Luận văn Mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống nanô cácbon

Nội dung text: Luận văn Mô phỏng và thực nghiệm quá trình tản nhiệt cho vi xử lý máy tính ứng dụng vật liệu ống nanô cácbon

1. ðI HC QUC GIA HÀ NI TRƯNG ðI HC CÔNG NGH BÙI HÙNG THNG MÔ PHNG VÀ THC NGHIM QUÁ TRÌNH TN NHIT CHO VI X LÝ MÁY TÍNH NG DNG VT LIU NG NANÔ CÁCBON LUN VĂN THC SĨ Hà Ni – 2010
2. ðI HC QUC GIA HÀ NI TRƯNG ðI HC CÔNG NGH BÙI HÙNG THNG MÔ PHNG VÀ THC NGHIM QUÁ TRÌNH TN NHIT CHO VI X LÝ MÁY TÍNH NG DNG VT LIU NG NANÔ CÁCBON Chuyên ngành: Vt liu và Linh kin Nanô (Chuyên ngành ñào to thí ñim ) LUN VĂN THC SĨ NGƯI HƯNG DN KHOA HC: PGS.TS. PHAN NGC MINH Hà Ni – 2010
3. LI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan bn lun văn này là công trình nghiên cu do chính tôi − hc viên Bùi Hùng Thng, chuyên ngành Vt liu và Linh kin nanô, khoa Vt lý K thut và Công ngh nanô, trưng ði hc Công ngh, ði hc Quc gia Hà Ni hoàn thành dưi s hưng dn ca PGS.TS. Phan Ngc Minh. Bn lun văn không sao chép t bt kỳ tài liu nào. Nu bn lun văn này ñưc sao chép t bt kỳ tài liu nào tôi xin hoàn toàn chu trách nhim trưc ñơn v ñào to và pháp lut. Hà Ni, ngày 05 tháng 10 năm 2010 Tác gi Bùi Hùng Thng
4. LI CM ƠN Vi lòng bit ơn sâu sc, em xin chân thành cm ơn thy giáo PGS.TS. Phan Ngc Minh, ngưi ñã trc tip giao ñ tài và tn tình hưng dn em hoàn thành lun văn này. Em cũng gi li cm ơn chân thành và sâu sc nht ti GS.TS. Nguyn Năng ðnh, ngưi thy ñã truyn ñt cho em nhiu kin thc và kinh nghim quí báu trong hc tp và nghiên cu khoa hc. Em xin chân thành cm ơn toàn th cán b, ñng nghip trong phòng Vt liu Cácbon nanô, Vin Khoa hc Vt liu ñã giúp ñ em tn tình, to ñiu kin thun li và cho em nhiu kinh nghim quí báu trong sut quá trình làm thí nghim, nghiên cu, hoàn thành lun văn. Em xin ñưc bày t lòng bit ơn ñi vi các thy cô giáo Trưng ði hc Công ngh, ði hc Quc Gia Hà Ni ñã ch bo và ging dy em trong sut nhng năm hc qua cũng như vic hoàn thành lun văn này. Ni dung ca lun văn là mt phn công vic ca ñ tài nghiên cu cơ bn “Nghiên cu hiu ng và cơ ch tn nhit s dng vt liu ng nanô cácbon, ng nanô cácbon ñnh hưng và màng kim cương nhân to trong các linh kin ñin t công sut”. Mã s 103.03.47.09 do Qu Phát trin Khoa hc và Công ngh Quc gia − NAFOSTED tài tr. Cui cùng, xin ñưc bày t tình cm ti các bn trong tp th lp Cao hc K15N ñã ñng viên, h tr em v mi mt. Em xin chân thành cm ơn! Hc viên: Bùi Hùng Thng
5. MC LC Trang M ðU 1 CHƯƠNG 1: TNG QUAN 4 1.1 Tng quan v vt liu ng nanô các bon 4 1.1.1 Lch s phát trin 4 1.1.2 Cu trúc ca ng nanô cácbon 8 1.1.3 Các phương pháp ch to ng nanô cácbon 10 1.1.4 Tính cht ca vt liu CNTs 14 1.2 Tn nhit cho vi x lý máy tính 21 1.2.1 Tng quan v CPU 21 1.2.2 Vai trò ca tn nhit và các phương pháp tn nhit 22 1.2.3 Vai trò, tác dng ca kem tn nhit 25 1.2.4 Mt s loi kem tn nhit trên th trưng 26 CHƯƠNG 2: THC NGHIM 28 2.1 Ý tưng ng dng CNTs trong kem tn nhit 28 2.2 Phương án thc nghim 28 2.3 H thit b và phương án thí nghim 29 2.3.1 H thí nghim 29 2.3.2 Thit b phn cng 29 2.3.3 Các phn mm h tr 30 2.3.4 Các hóa cht và vt liu s dng 31 2.4 Các bưc tin hành thí nghim 34 2.4.1 Quá trình ch to kem 34 2.4.2 Kho sát quá trình tn nhit ca vi x lý 34 2.5 Các phương pháp phân tích 34 2.5.1 Kính hin vi ñin t quét (SEM) 35 2.5.2 Ph Raman 36 2.5.3 Ph huỳnh quang tia X (EDX) 36 2.6 Phương pháp mô phng 37 CHƯƠNG 3: KT QU VÀ THO LUN 40 3.1 Kt qu chp SEM 40 3.2 Ph Raman 41 3.3 Ph EDX 42 3.4 Xác ñnh nng ñ CNTs ti ưu trong kem tn nhit 43
6. 3.5 Kt qu mô phng và thc nghim quá trình tn nhit 44 3.5.1 Không s dng kem tn nhit 44 3.5.2 Kem tn nhit STARS 45 3.5.3 Kem tn nhit STARS pha CNTs 46 3.5.4 Kem tn nhit AS5 47 3.5.5 Kem tn nhit AS5 pha CNTs 48 3.5.6 Quá trình gim nhit ñ ca CPU 49 3.6 Tính n ñnh và tui th ca kem tn nhit 50 3.7 Bưc ñu ng dng CNTs trong tn nhit cho LED 50 KT LUN 53 DANH MC CÁC CÔNG TRÌNH CA TÁC GI 54 TÀI LIU THAM KHO 58
7. DANH MC CÁC KÝ HIU, CÁC CH VIT TT Ch vit Ting Anh Ting Vit tt CNTs Carbon Nanotubes ng nanô cacbon CVD Chemical Vapor Deposition Ngưng t pha hơi hoá hc Energy Dispersive XRay EDX Ph tán x năng lưng tia X spectroscopy SEM Scanning Electron Microscopy Kính hin vi ñin t quét SWCNTs SingleWalled Carbon Nanotubes ng nanô cacbon ñơn tưng MWCNTs MultiWalled Carbon Nanotubes ng nanô cacbon ña tưng
8. DANH MC CÁC HÌNH V, ð TH Trang Hình 1.1. Các trng thái lai hóa khác nhau ca các bon 4 Hình 1.2. Cu trúc Graphit: a) Chiu ñng b)Chiu ngang 5 Hình 1.3. a) Cu trúc tinh th ca kim cương b) Kim cương dng khi 6 Hình 1.4. Cu trúc cơ bn ca các Fullerenes a) C60 b) C70 c) C80 7 Hình 1.5 . Các dng cu trúc ca CNTs: a) SWCNTs b) MWCNTs 8 Hình 1.6. Hình 1.6. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loi amchair(5, 5), zigzag (9, 0) và chiral (10, 5) 9 Hình 1.7. Các loi defeet trên ng CNTs: a) ñu ng, b) thân ng 10 Hình 1.8. Sơ ñ thit b h quang ñin 11 Hình 1.9 . H phóng ñin h quang bng plasma quay 12 Hình 1.10. Sơ ñ h thit b bc bay bng laser 13 Hình 1.11. Sơ ñ khi h CVD nhit 14 Hình 1.12. a) Cu trúc ñin t ca hàm phân b năng lưng, b) vùng Brillouin ca graphene 15 Hình 1.13. Hàm phân b năng lưng: a) armchair(5,5) b) zigzag (9,0) c) zigzag(10,0) 16 Hình 1.14. So sánh ñ dn nhit ca CNTs vi các vt liu khác 19 Hình 1.15. a) S ph thuc ca ñ dn nhit ca CNTs vào nhit ñ b) So vi graphite và mng graphene 19 Hình 1.16. Các loi CPU (vi x lý) thưng gp 21 Hình 1.17. Cu trúc bên trong ca CPU 21 Hình 1.18. H thng tn nhit bng qut gió 23 Hình 1.19. H thng tn nhit bng cht lng 24 Hình 1.20. Nitơ hóa lng ñưc rót vào ng làm lnh gn trên CPU 24 Hình 1.21. Sơ ñ h tn nhit dùng qut có kem tn nhit 25 Hình 1.22. Tác dng ca kem tn nhit 26 Hình 1.23. Kem tn nhit Stars 350 26 Hình 1.24. Kem tn nhit FrozenCPU Copper 27 Hình 1.25. Kem tn nhit Arctic Silver 5 27 Hình 2.1. H thí nghim kho sát nhit ñ CPU 29 Hình 2.2. Sơ ñ mch ñin ño nhit ñ CPU 30 Hình 2.3. Giao din phn mm Speedfan 30 Hình 2.4. Giao din phn mm StressPrime 2004 ORTHOS 31
9. Hình 2. 5. Vt liu CNTs s dng trong thí nghim 31 Hình 2.6. Vt liu CNTs bin tính s dng trong thí nghim 32 Hình 2.7. Vt liu CNTs/pani s dng trong thí nghim 32 Hình 2.8. Kem Stars 350 33 Hình 2.9. Kem Arctic siliver 5 33 Hình 2.10. Chloroform và cu to hóa hc 33 Hình 2.11. Các bưc bôi kem tn nhit lên CPU 34 Hình 2.12. Mô hình h thng tn nhit cho vi x lý máy tính 37 Hình 2.13. Sơ ñ mch th hin h thng tn nhit cho vi x lý 38 Hình 2.14. Sơ ñ mch h thng tn nhit cho vi x lý ñơn gin hóa 38 Hình 3.1. nh SEM ca kem Arctic silver 5 ñ phân gii 6.000 ln và 22.000 ln 40 Hình 3.2. nh SEM ca kem Stars CNTs 5% ñ phân gii 13.000 ln, ch to bng phương pháp trn cơ hc 40 Hình 3.3. nh SEM ca kem Arctic silver 5 CNTs 3% ñ phân gii 80.000 ln, ch to bng phương pháp có h tr bng dung môi chloroform, khuy t và rung siêu âm 41 Hình 3.4. Ph Raman ca kem Stars (a) và kem Stars pha CNTs 2% (b) 41 Hình 3.5. Kt qu phân tích EDX ca kem Stars pha 2% CNTs 42 Hình 3.6. Kt qu phân tích EDX ca kem AS5 pha 2% CNTs 42 Hình 3.7. Kt qu thc nghim vi kem tn nhit STARS / CNTs vi nng ñ ca CNTs t 1% wt. ñn 7% wt. 43 Hình 3.8. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi không s dng kem tn nhit 44 Hình 3.9. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit STARS 45 Hình 3.10. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit STARS pha 2% CNTs 46 Hình 3.11. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit AS5 47 Hình 3.12. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit AS5 pha 2% CNTs 48 Hình 3.13. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU trong quá trình gim nhit ñ khi s dng kem tn nhit STARS 49 Hình 3.1 4. Kt qu thc nghim vi kem tn nhit STARS / 2% CNTs vi thi gian kéo dài 10000 giây 50 Hình 3.1 5. Các nh SEM ca (a) ñ tn nhit cho LED, (b) ñ tn nhit ñã
10. ñưc ph lp màng VACNTs, (c) nh SEM ca lp màng VA CNTs 51 Hình 3.1 6. Hình nh chip LED ñưc gn trên ñ Cu 51 Hình 3.1 7. nh chp ñ sáng t linh kin LED vi dòng ñu vào (a) 100 mA, (b) 350 mA s dng màng VACNTs và (c) 500 mA s dng màng VACNTs 52
11. M ðU Máy vi tính cá nhân (PC) ngày càng tr nên ph bin và ñưc ng dng rng rãi trong nhiu lĩnh vc ca ñi sng, trong ñó vi x lý là b phn quan trng nht, có chc năng x lý lnh và s liu. Vi s phát trin nhanh ca khoa hc và công ngh, mt ñ tích hp transistor trong vi x lý (CPU) ngày càng cao, t 55 triu transistor Pentium 4 Prescott ñn th h vi x lý lõi t là 400 triu transistor. ðiu này làm tăng tc ñ x lý ca CPU nhưng ñng thi cũng làm tăng lưng nhit ta ra trên vi x lý. Lưng nhit sinh ra quá cao s làm gim tui th và kh năng x lý ca CPU do các linh kin ñin t ch làm vic trong mt gii hn nhit ñ nht ñnh. Do ñó bài toán tn nhit cho CPU là mt bài toán quan trng và cn ñưc gii quyt. Hin nay ph bin nht vn là phương pháp tn nhit dùng qut. Phương pháp này s dng mt ñ kim loi (heatsink) có ñ dn nhit cao áp lên b mt CPU ñ ly nhit ra khi CPU, sau ñó lưng nhit này ñưc tn ra ngoài không khí nh qut ñt trên ñ. Do b mt CPU và ñ kim loi có ñ mp mô, không tip xúc hoàn toàn vi nhau nên hiu qu tn nhit b gim ñi ñáng k, ñ khc phc vn ñ này, ngưi ta b sung mt lp kem gia CPU và ñ kim loi. ð dn nhit ca lp kem tr thành yu t then cht quyt ñnh hiu sut tn nhit cho CPU. Vì vy, tăng ñ dn nhit cho kem tn nhit là mc tiêu mà lun văn này hưng ti. S ra ñi và phát trin ca công ngh nano ñã to ra nhiu loi vt liu mi có kh năng ng dng cao trong công nghip và ñi sng, trong ñó tiêu biu là vt liu ng nanô các bon (CNTs Carbon NanoTubes). Các nghiên cu và th nghim ñã cho thy vt liu CNTs là vt liu có ñ dn nhit cao nht ñưc bit ñn hin nay, vì vy rt có tim năng trong vic ng dng CNTs làm vt liu kem tn nhit cho vi x lý máy tính. Da vào nhng kt qu nghiên cu ch to thành công vt liu ng nanô cácbon ti Vin Khoa hc Vt liu và nhng thành tu ca các nhóm nghiên cu trên th gii v ng dng ng nanô cácbon làm vt liu tn nhit, chúng tôi ñt mc tiêu ng dng ng nanô cácbon ñ tn nhit cho vi x lý máy tính. Do ñó tôi chn hưng nghiên cu vi ni dung: “ Mô phng và thc nghim quá trình tn nhit cho vi x lý máy tính ” là ñ tài Lun văn Thc s. 1
