Chế Tạo và Tổng Hợp Vật Liệu Nano

Giống như một nhà điêu khắc tạc một bức tượng từ một khối đá lớn, phương pháp "top-down" (từ trên xuống) bắt đầu với một vật liệu lớn và sử dụng các công cụ để loại bỏ vật liệu, tạo ra cấu trúc nano mong muốn. Quang khắc là một ví dụ điển hình.

Ngược lại với top-down, phương pháp "bottom-up" (từ dưới lên) giống như xây một ngôi nhà từ những viên gạch riêng lẻ. Nó bắt đầu với các nguyên tử hoặc phân tử và sắp xếp chúng lại với nhau để tạo thành cấu trúc nano. Tự lắp ráp phân tử là một ví dụ.

Đây là kỹ thuật chủ chốt trong sản xuất vi mạch. Một lớp vật liệu nhạy sáng (cản quang) được phủ lên bề mặt wafer silicon. Ánh sáng (thường là tia cực tím) được chiếu qua một "mặt nạ" có hoa văn, làm thay đổi tính chất hóa học của lớp cản quang ở những vùng tiếp xúc. Sau đó, các hóa chất sẽ loại bỏ phần cản quang đã bị chiếu sáng (hoặc không bị chiếu sáng), để lộ ra phần wafer bên dưới để xử lý tiếp.

Đây là một quá trình tự nhiên trong đó các phân tử tự sắp xếp thành các cấu trúc có trật tự mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Các nhà khoa học khai thác quá trình này để tạo ra các vật liệu nano phức tạp một cách hiệu quả.

Phương pháp bottom-up thường ít lãng phí vật liệu hơn, có thể tạo ra các cấu trúc nhỏ hơn và phức tạp hơn, và thường tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các phương pháp top-down.

Phương pháp top-down thường đòi hỏi các thiết bị đắt tiền, có thể gây ra các khuyết tật trên bề mặt vật liệu và khó có thể tạo ra các cấu trúc dưới 10 nanomet một cách hiệu quả.

Lắng đọng hơi hóa học (Chemical Vapor Deposition - CVD) là một phương pháp bottom-up. Trong đó, các tiền chất ở thể khí phản ứng hoặc phân hủy trên bề mặt của một đế, tạo thành một lớp màng mỏng vật liệu rắn.

Một phương pháp bottom-up phổ biến là khử hóa học. Bắt đầu với một dung dịch muối vàng (ví dụ: axit chloroauric), sau đó thêm một chất khử (ví dụ: natri citrat). Chất khử sẽ chuyển các ion vàng (Au3+) thành các nguyên tử vàng trung hòa (Au), các nguyên tử này sau đó sẽ kết tụ lại với nhau để tạo thành các hạt nano.

Sol-gel là một phương pháp hóa học ướt (bottom-up) được sử dụng để sản xuất các vật liệu rắn từ các phân tử nhỏ. Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi một "sol" (hệ keo của các hạt rắn trong chất lỏng) thành một "gel" (mạng lưới rắn ba chiều chứa đầy dung môi).

Bởi vì các đặc tính của vật liệu nano (quang, điện, từ) phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng. Việc kiểm soát chính xác các yếu tố này là chìa khóa để tạo ra các thiết bị và ứng dụng có chức năng mong muốn.