7. Nội dung
3.4.1Graphene 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 vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần
26
nguyên tử cacbon có màu vàng, 30- 40 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có 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 cũng là chất dẫn nhiệt, cho 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 của chất là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khôi (hoặc không có khiếm khuyết) có thể chịu đƣợc ngay trƣớc khi tất cả các nguyên tử trong một tiết diện cho trƣớc bị kéo ra khỏi nhau đồng thời. Về cơ bản thì mọi chất liệu đều chứa những khiếm khuyết, nhƣ các vết nứt hay xƣớc vi mô, chúng yếu hơn chất liệu xung quanh.
Ấn lõm màng graphene bằng một kính hiển vi lực nguyên tử với đầu nhọn kim cƣơng có bán kính khoảng 20 nm. Chọn đầu nhọn kim cƣơng vì các đầu nhọn silicon bình thƣờng sẽ gãy trƣớc khi graphene vỡ.
Hình 3.6: Ảnh minh họa vết lõm của một tấm graphene đơn nguyên tử chụp qua đầu mút
kim cương của kính hiển vi lực nguyên tử.
27
Phản ứng lực dịch chuyển của các màng graphene đơn lớp cho phép xác định tính chất đàn hồi của màng graphene. Lực mà tại đó màng bị vỡ và phân bố thống kê của lực phá vỡ của nhiều màng cho phép tính đƣợc sức bền nội tại của graphene. Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ. Kết quả cho thấy sức bền nội tại của graphene có thể xem là một “giới hạn trên” cho sức bền của vật liệu – giống nhƣ kim cƣơng là chất cứng nhất. Nếu 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 sự vắng mặt của bất cứ khiếm khuyết nào 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 1 micromet tạo thành tấm silic, đặt một mẫu graphene hoàn thiện trên mỗi lỗ hổng đó và sau đó làm lõm graphene bằng một đầu dò bằng kim cƣơng. Biện pháp đo nhƣ vậy trƣớc đây chƣa từng đƣợc thực hiện vì chúng phải đƣợc thực hiện trên các mẫu graphene chuẩn, không có lỗi hay bị thiếu nguyên tử.
Hone so sánh thử nghiệm của ông khi kéo căng một miếng giấy nilon bọc thức ăn lên trên miệng của tách uống cà phê và đo lực tác động để làm thủng miếng nilon này bằng một chiếc bút chì. Ông cho biết, nếu ông có thể có một miếng graphene đủ rộng để đặt lên miệng tách uống cà phê,
28
graphene sẽ đủ cứng để chịu đƣợc sức nặng của một chiếc ô tô tƣơng ứng với ngòi bút chì. Tuy nhiên biện pháp đo này vẫn chƣa thể hiện đƣợc các thuộc tính đáng chú ý khác của graphene.
3.4.5 Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua
Lớp màng graphene ngăn cản đƣợc cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử. Chỉ với một lƣợng rất nhỏ, graphene cũng có một khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc. Các nhà khoa học đã phát triển thành công khoang cầu mỏng nhất thế giới có lớp màng không cho bất kỳ phân tử nhỏ nhất nào của không khí lọt qua, kể cả hê-li.
3.4.6 Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng
Graphene có cấu trúc mềm dẻo nhƣ màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại. Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhƣng graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn ống nano; vì thế có thể đƣợc sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thử nghiệm các hiện tƣợng lƣợng tử ở nhiệt độ bình thƣờng.
3.4.7 Chuyển động của điện tử trong Graphene
Graphene tổng hợp đƣợc có tính chất rất đặc biệt. Chuyển động của các electron rất nhanh, electron dƣờng nhƣ không có khối lƣợng và chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng. Electron trong Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron trong silicon. Chuyển động của electron không tuân theo phƣơng trình Schodinger mà tuân theo phƣơng trình Dirac cho các hạt không có khối lƣợng nhƣ neutrino. Hạt này mang đầy đủ các tính chất của hạt Dirac. Hạt Dirac đƣợc mệnh danh là các hạt ma vì những biểu hiện kỳ dị của nó. Một trong nhƣng cái ma quái là hạt Dirac có thể trong trƣờng hợp
29
nào đó sẽ dịch chuyển ngƣợc chiều tác dụng của điện trƣờng, ngƣợc chiều tác dụng của lực.
Đối với graphene, các nguyên tử dao động tại nhiệt độ phòng tạo ra một điện trở suất vào khoảng 1.0 microOhm-cm. Điện trở suất của graphene nhỏ hơn điện trở suất của đồng đến 35% và là điện trở suất thấp nhất đƣợc biết đến tại nhiệt độ phòng. Điều này đƣợc giải thích nhƣ sau: trong các mẫu graphene đƣợc chế tạo không đƣợc sạch đã làm tăng điện trở suất của graphene. Do đó điện trở suất trung bình của graphene không nhỏ bằng điện trở suất của đồng tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên graphene lại có rất ít electron so với đồng, do đó trong graphene dòng điện đƣợc vận chuyển bởi một số ít electron có vận tốc nhanh hơn nhiều lần so với các electron của đồng.