12. Mc ñích nghiên cu – Th nghim ñưa vt liu ng nanô cácbon (CNTs) vào kem tn nhit thương mai có sn trên th trưng vi nng ñ phn trăm CNTs t 15% khi lưng (.wt). Kho sát nhit ñ ca vi x lý vi các loi kem ch to ñưc. – Xây dng mô hình mô phng quá trình tn nhit ca vi x lý, ñc trưng tăng gim nhit ñ ca vi x lý theo thi gian, công sut làm vic và ñ dn ca kem tn nhit. – So sánh thc nghim vi quá trình mô phng ñ so sánh, ñánh giá hiu sut tn nhit ca các loi kem ng dng vt liu CNTs, qua ñó tính toán ñ dn nhit ca kem tn nhit. Phương pháp nghiên cu – Ch to vt liu CNTs bng phương pháp lng ñng hóa hc t pha hơi (CVD) nhit. – Kho sát cu trúc và các tính cht ca vt liu kem tn nhit cho vi x lý ch to ñưc bng các phương pháp: Kính hin vi ñin t quét (SEM), ph tán x Raman. – Kho sát quá trình tăng gim nhit ñ ca CPU bng sensor nhit tích hp trong vi x lý và phn mm SpeedFan. – Mô phng quá trình tn nhit ca CPU, qua ñó ñánh giá hiu qu tn nhit ca loi kem tn nhit ng dng vt liu CNTs. B cc ca lun văn Ni dung lun văn bao gm ba phn chính: CHƯƠNG 1: TNG QUAN Gii thiu chung v vt liu ng nanô cácbon, các tính cht ni bt, các ng dng và phương pháp ch to. Các phương pháp tn nhit cho vi x lý máy tính, các loi kem tn nhit thông dng trên th trưng hin nay. CHƯƠNG 2: THC NGHIM Trình bày ý tưng ng dng CNTs ñ tn nhit cho vi x lý máy tính, các phương pháp nghiên cu ñưc s dng ñ kho sát cu trúc ca vt liu như các phương pháp SEM và Raman. Phương pháp mô phng ñ kho sát quá trình tn nhit và ñánh giá hiu qu tn nhit ca kem. CHƯƠNG 3: KT QU VÀ THO LUN 2
13. ðánh giá các kt qu phân tích vt liu qua phép phân tích SEM, Raman. Các kt qu ñã ñt ñưc v thc nghim quá trình tn nhit ñ ñánh giá ñiu kin ti ưu ca quá trình tn nhit. Kt hp kt qu thc nghim và quá trình mô phng ñ ñánh giá hiu qu tn nhit, ñ dn ca kem tn nhit. T ñây cũng ñ ra nhng hưng mi trong nghiên cu tip theo. 3
14. CHƯƠNG 1 TNG QUAN 1.1 Tng quan v vt liu ng nanô các bon 1.1.1 Lch s phát trin Trong bng h thng tun hoàn cácbon là nguyên t nm v trí th 6 (có 6 ñin t, nguyên t lưng là 12), có cu hình ñin t là 1s 22s 22p 2 do ñó nguyên t cácbon có bn ñin t hóa tr. Năng lưng liên kt gia các mc năng lưng cao 2p và mc năng lưng thp 2s là rt nh so vi năng lưng liên kt ca các liên kt hóa hc [20], vì vy các hàm sóng ca bn ñin t hóa tr có th d dàng t kt hp hoc kt hp vi các nguyên t khác. Trng thái ưu tiên cho s sp xp các ñin t gi là các trng thái lai hóa. Cácbon có ba trng thái lai hóa sp 1, sp 2, sp 3 tn ti trong các dng vt cht khác nhau ca cácbon. Trng thái lai hóa sp 1 thng hàng (hình 1a) ñưc to thành như mt chui dây xích phng. Mi mt xích là mt nguyên t cácbon. Dng lai hóa này có th ñưc to ra trong t nhiên nhưng khó tn ti dng rn. Trng thái lai hóa sp 2 là trng thái liên kt phng, trong trng thái lai hóa này có ba obital sp 2 ñưc to thành còn li là mt obital 2p. Ba obital ñng phng to vi nhau mt góc 120 0 (hình1b) và to thành liên kt σ khi chng chp vi các nguyên t cácbon bên cnh. Obital p cũng to ra mt liên kt π vi các nguyên t k tip. Trng thái lai hóa sp 2 gia các nguyên t cácbon tưng tưng ging như mt tm cácbon ñơn 2D phng trong ñó góc liên kt to bi các nguyên t cácbon là 120 0 trông ging như mt mng hình t ong. Mng này thưng tn ti trong cu trúc graphene. 1 2 3 Sp hybrid Sp Hybrid Sp Hybrid Linear Trigonal Tetrhedral (a) Planar (c) (b)+ Hình 1.1 Các trng thái lai hóa khác nhau ca các bon a) sp 1 b) sp 2 c) sp 3 4
15. Trng thái lai hóa sp 3 (hình 1.1c). Trong trng thái này bn obital lai hóa sp 3 tương ñương nhau ñưc to thành ñnh hưng theo các ñnh ca t din ñu quanh mt nguyên t và có th to thành bn liên kt σ bng s chng chp vi các obital ca các nguyên t bên cnh. Mt ví d ñin hình là phân t etan 3 3 (C 2H6), liên kt σ Csp Csp (CC) ñưc to thành gia hai nguyên t cácbon bi s chng chp các orbital sp 3 và ba liên kt σ Csp 3 H1s ñưc to thành ti mi nguyên t cácbon. Trong t nhiên trng thái lai hóa sp 3 thưng tn ti trong cu trúc kim cương. Graphit Mt dng khác ca cácbon hay gp trong kĩ thut, ñó là graphit, hay còn gi là than chì. Graphit là mt dng tinh th khác ca cácbon, có cu trúc lp, mi lp là mt tm graphene, các tm graphene này liên kt vi nhau bng mt lc liên kt yu như là mt dng liên kt Van Der Waals. Bên trong mi lp mi mt nguyên t cácbon liên kit phng vi ba nguyên t cácbon khác bên cnh bng liên kt cng hóa tr vi góc liên kt là 120 0 [22]. Trong graphite, nguyên t cácbon trng thái lai hoá sp 2 sp xp thành các lp mng lc giác song song. Khong cách gia các nguyên t cácbon trong cùng mt lp mng là 1,42 Å (hình 1.2a), gia hai lp mng lin k nhau là 3,34 Å như ñưc th hin trên (hình 1.2b). Dng thù hình ph bin nht là than có màu ñen như lá cây, g cháy còn li. V mt cu trúc, than là dng cácbon vô ñnh hình trong ñó các nguyên t cácbon có tính trt t cao, ch yu liên kt sp 3, khong 10% liên kt sp 2 và không có liên kt sp. Hình 1.2. Cu trúc Graphit: a) Chiu ñng b)Chiu ngang [22] Kim cương 5
16. Như ñã bit cácbon có ba trng thái lai hóa sp 1, sp 2, sp 3. Các trng thái lai hóa này hình thành nên các dng vt cht khác nhau nhau trong t nhiên. (a) (b) Hình 1.3. a) Cu trúc tinh th ca kim cương b) Kim cương dng khi Kim cương là mt dng cu trúc tinh th khác ca cácbon. ðây là dng tinh th th hin rõ nét nht trng thái lai hóa sp 3 ca các nguyên t cácbon, tn ti dng lp phương và lc giác. Cu trúc ca mng tinh th kim cương ñưc th hin trên hình 1.3a. dng lp phương, mi nguyên t cácbon liên kt vi bn nguyên t cácbon khác xung quanh gn nht bi bn liên kt σ sp 3, các liên kt này ñu là các liên kt cng hóa tr. Vì năng lưng liên kt gia các nguyên t cácbon trong tinh th kim cương là rt ln nên kim cương rt cng và bn. Ô mng cơ s ca kim cương to thành trên cơ s lp phương tâm mt. Bn nguyên t cácbon bên trong chim ti các v trí ta ñ (1/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,3/4), (3/4,1/4,3/4). Khong cách gia các nguyên t cácbon trong tinh th kim cương là 1,544 Å. Góc c ñnh gia các liên kt cng hóa tr trong mng kim cương là 109,5 0. Cũng như graphite, kim cương có ñ dn nhit cao (c 2000W/m.K) và nhit ñ nóng chy ln (c 4500 K). Fullerenes Năm 1985, trong khi nghiên cu v cácbon Kroto và ñng nghip [22] ñã khám phá ra mt tp hp ln các nguyên t cácbon kt tinh dưi dng phân t có dng hình cu kích thưc c nanomet dng thù hình th ba này ca cácbon ñưc gi là Fullerenes. Fullerenes là mt lng phân t cácbon khép kín vi các nguyên t cácbon sp xp thành mt mt cu hoc mt elip. Fullerenes ñưc bit ñn ñu tiên là C 60 , có dng hình cu gm 60 nguyên t cácbon nm ñnh ca khi 32 mt to bi 12 ngũ giác ñu và 20 lc giác ñu (hình 1.4a). 6
17. Fullerene C 60 Fullerene C 70 Fullerene C 80 (a) (b) (c) Hình 1.4. Cu trúc cơ bn ca các Fullerenes a) C 60 b) C 70 c) C 80 Liên kt ch yu gia các nguyên t cácbon là liên kt sp 2. Ngoài ra có xen ln vi mt vài liên kt sp 3, do vy các nguyên t cácbon không có ta ñ phng mà có dng mt cu hoc elip. Cu trúc ca phân t C 60 ging như mt qu bóng ñá nhiu múi nên ñ có ñưc mt mt cu, mi ngũ giác ñưc bao quanh bi năm lc giác. S có mt ca các ngũ giác cung cp ñ cong cn thit cho s hình thành cu trúc dng lng. Năm 1990, Kratschmer [22] ñã tìm thy trong sn phm mui than to ra do s phóng ñin h quang gia 2 ñin cc graphite có cha C60 và các dng fullerenes khác như C 70 , C 80 (hình 1.4b, hình 1.4c). Hin nay, fullerenes có rt nhiu ng dng trong thc t. Nh có tính cht siêu ñàn hi ñc bit là rt bn nên fullerenes có th ng dng ñ ch to các loi áo giáp trong quân s. ng dng ñang ni nên hin nay là dùng fullerenes ñ làm cht mang dưc phm dùng trong y t. Ngưi ta ñã cho nhng ligand bám ngoài qu cu fullerene dùng ñ ngăn chn virus HIV tn công các t bào. Nhng thuc cha bnh có s dng fullerene ñang bt ñu ñưc bán trên th trưng. Vic kt hp mt s loi vt liu vi fullerenes có th to ra nhng loi vt liu mi vi các tính cht ña dng như to ra các cht siêu dn, cht cách ñin [1]. ng nanô cácbon Năm 1991, trong quá trình ch to fullerenes S. Iijima [25] ñã khám phá ra mt cu trúc mi ca các bon vi kích thưc c nanomet và có dng hình ng, cu trúc này ñưc gi là ng nanô các bon ña tưng (MWCNTs). Hai năm sau, Iijima và Bethune tip tc khám phá ra ng nanô các bon ñơn tưng (SWCNT) có ñưng kính 1,4 nm và chiu dài c micromét. K t ñó ñn nay, có hai loi ng nanô cácbon (CNTs) ñưc bit ñn là: CNTs ñơn tưng (SWCNT) và CNTs ña tưng (MWCNTs) (hình 1.5a, hình 1.5b). 7
18. (a) (b) Hình 1.5. Các dng cu trúc ca CNTs: a) SWCNT b) MWCNTs ng nanô cácbon ñơn tưng có cu trúc ging như là s cun li ca mt lp than chì ñ dày mt nguyên t (còn gi là graphene) thành mt hình tr lin, và ñưc khép kín mi ñu bng mt na phân t fullerenes. Do ñó CNTs còn ñưc bit ñn như là fullerenes có dng hình ng gm các nguyên t cácbon liên kt vi nhau bng liên kt cng hoá tr sp 2 bn vng. ng nanô các bon ña tưng gm nhiu ng ñơn tưng ñưng kính khác nhau lng vào nhau và ñng trc, khong cách gia các lp t 0,34 nm ñn 0,39 nm. Ngoài ra, SWCNT thưng t liên kt vi nhau ñ to thành tng bó xp cht (ñưc gi là SWNTs ropes) và to thành mng tam giác hoàn ho vi hng s mng là 1,7 nm. Mi bó có th gm hàng trăm ng SWCNT nm song song vi nhau và chiu dài có th lên ñn vài mm. Phát hin mi v ng nanô cácbon cũng như nhng tính cht ñc bit ca nó ñã thu hút nhiu s quan tâm nghiên cu và ng dng trong nhiu lĩnh vc khác nhau. S góp mt ca CNTs ñánh du s ra ñi ca ngành khoa hc vt liu mi: các vt liu da trên cơ s các bon vt liu mi cho tương lai. 1.1.2 Cu trúc ca ng nanô các bon CNTs có cu trúc ging như các lp mng graphene cun li thành dng ng tr rng, ñng trc. Tùy theo hưng cun, s lp mng graphene mà vt liu CNTs ñưc phân thành các loi khác nhau. Cu trúc ca vt liu CNTs ñưc ñc trưng bi véc tơ Chiral, kí hiu là C h. Véc tơ này ch hưng cun ca các mng graphene và ñ ln ñưng kính ng (hình 1.6a). Ch = na1 + ma 2 = ( nm , ) (1) Trong ñó: n và m là các s nguyên. a1 và a 2 là các véc tơ ñơn v ca mng graphene Có nhiu cách chn véctơ cơ s a 1, a 2, mt trong các cách chn ch ra trong hình 1.6a dưi ñây. 8
19.  3 1   3 1  a = a ,  a = a ,−  1   , 2   (2)  2 2   2 2  Vi a là hng s mng ca graphite: a = 0,246 nm. Góc ca véc tơ Chiral θ: 2n + m cosθ = (3) 2 (n 2 + m 2 + nm) ðưng kính D ca ng ñưc tính theo công thc sau: D= k n2 + m 2 + nm (nm) (4) (k∈ N ) Theo vector chiral, vt liu CNTs có các cu trúc khác nhau tương ng vi các cp ch s (n, m) khác nhau. Ba cu trúc thưng gp ñó là: amchair, zigzag và chiral tương ng vi các cp ch s (n, n), (n, 0) và (n, m) (hình 1.6b). CNTs có ñưng kính t vài nanômét ti vài chc nanômét và chiu dài t mt vài micromét ñn vài minimét, dn ti t l chiu dài/ñưng kính và din tích b mt ca nó là rt ln. (a) (b) Hình 1.6. (a) Véc tơ chiral, (b) CNTs loi amchair(5, 5), zigzag(9, 0) và chiral(10, 5) [19] Tuy nhiên, ñây là các cu trúc lý tưng ca CNTs. Trên thc t, cu trúc ca CNTs bao gi cũng tn ti các sai hng hay còn gi là các defect. Các defect này ñưc phân loi theo cu trúc hình hc hay dng lai hóa ca các nguyên t cácbon cu thành nên CNTs. Các defect theo cu trúc hình hc trên ng CNTs là s xut hin ca các vòng cácbon không phi 6 cnh. Các vòng cácbon này có th là 7 cnh hoc 8 cnh, ch yu xy ra ñu ng và gn vùng liên kt ng (hình 1.7). 9
