Tìm hiểu về vật liệu graphene

LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy –T.S Bùi Xuân Chiến tận tình hƣớng dẫn, bảo giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2012 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Phƣợng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận kết nghiên cứu riêng Trong nghiên cứu kế thừa thành nghiên cứu nhà khoa học, nhà nghiên cứu với trân trọng biết ơn Những kết nêu khóa luận chƣa đƣợc công bố công trình khác Hà Nội, tháng năm 2012 Sinh viên thực Nguyễn Thị Phƣợng MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu: Nhiệm vụ nghiên cứu: Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Nội dung Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 1.1 Mạng tinh thể vật rắn 10 1.1.1 Mạng tinh thể lý tƣởng 10 1.1.2 Ô sơ cấp (ô sở) 10 1.1.3 Phân loại loại mạng tinh thể 11 1.1.4 Sai hỏng mạng tinh thể thực tế: 13 1.2 Cấu trúc than chì (Graphite): 13 1.3 Cấu trúc màng mỏng 14 Chƣơng 2: CÁC DẠNG THÙ HÌNH CỦA CACBON 15 2.1 Khái niệm thù hình 15 2.2 Các dạng thù hình Cacbon 16 2.2.1 Kim cƣơng 16 2.2.2 Graphit (than chì) 17 2.2.3 Cacbon vô định hình 18 2.2.4 Các dạng thù hình khác cacbon 19 Chƣơng 3: VẬT LIỆU GRAPHENE 21 3.1 Khái niệm Graphene 21 3.2 Lịch sử đời Graphene: 21 3.3 Cấu trúc tinh thể Graphene 24 3.4 Tính chất Graphene 25 3.4.1 Graphene vật liệu mỏng tất vật liệu 25 3.4.2 Graphene có tính dẫn điện nhiệt tốt: 26 3.4.3 Độ bền graphene 26 3.4.4 Graphene cứng kim cƣơng: 27 3.4.5 Graphene hoàn toàn không không khí lọt qua 28 3.4.6 Graphene dễ chế tạo dễ thay đổi hình dạng 28 3.4.7 Chuyển động điện tử Graphene 28 3.5 Phân loại graphene 30 3.5.1 Graphene đơn 30 3.5.2 Graphene kép 30 3.5.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) 34 3.6 Ƣu điểm nhƣợc điểm Graphene 35 3.6.1 Ƣu điểm Graphene 35 3.6.2 Nhƣợc điểm Graphene 36 3.7 Các phƣơng pháp chế tạo graphene 36 3.7.1 Phƣơng pháp chemical exfoliation 37 3.7.2 Phƣơng pháp micromechanical cleavage 37 3.7.3 Phƣơng pháp tách lớp học: 37 3.7.4 Phƣơng pháp tổng hợp graphene diện tích lớn 38 3.7.5 Phƣơng pháp bóc tách 38 3.7.6 Chế tạo graphene lóe sáng đèn flash 39 3.8 Ứng dụng graphene 40 3.8.1 Graphene: chất bán dẫn điều chỉnh tốc độ đóng mở siêu nhanh 40 3.8.2 Graphene: màng mỏng dẫn điện suốt 41 3.8.3 Graphene: sensor 42 3.8.4 Graphene: nhà máy điện 42 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong cách mạng khoa học công nghệ nay, ngành vật lý chất rắn đóng vai trò đặc biệt quan trọng Vật lý chất rắn tạo vật liệu cho ngành kỹ thuật mũi nhọn nhƣ điện tử, du hành vũ trụ, lƣợng nguyên tử Trong năm gần đây, xuất hàng loạt công trình siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt công nghệ nanô làm cho vị trí ngành vật lý chất rắn ngày thêm bật Công nghệ nano công nghệ dựa điều khiển kiểm soát cấp độ nguyên tử phân tử Nó tạo vật liệu, cấu, thiết bị hệ thống có thuộc tính chức khác thƣờng nhỏ bé Ngày vật liệu nano đƣợc quan tâm nhiều ứng dụng công nghệ đại, thành phần quan trọng nhiều máy móc nhƣ thiết bị điện tử, nhờ vào tính chất đặc biệt chúng mà vật liệu truyền thống có đƣợc Những nghiên cứu dự báo loại vật liệu đƣợc nhà khoa học khắp nơi giới quan tâm Tâm điểm lĩnh vực công nghệ vật liệu thập kỷ 2000 - 2009 xoay quanh nghiên cứu hai trạng thái cacbon, ống nano cacbon graphene Trong ống nano cacbon vật liệu đặc biệt công nghệ nano Đây dạng tinh thể cacbon (C) đƣợc phát vào năm 1991 nhƣng tính đến nay, ống nano mang lại nhiều lợi ích cho ngƣời Nhƣng nghiên cứu graphene đƣợc công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu nhanh chóng thu hút đƣợc quan tâm nhà khoa học Năm 2004, nhà nghiên cứu Anh dẫn đầu Giáo sƣ Andre Konstantin Geim tìm Mô hình graphene cách đơn giản để bóc lớp đơn nguyên tử nguyên tử cacbon khỏi khoanh graphit Dƣới kính hiển vi điện tử, lớp phân tử cacbon có hình dáng màng lƣới, màng lƣới mỏng cacbon đƣợc gọi graphene Graphene đƣợc hình dung nhƣ ống nano dàn mỏng, nguyên liệu phân tử cacbon, chiều dày lớp phân tử nguyên tử Graphene phần tử cấu trúc số thù hình bao gồm than chì, ống nano cacbon fulơren Graphene có nhiều đặc tính ống nano, nhƣng dễ chế tạo dễ thay đổi hơn, đƣợc sử dụng nhiều việc chế tạo vật dụng cần chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn Ngoài ra, tính dẫn điện graphene lý tƣởng, với độ cứng kim cƣơng, loại vật liệu mỏng tất loại vật liệu mà tạo Nhờ tìm vật liệu graphene, hai nhà khoa học Andrei Geim Konstantin Sergeevich Novoselov đƣợc trao Giải Nobel Vật lý năm 2010 [2] Những tính chất đặc tính kỳ lạ khác graphene thu hút quan tâm nhà vật lý , ngƣời muốn nghiên cứu , nhà công nghệ nano , ngƣời mong muốn khai thác chúng để chế tạo thiết bị Các nhà khoc học cho tƣơng lai, graphene nhiều khả thay silicon nƣớc tạo thung lũng graphene nhƣ thung lũng silicon Mỹ, nƣớc vƣơn lên dẫn đầu công nghệ tƣơng lai Đó lí nhà khoa học khắp Thế giới chạy đua việc nghiên cứu tìm ứng dụng graphene Ở Việt Nam nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano không lạ nữa, mà vấn đề đƣợc nghiên cứu nhiều Lĩnh vực ống nano cacbon nƣớc ta có thành công định nhƣng riêng vật liệu graphene lĩnh vực nƣớc ta đƣợc số nhà khoa