Graphene pdf

Graphene 1. Một họ vật liệu mới Trongthời giangần đây,các chất liệu kếttinh hai chiều (2D)đã đượcnhận dạng vàphân tích 1 . Chấtliệu đầu tiên thuộchọ hàng mới này làgraphene, một lớp đơn nguyên tử của carbon.Chất liệu mớinày có một số tínhchất độc nhất vô nhị, khiếnnó thật hấp dẫn chocác nghiên cứucơ bản lẫn các ứng dụng trongtương lai. Các tính chất điện tử của chấtliệu 2D này dẫn tới,chẳng hạn, một hiệu ứng Hall lượng tử dị thường 2,3 . Nó là một chất dẫn điện trong suốt 4 mỏng một nguyên tử. Nó cũnggây phát sinhnhững cái tương tự với vật lí hạt cơ bản, bao gồm một kiểu chui hầmkì lạ 5,6 mà nhàvật lí người Thụy Điễn Oscar Kleinđã tiên đoán trước đây. 7 Ngoài ra, graphenecòn có mộtsố tính chất cơ và điện nổi bật. Về cơ bản, nó cứng hơnthép và rất dễ kéo căng. Độ dẫn điệnvà độ dẫn nhiệt thì rấtcao và nócó thể dùng làm mộtchất dẫn dẻo. Giải NobelVật lí 2010vinhdanh hainhà khoahọc đã có nhữngđóng gópcó tính quyết định cho sự phát triểnnày. Họ là Andre K. Geim vàKonstantinS. Novoselov,cả hai đều đang làm việctại trườngĐại học Manchester, Anh quốc. Họ đã thànhcôngtrong việc chế tạo, tinh lọc, nhận dạng vàmô tả đặc trưng graphene. 1 2. Những dạng khác nhau của carbon Ngườita có thể cho rằng carbonlà nguyên tố thú vị nhất trong bảng tuần hoàn hóahọc. Nó là cơ sở cho ADNvà mọi dạng sống trêntrái đất. Carboncóthể tồn tại ở một vài dạng khác nhau. Dạngphổ biến nhấtcủa carbonlà graphite, gồm những tấm carbon xếp chồnglên với nhauvới cấu trúc hình lục giác. Dướiáp suất cao thìkim cương hình thành, đó là một dạng siêubền củacarbon. Một dạng mới của carbonphân tử là cái gọi là fullerene 8 . Dạng thông dụng nhất,gọi là C60, gồm 60nguyên tử carbon vàtrông tựa như một quả bóng đá cấu tạo từ 20 hình lụcgiác và12 hình ngũ giác cho phépbề mặt đó tạo thànhmột quả cầu. Khám phá ra fullereneđã được trao Giải NobelHóa học năm 1996. Một dạng giả-một chiều có liên quan củacarbon, ống nanocarbon, đã được biết tới trong vài thậpniên qua 9 và các ống nano đơn thành xuất hiện từ năm 1993 10,11 . Nhữngống này có thể hìnhthànhtừ những tấmgraphene cuộn lại, và hai đầu của chúng códạng nửa cầugiống như fullerene. Cáctính chất cơ vàđiện tử của các ốngnano kim loại đơn thànhcó nhiều cái tươngđồng vớigraphene. Ngườita đã biết rõ rằnggraphite gồm những tấm carbon hình lục giác xếp chồng lên nhau,nhưng họ lại tin rằng một tấm đơn lẻ như vậy không thể nào chế tạo được ở dạng tách rời. Vì thế, thậtbất ngờ đối với cộng đồng vật lí học khivào năm 2004,Konstantin Novoselov, Andre Geim cùng các cộngsự của họ 1 cho biết rằng mộtlớp đơnnhư vậycó thể tách rời ra được và nó còn bền nữa. Lớp đơn carbonđó là cái chúngta gọi làgraphene. Hình 1.Các phân tử fullerene C60,ống nanocarbon,và graphiteđều có thể xem là hình thànhtừ các tấmgraphene, tứclà những lớp đơn nguyên tử của carbon sắp xếp trong một cấu trúchình tổ ong. 12 Cũng nên nhắc đến