Giáo trình Graphen & graphen oxit

Giáo trình thông tin đến các bạn những kiến thức về khái niệm graphene, tính chất graphene, các phương pháp chế tạo graphene, ứng dụng của graphene, ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn graphene; giới thiệu graphen oxit, tổng hợp graphen oxit, ứng dụng của graphen oxit.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC - Graphen & graphen oxit ĐỖ DANH QUANG Ngành Hóa Học Chương trình đào tạo chuẩn Hà Nội – 2019 MỤC LỤC I Graphene 1.1 Khái niệm 1.2 Lịch sử 1.3 Cấu trúc 1.4 Phân loại 1.4.1 Graphene đơn lớp 1.4.2 Graphen kép 1.4.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) 1.5 Tính chất Tính chất vật lý Graphene dễ chế tạo dễ thay đồi hình dạng Graphene hồn tồn khơng khơng khí lọt qua Graphene cứng kìm cương Độ bền Graphene Graphene có tính dẫn điện nhiệt tốt 10 Graphene vật liệu mỏng tất vật liệu 10 1.6 Các phương pháp chế tạo Graphene 10 1.6.1 Phương pháp chemical exfoliation 10 1.6.2 Phương pháp micromechanical cleavage 11 1.6.3 Phương pháp băng keo Scotch 11 1.6.4 Ma sát cột graphite lên bề mặt silicon xốp 11 1.6.5 Cho phân tử hydrocacbon qua bề mặt iridi 12 1.6.6 Phương pháp tổng hợp graphene diện tích lớn 12 1.6.7 Kết hợp siêu âm tách lớp ly tâm 12 1.6.8 Phương pháp bóc tách 13 1.6.9 Gắn kết dương cục thủy tinh 13 1.6.10.Chế tạo graphene lóe sáng đèn flash 13 1.7 Ứng dụng 14 Màn hình cảm ứng 14 Dây dẫn điện cực suốt: 15 Chíp máy tính 15 Pin 16 Cảm biến camera 16 FET graphene 16 Làm đế cho mẫu nghiên cứu kính hiển điện tứ truyền qua (TEM) 17 1.8 Ưu điểm nhược điểm chất bán dẫn graphene 18 1.8.1 Ưu điểm 18 1.8.2 Nhược điểm 18 II Graphene oxit 19 2.1 Giới thiệu Graphen oxit 19 2.2 Tổng hợp graphen oxit 20 2.2.1 Phương pháp brodie 20 2.2.2 Phương pháp staudenmeier 20 2.2.3 Phương pháp hummers 21 2.2.4 Phương pháp tour 21 2.3 Ứng dụng 22 2.3.1 Màng lọc nước 22 2.3.2 Xử lý môi trường 22 III Kết luận 23 I Graphene 1.1 Khái niệm  Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), tách từ graphite Graphene mạng tinh thể lục giác hình tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ nguyên tử carbon cạnh Nói cách khác, dạng thù hình carbon với cấu trúc phẳng 2D  Dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng màng lưới có bề dày bề dày nguyên tử carbon  Nếu xếp chồng lên phải cần tới 200.000 lớp độ dày sợi tóc  Có thể xem graphene thành phần tạo nên cấu trúc khác carbon fullerene, carbon nanotube, graphite  Graphene hình dung ống nano dàn mỏng, nguyên liệu phân tử carbon  Trong phịng thí nghiệm tạo phiến graphene có đường kính 25 µm dày 1nm 1.2 Lịch sử Loại vật liệu nano khám phá từ carbon Fullerene tìm vào năm 1985 nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto Scan O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley Fullerene có dạng bóng gồm nguyên tử carbon liên kết với liên kết cộng hóa trị Ban đầu người ta tìm hạt phân tử lớn carbon cấu tạo từ 60 nguyên tử carbon C60 Sau người ta tìm phân tử nhiều phân tử carbon C70, C80 Giải Nobel hóa học 1996 trao cho hai nhà khoa học tìm Fullerene Smalley Kroto Rồi từ bóng trịn, năm 1991 người ta tìm cách “cuộn” phân tử carbon thành hình ống gọi “nanotube”, tức ống nano carbon Tiến sĩ Sumio Iijima phát Carbon nanotube muội than điện cực âm q trình