học nghiên cứu Vật liệu graphene lĩnh vực khoa học nƣớc ta Đó lí định chọn đề tài này: “Tìm hiểu vật liệu Graphene” Mục đích nghiên cứu: Những nghiên cứu dự báo loại vật liệu đƣợc nhà khoa học khắp nơi giới quan tâm Việc phát tính chất kỳ diệu fulơren, ống nano cacbon gần graphene với tiềm ứng dụng rộng rãi tiền đề cho nghiên cứu vật liệu thay tƣơng lai Nếu sản xuất cải thiện, graphene cách mạng hóa ngành công nghệ lƣợng Hiện nay, lƣợng mặt trời gió gặp khó khăn phƣơng pháp tồn trữ chƣa thích nghi Nhiều nhà khảo cứu nghĩ siêu tụ điện graphene giải pháp Với vai trò quan trọng graphene nghiên cứu đề tài với mục đích đặt nhƣ sau: - Tìm hiểu cấu trúc, tính chất, ứng dụng graphene - Có nhìn tổng quan việc nghiên cứu tạo vật liệu - Tìm hiểu tầm quan trọng graphene sống ngƣời Nhiệm vụ nghiên cứu: Để hoàn thành tốt đề tài nhiệm vụ cụ thể đặt là: - Tổng quan nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài - Nghiên cứu sở lý luận graphene - Nghiên cứu tính chất vƣợt trội graphene ứng dụng graphene lĩnh vực điện tử - Nghiên cứu lớp kép graphene có độ rộng vùng lƣợng cấm thay đổi ứng dụng điện tử So sánh đƣợc khác biệt hai loại lớp đơn lớp kép graphene - Nghiên cứu ƣu điểm nhƣợc điểm graphene Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu nhiệm vụ nêu xác định đối tƣợng phạm vi nghiên cứu nhƣ sau: - Cơ sở lý luận graphene - Cấu trúc, tính chất, ƣu nhƣợc điểm vật liệu - Sự khác biệt lớp đơn graphene lớp kép graphene - Phƣơng pháp chế tạo graphene số ứng dụng ngành điện tử - Đặc biệt nghiên cứu graphene kép với độ rộng vùng cấm thay đổi đƣợc - Đi sâu vào cấu tạo, tính chất, phƣơng pháp chế tạo graphene số ứng dụng vật liệu vào sống Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu mạng, số sách - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu đƣợc - Nghiên cứu lý thuyết, sở lý luận - Dịch nghiên cứu tài liệu tiếng Anh Nội dung CHƢƠNG 1: Cơ sở lý thuyết CHƢƠNG 2: Các dạng thù hình cacbon CHƢƠNG 3: Vật liệu graphene Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mạng tinh thể vật rắn 1.1.1 Mạng tinh thể lý tƣởng Trong vật rắn, nguyên tử phân tử đƣợc xếp cách đặn tuần hoàn không gian tạo thành mạng tinh thể Mạng tinh thể lý tƣởng tinh thể xếp nguyên tử, phân tử hoàn toàn tuần hoàn Tinh thể lý tƣởng phải hoàn toàn đồng nhất, nghĩa nơi chứa loại nguyên tử nhƣ nhau, đƣợc phân bố nhƣ Tinh thể lý tƣởng phải có kích thƣớc trải rộng vô hạn để mặt giới hạn làm ảnh hƣởng đến tính chất xếp tuyệt đối tuần hoàn nguyên tử, phân tử  Vị trí hạt mạng đƣợc xác định nhờ vector r [4]:     r  n1 a1  n2 a  n3 a3 đó: n1, n2, n3 số nguyên    a1 , a2 , a3 vector tịnh tiến sở  Khi tập hợp giá trị khác điểm có bán kính r đƣợc xác định nhƣ với giá trị khác n 1, n2, n3 tạo thành  mạng không gian điểm (bán kính r ) đƣợc gọi nút mạng không gian nút mạng 1.1.2 Ô sơ cấp (ô sở)    Hình hộp đƣợc tạo thành từ vector sở a1 , a2 , a3 ô sở hay ô sơ cấp Ô sở thể cấu trúc tinh thể lặp lặp lại tạo nên tinh thể Ô sở đƣợc ký hiệu không gian Oxyz với: 10 TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Ngƣời hƣớng dẫn: T.S Bùi Xuân Chiến HÀ NỘI, 2012 45 MỤC LỤC Phần I Mở đầu Phần II Nội Dung Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Mạng tinh thể vật rắn 1.2 Cấu trúc graphite (than chì) 11 1.3 Cấu trúc màng mỏng 12 Chƣơng 2: Các dạng thù hình Cacbon: 13 2.1 Khái niệm thù hình 13 2.2 Các dạng thù hình Cacbon 13 Chƣơng 3: Vật liệu Graphene 17 3.1 Lịch sử đời Graphene 17 3.2 Cấu tạo màng Graphene 18 3.3 Tính chất Graphene 19 3.4 Phân loại Graphene 22 3.5 Ƣu điểm nhƣợc điểm Graphene 26 3.6 Các phƣơng pháp chế tạo Graphene 27 3.7 Ứng dụng Graphene 32 Phần III Kết luận 34 Phần IV Tài liệu tham khảo 35 46 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong cách mạng khoa học công nghệ nay, ngành vật lý chất rắn đóng vai trò đặc biệt quan trọng Vật lý chất rắn tạo vật liệu cho ngành kỹ thuật mũi nhọn nhƣ điện tử, du hành vũ trụ, lƣợng nguyên tử Trong năm gần đây, xuất hàng loạt công trình siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt công nghệ nanô làm cho vị trí ngành vật lý chất rắn ngày thêm bật Công nghệ nano công nghệ dựa điều khiển kiểm soát cấp độ nguyên tử phân tử Nó tạo vật liệu, cấu, thiết bị hệ thống có thuộc tính chức khác thƣờng nhỏ bé Ngày vật liệu nano đƣợc quan tâm nhiều thiếu công nghệ đại, thành phần nhiều máy móc, thiết bị điện tử Nó sâu vào đời sống đại dần chiếm ý nghĩa lớn nhờ vào tính chất đặc biệt chúng mà vật liệu truyền thống có đƣợc Những nghiên cứu dự báo loại vật liệu đƣợc nhà khoa học khắp nơi giới quan tâm Tâm điểm lĩnh vực công nghệ vật liệu thập kỷ 2000 - 2009 xoay quanh nghiên cứu hai trạng thái cacbon, ống nano cacbon graphene Ống nano cacbon vật liệu đặc biệt công nghệ nano Đây dạng tinh thể cacbon (C) đƣợc phát vào năm 1991 nhƣng tính đến nay, nói ngành không ứng dụng ống nano cacbon, nhằm biến thành Sự đóng góp ống nano cacbon ngành công nghiệp mũi nhọn phong phú, từ điện tử, động siêu nhỏ, tới nhớ, pin lĩnh vực vũ trụ Nhƣng nghiên cứu Graphene đƣợc công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu nhanh chóng thu hút đƣợc quan tâm nhà khoa học, Graphene đƣợc