là các cấu trúc kiểugraphene đã được biết tới từ tận hồi thậpniên 1960, nhưngcó những khókhăn thực nghiệm trong việc tách ra những lớp đơn 13-16 , vàcó những nghingờ rằng điều này trên thựctế là không thể. Thật thú vị khibiết rằng mọi người dùng bútchì thôngthường cókhả năng đã từng tạo ranhững cấu trúckiểu graphenemà bản thânchẳng hề hay biết. Bút chì cóchứa graphite, và khinó dichuyển trênmột tờ giấy, graphite bị chẻ thành những lớp mỏng bámlên trên giấy, tạo thành chữ viết hayhình vẽ mà chúngta muốn có. Mộttỉ lệ nhỏ trongnhữnglớp mỏng này sẽ chứa chỉ mộtvài lớp hoặc thậmchí một lớp graphite, tức là graphene. Như vậy, khó khăn không phảiở chỗ chế tạo các cấu trúc graphene, mà ở chỗ tách rờira từngtấm đủ lớn để nhận dạng và môtả đặc trưng graphene vàđể xác nhậncác tính chất haichiều (2D) độc đáo của nó. Đây là cáiGeim, Novoselov,và các cộngsự của họ đã thành công. 3. Graphene là gì? Graphenelà một lớp carbonhợp thành mộtmạng hìnhlục giác (kiểu tổ ong), với khoảng cách carbon-carbon là0,142nm. Nó là chất liệukết tinh haichiều thật sự đầu tiênvà nó là đại diệncủa một họ hàng hoàntoàn mới của cácchất liệu 2D, bao gồm chẳnghạn các đơn lớpBoron-Nitride(BN)và Molybdenum-disulphite (MoS 2 ),cả hai chất đều đượcchế tạo sau năm2004. 17 Tính chất điệntử của graphene hơikhác với các chất liệu ba chiều thông thường. Mặt Fermi củanó được đặc trưngbởi sáuhình nónkép, như thể hiện trên hình 2. Trong graphene nguyên chất (chưa pha tạp), mức Ferminằm ở giao điểm của nhữnghìnhnón này.Vì mật độ các trạng thái của chất liệu bằng không tại điểm đó, nên độ dẫn điện củagraphene nguyên chất khá thấp và vào cỡ lượng tử độ dẫn s ~ e 2 /h; hệ số tỉ lệ chínhxác thì vẫn còn tranhcãi. Tuy nhiên, mức Fermiđó cóthể thayđổi bởi một điện trườngđể cho chất liệutrở thành hoặclà chất phatạp loại n (với electron)hoặc pha tạp loại p (với lỗ trống) tùythuộc vàosự phân cựccủa điện trường đặt vào. Graphenecòn có thể pha tạp bằng cách cho hấp thụ,chẳng hạn, nước hoặc amonia trên bề mặt củanó. Độ dẫn điện của graphene phatạp chất có khả năng khá cao, ở nhiệt độ phòng nó có thể còn cao hơncả độ dẫn củađồng. Ở gần mức Fermi,quan hệ khuếch tán đối với electron và lỗ trống là tuyến tính. Vì khốilượng hiệu dụngđược cho bởi độ cong của các dải nănglượng, nên điều này tươngứng vớikhối lượnghiệu dụng bằng không. Phươngtrình mô tả các trạngthái kíchthích tronggraphenegiống hệt phương trình Diraccho cácfermion khôngkhối lượngchuyển động ở một tốc độ không đổi. Vì thế, giao điểm của các hình nóntrên đượcgọi là các điểm Dirac. Điều nàylàm phát sinhnhững sự tương tự thú vị giữa graphene và vật lí hạtcơ bản, chúng đúng chocác năng lượng lên tới xấp xỉ 1 eV, tại đó quan hệ khuếch tánbắt đầu làphi tuyến. Mộtkết quả của quan hệ khuếchtán đặc biệt này là hiệu ứng Hall lượng tử trở nên bất bìnhthường trong graphene, xemhình 4. Hình 2.Năng lượng,E, chocác trạng thái