Luận văn Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho thiết kế cảm biến khối lượng sử dụng ống nano carbon (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho thiết kế cảm biến khối lượng sử dụng ống nano carbon (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRÀ KIM QUYÊN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO THIẾT KẾ CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 5 0 5 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN TRÀ KIM QUYÊN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO THIẾT KẾ CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 TP. HCM, Tháng 4 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN TRÀ KIM QUYÊN ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO THIẾT KẾ CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học TS. Mai Đức Đãi TP. HCM, Tháng 4 năm 2016
4. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học viên đóng kèm xác nhận này vào quyển LVTN) Họ và tên học viên: Nguyễn Trà Kim Quyên MSHV: 138520103019 Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Khóa: 2013 – 2015B Tên đề tài: “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho thiết kế cảm biến khối lượng sử dụng ống nano carbon” Học viên đã hoàn thành LVTN theo đúng yêu cầu về nội dung và hình thức (theo qui định) của một luận văn thạc sĩ. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) 1
5. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC - Họ và tên: Nguyễn Trà Kim Quyên Giới tính: Nữ - Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1989 Nơi sinh: T.P Hồ Chí Minh - Quê quán: Long An Dân tộc: Kinh - Địa chỉ liên lạc: 14E Thống Nhất, P. Bình Thọ, Q.Thủ Đức, Tp.HCM. - Điện thoại: 0986322382 - E-mail: kimquyen3112@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 8/2007 đến 02/ 2012 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Thiết kế máy Đồ án tốt nghiệp: “Máy phân loại rác thải”. Ngày bảo vệ: 11/01/2012. Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Đoàn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 03-2012 Công ty TNHH MTV STC Kỹ sư thiết kế Đến 9-2012 Từ 10/2012 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Giảng viên Đến nay Tp.HCM Từ 10-2013 Học viên Trường ĐHSPKT TP.HCM Học Viên Đến nay i
6. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Người nghiên cứu Nguyễn Trà Kim Quyên ii
7. LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS.Mai Đức Đãi đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện và động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Dù công việc của thầy rất bận nhưng thầy luôn quan tâm, nhắc nhở và định hướng cho em đi đúng đường giúp em tìm tòi, nghiên cứu trong suốt quá trình. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy ThS.Lê Thanh Phong đã hỗ trợ giúp đỡ em trong lúc khó khăn nhất. Xin cám ơn các bạn cùng khóa đã động viên và đóng góp những ý kiến quý báu để đề tải này một hoàn thiện hơn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô trường Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ khí Chế tạo máy lời chúc sức khỏe – thành công – hạnh phúc. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Trà Kim Quyên iii