hình dung nhƣ ống nano dàn mỏng, nguyên liệu phân tử carbon, chiều dày lớp phân tử nguyên tử Dƣới kính hiển vi điện tử, lớp phân tử carbon có hình dáng màng lƣới Cái màng lƣới mỏng carbon đƣợc gọi graphene Graphene có nhiều đặc tính ống nano, nhƣng dễ chế tạo dễ Hình : Mô hình graphene thay đổi hơn, đƣợc sử dụng nhiều việc chế tạo vật dụng cần chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn Ngoài ra, tính dẫn điện graphene lý tƣởng, với độ cứng kim cƣơng, loại vật liệu mỏng tất loại vật liệu mà tạo Do đó, nhà khoa học hi vọng đến năm 2020, Graphene thay chất bán dẫn silicon Hiện nay, vật liệu graphene mở hi vọng cho ngành điện tử Những tính chất đặc tính kỳ lạ khác graphene thu hút quan tâm nhà vật lý , ngƣời muốn nghiên cứu , nhà công nghệ nano , ngƣời mong muốn khai thác chúng để chế tạo thiết bị Các nhà khoc học cho tƣơng lai, gaphene nhiều khả thay Silicon nƣớc tạo thung lũng Graphene nhƣ thung lũng Silicon Mỹ, nƣớc vƣơn lên dẫn đầu công nghệ tƣơng lai Đó lí nhà khoa học khắp Thế Giới chạy đua việc nghiên cứu tìm ứng dụng Graphene Ở Việt Nam nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano không lạ nữa, mà vấn đề đƣợc nghiên cứu nhiều Lĩnh vực ống nano cacbon nƣớc ta có thành công định nhƣng riêng vật liệu Graphene lĩnh vực 47 nƣớc ta đƣợc số nhà khoa học nghiên cứu Vật liệu Graphene lĩnh vực khoa học nƣớc ta Đó lí định chọn đề tài này: “Tìm hiểu vật liệu Graphene” Mục đích nghiên cứu: Những nghiên cứu dự báo loại vật liệu đƣợc nhà khoa học khắp nơi giới quan tâm Việc phát tính chất kỳ diệu fulơren, ống nano cacbon gần graphen với tiềm ứng dụng rộng rãi tiền đề cho nghiên cứu vật liệu thay tƣơng lai Từ Graphene đƣợc khám phá nhà khoa học dự báo Graphene vật liệu thay nguồn Si làm bán dẫn ngày cạn kiệt Hiện nay, vật liệu graphene mở hi vọng cho ngành điện tử Nếu sản xuất cải thiện, graphene cách mạng hóa ngành công nghệ lƣợng Hiện nay, lƣợng mặt trời gió, gặp khó khăn phƣơng pháp tồn trữ chƣa thích nghi Nhiều nhà khảo cứu nghĩ siêu tụ điện graphene giải pháp Với vai trò quan trọng Graphene nghiên cứu đề tài với mục đích đặt nhƣ sau: - Hiểu nắm đƣợc cấu trúc, tính chất, ứng dụng Graphene - Nắm đƣợc vai trò quan trọng Graphene - Có nhìn tổng quan việc nghiên cứu tạo vật liệu - Biết trào lƣu chế tạo vật liệu ngày - Đề tài khái quát đƣợc tất vấn đề liên quan đến Graphene - Đề tài nêu đƣợc tầm quan trọng Graphene sống ngƣời Nhiệm vụ nghiên cứu: Để hoàn thành tốt đề tài nhiệm vụ cụ thể đặt là: - Tổng quan nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài - Nghiên cứu sở lý luận Graphene - Nghiên cứu tính chất vƣợt trội Graphene ứng dụng Graphene lĩnh - vực điện tử Nghiên cứu lớp kép Graphene có độ rộng vùng lƣợng cấm thay đổi ứng dụng điện tử So sánh đƣợc khác biệt hai loại lớp đơn lớp kép Graphene Nghiên cứu ƣu điểm nhƣợc điểm Graphene Đối tƣợng nghiên cứu Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu nhiệm vụ nêu xác định đối tƣợng nghiên cứu nhƣ sau: - Cơ sở lý luận Graphene - Cấu trúc, tính chất, ƣu nhƣợc điểm vật liệu - Sự khác biệt lớp đơn Graphene lớp kép Graphene - Phƣơng pháp chế tạo Graphene số ứng dụng ngành điện tử - Đặc biệt nghiên cứu Graphene kép với độ rộng vùng cấm thay đổi đƣợc Phạm vi nghiên cứu Đề tài sâu vào cấu tạo, tính chất, phƣơng pháp chế tạo Graphene số ứng dụng vật liệu vào sống Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu mạng, số sách - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu đƣợc - Nghiên cứu lý thuyết, sở lý luận - Dịch nghiên cứu tài liệu tiếng Anh NỘI DUNG 48 Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Mạng tinh thể vật rắn 1.1.1 Mạng tinh thể lý tƣởng Trong vật rắn nguyên tử, phân tử đƣợc xếp cách đặn tuần hoàn không gian tạo thành mạng tinh thể Mạng tinh thể lý tƣởng tinh thể xếp nguyên tử, phân tử hoàn toàn tuần hoàn Tinh thể lý tƣởng phải hoàn toàn đồng nhất, nghĩa nơi chứa loại nguyên tử nhƣ nhau, đƣợc phân bố nhƣ Tinh thể lý tƣởng phải có kích thƣớc trải rộng vô hạn để mặt giới hạn làm ảnh hƣởng đến tính chất xếp tuyệt đối tuần hoàn nguyên tử, phân tử  Vị trí hạt mạng đƣợc xác định nhờ vector r :     r  n1 a1  n2 a2  n3 a3 đó: n1, n2, n3 số nguyên    a1 , a2 , a3 vector tịnh tiến sở  Khi tập hợp giá trị khác điểm có bán kính r đƣợc xác định nhƣ với giá trị khác n1, n2, n3 tạo thành mạng không gian điểm (  bán kính r ) đƣợc gọi nút mạng không gian nút mạng 1.1.2 Ô sơ cấp (ô sở) Hình hộp đƣợc tạo thành từ vector sở    a1 , a2 , a3 ô sở hay ô sơ cấp Ô sở thể cấu trúc tinh thể lặp lặp lại tạo nên tinh thể Ô sở đƣợc ký hiệu không gian Oxyz với: + cạnh a, b, c (a1, a2, a3) + góc α, β, γ Ô sở đơn giản: chứa hạt nút mạng đỉnh với loại ô chứa hạt Hình 1.1 : Ô sơ cấp ô sở Ô sở phức tạp: ô sở mà chứa hạt đỉnh có hạt điểm khác Tuy có nhiều cách chọn vector nguyên tố, nhƣng thể tích ô nguyên tố không thay đổi Đó thể tích ô sở, đƣợc tính theo công thức:                 = a1 a a3  = a a a1  = a a1 a        Ngoài khái niệm ô sở nêu trên, ngƣời ta sử dụng khái niệm ô nguyên tố Wigner – Seitz, đƣợc vẽ cho nút mạng nằm tâm ô Hình dạng ô Wigner – Seitz phần đặc trƣng cho phép đối xứng mạng Ô Wigner – Seitz có nguyên tử ô, có