- Thể tích của ô mạng phải là nhỏ nhất
3.2 Lịch sử ra đời Graphene
Trải qua nhiều thế kỉ khai thác, sử dụng và nghiên cứu các sản phẩm của thiên nhiên con người đã biết được nhiều nguyên tố hóa học và hợp chất của nó. Người ta nhận thấy rằng tất cả các
hợp chất hữu cơ đều chứa cacbon và cacbon thường chiếm hàm lượng rất lớn. Cacbon có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người. Đặc biệt trong công nghệ nano đã tìm ra các dạng rất đặc biệt của cacbon. Loại vật liệu nano đầu tiên
được khám phá từ cacbon là Fulơren được Hình 22: Ống Nano cacbon Hình 21: Màng Graphene
tìm ra vào năm 1985 do một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto và Sean O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley. Fulơren có dạng quả bóng chỉ gồm các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Ban đầu người ta tìm ra mỗi hạt là một phân tử lớn cacbon cấu tạo từ 60 nguyên tử cacbon C60. Sau đó người ta còn tìm ra phân tử cacbon hình cầu như vậy nhưng có nhiều phân tử cacbon hơn: C70, C70, C84, thậm chí có thể chứa đến hàng trăm nguyên tử. Fulơren nhanh chóng trở thành vật liệu nano mới, có nhiều tính chất hóa lí kì lạ. Giải Nobel về hóa học 1996 được trao cho hai nhà khoa học là đã tìm ra Fulơren là Smalley và Kroto (được trao nửa giải, nữa còn lại trao cho Robert Curl).
Rồi từ quả bóng tròn, năm 1991 người ta tìm ra cách "cuộn" những phân tử cacbon này thành hình ống gọi là "nanotube", tức ống nano cacbon. Tiến sĩ Sumio Iijima một nghiên cứu viên của công ty NEC đang tìm hiểu Fulơren lại tình cờ phát hiện qua kính hiển vi điện tử ống nano cacbon. Một cái ống thì bớt cồng kềnh hơn một quả
bóng về mặt thể tích. Ống nano cacbon giống như một lá Graphite cuộn tròn lại, đường kính vào cỡ nanomet nhưng chiều dài có thể rất dài, cỡ vài trăm micromet, hai đầu ống có hai nữa quả bóng Flơren úp lại. Như vậy mặt ngoài của ống nano cacbon là các nguyên tử cacbon liên kết với nhau rất chắc chắn bằng liên kết cộng hóa trị, mỗi
nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon khác, từ đó tạo thành các hình 6 cạnh. Ống nano cacbon rất nhẹ, bền hơn thép 100 lần. Về tính chất điện, từ, nhiệt, ống nano cacbon có nhiều đặc điểm còn kì lạ hơn Fulơren. Liên tiếp thời gian qua, ngành Khoa học công nghệ Việt Nam đón nhận những
Hình 23: Ba dạng của Cacbon: Fulơren, Ống Nano Cacbon, Graphene
tin vui. Tại Hà Nội, một nhóm nghiên cứu trẻ thuộc Viện khoa học công nghệ Vật liệu đã thành công khi cho ra đời sản phẩm vật liệu ống nano cacbon đa tường. Phải mất tới 5 năm nghiên cứu và thử nghiệm, nhóm nhà khoa học trẻ thuộc Phòng Nghiên cứu vật liệu và Công nghệ linh kiện (Viện Khoa học công nghệ Vật liệu) mới chạm được vào cánh cửa thành công. Tác giả của công trình nghiên cứu này đều thuộc về những nhà khoa học trẻ thế hệ 8X gồm Nguyễn Văn Chúc, Phan Ngọc Hồng và Bùi Hùng Thắng. Năm 2004, nhóm đã bắt đầu nghiên cứu vật liệu ống nano cacbon. Sau gần 5 năm miệt mài, nhóm nghiên cứu mới thu hoạch được những sản phẩm đầu tiên. Kết quả thử trên máy chuyên dụng cho thấy sản phẩm nano cacbon đường kính từ 8-10nm, chiều dài từ 5- 10µm và độ sạch đã đạt trên 95%. Sau thành công ban đầu này khoa học công nghệ Việt Nam lại tiếp tục đón nhận tin vui nữa. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, một nhóm nghiên cứu thuộc Khu Công nghệ cao cũng chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon. Tiến Sĩ Nguyễn Chánh Khê cùng cộng sự của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển khu Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh cũng cho ra đời sản phẩm ống nano cacbon. Điểm đặc biệt của thành công này là nguyên liệu nghiên cứu, chế tạo và sản xuất lại là những loại cây dễ kiếm nguyên liệu ở Việt Nam như mía, dó bầu, tầm vông... Đặc biệt, thành công của Tiến Sĩ Khê là sản xuất được ống nano cacbon đều hơn, với giá thành rẻ và ít thành phần pha tạp.