phóng điện hồ quang Bắt đầu thập niên 1970, nhà khoa học phát triển lớp graphene phịng thí nghiệm Từ năm 2004, nhà nghiên cứu Anh dẫn đầu Andre Gein tìm cách đơn giản để bóc lớp đơn nguyên tử nguyên tử carbon khỏi khoanh graphite Năm 2010, Andre Gein Konstantin nhận giải Nobel vật lý Hiện nay, graphene chủ đề nghiên cứu nóng bỏng ngành điện tử bán dẫn có tính dẫn điện cao, hết đốn với kích thước nhỏ, hiệu cao Ơng Nano cacbon 1.3 Cấu trúc Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử • Graphene dạng carbon hai chiều, có cấu trúc lục giác ( giống cấu trúc tổ ong) với nguyên tử C hình thành liên kết σ với nguyên tử C lân cận gần từ điện tử hóa trị Những liên kết cộng hóa trị carbon – carbon gần giống với liên kết kim cương làm cho graphene có tính chất nhiệt giống kim cương Electron hóa trị thứ tư khơng tham gia liên kết cộng hóa trị, trạng thái 2pz định hướng vng góc với graphene hình thành vùng π dẫn Những đặc tính điện đáng ý carbon nanotubes hệ trực tiếp cấu trúc vùng đặc biệt graphene- chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm không Graphite rắn nghiên cứu nhiều thập niên (Kelly 1981), năm gần có thí nghiệm graphene Điều khó khăn việc tách biệt cô lập đơn lớp graphene để nghiên cứu • Màng graphene tạo thành từ nguyên tử carbon xếp theo cấu trúc lục giác mặt phẳng (còn gọi cấu trúc tổ ong) lai hố sp2 Trong đó, nguyên tử C liên kết với ba nguyên tử C gần liên kết tạo xen phủ vân đạo lai s-p, tương ứng với trạng thái lai hoá sp2 Khoảng cách nguyên tử C gần a = 0,142 nm Khoảng cách hai lớp graphene 3- Ȧ Chiều dày graphene 0.35 – 1,0 nm Vân đạo 2pz định hướng vng góc với graphene khơng tham gia vào q trình lai hóa mà xen phủ bên với hình thành nên liên kết π, liên kết khơng định xứ nên hình thành vùng π dẫn tạo nên tính chất điện khác thường graphene 1.4 Phân loại 1.4.1 Graphene đơn lớp  Graphene đơn lớp dạng tinh thể hai chiều carbon, 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 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  Lá graphene dày ngun 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 Cấu trúc vùng lượng Graphene đơn Hình ảnh hiến vi quang học lớp Graphene đơn 1.4.2 Graphen kép  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: nguyên tử carbon hai màng đối xứng qua mặt phẳng phân cách hai lớp  Không đối xứng: nguyên tử carbon hai màng không đối xứng qua mặt phẳng phân cách hai lớp  Lớp kép chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng lượng 1.4.3 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 Cấu trúc dải mẫu graphene mọc ghép đa lớp (ba lớp)  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 Graphene xếp tầng bề mặt chất silicone carbide chụp với kính hiển vi lực nguyên tử 1.5 Tính chất Tính chất vật lý  Ưa dầu – kỵ nước Graphene có cấu trúc đơn lớp nguyên tử, có dạng bao gồm nguyên tử cacbon sp² liên kết với tạo thành mạng lưới tổ ong 2D Điều định nên tính chất graphene vật liệu kỵ nước – thân dầu  Tỉ trọng thấp Ô đơn vị (lục giác) graphene gồm cạnh nguyên tử có diện tích 0.052nm² => Tỉ trọng graphene 0.77mg/m² Với tỉ trọng thấp, graphene có cấu trúc xốp 3D vật liệu nhẹ giúp chúng dễ dàng bề mặt chất lỏng  Diện tích bề mặt Diện tích bề mặt graphen khoảng 2600 m²/g, cao diện tích bề mặt than hoạt tính ống nano cacbon, nên khả hấp phụ graphen lớn Graphene dễ chế tạo dễ thay đồi hình dạng Graphene có cấu trúc mềm dẻo nhu màng chất dẻo bẻ cong, gập hay cuộn lại Nó có nhiều đặc tính ống nano, nhung graphene dễ chế tạo dễ thay đổi ống nano; đuợc sử dụng nhiều việc chế tạo vật dụng cần chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn Các nhà Vật Lý bắt đầu sử dụng graphene phịng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn để thủ nghiệm tượng lượng tử nhiệt độ bình thường Graphene hồn tồn khơng khơng khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản đuợc nhũng phân tủ khí nhỏ nhất, khơng cho chứng lọt qua Phiến màng đơn cấp độ phân tử kết hợp với cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dừng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử Chỉ với luợng nhỏ, graphene có khả bịt kín chặt lỗ thấm lọc Các nhà khoa học phát triển thành công khoang cầu mỏng giới có lớp màng khơng cho phân tử nhỏ khơng khí lọt qua, kể hê-li Graphene cứng kìm cương Graphene có cấu trúc bền vững nhiệt độ bình thường Độ cứng graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với họ chất liệu khác Đây nhờ liên kết cacbon- cacbon graphene vắng mặt khiếm khuyết phần căng cao độ màng graphene Độ bền Graphene Kết cho thấy Graphene bền thép 200 lần Một sợi dây thép dài 28km tự đứt treo theo phương thẳng đứng, sợi dây graphene đứt điều kiện tương tự độ dài l.000km Trong giới khoa học, có người tính chuyện làm “thang máy” chất liệu graphene nối liền trái đất với vệ tinh Ảnh minh họa vết lõm tẩm graphene đơn nguyên tử chụp qua đầu mút kim cương kính hiển lực ngun tử Graphene có tính dẫn điện nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh chất khác nhiệt độ bình thường Graphene truyền tải điện tốt đồng gấp triệu lần Hơn nữa, electron qua graphene không gặp điện trở nên sinh nhiệt Bản thân graphene chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt qua phát tán nhanh Graphene vật liệu mỏng tất vật liệu Graphene có bề dày phần triệu loại giấy in báo thơng thường 1/200000 sợi tóc Theo Geim, mắt người khơng thể nhìn thấy màng graphene có kính hiển vi điện tử tối tân nhận độ dày Dưới kính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon có màu vàng, 3040 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có màu hồng graphene mang màu hồng nhạt, màng Graphene suốt dày nguyên tử 1.6 Các phương pháp chế tạo Graphene Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhung khó khăn chi phí cao Các nhà khoa học nghiên cứu để tìm phuơng pháp chế tạo Graphene đơn giản, tốn kém, tạo diện tích lớn đua vào sản xuất hàng loạt cơng nghiệp Trong tiểu luận tơi trình bày sơ luợc số phuơng pháp đuợc nhà khoa học dừng để tạo Graphene từ đuợc khám phá nhũng phuơng pháp 1.6.1 Phương pháp chemical exfoliation Trước tìm graphene, nhà khoa học nhiều lần thất bại cố tách miếng mỏng graphene từ graphite Ban đầu, nguời ta dừng thủ thuật hóa học gọi chemical exfoliation - tức chèn nhiều phân tử hóa học vào giũa nhũng phiến graphene để tách Tuy nhiên mà họ có đuợc nhũng mảng nhu nhọ nồi Từ khơng dùng kĩ thuật để lấy graphene 1.6.2 Phương pháp micromechanical cleavage Sau thất bại với phuơng pháp chemical exfoliation nhà khoa học áp dụng kĩ thuật trục 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 