phỏng dao động tự do của tấm graphene

Nhưng những nghiên cứu vềgraphene mới được công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu mới này đãnhanh chóng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học, với độ cứng còn hơncả k

MỤC LỤC

MỤC LỤC……….1

LỜI CẢM ƠN………3

LỜI NÓI ĐẦU………4

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GRAPHENE……….9

1.1.1 Khái niệm Graphene………13

1.2 Lịch sử ra đời Graphene……… 13

1.3 Tính chất của Graphene……… 16

1.3.1 Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu16 1.3.2 Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt……… 17

1.3.3 Độ bền của Graphene……… 17

1.3.4 Graphene cứng hơn cả kim cương……… 18

1.3.5 Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua…19 1.3.6 Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng……… 19

1.4 Phân loại Graphene……….20

1.4.1 Graphene đơn……… 20

1.4.2 Graphene kép……… 21

1.4.2.1 Cấu tạo……….23

1.4.2.2 Tính chất đặc biệt- độ rộng vùng cấm thay đổi…… 24

1.4.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG)………25

1.5 Ứng Dụng Graphene……….26

1.5.1 Dây dẫn và điện cực trong suốt……… 26

1.5.2 FET Graphene……….28

1.5.3 Chíp Máy Tính………29

1.5.4 Màn hình ti vi cảm hứng……… 30

1.5.5 Chất phụ gia trong dich khoang………31

1.5.6 Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kinh hiển vi điện tử truyền qua ( TEM) ………32

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN………35

2.1 Mô hình phần tử hữu hạn cho tấm Graphene……….35

2.2 Mô đun đàn hồi của phần tử dầm………36

2.2.1 Hàm thế năng……….36

2.2.2 Quan hệ giữa các thong số của mặt cắt ngang và lực…38 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN………43

3.1 Trường hợp tấm vuông Graphene không có lỗ………51

3.1.1 Mô hình các dang dao động của tấm Graphene 20x20 nm 3.1.2 Đồ thị………54

3.2 Trường hợp tấm vuông Graphene có lỗ tròn……….56

3.2.1 Mô hình các dang dao động của tấm Graphene 20x20nm có lỗ tròn với đường kính lần lượt là :1nm ;2nm ; 3nm ; ……….56

3.2.2 Đồ thị……… 61

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN……… 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….63

LỜI CẢM ƠN

Để đồ án hoàn thành đúng yêu cầu về nội dung cũng như thời gian thực hiên, ngoài sự cố gắng ,nỗ lực của bản tha trong môi trường làm việc nghiêm túc với sự chỉđạo tận tình của các thầy ,cô giáo trong bộ môn CƠ HỌC VATAL LIỆU & KẾT CẤU-VIỆN CƠ KHÍ- TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI còn có sự động viên to lớn của cha mẹ.anh chị em và bạn bè giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án của mình

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy ,các cô trong bộ môn Cơ Học

Vật Liệu & Kết Cấu Đặc biệt là thầy :PGS.TS LÊ MINH QUÝ và thầy NGUYỄN

DANH TRƯỜNG đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực

hiện làm đồ án

Với đề tài còn khá mới mẻ nên chắc chắn đồ án không thể tránh khỏi nhưng sai sót ,kính mong đước sự chỉ dẫn của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Giáo viên hướng dẫn Hà Nội ,ngày 9 tháng 12 năm 2013

