Một trong số đó là graphene, một lớp nguyên tử đơn carbon (hình 1). Vật liệu mới này có những tính chất quan trọng đối với các nghiên cứu cơ bản cũng như đối với những ứng dụng kỳ diệu t[r]
(1)Giải Nobel Vật lý 2010
Cao Chi
Ngày 5/10/2010 Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy điển thông báo trao giải Nobel Vật lý 2010 cho hai nhà khoa học (từ trái sang phải): Andre Geim, sinh năm 1958 Sochi, Nga, PhD 1987 Viện Chất rắn, Hàn lâm khoa học Nga, Đại học Manchester, Anh; Konstantin Novoselov, sinh năm 1974 Nizhny Tagil, Nga, PhD 2004 Đại học Radboud, Hà lan, Đại học Manchester, Anh, thí nghiệm đột phá vật liệu chiều graphene [1]
Số tiền thưởng giải 10 triệu SEK -krona Thụy Điển, khoảng 1.500.000 USD, chia cho hai người Cả hai nhà vật lý bắt đầu đường học vấn nghiệp khoa học Nga giáo sư Đại học Manchester, Anh Một chi tiết lý thú năm 2000 Andre Geim giải IgNobel ếch bay từ trường (levitating the frog)
1. Graphene là gì ?
(2)Hình Graphene Đây mạng 2D hoàn hảo dày bằng nguyên tử Mạng gồm nguyên tử carbon nối liền với theo hình lục giác.
Sau số đặc trưng cơ, nhiệt, điện graphene:
a Mật độ graphene: 0,77 mg/m2, võng 1m2 làm graphene có trọng lượng 0,77 mg,
b Graphene gần suốt,
c Graphene bền thép 100 lần lại dễ kéo dài, uốn cong, d Độ dẫn điện graphene lớn đồng (0,96.106.W-1cm-1 so với 0,60.106.W-1cm-1),
e Độ dẫn nhiệt graphene 10 lần lớn đồng Hai nhà khoa học Andre K.Geim Konstantin S.Novoselov thành cơng thí nghiệm chế tạo, bóc tách riêng lớp 2D graphene, xác định
(3)2. Các dạng khác nhau của carbon
Như biết carbon nguyên tố sở DNA tổ chức sống trái đất Carbon tồn nhiều dạng Dạng thông thường graphite tờ carbon liên kết Dưới áp suất lớn kim cương hình thành từ carbon Một dạng phân tử carbon fullerene, thông thường C60 gồm 60 nguyên tử carbon dạng bóng làm 20 hình tám cạnh 12 hình năm cạnh, cấu hình cho phép diện tích trở thành mặt hình cầu Các tác giả (R F Curl, Jr., R E Smally, and H W Kroto ) phát fullerene tặng giải Nobel Hóa học năm 1996
Một dạng khác gần chiều (quasi-one-dimensional) ống nano carbon Chúng cấu thành từ tờ graphene tròn thành dạng ống với đầu có dạng bán hình cầu Các tính chất điện tử học ống nano có nhiều điểm tương đồng với graphene
Như biết graphite gồm nhiều tờ carbon chồng lên nhau, song người ta cho khơng thể bóc tờ riêng Do đó, cộng đồng vật lý giới vơ ngạc nhiên Konstantin Novoselov Andrei Geim cộng chứng minh lớp đơn bóc riêng lớp bền Một lớp đơn graphene (hình 2)
(4)3. Giải năng lượng Graphene lớp đơn carbon có cấu trúc mạng mạng lục giác tổ ong với khoảng cách carbon-carbon 0,142 nm Đây vật liệu
tinh thể 2D (hai chiều) quan trọng
Các tính toán cấu trúc giải lượng graphene tiến hành mặt lý thuyết từ năm 1947, lúc tính tốn mang tính hàn lâm Chỉ 60 năm sau Geim Kim (Đại học Columbia) tiến hành
nghiên cứu thực nghiệm graphene
Trong bán dẫn thông thường electron gán khối lượng hiệu dụng m* để tính đến tương tác electron với mạng E phụ thuộc vào bình phương xung lượng theo hệ thức
trong k vector sóng electron Xét graphite ta thấy giải lượng giao lên nhau, graphene vùng giao thu gọn điểm có đối xứng giải lượng lỗ trống electron (xem hình 3) Hệ thức tán sắc hai giải trở thành tuyến tính đến gần điểm gặp Khối lượng electron m* tiến đến số khơng, mà động học electron mơ hình hóa tốt phương trình tương đối tính Dirac với vận tốc Fermi vF thay chỗ tốc độ ánh sáng (hãy so sánh với cơng thức ).E phụ thuộc tuyến tính vào xung lượng [2] Lẽ dĩ nhiên khối lượng electrron không không song trường hợp thông số biểu diễn khối lượng tiến đến số không chứng tỏ vận tốc
electron graphene số
Cấu trúc điện tử graphene khác hẳn với vật liệu ba chiều Mặt Ferrmi đặc trưng sáu hình chóp đơi hình Mức Fermi nằm điểm gặp (điểm Dirac) hình chóp Gần mức Fermi hệ thức tán sắc (tức lượng hàm số vector sóng
(5)Hình3 Graphene khơng gian thực biểu diễn xung lượng-không gian (a) Mỗi nguyên tử carbon mạng graphene làm thành liên kết mạnh chung hóa trị (covalent) với nguyên tử chung quanh.(b) Cấu trúc giải lượng tinh thể biểu diễn phụ thuộc năng lượng với chuyển động electron.Trong graphene giải hóa trị (valence) giải dẫn ( conduction) tiếp tại điểm vùng Brillouin Hệ thức tán sắc lượng – xung lượng trở thành tuyến tính vùng lân cận các điểm đó, hệ thức tán sắc mơ tả phương trình năng lương tương đối tính E= trong vF vận tốc Fermi còn xung lượng Do electron có khối lượng hiệu dụng không chuyển động photon hơn là hạt có khối lương thơng thường với hệ thức tán sắc là parabolic.