20. Các defect theo kiu lai hóa, có th hiu là dng lai hóa ca các nguyên t cácbon ca CNTs là s kt hp gia các dng lai hóa sp và sp 3, do ñó cu trúc ca CNTs không ch gm các liên kt CC lai hóa dng sp 2 mà còn là sp 2+α (1 < α < 1). ðây là nguyên nhân gây ra s un cong trên b mt ca CNTs. Ngoài các dng defect trên, còn mt s dng defect khác như liên kt không hoàn toàn, khuyt và dch v trí. Các defect có vai trò rt quan trng, chúng là ñu mi chìa khóa trong các quá trình bin tính ca vt liu CNTs. Các defect này có th ñu ng hay trên thân ng và m ra các cc thu hút các nhóm chc hot ñng như carboxyl, hydroxyl, estes Các nhóm chc này là công c ch yu ñ hot hóa, bin tính vt liu CNTs. Tuy nhiên, các defect này cũng nh hưng ti các tính cht ca CNTs, ñc bit là các tính cht cơ, ñin. Nó có th làm gim ñ bn v mt cơ hc và làm thay ñi cu trúc di ñin t ca CNTs. Defects (a) (b) Hình 1.7. Các loi defeet trên ng CNTs: a) ñu ng, b) thân ng [22] 1.1.3 Các phương pháp ch to ng nanô các bon Hin nay có rt nhiu phương pháp khác nhau tng hp vt liu CNTs. Nhưng ph bin nht là ba phương pháp: phương pháp phóng ñin h quang, phương pháp s dng laser và phương pháp lng ñng pha hơi hóa hc. • Phương pháp phóng ñin h quang Ban ñu phương pháp này ñưc dùng ñ ch to fullerene C 60 , k t sau khi khám phá ra CNTs thì phương pháp này cũng ñưc s dng rng rãi ñ ch to CNTs. S phóng ñin h quang ñưc thc hin gia hai ñin cc ñt ñi din và cách nhau mt khong 1 mm trong mt bung kín có cha khí trơ (He hoc Ar) áp sut trong khong 50 – 700 mbar. Gia hai ñin cc có dòng ñin mt chiu 50 – 100 A và hiu ñin th trong khong 20 – 25 V, nhit ñ trong bung lên ti 3000 – 4000 K. Khi phóng ñin, khí gia hai ñin cc than b ion hoá tr 10
21. thành dn ñin. ðó là plasma, vì vy phương pháp này còn gi là h quang plasma. Hiu sut tng hp CNTs ph thuc vào ñ n ñnh ca môi trưng plasma gia hai ñin cc, mt ñ dòng, áp sut khí trơ, cu hình ca ñin cc, bung chân không và mt vài yu t khác. Trong tt c các loi khí trơ, heli cho kt qu to CNTs tt nht vì ñây là cht có kh năng ion hóa cao. Trong ñiu kin ch to MWCNTs ti ưu thì quá trình bay hơi cácbon sinh ra mt lưng nh mui than cácbon vô ñnh hình và 70% cácbon bc hơi t ant graphit sch lng ñng lên trên b mt ca thanh graphit catt. ðiu kin tng hp ti ưu là s dng ñin th mt chiu vi th 20 V25 V và dòng 50 A100 A D.C và áp sut heli 500 Torr. Phóng ñin h quang là mt phương pháp ñơn gin cho CNTs cht lưng cao và cu trúc hoàn ho. He in He out Pressure MF control Pressure Stationary control Electrical rod connection Electrical Consumable connection rod Stepper Quartz tube Motor Hình 1.8 . Sơ ñ thit b h quang ñin [22] Tuy nhiên, phóng h quang thông thưng là mt quá trình không liên tc và không n ñnh nên phương pháp này không th to ra mt lưng ln CNTs. CNTs ñưc to ra bám trên b mt catot và ñưc sp xp không theo mt quy tc nào, vì dòng chuyn ñng và ñin trưng là không thun nht. Các kt qu nghiên cu cho thy do mt ñ hơi cácbon và nhit ñ không ñng nht nên ht nanô cácbon và các tp bn luôn tn ti cùng vi ng nanô. ð gii quyt vn ñ này, ngưi ta ñã to ra nhng h h quang mi vi nhiu ưu th mi và có hiu qu cao. Lee ñã phát trin h phóng ñin h quang truyn thng thành phương pháp h quang plasma quay ñ ch to CNTs khi lưng ln. Phương pháp h quang vi plasma quay dùng tng hp CNTs ñưc th hin trên hình 1.9. Lc ly tâm gây ra bi s quay ñ to ra hin tưng xoáy và gia tc quá trình bay hơi ca nguyên t cácbon theo phương thng ñng vi ñin cc ant. Hơn na quá trình quay làm cho s phóng ñin vi cơ ñng ñu và to ra plasma n ñnh. Bi vy ñã làm tăng th tích plasma và tăng nhit ñ plasma. Vi tc ñ quay là 11
22. 5000 vòng/phút (rpm) ti nhit ñ 1025 0C, hiu sut to CNTs là 60 %. Hiu sut có th ñt ti 90 % nu tc ñ quay tăng ln và nhit ñ ln ñt ti 1150 0C. Trong phương pháp h quang ñin, ñ to MWCNTs thì không cn s có mt ca xúc tác. Tuy nhiên ñ to SWCNT thì ngưi ta li cn s dng các cht xúc tác, ñc bit là các xúc tác kim loi chuyn tip. Mt s tác gi ñã ch to SWCNT bng cách phóng ñin h quang bng ñin cc Fegraphit trong môi trưng khí argon. Trong trưng hp này, các nhà khoa hc ñã to ra mt h nh trên thanh graphit ant, h này ñưc lp ñy bi mt hn hp bt kim loi và bt graphit còn catt là thanh graphit sch. Các cht xúc tác thưng ñưc s dng ñ ch to SWCNT bao gm mt s kim loi chuyn tip như Fe, Co, Ni và mt s kim loi ñt him như Y. Trái li hn hp ca nhng cht xúc tác này như Fe/Ni hay Co/Ni li thưng ñưc s dng ñ ch to ra bó SWCNT. Hình 1.9. H phóng ñin h quang bng plasma quay [22] Tóm li, trong phương pháp phóng ñin h quang, vi hai ñin cc là graphit tinh khit (hoc có th b sung thêm mt vài cht xúc tác), các nguyên t cácbon t ant chy ñn catt to ra các ng nanô cácbon và mui fullerenes cùng nhiu sn phm ph khác. ðây là phương pháp ñơn gin, ph bin trong ch to CNTs và fullerenes. Sn phm to ra có cu trúc hoàn ho, nhưng không th ñiu khin ñưc ñưng kính cũng như chiu dài ca CNTs • Phương pháp bc bay laser Phương pháp bc bay bng laser là mt phương pháp có hiu qu cao cho quá trình tng hp bó SWCNT vi vùng phân b hp. Trong phương pháp này, mt ming graphit dùng làm bia b bc bay bi bc x laser dưi áp sut cao trong môi trưng khí trơ. MWCNTs ñưc to ra trên bia graphit sch. Cht lưng và hiu sut ca sn phm to ra ph thuc vào nhit ñ phn ng và cht lưng sn phm tt nht nhit ñ 1200 0C. nhit ñ thp hơn thì cht lưng cu trúc gim và CNTs bt ñu xut hin nhng sai hng. Trong phương pháp bc bay bng chùm laser, năng lưng ca chùm tia laser làm bay hơi bia graphite ñưc ñt trong lò ñt bng ñin nhit ñ khong 1200 0C. Lung khí Ar (áp sut ~500 Torr) thi hơi cácbon t vùng nhit ñ cao v ñin cc lng 12
23. ñng bng ñng ñưc làm lnh bng nưc như ñưc th hin trên hình 1.10. Nu dùng bia graphite tinh khit ta s thu ñưc MWCNTs. Nu bia ñưc pha thêm khong 1,2% nguyên t Co/Ni vi khi lưng Ni và Co bng nhau s thu ñưc SWCNT. Trong sn phm còn có các dây nanô to bi các SWCNT vi ñưng kính t 10 nm ñn 20 nm và dài trên 100 m. Giá tr trung bình ca ñưng kính ng và mt ñ phân b ñưng kính ng tuỳ thuc vào nhit ñ tng hp và thành phn xúc tác. ð to SWCNT, ngưi ta còn dùng phương pháp xung cc nhanh t laser ñin t t do (FEL) hoc phương pháp xung laser liên tc. Phương pháp này có ưu ñim là sn phm thu ñưc có ñ sch cao (trên 90%) so vi phương pháp h quang ñin. Tuy nhiên, ñây chưa phi là phương pháp có li ích kinh t cao và khá tn kém, vì lưng sn phm to ra ít, trong khi ñó ngun laser yêu cu công sut ln và ñin cc than cn có ñ sch cao, Hình 1.10. Sơ ñ h thit b bc bay bng laser • Phương pháp lng ñng pha hơi hóa hc Lng ñng pha hơi hóa hc (CVD) là mt trong nhng phương pháp ch to CNTs ph bin nht. CVD có rt nhiu ñim khác so vi phương pháp phóng ñin h quang và phương pháp bc bay bng laser. Phóng ñin h quang và bc bay bng laser là hai phương pháp thuc nhóm nhit ñ cao (>3000K), thi gian phn ng ngn (sms), còn phương pháp CVD li có nhit ñ trung bình (7001473K) và thi gian phn ng dài tính bng phút cho ñn hàng gi. Mt hn ch chính ca phương pháp phóng ñin h quang và phương pháp bc bay bng laser là: sn phm CNTs ñưc to ra không ñng ñu, sp xp hn ñn, không theo mt quy tc cho trưc hoc ñnh hưng trên b mt. Hin nay , có nhiu phương pháp CVD s dng các ngun năng lưng khác nhau ñ tng hp CNTs, ví d như: phương pháp CVD nhit, phương pháp CVD tăng cưng plasma, phương pháp CVD xúc tác alcohol, phương pháp CVD có laser h tr, v.v . 13
24. H CVD nhit có cu to gm mt ng thch anh ñưc bao quanh bi mt lò nhit (hình 1.11). Bn cht và hiu sut tng hp ca tin cht trong các phn ng b nh hưng ca rt nhiu yu t khác nhau như bn cht t nhiên ca xúc tác kim loi và tác dng ca các cht xúc tác này, ngun hydrocácbon, tc ñ khí, nhit ñ phn ng, thi gian phn ng v.v Hu ht phương pháp CVD nhit thưng ñưc dùng ñ ch to MWCNTs vi ngun hydrocácbon thưng dùng là acetylene (C 2H2) hoc ethylene (C 2H4) và các ht nanô Fe, Ni, Co như là các cht xúc tác. Nhit ñ mc CNTs thông thưng nm trong di nhit ñ 500 900 0C. di nhit ñ này các hydrocácbon phân tách thành cácbon và hydro. Cácbon lng ñng trên các ht nanô kim loi và khuch tán vào trong các ht nano này. Khi lưng cacbon ñt ñn giá tr bão hoà thì bt ñu quá trình mc CNTs. ðưng kính ca CNTs ph thuc vào kích thưc ca các ht xúc tác kim loi. Vi ht kim loi xúc tác có kích thưc là 13 nm thì ñưng kính ca ng CNTs vào khong 30 40 nm. Khi kích thưc ca ht xúc tác là 27 nm thì ñưng kính ca ng CNTs dao ñng t 100 200 nm. [22] Hình 1.11. Sơ ñ khi h CVD nhit [22] ð tăng hiu sut mc CNTs, ngoài vic s dng thích hp các ñiu kin như: nhit ñ, t l liu lưng khí cũng như cht xúc tác kim loi, ngưi ta còn s dng thêm cht h tr xúc tác chng hn như CaCO3, MgCO 3, v.v Có th to lưng ln ng nanô cácbon bng cách cho acetylene ngưng ñng trên zêolit có xúc tác là Co và Fe. Vì zêolit là cht có nhiu l trng cc nh, các phân t d dàng lt vào các l trng ñó nên khi cho acetylene ngưng t trên Co/Zêolit, ta có ñưc ng nanô cácbon nhiu vách nhưng ñng thi cũng có fullerenes và ng nanô cácbon ñơn vách. 1.1.4 Tính cht ca vt liu CNTs Vi cu trúc như ñã trình bày trên, vt liu CNTs th hin nhiu tính cht ưu vit, tt hơn so vi các vt liu thông thưng khác như ñ bn cơ hc, modul ng sut cao, dn nhit, dn ñin tt và kh năng phát x trưng cưng ñ ñin 14
25. trưng thp. Các tính cht này m ra nhiu hưng ng dng mi, thu hút s quan tâm ca nhiu nhà khoa hc trên th gii. • Tính cht ñin CNTs ñưc bit là vt liu dn ñin tt. Tính dn ñin ca loi vt liu này ph thuc mnh vào cu trúc. Tùy thuc vào cp ch s (n, m) mà ñ dn ca CNTs có th là bán dn hay kim loi. Tính cht ñin ca CNTs xét mt cách cơ bn chính là tính cht ca mng graphit 2 chiu hay còn ñưc gi là graphene. Mô hình liên kt cht ca s phân b năng lưng trong mng cu trúc graphene ñưc cho biu din bng công thc sau :
    
    ε ± tω(k) 2 p
    Eg2D (k) = (5) 1± sω(k) Vi E 2p là năng lưng ca ñin t qu ño 2p, t nm trong min nguyên, s nm trong min s thc, và w(k) cho bi công thc:
    
