Đề tài Chất bán dẫn Graphene

MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Hình 1: Màng Graphene Nền khoa học công nghệ trên thế giới đang phát triển một cách nhanh chóng nhất là các nước phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga. Sự phát triển của khoa học công nghệ đã đem lại những diện mạo mới cho cuộc sống con người và công nghệ điện tử viễn thông. Hiện nay trên thế giới đang hình thành một khoa học và công nghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ có tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế- xã hội của thế kỷ 21. Đó là khoa học và công nghệ nano. Hiện nay, công nghệ điện tử truyền thống đang tiến đến những giới hạn cuối cùng của kích thước thang vi mô, khoa học công nghệ nano ra đời mở ra hướng nghiên cứu mới cho ngành điện tử với những linh kiện mới với kích thước nano. Theo dõi sự phát triển của khoa học công nghệ, vào cuối mỗi năm, tạp chí ScienceMag (Mỹ) đều điểm lại những sự kiện khoa học của thế giới trong năm và chọn ra 10 sự kiện nổi bật nhất, đặc biệt là chọn ra một sự kiện lớn nhất được gọi là Bước đột phá của năm. Theo tạp chí bước đột phá khoa học của năm 2009 là việc các nhà khoa học quốc tế phát hiện một bộ xương có niên đại 4,4 triệu năm tại Ethiopia, các sự kiện còn lại thuộc các lĩnh vực: Vật lý, khám phá vũ trụ, y học, liệu pháp gen và vật liệu graphene. Tâm điểm của lĩnh vực công nghệ vật liệu trong thập kỷ 2000 - 2009 xoay quanh những nghiên cứu về hai trạng thái mới của cacbon, đó là, ống nano cacbon và graphene. Kể từ khi được phát hiện và nghiên cứu vào đầu những năm 90 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã từng nhận định rằng, có vẻ như không có gì mà ống nano cacbon không thể làm được. Sự đóng góp của ống nano cacbon trong các ngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay là khá phong phú, từ điện tử, động cơ siêu nhỏ, tới bộ nhớ, pin và trong cả lĩnh vực vũ trụ. Nhưng những nghiên cứu về graphene mới được công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu mới này đã nhanh chóng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học, với độ cứng còn hơn cả kim cương, và là loại vật liệu mỏng nhất trong tất cả các loại vật liệu mà chúng ta đã từng tạo ra. Ngoài ra, tính dẫn điện của graphene rất lý tưởng. Do đó, các nhà khoa học hi vọng rằng đến năm 2020, Graphene có thể thay thế chất bán dẫn silicon. Hiện nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử. Hình 2: Cấu trúc 2D của graphene Nếu sản xuất có thể cải thiện, graphene sẽ cách mạng hóa ngành công nghệ năng lượng. Hiện nay, năng lượng mặt trời và gió, đang gặp khó khăn vì các phương pháp tồn trữ chưa thích nghi. Nhiều nhà khảo cứu nghĩ rằng các siêu tụ điện graphene có thể là giải pháp. Từ năm 2004, các nhà nghiên cứu ở Anh đã tìm ra một cách đơn giản để bóc những lớp phân tử dày đơn nguyên tử của các nguyên tử cacbon khỏi các khoanh graphite bằng băng keo. Từ đó tới nay họ đã cố gắng nghiên cứu dạng màng mỏng này. 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. Ở Việt Nam hiện nay khi nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano thì không còn mới lạ nữa mà vấn đề này đang được nghiên cứu rất nhiều. Liên tiếp thời gian qua, ngành Khoa học công nghệ Việt Nam đón nhận những 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. Còn 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. Lĩnh vực ống nano cacbon ở nước ta đã có thành công nhưng riêng chất bán dẫn Graphene còn là lĩnh vực rất mới ở nước ta hiện đang được một số nhà khoa học nghiên cứu. Chất bán dẫn Graphene là một lĩnh vực rất mới đối với khoa học nước ta. Đó chính là lí do tôi quyết định chọn đề tài này: “Chất bán dẫn Graphene”. Mục đích nghiên cứu Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì lần lượt nhiều loại vật liệu mới cũng được khám phá và ứng dụng vào cuộc sống của con người. Công nghệ nano ra đời đã làm cho cuộc sống của con người tiện nghi hơn với các linh kiện điện tử nhỏ bé. Việc áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất. Từ khi Graphene được khám phá thì các nhà khoa học dự báo Graphene là vật liệu có thể thay thế nguồn Si làm bán dẫn ngày đang cạn kiệt. Với vai trò quan trọng của chất bán dẫn Graphene tôi nghiên cứu đề tài này với mục đích đặt ra như sau: Hiểu và nắm được cấu trúc, tính chất, ứng dụng của Graphene. Nắm được vai trò quan trọng của Graphene. Có cái nhìn tổng quan hơn về việc nghiên cứu tạo ra vật liệu mới. Biết trào lưu chế tạo ra các vật liệu mới ngày nay. Đề tài khái quát được tất cả các vấn đề liên quan đến Graphene. Đề tài nêu được tầm quan trọng của Graphene trong cuộc sống của con người Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là: Tổng quan và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài. Nghiên cứu cơ sở lý luận của chất bán dẫn Graphene. Nghiên cứu những tính chất vượt trội của Graphene và ứng dụng của Graphene trong lĩnh vực điện tử. Nghiên cứu lớp kép Graphene có độ rộng vùng năng lượng cấm có thể thay đổi và những ứng dụng của nó trong điện tử. So sánh được sự khác biệt giữa hai loại lớp đơn và lớp kép Graphene. Nghiên cứu ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn này. Đối tượng nghiên cứu Để đạt được mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nêu ra tôi xác định đối tượng nghiên cứu như sau: Cơ sở lý luận của chất bán dẫn Graphene. Cấu trúc, tính chất, ưu nhược điểm của chất bán dẫn này. Sự khác biệt giữa lớp đơn Graphene và lớp kép Graphene. Phương pháp chế tạo ra Graphene và một số ứng dụng của nó trong ngành điện tử. Đặc biệt nghiên cứu Graphene kép với độ rộng vùng cấm có thể thay đổi được. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu sơ lược về chất bán dẫn và đi sâu vào cấu tạo, tính chất, phương pháp chế tạo Graphene và một số ứng dụng của chất bán dẫn này vào cuộc sống. Phương pháp nghiên cứu Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách. Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được. Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận. Dịch và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh. NỘI DUNG Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Mạng tinh thể của vật rắn 1.1.1 Mạng tinh thể lý tưởng Trong các vật rắn, nguyên tử, phân tử được sắp xếp một cách đều đặn, tuần hoàn trong không gian tạo thành mạng tinh thể. Mạng tinh thể lý tưởng là mạng lưới không gian vô tận mà tại các nút mạng là các hạt tạo nên tinh thể có tính chất vô hạn tuần hoàn. Các nút mạng được gọi là gốc mạng. Các gốc mạng đều đồng nhất về thành phần cũng như quy luật sắp xếp. Trong mạng tinh thể lý tưởng, nếu ta chọn một nút làm gốc thì tọa độ của nút liên tiếp được xác định nhờ vector tịnh tiến của mạng tinh thể: , trong đó: được gọi là vector tịnh tiến cơ sở, là các số nguyên dương âm. Hình 3: Ô sơ cấp Độ lớn của các vector cở sở được gọi là chu kỳ dịch chuyển hay hằng số mạng. Với một mạng tinh thể bất kỳ, có vô số cách chọn bộ ba vector tịnh tiến cơ sở. Cấu trúc của mạng tinh thể gồm có một ô sơ cấp và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt. 1.1.2 Ô sơ cấp (ô cơ sở) Từ bộ ba vector tịnh tiến cơ sở, ta có thể dựng nên một hình hộp bình hành được gọi là ô sơ cấp. Có thể xem ô sơ cấp là viên gạch đồng nhất để tạo nên mạng tinh thể. Để mô tả cấu trúc tinh thể ta coi nó gồm các ô sơ cấp lặp lại tuần hoàn trong không gian. Ứng với vector tịnh tiến nguyên tố hay vector tịnh tiến đơn vị , chúng ta có ô mạng nguyên tố hay ô mạng đơn vị. Ô nguyên tố chỉ chứa một nút mạng, trong khi ô đơn vị lại chứa nhiều hơn một nút mạng. Tuy có rất nhiều cách chọn các vector nguyên tố, nhưng thể tích của ô nguyên tố sẽ không thay đổi. Đó là thể tích của ô cơ sở, nó được tính theo công thức: . Kích thước của ô cơ sở theo các chiều khác nhau được gọi là các thông số mạng hay hằng số mạng. Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô cơ sở mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau. Đối với mỗi cấu trúc tinh thể, tồn tại một ô cơ sở quy ước, thường được chọn để mạng tinh thể có tính đối xứng cao nhất. Tuy vậy, ô cơ sở quy ước không phải luôn luôn là lựa chọn duy nhất. Ngoài khái niệm ô cơ sở đã nêu trên, người ta còn sử dụng khái niệm ô nguyên tố Wigner – Seitz, nó được vẽ sao cho nút mạng nằm ở tâm của ô. Hình dạng của ô Wigner – Seitz phần nào đặc trưng cho các phép đối xứng trong mạng. Ô Wigner – Seitz có một nguyên tử trong một ô, có tính đối xứng trung tâm, thể tích của nó đúng bằng thể tích của ô nguyên tố. Hình 4: Ô Wigner – Seitz trong mạng 3 chiều. Hình 5: Ô Wigner – Seitz trong mạng 2 chiều. 1.1.3 Phân loại các loại mạng tinh thể Tuy có rất nhiều cách để chọn ô mạng cơ sở cho một mạng cụ thể nhưng Bravais đã đề xuất một số tiêu chuẩn để chọn ô mạng cơ sở sao cho chúng chứa đầy đủ nhất tính chất đối xứng của mạng và đồng thời có thể xem như một đơn vị tuần hoàn của mạng. Các tiêu chí đó bao gồm: - Ô mạng phải cùng hệ với hệ của tinh thể vĩ mô. - Số cạnh bằng nhau và số góc bằng nhau của ô mạng phải nhiều nhất. - Nếu có góc vuông giữa các cạnh thì góc vuông đó phải nhiều nhất. Hình 6: Ba vecto cơ sở - Thể tích của ô mạng phải là nhỏ nhất. Để xác định được một ô mạng, chúng ta cần xác định độ lớn của ba vector và vị trí tương đối của chúng trong không gian (góc α, β, γ). Như vậy, ta có tất cả sáu thông số để xác định được mạng không gian. Bằng cách lập các tổ hợp khả dĩ của 6 thông số trên, và thêm vào những trường hợp có các nút ở vị trí tâm của các mặt bên và tâm của ô mạng, Bravais đã chứng minh được rằng chỉ đó 14 tổ hợp độc lập (bảng 1). Mỗi tổ hợp ứng với một ô mạng và được gọi là ô mạng Bravais. Mạng Bravais là một tập hợp các điểm tạo thành từ một điểm duy nhất theo các bước rời rạc xác định bởi các véc tơ cơ sở. Tất các các vật liệu có cấu trúc tinh thể đều thuộc vào một trong các mạng Bravais này (không tính đến các giả tinh thể). Cấu trúc tinh thể là một trong các mạng tinh thể với một ô đơn vị và các nguyên tử có mặt tại các nút mạng của các ô đơn vị nói trên. Bảng 1: Bảng 14 ô mạng Bravais Hệ tinh thể Mạng tinh thể Tam tà Đơn tà Đơn giản tâm đáy Trực giao Đơn giản tâm đáy tâm khối tâm mặt Lục giác Tam giác Bốn phương đơn giản tâm khối Lập phương đơn giản tâm khối tâm mặt 1.1.4 Sai hỏng mạng trong mạng tinh thể thực tế Các tinh thể thực trong phòng thí nghiệm hay trong kỹ thuật không thỏa mãn các điều kiện của tinh thể lý tưởng. Tinh thể thực tế có kích thước hữu hạn nên tính đối xứng tịnh tiến của tinh thể không thỏa mãn được. Các hạt tạo nên tinh thể không nằm yên ở nút mạng tinh thể mà luôn luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng với tần số và biên độ phụ thuộc vào nhiệt độ của tinh thể. Những dao động này làm cho tính tuần hoàn của mạng tinh thể bị vi phạm. Hoặc xuất hiện các điểm bất thường có mặt trong cấu trúc tinh thể lý tưởng. Các sai hỏng này có vai trò quyết định đến tính chất cơ và điện của các tinh thể thực. Đặc biệt là bất định xứ trong tinh thể cho phép tinh thể biến dạng dễ dàng hơn nhiều so với tinh thể hoàn hảo. Có 4 loại sai hỏng mạng: Sai hỏng điểm Sai hỏng đường Sai hỏng mặt Sai hỏng khối Những sai hỏng này dẫn đến bị xô mạng hoặc bị lệch mạng. Kết quả làm tính chất, đặc tính của vật rắn thay đổi theo. 1.2 Lý thuyết vùng năng lượng của vật rắn Trong tinh thể electron chuyển động không hoàn toàn tự do vì các ion dương sắp xếp một cách tuần hoàn, đều đặn. Như vậy, electron khi bắt khỏi nguyên tử sẽ chuyển động trong trường thế tuần hoàn của các ion dương. Để xác định trạng và phổ năng lượng của electron trong trường thế tuần hoàn của mạng tinh thể ta phải giải phương trình Schrodinger: Hình 7: Bức tranh khái quát sơ đồ vùng năng lượng với là thế năng trường tuần hoàn. Khi giải bài toán này cho ta một bức tranh khái quát về sơ đồ vùng năng lượng: gồm các vùng năng lượng được phép và ngăn cách giữa các vùng năng lượng được phép là các vùng năng lượng cấm. Bức tranh vùng năng lượng này có tính tuần hoàn. Đối với các elelctron hóa trị liên kết yếu với các nguyên tử ở nút mạng, thế năng tuần hoàn của mạng tác động lên electron ta xem như là một nhiễu loạn. Với phép gần đúng điện tử liên kết yếu, sự tạo thành các vùng năng lượng liên quan đến sự phản xạ Bragg của sóng điện tử tại biên các vùng Brillouin. Vùng năng lượng đó liên tục khi nó nằm trong một vùng và gián đoạn tại biên vùng. Đối với electron nằm sâu trong các lớp bên trong của vỏ nguyên tử, liên kết của electron với nguyên tử mạnh, nó không thể nào bức ra khỏi nguyên tử. Với phép gần đúng điện tử liên kết mạnh, các vùng năng lượng được tạo thành do sự tách các mức năng lượng