8. TÓM TẮT Luận văn “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho thiết kế cảm biến khối lượng sử dụng ống nano carbon” được nghiên cứu dựa trên các thuộc tính cơ học đặc biệt của ống Nano carbon. Các ứng dụng của ống nano carbon ngày nay rất phong phú, ứng dụng rất nhiều trong nhiều lĩnh vực khác nhau: kỹ thuật, cảm biến hóa học hay trong y học. Trong các ứng dụng đã được nghiên cứu thì tôi thấy ống nano carbon là vật liệu lý tưởng phù hợp dùng trong công nghệ NEMS. Ứng dụng của hệ NEMS cũng có rất nhiều tuy nhiên trong đề tài này sẽ xoay quanh ứng dụng của NEM trong sensor khối lượng. Ngày nay các nghiên cứu về dò tìm khối lượng đã được một số nhà khoa học nghiên cứu và có rất nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau. Trong đề tài này, tôi sẽ dựa trên phương pháp Cơ học kết cấu phân tử kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng ngôn ngữ lập trình matlab sử dụng để phân tích ống nano carbon. Đồng thời, tìm ra tần số dao động của CNT trước và sau khi khối lượng bám vào để từ đó xác định sự dịch chuyển của tần số dao động. Nếu có sự khác biệt giữa tần số dao động thì ta biết có khối lượng bám trên bề mặt và ngược lại. Tóm lại mục đích của nghiên cứu này chính là đi dò tìm khối lượng trên ống CNT dựa trên nguyên lý cộng hưởng của cảm biến NEMS hay nói cách khác đó là dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để thiết kế cảm biến khối lượng sử dụng trên ống nano carbon. iv
9. ABSTRACT “The application of FEM for designing mass sensor using nano carbon tubes” base on specific properties of nano carbon tube. It has many applications in many fields such as technical, chemistry sensor and medicine. With these advanced, nano carbon tube is the best choice for NEMS technology. This study focuses on using NEMS to design mass sensor. There are many researches in the world for mass detection of material. This work, I combined structural mechanics approach and FEM method to build up carbon nano tube models. Then find the vibration frequency of CNT before and after have increase or decrease of weight. If there are some changes about virbrition so wen can calculate the weight vice server. In short, the purpose of this study is mass detection using carbon nanotube-based nanomechanical resonators for designing mass sensor. v
10. MỤC LỤC XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT viii MỤC LỤC HÌNH ẢNH ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về các kết cấu nano 1 1.1.1 Ống nano carbon (CNT) 1 1.1.2 Nanowires: 7 1.1.3 Graphene sheet: 8 1.2 Tổng quan về NEMS 10 1.3 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 16 1.4 Mục tiêu nghiên cứu 18 1.5 Nhiệm vụ và giới hạn nghiên cứu 18 1.6 Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 19 1.7 Ý nghĩa của đề tài: 20 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA KẾT CẤU NANO 21 2.1 Phương pháp động lực học phân tử (Molecular Dynamics) 21 2.2 Mô hình đàn hồi liên tục (Continuum elastic models) 22 2.3 Atomic finite element method (AFEM) 23 2.4 Phương pháp cơ học kết cấu phân tử (Molecular structural mechanics approach) 24 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHẦN TỬ HỮU HẠN 25 3.1 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn 25 3.2 Bài toán khung trong không gian 26 3.3 Xây dựng ma trận độ cứng phần tử 27 3.4 Vecto tải 32 3.5 Phương trình phần tử 32 3.6 Xây dựng ma trận khối lượng 33 3.7 Bài toán trị riêng , vecto riêng: 33 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO KẾT CẤU CARBON NANOTUBES 35 vi
