Tài liệu: Graphene

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

90
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học về Graphene

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu: Graphene

Graphene 1. M t h v t li u m i Trong th i gian g n ây, các ch t li u k t tinh hai chi u (2D) ã ư c nh n d ng và phân tích1. Ch t li u u tiên thu c h hàng m i này là graphene, m t l p ơn nguyên t c a carbon. Ch t li u m i này có m t s tính ch t c nh t vô nh , khi n nó th t h p d n cho các nghiên c u cơ b n l n các ng d ng trong tương lai. Các tính ch t i n t c a ch t li u 2D này d n t i, ch ng h n, m t hi u ng Hall lư ng t d thư ng2,3. Nó là m t ch t d n i n trong su t4 m ng m t nguyên t . Nó cũng gây phát sinh nh ng n, bao g m m t ki u chui h m kì l 5,6 mà nhà v t lí ngư i Th y i n cái tương t v i v t lí h t cơ b ây.7 Oscar Klein ã tiên oán trư c Ngoài ra, graphene còn có m t s tính ch t cơ và i n n i b t. V cơ b n, nó c ng hơn thép và r t d kéo căng. d n i n và d n nhi t thì r t cao và nó có th dùng làm m t ch t d n d o. Gi i Nobel V t lí 2010 vinh danh hai nhà khoa h c ã có nh ng óng góp có tính quy t nh cho s phát tri n này. H là Andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov, c hai u ang làm vi c t i trư ng i h c Manchester, Anh qu c. H ã thành công trong vi c ch t o, tinh l c, nh n d ng c trưng graphene.1 và mô t 2. Nh ng d ng khác nhau c a carbon Ngư i ta có th cho r ng carbon là nguyên t thú v nh t trong b ng tu n hoàn hóa h c. Nó là cơ s cho ADN và m i d ng s ng trên Trái t. Carbon có th t n t i m t vài d ng khác nhau. D ng ph bi n nh t c a carbon là graphite, g m nh ng t m carbon x p ch ng lên v i nhau v i c u trúc hình l c giác. Dư i áp su t cao thì kim cương hình thành, ó là m t d ng siêu b n c a carbon. M t d ng m i c a carbon phân t là cái g i là fullerene8. D ng thông d ng nh t, g i là C60, g m 60 nguyên t carbon và trông t a như m t qu bóng á c u t o t 20 hình l c giác và 12 hình ngũ giác cho phép b m t ó t o thành m t qu c u. Khám phá ra fullerene ã ư c trao Gi i Nobel Hóa h c năm 1996. M t d ng gi -m t chi u có liên quan c a carbon, ng nano carbon, ã ư c bi t t i trong vài th p niên qua9 và các ng nano ơn thành xu t hi n t năm 199310,11. Nh ng ng này có th hình thành t nh ng t m graphene cu n l i, và hai u c a chúng có d ng n a c u gi ng như fullerene. Các tính ch t cơ và i n t c a các ng nano kim lo i ơn thành có nhi u cái tương ng v i graphene. Ngư i ta ã bi t rõ r ng graphite g m nh ng t m carbon hình l c giác x p ch ng lên nhau, nhưng h l i tin r ng m t t m ơn l như v y không th nào ch t o ư c d ng tách r i. Vì th , th t b t ng i v i c ng ng v t lí h c khi vào năm 2004, Konstantin Novoselov, Andre Geim cùng các c ng s c a h 1 cho bi t r ng m t l p ơn như v y có th tách r i ra ư c và nó còn b n n a. L p ơn carbon ó là cái chúng ta g i là graphene. Cũng nên nh c n là các c u trúc ki u graphene ã ư c bi t t i t t n h i th p niên 1960, nhưng có nh ng khó khăn th c nghi m trong vi c tách ra nh ng l p ơn13-16, và có nh ng nghi ng r ng i u này trên th c t là không th . Th t thú v khi bi t r ng m i ngư i dùng bút chì thông thư ng có kh năng ã t ng t o ra nh ng c u trúc ki u graphene mà b n thân ch ng h hay bi t. Bút chì có ch a graphite, và khi nó di chuy n trên m t t gi y, graphite b ch thành nh ng l p m ng bám lên trên gi y, t o thành ch vi t hay hình v mà chúng ta mu n có. M t t l nh trong nh ng l p m ng này s ch a ch m t vài l p ho c th m chí m t l p graphite, t c là graphene. 1
Hình 1. Các phân t fullerene C60, ng nano carbon, và graphite u có th xem là hình thành t các t m graphene, t c là nh ng l p ơn nguyên t c a carbon s p x p trong m t c u trúc hình t ong.12 Như v y, khó khăn không ph i ch ch t o các c u trúc graphene, mà ch tách r i ra t ng t m ln nh n d ng và mô t c trưng graphene và xác nh n các tính ch t hai chi u (2D) c áo c a nó. ây là cái Geim, Novoselov, và các c ng s c a h ã thành công. 3. Graphene là gì? Graphene là m t l p carbon h p thành m t m ng hình l c giác (ki u t ong), v i kho ng cách carbon-carbon là 0,142 nm. Nó là ch t li u k t tinh hai chi u th t s u tiên và nó là i di n c a m t h hàng hoàn toàn m i c a các ch t li u 2D, bao g m ch ng h n các ơn l p Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulphite (MoS2), c hai ch t u ư c ch t o sau năm 2004.17 Tính ch t i n t c a graphene hơi khác v i các ch t li u ba chi u thông thư ng. M t Fermi c a nó ư c c trưng b i sáu hình nón kép, như th hi n trên hình 2. Trong graphene nguyên ch t (chưa pha t p), m c Fermi n m giao i m c a nh ng hình nón này. Vì m t các tr ng thái c a ch t li u b ng không t i i m ó, nên d n i n c a graphene nguyên ch t khá th p và vào c d n σ ∼ e2/h; h s t l chính xác thì v n còn tranh cãi. Tuy nhiên, m c Fermi ó có th lư ng t thay i b i m t i n trư ng cho ch t li u tr thành ho c là ch t pha t p lo i n (v i electron) ho c pha t p lo i p (v i l tr ng) tùy thu c vào s phân c c c a i n trư ng t vào. Graphene còn có th pha t p b ng cách cho h p th , ch ng h n, nư c ho c amonia trên b m t c a nó. dn in c a graphene pha t p ch t có kh năng khá cao, nhi t phòng nó có th còn cao hơn c dn c a ng. g n m c Fermi, quan h khu ch tán i v i electron và l tr ng là tuy n tính. Vì kh i lư ng hi u d ng ư c cho b i cong c a các d i năng lư ng, nên i u này tương ng v i kh i lư ng hi u d ng b ng không. Phương trình mô t các tr ng thái kích thích trong graphene gi ng h t phương trình Dirac cho các fermion không kh i lư ng chuy n ng m t t c không i. Vì th , giao i m c a các hình nón trên ư c g i là các i m Dirac. i u này làm phát sinh nh ng s tương t thú v gi a graphene và v t lí h t cơ b n, chúng úng cho các năng lư ng lên t i x p x 1 eV, t i 2
ó quan h khu ch tán b t u là phi tuy n. M t k t qu c a quan h khu ch tán c bi t này là hi u ng Hall lư ng t tr nên b t bình thư ng trong graphene, xem hình 4. Hình 2. Năng lư ng, E, cho các tr ng thái kích thích trong graphene là m t hàm c a s sóng, kx và ky, trong các chi u x và y. ư ng màu en bi u di n năng lư ng Fermi cho m t tinh th graphene chưa pha t p ch t. g n m c Fermi này, ph năng lư ng ư c c trưng b i sáu hình nón kép, trong ó quan h khu ch tán (năng lư ng theo xung lư ng) là tuy n tính. i u này tương ng v i các tr ng thái kích thích không kh i lư ng. Graphene trên th c t là trong su t. Trong vùng quang h c, nó h p th ch 2,3% ánh sáng. Con s này th t ra ư c cho b i πα, trong ó α là h ng s c u trúc tinh t xác l p cư ng c al c i n t . Trái v i các h 2D nhi t th p xây d ng trên ch t bán d n, graphene v n duy trì các tính ch t 2D c a nó nhi t phòng. Graphene còn có m t vài tính ch t h p d n khác n a, nh ng tính ch t mà nó chia s cùng v i ng nano carbon. V căn b n, nó c ng hơn thép, r t d kéo căng, và có th dùng làm m t ch t d n d o. d n nhi t c a nó cao hơn nhi u so v i d n nhi t c a b c. 4. Khám phá ra graphene Graphene ã ư c P.R. Wallace nghiên c u trên lí thuy t vào năm 1947 là m t thí d sách v cho các phép tính trong ngành v t