Luận văn Chất bán dẫn Graphene

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 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 Hình 26: Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 30 có thể thay thế silicon. Đến nay, vật liệu graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản này. 3.3 Tính chất của Graphene 3.3.1 Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc. Theo Geim, mắt người không thể nhìn thấy màng graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này. Dưới kính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon có màu vàng, 30- 40 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có màu hồng và graphene thì mang màu hồng rất nhạt, một màng Graphene trong suốt chỉ dày một nguyên tử. 3.3.2 Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường. Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần. Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt. Bản thân graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh. 3.3.3 Độ bền của Graphene Sức bền nội tại của chất là sức căng lớn nhất mà một chất nguyên khôi (hoặc không có khiếm khuyết) có thể chịu được ngay trước khi tất cả các nguyên tử trong một tiết diện cho trước bị kéo ra khỏi nhau đồng thời. Về cơ bản thì mọi chất liệu đều chứa những khiếm khuyết, như các vết nứt hay xước vi mô, chúng yếu hơn chất liệu xung quanh. Ấn lõm màng graphene bằng một kính hiển vi lực nguyên tử với đầu nhọn kim cương có bán kính khoảng 20 nm. Chọn đầu nhọn kim Hình 27: Ảnh minh họa vết lõm của một tấm graphene đơn nguyên tử chụp qua đầu mút kim cương của kính hiển vi lực nguyên tử. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 31 cương vì các đầu nhọn silicon bình thường sẽ gãy trước khi graphene vỡ. Phản ứng lực dịch chuyển của các màng graphene đơn lớp cho phép xác định tính chất đàn hồi của màng graphene. Lực mà tại đó màng bị vỡ và phân bố thống kê của lực phá vỡ của nhiều màng cho phép tính được sức bền nội tại của graphene. Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ. Kết quả cho thấy sức bền nội tại của graphene có thể xem là một “giới hạn trên” cho sức bền của vật liệu – giống như kim cương là chất cứng nhất. Kết quả cho thấy Graphene bền hơn thép 200 lần. Một sợi dây thép dài 28km sẽ tự đứt nếu nó được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi dây graphene chỉ đứt trong điều kiện tương tự ở độ dài trên 1.000km. Trong giới khoa học, hiện có người đang tính chuyện làm một chiếc “thang máy” bằng chất liệu graphene nối liền trái đất với vệ tinh. 3.3.4 Graphene cứng hơn cả kim cương Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Độ cứng của graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với các họ chất liệu khác. Đây là nhờ các liên kết cacbon- cacbon trong graphene cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm khuyết nào trong phần căng cao độ nhất của màng graphene. Hiện nay, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã đo được độ cứng thực chất của graphene, và họ khẳng định rằng đây là loại vật liệu cứng nhất từng được kiểm tra. Jeffrey Kysar và James Hone, Giáo sư cơ khí thuộc Đại học Columbia, đã kiểm nghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử bằng cách đo lực tác dụng để bẻ gãy loại vật liệu này. Họ đục các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet tạo thành tấm silic, đặt một mẫu graphene hoàn thiện trên mỗi lỗ hổng đó và sau đó làm lõm graphene bằng một đầu dò bằng kim cương. Biện pháp đo như vậy trước đây chưa từng được thực hiện vì chúng phải được thực hiện trên các mẫu graphene chuẩn, không có lỗi hay bị thiếu nguyên tử. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 32 Hone so sánh thử nghiệm của ông khi kéo căng một miếng giấy nilon bọc thức ăn lên trên miệng của tách uống cà phê và đo lực tác động để làm thủng miếng nilon này bằng một chiếc bút chì. Ông cho biết, nếu ông có thể có một miếng graphene đủ rộng để đặt lên miệng tách uống cà phê, graphene sẽ đủ cứng để chịu được sức nặng của một chiếc ô tô tương ứng với ngòi bút chì. Tuy nhiên, biện pháp đo này vẫn chưa thể hiện được các thuộc tính đáng chú ý khác của graphene. 3.3.5 Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử. Chỉ với một lượng rất nhỏ, graphene cũng có một khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc. Các nhà khoa học đã phát triển thành công khoang cầu mỏng nhất thế giới có lớp màng không cho bất kỳ phân tử nhỏ nhất nào của không khí lọt qua, kể cả hê-li. 3.3.6 Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại. Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhưng graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hơn ống nano; vì thế có thể được sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thử nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường. 3.3.7 Hiệu ứng Hall lượng tử trong Graphene Hiệu ứng lượng tử Hall thường chỉ được thấy ở nhiệt độ rất thấp trong các bán dẫn, nhưng nó lại xuất hiện trong graphene ở nhiệt độ phòng. Theo nguyên tắc vật lý, vật liệu mới này không thể tồn tại ổn định và rất dễ bị hủy Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 33 hoại bởi nhiệt độ, sở dĩ loại màng này có thể tồn tại ổn định là do chúng không ở trạng thái tĩnh mà rung động nhẹ theo dạng sóng. Hiệu ứng Hall lượng tử trong lớp kép Graphene (gồm hai màng Graphene chồng lên nhau) có những khác biệt riêng. Sự khác biệt này là do electron- lỗ trống suy biến và biến mất khối lượng khi gần điểm trung hòa điện tích. Hình 28 là sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử ứng với điện dẫn xuất Hall 2 4xy e h   (hình bậc thang màu đỏ), trong điều kiện B= 14T, T= 4K của lớp kép Graphene. Hiệu ứng Hall lượng tử phụ thuộc vào độ đồng nhất, mức độ pha tạp của chất. Hiệu ứng Hall lượng tử đối với lớp kép Graphene bị pha tạp và nguyên chất khác nhau khi ở cùng