    2 k a k a 3kxa y 2 y (6) w(k ) = f (k ) = 1+ 4cos cos + 4cos 2 2 2 b1 K Γ M ky b2 kx (a) (b) Hình 1.12. a) Cu trúc ñin t ca hàm phân b năng lưng, b) vùng Brillouin ca graphene [18] Hình 1.12(a) là ñ th th hin s phân b năng lưng ca graphene trên toàn vùng Brillouin. ð th này ñưc suy ra t công thc hàm phân b năng lưng ca graphene ti E 2p =0, t= 3,033, và s=0,129. Nhng giá tr này ñưc la chn bng nguyên lí tính toán th nht ca vùng năng lưng graphit. Khi s =0, ta có hàm Slater Koster cho hàm phân b năng lưng ñơn gin nht ca graphene là:  3k a   k a   k a  E (k ,k ) = ± 1+ 4cos x cos y  + 4cos2  y  g 2D x y       (7)  2   2   2  15
26. Cu trúc di ca CNTs (n, m) ñưc rút ra t cu trúc di ca mng graphene bng cách s dng các liên kt cht vi ñiu kin biên tun hoàn dc theo hưng chu vi ca ng CNTs như sau: K2 Ek = Ek2 D ( + K 1 ) (8) K2 Trong ñó: + k là véc tơ sóng (π/T < k < π/T) + T là chu kì dch ca mng graphene. + là s lưng t ri rc ( =1, 2, , N) + N là s cp nguyên t cácbon trong ô ñơn v ca CNTs. + K 1 và K 2 ñưc biu din thông qua các véc tơ ñơn v b 1 và b 2 ca mng graphene. −tb21 + tb 22 mb1− nb 2 K1 = K2 = (9) N N T cu trúc di ñin t, ta thy ñ dn ca CNTs là dn kim loi khi véc tơ sóng ñưc phép bao gm ñim K trong mng ño ca graphene, ngưc li chúng là bán dn khi tn ti khe năng lưng gia vùng dn và vùng hóa tr. Suy ra, ñiu kin chung ñ CNTs là kim loi là: k K .Ch = 2π hay (n m)/3 nguyên ( k K mô t mt véctơ sóng ca sáu ñim K trong vùng Brillouin th nht ca mng graphene). Tương t, CNTs là bán dn khi (n – m)/3 không nguyên. Ví d như trên hình 1.13, CNTs (5, 5) và (9, 0) có khe năng lưng bng 0 ng vi tính dn kim loi, CNTs (10, 0) khe năng lưng nh c bán dn. (a) (b (c) ) Hình 1.13. Hàm phân b năng lưng: a) armchair(5,5) b) zigzag (9,0) c) zigzag(10,0) [18] Dùng phương pháp hin vi lc nguyên t (AFM), ta có th ño ñưc ñin tr tng phn ca ng CNTs. ði vi SWNTs dn ñin như kim loi thì ñin tr không thay ñi dc theo ng. Tuy nhiên ñi vi các ng dn ñin kiu bán dn, 16
27. khi kt li thành si dài thì ñin tr ph thuc rt nhiu vào các v trí ñt các ñu dò • Tính cht quang và quang ñin Nhng sai hng cu trúc ca ng nanô cácbon ñc bit là ñi vi SWCNT, dn ti s xut hin vùng cm thng vi cu trúc vùng hoàn toàn ñưc xác ñnh, ñó chính là cơ s cho nhng ng dng quang và quang ñin ca CNTs. Ph quang hc ca tng SWCNT riêng l hoc bó SWCNT ñã ñưc chng minh bng cách s dng ph cng hưng Raman, ph huỳnh quang, hoc ph tia cc tím gn hng ngoi (UVVISNIR). Tính cht quang và quang ñin ca CNTs có th bit ñưc t cu trúc vùng hoc DOS ca SWCNT. DOS mt chiu ca SWCNT có th ñưc suy ra t graphit vi biu thc như sau: 4 2 ∞ ρ()ε = ∑ g()ε,ε m (10) l 3γα m=−∞ ε g()ε ,ε m = ε > ε Vi 2 2 khi m (11) ε − ε m g(ε,ε m ) = 0 khi ε < ε m (12) 3q − n − mγα ε m = (13) 3D Vi tính cht quang và quang ñin ca CNTs ñã m ra nhiu hưng ng dng mi. Ví d như trưng hp ng nanô cácbon là armchair (n=m) là kim loi nhưng trái li trong trưng hp khi tha mãn ñưc ñiu kin nm=3q thì CNTs li là bán kim loi vi ñ rng vùng cm nh. Khi ñó vi di năng lưng γ=2.5 ÷ 3.0 eV thì bưc sóng ca ng CNTs bán dn thay ñi t 300 ñn 3000 nm. ðiu này dn ñn kh năng ng dng ca ng nanô cácbon bán dn trong các thit b quang và quang ñin t laser xanh ñn các ñu dò hng ngoi. • Tính cht cơ và cơ ñin Liên kt σ là liên kt mnh nht trong t nhiên, chính vì vy mt ng nanô cácbon ñưc to thành vi tt c là các liên kt σ ñưc chú ý ti như là mt vt liu có ñ bn ln nht. C thc nghim ln lý thuyt tính toán ñu chng minh rng ng nanô các bon có ñ cng bng hoc ln hơn kim cương vi sut Young ln nht và có ñ dãn ln. Bng 1 là kt qu so sánh sut Young, ñ dãn ca SWCNT (10,10) và MWCNTs vi mt s vt liu khác. Trong bng 1, so vi thép, sut Young ca CNTs (MWNTs và SWNTs) gp khong 5 ñn 6 ln và ñ bn kéo gp khong 375 ln. Trong khi ñó, khi lưng riêng ca CNTs nh hơn 17
28. ti 3 hoc 4 ln so vi thép. ðiu này chng t rng CNTs có các ñc tính cơ hc rt tt, bn và nh, m ra nhng ng dng cho vic gia cưng vào các vt liu composite như cao su, polyme ñ tăng cưng ñ bn, kh năng chu mài mòn và ma sát cho các vt liu này. Trng thái lai hóa sp 2 s dn ti s thay ñi tính cht ñin ca ng nanô cácbon. Tai mi v trí ng nanô cácbon hay graphene có mt vector xác ñnh có th vit như sau: r=r 0+r trong ñó r có th thay ñi theo vector mng hay vector chiral. Tương t như phép gn ñúng ñ thu ñưc tính cht ñin ca CNTs t graphene, ta có th thu ñưc công thc sau: Eg = E g0 + sgn(2 p + [ 1()1 +υ)(cos3θ )ε1 + (sin 3θ )ε r ] (14) Công thc này cho thy rng tt c các ng chiral hoc ng không ñi xng (0 100K. CNTs có kh năng dn nhit rt tt dc theo trc ca ng nhưng li dn nhit kém hơn (theo hưng bán kính) gia các lp vi nhau. Các tính toán lí thuyt và kt qu thc nghim ñã ch ra rng, ñ dn nhit ca CNTs ph thuc vào nhit ñ. Theo J. Hone thì s ph thuc này gn như là s ph thuc tuyn tính theo nhit ñ, ti nhit ñ phòng, ñ dn nhit ca bó SWCNT và MWCNTs bin ñi trong khong t 1800 ñn 6000 W/mK. Tuy nhiên theo Berber thì s ph thuc này không hoàn toàn là tuyn tính, ñ 18
29. dn nhit có th ñt giá tr cc ñi lên ti 37000 W/mK 100K ri sau ñó gim nhanh theo nhit ñ xung còn 3000 W/mK ngoài khong 400K (hình 1.15). Hình 1.14. So sánh ñ dn nhit ca CNTs vi các vt liu khác [14] Ngoài kh năng dn nhit tt, CNTs còn có tính cht bn vng nhit ñ rt cao (2800 oC) trong chân không và trong các môi trưng khí trơ (Ar). Do có kh năng bn vng nhit ñ cao cũng như trong các môi trưng axít mnh nên nhit ñ và axít thưng ñưc dùng ñ làm sch vt liu CNTs. CNTs Graphite Graphene Hình 1.15. a) S ph thuc ca ñ dn nhit ca CNTs vào nhit ñ b) So vi graphite và mng graphene [16] Tóm li, c lý thuyt và thc nghim ch ra rng ng nanô cácbon có cu trúc và tính cht ưu vit. Kích thưc nh, kt hp vi nhng tính cht vt lý, hóa hc ưu vit, có th ñem li nhng ng dng tim năng to ln mà ít có mt vt liu nào có th so sánh ñưc. SWCNT có th là kim loi hoc bán dn ph thuc vào vector chiral. SWCNT bán dn có th ñưc dùng ñ ch to transitor, thit b nh logic, và thit b quang hc. SWCNT nanô ñin t có th s dng cho các cm bin hóa hc và sinh hc, các thit b quang ñin, tích tr năng lưng, và 19
30. phát x trưng. MWCNTs có tính cht kim loi hoc bán kim loi ph thuc vào cu trúc ca ng, vì vy MWCNTs có nhiu ng dng khác nhau như làm ñin cc nanô, phát x trưng và tích tr năng lưng. 20
31. 1.2 Tn nhit cho vi x lý máy tính Tt c các h thit b ñin t, các linh kin ca máy tính khi hot ñng ñu có mt phn ñin năng chuyn hóa thành nhit năng. S ta nhit này là ñiu mà các nhà sn xut và ngưi s dng không mong mun nhưng cũng không th tránh khi, bi nó gây lãng phí ñin, gim hiu sut làm vic, ñe da ñn hot ñng n ñnh và tui th ca thit b. Nhng thit b có công sut càng cao thì nhit lưng ta ra càng nhiu, khi nhit ñ tăng quá cao có th hng thit b, thm chí gây cháy n. Do ñó vn ñ tn nhit – làm mát thit b luôn ñưc các nhà sn xut rt quan tâm. Các h thit b ñin t công sut ln, các h thng máy tính ñng b do các nhà sn xut ni ting thit k, ñu ñã tính toán kĩ ñn vn ñ này, ñó là mt phn làm nên s n ñnh và bn b ca nhng c máy “ñng b” ni ting. Nhiu khi h thng tn nhit còn ñt tin ngang nga nhng CPU ñt nht. 1.2.1 Tng quan v CPU Vi x lý (Central Processing Unit – CPU – ñơn v x lý trung tâm), là b phn quan trng ca máy vi tính, nó là mt mch ñin t có nhim v thc hin các phép tính, x lý các lnh và các s liu. Hin nay Intel và AMD là 2 nhà sn xut chip hàng ñu th gii. Hình 1.16. Các loi CPU (vi x lý) thưng gp • Cu to Hình 1.17 . Cu trúc bên trong ca CPU 21
32. CPU bao gm b ñiu khin (CUControl Unit) và ñơn v s hclogic (ALU Algorithm Logic Unit), có cu to gm nhiu transistor ñưc tích hp trên mt chip duy nht có din tích vài cm 2, khong cách gia các transistor ngày càng ñưc thu hp, t 90 nm ca CPU th h Pentium 4 Prescott ñn th h CPU mi nht hin nay là 45 nm. Mi transistor là mt công tc ñin t th hin hai mc logic 0 và 1. • Hot ñng Chc năng cơ bn ca máy tính là thc thi chương trình. Chương trình ñưc thc thi gm mt dãy các ch th ñưc lưu tr trong b nh. ðơn v x lý trung tâm (CPU) ñm nhn vic thc thi này. Quá trình thc thi chương trình gm hai bưc: CPU ñc ch th t b nh và thc thi ch th ñó. Các ch th ñưc ñưa vào CPU bng ngôn ng máy, ñó là các dòng lnh ch gm hai bit 0 và 1, vic gii mã và thc hin ch th này ñưc thc hin bng vic ñóng m liên tc các transistor tích hp trên CPU. Vic thc thi chương trình là s lp ñi lp li quá trình ly ch th và thc thi ch th. 1.2.2 Vai trò ca tn nhit và các phương pháp tn nhit Trong vi x lý, transistor chính là nhng công tc ñin t th hin hai mc logic 1 và 0. Khi thay ñi trng thái logic s có mt dòng ñin chy qua transistor, dòng ñin này to ra s chuyn ñng ca các ñin t trong vt liu, các ñin t va ñp vào nhau và vào các nút mng trong cu trúc tinh th to ra nhit năng. Do vy trong quá trình hot ñng, transistor s ta ra mt lưng nhit, vi s lưng transistor rt ln, lên ñn hàng chc thm chí hàng trăm triu transistor, vi x lý s to ra mt lưng nhit rt ln trong quá trình hot ñng. Hin nay có hai loi vi x lý máy tính: vi x lý 32 bit và vi x lý 64 bit. Mt vi x lý 32 bit tiêu chun có khong 42 triu transistor, loi 64 bit có hơn 100 triu transistor và hin nay vi x lý lõi kép có th cha hơn 200 triu transistor. Chic PC ñu tiên trên th trưng có tc ñ xung ñng h khong 1 MHz, nghĩa là tín hiu ñiu khin các công tc ñin t này thay ñi trng thái 1 triu ln trong 1 giây. Ngày nay, vi x lý có tc ñ xung ñng h lên ti vài GHz, tc là gp 2000 4000 ln so vi tc ñ ca chic PC ñu tiên. Mt vi x lý tc ñ 3,2 GHz s có 3,2 t ln ñiu khin các công tc ñin t trong mt giây, tc là thc hin 3,2 t lnh mi giây. Vi mt ñ linh kin ln lên ti hàng trăm triu transistor, hot ñng tc ñ cao lên ti hàng GHz như vy, hot ñng ca CPU s to ra mt nhit lưng 22
