6. Phương pháp nghiên cứu
3.6.2. Phương pháp micromechanical cleavage
Sau khi thất bại với phương pháp chemical exfoliation 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 nạo hoặc 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 người Đức
ở RWTH Aachen Univrsity đã lấy được những miếng graphite mỏng đến độ
trong suốt. Khoảng 10 năm sau đó, 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. 3.6.3 Phương pháp băng keo Scotch
Graphene được nhóm của giáo sư Geim tổng hợp từ graphite năm 2004.
Việc khám phá ra cách chế tạo graphene là câu chuyện hy hữu trong lịch sử
khoa học, bởi nó xuất phát từ một cuộn băng keo. Tiến sĩ Geim đặt mảnh
graphite lên một miếng băng keo đặc biệt, dán hai đầu lại với nhau, rồi mở băng keo ra... Cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphite trở nên thật mỏng. Qua đó, mảnh graphite được tách ra từng lớp một, ngày càng mỏng, sau đó người ta hòa chúng vào acetone. Trong hỗn hợp thu được có cả
những đơn lớp cacbon chỉ dày 1 nguyên tử. Một miếng graphite dày 1 nguyên tử thì không thể nhìn thấy được, nhưng tiến sĩ Geim thấy được rằng 1 miếng
graphite tạo ra 1 cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ. Đến nay, quan sát bằng kính
hiển vi, qua màu sắc, các nhà nghiên cứu có thể biết được độ dày của miếng
graphite.
3.6.4 Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp
Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu là Rodney Ruoff, giáo sư về kỹ thuật nano hiện ở Đại học Northwestern, báo cáo rằng ông có thể ma sát các cột graphite nhỏ bé lên bề mặt silicon xốp, khiến chúng trải dài như một chồng
bài. Ông đề nghị kỹ thuật này có thể sản sinh ra graphene đơn lớp, nhưng ông không thể xác định bề dày các lớp. Philip Kim, một giáo sư vật lý ở
Columbia, cũng đạt được kết quả tương tự khi làm “viết chì nano”, gắn 1 tinh thể graphite lên đỉnh của kính hiển vi lực nguyên tử và di chuyển nó theo bề
mảnh đó, mỏng khoảng 5 phần tỷ của 1 mét, tuy vậy, có thể bao gồm ít nhất 10 lớp nguyên tử.
3.6.5 Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi
Giáo sư Dario Alfc và TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Trái đất, Đại
học London, là những người đang cố gắng tìm hiểu và mô tả cơ chế hình thành graphene trong một phương pháp sản xuất đặc biệt. Đó là cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi (Ir) được làm nóng trong khoảng từ 300C
đến 10000C. Khi tiếp xúc với bề mặt này, những phân tử hydrocacbon giải
phóng các nguyên tử H, chỉ còn những nguyên tử C bám vào bề mặt Ir và tập
trung ở đó thành những kết cấu nano. Những kết cấu nano này phát triển thành mảng graphene hoàn chỉnh. Giáo sư Alfc cho biết phương pháp phát triển
graphene được nhiều người biết đến tuy nhiên vẫn chưa giải thích được cơ chế
thực hiện từ một bề mặt bao phủ cacbon đến một mảng graphene.
3.6.6 Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn
Đó là việc liên kết từng miếng nhỏ trên 1 mặt phẳng để tạo thành 1 dải
có dạng như 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 đưa chất xúc tác vào để diện tích lớp màng graphene có thể nở rộng. Công nghệ này
đáp ứng được cả 2 tiêu chí dẫn điện tốt và an toàn mà các phương pháp khác
hiện nay chưa đảm bảo được.
3.6.7 Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm.
Trong phương pháp này, graphite thương mại (đã được acid hoá bằng
HNO3 và H2SO4) được tách lớp ở 10000C bằng hỗn hợp khí Ar+3%H3. Sản
phẩm được phân tán trong dung dịch 1,2-dichloroethane + poly(m- phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách các lớp graphene. Cuối cùng là ly tâm để thu sản phẩm.
Hiện nay phương pháp bóc tách là phương pháp đơn giản sản xuất những
mẩu graphene tương đối lớn. Phương này
do Abhay Shukla và các cộng sự ở trường Đại học Pierre và Marie ở Paris đề xuất. Nhóm nghiên cứu vừa chứng minh được 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.
Phương 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, nhưng phương pháp
mới khiến cho có thể áp dụng cách thức này ở một quy mô lớn hơn trong khi vẫn giữ được chất lượng cao của mẫu.