Ký tên Sinh viên

NGÔ VĂN ĐOÀN

LỜI NÓI ĐẦU

Nền khoa học công nghệ trên thế giới đang phát triển một cách nhanh chóngnhất là các nước phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Nga Sự phát triển của khoa họccông nghệ đã đem lại những diện mạo mới cho cuộc sống con người và công nghệđiện tử viễn thông Hiện nay trên thế giới đang hình thành một khoa học và côngnghệ mới, có nhiều triển vọng và dự đoán sẽ có tác động mạnh mẽ đến tất cả cáclĩnh 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 truyềnthống đang tiến đến những giới hạn cuối cùng của kích thước thang vi mô, khoahọc công nghệ nano ra đời mở ra hướng nghiên cứu mới cho ngành điện tử vớinhững linh kiện mới với kích thước nano Theo dõi sự phát triển của khoa họccông nghệ, vào cuối mỗi năm, tạp chí ScienceMag (Mỹ) đều điểm lại những sựkiện khoa học của thế giới trong năm và chọn ra 10 sự kiện nổi bật nhất, đặc biệt làchọn ra một sự kiện lớn nhất được gọi là Bước đột phá của năm Theo tạp chí bướcđột phá khoa học của năm 2009 là việc các nhà khoa học quốc tế phát hiện một bộxương có niên đại 4,4 triệu năm tại Ethiopia, các sự kiện còn lại thuộc các lĩnhvực: 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 ốngnano cacbon không thể làm được Sự đóng góp của ống nano cacbon trong cácngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay là khá phong phú, từ điện tử, động cơ siêu

Hình 1: Màng Graphene

nhỏ, tới bộ nhớ, pin và trong cả lĩnh vực vũ trụ Nhưng những nghiên cứu vềgraphene mới được công bố hồi đầu năm 2009, khẳng định loại vật liệu mới này đãnhanh 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 nhàkhoa học hi vọng rằng đến năm 2020, Graphene có thể thay thế chất bán dẫnsilicon Hiện nay, vật liệu

Từ năm 2004, các nhà nghiên cứu ở Anh đã tìm ra một cách đơn giản để bócnhững lớp phân tử dày đơn nguyên tử của các nguyên tử cacbon khỏi các khoanhgraphite bằng băng keo Từ đó tới nay họ đã cố gắng nghiên cứu dạng màng mỏngnày Năm 2009, họ đã có bước tiến mới, với hàng loạt các khám phá, những cáchthức và những hiểu biết nền tảng mới để có thể tạo ra được những mảng graphenerộng và biến chúng thành những thiết bị mới

Ở Việt Nam hiện nay khi nhắc đến công nghệ nano, vật liệu nano thì khôngcòn mới lạ nữa mà vấn đề này đang được nghiên cứu rất nhiều Liên tiếp thờigian 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

Hình 2: Cấu trúc 2D của graphene

thành công khi cho ra đời sản phẩm vật liệu ống nano cacbon đa tường Còntại Thành Phố Hồ Chí Minh, một nhóm nghiên cứu thuộc Khu Công nghệ caocũng chế tạo thành công vật liệu ống nano cacbon Lĩnh vực ống nano cacbon

ở nước ta đã có thành công nhưng riêng chất Graphene còn là lĩnh vực rất mới

ở nước ta hiện đang được một số nhà khoa học nghiên cứu

Do khó khăn trong nghiên cứu thực nghiêm,mô phỏng số được coi làcông cụ đắc lực mô hình hóa và xác định đặc trưng cơ học của Graphene vàcomposite từ nó

Với đề tài: “ Mô phỏng dao động tự do của tấm Graphene” Đồ án

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm MARC để mô hình hóa

và xác định tần số dao động của tấm Graphene

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

KÍ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Kí hiệu Ý nghĩa

E d Mô đun đàn hồi của phần tử dầm

G d Mô đun trượt của phần tử dầm

L Chiều dài của phần tử dầm

D Đường kính của phần tử dầm

A 0 Diện tích mặt cắt ngang của phần tử dầm

L 0 Chiều dài ban đầu của Graphene

J x Mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm theo trục x

J y Mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm theo trục y

J Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang của dầm

J 0 Mô men quán tính độc cực mặt cắt ngang của ống na nô các bon

k r Hệ số dãn dài trong hàm thế năng

k θ Hệ số uốn trong hàm thế năng

k τ Hệ số chống xoắn trong hàm thế năng

N z Lực dọc trục

F Lực kéo tác dụng lên tấm Graphene

P tl Giá trị lớn nhất của lực kéo trong giai đoạn đàn hồi của mẫu thử

A Diện tích mặt cắt ngang của Graphene

U r Năng lượng liên kết khi kéo trong hàm thế năng

U θ Năng lượng liên kết khi uốn trong hàm thế năng

U Ф Năng lượng liên kết khi xoắn trong hàm thế năng

U ω Năng lượng liên kết khi xoắn không cùng mặt phẳng

U vdw Năng lượng tương tác do lực Van der Waals

W Độ võng của tấm Composite

ΔL Biến dạng dài của tấm

Δr Độ giãn dài trong hàm thế năng

Δθ Góc uốn trong hàm thế năng

ΔФ Góc xoắn trong hàm thế năng

Β Góc xoắn của điểm cuối dầm

Γ Góc trượt (Độ trượt tương đối)