một nhiệt độ, cùng một từ trường ngoài. Với 2 4xy e h   , khi B= 12T, T= 4K ta thu được đồ thị như hình 29. Đường bậc thanh màu xanh là hiệu ứng Hall lượng tử đối với màng Graphene không đồng nhất mà bị pha tạp, tại 0xy  đồ thị là đường gạch ngang ứng với nhiều giá trị của Vg (điện trường ngoài). Đường bậc thang màu đỏ biểu diễn hiệu ứng Hall lượng tử với màng Graphene đồng nhất không bị pha tạp, khi 0xy  thì trên đồ thị chỉ có một giá trị của Vg =0. Vậy để thay đổi hiệu ứng Hall lượng tử trong lớp kép Graphene thì ta có thể pha tạp hóa học vào lớp kép nguyên chất và dịch chuyển điểm trung hòa đến Vg cao để khe vùng năng lượng không đối xứng có thể mở bằng điện trường ngoài. Hình 28: Sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử Hình 29: Hiệu ứng Hall lượng tử đối với trường hợp pha tạp và không pha tạp Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 34 Hiệu ứng Hall lượng tử còn phụ thuộc vào nhiệt độ ta tiến hành khảo sát. Với những nhiệt độ khác nhau thì ta sẽ có hình dạng đồ thị giống nhau nhưng ứng với cùng một giá trị của điện dẫn xuất Hall thì cần một các giá trị của điện trường ngoài khác nhau. Nhưng tất cả sẽ đi qua điểm trung hòa điện (điểm ứng với 0xy  ). 3.3.8 Chuyển động của điện tử trong Graphene Graphene tổng hợp được có tính chất rất đặc biệt. Chuyển động của các electron rất nhanh, electron dường như không có khối lượng và chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng. Electron trong Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron trong silicon. Chuyển động của electron không tuân theo phương trình Schodinger mà tuân theo phương trình Dirac cho các hạt không có khối lượng như neutrino. Hạt này mang đầy đủ các tính chất của hạt Dirac. Hạt Dirac được mệnh danh là các hạt ma vì những biểu hiện kỳ dị của nó. Một trong nhưng cái ma quái là hạt Dirac có thể trong trường hợp nào đó sẽ dịch chuyển ngược chiều tác dụng của điện trường, ngược chiều tác dụng của lực. Đối với graphene, các nguyên tử dao động tại nhiệt độ phòng tạo ra một điện trở suất vào khoảng 1.0 microOhm-cm. Điện trở suất của graphene nhỏ hơn điện trở suất của đồng đến 35% và là điện trở suất thấp nhất được biết đến tại nhiệt độ phòng. Điều này được giải thích như sau: trong các mẫu graphene được chế tạo không được sạch đã làm tăng điện trở suất của graphene. Do đó điện trở suất trung bình của graphene không nhỏ bằng điện trở suất của đồng tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên graphene lại có rất ít electron so với đồng, do đó trong graphene dòng điện được vận chuyển bởi một số ít electron có vận tốc nhanh hơn nhiều lần so với các electron của đồng. Hình 30: Hiệu ứng Hall lượng tử phụ thuộc vào nhiệt độ Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 35 Đối với các vật liệu bán dẫn, tiêu chuẩn về tính linh động được sử dụng để xác định các electron chuyển động nhanh ở mức nào. Giới hạn tính linh động của electron trong graphene được xác định nhờ dao động nhiệt của nguyên tử và giá trị này vào khoảng 200.000 cm2/Vs tại nhiệt độ phòng. Trong khi ở silicon là 1.400 cm2/Vs, ở indium antimonide là 77.000 cm2/Vs. Electron của graphene có độ linh động cao nhất so với các chất bán dẫn thông thường. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng mặc dù giới hạn tính linh động của graphene ở nhiệt độ phòng cao ở mức 200.000 cm2/Vs, các mẫu vật hiện nay có tính linh động nhỏ hơn – vào khoảng 10.000 cm2/Vs và cần phải nỗ lực cải tiến rất nhiều. Do graphene có cấu tạo chỉ với một lớp nguyên tử, các mẫu vật hiện nay phải được đặt trong chất nền là silicon đioxit. Điện tích bị giữ trong chất nền silicon đioxit có thể ảnh hưởng đến các electron trong graphene làm giảm tính linh động. Dao động của các nguyên tử silicon đioxit bản thân chúng cũng đã có thể có ảnh hưởng đến graphene thậm chí còn lớn hơn ảnh hưởng từ dao động nguyên tử của chính nó. Nhưng vì các phonon trong bản thân graphene lại không hề có tác dụng trong việc phân tán electron, do đó hiệu quả này trở nên rất quan trọng trong graphene. 3.4 Phân loại Graphene 3.4.1 Graphene đơn Graphene là một mạng tinh thể hai chiều dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử cacbon 6 cạnh. Mỗi nguyên tử cacbon liên kết với các nguyên tử xung quanh bằng liên kết cộng hóa trị rất chặt Hình 32: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene đơn Hình 31: Cấu trúc tinh thể của Graphene Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 36 chẽ, tạo ra màng mỏng có cấu trúc 2D gồm các nguyên tử cacbon xếp theo các ô hình lục giác rất bền vững. Lá Graphene này chỉ dày 1 nguyên tử. Nó mang đặc tính của chất bán dẫn và kim loại. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của nó có độ rộng vùng cấm bằng 0. Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn trùng nhau như hình 33. Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cácbon, có độ lưu động của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano. Nhưng chúng có nhược điểm, đó là không có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Vì không có khe vùng nên màng đơn lớp Graphene không được xem là chất bán dẫn. Nếu có khe vùng, các nhà khoa học có thể chế tạo ra các transistor hiệu ứng trường bằng graphene rất hiệu quả. 3.4.2 Graphene kép 3.4.2.1 Cấu tạo Gồm 2 lá graphene đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích thước 2 lớp nguyên tử. Khi xếp 2 lớp Graphene chồng lên nhau sẽ xảy ra hai trường hợp: - Đối xứng: Các nguyên tử cacbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lượng như hình 34. - Không đối xứng: Các Hình 33: Cấu trúc vùng năng lượng của Graphene đơn Hình 34: Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene có cấu trúc đối xứng (hình màu xanh) Hình 35: cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép Graphene không đối xứng (hình màu xanh) Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 37 nguyên tử cacbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp. Cấu trúc vùng năng lượng như hình 35. Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng năng lượng. 3.4.2.2 Tính chất đặc biệt- độ rộng vùng cấm thay đổi. Graphene đơn lớp có độ lưu động của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ khiến cho nó là vật liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano. Nhưng nó có nhược điểm đó là không có khe vùng (tức độ rộng vùng cấm), làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Nhưng lớp kép Graphene khắc phục được nhược điểm này. Độ rộng khe năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng dẫn (độ rộng vùng cấm) có thể thay đổi một cách đơn giản bằng cách đặt một điện trường ngoài ở nhiệt độ phòng. Kết quả này do nhóm nghiên cứu của Antonio Castro (Đại học Boston, Hoa Kỳ) cùng với các đồng nghiệp ở Mỹ, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha và Anh quốc vừa đưa ra trên Physical Review Letters. Đây là loại vật liệu bán dẫn đầu tiên có độ rộng vùng cấm có thể thay đổi. Khe vùng này được kiểm soát một cách chính xác từ 0 tới 250 mili-electron vôn. Dưới tác dụng của điện trường ngoài tạo ra một sự chênh lệch các điện tử mang điện tích âm ở một lớp và các lỗ trống mang điện tích dương ở lớp còn lại. Các điện tử và lỗ trống này cặp đôi với nhau, tạo ra một chuẩn hạt, mà các hành vi của chúng khác hẳn so với từng hạt riêng lẻ. Một Hình 36: Hình ảnh hiển vi quang học của lớp Graphene kép Hình 37: Cấu trúc tinh thể của lớp kép Graphene Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 38 đặc tính riêng của các điện tử và lỗ trống trong graphene là chúng có thể di chuyển trong vật liệu giống như là chúng không có khối lượng nghỉ, hay nói cách khác chúng tạo cho vật liệu có độ dẫn rất tốt. Tuy nhiên, các chuẩn hạt thì lại có năng lượng nghỉ, khối lượng này dẫn đến việc tạo ra khe năng lượng mà chúng phải vượt qua trước khi dòng điện có thể truyền qua. Lớp graphene này được đính trên một phiến silicon đã được ôxi hóa và một hiệu điện thế ngoài được đặt vào giữa Si và một điện cực bên trên lớp graphene. Một từ trường ngoài cũng đã được đặt lên lớp đôi này, tạo cho các chuẩn hạt di chuyển trên quỹ đạo hình tròn, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng cyclotron. Chu kỳ cộng hưởng phụ thuộc vào khối lượng của chuẩn hạt. Khối lượng cyclotron (mc) này tăng khi hiệu điện thế ngoài tăng từ 0 đến 100 V, lúc này khe năng lượng cũng thay đổi từ 0 đến 150 meV. Xét một ô mạng hình lục giác đều gồm 6 nguyên tử Cacbon ở 6 đỉnh, theo mô hình điện tử liên kết mạnh trong mạng kép này thì electron chỉ được dịch chuyển sang vị trí bên cạnh gần nhất. Gọi a là khoảng cách giữa hai hạt như hình 38, t là năng lượng tương tác giữa hai hạt gần nhau nhất, t là năng lượng tương tác giữa hai cacbon giống nhau ở hai lớp (hình 37). Với 0 2, 46a A . Khi chưa đặt điện trường ngoài vào lớp kép Graphene ta thu được phổ năng lượng là đường đứt nét không bị lệch, cấu trúc điện tử gần điểm Dirac, độ rộng ke vùng bằng 0. Khi ta đặt điện trường ngoài Vg thì xuất hiện khe vùng có độ rộng là: 2 2 2 2 2 2 g g g e V t t e V      . Khi ta thay đổi Vg thì giá trị khe vùng này cũng thay đổi theo. Năng lượng Hình 39: Sự xuất hiện khe vùng khi có điện trường ngoài Hình 38: ô mạng Graphene Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 39 khe vùng không chỉ phụ thuộc vào Vg mà còn phụ thuộc vào n (mật độ hạt dẫn). Kết quả thu được như hình 40. Ứng với khe vùng bằng 0 thì cả ba đường đều cắt nhau tại điểm có mật độ quanh 23.1012 cm-2. Đường liền nét và đường chấm tròn tương ứng với giá trị của 0, 2t eV  và 0, 4t eV  . Kết hợp cả hai trường hợp, thay đổi cả điện trường ngoài và mật độ hạt dẫn ta thu được đồ thị phụ thuộc của độ rộng khe vùng như hình 41. Độ rộng khe vùng là hàm của n (mật độ hạt dẫn) và Vg. Đường liền nét và đường đứt nét tương ứng với lớp kép đã được lọc và không lọc tạp chất. Đường xanh thẳng ứng với trường hợp khe vùng rất bé so với khoảng cách hai lớp kép g t  . Người ta dự đoán rằng g t khi điện áp rất lớn. Với lớp kép Graphene pha tạp Kali, ta đặt điện trường ngoài vào, khi thay đổi mật độ hạt dẫn thì độ rộng khe vùng cũng thay đổi theo. Khi tăng nồng độ hạt pha tạp lên thì độ rộng khe vùng giảm dần đến vị trí khe vùng bằng không, ta tiếp tục tăng nồng độ pha tạp lên thì độ rộng Hình 40: Sự phụ thuộc của độ rộng khe vùng vào mật độ hạt Hình 41: Độ rộng khe vùng phụ thuộc vào điện trường ngoài và mật độ hạt dẫn Hình 42: Tiến trình đóng mở khe vùng năng lượng của lớp kép Graphene khi pha tạp Kali Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 40 khe vùng lại tăng lên. Sự đóng mở khe vùng là một tính chất rất đặc biệt của chất bán dẫn này. Việc tạo ra và xác định khe vùng ở graphene lớp kép rất khó khăn. Muốn thực hiện được thành công thì phải làm được hai việc sau: trước tiên là xây dựng một thiết bị lớp kép hai cổng, cho phép điều chỉnh một cách độc lập khe vùng điện tử và kích thích sự tích điện. Thiết bị này là một transistor hiệu ứng trường cổng đôi điều khiển dòng electron từ một nguồn tới một ống dẫn bằng các điện trường được hình thành bởi các điện cực cổng. Thứ hai là đo khe vùng bằng việc truyền quang học, truyền một chùm tia xincrotron mạnh, được hội tụ trên các lớp graphene, xuyên qua thiết bị. Khi điều chỉnh các điện trường bằng cách làm thay đổi một cách chính xác điện áp của các điện cực cổng, thì có thể đo được các mức biến thiên ở ánh sáng bị hấp thụ bởi các lớp graphene cổng. Sự hấp thụ cao nhất ở mỗi một quang phổ sẽ đưa ra một phương thức đo trực tiếp khe vùng ở mỗi một điện áp cổng. Các kết quả đo thu được cho thấy bằng cách điều khiển độc lập điện áp ở hai cổng có thể điều khiển hai thông số quan trọng, kích thước của khe vùng và mức độ kích thích graphene lớp kép. Về