Graphene vật liệu của kỷ nguyên mới

Những năm gần đây, Graphene đã được nhìn nhận như một vật liệu có tính cách mạng với các tính chất cấu trúc và điện tử vượt trội so với các chất bán dẫn và kim loại truyền thống.. Graphe

Do thời gian hạn hẹp và kiến thức chưa thực sự hoàn thiện nên khó có thể tránh khỏi sự sai sót Em rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý từ thầy cũng như bạn đọc

Em xin chân thành cảm ơn thầy Chúc thầy cùng các thầy cô trong khoa sức khoẻ và thành công

Sinh viên thực hiện

MỞ ĐẦU

1 L ý do chọn đề tài

Trong thế kỷ XX, những tiến bộ vượt bậc trong khoa học vật liệu đã tạo nên ảnh hưởng sâu rộng đến nỗi quá trình “thịnh suy” của vật liệu cũng bị thúc đẩy mạnh mẽ Chính quá trình đó đã góp phần định hình cuộc sống hiện đại của chúng ta

Những năm gần đây, Graphene đã được nhìn nhận như một vật liệu có tính cách mạng với các tính chất cấu trúc và điện tử vượt trội so với các chất bán dẫn và kim loại truyền thống Từ khi Graphene được nghiên cứu, chế tạo và đem vào ứng dụng thì người ta thấy: Graphene là loại vật liệu mang lại cho chúng ta

từ ngạc nhiên này đến ngạc nhiên khác

Với chất lượng tuyệt hảo, Graphene đang được xem như một vật liệu thay thế trong các công nghệ hậu CMOS Nó còn được biết đến là vật liệu xanh và là nguồn vật liệu vô cùng dồi dào vì nguyên tố chính cấu thành nên là carbon- có mặt phổ biến nhất trên Trái Đất Nếu vật liệu này được đưa vào sử dụng một cách phổ biến thì bài toán tìm những nguyên liệu sạch và lớn sẽ có một cách giải hay

Các tính chất kỳ diệu của Graphene đã buộc các nhà lý thuyết phải xem xét lại cơ sở của lý thuyết kim loại Graphen có nhiều tính chất chưa từng gặp ở các vật liệu khác, và các số đo tính năng của nó gây chấn động và thu hút trong giới vật lý, hóa học và đặc biệt điện tử học, chính điều này đã tạo sự khác biệt giữa Graphene và các vật liệu khác, do vậy Graphene sẽ mở ra một thời đại mới trong khoa học và trong công nghệ với những hệ quả sâu rộng chưa thể dự đoán Nhận thấy tiềm năng của loại vật liệu này trong tương lai nên nghiên cứu về

Graphene là điều rất cần thiết và quan trọng, vì vậy tôi đã chọn “ Graphene -Vật liệu của kỷ nguyên mới” là đề tài nghiên cứu chính của mình.

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về hoàn cảnh ra đời của Graphene và giải th ưởng Nobel 2010

- Phương pháp phân tích, so sánh

- Phương pháp thu nhận, tổng hợp và xử lý thông tin

5 Bố cục đề tài

Phần A: Mở đầu

Phần B: Nội dung

Chương 1: Giới thiệu về vật liệu Graphene

Chương 2: Các tính chất chung về Graphene

Chương 3: Khả năng ứng dụng của Graphene

Phần C: Kết luận

* Tài liệu tham khảo

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE

1.1.Hoàn cảnh ra đời

- Graphene đã được P.R Wallace nghiên cứu trên lí thuyết vào năm 1947 cho các phép tính trong ngành Vật lý chất rắn Ông đã dự báo cấu trúc điện tử và lưu ý đến mối quan hệ khuếch tán tuyến tính

- Phương trình sóng cho các trạng thái kích thích được J.W McCluke viết

ra vào năm 1956 và sự tương tự với phương trình Dirac được trình bày bởi G.W Semenoff vào năm 1984, và cũng được nhìn thấy bởi DiVincenzo và Mele

- Trước năm 2004, việc tách ra những tấm graphene bền vững được cho là không thể Do đó, thật hoàn toàn bất ngờ khi Andre Geim, Konstantin Novoselov và các cộng sự của họ ở trường Đại học Manchester (Anh), và Viện Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã thành công trong việc thực hiện chính công việc này

- Andre Geim và Konstantin Novoselov đã công bố các kết quả của mình trên tạp chí Science số tháng 10/2004 Trong bài báo này, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và mô tả đặc trưng đối với Graphene Họ đã sử dụng một phương pháp bóc tách cơ học đơn giản bằng “kỹ thuật tách băng ca- rô” ( scotch taping technique) để trích ra những lớp mỏng graphite từ một tinh thể graphite bằng loại băng dính Scotland và sau đó đưa những lớp này lên trên một chất nền silicon Sau đó nhóm Manchester đã thành công bởi việc sử dụng một phương pháp quang mà với nó họ có thể nhận ra các mảnh nhỏ cấu tạo gồm chỉ một vài lớp và điều đặc biệt là bề dày cuả nó chỉ là duy nhất một nguyên tử