33. ln trong quá trình hot ñng. Nhit lưng mt vi x lý to ra có th lên ti 100W/cm 2. Vì vy, gim nhit ñ hot ñng cho vi x lý tr thành mt bài toán công ngh, bi vì các linh kin bán dn ch hot ñng n ñnh gii hn nhit ñ nht ñnh, khi nhit ñ tăng lên ñn mt gii hn nht ñnh thì CPU hot ñng không còn chính xác, dn ñn treo h thng và gim tui th ca vi x lý. ð gii quyt bài toán này, hin nay có nhiu phương pháp tn nhit khác nhau. Dưi ñây là mt s phương pháp ph bin nht. • Tn nhit t nhiên ðây là hình thc cơ bn nht: ñ cho thit b t ta nhit ra môi trưng. Có th s dng thêm các khi tn nhit (heat sink) bng kim loi ñ tăng cưng tit din ta nhit. Thông thưng ngưi ta s dng heat sink cht liu ñng, nhôm hoc kim loi làm khi tn nhit, phương pháp này ñơn gin, r tin và không gây n, nhưng hiu qu tn nhit li không cao . • Tn nhit dùng qut Phương pháp này còn gi là tn nhit khí, trong phương pháp này ngưi ta s dng ñ tn nhit ñ ly nhit lưng t vi x lý, sau ñó dùng qut ñ lưu chuyn lung không khí nóng t ñ tn nhit ra phía ngoài. Các ñ tn nhit ñu s dng vây (lá) tn nhit bng kim loi, và thưng là nhôm vì nhôm có ñ dn nhit cao, thông thưng, ngưi ta s kt hp mt 1 qut làm mát có tc ñ quay khong vài nghìn vòng trên mt phút ngay trên khi kim loi tn nhit. Do vy, ñây là phương pháp có tính kinh t nht và hiu qu cao, ph bin nht, ñưc áp dng trong hu ht các máy tính ñ bàn và laptop hin nay. Hình 1.18. H thng tn nhit bng qut gió 23
34. • Tn nhit dùng cht lng H thng tn nhit dùng cht lng này làm vic rt hiu qu, nhưng lp ñt rt phc tp và khá tn kém. Phương pháp này thưng áp dng vi CPU, GPU, chipset trong nhng h thng cao cp. Do cht lng dn nhit tt hơn cht khí, nên ngưi ta dùng bin pháp tn nhit bng cách lưu thông dòng cht lng tip xúc trc tip vi ngun nhit ñ tăng hiu qu tn nhit cho vi x lý. Hình 1.19. H thng tn nhit bng cht lng H thng tun hoàn này bao gm: bình cha, ñ tip xúc, dàn ta nhit, các ng dn và bơm tun hoàn. Cht lng tn nhit ñưc bơm t bình cha, ñi qua ñ tn nhit, mang nhit ñ ti dàn ta nhit, ñưc làm ngui và tr v bình cha như trên hình 1.19 • Tn nhit bng h thng làm lnh nơi tp trung các máy ch chuyên dng, ngưi ta còn thit k hn nhng phòng lnh ñc bit ñ ñt h thng máy ch. To ñiu kin lý tưng là duy trì nhit ñ thp và không khí trong phòng luôn ñưc lưu thông. Hình 1.20. Nitơ hóa lng ñưc rót vào ng làm lnh gn trên CPU 24
35. ð ép xung cho vi x lý máy tính, ngưi ta có th s dng nhng cht làm lnh ñc bit. Như ñá khô hoc n tưng hơn là Nitơ hóa lng (ñt nhit ñ âm 196 ñ C). Phương pháp này ñem li hiu qu cc cao, nhưng cũng rt tn kém và thưng mang tính trình din, ít có trưng hp nào duy trì phương pháp này ñ s dng hàng ngày. Gn ñây nht, các chuyên gia ép xung ca AMD ñã lp k lc th gii vi b vi x lý Phenom II, khi ép xung lên tc ñ cao 7GHz, tn nhit bng khí Heli hóa lng nhit ñ thp k lc 230 0C. 1.2.3 Vai trò, tác dng ca kem tn nhit Ngày nay hu ht máy tính cá nhân (desktop và laptop) ñu s dng phương pháp tn nhit bng qut, nguyên lý ca phương pháp này khá ñơn gin, da trên s dn nhit ca kim loi (ñ tn nhit ñ ly nhit lưng t mt trên ca CPU) và s trao ñi nhit ca kim loi vi môi trưng (ñ tn nhit và không khí). S trao ñi nhit gia ñ kim loi và môi trưng ñưc tăng cưng khi s dng qut gió làm tăng s lưu thông ca không khí quanh vây tn nhit, vic thit k ñ tn nhit dng vây là ñ tăng din tích tip xúc vi không khí, làm tăng hiu qu ca vic tn nhit. Ưu ñim ca phương pháp này là khá hiu qu, r tin và h thng không quá phc tp, cng knh. Hn ch ca phương pháp này chính là ñ mp mô gia b mt ca CPU và ñ kim loi, dn ñn gia chúng có nhng khong không khí nht ñnh, mà ta ñã bit không khí có ñ dn nhit rt kém. ð khc phc nhưc ñim này, ngưi ta dùng mt loi kem ñ lp ñy các khong trng, nhm tăng s trao ñi nhit, kem này có ñ dn nhit khá tt nhưng kém hơn hn so vi các kim loi dn nhit dùng làm ñ tn nhit. Do ñó hiu qu tn nhit ca phương pháp này s tăng lên khi ñ dn nhit ca kem tăng lên. Hình 1.21. Sơ ñ h tn nhit dùng qut có kem tn nhit ðc bit, trong quá trình thc hin công trình này, chúng tôi nhn thy nhit ñ ca ñ tn nhit (các vây) trong quá trình hot ñng ca CPU là không cao, chng t quá trình tn nhit t các vây kim loi ra môi trưng là rt tt, vn 25
36. ñ mu cht ñây chính là quá trình tn nhit t mt trên CPU ñn mt dưi ca ñ tn nhit, ñiu này ñưc quyt ñnh rt ln bi lp kem tn nhit. Hình 1.22. Tác dng ca kem tn nhit 1.2.4 Mt s loi kem tn nhit trên th trưng • Hp cht tn nhit silicon Loi kem tn nhit silicon ph bin trên th trưng Vit Nam hin nay là Stars 350, thành phn ch yu là silicon, hu như ch có tác dng lp ñy khe h gia ñ tn nhit và CPU , ñ dn nhit vào khong 0,5 W/mK. Hình 1.23. Kem tn nhit Stars 350 • Hp cht tn nhit ñng (Copper thermal compound) Ph bin nht Vit Nam là kem tn nhit FrozenCPU Copper, cha mt hàm lưng nh ñng nguyên cht dng gel. ðng là cht liu có kh năng dn nhit tt, ch ñng sau bc, và các loi kem tn nhit dng này thưng có ñ dn nhit vào khong 4,5W/mK. 26
37. Hình 1.24. Kem tn nhit FrozenCPU Copper • Hn hp tn nhit bc (Silver thermal compound) ði din là Arctic Silver 5, thành phn t 79% ñn 81 % là bc vi hàm lưng nh km oxit, bo nitrát và nhôm oxit dưi dng hn hp gel. Vi s góp mt ca bc là cht liu dn nhit tt nht trong các nguyên t kim loi, các kem tn nhit loi này có ñ dn nhit là 8W/mK. Hình 1.25. Kem tn nhit Arctic Silver 5 27
38. CHƯƠNG 2 THC NGHIM 2.1 Ý tưng ng dng CNTs trong kem tn nhit Như ñã nói trên, ng nanô cácbon là vt liu có ñ dn nhit tt nht hin nay ñưc bit ti, theo các nghiên cu gn ñây thì ñ dn nhit ca CNTs là 3000 W/mK. Bên cnh ñó vi tc ñ phát trin ca công ngh ch to CPU, vic tích hp ngày càng nhiu transistor lên 1 chip nhm tăng kh năng x lý là không th tránh khi, nên ñòi hi phi tn nhit nhm tăng hiu qu hot ñng và tui th ca CPU. Hin nay phương pháp tn nhit bng qut li ñang là phương pháp ph bin nht, trong phương pháp này thì lp kem tn nhit là không th không nhc ñn, nó quyt ñnh rt ln ñn hiu sut ca h thng tn nhit. Vì vy ñã có rt nhiu sn phm thuc loi này, thm chí còn có loi kem rt tt vi hu ht thành phn là bc, vì bc là kim loi dn nhit thuc vào hàng tt nht. Trong khi ñó, nu so vi bc, ñ dn nhit ca CNTs còn cao hơn nhiu, t ñó ñã ny sinh ý tưng th nghim ch to mt loi kem tn nhit có thành phn là CNTs, kem này có th dùng cho vi x lý máy tính, thm chí còn có th dùng cho các thit b ñin t công sut ln, các h thng quang, laser công sut cao nu như thành công, ñ tăng hiu qu ca h thng, ngưi ta có th nghĩ ñn vic tn nhit cho h thng bng phương pháp s dng qut khí có s dng kem ng dng CNTs, vi chi phí không quá ñt ñ và cu to không quá phc tp. Lun văn này ñt ra mc tiêu thc hin ý tưng ñó. 2.2 Phương án thc nghim Phương án thc nghim dùng ñ nghiên cu ng dng CNTs trong kem tn nhit cho vi x lý ñưc la chn như sau: Kho sát hiu qu tn nhit ca các loi kem tn nhit có sn trên th trưng Ch to kem tn nhit mi bng cách b sung thêm thành phn CNTs vào các vt liu nn khác nhau, bng các phương pháp và t l khác nhau. Kho sát hiu qu tn nhit ca các loi kem ng dng CNTs. So sánh các kt qu ño ñưc, t ñó tìm ra loi kem tt nht. ð kho sát hiu qu tn nhit ca các loi kem ta s dng mt sensor ño nhit ñ tích hp sn trên vi x lý, hot ñng ca sensor này ñưc qun lý bng phn mm ñ trc tip ño nhit ñ ca vi x lý. 28
39. Quá trình kho sát s thc hin trên nhiu ch ñ công sut hot ñng ca vi x lý. 2.3 H thit b và phương án thí nghim 2.3.1 H thí nghim H thí nghim bao gm 1 máy tính ñưc ñt trong phòng kính khép kín, nhit ñ phòng ñưc gi n ñnh nh ñiu hòa nhit ñ, ñưc kim soát bng nhit k, ñ m phòng ñưc gi c ñnh nh mt máy hút m hot ñng 24/24, vic này ñm bo ñiu kin môi trưng bên ngoài là như nhau trong mi thí nghim. Hình 2.1. H thí nghim kho sát nhit ñ CPU Các b phn ca máy tính ñưc tháo ri và ñt xa nhau như hình trên, nhm ñm bo nhit ñ các linh kin không nh hưng ti nhit ñ ca CPU, ñng thi cũng to thun li cho vic vn hành thí nghim. 2.3.2 Thit b phn cng Cu hình máy tính Máy vi tính ñưc s dng trong nghiên cu này có cu hình: • CPU: Intel Pentium (R) IV 3.06GHz. • RAM: 512 MB. • HDD: 80 Gb. • OS: Microsoft Windows XP Professional Service Pack 2. • Sensor tích hp trong CPU ñang dùng là loi TDiode (Thermal Diode) vi sai s ± 0.5 oC. S thay ñi nhit ñ ca CPU ñưc các sensor này nhn bit và thông qua mt mch bin ñi ADC chuyn thành tín hiu s. 29
40. Hình 2.2. Sơ ñ mch ñin ño nhit ñ CPU Ngoài ra, trong quá trình ch to kem còn s dng mt s thit b h tr như là cân ñin t, máy rung siêu âm, máy khuy t 2.3.3 Các phn mm h tr • Phn mm Speedfan 4.33 Phn mm Speedfan có kh năng hin th nhit ñ mt s linh kin và thit b trong máy vi tính như cng, bo mch, CPU. Phn mm Speedfan hin th nhit ñ ca CPU bng cách ñc các sensor nhit có trong CPU, các sensor nhit này có chc năng kim tra s bin ñi nhit ñ bên trong CPU, s thay ñi này thông qua mt mch bin ñi ADC chuyn thành tín hiu s, tín hiu s này ñưc Speedfan 4.33 ñc và hin th lên màn hình. Hình 2.3. Giao din phn mm Speedfan 30
41. • Phn mm StressPrime 2004 ORTHOS ð kho sát chính xác nhit ñ ca CPU trong các ln ño, hot ñng ca CPU trong các thi ñim tin hành ño phi ging nhau. Phn mm StressPrime 2004 ORTHOS ñưc s dng ñ cho CPU hot ñng mc ti ña (full load). Hình 2.4. Giao din phn mm StressPrime 2004 ORTHOS 2.3.4 Các hóa cht và vt liu s dng • CNTs ng nanô cacbon s dng trong lun văn này là loi ng nano cacbon ña tưng do phòng Vt lý và công ngh linh kin (nay là Phòng Vt liu Cácbon Nanô), Vin khoa hc vt liu, Vin KH&CN Vit Nam sn sut bng công ngh CVD, sn phm có ñưng kính 1050 nm, chiu dài t 1100 m và ñ sch trên 95%. Hình 2.5. nh SEM vt liu CNTs s dng trong thí nghim 31
42. • CNTs bin tính (CNTsCOOH) ð tin trong quá trình thí nghim chúng tôi ñã không thc hin vic bin tính CNTs na mà s dng CNTs bin tính do phòng Vt lý và công ngh linh kin, Vin khoa hc vt liu, Vin KH&CN Vit Nam sn sut. Hình 2.6. nh SEM vt liu CNTs bin tính s dng trong thí nghim • CNTs/pani Vt liu CNTs/pani s dng trong thí nghim là loi vt liu CNTs/pani có t l tương ng là 30/70 v khi lưng là nhng sn phm do phòng Vt liu Cácbon Nanô, Vin khoa hc vt liu, Vin KH&CN Vit Nam nghiên cu ch to. Hình 2.7. nh SEM vt liu CNTs/pani s dng trong thí nghim 32
43. • Kem tn nhit Stars 350 Dng hp, trong mi hp cha 29g kem tn nhit Stars. Là dng kem màu trng có thành phn ch yu là silicon, ñ dn nhit vào khng 0.5 W/m.K. Hình 2.8. Kem Stars 350 • Kem tn nhit AS5 Dng típ, trong mi típ cha 3.5 g kem tn nhit, kem có màu tàn thuc, thành phn ch yu là bc, khong làm vic t 150°C ñn 125°C, ñ dn nhit khong 8W/m.K Hình 2.9. Kem Arctic siliver 5 • Chloroform Là dung môi hóa hc có công thc hóa hc là CHCl 3 ðây là cht lng d bay hơi, có tính cht phân tán ñu CNTs và hòa tan kem tn nhit Stars và AS5, sau khi bay hơi không phá v cu trúc kem ca vt liu nn là Stars và AS5. Hình 2.10. Chloroform và cu to hóa hc 33
44. 2.4 Các bưc tin hành thí nghim 2.4.1 Quá trình ch to kem • Cân vt liu ñ pha trn thành các % khác nhau ca CNTs • Pha trn các vt liu bng phương pháp trn cơ hc, ta thu ñưc kem tn nhit. Pha trn các vt liu có s dng dung môi Chloroform nhm khuch tán ñu CNTs, vic khuch tán CNTs vào dung môi Chloroform s dng máy khuy t trong 3h, sau ñó cho t t vt liu nn là kem stars hoc AS5 vào tip tc khuy, sau ñó rung siêu âm sau nhiu gi cho dung môi Chloroform bay hơi ht ta thu ñưc kem tn nhit. 2.4.2 Kho sát quá trình tn nhit ca vi x lý • Bôi kem tn nhit vào CPU Hình 2.11. Các bưc bôi kem tn nhit lên CPU • ðiu chnh nhit ñ phòng chính xác, kim tra bng nhit k. • Khi ñng máy tính. • Bt chương trình ño nhit ñ CPU (Speedfan 4.33). • ð máy tính chy ch ñ bình thưng trong 1h. • Bt chương trình chy full load ñ CPU hot ñng 100% công sut. • Tt ch ñ Full load, ñ CPU hot ñng công sut bình thưng trong 3h. • Bt chương trình khng ch công sut ca CPU mc 50%. Ghi li s liu. 2.5 Các phương pháp phân tích ð kim tra cu trúc, thành phn ca vt liu kem tn nhit ch to ñưc chúng tôi ñã s dng kính hin vi ñin t quét (SEM), phương pháp ño ph tán x Raman, và phương pháp huỳnh quang tia X (EDX). 34
45. 2.5.1 Kính hin vi ñin t quét (SEM) Kính hin vi ñin t quét loi kính hin vi ñin t có th quan sát b mt mu vi ñ phân gii cao ca b mt mu vt bng cách s dng mt chùm ñin t hp quét trên b mt mu. Vic to nh ca mu vt ñưc thc hin thông qua vic ghi nhn và phân tích các bc x phát ra t tương tác ca chùm ñin t vi b mt mu vt. Trong kính hin vi ñin t quét, ñin t ñưc phát ra t súng phóng ñin t (có th là phát x nhit, hay phát x trưng ), sau ñó ñưc tăng tc và hi t thành mt chùm ñin t hp (c vài trăm Angstrong ñn vài nanômét) nh h thng thu kính t. Th tăng tc ca SEM thưng ch t 0 kV ñn 50 kV vì s hn ch ca thu kính t, vic hi t các chùm ñin t có bưc sóng quá nh vào mt ñim kích thưc nh s rt khó khăn. Sau ñó quét trên b mt mu nh các cun quét tĩnh ñin. ð phân gii ca SEM ñưc xác ñnh t kích thưc chùm ñin t hi t, mà kích thưc ca chùm ñin t này b hn ch bi quang sai, chính vì th mà SEM không th ñt ñưc ñ phân gii tt như TEM. Ngoài ra, ñ phân gii ca SEM còn ph thuc vào tương tác gia vt liu ti b mt mu vt và ñin t. Khi ñin t tương tác vi b mt mu vt, s có các bc x phát ra, s to nh trong SEM và các phép phân tích ñưc thc hin thông qua vic phân tích các bc x này. Trong ñó bc x to bi các ñin t th cp (secondary electrons) chính là ch ñ ghi nh thông dng nht ca kính hin vi ñin t quét. Chùm ñin t th cp có năng lưng thp (thưng nh hơn 50 eV) ñưc ghi nhn bng ng nhân quang nhp nháy. Vì chúng có năng lưng thp nên ch yu là các ñin t phát ra t b mt mu vi ñ sâu ch vài nanomet, do vy chúng to ra nh hai chiu ca b mt mu. Như vy, chp nh SEM là mt trong nhng phương pháp rt hu hiu ñ nghiên cu b mt ca mu trong ñó bc x to bi các ñin t th cp (secondary electrons) chính là ch ñ ghi nh thông dng nht ca kính hin vi ñin t quét. Chùm ñin t th cp có năng lưng thp (thưng nh hơn 50 eV) ñưc ghi nhn bng ng nhân quang nhp nháy. Vì chúng có năng lưng thp nên ch yu là các ñin t phát ra t b mt mu vi ñ sâu ch vài nanomet, do vy chúng to ra nh hai chiu ca b mt mu. Như vy, chp nh SEM là mt trong nhng phương pháp rt hu hiu ñ nghiên cu b mt ca mu. Các nh SEM ca kem tn nhit trong lun án này ñưc thc ño trên kính hin vi ñin t quét phát x trưng S 4800 (hãng Hitachi Nht) thuc Phòng Thí nghim trng ñim Vt liu và linh kin ñin t Vin Khoa hc Vt liu, vi ñ phóng ñi ca h có th lên ñn 800.000 ln. 35
46. 2.5.2 Ph Raman ð nghiên cu các thành phn trong các mu kem tn nhit ch to ñưc, chúng tôi ño ph tán x Micro Raman. Các mu ñu ñưc tin hành ño ph tán x Raman bng máy quang ph Micro Raman LABRAM 1B ca hãng Jobin Yvon (Pháp) ñt ti vin Khoa hc Vt liu. Thit b dùng ngun sáng là Laser He Ne, vi cu hình tán x ngưc. Như vy, mu ñưc kích thích bng ánh sáng có bưc sóng 514,5 nm ca laser Ar. Mt ñ công sut kích thích thp ñưc s dng ñ tránh nh hưng ca hiu ng nhit. H ño ñưc lp thêm camera và màn hình ñ quan sát v trí xy ra tán x không ñàn hi ánh sáng kích thích trên mt din tích rt hp c micro mét vuông hoc nh hơn trên b mt ca mu. Các mu ño ñưc ñt trên bàn dch chuyn ba chiu vi bưc dch chuyn nh nht là 0,5 mm. Ngoài ra, h ño còn ñưc ni vi kính hin vi cho phép ghi ph vi ñ phân gii không gian tt hơn. Máy tính ñin t kt ni trong h ño vi chương trình cài ñt sn, cho ta kt qu cui cùng ñã x lí. Ph ñưc hin th trên màn hình dưi dng s ph thuc cưng ñ dao ñng vào s sóng ca các vch dao ñng. 2.5.3 Ph huỳnh quang tia X (EDX) ðây là k thut phân tích thành phn hóa hc ca vt rn da vào vic ghi li ph tia X phát ra t vt rn do tương tác vi các bc x (mà ch yu là chùm ñin t có năng lưng cao trong các kính hin vi ñin t). Trong các tài liu khoa hc, k thut này thưng ñưc vit tt là EDX hay EDS xut phát t tên gi ting Anh Energy Dispersive Xray Spectroscopy. K thut EDX ch yu ñưc thc hin trong các kính hin vi ñin t , ñó nh vi cu trúc vt rn ñưc ghi li thông qua vic s dng chùm ñin t có năng lưng cao tương tác vi vt rn. Khi chùm ñin t có năng lưng ln ñưc chiu vào vt rn, nó s ñâm xuyên sâu vào nguyên t vt rn và tương tác vi các lp ñin t bên trong ca nguyên t. Tương tác này dn ñn vic to ra các tia X có bưc sóng ñc trưng t l vi nguyên t s (Z) ca nguyên t theo ñnh lut Mosley. (15) Có nghĩa là, tn s tia X phát ra là ñc trưng vi nguyên t ca mi cht có mt trong cht rn. Vic ghi nhn ph tia X phát ra t vt rn s cho thông tin v các nguyên t hóa hc có mt trong mu ñng thi cho các thông tin v t phn các nguyên t này. 36
47. Có nhiu thit b phân tích EDX nhưng ch yu EDX ñưc phát trin trong các kính hin vi ñin t, ñó các phép phân tích ñưc thc hin nh các chùm ñin t có năng lưng cao và ñưc thu hp nh h các thu kính ñin t. Ph tia X phát ra s có tn s (năng lưng photon tia X) tri trong mt vùng rng và ñưc phân tich nh ph k tán sc năng lưng do ñó ghi nhn thông tin v các nguyên t cũng như thành phn. 2.6 Phương pháp mô phng ð ñánh giá hiu qu tn nhit ca các loi kem tn nhit ng dng CNTs chúng tôi s dng phương pháp mô phng kt hp vi thc nghim. Hình 2.12 là mô hình ca h thng tn nhit cho vi x lý máy tính. Air Air FAN Aluminum Heat Heat Aluminum Flake Copper plate Aluminum Flake CNTs/Diamond thermal paste Air `Processor Air CPU Slot Mainboard Hình 2.12. Mô hình h thng tn nhit cho vi x lý máy tính Mô hình tn nhit trên ñưc mô t thông qua mt mch ñin th hin quá trình tn nhit như trong hình 2.13. Trong mô hình này: • I : là công sut nhit ta ra t vi x lý máy tính • C1 : nhit dung ca vi x lý • CT : nhit dung ca kem tn nhit • R1a : nhit tr gia vi x lý và lp kem tn nhit • R1b : nhit tr gia kem tn nhit và qut tn nhit • C2 : nhit dung ca qut tn nhit 37
48. • R2 : nhit tr gia qut tn nhit vi môi trưng • U : nhit ñ ca môi trưng R1a R1b R2 C1 CT C2 I U processor Thermal Paste Cooling fan Evironment Hình 2.13. Sơ ñ mch th hin h thng tn nhit cho vi x lý Vì nhit dung ca lp kem tn nhit là nh so vi nhit dung ca vi x lý cũng như qut tn nhit nên trong mô hình trên có th b qua C T, như vy mô hình ñưc ñơn gin hóa thành sơ ñ như sau: I1 I2 R1 R2 C1 U1 C2 U2 I U Hình 2.14. Sơ ñ mch h thng tn nhit cho vi x lý ñơn gin hóa Trong sơ ñ này: • R1 = R 1a + R 1b : nhit tr ca lp kem tn nhit • U1 : nhit ñ ca vi x lý • U2 : nhit ñ ca kem tn nhit T mô hình ñã ñưc ñơn gin hóa, chúng ta có th suy ra h phương trình vi phân mô t quá trình tn nhit như sau:  U− U I = 2 1  1 R  1  U− U I = 2  2 R (16)  2 CdU=( I − I ) dt  1 1 1 CdU2 2=( I 1 − I 2 ) dt Trong ñó: 38
49. • I1: dòng nhit t vi x lý ñn qut tn nhit • I2: dòng nhit t qut tn nhit ra môi trưng Trong nghiên cu này chúng tôi s dng loi vi x lý Intel® Pentium® 4 Processors 524 (3.06GHz) vi kích thưc 1,476” x 1,476”, khi lưng là 21,86 gam, công sut ta nhit là 84 W và có nhit dung là 15,6 J/K. Qut tn nhit ñưc làm bng vây nhôm và có ñ ñng vi din tích 7 cm 2, tng khi lưng là 220 g. ð ñơn gin cho quá trình mô phng, chúng tôi gi thit nhit ñ ca vây tn nhit bng vi nhit ñ môi trưng, ñng thi b qua nhit tr ca phn vây bên ngoài. Khi ñó chúng tôi tính ñưc nhit dung ca h thng qut tn nhit vào khong 89J/K và nhit tr gia qut và môi trưng là 0,43 K/W. o Như vy chúng ta có ñưc: I= 84 W, U = 20 C, C 1 = 15.6 J/K, C 2 = 89 J/K, R2 = 0.43 K/W. Ti thi ñim ban ñu chúng tôi gi thit nhit ñ vi x lý, nhit 0 ñ qut tn nhit bng nhit ñ môi trưng, như vy U1=U 2=U=20 C. Quá trình mô phng ñưc thc hin vi nhng giá tr khác nhau ca R 1, là nhit tr ca các lp kem tn nhit khác nhau. 39
50. CHƯƠNG 3 KT QU VÀ THO LUN 3.1 Kt qu chp SEM ð nghiên cu hình thái hc ca kem tn nhit chúng tôi tin hành chp nh SEM. Hình 3.1 là nh SEM ca kem tn nhit Arctic silver. Kem Arctic silver 5 có thành phn ch yu là bc, nh SEM cho thy cu trúc ca nó bao gm nhiu tinh th bc có kích thưc khác nhau không ñng ñu, trong khong t 100nm ñn 500 nm. Hình 3.1. nh SEM ca kem AS 5 ñ phân gii 6.000 ln và 22.000 ln Vi kem tn nhit ch to bng phương pháp pha trn cơ hc ñơn thun, các si CNTs b t ñám li, phân tán không ñu trong kem ch to ñưc. Hình 3.2 là nh SEM ca hn hp kem tn nhit Star vi 5% khi lưng CNTs (STARS / 5% CNTs) ñưc pha trn bng phương pháp trn cơ hc thông thưng, kt qu cho thy CNTs phân tán không ñng ñu và có hin tưng t ñám trong mng nn ca kem tn nhit. Hình 3.2. nh SEM ca kem Stars/ 5% CNTs ñ phân gi i 13.000 ln, ch to bng phương pháp trn cơ hc 40
51. Hình 3.3. nh SEM ca kem AS 5/ 3% CNTs ñ phân gii 80.000 ln, ch to bng phương pháp có h tr bng dung môi chloroform, khuy t và rung siêu âm ð tăng kh năng phân tán ca CNTs trong nn kem, chúng tôi s dng phương pháp rung siêu âm kt hp vi dung môi chloroform. Hình 3.3 là SEM ca mu kem tn nhit AS5 pha 3% khi lưng CNTs (AS5 / 3% CNTs), kt qu cho thy CNTs ñã phân tán ñu trong kem mi ch to ñưc, các si CNTs không b t ñám như khi s dng phương pháp pha trn cơ hc. Như vy phương pháp s dng dung môi chloroform, rung siêu âm, khuy t ñã cho kt qu phân tán tt ca CNTs, hn ch ñưc hin tưng t ñám. 3.2 Ph Raman 50000 16000 45000 14000 40000 12000 35000 10000 30000 25000 8000 20000 6000 15000 4000 10000 2000 5000 0 0 1000 1080 1160 1240 1320 1400 1480 1560 1640 1720 1800 1000 1080 1160 1240 1320 1400 1480 1560 1640 1720 1800 (a) (b) Hình 3.4 . Ph Raman ca kem Stars (a) và kem Stars / 2% CNTs (b) ð kim tra s phân tán ca CNTs, ñng thi nghiên cu nhng bin ñi hóa hc có th xy ra trong quá trình pha trn CNTs vào kem chúng tôi tin hành ño ph Raman. Hình 3.4a là ph Raman ca kem tn nhit Stars vi s xut hin ca ñnh ti 1090 cm 1. Sau khi pha CNTs vào kem tn nhit Stars, kt 41
