CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO-revised

CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO

NỘI DUNG CHÍNH

GIỚI THIỆU

CHUNG

KẾT LUẬN

KỸ THUẬT

CHẾ TẠO

I. GIỚI THIỆU CHUNG

3

thin = less than about one micro ( 10,000 Angstrons, 1000 nm) film = layer of material on a substrate(if no substrate, it is a "foil")

Màng mỏng là gì?

I. GIỚI THIỆU CHUNG

Kỹ thuật nano là ngành kỹ thuật áp dụng các vật liệu và tính chất kích cỡ nano vào việc giải quyết một vấn đề hay phục vụ một mục đích.

Mỗi khi các tính chất phụ thuộc kích thước của một vật liệu đặc trưng được phát hiện thì lại có những ứng dụng mới để sử dụng vật liệu ấy.

Sử dụng các tính chất đặc biệt xảy ra ở kích cỡ nano để phát triển các kỹ thuật mới đươc gọi là kỹ thuật nano

II. CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO

PP VẬT LÝ

PP HÓA HỌC


PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ:

1.Bốc bay nhiệt

2.Bốc bay chùm điện tử

3.Ăn mòn laser

4.Phún xạ magnetron

5.Lithography

6.Quang khắc chùm điện tử

PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC:

1.Phương pháp điện hoá

2.Vi nhũ tương

3.Lắng động hơi hoá học

4.Phương pháp sol-gel

1. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT 2. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ

3. PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER

4. PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

5. PHƯƠNG PHÁP LITHOGRAPHY

6. PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ


Phương pháp vật lý

BỐC BAY NHIỆT

Bay bốc nhiệt hoặc bay bốc nhiệt trong chân không là kỹ thuật tạo màng

mỏng bằng cách bay hơi các vật liệu cần tạo trong môi trường chân không cao

và ngưng tụ trên đế.

BỐC BAY NHIỆT

Ưu điểm

• Màng lắng đọng ở tốc độ cao

• Nguyên tử bay hơi năng lượng thấp

• Ít nhiễm tạp

• Không gây nhiệt cho đế

• Rẻ, dễ thực hiện

• Áp dụng được cho nhiều loại vật liệu.

Nhược điểm

• Không thể tạo các màng quá

mỏng.

• Khó khống chế độ dày của màng.

• Khó chế tạo màng đa lớp.

1. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY NHIỆT

2. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ3. PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER






BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ

Năng lượng của chùm tia điện tử được hội tụ trực tiếp lên vật liệu. Khi chùm tia điện tử năng lượng cao bắn lên vật liệu nguồn, toàn bộ động năng của chùm tia điện tử chuyển thành nhiệt năng làm hoá hơi vật liệu và sau đó lắng đọng trên đế.


Chùm tia điện tử được gia tốc trong điện

trường có năng lượng cao và được hội tụ

vào vật liệu nguồn nhờ tác dụng của từ trường

điều khiển, khi đó vật liệu được hoá hơi rồi

lắng đọng lên đế.

Do chùm tia điện tử có năng lượng rất lớn

và diện tích hội tụ nhỏ vì vậy vật liệu gần

như được hoá hơi tức thì.

Chính đặc điểm này cho phép nó có thể

tạo được màng mỏng của hầu hết các vật

liệu, đặc biệt là đối với các vật liệu nhiều

thành phần.


Ưu điểm

Độ tinh khiết cao.

Bốc bay được vật liệu khó nóng

chảy.

Dễ điều chỉnh áp suất, thành phần

khí và nhiệt độ và dễ theo dõi quá

trình lắng đọng.

Có thể sử dụng rất ít vật liệu gốc

tiết kiệm đáng kể nguồn vật liệu

Nhược điểm

Khó chế tạo vật liệu là hợp kim.

CMOS dễ bị phá hỏng bởi các bức

xạ tia X phát ra do điện tử bị hãm

đột ngột.

Màng phủ khó đồng đều.


2. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÙM ĐIỆN TỬ

3. PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER4. PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON





BỐC BAY BẰNG XUNG LASER

Ánh sáng laser có thể tập trung năng lượng với cường độ rất cao trên một vùng giới hạn của vật liệu.

Khi ánh sáng laser chiếu tới vật liệu, cường độ laser lớn sẽ gây bùng nổ và dẫn đến sự phát tán hỗn hợp của nguyên tử, các phân tử và ion (plasma) hoặc các đám hơi vật chất từ bề mặt của vật liệu.


+

++

++

+

Electron

Nguyên tửtrung hòa

+ Ion +

Laser

Chùm laser xung côngsuất lớn được chiếu vào bia.

Bia hấp thu năng lượnglaser, nóng lên và bay hơi

Phía trên bia hình thànhmột vùng không gian chứaplasma phát sáng

Các hạt vật liệu biangưng tụ màng trên đế


Ưu điểm

• Không sử dụng dung môi An toàn

và thân thiện với môi trường.

• Dễ tự động hoá (sử dụng robot).

• Chi phí hoạt động thấp

• Nhiệt độ tương đối thấp.

Nhược điểm

• Rất khó để kiểm soát quá trình kết

tụ của phân tử nên các hạt chế tạo

được có xu hướng phân bố kích

thước trong khoảng rộng.




4. PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON5. PHƯƠNG PHÁP LITHOGRAPHY




PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON

Là kỹ thuật phún xạ (DC và RF) cải

tiến từ các hệ phún xạ thông dụng

bằng cách đặt bên dưới bia các nam

châm

ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH

Vùng sụt thế Cathode: Trong vùng này điện tử thứ cấp sinh ra từ Catod sẽ được điện trường gia tốc để đi vào vùng ion hoá theo hướng trực giao với nó.


Vùng ion hóa: Có điện trường rất bé hơn so với Ek, điện tử có đủ năng lượng để ion hoá chất khí, khi va chạm với các phân tử khí các điện tử sẽ mất năng lượng và quỹ đạo cycloid sẽ nhỏ dần, còn các ion sinh ra do quá trình ion hoá sẽ được gia tốc trong vùng sụt thế Catod và thực hiện chức năng phún xạ.


Vùng plasma :Các ion này

dưới tác dụng của điện trường gia

tốc bay đến đập vào catod

Ưu điểm1. Dùng được cho tất cả các loại vật liệu (nguyên

tố, hợp kim,hợp chất).

2. Bia để phún xạ thường dùng được lâu.

3. Có thể đặt bia theo nhiều hướng, bia là nguồn

“bốc bay ” rất lớn.

4. Chế tạo màng mỏng có cấu hình đa dạng.

5. Quy trình phún xạ ổn định, dễ tự động hóa.

6. Độ bám dính của màng tốt

7. Dễ chế tạo màng đa lớp

8. Rẻ tiền và dễ thực hiện

9. Màng tạo ra có độ mấp mô bề mặt thấp, độ

dày chính xác.

Nhược điểm1. Năng lượng phún xạ tập trung lên bia, làm

nóng bia, nên phải làm lạnh bia.

2. Tốc độ phún xạ << tốc độ bốc bay chân không.

3. Tốn nhiều năng lượng.

4. Bia thường rất khó chế tạo và đắt tiền. Nhưng

hiệu suất sử dụng thấp.

5. Có thể nhiễm nhiều tạp chất

6. Khả năng tạo ra các màng rất mỏng với độ

chính xác cao là không cao.

7. Không thể tạo ra màng đơn tinh thể.

8. Áp suất thấp => đòi hỏi phải hút chân không

cao





5. PHƯƠNG PHÁP LITHOGRAPHY6. PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ



PHƯƠNG PHÁP LITHOGRAPHY

• Quang khắc (photolithography) là kỹ thuật tạo ra các chi tiết của

vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng

cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm

quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo.

• Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán

dẫn và vi điện tử, nhưng không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn

do hạn chế của nhiễu xạ ánh sáng, nên được gọi là quang khắc

micro (micro lithography).


Một hệ quang

khắc bao gồm:

Quang khắc là phương pháp sử dụng các phản ứng quang hóa nhằm thu được các phần tử trên bề mặt của đế có hình dạng và kích thước xác định.

Nguồn phát tia tử ngoại: chùm tia tử ngoại này được khuếch đại rồi sau đó chiếu qua “mặt nạ” (photomask).


Một hệ quang

khắc bao gồm:


-Mặt nạ: một tấm chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi.


Một hệ quang

khắc bao gồm:


-Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, sau đó nó được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ


Ưu điểm

• Tạo được vi mạch điện tử kích cỡ

micromet.

Nhược điểm

• Ánh sáng bị nhiễu xạ nên không chế

tạo được vật liệu kích thước nhỏ hơn

50nm.

• Độ phân giải thấp, không tạo được

các chi tiết phức tạp.

ỨNG DỤNG

• Được sử dụng rộng rãi nhất trong

công nghiệp bán dẫn để chế tạo các

vi mạch điện tử trên các phiến Si.

• Sử dụng trong ngành khoa học và

công nghệ vật liệu để chế tạo các

chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh

kiện vi cơ điện tử (MEMS).

• Hình ảnh minh họa






6. PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM

ĐIỆN TỬ



PHƯƠNG PHÁP QUANG KHẮC CHÙM ĐIỆN TỬ

• Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography –

EBL) Là công nghệ tạo các chi tiết trên bề mặt (các phiến Si...)

có kích thước và hình dạng giống nhau.

• Thiết kế bằng cách sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao

làm biến đổi các chất kháng quang phủ trên bề mặt phiến.

• EBL là một công cụ phổ biến trong công nghệ nano để tạo ra

các chi tiết, các linh kiện có kích thước nhỏ với độ chính xác

cực cao.

Nguyên lý 2 phương pháp trong EBL:

Lift-off Ăn mòn

ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA EBL SO VỚI PHOTOLITHOGRAPHY

Phương pháp EBL

• Có thể tạo các chi tiết có độ phân

giải cao và kích thước nhỏ

• Dễ dàng tạo các chi tiết phức tạp.

• Chùm điện tử có thể điều khiển

quét trên bề mặt mẫu bằng cách

cuộn dây nên có thể vẽ trực tiếp

chi tiết.

• Phương pháp EBL khá chậm.

Phương pháp photolithography

• Cần mặt nạ mới có thể vẽ

trên chi tiết

• Nhanh hơn nhiều so với EBL

1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA2. PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

3. PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC.

4. PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL


Phương pháp HÓA HỌC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HOÁ

Điện hoá dựa vào quá trình biến đổi hoá học diễn ra

trong dung dịch muối chứa ion kim loại dưới tác dụng

của dòng điện, dẫn đến phản ứng khử và phản ứng

oxi hoá diễn ra trên các điện cực, rồi hình thành lớp

kim loại trên điện cực cathode.

Thành phần chính:

Dung dịch điện phân gồm muối dẫn điện, ion

kim loại kết tủa thành lớp, chất đệm, phụ gia.

Điện cực catod dẫn điện, chính là vật liệu cần

tạo màng hoặc tạo nanorod.

Điện cực anod có thể tan hoặc không tan

(thường không tan), dùng để cấp dòng điện cho

cho quá trình điện hoá.

Bể chứa bằng thép hay thuỷ tinh, vật liệu

chịu được dung dịch điện hoá và chịu nhiệt tốt.

Hệ ổn nhiệt trong quá trình điện hoá, nhệt độ

trong bình sẽ được quan sát qua đầu dò nhiệt.

Nguồn một chiều, thường dùng chỉnh lưu.

