MỞ ĐẦU 2 1. Lý do chọn đề tài 2 2. Phạm vi nghiên cứu 4 3. Phương pháp nghiên cứu 4 NỘI DUNG 4 1. Cấu trúc Graphene 4 2. Cấu trúc màn mỏng 5 3. Phân loại Graphene 6 3.1. Graphene đơn 6 3.2. Graphene kép 7 3.3. Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) 12 4. Các phương pháp chế tạo Graphene. 13 4.1. Phương pháp chemical exfoliation 13 4.2. Phương pháp micromechanical cleavage …………………13 4.3. Phương pháp băng keo Scotch 13 4.4. Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp 14 4.5. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi 14 4.6. Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn 15 4.7. Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm 15 4.8. Phương pháp bóc tách 15 4.9. Gắn kết dương cực trên nền thủy tinh.. 16 4.10. Chế tạo Graphene trong một lóe sáng đèn flash…………16 KẾT LUẬN 22
Đề tài: Chất bán dẫn Graphene MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài 2 Phạm vi nghiên cứu .4 Phương pháp nghiên cứu .4 NỘI DUNG .4 Cấu trúc Graphene .4 Cấu trúc mỏng Phân loại Graphene 3.1 Graphene đơn .6 3.2 Graphene kép .7 3.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) 12 Các phương pháp chế tạo Graphene .13 4.1 Phương pháp chemical exfoliation .13 4.2 Phương pháp micromechanical cleavage …………………13 4.3 Phương pháp băng keo Scotch 13 4.4 Ma sát cột graphite lên bề mặt silicon xốp 14 4.5 Cho phân tử hydrocacbon qua bề mặt iridi 14 4.6 Phương pháp tổng hợp graphene diện tích lớn 15 4.7 Kết hợp siêu âm tách lớp ly tâm 15 4.8 Phương pháp bóc tách 15 4.9 Gắn kết dương cực thủy tinh 16 4.10 Chế tạo Graphene lóe sáng đèn flash…………16 KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Đề tài: Chất bán dẫn Graphene MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nền khoa học công nghệ giới phát triển cách nhanh chóng nước phát triển Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga Sự phát triển khoa học công nghệ đem lại diện mạo cho sống người công nghệ điện tử viễn thông Hiện giới hình thành khoa học cơng nghệ mới, có nhiều triển vọng dự đốn có tác động mạnh mẽ đến tất lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật đời sống kinh tế- xã hội kỷ 21 Đó khoa học công nghệ nano Hiện nay, công nghệ điện tử truyền thống tiến đến giới hạn cuối kích thước thang vi mơ, khoa học công nghệ nano đời mở hướng nghiên cứu cho ngành điện tử với linh kiện với kích thước nano Theo dõi phát triển khoa học cơng nghệ, vào cuối năm, tạp chí ScienceMag (Mỹ) điểm lại kiện khoa học giới năm chọn 10 kiện bật nhất, đặc biệt chọn kiện lớn gọi Bước đột phá năm Theo tạp chí bước đột phá khoa học năm 2009 việc nhà khoa học quốc tế phát xương có niên đại 4,4 triệu năm Ethiopia, kiện lại thuộc lĩnh vực: Vật lý, khám phá vũ trụ, y học, liệu pháp gen vật liệu graphene Tâm điểm lĩnh vực công nghệ vật liệu thập kỷ 2000 - 2009 xoay quanh nghiên cứu hai trạng thái cacbon, là, ống nano cacbon graphene Kể từ Hình 1: Màng Graphene phát nghiên cứu vào đầu năm 90 kỷ trước, nhà khoa học nhận định rằng, khơng có mà ống nano cacbon khơng thể làm Sự đóng góp ống nano cacbon ngành công nghiệp mũi nhọn phong phú, từ điện tử, động siêu nhỏ, tới Đề tài: Chất bán dẫn Graphene nhớ, pin lĩnh vực vũ trụ Nhưng nghiên cứu graphene công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu nhanh chóng thu hút quan tâm nhà khoa học, với độ cứng kim cương, loại vật liệu mỏng tất loại vật liệu mà tạo Ngồi ra, tính dẫn điện graphene lý tưởng 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 Nếu sản xuất cải thiện, graphene cách mạng hóa ngành cơng nghệ lượng Hiện nay, lượng mặt trời gió, Hình 2: Cấu trúc 2D graphene gặp khó khăn phương pháp tồn trữ chưa thích nghi Nhiều nhà khảo cứu nghĩ siêu tụ điện graphene giải pháp Từ năm 2004, nhà nghiên cứu Anh tìm cách đơn giản để bóc lớp phân tử dày đơn nguyên tử nguyên tử cacbon khỏi