6. CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN
2.3 MỘT SỐ HIỆU ỨNG QUAN TRỌNG Error! Thẻ đánh dấu không được
2.3.1 Hiệu ứng đường hầm Klein dị thường
Trong cơ học cổ điển, nếu có hai thung lũng và một ngọn đồi ngăn cách, một hòn bi được đặt trong thung lũng thứ nhất sẽ không thể vượt qua ngọn đồi để sang thung lũng kia nếu nó không được cung cấp năng lượng lớn hơn thế năng trên đỉnh đồi. Điều này giúp ta liên tưởng tới các hạt trong giếng thế, nếu một hạt nào đó có năng lượng E bị giam trong giếng thế có thế năng V (với V>E) thì hạt sẽ bị giam mãi trong đó cho đến khi có một năng lượng nào đó cung cấp cho hạt. Trong cơ học lượng tử, vật chất không được miêu tả như các hòn bi, mà giống các sóng hơn, trong đó hàm sóng miêu tả các hạt vật chất lan tỏa sang cả bên thung lũng kia, ngay cả khi vị trí trung bình của nó ở bên thung lũng này. Vì hàm sóng cho biết xác suất tìm
300K 7K 5K
37 thấy hạt đó. Do đó có một xác suất nhất định trong việc tìm thấy hạt ở bên thung lũng kia. Xác suất tìm thấy hạt ở thung lũng bên kia khiến ta liên tưởng hạt đã khoét một “đường hầm” để chui qua một rào chắn như vậy. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng đường hầm được xác lập bởi nhà vật lí người Thụy Điển Oskar Klein vào năm 1929.
Trong điện động lực học lượng tử (QED), khái niệm quĩ đạo được quan niệm là phi vật chất, bên cạnh đó các cấu trúc toán học tương đương với chúng cũng bị giới hạn có thể. Cụ thể là các công thức hàm sóng, chúng là những hàm phức hoàn toàn không có ý nghĩa về mặt toán học. Tương tự như quĩ đạo của cơ học lượng tử phi tương đối tính, các cấu trúc khác nhau đóng góp vào sự phát triển của trường lượng tử mô tả rõ sự tất yếu hoàn thiện các phương trình chuyển động cổ điển. Do đó theo hình thức luận QED ánh sáng có thể truyền nhanh hơn hoặc chậm hơn c, nhưng sẽ truyền với vận tốc trung bình bằng c.
Còn có một số bài báo cáo quan trọng mô tả những cái tương tự với vật lí hạt cơ bản dựa trên phương trình Dirac. Sự tương đồng chính thức giữa các trạng thái kích thích trong graphene với các fermion Dirac hai chiều đã cho phép kiểm tra cái gọi là sự chui hầm Klein. Hiện tượng này tiên đoán rằng một rào cản đường hầm có thể trở nên hoàn toàn trong suốt đối với sự tới bình thường của các hạt không khối lượng. Dưới những điều kiện nhất định, độ trong suốt có thể dao động là một hàm của năng lượng. Đề xuất rằng điều này có thể kiểm tra ở graphene được đưa ra bởi Katsnelson, Geim và Novoselov vào năm 2006 và đã được xác nhận vào năm 2009.
Phương trình Dirac nói rằng vì có hiện tượng hủy cặp để tạo thành hai hạt ảo cho nên các hạt tương đối tính có thể thâm nhập vào các rào chắn với độ cao và độ rộng bất kỳ mà không để lại đằng sau một thành phần phản xạ nào cả. Vì vậy electron trong graphene hành xử như hạt tương đối tính không có khối lượng. Hiệu ứng này gọi là nghịch lý Klein hay hiệu ứng đường hầm Klein dị thường. Đây là một trong những hiện tượng phản trực giác nhất trong QED. Hiện tượng này đã được tiên đoán từ nhiều thập kỷ nay nhưng chưa được quan sát trong các thí nghiệm về vật lý các hạt cơ bản. Song trong graphene thì hiện tượng hạt fermion Dirac hủy thành electron và lỗ trống này xảy ra thường xuyên và nghịch lý Klein cũng đã được quan sát.
Vì vận tốc của electron trong graphene khá nhỏ so với vận tốc ánh sáng (1/300c) cho nên một điều đáng chú ý là trong graphene tương tác là mạnh hơn so với QED vì trong QED hạt chuyền tương tác là photon (có tốc độ ánh sáng). Vận tốc lớn của electrron trong graphene mở ra khả năng nghiên cứu một số vấn đề ở kích cỡ nhỏ không phải sử dụng đến máy gia tốc.
38
2.3.2 Hiệu ứng Hall lượng tử
2.3.2.1 Hiệu ứng Hall lượng tử là gì?
Hiệu ứng Hall lượng tử là một phiên bản cơ học lượng tử của hiệu ứng Hall được Klaus von Klitzing và cộng sự phát hiện vào năm 1980 kế thừa và phát triển thêm hiệu ứng Hall được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Đặc trưng của hiệu ứng này là quan sát các hệ thống điện tử hai chiều ở nhiệt độ thấp và từ trường mạnh, trong đó trường dẫn σ trải qua Hall lượng tử nhất định chuyển tiếp để đưa vào các giá trị lượng tử.
σ h e V I Hall n 2 .
Trong đó: σ: độ điện dẫn Hall, In: dòng điện kênh hiện tại, VHall: điện áp Hall, e: điện tích nguyên tố, h: hằng số Plăng, là hệ số tỉ lệ với nguyên (1, 2, 3,…)
hoặc phân đoạn ( 1/3, 2/3, 2/5, …)
2.3.2.2 Hiệu ứng Hall lượng tử trong tinh thể graphene
Graphene là một vật liệu siêu dẫn mang đặc tính của một bán kim loại do đó trong mạng tinh thể của nó hiệu ứng Hall lượng tử vẫn được tìm thấy. Tuy nhiên một điều lạ là rất khó để phát hiện được hiệu ứng Hall trên mạng tinh thể này. Nghiên cứu cho thấy vấn đề chính là do nhiễu từ bề mặt mà graphene được đặt lên. Do vậy họ sử dụng kĩ thuật in litô bán dẫn để treo các các tấm graphene siêu sạch giữa các cọc cực nhỏ ở bên trên bề mặt của các chip bán dẫn. Khi họ làm lạnh cấu trúc này xuống và đưa vào từ trường, graphene đã sinh ra hiệu ứng lượng tử Hall mạnh mẽ như được dự đoán trong lý thuyết. Ngoài ra, họ còn làm chủ được việc biến graphene thành một thanh Hall và nối các điện cực vào nó. Bằng cách này, họ có thể đo điện trở suất (dọc) và điện trở suất Hall. Một mảnh dữ liệu quan trọng là hiệu ứng trường phân cực, trong đó điện trở suất được đo là một hàm của điện trường đặt vào vuông góc với mẫu. Dữ liệu đó thể hiện trên hình 2.10. Điện trở suất của mẫu có một cực đại rõ ràng, và giảm dần ở cả hai phía của cực đại đó. Điều này cho biết sự pha tạp tăng dần của các electron ở phía bên phải, và các lỗ trống ở phía bên trái của cực đại.
39
Hình 2.10: Quan sát thực nghiệm của hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở graphene.
(Trái) Độ dẫn suất Hall (đỏ) và điện trở suất dọc (lục) là hàm của mật độ hạt mang điện. Khung hình nhỏ thể hiện độ dẫn suất Hall đối với graphene hai lớp. Lưu ý khoảng cách giữa các vùng bằng phẳng đối với graphene là 4e2/h, tức là lớn hơn so với hiệu ứng Hall lượng tử thông thường và các bậc dốc xuất hiện tại những bội bán nguyên của giá trị này. Đối với một lớp đôi graphene thì chiều cao bậc dốc là như nhau, nhưng các bậc xuất hiện tại các bội nguyên của 4e2/h nhưng không có bậc nào tại mật độ bằng không. (Phải) Điện trở suất dọc và điện trở suất Hall là hàm của mật độ từ thông cho một mẫu pha tạp electron. Khung hình nhỏ thể hiện dữ liệu tương tự nhưng cho mẫu pha tạp lỗ trống.
Hiểu biết các tính chất điện của graphene là rất quan trọng bởi, không giống như các vật liệu khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử, nó có khả năng bền và dẫn điện ở cấp phân tử. Kết quả là, khi công nghệ silic hiện nay chạm tới ngưỡng giới hạn về thu nhỏ kích cỡ trong những năm tới, graphene có thể là vật liệu thay thế hoàn hảo. Ngoài ra độ nhạy graphene với từ trường ngoài là rất cao do dó có thể ứng dụng để chế tạo các thiết bị đo đạc với độ chính xác tuyệt đối.
2.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHAI THÁC ĐẶC TÍNH SIÊU DẪN CỦA VẬT LIỆU LIỆU
Do có các tính chất thần kì mà graphene được giới khoa học đặc biệt quan tâm, mà thể hiện một cách rõ nét là sự tăng nhanh các báo cáo khoa học.
