Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tính chất truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tác giả nghiên cứu đề tài này với mục đích nghiên cứu tính chất truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản, đặc biệt quan tâm đến khả năng tạo khe năng lượng, các tính chất truyền dẫn điện, truyền dẫn nhiệt điện, truyền dẫn spin của các dị cấu trúc graphene sẽ được tập trung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Tính chất truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ===o0o=== NGUYỄN PHƢƠNG DUNG TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TRONG MỘT SỐ DỊ CẤU TRÚC GRAPHENE ĐƠN GIẢN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ ===o0o=== NGUYỄN PHƢƠNG DUNG TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TRONG MỘT SỐ DỊ CẤU TRÚC GRAPHENE ĐƠN GIẢN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ThS. NGUYỄN MINH VƢƠNG HÀ NỘI, 2018
LỜI CẢM ƠN Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã dạy dỗ chỉ bảo và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận này. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Nguyễn Minh Vương đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khóa luận của em không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được những đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Phương Dung
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong khóa luận là hoàn toàn trung thực và chưa từng công bố ở bất kì nơi nào khác. Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Phương Dung
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 3 6. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 3 CHƢƠNG 1: GRAPHENE CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT .......................... 4 1.1. Giới thiệu về graphene ............................................................................... 4 1.1.1. Khái niệm Graphene ............................................................................... 4 1.1.2. Lịch sử ra đời Graphene .......................................................................... 4 1.2. Cấu tạo của graphene ................................................................................. 9 1.2.1. Những đặc trưng cấu trúc của graphene ................................................. 9 1.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của Graphene .............................................. 13 1.3. Tính chất của Graphene ........................................................................... 17 1.3.1. Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu ...................... 17 1.3.2. Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt ................................................. 18 1.3.3. Độ bền của Graphene ............................................................................ 18 1.3.4. Graphene cứng hơn cả kim cương ........................................................ 19 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 ..................................... 20 1.3.7. Hiệu ứng Hall lượng tử trong Graphene ............................................... 20 1.3.8. Chuyển động của điện tử trong Graphehe ............................................ 21 CHƢƠNG 2. TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TRONG MỘT SỐ DỊ CẤU TRÚC GRAPHENE ĐƠN GIẢN ................................................................ 22
2.1. Dải nano graphene.................................................................................... 22 2.1.1. Dải nanographene dạng zigzag ............................................................. 23 2.1.2. Graphene dạng dải Armchair ................................................................ 28 2.1.3. Ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên tính chất điện tử của AGNR ...... 35 2.2. Hệ lưới nano graphene với các lỗ đục...................................................... 37 2.2.1. ZGRNs có đục lỗ ................................................................................... 37 2.2.2. AGRNs có đục lỗ .................................................................................. 41 KẾT LUẬN .................................................................................................... 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 44