nguời 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, graphene Lúc đó, khơng nghĩ graphene diện thiên nhiên 1.6.3 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 hịa chứng vào acetone Trong hỗn hợp thu có đơn lớp cacbon dày nguyên tử Một miếng graphite dày ngun tử khơng thể nhìn thấy được, tiến sĩ Geim thấy miếng graphite tạo cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ Đen nay, quan sát kính hiển vi, qua màu sắc, nhà nghiên cứu biết độ dày miếng graphite 1.6.4 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 Ồng đề nghị kỹ thuật sản sinh graphene đơn lớp, ông 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 Ồng tìm cách tách graphite thành mảnh nhỏ Nhưng mảnh đó, mỏng khoảng phần tỷ mét, vậy, bao gồm 10 lớp nguyên tử 1.6.5 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°C đến 1000°C Khi tiếp xúc với bề mặt này, phân tử hydrocacbon giải phóng nguyên tử H, nguyên 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 1.6.6 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 graphene thành mảnh ráp chứng 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 1.6.7 Kết hợp siêu âm tách lớp ly tâm Trong phương pháp này, graphite thương mại (đã acid hoá HNO3 H2SO4) tách lớp 1000°C hỗn hợp khí Ar+3%IỈ3 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 1.6.8 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 kết lên thủy tinh borosilicate tách để lại lớp graphene chất Phương pháp “bóc tách” thơng dụng dừng 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 1.6.9 Gắn kết dương cục 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 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, cịn 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, nhng họ nói họ cải thiện tỉ lệ 1.6.10 Chế tạo graphene lóe sáng đèn flash Khi chiếu camera flash vào graphite oxit đủ để tạo graphene Q trình cịn sử dụng để khn graphene phức tạp tích hợp vào mạch điện tử gốc cacbon nhanh linh hoạt Một bừng phát ngắn ngủi ánh sáng thục phản ứng milli giây Điều then chốt tiến trình hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối xung luợng biến đổi thành nhiệt graphite oxit Xung luợng phát từ camera flash gây cảm ứng “vụ nổ nano” màng graphite-oxit Sụ 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 - thủng kiểu tổ ong phần khối luợng 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 nhu 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 q trình Một thách thức tồn gắn graphene lên bề mặt silicon thủy tinh cho thiết kế vi mạch Nguời 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 đuợc sử dụng để tạo nhũng khuôn mẫu graphene phức tạp Đe phát triển nghiên cứu này, nhà khoa học có kế hoạch sử dụng trình chế tạo mạch điện cấp độ nano, nhung tiến trình khơng đơn giản có liên quan đến luợng nhỏ vật liệu nhiệt phát sinh xung sáng tiêu tan nhanh để kích ngịi cho phản ứng 1.7 Ứng dụng Màn hình cảm ứng ✘ Vì graphen gần suốt hồn tồn, phủ lên kính nhằm tăng độ bền cho hình cảm ứng smartphone ✘ Graphen cứng kim cương, hình phủ graphen gần khơng thể bị phá hủy, chí khơng vỡ bạn trượt tay Kính phủ graphen dùng cho kính chắn gió, cửa sổ, Màn hình uốn cong sử dụng graphen khó vỡ Dây dẫn điện cực suốt: • Graphene vật liệu suốt có tính