- Loạt sản phẩm về điện tử nano – quang điện tử: Linh kiện một điện tử, transistor graphene, chấm lượng tử nano graphene, ống nano siêu dẫn v.v…
- Trong công nghiệp hoá học, dược phẩm: Xúc tác graphene oxit dùng làm xúc tác cho rất nhiều phản ứng hoá học ở nhiệt độ phòng, chế phẩm thuốc, dẫn xuất thuốc.
40 - Trong công nghiệp năng lượng: Siêu tụ điện, pin mặt trời v.v…
- Trong y học – quân sự: Vật liệu chế phẩm sinh học, mô nhân tạo, áo chống đạn, áo tàn hình v.v…
- Trong hàng không – vũ trụ: Vật liệu siêu bền, siêu nhẹ, siêu dẫn, chịu nhiệt cao, chịu bức xạ mạnh v.v…
- Trong công nghệ môi trường: Vật liệu hoạt tính graphene khử độc, khử trùng, chế phẩm xử lí môi trường.
- Trong công nghệ cảm biến: Cảm biến nhạy khí độc ở dạng mũi điện tử, mắt điện tử, màn hình cảm ứng v.v…
Một số ý tưởng trích ra từ các báo cáo như: vệ tinh nhân tạo với kích thước toà nhà nhiều tầng với khối lượng chỉ bằng “miếng thịt nướng” hay điện thoại thông minh có thể bẻ cong hay thậm chí là đĩa lưu trữ dữ liệu của cả thế giới với kích thước nhỏ gọn trong lòng bàn tay v.v… Trong khuôn khổ đề tài chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về các ứng dụng khai thác đặc tính siêu dẫn của vật liệu.
2.4.1 Chế tạo transistor graphene trên nền SiO2
Transistor là một linh kiện bán dẫn cơ bản có tầm quan trọng đặc biệt trong họ các linh kiện bán dẫn. Transistor thuộc họ linh kiện lưỡng cực, có hai loại hạt tải điện cùng tham gia dẫn điện đó là điện tử và lỗ trống. Từ transistor có nguồn gốc từ tiếng Anh là transfer resistor, có nghĩa là “chuyển đổi điện trở” giữa đầu vào và đầu ra.
Gần hai thập niên qua sự phát triển của công nghiệp điện tử phần lớn tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor. Vật liệu chính dùng trong transistor hiện nay là nguyên tố silic. Kích cỡ của transistor hiện nay đang dừng ở 22 nm và chip dùng trong các máy tính chứa hàng tỷ transistor trên một diện tích vài cm2. Kết quả thí nghiệm của transistor graphene trong bài báo cáo đẳng cấp Nobel của nhóm Geim và Novoselov cho thấy graphene với độ dày của một vài lớp nguyên tử có thể kích thích được sự di động của electron trong điện trường (Hình 2.11). Họ đã đo được độ di động của electron và lỗ có tích điện dương trong chiếc transistor "thô thiển" là 10.000 cm2/V.s hay là 7 lần nhanh hơn trong transistor silicon (1.500 cm2/V.s). Trong các cuộc thí nghiệm kế tiếp trên mặt phẳng graphene tinh khiết không chất tạp độ di động đạt đến 100.000 – 200.000 cm2/V.s hay là 70 - 140 lần nhanh hơn trong silicon. Bài báo cáo đã thu hút sự chú ý mãnh liệt của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Khả năng chế tạo transistor với độ dày một nguyên tử (0,335 nm), hay nói một cách khác - độ mỏng tận cùng của vật chất với độ di động cao hơn silicon đã mang nhiều hứng khởi đến cộng đồng khoa học điện tử. Tuy nhiên, do graphene cấu tạo chỉ gồm một lớp graphene đơn nguyên tử nên các tấm này phải đặt trên nền silic đioxit, các điện tích bị giữ trong nền SiO2 có thể ảnh hưởng đến electron trong
41 graphene làm giảm tính linh động. Thậm chí dao động mạng tinh thể SiO2 có thể ảnh hưởng đến dao động nguyên tử của chính nó. Nhưng 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. Theo các nhà khoa học, graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện tại lên mức 500 đến 1.000 Ghz.