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GRAPHENE

1.1 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 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, cacbonnanotube, graphite Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, docùng một nguyên liệu chính là các phân tử cacbon Về cơ bản Graphene có cấu trúc2D Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các phiến graphene có đường kính 25

μm và dày chỉ 1nm

1.2 Lịch sử ra đời Graphene

Trải qua nhiều thế kỉ khai thác, sử dụng và nghiên cứu các sản phẩm củathiên 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 cacbonthường chiếm hàm lượng rất lớn Cacbon có vai trò rất quan trọng trong cuộc sốngcủa 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 SeanO’Brien, Robert Curl, Richard Smalley

Fulơren có dạng quả bóng chỉ gồm các

kết cộng hóa trị Ban đầu người ta tìm ra

tìm ra phân tử cacbon hình cầu như vậy

đó tạo thành các hình 6 cạnh Ống nano cacbon rất nhẹ, bền hơn thép 100 lần Vềtính chất điện, từ, nhiệt, ống nano cacbon có nhiều đặc điểm còn kì lạ hơn Fulơren

Hình3 : Ống Nano cacbon

Hình 4: Ba dạng của Cacbon: Fulơren, Ống Nano Cacbon, Graphene

Bắt đầu vào thập niên 1970, các nhà khoa học đã phát triển lớp graphenetrong phòng thí nghiệm Lớp graphene được tạo ra trong phòng thí nghiệm quá nhỏnên không thể xem xét hơn được, và các nhà nghiên cứu đã không thông thạonhiều thủ thuật cần thiết để đẩy nhẹ lớp graphene đơn ra khỏi chồng bài graphitethiên nhiên Năm 1990, các nhà vật lý người Đức ở RWTH Aachen Univrsity đãlấy 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 nhữngmiếng mỏng khoảng vài mươi nguyên tử, nhưng đó chỉ là những miếng graphitemỏng, không phải graphene Lúc đó, không ai nghĩ graphene có thể hiện diện đượctrong thiên nhiên Từ năm 2004, các nhà nghiên cứu ở Anh dẫn đầu là AndreKonstantin Geim đã tìm ra một cách đơn giản để bóc những lớp đơn nguyên tử củacác nguyên tử cacbon khỏi các khoanh graphite Từ đó tới nay, họ đã cố gắngnghiên cứu dạng màng mỏng này Họ đã có bước tiến mới, với hàng loạt khámphá, những cách thức và những hiểu biết nền tảng mới để có thể tạo ra được nhữngmảng graphene rộng và biến chúng thành những thiết bị Các nhà khoa học chorằng 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 dụnggraphene 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 phỏngđoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao.

Năm 2009, họ đã có bước tiến mới, với hàng loạt các khám phá, những cáchthức và những hiểu biết nền tảng mới để có thể tạo ra được những mảng graphenerộng và biến chúng thành những thiết bị mới Tháng 5/2009, các nhà nghiên cứu tạitrường 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 Mộtnhóm 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 tínhiệu điện tử, có thể đem lại những ứng dụng trong viễn thông Các nhà khoa học đãchỉ ra rằng, sẽ rất khó thực hiện các vi mạch với kích thước nhỏ hơn 10 nanométbởi 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 thếsilicon Đến nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử vượt quarào cản này

1.3 Tính chất của Graphene

1 3.1 Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu

Hình 5: Ông Andre Konstantin Geim

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 mànggraphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này Dướikính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon có màu vàng, 30- 40lớp 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

1 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 sinhnhiệt Bản thân graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tánrất nhanh

