Nghiên cứu về chất bán dẫn graphene

Graphene là một dạng hình thù của cacbon. Nó có rất nhiều ưu điểm như mỏng, nhỏ,nhẹ và đặc biệt độ bền cao. Đây là loại vật liệu bền hơn cả kim cương, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Đây là một loại vật liệu ứng dụng của tương lai và đang được những nhà công nghệ hàng đầu nghiên cứu và chế tạo. Tìm hiểu về graphene giúp bạn có một hiểu biết tốt hơn về vật liệu bán dẫn này.

CHỦ ĐỀ: CHẤT BÁN DẪN GRAPHENE

1 Khái niệm chất bán dẫn

2.Khái niệm chất bán dẫn grapheme

Graphen là một mảng cacbon có độ dày một nguyên tử - loại vật liệu mỏng

nhất được biết và chắc chắn nhất từng tồn tại trong vũ trụ Nó bền hơn thép 200

lần và có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần

Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của

các nguyên tử cacbon với liên kêt với sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong Tên

gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố en" (tiếng Anh là

"-ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại

Chiều dài liên kết cácbon-cácbon trong graphen khoảng 0,142 nm

Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống

nanô cácbonvà fulleren Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn, mà trong

trường hợp giới hạn của họ các hidrô cácbon đa vòng phẳng gọi là graphen

Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, do cùng

một nguyên liệu chính là các phân tử cacbon Về cơ bản Graphenecó cấu trúc

2D Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các phiến graphene có đường kính 25

µm và dày chỉ 1nm

III TÍNH CHẤT CỦA GRAPHEN

1 Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu

Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông

thường và bằng 1/200000 sợi tóc và mắt người không thể nhìn thấy màng

graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này

Dưới kính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon có màu

vàng, 30- 40 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có màu hồng và graphene thì mang màu

hồng rất nhạt, một màng Graphene trong suốt chỉ dày một nguyên tử

2 Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt

Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở

nhiệt độ bình thường

Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần Hơn nữa, các

electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt Bản thân

graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh

3 Độ bền của Graphene

Sức bền nội tại của chất là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khôi

(hoặc không có khiếm khuyết) có thể chịu được ngay trước khi tất cả các

nguyên tử trong một tiết diện cho trước bị kéo ra khỏi nhau đồng thời Về cơ

bản thì mọi chất liệu đều chứa những khiếm khuyết, như các vết nứt hay xước

vi mô, chúng yếu hơn chất liệu xung quanh Ấn lõm màng graphene bằng một

kính hiển vi lực nguyên tử với đầu nhọn kim cương có bán kính khoảng 20 nm

Chọn đầu nhọn kim cương vì các đầu nhọn silicon bình thường sẽ gãy trước khi

graphene vỡ

Phản ứng lực dịch chuyển của các màng graphene đơn lớp cho phép xác định

tính chất đàn hồi của màng graphene Lực mà tại đó màng bị vỡ và phân bố

thống kê của lực phá vỡ của nhiều màng cho phép tính được sức bền nội tại của

graphene Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ Kết quả cho

thấy sức bền nội tại của graphene có thể xem là một “giới hạn trên” cho sức bền

của vật liệu – giống như kim cương là chất cứng nhất Kết quả cho thấy

Graphene bền hơn thép 200 lần Một sợi dây thép dài 28km sẽ tự đứt nếu nó

được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi dây graphene chỉ đứt

trong điều kiện tương tự ở độ dài trên 1.000km Trong giới khoa học, hiện có

người đang tính chuyện làm một chiếc “thang máy” bằng chất liệu graphene nối

liền trái đất với vệ tinh

4 Graphene cứng hơn cả kim cương

Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường Độ cứng

của graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với các họ chất liệu khác Đây là nhờ các

liên kết cacbon- cacbon trong graphene cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm

khuyết nào trong phần căng cao độ nhất của màng graphene

Hiện nay, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã đo được độ cứng thực chất của

graphene, và họ khẳng định rằng đây là loại vật liệu cứng nhất từng được kiểm

tra Jeffrey Kysar và James Hone, Giáo sư cơ khí thuộc Đại học Columbia, đã

kiểm nghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử bằng cách đo lực tác dụng