tính đối xứng trung tâm, thể tích thể tích ô nguyên tố 1.1.3 Phân loại loại mạng tinh thể Bảng 1.1: Ô mạng Bravais 49 Hệ tinh thể Mạng tinh thể Tam tà Đơn giản Tâm đáy Đơn giản Tâm đáy Đơn giản Tâm khối Đơn giản Tâm khối Đơn tà Tâm khối Trực thoi Lục giác Tam giác Bốn phƣơng Lập phƣơng 50 Tâm mặt Tâm mặt Tuy có nhiều cách để chọn ô mạng sở cho mạng cụ thể nhƣng Bravais đề xuất số tiêu chuẩn để chọn ô mạng sở cho chúng chứa đầy đủ tính chất đối xứng mạng đồng thời xem nhƣ đơn vị tuần hoàn mạng Mạng Bravais tập hợp điểm tạo thành từ điểm theo bƣớc rời rạc định véc tơ sở Trong không gian ba chiều có tồn 14 mạng Bravais (phân biệt với nhóm không gian) Tất vật liệu có cấu trúc tinh thể thuộc vào mạng Bravais (không tính đến giả tinh thể) Cấu trúc tinh thể mạng tinh thể với ô đơn vị nguyên tử có mặt nút mạng ô đơn vị nói 1.1.4 Sai hỏng mạng mạng tinh thể thực tế: Trong thực tế hầu nhƣ không gặp mạng tinh thể lý tƣởng luôn có nguyên tử không nằm vị trí mà luôn dao động xung quanh vị trí cân với tần số biên độ phụ thuộc vào nhiệt độ tinh thể Những dao động làm cho tính tuần hoàn mạng tinh thể bị vi phạm Hoặc xuất điểm bất thƣờng có mặt cấu trúc tinh thể lý tƣởng Các sai hỏng có vai trò định đến tính chất điện tinh thể thực Đặc biệt bất định xứ tinh thể cho phép tinh thể biến dạng dễ dàng nhiều so với tinh thể hoàn hảo Có loại sai hỏng mạng: - Sai hỏng điểm ; - Sai hỏng đƣờng ; - Sai hỏng mặt - Sai hỏng khối Những sai hỏng dẫn đến bị xô mạng bị lệch mạng Kết làm tính chất, đặc tính vật rắn thay đổi theo 1.3 Cấu trúc màng mỏng Màng mỏng hay nhiều lớp vật liệu đƣợc chế tạo cho chiều dày nhỏ nhiều so với chiều lại (chiều rộng chiều dài) Chiều dài màng mỏng từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet Khi chiều dày màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đƣờng tự trung bình điện tử (cỡ 10 đến 100 nm) chiều dài tƣơng tác tính chất màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất vật liệu khối Hiện màng mỏng lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ khoa học công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn với nhiều khả ứng dụng to lớn đời sống hàng ngày sản xuất Cấu trúc màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, mang cấu trúc vật liệu nguồn, thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, điều kiện chế tạo Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt tính chất màng mỏng hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nanomet, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thƣớc nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối Cấu trúc màng mỏng gồm hai loại:  Màng đơn lớp màng mỏng gồm lớp vật liệu đƣợc chế tạo lớp đế Tính chất màng đƣợc tạo từ lớp vật liệu (và ảnh hƣởng tác động từ lớp đế)  Màng đa lớp màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, đƣợc tạo nhằm thay đổi tính chất màng mỏng Thông thƣờng, màng mỏng để sử dụng đƣợc chế tạo lớp đế, khối vật liệu đơn tinh thể (ví dụ Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh ) Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu đƣợc phát triển từ cuối kỷ 19, thời điểm tại, có nhiều phƣơng pháp đƣợc dùng tùy theo mục đích điều kiện kinh tế, kỹ thuật 51 Chƣơng 2: Các dạng thù hình Cacbon 2.1 Khái niệm thù hình (allotropy/allotropism) Là tƣợng nguyên tố tồn hai (hoặc nhiều hơn) hình dạng (gọi dạng thù hình - allotrope) trạng thái tập hợp giống (rắn, lỏng, khí) Các tính chất vật lí (độ dẫn điện, tỉ trọng, màu sắc, ) khác nhiều nhƣng hợp chất hóa học giống hệt đƣợc tạo từ dạng thù hình khác nguyên tố Thù hình tƣợng không thấy, góp phần làm cho số lƣợng chất thiên nhiên thêm phong phú đa dạng 2.2 Các dạng thù hình Cacbon Cacbon ví dụ tiêu biểu tƣợng thù hình, nhờ khả tạo liên kết với nguyên tử đồng loại tốt nên cacbon tồn nhiều dạng thù hình khác Carbon có ba dạng thù hình kim cƣơng, graphite, cacbon vô định hình dạng thù hình khác, có graphene dạng thù hình đƣợc nghiên cứu khóa luận Vì vậy, phần không nói đến graphene mà đề cập kĩ chƣơng Hình 2.1 : Các dạng thù hình cacbon ( a): kim cƣơng, (b): graphite,(c): lonsdaleite, (d): cầu C60, (e): C540,(f): C70, (g): cacbon vô định hình, (h): ống cacbon nano 2.2 Kim cƣơng Kim cƣơng hai dạng thù hình đƣợc biết đến nhiều carbon (dạng lại than chì), có độ cứng cao khả tán xạ cực tốt làm cho có nhiều ứng dụng công nghiệp ngành kim hoàn Các nguyên tử mạng kim cƣơng đƣợc xếp không gian nhƣ hình 2.3 Trong nguyên tử kim cƣơng liên kết với bốn nguyên tử khác liên kết cộng hóa trị mạnh tạo thành tứ diện điều với góc cân tứ diện 109°28‟ Chiều dài liên kết liên kết cộng hóa trị kim cƣơng nhỏ (0.154nm), lƣợng liên kết cao (711kJ/mol) Kim cƣơng đƣợc ý nhiều đặc tính quang Bởi mạng tinh thể vô bền, loại tạp chất làm bẩn kim cƣơng, nhƣ Bo Nitơ Kèm theo động truyền qua rộng, nên hầu hết kim cƣơng tự nhiên suốt, không màu Một lƣợng nhỏ khuyết tật tạp chất (khoảng phần triệu mạng nguyên tử) làm cho kim cƣơng có màu xanh lơ (Bo), vàng (Nitơ), nâu (khuyết tật mạng), xanh cây, đỏ tía, hồng, cam màu đỏ 2.2.2 Graphite ( than chì ): Graphite đƣợc tạo thành chồng chập hàng loạt lớp phẳng song song (hình 2.4 ) Bên lớp