khoanh graphite băng keo Từ tới họ cố gắng nghiên cứu dạng màng mỏng Năm 2009, họ có bước tiến mới, với hàng loạt khám phá, cách thức hiểu biết tảng để tạo mảng graphene rộng biến chúng thành thiết bị Ở Việt Nam nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano khơng lạ mà vấn đề nghiên cứu nhiều Liên tiếp thời gian qua, ngành Khoa học cơng nghệ Việt Nam đón nhận tin vui Tại Hà Nội, nhóm nghiên cứu trẻ thuộc Viện khoa học công nghệ vật liệu thành công cho đời sản phẩm vật liệu ống nano cacbon đa tường Còn Thành Phố Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu thuộc Khu Cơng nghệ Đề tài: Chất bán dẫn Graphene cao chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon Lĩnh vực ống nano cacbon nước ta có thành cơng riêng chất bán dẫn Graphene lĩnh vực nước ta số nhà khoa học nghiên cứu Chất bán dẫn Graphene lĩnh vực khoa học nước ta Đó lí tơi định chọn đề tài này: “Chất bán dẫn Graphene” Phạm vi nghiên cứu Pương pháp chế tạo Graphene và loại hình thù khác cacbon dựa cấu trúc Graphene Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu mạng, số sách - Dịch nghiên cứu tài liệu tiếng Anh NỘI DUNG Cấu trúc graphite (than chì) Than chì hay graphit (được đặt tên Abraham Gottlob Werner năm 1789) dạng thù hình cacbon Than chì có kiến trúc lớp, nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với nguyên tử cacbon bao quanh năm lớp tạo thành vòng cạnh; vòng liên kết với thành lớp vô tận Các lớp liên kết với liên kết Van de Van lớp than chì dễ trượt Đó ngun nhân đặc điểm dễ tách lớp, có tính bơi trơn khơ mà ta thấy lõi bút chì, chổi than Tùy theo cách xếp lớp nhau, than chì có hai dạng tinh thể: Lục phương mặt thoi Trong tinh thể than chì lục phương, nguyên tử cacbon Hình 11: Cấu trúc Graphite (lục phương) Đề tài: Chất bán dẫn Graphene lớp không nằm nguyên tử cacbon lớp mà nằm nguyên tử cacbon lớp nữa, nghĩa lớp thứ trùng với lớp thứ 3, thứ Và lớp thứ trùng với lớp thứ 4, lớp thứ Trong tinh thể than chì mặt thoi nguyên tử cacbon lớp thứ nằm nguyên tử cacbon lớp thứ 4, lớp thứ Kích thước đơn vị tinh thể a = b = 245,6 pm, c = 669,4 pm Độ dài liên kết cacbon-cacbon 141,8 pm, khoảng cách lớp c = 334,7 pm Cấu trúc màng mỏng Màng mỏng hay nhiều lớp vật liệu 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 đường tự trung bình điện tử (cỡ 10 đến 100 nm) chiều dài tương tác tính chất màng mỏng hồn tồn 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 thước nanomet, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số ngun 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 thước Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 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 chế tạo lớp đế Tính chất màng tạo từ lớp vật liệu (và ảnh hưởng tác động từ lớp đế) Màng đa lớp màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, tạo nhằm thay đổi tính chất màng mỏng Thơng thường, màng mỏng để sử dụng 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 phát triển từ cuối kỷ 19, thời điểm tại, có nhiều phương pháp dùng tùy theo mục đích điều kiện kinh tế, kỹ thuật Phân loại Graphene 3.1 Graphene đơn Graphene mạng tinh thể hai chiều dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành Hình 12: Edwin Herbert Hall từ nguyên tử cacbon cạnh Mỗi nguyên tử cacbon liên kết với nguyên tử xung quanh liên kết cộng hóa trị chặt Hình 31: Cấu trúc tinh thể Graphene Hình 32: Hình ảnh hiển vi quang học lớp Graphene đơn chẽ, tạo màng mỏng có cấu trúc 2D gồm nguyên tử cacbon xếp theo hình lục giác bền vững Lá Graphene dày nguyên tử Nó mang đặc tính chất bán dẫn kim loại Sơ đồ cấu trúc vùng lượng có độ rộng vùng cấm Đỉnh vùng hóa trị đáy vùng dẫn trùng hình 33 Đề tài: Chất bán dẫn Graphene Graphene đơn lớp dạng tinh thể hai chiều cácbon, có độ lưu động electron phi thường có đặc điểm lạ kỳ khiến cho vật liệu hứa hẹn