để bẻ gãy loại vật liệu này Họ đục các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet tạo thành

tấm silic, đặt một mẫu graphene hoàn thiện trên mỗi lỗ hổng đó và sau đó làm

lõm graphene bằng một đầu dò bằng kim cương Biện pháp đo như vậy trước

đây chưa từng được thực hiện vì chúng phải được thực hiện trên các mẫu

graphene chuẩn, không có lỗi hay bị thiếu nguyên tử

Hone so sánh thử nghiệm của ông khi kéo căng một miếng giấy nilon bọc thức

ăn lên trên miệng của tách uống cà phê và đo lực tác động để làm thủng miếng

nilon này bằng một chiếc bút chì Ông cho biết, nếu ông có thể có một miếng

graphene đủ rộng để đặt lên miệng tách uống cà phê, graphene sẽ đủ cứng để

chịu được sức nặng của một chiếc ô tô tương ứng với ngòi bút chì Tuy nhiên,

biện pháp đo này vẫn chưa thể hiện được các thuộc tính đáng chú ý khác của

graphene

5 Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua

Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không

cho chúng lọt qua Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với

những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng

che phủ thiết bị điện tử Chỉ với một lượng rất nhỏ, graphene cũng có một khả

năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc Các nhà khoa học đã phát triển thành công

khoang cầu mỏng nhất thế giới có lớp màng không cho bất kỳ phân tử nhỏ nhất

nào của không khí lọt qua, kể cả hê-li

6 Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng

Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay

cuộn lại Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphene dễ chế tạo và dễ

thay đổi hơn ống nano; vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo

các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn Các nhà Vật Lý đã bắt

đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thử

nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường

7 Hiệu ứng Hall lượng tử trong Graphene

Hiệu ứng lượng tử Hall thường chỉ được thấy ở nhiệt độ rất thấp trong các

bán dẫn, nhưng nó lại xuất hiện trong graphene ở nhiệt độ phòng Theo nguyên

tắc vật lý, vật liệu mới này không thể tồn tại ổn định và rất dễ bị hủy hoại bởi

nhiệt độ, sở dĩ loại màng này có thể tồn tại ổn định là do chúng không ở trạng

thái tĩnh mà rung động nhẹ theo dạng sóng.Hiệu ứng Hall lượng tử trong lớp

kép Graphene (gồm hai màng Graphene chồng lên nhau) có những khác biệt

riêng Sự khác biệt này là do electron- lỗ trống suy biến và biến mất khối lượng

khi gần điểm trung hòa điện tích Hình 1 sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử ứng với

điện dẫn xuất Hall σxy = 4 (hình bậc thang màu đỏ), trong điều kiện B= 14T,

T=4K của lớp kép Graphene Hiệu ứng Hall lượng tử phụ thuộc vào độ đồng

nhất, mức độ pha tạp của chất Hiệu ứng Hall lượng tử đối với lớp kép

Graphene bị pha tạp và nguyên chất khác nhau khi ở cùng một nhiệt độ, cùng

một từ trường ngoài Với σxy = 4 , khi B= 12T, T= 4K ta thu được đồ thị như

hình 2 Đường bậc thanh màu xanh là hiệu ứng Hall lượng tử đối với màng

Graphene không đồng nhất mà bị pha tạp, tại σxy=0 đồ thị là đường gạch ngang

ứng với nhiều giá trị của Vg (điện trường ngoài) Đường bậc thang màu đỏ biểu

diễn hiệu ứng Hall lượng tử với màng Graphene đồng nhất không bị pha tạp, khi

thì σxy=0 trên đồ thị chỉ có một giá trị của Vg =0 Vậy để thay đổi hiệu ứng Hall

lượng tử trong lớp kép Graphene thì ta có thể pha tạp hóa học vào lớp kép

nguyên chất và dịch chuyển điểm trung hòa đến Vg cao để khe vùng năng

lượng không đối xứng có thể mở bằng điện trường ngoài

Hiệu ứng Hall lượng tử còn phụ thuộc vào nhiệt độ ta tiến hành khảo sát

Với những nhiệt độ khác nhau thì ta sẽ có hình dạng đồ thị giống nhau nhưng

ứng với cùng một giá trị của điện dẫn xuất Hall thì cần một các giá trị của điện

trường ngoài khác nhau Nhưng tất cả sẽ đi qua điểm trung hòa điện (điểm ứng

với σxy=0)

Hình 1: Hình 2 Hình 3:

