7. Nội dung
3.8.4 Graphene: nhà máy điện
Một đội những kĩ sƣ và nhà khoa học Mỹ đã cho thấy cách sử dụng của graphene nhƣ một vật liệu mới cho việc lƣu trữ lƣợng lớn năng lƣợng điện có thể phục hồi. Hai phƣơng pháp chính hiện có để lƣu trữ năng lƣợng điện: trong những bộ pin có thể sạc lại, đã đƣợc thƣơng mại hóa nhƣng
Hình 3.21 : Màng graphene có thể dò ra chỉ một đơn phân tử của nitrogen dioxide
43
vẫn chƣa phổ biến; một siêu tụ điện có thể đƣợc sử dụng để tích tụ năng lƣợng trong một khoảng rộng và ứng dụng tích trữ và đƣợc sử dụng cho chính chúng nhƣ nguồn năng lƣợng đầu tiên hoặc trong bộ pin hoặc pin nhiên liệu. Một vài thuận lợi của siêu tụ điện so với những thiết bị lƣu trữ điện cổ truyền (nhƣ pin) bao gồm: năng lƣợng tích trữ cao hơn, thời gian sống dài hơn, một thang nhiệt độ sử dụng rộng hơn, sáng hơn, đóng gói linh hoạt hơn và yêu cầu bảo quản ít hơn
KẾT LUẬN
Qua một thời gian tìm tòi nghiên cứu tài liệu, cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo – T.S Bùi Xuân Chiến với đề tài: “Tìm hiểu về vật liệu Graphene” tôi đã hoàn thành đƣợc những nội dung sau:
Đã tìm hiểu đƣợc cấu trúc, tính chất, ứng dụng của graphene.
Tìm hiểu đƣợc các phƣơng pháp chế tạo graphene.
Qua các tài liệu liên quan, tôi đã nắm đƣợc vai trò quan trọng của graphene nhƣ ứng dụng để chế tạo các thiết bị đòi hỏi sự tinh vi mà các vật liệu khác không thể làm đƣợc.
Nhƣ vậy, khóa luận cơ bản đã hoàn thành mục tiêu đã đề ra. Tuy nhiên, do mới bƣớc đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học cùng với điều kiện thời gian và tầm hiểu biết còn hạn hẹp nên khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót và chƣa thể mở rộng hết đƣợc đề tài. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để khóa luận đƣợc hoàn thiện hơn.
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jean-Christophe Charlier, “Electronic and transport properties of nanotubes”, Rev.Mod.Phys 79 2667 (2007).
[2] Geim, Andre; Konstantin Sergeevich Novoselov (2007).
[3] Nobel Foundation announcement.
[4] Nguyễn Thế Khôi – Nguyễn Hữu Mình, Vật lý chất rắn, NXB giáo dục (1992).
[5] Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007).
Tóm tắt KL
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
NGUYỄN THỊ PHƢỢNG
45
TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Ngƣời hƣớng dẫn: T.S Bùi Xuân Chiến
46
MỤC LỤC
Phần I Mở đầu...
Phần II Nội Dung ...
Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết ... 8
1.1. Mạng tinh thể của vật rắn ... 8
1.2. Cấu trúc graphite (than chì) ... 11
1.3. Cấu trúc màng mỏng ... 12
Chƣơng 2: Các dạng thù hình của Cacbon: ... 13
2.1. Khái niệm thù hình ... 13
2.2. Các dạng thù hình của Cacbon ... 13
Chƣơng 3: Vật liệu Graphene ... 17
3.1. Lịch sử ra đời Graphene ... 17
3.2. Cấu tạo của màng Graphene ... 18
3.3. Tính chất của Graphene ... 19
3.4. Phân loại Graphene ... 22
3.5. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của Graphene ... 26
3.6. Các phƣơng pháp chế tạo Graphene ... 27
3.7. Ứng dụng Graphene ... 32
Phần III Kết luận ... 34
47
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài
Trong cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay, ngành vật lý chất rắn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Vật lý chất rắn đã tạo ra những vật liệu cho các ngành kỹ thuật mũi nhọn nhƣ điện tử, du hành vũ trụ, năng lƣợng nguyên tử. Trong những năm gần đây, xuất hiện hàng loạt công trình về siêu dẫn nhiệt độ cao, đặc biệt là công nghệ nanô làm cho vị trí của ngành vật lý chất rắn ngày càng thêm nổi bật. Công nghệ nano là công nghệ dựa trên sự điều khiển và kiểm soát ở cấp độ nguyên tử hoặc phân tử. Nó tạo ra các vật liệu, các cơ cấu, thiết bị và hệ thống có thuộc tính và chức năng khác thƣờng bởi sự nhỏ bé của nó. Ngày nay vật liệu nano đang đƣợc quan tâm rất là nhiều vì nó không thể thiếu trong công nghệ hiện đại, là thành phần của nhiều máy móc, thiết bị điện tử . Nó đi sâu vào đời sống hiện đại và đang dần chiếm một ý nghĩa rất lớn nhờ vào các tính chất đặc biệt của chúng mà các vật liệu truyền thống không thể có đƣợc. Những nghiên cứu và dự báo về các loại vật liệu mới luôn đƣợc các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới quan tâm. Tâm điểm của lĩnh vực công nghệ vật liệu trong thập kỷ 2000 - 2009 xoay quanh những nghiên cứu về hai trạng thái mới của cacbon, đó là ống nano
cacbon và graphene.