kíchthích trong graphene làmột hàm của số sóng,k x và k y , trong các chiều xvà y. Đường màu đenbiểu diễn năng lượng Fermicho một tinh thể graphenechưa phatạp chất. Ở gần mức Ferminày, phổ năng lượng đượcđặc trưngbởi sáu hìnhnón kép, trong đó quan hệ khuếch tán (năng lượng theoxung lượng)là tuyến tính. Điều nàytương ứng với các trạng tháikích thích không khối lượng. Graphenetrên thực tế là trong suốt. Trongvùng quang học, nó hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng. Con số này thật rađược chobởi pa, trongđó a là hằng số cấu trúc tinh tế xác lập cườngđộ của lực điện từ. Trái với cáchệ 2Dnhiệt độ thấp xâydựng trên chất bándẫn, graphenevẫn duytrì cáctính chất 2Dcủa nóở nhiệtđộ phòng. Graphenecòn cómột vài tính chất hấp dẫnkhác nữa,những tính chất mà nóchia sẻ cùngvới ống nano carbon. Về căn bản, nó cứnghơn thép, rất dễ kéo căng,và có thể dùng làm mộtchất dẫn dẻo. Độ dẫn nhiệt củanó cao hơnnhiều sovới độ dẫn nhiệt của bạc. 4. Khám phá ra graphene Grapheneđã được P.R. Wallacenghiên cứu trên líthuyết vào năm1947 là một thídụ sách vở chocác phéptính trong ngành vật lí chất rắn 18 . Ông đã dự báo cấu trúcđiện tử và lưu ý quanhệ khuếch tántuyến tính. Phương trìnhsóng cho các trạng tháikích thích được J.WMcClukeviết ra vào năm 1956 19 và sự tương tự với phươngtrình Dirac được trìnhbày bởi G.W. Semenoff vào năm 1984 20 , và cũng được nhìn thấy bởi DiVincenzo vàMele 21 . Trướcnăm 2004,việc tách ra những tấm graphene bền vữngđược cholà khôngthể. Dođó, thật là hoàn toàn bất ngờ khi Andre Geim, Konstantin Novoselov và các cộng sự của họ ở trườngĐại học Manchester (Anh quốc), và Viện Côngnghệ Vi điệntử ở Chernogolovka(Nga)đã thành công trongviệc thực hiện chính công việc này. Họ đã công bố các kết quả của mình trên tạp chí Science số tháng 10/2004 1 . Trongbài báonày, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và mô tả đặc trưng đối với graphene. Họ đã sử dụng một phương pháp bóc táchcơ học đơn giản nhưng hiệu quả để trích ranhững lớp mỏng graphite từ mộttinh thể graphite bằng loại băng dính Scotland và sauđó đưa những lớp nàylên trên một chất nền silicon. Phương pháp này đượcđề xuất vàthử nghiệm đầu tiên bởi nhóm của R. Ruoff 22 , tuy nhiên, họ đã khôngthể nhận ra bấtkì lớpđơn nào. Nhóm Manchesterđã thành công bởi việc sử dụngmột phương pháp quang màvới nóhọ có thể nhận ra các mảnhnhỏ cấu tạo gồm chỉ một vài lớp.Một ảnhchụp quakính hiển vilực nguyên tử (AFM)của mộtmẫu như thế được thể hiện trênhình 3. Trong mộtsố trường hợp, những giàn giá này cấutạo chỉ gồmmột lớp, tức làgraphene đã được nhận dạng. Ngoài ra,họ còn làm chủ đượcviệc biến graphene thành một thanhHall và nối các điện cực vào nó. Hình 3.