- Thể tích của ô mạng phải là nhỏ nhất
3.4.2.2 Tính chất đặc biệt độ rộng vùng cấm thay đổi
Graphene đơn lớp có độ lưu động
của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano. Nhưng nó có nhược điểm đó là không có khe vùng (tức độ rộng vùng cấm), làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Nhưng lớp kép Graphene khắc
phục được nhược điểm này. Độ rộng khe năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn (độ rộng vùng cấm) có thể thay đổi một cách đơn giản bằng cách đặt một điện trường ngoài ở nhiệt độ phòng. Kết quả này do nhóm nghiên cứu của Antonio Castro (Đại học Boston, Hoa Kỳ) cùng với các đồng nghiệp ở Mỹ, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha và Anh quốc vừa đưa ra trên Physical Review Letters. Đây là loại vật liệu bán dẫn đầu tiên có độ rộng vùng cấm có thể thay đổi. Khe vùng này được kiểm soát một cách chính xác từ 0 tới 250 mili-electron vôn.
Hình 36: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene kép
Dưới tác dụng của điện trường ngoài tạo ra một sự chênh lệch các điện tử mang điện tích âm ở một lớp và các lỗ trống mang điện tích dương 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 như là chúng không có khối lượng nghỉ, hay nói cách khác chúng tạo cho vật liệu có độ dẫn rất tốt. Tuy nhiên, các chuẩn hạt thì lại có năng lượng nghỉ, khối lượng này dẫn đến việc tạo ra khe năng lượng mà chúng phải vượt qua
trước khi dòng điện có thể truyền qua.
Lớp graphene này được đính trên một phiến silicon đã được ôxi hóa và một hiệu điện thế ngoài được đặt vào giữa Si và một điện cực bên trên lớp graphene. Một từ trường ngoài cũng đã được đặt lên lớp đôi này, tạo cho
các chuẩn hạt di chuyển trên quỹ đạo hình tròn, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng cyclotron. Chu kỳ cộng hưởng phụ thuộc vào khối lượng của chuẩn hạt. Khối lượng cyclotron (mc) này tăng khi hiệu điện thế ngoài tăng từ 0 đến 100
V, lúc này khe năng lượng 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
GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên
Hình 37: Cấu trúc tinh thể của lớp kép Graphene
Hình 39: Sự xuất hiện Hình 38: ô mạng Graphene
hình điện tử liên kết mạnh trong mạng kép này thì electron chỉ được dịch chuyển sang vị trí bên cạnh gần nhất. Gọi a là khoảng cách giữa hai hạt như hình 38, t là năng lượng tương tác giữa hai hạt gần nhau nhất, t⊥là năng lượng tương tác giữa hai cacbon giống nhau ở hai lớp (hình 37). Với a≈2, 46A0 . Khi chưa đặt điện trường ngoài vào lớp kép Graphene ta thu được phổ năng lượng là đường đứt nét không bị lệch, cấu trúc điện tử gần điểm Dirac, độ rộng ke vùng
bằng 0. Khi ta đặt điện trường ngoài Vg thì xuất hiện khe vùng
có độ rộng là: 2 2 2 2 2 2 g g g e V t t e V ⊥ ⊥ ∆ = + .
Khi ta thay đổi Vg thì giá trị khe vùng này cũng thay đổi theo. Năng lượng khe vùng không chỉ
phụ thuộc vào Vg mà còn phụ thuộc vào n (mật độ hạt dẫn). Kết quả thu được như hình 40. Ứng với khe vùng bằng 0 thì cả ba đường đều cắt nhau tại điểm có mật độ quanh 23.1012 cm-2. Đường liền nét và đường chấm tròn tương ứng với giá trị của
0, 2
t⊥ = eV và t⊥ =0, 4eV. Kết hợp cả hai trường hợp, thay đổi cả
điện trường ngoài và mật độ hạt dẫn ta thu được đồ thị phụ thuộc của độ rộng khe vùng như hình 41. Độ rộng khe vùng là hàm của n (mật độ hạt dẫn) và Vg. Đường liền nét và đường đứt nét tương ứng với lớp kép đã được lọc và không lọc tạp chất. Đường xanh thẳng ứng với trường hợp khe vùng rất bé so với
Hình 41: Độ rộng khe vùng phụ thuộc vào điện trường ngoài và mật độ hạt dẫn
khoảng cách hai lớp kép ∆ <<g t⊥
. Người ta dự đoán rằng ∆g : t⊥
khi điện áp rất lớn.
Với lớp kép Graphene pha tạp Kali, ta đặt điện trường 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 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.
Việc tạo ra và xác định khe vùng ở graphene lớp kép rất khó khăn. Muốn thực hiện được thành công thì phải làm được hai việc sau: trước tiên là xây dựng một thiết bị lớp kép hai cổng, cho phép điều chỉnh một cách độc lập khe vùng điện tử và kích thích sự tích điện. Thiết bị này là một transistor hiệu ứng trường cổng đôi điều khiển dòng electron từ một nguồn tới một ống dẫn bằng các điện trường được hình thành bởi các điện cực cổng. Thứ hai là đo khe vùng bằng việc truyền quang học, truyền
một chùm tia xincrotron mạnh, được hội tụ trên các lớp graphene, xuyên qua thiết bị. Khi điều chỉnh các điện trường bằng cách làm thay đổi một cách chính xác điện áp của các điện cực cổng, thì có thể đo được các mức biến thiên ở ánh sáng bị hấp thụ bởi các lớp graphene cổng. Sự hấp thụ cao nhất ở
Hình 40: Sự phụ thuộc của độ rộng khe vùng vào mật độ hạt
Hình 42: Tiến trình đóng mở khe vùng năng lượng của lớp kép Graphene khi pha tạp Kali
mỗi một quang phổ sẽ đưa ra một phương thức đo trực tiếp khe vùng ở mỗi một điện áp cổng.
Các kết quả đo thu được cho thấy bằng cách điều khiển độc lập điện áp ở hai cổng có thể điều khiển hai thông số quan trọng, kích thước của khe vùng và mức độ kích thích graphene lớp kép. Về cơ bản đã tạo ra một chất bán dẫn ảo. Ở các chất bán dẫn thông thường, độ rộng vùng cấm là có hạn, và được cố định bởi cấu trúc tinh thể của vật liệu. Tuy nhiên, ở graphene lớp kép, khe vùng có thể thay đổi được và có thể được điều khiển
bằng một điện trường. Mặc dù một graphene lớp kép nguyên gốc có khe vùng bằng không và dẫn điện như kim loại, nhưng graphene lớp kép cổng có thể có khe vùng lớn tới 250 mili-electron vôn.
Vật liệu bán dẫn này có thể được sử dụng để tạo ra các transistor, laser và các linh kiện khác với tính chất có thể điều chỉnh cực kỳ dễ dàng, hơn rất
nhiều so với các vật liệu bán dẫn như Si. Một chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm điều chỉnh được bằng một hiệu điện thế từ bên ngoài có thể dẫn tới việc tạo ra một loạt các linh kiện điện tử kiểu mới, hay đáng kể nhất là các laser có bước sóng có thể điều chỉnh với một độ chính xác tuyệt vời.
Chất bán dẫn graphene này có thể được 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 được kết hợp với graphene có kích thước 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 như Si.