Graphene - Giải Nobel Vật lí 2010

1


Graphene


1. Một họ vật liệu mới
Trong thời gian gần đây, các chất liệu kết tinh hai chiều (2D) đã được nhận dạng và phân
tích
1
. Chất liệu đầu tiên thuộc họ hàng mới này là graphene, một lớp đơn nguyên tử của carbon.
Chất liệu mới này có một số tính chất độc nhất vô nhị, khiến nó thật hấp dẫn cho các nghiên cứu cơ
bản lẫn các ứng dụng trong tương lai.
Các tính chất điện tử của chất liệu 2D này dẫn tới, chẳng hạn, một hiệu ứng Hall lượng tử dị
thường
2,3
. Nó là một chất dẫn điện trong suốt
4
mỏng một nguyên tử. Nó cũng gây phát sinh những
cái tương tự với vật lí hạt cơ bản, bao gồm một kiểu chui hầm kì lạ
5,6
mà nhà vật lí người Thụy Điễn
Oscar Klein đã tiên đoán trước đây.
7
Ngoài ra, graphene còn có một số tính chất cơ và điện nổi bật. Về cơ bản, nó cứng hơn thép
và rất dễ kéo căng. Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt thì rất cao và nó có thể dùng làm một chất dẫn dẻo.
Giải Nobel Vật lí 2010 vinh danh hai nhà khoa học đã có những đóng góp có tính quyết định
cho sự phát triển này. Họ là Andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov, cả hai đều đang làm việc
tại trường Đại học Manchester, Anh quốc. Họ đã thành công trong việc chế tạo, tinh lọc, nhận dạng
và mô tả đặc trưng graphene.

1
2. Những dạng khác nhau của carbon
Người ta có thể cho rằng carbon là nguyên tố thú vị nhất trong bảng tuần hoàn hóa học. Nó
là cơ sở cho ADN và mọi dạng sống trên Trái đất. Carbon có thể tồn tại ở một vài dạng khác nhau.
Dạng phổ biến nhất của carbon là graphite, gồm những tấm carbon xếp chồng lên với nhau với cấu
trúc hình lục giác. Dưới áp suất cao thì kim cương hình thành, đó là một dạng siêu bền của carbon.
Một dạng mới của carbon phân tử là cái gọi là fullerene
8
. Dạng thông dụng nhất, gọi là C60,
gồm 60 nguyên tử carbon và trông tựa như một quả bóng đá cấu tạo từ 20 hình lục giác và 12 hình
ngũ giác cho phép bề mặt đó tạo thành một quả cầu. Khám phá ra fullerene đã được trao Giải Nobel
Hóa học năm 1996.
Một dạng giả-một chiều có liên quan của carbon, ống nano carbon, đã được biết tới trong vài
thập niên qua
9
và các ống nano đơn thành xuất hiện từ năm 1993
10,11
. Những ống này có thể hình
thành từ những tấm graphene cuộn lại, và hai đầu của chúng có dạng nửa cầu giống như fullerene.
Các tính chất cơ và điện tử của các ống nano kim loại đơn thành có nhiều cái tương đồng với
graphene.
Người ta đã biết rõ rằng graphite gồm những tấm carbon hình lục giác xếp chồng lên nhau,
nhưng họ lại tin rằng một tấm đơn lẻ như vậy không thể nào chế tạo được ở dạng tách rời. Vì thế,
thật bất ngờ đối với cộng đồng vật lí học khi vào năm 2004, Konstantin Novoselov, Andre Geim
cùng các cộng sự của họ
1
cho biết rằng một lớp đơn như vậy có thể tách rời ra được và nó còn bền
nữa. Lớp đơn carbon đó là cái chúng ta gọi là graphene.
Cũng nên nhắc đến là các cấu trúc kiểu graphene đã được biết tới từ tận hồi thập niên 1960,
nhưng có những khó khăn thực nghiệm trong việc tách ra những lớp đơn

13-16
, và có những nghi ngờ
rằng điều này trên thực tế là không thể.
Thật thú vị khi biết rằng mọi người dùng bút chì thông thường có khả năng đã từng tạo ra
những cấu trúc kiểu graphene mà bản thân chẳng hề hay biết. Bút chì có chứa graphite, và khi nó di
chuyển trên một tờ giấy, graphite bị chẻ thành những lớp mỏng bám lên trên giấy, tạo thành chữ viết
hay hình vẽ mà chúng ta muốn có. Một tỉ lệ nhỏ trong những lớp mỏng này sẽ chứa chỉ một vài lớp
hoặc thậm chí một lớp graphite, tức là graphene.