lí ch t r n18. Ông ã d báo c u trúc i n t và lưu ý quan h khu ch tán tuy n tính. Phương trình sóng cho các tr ng thái kích thích ư c J.W McCluke vi t ra vào năm 195619 và s tương t v i phương trình Dirac ư c trình bày b i G.W. Semenoff vào năm 198420, và cũng ư c nhìn th y b i DiVincenzo và Mele21. Trư c năm 2004, vi c tách ra nh ng t m graphene b n v ng ư c cho là không th . Do ó, th t là hoàn toàn b t ng khi Andre Geim, Konstantin Novoselov và các c ng s c a h trư ng i h c Manchester (Anh qu c), và Vi n Công ngh Vi i n t Chernogolovka (Nga) ã thành công trong vi c th c hi n chính công vi c này. H ã công b các k t qu c a mình trên t p chí Science s tháng 10/20041. Trong bài báo này, h ã mô t vi c ch t o, nh n d ng và mô t c trưng i v i graphene. H ã s d ng m t phương pháp bóc tách cơ h c ơn gi n nhưng hi u qu trích ra nh ng l p m ng graphite t m t tinh th graphite b ng lo i băng dính Scotland và sau ó ưa nh ng l p này lên trên m t ch t n n silicon. Phương pháp này ư c xu t và th nghi m u tiên b i nhóm c a R. Ruoff22, tuy nhiên, h ã không th nh n ra b t kì l p ơn nào. Nhóm Manchester ã thành công b i vi c s d ng m t phương pháp quang mà v i nó h có th nh n ra 3
các m nh nh c u t o g m ch m t vài l p. M t nh ch p qua kính hi n vi l c nguyên t (AFM) c a m t m u như th ư c th hi n trên hình 3. Trong m t s trư ng h p, nh ng giàn giá này c u t o ch g m m t l p, t c là graphene ã ư c nh n d ng. Ngoài ra, h còn làm ch ư c vi c bi n graphene thành m t thanh Hall và n i các i n c c vào nó. Hình 3. (Trái) A) i n tr su t (d c) c a m t m u graphene ba nhi t khác nhau (5K l c, 7K lam, 300 K cam), lưu ý s ph thu c m nh vào i n áp c c phát. B) d n su t là m t hàm theo i n áp c c phát 77K. C) i n tr Hall là m t hàm theo i n áp c c phát i v i cùng m u trên1. (Ph i) nh ch p qua kính hi n vi l c nguyên t (AFM) c a m t ơn l p graphene. Vùng màu en là ch t n n, vùng màu cam s m là m t l p ơn graphene và có b dày ∼ 0,5 nm, ph n màu cam sáng ch a m t vài l p và có b dày ∼ 2nm.23 Hình 4. Quan sát th c nghi m c a hi u ng Hall lư ng t d thư ng graphene. (Trái) d n su t Hall ( ) và i n tr su t d c (l c) là hàm c a m t h t mang i n. Khung hình nh th hi n d n su t Hall i v i graphene hai l p. Lưu ý kho ng cách gi a các vùng b ng ph ng i v i graphene là 4e2/h, t c là l n hơn so v i hi u ng Hall lư ng t thông thư ng và các b c d c xu t hi n t i nh ng b i bán nguyên c a giá tr này. i v i m t l p ôi graphene thì chi u cao b c d c là như nhau, nhưng các b c xu t hi n t i các b i nguyên c a 4e2/h nhưng không có b c nào t i m t b ng không2. (Ph i) i n tr su t d c và i n tr su t Hall là hàm c a m t t thông cho m t m u pha t p electron. Khung hình nh th hi n d li u tương t nhưng cho m u pha t p l tr ng3. B ng cách này, h có th o i n tr su t (d c) và i n tr su t Hall. M t m nh d li u quan tr ng là hi u ng trư ng phân c c, trong ó i n tr su t ư c o là m t hàm c a m t i n trư ng t vào vuông góc v i m u. D li u ó th hi n trên hình 3. i n tr su t t m có m t c c i rõ ràng, và gi m d n c hai phía c a c c i ó. i u này cho bi t s pha t p tăng d n c a các electron phía bên ph i, và các l tr ng phía bên trái c a c c i. Lưu ý r ng i n t m c c i là ∼ 9kΩ, vào c c a lư ng t i n tr . 4
