ở mức Fecmi có khe rộng là

e2
, electron không thể chui
2C


ngầm vào quantum dot.
- Khi có điện áp ngoài đúng bằng

e2
, thế hóa của cực máng trùng với mức trống thấp
2C

nhất trong quantum dot, một electron được phép chui vào quantum dot. Với sự có mặt
của electron dư trong quantum dot, mức Fecmi trong quantum dot được nâng lên một
lượng đúng bằng

e2
, electron thứ hai không thể chui tiếp vào quantum dot. Tăng điện áp,
2C

electron tiếp theo vẫn không thể vào quantum dot, chừng nào electron ban đầu chưa thoát
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

21

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
ra khỏi quantum dot để làm mức Fecmi bị hạ xuống. Quá trình này cứ diễn ra như vậy và
electron chỉ có thể chui vào quantum dot từng hạt một.
1.3.4. Công nghệ chế tạo nano
Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (topdown) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up).

- Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu kích thước nano từ các vật
liệu có kích thước lớn hơn.
- Phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử.
[26]
1.3.4.1. Phương pháp từ trên xuống (top - down)
Nguyên lý: Dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu có kích thước lớn về
kích thước nano. [4]
a) Phương pháp nghiền [26]
Vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng
và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay

Trung
Thơ
Tài va
liệu
học
vàphá
nghiên
cứu
(còntâm
gọi làHọc
nghiềnliệu
kiểu ĐH
hành Cần
tinh). Các
viên@
bi cứng
chạm
vào tập
nhau và

vỡ bột đến
kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).
b) Phương pháp biến dạng [26]
- Có các loại: đùn thủy lực, tuốt, cán, ép.
- Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ
lớn hơn nhiệt độ phòng thì được gọi là biến dạng nóng, nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng
thì được gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây
nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm).
 Nhận xét: Hai phương pháp trên là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền
nhưng rất hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của
vật liệu không cao và dễ bị nhiễm bẩn. Hiện nay, người ta thường dùng các phương pháp
quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
c) Phương pháp quang khắc [23]
 Quang khắc truyền thống (photolithography)


Nguyên tắc chế tạo

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

22

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
- Chế tạo âm bản: Khi sản xuất âm bản (mặt nạ) cho chip máy tính, đầu tiên là thiết kế
mạch điện theo kích cỡ phóng đại, sau đó dùng laser để chuyển dạng của mạch lên một
màng mỏng kim loại được phun phủ đặc biệt (thường bằng Crôm), màng này trải trên

một tấm trong suốt, thường bằng thủy tinh hay silicat. Sau khi cho ăn mòn những phần đã
được “rọi sáng”, âm bản đã được hoàn thành.
- Chế tạo dương bản: Âm bản sau khi hoàn thành được đưa vào máy chiếu dùng tia tử
ngoại. Một thấu kính tạo ảnh thu nhỏ của nó lên lớp cảm quang của đế silic. Những phần
được rọi sáng của lớp cản quang sẽ được bóc đi, ta được dương bản của vân cấu trúc ở
dạng tiểu hình hóa trên lớp silic.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 1.9 Sơ đồ của phương pháp quang khắc truyền thống



Ưu, nhược điểm:

Quang khắc thông dụng ngày càng trở nên khó khăn một khi nó đi xuống kích cỡ nhỏ
hơn, nên các nhà sản xuất nano chip phải đi tìm các công nghệ thay thế. Thay vì khắc
bằng tia tử ngoại người ta có thể dùng tia điện tử. Bởi lẽ tia điện tử không đi lệch trong
kích cỡ nguyên tử nên nó cũng không làm biến dạng các nấc thang hay góc cạnh của các
cấu hình. Với kỹ thuật này các nhà nghiên cứu đã viết ra những đường chỉ rộng vài
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

23

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng
nanomet lên chất cản quang của một đế silic, tia điện tử “khắc” từng dòng một theo đúng

chi tiết từng cấu trúc riêng lẻ.
 Quang khắc chùm tia điện tử (Electron beam lithography - EBL)
 Khái niệm: Đây là một phương pháp tương tự như phương pháp quang khắc
truyền thống nhưng sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao để làm biến đổi các chất
cản quang phủ trên bề mặt (các phiến Si...) để tạo ra các chi tiết có kích thước và hình
dạng giống như thiết kế.
 Nguyên lý của EBL
Bề mặt của phiến được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cản quang (resist), chất
này nhạy cảm với điện tử chiếu vào, và bị thay đổi tính chất dưới tác dụng của chùm điện
tử. Sự thay đổi có thể là nó sẽ bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa (developer) hoặc
không bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý thiết bị EBL

GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

24

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy


LVTN: Tìm hiểu công nghệ nano và những ứng dụng

Hình 1.11 Nguyên lý 2 phương pháp trong EBL:
Kỹ thuật lift-off (trái) và kỹ thuật ăn mòn (phải)

Trung tâm Học

liệucủaĐH
Cấu tạo
thiếtCần
bị EBLThơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
- Thiết bị EBL có cấu tạo gần giống như kính hiển vi điện tử quét, có khả năng tạo
chùm điện tử có năng lượng cao, sau đó khuếch đại và thu hẹp nhờ hệ thấu kính từ, rồi
chiếu chùm điện tử trực tiếp lên mẫu cần tạo.
- Khác với quang khắc truyền thống, EBL sử dụng chùm điện tử nên không cần mặt
nạ tạo hình mà chiếu trực tiếp chùm điện tử lên bề mặt mẫu, và dùng các cuộn dây để
quét điện tử nhằm vẽ ra các chi tiết cần tạo. Chùm điện tử của các EBL mạnh có thể có
kích thước từ vài nanomét đến hàng trăm nanomét.
 Các phương pháp
 Kỹ thuật lift-off (loại bỏ)
- Phương pháp này tạo ra phần vật liệu sau khi được tạo hình.
- Các bước:
+ Phủ trực tiếp cản quang dương lên đế. Cản quang dương là chất sau khi bị chiếu
bởi chùm điện tử sẽ bị hòa tan trong các dung môi rửa.
+ Chiếu điện tử, cản quang này bị biến đổi tính chất, và phần bị chiếu điện tử sẽ bị
hòa tan trong dung dịch tráng rửa (developer).
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Thủy

25

SVTH: Trần Thị Ngọc Phương
Nguyễn Như Sơn Thủy