lĩnh vực điện tử quang lượng tử cỡ nano Nhưng chúng có nhược điểm, khơng có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng graphene lĩnh vực điện tử Vì Hình 33: Cấu trúc vùng lượng Graphene đơn khơng có khe vùng nên màng đơn lớp Graphene không xem chất bán dẫn Nếu có khe vùng, nhà khoa học chế tạo transistor hiệu ứng trường graphene hiệu 3.2 Graphene kép 3.2.1 Cấu tạo Gồm graphene đơn xếp chồng lên có chiều dày kích thước lớp nguyên tử Khi xếp lớp Graphene chồng lên xảy hai trường hợp: - Đối xứng: Các nguyên tử cacbon hai màng đối xứng qua mặt phẳng phân cách hai lớp Cấu trúc vùng lượng hình 34 - Khơng đối xứng: Các Hình 34: Cấu trúc vùng lượng lớp kép Graphene có cấu trúc đối xứng (hình màu xanh) Hình 35: cấu trúc vùng lượng lớp kép Graphene khơng đối xứng (hình màu xanh) ngun tử cacbon hai màng không đối xứng qua mặt phẳng phân cách hai lớp Cấu trúc vùng lượng hình 35 Lớp kép chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng lượng Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 3.2.2 Tính chất đặc biệt- độ rộng vùng cấm thay đổi Graphene đơn lớp có độ lưu động electron phi thường có đặc điểm lạ kỳ khiến cho vật liệu hứa hẹn lĩnh vực điện tử quang lượng tử cỡ nano Nhưng có nhược điểm khơng có khe vùng (tức độ rộng vùng cấm), làm hạn chế việc sử dụng graphene lĩnh vực điện tử Nhưng lớp kép Graphene khắc phục nhược điểm Độ rộng khe lượng vùng hóa trị vùng Hình 36: Hình ảnh hiển vi quang học lớp Graphene kép dẫn (độ rộng vùng cấm) thay đổi cách đơn giản cách đặt điện trường nhiệt độ phòng Kết nhóm nghiên cứu Antonio Castro (Đại học Boston, Hoa Kỳ) với đồng nghiệp Mỹ, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha Anh quốc vừa đưa Physical Review Letters Đây loại vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm thay đổi Khe vùng kiểm sốt cách xác từ tới 250 mili-electron vôn Dưới tác dụng điện trường tạo chênh lệch điện tử mang điện tích âm lớp lỗ trống mang điện tích dương lớp lại Các điện tử lỗ trống cặp đôi với nhau, tạo chuẩn hạt, mà hành vi chúng khác hẳn so với hạt riêng lẻ Một Hình 37: Cấu trúc tinh thể lớp kép Graphene đặc tính riêng điện tử lỗ trống graphene chúng di chuyển vật liệu giống chúng khơng có khối lượng nghỉ, hay nói cách khác chúng tạo cho vật liệu có độ dẫn tốt Tuy nhiên, chuẩn hạt Đề tài: Chất bán dẫn Graphene lại có lượng nghỉ, khối lượng dẫn đến việc tạo khe lượng mà chúng phải vượt qua trước dòng điện truyền qua Lớp graphene đính phiến silicon ơxi hóa hiệu điện ngồi đặt vào Si điện cực bên lớp graphene Một từ trường đặt lên lớp đôi này, tạo cho chuẩn hạt di chuyển quỹ đạo hình tròn, tạo hiệu ứng cộng hưởng cyclotron Chu kỳ cộng hưởng phụ thuộc vào khối lượng chuẩn hạt Khối lượng cyclotron (mc) tăng hiệu điện tăng từ đến 100 V, lúc khe lượng thay đổi từ đến 150 meV Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 10 Xét mạng hình lục giác gồm ngun tử Cacbon đỉnh, theo mơ hình điện tử liên kết mạnh mạng kép electron dịch chuyển sang vị trí bên cạnh gần Gọi a khoảng cách hai hạt hình 38, t lượng tương tác hai hạt gần nhất, t lượng tương tác hai cacbon giống hai lớp (hình 37) Với a �2, 46 A Khi chưa đặt điện trường vào lớp kép Graphene ta thu phổ lượng đường đứt nét không bị lệch, cấu trúc điện tử gần điểm Dirac, độ rộng ke vùng Khi ta đặt điện trường V g xuất khe vùng có độ rộng là: g e 2Vg 2t2 t2 e 2Vg Khi ta thay đổi Vg giá trị khe vùng thay đổi theo Năng lượng khe vùng khơng phụ thuộc vào Vg mà phụ thuộc vào n (mật Hình 39: Sự xuất khe vùng có điện Hình 41: Độ ngồi rộng khe vùng trường phụ thuộc vào điện trường mật độ hạt dẫn độ hạt dẫn) Kết thu hình 40 Ứng với khe vùng ba đường cắt điểm có mật độ quanh 23.1012 cm-2 Đường liền nét Hình 38: ô mạng Graphene đường chấm tròn tương ứng với giá trị t 0, 2eV t 0, 4eV Kết hợp hai trường hợp, thay đổi điện trường mật độ hạt