2


Hình 1. Các phân tử fullerene C60, ống nano carbon, và graphite đều có thể xem là hình thành từ các tấm graphene, tức
là những lớp đơn nguyên tử của carbon sắp xếp trong một cấu trúc hình tổ ong.
12
Như vậy, khó khăn không phải ở chỗ chế tạo các cấu trúc graphene, mà ở chỗ tách rời ra
từng tấm đủ lớn để nhận dạng và mô tả đặc trưng graphene và để xác nhận các tính chất hai chiều
(2D) độc đáo của nó. Đây là cái Geim, Novoselov, và các cộng sự của họ đã thành công.
3. Graphene là gì?
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 (MoS
2
), cả hai chất đều được chế tạo sau năm 2004.
17

Tính chất điện tử của graphene hơi khác với các chất liệu ba chiều thông thường. Mặt Fermi
của nó được đặc trưng bởi sáu hình nón kép, như thể hiện trên hình 2. Trong graphene nguyên chất
(chưa pha tạp), mức Fermi nằm ở giao điểm của những hình nón này. Vì mật độ các trạng thái của

chất liệu bằng không tại điểm đó, nên độ dẫn điện của graphene nguyên chất khá thấp và vào cỡ
lượng tử độ dẫn σ ∼ e
2
/h; hệ số tỉ lệ chính xác thì vẫn còn tranh cãi. Tuy nhiên, mức Fermi đó có thể
thay đổi bởi một điện trường để cho chất liệu trở thành hoặc là chất pha tạp loại n (với electron)
hoặc pha tạp loại p (với lỗ trống) tùy thuộc vào sự phân cực của điện trường đặt vào. Graphene còn
có thể pha tạp bằng cách cho hấp thụ, chẳng hạn, nước hoặc amonia trên bề mặt của nó. Độ dẫn điện
của graphene pha tạp chất có khả năng khá cao, ở nhiệt độ phòng nó có thể còn cao hơn cả độ dẫn
của đồng.
Ở gần mức Fermi, quan hệ khuếch tán đối với electron và lỗ trống là tuyến tính. Vì khối
lượng hiệu dụng được cho bởi độ cong của các dải năng lượng, nên điều này tương ứng với khối
lượng hiệu dụng bằng không. Phương trình mô tả các trạng thái kích thích trong graphene giống hệt
phương trình Dirac cho các fermion không khối lượng chuyển động ở một tốc độ không đổi. Vì thế,
giao điểm của các hình nón trên được gọi là các điểm Dirac. Điều này làm phát sinh những sự tương
tự thú vị giữa graphene và vật lí hạt cơ bản, chúng đúng cho các năng lượng lên tới xấp xỉ 1 eV, tại

3

đó quan hệ khuếch tán bắt đầu là phi tuyến. Một kết quả của quan hệ khuếch tán đặc biệt này là hiệu
ứng Hall lượng tử trở nên bất bình thường trong graphene, xem hình 4.

Hình 2. Năng lượng, E, cho các trạng thái kích thích trong graphene là một hàm của số sóng, k
x
và k
y
, trong các chiều x
và y. Đường màu đen biểu diễn năng lượng Fermi cho một tinh thể graphene chưa pha tạp chất. Ở gần mức Fermi này,
phổ năng lượng được đặc trưng bởi sáu hình nón kép, trong đó quan hệ khuếch tán (năng lượng theo xung lượng) là
tuyến tính. Điều này tương ứng với các trạng thái kích thích không khối lượng.
Graphene trên thực tế là trong suốt. Trong vùng quang học, nó hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng.

Con số này thật ra được cho bởi πα, trong đó α là hằng số cấu trúc tinh tế xác lập cường độ của lực
điện từ. Trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn, graphene vẫn duy trì các tính
chất 2D của nó ở nhiệt độ phòng. Graphene còn có một vài tính chất hấp dẫn khác nữa, những tính
chất mà nó chia sẻ cùng với ống nano carbon. Về căn bản, nó cứng hơn thép, rất dễ kéo căng, và có
thể dùng làm một chất dẫn dẻo. Độ dẫn nhiệt của nó cao hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của bạc.
4. Khám phá ra graphene
Graphene đã được P.R. Wallace nghiên cứu trên lí thuyết vào năm 1947 là một thí dụ sách
vở cho các phép tính trong ngành vật lí chất rắn
18
. Ông đã dự báo cấu trúc điện tử và lưu ý quan hệ
khuếch tán tuyến tính. Phương trình sóng cho các trạng thái kích thích được J.W McCluke viết ra
vào năm 1956
19
và sự tương tự với phương trình Dirac được trình bày bởi G.W. Semenoff vào năm
1984
20
, và cũng được nhìn thấy bởi DiVincenzo và Mele
21
.
Trước năm 2004, việc tách ra những tấm graphene bền vững được cho là không thể. Do đó,
thật là hoàn toàn bất ngờ khi Andre Geim, Konstantin Novoselov và các cộng sự của họ ở trường
Đại học Manchester (Anh quốc), và Viện Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã thành
công trong việc thực hiện chính công việc này. Họ đã công bố các kết quả của mình trên tạp chí
Science số tháng 10/2004
1
. Trong bài báo này, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và mô tả đặc
trưng đối với graphene. Họ đã sử dụng một phương pháp bóc tách cơ học đơn giản nhưng hiệu quả
để trích ra những lớp mỏng graphite từ một tinh thể graphite bằng loại băng dính Scotland và sau đó
đưa những lớp này lên trên một chất nền silicon. Phương pháp này được đề xuất và thử nghiệm đầu
tiên bởi nhóm của R. Ruoff