(Trái) A) Điện trở suất (dọc) của mộtmẫu graphene ở ba nhiệt độ khác nhau(5K lục, 7K lam,300 K cam),lưu ý sự phụ thuộc mạnh vào điện ápcực phát. B) Độ dẫnsuất là một hàmtheo điện áp cực phát ở 77K.C) Điệntrở Halllà một hàm theo điện áp cực phátđối vớicùngmẫutrên 1 . (Phải) Ảnhchụp quakính hiển vilực nguyên tử (AFM)của một đơn lớp graphene.Vùng màu đenlà chất nền, vùng màu cam sậm là một lớpđơn graphenevàcó bề dày ~ 0,5 nm, phầnmàu cam sáng chứa một vài lớp vàcó bề dày~ 2nm. 23 Hình 4.Quan sát thực nghiệm của hiệu ứngHalllượng tử dị thường ở graphene. (Trái) Độ dẫnsuất Hall (đỏ) vàđiện trở suất dọc (lục) là hàm củamật độ hạt mang điện.Khung hìnhnhỏ thể hiện độ dẫn suất Hallđối vớigraphene hailớp. Lưu ý khoảngcách giữa các vùng bằngphẳng đối với graphenelà 4e 2 /h, tức là lớn hơn so vớihiệu ứngHall lượngtử thông thường vàcác bậc dốc xuấthiện tại những bội bán nguyên của giá trị này. Đối với một lớp đôigraphene thì chiều caobậc dốc là như nhau,nhưng cácbậc xuất hiện tạicác bội nguyên của 4e 2 /h nhưng không có bậc nàotại mậtđộ bằng không 2 . (Phải) Điện trở suất dọc và điện trở suất Hall là hàm của mật độ từ thôngchomột mẫu pha tạp electron.Khung hìnhnhỏ thể hiện dữ liệu tươngtự nhưng cho mẫu phatạp lỗ trống 3 . Bằng cách này,họ có thể đo điện trở suất (dọc) và điện trở suất Hall.Một mảnhdữ liệu quantrọnglà hiệu ứng trườngphân cực,trong đó điện trở suấtđược đo là một hàm củamộtđiện trườngđặt vàovuông gócvới mẫu. Dữ liệu đó thể hiện trên hình3. Điệntrở suất tấm có một cực đại rõ ràng, và giảmdần ở cả hai phía của cực đại đó. Điều này chobiết sự pha tạp tăng dầncủa các electron ở phía bên phải, và các lỗ trống ở phía bên trái củacực đại. Lưu ý rằng điện tấmcực đại là~ 9kW, vào cỡ của lượng tử điện trở. Một khicông nghệ chế tạo, nhận dạngvà gắn các điện cực vàocác lớp graphene đã được xác lập, nhóm Manchester lẫn các nhóm khác đềunhanh chóng thực hiện được một số lượng lớnnhững thínghiệmmới 2,3,17,24,25 . Trongsố này có các nghiên cứu về hiệu ứngHall lượngtử dị thường,và đồng thời chuẩn bị cho sự ra đờicủa những chất liệu kếttinh 2D khác, thí dụ như các lớp đơn BN. Ngoài phương pháp bóc tách, những phương pháp khác nuôi cấy các màng carbonrất mỏngcũng đã đượcnghiên cứu, đặc biệtbởi một nhóm đứng đầu là W.A. de Heertại Viện Côngnghệ Georgia. Họ đã trau chuốtmột phương pháp đốt cháysilicon từ một bề mặt silicon carbide(SiC),để lạimột lớp mỏngcarbon phía sau. Phương pháp này thực hiện bằngcách nungnóng tinhthể SiClên xấpxỉ 1300 o C. Phươngpháp đã đượcmột vàinhóm sử dụng trướcđó 14,15 , nhưngnhững nghiêncứu banđầu đó tập trung vào khoahọc bề mặt và khôngcó cácphép đo vận chuyển. Tháng12 năm2004, chỉ hai tháng saukhi bài báo của Novoselovđược công bố, nhómcủa de Heer đã công bố bài báođầu tiên củahọ về các phép đo chuyển vận trên các màng carbonmỏng 26 . Họ đã trình bày các phép đotừ trở và một tácdụng điện trường yếu. deHeer vàcác cộng sự của ông còn nắm trongtay một bằngphát minhvề cách chế tạocác dụng cụ điện tử từ những lớpmỏng carbon 27 . Một nhóm tại trường Đại học Columbia,đứng đầu làP. Kim, đã nghiên