H.1.1 Lá Graphene

- Sau sự kiện khám phá ra Graphene, không phải ngay lập tức Graphene

đã dành được sự chú ý của các nhà khoa học, vì người ta tin rằng một vật liệu như vậy không thể tồn tại dưới dạng tinh thể Lĩnh vực nghiên cứu Graphene chỉ thực sự mở ra vào năm 2005 với các kết quả đo đạc liên quan tới hiệu ứng Hall

kỳ dị được thực hiện bởi nhóm của Geim và Philip Kim tại trường đại học Comlumbia, Mỹ

1.2.Tác giả và giải thưởng Nobel vật lý 2010

- Giải Nobel Vật lí 2010 vinh danh hai nhà khoa học đã có những đóng

góp có tính quyết định cho sự phát triển của vật liệu Graphene Họ là Andre K Geim và Konstantin S Novoselov, cả hai đều đang làm việc tại trường Đại học Manchester, Anh Họ đã thành công trong việc chế tạo, tinh lọc, nhận dạng và

mô tả đặc trưng Graphene

Hình 1.2: Andre Geim (trái) và Konstantin Novoselov (phải) với một

tấm graphene sóng.

- Andre Konstatinnovich Geim, sinh ngày 21/10/1958 là một nhà khoa

học người Hà Lan gốc Nga, hiện đang sinh sống ở Anh Năm 2010, ông cùng Konstantin Sergeevich novoselov tại đại học Manchester đã được trao Giải Nobel vật lý cho những thí nghiệm đột phá trong vật liệu hai chiều Graphene Ông cũng là Viện sĩ của Hiệp hội Hoàng gia London từ năm 2007 Andre Geim

đã từng được nhận các giải thưởng danh giá với các nghiên cứu thành công của mình: Giải Ig Nobel (2000), giải Mott (2007) vì “phát hiện ra một lớp vật chất mới – các tinh thể hai chiều tồn tại tự do – cụ thể là graphen”, giải Euro Physics (2008) cho “ phát hiện và cô lập một lớp nguyên tử cacbon đơn nhất tồn tại tự

do (Graphen) và làm sáng tỏ các thuộc tính điện đáng chú ý của nó”, huy chương Huyghes (2010) cho “ phát hiện mang tính đột phá ra graphen và làm sáng tỏ các thuộc tính đáng chú ý của Graphene”, Nobel (2010) và một số giải thưởng khác

- Konstantin Novoselov Sergeevich, sinh ngày 23/08/1974, tại Nizhny,

Nga ( Liên Xô cũ), là một Nga - Anh vật lý, đáng chú ý nhất được biết đến với tác phẩm của ông về Graphene cùng với Andre Geim, mà đã mang lại cho họ Giải Nobel vật lý năm 2010 Novoselov hiện đang là thành viên của các mesoscopic vật lý nhóm nghiên cứu tại đại học Manchester Ông đã phát hành hơn 60 tài liệu nghiên cứu về các chủ đề như mescopic siêu dẫn, hạ nguyên tử chuyển động của bức tường miền từ tính, các sáng chế: băng dính và Graphene Năm 2008 ông nhận giải Europhysics cùng đề tài với Andre Geim

1.3.Những đặc tính nổi bật của Graphene

- Trong bài tóm lược của Geim và Novoselov năm 2007, Graphene được

định nghĩa là: tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2, đ ộ dài 0,142 nm, tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong hai chiều (2D)

(a) (b)

Hình 1.3: Chiều dài liên kết C-C (a) và dàn tinh thể hình tổ ong của

nguyên tử C trong Graphene(b).

Tên gọi của nó được ghép từ “graphite” than chì và hậu tố “en”(tiếng Anh

là “-ene”); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại Nó là khối căn bản cho các vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều Nó có thể được bọc lại thành những fullerene 0D, cuộn lại thành ống nano carbon 1D hoặc xếp thành than chì 3D (Hình 1.4)

- Trong bài báo đăng trên Tạp chí Nature, Kirill Bolotin, giáo sư Khoa Vật

lý và Thiên văn Vanderbilt, cho biết: “Có hai đặc tính khiến graphene trở nên đặc biệt.”