phẳng, nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử lại, hình thành chuỗi liên tiếp hình lục giác mà chất đƣợc xem phân tử hai chiều vô hạn Liên kết cộng hóa trị (sigma) có chiều dài liên kết ngắn (0.141nm) liên kết mạnh (524 kJ/mol) Bốn electron hóa trị lai hóa kết cặp với electron tái định xứ khác mặt phẳng kế bên lực liên kết van der Waals yếu nhiều (liên kết pi), 7kJ/mol Cacbon nguyên tố có cấu trúc lớp hình lục giác đặc thù 2.2.3 Cacbon vô định hình: Cacbon vô định hình có nguyên tử trạng thái phi tinh thể, quy luật giống nhƣ thủy tinh Trong dạng vô định hình cacbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể graphit nhƣng không liên kết lại dạng tinh thể lớn Trái lại, chúng chủ yếu nằm dạng bột thành phần than, muội, bồ hóng, nhọ nồi than hoạt tính.Trong dạng than hoạt tính có ứng dụng rộng rãi Hình 2.5 : Than hoạt tính 2.2.4 Các dạng thù hình khác cacbon Ngoài dạng thù hình nói đến trên, carbon có dạng thù hình thú vị thang nano mà vừa đƣợc khám phá năm gần  FULLERENE Fullerene phân tử hình cầu rỗng, nguyên tử carbon đỉnh gắn kết với thành hình ngũ giác lục giác, tƣơng tự nhƣ mặt bóng đá Chúng chịu đựng nhiệt độ áp suất cao, đồng thời bền dẫn điện tốt Đặc tính khiến fullerene đƣợc ứng dụng phổ biến thiết bị nanô nhƣ nhiệt kế Trong họ fullerene, dạng tiếng C60 - khối cầu hình bóng với 60 nguyên tử carbon (hình 2.6 ) Một ứng dụng có tầm quan trọng đặc biệt đặc tính quang điện C60, khả đƣợc ứng dụng việc chế tạo pin mặt trời ỐNG NANO CARBON Nếu fulơren xem nhƣ có cấu tạo từ Graphen cắt gói dán lại thành hình cầu ống nano cacbon xem nhƣ từ grapheme cắt thành dải tròn lại thành ống.Ở hai đầu ống hở, kín nhƣ có hai nửa cầu fulơren úp lại Nhƣ bề mặt bao quanh ống nano cacbon gồm toàn nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác, hai đầu nguyên tử cacbon nhƣng có số chỗ xếp theo hình lục giác mà hình nhũ giác (5 cạnh) để khép kín lại đƣợc Cấu tạo hình ống gồm nguyên tử cacbon, toàn liên kết cộng hóa trị nên ống nano cacbon ống nhỏ nhất, cứng Vì cacbon, xếp thành lồng hình ống nên tính khối lƣợng riêng cỡ phần mƣời thép lực kéo cho đứt so với thép cao mƣời lần nên xem ống nano trăm lần bền thép Ống Hình 2.8: Ống nano cacbon nano cacbon có kiểu cách điện có kiểu dẫn điện, có kiểu bán dẫn, chí có kiểu siêu dẫn Chƣơng 3: Vật liệu Graphene 3.1 Khái niệm Graphene Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), đƣợc tách từ graphite Graphene mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thƣớc nguyên tử tạo thành từ nguyên tử cacbon cạnh Dƣới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng màng lƣới có bề dày bề dày nguyên tử cacbon, xếp chồng lên phải cần tới 200.000 lớp độ dày sợi tóc Có thể xem graphene nhƣ thành phần tạo nên cấu trúc khác cacbon nhƣ fullerene, cacbon nanotube, graphite Graphene đƣợc hình dung nhƣ ống nano dàn mỏng, nguyên liệu phân tử cacbon Về graphene có cấu trúc 2D 3.2 Lịch sử đời Graphene: Cacbon vật liệu khơi nguồn cho sống Trái đất, thành phần tất hợp chất hữu Do tính linh động cacbon khả tạo thành liên kết, hợp chất cacbon đa dạng hình dạng tính chất Ba dạng thù hình đƣợc biết nhiều cacbon cacbon vô định hình, graphit kim cƣơng Năm 1985, Robert Curl, Richard Smalley Harry Kroto quan sát kỹ bột than rơi xuống lúc có phóng điện hồ quang hai cực than graphit thấy bột đen rơi xuống có hạt tròn nhỏ lóng lánh Với phƣơng tiện phân tích, kính hiển vi đại, ngƣời ta biết đƣợc hạt tròn gồm 60 nguyên tử cacbon xếp theo mặt hình lục giác, gần nhƣ bóng đá, gần nhƣ nhà khung nhôm lắp kính mà kiến trúc sƣ ngƣời Mỹ Buckminster Fuller thiết kế Vì vậy, ngƣời ta gọi phân tử C60 hay Fulơren (fullerene) từ tên Fuller Có ngƣời ta gọi bóng bucky (buckyball) lấy từ tên họ Fuller Fulơren xem nhƣ làm từ gồm nguyên tử cacbon xếp thành hình lục giác nhƣ graphit, cắt uốn éo đôi chút để dán lại thành Hình 3.1 : Ba dạng cacbon bóng đa giác Do phải uốn khum nên số Fulơren, ống nano cacbon, graphit hình lục giác bị biến dạng thành hình cạnh Fulơren làm kinh ngạc giới khoa học, đặc biệt nhà hoá học vật lý, hứa hẹn nhiều ứng dụng Trong ngƣời ta đổ xô nghiên cứu fulơren ứng dụng vật liệu mới, nguyên liệu dễ kiếm năm 1991, tạo phóng điện hồ quang,Sumio Lijma làm việc hãng NEC (Nhật) lại phát có ống nhỏ, gần catôt Quan sát phân tích kỹ ống rỗng, đƣờng kính cỡ vài nanomet nhƣng thẳng, dài, cứng Ngƣời ta gọi ống nano cacbon Về mặt cấu trúc, xem graphit cắt, đính lại mối liên kết cộng hoá trị thành ống, đầu ống hở kín (nếu kín nhƣ có nửa bóng fulơren úp lại) Khi ống nano cacbon đƣợc phát triển mạnh mẽ nghiên cứu nhƣ ứng dụng, nhà khoa học thấy fulơren nhƣ ống nano cacbon có đặc tính kỳ diệu nhƣ nguyên từ graphene mà Tại ta không chế trực tiếp graphene đƣa ứng dụng? Ban đầu, ngƣời ta dùng thủ thuật hóa học gọi chemical exfoliation – tức chèn nhiều phân tử hóa học vào phiến graphene để tách Tuy nhiên mà họ có đƣợc mảng bầy nhầy nhƣ nhọ nồi Từ không dùng kĩ thuật để lấy graphene Sau đó, nhà khoa học áp dụng kĩ thuật trực tiếp hơn, gọi micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành miếng mỏng cách chà graphite vào mặt phẳng khác, từ gỡ miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử Bằng cách năm 1990, nhà vật lý ngƣời Đức Đại học RWTH Aachen lấy đƣợc miếng graphite mỏng đến độ suốt Tuy nhiên, thiết bị đo thời không đủ giúp ông nhận biết điều Khoảng 10 năm sau đó, tiến đáng kể Mặc dù họ lấy đƣợc miếng mỏng khoảng vài mƣơi nguyên tử, nhƣng miếng graphite mỏng, graphene Lúc đó, không nghĩ graphene diện đƣợc thiên nhiên Cho đến năm 2004, Andre Konstantin Geim đồng nghiệp đại học Manchester Anh tình cờ tìm đƣợc cách để tạo graphene Họ dán mảnh vụn graphite miếng băng keo, gập dính lại, kéo dật ra, tách miếng graphite làm đôi Họ làm nhƣ nhiều lần miếng graphite trở nên thật mỏng, sau dán miếng Hình 3.2 : Mô hình mạng tinh băng keo lên silicon xốp ma sát Vài miếng thể graphene graphite dính miếng silicon xốp, mảnh thƣờng có bề dày nguyên tử Một miếng graphite dày nguyên tử nhìn thấy đƣợc, nhƣng Geim thấy đƣợc miếng graphite tạo cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ Đến nay, quan sát kính hiển vi, qua màu sắc, nhà nghiên cứu biết đƣợc độ dày miếng graphite Một miếng graphite dày 100 lớp (màu vàng), dày 40 đến 30 lớp (màu xanh dƣơng), dày khoảng 10 lớp (màu hồng) lớp đơn – graphene (màu hồng nhạt, hầu nhƣ không thấy đƣợc) 3.2 Cấu trúc tinh thể Graphene Tinh thể graphene mạng hai chiều nguyên tử cacbon xếp đỉnh ô lục giác mặt phẳng giống nhƣ bề mặt tổ ong Ba số bốn điện tử hóa trị cacbon hình thành ba orbital lai hóa sp , thực liên kết sigma (  ) với nguyên tử lân cận bảo đảm bền vững mạng, điện tử cuối thực liên kết pi (  ) không định xứ (còn gọi liên kết liên hợp pi (  )) toàn mạng định tính chất điện graphene Hình 3.3 : Ô mạng sở graphene mạng đảo Một vài thông số mạng Graphene: - Hằng số mạng - Vecto tịnh tến sở: - : a  3aC C  2,46 A   1   1 a1  a ;  ; a2  a ;   2  2  2    2   b1  ;1 ; b2  ;1 Vecto mạng đảo :   a   a   1 1 Cơ sở: gồm nguyên tử A(0;0) B  ;  2 2 a Diện tích ô đơn vị: AC =  0,051 nm2 2 Mật độ nguyên tử tƣơng ứng là: nC = = 39 nm2 = 39.1015 cm-2 AC Vì số lƣợng liên kết π số nguyên tử cacbon ô đơn vị mạng nên mật độ liên kết π mạng graphene là: nπ = nC =3 9.1015 cm-2 Ô đơn vị mạng Bravais đƣợc tạo vecto a1 a , ô chứa nguyên tử A B Từ ta vẽ đƣợc vùng Brillouin thứ có hình lục giác (hình 3.5 ) Ở ta ý đến điểm đối xứng Г, M, K, K‟ Trong điểm K K‟ không hoàn toàn đối xứng Tuy nhiên toán ta coi điểm đối xứng, trƣờng hợp phải xét đến từ trƣờng ngoài, tƣơng tác spin…thì cần phân biệt điểm 3.6 Các phƣơng pháp chế tạo Graphene Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhƣng khó khăn chi phí cao Các nhà khoa học nghiên cứu để tìm phƣơng pháp chế tạo graphene đơn giản, tốn kém, tạo diện tích lớn đƣa vào sản xuất hàng loạt công nghiệp Trong khóa luận trình bày sơ lƣợc số phƣơng pháp đƣợc nhà khoa học dùng để tạo Graphene từ đƣợc khám phá phƣơng pháp 3.6.1 Phƣơng pháp chemical exfoliation Trƣớc tìm graphene, nhà khoa học nhiều lần thất bại cố tách miếng mỏng graphene từ graphite Ban đầu, ngƣời ta dùng thủ thuật hóa học gọi chemical exfoliation – tức chèn nhiều phân tử hóa học vào phiến graphene để tách Tuy nhiên mà họ có đƣợc mảng nhƣ nhọ nồi Từ không dùng kĩ thuật để lấy graphene 3.6.2 Phƣơng pháp micromechanical cleavage Sau đó, nhà khoa học áp dụng kĩ thuật trực tiếp hơn, gọi micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành miếng mỏng cách chà graphite vào mặt phẳng khác, từ gỡ miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử Bằng cách năm 1990, nhà vật lý ngƣời Đức Đại học RWTH Aachen lấy đƣợc miếng graphite mỏng đến độ suốt Tuy nhiên, thiết bị đo thời không đủ giúp ông nhận biết điều Khoảng 10 năm sau đó, tiến đáng kể Mặc dù họ lấy đƣợc miếng mỏng khoảng vài mƣơi nguyên tử, nhƣng miếng graphite mỏng, graphene Lúc đó, không nghĩ graphene diện đƣợc thiên nhiên 3.6.3 Phƣơng pháp tách lớp học: Phƣơng pháp sử dụng lực học tác động từ bên để tách lớp khối graphite tạo màng graphene Với lƣợng tƣơng tác van der Waals lớp khoảng 2eV/nm2, độ lớn lực cần thiết để tách lớp graphite khoảng 300nN/µm 2, lực yếu dễ dàng đạt đƣợc cách cọ sát mẫu graphite bề mặt đế SiO2 Si, dùng băng keo dính Đây phƣơng pháp tạo graphene nhƣ nói Andre K.Geim đồng nghiệp dán mảnh vụn graphite miếng băng keo, gập dính lại, kéo dật ra, tách miếng graphite làm đôi Họ làm nhƣ nhiều lần miếng graphite trở nên thật mỏng, sau dán miếng băng keo lên silicon xốp ma sát Vài miếng graphite dính miếng silicon xốp, mảnh thƣờng có bề dày nguyên tử Tuy nhiên, với phƣơng pháp này, màng graphene tạo có kích thƣớc chƣa đủ để áp dụng vào thiết bị phục vụ cho nghiên cứu tính chất màng graphene Thêm nữa, màng tạo mang tính xác suất cao, nhiều màng đa lớp màng đơn lớp 3.6.4 Phƣơng pháp tổng hợp graphene diện tích lớn Đó việc liên kết miếng nhỏ mặt phẳng để tạo thành dải có dạng nhƣ cuộn phim Cái không gọi tổng hợp mà cắt graphene thành mảnh ráp chúng lại mà Cách làm đƣa chất xúc tác vào để diện tích lớp màng graphene nở rộng Công nghệ đáp ứng đƣợc tiêu chí dẫn điện tốt an toàn mà phƣơng pháp khác chƣa đảm vảo đƣợc 3.6.5 Phƣơng pháp bóc tách Hiện phƣơng pháp bóc tách phƣơng pháp đơn giản sản xuất mẩu graphene tƣơng đối lớn Phƣơng Abhay Shukla cộng trƣờng Đại học Pierre Marie