3.6.9 Gắn kết dương cực trên nền thủy tinh
Gắn kết dương cực là 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. Phương pháp đó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để gắn
kết các bánh xốp silicon với thủy tinh. Kĩ thuật này chưa từng được thử
nghiệm trên các chất nền phân lớp, kiểu như graphene, 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 chất nền, còn khối chất có thể bóc tách ra. Vì các mẩu được gắn kết
với một chất nền thủy tinh rắn chắc, cho nên cách này tạo ra được các mẩu
diện tích bề mặt lớn hơn có chất lượng cao theo kiểu hiệu quả và đơn giản. Phương pháp cũng có thể sử dụng cho các chất phân lớp khác.
Từ trước đến nay, các nhà nghiên cứu đã sản xuất được các mẩu kích cỡ milimét, nhưng họ nói họ có thể cải thiện tỉ lệ này.
Hình 45: Từ trước vào: Adrian Balan, Rakesh Kumar, Abhay Shukla.
3.6.10 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 lượng biến đổi thành nhiệt trong graphite oxit. Xung năng lượng 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 được– nó thủng kiểu tổ
ong và chỉ là một phần khối lượng 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 như
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. Người 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 được 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, nhưng tiến trình không đơn giản khi nó có liên quan đến những lượng
nhỏ vật liệu vì nhiệt phát sinh bởi xung sáng có thể tiêu tan quá nhanh để kích
3.7 Ứng dụng Graphene
3.7.1 Dây dẫn và điện cực trong suốt
Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California, Mỹ, đã phát triển
một phương pháp mới sản xuất ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng
dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử
gia dụng khác. Các ống ghép nano cacbon-graphene này sẽ là vật liệu thay thế
rẻ hơn và mềm dẻo hơn nhiều so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng
trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử dẻo khác.
Dây dẫn trong suốt là một bộ phận tích hợp của rất nhiều thiết bị điện
tử, bao gồm tivi màn hình phẳng, màn hình plasma và các màn hình cảm ứng
cũng như pin mặt trời. Vật liệu chuẩn để sản xuất các dây dẫn trong suốt là oxit thiếc Indi nhưng oxit thiếc Indi lại có rất nhiều hạn chế, chúng rất đắt tiền
vừa do chi phí sản xuất lẫn mức độ khan hiếm Indi, đồng thời oxit thiếc Indi
cứng và dễ vỡ.
Ống ghép nano cacbon-graphene là một loại vật liệu thay thế cho oxit thiếc Indi có hiệu suất cao lý tưởng trong các thiết bị điện tử có các linh kiện
rời. Graphene là chất dẫn điện tuyệt vời và ống nano cacbon là những ứng cử
viên lý tưởng đối với các dây dẫn điện trong suốt vì chúng có thể dẫn điện trong khi đòi hỏi rất ít vật liệu. Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu này rất đơn giản, rẻ tiền và tương thích với các thiết bị mềm dẻo. Ống ghép nano cacbon-graphene được sản xuất theo phương pháp này đạt được hiệu suất có
thể sánh được với các oxit thiếc Indi hiện đang được sử dụng trong các thiết bị
mềm dẻo.
Ống ghép nano cacbon-graphene cũng là ứng cử viên lý tưởng cho các điện cực trong pin mặt trời polyme. Một trong những tiện ích của pin mặt trời
bằng polyme là polyme rất mềm dẻo. Nhưng khi thay thế cho oxit thiếc Indi thường bị mất hiệu suất theo độ dẻo nên không được sử dụng. Ống ghép nano
cacbon-graphene vẫn duy trì được hiệu suất khi bị uốn cong và cũng có thể tương thích với chất dẻo. Tiềm năng của ống ghép nano cacbon-graphene không chỉ giới hạn trong những cải tiến sắp xếp linh kiện mà với các nghiên cứu sâu hơn, ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng tạo ra các khối kết
cấu cho các linh kiện điện tử quang học trong tương lai 3.7.2 FET graphene
Transistor hiệu ứng trường (FET) được chế tạo bằng cách làm nóng một
bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo ra một lớp
mặt gồm những nguyên tử cacbon ở dạng
graphene. Các cực phát và thu song song được
cho lắng lên trên graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng. Tiếp theo, cho lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng
bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một lớp poly- hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường được cho lắng lên, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại. Chiều
dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có
thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa hiệu suất của dụng cụ.
Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao hơn MOSFET
silicon tốt nhất có cùng chiều dài cổng (tần số ngưỡng là tần số mà trên đó
một transistor sẽ chịu sự suy giảm đáng kể hiệu suất của nó). Không giống
như đa số FET graphene khác, chế tạo từ những giàn graphene, dụng cụ này
được chế tạo bằng những kĩ thuật sử dụng trong công nghiệp chất bán dẫn. Tuy nhiên, một thiếu sót của những dụng cụ graphene là chúng không thể sử
Hình 46: Giản đồ FET graphene của IBM: dụng cụ mọc trên một chất nền silicon carbide (khối màu đen) và bao gồm các điện cực phát và thu (bằng vàng), graphene (mạng lưới màu đen), lớp cách điện (màu xanh lá) và các điện cực cổng (bằng bạc)
dụng trong các mạch kĩ thuật số. Đây là vì graphene có khe năng lượng bằng 0 giữa các electron dẫn và electron hóa trị của nó – và chính “dải khe” này cho phép các chất bán dẫn truyền thống chuyển mạch dòng điện từ ngắt sang
đóng.
Các nhà nghiên cứu IBM hiện có kế hoạch thu nhỏ transistor của họ, cải thiện độ tinh khiết của graphene và tối ưu hóa kiến trúc của dụng cụ, và còn
đang khảo sát các phương thức tạo ra một dải khe ở transistor graphene để cho nó có thể dùng trong những ứng dụng kĩ thuật số.
3.7.3 Chíp máy tính
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc
bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới- có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử
từ Graphene. Chiếc bóng bán dẫn này, về bản
chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán dẫn
là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt độ trong phòng - giống như yêu
cầu đối với các thiết bị điện tử hiện đại khác.
Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn được
chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ. Chiếc bóng bán
dẫn đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹ
Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim).
Ngành kinh doanh chất bán dẫn hiện nay đang được tiến hành trên cơ
sở chắc chắn loại bỏ được những chip siêu nhỏ làm từ nguyên liệu silicon
mỏng manh. Với con chip làm bằng công nghệ Graphene khắc phục được điều
này. Các nhà khoa học dự đoán Graphene sẽ là vật liệu thay thế Silicon trong
Hình 47: Tiến sỹ Leonid Ponomarenko giới thiệu một thiết bị với chiếc bóng bán dẫn nhúng bên trong
ngành công nghiệp điện tử. Ngoài ra Palacios cùng trợ lí giáo sư Jing Kong và
2 sinh viên khác là Han Wang và Daniel Nezich đã chế tạo một loại chip thử
nghiệm làm từ Graphene có khả năng khuếch đại tín hiệu điện tử. Theo các
nhà khoa học công nghệ khuếch đại tín hiệu điện tử đang được sử dụng hiện nay thường tạo ra tín hiệu nhiễu và đòi hỏi phải có bộ lọc mạnh và tiêu tốn năng lượng. Còn loại chip Graphene chỉ sử dụng một transitor và nguồn ra
hoàn toàn sạch và không cần bộ lọc. Thời gian đầu, một nhóm nghiên cứu được lãnh đạo bởi Hongjie Dai, J. G. Jackson và Giáo sư Hoá học C. J. Wood, đã chế tạo được những transitor được gọi là "transitor hiệu ứng trường"- một
thành phần quan trọng để cấu thành các con chip- cùng với graphene thì có thể
hoạt động trong nhiệt độ phòng. Transitor hiệu ứng trường (ta đã nghiên cứu ở
trên) là một chìa khoá cốt lõi của các con chip máy tính, hoạt động giống như người chuyên chở dữ liệu từ một địa điểm khác. Họ có một kênh bán dẫn được kẹp vào giữa hai điện cực kim loại. Trong hình dạng của một trường điện, một bản đỡ kim loại có thể rút ra hai vật đỡ cực âm và cực dương bên
trong và bên ngoài của một bán dẫn. Nó cho phép dòng điện hoặc được chạy
qua hoặc bị chặn lại, bằng cách đóng mở và mở thiết bị điều khiển, bằng cách đó mà điều chỉnh cho đúng đường đi của dữ liệu.
3.7.4 Màn hình ti vi cảm ứng
Hiện tại, hầu hết màn hình cảm ứng đều dựa trên lớp màng mỏng oxit thiếc Indi. Tuy nhiên indium là một nguyên tố rất hiếm có và một số nhà
nghiên cứu đã tính toán rằng nguồn cung cấp indium của thế giới có thể bị cạn