Luận văn Khảo sát tính chất của chíp cảm biến làm từ Dan và dải Semiconductor Graphene phụ thuộc vào độ PH của môi trường

Nội dung tài liệu: Luận văn Khảo sát tính chất của chíp cảm biến làm từ Dan và dải Semiconductor Graphene phụ thuộc vào độ PH của môi trường

1. ĐẠI H ỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠ I H ỌC KHOA H ỌC T Ự NHIÊN --------------------- Tr ươ ng Th ị Chinh KH ẢO SÁT TÍNH CH ẤT C ỦA CHÍP C ẢM BI ẾN LÀM T Ừ DAN VÀ D ẢI SEMICONDUCTOR GRAPHENE PH Ụ THU ỘC VÀO ĐỘ pH C ỦA MÔI TR ƯỜNG LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ KHOA H ỌC Hà N ội – Năm 2013
2. ĐẠI H ỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠ I H ỌC KHOA H ỌC T Ự NHIÊN --------------------- Tr ươ ng Th ị Chinh KH ẢO SÁT TÍNH CH ẤT C ỦA CHÍP C ẢM BI ẾN LÀM T Ừ DAN VÀ D ẢI SEMICONDUCTOR GRAPHENE PH Ụ THU ỘC VÀO ĐỘ pH C ỦA MÔI TR ƯỜNG Chuyên ngành: V ật lý lý thuy ết và v ật lý toán Mã s ố: 60440103 LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ KHOA H ỌC NG ƯỜI H ƯỚNG D ẪN KHOA H ỌC GS.TSKH Nguy ễn Ái Vi ệt Hà N ội – Năm 2013 2
3. Lu ận v ăn Th ạc s ĩ Tr ươ ng Th ị Chinh Lời C ảm Ơn Tr ước tiên, em xin bày t ỏ lòng bi ết ơn sâu s ắc nh ất c ủa mình t ới GS.TSKH Nguy ễn Ái Vi ệt. Ng ười th ầy luôn nhi ệt tình c ổ v ũ độ ng viên, h ướng d ẫn và giúp đỡ em trong su ốt quá trình làm lu ận v ăn. Em xin c ảm ơn các th ầy cô giáo trong khoa V ật Lý tr ường Đạ i h ọc Khoa h ọc Tự nhiên – Đại h ọc qu ốc gia Hà N ội, đặ c bi ệt là các th ầy cô trong chuyên ngành Vật lý lý thuy ết và V ật lý toán. Các th ầy cô đã gi ảng d ạy cho em nh ững ki ến th ức quý báu trong th ời gian h ọc cao h ọc. Em c ũng xin được c ảm ơn các anh ch ị và th ầy cô phòng Sau Đại H ọc và V ăn phòng Khoa V ật lý đã t ận tình giúp đỡ t ạo điều ki ện thu ận l ợi để em có th ể hoàn thành khóa lu ận này. Cảm ơn các anh ch ị các b ạn và các em trong l ớp cao h ọc Vật lý 2011-2013 đã giúp đỡ tôi trong th ời gian qua. Lời c ảm ơn cu ối nh ưng th ật sâu s ắc này em xin g ửi t ới Cha M ẹ, ng ười đã nuôi d ưỡng con khôn l ớn và t ạo điều ki ện cho con h ọc t ập. Cám ơn s ự hy sinh, độ ng viên c ủa Cha M ẹ đã giúp con hoàn thành khóa cao h ọc đạ t k ết qu ả cao. Học viên Tr ươ ng Th ị Chinh Đại h ọc Khoa h ọc T ự nhiên – Khoa V ật lý 3
4. MỤC L ỤC Lời c ảm ơn . 1 Mục l ục .. 2 Mở đầ u ... 6 Ch ươ ng 1. T ổng quan v ề h ệ th ấp chi ều – vật li ệu nano Cacbon và Exciton . 9 1.1. V ật li ệu Cacbon ... .. 9 1.1.1. Đặc điểm và phân lo ại .. . 9 1.1.2. S ự lai hóa trong nguyên t ử Carbon ... . 13 1.2. Hi ệu ứng Exciton trong bán d ẫn 15 Ch ươ ng 2 . Semiconducto r Graphene Ribbons (SGR) .. 20 2.1. Graphene ... 20 2.2. Phân lo ại Graphene ... 20 2.3. Các ph ươ ng pháp ch ế t ạo Graphene .. 23 2.4. Các tính ch ất v ật lý c ủa Graphene , 26 2.4.1. Tính ch ất điện ... . 