dẫn ta thu đồ thị phụ thuộc độ rộng khe vùng hình 41 Độ rộng khe vùng hàm n (mật độ hạt dẫn) V g Đường liền nét đường đứt nét tương ứng với lớp kép lọc không lọc tạp chất Đường xanh thẳng ứng với trường hợp khe vùng bé so với khoảng cách hai lớp kép g t Người ta dự đoán g : t điện áp lớn Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 11 Với lớp kép Graphene pha tạp Kali, ta đặt điện trường vào, thay đổi mật độ hạt dẫn độ rộng khe vùng thay đổi theo Khi tăng nồng độ hạt pha tạp lên độ rộng khe vùng giảm dần đến vị trí khe vùng không, ta tiếp tục tăng nồng độ pha tạp lên độ rộng khe vùng lại tăng lên Sự đóng mở khe vùng tính chất đặc biệt chất bán dẫn Hình 40: Sự phụ thuộc độ rộng khe vùng vào mật độ hạt Việc tạo xác định khe vùng graphene lớp kép khó khăn Muốn thực thành cơng phải làm hai việc sau: trước tiên xây dựng thiết bị lớp kép hai cổng, cho phép điều chỉnh cách độc lập khe vùng điện tử kích thích tích điện Thiết bị transistor hiệu ứng trường cổng đơi điều khiển dòng electron từ nguồn tới ống dẫn điện trường hình thành điện cực cổng Thứ hai đo khe vùng việc truyền quang học, truyền chùm tia xincrotron mạnh, hội tụ graphene, lớp xuyên qua thiết bị Khi điều chỉnh Hình 42: Tiến trình đóng mở khe vùng lượng lớp kép Graphene pha tạp Kali điện trường cách làm thay đổi cách xác điện áp điện cực cổng, đo mức biến thiên ánh sáng bị hấp thụ lớp graphene cổng Sự hấp thụ cao quang phổ đưa phương thức đo trực tiếp khe vùng điện áp cổng Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 12 Các kết đo thu cho thấy cách điều khiển độc lập điện áp hai cổng điều khiển hai thơng số quan trọng, kích thước khe vùng mức độ kích thích graphene lớp kép Về tạo chất bán dẫn ảo Ở chất bán dẫn thông thường, độ rộng vùng cấm có hạn, cố định cấu trúc tinh thể vật liệu Tuy nhiên, graphene lớp kép, khe vùng thay đổi điều khiển điện trường Mặc dù graphene lớp kép ngun gốc có khe vùng khơng dẫn điện kim loại, graphene lớp kép cổng có khe vùng lớn tới 250 mili-electron vơn Vật liệu bán dẫn sử dụng để tạo transistor, laser linh kiện khác với tính chất điều chỉnh dễ dàng, nhiều so với vật liệu bán dẫn Si Một chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm điều chỉnh Hình 43: Cấu trúc dải mẫu graphene mọc ghép đa lớp hiệu điện từ bên ngồi dẫn tới việc tạo loạt linh kiện điện tử kiểu mới, hay đáng kể laser có bước sóng điều chỉnh với độ xác tuyệt vời Chất bán dẫn graphene sử dụng để tạo loại transistor mới, hay loại laser cảm biến phân tử mà cần sử dụng thay đổi độ rộng vùng cấm để điều chỉnh tính chất Thuộc tính kết hợp với graphene có kích thước nhỏ, độ bền học cao, độ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt khiến cho trở nên hấp dẫn để thay chất bán dẫn kinh điển Si 3.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm lớp graphene xếp chồng lên (lớn lớp) theo kiểu cho lớp độc lập mặt điện tử học Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 13 Quan sát hình 43 ta thấy ba “hình nón” từ ba lớp graphene mẫu MEG Người ta nuôi lớp graphene từ chất silicon carbide theo kiểu cho lớp quay 30 độ so với lớp bên MEG khác với graphite chỗ lớp quay 60 độ so với lớp bên Thực tán xạ tia X quang phổ quang phát xạ phân giải góc (ARPES) mẫu MEG với 11 lớp graphene để đo cấu trúc điện tử Thì lượng electron phần định cấu trúc dải tỉ lệ với động lượng nó, electron giống hạt khơng có khối lượng Cấu trúc dải tuyến tính hồn hảo này, gọi hình nón Dirac, chưa đo rõ ràng trước mẫu graphene khác Sử dụng ARPES khơng có biến dạng hình nón Đirac, nên có kết luận khơng có ghép cặp electron với lớp khác mẫu lớp cách li mặt điện tử Các phương pháp chế tạo Graphene Có nhiều cách để chế tạo Graphene khó khăn chi phí cao Các nhà khoa học nghiên cứu để tìm phương pháp chế tạo Graphene đơn giản, tốn kém, tạo diện tích lớn đưa vào sản xuất hàng loạt công