nguyên tử gây bởi tương tác giữa các nguyên tử. Đối với tinh thể có kích thước hữu hạn chứa N nguyên tử thì mỗi vùng có N mức con, khoảng cách giữa các mức con tỉ lệ nghịch với số nguyên tử trong tinh thể. Khi năng lượng tăng thì bề rộng của vùng cho phép tăng nhưng bề rộng của vùng cấm giảm. Các electron làm đầy các mức năng lượng trong các vùng cho phép tuân theo nguyên lý Pauli và nguyên lý năng lượng cực tiểu. Số electron trong tinh thể hữu hạn nên electron làm đầy các vùng từ thấp lên cao. Vùng năng lượng được phép phía trên cùng được làm đầy hoàn toàn gọi là vùng hóa trị. Vùng năng lượng được phép phía trên cùng trống hoàn toàn hoặc được lấp đầy một phần thì gọi là vùng dẫn. Ngăn cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm. Có N vùng năng lượng được phép, ngăn cách giữa các vùng năng lượng cấm. Nhưng chung quy lại ta rút gọn về 3 vùng: Vùng hóa trị: là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động. Vùng dẫn: vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. Hình 8: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng Vùng cấm: là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm. Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Theo lý thuyết vùng năng lượng của vật rắn ta có thể lý giải một cách đơn giản cấu trúc vùng năng lượng và tính chất dẫn điện của kim loại, chất bán dẫn, điện môi như sau: Kim loại: có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau không có vùng cấm ngăn các giữa hai miền này (hình c). Do đó luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn, điện tử ở miền hóa trị sẵn sàng di chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài, ngay khi cả điện trường ngoài yếu, để tham gia vào việc dẫn điện. Hình 9: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của kim loại (c), Chất bán dẫn (b), Điện môi (a) Điện môi (chất cách điện): Vùng cấm có độ rộng lớn (5eV ÷ 10 eV) (hình a). Do đó các điện tử ở miền hóa trị không thể nhảy mức lên vùng dẫn. Chất cách điện hoàn toàn không dẫn điện dưới tác dụng của điện trường ngoài. Hình 10: Ô mạng than chì Chất bán dẫn: Vùng dẫn trống hoàn toàn, electron muốn tham gia vào quá trình dẫn điện thì phải chuyển từ vùng dẫn lên vùng hóa trị thông qua vùng cấm. Chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định khoảng . 1.3 Cấu trúc graphite (than chì) Than chì hay graphit (được đặt tên bởi Abraham Gottlob Werner năm 1789) là một dạng thù hình của cacbon. Than chì có kiến trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử cacbon bao quanh cùng năm trong một lớp tạo thành vòng 6 cạnh; những vòng này liên kết với nhau thành một lớp vô tận. Các lớp này liên kết với nhau bằng liên kết Van de Van do đó các lớp than chì rất dễ trượt đối với nhau. Đó chính là nguyên nhân của đặc điểm dễ tách lớp, có tính bôi trơn khô mà ta thấy ở lõi bút chì, chổi than. Tùy theo cách sắp xếp của các lớp đối với nhau, than chì có hai dạng tinh thể: Lục phương và mặt thoi. Hình 11: Cấu trúc Graphite (lục phương) Trong tinh thể than chì lục phương, mỗi nguyên tử cacbon của lớp trên không nằm đúng ở trên nguyên tử cacbon của lớp dưới mà nằm đúng ở trên nguyên tử cacbon lớp dưới nữa, nghĩa là lớp thứ nhất trùng với lớp thứ 3, thứ 5... Và lớp thứ 2 trùng với lớp thứ 4, lớp thứ 6... Trong tinh thể than chì mặt thoi nguyên tử cacbon của lớp thứ nhất nằm đúng trên nguyên tử cacbon của lớp thứ 4, lớp thứ 7... Kích thước của một đơn vị tinh thể là a = b = 245,6 pm, c = 669,4 pm. Độ dài liên kết cacbon-cacbon là 141,8 pm, và khoảng cách giữa các lớp là = 334,7 pm. 1.4 Cấu trúc màng mỏng Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại (chiều rộng và chiều dài). Chiều dài màng mỏng có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet. Khi chiều dày của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của điện tử (cỡ 10 đến 100 nm) hoặc các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng hoàn toàn thay đổi so với tính chất của vật liệu khối. Hiện nay màng mỏng đang là một lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn... với nhiều khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày và trong sản xuất. Cấu trúc của màng mỏng tùy thuộc vào kỹ thuật chế tạo, có thể mang cấu trúc của vật liệu nguồn, hoặc có thể thay đổi phụ thuộc vào kỹ thuật chế tạo, các điều kiện khi chế tạo. Hiệu ứng thay đổi tính chất rõ rệt nhất về tính chất của màng mỏng là hiệu ứng bề mặt. Khi vật liệu có kích thước nanomet, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Cấu trúc màng mỏng gồm hai loại: Màng đơn lớp là màng mỏng chỉ gồm một lớp vật liệu được chế tạo trên một lớp đế. Tính chất của màng được tạo ra từ lớp vật liệu đó (và có thể ảnh hưởng bởi tác động từ lớp đế). Màng đa lớp là màng mỏng gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, xếp chồng lên nhau, được tạo ra nhằm thay đổi các tính chất của màng mỏng. Hình 12: Edwin Herbert Hall Thông thường, các màng mỏng để có thể sử dụng đều được chế tạo trên các lớp đế, là các khối vật liệu đơn tinh thể (ví dụ Si, MgO, Ge, GaAs, thạch anh...). Các kỹ thuật chế tạo màng mỏng bắt đầu được phát triển từ cuối thế kỷ 19, cho đến thời điểm hiện tại, có rất nhiều phương pháp được dùng tùy theo mục đích và điều kiện kinh tế, kỹ thuật. 1.5 Hiệu ứng Hall lượng tử 1.5.1 Hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (gọi chung là thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy Hình 13: Phương và chiều lực tác dụng trong hiệu ứng Hall trong vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron trong kim loại). Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall. Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là: , với VH: là hiệu thế Hall, I: là cường độ dòng điện, B: là cường độ từ trường, d: là độ dày của thanh Hall, e: là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, n: mật độ các hạt này trong thanh Hall. Công thức này cho thấy một tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế âm hay dương. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton được chuyển động tự do để mang dòng điện. Hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện được mang đi bởi các lỗ trống điện tử (có điện tích tổng cộng là dương) chứ không phải là electron đơn thuần. Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall bị tăng lên một cách dị thường, được biết đến là hiệu ứng Hall dị thường, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu. Hiệu ứng Hall không chỉ được ứng dụng trong nhiều ngành công nghệ từ cuối thế kỷ 20, mà còn là tiền đề cho các khám phá tương tự cùng thời kỳ này như hiệu ứng Hall lượng tử, một hiệu ứng đã mang lại giải thưởng Nobel vật lý cho người khám phá ra nó. 1.5.2 Hiệu ứng Hall lượng tử Hình 14: đồ thị sự phụ thuộc của điện dẫn suất Hall vào cường độ từ trường (g là số nguyên) Một thế kỷ sau, hiệu ứng  Hall lại được chú ý như nguồn sinh lực cho các nghiên cứu vật lý mới. Năm 1980, tại phòng thí nghiệm từ trường mạnh Grenoble tại Pháp, Klaus Von Klitzing  nghiên cứu điện dẫn Hall cho khí điện tử hai chiều ở nhiệt độ rất thấp. Ông ta tìm thấy rằng, xét về bản chất, thì điện dẫn Hall là hàm của cường độ từ trường vuông góc với mặt phẳng của khí điện tử và được mô tả dưới dạng đồ thị hình bậc thang của các đoạn ngang liên tục. Với một độ chính xác hoàn toàn bất ngờ, những giá trị liên tiếp tăng dần của điện dẫn Hall luôn là bội số nguyên của một hằng số cơ bản tự nhiên bất kể những chi tiết hình học khác nhau của thí nghiệm hay những điểm không thuần chất  của vật liệu dùng làm thí nghiệm. Hằng số tự nhiên cơ bản đó là: , trong đó: e là điện tích nguyên tố, h là hằng số Planck. Klaus Von Klitzing đã đoạt giải Nobel vật lý năm 1985 vì đã khám phá ra hiệu ứng lượng tử Hall và độ chính xác của hiệu ứng này đã cung cấp cho các nhà đo lường học một chuẩn cao cấp cho đơn vị điện trở. Hiệu ứng Hall lượng tử cũng dẫn đến một phương pháp đo lường trực tiếp hằng số cấu trúc tinh thể . Phương pháp khác dựa trên việc đo moment từ dị thường của điện tử thực sự cho hằng số cấu trúc tinh thể một kết quả chính xác hơn. Vậy hiệu ứng Hall lượng tử là hiện tượng xảy ra trong đó một dòng điện chạy qua một chất liệu hai chiều nằm trong một từ trường vuông góc và điện áp bên trong chất được đo theo hướng vuông góc với cả dòng điện và trường. Trong những khoảng đều đặn nhất định của trường, tỉ số của điện áp ngang này với dòng điện, gọi là điện trở Hall, được xác định chỉ bởi một sự kết hợp đã biết của các hằng số cơ bản của tự nhiên – hằng số Planck h và điện tích electron e. Cho đến nay, hiệu ứng Hall lượng tử chỉ được chứng minh chính xác với độ chính xác vừa phải ở một số lượng nhỏ chất bán dẫn thông thường, thí dụ như Si và các chất lai nhóm III-V. Do cấu trúc điện tử độc nhất vô nhị của nó, graphene từ lâu đã được dự báo là sẽ mang lại một chuẩn còn tốt hơn, nhưng kích cỡ nhỏ của các mảnh graphene và chất lượng không đủ của những màng graphene buổi đầu đã không cho phép các phép đo chính xác được thực hiện. Chương 2: Sơ lược về chất bán dẫn 2.1 Khái niệm Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Chất bán dẫn có điện trở xuất trung gian giữa kim loại và điện môi. Điện trở suất của: Kim loại (chất dẫn điện) : ρ = 10-8 Ωm ÷ 10-6 Ωm Bán dẫn : ρ = 10-6 Ωm ÷ 1010 Ωm Điện môi (chất cách điện) : ρ > 1010 Ωm Ngược với chất dẫn điện, khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo. Nghĩa là điện trở suất của chất bán dẫn nghịch biến với nhiệt độ. Ta nói chất bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm. 2.2 Cấu trúc miền năng lượng của chất bán dẫn Như đã trình bày ở trên cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn gồm có 3 vùng: vùng dẫn, vùng hóa trị và vùng cấm. Độ rộng vùng cấm xác định trong khoảng . Ở không độ tuyệt đối (0K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị vùng dẫn hoàn toàn không có điện tử, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (kB.T với kB là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ (hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sự phụ thuộc của điện trở suất của chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau: , với: B, là hằng số. Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng (quang- bán dẫn). Các chất bán dẫn sở dĩ rất hữu ích bởi chúng có thể đóng mở dòng điện. Điều này được thực hiện bằng cách đặt vào một hiệu điện thế nhỏ, cung cấp năng lượng cho các điện tử vượt qua khe năng lượng trống giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Tuy nhiên, độ rộng của khe năng lượng này (độ rộng này có thể quy định thế đóng mở) lại là một thuộc tính nội tại của chất bán dẫn không thể thay đổi và chỉ có thể thay đổi bằng cách thay đổi thành phần hóa học hoặc cấu trúc của vật liệu. 2.3 Các loại bán dẫn 2.3.1 Bán dẫn thuần Hình 16: Cấu trúc vùng năng lượng khi T>0K Hình 15: Cấu trúc vùng năng lượng khi T=0K Các chất bán dẫn không chứa tạp chất và có một số lượng không đáng kể các khuyết tật hoặc sai hỏng về mặt tinh thể thì gọi là bán dẫn thuần. Bán dẫn thuần gồm hai loại: bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất. Bán dẫn đơn chất là các nguyên tố thuộc nhóm IV, sử dụng nhiều nhất là Si và Ge, Si vẫn được sử dụng nhiều hơn Ge (dù Ge là nguyên tố đầu tiên được sử dụng làm chất bán dẫn) vì Ge có độ rộng vùng cấm bé hơn Si, dòng điện rò lớn, nhiệt độ chịu đựng bé, giá thành cao. Bán dẫn hợp chất gồm hai loại: Kết hợp hai nguyên tố, thường kết hợp các nguyên tố nhóm II với nhóm IV và kết hợp nhóm III với nhóm V. Ví dụ: InP, GaAs, GaAr... Kết hợp ba nguyên tố như: GaAlAs, GaInAr, GaInP... Khi không có tác động bên ngoài thì vùng dẫn của bán dẫn thuần trống hoàn toàn, vùng hóa trị bị lấp đầy hoàn toàn. Khi nhiệt độ của tinh thể tăng lên làm cho một số electron trong các liên kết nhận đủ năng lượng và đủ sức để thắng năng lượng liên kết chúng trong nguyên tử, chúng sẽ tách ra khỏi liên kết và trở thành electron tự do, điều này ứng với sự chuyển dịch electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Ở vùng dẫn có các electron tự do sẽ tham gia vào quá trình dẫn điện khi có điện trường ngoài, còn vùng hóa trị có các lỗ trống. Gọi Ec là mức năng lượng ở đáy vùng dẫn, Ev là mức năng lượng ở đỉnh của vùng hóa trị. Bề rộng vùng cấm được tính theo công thức: Eg= Ec – Ev. Vị trí mức Fermi Wf được tính theo công thức: , trong đó: mh là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống, me là khối lượng hiệu dụng của electron. Như vậy vị trí của mức Fermi phụ thuộc vào nhiệt độ và tỉ số khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống. Với chất bán dẫn thuần có mh=me nên: tức là mức Fermi Wf nằm ở giữa miền cấm. 2.3.2 Bán dẫn pha tạp chất Bán dẫn trong thực tế không hoàn toàn tinh khiết mà luôn chứa các nguyên tử tạp chất. Các tạp chất trong bán dẫn gây ra các mức năng lượng riêng biệt gọi là mức tạp chất. Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điện tử dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu. Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn. Có hai loại bán dẫn tạp chất: bán dẫn loại n và bán dẫn loại p: Hình 19: Cấu trúc bán dẫn loại n khi T=0K Hình 20: Cấu trúc bán dẫn loại n khi T>0K Hình 18: Cấu trúc bán dẫn loại p khi T>0K Hình 17: Cấu trúc bán dẫn loại p khi T=0K Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. Các lỗ trống này làm xuất hiện mức năng lượng acceptor ở rất gần đỉnh vùng hóa trị cách vùng hóa trị một khoảng Ea. Lỗ trống có thể dịch chuyển tự do trong mạng tinh thể và tham gia vào quá trình dẫn điện khi có hiệu điện thế ngoài. Khi nhiệt độ tăng electron chuyển từ vùng hóa trị lên mức acceptor làm xuất hiện lỗ trống ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thuôc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính. Các electron này gây ra ở vùng cấm có mức năng lượng donor ở rất gần đáy vùng dẫn cách đáy vùng dẫn một khoảng Ed. Khi nhiệt độ tăng lên thì trong bán dẫn loại n có hai sự chuyển dịch: electron từ mức donor lên vùng dẫn, electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chương 3: Chất bán dẫn Graphene 3.1 Khái niệm Graphene Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), nó được tách ra từ Graphite. Graphene là một mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh. Dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng của một màng lưới có bề dày bằng bề dày của một nguyên tử Hình 21: Màng Graphene cacbon, nếu xếp chồng lên nhau phải cần tới 200.000 lớp mới bằng độ dày một sợi tóc. Có thể xem graphene như thành phần cơ bản tạo nên các cấu trúc khác nhau của cacbon như fullerene, cacbon nanotube, graphite. Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, do cùng một nguyên liệu chính là các phân tử cacbon. Về cơ bản Graphene có cấu trúc 2D. Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các phiến graphene có đường kính 25 μm và dày chỉ 1nm. 3.2 Lịch sử ra đời Graphene Hình 22: Ống Nano cacbon 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 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 23: Ba dạng của Cacbon: Fulơren, Ống Nano Cacbon, Graphene 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 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. Hình 24: Màng graphene 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 vi điện tử, lớp phân tử cacbon này có hình 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 Hình 25: Ông Andre Konstantin Geim 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. 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. Hình 26: Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử 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 có thể thay thế silicon. Đến nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản này. 3.3 Tính chất của Graphene 3.3.1 Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc. Theo Geim, mắt người không thể nhìn thấy màng graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này. Dưới kính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon có màu vàng, 30- 40 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có màu hồng và graphene thì mang màu hồng rất nhạt, một màng Graphene trong suốt chỉ dày một nguyên tử. 3.3.2 Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường. Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần. Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt. Bản thân graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh. 3.3.3 Độ bền của Graphene Hình 27: Ảnh minh họa vết lõm của một tấm graphene đơn nguyên tử chụp qua đầu mút kim cương của kính hiển vi lực nguyên tử. Sức bền nội tại của chất là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khôi (hoặc không có khiếm khuyết) có thể chịu được ngay trước khi tất cả các nguyên tử trong một tiết diện cho trước bị kéo ra khỏi nhau đồng thời. Về cơ bản thì mọi chất liệu đều chứa những khiếm khuyết, như các vết nứt hay xước vi mô, chúng yếu hơn chất liệu xung quanh. Ấn lõm màng graphene bằng một kính hiển vi lực nguyên tử với đầu nhọn kim cương có bán kính khoảng 20 nm. Chọn đầu nhọn kim cương vì các đầu nhọn silicon bình thường sẽ gãy trước khi graphene vỡ. Phản ứng lực dịch chuyển của các màng graphene đơn lớp cho phép xác định tính chất đàn hồi của màng graphene. Lực mà tại đó màng bị vỡ và phân bố thống kê của lực phá vỡ của nhiều màng cho phép tính được sức bền nội tại của graphene. Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ. Kết quả cho thấy sức bền nội tại của graphene có thể xem là một “giới hạn trên” cho sức bền của vật liệu – giống như kim cương là chất cứng nhất. Kết quả cho thấy Graphene bền hơn thép 200 lần. Một sợi dây thép dài 28km sẽ tự đứt nếu nó được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi dây graphene chỉ đứt trong điều kiện tương tự ở độ dài trên 1.000km. Trong giới khoa học, hiện có người đang tính chuyện làm một chiếc “thang máy” bằng chất liệu graphene nối liền trái đất với vệ tinh. 3.3.4 Graphene cứng hơn cả kim cương Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Độ cứng của graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với các họ chất liệu khác. Đây là nhờ các liên kết cacbon- cacbon trong graphene cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm khuyết nào trong phần căng cao độ nhất của màng graphene. Hiện nay, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã đo được độ cứng thực chất của graphene, và họ khẳng định rằng đây là loại vật liệu cứng nhất từng được kiểm tra. Jeffrey Kysar và James Hone, Giáo sư cơ khí thuộc Đại học Columbia, đã kiểm nghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử bằng cách đo lực tác dụng để bẻ gãy loại vật liệu này. Họ đục các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet tạo thành tấm silic, đặt một mẫu graphene hoàn thiện trên mỗi lỗ hổng đó và sau đó làm lõm graphene bằng một đầu dò bằng kim cương. Biện pháp đo như vậy trước đây chưa từng được thực hiện vì chúng phải được thực hiện trên các mẫu graphene chuẩn, không có lỗi hay bị thiếu nguyên tử. Hone so sánh thử nghiệm của ông khi kéo căng một miếng giấy nilon bọc thức ăn lên trên miệng của tách uống cà phê và đo lực tác động để làm thủng miếng nilon này bằng một chiếc bút chì. Ông cho biết, nếu ông có thể có một miếng graphene đủ rộng để đặt lên miệng tách uống cà phê, graphene sẽ đủ cứng để chịu được sức nặng của một chiếc ô tô tương ứng với ngòi bút chì. Tuy nhiên, biện pháp đo này vẫn chưa thể hiện được các thuộc tính đáng chú ý khác của graphene. 