dẫn điện tốt nên có tiềm dùng làm dây dẫn suốt pin mặt trời thiết bị điện tử gia dụng khác • Các dây dẫn điện cực graphene vật liệu thay rẻ mềm dẻo nhiều so với loại vật liệu sử dụng pin mặt trời thiết bị điện tử dẻo khác Chíp máy tính  Các nhà nghiên cứu tạo bóng bán dẫn nhỏ giới – bề dày nguyên tử rộng 10 nguyên tử từ Graphene  Chiếc bóng bán dẫn này, chất cơng tắc bật tắt  Bóng bán dẫn Graphene nhỏ lại Tiến sỹ Leonid Ponomarenko hoạt động tốt Bóng bán dẫn chế giới thiệu thiết bị với tạo cách lắp Graphene vào mạch bóng bán dẫn nhúng bên điện siêu nhỏ Chiếc bóng bán dẫn chế tạo nhà khoa học Manchester ( TS Kostya Novoselov giáo sư Andre Geim) Pin  Những viên pin có thời lượng sử dụng gấp lần pin Li-ion dung lượng tương đương sạc nhanh Thêm vào chúng khơng độc hại khơng có nguy cháy nổ  Với siêu tụ graphen, smartphone chạy tuần với lần sạc, đồng thời sạc bạn vài phút thay vài (hiện thời gian sạc thử thách phương tiện dùng điện) Cảm biến camera  Graphen nhạy sáng loại silicon sử dụng cảm biến camera Điều mở hội hoạt động tốt điều kiện thiếu sáng cho camera (Nokia cho sản xuất mơt loại smartphone có camera dùng cảm biến graphen hứa hẹn tốn lượng rẻ camera tại)  Tính suốt graphen (cho phép 97,7% ánh sáng qua) mang lại tiềm cho camera 3D lẫn camera lấy nét sau Các lớp graphen xếp cho ảnh chụp lấy nét vị trí khác nhau, kể sau chụp FET graphene Transistor hiệu ứng trường (FET) chế tạo cách làm nóng bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo lớp mặt gồm nguyên tử cacbon dạng graphene Các cực phát thu song song cho lắng lên graphene, để lại rãnh graphene bị bóc trần chứng Tiếp theo, cho lắng màng mỏng cách điện lên graphene bị bóc trần mà khơng làm ảnh hưởng bất lợi đến tính chất điện tử Đổ làm vậy, trước tiên ta đặt thêm lớp poly- hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene Sau đó, lớp oxit bình thường cho lắng lên, điện cực cổng kim loại Chiều dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, thu nhỏ xuống tương lai để cải thiện hiệu suất dụng cụ Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao MOSFET silicon tốt có chiều dài cổng (tần số ngưỡng tần số mà transistor chịu suy giảm đáng kể hiệu suất nó) Khơng giống đa so FET graphene khác, chế tạo từ giàn graphene, dụng cụ chế tạo kĩ thuật sử dụng công nghiệp chất bán dẫn Tuy nhiên, thiếu sót dụng cụ graphene chứng sử dụng mạch kĩ thuật số Đây graphene có khe lượng electron dẫn electron hóa trị - “dải khe” cho phép chất bán dẫn truyền thống chuyển mạch dòng điện từ ngắt sang đóng Các nhà nghiên cứu IBM có kế hoạch thu nhỏ transistor họ, cải thiện độ tinh khiết graphene tối ưu hóa kiến trúc dụng cụ, khảo sát phương thức tạo dải khe transistor graphene dùng ứng dụng kĩ thuật số Giản đồ FET graphene IBM: dụng cụ mọc chất silicon carbide (khối màu đen) bao gồm điện cực phát thu (bằng vàng), graphene (mạng lưới màu đen), lớp cách điện (màu xanh lá) diện cực cổng (bằng bạc) Làm đế cho mẫu nghiên cứu kính hiển điện tứ truyền qua (TEM) Các nhà vật lý Mỹ vừa khẳng định họ sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát đơn nguyên tử Hydro, nguyên tử nhẹ Bước đột phá tạo cách đưa nguyên tử graphene Ta nhìn thấy chuỗi hydrocacbon di động bề mặt graphene, giả thiết kỹ thuật có thê sử dụng đê nghiên cứu