26 2.4.2. Các tính ch ất khác ... ... 28 2.5. Các ứng d ụng c ủa Graphene ... .. 29 2.6. Mô hình TB (Tight Binding) cho m ột l ớp đơn graphene ... 30 2.7. C ấu trúc n ăng l ượng ... ... 32 Ch ươ ng 3. DeoxyriboNucleic Acid (DNA) . 34 3.1. DeoxyriboNucleic Acid . 34 3.2. C ấu trúc hóa h ọc 34 3.3. Các tính ch ất v ật lý c ủa DNA ... . 36 Ch ươ ng 4. Chíp cảm bi ến quang h ọc SGR- DNA 38 4.1. C ảm bi ến sinh h ọc . 38 4.2. Mô hình lý thuy ết c ủa chíp c ảm bi ến SGR- DNA ... ... 39 4.3. N ăng l ượng Exciton trong Semiconductor Graphene Ribbons ... .. 41 4.4. S ự d ịch chuy ển mức n ăng l ượng Exciton c ủa Biosensor SGR-DNA trong chuy ển pha c ấu trúc DNA ... 46 Ch ươ ng 5 . Ho ạt độ ng c ủa chíp c ảm bi ến SGR-DNA ph ụ thu ộc vào độ pH của môi tr ường ... 51 5.1. Sự ph ụ thu ộc c ủa h ằng s ố điện môi của DNA vào độ pH c ủa môi tr ường 51 5.2. S ự ph ụ thu ộc c ủa n ăng l ượng Exiton vào độ pH c ủa môi tr ường . 52 Kết lu ận 56 Tài li ệu tham kh ảo ... 57 4
5. Lu ận v ăn Th ạc s ĩ Tr ươ ng Th ị Chinh Danh m ục các hình v ẽ Hình vẽ Trang Hình 1.1. C ấu trúc tinh th ể c ủa kim c ươ ng 9 Hình 1.2. C ấu trúc tinh th ể c ủa than chì (graphit)và Fullerene 10 Hình 1.3. Ống cacrbon nanotubes 12 Hình 1.4. M ạng l ưới Graphene 12 Hình 1.5. Mô hình các orbitals s,p 14 Hình 1.6. Ba hàm lai và mô hình bi ểu di ễn các hàm lai trong lai hóa sp 2 15 Hình 1.7. Mô hình trans–polyacetylene (HC=CH-)n 15 Hình 1.8. Các m ức n ăng l ượng exciton 16 Hình 1.9. Exciton FrenKel và Exciton Mott Wannier 17 Hình 1.10. Gi ản đồ h ệ s ố h ấp th ụ c ủa v ật li ệu 3D, 2D và 1D 17 Hình 1.11 . Các giá tr ị th ực nghi ệm c ủa n ăng l ượng liên k ết exciton E 0 19 tươ ng ứng v ới n ăng l ượng d ải c ấm E g của m ột s ố ch ất bán d ẫn thông d ụng. Hình 2.1. Các phân t ử fullerene C60, ống nano carbon, và graphite đều 20 hình thành t ừ các t ấm graphene Hình 2.2. Phân lo ại ZGNR và AGNR 22 Hình 2.3. C ấu trúc n ăng l ượng ứng v ới AGNR có độ r ộng N=4 ( bán d ẫn) 22 , N=5 (kim lo ại) và N=6 ( bán d ẫn). Hình 2.3. Điện tr ở su ất (d ọc) c ủa m ột m ẫu Graphene ở ba nhi ệt độ khác 23 nhau (5K l ục, 7K lam, 300 K cam) Hình 2.4. Quan sát th ực nghi ệm c ủa hi ệu ứng Hall l ượng t ử d ị th ường ở Graphene. (Trái) Độ d ẫn su ất Hall ( đỏ ) và điện tr ở su ất d ọc (l ục) là hàm 24 của m ật độ h ạt mang điện. Hình 2.5. Ph ươ ng pháp dùng l ực c ơ h ọc để tách các l ớp Graphene đơ n 25 Hình 2.6. N ăng l ượng, E, cho các tr ạng thái kích thích trong Graphene là 27 một hàm c ủa s ố sóng, k x và k y, trong các chi ều x và y. Hình 2.7. M ột ô m ạng c ủa Graphene và mô hình l ưới Graphene, Sức b ền 28 của Graphene Hình 2.8. T ấm Graphene ở tr ạng thái lai hóa sp 2 31 Đại h ọc Khoa h ọc T ự nhiên – Khoa V ật lý 5