52. qu cho thy có 3 vch ph, trong ñó vch ng vi ñnh là 1090 cm 1 tương ng và vch ph ca kem Stars ban ñu, vch ph này không có s dch chuyn hay thay ñi cưng ñ, chng t thành phn trong kem Stars không có thay ñi gì v mt hóa hc, mt khác có xut hin ca hai vch ph có ñnh là 1325 cm 1 và 1580 cm 1, ñây là hai ñnh ñc trưng ca CNTs, chng t trong thành phn ca kem mi ch to ñưc có CNTs và CNTs ch có liên kt vt lý vi vt liu nn. 3.3 Ph EDX Hình 3.5 và hình 3.6 ln lưt là kt qu phân tích trên mu kem tn nhit STARS / 2% CNTs và kem tn nhit AS5 / 2% CNTs. Chúng ta có th thy s xut hin ca các nguyên t Si, Ca, O, và C trong kem tn nhit STARS pha CNTs. Trong kem tn nhit AS5 / 2% CNTs ta thy có s xut hin ca các nguyên t Ag, Zn, O và C. ðiu này phn nào khng ñnh s xut hin ca CNTs có trong kem tn nhit. Hình 3.5 . Kt qu phân tích EDX ca kem Stars / 2% CNTs Hình 3.6 . Kt qu phân tích EDX ca kem AS5 / 2% CNTs 42
53. 3.4 Xác ñnh nng ñ CNTs ti ưu trong kem tn nhit ð xác ñnh nng ñ ti ưu ca CNTs pha trong kem tn nhit, chúng tôitin hành pha CNTs vào kem tn nhit vi các nng ñ t 1% wt. ñn 7% w.t. Kt qu kho sát vi các loi kem này cho thy khi nng ñ ca CNTs là 2% wt. thì hiu qu ca kem tn nhit là cao nht. Hình 3.7 là ñ th kho sát nhit ñ ng vi kem STARS / CNTs vi các nng ñ CNTs t 1 % wt. ñn 7 %wt. Kt qu này hoàn toàn tương t ñi vi kem tn nhit AS5. Hình 3.7 Kt qu thc nghim vi kem tn nhit STARS / CNTs vi nng ñ ca CNTs t 1% wt. ñn 7% wt. Khi nâng cao nng ñ ca CNTs trong kem vưt quá 2% wt. s làm gim hiu qu ca kem tn nhit, ñiu này ñưc gii thích là do khi nng ñ CNTs quá ln s làm kem tn nhit b mt ñi tính nht, do vy kh năng dàn ñu ca kem trên b mt vi x lý gim xung làm cho hiu qu tn nhit suy gim. Xut phát t kt qu này, các nghiên cu tip theo ca chúng tôi ñưc thc hin vi các loi kem STARS và AS5 pha vi nng ñ CNTs là 2% wt. 3.5 Kt qu mô phng và thc nghim quá trình tn nhit 3.5.1 Không s dng kem tn nhit ð ñánh giá vai trò ca kem tn nhit, chúng tôi tin hành thí nghim trong trưng hp không có kem tn nhit gia CPU và ñ qut tn nhit. Kt qu thc nghim và mô phng cho ta kt qu như ñ th hình 3.8. Có th thy rng khi CPU hot ñng ch ñ nhàn ri thì nhit ñ CPU khá cao vi giá tr 37 oC. Ngay sau khi hot ñng ch ñ 100% công sut, nhit ñ ca CPU tăng nhanh 43
54. và ñt 85 oC sau 20 giây, sau ñó máy tính t ñng ngt vì nhit ñ CPU vưt quá gii hn cho phép. ðiu này cho thy khi không s dng kem tn nhit, nhit ñ CPU s vưt quá gii hn cho phép và hot ñng không hiu qu. Kt qu mô phng trong trưng hp không s dng kem tn nhit cho thy nhit tr gia qut tn nhit và CPU là R1 = 0,81 K/W. Hình 3.8. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi không s dng kem tn nhit 3.5.2 Kem tn nhit STARS Hình 3.9 là kt qu mô phng và thc nghim quá trình tn nhit cho CPU khi s dng kem tn nhit STARS. Kt qu cho thy khi ch ñ nhàn ri, nhit ñ CPU vào khong 20 oC, thp hơn 17 oC so vi khi không s dng kem tn nhit, ñiu này ñã cho thy vai trò ca vic s dng kem tn nhit gia CPU và ñ qut. Ngay sau khi CPU hot ñng ch ñ 100% thì nhit ñ ca CPU tăng lên, sau 195 giây nhit ñ CPU ñt giá tr bão hòa 67oC. Như vy máy tính không b ngt như trong trưng hp không s dng kem tn nhit. Kt qu mô phng kt hp vi thc nghim cho ta kt qu nhit tr ca lp kem tn nhit là R1 = 0,13 K/W. Giá tr R 1 khi s dng kem STARS gim 6,23 ln so vi khi không s dng kem tn nhit. 44
55. Hình 3.9. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit STARS Kt qu mô phng kt hp vi thc nghim cho ta kt qu nhit tr ca lp kem tn nhit là R 1 = 0,13 K/W. Giá tr R 1 khi s dng kem STARS gim 6,23 ln so vi khi không s dng kem tn nhit. ð dn nhit ca kem STARS ñưc xác ñnh qua công thc: 170(m ) k = STARS 0.13(K / W )x7cm 2 kSTARS = 1.87( WmK / ) 3.5.3 Kem tn nhit STARS pha CNTs Các kt qu nghiên cu trưc ñây ca chúng tôi ñã cho thy kem tn nhit khi pha 2% wt. CNTs s cho kt qu tn nhit tt nht. Hình 3.10 là kt qu mô phng và thc nghim quá trình tn nhit cho CPU khi s dng kem tn nhit STARS / 2% CNTs. 45
56. Hình 3.10. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit STARS / 2% CNTs Kt qu cho thy khi ch ñ nhàn ri, nhit ñ CPU vào khong 20 oC. Ngay sau khi CPU hot ñng ch ñ 100% thì nhit ñ ca CPU tăng lên, sau 190 giây nhit ñ CPU ñt giá tr bão hòa 64 oC. Như vy nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit STARS / 2% CNTs gim ñi 3 oC khi so vi kem STARS không pha CNTs. Kt hp vi phương pháp mô phng chúng tôi xác ñnh ñưc nhit tr ca lp kem tn nhit STARS / 2% CNTs là R 1 = 0,095 K/W. ð dn nhit ca kem tn nhit ñưc xác ñnh theo công thc: 170(m ) k = CNTs/ STARS 0.095(K / W )x7cm 2 kCNTs/ STARS = 2.56( WmK / ) Như vy vi vic thêm 2% CNTs vào kem tn nhit STARS, ñ dn nhit ca kem tăng lên 1,37 ln. 46
57. 3.5.4 Kem tn nhit AS5 Hình 3.11 là kt qu thc nghim và mô phng quá trình tn nhit cho CPU khi s dng kem tn nhit AS5. Hình 3.11. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit AS5 Kem tn nhit AS5 có thành phn ch yu là bc nên hiu qu tn nhit cao hơn so vi kem tn nhit STARS. ðiu này ñưc th hin nhit ñ bão hòa ca CPU khi hot ñng ch ñ 100% công sut là 55 oC, thp hơn 12 oC so vi kem tn nhit STARS. Kt qu cho thy nhit tr ca lp kem là 0,027 K/W, tương ng vi ñ dn nhit là 8,89 W/mK. 3.5.5 Kem tn nhit AS5 / CNTs ð nghiên cu nh hưng ca CNTs ñn kem tn nhit, chúng tôi tin hành th nghim vi mu kem AS5 / 2% CNTs. Hình 3.12 là kt qu thc nghim và mô phng quá trình tn nhit cho CPU khi s dng kem tn nhit AS5 / 2% CNTs. 47
58. Hình 3.12. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU khi s dng kem tn nhit AS5 / 2% CNTs Kt qu mô phng và thc nghim cho thy khi pha 2% CNTs trong kem tn nhit AS 5, nhit ñ bão hòa ca CPU là 53 oC, gim 2 oC so vi khi không s dng vt liu CNTs. Nhit tr ca lp kem tn nhit là R 1 = 0,015 W/mK, t ñây có th xác ñnh ñưc ñ dn nhit ca kem tn nhit AS5 / 2% CNTs là : 170(m ) kCNTs/ AS 5 = 0.015(K / W )x7cm 2 kCNTs/ AS 5 = 16.2( WmK / ) Bng 2. Tng kt các kt qu ño ñc và tính toán vi các loi kem Kem tn nhit Nhit tr ð dn Nhit ñ bão Nhit ñ bão (K/W) nhit hòa ca CPU hòa ca qut (W/mK) (oC) (oC) Không có kem 0.81 STARS 0.13 1.87 66 55.7 STARS/ 2% CNTs 0.095 2.56 63 55.6 AS5 0.027 8.89 58 55.7 AS5/ 2% CNTs 0.015 16.2 56 55.6 48
59. Như vy ñ dn nhit ca kem tn nhit AS5/ 2% CNTs cao hơn 1,82 ln so vi ñ dn nhit ca kem tn nhit AS5 thông thưng. ðiu này mt ln na khng ñnh hiu qu ca CNTs trong vic ng dng cho kem tn nhit. Bng 2 tng kt các giá tr ño ñc và tính toán ca nhit tr R 1, ñ dn nhit k ca các loi kem tn nhit khác nhau. T bng kt qu này chúng ta thy ñưc loi kem tn nhit AS5 / 2% CNTs có ñ dn nhit cao nht. 3.5.6 Quá trình gim nhit ñ ca CPU Chúng tôi cũng tin hành mô phng và thc nghim quá trình gim nhit ñ ca CPU khi CPU ch ñ 100% công sut chuyn v ch ñ nhàn ri. Kt qu mô phng và thc nghim ñưc mô t trên hình 3.13 ñi vi kem tn nhit STARS. Hình 3.13. Kt qu thc nghim và mô phng nhit ñ ca CPU trong quá trình gim nhit ñ khi s dng kem tn nhit STARS Kt qu mô phng cho thy công sut ca CPU khi ch ñ nhàn ri là 11 W, nh hơn 7,6 ln công sut ca CPU khi ch ñ 100% công sut. 3.6 Tính n ñnh và tui th ca kem tn nhit ð kim tra tính n ñnh ca kem tn nhit, chúng tôi kéo dài thi gian thc nghim khi vi x lý khi hot ñng công sut 100%. Kt qu thc nghim 49
60. cho thy khi môi trưng ñưc gi n ñnh 20 oC thì nhit ñ ca vi x lý gi n ñnh và không có hin tưng tăng tip. Hình 3.14 là kt qu thc nghim vi kem tn nhit STARS / 2% CNTs vi thi gian kéo dài 10000 giây, trong ñ th này trc hoành tuân theo hàm s logarit ca thi gian. Kt qu cho thy nhit ñ ca vi x lý n ñnh vi thi gian dài, qua ñây khng ñnh ñưc tính n ñnh ca kem tn nhit. Tui th ca kem tn nhit ñưc chúng tôi xác ñnh bng thc nghim là khong 2 năm. Sau thi gian này hiu qu tn nhit ca kem s b gim xung do mt phn dung môi ca kem bay hơi làm gim tính nht và kh năng ñin ñy các khe h gia vi x lý và ñ tn nhit. Hình 3.14 Kt qu thc nghim vi kem tn nhit STARS / 2% CNTs vi thi gian kéo dài 10000 giây 3.7 Bưc ñu ng dng CNTs trong tn nhit cho LED Vi nhng kt qu ñã ñt ñưc trên, chúng tôi hưng ñn vic ng dng vt liu CNTs ñ tn nhit cho LED công sut cao. ð thc hin ñiu này chúng tôi tin hành hai phương pháp khác nhau : Phương pháp 1: Mc trc tip vt liu ng nanô cácbon ñnh hưng (VA CNTs) trên b mt ñ tn nhit bng ñng, sau ñó gn chip LED lên b mt ca VACNTs. Phương pháp 2: Ch to lp màng VACNTs trên ñ Si, sau ñó chuyn lp màng này lên b mt ñ tn nhit cho LED. 50
61. Hình 3.15a là ñ tn nhit bng ñng dùng cho LED, hình 3.15 b là nh SEM chp ñ tn nhit sau khi ñã ph lp màng VACNTs và hình 3.15 c là nh SEM ca lp màng VACNTs. Hình 3.16 là hình nh chip LED ñưc gn trên ñ tn nhit ñã ph lp màng VACNTs. Loi chip LED ñưc chúng tôi s dng là loi InGaN, kích thưc 0,5 mm x 0,5 mm, công sut 0.5 W. (a) (b) (c) Hình 3.15. Các nh SEM ca (a) ñ tn nhit cho LED, (b) ñ tn nhit ñã ñưc ph lp màng VACNTs, (c) nh SEM ca lp màng VACNTs Hình 3.16. Hình nh chip LED ñưc gn trên ñ Cu Kt qu th nghim ban ñu cho thy khi s dng lp màng VACNTs ñ tn nhit cho LED, cưng ñ dòng ñin cc ñi qua LED ñưc nâng lên ñn 500 mA, gp hơn 2 ln so vi khi không s dng lp màng VACNTs. 51
62. (a) (b) (c) Hình 3.17. nh chp ñ sáng t linh kin LED vi dòng ñu vào (a) 100 mA, (b) 350 mA s dng màng VACNTs và (c) 500 mA s dng màng VACNTs 52
63. KT LUN Các kt qu thu ñưc trong quá trình thc hin lun văn ñưc th hin nhng ni dung chính sau ñây: 1. ðã th nghim ñưa vt liu ng nanô cácbon (CNTs) vào kem tn nhit thương mai có sn trên th trưng (STARS và AS5) vi nng ñ CNTs t 15% wt. và ng dng vào tn nhit trong vi x lý máy tính. Kt qu kho sát cho thy nhit ñ ca CPU gim t 23oC khi có thêm 2 % wt.CNTs trong kem tn nhit. Loi kem có ñ dn nhit tt nht là kem AS5 / 2% CNTs. 2. ðã xây dng mô hình và mô phng quá trình tn nhit ca vi x lý. Kt qu mô phng ñã ñánh giá ñưc hiu sut tn nhit khi có CNTs trong kem tn nhit cao hơn so vi khi không có kem, ñ dn nhit ca kem tăng lên 1,4 1,8 ln khi có thêm thành phn CNTs. 3. Bưc ñu ng dng lp màng VACNTs trong tn nhit cho chip LED công sut 0,5 W. Kt qu ban ñu cho thy hiu qu tn nhit ñưc nâng cao, dòng ñin cc ñi cung cp cho chip LED lên ti 500 mA, cao hơn 2 ln so vi khi không s dng lp màng VACNTs. Hưng nghiên cu tip theo: Trong thi gian sp ti, chúng tôi s tin hành ch to vt liu ng nanô cácbon mc ñnh hưng ñ tăng kh năng tn nhit cho CPU. ðc bit chúng tôi còn m rng nhng nghiên cu ng dng CNTs trong tn nhit cho các linh kin ñin t công sut ln như LED, LASER. Trong thi gian ti chúng tôi s kt hp cùng Công ty CP Công ngh Nhân Hòa ñ ng dng vt liu CNTs ñ tn nhit cho các sn phm ñèn LED công sut cao. 53
