Mới đây, các nhà khoa học đã công bố kết quả của nghiên cứu thực nghiệm về tác động của bức xạ ion hóa electron và proton lên các tính chất của nanowall cacbon (CNW). Các lớp CNW trên chất nền thạch anh được chiếu xạ electron 5 MeV và proton 1,8 MeV với mật độ năng lượng tích lũy lần lượt là 7 × 1013 e/cm2 và 1012 p/cm2. Người ta thấy rằng tùy thuộc vào loại bức xạ (electron hoặc proton), hình thái và các tính chất cấu trúc của CNW sẽ thay đổi như mật độ giảm và thành phần lai hóa tăng. Những thay đổi về hình thái và cấu trúc dẫn đến những thay đổi về các đặc tính điện tử, quang học và điện của vật liệu, cụ thể là thay đổi chức năng làm việc, cải thiện khả năng truyền quang, tăng điện trở bề mặt và giảm độ dẫn điện riêng của màng CNW. Điều này làm nổi bật tiềm năng của CNW như vật liệu chức năng có cấu trúc nano cho các thiết bị điện tử và quang điện tử mới có khả năng chống bức xạ hiệu suất cao.
Tiếp xúc lâu dài với bức xạ ion hóa sẽ làm hỏng và phá hủy các vật liệu bán dẫn trong các thiết bị điện tử, làm giảm tuổi thọ. Tiếp xúc với bức xạ có thể khiến các liên kết hóa học trong vật liệu bị phá vỡ, làm thay đổi các đặc điểm hình thái và cấu trúc, từ đó có thể khiến vật liệu bị phồng lên, bị ăn mòn, giảm chất lượng, nứt hoặc thay đổi các đặc tính cơ học, quang học hoặc điện tử của vật liệu. Đạt được độ ổn định cao dưới bức xạ ion hóa mạnh có tầm quan trọng lớn đối với nhiều ứng dụng, từ lò phản ứng điện hạt nhân đến điện tử cho ngành công nghiệp vũ trụ. Các vệ tinh quay quanh Trái đất phải chịu cả sự bắn phá của electron và proton. Khi các sứ mệnh không gian và thương mại ngày càng phát triển, các vật liệu điện tử chức năng được sử dụng cũng phải đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng về khả năng chống bức xạ. Hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt với các loại bức xạ ion hóa khác nhau là điều kiện tiên quyết quan trọng để thành công của các sứ mệnh đó. Trước những thách thức, các nghiên cứu sâu rộng về vật liệu chống bức xạ mới được tiến hành song song với các nỗ lực nhằm đạt được sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình do bức xạ gây ra và cách giảm thiểu chúng.
Nhiều biến đổi dị hướng khác nhau của cacbon và ứng dụng thực tế của chúng đang ngày càng thu hút sự chú ý trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử chống bức xạ. Hiện nay, các công trình thực nghiệm về chiếu xạ các cấu trúc nano cacbon tập trung vào những thay đổi cảm ứng về tính chất cơ học, điện tử và thậm chí là từ tính. Ngoài ra còn có một số nghiên cứu thực nghiệm về khả năng chống bức xạ của vật liệu nano cacbon và các thiết bị sử dụng. Các nhà khoa học đã chiếu xạ Q-cacbon bằng các ion nặng, gây ra sự dịch chuyển nguyên tử và kích thích điện tử cực độ. Các nghiên cứu về mẫu trước và sau khi chiếu xạ ion cho thấy cấu trúc nguyên tử và đặc điểm liên kết của mẫu Q-cacbon, cũng như chất nền sapphire, vẫn không thay đổi sau khi chiếu xạ với liều tích lũy là 10 dpa (dịch chuyển trên mỗi nguyên tử), tương đương với hơn 20 năm tiếp xúc với neutron trong lò phản ứng hạt nhân thông thường, cho thấy độ cứng bức xạ rất tốt. Nghiên cứu ống nano carbon cho thiết bị điện tử chống bức xạ cũng đã được tiến hành và đã chứng minh các bóng bán dẫn hiệu ứng trường ống nano carbon chịu bức xạ (CNFET) bằng cách sử dụng cả những lợi thế của CNFET do hình dạng chế tạo ở nhiệt độ thấp và các đặc tính vốn có của vật liệu ống nano carbon.
Trong 2 thập kỷ qua, một trong những biến đổi dị hướng được nghiên cứu rộng rãi của cacbon là nanowall cacbon (CNW). CNW là mạng lưới ba chiều với các cạnh mở được kết nối bằng các tấm graphene nano định hướng theo chiều dọc, được sắp xếp tự do vuông góc với các chất nền và tạo thành bề mặt giống như mê cung. So với graphene cổ điển, CNW thường có diện tích bề mặt riêng lớn. Đồng thời, định hướng theo chiều dọc của các tấm graphene nhỏ, luôn có mức độ khiếm khuyết khá cao do các cạnh tinh thể. Các dạng hình thái khác nhau của CNW tùy thuộc vào sự sắp xếp của các tấm graphene, bao gồm các cấu trúc giống như cánh hoa, giống như súp lơ, mê cung hoặc bông. Do các đặc tính cấu trúc, hình thái, điện, quang và hóa học độc đáo, CNW thu hút nhiều sự chú ý hơn như một vật liệu điện tử chức năng cho pin mặt trời, điốt phát sáng, cảm biến, lớp phủ siêu kỵ nước, và siêu tụ điện, gần đây đã trở nên phổ biến hơn. Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ có một vài bài báo tập trung vào tác động của bức xạ ion hóa lên các đặc tính của CNW. Nghiên cứu tác động của chiếu xạ proton lên các đặc tính từ tính của CNW cho thấy sự tồn tại của các gradient từ trường mạnh ở một số cạnh, chỉ ra trật tự sắt từ trong CNW sau khi chiếu xạ proton. Người ta đã chứng minh rằng chiếu xạ proton có thể tạo ra các khuyết tật trong các lớp graphene, tăng cường trật tự từ tính của chúng. Do đó, xét đến phạm vi rộng các ứng dụng thực tế của CNW và nhu cầu cấp thiết về vật liệu điện tử chống bức xạ có cấu trúc nano mới, việc hiểu một cách có hệ thống về tác động của các bức xạ ion hóa khác nhau lên các đặc tính của CNW là điều cần thiết.
Hình ảnh SEM của màng CNW (a) trước, (b) sau khi chiếu xạ electron và (c) sau khi chiếu xạ proton. (d) Sự thay đổi về mật độ và diện tích tương đối của CNW trước và sau quá trình chiếu xạ
Phương pháp tiếp cận tích hợp đã được áp dụng để nghiên cứu các tính chất của CNW và tác động của xử lý chiếu xạ electron và proton. Hình thái của CNW trải qua một sự thay đổi đáng kể, đặc biệt là mật độ thành giảm sau khi chiếu xạ. Các phân tích Raman và XPS cho thấy thành phần lai hóa sp2 tăng lên trong các màng CNW sau khi chiếu xạ. Những thay đổi về cấu trúc và hình thái trong các màng CNW sau khi chiếu xạ dẫn đến sự thay đổi trong hàm công của vật liệu. Phân tích dữ liệu UPS cho thấy giá trị của hàm công của màng CNW đã chuẩn bị là −4,8 eV; sau khi chiếu xạ electron, giá trị này dịch chuyển thành −4,76 eV và sau khi chiếu xạ proton, hàm công giảm xuống −4,29 eV. Các phương pháp xử lý chiếu xạ cũng dẫn đến những thay đổi về tính chất quang học và điện của CNW. Xu hướng cải thiện khả năng truyền quang, tăng điện trở bề mặt và giảm độ dẫn điện riêng của màng CNW sau khi xử lý chiếu xạ có liên quan đến việc giảm độ dày màng và mật độ CNW. Các kết quả thu được cho thấy rõ ràng sự thay đổi phức tạp về tính chất của CNW sau khi chiếu xạ bằng các electron và proton năng lượng cao. Tuy nhiên, sự thay đổi này không đáng kể và bản thân CNW vẫn tồn tại trên các chất nền và vẫn hoạt động như một vật liệu quang điện tử sau các quá trình chiếu xạ.
Từ khóa: chiếu xạ;
– CMD –