Quá trình điện phân xảy ra theo hai quá trình:

- Quá trình oxy hoá xảy ra ở anod.

- Quá trình khử xảy ra ở catod.

Trong quá trình điện phân, vật cần mạ (catod) gắn với cực âm, kim loại cần mạ làm cực dương (anod) của nguồn điện hoặc ở dạng ion trong muối (chất điện li).

Nguyên lý hoạt động

PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

Ưu điểm

• Tạo lớp phủ bên ngoài vật liệu với độ

dầy khoảng 1 μm.

• Có thể phủ lên những vị trí bên trong

khó thao tác đối các phương pháp khác.

• Thích hợp với những vật liệu yêu cầu

sai số thấp, trọng lượng nhỏ, và hình

dạng phức tạp.

Nhược điểm

• Khó thu được sản phẩm tách rời với

vật liệu phủ, hao phí hoá chất.

• Dung dịch điện phân dễ làm ăn mòn

các thiết bị khác.

• Chất thải gây ô nhiễm môi trường.

• Gây độc cho người thực hiện.

• Bề mặt dễ nứt, gãy.

1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

2. PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG3. PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC.




PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

• Vi nhũ tương là phương pháp khá phổ biến để tạo hạt nanô.

Với nhũ tương “nước-trong-dầu”, các giọt dung dịch nước bị

bẫy bởi các phân tử CHHBM trong dầu (các micell).

• Đây là một dung dịch ở trạng thái cân bằng nhiệt động trong

suốt, đẳng hướng. Do sự giới hạn về không gian của các

phân tử CHHBM, sự hình thành, phát triển các hạt nano bị

hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước

hạt có thể từ 4-12 nm với độ sai khác khoảng 0.2-0.3 nm.

Cơ chế hoạt động của phương pháp vi nhũ tương.

Cơ chế cụ thể của phản ứng xảy ra trong hệ vi nhũ tương: Phản ứng hóa học tạo các chất mong muốn sẽ xảy ra khi ta hòa trộn các hệ vi nhũ tương này lại với nhau.

PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

Ưu điểm - Kích thước và hình dạng của sản phẩm cuối cùng

có thể khống chế được với việc thay đổi tỷ lệ chất

phản ứng, điều chỉnh kích thước hạt micell.

- Dễ làm.

- Kích thước hạt nhỏ đồng đều.

- Không cần cung cấp thêm chất ổn định sau khi tạo

xong sản phẩm.

Nhược điểm

- Dễ bị ảnh hưởng bởi các thông số

môi trường như nhiệt độ, pH.

- Hóa chất đắt tiền, độc hại.


2. PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

3. PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA

HỌC.4. PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL



PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC

Khí precursor được dòng đối lưu vận chuyển, gặp môi trường nhiệt độ cao hay plasma sẽ xảy ra hiện tượng va chạm giữa các electron với ion, electron với notron hay electron va chạm với electron để tạo ra gốc tự do.


Sau đó, các phân tử gốc tự do khuyếch tán xuống đế gặp môi trường nhiệt độ cao tại đế sẽ xảy ra các phản ứng tạo màng tại bề mặt đế.


Sản phẩm phụ sinh ra sau khi phản ứng sau đó sẽ khuếch tán ngược vào dòng chất lưu, dòng chất lưu đưa khí precursor dư, sản phẩm phụ, khí độc ra khỏi buồng

5 CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH

1. Khuếch tán của chất phản ứng tới

bề mặt đế

2. Sự hấp phụ của chất phản ứng

vào bề mặt đế

3. Xảy ra các phản ứng hóa học

4. Giải hấp của các sản phẩm khí sau

khi phản ứng

5. Khuếch tán các sản phẩm phụ ra

ngoài


Ưu điểm Hệ thiết bị đơn giản.

Tốc độ lắng đọng cao.

Có khả năng lắng đọng hợp

kim nhiều thành phần.

Có thể tạo màng cấu trúc

hoàn thiện, độ sạch cao.