11. 4.1 Rời rạc hóa miền khảo sát 35 4.2 Mô hình bài toán 36 4.3 Ma trận độ cứng của phần tử 37 4.4 Ma trận khối lượng 41 4.5 Lưu đồ giải thuật 45 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NANO CARBON TRONG VIỆC DÒ TÌM KHỐI LƯỢNG 46 5.1 Đặt bài toán 46 5.2 Bài toán 47 5.3 Thiết kế cảm biến khối lượng 54 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 6.1 Kết luận 55 6.2 Hướng phát triển 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 61 vii
12. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải CNT Ống nano carbon SWNTs Ống nano carbon đơn vách MWNTs Ống nano carbon đa vách NEMS Nanoelectromechanical system MD Molecular Dynamics AFEM Atomic finite element FEM Finite Element Method viii
13. MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Kết cấu của ống nano carbon đơn vách 1 Hình 1.2: Bằng cách cuộn 1 tấm graphite theo những cách khác nhau, được 3 lọai CNTs: zigzag(n,0), armchair(m,m), và chiral(n,m) với n>m>0 2 Hình 1.3: Kết cấu của ống nanocarbon đa vách 3 Hình 1.4: Tần số cộng hưởng của ống nano ( trục y bên trái) và sự thay đổi khối lượng hấp thụ ( trục y bên phải) so với thời gian trong suốt quá trình bay hơi của vàng. Sự thay đổi tần số cộng hưởng giảm khi van được mở (vùng màu trắng) và vẫn không đổi khi van được đóng và ngăn chặn các nguyên tử vàng ( vùng bóng mờ). Sự thay đổi tần số trong lần mở đầu tiên chỉ 51 nguyên tử vàng được hấp thụ vào ống nano. Hình được sao chép với sự cho phép từ Ref [10]. Bản quyền Nature Publishing Group, 2008 6 Hình 1.5: Ống nano carbon đơn vách và mô hình đàn hồi liên tục 7 Hình 1.6: Những sợi dây nano 8 Hình 1.7: Cấu trúc tinh thể của Graphene 9 Hình 1.8: Tấm phát sáng 10 Hình 1.9: Sơ đồ mô tả nguyên lý làm việc của một thiết bị cơ điện 12 Hình 1.10 : Nguyên lý hoạt động của hệ NEMS 13 Hình 1.11: Tần số cộng hưởng dịch chuyển khi khối lượng càng lớn với chiều dài không đổi là 350 nm 15 Hình 1.12: Tần số cộng hưởng dịch chuyển khi khối lượng bám vào với lực tăng dần với chiều dài CNT là 350 nm 15 Hình 1.13: Tần số cộng hưởng dịch chuyển khi khối lượng bám vào không đổi. Chiều dài CNT thay đổi cùng với lực 16 Hình 1.14: Thí nghiệm về độ nhạy của CNT khi kích thích điện dựa trên nguyên lý cộng hưởng khi tăng khối lượng bám trên CNT 17 Hình 2.1: (a) mô hình của ống nano carbon đơn lớp (b) phân tích ống nano carbon theo phương pháp phần tử hữu hạn ở thang nguyên tử 24 Hình 2.2: Sử dụng phương pháp cơ học kết cấu phân tử cho việc mô hình hóa ống CNT 27 Hình 3.1: Phần tử khung trong không gian 35 Hình 4.1: mô tả liên kết nguyên tử C-C như phần tử dầm 36 Hình 4.2: Ống nano carbon khi được trải ra 36 Hình 4.3: Mô hình hình học cho ống CNT 36 Hình 4.4: Mô hình vật lý cho ống CNT 42 ix
14. Hình 4.5: Mô hình của ống CNT trong matlab 43 Hình 4.6: Phần tử dầm n + 1 nút 44 Hình 4.7: Mô hình của ống CNT trong Ansys 47 Hình 5.1: Mô hình ống nano carbon 46 Hình 5.2: Đồ thị tần số dao động khi chưa đính thêm khối lượng của CNT 48 Hình 5.3: Chuyển vị của CNT trong Ansys 49 Hình 5.4: Bảng tần số dao động trên Ansys 50 Hình 5.5: Đồ thị tần số dao động khi chưa đính khối lượng 51 Hình 5.6: Đồ thị biểu diễn sự dịch chuyển của tần số dao động trước và sau khi có một khối lượng đính vào 52 Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn sự dịch chuyển của tần số dao động trước và sau khi có hai khối lượng bám vào 52 Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khối lượng và tần số dịch chuyển 53 Hình 5.9: Nguyên lý làm việc của việc dò tìm khối lượng 54 x
15. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về các kết cấu nano Kết cấu nano được định nghĩa là một kết cấu có kích cỡ trung gian giữa cấu trúc vi mô và cấu trúc phân tử. Đặc điểm của cấu trúc nano này chính là một kết cấu có kích thước ở thang nanomet. Các cấu trúc nano thông dụng nhất hiện nay mà các nhà khoa học đã tìm ra có rất nhiều như : Nanowires, Carbon nanotubes hay Graphene sheet, v.v 1.1.1 Ống nano carbon (CNT) Từ khi con người phát hiện ra ống nano carbon thì có rất nhiều hoạt động nghiên cứu dành cho việc phát triển các kết cấu nano carbon. Ống nano carbon được tạo ra bởi các nguyên tử carbon, các nguyên tử carbon này liên kết hóa trị với nhau bằng lai hoá sp2 , các ống cacbon dài, hình trụ mỏng, đây là những cấu trúc đại phân tử, kích thước vô cùng nhỏ, hình dạng và tính chất vật lý rất đa dạng. Chúng có thể được xem như một tấm than chì (một mạng hình lục giác carbon) cuộn lại thành một hình trụ. Ống nano carbon được xem như những vật liệu nano đầu tiên con người tạo được, có nhiều ứng dụng quan trọng trong những lĩnh vực cơ khí, điện tử, năng lượng, y học và cũng là vật liệu nền cho các vật liệu composite sau này. Hình 1.1: Kết cấu của ống nano carbon đơn vách 1
16. Ống nano carbon gồm có 2 loại: ống nano carbon đơn vách - SWNT và ống nano carbon đa vách – MWNT. 1.1.1.1 Ống nano carbon đơn vách: Cấu trúc của ống nano carbon đơn vách (SWNT) được tạo thành bằng cách cuộn một tấm graphite lại thành một ống như hình 1.1, độ dài mỗi ống nano cacbon khoảng 0,2 – 5 µm. Phần lớn các ống nano đơn vách (SWNT) có đường kính ống khoảng 1 – 2 nm, với độ dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần như vậy. Cấu trúc của một SWNT có thể được hình dung là cuộn một lớp than chì (graphite) độ dày một nguyên tử thành một hình trụ liền. Cách mà tấm graphite được cuộn như vậy được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n,m) gọi là vector chiral. Các số nguyên n và m là số của các vector đơn vị dọc theo hai hướng trong lưới tinh Hình 1.2: Bằng cách cuộn 1 tấm graphite theo những cách khác nhau, được 3 lọai CNTs: zigzag(n,0), armchair(m,m), và chiral(n,m) với n>m>0 thể hình tổ ong của graphene. Nếu m=0, ống nano được gọi là "zigzag". Nếu n=m, ống nano được gọi là "armchair". Nếu không, chúng được gọi là "chiral" (hình 1.2) Ống nano carbon đơn vách là loại ống nano carbon cực kì quan trọng bởi chúng thể hiện các tính chất điện quan trọng mà không một ống nano carbon đa 2
17. vách nào có được. Các ống nano carbon đơn vách là đối tượng ưu tiên trong việc thu nhỏ kích thước sản phẩm ngành cơ điện từ cỡ micro hiện nay xuống còn nano. Sản phẩm căn bản của ngành này là dây điện, mà SWNT lại dẫn điện rất tốt. Một ứng dụng hữu ích khác của SWNT là trong việc phát triển các transitor cảm ứng (FET-field effect transitor) nội phân tử. Ngoài những ưu điểm trên thì ống nano carbon đơn vách cũng có không ít các nhược điểm : chi phí sản xuất cao và việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn là rất cần thiết cho tương lai của công nghệ nano. 1.1.1.2 Ống nano carbon đa vách: Ống nano carbon đa vách là tập hợp các ống nano carbon đơn vách, gồm nhiều lớp graphite cuộn lên nhau để tạo thành ống (hình 1.3). Cấu trúc ống cũng có thể chuyển biến dễ dàng tùy vào điều kiện chế tạo. Có thể mô tả cấu trúc MWNT (a) (b) Hình 1.3: Kết cấu của ống nanocarbon đa vách a) Russian doll b) Parchment theo 2 kiểu: Russian doll gồm những tấm graphite được xếp theo hình trụ đồng tâm (hình 1.3a); Parchment được mô tả như 1 tấm graphite đơn được cuộn quanh chính nó (hình 1.3b) tương tự như 1 tờ báo được cuộn lại. 3