8 Chuyển động của điện tử trong Graphene

Graphene tổng hợp được có tính chất rất đặc biệt Chuyển động của các

electron rất nhanh, electron dường như không có khối lượng và chuyển động

gần bằng vận tốc ánh sáng Electron trong Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần

electron trong silicon Chuyển động của electron không tuân theo phương trình

Schodinger mà tuân theo phương trình Dirac cho các hạt không có khối lượng

như neutrino Hạt này mang đầy đủ các tính chất của hạt Dirac Hạt Dirac được

mệnh danh là các hạt ma vì những biểu hiện kỳ dị của nó Một trong nhưng cái

ma quái là hạt Dirac có thể trong trường hợp nào đó sẽ dịch chuyển ngược chiều

tác dụng của điện trường, ngược chiều tác dụng của lực

Đối với graphene, các nguyên tử dao động tại nhiệt độ phòng tạo ra một điện trở

suất vào khoảng 1.0 micro Ohm-cm Điện trở suất của graphene nhỏ hơn điện

trở suất của đồng đến 35% và là điện trở suất thấp nhất được biết đến tại nhiệt

độ phòng Điều này được giải thích như sau: trong các mẫu graphene được chế

tạo không được sạch đã làm tăng điện trở suất của graphene Do đó điện trở suất

trung bình của graphene không nhỏ bằng điện trở suất của đồng tại nhiệt độ

phòng Tuy nhiên graphene lại có rất ít electron so với đồng, do đó trong

graphene dòng điện được vận chuyển bởi một số ít electron có vận tốc nhanh

hơn nhiều lần so với các electron của đồng

Đối với các vật liệu bán dẫn, tiêu chuẩn về tính linh động được sử dụng

để xác định các electron chuyển động nhanh ở mức nào Giới hạn tính linh động

của electron trong graphene được xác định nhờ dao động nhiệt của nguyên tử và

giá trị này vào khoảng 200.000 cm2/Vs tại nhiệt độ phòng Trong khi ở silicon

là 1.400 cm2/Vs, ở indium antimonide là 77.000 cm2/Vs Electron của graphene

có độ linh động cao nhất so với các chất bán dẫn thông thường Các nhà khoa

học đã chứng minh rằng mặc dù giới hạn tính linh động của graphene ở nhiệt độ

phòng cao ở mức 200.000 cm2/Vs, các mẫu vật hiện nay có tính linh động nhỏ

hơn – vào khoảng 10.000 cm2/Vs và cần phải nỗ lực cải tiến rất nhiều Do

graphene có cấu tạo chỉ với một lớp nguyên tử, các mẫu vật hiện nay phải được

đặt trong chất nền là silicon đioxit Điện tích bị giữ trong chất nền silicon đioxit

có thể ảnh hưởng đến các electron trong graphene làm giảm tính linh động Dao

động của các nguyên tử silicon đioxit bản thân chúng cũng đã có thể có ảnh

hưởng đến graphene thậm chí còn lớn hơn ảnh hưởng từ dao động nguyên tử

của chính nó Nhưng vì các phonon trong bản thân graphene lại không hề có tác

dụng trong việc phân tán electron, do đó hiệu quả này trở nên rất quan trọng

trong graphene

IV PHÂN LOẠI GRAPHENE

1 Graphene đơn

Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cácbon, có độ lưu động

của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất khiến cho nó là vật

liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano Nhưng chúng

có nhược đi ểm, đó là không có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng

graphene trong lĩnh vực điện tử Vì không có khe vùng nên màng đơn

lớp Graphene không được xem là chất bán dẫn Nếu có khe vùng, các nhà khoa

học có thể chế tạo ra các transistor hiệu ứng trường bằng graphenerất hiệu

quả

2 Graphene kép

Gồm 2 lá graphene đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích

thước 2 lớp nguyên tử

- Trường hợp đối xứng

Các nguyên tử cacbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân

cách giữa hai lớp

- Trường hợp không đối xứng

Các nguyên tử cacbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân

cách giữa hai lớp

Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có

khe vùng năng lượng Đặc biệt loại graphene này có độ rộng vùng cấm thay đổi

Graphene đơn lớp có độ lưu động của electron phi thường và có các

đặc điểm lạ kỳ khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và

quang lượng tử cỡ nano Nhưng nó có nhược điểm đó là không có khe

vùng (tức độ rộng vùng cấm), làm hạn chế việc sử dụng graphene trong

lĩnh vực điện tử Nhưng lớp kép Graphene khắc phục được nhược điểm

này Độ rộng khe năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn (độ rộngvùng

cấm) có thể thay đổi một cách đơn giản bằng cách đặt một điện trường ngoài ở

nhiệt độ phòng Kết quả này do nhóm nghiên cứu của Antonio Castro (Đại học

Boston, Hoa Kỳ) cùng với các đồng nghiệp ở Mỹ, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha

và Anh quốc vừa đưa ra trênPhysical Review Letters Đây là loại vật liệu bán

dẫn đầu tiên có độ rộng vùng cấmcó thể thay đổi Khe vùng này được kiểm

soát một cách chính xác từ 0 tới 250 mili-electron vôn

Vật liệu bán dẫn này có thể được sử dụng để tạo ra các transistor, laser và

các linh kiện khác với tính chất có thểđiều chỉnh cực kỳ dễ dàng, hơn rất nhiều

so với cácvật liệu bán dẫnnhư Si Một chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm điều

chỉnh được bằng một hiệu điện thế từ bên ngoài có thể dẫn tới việc tạo ra một

loạt các linh kiện điện tử kiểu mới, hay đáng kể nhất là các laser có bước sóng

có thể điều chỉnh với một độ chính xác tuyệt vời

Chất bán dẫn graphene này có thể được sử dụng để tạo ra một loại

transistor mới, hay các loại laser và các cảm biến phân tử mà ở đó cần sử dụng

sự thay đổi độ rộng vùng cấm để điều chỉnh tính chất Thuộc tính này

khi được kết hợp với graphene có kích thước nhỏ, độ bền cơ học cao, độ dẫn

điện, dẫn nhiệt rất tốt đã khiến cho nó trở nên hết sức hấp dẫn để thay thế các

chất bán dẫn kinh điển như Si

3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG)

Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm các lớp graphene xếp chồng lên

nhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập về mặt điện tử học

Người ta nuôi các lớp graphene từ một chất nền silicon carbide theo kiểu sao

cho mỗi lớp quay đi 30 độ so với lớp bên dưới MEG này khác với graphite ở

chỗ mỗi lớp quay đi 60 độ so với lớp bên dưới

V ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA GRAPHENE

1 Ưu điểm của chất bán dẫn Graphene

- Graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện

tại lên mức 500 đến 1000 Ghz

- Nó có nhiều tính chất ưu việt hơn các chất khác

- Graphene có nhiều ưu điểm hơn silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn

khoảng 10 lần, và điều quan trọng là những transistor tạo ra từ Graphene sẽ có

thể hoạt động tại nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử

Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa ở gigahertz, cố gắng có

thể vượt tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa - hiện nay, đến mức độ

gigahertz thì silicon không thể tăng thêm được, nhưng với graphene, tốc độ có

thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz

- Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và

bán dẫn vì nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết theo như phỏng đoán thì với kích

thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao

- Cấu trúc và sự gắn kết của graphene giúp cho nó bền vững và trong

suốt như kim cương nhưng cũng có thể tạo ra điện – điều mà kim cương không

thể làm được Chất liệu này thật lý tưởng cho các thiết bị điện

- Graphene có nhiều tính chất hấp dẫn các nhà vật lý hơn ống nano

cách đây 1 thập niên, nhưng nó dễ làm và dễ thao tác hơn, đem lại nhiều hy

vọng có thể chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế

Các nhà vật lý đã làm transistor bên ngoài graphene và dùng khảo sát hiện

tượng lượng tử trống ở nhiệt độ phòng

2 Nhược điểm của chất bán dẫn Graphene

- Sản xuất những màng graphene rất khó khăn và đắt đỏ

- Do khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng graphene trong cuộc

sống hàng ngày vẫn còn hạn chế

- Các nhà vật lý cũng cho biết khả năng nghiên cứu các tính chất

điện động lượng tử của graphene là rất sáng sủa Tuy nhiên, những tiến bộ

dường như bị giới hạn bởi chất lượng điện tử không đủ trong các cấu trúc

graphene nhân tạo Ngoài ra, chất nền của graphene và môi trường xung quanh

có xu hướng huỷ hoại tính chất điện tử của các mẫu graphene

VI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO GRAPHENE

Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhưng rất khó khăn và chi phí cao

Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra phương pháp chế tạo Graphene

đơn giản, ít tốn kém, có thể tạo ra trên diện tích lớn và có thể đưa vào sản xuất

hàng loạt trong công nghiệp Sau đây là một vài phương pháp phổ biến

1 Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi

Là phương pháp cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi (Ir)