nghiệp Trong tiểu luận tơi trình bày sơ lược số phương pháp nhà khoa học dùng để tạo Hình 44: Graphene xếp tầng bề mặt chất silicone carbide chụp với kính hiển vi lực nguyên tử Graphene từ khám phá phương pháp 4.1 Phương pháp chemical exfoliation Trước tìm graphene, nhà khoa học nhiều lần thất bại cố tách miếng mỏng graphene từ graphite Ban đầu, người ta dùng Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 14 thủ thuật hóa học gọi chemical exfoliation – tức chèn nhiều phân tử hóa học vào phiến graphene để tách Tuy nhiên mà họ có mảng nhọ nồi Từ khơng dùng kĩ thuật để lấy graphene 4.2 Phương pháp micromechanical cleavage Sau thất bại với phương pháp chemical exfoliation nhà khoa học áp dụng kĩ thuật trực tiếp hơn, gọi micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành miếng mỏng cách nạo chà graphite vào mặt phẳng khác, từ gỡ miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử Bằng cách năm 1990, nhà vật lý người Đức RWTH Aachen Univrsity lấy miếng graphite mỏng đến độ suốt Khoảng 10 năm sau đó, khơng có tiến đáng kể Mặc dầu họ lấy miếng mỏng khoảng vài mươi nguyên tử, miếng graphite mỏng, khơng phải graphene Lúc đó, khơng nghĩ graphene diện thiên nhiên 4.3 Phương pháp băng keo Scotch Graphene nhóm giáo sư Geim tổng hợp từ graphite năm 2004 Việc khám phá cách chế tạo graphene câu chuyện hy hữu lịch sử khoa học, xuất phát từ cuộn băng keo Tiến sĩ Geim đặt mảnh graphite lên miếng băng keo đặc biệt, dán hai đầu lại với nhau, mở băng keo Cứ làm nhiều lần miếng graphite trở nên thật mỏng Qua đó, mảnh graphite tách lớp một, ngày mỏng, sau người ta hòa chúng vào acetone Trong hỗn hợp thu có đơn lớp cacbon dày nguyên tử Một miếng graphite dày nguyên tử khơng thể nhìn thấy được, tiến sĩ Geim thấy miếng graphite tạo cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ Đến nay, quan sát kính Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 15 hiển vi, qua màu sắc, nhà nghiên cứu biết độ dày miếng graphite 4.4 Ma sát cột graphite lên bề mặt silicon xốp Nhóm nhà nghiên cứu dẫn đầu Rodney Ruoff, giáo sư kỹ thuật nano Đại học Northwestern, báo cáo ơng ma sát cột graphite nhỏ bé lên bề mặt silicon xốp, khiến chúng trải dài chồng Ông đề nghị kỹ thuật sản sinh graphene đơn lớp, ơng xác định bề dày lớp Philip Kim, giáo sư vật lý Columbia, đạt kết tương tự làm “viết chì nano”, gắn tinh thể graphite lên đỉnh kính hiển vi lực nguyên tử di chuyển theo bề mặt Ông tìm cách tách graphite thành mảnh nhỏ Nhưng mảnh đó, mỏng khoảng phần tỷ mét, vậy, bao gồm 10 lớp nguyên tử 4.5 Cho phân tử hydrocacbon qua bề mặt iridi Giáo sư Dario Alfc TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Trái đất, Đại học London, người cố gắng tìm hiểu mơ tả chế hình thành graphene phương pháp sản xuất đặc biệt Đó cho phân tử hydrocacbon qua bề mặt iridi (Ir) làm nóng khoảng từ 30 0C đến 10000C Khi tiếp xúc với bề mặt này, phân tử hydrocacbon giải phóng ngun tử H, ngun tử C bám vào bề mặt Ir tập trung thành kết cấu nano Những kết cấu nano phát triển thành mảng graphene hoàn chỉnh Giáo sư Alfc cho biết phương pháp phát triển graphene nhiều người biết đến nhiên chưa giải thích chế thực từ bề mặt bao phủ cacbon đến mảng graphene 4.6 Phương pháp tổng hợp graphene diện tích lớn Đó việc liên kết miếng nhỏ mặt phẳng để tạo thành dải có dạng cuộn phim Cái khơng gọi tổng hợp mà cắt Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 16 graphene thành mảnh ráp chúng lại mà Cách làm đưa chất xúc tác vào để diện tích lớp màng graphene nở rộng Cơng nghệ đáp ứng tiêu chí dẫn điện tốt an toàn mà phương pháp khác chưa đảm bảo 4.7 Kết hợp siêu âm tách lớp ly tâm Trong phương pháp này, graphite thương mại (đã acid hoá HNO3 H2SO4) tách lớp 1000 0C hỗn hợp khí Ar+3%H3 Sản phẩm phân tán dung dịch 1,2-dichloroethane + poly(mphenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách lớp graphene Cuối ly tâm để thu sản phẩm 4.8 Phương pháp bóc tách Hiện phương pháp bóc tách phương pháp đơn giản sản xuất mẩu graphene tương đối lớn Phương Abhay Shukla cộng trường Đại học Pierre Marie Paris đề xuất Nhóm nghiên cứu vừa chứng minh khối graphite gắn Hình 45: Từ trước vào: Adrian Balan, Rakesh Kumar, Abhay Shukla kết lên thủy tinh borosilicate tách để lại lớp graphene chất Phương pháp “bóc tách” thơng dụng dùng để sản xuất graphene có ích việc tạo nguyên mẫu dụng cụ cỡ nhỏ, phương pháp khiến cho áp dụng cách thức quy mô lớn giữ chất lượng cao mẫu 4.9 Gắn kết dương cực thủy tinh Gắn kết dương cực gắn dính chất dẫn chất bán dẫn lên chất thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ dẫn ion Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 17 chất Điều có nghĩa khơng cần đến chất kết dính Phương pháp sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp vi điện tử để gắn kết bánh xốp silicon với thủy tinh Kĩ thuật chưa thử nghiệm chất phân lớp, kiểu graphene, chúng khơng bám dính mà bị tách Chỉ có lớp vài ba lớp nguyên tử gắn kết với chất nền, khối chất bóc tách Vì mẩu gắn kết với chất thủy tinh rắn chắc, cách tạo mẩu diện tích bề mặt lớn có chất lượng cao theo kiểu hiệu đơn giản Phương pháp sử dụng cho chất phân lớp khác Từ trước đến nay, nhà nghiên cứu sản xuất mẩu kích cỡ milimét, họ nói họ cải thiện tỉ lệ 4.10 Chế tạo graphene lóe sáng đèn flash Khi chiếu camera flash vào graphite oxit đủ để tạo graphene Q trình sử dụng để khn 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 lượng biến đổi thành nhiệt graphite oxit Xung lượng 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 được– thủng kiểu tổ ong phần khối lượng 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 giọt chất lỏng, khóa miếng graphene thành vật liệu composite dai Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 18 Vì trình sản xuất sạch, nhanh đơn giản, nên việc sản xuất graphene quy mơ cơng nghiệp qua q trình Một thách thức tồn gắn graphene lên bề mặt silicon thủy tinh cho thiết kế vi mạch Người ta sử dụng graphite oxit cách điện để chế tạo mạch điện sau biến đổi thành graphene dẫn điện với lóe sáng đèn flash Ngồi ra, mặt nạ cản sáng sử dụng để tạo khuôn mẫu graphene phức tạp Để phát triển nghiên cứu này, nhà khoa học có kế hoạch sử dụng q trình chế tạo mạch điện cấp độ nano, tiến trình khơng đơn giản có liên quan đến lượng nhỏ vật liệu nhiệt phát sinh xung sáng tiêu tan q nhanh để kích ngòi cho phản ứng Lịch sử đời Graphene dạng hình thù khác Graphene Trải qua nhiều kỉ khai thác, sử dụng nghiên cứu sản phẩm thiên nhiên người biết nhiều nguyên tố hóa học hợp chất Người ta nhận thấy tất hợp chất hữu chứa cacbon cacbon thường chiếm hàm lượng lớn Cacbon có vai trò quan trọng sống người Đặc biệt công nghệ nano tìm dạng đặc biệt cacbon Loại vật liệu nano khám phá từ cacbon Fulơren Hình 22: Ống Nano cacbon tìm vào năm 1985 nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto Sean O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley Fulơren có dạng bóng gồm nguyên tử cacbon liên kết với liên kết cộng hóa trị Ban đầu người ta tìm hạt phân tử lớn cacbon cấu tạo từ 60 ngun tử cacbon C60 Sau người ta tìm phân tử cacbon hình cầu Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 19 có nhiều phân tử cacbon hơn: C70, C70, C84, chí chứa đến hàng trăm nguyên tử Fulơren nhanh chóng trở thành vật liệu nano mới, có nhiều tính chất hóa lí kì lạ Giải Nobel hóa học 1996 trao cho hai nhà khoa học tìm Fulơren Smalley Kroto (được trao nửa giải, lại trao cho Robert Curl) Rồi từ bóng tròn, năm 1991 người ta tìm cách "cuộn" phân tử cacbon thành hình ống gọi "nanotube", tức ống nano cacbon Tiến sĩ Sumio Iijima nghiên cứu viên cơng ty NEC tìm hiểu Fulơren lại tình cờ phát qua kính hiển vi điện tử ống nano cacbon