Bây giờ thì cái ống nano đã được dàn mỏng như một tờ giấy. Cũng những phân tử cacbon ấy, các nhà khoa học đã tìm ra cách dàn mỏng chúng thành một lớp cacbon mỏng, rất mỏng, chiều dày của lớp phân tử này là 1 nguyên tử. Dưới kính hiển
dáng của một màng lưới. Cái màng lưới mỏng bằng cacbon ấy được gọi là graphene. Loại chất liệu này thu hút khá nhiều sự chú ý của cộng đồng khoa học cũng như các công ty chế tạo máy móc điện tử.
Bắt đầu vào thập niên 1970, các nhà khoa học đã phát triển lớp graphene trong phòng thí nghiệm. Lớp graphene được tạo ra trong phòng thí nghiệm quá nhỏ nên không thể xem xét hơn được, và các nhà nghiên cứu đã không thông thạo nhiều thủ thuật cần thiết để đẩy nhẹ lớp graphene đơn ra khỏi chồng bài graphite thiên nhiên. Năm 1990, các nhà vật lý người Đức ở RWTH Aachen Univrsity đã lấy được những miếng graphite mỏng đến độ trong suốt. Khoảng 10 năm sau đó, năm 2000 không có một tiến bộ nào đáng kể. Mặc dầu họ có thể lấy được những miếng mỏng
khoảng vài mươi nguyên tử, nhưng đó chỉ là những miếng graphite mỏng, không phải graphene. Lúc đó, không ai nghĩ graphene có thể hiện diện được trong thiên nhiên. Từ năm 2004, các nhà nghiên cứu ở Anh dẫn đầu là Andre Konstantin Geim đã tìm ra một cách đơn giản để bóc những lớp đơn nguyên tử của các nguyên tử cacbon khỏi các khoanh graphite.
Andre Konstantin Geim sinh năm 1958 tại Sochi (Nga), theo học ngành Vật lý ở Moskva và bảo vệ thành công luận án tiến sĩ tại Viện Vật lý chất rắn Chernogolovka, năm 1987. Sau một thời gian nghiên cứu ở Anh và Đan Mạch, năm 1994, ông trở thành giáo sư thỉnh giảng của Đại học Nijmegen (Hà Lan) và từ năm 2001, Geim dạy tại Đại học Manchester (Anh). Nhờ tìm ra vật liệu graphene, ông vừa được trao thưởng Koerber tại Tòa thị chính Hamburg (Đức). Đây là một trong những giải thưởng danh giá nhất ở châu Âu dành cho các nhà khoa học có phát minh quan trọng và cực kỳ sáng tạo.
Hình 25: Ông Andre Konstantin Geim
Từ đó tới nay, họ đã cố gắng nghiên cứu dạng màng mỏng này. Họ đã có bước tiến mới, với hàng loạt khám phá, những cách thức và những hiểu biết nền tảng mới để có thể tạo ra được những mảng graphene rộng và biến chúng thành những thiết bị. Các nhà khoa học cho rằng trong tương lai, graphene nhiều khả năng sẽ thay thế silicon. Đó cũng là lý do vì sao các nhà khoa học trên khắp thế giới đang nghiên cứu tìm cách ứng dụng graphene vào cuộc sống. Hiện nay, Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn bởi nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết theo như phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao.
Năm 2009, họ đã có bước tiến mới, với hàng loạt các khám phá, những cách thức và những hiểu biết nền tảng mới để có thể tạo ra được những mảng graphene rộng và biến chúng thành những thiết bị mới. Tháng 5/2009, các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Texas, Austin, nói rằng họ đã tạo ra được các tấm màng graphene có kích thước lên tới 1 cm2 bằng cách phát triển chúng trên các lá đồng mỏng. Một nhóm nhà nghiên cứu khác tại trường Đại học Cornell đã tạo ra được graphene trên các tấm silicon. Hai tiến bộ mới này mở ra khả năng tạo ra được hàng loạt các thiết bị điện tử dựa trên graphene. Tháng 6/2009, các nhà nghiên cứu của IBM cho biết họ đã tạo ra được các transistors graphene có thể bật và tắt 26 tỷ lần mỗi giây, vượt xa các thiết bị silicon thông thường. Các nhà nghiên cứu Viện Công nghệ Massachusetts đã tạo ra được một dạng thiết bị nhân tần số graphene cho
các tín hiệu điện tử, có thể đem lại những ứng dụng trong viễn thông. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, sẽ rất khó thực hiện các vi mạch với kích thước nhỏ hơn 10 nanomét bởi ở giới hạn này đã bắt đầu xuất hiện sự rò rỉ electron. Do đó, các nhà khoa học hi vọng rằng đến năm 2020, con người có thể tìm thấy được vật liệu
Hình 26: Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử
có thể thay thế silicon. Đến nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản này.