22
, tuy nhiên, họ đã không thể nhận ra bất kì lớp đơn nào. Nhóm
Manchester đã thành công bởi việc sử dụng một phương pháp quang mà với nó họ có thể nhận ra

4

các mảnh nhỏ cấu tạo gồm chỉ một vài lớp. Một ảnh chụp qua kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) của
một mẫu như thế được thể hiện trên hình 3. Trong một số trường hợp, những giàn giá này cấu tạo
chỉ gồm một lớp, tức là graphene đã được nhận dạng. Ngoài ra, họ còn làm chủ được việc biến
graphene thành một thanh Hall và nối các điện cực vào nó.

Hình 3. (Trái) A) Điện trở suất (dọc) của một mẫu graphene ở ba nhiệt độ khác nhau (5K lục, 7K lam, 300 K cam), lưu ý
sự phụ thuộc mạnh vào điện áp cực phát. B) Độ dẫn suất là một hàm theo điện áp cực phát ở 77K. C) Điện trở Hall là
một hàm theo điện áp cực phát đối với cùng mẫu trên
1
. (Phải) Ảnh chụp qua kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) của một
đơn lớp graphene. Vùng màu đen là chất nền, vùng màu cam sậm là một lớp đơn graphene và có bề dày
∼
0,5 nm, phần
màu cam sáng chứa một vài lớp và có bề dày
∼
2nm.
23


Hình 4. Quan sát thực nghiệm của hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở graphene. (Trái) Độ dẫn suất Hall (đỏ) và điện
trở suất dọc (lục) là hàm của mật độ hạt mang điện. Khung hình nhỏ thể hiện độ dẫn suất Hall đối với graphene hai lớp.
Lưu ý khoảng cách giữa các vùng bằng phẳng đối với graphene là 4e
2
/h, tức là lớn hơn so với hiệu ứng Hall lượng tử

thông thường và các bậc dốc xuất hiện tại những bội bán nguyên của giá trị này. Đối với một lớp đôi graphene thì chiều
cao bậc dốc là như nhau, nhưng các bậc xuất hiện tại các bội nguyên của 4e
2
/h nhưng không có bậc nào tại mật độ
bằng không
2
. (Phải) Điện trở suất dọc và điện trở suất Hall là hàm của mật độ từ thông cho một mẫu pha tạp electron.
Khung hình nhỏ thể hiện dữ liệu tương tự nhưng cho mẫu pha tạp lỗ trống
3
.
Bằng cách này, họ có thể đo điện trở suất (dọc) và điện trở suất Hall. Một mảnh dữ liệu quan
trọng là hiệu ứng trường phân cực, trong đó điện trở suất được đo là một hàm của một điện trường
đặt vào vuông góc với mẫu. Dữ liệu đó thể hiện trên hình 3. Điện trở suất tấm có một cực đại rõ
ràng, và giảm dần ở cả hai phía của cực đại đó. Điều này cho biết sự pha tạp tăng dần của các
electron ở phía bên phải, và các lỗ trống ở phía bên trái của cực đại. Lưu ý rằng điện tấm cực đại là
∼ 9kΩ, vào cỡ của lượng tử điện trở.

5

Một khi công nghệ chế tạo, nhận dạng và gắn các điện cực vào các lớp graphene đã được xác
lập, nhóm Manchester lẫn các nhóm khác đều nhanh chóng thực hiện được một số lượng lớn những
thí nghiệm mới
2,3,17,24,25
. Trong số này có các nghiên cứu về hiệu ứng Hall lượng tử dị thường, và
đồng thời chuẩn bị cho sự ra đời của những chất liệu kết tinh 2D khác, thí dụ như các lớp đơn BN.
Ngoài phương pháp bóc tách, những phương pháp khác nuôi cấy các màng carbon rất mỏng
cũng đã được nghiên cứu, đặc biệt bởi một nhóm đứng đầu là W.A. de Heer tại Viện Công nghệ
Georgia. Họ đã trau chuốt một phương pháp đốt cháy silicon từ một bề mặt silicon carbide (SiC), để
lại một lớp mỏng carbon phía sau. Phương pháp này thực hiện bằng cách nung nóng tinh thể SiC lên
xấp xỉ 1300