Một ống bớt cồng kềnh bóng mặt thể tích Ống nano cacbon giống Graphite cuộn tròn lại, đường kính vào cỡ nanomet chiều dài dài, cỡ vài trăm micromet, hai đầu ống có hai bóng Flơren úp lại Như mặt ống nano cacbon nguyên tử cacbon liên kết với Hình 23: Ba dạng Cacbon: Fulơren, Ống Nano Cacbon, Graphene chắn liên kết cộng hóa trị, nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon khác, từ tạo thành hình cạnh Ống nano cacbon nhẹ, bền thép 100 lần Về tính chất điện, từ, nhiệt, ống nano cacbon có nhiều đặc điểm kì lạ Fulơren Liên tiếp thời gian qua, ngành Khoa học cơng nghệ Việt Nam đón nhận tin vui Tại Hà Nội, nhóm nghiên cứu trẻ thuộc Viện khoa học công nghệ Vật liệu thành công cho đời sản phẩm vật liệu ống nano cacbon đa tường Phải tới năm nghiên cứu thử nghiệm, nhóm nhà khoa học trẻ thuộc Phòng Nghiên cứu vật liệu Công nghệ linh kiện (Viện Khoa học công nghệ Vật liệu) chạm vào cánh cửa thành công Tác giả Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 20 cơng trình nghiên cứu thuộc nhà khoa học trẻ hệ 8X gồm Nguyễn Văn Chúc, Phan Ngọc Hồng Bùi Hùng Thắng Năm 2004, nhóm bắt đầu nghiên cứu vật liệu ống nano cacbon Sau gần năm miệt mài, nhóm nghiên cứu thu hoạch sản phẩm Kết thử máy chuyên dụng cho thấy sản phẩm nano cacbon đường kính từ 810nm, chiều dài từ 5- 10µm độ đạt 95% Sau thành công ban đầu khoa học công nghệ Việt Nam lại tiếp tục đón nhận tin vui Tại Thành phố Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu thuộc Khu Công nghệ cao chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon Tiến Sĩ Nguyễn Chánh Khê cộng Trung tâm Nghiên cứu Phát triển khu Cơng nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh cho đời sản phẩm ống nano cacbon Điểm đặc biệt thành công nguyên liệu nghiên cứu, chế tạo sản xuất lại loại dễ kiếm ngun liệu Việt Nam mía, dó bầu, tầm vông Đặc biệt, thành công Tiến Sĩ Khê sản xuất ống nano cacbon hơn, với giá thành rẻ thành phần pha tạp Bây ống nano dàn mỏng tờ giấy Cũng phân tử cacbon ấy, nhà khoa học tìm cách dàn mỏng chúng thành lớp cacbon mỏng, mỏng, chiều dày lớp phân tử nguyên tử Dưới kính hiển vi điện tử, lớp phân tử cacbon có hình dáng Hình 24: Màng graphene màng lưới Cái màng lưới mỏng cacbon gọi graphene Loại chất liệu thu hút nhiều ý cộng đồng khoa học cơng ty chế tạo máy móc điện tử Bắt đầu vào thập niên 1970, nhà khoa học phát triển lớp graphene phòng thí nghiệm Lớp graphene tạo phòng thí Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 21 nghiệm nhỏ nên xem xét được, nhà nghiên cứu không thông thạo nhiều thủ thuật cần thiết để đẩy nhẹ lớp graphene đơn khỏi chồng graphite thiên nhiên Năm 1990, nhà vật lý người Đức RWTH Aachen Univrsity lấy miếng graphite mỏng đến độ suốt Khoảng 10 năm sau đó, năm 2000 khơng có tiến đáng kể Mặc dầu họ lấy miếng mỏng khoảng vài mươi nguyên tử, miếng graphite mỏng, khơng phải graphene Lúc đó, khơng nghĩ graphene diện thiên nhiên Từ năm 2004, nhà nghiên cứu Anh dẫn đầu Andre Konstantin Geim tìm cách đơn giản để bóc lớp đơn nguyên tử nguyên tử cacbon khỏi khoanh graphite Andre Konstantin Geim sinh năm 1958 Sochi (Nga), theo học ngành Vật lý Moskva bảo vệ Hình 25: Ơng Andre Konstantin Geim thành công luận án tiến sĩ Viện Vật lý chất rắn Chernogolovka, năm 1987 Sau thời gian nghiên cứu Anh Đan Mạch, năm 1994, ông trở thành giáo sư thỉnh giảng Đại học Nijmegen (Hà Lan) từ năm 2001, Geim dạy Đại học Manchester (Anh) Nhờ tìm vật liệu graphene, ơng trao thưởng Koerber Tòa thị Hamburg (Đức) Đây giải thưởng danh giá châu Âu dành cho nhà khoa học có phát minh quan trọng sáng tạo Từ tới nay, họ cố gắng nghiên cứu dạng màng mỏng Họ có bước tiến mới, với hàng loạt khám phá, cách thức hiểu biết tảng để tạo mảng graphene rộng biến chúng thành thiết bị Các nhà khoa học cho tương lai, graphene nhiều khả thay silicon Đó lý nhà khoa học khắp giới nghiên