M t khi công ngh ch t o, nh n d ng và g n các i n c c vào các l p graphene ã ư c xác l p, nhóm Manchester l n các nhóm khác u nhanh chóng th c hi n ư c m t s lư ng l n nh ng thí nghi m m i2,3,17,24,25. Trong s này có các nghiên c u v hi u ng Hall lư ng t d thư ng, và ng th i chu n b cho s ra i c a nh ng ch t li u k t tinh 2D khác, thí d như các l p ơn BN. Ngoài phương pháp bóc tách, nh ng phương pháp khác nuôi c y các màng carbon r t m ng cũng ã ư c nghiên c u, c bi t b i m t nhóm ng u là W.A. de Heer t i Vi n Công ngh Georgia. H ã trau chu t m t phương pháp t cháy silicon t m t b m t silicon carbide (SiC), l i m t l p m ng carbon phía sau. Phương pháp này th c hi n b ng cách nung nóng tinh th SiC lên x p x 1300oC. Phương pháp ã ư c m t vài nhóm s d ng trư c ó14,15, nhưng nh ng nghiên c u ban u ó t p trung vào khoa h c b m t và không có các phép o v n chuy n. Tháng 12 năm 2004, ch hai tháng sau khi bài báo c a Novoselov ư c công b , nhóm c a de Heer ã công b bài báo u tiên c a h v các phép o chuy n v n trên các màng carbon m ng26. H ã trình bày các phép o t tr và m t tác d ng i n trư ng y u. de Heer và các c ng s c a ông còn n m trong tay m t b ng phát minh v cách ch t o các d ng c i n t t nh ng l p m ng carbon27. M t nhóm t i trư ng i h c Columbia, ng u là P. Kim, ã nghiên c u m t phương pháp khác ch t o các l p carbon m ng. H g n m t tinh th graphite v i u nh n c a m t kính hi n vi l c nguyên t và kéo lê nó trên m t b m t. V i cách này, h có th t o ra nh ng l p m ng graphite xu ng t i kho ng 10 l p. Như ã c p trên, quan h khu ch tán phi tuy n làm phát sinh m t hi u ng Hall lư ng t d thư ng. Hi u ng này ư c ch ng minh c l p b i hai nhóm, nhóm Manchester và nhóm do P. Kim ng u; c hai nhóm hi n nay u ang s d ng phương pháp bóc tách. Hai bài báo ã ư c công b li n nhau trong cùng m t s ra c a t p chí Nature vào tháng 11 năm 2005. D li u có th xem trên hình 4. K t 2005, s phát tri n trong lĩnh v c nghiên c u này ã th t s bùng n , t o ra s lư ng tăng d n c a các bài báo nói v graphene và nh ng tính ch t c a nó. Các l p ôi graphene, có nh ng tính ch t khác so v i graphene ( ơn l p), ã ư c nghiên c u th u áo28-32. Các nghiên c u nh ng t trư ng cao hơn ã ư c th c hi n nghiên c u hi u ng Hall lư ng t phân s trong 33,34 graphene . Ngoài ra, nghiên c u cơ h c c a graphene ch ng t r ng nó c c kì b n v m t cơ h c, b n g p 100 l n so v i lo i thép m nh nh t35. M t khám phá quan tr ng khác n a là s h p th ánh sáng graphene có liên quan n h ng s c u trúc tinh t như ã c p trên36. Còn có m t s bài báo quan tr ng mô t nh ng cái tương t v i v t lí h t cơ b n d a trên phương trình Dirac. S tương ng chính th c gi a các tr ng thái kích thích trong graphene v i các fermion Dirac hai chi u ã cho phép ki m tra cái g i là s chui h m Klein xu t b i nhà v t lí ngư i Th y i n Oscar Klein. Hi n tư ng này tiên oán r ng m t rào c n ư ng h m có th tr nên hoàn toàn trong su t i v i s t i bình thư ng c a các h t không kh i lư ng. Dư i nh ng i u ki n nh t nh, trong su t có th dao ng là m t hàm c a năng lư ng. xu t r ng i u này có th ki m tra graphene ư c ưa ra b i Katsnelson, Geim và Novoselov vào năm 20065 và ã ư c xác nh n b i Young và Kim vào năm 20096. 5. Các ng d ng tương lai Graphene có m t s tính ch t khi n nó th t h p d n cho m t vài ng d ng khác nhau. Nó là m t ch t d n c c m ng, r t b n v m t cơ h c, trong su t và d o. d n c a nó có th bi n i trên m t ngư ng l n ho c b ng cách pha t p hóa h c, b ng tác d ng c a i n trư ng. linh ng c a 30 37 graphene là r t cao khi n ch t li u r t h p d n cho các ng d ng i n t cao t n . M i ây, ngư i ta ã có th ch t o nh ng t m graphene c l n. S d ng các phương pháp bán công nghi p, các t m v i b r ng 70 cm ã ư c t o ra38,39. Vì graphene là m t ch t d n