o
C. Phương pháp đã được một vài nhóm sử dụng trước đó
14,15
, nhưng những nghiên cứu
ban đầu đó tập trung vào khoa học bề mặt và không có các phép đo vận chuyển. Tháng 12 năm
2004, chỉ hai tháng sau khi bài báo của Novoselov được công bố, nhóm của de Heer đã công bố bài
báo đầu tiên của họ về các phép đo chuyển vận trên các màng carbon mỏng
26
. Họ đã trình bày các
phép đo từ trở và một tác dụng điện trường yếu. de Heer và các cộng sự của ông còn nắm trong tay
một bằng phát minh về cách chế tạo các dụng cụ điện tử từ những lớp mỏng carbon
27
.
Một nhóm tại trường Đại học Columbia, đứng đầu là P. Kim, đã nghiên cứu một phương
pháp khác chế tạo các lớp carbon mỏng. Họ gắn một tinh thể graphite với đầu nhọn của một kính
hiển vi lực nguyên tử và kéo lê nó trên một bề mặt. Với cách này, họ có thể tạo ra những lớp mỏng
graphite xuống tới khoảng 10 lớp.
Như đã đề cập ở trên, quan hệ khuếch tán phi tuyến làm phát sinh một hiệu ứng Hall lượng
tử dị thường. Hiệu ứng này được chứng minh độc lập bởi hai nhóm, nhóm Manchester và nhóm do
P. Kim đứng đầu; cả hai nhóm hiện nay đều đang sử dụng phương pháp bóc tách. Hai bài báo đã
được công bố liền nhau trong cùng một số ra của tạp chí Nature vào tháng 11 năm 2005. Dữ liệu có
thể xem trên hình 4.
Kể từ 2005, sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu này đã thật sự bùng nổ, tạo ra số lượng
tăng dần của các bài báo nói về graphene và những tính chất của nó. Các lớp đôi graphene, có những
tính chất khác so với graphene (đơn lớp), đã được nghiên cứu thấu đáo
28-32
. Các nghiên cứu ở những
từ trường cao hơn đã được thực hiện để nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử phân số trong
graphene
33,34

. Ngoài ra, nghiên cứu cơ học của graphene chứng tỏ rằng nó cực kì bền về mặt cơ học,
bền gấp 100 lần so với loại thép mạnh nhất
35
. Một khám phá quan trọng khác nữa là sự hấp thụ ánh
sáng ở graphene có liên quan đến hằng số cấu trúc tinh tế như đã đề cập ở trên
36
.
Còn có một số bài báo quan trọng mô tả những cái tương tự với vật lí hạt cơ bản dựa trên
phương trình Dirac. Sự tương đồng chính thức giữa các trạng thái kích thích trong graphene với các
fermion Dirac hai chiều đã cho phép kiểm tra cái gọi là sự chui hầm Klein đề xuất bởi nhà vật lí
người Thụy Điển Oscar Klein. Hiện tượng này tiên đoán rằng một rào cản đường hầm có thể trở nên
hoàn toàn trong suốt đối với sự tới bình thường của các hạt không khối lượng. Dưới những điều kiện
nhất định, độ trong suốt có thể dao động là một hàm của năng lượng. Đề xuất rằng điều này có thể
kiểm tra ở graphene được đưa ra bởi Katsnelson, Geim và Novoselov vào năm 2006
5
và đã được xác
nhận bởi Young và Kim vào năm 2009
6
.
5. Các ứng dụng tương lai
Graphene có một số tính chất khiến nó thật hấp dẫn cho một vài ứng dụng khác nhau. Nó là
một chất dẫn cực mỏng, rất bền về mặt cơ học, trong suốt và dẻo. Độ dẫn của nó có thể biến đổi trên
một ngưỡng lớn hoặc bằng cách pha tạp hóa học, bằng tác dụng của điện trường. Độ linh động của
graphene là rất cao
30
khiến chất liệu rất hấp dẫn cho các ứng dụng điện tử cao tần
37
. Mới đây, người
ta đã có thể chế tạo những tấm graphene cỡ lớn. Sử dụng các phương pháp bán công nghiệp, các tấm
với bề rộng 70 cm đã được tạo ra

38,39
. Vì graphene là một chất dẫn trong suốt, nên nó có thể dùng
trong các ứng dụng như màn hình cảm ứng, tấm phát sáng và pin mặt trời, nơi nó có thể thay thế cho
indium-thiếc-oxide (ITO) vừa dễ vỡ vừa đắt tiền. Các thiết bị điện tử dẻo và các bộ cảm biến chất
khí
40,41
là những ứng dụng tiềm năng khác. Hiệu ứng Hall lượng tử ở graphene có thể còn có khả
năng góp phần cho một chuẩn điện trở còn chính xác hơn nữa trong đo lường học
42
. Những loại chất
liệu hỗn hợp mới dựa trên graphene với sức bền lớn và khối lượng riêng khắp còn có thể trở nên hấp
dẫn trong các công dụng trong chế tạo phi thuyền và máy bay
43,44
.