cứu tìm cách ứng dụng graphene vào Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 22 sống Hiện nay, Graphene chủ đề nghiên cứu nóng bỏng ngành điện tử bán dẫn có tính dẫn điện cao, hết theo đốn với kích thước nhỏ, hiệu hoạt động cao Năm 2009, họ có bước tiến mới, với hàng loạt khám phá, cách thức hiểu biết tảng để tạo mảng graphene rộng biến chúng thành thiết bị Tháng 5/2009, nhà nghiên cứu trường Đại học Texas, Austin, nói họ tạo màng graphene có kích thước lên tới cm cách phát triển chúng đồng mỏng Một nhóm nhà nghiên cứu khác trường Đại học Cornell tạo graphene silicon Hai tiến mở khả tạo hàng loạt thiết bị điện tử dựa graphene Tháng 6/2009, nhà nghiên cứu IBM cho biết họ tạo transistors graphene bật tắt 26 tỷ lần giây, vượt xa thiết bị silicon thông thường Các nhà nghiên cứu Viện Công nghệ Massachusetts tạo dạng thiết bị nhân tần số graphene cho tín hiệu điện tử, đem lại ứng dụng viễn thông Các nhà khoa học rằng, khó thực vi mạch với kích thước nhỏ 10 nanomét giới hạn bắt đầu xuất rò rỉ electron Do đó, nhà khoa học hi vọng đến năm 2020, người tìm thấy vật liệu Hình 26: Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử thay silicon Đến nay, vật liệu graphene mở hi vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản KẾT LUẬN Với cấu trúc màng mỏng có bề dày ngun tử, Graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ thú vị Graphene mở tiềm nghiên Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 23 cứu khoa học thang vi mô Cấu tạo Graphene đơn giản để tạo khơng đơn giản chút Với lớp Graphene đơn lớp khe vùng lượng 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 trường Trước nhà khoa học cho độ rộng vùng cấm chất bán dẫn cố định, khơng thể thay đổi Nhưng với tính chất đặc biệt lớp kép Graphene mở tầm nhìn hướng nghiên cứu cho vật lý bán dẫn Graphene đạt nhiều thành tựu gần năm 2009 nên khoa học công nghệ giới vạch ứng dụng tương lai nghiên cứu để biến thành thực Đặc biệt công nghệ điện tử tiến đến giới hạn cuối kích thước thiết bị điện tử Silic chất bán dẫn sử dụng nhiều cơng nghệ điện tử, khơng thể tạo thiết bị nhỏ Chất bán dẫn Graphene đời mở hy vọng cho ngành công nghệ điện tử để thay cho Silic Cơng nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hồn tồn tương tự cơng nghệ dùng silicon để đến xuất graphene vi mạch điện tử phải nhiều năm Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Đình, Bài giảng Vật lý chất rắn bán dẫn, Đại học sư phạm huế (1999) Trương Minh Đức, Giáo trình Vật lý chất rắn, Đại học sư phạm huế (2010) Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007) Đào Trần Cao, Cơ sở vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007) Nguyễn Quang Báu, Lý thuyết bán dẫn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2004) Hồng Nhâm, Hóa học vơ cơ, tập 2, NXB Giáo Dục (2005) Nguyễn Hữu Đình, Đỗ Đình Rãng, Hóa học hữu cơ, NXB Giáo Dục Việt Nam (2009) Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất trẻ (2008) Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình, Vật lý chất rắn, Nhà xuất giáo dục (1992) 10.Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học công nghệ đại, Nhà xuất giáo dục (2003) 11.Mạng Internet ... dương cực gắn dính chất dẫn chất bán dẫn lên chất thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ dẫn ion Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 17 chất Điều có nghĩa khơng cần đến chất kết dính Phương... Chất bán dẫn Graphene lĩnh vực khoa học nước ta Đó lí tơi định chọn đề tài này: Chất bán dẫn Graphene Phạm vi nghiên cứu Pương pháp chế tạo Graphene và loại hình thù khác cacbon dựa cấu trúc Graphene. .. lượng hình 35 Lớp kép chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng lượng Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 3.2.2 Tính chất đặc biệt- độ rộng vùng cấm thay đổi Graphene đơn lớp có