Cũng như than đá và kim cương, fullerene và than chì đã hiện hữu xung quanh ta từ ngàn xưa. Trong dòng họ carbon, kim cương và than chì là vật liệu có dạng 3 chiều, ống than nano có dạng 1 chiều và quả cầu fullerene có dạng zero chiều. Theo sự suy nghĩ lôgic, phải có sự tồn tại của vật thể carbon 2 chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn bộ dạng thể carbon từ zero đến 3 chiều. Than chì là tập hợp của những lớp graphene . Những lớp này giống như mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi những liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một lực tác động từ ngoài.
Trang 21 Giới thiệu chung
ngàn xưa Trong dòng họ carbon, kim cương và than chì là vật liệu có dạng 3 chiều, ống than nano có dạng 1 chiều và quả cầu fullerene có dạng zero chiều Theo sự suy nghĩ lôgic, phải có sự tồn tại của vật thể carbon 2 chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn
bộ dạng thể carbon từ zero đến 3 chiều Than chì là tập hợp của những lớp graphene Những lớp này giống như mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi những liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một lực tác động từ ngoài
thuộc dòng họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học một niềm kích động và các doanh nghiệp một niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến tương lai Năm 2010, Andre Geim và Konstantin Novoselov đoạt giải Nobel Vật lý cho các công trình graphene càng làm cho cao trào nghiên cứu graphene thêm sôi động
được nghiên cứu trước đây Chất liệu mới này có một số tính chất độc nhất vô nhị Với
bề dày ở mức độ một nguyên tử, có độ truyền qua cao và kết hợp với độ dẫn điện tốt,
nó là một định hướng nghiên cứu hoàn toàn mới so với khuynh hướng nghiên cứu cũ là oxide kim loại có độ rộng vùng cấm lớn được pha tạp
Trang 3 Con người dùng bút chì cũng đã có vài trăm năm nhưng không ai nghĩ động tác viết lên giấy là dùng sức để phá vỡ những liên kết giữa các lớp graphene Những đường viết bám trên giấy chẳng qua là tập hợp những lớp bong than chì chứa vài trăm, vài mươi lớp graphene và lẩn vào đó có thể là những mảnh graphene chỉ mỏng một vài lớp
Hình 1: (a) Than chì trong lõi bút chì (b) Than chì là tập hợp của các mặt phẳng
graphene hình lục giác Trong mặt phẳng là liên kết cộng hóa trị carbon-carbon
rất bền và giữa các mặt phẳng là các liên kết yếu
Trang 42 Định nghĩa
carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong Chiều dài liên kết carbon-carbon trong graphen khoảng 0,142 nm
Hình 1.Cấu trúc Graphene
Trang 5 Graphene là khối kết cấu cơ bản của nhiều cấu trúc nano khác làm bằng cacbon như cacbon nanotube, fullerene, graphite
2D Graphene
0D
e
3D Graphite
Trang 63 Những đặc trưng cấu trúc của graphen
không tham gia vào quá trình lai hóa mà sẽ xen phủ bên với nhau hình thành nên liên kết π, các liên kết này không định xứ nên hình thành vùng
π dẫn và tạo nên các tính chất điện khác thường của graphene (hình 2)
Hình 2.Các liên kết của các nguyên tử Carbon trong mạng Graphen
Trang 7 Mặc dù có sự đối xứng cao trong cấu trúc, ô lục giác trong lá graphene không được chọn làm ô đơn vị, do các nguyên tử C liền kề không có vai trò tương đương nhau Điều này được thể hiện trong hình 3, khi vai trò của các nguyên tử Carbon lân cận trong mạng các nguyên tử ở vị trí A và vị trí B là không tương đương trong hệ toạ
độ Dercates
mạng con gồm toàn các nguyên tử carbon ở vị trí A và các nguyên tử ở vị trí B, trong đó các nguyên tử lân cận hoàn toàn tương đương nhau về mặt cấu trúc và tính chất.Điều này có nghĩa là cấu trúc mạng tinh thể của graphene có thể được mô tả bằng các vector đơn vị của các mạng con này
Hình 3
y
Nguyên tử C ở vị trí A Nguyên tử C ở vị trí B
Trang 8 Ô đơn vị lục giác của grapheme gồm hai nguyên ử carbon và có diện tích
0,052nm2. Như vậy, chúng ta có thể tính ra tỉ trọng của nó là 0,77mg/m2
Minh họa (cái võng): Airi lliste
4 Một số tính chất của graphene
a Tỉ trọng của graphene
b Tính trong suốt quang học của graphene