6

6. Kết luận
Sự phát triển của chất liệu mới này đã mở ra những hướng đi mới. Nó là chất liệu 2D kết tinh
đầu tiên và nó có các tính chất độc nhất vô nhị, khiến nó thật hấp dẫn cho cả nghiên cứu khoa học cơ
bản lẫn cho các ứng dụng trong tương lai. Đột phá trên được thực hiện bởi Geim, Novoselov và các
cộng sự của họ; bài báo hồi năm 2004 đã khơi ngòi cho sự phát triển trên. Với công trình này, họ
được trao Giải Nobel Vật lí 2010.
Phụ lục. Một số tính chất của graphene

Tỉ trọng của graphene
Ô đơn vị lục giác của graphene gồm hai nguyên tử carbon và có diện tích 0,052nm
2
. Như vậy, chúng
ta có thể tính ra tỉ trọng của nó là 0,77 mg/m

2
.
Một cái võng giả thuyết làm bằng graphene với diện tích 1m
2
sẽ cân nặng 0,77 mg. Minh họa (cái
võng): Airi Iliste
Tính trong suốt quang học của graphene
Graphene hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng, độc lập với bước sóng trong
vùng quang học. Con số này được cho bởi πα, trong đó α là hằng số cấu trúc tinh tế. Như vậy,
miếng graphene lơ lửng không có màu sắc.
Sức bền của graphene
Graphene có sức bền 42N/m. Thép có sức bền trong ngưỡng 250-1200 MPa = 0,25-1,2.10
9
N/m
2
.
Với một màng thép giả thuyết có cùng bề dày như graphene (có thể lấy bằng 3,35 angstrom =
3,35.10
-10
m, tức là bề dày lớp trong graphite), giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,084-
0,40N/m. Như vậy, graphene bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần.
Trong cái võng 1m
2
của chúng ta mắc giữa hai cái cây, bạn có thể đặt một gia trọng xấp xỉ 4kg trước
khi nó bị rách vỡ. Như vậy, người ta có thể chế tạo một cái võng hầu như vô hình từ graphene có thể
chịu sức nặng của một con mèo mà không bị hỏng. Cái võng sẽ cân nặng chưa tới một mg, tương
ứng với trọng lượng của một sợi râu mép của con mèo.
Độ dẫn điện của graphene
Độ dẫn bản của một chất liệu 2D được cho bởi σ = enµ. Độ linh động trên lí thuyết bị giới hạn đến µ
= 200.000 cm

2
V
-1
s
-1
bởi các phonon âm học ở mật độ hạt mang n = 10
12
cm
-2
. Điện trở tấm 2D, còn
gọi là điện trở trên bình phương, khi đó là 31Ω.
Cái võng viễn tưởng 1m
2
của chúng ta sẽ có điện trở 31Ω.
Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96.10
-6
Ω
-1
m
-1
cho graphene. Giá trị này có phần cao hơn
độ dẫn của đồng là 0,60. 10
-6
Ω
-1
m
-1
.
Độ dẫn nhiệt
Sự dẫn nhiệt của graphene bị chi phối bởi các phonon và đã được đo xấp xỉ là 5000 Wm

-1
K
-1
. Đồng
ở nhiệt độ phòng có độ dẫn nhiệt 401 Wm
-1
K
-1
. Như thế, graphene dẫn nhiệt tốt hơn đồng 10 lần.

7

Tài liệu tham khảo



8




9


Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo

Cơ sở của Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay là một lớp bong mỏng của carbon thông thường, lớp
này chỉ dày một nguyên tử. Andre Geim và Konstantin Novoselov đã chứng tỏ rằng carbon ở một
dạng phẳng như vậy có các tính chất ngoại hạng phát sinh từ thế giới lượng tử vốn kì dị nhưng
nhiều bí ẩn.

Graphene là một dạng carbon. Là một chất liệu hoàn toàn mới – nó không những mỏng nhất
mà còn bền nhất nữa. Là một chất dẫn điện, nó dẫn điện tốt như đồng. Là một chất dẫn nhiệt, nó dẫn
nhiệt tốt hơn mọi chất liệu đã biết khác. Nó hầu như hoàn toàn trong suốt, nhưng lại đậm đặc tới
mức ngay cả helium, nguyên tử nhỏ nhất, cũng không thể qua mặt.