được làm nóng trong khoảng từ 300C đến 10000C Khi tiếp xúc với bề mặt này,

những phân tử hydrocacbon giải phóng các nguyên tử H, chỉ còn những nguyên

tử C bám vào bề mặt Ir và tập trung ở đó thành những kết cấu nano Những kết

cấu nano này phát triển thành mảng graphene hoàn chỉnh

2 Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn

Đó là việc liên kết từng miếng nhỏ trên 1 mặt phẳng để tạo thành 1 dải có

dạng như 1 cuộn phim Cái đó không gọi là tổng hợp mà chỉ là cắt tấm graphene

ra thành từng mảnh rồi ráp chúng lại mà thôi Cách làm là đưa chất xúc tác vào

để diện tích lớp màng graphene có thể nở rộng Công nghệ này đáp ứng được cả

2 tiêu chí dẫn điện tốt và an toàn mà các phương pháp khác hiện nay chưa đảm

bảo được

3 Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm

Trong phương pháp này, graphite thương mại (đã được acid hoá bằng

HNO3 và H2SO4) được tách lớp ở 10000C bằng hỗn hợp khí Ar+3%H3 Sản

phẩm được phân tán trong dung dịch 1,2-dichloroethane +

poly(mphenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách

các lớp graphene Cuối cùng là ly tâm để thu sản phẩm

4 Phương pháp bóc tách

Hiện nay phương pháp bóc tách là phương pháp đơn giản sản xuất những

mẩu graphene tương đối lớn Phương này do Abhay Shukla và các cộng sự ở

trường Đại học Pierre và Marie ở Paris đề xuất Nhóm nghiên cứu vừa chứng

minh được rằng khối graphite có thể gắn kết lên trên thủy tinh borosilicate và

rồi tách ra để lại một lớp graphene trên chất nền đó

Phương pháp “bóc tách” thông dụng nhất dùng để sản xuất graphene chỉ

có ích trong việc tạo ra những nguyên mẫu dụng cụ cỡ nhỏ, nhưng phương pháp

mới khiến cho có thể áp dụng cách thức này ở một quy mô lớn hơn trong khi

vẫn giữ được chất lượng cao của mẫu

5 Gắn kết dương cực trên nền thủy tinh

Gắn kết dương cực là gắn dính một chất dẫn hoặc chất bán dẫn lên trên

một chất nền thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ sự dẫn ion của

chất nền Điều này có nghĩa là không cần đến chất kết dính nào cả Phương

pháp đó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để gắn kết

các bánh xốp silicon với thủy tinh Kĩ thuật này chưa từng được thử nghiệm trên

các chất nền phân lớp, kiểu như graphene, vì chúng không bám dính mà bị tách

ra Chỉ có lớp đầu tiên hoặc vài ba lớp nguyên tử đầu tiên gắn kết với chất nền,

còn khối chất có thể bóc tách ra Vì các mẩu được gắn kết với một chất nền thủy

tinh rắn chắc, cho nên cách này tạo ra được các mẩu diện tích bề mặt lớn hơn có

chất lượng cao theo kiểu hiệu quả và đơn giản Phương pháp cũng có thể sử

dụng cho các chất phân lớp khác

6 Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash

Khi chiếu một camera flash vào graphite oxit đủ để tạo ra graphene Quá

trình này còn có thể sử dụng để những khuôn graphene phức tạp có thể tích hợp

vào các mạch điện tử gốc cacbon nhanh và linh hoạt Một sự bùng phát ngắn

ngủi của ánh sáng có thể thực hiện phản ứng trong một mili giây Điều then chốt

đối với tiến trình là hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối một xung

năng lượng biến đổi thành nhiệt trong graphite oxit Xung năng lượng phát ra từ

camera flash này gây cảm ứng một “vụ nổ nano” trong màng graphite-oxit Sự

biến đổi xảy ra nhanh đến mức màng chất phồng lên và giãn ra đến hai bậc độ

lớn Các tấm graphite oxit xám, trong suốt, bị đen đi và nở ra, đi cùng là một

tiếng bốp to Vật liệu màu đen thu được– nó thủng kiểu tổ ong và chỉ là một

phần khối lượng riêng của graphite

7 Chế tạo graphene bằng máy xay sinh tố và than chì

Giáo sư vật lý - hóa học Jonathan Coleman đến từ trường Trinity College

Dublin và các cộng sự đã sử dụng những thiết bị thông dụng, sẵn có trên thị

trường, chẳng hạn như máy trộn cắt công suất cao và thậm chí cả máy xay sinh

tố để thử nghiệm Trước hết, họ đổ một ít bột than chì vào máy xay, cho thêm

nước, rồi cả dung dịch rửa bát và bật máy trộn tốc độ cao Họ khám phá thấy

rằng, lực cắt do công cụ quay nhanh trong dung dịch có thể đạt cường độ đủ

mạnh để tách các lớp graphene cấu tạo từ các mảnh than chì, mà không làm

hỏng cấu trúc hai chiều của chúng.