1 3.3 Độ bền của Graphene

Sức bền nội tại của chất là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khôi (hoặckhông có khiếm khuyết) có thể chịu được ngay trước khi tất cả các nguyên tử trongmột 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

lực nguyên tử với đầu nhọn kim cương có bán

Hình 6: 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

kính khoảng 20 nm Chọn đầu nhọn kim cương vì các đầu nhọn silicon bìnhthường sẽ gãy trước khi graphene vỡ

Phản ứng lực dịch chuyển của các màng graphene đơn lớp cho phép xácđịnh tính chất đàn hồi của màng graphene Lực mà tại đó màng bị vỡ và phân bốthống kê của lực phá vỡ của nhiều màng cho phép tính được sức bền nội tại củagraphene Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ Kết quả cho thấysức bền nội tại của graphene có thể xem là một “giới hạn trên” cho sức bền của vậtliệu – giống như kim cương là chất cứng nhất

Kết quả cho thấy Graphene bền hơn thép 200 lần Một sợi dây thép dài28km sẽ tự đứt nếu nó được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi dâygraphene chỉ đứt trong điều kiện tương tự ở độ dài trên 1.000km Trong giới khoahọc, hiện có người đang tính chuyện làm một chiếc “thang máy” bằng chất liệugraphene nối liền trái đất với vệ tinh

1 3.4 Graphene cứng hơn cả kim cương

Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường Độ cứngcủa graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với các họ chất liệu khác Đây là nhờ các liênkết cacbon- cacbon trong graphene cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm khuyếtnào 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 củagraphene, 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 kiểmnghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử bằng cách đo lực tác dụng để bẻgãy loại vật liệu này Họ đục các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet tạo thành tấmsilic, 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

* Còn gọi là môđun Young (Young's modulus)

** GPa (Giga Pascal) = 10 9 Pa MPa (Mega Pascal) = 10 6 Pa.

1 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 nhấtthế giới có lớp màng không cho bất kỳ phân tử nhỏ nhất nào của không khí lọt qua,

kể cả hê-li

1 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, gậphay cuộn lại Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphene dễ chế tạo và dễthay đổi hơn ống nano; vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo cácvật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sửdụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thử nghiệm cáchiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường

1.4 Phân loại Graphene

1 4.1 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

màng mỏng có cấu trúc 2D gồm

các nguyên tử cacbon xếp theo các ô hình lục giác rất bền vững Lá Graphene nàychỉ dày 1 nguyên tử Nó mang đặc tính của chất bán dẫn và kim loại Sơ đồ cấutrúc vùng năng lượng của nó có độ rộng vùng cấm bằng 0 Đỉnh vùng hóa trị vàđáy vùng dẫn trùng nhau như hình 33

Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cácbon, có độ lưu độngcủa electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất khiến cho nó là vật liệuhứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano Nhưng chúng cónhược điểm, đó là không có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng graphene tronglĩnh vực điện tử Vì không có khe vùng nên màng đơn lớp Graphene không đượcxem là chất bán dẫn Nếu có khe vùng, các nhà khoa học có thể chế tạo ra cáctransistor hiệu ứng trường bằng graphene rất hiệu quả

Hình 32: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene đơn Hình 7: Cấu trúc vùng năng lượng của Graphene đơn

- 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 18

cacbon ở hai màng không đối

xứng nhau qua mặt phẳng

phân cách giữa hai lớp Cấu trúc vùng năng lượng như hình 19

Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép cókhe vùng năng lượng

1.4.2.2 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 nhómnghiên cứu của Antonio Castro (Đại học Boston, Hoa Kỳ) cùng với các đồngnghiệp ở Mỹ, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha và Anh quốc vừa đưa ra trên PhysicalReview Letters Đây là loại vật liệu bán dẫn đầu tiên có độ rộng vùng cấm có thể

Hình 8: Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc đối xứng (hình màu xanh)

Hình 9: cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene không đối xứng (hình màu xanh)

Hình 10: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene kép

thay đổi Khe vùng này được kiểm soát một cách chính xác từ 0 tới 250 electron vôn.