18. 1.1.1.3 Đặc tính cơ học của CNT:  Tính chất cơ: CNT được xem là vật liệu bền nhất và cứng nhất xét về phương diện độ bền kéo và modul đàn hồi. Độ bền của ống có dược là do liên kết cộng hóa trị tạo thành lai hóa sp2 giữa các nguyên tử carbon và cấu trúc mạng lục giác. Khi chịu ứng suất kéo quá mức, ống CNT bị biến dạng. CNT ít chịu bền nén, bởi vì cấu trúc rỗng và hệ số co cao, nên nó thường có xu hướng bị ngoằn uốn khi chịu ứng xuất nén, xoắn hay uốn. Vật liệu Modul đàn hồi Độ bền kéo Khối lượng riêng (GPa) (GPa) (g/cm3) SWNTs 1054 150 1.4 Thép 0.4 0.4 7.8 Bảng 1.1: Thông số cơ tính của ống CNT đơn lớp và thép [1] Trong bảng số liệu trên, ống CNT đơn lớp so với thép có modul đàn hồi gấp 5 lần so với thép và độ bền kéo gấp khoảng 375 lần. Khối lượng riêng của CNT nhẹ hơn gần 6 lần so với thép. Từ bảng thông số này cho ta thấy CNT có đặc tính cơ học tốt, có độ bền cao và khối lượng riêng nhỏ.  Tính chất điện: Do tính chất đối xứng và cấu trúc điện tử độc nhất của graphite mà cấu trúc của ống nano chịu ảnh hưởng bởi tính chất điện của chính nó. Độ dẫn điện của nó thay đổi tùy vào cấu trúc và kích thước của ống nano carbon, tức là tùy vào cách cuộn tấm graphite với cặp chỉ số (n,m) khác nhau ta sẽ được độ dẫn điện của nó là bán dẫn hay kim loại. Chẳng hạn như, với m=n ta có CNTs cuộn lại theo kiểu armchair thì nó mang tính chất dẫn điện của kim loại. Theo lý thuyết, khi ống nano dẫn điện, cường độ đòng điện qua ống có thể đạt 4 x 109 A/cm2 , như vậy dòng điện đi qua ống nano carbon lớn hơn dòng điện qua đồng 1000 lần [2].  Tính chất nhiệt: 4
19. Tất cả các ống nano carbon đều dẫn nhiệt tốt theo phương dọc trục. Ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt của CNT khoảng 3 x 104 W/m.K và nó đạt giá trị cao nhất khi ở 100K là bằng 4 x 104 W/m.K [3]. Nhiệt độ ổn định của ống nano carbon đạt khoảng 2800oC trong chân không và 750oC trong không khí. Chính vì khả năng này mà CNT đã được sử dụng cho việc dùng làm tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất cao [4]. Dựa trên các tính chất trên của ống CNT, ta thấy việc hoạt động nghiên cứu dành cho việc phát triển các kết cấu nano carbon và những ứng dụng của nó là rất nhiều. Điều này là do sự kết hợp những thuộc tính cơ học và cấu trúc đặc biệt dựa trên nền tảng của cấu trúc nano carbon. Ống nano carbon là vật liệu rất nhẹ, có kích thước nhỏ, mật độ thấp, độ cứng cao, độ bền cao. CNT có độ bền chính là kết quả của các liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các nguyên tử carbon. CNT gần như không chịu nén do cấu trúc của chúng rỗng. Như vậy, dựa trên các thuộc tính của cấu trúc nano carbon thì CNT đã được đưa vào tính toán cho nhiều loại ứng dụng khác nhau như là gia cố vật liệu, lĩnh vực hiển thị sự phóng xạ, cảm biến hóa học, cảm biến sinh học, lĩnh vực y học và đặc biệt là dùng trong các thiết bị cơ điện ở thang nano (Nanoelectromechanical system - NEMS) [5]. Ống nano carbon là một vật liệu lý tưởng phù hợp dùng để thiết kế các hệ NEMS ví dụ như một bộ nhớ CNT dựa trên sự không biến đổi dữ liệu ngẫu nhiên (NRAM phát triển bởi Nantero Inc.) [6], những động cơ quay [7] và những dao động điều chỉnh được được báo cáo bởi Sazonova et al. [8]. Ngoài ra, một vài thí nghiệm đáng chú ý như việc phát hiện khối lượng CNT dựa trên sự cộng hưởng đã được thực hiện. Ví dụ như trong bài báo của Chiu et al.[9] cũng đã có bài báo về một ngàm đôi CNT cộng hưởng cho phép phát hiện các nguyên tử với độ nhạy khối lượng thậm chí lên đến khối lượng của một nguyên tử. Tương tự thì Jensen et al. [10] cũng đã có bài báo về việc phát hiện khối lượng nguyên tử khi dùng một dầm CNT cộng hưởng tốt hơn ngàm đôi CNT cộng hưởng (hình 1.4). Việc dò tìm khối lượng khi dùng thiết bị cộng hưởng từ CNT vẫn rất hiếm khi nghiên cứu về số lượng, ngoại trừ một nghiên cứu bởi Li et el. [11], trong 5
