7. Nội dung
3.6. Các phƣơng pháp chế tạo Graphene
Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhƣng rất khó khăn và chi phí cao. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra phƣơng pháp chế tạo graphene đơn giản, ít tốn kém, có thể tạo ra trên diện tích lớn và có thể đƣa vào sản xuất hàng loạt trong công nghiệp. Trong khóa luận này tôi chỉ trình bày sơ lƣợc một số phƣơng pháp đƣợc các nhà khoa học dùng để tạo ra Graphene từ khi nó mới đƣợc khám phá cho đến những phƣơng pháp mới nhất hiện nay.
3.6.1 Phƣơng pháp chemical exfoliation
Trƣớc khi tìm ra graphene, các nhà khoa học đã nhiều lần thất bại khi cố
tách những miếng mỏng graphene từ graphite. Ban đầu, ngƣời ta dùng một thủ thuật hóa học gọi là chemical exfoliation – tức là chèn nhiều phân tử hóa học vào giữa những phiến graphene để tách nó ra. Tuy nhiên cái mà họ có đƣợc chỉ là những mảng nhƣ nhọ nồi. Từ đó không ai dùng kĩ thuật này để lấy
graphene nữa.
3.6.2 Phƣơng pháp micromechanical cleavage
Sau đó, các nhà khoa học đã áp dụng một kĩ thuật trực tiếp hơn, gọi là
micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành những miếng mỏng bằng cách
chà graphite vào một mặt phẳng khác, từ đó có thể gỡ những miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử. Bằng cách này thì năm 1990, các nhà vật lý ngƣời Đức ở Đại học RWTH Aachen đã lấy đƣợc những miếng graphite mỏng đến độ trong suốt. Tuy nhiên, các thiết bị đo thời đó không đủ hiện đại để giúp ông nhận biết ra điều này. Khoảng 10 năm sau đó, không có một tiến bộ nào đáng kể. Mặc dù họ có thể lấy đƣợc những miếng mỏng
6
khoảng vài mƣơi nguyên tử, nhƣng đó chỉ là những miếng graphite mỏng, không phải graphene. Lúc đó, không ai nghĩ graphene có thể hiện diện đƣợc trong thiên nhiên. 3.6.3 Phƣơng pháp tách lớp cơ học:
Phƣơng pháp này sử dụng các lực cơ học tác động từ bên ngoài để tách lớp khối graphite tạo màng graphene. Với năng lƣợng tƣơng tác van der Waals giữa các lớp là khoảng 2eV/nm2, độ lớn lực cần thiết để tách lớp graphite là khoảng 300nN/µm2
, đây là lực khá yếu và dễ dàng đạt đƣợc bằng cách cọ sát một mẫu graphite trên bề mặt của đế SiO2 hoặc Si, hoặc dùng băng keo dính.
Đây chính là phƣơng pháp đầu tiên tạo ra graphene nhƣ đã nói ở trên. Andre
K.Geim và đồng nghiệp dán những mảnh vụn graphite trên một miếng băng keo, gập dính nó lại, rồi kéo dật ra, tách miếng graphite làm đôi. Họ cứ làm nhƣ vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphite trở nên thật mỏng, sau đó dán miếng băng keo lên silicon xốp và ma sát nó. Vài miếng graphite dính trên miếng silicon xốp, và những mảnh đó thƣờng có bề dày là một nguyên tử.
Tuy nhiên, với phƣơng pháp này, màng graphene tạo ra có kích thƣớc chƣa đủ để có thể áp dụng vào các thiết bị hoặc phục vụ cho nghiên cứu các tính chất của màng graphene. Thêm nữa, màng tạo ra còn mang tính xác suất cao, nhiều màng đa lớp hơn là màng đơn lớp.
3.6.4 Phƣơng pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn
Đó là việc liên kết từng miếng nhỏ trên một mặt phẳng để tạo thành 1 dải có
dạng nhƣ 1 cuộn phim. Cái đó không gọi là tổng hợp mà chỉ là cắt tấm graphene ra thành từng mảnh rồi ráp chúng lại mà thôi. Cách làm là đƣa chất xúc tác vào để diện tích lớp màng graphene có thể nở rộng. Công nghệ này đáp ứng đƣợc cả 2 tiêu chí dẫn điện tốt và an toàn mà các phƣơng pháp khác hiện nay chƣa đảm vảo đƣợc.