Ống nano cacbon là vật liệu đặc biệt của công nghệ nano. Đây là một dạng tinh thể của cacbon (C) mới đƣợc phát hiện vào năm 1991 nhƣng tính đến nay, có thể nói không có ngành nào là không ứng dụng ống nano cacbon, nhằm biến cái không thể thành cái có thể . Sự đóng góp của ống nano cacbon trong các ngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay là khá phong phú, từ điện tử, động cơ siêu nhỏ, tới bộ nhớ, pin và trong cả lĩnh vực vũ trụ.
Nhƣng những nghiên cứu về Graphene mới đƣợc công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu mới này đã nhanh chóng thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học, Graphene đƣợc hình dung nhƣ là một ống nano dàn mỏng, do cùng một nguyên liệu chính là các phân tử carbon, chiều dày của lớp phân tử này có thể là 1 nguyên tử. Dƣới kính hiển vi điện tử, lớp phân tử carbon này có hình dáng của một màng lƣới. Cái màng lƣới mỏng bằng carbon ấy đƣợc gọi là graphene. Graphene có
nhiều đặc tính của ống nano, nhƣng dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn, vì thế nó có thể đƣợc sử dụng nhiều
hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Ngoài ra, tính dẫn điện của graphene rất lý tƣởng, với độ cứng còn hơn cả kim cƣơng, và là loại vật liệu mỏng nhất trong tất cả các loại vật liệu mà chúng ta đã từng tạo ra. Do đó, các nhà khoa học hi vọng rằng đến năm 2020, Graphene có thể thay thế chất bán dẫn silicon. Hiện nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử.
Những tính chất này và những đặc tính kỳ lạ khác của graphene đã thu hút sự quan tâm của các nhà vật lý , những ngƣời muốn nghiên cứu , và các nhà công nghệ nano , những ngƣời mong muốn khai thác chúng để chế tạo ra những thiết bị mới . Các nhà khoc học cho rằng tƣơng lai, gaphene nhiều khả năng sẽ thay thế Silicon và nƣớc nào tạo ra một thung lũng Graphene nhƣ thung lũng Silicon ở Mỹ, nƣớc đó có thể vƣơn lên dẫn đầu trong các công nghệ tƣơng lai. Đó cũng là lí do tại sao các nhà khoa học trên khắp Thế Giới đang chạy đua trong việc nghiên cứu tìm các ứng dụng Graphene
Ở Việt Nam hiện nay khi nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano thì không còn mới lạ nữa, mà vấn đề này đang đƣợc nghiên cứu rất nhiều. Lĩnh vực ống nano cacbon ở nƣớc ta đã có thành công nhất định nhƣng riêng vật liệu Graphene vẫn còn là lĩnh vực rất mới ở
48
nƣớc ta hiện đang đƣợc một số nhà khoa học nghiên cứu. Vật liệu Graphene là một lĩnh vực rất mới đối với khoa học nƣớc ta. Đó chính là lí do tôi quyết định chọn đề tài này: “Tìm hiểu về vật liệu Graphene”.
