7. Nội dung
3.5.2Graphene 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
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.