3.6.5 Phƣơng pháp bóc tách
Hiện nay phƣơng pháp bóc tách là phƣơng pháp đơn giản sản xuất những mẩu graphene tƣơng đối lớn. Phƣơng này do Abhay Shukla và các cộng sự ở trƣờng Đại học Pierre và Marie ở Paris đề xuất. Nhóm nghiên cứu vừa chứng minh đƣợc rằng khối graphite có thể gắn kết lên trên thủy tinh borosilicate và rồi tách ra để lại một lớp graphene trên chất nền đó.
Phƣơng pháp “bóc tách” thông dụng nhất dùng để sản xuất graphene chỉ có ích trong việc tạo ra những nguyên mẫu dụng cụ cỡ nhỏ, nhƣng phƣơng pháp mới khiến cho có thể áp dụng cách thức này ở một quy mô lớn hơn trong khi vẫn giữ đƣợc chất lƣợng cao của mẫu.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kĩ thuật gọi là gắn kết dƣơng cực, gắn dính một chất dẫn hoặc chất bán dẫn lên trên một chất nền thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ sự dẫn ion của chất nền. Điều này có nghĩa là không cần đến chất kết dính nào cả. Phƣơng pháp đó đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để gắn kết các bánh xốp silicon với thủy tinh. Kĩ thuật này chƣa từng đƣợc thử nghiệm trên các chất nền phân lớp, kiểu nhƣ graphene, có lẽ là vì chúng không bám dính mà bị tách ra, chỉ có lớp đầu tiên hoặc vài ba lớp nguyên tử đầu tiên gắn kết với một chất nền, còn khối chất có thể bóc tách ra. Vì các mẫu đƣợc gắn kết với một chất nền thủy tinh rắn chắc, cho nên cách này tạo ra đƣợc các mẩu diện tích bề mặt lớn hơn có chất lƣợng cao theo kiểu hiệu quả và đơn giản. Phƣơng pháp này có thể sử dụng cho các chất phân lớp khác.
7
Từ trƣớc đến nay, các nhà nghiên cứu đã sản xuất đƣợc các mẩu kích cỡ milimet, nhƣng họ nói có thể cải thiện tỉ lệ này.
3.6.6 Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash
Khi chiếu một camera flash vào graphite oxit đủ để tạo ra graphene. Quá trình này còn có thể sử dụng để những khuôn graphene phức tạp có thể tích hợp vào các mạch điện tử gốc cacbon nhanh và linh hoạt. Một sự bùng phát ngắn ngủi của ánh sáng có thể thực hiện phản ứng trong một mili giây. Điều then chốt đối với tiến trình là hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối một xung năng lƣợng biến đổi thành nhiệt trong graphite oxit. Xung năng lƣợng phát ra từ camera flash này gây cảm ứng một “vụ nổ nano” trong màng graphite-oxit. Sự biến đổi xảy ra nhanh đến mức màng chất phồng lên và giãn ra đến hai bậc độ lớn. Các tấm graphite oxit xám, trong suốt, bị đen đi và nở ra, đi cùng là một tiếng bốp to. Vật liệu màu đen thu đƣợc– nó thủng kiểu tổ ong và chỉ là một phần khối lƣợng riêng của graphite. Phân tích thêm cho thấy vật liệu đó cấu thành từ các tấm graphene mất trật tự và các giá cách đều với nhau. Có thể thêm các hạt nano plastic vào khối graphite oxit đó, sao cho khi hỗn hợp bị chiếu ánh sáng flash, thì các hạt của nó hợp nhất với nhau kiểu nhƣ các giọt chất lỏng, khóa miếng graphene thành một vật liệu composite dai. Vì quá trình sản xuất sạch, nhanh và đơn giản, nên việc sản xuất graphene ở quy mô công nghiệp qua quá trình này là có thể. Một thách thức hiện tồn tại là gắn graphene lên trên các bề mặt silicon hoặc thủy tinh cho thiết kế vi mạch. Ngƣời ta cũng có thể sử dụng graphite oxit cách điện để chế tạo mạch điện sau đó biến đổi nó thành graphene dẫn điện với một lóe sáng đèn flash. Ngoài ra, các mặt nạ cản sáng có thể đƣợc sử dụng để tạo ra những khuôn mẫu graphene phức tạp. Để phát triển nghiên cứu này, các nhà khoa học đang có kế hoạch sử dụng quá trình trên chế tạo một mạch điện cấp độ nano, nhƣng tiến trình không đơn giản khi nó có liên quan đến những lƣợng nhỏ vật liệu vì nhiệt phát sinh bởi xung sáng có thể tiêu tan quá nhanh để kích ngòi cho một phản ứng.