- Ngoài ra còn một vài phương pháp khác như : phương pháp chemical

exfoliation, phương pháp micromechanical cleavage, phương pháp băng

keo Scotch, ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp do khó thực

hiện và chỉ tạo ra các màng graphene nhỏ và có độ dầy cao nên ít được

sử dụng

VII ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE

1 Dây dẫn và điện cực trong suốt

Dây dẫn trong suốt là một bộ phận tích hợp của rất nhiều thiết bị điện tử, bao

gồm tivi màn hình phẳng, màn hình plasma và các màn hình cảm ứng cũng như

pin mặt trời Vật liệu chuẩn để sản xuất các dây dẫn trong suốt là oxit thiếc Indi

nhưng oxit thiếc Indi lại có rất nhiều hạn chế, chúng rất đắt tiền vừa do chi phí

sản xuất lẫn mức độ khan hiếm Indi, đồng thời oxit thiếc Indi cứng và dễ

vỡ.Trong khi ống ghép nano cacbon-graphene là một loại vật liệu thay thế cho

oxit thiếc Indi có hiệu suất cao lý tưởng trong các thiết bị điện tử có các linh

kiện rời Graphene là chất dẫn điện tuyệt vời và ống nano cacbon là những ứng

cử viên lý tưởng đối với các dây dẫn điện trong suốt vì chúng có thể dẫn điện

trong khi đòi hỏi rất ít vật liệu Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu này rất

đơn giản, rẻ tiền và tương thích với các thiết bị mềm dẻo Ống ghép nano

cacbon-graphene được sản xuất theo phương pháp này đạt được hiệu suất có thể

sánh được với các oxit thiếc Indi hiện đang được sử dụng trong các thiết bị mềm

dẻo

Ống ghép nano cacbon-graphene cũng là một thành phần cho các điện cực

trong pin mặt trời polyme Một trong những tiện ích của pin mặt trời bằng

polyme là polyme rất mềm dẻo Nhưng khi thay thế cho oxit thiếc Indi thường

bị mất hiệu suất theo độ dẻo nên không được sử dụng Ống ghép nano

cacbon-graphene vẫn duy trì được hiệu suất khi bị uốn cong và cũng có thể tương thích

với chất dẻo Tiềm năng của ống ghép nano cacbon-graphene không chỉ giới

hạn trong những cải tiến sắp xếp linh kiện mà với các nghiên cứu sâu hơn, ống

ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng tạo ra các khối kết cấu cho các linh

kiện điện tử quang học trong tương lai

2 FET graphene

Transistor hiệu ứng trường (FETs) được chế tạo bằng cách làm nóng một

bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo ra một lớp mặt gồm những nguyên tử

cacbon ở dạng graphene Các cực phát và thu song song được cho lắng lên trên

graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng Tiếp theo, cho

lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh

hưởng bất lợi đến những tính chất điện tử của nó Để làm như vậy, trước tiên ta

đặt thêm một lớp polyhydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene Sau đó, một lớp

oxit bình thường được cho lắng lên, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại

Chiều Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao hơn MOSFET

silicon tốt nhất có cùng chiều dài cổng (tần số ngưỡng là tần số mà trên đó một

transistor sẽ chịu sự suy giảm đáng kể hiệu suất của nó) Không giống như đa số

FET graphene khác, chế tạo từ những giàn graphene, dụng cụ này được chế tạo

bằng những kĩ thuật sử dụng trong công nghiệp chất bán dẫn Tuy nhiên, một

thiếu sót của những dụng cụ graphene là chúng không thể sử dụng trong các

mạch kĩ thuật số Đây là vì graphene có khe năng lượng bằng 0 giữa các

electron dẫn và electron hóa trị của nó – và chính “dải khe” này cho phép các

chất bán dẫn truyền thống chuyển mạch dòng điện từ ngắt sang đóng

Các nhà nghiên cứu IBM hiện có kế hoạch thu nhỏ transistor của họ, cải thiện

độ tinh khiết của graphene và tối ưu hóa kiến trúc của dụng cụ, và còn đang

khảo sát các phương thức tạo ra một dải khe ở transistor graphene để cho nó có

thể dùng trong những ứng dụng kĩ thuật số