cứu một phương pháp khác chế tạo các lớpcarbon mỏng. Họ gắn mộttinh thể graphite với đầu nhọn củamột kính hiển vilực nguyên tử và kéo lê nó trên một bề mặt. Với cách này, họ có thể tạo ra những lớp mỏnggraphite xuốngtới khoảng 10 lớp. Như đã đề cập ở trên, quan hệ khuếch tánphi tuyếnlàm phátsinh một hiệu ứng Halllượng tử dị thường.Hiệu ứng này đượcchứng minhđộc lập bởi hai nhóm, nhóm Manchester và nhóm do P.Kim đứng đầu;cả hai nhómhiện nay đềuđang sử dụngphương pháp bóctách. Hai bài báo đã được công bố liền nhautrong cùng một số ra của tạp chí Naturevào tháng 11năm 2005.Dữ liệu có thể xemtrên hình 4. Kể từ 2005, sự phát triển tronglĩnh vựcnghiên cứunày đã thật sự bùng nổ, tạora số lượngtăngdần của các bài báo nói về graphenevànhữngtínhchất của nó. Các lớp đôi graphene,có những tínhchất khác sovới graphene (đơn lớp),đã được nghiêncứu thấu đáo 28-32 . Cácnghiên cứu ở nhữngtừ trường caohơn đã được thực hiện để nghiên cứu hiệuứng Hall lượngtử phân số trong graphene 33,34 . Ngoàira, nghiêncứu cơ học của graphenechứng tỏ rằng nó cực kì bền về mặt cơ học, bền gấp100 lần so với loạithép mạnh nhất 35 . Một khám phá quantrọng khác nữa là sự hấp thụ ánhsáng ở graphenecó liên quan đến hằng số cấutrúc tinhtế như đã đề cập ở trên 36 . Còn cómột số bài báo quan trọng mô tả những cái tươngtự với vật lí hạt cơ bản dựatrên phươngtrình Dirac. Sự tươngđồng chínhthức giữacác trạng thái kíchthích tronggraphene với các fermion Dirachai chiều đã cho phép kiểm tra cái gọi là sự chui hầm Klein đề xuất bởi nhà vật lí người Thụy Điển Oscar Klein. Hiện tượng này tiên đoán rằng một rào cảnđường hầm có thể trở nên hoàn toàn trong suốt đốivới sự tới bình thườngcủa các hạt không khối lượng.Dưới những điều kiệnnhất định, độ trong suốt có thể daođộnglà mộthàm của năng lượng.Đề xuất rằng điều này có thể kiểm tra ở graphene được đưa ra bởi Katsnelson,Geim và Novoselovvào năm 2006 5 và đã được xác nhận bởi Youngvà Kimvào năm 2009 6 . 5. Các ứng dụng tương lai Graphenecó mộtsố tính chất khiến nó thật hấp dẫn cho một vài ứng dụng khác nhau. Nólà một chất dẫn cực mỏng, rất bền về mặt cơ học, trong suốt và dẻo. Độ dẫncủa nó cóthể biến đổi trên một ngưỡng lớn hoặc bằng cách pha tạp hóa học, bằngtác dụng của điện trường. Độ linh độngcủa graphene làrất cao 30 khiến chất liệu rất hấpdẫn chocác ứng dụng điện tử cao tần 37 . Mới đây,người ta đã có thể chế tạo những tấm graphenecỡ lớn. Sử dụng các phương pháp bán công nghiệp, các tấm với bề rộng70 cm đã được tạo ra 38,39 . Vì graphenelà một chất dẫn trong suốt, nên nó có thể dùng trong các ứngdụng như màn hìnhcảm ứng, tấm phátsáng và pin mặt trời, nơi nó có thể thay thế cho indium-thiếc-oxide(ITO) vừa dễ vỡ vừa đắt tiền. Cácthiết bị điện tử dẻo vàcác bộ cảm biến chấtkhí 40,41 là những ứng dụng tiềm năng khác. Hiệu ứng Halllượng tử ở graphene cóthể còn có khả năng góp phần chomột chuẩnđiện trở còn chínhxác hơn nữatrongđo lường học 42 . Những loại chất liệuhỗn hợp mớidựa trên graphene vớisức bềnlớnvà khối lượng riêng khắp còn có thể trở nênhấp dẫn trong cáccông dụngtrong chế tạo phi thuyền và máy bay 43,44 . 