Hình 1. Graphene. Mạng tinh thể gần như hoàn hảo chỉ dày một nguyên tử. Nó gồm các nguyên tử carbon liên kết với
nhau thành hình lục giác đan lại như tấm lưới.
Bởi vậy, bài báo về graphene công bố trên tạp chí Science, số tháng 10/2004, đã khuấy động
rất nhiều xúc cảm trên khắp thế giới. Một mặt, các tính chất kì lạ của graphene cho phép các nhà
khoa học kiểm tra các nền tảng lí thuyết của vật lí học. Mặt khác, rất nhiều ứng dụng thực tế giờ đã
có thể hiện thực hóa, bao gồm việc chế tạo các chất liệu mới và sản xuất các dụng cụ điện tử tân
tiến.
Carbon, cơ sở của mọi dạng sống đã biết trên trái đất, một lần nữa khiến chúng ta thật bất
ngờ.
Bút chì, giấy và băng dính
Không thể nào dễ thu được graphene hơn nữa, chất liệu thần kì có nguồn gốc từ graphite
thông thường, như graphite tìm thấy ở các thỏi bút chì. Tuy nhiên, những điều đơn giản nhất và hiển
nhiên nhất thường lẩn tránh cái nhìn của chúng ta.

10

Graphene gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau thành một mạng phẳng – tương tự như
cấu trúc tổ ong, nhưng khác là chỉ dày một nguyên tử thôi. Một mili mét graphite thật ra gồm ba
triệu lớp graphene bám chồng lên nhau. Các lớp được giữ một cách yếu ớt và vì thế khá dễ bóc tách
chúng ra. Ai đã từng viết bằng bút chì đều có kinh nghiệm này, và có khả năng, khi họ viết, chỉ một
lớp carbon, tức graphene, đã bám lên trên trang giấy.
Đây là cái xảy ra khi Andre Geim và Konstantin Novoselov sử dụng băng dính để bóc những
lớp bong mỏng ra khỏi một miếng graphite lớn bằng một phương pháp không có gì mới. Lúc đầu, họ
thu được những lớp bong ra gồm nhiều lớp graphene, nhưng khi họ lặp lại 10 đến 12 lần bóc băng
dính thì lớp bong mỗi lúc một mỏng hơn. Bước tiếp theo là tìm những mảnh graphene nhỏ xíu trong

số những lớp graphite dày hơn và những mảng bong carbon khác. Đây là lúc ý tưởng sáng tạo thứ
hai của họ xuất hiện: để có thể nhìn thấy kết quả của công trình tỉ mỉ của họ, các nhà khoa học ở
Manchester quyết định gắn mấy miếng bong mỏng đó lên một đĩa silicon đã oxy hóa, chất liệu
chuẩn trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Hình 2. Trích graphene từ graphite. Graphite là một chất liệu cơ bản tìm thấy trong tự nhiên. Khi tách mỏng ra, các tấm
graphite trở thành graphene. Một lớp graphene cuộn lại thì thành ống nano carbon, còn khi cuộn tròn thành hình quả
bóng đá thì nó thành fullerene. Tiềm ẩn bên trong graphite, graphene đang chờ đợi con người khám phá.

11

Khi đặt cái đĩa đó vào một chiếc kính hiển vi thường, người ta có thể thấy một cầu vồng
màu, tương tự như cái được nhìn thấy khi dầu loang trên mặt nước, và như vậy xác định được số lớp
graphene trong lớp bong. Bề dày của lớp silicon dioxide bên dưới, hóa ra, lại thiết yếu trong việc
vén màn bí mật graphene. Dưới kính hiển vi, graphene lúc này có thể trông rõ – một chất liệu kết
tinh hai chiều đích thực tồn tại ở nhiệt độ phòng. Graphene là mạng lưới carbon đều đặn một cách
hoàn hảo với chỉ hai chiều kích, rộng và dài. Đơn vị cơ sở của mẫu tinh thể này gồm sáu nguyên tử
carbon liên kết hóa học với nhau. Graphene, cũng như một số dạng khác của carbon mà chúng ta
biết, gồm hàng tỉ nguyên tử carbon liên kết với nhau theo khuôn mẫu hình lục giác.
Chờ đợi khám phá
Tất nhiên, graphene luôn tồn tại; điều quan trọng là tìm ra nó. Tương tự, những dạng xuất
hiện tự nhiên khác của carbon đã trình hiện trước các nhà khoa học khi họ nhìn chúng ở góc độ thích
hợp: trước tiên là ống nano, sau đó là những quả bóng carbon, fullerene (Giải Nobel Hóa học 1996).
Bị giữ trong graphite, graphene đang chờ được giải phóng (hình 2). Thật ra, chẳng ai nghĩ điều đó là
có thể thực hiện.
Nhiều nhà khoa học nghĩ người ta không thể nào tách ra những chất liệu mỏng như vậy:
chúng sẽ gấp nếp hoặc cuộn lại ở nhiệt độ phòng, hay thậm chí là hoàn toàn bị tan biến. Bất chấp
như vậy, một số người vẫn thử cố gắng hết sức, mặc dù những nỗ lực trước đó nhằm thu lấy
graphene đã thất bại. Trước đó, người ta đã có thể thu được những màng mỏng với bề dày chưa tới
100 nguyên tử - thật vậy, một số màng mỏng đến mức chúng trở nên trong suốt.