+ Thứ nhất, cấu trúc phân tử 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

- Ngoài ra Graphene còn có đặc tính tuyệt vời khác là: nó hoàn toàn không để không khí lọt qua, chính điều này đã mang lại lợi ích cho ngành đóng gói thực phẩm

1.4 Các dị hình của Graphene

- Graphene là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống nano carbon và fullerene Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn,

mà trong trường hợp giới hạn của họ các hydrocarbon đa vòng phẳng gọi là Graphene

- Graphene là dị hình cuối cùng được khám phá Trong khi fullerene và ống nano carbon lần lượt được khám phá vào những năm 80 và 90, tới tận năm

2004 Graphene mới được khám phá nhóm Andre Geim

+ Fullerene: Dạng thông dụng nhất là C60, gồm 60 nguyên tử carbon và

trông tựa như một quả bóng đá cấu tạo từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác cho phép bề mặt đó tạo thành một quả cầu Khám phá ra fullerene đã được trao Giải Nobel Hóa học năm 1996

+ Ống nano carbon, đã được biết tới trong vài thập niên qua và các ống

nano đơn thành xuất hiện từ năm 1993 Những ống này có thể hình thành từ những tấm Graphene cuộn lại, và hai đầu của chúng có dạng nửa cầu giống như fullerene Các tính chất cơ và điện tử của các ống nano kim loại đơn thành có nhiều cái tương đồng với Graphene

+ Người ta đã biết rõ rằng graphite gồm những tấm carbon hình lục giác

xếp chồng lên nhau, nhưng họ lại tin rằng một tấm đơn lẻ như vậy không thể nào chế tạo được ở dạng tách rời Vì thế, năm 2004, Konstantin Novoselov, Andre Geim cùng các cộng sự của họ cho biết rằng một lớp đơn (Graphene )như vậy có thể tách rời ra được và nó còn bền nữa đã mang lại bất ngờ lớn trong giới khoa học

- Graphene được xem như là “mẹ” của tất cả các dị hình được chỉ ra trong hình 1.3 Graphite được xếp từ Graphene, các ống nano carbon được cuộn từ Graphene, các fullerene được uốn cong kín từ Graphene

H.1.4 Các dị hình của Graphene (*)

- Trong thực tế, hầu hết các tính chất cấu trúc và điện tử của những dị hình đó đều có thể thu nhận từ các tính chất cơ bản của Graphene

CHƯƠNG 2: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA GRAPHENE

2.1 Cấu trúc nguyên tử của Graphene

- Các cấu trúc nguyên tử của Graphene đơn lớp cách ly đã được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trên tấm Graphene lơ lửng giữa thanh của một lưới kim loại Các mẫu nhiễu xạ điện tử cho thấy : phân tử phẳng được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon sắp xếp theo các vòng lục giác hình tổ ong của Graphene và "gợn sóng" của tấm bằng phẳng, với biên độ trong khoảng 1nm Những gợn sóng của Graphene thực chất là kết quả của sự bất ổn của tinh thể hai chiều được nhìn thấy trong tất cả các hình ảnh TEM của Graphene

- Nguyên tử có độ phân giải thực không gian hình ảnh của Graphene đơn lớp cô lập trên nền SiO 2 đã thu được bằng kính hiển vi quét đường ngầm Graphene được chế biến bằng cách sử dụng kỹ thuật in thạch bản được bao phủ bởi quang dư, mà cần phải được làm sạch để có được nguyên tử có độ phân giải hình ảnh Như vậy dư lượng có thể là "adsobates "quan sát trong hình ảnh TEM, và có thể giải thích những gợn sóng của graphene treo

- Graphene tấm ở dạng rắn (mật độ> 1 g / cm 3) thường thấy bằng chứng trong nhiễu xạ cho 0,34 nm của graphite (002) phân lớp Điều này đúng ngay cả của một số vách cấu trúc nano carbon duy nhất

- Người ta thấy trong Graphene, electron chuyển động linh hoạt hơn trong

silic, có nhiều cách chuyển động dị th ường theo kiểu đạn đạo (ballistic)

2.2 Tính chất vật lý của Graphene

2.2.1 Tính chất cơ học

- Đến năm 2009, Graphene dường như là một trong những vật liệu mạnh

nhất đã từng thử nghiệm Mặc dù Graphene có độ dày chỉ là một nguyên tử, chuỗi cacbon nối tiếp nhau nên nó cực kỳ mỏng nhưng lại rất bền về mặt cơ học nên nó còn được gọi là vật liệu siêu bền và siêu mỏng khiến nhiều người thực sự bất ngờ

- Các phép đo đã chỉ ra rằng: Graphene có sức bền 42N/m Thép có sức

mắc giữa hai cái cây, chúng ta có thể đặt một gia trọng xấp xỉ 4kg 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