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AGNRs: Armchair Graphene NanoRibbons NEGF: Hàm Green không cân bằng (Non-Equilibrium Green's Functions) GNRs: Graphene NanoRibbons NEGF: Non-equilibrium Green function XC: Exchange - Correlation ZGNRs: Zigzag Graphene NanoRibbons
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Màng Graphene Hình 1.2: Ống Nano carbon Hình 1.3: Ba dạng của Carbon: Fulơren, Ống Nano Carbon, Graphene Hình 1.4: Màng graphene Hình 1.5: Ông Andre Konstantin Geim Hình 1.6: Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử Hình 1.7: Cấu trúc màng Graphene Hình 1.8: Cấu trúc màng graphene, trong đó các nguyên tử carbon được sắp xếp đều đặn trên các ô lục giác với các vector đơn vị mạng thực và , khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon lân cận là 0,142nm (hình trái). Hình bên phải thể hiện các vector mạng đảo và và vùng Brillouin thứ nhất (màu đỏ) chứa hai điểm đối xứng đặc biệt K và K‟. Hình 1.9: Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng với chuyển động của electron Hình 1.10: Sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử Hình 2.1: Dải nano graphene biên zigzag Hình 2.2: Mô phỏng hệ kênh dẫn hệ 8 - ZA Hình 2.3: Mật độ trạng thái (a) và cấu trúc vùng năng lượng (b) của hệ 8 - ZA Hình 2.4: Phổ truyền electron của hệ 8 - ZA Hình 2.5: Dải nano graphene biên armchair Hình 2.6: Mô phỏng hệ kênh dẫn đối với hệ 7 - A Hình 2.7: Mật độ trạng thái (a) và cấu trúc vùng năng lượng (b) của 7 -A Hình 2.8: Phổ truyền electron của hệ 7 - A Hình 2.9: Sự phụ thuộc giá trị khe năng lượng của hệ N - A vào chiều rộng của dải N = 5, 6, 7, 8, 9, 10
Hình 2.10: Phổ truyền electron của các hệ N - A tương ứng với N = 6, 7, 8, 9, 10. Hình 2.11: Sự ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên giá trị khe năng lượng của hệ 7 - A Hình 2.12: Phổ truyền electron của hệ 7 - A dưới ảnh hưởng của các biến dạng cơ học. Hình 2.13: Mô phỏng các kênh dẫn với hệ ZA dạng đục lỗ (a)hình tròn, (b) hình vuông và (c) hình tam giác Hình 2.14: Phổ truyền electron của hệ 8 - ZA đục lỗ dạng hình tròn Hình 2.15: Phổ truyền electron của hệ 8 - ZA đục lỗ dạng hình vuông Hình 2.16: Phổ truyền electron của hệ 8 - ZA bị đục lỗ dạng hình tam giác Hình 2.17: Sự ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên tính chất truyền điện tử của ZA bị đục lỗ dạng hình tam giác Hình 2.18: Mô phỏng các kênh dẫn A có đục lỗ với kích thước tăng dần: (a) dạng lỗ tròn, (b) dạng lỗ vuông, và (c) dạng lỗ tam giác Hình 2.19: Phổ truyền electron của các kênh dẫn A có đục lỗ. Đường màu đỏ là phổ của A nguyên thủy chưa bị đục lỗ, các đường còn lại là phổ với kích thước tăng dần tương ứng với màu như trên mô hình 2.18: (a) dạng lỗ tròn, (b) dạng lỗ vuông, và (c) dạng lỗ tam giác.
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự phát triển của khoa học công nghệ đã tạo những diện mạo mới cho con người và công nghệ điện tử viễn thông. Công nghệ nano là 1 lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng. Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ này thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật. Công nghệ nano còn là một bước tiến vượt bậc của công nghệ, nó cho phép con người tạo ra những vật liệu mới với những tính năng tưởng chừng như không thể. Nó tham gia và tạo sự đột phá trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng như điện, hóa học, mỹ phẩm, nhựa, cơ khí chế tạo… Những sản phẩm của công nghệ nano đã ngày càng xuất hiện thường xuyên hơn và giúp cho cuộc sống tươi đẹp hơn. Như chúng ta đã biết, linh kiện trong các thiết bị điện tử đều được chế tạo từ vật liệu bán dẫn silicon. Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn silicon đã làm thay đổi hoàn toàn ngành thiết bị điện tử. Trung tâm sản xuất và nghiên cứu các thiết bị điện tử, công nghệ máy tính và chip bán dẫn lớn nhất thế giới còn được đặt tên là Thung Lũng Silicon. Từ đó cũng đủ để đánh giá tầm quan trọng của vật liệu bán dẫn silicon trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra một loại chất bán dẫn mới trên nền graphene, có thể khắc phục các nhược điểm của vật liệu bán dẫn silicon như độ dày lớn và cản sáng. Loại vật liệu bán dẫn mới này chỉ dày một micromet, vô cùng linh hoạt và trong suốt, bên cạnh đó chi phí sản xuất rẻ hơn rất nhiều lần so với vật liệu bán dẫn từ silicon. Graphene thực chất là một 1