trong su t, nên nó có th dùng trong các ng d ng như màn hình c m ng, t m phát sáng và pin m t tr i, nơi nó có th thay th cho indium-thi c-oxide (ITO) v a d v v a t ti n. Các thi t b i n t d o và các b c m bi n ch t khí40,41 là nh ng ng d ng ti m năng khác. Hi u ng Hall lư ng t graphene có th còn có kh năng góp ph n cho m t chu n i n tr còn chính xác hơn n a trong o lư ng h c42. Nh ng lo i ch t li u h n h p m i d a trên graphene v i s c b n l n và kh i lư ng riêng kh p còn có th tr nên h p d n trong các công d ng trong ch t o phi thuy n và máy bay43,44. 5
6. K t lu n S phát tri n c a ch t li u m i này ã m ra nh ng hư ng i m i. Nó là ch t li u 2D k t tinh u tiên và nó có các tính ch t c nh t vô nh , khi n nó th t h p d n cho c nghiên c u khoa h c cơ b n l n cho các ng d ng trong tương lai. t phá trên ư c th c hi n b i Geim, Novoselov và các c ng s c a h ; bài báo h i năm 2004 ã khơi ngòi cho s phát tri n trên. V i công trình này, h ư c trao Gi i Nobel V t lí 2010. Ph l c. M t s tính ch t c a graphene T tr ng c a graphene Ô ơn v l c giác c a graphene g m hai nguyên t carbon và có di n tích 0,052nm2. Như v y, chúng ta có th tính ra t tr ng c a nó là 0,77 mg/m2. M t cái võng gi thuy t làm b ng graphene v i di n tích 1m2 s cân n ng 0,77 mg. Minh h a (cái võng): Airi Iliste Tính trong su t quang h c c a graphene Graphene h u như trong su t, nó h p th ch 2,3% cư ng ánh sáng, c l p v i bư c sóng trong vùng quang h c. Con s này ư c cho b i πα, trong ó α là h ng s c u trúc tinh t . Như v y, mi ng graphene lơ l ng không có màu s c. S c b n c a graphene Graphene có s c b n 42N/m. Thép có s c b n trong ngư ng 250-1200 MPa = 0,25-1,2.109N/m2. V i m t màng thép gi thuy t có cùng b dày như graphene (có th l y b ng 3,35 angstrom = 3,35.10-10m, t c là b dày l p trong graphite), giá tr này s tương ng v i s c b n 2D 0,084- 0,40N/m. Như v y, graphene b n hơn thép c ng nh t hơn 100 l n. Trong cái võng 1m2 c a chúng ta m c gi a hai cái cây, b n có th t m t gia tr ng x p x 4kg trư c khi nó b rách v . Như v y, ngư i ta có th ch t o m t cái võng h u như vô hình t graphene có th ch u s c n ng c a m t con mèo mà không b h ng. Cái võng s cân n ng chưa t i m t mg, tương ng v i tr ng lư ng c a m t s i râu mép c a con mèo. d n i n c a graphene d n b n c a m t ch t li u 2D ư c cho b i σ = enµ. linh ng trên lí thuy t b gi i h n n µ 2 -1 -1 h t mang n = 1012cm-2. i n tr t m 2D, còn = 200.000 cm V s b i các phonon âm h c m t g i là i n tr trên bình phương, khi ó là 31Ω. Cái võng vi n tư ng 1m2 c a chúng ta s có i n tr 31Ω. d n kh i là 0,96.10-6 Ω-1m-1 cho graphene. Giá tr này có ph n cao hơn S d ng b dày l p, ta có d n c a ng là 0,60. 10 Ω-1m-1. -6 d n nhi t S d n nhi t c a graphene b chi ph i b i các phonon và ã ư c o x p x là 5000 Wm-1K-1. ng d n nhi t 401 Wm-1K-1. Như th , graphene d n nhi t t t hơn ng 10 l n. nhi t phòng có 6
Tài li u tham kh o 7
8
Graphene – m ng nguyên t hoàn h o Cơ s c a Gi i thư ng Nobel V t lí năm nay là m t l p bong m ng c a carbon thông thư ng, l p này ch dày m t nguyên t . Andre Geim và Konstantin Novoselov ã ch ng t r ng carbon m t d ng ph ng như v y có các tính ch t ngo i h ng phát sinh t th gi i lư ng t v n kì d nhưng nhi u bí n. Graphene là m t d ng carbon. Là m t ch t li u hoàn toàn m i – nó không nh ng m ng nh t mà còn b n nh t n a. Là m t ch t d n i n, nó d n i n t t như ng. Là m t ch t d n nhi t, nó d n nhi t t t hơn m i ch t li u ã bi t khác. Nó h u như hoàn toàn trong su t, nhưng l i m c t i m c