Bài giảng cấu trúc graphen

Cũng như than đá và kim cương, fullerene và than chì đã hiện hữu xung quanh ta từ ngàn xưa. Trong dòng họ carbon, kim cương và than chì là vật liệu có dạng 3 chiều, ống than nano có dạng 1 chiều và quả cầu fullerene có dạng zero chiều. Theo sự suy nghĩ lôgic, phải có sự tồn tại của vật thể carbon 2 chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn bộ dạng thể carbon từ zero đến 3 chiều. Than chì là tập hợp của những lớp graphene . Những lớp này giống như mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi những liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một lực tác động từ ngoài.

1 Giới thiệu chung  Cũng than đá kim cương, fullerene than chì hữu xung quanh ta từ ngàn xưa Trong dòng họ carbon, kim cương than chì vật liệu có dạng chiều, ống than nano có dạng chiều cầu fullerene có dạng zero chiều Theo suy nghĩ lơgic, phải có tồn vật thể carbon chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn dạng thể carbon từ zero đến chiều Than chì tập hợp lớp graphene Những lớp giống mạng lưới hình tổ ong nối với liên kết yếu khiến cho trượt lên tách có lực tác động từ ngồi  Trong thời gian gần đây, tiếp nối bóng C60 và ống than nano, đời graphene thuộc dòng họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học niềm kích động các doanh nghiệp niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến tương lai Năm 2010, Andre Geim Konstantin Novoselov đoạt giải Nobel Vật lý cho cơng trình graphene làm cho cao trào nghiên cứu graphene thêm sôi động  Graphene vật liệu suốt dẫn điện đặc biệt, khác so với vật liệu nghiên cứu trước Chất liệu có số tính chất độc vô nhị Với bề dày mức độ nguyên tử, có độ truyền qua cao kết hợp với độ dẫn điện tốt, định hướng nghiên cứu hoàn toàn so với khuynh hướng nghiên cứu cũ oxide kim loại có độ rộng vùng cấm lớn pha tạp  Con người dùng bút chì có vài trăm năm khơng nghĩ động tác viết lên giấy dùng sức để phá vỡ liên kết lớp graphene Những đường viết bám giấy chẳng qua tập hợp lớp bong than chì chứa vài trăm, vài mươi lớp graphene lẩn vào mảnh graphene mỏng vài lớp Hình 1: (a) Than chì lõi bút chì (b) Than chì tập hợp mặt phẳng graphene hình lục giác Trong mặt phẳng liên kết cộng hóa trị carbon-carbon bền mặt phẳng liên kết yếu Định nghĩa  Graphen dạng carbon chiều có cấu trúc lục giác, dày bằng một lớp nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong Chiều dài liên kết carbon-carbon graphen khoảng 0,142 nm Hình 1.Cấu trúc Graphene  Graphene khối kết cấu nhiều cấu trúc nano khác làm cacbon cacbon nanotube, fullerene, graphite 2D Graphene 0D Fullerene 1D Nanotub e 3D Graphite Những đặc trưng cấu trúc của graphen  Trong cấu trúc graphen, nguyên tử C liên kết với nguyên tử C gần nhất bằng liên kết σ, tương ứng với trạng thái lai hoá sp2 Các vân đạo p khơng tham gia vào q trình lai hóa mà xen phủ bên với hình thành nên liên kết π, liên kết khơng định xứ nên hình thành vùng π dẫn tạo nên tính chất điện khác thường graphene (hình 2) Hình 2.Các liên kết của các nguyên tử Carbon mạng Graphen  Mặc dù có đối xứng cao cấu trúc, ô lục giác graphene không chọn làm ô đơn vị, nguyên tử C liền kề khơng có vai trị tương đương Điều thể hình 3, vai trị nguyên tử Carbon lân cận mạng nguyên tử vị trí A vị trí B khơng tương đương hệ toạ độ Dercates  Tuy nhiên, cách tổng quát, xem mạng Graphene tổ hợp mạng gồm toàn nguyên tử carbon vị trí A nguyên tử vị trí B, ngun tử lân cận hoàn toàn tương đương mặt cấu trúc tính chất.Điều có nghĩa cấu trúc mạng tinh thể graphene mơ tả vector đơn vị mạng y Nguyên tử C ở vị trí A Nguyên tử C ở vị trí B Hình Một số tính chất của graphene a Tỉ trọng của graphene  Ô đơn vị lục giác của grapheme gồm hai nguyên ử carbon và có diện tích 0,052nm2 Như vậy, chúng ta có thể tính tỉ trọng của nó là 0,77mg/m2  Một cái võng giả thuyết làm bằng grapheme với diện tích 1m2 sẽ cân bằng 0,77mg Minh họa (cái võng): Airi lliste b Tính suốt quang học của graphene - Graphene suốt, hấp thụ 2,3% cường độ ánh sáng, độc lập với bước sóng vùng quang học Con số cho pa, a số cấu trúc tinh tế Như vậy, miếng graphene lơ lửng màu sắc c Sức bền của graphene  Graphene có sức bền 42N/m Thép có sức bền ngưỡng 0,25-1,2.10 9N/m2 Với màng thép giả thuyết có bề dày graphene, giá trị tương ứng với sức bền 2D 0,0840,40N/m Như vậy, graphene bền thép cứng 100 lần  Trong võng 1m2 của mắc hai cây, bạn đặt gia trọng xấp xỉ 4kg trước bị rách vỡ Như vậy, người ta chế tạo võng vơ hình từ graphene chịu sức nặng mèo mà không bị hỏng Cái võng cân nặng chưa tới mg, tương ứng với trọng lượng sợi râu mép mèo d Độ dẫn điện của graphene  Độ dẫn chất liệu 2D cho s = enm Độ linh động lí thuyết bị giới hạn đến m = 200.000 cm2V-1s-1 bởi phonon âm học mật độ hạt mang n = 1012cm-2 Điện trở 2D, gọi điện trở bình phương, 31W  Cái võng viễn tưởng 1m2 của có điện trở 31W  Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối 0,96.10-6 W-1m-1 cho graphene Giá trị có phần cao độ dẫn đồng 0,60 10-6 W-1m-1 e Độ dẫn nhiệt của graphene  Sự dẫn nhiệt graphene bị chi phối phonon đo xấp xỉ 5000 Wm-1K-1 Đồng nhiệt độ phịng có độ dẫn nhiệt 401 Wm-1K-1 Như thế, graphene dẫn nhiệt tốt đồng 10 lần f Tính chất điện-điện tử của graphen *Tính chất điện điện tử vật liệu thường đặc trưng cấu trúc vùng lượng đặc điểm trình truyền điện tử vật liệu Tính chất điện tử graphene khác với chất liệu ba chiều thơng thường Mặt Fermi đặc trưng sáu hình nón kép, thể hình Trong graphene nguyên chất, mức Fermi nằm giao điểm hình nón Ở gần mức Fermi, quan hệ khuếch tán electron lỗ trống tuyến tính Vì khối lượng hiệu dụng cho độ cong dải lượng, nên điều tương ứng với khối lượng hiệu dụng khơng *Phương trình mơ tả trạng thái kích thích graphene giống hệt phương trình Dirac cho fermion không khối lượng chuyển động tốc độ khơng đổi Vì thế, giao điểm hình nón gọi điểm Dirac Điều làm phát sinh tương tự thú vị graphene vật lí hạt bản, chúng cho lượng lên tới xấp xỉ eV, quan hệ khuếch tán bắt đầu phi tuyến Một kết quan hệ khuếch tán đặc biệt hiệu ứng Hall lượng tử trở nên bất bình thường graphene Hình 4 Ưu điểm của Graphene  Không giống các vật liệu khác sử dụng công nghiệp điện tử, graphene không là vật liệu mỏng có thể, mà cịn cứng thép gấp 10 lần dẫn điện tốt bất kỳ vật liệu nào biết nhiệt độ thường Kết là, công nghệ silic chạm tới ngưỡng giới hạn về thu nhỏ kích cỡ năm tới, graphene là vật liệu thay hồn hảo  Có hai đặc tính khiến graphene trở nên đặc biệt Thứ nhất, cấu trúc phân tử khó bị khiếm khuyết đến mức nhà nghiên cứu phải tự tạo chúng để nghiên cứu hiệu ứng Thứ hai, điện tử mang điện tích di chuyển nhanh thường hoạt động thể chúng có khối lượng nhỏ nhiều so với kim loại thường hay siêu dẫn 5 Ứng dụng Graphene xem vật liệu nhiều hứa hẹn tương lai Sau giải Nobel (2010) số báo cáo tăng vọt qua ngưỡng mười ngàn năm số đăng ký phát minh tăng theo hàm luỹ thừa Danh sách ứng dụng graphene dài, bao gồm ngành khoa học từ sinh y học đến điện tử học với áp dụng mang tính đột phá dân dụng quốc phịng  Độ linh động graphene cao khiến chất liệu hấp dẫn cho ứng dụng điện tử cao tần  Vì graphene chất dẫn suốt, nên dùng ứng dụng hình cảm ứng, phát sáng pin mặt trời  Những loại chất liệu hỗn hợp dựa graphene với sức bền lớn cịn trở nên hấp dẫn công dụng chế tạo phi thuyền máy bay  Người ta dùng graphene các transistor dùng cho công cụ điện tử vô tuyến hoạt động tần số radio MHz (106 Hz) đến GHz (109 Hz), transistor tần số radio nhân tố trung tâm điều hành công cụ vơ tuyến viễn thơng  Một đặc tính khác graphene có cường độ tác động cao với sóng terahertz Sóng terahertz nhìn xun thấu qua vải vóc, plastic bị hấp thụ kim loại hợp chất vơ nên loại sóng dùng để phát vũ khí, chất nổ dấu người hay hành lý Sự tương tác graphene sóng terahertz cho thấy tiềm dùng graphene cảm ứng terahertz chống khủng bố tương lai  Hiệu ứng Hall lượng tử graphene cịn có khả góp phần cho chuẩn điện trở cịn xác đo lường học  Graphene phân tán hay nối kết với chất polymer tạo dung dịch huyền phù cho mực in dùng để in mạch điện vi mô Mảnh graphene dùng điện cực pin lithium nhằm gia tăng tuổi thọ pin  Các thiết bị điện tử dẻo cảm biến chất khí là ứng dụng tiềm khác