mạng lưới các nguyên tử carbon, liên kết với nhau theo hình lục giác và tạo thành một mạng lưới dài dạng tấm. Các liên kết này vô cùng bền vững, bên cạnh đó có khả năng dẫn điện rất tốt, và nhờ vào cấu tạo dạng tấm nên có chiều dày rất nhỏ. Tiến sĩ Weman- người đứng đầu dự án này cho biết: "Bước tiến mới này sẽ mang lại một cuộc cách mạng lớn không chỉ trong lĩnh vực sản xuất chip bán dẫn, mà còn trong các lĩnh vực sản xuất các tế bào năng lượng mặt trời và màn hình LED. Các loại màn hình sẽ có thể gấp uốn dễ dàng, thậm chí điện thoại di động có thể vòng qua cổ tay như một chiếc đồng hồ với công nghệ mới này”. Một công ty mới có tên CrayoNano đã được thành lập để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ mới này. Do sự phát triển không ngừng của ngành sản xuất chế tạo vật liệu bán dẫn và bộ vi xử lý điện tử nói riêng, cũng như của ngành công nghệ nano nói chung, việc nghiên cứu vật liệu nano, trong đó có grephene là vô cùng thời sự. Trên đây chính là cơ sở để tôi chọn đề tài: “Tính chất truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản” làm khóa luận tốt nghiệp của mình. 2. Mục đích nghiên cứu Tôi nghiên cứu đề tài này với mục đích nghiên cứu tính chất truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản, đặc biệt quan tâm đến khả năng tạo khe năng lượng, các tính chất truyền dẫn điện, truyền dẫn nhiệt điện, truyền dẫn spin của các dị cấu trúc graphene sẽ được tập trung nghiên cứu. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Một số dị cấu trúc graphene đơn giản. - Phạm vi: Đề tài nghiên cứu tính truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản. 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tổng quan và nghiên cứu về chất bán dẫn graphene. - Nghiên cứu sâu tính truyền dẫn của một số dị cấu trúc graphene đơn giản. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Các phương pháp chung của Vật lý lý thuyết. - Phương pháp liên kết mạnh, phương pháp hàm Green không cân bằng. 6. Cấu trúc khóa luận - Phần 1: Mở đầu - Phần 2: Nội dung Chương 1: Graphene, cấu tạo và tính chất Chương 2: Tính chất truyền dẫn trong một số dị cấu trúc graphene đơn giản - Phần 3: Kết luận 3
CHƢƠNG 1: GRAPHENE CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT 1.1.Giới thiệu về graphene 1.1.1. 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 carbon 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 carbon, nếu xếp chồng lên nhau phải cần tới 200.000 lớp mới bằng độ dày một sợi tóc. Hình 1.1. Màng Graphene Có thể xem graphene như thành phần cơ bản tạo nên các cấu trúc khác nhau của carbon như fullerene, carbon nanotube, graphite. Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, do cùng một nguyên liệu chính là các phân tử carbon. 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. 1.1.2. Lịch sử ra đời Graphene Trải qua nhiều thế kỉ khai thác, sử dụng và nghiên cứu các sản phẩmcủa 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 carbon và carbon thường chiếm hàm lượng rất lớn. Carbon 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 carbon. Hình 1.2. Ống Nano 4
Loại vật liệu nano đầu tiên được khám phá từ carbon 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 carbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Ban đầu người ta tìm ra mỗi hạt là một phân tử lớn carbon cấu tạo từ 60 nguyên tử carbon C60. Sau đó người ta còn tìm ra phân tử carbon hình cầu như vậy nhưng có nhiều phân tử carbon 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 carbon này thành hình ống gọi là "nanotube", tức ống nano carbon. 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 carbon. Một cái ống thì bớt cồng kềnh hơn một quả bóng về mặt thể tích. Ống nano carbon 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 nửa quả bóng Flơren úp lại. Như vậy mặt ngoài của ống nano carbon là các nguyên tử carbon liên kết với nhau rất chắc chắn bằng Hình 1.3: Ba dạng của liên kết cộng hóa trị, mỗi nguyên tử carbon Carbon: Fulơren, Ống Nano Carbon, Graphene liên kết với ba nguyên tử carbon khác, từ đó tạo thành các hình 6 cạnh.Ống nano carbon rất nhẹ, 5