Trong máy tính mọi thông tin và dữ liệu đều được số hóa và chuyển tải ở dạng bit nhị phân 0 và 1. Silic là chất bán dẫn và có vùng cấm ở giữa dải dẫn điện và dải hoá trị. Sự hiện hữu của vùng cấm trong nguyên tố silicon đã cho transistor chức năng nhị nguyên biểu hiện qua số 0 và 1 có tác dụng đóng mở dòng điện tùy vào điện thế của cổng transistor. Nói cách khác, transistor silicon có tác dụng như vòi nước và cổng transistor như là bộ phận khoá mở nước. Graphene không có vùng cấm nên transistor graphene không có chức năng nhị nguyên như transistor silicon. Một thách thức nữa đặc ra là graphene đơn lớp không có vùng cấm năng lượng nên trạng thái đóng trong transistor graphene không hề tồn tại. Nghiên cứu cho thấy với màng kép graphene hay dưới sự tác động của từ trường ngoài thì trong cấu trúc năng lượng của nó xuất hiện vùng cấm. Nhưng tiếc thay khi có vùng cấm thì độ di động của các điện tử trong mạng graphene bị giảm sút. Do đó việc thay thế silicon chế tạo transistor cho máy tính trở nên vô nghĩa. Nhưng điều này không có nghĩa graphene là kẻ thua cuộc trong cuộc chạy đua transistor.
Hình 2.11: Mô phỏng cấu trúc của transistor graphene, có 3 điện cực: 1) Cực phát E, 2) Cực góp C, 3) Cực gốc B
4) Nền SiO2và nối với các điện cực nguồn và máng (Nguồn: www.jameshedberg.com).
1
2 3
42
2.4.2 Dây dẫn điện siêu dẫn
Nhờ vào độ linh động cao của điện tử và điện trở cực nhỏ thậm chí bằng 0 nếu nhiệt độ giảm đủ nhỏ thì graphene có đầy đủ các yếu tố để có thể chế tạo dây dẫn siêu dẫn mới. Như chúng ta đã biết hiện nay đã có một số nước đã áp dụng công nghệ truyền tải điện không điện trở bằng cách giữ lạnh dây dẫn bằng nitơ lỏng. Tuy nhiên phương pháp này có một nhược điểm là luôn phải giữ lạnh cho dây dẫn gây tốn kém. Với graphene, nếu được chế tạo tinh khiết thì độ dẫn điện cao hơn đồng đến 1 triệu lần với điện trở xuất thấp đến 0,1μΩ ở ngay nhiệt độ phòng, đây quả thật là một kết quả ấn tượng. Ta đã biết graphene là một vật liệu 2D và là cơ sở của các vật liệu nano cácbon khác do đó ta có thể chế tạo các ống nano cácbon đa lớp để tạo thành dây dẫn 1D với các tính chất điện tương tự graphene.
Tại đại học Bath và đại học Exeter nhóm các nhà nghiên cứu đã khám phá ra rằng với một vài lớp graphene xếp chồng lên nhau, chúng có thể trở thành một vật liệu tuyệt vời dành cho các bộ chuyển mạch quang, qua đó mang lại tốc độ truyền tải nhanh hơn 100 lần so với công nghệ viễn thông hiện nay. Theo nhóm nghiên cứu trong khi các bộ chuyển mạch quang học thông thường phản hồi ở tỉ lệ vài pico giây (1 phần nghìn tỉ của 1 giây) thì các nhà vật lý đã quan sát được thời gian tái hợp của một bộ chuyển mạch quang học sử dụng các lớp graphene chỉ bằng 100 femto giây (1 femto giây = 1 phần triệu tỉ của 1 giây) - gần nhanh hơn gấp 100 lần. Một nhóm các nhà nghiên cứu Đại học Maryland còn đo được chính xác giới hạn tính linh động (tiêu chí để xác định một vật liệu dẫn điện tốt đến mức nào) của graphene ở nhiệt độ phòng cao ở mức 200.000 cm2/Vs, các mẫu vật hiện nay lại có tính linh động nhỏ hơn – vào khoảng 10.000 cm2/Vs.
Hình 2.12: Mô hình cáp siêu dẫn dùng trong thông tin sử dụng các ống nano cácbon đa lớp tạo ra từ các mảnh graphene cuộn tròn.
Ống bọc
Ống thép
43
2.4.3 Pin mặt trời thế hệ mới
2.4.3.1 Đặt vấn đề
Hiện nay đi kèm với tốc độ tăng trưởng chóng mặt của các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ,… nhu cầu năng lượng thế giới đang ngày một tăng cao. Báo cáo của hội đồng năng lượng thế giới (WEC) thì đến 2050 nhu cầu này có thể tăng 61% với dân số khi đó khoảng 9 tỉ người. Trước mắt, trong vòng hai thập niên tới, đầu tư năng lượng toàn cầu ước tính là 40.000 tỷ đô la, tương đương GDP/năm của Liên Hiệp Châu Âu, Hoa Kỳ và Trung Quốc cộng lại (theo chủ tịch của tập đoàn dầu khí Ả Rập Xê Út Aramco). Tuy nhiên, cũng theo tính toán của WEC, con số đầu tư khổng lồ này cũng không giải quyết hoàn toàn được nạn thiếu