ngay c helium, nguyên t nh nh t, cũng không th qua m t. Hình 1. Graphene. M ng tinh th g n như hoàn h o ch dày m t nguyên t . Nó g m các nguyên t carbon liên k t v i nhau thành hình l c giác an l i như t m lư i. B i v y, bài báo v graphene công b trên t p chí Science, s tháng 10/2004, ã khu y ng r t nhi u xúc c m trên kh p th gi i. M t m t, các tính ch t kì l c a graphene cho phép các nhà khoa h c ki m tra các n n t ng lí thuy t c a v t lí h c. M t khác, r t nhi u ng d ng th c t gi ã có th hi n th c hóa, bao g m vi c ch t o các ch t li u m i và s n xu t các d ng c i n t tân ti n. Carbon, cơ s c a m i d ng s ng ã bi t trên trái t, m t l n n a khi n chúng ta th t b t ng . Bút chì, gi y và băng dính Không th nào d thu ư c graphene hơn n a, ch t li u th n kì có ngu n g c t graphite thông thư ng, như graphite tìm th y các th i bút chì. Tuy nhiên, nh ng i u ơn gi n nh t và hi n nhiên nh t thư ng l n tránh cái nhìn c a chúng ta. 9
Graphene g m các nguyên t carbon liên k t v i nhau thành m t m ng ph ng – tương t như c u trúc t ong, nhưng khác là ch dày m t nguyên t thôi. M t mili mét graphite th t ra g m ba tri u l p graphene bám ch ng lên nhau. Các l p ư c gi m t cách y u t và vì th khá d bóc tách chúng ra. Ai ã t ng vi t b ng bút chì u có kinh nghi m này, và có kh năng, khi h vi t, ch m t l p carbon, t c graphene, ã bám lên trên trang gi y. ây là cái x y ra khi Andre Geim và Konstantin Novoselov s d ng băng dính bóc nh ng l p bong m ng ra kh i m t mi ng graphite l n b ng m t phương pháp không có gì m i. Lúc u, h thu ư c nh ng l p bong ra g m nhi u l p graphene, nhưng khi h l p l i 10 n 12 l n bóc băng dính thì l p bong m i lúc m t m ng hơn. Bư c ti p theo là tìm nh ng m nh graphene nh xíu trong s nh ng l p graphite dày hơn và nh ng m ng bong carbon khác. ây là lúc ý tư ng sáng t o th hai c a h xu t hi n: có th nhìn th y k t qu c a công trình t m c a h , các nhà khoa h c Manchester quy t nh g n m y mi ng bong m ng ó lên m t ĩa silicon ã oxy hóa, ch t li u chu n trong ngành công nghi p bán d n. Hình 2. Trích graphene t graphite. Graphite là m t ch t li u cơ b n tìm th y trong t nhiên. Khi tách m ng ra, các t m graphite tr thành graphene. M t l p graphene cu n l i thì thành ng nano carbon, còn khi cu n tròn thành hình qu bóng á thì nó thành fullerene. Ti m n bên trong graphite, graphene ang ch i con ngư i khám phá. 10
Khi t cái ĩa ó vào m t chi c kính hi n vi thư ng, ngư i ta có th th y m t c u v ng màu, tương t như cái ư c nhìn th y khi d u loang trên m t nư c, và như v y xác nh ư c s l p graphene trong l p bong. B dày c a l p silicon dioxide bên dư i, hóa ra, l i thi t y u trong vi c vén màn bí m t graphene. Dư i kính hi n vi, graphene lúc này có th trông rõ – m t ch t li u k t tinh hai chi u ích th c t n t i nhi t phòng. Graphene là m ng lư i carbon u n m t cách hoàn h o v i ch hai chi u kích, r ng và dài. ơn v cơ s c a m u tinh th này g m sáu nguyên t carbon liên k t hóa h c v i nhau. Graphene, cũng như m t s d ng khác c a carbon mà chúng ta bi t, g m hàng t nguyên t carbon liên k t v i nhau theo khuôn m u hình l c giác. Ch i khám phá T t nhiên, graphene luôn t n t i; i u quan tr ng là tìm ra nó. Tương t , nh ng d ng xu t hi n t nhiên khác c a carbon ã trình hi n trư c các nhà khoa h c khi h nhìn chúng góc thích h p: trư c tiên là ng nano, sau ó là nh ng qu bóng carbon, fullerene (Gi i Nobel Hóa h c 1996). B gi trong graphite, graphene ang ch ư c gi i phóng (hình 2). Th t ra, ch ng ai nghĩ i u ó là có th