bền hơn thép 100 lần. Về tính chất điện, từ, nhiệt, ống nano carbon 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 carbon 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 carbon. 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 carbon 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 carbon. 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 carbon. 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 carbon đều hơn, với giá thành rẻ và ít thành phần pha tạp. Bây giờ thì cái ống nano đã được dàn mỏng như một tờ giấy. Cũng những phân tử carbon ấy, các nhà khoa học đã tìm ra cách dàn mỏng chúng thành một lớp carbon mỏng, rất mỏng, chiều dày của lớp phân tử này là 1 nguyên tử 6
Dưới kính hiển vi điện tử, lớp phân tử carbon này có hình dáng của một màng lưới. Cái màng lưới mỏng bằng carbon 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. Hình 1.4: Màng graphene 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 2004, các nhà nghiên cứu ở Anh dẫn đầu đoàn chính là Andre Konstantin Geim đã tìm ra một cách đơn giản để bóc những lớp đơn nguyên tử Hình 1.5: Ông Andre Konstantin Geim của các nguyên tử carbon 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 7
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. 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 8
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 Hình 1.6: Hình ảnh màng thay thế silicon. Đến nay, vật liệu graphene đã Graphene qua kính hiển vi mở ra hi vọng cho ngành điện tử vượt qua rào điện tử cản này. 1.2. Cấu tạo của graphene Graphene là một lớp carbon hợp thành một mạng hình lục giác (kiểu tổ ong), với khoảng cách carbon-carbon là 0,142 nm. Nó là chất liệu kết tinh hai chiều thật sự đầu tiên và nó là đại diện của một họ hàng hoàn toàn mới của các chất liệu 2D, bao gồm chẳng hạn các đơn lớp Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulphite (MoS2), cả hai chất đều được chế tạo sau năm 2004. Cấu trúc graphene là cấu trúc đơn lớp của các nguyên tử carbon, khác với cấu trúc đa lớp trong graphite. Có thể xem graphene như thành phần cơ bản tạo nên các cấu trúc khác nhau của carbon như fullerene, carbon nanotube, graphite. 1.2.1. Những đặc trưng cấu trúc của graphene Màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng (còn được gọi là cấu trúc tổ ong) do sự lai hoá sp2. Trong đó, mỗi nguyên tử C liên kết với ba nguyên tử C gần nhất bằng liên kết tạo bởi sự xen phủ của các vân đạo lai s-p, tương ứng với trạng thái lai hoá sp2. Khoảng cách giữa các nguyên tử C gần nhất là a = 0,142 nm. Theo 9
nguyên lí Pauli, các mức năng lượng trong liên kết  đã được lấp đầy, do đó các vân đạo lai hóa sp2 sẽ đặc trưng cho mức độ bền vững trong cấu trúc phẳng của màng graphene. Vân đạo p còn lại của các nguyên tử carbon, nằm vuông góc với cấu trúc phẳng của màng, xen phủ bên với nhau hình thành nên liên kết π, và mức năng lượng của liên kết này chưa được lấp đầy nên nó còn được gọi là các vân đạo không định xứ, các vân đạo này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên các tính chất điện khác thường của graphene. Hình 1.7: Cấu trúc màng Graphene 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. 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. Tuy nhiên, một cách tổng quát, có thể xem mạng Graphene là sự tổ hợp của các 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. 10
Hình 1.8: Cấu trúc màng graphene, trong đó các nguyên tử carbon được sắp xếp đều đặn trên các ô lục giác với các vector đơn vị mạng thực và , khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon lân cận là 0,142nm( hình trái). Hình bên phải thể hiện các vector mạng đảo và và vùng Brillouin thứ nhất (màu đỏ) chứa hai điểm đối xứng đặc biệt K và K’. 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. Do đó, cấu trúc lục giác của màng Graphene có thể được xác định thông qua các vector nguyên tố và như hình 1.8, trong đó:  a 3 1  a 3 a a1   ,  và a 2   ,  (với a là chiều dài của vector nguyên tố)  2 2  2 2 Với cách chọn vector nguyên tố như vậy, mỗi ô nguyên tố trong mạng thực của graphene sẽ chứa 2 nguyên tử Carbon (A và B). Đồng thời, vị trí giữa nguyên tử C trong mạng A và B được liên hệ với nhau thông qua các vector , và với: 11