Đối với các vật liệu bán dẫn, tiêu chuẩn về tính linh động đƣợc sử dụng để xác định các electron chuyển động nhanh ở mức nào. Giới hạn tính linh động của electron trong graphene đƣợc xác định nhờ dao động nhiệt của nguyên tử và giá trị này vào khoảng 200.000 cm2/Vs tại nhiệt độ phòng. Trong khi ở silicon là 1.400 cm2/Vs, ở indium antimonide là 77.000 cm2/Vs. Electron của graphene có độ linh động cao nhất so với các chất bán dẫn thông thƣờng.
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng mặc dù giới hạn tính linh động của graphene ở nhiệt độ phòng cao ở mức 200.000 cm2/Vs, các mẫu vật hiện nay có tính linh động nhỏ hơn – vào khoảng 10.000 cm2/Vs và cần phải nỗ lực cải tiến rất nhiều. Do graphene có cấu tạo chỉ với một lớp nguyên tử, các mẫu vật hiện nay phải đƣợc đặt trong chất nền là silicon đioxit. Điện tích bị giữ trong chất nền silicon đioxit có thể ảnh hƣởng đến các electron 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.
30 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.5 Phân loại graphene
3.5.1 Graphene đơn
Graphene là một mạng tinh thể hai chiều dạng tổ ong có kích thƣớc nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh. Mỗi nguyên tử cacbon liên kết với các nguyên tử xung quanh bằng liên kết cộng hóa trị rất chặt chẽ, tạo ra màng mỏng có cấu trúc 2D gồm các nguyên tử cacbon xếp theo các ô hình lục giác rất bền vững. Lá graphene này chỉ dày 1 nguyên tử. Nó mang đặc tính của chất bán dẫn và kim loại. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lƣợng của nó có độ rộng vùng cấm bằng 0. Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn trùng nhau (hình 3.8.b).
Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cacbon, có độ lƣu động của electron phi thƣờng và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lƣợng tử cỡ nano. Nhƣng chúng có nhƣợc điểm, đó là không có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Vì không có khe vùng nên màng đơn lớp graphene không đƣợc xem là chất bán dẫn. Nếu có khe vùng, các nhà khoa học có thể chế tạo ra các transistor hiệu ứng trƣờng bằng graphene rất hiệu quả.
3.5.2 Graphene kép
3.5.2.1 Cấu tạo
Gồm 2 lá graphene đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích thƣớc 2 lớp nguyên tử.
31
Khi xếp 2 lớp graphene chồng lên nhau sẽ xảy ra hai trƣờng hợp:
- Đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lƣợng nhƣ hình 3.9.a
- Không đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lƣợng nhƣ hình 3.9.b
Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng năng lƣợng.
3.5.2.2 Độ rộng vùng cấm thay đổi
Graphene đơn lớp không có độ rộng vùng cấm, làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Nhƣng lớp kép graphene khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này. Độ rộng khe năng lƣợng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn (độ rộng vùng cấm) có thể thay đổi một cách đơn giản bằng cách đặt một điện trƣờng ngoài ở nhiệt độ phòng. Đây là loại vật liệu bán dẫn đầu tiên có độ rộng vùng cấm có thể thay đổi. Khe vùng này
Hình 3.10 : Hình ảnh hiển vi quang học của lớp graphene
kép
Hình 3.11 : Cấu trúc tinh thể của lớp kép graphene
Hình 3.9:a)Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc đối xứng
b) Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc không đối xứng
Hình 3.9:a)Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc đối xứng
b) Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc không đối xứng
32
đƣợc kiểm soát một cách chính xác từ 0 đến 250 meV.
Dƣới tác dụng của điện trƣờng ngoài tạo ra một sự chênh lệch các điện tử mang điện tích âm ở một lớp và các lỗ trống mang điện tích dƣơng ở lớp còn lại. Các điện tử và lỗ trống này cặp đôi với nhau, tạo ra một chuẩn hạt, mà các hành vi của chúng khác hẳn so với từng hạt riêng lẻ. Một đặc tính riêng của các điện tử và lỗ trống trong graphene là chúng có thể di chuyển trong vật liệu giống nhƣ là chúng không có khối lƣợng nghỉ, hay nói cách khác chúng tạo cho vật liệu có độ dẫn rất tốt. Tuy nhiên, các chuẩn hạt thì lại có năng lƣợng nghỉ, khối lƣợng này dẫn đến việc tạo ra khe năng lƣợng mà chúng phải vƣợt qua trƣớc khi dòng điện có thể truyền qua.