mili-Dưới tác dụng của điện trường ngoài tạo ra

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 cókhối lượng nghỉ, hay nói cách khác chúng tạo cho vật liệu có độ dẫn rất tốt Tuynhiên, các chuẩn hạt thì lại có năng lượng nghỉ, khối lượng này dẫn đến việc tạo rakhe 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 mộthiệu 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 dichuyển trên quỹ đạo hình tròn, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng cyclotron Chu kỳ cộnghưởng phụ thuộc vào khối lượng của chuẩn hạt Khối lượng cyclotron (mc) nàytăng khi hiệu điện thế ngoài tăng từ 0 đến 100 V, lúc này khe năng lượng cũng thayđổi từ 0 đến 150 meV

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 dịchchuyển sang vị trí bên cạnh gần nhất Gọi a là khoảng cách giữa hai hạt như hình

13, t là năng lượng tương tác giữa hai hạt gần nhau nhất,

t⊥

là năng lượng tương tác

Hình 11: Cấu trúc tinh thể của lớp kép Graphene

giữa hai cacbon giống nhau ở hai lớp (hình 37) Với

điện trường ngoài Vg thì xuất hiện khe vùng có độ

rộng là:

2 2 2

2 2 2

g g

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 14 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

Hình 13: Sự xuất hiện khe vùng khi có điện trường ngoài

Hình 12: ô mạng Graphene

Hình 14: Độ rộng khe vùng phụ thuộc vào điện trường ngoài và mật độ hạt dẫn

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

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 đượchai việc sau: trước tiên là xây dựng một thiết bị lớp kép hai cổng, cho phép điềuchỉnh một cách độc lập khe vùng điện tử và kích thích sự tích điện Thiết bị này làmột transistor hiệu ứng trường cổng đôi điều khiển dòng electron từ một nguồn tớimột 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

Hình 16: Tiến trình đóng mở khe vùng năng lượng của lớp kép Graphene khi pha tạp Kali

Hình 15: Sự phụ thuộc của độ rộng khe vùng vào mật độ hạt

Các kết quả đo thu được cho thấy bằng cách điều khiển độc lập điện áp ở haicổng 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 cácchất bán dẫn thông thường, độ rộng vùng cấm là có hạn, và được cố định bởi cấutrúc tinh thể của vật liệu Tuy nhiên, ở graphene lớp kép, khe vùng có thể thay đổiđược và có thể được điều khiển bằng một điện trường Mặc dù một graphene lớpkép nguyên gốc có khe vùng bằng không và dẫn điện như kim loại, nhưnggraphene 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 vàcác linh kiện khác với tính chất có thể điều chỉnh cực kỳ dễ dàng, hơn rất nhiều sovới các vật liệu bán dẫn như Si Một chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm điều chỉnhđược bằng một hiệu điện thế từ bên ngoài có thể dẫn tới việc tạo ra một loạt cáclinh kiện điện tử kiểu mới, hay đáng kể nhất là các laser có bước sóng có thể điềuchỉnh với một độ chính xác tuyệt vời

Chất bán dẫn graphene này có thể được sử dụng để tạo ra một loại transistormới, hay các loại laser và các cảm biến phân tử mà ở đó cần sử dụng sự thay đổi độrộng vùng cấm để điều chỉnh tính chất Thuộc tính này khi được kết hợp vớigraphene có kích thước nhỏ, độ bền cơ học cao, độ dẫn điện, dẫn nhiệt rất tốt đãkhiến cho nó trở nên hết sức hấp dẫn để thay thế các chất bán dẫn kinh điển như Si

1 4.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG)

Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm các lớp graphene xếp chồng lênnhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập về mặt điện tử học

Quan sát hình 17 ta có thể thấy ba “hình nón” từ ba lớp graphene trong mẫu

MEG Hình 17: Cấu trúc dải của một mẫu graphene mọc

ghép đa lớp

Người ta nuôi các lớp graphene từ một chất nền silicon carbide theo kiểu saocho mỗi lớp quay đi 30 độ so với lớp bên dưới MEG này khác với graphite ở chỗmỗi 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 nănglượng 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 tuyếntính 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

1.5 Ứng dụng Graphene

1 5 1 Dây dẫn và điện cực trong suốt

Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California, Mỹ, đã phát triển mộtphương pháp mới sản xuất ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng dùng làm