trình động học phân tử sinh học Hình ảnh đơn nguyên tử Hydro 1.8 Ưu điểm nhược điểm chất bán dẫn graphene 1.8.1 Ưu điểm  Graphene có khả làm tăng tốc độ xử lý chip máy tính lên mức 500 đến 1000 Ghz  Nó có nhiều tính chất ưu việt chất khác  Graphene có nhiều ưu điểm silicon nhờ tính dẫn điện tốt khoảng 10 lần, điều quan trọng transistor tạo từ graphene hoạt động nhiệt độ thường, yêu cầu ngành điện tử Transistor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa gigahertz, cố gắng vượt tốc độ khơng thể nhanh Cịn graphene tốc độ lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz  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  Cấu trúc gắn kết graphene giúp cho bền vững suốt kim cương tạo điện – điều mà kim cương làm Chất liệu thật lý tưởng cho thiết bị điện  Graphene có nhiều tính chất hấp dẫn nhà vật lý ông nano cách thập niên, dễ làm dễ thao tác hơn, đem lại nhiều hy vọng chuyển từ nghiên cứu phịng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế Các nhà vật lý làm transistor bên graphene dùng khảo sát tượng lượng tử trống nhiệt độ phòng 1.8.2 Nhược điểm  Sản xuất màng graphene khó khan đắt đỏ  Do khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng graphene sống hàng ngày hạn chế  Các nhà vật lý cho biết khả nghiên cứu tính chất điện động lượng tử graphene sáng sủa Tuy nhiên, tiến độ dường bị giới hạn chất lượng điện tử không đủ cấu trúc graphene nhân tạo  Ngồi ra, chất graphene mơi trường xung quanh có xu hướng hủy hoại tính chất điện tử mẫu graphene II Graphene oxit 2.1 Giới thiệu Graphen oxit Vì có cấu trúc dạng màng linh hoạt, graphen có khả thay đổi chức hóa khung cacbon để hình thành vật liệu composit có nhiều ứng dụng Khi nguyên tử cacbon lai hóa sp2 lớp graphen bị oxi hóa lên cacbon sp3, xuất nhóm chức bề mặt -COOH, -OH, -C-O-C-, -C=O, …  Đó dạng biến đổi graphen, gọi oxit graphen (kí hiệu GO) GO chất rắn màu nâu xám với tỉ lệ C:O khoảng 2:1 2:9 có khả phân tán tốt nước nhiều dung mơi khác  Do đó, tiền chất để sản xuất vật liệu tổng hợp dựa graphen Graphen oxide (GO) hay gọi acid graphen, Brodie tổng hợp lần đầu vào năm 1859, cách xử lý graphite với hỗn hợp KClO3 HNO3 đậm đặc tách thành lớp graphen oxide riêng rẽ Về sau phương pháp tổng hợp GO dựa hỗn hợp oxi hoá mạnh mà Brodie đưa – hỗn hợp chứa nhiều acid mạnh chất oxide hoá đậm đặc Oxit graphen với tính chất giống graphen nên nhiều nhóm nghiên cứu làm chất hấp phụ để loại bỏ chất ô nhiễm nước 2.2 Tổng hợp graphen oxit Để oxi hóa graphit, sử dụng chất oxi hóa mạnh với điều kiện, thời gian tiến hành phản ứng thích hợp, graphite bị oxi hóa mức độ khác Khi graphite bị oxi hóa, nối đơi C=C dần bị thay nhóm chức phân cực –OH, -COOH, -CHO, nhóm epoxy… Hệ liên hợp graphit bị phá hủy nên graphit có màu nhạt graphit ban đầu Tùy theo phương pháp loại graphit sử dụng mà màu sắc graphit oxit khác (tỉ lệ C/O lớn dung dịch có màu đen nâu, tỉ lệ C/O nhỏ dung dịch có màu vàng) Sau oxi hóa, tính chất graphit giảm đáng kể tính dẫn điện, dẫn nhiệt…Các tác nhân oxi hóa thường dùng H2SO4 đặc, HNO3, KMnO4, KNO3,…Có ba phương pháp chủ yếu để điều chế graphit oxit: phương pháp Brodie, phương pháp Staudenmeier, phương pháp Hummers Trong phương pháp Hummers dùng phổ biến 2.2.1 Phương pháp brodie  Đây phương pháp cổ điển