2.2.2 Tính chất nhiệt

- Sự dẫn nhiệt của Graphene bị chi phối bởi các phonon và đã được đo xấp xỉ là 5000 Wm-1K-1 Đồng ở nhiệt độ phòng có độ dẫn nhiệt 401 Wm-1K-1 Như thế, Graphene dẫn nhiệt tốt hơn đồng 10 lần

- Trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn, Graphene vẫn duy trì các tính chất 2D của nó ở nhiệt độ phòng Độ dẫn nhiệt của nó cao hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của bạc Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa của carbon cao nhất trong mọi nguyên tố, cỡ 35000C, trong khi silic n óng ch ảy

t ại 17000C

2.2.3 Tính chất điện

- Độ dẫn bản của một chất liệu 2D được cho bởi s = enm Độ linh động trên lí thuyết bị giới hạn đến m = 200.000 cm2V-1s-1 bởi các phonon âm học ở mật độ hạt mang n = 1012cm-2 Điện trở tấm 2D, còn gọi là điện trở trên bình phương, khi đó là 31W.Cái võng viễn tưởng 1m2 của chúng ta sẽ có điện trở 31W

- Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96.10-6 W-1m-1 cho Graphene Giá trị này có phần cao hơn độ dẫn của đồng là 0,60 10-6 W-1m-1

- Graphene còn thể hiển hiện tượng điện lạ được gọi là hiệu ứng một phần lượng tử Hall, khi các điện tử cùng nhau hành động để tạo ra các hạt mới với các điện tích là một phần của những điện tử riêng lẻ Nó dẫn điện tử nhanh hơn bất

cứ vật liệu nào đã biết, giống như chuyển động của một hạt không trọng lượng của thuyết tương đối (massless relativistic particle) là photon

- Hiểu biết các tính chất điện của graphene là rất quan trọng bởi, không giống như các vật liệu khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử, nó có khả năng bền và dẫn điện ở cấp phân tử Nên 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

2.2.4 Tính chất quang

- Graphene trên thực tế là trong suốt vì Graphene chỉ này 1 nguyên tử nên

nó rất mỏng và trong suốt Trong vùng quang học, nó chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng Con số này được đo bởi pa, trong đó a là hằng số cấu trúc tinh thể xác lập cường

độ của lực điện trường Như vậy, miếng Graphene lơ lửng không có màu sắc

Hình 2.1 Tính trong suốt của Graphene 2.3 Tính chất hoá học

- Như ta đã nghiên cứu ở trên, Graphen là những tấm phẳng, đơn lớp 2 chiều, trên đó cacbon nối với nhau thành một mạng lưới hình tổ ong (lục giác đều) bằng liên kết sp2, độ dài 0,142 nm Nếu là một nhà hóa học, người ta coi

- Một trong những khía cạnh thú vị của hoá học cacbon là trạng thái điện

tử của chúng được mô tả tốt hơn dưới trạng thái quá trình lai của các trạng thái tương tự của hidro s và p tinh khiết Những quỹ đạo lai này hình thành nên các liên kết đồng hoá trị định hướng mạnh dẫn đến một số lớn các cấu trúc tinh thể khác nhau

CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE

3.1 Giới thiệu chung về khả năng ứng dụng của Graphene

- Từ những tính chất đặc biệt của Graphene như: là chất cực kỳ cứng, hơn

cả kim cương, độ bền cao hơn thép trên 200 lần, những ở dạng đơn lớp lại dẻo như một miếng nhựa, có thể bẻ cong, gấp hoặc cuộn lại thành ống, nó trong suốt cho phép tối thiểu 90% ánh sáng đi qua, điện trở thấp hơn chất dẫn điện trong suốt tiêu chuẩn là indi-thiếc oxit,… nên mở ra một ứng dụng rộng rãi trong việc sản xuất màn hình cảm ứng chất lượng cao, pin mặt trời, thiết bị lưu trữ năng lượng, điện thoại di động và nhiều ứng dụng khác trong khoa học vật liệu, công nghiệp điện tử,… Dần dần Graphene có thể thay thế silicon trong lĩnh vực sản xuất chip máy tính tốc độ cao

Hình 3.1 Những tính năng kỳ diệu đã tạo cho graphen khả năng ứng

dụng đặc biệt Ảnh: Internet.

3.2 Ứng dụng trong công nghiệp điện tử

- 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 với kích thước càng nhỏ thì hiệu quả hoạt động của nó càng cao Nên thích hợp cho việc sản xuất màn hình cảm ứng chất lượng cao, thiết bị lưu trữ năng lượng, điện thoại di động một cách rộng rãi TS Novoselov và GS Andre Geim là người đầu tiên tách lớp Graphene từ than chì và mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng vào điện tử

- Trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị vi điện tử, nhờ tính chất độc đáo của