6. Kết luận Sự phát triển của chất liệu mới này đã mở ranhững hướng đi mới. Nó là chất liệu 2D kết tinh đầu tiên và nó có các tính chất độcnhấtvô nhị, khiến nó thậthấp dẫn chocả nghiên cứu khoahọc cơ bản lẫncho các ứngdụng trongtương lai. Đột phá trên đượcthực hiện bởi Geim, Novoselovvà cáccộng sự của họ; bài báo hồi năm 2004đã khơi ngòicho sự phát triển trên.Với côngtrình này,họ đượctrao Giải NobelVật lí 2010. Một số tính chất của graphene Tỉ trọng của graphene [...]... cấu trúc tinh tế Như vậy, miếng graphene lơ lửng không có màu sắc Sức bền của graphene Graphene có sức bền 42N/m Thép có sức bền trong ngưỡng 250-1200 MPa = 0,25-1,2.109N/m2 Với một màng thép giả thuyết có cùng bề dày như graphene (có thể lấy bằng 3,35 angstrom = 3,35.10-10m, tức là bề dày lớp trong graphite), giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,084-0,40N/m Như vậy, graphene bền hơn thép cứng nhất...Ô đơn vị lục giác của graphene gồm hai nguyên tử carbon và có diện tích 0,052nm2 Như vậy, chúng ta có thể tính ra tỉ trọng của nó là 0,77 mg/m2 Một cái võng giả thuyết làm bằng graphene với diện tích 1m2 sẽ cân nặng 0,77 mg Minh họa (cái võng): Airi Iliste Tính trong suốt quang học của graphene Graphene hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng,... ta sẽ có điện trở 31W Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96.10-6 W-1m-1 cho graphene Giá trị này có phần cao hơn độ dẫn của đồng là 0,60 10-6 W-1m-1 Độ dẫn nhiệt Sự dẫn nhiệt của graphene bị chi phối bởi các phonon và đã được đo xấp xỉ là 5000 Wm -1K-1 Đồng ở nhiệt độ phòng có độ dẫn nhiệt 401 Wm-1K-1 Như thế, graphene dẫn nhiệt tốt hơn đồng 10 lần ... một gia trọng xấp xỉ 4kg trước khi nó bị rách vỡ Như vậy, người ta có thể chế tạo một cái võng hầu như vô hình từ graphene có thể chịu sức nặng của một con mèo mà không bị hỏng Cái võng sẽ cân nặng chưa tới một mg, tương ứng với trọng lượng của một sợi râu mép của con mèo Độ dẫn điện của graphene Độ dẫn bản của một chất liệu 2D được cho bởi s = enm Độ linh động trên lí thuyết bị giới hạn đến m = 200.000 . miếng graphene lơ lửng khôngcó màu sắc. Sức bền của graphene Graphenecó sứcbền 42N/m.Thép cósức bềntrong ngưỡng250-1200MPa = 0,25-1,2.10 9 N/m 2 . Với một màng thép giả thuyết có cùngbề dày như graphene (có. lớp, tức l graphene đã được nhận dạng. Ngoài ra,họ còn làm chủ đượcviệc biến graphene thành một thanhHall và nối các điện cực vào nó. Hình 3.(Trái) A) Điện trở suất (dọc) của mộtmẫu graphene ở. bùng nổ, tạora số lượngtăngdần của các bài báo nói về graphenevànhữngtínhchất của nó. Các lớp đôi graphene, có những tínhchất khác sovới graphene (đơn lớp),đã được nghiêncứu thấu đáo 28-32 . Cácnghiên