2. Mục đích nghiên cứu:
Những nghiên cứu và dự báo về các loại vật liệu mới luôn đƣợc các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới quan tâm. Việc phát hiện ra những tính chất kỳ diệu của fulơren, của ống nano cacbon và gần đây nhất là graphen với những tiềm năng ứng dụng rộng rãi sẽ là tiền đề cho những nghiên cứu về vật liệu thay thế trong tƣơng lai. Từ khi Graphene đƣợc khám phá thì các nhà khoa học dự báo Graphene là vật liệu có thể thay thế nguồn Si làm bán dẫn ngày đang cạn kiệt. Hiện nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử.
Nếu sản xuất có thể cải thiện, graphene sẽ cách mạng hóa ngành công nghệ năng lƣợng. Hiện nay, năng lƣợng mặt trời và gió, đang gặp khó khăn vì các phƣơng pháp tồn trữ chƣa thích nghi. Nhiều nhà khảo cứu nghĩ rằng các siêu tụ điện graphene có thể là giải pháp. Với vai trò quan trọng của Graphene tôi nghiên cứu đề tài này với mục đích đặt ra nhƣ sau:
- Hiểu và nắm đƣợc cấu trúc, tính chất, ứng dụng của Graphene.
- Nắm đƣợc vai trò quan trọng của Graphene.
- Có cái nhìn tổng quan hơn về việc nghiên cứu tạo ra vật liệu mới.
- Biết trào lƣu chế tạo ra các vật liệu mới ngày nay.
- Đề tài khái quát đƣợc tất cả các vấn đề liên quan đến Graphene.
- Đề tài nêu đƣợc tầm quan trọng của Graphene trong cuộc sống của con ngƣời
3. Nhiệm vụ nghiên cứu:
Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là:
- Tổng quan và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý luận của Graphene.
- Nghiên cứu những tính chất vƣợt trội của Graphene và ứng dụng của Graphene trong lĩnh
vực điện tử.
- Nghiên cứu lớp kép Graphene có độ rộng vùng năng lƣợng cấm có thể thay đổi và những
ứng dụng của nó trong điện tử. So sánh đƣợc sự khác biệt giữa hai loại lớp đơn và lớp kép Graphene.
- Nghiên cứu ƣu điểm và nhƣợc điểm của Graphene.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nêu ra tôi xác định đối tƣợng nghiên cứu nhƣ sau:
- Cơ sở lý luận của Graphene.
- Cấu trúc, tính chất, ƣu nhƣợc điểm của vật liệu này.
- Sự khác biệt giữa lớp đơn Graphene và lớp kép Graphene.
- Phƣơng pháp chế tạo ra Graphene và một số ứng dụng của nó trong ngành điện tử.
- Đặc biệt nghiên cứu Graphene kép với độ rộng vùng cấm có thể thay đổi đƣợc.
5. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài đi sâu vào cấu tạo, tính chất, phƣơng pháp chế tạo Graphene và một số ứng dụng của vật liệu này vào cuộc sống
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách.
- Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu đƣợc.
- Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận.
- Dịch và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh.
49
Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Mạng tinh thể của vật rắn
1.1.1 Mạng tinh thể lý tƣởng
Trong vật rắn nguyên tử, phân tử đƣợc sắp xếp một cách đều đặn và tuần hoàn trong không gian tạo thành mạng tinh thể. Mạng tinh thể lý tƣởng là tinh thể trong đó sự sắp xếp các nguyên tử, phân tử là hoàn toàn tuần hoàn. Tinh thể lý tƣởng phải hoàn toàn đồng nhất, nghĩa là ở mọi nơi nó đều chứa những loại nguyên tử nhƣ nhau, đƣợc phân bố nhƣ nhau. Tinh thể lý tƣởng phải có kích thƣớc trải rộng vô hạn để không có mặt giới hạn làm ảnh hƣởng đến tính chất sắp xếp tuyệt đối tuần hoàn của các nguyên tử, phân tử.
Vị trí của một hạt bất kỳ của mạng đƣợc xác định nhờ vector
r : n1a1 n2a2 n3a3 r trong đó: n1, n2, n3 là các số nguyên 3 2 1,a ,a
a là các vector tịnh tiến cơ sở
Khi đó tập hợp những giá trị khác nhau của các điểm có bán kính
r đƣợc xác định nhƣ trên với các giá trị khác nhau của n1, n2, n3 sẽ tạo thành mạng không gian và các điểm đó ( bán kính
r ) đƣợc gọi là nút của mạng không gian hay là nút mạng. 1.1.2 Ô sơ cấp (ô cơ sở)
Hình hộp đƣợc tạo thành từ 3 vector cơ sở
3 2 1,a ,a
a chính là ô cơ sở hay ô sơ cấp. Ô cơ sở là thể hiện của cấu trúc tinh thể vì sự lặp đi lặp lại của nó sẽ tạo nên tinh thể.