- Graphene hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng, độc lập với bước sóng trong vùng quang học Con số này được cho bởi pa, trong đó a là hằng số cấu trúc tinh tế Như vậy, miếng graphene lơ lửng không có màu sắc
Trang 9c Sức bền của graphene
thép giả thuyết có cùng bề dày như graphene, giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,084-0,40N/m Như vậy, graphene bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần
trước khi nó bị rách vỡ Như vậy, người ta có thể chế tạo một cái võng hầu như vô hình từ graphene có thể chịu sức nặng của một con mèo mà không bị hỏng Cái võng sẽ cân nặng chưa tới một mg, tương ứng với trọng lượng của một sợi râu mép của con mèo
d Độ dẫn điện của graphene
Độ dẫn bản của một chất liệu 2D được cho bởi s = enm Độ linh động trên lí thuyết bị giới hạn
tấm 2D, còn gọi là điện trở trên bình phương, khi đó là 31W
cao hơn độ dẫn của đồng là 0,60 10-6 W-1m-1
e Độ dẫn nhiệt của graphene
đồng 10 lần
Trang 10*Tính chất điện và điện tử của một vật liệu nào đó thường được
đặc trưng bởi cấu trúc vùng năng lượng và đặc điểm của quá
trình truyền điện tử của vật liệu ấy Tính chất điện tử của
graphene hơi khác với các chất liệu ba chiều thông thường
Mặt Fermi của nó được đặc trưng bởi sáu hình nón kép, như
thể hiện trên hình 4 Trong graphene nguyên chất, mức Fermi
nằm ở giao điểm của những hình nón này Ở gần mức Fermi,
quan hệ khuếch tán đối với electron và lỗ trống là tuyến tính Vì
khối lượng hiệu dụng được cho bởi độ cong của các dải năng
lượng, nên điều này tương ứng với khối lượng hiệu dụng bằng
không
f Tính chất điện-điện tử của graphen
Hình 4
*Phương trình mô tả các trạng thái kích thích trong graphene
giống hệt phương trình Dirac cho các fermion không khối lượng
chuyển động ở một tốc độ không đổi Vì thế, giao điểm của các
hình nón trên được gọi là các điểm Dirac Điều này làm phát
sinh những sự tương tự thú vị giữa graphene và vật lí hạt cơ
bản, chúng đúng cho các năng lượng lên tới xấp xỉ 1 eV, tại đó
quan hệ khuếch tán bắt đầu là phi tuyến Một kết quả của quan
hệ khuếch tán đặc biệt này là hiệu ứng Hall lượng tử trở nên bất
bình thường trong graphene
Trang 114 Ưu điểm của Graphene
graphene không chỉ là vật liệu mỏng nhất có thể, mà nó còn cứng hơn thép gấp
10 lần và dẫn điện tốt hơn bất kỳ vật liệu nào được biết ở nhiệt độ thường Kết quả là, khi công nghệ silic hiện nay chạm tới ngưỡng giới hạn về thu nhỏ kích
cỡ trong những năm tới, graphene có thể là vật liệu thay thế hoàn hảo
của nó khó bị khiếm khuyết đến mức các nhà nghiên cứu phải tự tạo ra chúng
để nghiên cứu những hiệu ứng của nó Thứ hai, các điện tử mang điện tích di chuyển rất nhanh và thường hoạt động như thể chúng có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khi ở trong các kim loại thường hay siêu dẫn
Trang 12Graphene được xem như là vật liệu nhiều hứa hẹn của tương lai Sau giải Nobel (2010) số bài báo cáo đã tăng vọt qua ngưỡng mười ngàn bài mỗi năm và số đăng
ký phát minh cũng tăng theo hàm luỹ thừa Danh sách ứng dụng của graphene rất dài, bao gồm mọi ngành khoa học từ sinh y học đến điện tử học với những áp dụng mang tính đột phá trong dân dụng cũng như quốc phòng
dụng điện tử cao tần
Vì graphene là một chất dẫn trong suốt, nên nó có thể dùng trong các ứng dụng như màn hình cảm ứng, tấm phát sáng và pin mặt trời
thể trở nên hấp dẫn trong các công dụng trong chế tạo phi thuyền và máy bay
vô tuyến hoạt động ở tần số radio ở MHz (106 Hz) đến GHz (109 Hz), transistor tần số radio là nhân tố trung tâm điều hành các công cụ vô tuyến viễn thông
5 Ứng dụng
Trang 13 Một đặc tính khác của graphene là có cường độ tác động rất cao với sóng terahertz Sóng terahertz có thể nhìn xuyên thấu qua vải vóc, plastic nhưng bị hấp thụ bởi kim loại và hợp chất vô cơ nên là một loại sóng dùng để phát hiện
vũ khí, chất nổ dấu trong người hay hành lý Sự tương tác giữa graphene và sóng terahertz cho thấy tiềm năng dùng graphene trong các bộ cảm ứng terahertz chống khủng bố trong tương lai
chuẩn điện trở còn chính xác hơn nữa trong đo lường học
phù cho mực in dùng để in các mạch điện vi mô Mảnh graphene có thể dùng trong điện cực của pin lithium nhằm gia tăng tuổi thọ của pin
năng khác