cơ bản đã tạo ra một chất bán dẫn ảo. Ở các chất bán dẫn thông thường, độ rộng vùng cấm là có hạn, và được cố định bởi cấu trúc tinh thể của vật liệu. Tuy nhiên, ở graphene lớp kép, khe vùng có thể thay đổi được và có thể được điều khiển bằng một điện trường. Mặc dù một graphene lớp kép nguyên gốc có khe vùng bằng không và dẫn điện như kim loại, nhưng graphene lớp kép cổng có thể có khe vùng lớn tới 250 mili-electron vôn. Vật liệu bán dẫn này có thể được sử dụng để tạo ra các transistor, laser và các linh kiện khác với tính chất có thể điều chỉnh cực kỳ dễ dàng, hơn rất nhiều so với các vật liệu bán dẫn như Si. Một chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm điều chỉnh được bằng một hiệu điện thế từ bên ngoài có thể dẫn tới việc Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 41 tạo ra một loạt các linh kiện điện tử kiểu mới, hay đáng kể nhất là các laser có bước sóng có thể điều chỉnh với một độ chính xác tuyệt vời. Chất bán dẫn graphene này có thể được sử dụng để tạo ra một loại transistor mới, hay các loại laser và các cảm biến phân tử mà ở đó cần sử dụng sự thay đổi độ rộng vùng cấm để điều chỉnh tính chất. Thuộc tính này khi được kết hợp với graphene có kích thước nhỏ, độ bền cơ học cao, độ dẫn điện, dẫn nhiệt rất tốt đã khiến cho nó trở nên hết sức hấp dẫn để thay thế các chất bán dẫn kinh điển như Si. 3.4.3 Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm các lớp graphene xếp chồng lên nhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập về mặt điện tử học. Quan sát hình 43 ta có thể thấy ba “hình nón” từ ba lớp graphene trong mẫu MEG. Người ta nuôi các lớp graphene từ một chất nền silicon carbide theo kiểu sao cho mỗi lớp quay đi 30 độ so với lớp bên dưới. MEG này khác với graphite ở chỗ mỗi lớp quay đi 60 độ so với lớp bên dưới. Thực hiện tán xạ tia X và quang phổ quang phát xạ phân giải góc (ARPES) trên một mẫu MEG với 11 lớp graphene để đo cấu trúc điện tử của nó. Thì năng lượng electron trong một phần nhất định của cấu trúc dải tỉ lệ với động lượng của nó, vậy các electron giống như các hạt không có khối lượng. Cấu trúc dải tuyến tính hoàn hảo này, gọi là hình nón Dirac, chưa từng được đo rõ ràng như vậy trước đây trên các mẫu graphene khác. Sử dụng ARPES thì không có sự biến dạng của hình nón Đirac, nên có kết luận Hình 44: Graphene xếp tầng trên bề mặt một chất nền silicone carbide được chụp với kính hiển vi lực nguyên tử Hình 43: Cấu trúc dải của một mẫu graphene mọc ghép đa lớp Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 42 không có sự ghép cặp electron với các lớp khác trong mẫu và do đó mỗi lớp là cách li về mặt điện tử. 3.5 Ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn Graphene 3.5.1 Ưu điểm của chất bán dẫn Graphene - Graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện tại lên mức 500 đến 1000 Ghz. - Nó có nhiều tính chất ưu việt hơn các chất khác. - Graphene có nhiều ưu điểm hơn silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần, và điều quan trọng là những transistor tạo ra từ Graphene sẽ có thể hoạt động tại nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử. Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa ở gigahertz, cố gắng có thể vượt tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa - hiện nay, đến mức độ gigahertz thì silicon không thể tăng thêm được, nhưng với graphene, tốc độ có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz. - Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn vì 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. - Cấu trúc và sự gắn kết của graphene giúp cho nó bền vững và trong suốt như kim cương nhưng cũng có thể tạo ra điện – điều mà kim cương không thể làm được. Chất liệu này thật lý tưởng cho các thiết bị điện. - Graphene có nhiều tính chất hấp dẫn các nhà vật lý hơn ống nano cách đây 1 thập niên, nhưng nó dễ làm và dễ thao tác hơn, đem lại nhiều hy vọng có thể chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế. Các nhà vật lý đã làm transistor bên ngoài graphene và dùng khảo sát hiện tượng lượng tử trống ở nhiệt độ phòng. 3.5.2 Nhược điểm của chất bán dẫn Graphene - Sản xuất những màng graphene rất khó khăn và đắt đỏ. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 43 - Do khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng graphene trong cuộc sống hàng ngày vẫn còn hạn chế. - Các nhà vật lý cũng cho biết khả năng nghiên cứu các tính chất điện động lượng tử của graphene là rất sáng sủa. Tuy nhiên, những tiến bộ dường như bị giới hạn bởi chất lượng điện tử không đủ trong các cấu trúc graphene nhân tạo. Ngoài ra, chất nền của graphene và môi trường xung quanh có xu hướng huỷ hoại tính chất điện tử của các mẫu graphene. 3.6 Các phương pháp chế tạo Graphene Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhưng rất khó khăn và chi phí cao. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra phương pháp chế tạo Graphene đơn giản, ít tốn kém, có thể tạo ra trên diện tích lớn và có thể đưa vào sản xuất hàng loạt trong công nghiệp. Trong tiểu luận này tôi chỉ trình bày sơ lược một số phương pháp được các nhà khoa học dùng để tạo ra Graphene từ khi nó mới được khám phá cho đến những phương pháp mới nhất hiện nay. 3.6.1 Phương pháp chemical exfoliation Trước khi tìm ra graphene, các nhà khoa học đã nhiều lần thất bại khi cố tách những miếng mỏng graphene từ graphite. Ban đầu, người ta dùng một thủ thuật hóa học gọi là chemical exfoliation – tức là chèn nhiều phân tử hóa học vào giữa những phiến graphene để tách nó ra. Tuy nhiên cái mà họ có được chỉ là những mảng như nhọ nồi. Từ đó không ai dùng kĩ thuật này để lấy graphene nữa. 3.6.2 Phương pháp micromechanical cleavage Sau khi thất bại với phương pháp chemical exfoliation các nhà khoa học đã áp dụng một kĩ thuật trực tiếp hơn, gọi là micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành những miếng mỏng bằng cách nạo hoặc chà graphite vào một mặt phẳng khác, từ đó có thể gỡ những miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử. Bằng cách này thì năm 1990, các nhà vật lý người Đức Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 44 ở RWTH Aachen Univrsity đã lấy được những miếng graphite mỏng đến độ trong suốt. Khoảng 10 năm sau đó, 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. 