6. Hình 2.9 . C ấu trúc x ếp ch ặt và vùng Brillouin th ứ nh ất trong m ạng đả o 31 trong g ần đúng liên k ết m ạnh v ới giá tr ị t =2.7 eV và t’ =-0.2t. Hình 2.11. C ấu trúc d ải n ăng l ượng c ủa tinh th ể bi ểu di ễn s ự ph ụ thu ộc 32 của n ăng l ượng v ới chuy ển độ ng của electron. Hình 3.1. C ấu t ạo c ủa 4 lo ại base và c ấu t ạo c ủa m ột đơn phân nucleotide 35 Hình 3.2: C ấu trúc không gian c ủa DNA 35 Hình 3.3 : Ba d ạng khác nhau c ủa phân t ử DNA 36 Hình 4.1. S ự k ết h ợp gi ữa mảnh Graphene và DNA để t ạo ra c ảm bi ến sinh 39 học. Hình 4.2. Mô hình lý thuy ết c ủa Biosensor SGR – DNA 39 Hình 4.3 . S ự bi ến thiên c ủa n ăng l ượng liên k ết exciton ở tr ạng thái c ơ b ản 45 (n=0) c ủa SGR theo h ằng s ố điện môi Hình 4.4. N ăng l ượng khe c ấm theo độ r ộng c ủa SGR. 46 Hình 4.5. S ự bi ến thiên c ủa h ằng s ố điện môi hi ệu d ụng c ủa h ệ theo độ 49 rộng v ới lo ại B-DNA ( trái) và Z-DNA(ph ải) Hình 4.6. N ăng l ượng liên k ết exciton ở tr ạng thái c ơ b ản c ủa GNR-DNA ph ụ thu ộc vào độ r ộng c ủa d ải trong hai tr ường h ợp B-DNA (trái) và Z- 49 DNA (ph ải). Hình 4.7. Độ d ịch chuy ển n ăng l ượng theo độ rông SGR khi có s ự chuy ển 50 pha c ủa DNA. Hình 5.1: S ự thay đổ i c ủa gia s ố điện môi và th ời gian tr ễ khi pH thay đổ i 51 Hình 5.2: D ữ li ệu th ực nghi ệm và hàm fit c ủa s ố gia điện môi c ủa DNA 52 ph ụ thu ộc vào pH Hình 5.3: S ự ph ụ thu ộc c ủa h ằng s ố điện môi hi ệu d ụng vào độ pH c ủa môi 53 tr ường Hình 5.4 S ự ph ụ thu ộc c ủa n ăng l ượng exicton vào độ pH c ủa môi tr ường 54 6
7. Lu ận v ăn Th ạc s ĩ Tr ươ ng Th ị Chinh Danh sách các b ảng bi ểu Bảng Trang Bảng 4.1. Bảng giá tr ị n ồng độ t ới h ạn c ủa m ột s ố lo ại ions đối v ới hai lo ại 47 DNA. Bảng 4.2. B ảng các thông s ố về độ rông (w), bán kính (r 0) và chu k ỳ cu ốn (b 0 ) 48 Bảng ký hi ệu các ch ữ vi ết t ắt TT Ch ữ vi ết t ắt Vi ết t ắt 1 DeoxyriboNucleic Acid DNA 2 Semiconductor Graphene Ribbons SGR 3 Carbon nanotube CNT 4 Graphene nanoribbons GNR 5 Zigzag Graphene Nanoribbons ZGNR 6 Amchair Graphene NaonoRibbons AGNR 7 Single-Wall Carbon Nanotubes SWNT Đại h ọc Khoa h ọc T ự nhiên – Khoa V ật lý 7
8. Mở đầ u Gần đây, Graphene đã tr ở thành m ột đề tài nghiên c ứu h ấp d ẫn. Đặ c bi ệt là sau khi hai nhà khoa học Andrei Konstantinovich Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov ( ĐH Manchester - Anh) công b ố đã tìm ra cách cô l ập thành công nh ững lá Graphene vào n ăm 2004 và được trao gi ải Nobel n ăm 2010 vì nh ững nghiên c ứu mang tính độ t phá này. Sự ra đờ i c ủa dải Graphene đã thu hút r ất nhi ều nh ững nghiên c ứu v ề lý thuy ết và th ực nghi ệm ở r ất nhi ều qu ốc gia nh ằm ứng d ụng vật li ệu này vào các l ĩnh v ực khoa h ọc công ngh ệ và đời s ống. Các nhà khoa h ọc cũng đã ch ứng minh được Graphene có nh ững đặ c