đời sớm vào năm 1859 cách thêm kali clorat để tạo dạng bùn than chì với axit nitric đậm đặc  Ưu điểm: đơn giản dễ thực  Nhược điểm: hao tốn nhiều hóa chất để rửa sản phẩm 2.2.2 Phương pháp staudenmeier  Năm 1898, Staudenmeier cải thiện phương pháp cách sử dụng hỗn hợp axit sulfuric đặc axít nitric đặc Sau thêm từ từ kali clorat vào hỗn hợp Sự thay đổi quy trình khiến cho GO có mức oxy hóa cao  Ưu điểm: đơn giản  Nhược điểm: thời gian phản ứng lâu, hệ khơng an tồn với người làm thí nghiệm Sơ đồ mơ tả q trình hình thành GO phương pháp Hummers 2.2.3 Phương pháp hummers  Năm 1958, Hummer công bố phương pháp thay cho việc tổng hợp GO KMnO4 NaNO3 H2SO4 đặc  Ưu điểm: thao tác an toàn, tạo graphite oxide với hiệu suất cao  Nhược điểm: phức tạp qua nhiều giai đoạn 2.2.4 Phương pháp tour Phương pháp Tour công bố năm 2010 nhóm giáo sư Tour đại học Rice( Mỹ), với thay đổi so với phương pháp Hummers không sử dụng NaNO3, tăng lượng KMnO4 sử dụng H3PO4 Phương pháp sử dụng tỷ lệ KMnO4: graphit = 6:1 H2SO4: H3PO4 = 9: Sản phẩm thu có mức oxy hóa cao Ưu điểm: Không sử dụng NaNO3 để tránh tạo thành khí độc hại NO2, N2O4 → q trình thân thiện với mơi trường Hơn H3PO4 xem dễ dàng chèn vào không gian lớp graphen → hiệu suất sản phẩm GO cao GO có số lớp thấp so với phương pháp Hummers 2.3 Ứng dụng 2.3.1 Màng lọc nước Màng graphene oxide để tách muối khỏi nước biển Màng lọc giữ lại phân tử muối, cho phân tử nước qua  Nước biển thành nước 2.3.2 Xử lý mơi trường • Vật liệu Graphite oxit có diện tích bề mặt lớn, khả phân tán tốt môi trường nước khảo sát khả hấp thụ kim loại nặng Cadmium  Kết khảo sát cho thấy khả hấp thụ > 70% cho thấy khả ứng dụng xử lý môi trường III 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 nhung để tạo đuợc không đơn giản chút Với lớp Graphene đơn lớp khơng có khe vùng luợng nên gây trở ngại cho việc ứng dụng vào thục tiễn Tuy nhiên lớp kép Graphene lại có tính chất đặc biệt độ rộng vùng cấm thay đổi điện truờng Trước nhà khoa học cho độ rộng vùng cấm chất bán dẫn cố định, khơng thể thay đổi đuợc Nhung với tính chất đặc biệt lớp kép Graphene mở tầm nhìn huớng nghiên cứu cho vật lý bán dẫn Graphene đạt đuợc nhiều thành tụu gần năm 2009 nên khoa học công nghệ giới vạch ứng dụng tuơng lai nghiên cứu để biến thành thực Đặc biệt công nghệ điện tủ tiến đến nhũng giới hạn cuối kích thuớc thiết bị điện tử Silic chất bán dẫn đuợc sử dụng nhiều cơng nghệ điện tử, nhung khơng thể tạo thiết bị nhỏ Chất bán dẫn Graphene đời mở hy vọng cho ngành công nghệ điện tủ để thay cho Silic Công nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hồn tồn tuơng tụ nhu cơng nghệ dùng silicon nhung để đến đuợc sụ xuất graphene vi mạch điện tử phải nhiều năm  ... 18 1.8.2 Nhược điểm 18 II Graphene oxit 19 2.1 Giới thiệu Graphen oxit 19 2.2 Tổng hợp graphen oxit 20 2.2.1 Phương pháp brodie ... xung quanh có xu hướng hủy hoại tính chất điện tử mẫu graphene II Graphene oxit 2.1 Giới thiệu Graphen oxit Vì có cấu trúc dạng màng linh hoạt, graphen có khả thay đổi chức hóa khung cacbon để hình... Độ cứng graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với họ chất liệu khác Đây nhờ liên kết cacbon- cacbon graphene vắng mặt khiếm khuyết phần căng cao độ màng graphene Độ bền Graphene Kết cho thấy Graphene