4. Phát hiện graphene
Graphene mặt lý thuyết biết từ năm 1947 P.R.Wallace Năm 1956 phương trình sóng mức kích thích viết J.W.McClure mối tương tự với phương trình Dirac phát năm 1984
Trước năm 2004 bóc tách tờ graphene bền cho khơng thực Sau Andre Geim Konstantin Novoselov thành công việc cô lập tờ graphene riêng lẻ Các kết công bố
Science tháng 10/2004
(6)Trong lý thuyết dây (LTD) người ta nói đến khơng thời gian 10, 11 chiều vương quốc không gian chiều (flatland) lại chứa đựng nhiều điều kỳ thú Đây vương quốc chất liệu graphene Hai nhà khoa học Geim & Novoselov, đại học Manchester chế tạo graphene có chiều dày nguyên tử Đây vật liệu hai chiều mỏng giới có tính chất kỳ diệu mà người ta để gần nửa kỷ để nghiên cứu mặt lý thuyết Graphene bán dẫn khơng có vùng cách (gapless) giải lượng [3] Điều buộc tốc độ electron graphene phải số không phụ thuộc vào xung lượng, giống vận tốc photon (ánh sáng) c Như học lượng tử electron graphene đồng với học lượng tử hạt tương đối tính với khối lượng nhỏ Các tính chất tương đối tính xuất phát từ điều kiện phù hợp với lý thuyết tương đối – hay với bất biến Lorentz- mà đơn giản từ điều kiện đối xứng mạng hình tổ ong Ngồi Hamilton chúng tương tự Hamilton hạt tương đối tính khơng khối lương graphene có tính chất mà ta biết từ sách giáo khoa lượng tử tương đối tính
a/ Hiện tượng đường hầm Klein (Klein tunelling, phát năm1929 bởi nhà vật lý Thụy điển Oskar Klein)
(7)tốc
b/ Hiệu ứng Hall lượng tử
Hình Độ dẫn Hall (độ dẫn đo thẳng góc với dịng điện-transverse conductivity) hàm mật độ dẫn có vùng nằm ngang (plateau) gián đoạn lượng tử hoá đơn vị e2/h Đường sóng phía độ trở dọc
(longitudinal resistivity).
Khi có từ trường thẳng góc electrron giam giữ mặt chịu tác dụng lực Lorentz chuyển động theo quỹ đạo tròn Theo lý thuyết lượng tử vòng quỹ đạo chứa số nguyên độ dài sóng Broglie Trong vật lý 2D điều kiện dẫn đến phổ rời rạc động ( mức Landau) Như tính chất điện tử graphene trở thành lượng tử hóa Nhóm nhà khoa học Philip Kim, Novoselov Geim quan sát hiệu ứng Hall lượng tử nguyên (integer quantum Hall effect) graphene (hình 4) nhiệt độ phịng Có điểm bất thường phần nằm ngang (first plateau) ứng với 2e2/h, tức nửa trị số
dự đoán
(8)Vì graphene có nhiều tính chất đặc biệt có nhiều ứng dụng tương lai (hình mô tả số ứng dụng) Như biết graphene vật liệu mỏng, có độ bền học lớn, suốt dễ uốn nắn Độ dẫn thay đổi cách pha tạp chất điện trường
Hình Một số ứng dụng graphene
Graphene có nhiều ứng dụng điện tử tần số cao Vì graphene suốt dùng để làm hình cảm ứng (transparent touch screen), hình pin mặt trời(solar cells) dần thay vật liệu ITO (Indium-Tin-Oxide) vốn đắt tiền không bền Những ứng dụng khác điện tử dẻo (flexible electrronics) cảm ứng khí (gas sensors) Màn hình máy tính graphene uốn cong để vào túi Các transistor graphene hoạt động nhanh thay dần transistor
làm silicon
Nhiều loại composite làm graphene nhờ độ bền lớn nhẹ ứng
dụng hàng không vũ trụ
Phạm vi ứng dụng graphene tương lai rộng lớn khó lịng đốn trước theo lời phát biểu nhà vật lý giải Nobel Vật lý
năm
(9)