64. DANH MC CÁC CÔNG TRÌNH CA TÁC GI Các bài báo và báo cáo khoa hc liên quan ñn lun văn: 1. Bui Hung Thang , Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Simulation of Thermal Dissipation in a processor Using Carbon Nanotubes Based Composite , Computational Materials Science 49 (2010) S239–S241. 2. Bui Hung Thang , Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Tu, Nguyen Van Chuc and Phan Ngoc Minh, Increasing thermal conductivity of thermal paste using carbon nanotubes ”, The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia –Laos –Vietnam, 2327 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 231237 3. Bui Hung Thang , Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, The simulation and experimental results in thermal dissipation for processor using carbon nanotubes , Hi ngh Vt lý cht rn và Khoa hc Vt liu toàn quc, SPMS2009. ðà Nng, 810/11/2009, p. 974 – 977 4. Bui Hung Thang , Phan Ngoc Hong, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Application of multiwall carbon nanotubes for thermal dissipation in a microprocessor , Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 0120151, IOP Publishing, doi:10.1088/17426596/187/1/012051 5. Bui Hung Thang , Cao Van Quang, Van Trong Nghia, Phan Ngoc Hong, Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Le Dinh Quang, Dao Duc Khang, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Thermal Dissipation Efficiency in a MicroProcessor Using Carbon Nanotubes Based Composite , Proceedings of the International Workshop on Advanced Material for New and Renewable Energy, Jakarta, 911 June 2009, p.138 143 Các bài báo và báo cáo khoa hc khác: 1. Pham Van Trinh, Tran Bao Trung, Nguyen Ba Thang, Bui Hung Thang , Than Xuan Tinh, Le Dinh Quang, Doan Dinh Phuong, Phan Ngoc Minh, Calculation of the friction coefcient of Cu matrix composite reinforced by carbon nanotubes , Computational Materials Science 49 (2010) S329– S241 54
65. 2. Phan Ngoc Hong, Bui Hung Thang , Nguyen Tuan Hong, Soonil Lee and Phan Ngoc Minh, Electron field emission characteristics of carbon nanotube on tungsten tip , Journal of Physics: Conference Series 187 (2009) 0120141, IOP Publishing, doi:10.1088/17426596/187/1/012041 3. Bui Hung Thang , Pham Van Trinh, Duong Ngoc Vinh, Dao Duc Khang and Phan Ngoc Minh, Application of nano polyaniline/multiwalled carbon nanotubes for protective paint , The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia –Laos – Vietnam”, 2327 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 238242 4. Pham Van Trinh, Bui Hung Thang , Tran Tien Dat, Duong Ngoc Vinh, Nguyen Van Tu, Phan Ngoc Minh, Chemical functionalization of multi walled carbon nanotubes and the use of functionalized cnts in the Fabrication of Cu/CNTs nanocomposites , The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia –Laos –Vietnam”, 2327 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 243248 5. Duong Ngoc Vinh, Bui Hung Thang , Pham Van Trinh, Dao Duc Khang, Phan Ngoc Minh, Study and preparation the cnts/pani composite as anode material for electrochemical energy source , The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia –Laos –Vietnam”, 2327 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 249 251 6. Tran Tien Dat, Phan Ngoc Hong, Pham Van Trinh, Bui Hung Thang, Dang Tran Chien, Phan Ngoc Minh, Synthesis of Diamond films on copper substrates using microwave plasma chemical vapour deposition , The 1st Academic Conference on Natural Science for Master and Ph.D Students From Cambodia – Laos – Vietnam”, 2327 March 2010.Vientiane, Lao, pp. 333336 7. Pham Van Trinh, Tran Bao Trung, Nguyen Ba Thang, Bui Hung Thang , Than Xuan Tinh, Doan Dinh Phuong, Nguyen Van Tich, and Phan Ngoc Minh, Mechanical properties of Cu/CNTs nanocomposite , Hi ngh Vt lý cht rn và Khoa hc Vt liu toàn quc, SPMS2009. ðà Nng, 8 10/11/2009, p. 1074 1077 8. Dao Duc Khang, Bui Hung Thang , Vu Tan Canh, Duong Ngoc Vinh, Pham Thy San, Phan Ngoc Minh, Study and synthesis of protective paint containing nano polyaniline/multiwalled carbon nanotube , Hi ngh Vt lý cht rn và Khoa hc Vt liu toàn quc, SPMS2009. ðà Nng, 8 10/11/2009, p. 837 840 55
66. 9. Nguyen Van Chuc, Ngo Thi Thanh Tam, Nguyen Van Tu, Bui Hung Thang , Phan Ngoc Hong, Le Dinh Quang and Phan Ngoc Minh, Synthesis of vertically aligned carbon nanotubes on Cu substrates for high power electronic devices , Hi ngh Vt lý cht rn và Khoa hc Vt liu toàn quc, SPMS2009. ðà Nng, 810/11/2009”, p. 733 737 10. Phan Ngoc Hong, Vo Viet Cuong, Bui Hung Thang , Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh, Fabrication of Carbon nano tube on Tungsten tips , Journal of the Korea Physical Society, Vol. 52, No. 5, May 2008, p. 1386 1489 11. Phan Ngoc Hong, Bui Hung Thang , Nguyen Tuan Hong, Soonil Lee and Phan Ngoc Minh, Electron Field Emission Characteristics of Carbon Nanotubes on Tungsten tip , Proceedings of the APCTPASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, Nha Trang, Vietnam, September 1520, 2008, p. 368372 12. Dao Duc Khang, Vu Tan Canh, Bui Hung Thang , Than Xuan Tinh, Phan Ngoc Minh, Polyaniline/Multiwalled carbon nanotubes as a conducting material for protective paint , Proceedings of the APCTPASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, Nha Trang, Vietnam, September 1520, 2008, p. 512517 13. Bui Hung Thang , Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, Nguyen Huy Dung, Dong Van Thu, Electrodeposition and characterization of Nickel – multi walled carbon nanotubes composite coatings , Proceedings of the BME 2007, p. 308311 14. Bui Hung Thang , Nguyen Van Chuc, Phan Hong Khoi, Phan Ngoc Minh, Nguyen Huy Dung, Dong Van Thu, Carbon Nanotubes Reinforced Niken Coatings Prepared by Electroplating Technique , Proceedings of the ICCE15, 2007, p. 106108 15. Bui Hung Thang , Lê ðình Quang, ðào ðc Khang, Phan Hng Khôi, Phan Ngc Minh, Nguyn Huy Dũng, ðông Văn Thu, Ch to và nghiên cu tính cht lp m t hp Niken ng nanô cácbon ña tưng trên nn ñ thép , Hi ngh Vt lý Cht rn ln th V, Vũng Tàu 1214/11/2007, p. 982986 16. Phan Ngc Hng, Bùi Hùng Thng , Nguyn Minh Nam, Phan Hng Khôi, Phan Ngc Minh, Nghiên cu ch to ht xúc tác nanô trên STM típ cho vic mc ñơn ng nanô cácbon , Hi ngh Vt lý Cht rn ln th V, Vũng Tàu 1214/11/2007, p. 982986 56
67. 17. Bui Hung Thang , Phan Ngoc Minh, Phan Hong Khoi, Ni electro plating with additive CNTs , Proceedings of the 1st International Workshop on Functional Materials and The 3rd International Workshop on Nanophysics and Nanotechnology, 2006, pp. 175177 18. Phan Ngoc Hong, Vo Viet Cuong, Bui Hung Thang , Nguyen Minh Nam, Nguyen Ngoc Khoai, Phan Ngoc Minh, Phan Hong Khoi, Fabrication and characterization of carbon nanotubes on tungsten tips , Proceedings of the 1st International Workshop on Functional Materials and The 3rd International Workshop on Nanophysics and Nanotechnology, pp. 178 181 57
68. TÀI LIU THAM KHO Tài liu ting Vit 1. Vũ ðình C, Nguyn Xuân Chánh (2004), Công ngh nanô ñiu khin ñn tng phân t nguyên t, Nhà xut bn khoa hc k thut. 2. Nguyn Năng ðnh (2005), Vt lý và k thut màng mng , Nhà xut bn ñi hc Quc gia Hà Ni. 3. Hoàng ðình Tín (2004), Truyn nhit và tính toán thit b trao ñi nhit , Nhà xut bn Khoa hc k thut. 4. Bùi Trng Tuân (2004), Nhit hc , Nhà xut bn ði hc sư phm. 5. Trn Quang Vinh (2007), Cu trúc máy vi tính , Nhà xut bn ñi hc Quc gia Hà Ni. Tài liu ting Anh 6. P.K. Schelling, L. Shi, K.E. Goodson (2005), “Managing heat for electronics”, Materials Today , vol. 8, issue 6, pp. 3035. 7. ChiaKen Leong, D.D.L. Chun (2003), “Carbon black dispersions as thermal pastes that surpass solder in providing high thermal contact conductance”, Carbon 41, 2459–2469 8. T. Iwai, Y. Awano (2007), “Cabon Nanotubes bump for thermal and electrical conduction in transistor”, Fusitsu Sci. Tech . J. 43, pp. 508515 9. Sebastine Ujereh, Timothy Fisher, Issam Mudawar (2007), “Effects of carbon nanotube arrays on nucleate pool boiling”, International Journal of Heat and Mass Transfer 50 4023–4038 10. Indra Vir Singh, Masataka Tanaka, Morinobu Endo (2007), “Effect of interface on the thermal conductivity of carbon nanotube composites”, International Journal of Thermal Sciences 46 842–847 11. D.L. Ellis, D.L. McDaniels (1993), “Thermal Conductivity and thermal expansion of graphite fiberreinforced copper matrix composites”, Metall. Trans . A, 24, pp. 4352 12. Wang, F., Arai, S., Endo, M. (2000), “Metallization of multiwalled carbon nanotubes with copper by an electroless deposition process”, Electrochemistry communications , vol. 6, pp. 10421044. 13. S. Shaikh, L. Li, K. Lafdi, J. Hui (2007), “Thermal conductivity of an aligned carbon nanotube array”, Carbon 45, 2608–2613 14. Da Jiang Yang (2002), “Thermal conductivity of multiwalled carbon nanotubes”, PHYSICAL REVIEW B 66, 165440 58
69. 15. M. A. Panzer (2008), “Thermal Properties of MetalCoated Vertically Aligned SingleWall Nanotube Arrays”, Journal of Heat Transfer , Vol. 130 / 0524011 16. S. Berver, Y.K. Kwon, D. Tománek (2000), “Unusual high thermal conductivity of carbon nanotubes”, Phys. Rev. Let. , vol. 84, issue 20, pp.46134616. 17. Nguyen Van Chuc, Nguyen Duc Dung, Phan Ngoc Hong, Le Dinh Quang, Phan Hong Khoi and Phan Ngoc Minh (2002), “Synthesis of Carbon Nanotubes on Steel Foil”, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 52, No. 5, pp. 13681371. 18. Andrews Rod, Processing and Properties of Composite Materials Containing Multiwalled Carbon Nanotubes , University of Kentucky. 19. Daenen. M, R.D.de Foun, B. Hamers (2003), The Wondrous World of Carbon nanotubes , Eindhoven Univesity of Technology. 20. Decroly Oliver (2004), Carbon nanotubes: The building blocks of nanotechnology , Leuven. 21. Deierlein Udo (2002), Functionalization of carbon nanotubes for self assembly of hybrid structures , Department fur Physik and Center for NanoScience (CeNS), LMU Munchen. 22. Meyyappan. M (2005), Carbon nanotubes Science and Applications , NASA Ames Research Center. 23. Serdar Durdagi (2005), A bird’s eye view to carbon nanotubes and fullerens , Technical University, Berlin. 59