Một phương pháp thu lấy graphene từ graphite là đưa các chất hóa học vào giữa những lớp
carbon nhằm làm yếu sự liên kết giữa chúng và sau đó tách các lớp ra. Một phương pháp nữa là bóc
ra từng lớp graphite. Người ta cũng thử, thành công, “tước” silicon từ tinh thể silicon carbide. Ở
những nhiệt độ rất cao, thì còn lại phía sau những lớp carbon mỏng. Các kĩ thuật khác nhau nuôi
tinh thể mọc ghép, dùng để chế tạo các chất bán dẫn đa dạng, được xem là có triển vọng nhất để sản
xuất graphene dùng trong công nghiệp điện tử. Cho đến nay, người ta đã chế tạo được những cuộn
graphene rộng 70 cm là lớn nhất.

Hình 3. Tựa như một tấm lụa. Những tấm graphene gấp lại trên một chất nền silicon.
Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét, phóng đại khoảng 5000 lần.
Trong một thế giới nghịch lí
Andre Geim và Konstantin Novoselo chỉ có thể thu lấy những lớp bong micro của chất liệu
mới. Tuy nhỏ, nhưng giờ họ đã có thể nghiên cứu hai đặc điểm nổi bật nhất của graphene, cả hai đều
ảnh hưởng tới các tính chất điện của nó.

12

Thứ nhất là thành phần gần như hoàn hảo của graphene. Sự trật tự không có sai sót là do sự
liên kết mạnh của các nguyên tử carbon. Đồng thời, các liên kết đủ linh hoạt để cho phép mạng lưới
căng ra đến 20% kích cỡ ban đầu của nó. Mạng tinh thể còn cho phép các electron di chuyển những
khoảng cách xa trong graphene mà không bị nhiễu. Trong các chất dẫn điện thông thường, các
electron thường bị phản xạ giống như quả cầu trong trò chơi bắn đạn. Sự phản xạ này làm giảm hiệu
suất của chất dẫn điện.
Đặc điểm độc đáo kia của graphene là các electron của nó hành xử giống như các hạt ánh
sáng, các photon không khối lượng, chuyển động không ngừng nghỉ trong chân không với tốc độ
300 triệu mét mỗi giây. Tương tự như vậy, các electron chuyển động trong graphene hành xử cứ như
thể chúng không có khối lượng và lao về phía trước ở tốc độ không đổi một triệu mét mỗi giây. Điều
này mở ra khả năng nghiên cứu những hiện tượng nhất định dễ dàng hơn ở quy mô nhỏ hơn, tức là
không cần sử dụng một máy gia tốc hạt khổng lồ.
Graphene còn cho phép các nhà khoa học kiểm tra một số hiệu ứng lượng tử ma quái hơn từ

trước đến nay chỉ thấy trình bày trên lí thuyết. Một hiệu ứng như vậy là một biến thể của sự chui
hầm Klein, hiệu ứng được xác lập bởi nhà vật lí người Thụy Điển Oskar Klein vào năm 1929. Hiệu
ứng đường hầm trong vật lí lượng tử mô tả cách thức các hạt thỉnh thoảng vượt qua một rào chắn
bình thường sẽ chặn chúng lại. Rào cản càng lớn thì cơ hội của các hạt lượng tử đi qua đó càng thấp.
Tuy nhiên, hiện tượng này không áp dụng cho các electron chuyển động trong graphene – trong một
số trường hợp, chúng chuyển động cứ như thể rào cản chẳng hề tồn tại.
Thế giới mơ ước
Những ứng dụng khả dĩ thực tiễn đối với graphene đã thu hút nhiều sự chú ý. Cho đến nay,
đa phần chúng chỉ tồn tại trong bốn khả năng, nhưng nhiều khả năng đã và đang được kiểm tra, cũng
bởi chính Geim và Novoselov.
Khả năng dẫn điện của graphene đã thôi thúc rất nhiều hứng thú. Các transistor graphene
được tiên đoán về căn bản là nhanh hơn các transistor silicon ngày nay. Để các chip máy tính trở nên
nhanh hơn và hiệu quả năng lượng hơn, chúng cần phải nhỏ hơn. Silicon đã đạt tới ranh giới kích cỡ
tại đó chất liệu không còn hoạt động nữa. Giới hạn đó đối với graphene còn thấp hơn nữa, cho nên
các linh kiện graphene có thể đóng gói trên một con chip với mật độ dày hơn ngày nay.
Một cột mốc nữa đã được vượt qua cách đây vài năm trước khi bộ phận trọng yếu của nó,
transistor graphene, tỏ ra hoạt động nhanh như đối tác silicon của nó. Có lẽ chúng ta đang ở trên bờ
mép của một sự thu nhỏ nữa của các linh kiện điện tử sẽ mang tới các máy vi tính hiệu quả hơn
trong tương lai. Cho đến nay, các máy vi tính graphene vẫn chỉ là một giấc mơ xa vời, mặc dù các
màn hình máy tính trong suốt kiểu giấy mỏng có thể cuộn lại và mang trong túi xách tay đã xuất
hiện trên thị trường thương mại cho các khách hàng điện tử của ngày mai.
Trong khi chờ đợi, chúng ta chỉ có thể nói về một số ứng dụng thực tế hơn hoặc kém thực tế
hơn, tất cả đều đòi hỏi những sáng kiến quan trọng với kết quả của chúng vẫn chưa chắc chắn.
Vì graphene thực tế là trong suốt (tới 98%) đồng thời có thể dẫn điện, nên nó sẽ thích hợp
cho sản xuất các loại màn hình cảm ứng trong suốt, các tấm phát sáng và có lẽ cả những tế bào
quang điện nhỏ hơn nữa. Đồng thời, plastic có thể trở nên dẫn điện nếu chỉ cần pha thêm 1%
graphene vào trong chúng. Tương tự, chỉ bởi việc pha thêm một phần nhỏ graphene vào, thì nhiệt trở
của plastic tăng thêm 30
o
đồng thời làm cho chúng bền hơn về mặt cơ học. Tính chất co giãn này có