Hình 18: Graphene xếp tầng trên bề mặt một chất nền silicone carbide được chụp với kính hiển vi lực nguyên tử

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 dẻohơn nhiều so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng trong các tấm pin mặttrời 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, baogồm tivi màn hình phẳng, màn hình plasma và các màn hình cảm ứng cũng như pinmặt trời Vật liệu chuẩn để sản xuất các dây dẫn trong suốt là oxit thiếc Indi nhưngoxit thiếc Indi lại có rất nhiều hạn chế, chúng rất đắt tiền vừa do chi phí sản xuấtlẫn 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 thiếcIndi 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 lýtưởng đối với các dây dẫn điện trong suốt vì chúng có thể dẫn điện trong khi đòihỏi rất ít vật liệu Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu này rất đơn giản, rẻ tiền vàtương thích với các thiết bị mềm dẻo Ống ghép nano cacbon-graphene được sảnxuất theo phương pháp này đạt được hiệu suất có thể sánh được với các oxit thiếcIndi 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 điệncực trong pin mặt trời polyme Một trong những tiện ích của pin mặt trời bằngpolyme là polyme rất mềm dẻo Nhưng khi thay thế cho oxit thiếc Indi thường bịmất 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 vớichất dẻo Tiềm năng của ống ghép nano cacbon-graphene không chỉ giới hạn trongnhững cải tiến sắp xếp linh kiện mà với các nghiên cứu sâu hơn, ống ghép nanocacbon-graphene có tiềm năng tạo ra các khối kết cấu cho các linh kiện điện tửquang học trong tương lai

1 5 2 FET graphene

Transistor hiệu ứng trường (FET) được chế tạo bằng cách làm nóng mộtbánh 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

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 silicontốt 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 FETgraphene khác, chế tạo từ những giàn graphene, dụng cụ này được chế tạo bằngnhững kĩ thuật sử dụng trong công nghiệp chất bán dẫn Tuy nhiên, một thiếu sót

Hình 19: 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)

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 electronhóa trị của nó – và chính “dải khe” này cho phép các chất bán dẫn truyền thốngchuyển mạch dòng điện từ ngắt sang đóng

Các nhà nghiên cứu IBM hiện có kế hoạch thu nhỏ transistor của họ, cảithiện độ tinh khiết của graphene và tối ưu hóa kiến trúc của dụng cụ, và còn đangkhảo sát các phương thức tạo ra một dải khe ở transistor graphene để cho nó có thểdùng trong những ứng dụng kĩ thuật số

1.5

.3 Chíp máy tính

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế

nguyên tử từ Graphene Chiếc bóng bán dẫn này,

bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt

bị điện tử hiện đại khác Bóng bán dẫn

dẫn được chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ Chiếc bóngbán dẫn đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹKostya Novoselov và giáo sư Andre Geim)

Ngành kinh doanh chất bán dẫn hiện nay đang được tiến hành trên cơ sởchắc chắn loại bỏ được những chip siêu nhỏ làm từ nguyên liệu silicon mỏng

Hình 20: Tiến sỹ Leonid Ponomarenko giới thiệu một thiết bị với chiếc bóng bán dẫn nhúng bên trong

manh Với con chip làm bằng công nghệ Graphene khắc phục được điều này Cácnhà khoa học dự đoán Graphene sẽ là vật liệu thay thế Silicon trong ngành côngnghiệp 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 từGraphene có khả năng khuếch đại tín hiệu điện tử Theo các nhà khoa học côngnghệ khuếch đại tín hiệu điện tử đang được sử dụng hiện nay thường tạo ra tín hiệunhiễu và đòi hỏi phải có bộ lọc mạnh và tiêu tốn năng lượng Còn loại chipGraphene chỉ sử dụng một transitor và nguồn ra hoàn toàn sạch và không cần bộlọc 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 conchip- cùng với graphene thì có thể hoạt động trong nhiệt độ phòng Transitor hiệuứng trường (ta đã nghiên cứu ở trên) là một chìa khoá cốt lõi của các con chip máytính, hoạt động giống như người chuyên chở dữ liệu từ một địa điểm khác Họ cómột kênh bán dẫn được kẹp vào giữa hai điện cực kim loại Trong hình dạng củamột trường điện, một bản đỡ kim loại có thể rút ra hai vật đỡ cực âm và cực dươngbên trong và bên ngoài của một bán dẫn Nó cho phép dòng điện hoặc được chạyqua 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

