CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT HẤP THỤ VÀ CÁC VẬT LIỆU HẤP PHỤ
3.1 Các tính chất của Graphene
Graphene là mạng tinh thể của các nguyên tử carbon. Các nguyên tử carbon này liên kết với nhau bởi liên kết sp2 hình thành mạng lục giác 2
chiều, chiều dài liên kết carbon-carbon trong graphene là vào khoảng 1.42Ả ( hình 3.1)
Hình 3.1. Cẩu trúc mạng tinh thể của Graphene [1]
Căn cứ vào cấu trúc người ta chia Graphene thành 2 loại: Graphene khối và Graphene lớp
Hình 3.2. Cẩu trúc mạng tỉnh thể của Graphene lớp(a), Cẩu trúc mạng tinh thể của Graphene khối ịb) [1]
Cấu trúc nguyên tử của lớp đơn graphene bao gồm một mặt tinh thể hình lục giác vói 2 nguyên tử carbon trong một ô cơ bản. Graphene khối có
các lớp graphene kép (bao gồm hai lớp đơn graphene nằm xếp chồng lên nhau sao cho nguyên tử của lớp này nằm đối diện với nguyên tử của lớp kia), cấu trúc điện tử của lớp kép là các dải hyperbol đối xứng nhau qua điểm Dirac.
Trong ba lớp graphene, lớp thứ ba nằm xếp chồng lên hai lớp kia và nằm thẳng hàng với lớp thứ nhất
Tính dẫn điện của graphene có thể nói tương đương với đồng, nhưng tính dẫn nhiệt của nó thì có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với những yật liệu khác. Nhờ sự linh động của các liên kết carbon-carbon mà vật liệu này có thể kéo dãn thêm 2 0% kích thước, đồng thời cho phép các electron di chuyển trong cấu trúc mạng dễ dàng hơn chứ không như ừong các vật liệu dẫn bình thường, do vậy làm tăng hiệu suất dẫn. Graphene hàu như trong suốt (chỉ hấp thụ 2.3% cường độ ánh sáng truyền qua) nhưng lại không cho phép các nguyên tử khí, dù là nguyên tử helium, có thể đi qua. Tính chất này gợi mở khả năng ứng dụng cao của graphene cho công nghiệp thực phẩm trong tương lai. Ngoài ra, với khả năng dẫn điện cực tốt cùng tính chất trong suốt, graphene cũng là một vật liệu tiềm năng cho công nghệ sản xuất các tấm sáng, màn hình cảm ứng trong suốt hoặc thậm chí là cả pin năng lượng Mặt trời.
Đặc biệt, với tính linh động của điện tử graphene hứa hẹn mang lại những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực điện tử nano và quang điện tử.
Graphene đơn lớp có phổ năng lượng như trong hình 3.3, ta thấy nó có một khe năng lượng bằng không. Điều này gúp cho các elecưon có thể dễ dàng chuyển thành các electron dẫn và làm cho điện trở của nó giảm mạnh.
Tính chất quang của nó cũng được cải thiện thông qua khe năng lượng này.
Với CASTEP chúng ta thu được quá trình tối ưu hóa của năng lượng với các thông số đầu vào: năng lượng cắt: 280eV, mật độ hội tụ: 2.178644x10'
4 eV/nguyên tử, ứng suất kéo dãn 1.776881 GPa. Năng lượng biến thiên theo từng bước tối ưu hóa, sau một số bước tối ưu hóa thì năng lượng sẽ biến thiên trong khoảng: -310.0335 eV -r -310.0330 eV. (Hình 3.4)
Năng lượng (eV)
-310.O M )" *
-310,0345
-310,0350
0 10 20 30 40 50 60 70 so 90 100
Các bưóc tòi ưu hóa
Hình 3.4. Quá trình tối ưu hỏa của năng ỉượng
3.1.3 Qua trình tổi ưu hỏa hội tụ của Graphene
Với CASTEP chúng ta thu được quá trình tối ưu hóa hội tụ vói các thông số đầu vào: năng lượng cắt: 280eV, áp suất kéo dãn 1.776881 GPa: ta thấy Năng lượng, Áp suất kéo dãn, biến thiên theo từng bước tối ưu hóa, sau một số bước tối ưu hóa thì các đại lượng đó sẽ ổn định trong những khoảng giá trị nhất định cụ thể là: năng lượng sẽ biến thiên ưong khoảng: -3.75 eV -ý- - 3.6 eV. ứng suất kéo dãn biến thiên trong khoảng 0.250 -T 0.266 GPa. Sự dịch chuyển và lực tác dụng lên các nguyên tử cực đại thì không thay đổi mà vẫn giữ ở giá tộ ban đầu. Dịch chuyển lớn nhất là 3Ả và lực lớn nhất là 1.520 eV/Â.
Bằng CASTEP chúng tôi tìm được mật độ trạng thái theo năng lượng của Graphene như trong hình 3.6.
Hội tụ 1 0- -1- -ĩ -3-
-4-
-5-
-6-
0 10 20 3Q 40 50 60 70 so 90 iũũ
Các bưỡc tồiuruhóa
---- *—Sự th a y đôi n ã n g lư ợ n g (eV -atom ) Sụ- dich ch u y ền cự c đai'Â) - - Lực cực đại (eV/Ẩ) ° — Ap suảt kéo dãn (GPa)
Hình 3.5. Quá trình tối ĩtu hóa hội tụ của Graphene
(loa 10) Quả trình tói ưu hóa hội tụ
*1 ôy ẹầ Bẩ Cẩ TỊft_ Tầ CJ=TI T I V r ^ r n ạ r t t P ^ ^ Ũ i L B ^ ĩ r .
Ẳ ...
Năng lượng (eV)
Hình 3.6. Mật độ trạng thái của Graphene đơn lớp