Lớp graphene này đƣợc đính trên một phiến silicon đã đƣợc ôxi hóa và một hiệu điện thế ngoài đƣợc đặt vào giữa Si và một điện cực bên trên lớp graphene. Một từ trƣờng ngoài cũng đã đƣợc đặt lên lớp đôi này, tạo cho các chuẩn hạt di chuyển trên quỹ đạo hình tròn, tạo ra hiệu ứng cộng hƣởng cyclotron. Chu kỳ cộng hƣởng phụ thuộc vào khối lƣợng của chuẩn hạt. Khối lƣợng cyclotron (mc) này tăng khi hiệu điện thế ngoài tăng từ 0 đến 100 V, lúc này khe năng lƣợng cũng thay đổi từ 0 đến 150 meV.
Xét một ô mạng hình lục giác đều gồm 6 nguyên tử cacbon ở 6 đỉnh, theo mô hình điện tử liên kết mạnh trong mạng kép này thì electron chỉ đƣợc dịch chuyển sang vị trí bên cạnh gần nhất. Gọi a là khoảng cách giữa hai hạt (hình 3.12), t là năng lƣợng tƣơng tác giữa hai hạt gần nhau nhất, t là
năng lƣợng tƣơng tác giữa hai cacbon giống nhau ở hai lớp (hình 3.11).
Khi chƣa đặt điện trƣờng ngoài vào lớp kép graphene ta thu đƣợc phổ năng lƣợng là đƣờng đứt nét không bị lệch, cấu trúc điện tử gần điểm Dirac,
Hình 3.12 : Ô mạng graphene
33 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
độ rộng khe vùng bằng 0. Khi ta đặt điện trƣờng ngoài Vg thì xuất hiện khe vùng có độ rộng là 2 2 2 2 2 2 g g g V e t t V e
. Khi ta thay đổi Vg thì
giá trị khe vùng này cũng thay đổi theo. Năng lƣợng khe vùng không chỉ phụ thuộc vào Vg mà còn phụ thuộc vào n (mật độ hạt dẫn). Kết quả thu đƣợc (hình 3.14). Ứng với khe vùng bằng 0 thì cả ba đƣờng đều cắt nhau tại điểm có mật độ quanh 23.1012
cm-2. Đƣờng liền nét và đƣờng chấm tròn tƣơng ứng với giá trị của t 0,2eV
và t 0,4eV.
Kết hợp cả hai trƣờng hợp, thay đổi cả điện trƣờng ngoài và mật độ hạt dẫn ta thu đƣợc đồ thị phụ thuộc của độ rộng khe vùng (hình 3.15). Độ rộng khe vùng là hàm của n (mật độ hạt dẫn) và Vg. Đƣờng liền nét và đƣờng đứt nét tƣơng ứng với lớp kép đã đƣợc lọc và không lọc tạp chất.
Với lớp kép graphene pha tạp Kali, ta đặt điện trƣờng ngoài vào, khi thay đổi mật độ hạt dẫn thì độ rộng khe vùng cũng thay đổi theo. Khi tăng nồng độ hạt pha tạp lên thì độ rộng khe vùng giảm dần đến vị trí khe vùng bằng không, ta
Hình 3.13 : Sự xuất hiện khe vùng khi có điện trường ngoài
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của độ rộng khe vùng vào mật độ hạt
Hình 3.15: Độ rộng khe vùng phụ thuộc vào điện trường ngoài và
34
tiếp tục tăng nồng độ pha tạp lên thì độ rộng khe vùng lại tăng lên. Sự đóng mở khe vùng là một tính chất rất đặc biệt của chất bán dẫn này.
Chất bán dẫn graphene này có thể đƣợc sử dụng để tạo ra một loại transistor mới, hay các loại laser và các cảm biến phân tử mà ở đó cần sử dụng sự thay đổi độ rộng vùng cấm để điều chỉnh tính chất. Thuộc tính này khi đƣợc kết hợp với graphene có kích thƣớc nhỏ, độ bền cơ học cao, độ dẫn điện, dẫn nhiệt rất tốt đã khiến cho nó trở nên hết sức hấp dẫn để thay thế các chất bán dẫn kinh điển nhƣ Si.
3.5.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm các lớp graphene xếp chồng lên nhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập về mặt điện tử học.
Quan sát hình 3.17 ta có thể thấy ba “hình nón” từ ba lớp graphene trong mẫu MEG. Ngƣời ta nuôi các lớp graphene từ một chất nền silicon carbide theo kiểu sao cho mỗi lớp quay đi 300
so với lớp bên
dƣới. MEG này khác với graphite ở chỗ mỗi lớp quay đi 600
so với lớp bên dƣới.
Hình 3.16: Tiến trình đóng mở khe vùng năng lượng của lớp kép Graphene khi pha tạp Kali