3.6.3 Phương pháp băng keo Scotch Graphene được nhóm của giáo sư Geim tổng hợp từ graphite năm 2004. Việc khám phá ra cách chế tạo graphene là câu chuyện hy hữu trong lịch sử khoa học, bởi nó xuất phát từ một cuộn băng keo. Tiến sĩ Geim đặt mảnh graphite lên một miếng băng keo đặc biệt, dán hai đầu lại với nhau, rồi mở băng keo ra... Cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphite trở nên thật mỏng. Qua đó, mảnh graphite được tách ra từng lớp một, ngày càng mỏng, sau đó người ta hòa chúng vào acetone. Trong hỗn hợp thu được có cả những đơn lớp cacbon chỉ dày 1 nguyên tử. Một miếng graphite dày 1 nguyên tử thì không thể nhìn thấy được, nhưng tiến sĩ Geim thấy được rằng 1 miếng graphite tạo ra 1 cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ. Đến nay, quan sát bằng kính hiển vi, qua màu sắc, các nhà nghiên cứu có thể biết được độ dày của miếng graphite. 3.6.4 Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu là Rodney Ruoff, giáo sư về kỹ thuật nano hiện ở Đại học Northwestern, báo cáo rằng ông có thể ma sát các cột graphite nhỏ bé lên bề mặt silicon xốp, khiến chúng trải dài như một chồng bài. Ông đề nghị kỹ thuật này có thể sản sinh ra graphene đơn lớp, nhưng ông không thể xác định bề dày các lớp. Philip Kim, một giáo sư vật lý ở Columbia, cũng đạt được kết quả tương tự khi làm “viết chì nano”, gắn 1 tinh thể graphite lên đỉnh của kính hiển vi lực nguyên tử và di chuyển nó theo bề mặt. Ông cũng tìm ra cách tách graphite thành từng mảnh nhỏ. Nhưng các Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 45 mảnh đó, mỏng khoảng 5 phần tỷ của 1 mét, tuy vậy, có thể bao gồm ít nhất 10 lớp nguyên tử. 3.6.5 Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi Giáo sư Dario Alfc và TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Trái đất, Đại học London, là những người đang cố gắng tìm hiểu và mô tả cơ chế hình thành graphene trong một phương pháp sản xuất đặc biệt. Đó là cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi (Ir) được làm nóng trong khoảng từ 300C đến 10000C. Khi tiếp xúc với bề mặt này, những phân tử hydrocacbon giải phóng các nguyên tử H, chỉ còn những nguyên tử C bám vào bề mặt Ir và tập trung ở đó thành những kết cấu nano. Những kết cấu nano này phát triển thành mảng graphene hoàn chỉnh. Giáo sư Alfc cho biết phương pháp phát triển graphene được nhiều người biết đến tuy nhiên vẫn chưa giải thích được cơ chế thực hiện từ một bề mặt bao phủ cacbon đến một mảng graphene. 3.6.6 Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn Đó là việc liên kết từng miếng nhỏ trên 1 mặt phẳng để tạo thành 1 dải có dạng như 1 cuộn phim. Cái đó không gọi là tổng hợp mà chỉ là cắt tấm graphene ra thành từng mảnh rồi ráp chúng lại mà thôi. Cách làm là đưa chất xúc tác vào để diện tích lớp màng graphene có thể nở rộng. Công nghệ này đáp ứng được cả 2 tiêu chí dẫn điện tốt và an toàn mà các phương pháp khác hiện nay chưa đảm bảo được. 3.6.7 Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm. Trong phương pháp này, graphite thương mại (đã được acid hoá bằng HNO3 và H2SO4) được tách lớp ở 10000C bằng hỗn hợp khí Ar+3%H3. Sản phẩm được phân tán trong dung dịch 1,2-dichloroethane + poly(m- phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách các lớp graphene. Cuối cùng là ly tâm để thu sản phẩm. 3.6.8 Phương pháp bóc tách Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 46 Hiện nay phương pháp bóc tách là phương pháp đơn giản sản xuất những mẩu graphene tương đối lớn. Phương này do Abhay Shukla và các cộng sự ở trường Đại học Pierre và Marie ở Paris đề xuất. Nhóm nghiên cứu vừa chứng minh được rằng khối graphite có thể gắn kết lên trên thủy tinh borosilicate và rồi tách ra để lại một lớp graphene trên chất nền đó. Phương pháp “bóc tách” thông dụng nhất dùng để sản xuất graphene chỉ có ích trong việc tạo ra những nguyên mẫu dụng cụ cỡ nhỏ, nhưng phương pháp mới khiến cho có thể áp dụng cách thức này ở một quy mô lớn hơn trong khi vẫn giữ được chất lượng cao của mẫu. 3.6.9 Gắn kết dương cực trên nền thủy tinh Gắn kết dương cực là gắn dính một chất dẫn hoặc chất bán dẫn lên trên một chất nền thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ sự dẫn ion của chất nền. Điều này có nghĩa là không cần đến chất kết dính nào cả. Phương pháp đó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để gắn kết các bánh xốp silicon với thủy tinh. Kĩ thuật này chưa từng được thử nghiệm trên các chất nền phân lớp, kiểu như graphene, vì chúng không bám dính mà bị tách ra. Chỉ có lớp đầu tiên hoặc vài ba lớp nguyên tử đầu tiên gắn kết với chất nền, còn khối chất có thể bóc tách ra. Vì các mẩu được gắn kết với một chất nền thủy tinh rắn chắc, cho nên cách này tạo ra được các mẩu diện tích bề mặt lớn hơn có chất lượng cao theo kiểu hiệu quả và đơn giản. Phương pháp cũng có thể sử dụng cho các chất phân lớp khác. Từ trước đến nay, các nhà nghiên cứu đã sản xuất được các mẩu kích cỡ milimét, nhưng họ nói họ có thể cải thiện tỉ lệ này. Hình 45: Từ trước vào: Adrian Balan, Rakesh Kumar, Abhay Shukla. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 47 3.6.10 Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash Khi chiếu một camera flash vào graphite oxit đủ để tạo ra graphene. Quá trình này còn có thể sử dụng để những khuôn graphene phức tạp có thể tích hợp vào các mạch điện tử gốc cacbon nhanh và linh hoạt. Một sự bùng phát ngắn ngủi của ánh sáng có thể thực hiện phản ứng trong một mili giây. Điều then chốt đối với tiến trình là hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối một xung năng lượng biến đổi thành nhiệt trong graphite oxit. Xung năng lượng phát ra từ camera flash này gây cảm ứng một “vụ nổ nano” trong màng graphite-oxit. Sự biến đổi xảy ra nhanh đến mức màng chất phồng lên và giãn ra đến hai bậc độ lớn. Các tấm graphite oxit xám, trong suốt, bị đen đi và nở ra, đi cùng là một tiếng bốp to. Vật liệu màu đen thu được– nó thủng kiểu tổ ong và chỉ là một phần khối lượng riêng của graphite. Phân tích thêm cho thấy vật liệu đó cấu thành từ các tấm graphene mất trật tự và các giá cách đều với nhau. Có thể thêm các hạt nano plastic vào khối graphite oxit đó, sao cho khi hỗn hợp bị chiếu ánh sáng flash, thì các hạt của nó hợp nhất với nhau kiểu như các giọt chất lỏng, khóa miếng graphene thành một vật liệu composite dai. Vì quá trình sản xuất sạch, nhanh và đơn giản, nên việc sản xuất graphene ở quy mô công nghiệp qua quá trình này là có thể. Một thách thức hiện tồn tại là gắn graphene lên trên các bề mặt silicon hoặc thủy tinh cho thiết kế vi mạch. Người ta cũng có thể sử dụng graphite oxit cách điện để chế tạo mạch điện sau đó biến đổi nó thành graphene dẫn điện với một lóe sáng đèn flash. Ngoài ra, các mặt nạ cản sáng có thể được sử dụng để tạo ra những khuôn mẫu graphene phức tạp. Để phát triển nghiên cứu này, các nhà khoa học đang có kế hoạch sử dụng quá trình trên chế tạo một mạch điện cấp độ nano, nhưng tiến trình không đơn giản khi nó có liên quan đến những lượng nhỏ vật liệu vì nhiệt phát sinh bởi xung sáng có thể tiêu tan quá nhanh để kích ngòi cho một phản ứng. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 48 3.7 Ứng dụng Graphene 3.7.1 Dây dẫn và điện cực trong suốt Các nhà nghiên cứu của trường Đại học California, Mỹ, đã phát triển một phương pháp mới sản xuất ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. Các ống ghép nano cacbon-graphene này sẽ là vật liệu thay thế rẻ hơn và mềm dẻo hơn nhiều so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử dẻo khác. Dây dẫn trong suốt là một bộ phận tích hợp của rất nhiều thiết bị điện tử, bao gồm tivi màn hình phẳng, màn hình plasma và các màn hình cảm ứng cũng như pin mặt trời. Vật liệu chuẩn để sản xuất các dây dẫn trong suốt là oxit thiếc Indi nhưng oxit thiếc Indi lại có rất nhiều hạn chế, chúng rất đắt tiền vừa do chi phí sản xuất lẫn mức độ khan hiếm Indi, đồng thời oxit thiếc Indi cứng và dễ vỡ. Ống ghép nano cacbon-graphene là một loại vật liệu thay thế cho oxit thiếc Indi có hiệu suất cao lý tưởng trong các thiết bị điện tử có các linh kiện rời. Graphene là chất dẫn điện tuyệt vời và ống nano cacbon là những ứng cử viên lý tưởng đối với các dây dẫn điện trong suốt vì chúng có thể dẫn điện trong khi đòi hỏi rất ít vật liệu. Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu này rất đơn giản, rẻ tiền và tương thích với các thiết bị mềm dẻo. Ống ghép nano cacbon-graphene được sản xuất theo phương pháp này đạt được hiệu suất có thể sánh được với các oxit thiếc Indi hiện đang được sử dụng trong các thiết bị mềm dẻo. Ống ghép nano cacbon-graphene cũng là ứng cử viên lý tưởng cho các điện cực trong pin mặt trời polyme. Một trong những tiện ích của pin mặt trời bằng polyme là polyme rất mềm dẻo. Nhưng khi thay thế cho oxit thiếc Indi thường bị mất hiệu suất theo độ dẻo nên không được sử dụng. Ống ghép nano Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 49 cacbon-graphene vẫn duy trì được hiệu suất khi bị uốn cong và cũng có thể tương thích với chất dẻo. Tiềm năng của ống ghép nano cacbon-graphene không chỉ giới hạn trong những cải tiến sắp xếp linh kiện mà với các nghiên cứu sâu hơn, ống ghép nano cacbon-graphene có tiềm năng tạo ra các khối kết cấu cho các linh kiện điện tử quang học trong tương lai 3.7.2 FET graphene Transistor hiệu ứng trường (FET) được chế tạo bằng cách làm nóng một bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo ra một lớp mặt gồm những nguyên tử cacbon ở dạng graphene. Các cực phát và thu song song được cho lắng lên trên graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng. Tiếp theo, cho lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một lớp poly- hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường được cho lắng lên, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại. Chiều dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa hiệu suất của dụng cụ. Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao hơn MOSFET silicon tốt nhất có cùng chiều dài cổng (tần số ngưỡng là tần số mà trên đó một transistor sẽ chịu sự suy giảm đáng kể hiệu suất của nó). Không giống như đa số FET graphene khác, chế tạo từ những giàn graphene, dụng cụ này được chế tạo bằng những kĩ thuật sử dụng trong công nghiệp chất bán dẫn. Tuy nhiên, một thiếu sót của những dụng cụ graphene là chúng không thể sử Hình 46: Giản đồ FET graphene của IBM: dụng cụ mọc trên một chất nền silicon carbide (khối màu đen) và bao gồm các điện cực phát và thu (bằng vàng), graphene (mạng lưới màu đen), lớp cách điện (màu xanh lá) và các điện cực cổng (bằng bạc) Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 50 dụng trong các mạch kĩ thuật số. Đây là vì graphene có khe năng lượng bằng 0 giữa các electron dẫn và electron hóa trị của nó – và chính “dải khe” này cho phép các chất bán dẫn truyền thống chuyển mạch dòng điện từ ngắt sang đóng. Các nhà nghiên cứu IBM hiện có kế hoạch thu nhỏ transistor của họ, cải thiện độ tinh khiết của graphene và tối ưu hóa kiến trúc của dụng cụ, và còn đang khảo sát các phương thức tạo ra một dải khe ở transistor graphene để cho nó có thể dùng trong những ứng dụng kĩ thuật số. 3.7.3 Chíp máy tính Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới- có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene. Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt độ trong phòng - giống như yêu cầu đối với các thiết bị điện tử hiện đại khác. Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn được chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ. Chiếc bóng bán dẫn đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim). Ngành kinh doanh chất bán dẫn hiện nay đang được tiến hành trên cơ sở chắc chắn loại bỏ được những chip siêu nhỏ làm từ nguyên liệu silicon mỏng manh. Với con chip làm bằng công nghệ Graphene khắc phục được điều này. Các nhà khoa học dự đoán Graphene sẽ là vật liệu thay thế Silicon trong Hình 47: Tiến sỹ Leonid Ponomarenko giới thiệu một thiết bị với chiếc bóng bán dẫn nhúng bên trong Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 51 ngành công nghiệp điện tử. Ngoài ra Palacios cùng trợ lí giáo sư Jing Kong và 2 sinh viên khác là Han Wang và Daniel Nezich đã chế tạo một loại chip thử nghiệm làm từ Graphene có khả năng khuếch đại tín hiệu điện tử. Theo các nhà khoa học công nghệ khuếch đại tín hiệu điện tử đang được sử dụng hiện nay thường tạo ra tín hiệu nhiễu và đòi hỏi phải có bộ lọc mạnh và tiêu tốn năng lượng. Còn loại chip Graphene chỉ sử dụng một transitor và nguồn ra hoàn toàn sạch và không cần bộ lọc. Thời gian đầu, một nhóm nghiên cứu được lãnh đạo bởi Hongjie Dai, J. G. Jackson và Giáo sư Hoá học C. J. Wood, đã chế tạo được những transitor được gọi là "transitor hiệu ứng trường"- một thành phần quan trọng để cấu thành các con chip- cùng với graphene thì có thể hoạt động trong nhiệt độ phòng. Transitor hiệu ứng trường (ta đã nghiên cứu ở trên) là một chìa khoá cốt lõi của các con chip máy tính, hoạt động giống như người chuyên chở dữ liệu từ một địa điểm khác. Họ có một kênh bán dẫn được kẹp vào giữa hai điện cực kim loại. Trong hình dạng của một trường điện, một bản đỡ kim loại có thể rút ra hai vật đỡ cực âm và cực dương bên trong và bên ngoài của một bán dẫn. Nó cho phép dòng điện hoặc được chạy qua hoặc bị chặn lại, bằng cách đóng mở và mở thiết bị điều khiển, bằng cách đó mà điều chỉnh cho đúng đường đi của dữ liệu. 3.7.4 Màn hình ti vi cảm ứng Hiện tại, hầu hết màn hình cảm ứng đều dựa trên lớp màng mỏng oxit thiếc Indi. Tuy nhiên indium là một nguyên tố rất hiếm có và một số nhà nghiên cứu đã tính toán rằng nguồn cung cấp indium của thế giới có thể bị cạn kiệt trong vòng 10 năm nữa. Nếu các nhà khoa học không chế tạo ra một chất liệu thay thế cho indium thì màn hình cảm ứng có thể sẽ đối mặt với một tương lai khắc nghiệt hơn nữa. Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng Graphene. Một ngày nào đó màn hình này có Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 52 thể được ứng dụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi. Để tạo ra các màn hình tinh thể lỏng bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy các mảnh graphite thành graphene, và phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặt thủy tinh. Khi bề mặt hòa tan được sấy khô, các nhà nghiên cứu đã lựa ra những mảnh nhỏ và sử dụng chúng như các cực điện cho màn hình tinh thể lỏng nhỏ. Màn hình tinh thể lỏng này rất nhỏ bé, chỉ bằng một độ phân giải pixel và kích cỡ khoảng bằng 1 micromet. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, nếu như con số này được nâng cấp thì độ phân giải sẽ gần giống như màn hình điện thoại di động. Khó khăn gặp phải là khó chế tạo ra một lượng lớn vật liệu graphene chất lượng cao và khó điều khiển được cấu trúc bề mặt. 3.7.5 Chất phụ gia trong dung dịch khoan Các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động của graphene trong nước để bít kín các lỗ rỗng và phát triển vấn đề này nhằm tạo ra được những công thức dung dịch khoan thích hợp có chứa graphene. Khi hiểu biết được hoạt động của graphene trong nước, tìm hiểu thêm về khả năng nút kín của graphene có thể chịu ảnh hưởng như thế nào bởi sự có mặt của bất cứ hợp chất nào trong dung dịch khoan thì ta có thể tạo ra dung dịch khoan tối ưu hơn. Hiệu quả bít nhét kín chính là cơ sở để ứng dụng trong dung dịch khoan. Các dung dịch gốc dầu hoặc gốc nước thông thường được bơm xuống giếng khoan qua cột cần khoan để làm sạch choòng khoan và đưa mùn khoan theo dòng chất lưu di chuyển ngược lên trên bề mặt. Các loại dung dịch khoan này, có chứa rất nhiều phụ gia hoá học, lại không thể bịt kín các lỗ rỗng trong vỉa theo đó dầu có thể chảy qua. Tổ hợp của graphene hoà tan trong dầu và oxit graphene hoà tan trong nước, với kích thước nano được sử dụng bít kín, được cho thêm vào dung dịch khoan. Các hạt này dưới áp suất riêng của chất lưu sẽ nhanh chóng tạo thành Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 53 một lớp màng thấm lọc mỏng trên thành giếng khoan. Khi dung dịch khoan được thoát lên khi bộ bộ dụng cụ quay, áp suất của vỉa sẽ ép lớp lọc graphene qua các lỗ rỗng và chảy vào trong giếng khoan, cho phép việc khai thác hydrocabon diễn ra bình thường. Khi giảm áp lực thuỷ tĩnh trong giếng và kéo choòng khoan ra khỏi giếng khoan, áp suất trong đất đá sẽ lớn hơn rất nhiều so với áp suất trong lỗ khoan, áp suất này phá vỡ lớp thấm lọc và dầu chảy vào trong giếng. Trong tương lai sẽ tập trung vào việc sử dụng graphene để hoàn thiện dung dịch khoan và các sản phẩm khoan khác. Trong vài năm tới công nghệ nano sẽ được ứng dụng rộng rãi trong việc điều chế các loai dung dịch để khoan trong các điều kiện địa chất phức tạp các giếng khoan dầu khí. Hiện nay, Trường đại học Rice và M-I SWACO - công ty dung dịch khoan hàng đầu thế giới, đã ký thoả thuận nghiên cứu sử dụng những tiến bộ của công nghệ nano để nâng cao lưu lượng các giếng khoan. Mục tiêu của dự án là nghiên cứu bổ sung chất phụ gia graphene có kích thước nano vào dung dịch khoan để ngăn ngừa những phức tạp trong quá trình khoan. 