Paris đề xuất Nhóm nghiên cứu vừa chứng minh đƣợc khối graphite gắn kết lên thủy tinh borosilicate tách để lại lớp graphene chất Phƣơng pháp “bóc tách” thông dụng dùng để sản xuất graphene có ích việc tạo nguyên mẫu dụng cụ cỡ nhỏ, nhƣng phƣơng pháp khiến cho áp dụng cách thức quy mô lớn giữ đƣợc chất lƣợng cao mẫu Các nhà nghiên cứu sử dụng kĩ thuật gọi gắn kết dƣơng cực, gắn dính chất dẫn chất bán dẫn lên chất thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ dẫn ion chất Điều có nghĩa không cần đến chất kết dính Phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp vi điện tử để gắn kết bánh xốp silicon với thủy tinh Kĩ thuật chƣa đƣợc thử nghiệm chất phân lớp, kiểu nhƣ graphene, có lẽ chúng không bám dính mà bị tách ra, có lớp vài ba lớp nguyên tử gắn kết với chất nền, khối chất bóc tách Vì mẫu đƣợc gắn kết với chất thủy tinh rắn chắc, cách tạo đƣợc mẩu diện tích bề mặt lớn có chất lƣợng cao theo kiểu hiệu đơn giản Phƣơng pháp sử dụng cho chất phân lớp khác Từ trƣớc đến nay, nhà nghiên cứu sản xuất đƣợc mẩu kích cỡ milimet, nhƣng họ nói cải thiện tỉ lệ 3.6.6 Chế tạo graphene lóe sáng đèn flash Khi chiếu camera flash vào graphite oxit đủ để tạo graphene Quá trình sử dụng để khuôn graphene phức tạp tích hợp vào mạch điện tử gốc cacbon nhanh linh hoạt Một bùng phát ngắn ngủi ánh sáng thực phản ứng mili giây Điều then chốt tiến trình hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối xung lƣợng biến đổi thành nhiệt graphite oxit Xung lƣợng phát từ camera flash gây cảm ứng “vụ nổ nano” màng graphite-oxit Sự biến đổi xảy nhanh đến mức màng chất phồng lên giãn đến hai bậc độ lớn Các graphite oxit xám, suốt, bị đen nở ra, tiếng bốp to Vật liệu màu đen thu đƣợc– thủng kiểu tổ ong phần khối lƣợng riêng graphite Phân tích thêm cho thấy vật liệu cấu thành từ graphene trật tự giá cách với Có thể thêm hạt nano plastic vào khối graphite oxit đó, cho hỗn hợp bị chiếu ánh sáng flash, hạt hợp với kiểu nhƣ giọt chất lỏng, khóa miếng graphene thành vật liệu composite dai Vì trình sản xuất sạch, nhanh đơn giản, nên việc sản xuất graphene quy mô công nghiệp qua trình Một thách thức tồn gắn graphene lên bề mặt silicon thủy tinh cho thiết kế vi mạch Ngƣời ta sử dụng graphite oxit cách điện để chế tạo mạch điện sau biến đổi thành graphene dẫn điện với lóe sáng đèn flash Ngoài ra, mặt nạ cản sáng đƣợc sử dụng để tạo khuôn mẫu graphene phức tạp Để phát triển nghiên cứu này, nhà khoa học có kế hoạch sử dụng trình chế tạo mạch điện cấp độ nano, nhƣng tiến trình không đơn giản có liên quan đến lƣợng nhỏ vật liệu nhiệt phát sinh xung sáng tiêu tan nhanh để kích ngòi cho phản ứng 3.7 Ứng dụng Graphene 3.7.1 Graphene: chất bán dẫn điều chỉnh tốc độ đóng mở siêu nhanh Một nghiên cứu trƣờng đại học Maryland electron graphene di chuyển nhanh 100 lần so với electron Si Nghiên cứu sử dụng graphene tạo transistor nhỏ giới, dày nguyên tử rộng 10 nguyên tử Tỉ lệ đƣợc xác định phép đo độ linh động electron Chúng thể hiệu ứng điện trƣờng lƣỡng cực mạnh với nồng độ electron lỗ trống lên đến 1013 cm-2 Độ linh động 15000 cm-2 V-1 s-1, thỏa mãn điều kiện tốc độ thiết bị nhƣ transistor mở đóng (hình 3.20) Theo nghiên cứu này, tƣơng lai thiết bị điện tử công nghệ máy tính dựa sở Si chuyển thành công nghệ dựa sở graphene, cho công nghệ phức tạp tinh xảo nhƣ máy thu tần suất cao 3.7.2 Graphene: màng mỏng dẫn điện suốt Với màng graphene dày khoảng 10 nm, độ dẫn cao 550 S/cm độ truyền qua 70% khoảng 1000-3000 nm, màng graphene đƣợc sử dụng nhƣ điện cực cửa sổ pin mặt trời nhạy màu trạng thái rắn Graphene đƣợc nghiên cứu thành công việc ứng dụng vào OLED (hình 3.21) Graphene giúp sản xuất OLED rẻ hơn, OLED sản xuất bề mặt plastic dẻo, diện tích lớn, giá thành thấp cuộn lại giống giấy dán tƣờng gần nhƣ đặt nơi muốn 3.7.3 Graphene: sensor Các nhà khoa học giới sử dụng vật liệu mỏng giới để tạo sensor dò đơn phân tử số chất khí (hình ) Sự phát triễn sensor dựa graphene đƣợc dùng để dò vật liệu nổ bị dấu sân bay hay khí carbon monoxide độc chết ngƣời nhà Họ tìm thấy graphene nhạy với xuất cùa lƣợng không đáng kể chất khí nhƣ rƣợu cacbon monoxide Điều đƣợc quan sát rõ ràng thay đổi điện trở graphene phân tử gắn phân tử lên bề mặt 3.7.4 Graphene: nhà máy điện Một đội kĩ sƣ nhà khoa học Mỹ cho thấy cách sử dụng graphene nhƣ vật liệu cho việc lƣu trữ lƣợng lớn lƣợng điện phục hồi Hai phƣơng pháp có để lƣu trữ lƣợng điện: pin sạc lại, đƣợc thƣơng mại hóa nhƣng chƣa phổ biến; siêu tụ điện đƣợc sử dụng để tích tụ lƣợng khoảng rộng ứng dụng tích trữ đƣợc sử dụng cho chúng nhƣ nguồn lƣợng pin pin nhiên liệu Một vài thuận lợi siêu tụ điện so với thiết bị lƣu trữ điện cổ truyền (nhƣ pin) bao gồm: lƣợng tích trữ cao hơn, thời gian sống dài hơn, thang nhiệt độ sử dụng rộng hơn, sáng hơn, đóng gói linh hoạt yêu cầu bảo quản KẾT LUẬN Với cấu trúc màng mỏng có bề dày nguyên tử, graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ thú vị Graphene mở tiềm nghiên cứu khoa học thang vi mô Cấu tạo graphene đơn giản nhƣng để tạo đƣợc không đơn giản chút Với lớp graphene đơn lớp khe vùng lƣợng nên gây trở ngại cho việc ứng dụng vào thực tiễn Tuy nhiên lớp kép