Ô cơ sở đƣợc ký hiệu trong không gian Oxyz với: + 3 cạnh a, b, c (a1, a2, a3)
+ 3 góc α, β, γ
Ô cơ sở đơn giản: chỉ chứa các hạt tại các nút mạng tại các đỉnh và với loại ô này chỉ chứa 1 hạt trên 1 ô cơ sở.
Ô cơ sở phức tạp: là ô cơ sở mà ngoài chứa hạt ở đỉnh còn có các hạt ở các điểm khác. Tuy có rất nhiều cách chọn các vector nguyên tố, nhƣng thể tích của ô nguyên tố sẽ không thay đổi. Đó là thể tích của ô cơ sở, nó đƣợc tính theo công thức:
= 3 2 1 a a a = 1 3 2 a a a = 2 1 3 a a a
Ngoài khái niệm ô cơ sở đã nêu trên, ngƣời ta còn sử dụng khái niệm ô nguyên tố Wigner – Seitz, nó đƣợc vẽ sao cho nút mạng nằm ở tâm của ô. Hình dạng của ô Wigner – Seitz phần nào đặc trƣng cho các phép đối xứng trong mạng. Ô Wigner – Seitz có một nguyên tử trong một ô, có tính đối xứng trung tâm, thể tích của nó đúng bằng thể tích của ô nguyên tố.
1.1.3 Phân loại các loại mạng tinh thể
Bảng 1.1: Ô mạng Bravais
50 Hệ tinh thể Mạng tinh thể Tam tà Đơn tà
Đơn giản Tâm đáy
Trực thoi
Đơn giản Tâm đáy Tâm khối Tâm mặt
Lục giác
Tam giác
Bốn phƣơng
Đơn giản Tâm khối
Lập phƣơng
51
Tuy có rất nhiều cách để chọn ô mạng cơ sở cho một mạng cụ thể nhƣng Bravais đã đề xuất một số tiêu chuẩn để chọn ô mạng cơ sở sao cho chúng chứa đầy đủ nhất tính chất đối xứng của mạng và đồng thời có thể xem nhƣ một đơn vị tuần hoàn của mạng.
Mạng Bravais là một tập hợp các điểm tạo thành từ một điểm duy nhất theo các bƣớc rời rạc định bởi các véc tơ cơ sở. Trong không gian ba chiều có tồn tại 14 mạng Bravais (phân biệt với nhau bởi các nhóm không gian). Tất cả các vật liệu có cấu trúc tinh thể đều thuộc vào một trong các mạng Bravais này (không tính đến các giả tinh thể).
Cấu trúc tinh thể là một trong các mạng tinh thể với một ô đơn vị và các nguyên tử có mặt tại các nút mạng của các ô đơn vị nói trên.
1.1.4 Sai hỏng mạng trong mạng tinh thể thực tế:
Trong thực tế hầu nhƣ không gặp mạng tinh thể lý tƣởng vì luôn luôn có những nguyên tử không nằm đúng vị trí của mình mà luôn luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng với tần số và biên độ phụ thuộc vào nhiệt độ của tinh thể. Những dao động này làm cho tính tuần hoàn của mạng tinh thể bị vi phạm. Hoặc xuất hiện các điểm bất thƣờng có mặt trong cấu trúc tinh thể lý tƣởng. Các sai hỏng này có vai trò quyết định đến tính chất cơ và điện của các tinh thể thực. Đặc biệt là bất định xứ trong tinh thể cho phép tinh thể biến dạng dễ dàng hơn nhiều so với tinh thể hoàn hảo.
Có 4 loại sai hỏng mạng: - Sai hỏng điểm ; - Sai hỏng đƣờng ; - Sai hỏng mặt và - Sai hỏng khối
Những sai hỏng này dẫn đến bị xô mạng hoặc bị lệch mạng. Kết quả làm tính chất, đặc tính của vật rắn thay đổi theo.
1.3 Cấu trúc màng mỏng
Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu đƣợc chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài). Chiều dài màng mỏng có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet. Khi chiều dày của