th c hi n. Nhi u nhà khoa h c nghĩ ngư i ta không th nào tách ra nh ng ch t li u m ng như v y: chúng s g p n p ho c cu n l i nhi t phòng, hay th m chí là hoàn toàn b tan bi n. B t ch p như v y, m t s ngư i v n th c g ng h t s c, m c dù nh ng n l c trư c ó nh m thu l y graphene ã th t b i. Trư c ó, ngư i ta ã có th thu ư c nh ng màng m ng v i b dày chưa t i 100 nguyên t - th t v y, m t s màng m ng n m c chúng tr nên trong su t. M t phương pháp thu l y graphene t graphite là ưa các ch t hóa h c vào gi a nh ng l p carbon nh m làm y u s liên k t gi a chúng và sau ó tách các l p ra. M t phương pháp n a là bóc ra t ng l p graphite. Ngư i ta cũng th , thành công, “tư c” silicon t tinh th silicon carbide. nh ng nhi t r t cao, thì còn l i phía sau nh ng l p carbon m ng. Các kĩ thu t khác nhau nuôi tinh th m c ghép, dùng ch t o các ch t bán d n a d ng, ư c xem là có tri n v ng nh t s n xu t graphene dùng trong công nghi p i n t . Cho n nay, ngư i ta ã ch t o ư c nh ng cu n graphene r ng 70 cm là l n nh t. Hình 3. T a như m t t m l a. Nh ng t m graphene g p l i trên m t ch t n n silicon. nh ch p qua kính hi n vi i n t quét, phóng i kho ng 5000 l n. Trong m t th gi i ngh ch lí Andre Geim và Konstantin Novoselo ch có th thu l y nh ng l p bong micro c a ch t li u m i. Tuy nh , nhưng gi h ã có th nghiên c u hai c i m n i b t nh t c a graphene, c hai u nh hư ng t i các tính ch t i n c a nó. 11
Th nh t là thành ph n g n như hoàn h o c a graphene. S tr t t không có sai sót là do s liên k t m nh c a các nguyên t carbon. ng th i, các liên k t linh ho t cho phép m ng lư i căng ra n 20% kích c ban u c a nó. M ng tinh th còn cho phép các electron di chuy n nh ng kho ng cách xa trong graphene mà không b nhi u. Trong các ch t d n i n thông thư ng, các electron thư ng b ph n x gi ng như qu c u trong trò chơi b n n. S ph n x này làm gi m hi u su t c a ch t d n i n. c i m c áo kia c a graphene là các electron c a nó hành x gi ng như các h t ánh sáng, các photon không kh i lư ng, chuy n ng không ng ng ngh trong chân không v i t c 300 tri u mét m i giây. Tương t như v y, các electron chuy n ng trong graphene hành x c như th chúng không có kh i lư ng và lao v phía trư c t c không i m t tri u mét m i giây. i u này m ra kh năng nghiên c u nh ng hi n tư ng nh t nh d dàng hơn quy mô nh hơn, t c là không c n s d ng m t máy gia t c h t kh ng l . Graphene còn cho phép các nhà khoa h c ki m tra m t s hi u ng lư ng t ma quái hơn t trư c n nay ch th y trình bày trên lí thuy t. M t hi u ng như v y là m t bi n th c a s chui h m Klein, hi u ng ư c xác l p b i nhà v t lí ngư i Th y i n Oskar Klein vào năm 1929. Hi u ng ư ng h m trong v t lí lư ng t mô t cách th c các h t th nh tho ng vư t qua m t rào ch n bình thư ng s ch n chúng l i. Rào c n càng l n thì cơ h i c a các h t lư ng t i qua ó càng th p. Tuy nhiên, hi n tư ng này không áp d ng cho các electron chuy n ng trong graphene – trong m t s trư ng h p, chúng chuy n ng c như th rào c n ch ng h t n t i. Th gi i mơ ư c Nh ng ng d ng kh dĩ th c ti n i v i graphene ã thu hút nhi u s chú ý. Cho n nay, a ph n chúng ch t n t i trong b n kh năng, nhưng nhi u kh năng ã và ang ư c ki m tra, cũng b i chính Geim và Novoselov. Kh năng d n i n c a graphene ã thôi thúc r t nhi u h ng thú. Các transistor graphene ư c tiên oán v căn b n là nhanh hơn các transistor silicon ngày nay. các chip máy tính tr nên nhanh hơn và hi u qu năng lư ng hơn, chúng c n ph i nh hơn. Silicon ã t t i ranh gi i kích c t i ó