graphene lại có tính chất đặc biệt độ rộng vùng cấm thay đổi điện trƣờng Trƣớc nhà khoa học cho độ rộng vùng cấm chất bán dẫn cố định, thay đổi đƣợc Nhƣng với tính chất đặc biệt lớp kép graphene mở tầm nhìn hƣớng nghiên cứu cho vật lý bán dẫn Graphene đạt đƣợc nhiều thành tựu gần năm 2009 nên khoa học công nghệ giới vạch ứng dụng tƣơng lai nghiên cứu để biến thành thực Đặc biệt công nghệ điện tử tiến đến giới hạn cuối kích thƣớc thiết bị điện tử Silic chất bán dẫn đƣợc sử dụng nhiều công nghệ điện tử, nhƣng tạo thiết bị nhỏ Chất bán dẫn graphene đời mở hy vọng cho ngành công nghệ điện tử để thay cho silic Công nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hoàn toàn tƣơng tự nhƣ công nghệ dùng silicon nhƣng để đến đƣợc xuất graphene vi mạch điện tử phải nhiều năm [...]... mỏng chỉ gồm một lớp vật liệu đƣợc chế tạo trên một lớp đế Tính chất của màng đƣợc tạo ra từ lớp vật liệu đó (và có thể ảnh hƣởng bởi tác động từ lớp đế)  Màng đa lớp là màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, đƣợc tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của màng mỏng Thông thƣờng, các màng mỏng để có thể sử dụng đều đƣợc chế tạo trên các lớp đế, là các khối vật liệu đơn tinh thể (ví... ông vua đó là ống nano cacbon” 20 Chƣơng 3: VẬT LIỆU GRAPHENE 3.1 Khái niệm Graphene Graphene có nguồn gốc từ graphit (than chì), nó đƣợc tách ra từ graphit Graphene là một mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thƣớc nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh Dƣới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng của một màng lƣới có Hình 3.1 : Mô phỏng màng graphene bề dày bằng bề dày của một nguyên... xét đến từ trƣờng ngoài, tƣơng tác spin…thì mới cần phân biệt 2 điểm này 3.4 Tính chất của Graphene 3.4.1 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 thƣờng và bằng 1/200000 sợi tóc Theo Geim, mắt ngƣời không thể nhìn thấy màng graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này Dƣới kính hiển... màu hồng và graphene thì mang màu hồng rất nhạt, một màng graphene trong suốt chỉ dày một nguyên tử 3.4.2 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 thƣờng graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu nhƣ không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt Bản thân graphene. .. so sánh với thép, graphene nhẹ hơn 6 lần, tỉ trọng thấp hơn 5-6 lần, cứng hơn gấp 2 lần và độ co dãn tốt hơn 10 lần Ngoài ra graphene có độ chịu uốn cao hơn thép 13 lần 3.4.4 Graphene cứng hơn cả kim cƣơng: Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thƣờng 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 nhƣ... trong phần căng cao độ nhất của màng graphene Hiện nay, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã đo đƣợc độ cứng thực chất của graphene, và họ khẳng định rằng đây là loại vật liệu cứng nhất từng đƣợc kiểm tra Jeffrey Kysar và James Hone, Giáo sƣ 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... trong graphene làm giảm tính linh động Dao động của các nguyên tử silicon đioxit bản thân chúng cũng đã có thể có ảnh hƣởng đến graphene thậm chí còn lớn hơn ảnh hƣởng từ dao động nguyên tử của chính nó Nhƣng 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 29 3.5 Phân loại graphene 3.5.1 Graphene đơn Graphene. .. hiện - Cấu trúc và sự gắn kết của graphene giúp cho nó bền vững và trong suốt nhƣ kim cƣơng nhƣng cũng có thể tạo ra điện – điều mà kim cƣơng không thể làm đƣợc Chất liệu này thật lý tƣởng cho các thiết bị điện 3.6.2 Nhƣợc điểm của Graphene - Do khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng graphene trong cuộc sống hàng ngày vẫn còn hạn chế - Graphene tinh khiết là vật liệu có độ rộng vùng cấm bằng không... của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối Hiện nay màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn với nhiều khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày và trong sản xuất Cấu trúc của màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, có thể mang cấu trúc của vật liệu nguồn, hoặc có thể thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế... phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh 3.4.3 Độ bền của graphene Graphene là chất liệu bền nhất trên thế giới, theo những thí nghiệm mới đƣợc thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại trƣờng đại học Columbia ở Mĩ Bí mật với độ bền ngoại hạng của vật liệu, theo lời đội nghiên cứu, nằm ở sức mạnh của liên kết cacbon-cacbon và thực tế thì các đơn lớp graphene kiểm tra không có khiếm khuyết Sức bền nội tại ... khoa học nghiên cứu Vật liệu graphene lĩnh vực khoa học nƣớc ta Đó lí định chọn đề tài này: Tìm hiểu vật liệu Graphene Mục đích nghiên cứu: Những nghiên cứu dự báo loại vật liệu đƣợc nhà khoa... khoa học nghiên cứu Vật liệu Graphene lĩnh vực khoa học nƣớc ta Đó lí định chọn đề tài này: Tìm hiểu vật liệu Graphene Mục đích nghiên cứu: Những nghiên cứu dự báo loại vật liệu đƣợc nhà khoa... Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu tài liệu, với hƣớng dẫn tận tình thầy giáo – T.S Bùi Xuân Chiến với đề tài: Tìm hiểu vật liệu Graphene hoàn thành đƣợc nội dung sau:  Đã tìm hiểu đƣợc cấu