tính v ượt tr ội nh ư d ẫn điện và dẫn nhi ệt c ực kì t ốt. Graphene là lo ại v ật li ệu m ỏng nh ất hi ện nay nh ưng l ại có độ bền cao h ơn c ả thép trong khi kh ối l ượng là siêu nh ỏ. S ự phát tri ển c ủa lo ại v ật li ệu này đã m ở ra nh ững h ướng đi m ới trong nghiên c ứu c ơ b ản c ũng nh ư nh ững ứng dụng trong t ươ ng lai. Ng ười ta c ũng đã d ự đoán r ằng Graphene s ẽ t ạo ra m ột cu ộc cách m ạng mang tính độ t phá trong l ĩnh v ực công ngh ệ thông tin - điện t ử - sinh h ọc - vũ tr ụ c ũng nh ư nhi ều ngành khoa h ọc khác. Ngoài ra, ta bi ết r ằng công ngh ệ sinh h ọc nano là l ĩnh v ực r ất được quan tâm hi ện nay do có nhi ều ti ềm n ăng phát tri ển và nó t ất y ếu có xu h ướng liên k ết, tích hợp v ới các ngành khác t ạo nên nh ững ngành khoa h ọc liên ngành và đa ngành ch ẳng h ạn nh ư hóa sinh và đặc bi ệt là lý sinh (Biophysics). M ột s ự trùng h ợp thú v ị là DNA và các d ải Graphene đề u có kích c ỡ nano cho nên vi ệc k ết h ợp v ới nhau được th ực hi ện m ột cách d ễ dàng và nó cho phép ứng d ụng vào ch ế t ạo nhi ều thi ết bị nano khác nhau. Tr ước đây, ng ười ta th ường s ử d ụng carbon nanotube (CNT) và đã thu được nh ững k ết qu ả r ất t ốt. Tuy nhiên, hi ện nay do nh ững ưu điểm c ủa Graphene đã khi ến ng ười ta ngh ĩ đế n m ột s ự k ết h ợp ưu vi ệt h ơn t ừ DNA và Graphene. Theo h ướng này các nhà khoa h ọc đang t ập trung nghiên c ứu nh ằm t ạo ra nhi ều nh ững ph ươ ng ti ện có tính ứng d ụng cao trong y h ọc để phòng ch ống c ũng nh ư phát hi ện và điều tr ị nh ững c ăn b ệnh nguy hi ểm. Trong đó ph ải k ể đế n vai trò đặc bi ệt quan tr ọng c ủa nh ững chíp c ảm bi ến sinh h ọc (Biosensor) được ch ế t ạo d ựa trên công ngh ệ Nano. Do đó vi ệc nghiên c ứu các tính ch ất c ủa các h ệ lý sinh nh ư vậy là r ất c ần thi ết. 8
9. Lu ận v ăn Th ạc s ĩ Tr ươ ng Th ị Chinh Trong các v ật li ệu nano hi ện nay d ải Graphene có th ể dùng để t ạo chíp c ảm bi ến quang h ọc t ươ ng t ự nh ư chip c ảm bi ến quang h ọc làm t ừ ống nano cacbon đã được đề c ập trong [5]. Deoxyribonucleic Acid (DNA) là acid nucleic có mang thông tin v ề gen, được dùng để phát tri ển và truy ền l ại cho th ế h ệ sau c ủa t ất c ả các sinh vật s ống và m ột s ố lo ại virut. Vai trò chính c ủa DNA là l ưu gi ữu thông tin di truy ền. Cùng v ới s ự phát tri ển c ủa công ngh ệ nano các tính ch ất phân t ử độ c nh ất c ủa DNA và các acid nucleic khác được s ử d ụng để t ạo nên nh ững thi ết b ị nano, các nano – sensor và nh ư v ậy DNA đã được dùng nh ư là m ột v ật li ệu c ấu trúc h ơn là ph ần t ử mang thông tin sinh h ọc. Một lo ại Graphene được nghiên c ứu một cách sâu s ắc là Semiconductor Graphene Ribbons (SGR). Khi DNA được ph ơi nhi ễm v ới các ion c ủa m ột s ố nguyên t ử Calcium, th ủy ngân và Natri DNA thay đổi hình