ch t li u không còn ho t ng n a. Gi i h n ó i v i graphene còn th p hơn n a, cho nên các linh ki n graphene có th óng gói trên m t con chip v i m t dày hơn ngày nay. M t c t m c n a ã ư c vư t qua cách ây vài năm trư c khi b ph n tr ng y u c a nó, transistor graphene, t ra ho t ng nhanh như i tác silicon c a nó. Có l chúng ta ang trên b mép c a m t s thu nh n a c a các linh ki n i n t s mang t i các máy vi tính hi u qu hơn trong tương lai. Cho n nay, các máy vi tính graphene v n ch là m t gi c mơ xa v i, m c dù các màn hình máy tính trong su t ki u gi y m ng có th cu n l i và mang trong túi xách tay ã xu t hi n trên th trư ng thương m i cho các khách hàng i n t c a ngày mai. Trong khi ch i, chúng ta ch có th nói v m t s ng d ng th c t hơn ho c kém th c t hơn, t t c u òi h i nh ng sáng ki n quan tr ng v i k t qu c a chúng v n chưa ch c ch n. Vì graphene th c t là trong su t (t i 98%) ng th i có th d n i n, nên nó s thích h p cho s n xu t các lo i màn hình c m ng trong su t, các t m phát sáng và có l c nh ng t bào quang i n nh hơn n a. ng th i, plastic có th tr nên d n i n n u ch c n pha thêm 1% graphene vào trong chúng. Tương t , ch b i vi c pha thêm m t ph n nh graphene vào, thì nhi t tr c a plastic tăng thêm 30o ng th i làm cho chúng b n hơn v m t cơ h c. Tính ch t co giãn này có th s d ng trong các siêu ch t li u m i, chúng v a m ng, v a àn h i, v a nh . Trong tương lai, các v tinh, máy bay, và xe hơi có th s n xu t t nh ng h p ch t m i trên. 12
C u trúc hoàn h o c a graphene còn khi n nó thích h p cho vi c s n xu t các b c m bi n c c nh y có th ghi nh n nh ng hàm lư ng c nh t nh nh t. Ngay c m t phân t b h p th trên b m t graphene cũng có th b phát hi n. M t trò chơi nghiêm túc Danh sách các ng d ng có th có c a graphene th t dài. S hăng hái nghiên c u không ng ng b t u sau khi khám phá ra nó có l cu i cùng s ơm hoa k t trái. Không ai có th d báo trư c tương lai s mang n nh ng gì, k c các nhà khoa h c t gi i Nobel c a năm nay. Các nhà khoa h c ang i qua m t mê cung cơ h i và có s may m n và ki n th c ch p l y các cơ h i khi chúng xu t hi n – như m i ngư i chúng ta u bi t, may m n thư ng ch n v i nh ng ai có s chu n b trư c mà thôi. C hai nhà khoa h c t gi i Nobel năm nay u nghĩ nghiên c u th t là vui. Cho n nay, h ã làm vi c chung v i nhau trong m t th i gian dài. Konstantin Novoselov, 36 tu i, b t u làm vi c v i Andre Geim, 51 tu i, khi còn là nghiên c u sinh ti n sĩ Hà Lan. Sau ó, ông ã theo Geim sang Anh qu c. C hai ngư i h ban u h c t p và kh i nghi p v i tư cách nhà v t lí Nga. Gi thì h u là giáo sư t i trư ng i h c Manchester. Tính khôi hài là m t trong nh ng tính cách c a h . V i nh ng viên g ch c u trúc mà h có trong tay, h n l c t o ra cái gì ó m i m , th nh tho ng b ng cách cho phép trí não h th n i vu vơ. Ngư i ta luôn h c h i ư c cái gì ó trong quá trình trên và, ai bi t ư c, có th b n s là ngư i trúng s . ó là trư ng h p cách ây b y năm trư c khi h ch t o ra m t mi ng băng siêu dính l y c m h ng t kh năng c a nh ng con t c kè bám dính trên nh ng b m t nh n nh t. Trư c ó, vào năm 1997, Andre Geim ã làm thí nghi m nâng m t con ch lên b ng t trư ng, m t phương pháp khéo léo minh h a cho các nguyên lí v t lí. Chú ch bay lên ã mang v cho ông gi i thư ng Ig Nobel h i năm 2000, gi i thư ng trao cho nh ng khám phá “ban u khi n ngư i ta cư i, sau ó thì khi n ngư i ta suy nghĩ”. Nay, v i graphene, Andre Geim và Konstantin Novoselov ã t ghi tên mình vào l ch s khoa h c. Ngu n: NobelPrize.org 13