20. khi một nghiên cứu [11] chỉ tập trung vào sự dao động điều hòa của một thiết bị cộng hưởng từ CNT. Mặc dù CNT là một cấu trúc nano bao gồm các cấu trúc nguyên tử rời rạc ( ví dụ như độ dày của một lớp đơn nguyên tử), CNT có thể được mô hình hóa như một cấu trúc liên tục vì khả năng biến dạng uốn của nó. Do đó nó có tính ưu việt như những mô hình liên tục tương đương ( Hình 1.5), nó có thể tính toán một cách thuận lợi khi so sánh với các mô phỏng theo thuyết nguyên tử, rất hữu ích trong việc phân tích và tiên đoán ứng xử cơ học của CNT . Đặc biệt, khi mô hình hóa CNT thì nó được xem như là một dạng của mô hình liên tục như là giàn [12-13], giầm [14], vỏ mỏng [15- 19] hoặc là khối trụ [14, 20-21], ở đó các thuộc tính và kích thước hình học cũng chịu ảnh hưởng (như bề dày của ống h, modul đàn hồi E và hệ số poisson v) của mô hình liên tục CNT được xác định bởi mô hình hóa. Hình 1.4: Tần số cộng hưởng của ống nano ( trục y bên trái) và sự thay đổi khối lượng hấp thụ ( trục y bên phải) so với thời gian trong suốt quá trình bay hơi của vàng. Sự thay đổi tần số cộng hưởng giảm khi van được mở (vùng màu trắng) và vẫn không đổi khi van được đóng và ngăn chặn các nguyên tử vàng ( vùng bóng mờ). Sự thay đổi tần số trong lần mở đầu tiên chỉ 51 nguyên tử vàng được hấp thụ vào ống nano. Hình được sao chép với sự cho phép từ Ref [10]. Bản quyền Nature Publishing Group, 2008 6
21. Hình 1.5: Ống nano carbon đơn vách và mô hình đàn hồi liên tục [22]. 1.1.2 Nanowires: Nanowire (dây nano) là một cấu trúc ở thang nano, có hình dạng như sợi dây và rất mỏng (hình 1.6), đường kính của dây khoảng vài nanomet hay nhỏ hơn. Nanowire là một trong những vật liệu nano có thuộc tính một chiều rất đặc biệt mà các thuộc tính đó có được chủ yếu được cấu thành từ các thành phần hóa học và có cấu trúc không đẳng hướng, với tỉ số xếp chặt rất cao. Chính nhờ các thuộc tính đặc biệt này mà nó có khả năng ứng dụng cũng như phát triển vào các thiết bị điện tử về sau, linh kiện quang điện tử và các thiết bị cảm biến. Ví dụ như nanowire đã được sử dụng trong việc phát triển hệ thống cơ điện nano, đặc biệt là cộng hưởng cơ học ở thang nano có thể được áp dụng để phát hiện khối lượng. Trong số các dây nano (gồm dây nano kim loại và dây nano bán dẫn), silicon nanowire (SiNW) có nhiều tính chất đặc biệt có khả năng ứng dụng vào các thiết bị quang điện, sensor, [23] Mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp Si-NWs và đã thu được những kết quả khả quan nhưng để đi đến việc ứng dụng chúng vào các thiết bị quang điện với hiệu năng cao thì vẫn còn là một khoảng cách dài. Silicon nanowire là đối tượng đầu tiên được chọn cho sự phát triển của hệ NEMS, đặc biệt là thiết bị cộng hưởng ở thang nano. Điều này thực tế là silicon được sử dụng rộng rãi ở các tài liệu trong ngành công nghiệp vi điện tử, tức là các thiết bị có kích thước nano silicon có thể dễ dàng phát triển dựa trên công nghệ chế tạo hiện có áp dụng đối với silicon. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4