thể sử dụng trong các siêu chất liệu mới, chúng vừa mỏng, vừa đàn hồi, vừa nhẹ. Trong tương lai,
các vệ tinh, máy bay, và xe hơi có thể sản xuất từ những hợp chất mới trên.

13

Cấu trúc hoàn hảo của graphene còn khiến nó thích hợp cho việc sản xuất các bộ cảm biến
cực nhạy có thể ghi nhận những hàm lượng độc nhất nhỏ nhất. Ngay cả một phân tử bị hấp thụ trên
bề mặt graphene cũng có thể bị phát hiện.
Một trò chơi nghiêm túc
Danh sách các ứng dụng có thể có của graphene thật dài. Sự hăng hái nghiên cứu không
ngừng bắt đầu sau khi khám phá ra nó có lẽ cuối cùng sẽ đơm hoa kết trái. Không ai có thể dự báo
trước tương lai sẽ mang đến những gì, kể cả các nhà khoa học đạt giải Nobel của năm nay. Các nhà
khoa học đang đi qua một mê cung cơ hội và có sự may mắn và kiến thức để chộp lấy các cơ hội khi
chúng xuất hiện – như mọi người chúng ta đều biết, may mắn thường chỉ đến với những ai có sự
chuẩn bị trước mà thôi.
Cả hai nhà khoa học đạt giải Nobel năm nay đều nghĩ nghiên cứu thật là vui. Cho đến nay,
họ đã làm việc chung với nhau trong một thời gian dài. Konstantin Novoselov, 36 tuổi, bắt đầu làm
việc với Andre Geim, 51 tuổi, khi còn là nghiên cứu sinh tiến sĩ ở Hà Lan. Sau đó, ông đã theo Geim
sang Anh quốc. Cả hai người họ ban đầu học tập và khởi nghiệp với tư cách nhà vật lí ở Nga. Giờ
thì họ đều là giáo sư tại trường Đại học Manchester.
Tính khôi hài là một trong những tính cách của họ. Với những viên gạch cấu trúc mà họ có
trong tay, họ nỗ lực tạo ra cái gì đó mới mẻ, thỉnh thoảng bằng cách cho phép trí não họ thả nổi vu
vơ. Người ta luôn học hỏi được cái gì đó trong quá trình trên và, ai biết được, có thể bạn sẽ là người
trúng số. Đó là trường hợp cách đây bảy năm trước khi họ chế tạo ra một miếng băng siêu dính lấy
cảm hứng từ khả năng của những con tắc kè bám dính trên những bề mặt nhẵn nhất. Trước đó, vào
năm 1997, Andre Geim đã làm thí nghiệm nâng một con ếch lên bằng từ trường, một phương pháp
khéo léo minh họa cho các nguyên lí vật lí. Chú ếch bay lên đã mang về cho ông giải thưởng Ig
Nobel hồi năm 2000, giải thưởng trao cho những khám phá “ban đầu khiến người ta cười, sau đó thì
khiến người ta suy nghĩ”.
Nay, với graphene, Andre Geim và Konstantin Novoselov đã tự ghi tên mình vào lịch sử

khoa học.
Nguồn: NobelPrize.org