d ạng khi ến cho c ấu trúc điện t ử c ủa SGR xáo tr ộn và chuy ển b ức x ạ hu ỳnh quang c ủa ổng nano xu ống m ức năng l ượng th ấp h ơn [5]. Trong tài li ệu này, tác gi ả đã tìm hi ểu v ề lý thuy ết ho ạt động c ủa chip c ảm bi ến SGR-DNA m ới này. Theo tài li ệu [5], tác gi ả đã ch ỉ ra s ự ph ụ thu ộc c ủa chíp c ảm bi ến sinh h ọc CNT-DNA vào điều ki ện môi tr ường: t ừ mô hình lý thuy ết c ủa biosensor và lý thuy ết v ề exicton trong ống cacbon [1] đã có th ể gi ải tích nguyên lý ho ạt độ ng c ủa lo ại chíp c ảm bi ến sinh h ọc ph ụ thu ộc vào n ồng độ cation trong dung d ịch nh ư th ế nào. Hay nói cách khác, n ếu trong c ơ th ể s ống thì nguyên lý ho ạt động c ủa chíp c ảm bi ến này ph ụ thu ộc vào n ồng độ pH. Khi SGR được bao ph ủ b ởi DNA có th ể được đưa vào t ế bào s ống để xác đị nh m ột l ượng nh ỏ các ch ất độ c h ại ở c ấp độ d ưới m ức t ế bào. Trong c ơ th ể s ống, n ồng độ pH c ủa m ỗi c ơ th ể là khác nhau, th ậm chí trong các c ơ quan khác nhau c ũng khác nhau d ẫn đế n s ự thay đổ i nguyên lý ho ạt độ ng c ủa chíp c ảm bi ến này. Vi ệc nghiên c ứu s ự ph ụ thu ộc c ủa chíp c ảm bi ến quang h ọc vào độ pH c ủa môi tr ường hay trong c ơ th ể s ống đặ c bi ệt quan tr ọng. Nh ững thay đổ i và hi ệu ứng đi kèm v ới s ự thay đổ i c ủa độ pH s ẽ giúp chúng ta đưa ra nh ững k ết lu ận quan tr ọng và ứng d ụng tr ọng y h ọc. Vì v ậy, tôi ch ọn đề tài “ Kh ảo sát tính ch ất của chíp c ảm bi ến làm t ừ DNA và d ải Semiconductor Graphene ph ụ thu ộc vào độ pH c ủa môi tr ường ” . Trong khóa lu ận, tôi t ập trung nghiên c ứu tính ch ất c ủa DNA, d ải Semiconductor Graphene; lý thuy ết ho ạt độ ng c ủa lo ại chíp c ảm bi ến Đại h ọc Khoa h ọc T ự nhiên – Khoa V ật lý 9
10. quang h ọc làm t ừ DNA và d ải Semiconductor Graphene; trên c ơ s ở đó nghiên c ứu tính ch ất c ủa chíp c ảm bi ến làm t ừ DNA và Semiconductor Graphene Ribbons ph ụ thu ộc vào độ pH c ủa môi tr ường. T ừ các k ết qu ả thu được rút ra được điều ki ện ho ạt động này và môi tr ường làm vi ệc thích h ợp c ủa chíp c ảm bi ến. Lu ận v ăn được trình bày theo b ố c ục nh ư sau: Ph ần m ở đầ u: Gi ới thi ệu nêu nh ững nh ận đị nh khái quát v ề đố i t ượng nghiên cứu và vai trò ý ngh ĩa và m ục đích c ủa đề tài. Ch ươ ng I : T ổng quanvề đế n v ật li ệu nano Cacbon và Exciton Ch ươ ng II : Nghiên c ứu c ấu trúc, tính ch ất, phân lo ại Graphene Ch ươ ng III: Nghiên c ứu c ấu trúc, tính chất của DeoxyriboNucleic Acid DNA Ch ươ ng IV : Mô hình lý thuy ết và ho ạt độ ng c ủa chíp c ảm bi ến quang h ọc làm từ Semiconductor Graphene Ribbons và DNA (SGR - DNA) Ch ươ ng V : Ho ạt độ ng c ủa chíp c ảm bi ến SGR-DNA ph ụ thu ộc vào độ pH của môi tr ường. Cu ối cùng là ph ần k ết lu ận c ũng nh ư h ướng nghiên c ứu ti ếp theo và các tài li ệu tham kh ảo. 10