6. Phương pháp nghiên cứu
3.7.6. Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM)
Các nhà vật lý Mỹ vừa khẳng định họ đã sử
dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát một đơn nguyên tử Hydro, một nguyên tử rất nhẹ. Bước đột phá này được tạo ra bằng cách
đưa nguyên tử trên một tấm graphene. Ta có thể
nhìn thấy các chuỗi hydrocacbon di động trên bề
mặt tấm graphene, và giả thiết rằng kỹ thuật này có
thể được sử dụng để nghiên cứu các quá trình động học trong các phân tử sinh
học.
Hình 48: Hình ảnh đơn nguyên tử Hydro
Kính hiển vi điện tử
truyền qua được dùng để
quan sát các nguyên tử
riêng biệt, nhưng mới chỉ
có thể sử dụng để ghi ảnh
các nguyên tử nặng. Một
nguyên nhân là TEM tạo ảnh bằng cách chiếu một chùm điện tử hẹp qua mẫu
vật và đo góc lệch của điện tử bị lệch đi khi qua
qua các nguyên tử. Các
nguyên tử nhẹ (ví dụ như
Hydro, Helium…) thì lệch ít hơn rất nhiều so với các
nguyên tử nặng, có nghĩa
là việc ghi ảnh rất khó khăn. Mẫu vật sử dụng trong TEM cần phải được đặt
trên một đế cần phải đủ bền để không bị phá hủy bởi chùm điện tử có năng lượng cao nhưng lại phải đủ mỏng để cho hầu hết các điện tử truyền qua. Các
màng mỏng kim loại hoặc bán dẫn thường được dùng làm đế nhưng lại rất
nặng so với các nguyên tử đơn nhất và lại chứa nhiều nguyên tử nặng hơn
nhiều so với cacbon và hydro. Do đó, tán xạ từ đế thường có xu hướng che
mất các tín hiệu (vốn rất yếu) từ các nguyên tử nhẹ. Để khắc phục vấn đề này
người ta sử dụng graphene. Ý tưởng này được đưa ra khi các nhà khoa học sử
dụng TEM để nghiên cứu các sai hỏng trong graphene. Trong khi quan sát các nhà khoa học phát hiện ra rằng họ có thể phân biệt các nguyên tử cacbon và hydrogen riêng biệt cũng như là các chuỗi hydrocacbon – là các nhiễm bẩn
Hình 49: Ảnh chụp các nguyên tử riêng biệt ở độ phóng đại siêu cao a) Nguyên tử cacbon (chấm đen được chỉ mũi tên), b) phân bố cường độ ảnh, c) mô hình nguyên tử; d) nguyên tử hydro. Thang chia độ dài là 2 nm
trên bề mặt của graphene. Đặc tính chủ yếu của kỹ thuật là các nguyên tử
cacbon trong mạng graphene là không thể nhìn thấy với TEM cho dù là kỹ
thuật này có thể nhìn thấy một cách rõ ràng nguyên tử cacbon riêng lẻ trên bề
mặt graphene.
Các nguyên tử
cacbon được xếp trong
những sự sắp xếp thông thường với một khoảng
cách không thể phân tích
trong kính hiển vi, do đó,
tấm cacbon cung cấp một
nền đồng đều mà ta vẫn
cho là không có cấu trúc
nào trên nó. Cùng với việc nhìn thấy các nguyên tử riêng biệt, ta có thể quan
sát thấy việc chùm điện tử tạo ra một lỗ thụ động trên đế graphene. Thậm chí
có thể quan sát thấy một lỗ đang được sửa chữa khi mà graphene hấp thụ các
nguyên tử cacbon từ môi trường xung quanh.
Graphene là một đế cực tốt cho các mẫu TEM vì nó có một ảnh hưởng
tối thiểu trong quá trình ghi ảnh. Một lớp graphene đơn nhất có thể giúp cho
việc tăng độ nhạy ghi ảnh. Tuy nhiên, đối với việc quan sát đơn nguyên tử chỉ
có thể sử dụng một cách hạn chế bởi vì quá khó để tiến hành và lại dễ dẫn đến
việc hiểu sai các thông tin.
Hình 50: Ảnh chụp đế graphene ở độ phóng đại nhỏ (thang chia độ dài trên mỗi bức ảnh là 1 mm và 10 nm), đế được xử lý ở mức độ siêu sạch và hầu như không đạt độ tương phản nào với đế.
KẾT LUẬN
Với cấu trúc một màng mỏng có bề dày một nguyên tử, Graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ và thú vị. Graphene mở ra một tiềm năng nghiên cứu khoa học mới trong thang vi mô. Cấu tạo của Graphene rất đơn giản nhưng để tạo ra được nó thì không đơn giản chút nào. Với lớp Graphene đơn
lớp không có khe vùng năng lượng nên nó gây trở ngại cho việc ứng dụng nó
vào thực tiễn. Tuy nhiên lớp kép Graphene lại có tính chất rất đặc biệt là độ
rộng vùng cấm có thể thay đổi bằng điện trường ngoài. Trước kia các nhà khoa học cho rằng độ rộng vùng cấm chất bán dẫn cố định, không thể thay đổi được. Nhưng với tính chất đặc biệt của lớp kép Graphene mở ra một tầm nhìn mới và hướng nghiên cứu mới cho vật lý bán dẫn. Graphene mới đạt được
nhiều thành tựu gần đây nhất năm 2009 nên khoa học công nghệ thế giới đang
vạch ra những ứng dụng trong tương lai và đang nghiên cứu để biến nó thành hiện thực. Đặc biệt công nghệ điện tử đang tiến đến những giới hạn cuối cùng của kích thước các thiết bị điện tử. Silic là chất bán dẫn được sử dụng nhiều
nhất trong công nghệ điện tử, nhưng nó không thể tạo ra các thiết bị nhỏ hơn
nữa. Chất bán dẫn Graphene ra đời mở ra hy vọng mới cho ngành công nghệ điện tử để thay thế cho Silic. Công nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hoàn toàn tương tự như công nghệ dùng silicon nhưng để đến được sự xuất
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Đình, Bài giảng Vật lý chất rắn và bán dẫn, Đại học sư phạm huế
(1999).
2. Trương Minh Đức, Giáo trình Vật lý chất rắn, Đại học sư phạm huế
(2010).
3. Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội
(2007).
4. Đào Trần Cao, Cơ sở vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội
(2007).
5. Nguyễn Quang Báu, Lý thuyết bán dẫn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2004).
6. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ, tập 2, NXB Giáo Dục (2005).
7. Nguyễn Hữu Đình, Đỗ Đình Rãng, Hóa học hữu cơ, NXB Giáo Dục
Việt Nam (2009).
8. Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất bản trẻ (2008).
9. Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình, Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản
giáo dục (1992).
10.Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học và công nghệ hiện đại, Nhà xuất bản giáo dục (2003).