3.7.6 Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Các nhà vật lý Mỹ vừa khẳng định họ đã sử dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát một đơn nguyên tử Hydro, một nguyên tử rất nhẹ. Bước đột phá này được tạo ra bằng cách đưa nguyên tử trên một tấm graphene. Ta có thể nhìn thấy các chuỗi hydrocacbon di động trên bề mặt tấm graphene, và giả thiết rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để nghiên cứu các quá trình động học trong các phân tử sinh học. Hình 48: Hình ảnh đơn nguyên tử Hydro Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 54 Kính hiển vi điện tử truyền qua được dùng để quan sát các nguyên tử riêng biệt, nhưng mới chỉ có thể sử dụng để ghi ảnh các nguyên tử nặng. Một nguyên nhân là TEM tạo ảnh bằng cách chiếu một chùm điện tử hẹp qua mẫu vật và đo góc lệch của điện tử bị lệch đi khi qua qua các nguyên tử. Các nguyên tử nhẹ (ví dụ như Hydro, Helium…) thì lệch ít hơn rất nhiều so với các nguyên tử nặng, có nghĩa là việc ghi ảnh rất khó khăn. Mẫu vật sử dụng trong TEM cần phải được đặt trên một đế cần phải đủ bền để không bị phá hủy bởi chùm điện tử có năng lượng cao nhưng lại phải đủ mỏng để cho hầu hết các điện tử truyền qua. Các màng mỏng kim loại hoặc bán dẫn thường được dùng làm đế nhưng lại rất nặng so với các nguyên tử đơn nhất và lại chứa nhiều nguyên tử nặng hơn nhiều so với cacbon và hydro. Do đó, tán xạ từ đế thường có xu hướng che mất các tín hiệu (vốn rất yếu) từ các nguyên tử nhẹ. Để khắc phục vấn đề này người ta sử dụng graphene. Ý tưởng này được đưa ra khi các nhà khoa học sử dụng TEM để nghiên cứu các sai hỏng trong graphene. Trong khi quan sát các nhà khoa học phát hiện ra rằng họ có thể phân biệt các nguyên tử cacbon và hydrogen riêng biệt cũng như là các chuỗi hydrocacbon – là các nhiễm bẩn Hình 49: Ảnh chụp các nguyên tử riêng biệt ở độ phóng đại siêu cao a) Nguyên tử cacbon (chấm đen được chỉ mũi tên), b) phân bố cường độ ảnh, c) mô hình nguyên tử; d) nguyên tử hydro. Thang chia độ dài là 2 nm Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 55 trên bề mặt của graphene. Đặc tính chủ yếu của kỹ thuật là các nguyên tử cacbon trong mạng graphene là không thể nhìn thấy với TEM cho dù là kỹ thuật này có thể nhìn thấy một cách rõ ràng nguyên tử cacbon riêng lẻ trên bề mặt graphene. Các nguyên tử cacbon được xếp trong những sự sắp xếp thông thường với một khoảng cách không thể phân tích trong kính hiển vi, do đó, tấm cacbon cung cấp một nền đồng đều mà ta vẫn cho là không có cấu trúc nào trên nó. Cùng với việc nhìn thấy các nguyên tử riêng biệt, ta có thể quan sát thấy việc chùm điện tử tạo ra một lỗ thụ động trên đế graphene. Thậm chí có thể quan sát thấy một lỗ đang được sửa chữa khi mà graphene hấp thụ các nguyên tử cacbon từ môi trường xung quanh. Graphene là một đế cực tốt cho các mẫu TEM vì nó có một ảnh hưởng tối thiểu trong quá trình ghi ảnh. Một lớp graphene đơn nhất có thể giúp cho việc tăng độ nhạy ghi ảnh. Tuy nhiên, đối với việc quan sát đơn nguyên tử chỉ có thể sử dụng một cách hạn chế bởi vì quá khó để tiến hành và lại dễ dẫn đến việc hiểu sai các thông tin. Hình 50: Ảnh chụp đế graphene ở độ phóng đại nhỏ (thang chia độ dài trên mỗi bức ảnh là 1 mm và 10 nm), đế được xử lý ở mức độ siêu sạch và hầu như không đạt độ tương phản nào với đế. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 56 KẾT LUẬN Với cấu trúc một màng mỏng có bề dày một nguyên tử, Graphene có nhiều tính chất gây bất ngờ và thú vị. Graphene mở ra một tiềm năng nghiên cứu khoa học mới trong thang vi mô. Cấu tạo của Graphene rất đơn giản nhưng để tạo ra được nó thì không đơn giản chút nào. Với lớp Graphene đơn lớp không có khe vùng năng lượng nên nó gây trở ngại cho việc ứng dụng nó vào thực tiễn. Tuy nhiên lớp kép Graphene lại có tính chất rất đặc biệt là độ rộng vùng cấm có thể thay đổi bằng điện trường ngoài. Trước kia các nhà khoa học cho rằng độ rộng vùng cấm chất bán dẫn cố định, không thể thay đổi được. Nhưng với tính chất đặc biệt của lớp kép Graphene mở ra một tầm nhìn mới và hướng nghiên cứu mới cho vật lý bán dẫn. Graphene mới đạt được nhiều thành tựu gần đây nhất năm 2009 nên khoa học công nghệ thế giới đang vạch ra những ứng dụng trong tương lai và đang nghiên cứu để biến nó thành hiện thực. Đặc biệt công nghệ điện tử đang tiến đến những giới hạn cuối cùng của kích thước các thiết bị điện tử. Silic là chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ điện tử, nhưng nó không thể tạo ra các thiết bị nhỏ hơn nữa. Chất bán dẫn Graphene ra đời mở ra hy vọng mới cho ngành công nghệ điện tử để thay thế cho Silic. Công nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hoàn toàn tương tự như công nghệ dùng silicon nhưng để đến được sự xuất hiện của graphene trong vi mạch điện tử phải mất nhiều năm nữa. Đề tài: Chất bán dẫn Graphene GVHD: Trương Minh Đức SVTH: Lê Thị Bích Liên 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Đình, Bài giảng Vật lý chất rắn và bán dẫn, Đại học sư phạm huế (1999). 2. Trương Minh Đức, Giáo trình Vật lý chất rắn, Đại học sư phạm huế (2010). 3. Nguyễn Ngọc Long, Vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007). 4. Đào Trần Cao, Cơ sở vật lý chất rắn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2007). 5. Nguyễn Quang Báu, Lý thuyết bán dẫn, NXB Đại học quốc gia Hà Nội (2004). 6. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ, tập 2, NXB Giáo Dục (2005). 7. Nguyễn Hữu Đình, Đỗ Đình Rãng, Hóa học hữu cơ, NXB Giáo Dục Việt Nam (2009). 8. Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất bản trẻ (2008). 9. Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình, Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản giáo dục (1992). 10. Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học và công nghệ hiện đại, Nhà xuất bản giáo dục (2003). 11. Mạng Internet