3.3.5 Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử. Chỉ với một lượng rất nhỏ, graphene cũng có một khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc. Các nhà khoa học đã phát triển thành công khoang cầu mỏng nhất thế giới có lớp màng không cho bất kỳ phân tử nhỏ nhất nào của không khí lọt qua, kể cả hê-li. 3.3.6 Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại. Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn ống nano; vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thử nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường. 3.3.7 Hiệu ứng Hall lượng tử trong Graphene Hiệu ứng lượng tử Hall thường chỉ được thấy ở nhiệt độ rất thấp trong các bán dẫn, nhưng nó lại xuất hiện trong graphene ở nhiệt độ phòng. Theo nguyên tắc vật lý, vật liệu mới này không thể tồn tại ổn định và rất dễ bị hủy hoại bởi nhiệt độ, sở dĩ loại màng này có thể tồn tại ổn định là do chúng không ở trạng thái tĩnh mà rung động nhẹ theo dạng sóng. Hình 28: Sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử Hiệu ứng Hall lượng tử trong lớp kép Graphene (gồm hai màng Graphene chồng lên nhau) có những khác biệt riêng. Sự khác biệt này là do electron- lỗ trống suy biến và biến mất khối lượng khi gần điểm trung hòa điện tích. Hình 28 là sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử ứng với điện dẫn xuất Hall (hình bậc thang màu đỏ), trong điều kiện B= 14T, T= 4K của lớp kép Graphene. Hình 29: Hiệu ứng Hall lượng tử đối với trường hợp pha tạp và không pha tạp Hiệu ứng Hall lượng tử phụ thuộc vào độ đồng nhất, mức độ pha tạp của chất. Hiệu ứng Hall lượng tử đối với lớp kép Graphene bị pha tạp và nguyên chất khác nhau khi ở cùng một nhiệt độ, cùng một từ trường ngoài. Với , khi B= 12T, T= 4K ta thu được đồ thị như hình 29. Đường bậc thanh màu xanh là hiệu ứng Hall lượng tử đối với màng Graphene không đồng nhất mà bị pha tạp, tại đồ thị là đường gạch ngang ứng với nhiều giá trị của Vg (điện trường ngoài). Đường bậc thang màu đỏ biểu diễn hiệu ứng Hall lượng tử với màng Graphene đồng nhất không bị pha tạp, khi thì trên đồ thị chỉ có một giá trị của Vg =0. Vậy để thay đổi hiệu ứng Hall lượng tử trong lớp kép Graphene thì ta có thể pha tạp hóa học vào lớp kép nguyên chất và dịch chuyển điểm trung hòa đến Vg cao để khe vùng năng lượng không đối xứng có thể mở bằng điện trường ngoài. Hình 30: Hiệu ứng Hall lượng tử phụ thuộc vào nhiệt độ Hiệu ứng Hall lượng tử còn phụ thuộc vào nhiệt độ ta tiến hành khảo sát. Với những nhiệt độ khác nhau thì ta sẽ có hình dạng đồ thị giống nhau nhưng ứng với cùng một giá trị của điện dẫn xuất Hall thì cần một các giá trị của điện trường ngoài khác nhau. Nhưng tất cả sẽ đi qua điểm trung hòa điện (điểm ứng với ). 3.3.8 Chuyển động của điện tử trong Graphene Graphene tổng hợp được có tính chất rất đặc biệt. Chuyển động của các electron rất nhanh, electron dường như không có khối lượng và chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng. Electron trong Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron trong silicon. Chuyển động của electron không tuân theo phương trình Schodinger mà tuân theo phương trình Dirac cho các hạt không có khối lượng như neutrino. Hạt này mang đầy đủ các tính chất của hạt Dirac. Hạt Dirac được mệnh danh là các hạt ma vì những biểu hiện kỳ dị của nó. Một trong nhưng cái ma quái là hạt Dirac có thể trong trường hợp nào đó sẽ dịch chuyển ngược chiều tác dụng của điện trường, ngược chiều tác dụng của lực. Đối với graphene, các nguyên tử dao động tại nhiệt độ phòng tạo ra một điện trở suất vào khoảng 1.0 microOhm-cm. Điện trở suất của graphene nhỏ hơn điện trở suất của đồng đến 35% và là điện trở suất thấp nhất được biết đến tại nhiệt độ phòng. Điều này được giải thích như sau: trong các mẫu graphene được chế tạo không được sạch đã làm tăng điện trở suất của graphene. Do đó điện trở suất trung bình của graphene không nhỏ bằng điện trở suất của đồng tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên graphene lại có rất ít electron so với đồng, do đó trong graphene dòng điện được vận chuyển bởi một số ít electron có vận tốc nhanh hơn nhiều lần so với các electron của đồng. Đối với các vật liệu bán dẫn, tiêu chuẩn về tính linh động được sử dụng để xác định các electron chuyển động nhanh ở mức nào. Giới hạn tính linh động của electron trong graphene được xác định nhờ dao động nhiệt của nguyên tử và giá trị này vào khoảng 200.000 cm2/Vs tại nhiệt độ phòng. Trong khi ở silicon là 1.400 cm2/Vs, ở indium antimonide là 77.000 cm2/Vs. Electron của graphene có độ linh động cao nhất so với các chất bán dẫn thông thường. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng mặc dù giới hạn tính linh động của graphene ở nhiệt độ phòng cao ở mức 200.000 cm2/Vs, các mẫu vật hiện nay có tính linh động nhỏ hơn – vào khoảng 10.000 cm2/Vs và cần phải nỗ lực cải tiến rất nhiều. Do graphene có cấu tạo chỉ với một lớp nguyên tử, các mẫu vật hiện nay phải được đặt trong chất nền là silicon đioxit. Điện tích bị giữ trong chất nền silicon đioxit có thể ảnh hưởng đến các electron trong graphene làm giảm tính linh động. Dao động của các nguyên tử silicon đioxit bản thân chúng cũng đã có thể có ảnh hưởng đến graphene thậm chí còn lớn hơn ảnh hưởng từ dao động nguyên tử của chính nó. Nhưng vì các phonon trong bản thân graphene lại không hề có tác dụng trong việc phân tán electron, do đó hiệu quả này trở nên rất quan trọng trong graphene. 