1.5

.4 Màn hình ti vi cảm ứng

Hiện tại, hầu hết màn hình cảm ứng đều dựa trên lớp màng mỏng oxit thiếcIndi Tuy nhiên indium là một nguyên tố rất hiếm có và một số nhà nghiên cứu đãtính toán rằng nguồn cung cấp indium của thế giới có thể bị cạn kiệt trong vòng 10năm nữa Nếu các nhà khoa học không chế tạo ra một chất liệu thay thế cho indiumthì 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 tíhon bằng cách sử dụng Graphene Một ngày nào đó màn hình này có thể được ứngdụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi Để tạo racác màn hình tinh thể lỏng bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy cácmảnh graphite thành graphene, và phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặtthủy tinh Khi bề mặt hòa tan được sấy khô, các nhà nghiên cứu đã lựa ra nhữngmảnh nhỏ và sử dụng chúng như các cực điện cho màn hình tinh thể lỏng nhỏ Mànhình tinh thể lỏng này rất nhỏ bé, chỉ bằng một độ phân giải pixel và kích cỡkhoảng bằng 1 micromet Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, nếu như con sốnày 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 chấtlượng cao và khó điều khiển được cấu trúc bề mặt

1.5

.5 Chất phụ gia trong dung dịch khoan

Các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động của graphene trong nước để bít kíncác lỗ rỗng và phát triển vấn đề này nhằm tạo ra được những công thức dung dịchkhoan thích hợp có chứa graphene Khi hiểu biết được hoạt động của graphenetrong nước, tìm hiểu thêm về khả năng nút kín của graphene có thể chịu ảnh hưởngnhư thế nào bởi sự có mặt của bất cứ hợp chất nào trong dung dịch khoan thì ta cóthể tạo ra dung dịch khoan tối ưu hơn

Hiệu quả bít nhét kín chính là cơ sở để ứng dụng trong dung dịch khoan Cácdung dịch gốc dầu hoặc gốc nước thông thường được bơm xuống giếng khoan quacột cần khoan để làm sạch choòng khoan và đưa mùn khoan theo dòng chất lưu dichuyển ngược lên trên bề mặt Các loại dung dịch khoan này, có chứa rất nhiềuphụ gia hoá học, lại không thể bịt kín các lỗ rỗng trong vỉa theo đó dầu có thể chảyqua

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 lớpmàng thấm lọc mỏng trên thành giếng khoan Khi dung dịch khoan được thoát lênkhi bộ bộ dụng cụ quay, áp suất của vỉa sẽ ép lớp lọc graphene qua các lỗ rỗng vàchảy vào trong giếng khoan, cho phép việc khai thác hydrocabon diễn ra bìnhthường Khi giảm áp lực thuỷ tĩnh trong giếng và kéo choòng khoan ra khỏi giếngkhoan, áp suất trong đất đá sẽ lớn hơn rất nhiều so với áp suất trong lỗ khoan, ápsuất 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 dungdịch khoan và các sản phẩm khoan khác Trong vài năm tới công nghệ nano sẽđược ứng dụng rộng rãi trong việc điều chế các loai dung dịch để khoan trong cácđiều kiện địa chất phức tạp các giếng khoan dầu khí

Hiện nay, Trường đại học Rice và M-I SWACO - công ty dung dịch khoanhàng đầu thế giới, đã ký thoả thuận nghiên cứu sử dụng những tiến bộ của côngnghệ nano để nâng cao lưu lượng các giếng khoan Mục tiêu của dự án là nghiêncứu bổ sung chất phụ gia graphene có kích thước nano vào dung dịch khoan đểngăn ngừa những phức tạp trong quá trình khoan

có thể nhìn thấy các chuỗi hydrocacbon di động trên bề mặt tấm graphene, và giả