Có thể lắng đọng lên đế có

cấu hình đa dạng, phức tạp.

Nhược điểm

Cơ chế phản ứng phức tạp.

Đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn

trong các phương pháp khác.

Đế và các dụng cụ thiết bị có

thể bị ăn mòn bởi các dòng hơi.

Khó tạo hình linh kiện màng

mỏng thông qua kỹ thuật mặt

nạ.

ỨNG DỤNG

• Phương pháp CVD được dùng để chế tạo màng mỏng, các chất bán

dẫn như: Si,các màng mỏng ôxít dẫn điện trong suốt như

SnO2,In2O3:Sn(ITO),các màng mỏng điện môi như SiO2, Si3N4, BN,

Al2O3, …các màng mỏng kim loại


2. PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ TƯƠNG

3. PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC.




ĐỊNH NGHĨA QUÁ TRÌNH SOL-GEL:

• Quá trình sol-gel là một quá

trình liên quan đến hóa lý sự

chuyển đổi của một hệ thống

từ precursor thành pha lỏng

dạng sol sau đó tạo thành pha

rắn dạng gel theo mô hình

precursorsolgel như trên

hình

DIỄN BIẾN QUÁ TRÌNH SOL-GEL

Gồm 4 bước:

Bước 1: Các hạt keo mong muốn từ các phân tử huyền phù precursor phân tán vào một chất lỏng để tạo nên một hệ sol.


Gồm 4 bước:

Bước 2: Sự lắng đọng dung dịch sol tạo ra các lớp phủ trên đế bằng cách phun, nhúng, quay.


Gồm 4 bước:Bước 3: Các hạt trong hệ sol được polymer hóa thông qua sự loại bỏ các thành phần ổn định hệ và tao ra hệ gel ở trạng thái là một mạng lưới liên tục.


Gồm 4 bước:

Bước 4: Xử lí nhiệt, nhiệt phân các thành phần hữu cơ, vô cơ còn lại và tạo nên một màng tinh thể hay vô định hình.

CƠ CHẾ HÓA HỌC: 2 PHẢN ỨNG CHÍNHPhản ứng thủy phânPhản ứng thủy phân thay thế nhóm

alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại

-alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH)

để tạo liên kết kim loại-hydroxyl.

Phản ứng ngưng tụ:

Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết

kim loại-oxide-kim loại, là cơ sở cấu

trúc cho các màng oxide kim loại

PHƯƠNG PHÁP SOL - GEL

Ưu điểm

• Dễ dàng kiểm soát độ dày của màng.

• Có thể phủ lên các hình dạng phức tạp.

• Có thể sản xuất được những sản phẩm

có độ tinh khiết cao.

• Là phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn

giản để sản xuất màng có chất lượng

cao.

• Có thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường

Nhược điểm

• Sự liên kết trong màng yếu

• Độ chống mài mòn yếu

• Rất khó để điều khiển độ xốp

• Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao

• Chi phí cao đối với những vật liệu thô

• Hao hụt nhiều trong quá trình tạo

màng

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL• Tạo màng bảo vệ và màng có tính chất

quang học.

• Bộ nhớ quang.

• Tạo kính giao thoa.

• Màng đa lớp tạo vi điện tử.

• Kỹ thuật nano mở cho chúng ta một hướng hoàn toàn mới để chế tạo và nghiên cứu các vật liệu và thiết bị trong khoa học và công nghệ.

• Kỹ thuật nano đang đươc khai thác trên toàn cầu và thu hút các nhà nghiên cứu thuộc đủ mọi chuyên ngành như hoá học, vật lý, khoa học vật liệu, công nghệ, sinh hoc, y học.

• Nhiều ứng dụng của kỹ thuật nano đã đươc đưa vào thị trường, một số ứng dụng khác đầy hứa hẹn đang được nghiên cứu.

KẾT LUẬN

Documents

CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO NANO-revised