3.4 Phân loại Graphene 3.4.1 Graphene đơn Hình 31: Cấu trúc tinh thể của Graphene Hình 32: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene đơn Graphene là một mạng tinh thể hai chiều dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh. Mỗi nguyên tử cacbon liên kết với các nguyên tử xung quanh bằng liên kết cộng hóa trị rất chặt chẽ, tạo ra màng mỏng có cấu trúc 2D gồm các nguyên tử cacbon xếp theo các ô hình lục giác rất bền vững. Lá Graphene này chỉ dày 1 nguyên tử. Nó mang đặc tính của chất bán dẫn và kim loại. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của nó có độ rộng vùng cấm bằng 0. Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn trùng nhau như hình 33. Hình 33: Cấu trúc vùng năng lượng của Graphene đơn Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cácbon, có độ lưu động của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano. Nhưng chúng có nhược điểm, đó là không có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Vì không có khe vùng nên màng đơn lớp Graphene không được xem là chất bán dẫn. Nếu có khe vùng, các nhà khoa học có thể chế tạo ra các transistor hiệu ứng trường bằng graphene rất hiệu quả. 3.4.2 Graphene kép 3.4.2.1 Cấu tạo Gồm 2 lá graphene đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích thước 2 lớp nguyên tử. Khi xếp 2 lớp Graphene chồng lên nhau sẽ xảy ra hai trường hợp: Hình 34: Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc đối xứng (hình màu xanh) Hình 35: cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene không đối xứng (hình màu xanh) Đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lượng như hình 34. Không đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lượng như hình 35. Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng năng lượng. Hình 36: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene kép 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 37: Cấu trúc tinh thể của lớp kép Graphene 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. Hình 39: Sự xuất hiện khe vùng khi có điện trường ngoài Hình 38: ô mạng Graphene Xét một ô mạng hình lục giác đều gồm 6 nguyên tử Cacbon ở 6 đỉnh, theo mô 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, là năng lượng tương tác giữa hai cacbon giống nhau ở hai lớp (hình 37). Với . 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: . 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 và . 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 Hình 41: Độ rộng khe vùng phụ thuộc vào điện trường ngoài và mật độ hạt dẫn 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 khoảng cách hai lớp kép . Người ta dự đoán rằng khi điện áp rất lớn. Hình 42: Tiến trình đóng mở khe vùng năng lượng của lớp kép Graphene khi pha tạp Kali Hình 40: Sự phụ thuộc của độ rộng khe vùng vào mật độ hạt 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 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. Hình 43: Cấu trúc dải của một mẫu graphene mọc ghép đa lớp 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. 3.4.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm các lớp graphene xếp chồng lên nhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập về mặt điện tử học. Quan sát hình 43 ta có thể thấy ba “hình nón” từ ba lớp graphene trong mẫu MEG. Hình 44: Graphene xếp tầng trên bề mặt một chất nền silicone carbide được chụp với kính hiển vi lực nguyên tử Người ta nuôi các lớp graphene từ một chất nền silicon carbide theo kiểu sao cho mỗi lớp quay đi 30 độ so với lớp bên dưới. MEG này khác với graphite ở chỗ mỗi lớp quay đi 60 độ so với lớp bên dưới. Thực hiện tán xạ tia X và quang phổ quang phát xạ phân giải góc (ARPES) trên một mẫu MEG với 11 lớp graphene để đo cấu trúc điện tử của nó. Thì năng lượng electron trong một phần nhất định của cấu trúc dải tỉ lệ với động lượng của nó, vậy các electron giống như các hạt không có khối lượng. Cấu trúc dải tuyến tính hoàn hảo này, gọi là hình nón Dirac, chưa từng được đo rõ ràng như vậy trước đây trên các mẫu graphene khác. Sử dụng ARPES thì không có sự biến dạng của hình nón Đirac, nên có kết luận không có sự ghép cặp electron với các lớp khác trong mẫu và do đó mỗi lớp là cách li về mặt điện tử. 3.5 Ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn Graphene 3.5.1 Ưu điểm của chất bán dẫn Graphene Graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện tại lên mức 500 đến 1000 Ghz. Nó có nhiều tính chất ưu việt hơn các chất khác. Graphene có nhiều ưu điểm hơn silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần, và điều quan trọng là những transistor tạo ra từ Graphene sẽ có thể hoạt động tại nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử. Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa ở gigahertz, cố gắng có thể vượt tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa - hiện nay, đến mức độ gigahertz thì silicon không thể tăng thêm được, nhưng với graphene, tốc độ có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz. Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn vì 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. Cấu trúc và sự gắn kết của graphene giúp cho nó bền vững và trong suốt như kim cương nhưng cũng có thể tạo ra điện – điều mà kim cương không thể làm được. Chất liệu này thật lý tưởng cho các thiết bị điện. Graphene có nhiều tính chất hấp dẫn các nhà vật lý hơn ống nano cách đây 1 thập niên, nhưng nó dễ làm và dễ thao tác hơn, đem lại nhiều hy vọng có thể chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế. Các nhà vật lý đã làm transistor bên ngoài graphene và dùng khảo sát hiện tượng lượng tử trống ở nhiệt độ phòng. 3.5.2 Nhược điểm của chất bán dẫn Graphene Sản xuất những màng graphene rất khó khăn và đắt đỏ. Do khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng graphene trong cuộc sống hàng ngày vẫn còn hạn chế. Các nhà vật lý cũng cho biết khả năng nghiên cứu các tính chất điện động lượng tử của graphene là rất sáng sủa. Tuy nhiên, những tiến bộ dường như bị giới hạn bởi chất lượng điện tử không đủ trong các cấu trúc graphene nhân tạo. Ngoài ra, chất nền của graphene và môi trường xung quanh có xu hướng huỷ hoại tính chất điện tử của các mẫu graphene. 3.6 Các phương pháp chế tạo Graphene Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhưng rất khó khăn và chi phí cao. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra phương pháp chế tạo Graphene đơn giản, ít tốn kém, có thể tạo ra trên diện tích lớn và có thể đưa vào sản xuất hàng loạt trong công nghiệp. Trong tiểu luận này tôi chỉ trình bày sơ lược một số phương pháp được các nhà khoa học dùng để tạo ra Graphene từ khi nó mới được khám phá cho đến những phương pháp mới nhất hiện nay. 3.6.1 Phương pháp chemical exfoliation Trước khi tìm ra graphene, các nhà khoa học đã nhiều lần thất bại khi cố tách những miếng mỏng graphene từ graphite. Ban đầu, người ta dùng một thủ thuật hóa học gọi là chemical exfoliation – tức là chèn nhiều phân tử hóa học vào giữa những phiến graphene để tách nó ra. Tuy nhiên cái mà họ có được chỉ là những mảng như nhọ nồi. Từ đó không ai dùng kĩ thuật này để lấy graphene nữa. 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 mặt. Ông cũng tìm ra cách tách graphite thành từng mảnh nhỏ. Nhưng các 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. 3.6.8 Phương pháp bóc tách Hình 45: Từ trước vào: Adrian Balan, Rakesh Kumar, Abhay Shukla. 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. 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 ngòi cho một phản ứng. 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 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) 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 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 Hình 47: Tiến sỹ Leonid Ponomarenko giới thiệu một thiết bị với chiếc bóng bán dẫn nhúng bên trong 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 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 kiệt trong vòng 10 năm nữa. Nếu các nhà khoa học không chế tạo ra một chất liệu thay thế cho indium thì màn hình cảm ứng có thể sẽ đối mặt với một tương lai khắc nghiệt hơn nữa. Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng Graphene. Một ngày nào đó màn hình này có thể được ứng dụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi. Để tạo ra các màn hình tinh thể lỏng bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy các mảnh graphite thành graphene, và phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặt thủy tinh. Khi bề mặt hòa tan được sấy khô, các nhà nghiên cứu đã lựa ra những mảnh nhỏ và sử dụng chúng như các cực điện cho màn hình tinh thể lỏng nhỏ. Màn hình tinh thể lỏng này rất nhỏ bé, chỉ bằng một độ phân giải pixel và kích cỡ khoảng bằng 1 micromet. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, nếu như con số này được nâng cấp thì độ phân giải sẽ gần giống như màn hình điện thoại di động. Khó khăn gặp phải là khó chế tạo ra một lượng lớn vật liệu graphene chất lượng cao và khó điều khiển được cấu trúc bề mặt. 3.7.5 Chất phụ gia trong dung dịch khoan Các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động của graphene trong nước để bít kín các lỗ rỗng và phát triển vấn đề này nhằm tạo ra được những công thức dung dịch khoan thích hợp có chứa graphene. Khi hiểu biết được hoạt động của graphene trong nước, tìm hiểu thêm về khả năng nút kín của graphene có thể chịu ảnh hưởng như thế nào bởi sự có mặt của bất cứ hợp chất nào trong dung dịch khoan thì ta có thể tạo ra dung dịch khoan tối ưu hơn. Hiệu quả bít nhét kín chính là cơ sở để ứng dụng trong dung dịch khoan. Các dung dịch gốc dầu hoặc gốc nước thông thường được bơm xuống giếng khoan qua cột cần khoan để làm sạch choòng khoan và đưa mùn khoan theo dòng chất lưu di chuyển ngược lên trên bề mặt. Các loại dung dịch khoan này, có chứa rất nhiều phụ gia hoá học, lại không thể bịt kín các lỗ rỗng trong vỉa theo đó dầu có thể chảy qua. Tổ hợp của graphene hoà tan trong dầu và oxit graphene hoà tan trong nước, với kích thước nano được sử dụng bít kín, được cho thêm vào dung dịch khoan. Các hạt này dưới áp suất riêng của chất lưu sẽ nhanh chóng tạo thành một lớp màng thấm lọc mỏng trên thành giếng khoan. Khi dung dịch khoan được thoát lên khi bộ bộ dụng cụ quay, áp suất của vỉa sẽ ép lớp lọc graphene qua các lỗ rỗng và chảy vào trong giếng khoan, cho phép việc khai thác hydrocabon diễn ra bình thường. Khi giảm áp lực thuỷ tĩnh trong giếng và kéo choòng khoan ra khỏi giếng khoan, áp suất trong đất đá sẽ lớn hơn rất nhiều so với áp suất trong lỗ khoan, áp suất này phá vỡ lớp thấm lọc và dầu chảy vào trong giếng. Trong tương lai sẽ tập trung vào việc sử dụng graphene để hoàn thiện dung dịch khoan và các sản phẩm khoan khác. Trong vài năm tới công nghệ nano sẽ được ứng dụng rộng rãi trong việc điều chế các loai dung dịch để khoan trong các điều kiện địa chất phức tạp các giếng khoan dầu khí. Hiện nay, Trường đại học Rice và M-I SWACO - công ty dung dịch khoan hàng đầu thế giới, đã ký thoả thuận nghiên cứu sử dụng những tiến bộ của công nghệ nano để nâng cao lưu lượng các giếng khoan. Mục tiêu của dự án là nghiên cứu bổ sung chất phụ gia graphene có kích thước nano vào dung dịch khoan để ngăn ngừa những phức tạp trong quá trình khoan. 3.7.6 Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình 48: Hình ảnh đơn nguyên tử Hydro 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. 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 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 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 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. 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. 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. 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 hiện của graphene trong vi mạch điện tử phải mất nhiều năm nữa. TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Đình, Bài giảng Vật lý chất rắn và bán dẫn, Đại học sư phạm huế (1999). Trương Minh Đức, Giáo trình Vật lý chất rắn, Đại học sư phạm huế (2010). Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007). Đào Trần Cao, Cơ sở vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007). Nguyễn Quang Báu, Lý thuyết bán dẫn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2004). Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ, tập 2, NXB Giáo Dục (2005). Nguyễn Hữu Đình, Đỗ Đình Rãng, Hóa học hữu cơ, NXB Giáo Dục Việt Nam (2009). Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất bản trẻ (2008). Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình, Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản giáo dục (1992). Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học và công nghệ hiện đại, Nhà xuất bản giáo dục (2003). Mạng Internet