LUẬN VĂN Đề tài " Chất bán dẫn Graphene "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

0
154
lượt xem
83
download

LUẬN VĂN Đề tài " Chất bán dẫn Graphene "

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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-...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN Đề tài " Chất bán dẫn Graphene "

  1. LU N VĂN T T NGHI P TÀI: “Ch t bán d n Graphene” GVHD: Trương Minh Tr c SVTH: Lê Th Bích Liên
  2. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 4 Lý do chọn đề tài ................................................................................. 4 1. Mục đích nghiên cứu ........................................................................... 6 2. Nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................... 6 3. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 7 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 7 5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 7 6. NỘI DUNG .................................................................................................... 8 Chương 1: Cơ sở lý thuyết ............................................................................ 8 1.1. Mạng tinh thể của vật rắn ............................................................... 8 1.1.1. Mạng tinh thể lý tưởng ...................................................... 8 1.1.2. Ô sơ cấp (ô cơ sở) ............................................................. 8 1.1.3. Phân loại các loại mạng tinh thể ........................................ 9 1.1.4. Sai hỏng mạng trong mạng tinh thể thực tế ..................... 12 1.2. Lý thuyết vùng năng lượng của vật rắn ........................................ 12 1.3. Cấu trúc graphite (than chì) .......................................................... 15 1.4. Cấu trúc màng mỏng .................................................................... 16 1.5. Hiệu ứng Hall lượng tử ................................................................ 17 1.5.1. Hiệu ứng Hall .................................................................. 17 1.5.2. Hiệu ứng Hall lượng tử ................................................... 19 Chương 2: Sơ lược về chất bán dẫn ........................................................... 21 2.1. Khái niệm .................................................................................... 21 2.2. Cấu trúc miền năng lượng của chất bán dẫn ................................. 21 2.3. Các loại bán dẫn ........................................................................... 22 2.3.1. Bán dẫn thuần ................................................................. 22 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  3. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 2 2.3.2. Bán dẫn pha tạp chất ....................................................... 23 Chương 3: Chất bán dẫn Graphene .......................................................... 25 3.1. Khái niệm Graphene .................................................................... 25 3.2. Lịch sử ra đời Graphene ............................................................... 25 3.3. Tính chất của Graphene............................................................... 30 3.3.1. Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu .. 30 3.3.2. Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt ............................ 30 3.3.3. Độ bền của Graphene ...................................................... 30 3.3.4. Graphene cứng hơn cả kim cương ................................... 31 3.3.5. Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua ...... 32 3.3.6. Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng ................. 32 3.3.7. Hiệu ứng Hall lượng tử trong Graphene .......................... 32 3.3.8. Chuyển động của điện tử trong Graphene........................ 34 3.4. Phân loại Graphene ..................................................................... 35 3.4.1. Graphene đơn .................................................................. 35 3.4.2. Graphene kép .................................................................. 36 3.4.2.1. Cấu tạo ............................................................... 36 3.4.2.2. Tính chất đặc biệt- độ rộng vùng cấm thay đổi. .. 37 3.4.3. Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) .................................. 41 3.5. Ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn Graphene ................... 42 3.5.1. Ưu điểm của chất bán dẫn Graphene ............................... 42 3.5.2. Nhược điểm của chất bán dẫn Graphene ......................... 42 3.6. Các phương pháp chế tạo Graphene ............................................ 43 3.6.1. Phương pháp chemical exfoliation .................................. 43 3.6.2. Phương pháp micromechanical cleavage ......................... 43 3.6.3. Phương pháp băng keo Scotch ........................................ 44 3.6.4. Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp ................ 44 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  4. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 3 3.6.5. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi ............ 45 3.6.6. Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn.......... 45 3.6.7. Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm. ................................ 45 3.6.8. Phương pháp bóc tách ..................................................... 45 3.6.9. Gắn kết dương cực trên nền thủy tinh .............................. 46 3.6.10. Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash.............. 47 3.7. Ứng dụng Graphene .................................................................... 48 3.7.1. Dây dẫn và điện cực trong suốt ....................................... 48 3.7.2. FET graphene .................................................................. 49 3.7.3. Chíp máy tính.................................................................. 50 3.7.4. Màn hình ti vi cảm ứng ................................................... 51 3.7.5. Chất phụ gia trong dung dịch khoan ................................ 52 3.7.6. Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..................................................................... 53 KẾT LUẬN ................................................................................................. 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 57 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  5. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 4 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 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 Hình 1: Màng Graphene 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 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  6. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 5 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. Nếu sản xuất có thể cải thiện, graphene sẽ cách mạng hóa ngành công nghệ năng lượng. Hiện nay, năng Hình 2: Cấu trúc 2D của graphene 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 c ứu ở Anh đã tìm ra một cách đơn giả n để bóc những lớp phân tử dày đơn nguyên tử của các nguyên tử cacbon khỏ i 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 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  7. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 6 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”. 2. 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 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là: SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  8. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 7 - 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. 4. 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. 5. 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. 6. 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. SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  9. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 8 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:     R  n1a1  n2 a2  n3 a3 ,  trong đó: a1 , a2 , a3 được gọi là vector tịnh tiến cơ sở, n1 , n2 , n3 là các số nguyên dương âm. 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 tiế n 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)  a2 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  a1 thể xem ô sơ cấp là viên gạch đồng nhất để tạo nên  a3 mạng tinh thể. Hình 3: Ô sơ cấp   a1  a2  a3  a1       . Để mô tả cấu trúc tinh thể ta coi nó gồ m các ô sơ cấp lặp lại tuần hoàn trong không gian. Ứng với vector tịnh tiến nguyên tố hay vector tịnh tiến đơn SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  10. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 9 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:         a1  a2 a3   a2  a3 a1   a3  a1a2  . 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 mỗ i 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 5: Ô Wigner – Seitz trong mạng 2 Hình 4: Ô Wigner – Seitz trong mạng 3 chiều. chiều. 1.1.3 Phân loại các loại mạng tinh thể SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  11. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 10 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 gồ m: - 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. - Thể tích của ô mạng phải là nhỏ nhất. Để xác định được một ô mạng, chúng ta cần xác  a2  định độ lớn của ba vector a1 , a2 , a3 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 a1 mạng không gian. Bằng cách lập các tổ hợp khả d ĩ của 6 thông số trên, và thêm vào những trường hợp  a3 có các nút ở vị trí tâm của các mặt bên và tâm của Hình 6: Ba vecto cơ sở 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. SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  12. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 11 Bảng 1: Bảng 14 ô mạng Bravais Hệ tinh thể Mạng tinh thể Tam tà Đơn giản tâm đáy Đơn tà tâm khối tâm mặt Đơn giản tâm đáy Trực giao Lục giác Tam giác tâm khối đơn giản Bốn phương tâm khối tâm mặt đơn giản Lập phương SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  13. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 12 1.1.4 Sai hỏng mạng trong mạng tinh thể thực tế Các tinh thể thực trong phòng thí nghiệ m 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 phạ m. 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 biế n 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 khỏ i 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:   ^ H  k (r )  E k (r )  2 2      V (r )  k (r )  E k (r ),    2m  SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  14. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 13    với V (r )  V (r  R) là thế năng trường tuần hoàn. Vùng cho phép Khi giải bài toán này cho ta một bức tranh khái Vùng cấm quát về sơ đồ vùng năng lượng: gồ m các vùng năng lượng được phép và ngăn cách giữa các vùng năng Vùng cho lượng được phép là các vùng năng lượng cấm. Bức phép tranh vùng năng lượng này có tính tuần hoàn. Hình 7: Bức tranh khái quát sơ đồ vùng Đối với các elelctron hóa trị liên kết yếu với năng lượng 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 phả n 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 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  15. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 14 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 Hình 8: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tạ i trên vùng dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng. 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. SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  16. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 15 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. 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 0  Eg  2eV  3eV . 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 vớ i Hình 10: Ô mạng 3 nguyên tử cacbon bao quanh cùng năm trong một lớp than chì 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 c ủa 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. SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  17. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 16 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 Hình 11: Cấu trúc Graphite (lục phương) thứ 2 trùng với lớp thứ 4, lớp thứ 6... Trong tinh thể than chì mặt thoi nguyên tử cacbon của lớp thứ nhất nằ m 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 c = 334,7 pm. 2 1.4 Cấu trúc màng mỏng Màng mỏng là một hay nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiề u 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 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  18. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 17 chất của màng mỏng là hiệu ứng bề mặt. Khi vật liệu có kích thước nano met, 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. 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 k ỷ 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 Hình 12: Edwin chung (gọi chung là thanh Hall) đang có dòng điện chạ y Herbert Hall qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế sinh ra tạ i hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạ y 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. SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  19. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 18 Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy 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 Hình 13: Phương và chiều lực tác dụng trong hiệu ứng Hall 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: IB , VH  ned 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 SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức
  20. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene 19 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 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 Hình 14: đồ thị sự phụ thuộc của điện dẫn suất Hall vào cường độ từ bất kể những chi tiết hình học khác nhau trường (g là số nguyên) của thí nghiệm hay những điểm không thuần chất của vật liệu dùng làm thí nghiệm. Hằng số tự nhiên cơ bản đó là: e2 1 ,  h 25812,807572 trong đó: e là điện tích nguyên tố, h là hằng số Planck. SVTH: Lê Thị Bích Liên GVHD: Trương Minh Đức

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản