Nghiên cứu tổng hợp những tấm nano graphene bằng phương pháp khử hóa học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THẾ HIẾU

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NHỮNG TẤM NANO
GRAPHENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC

Chuyên ngành: VẬT LIỆU KIM LOẠI & HỢP KIM
Mã số: 60.52.91

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Trần Văn Khải
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:..........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 :.........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:

NGUYỄN THẾ HIẾU
22/09/1983
Vật liệu Kim loại & Hợp kim

MSHV: 11030688
Nơi sinh: Đà Nẵng
Mã số: 60.52.91

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NHỮNG TẤM NANO GRAPHENE
BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng hợp được những tấm nano graphene bằng phương pháp hóa học
trong những điều kiện khác nhau.
Khảo sát và so sánh một số tính chất đặc trưng của những tấm nano
graphene thu được.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 6/2014
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN VĂN KHẢI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Văn Khải Giảng viên khoa Công Nghệ Vật Liệu – Trường Đại hoc Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ
Chí Minh, đã dành nhiều thời gian hướng dẫn tận tình, chu đáo và động viên tơi hồn
thành luận văn này. Tài năng, lịng nhiệt huyết và sự tận tụy của thầy, đã và sẽ ln là
động lực cho tơi trên những con đường phía trước.
Xin được chân thành cảm ơn đến tất cả Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị

cho tôi những kiến thức rất bổ ích và q báu về chun mơn cũng như cuộc sống
trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin được cảm ơn các Anh, Chị và các Bạn học viên cao học ở phịng thí
nghiệm bộ mơn Vật Liệu Cơ Sở và bộ môn Vật Liệu Kim Loại đã tạo điều kiện, quan
tâm, giúp đỡ và cho tôi một môi trường làm việc thân thiện, vui vẻ.
Xin cảm ơn các phòng ban thuộc trường ĐH Bách Khoa, và phịng thí nghiệm
khu Cơng Nghệ Cao đã giúp tơi đo đạc các kết quả.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong q
trình học tập, cơng tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Lời cuối cũng là lời quan trọng nhất, xin cảm ơn Ba, Má đã luôn bên con ủng
hộ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho con theo đuổi những ước mơ của mình. Xin
được gởi đến gia đình những tình cảm yêu thương nhất.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2014
Học viên
Nguyễn Thế Hiếu

iii


TÓM TẮT
Luận văn đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp tấm nano graphene bằng phương
pháp khử hóa học của graphene oxít. Vì cấu trúc đặc biệt, tính chất vật lý và hóa học
vượt trội của graphene nên đã thu hút được nhiều sự chú ý to lớn trong cả nghiên cứu
cơ bản và tiềm năng ứng dụng. Do tính chất của vật liệu thường liên quan tới cấu trúc,
sự thay đổi của cấu trúc sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất điện cũng như độ rộng
vùng cấm của graphene. Nghiên cứu ở trong luận văn này tập trung chủ yếu vào cấu
trúc, tính chất điện của graphene oxít (GO) và graphene oxít đã được khử hố học-được
ký hiệu là RGO (Reduced-Graphene-Oxide).
Trong chuỗi thực nghiệm, chúng tôi tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của

nhóm chức có chứa ơxy lên tính chất điện của màng graphene. Ban đầu những tấm
nano-GO đã được tổng hợp bằng phương pháp Hummers sữa đổi nó là vật liệu cách
điện. Tiếp theo những tấm nano-GO được khử hoá học ở một nhiệt độ cố định (90 ±
50oC) với những khoảng thời gian khác nhau từ 5 cho tới 20 giờ. Cuối cùng thì những
màng graphene dẫn điện được chế tạo từ những tấm nano-GO đã được khử hố học
(RGO) trước đó bằng phương pháp phun phủ trên đế thach anh (Quartz). Để nâng cao
độ dẫn điện của màng graphene này, chúng tôi đã tiến hành sử lý nhiệt ở 1100 oC trong
môi trường chứa 20% H2 và 80% Ar. Ảnh hưởng của các nhóm chức có chứa ơxy lên
cấu trúc và tính chất điện của màng đã được khảo sát bằng: Kính hiển vi điện tử quét
(SEM), Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), Phổ
tán xạ Raman, Phổ nhiễu xạ tia X (XRD), Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR),
Phổ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis), Phổ quang điện tử tia X (XPS), và hệ đo đặc tuyến
Volt-Ampere. Kết quả cho thấy rằng RGO đã có sự gia tăng tính dẫn điện đáng kể (độ
dẫn điện đã gia tăng từ 4,18x10-4 S.m-1 cho GO tới ~ 20÷80 S.m-1 cho RGO), bởi vì đã
có sự loại bỏ các nhóm chức có chứa ơxy và sự phục hồi mạng lưới liên kết carbon sp 2
trong các tấm graphene. Hơn nữa, sau khi xử lý nhiệt trong môi trường 20% H 2 và 80%
Ar thì tính dẫn điện của RGO càng tăng lên mạnh mẽ và có thể đạt tới 2500 S.m -1, điều
này chỉ ra rằng các nhóm chức chứa ơxy đã tiếp tục bị loại bỏ và mạng lưới liên kết
carbon sp2 được phục hồi tốt hơn sau khi xử lý nhiệt. Những đặc tính này hứa hẹn sự

iv


ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ như là chế tạo: cảm biến khí siêu nhạy,
điện cực trong suốt, transistor hiệu ứng trường.

v


ABSTRACT

This thesis studies the synthesis of graphene-based sheets (GBS) via chemical
reduction of graphite oxide (GO). Because of the special structure, outstanding physical
and chemical properties of graphene-based sheets. Graphene, graphene oxide and
reduced graphene oxide (RGO) have attracted tremendous attention in both
fundamental science and potential applications. As material properties are usually
related to the structure, many effects have been made to modify the electrical properties
and tune the band gap of graphene. The work presented in this thesis focuses on the
structure, electrical properties of GO and RGO.
In the set of experiments, we study the influence of oxygen functional groups on
the structural and electrical properties of graphene films. GO sheets were prepared by a
modified Hummers method, which were an electrical insulator. Highly conducting
graphene films were synthesized on quartz substrates by spray deposition of a
chemically reduced-GO (RGO)/GO dispersion, the followed by a thermal treatment
under 20% H2 and 80% Ar. The influence of oxygen functional groups on the structural
and electrical properties of graphene films were investigated by Scanning electron
microscopy (SEM), Transmission electron microscopy (TEM), Atomic force
microscope (AFM), Raman, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared
spectroscopy (FTIR), Ultraviolet-visible (UV-vis), X-ray photoelectron spectroscopy
(XPS), four point probe, and by I-V measurement equipment. The results showed that
chemically reduced GO (RGO) resulted in significant increase in electrical conductivity
(the conductivity increased from 4.18x10-4 S.m-1 for GO to about 20~80 S.m-1 for RGO
samples) because of the removal of oxygen functional groups and restoration of sp 2
carbon network in the graphene sheets. Furthermore, after thermal annealing in 20% H 2
and 80% Ar, the conductivity of RGO film is further improved and can reach to 2500
S.m-1, indicating that the residual oxygen functional groups in the RGO are removed
and the better restoration of sp2 carbon networks by thermal annealing. These properties
promise a wide range of applications in technology fields, such as ultra-sensitive gas
sensor, transparent electrodes, solar cell, and field effect transistors.

vi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ.....................................................................................................................1
1.1 GỚI THIỆU CHUNG.........................................................................................................................2
1.2 SỰ CẦN THIẾT TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU................................................................3
1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI...........................................................................................................4
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................................4
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.......................................................................................................5
1.5.1 Quy trình thí nghiệm tổng hợp nano graphene oxít (GO)...................................5
1.5.2 Khử hóa học GO thành graphene...................................................................................6
1.5.3 Phủ màng mỏng graphene lên đế Si..............................................................................6
1.6 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................7
1.6.1 Các phương pháp nghiên cứu chung.............................................................................7
1.6.2 Các phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật cụ thể....................................................7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................................................8
2.1 GIỚ THIỆU VỀ GRAPHENE...................................................................................................9
2.2 GRAPHENE OXÍT (GO)..........................................................................................................11
2.3 TÍNH CHẤT CỦA GRAPHENE...........................................................................................12
2.3.1Cấu trúc vùng năng lương của graphene...................................................................12
2.3.2 Tính chất điện của graphene..........................................................................................17
2.3.3 Tính chất nhiệt của graphene.........................................................................................19
2.3.4 Tính chất cơ của graphene..............................................................................................19

vii


2.3.5 Tính chất quang của graphene......................................................................................20
2.3.6 Hiệu ứng lượng tử trong graphene..............................................................................21

2.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO GRAPHENE..................................................27
2.4.1 Phương pháp tách lớp cơ học (Mechanical exfoliation)...................................28
2.4.2 Phương pháp epitaxy (epitaxial growth)..................................................................29
2.4.3 Phương pháp chế tạo graphene từ dung dịch.........................................................32
2.4.4 Phương pháp bung ra từ ống nano cacbon (Un-zipping carbon nanotubes)
36
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM...........................................................................................................37
3.1 ĐỊNH HƯỚNG TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE.............................................38
3.2 TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP GRAPHENE OXÍT (GO) ..........39
3.2.1 Quy trình thí nghiệm tổng hợp graphene oxít (GO)...........................................39
3.2.2 Tiến trình thực nghiệm tổng hợp graphene oxít (GO).......................................39
3.3 TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM KHỬ GO THÀNH RGO.......................................42
3.3.1 Khử hóa học GO thành RGO........................................................................................42
3.3.2 Phủ màng mỏng graphene lên đế Si...........................................................................44
3.4 TIẾN TRÌNH NUNG MÀNG.................................................................................................49
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH VẬT LIỆU 50
4.1 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM).........................................................................51
4.2 KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM).....................................................49
4.3 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)..................................................................50
4.4 HỆ ĐO PHỔ TỬ NGOẠI - KHẢ KIẾN (UV-Vis).......................................................50

viii


4.5 HỆ ĐO PHỔ HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURIER (FTIR)..................................55
4.6 HỆ NHIỄU XẠ TIA X (XRD)................................................................................................55
4.7 HỆ ĐO PHỔ TÁN XẠ RAMAN...........................................................................................56
4.8 HỆ ĐO PHỔ QUANG ĐIỆN TỬ TIA X (XPS).............................................................57
4.9 HỆ ĐO ĐẶC TRƯNG VOLT-AMPERE..........................................................................58
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.....................................................................................59

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI80
6.1 KẾT LUẬN......................................................................................................................................81
6.2 ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.......................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................................83

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình.1.1 Ơxy hóa graphite thành graphite oxít...................................................................................4
Hình.1.2 Khử graphite oxít để thu được graphene............................................................................5
Hình.1.3 Quy trình thí nghiệm tổng hợp tấm nano GO...................................................................5
Hình.1.4 Khử hóa học GO thành graphene...........................................................................................6
Hình 1.5 Sơ đồ thiết bị tạo màng graphene trên đế Si.....................................................................7
Hình 2.1 Một số dạng thù hình của carbon...........................................................................................9
Hình 2.2 Graphene là mạng lưới tổ ong hai chiều của carbon..................................................10
Hình 2.3 Mạng tinh thể lục giác của lớp graphene; a1 và a2 véc tơ đơn vị, A và B là
khoảng cách giữa hai nguyên tử trong ô đơn vị................................................................................11
Hình 2.4 Cấu trúc lý tưởng được đề xuất của graphen oxít (GO)............................................12
Hình 2.5 Minh hoạ cấu trúc vùng năng lượng của graphene trong vùng Brillouin thứ
nhất dựa trên hệ thức tán sắc thu được từ phép gần đúng liên kết mạnh. Tại các điểm K
và K’, khoảng cách giữa trạng thái phản liên kết π * (ứng với các mức năng lượng vùng
dẫn) và trạng thái liên kết π (tương ứng với các mức năng lượng vùng hoá trị) là bằng 0.
Hình bên phải, thể hiện sự thay đổi của hệ thức tán sắc dọc theo trục đi qua các điểm có
tính đối xứng cao K →Г→ M (điểm chính giữa cạnh nối các điểm K và K’) → K. Năng
lượng được biểu diễn theo đơn vị t (năng lượng cần thiết để electron dịch chuyển giữa
các nguyên tử lân cận) và vector sóng k theo đơn vị 1/a [39]....................................................15
Hình 2.6 Hệ thức tán sắc thể hiện sự phụ thuộc giữa năng lượng và vector sóng k cho
các vùng σ, σ *, π, π * trong mạng graphene hai chiều dọc theo phương chứa nhiều yếu
tố đối xứng.........................................................................................................................................................16

Hình 2.7 Độ rộng vùng cấm của graphen. Vùng dẫn và vùng hóa trị chạm nhau tại điểm
K hay sáu góc của vùng Brillouin...........................................................................................................19
Hình 2.8 Độ truyền qua của graphene. (Michael Tsang-physics 141A Spring 2013)....21
Hình 2.9 Hình minh họa sự mở rộng mật độ trạng thái của khí lượng tử 2 chiều dưới tác

dụng của từ trường mạnh.............................................................................................................................23
Hình 2.10 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào từ trường trong hiệu ứng Hall lượng tử 25

Hình 2.11 Hiệu ứng Hall lượng tử trong graphene đơn lớp.......................................................27
Hình 2.12 PP tách lớp cơ học (PP Scotch).........................................................................................28

x


Hình 2.13 Nguyên lý cấu tạo của thiết bị CVD...............................................................................30
Hình 2.14 Nguyên lý lắng đọng của cacbon trên nền kim loại Ni...........................................30
Hình 2.15 Giản đồ trạng thái của phương pháp CVD trên nền kim loại Cu.......................31
Hình 2.16 Nguyên lý lắng đọng của cacbon trên nền kim loại Cu..........................................32
Hình2.18 Graphite oxít lơ lững trong nước........................................................................................33
Hình 2.19 Quy trình tạo graphene từ dung dịch...............................................................................34
Hình 2.20 (a) Minh họa cho quá trình tách bóc của graphene. Những tấm graphene sau
khi tách bóc bằng sóng siêu âm sẽ được những sodium cholate (SC) bao bọc. (b) Hình
chụp của graphene đã được phân tán vào SC sau sáu tuần từ khi tổng hợp. (c) Minh họa
trật tự đơn lóp SC trên graphene [51]....................................................................................................35
Hình 2.21 Sự bung ra từ ống nano carbon. (a,b) Biểu diễn sự bung ra một cách từ từ
của ống nano cacbon bởi phương pháp thâm nhậphóa học, và hình TEM của dãi
nanoribbons đã được bung ra [55]. (c,d) Quá trình sản xuất ra nanoribbons bởi phương
pháp khắc plasma từ ống nano và hình chụp AFM của nanoribbon thu được [56]..........36
Hình 3.1 Lưu đồ quy trình thực nghiệm của đề tài.........................................................................39
Hình3.2 Lưu đồ quy trình oxi hóa graphite tạo thành dung dịch GO....................................40

Hình 3.3 Hệ thống khuấy từ, được giữ lạnh (0-5oC).....................................................................39
Hình 3.4 Hệ thống nung và khuấy từ....................................................................................................42
Hình 3.5 Sản phẩm GO thu được............................................................................................................42
Hình 3.6 Ly tâm sản phẩm GO thu được đểrửa và loại bỏ axit và các kim loại hòa tan43
Hình 3.8 Quy trình khử GO thành RGO.............................................................................................44
Hình 3.9 Sản phẩm RGO thu được sau thời gian khử 5-10-15-20 giờ..................................45
Hình 3.10 Hình ảnh của graphene oxít (a) và RGO-20h đã được khử hóa học với
monohydrazine (b).........................................................................................................................................46
Hình 3.11 Sơ đồ thiết bị tạo màng graphene trên đế Si................................................................47
Hình 3.12 Hệ thống phun tạo màng graphene trên đế Si.............................................................48
Hình 3.13 Hệ thống nung nhiệt Aixtron AIX-2000.......................................................................50
Hình 4.1 Kính hiển vi điện tử qt (SEM).........................................................................................52
Hình 4.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)............................................................................49
Hình 4.3 Kính hiển lực ngun tử (AFM)..........................................................................................54

xi


Hình 4.4 Hệ đo phổ tử ngoại – khả kiến ( UV-Vis).......................................................................55
Hình 4.5 Hệ đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)............................................................55
Hình 4.6 Hệ nhiễu xạ tia X (XRD)........................................................................................................56
Hình 4.7 Hệ đo phổ tán xạ Raman.........................................................................................................56
Hình 4.8 Hệ đo phổ quang điện tử tia X..............................................................................................57
Hình 4.9 Hệ đo đặc tuyến I-V..................................................................................................................58
Hình 5.1 Nguyên liệu bột graphite ban đầu.......................................................................................60
Hình 5.2 Ảnh SEM của bột graphite ban đầu...................................................................................60
Hình 5.3 Ảnh SEM của GO......................................................................................................................61
Hình 5.4 Ảnh (a) TEM và (b) AFM của RGO-20h........................................................................63
Hình 5.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại của (a) GO, (b) RGO-20h và (c) RGO-1100oC.........60
Hình 5.6 Minh họa các nhóm chức gắn vào mạng carbon. (Aromatic domain: phần bề

mặt có liên kết sp2; Oxidized domain: bề mặt có liên kết sp3, chỗ khuyết)........................66
Hình 5.7 Phổ hấp thụ ánh sáng UV-vis của GO, RGO-20h và RGO-1100 oC...................67
Hình 5.8 Phổ nhiễu xạ tia X của graphite, GO, RGO-20h và RGO-1100 oC......................68
Hình 5.9 Phổ Raman của bột graphite ban đầu................................................................................71
Hình 5.10 Phổ Raman của graphite, GO, RGO-20h và RGO-1100oC..................................71
Hình 5.11 Phổ XPS thơ của graphite, GO, RGO-20h và RGO-1100oC...............................72
Hình 5.12 Phổ XPS phân giải cao của graphite...............................................................................70
Hình 5.13 Phổ XPS phân giải cao của GO.........................................................................................70
Hình 5.14 Phổ XPS phân giải cao của RGO-20h............................................................................71
Hình 5.15 Phổ XPS phân giải cao của RGO-1100oC....................................................................72
Hình 5.16 Phổ XPS phân giải cao của (a) graphite, (b) GO, (c) RGO-20h,(d) RGO1100oC.................................................................................................................................................................77
Hình 5.17 Phổ XPS của GO đã được khử hố học ở những thời điểm khác nhau: thời
gian khử 5 giờ (RGO-5h), 10 giờ (RGO-10h), 15 giờ (RGO-10h), và 20 giờ (RGO20h)…………………………………………………………………………………… 77
Hình 5.18 Đường đặc trưng Volt-ampere của (a) GO và RGO, (b) RGO-1100oC..........80

xii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tính chất nhiệt của các vật liệu graphene.......................................................................19
Bảng 2.2 Cơ tính của graphene................................................................................................................20
Bảng 5.1 Tỷ số diện tích giữa đỉnh D và đỉnh G (ID/IG) trong phổ Raman.........................65
Bảng 5.2 Nồng độ nguyên tử của C, N, và O của Graphite, GO, RGO-20h và RGO1100o C................................................................................................................................................................73
Bảng 5.3 Thành phần hoá của GO được khử ở những khoảng thời gian khác nhau… 75
o

Bảng 5.4 Độ dẫn điện của GO, RGO và RGO-1100 C………………………………..78

xiii

CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ , Viết tắt

Diễn giải

GBS

Graphene-Based Sheets

GO

Graphene Oxide

RGO

Reduced Graphene Oxide

TCO

Transparent Conducting Oxide

ITO

Indium Tin Oxide

CVD

Chemical Vapor Deposition

SEM

Scanning Electron Microscope

TEM

Transmission Electron Microscope

AFM

Atomic Force Microscope

FTIR

Fourier Transform Infrared Spectroscopy

UV-Vis

Ultrviolet-Visible

XRD

X-ray Diffraction

XPS

X-ray Photoelectron Spectroscopy

DMF

Dimethylformamide

SC

Sodium Cholate

BE

Binding Energy

xiv


Luận văn thạc sĩ 2014

CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ

1


Luận văn thạc sĩ 2014

1.1 GỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay, trong thế giới vật liệu, vật liệu trong suốt dẫn điện (TCO) đóng vai
trị cực kỳ quan trọng do khả năng ứng dụng vơ cùng to lớn của nó trong khoa học
cũng như trong đời sống hằng ngày như: các linh kiện hiển thị, cửa sổ pin mặt trời,
thiết bị sóng âm bề mặt, các loại cảm biến khí, tế bào quang điện… Chính vì lí do đó,
việc nghiên cứu về TCO (Transparent Conducting Oxide) đã được tiến hành trong
nhiều năm gần đây, trong đó dẫn đầu là vật liệu ITO (Indium Tin Oxide). ITO được

chế tạo bằng việc pha tạp In vào SnO, là vật liệu có độ dẫn và độ truyền qua cao nhất
hiện nay, đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị thiết yếu như: Pin mặt trời, các
thiết bị quang điện tử, màn hình tinh thể lỏng, OLED (Organic Light Emitting Diodes)
… Tuy nhiên thực tế hiện nay cho thấy, lượng indium tự nhiên đang khan hiếm dần và
sẽ cạn kiệt trong tương lai gần, trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng tăng đã làm cho
giá cả của indium tăng nhanh đáng kể, và đã lên đến 1000$/kg vào thời điểm giữa năm
2009. Thêm vào đó, ITO cũng hạn chế về khả năng hiệu chỉnh quang học và sự mềm
dẻo cơ học, cho nên vật liệu này bị giới hạn trong các ứng dụng có u cầu tính mềm
dẻo.
Điều này đã đặt ra u cầu cấp thiết cho các nhà khoa học là phải tìm ra được
vật liệu mới có khả năng thay thế cho ITO. Từ năm 2004 một vật liệu mới đã xuất hiện
đó là graphene. Graphene là một cấu trúc đơn lớp của nguyên tử carbon. Trong đó, các
nguyên tử carbon liên kết với nhau tạo thành mạng các hình lục giác đều. Cấu trúc của
graphene cho thấy nó là loại vật liệu mỏng nhất hiện nay vì nó chỉ có bề dày một lớp
nguyên tử. với các đặc tính đáng chú ý đã được công bố là: Suất Young ~1100 GPa, độ
bền chống đứt gãy 125 GPa, độ linh động của hạt tải 200.000 cm 2V-1 s-1, diện tích bề
mặt 2.630 m2g-1 [2], độ dẫn nhiệt của graphene từ (4,84 ± 0,44) ×10 3 đến (5,30 ± 0,48)
×103 Wm-1K-1 [3], độ truyền qua là hơn 70% ở vùng bước sóng 1000-3000 nm [4]. Vì
vậy, việc định hướng nghiên cứu graphene làm vật liệu trong suốt dẫn điện là một định

2


Luận văn thạc sĩ 2014

hướng hoàn toàn mới trong những năm gần đây. Mặc dù chỉ mới bắt đầu được tập
trung nghiên cứu từ năm 2004 nhưng việc chế tạo graphene hiện nay rất đa dạng và
theo nhiều cách thức khác nhau. Các phương pháp chế tạo phổ biến là: Phương pháp
tách lớp cơ học graphite (mechanical exfoliation of graphite), phương pháp epitaxy
(epitaxial growth), phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) và phương pháp

hóa học. Trong đó chế tạo màng graphene từ phương pháp hóa học thơng qua việc tổng
hợp graphite oxít (GO) được xem là khả quan nhất và được quan tâm nhiều nhất trên
thế giới, bởi vì phương pháp này có khả năng tạo ra các màng với diện tích lớn, độ
đồng đều cao, dễ thực hiện và đặc biệt giá thành sản xuất được đánh giá là thấp hơn
hẳn so với các phương pháp khác.
1.2 SỰ CẦN THIẾT TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu phương pháp tổng hợp và tính chất của vật liệu có kích thước siêu
nhỏ, đặc biệt là vật liệu nano là xu thế chung tất yếu của tồn thế giới, bởi vì vật liệu
nano khơng những xuất hiện những tính chất mới lạ mà vật liệu khối cùng thành phần
khơng có được, mà nó cịn đóng vai trị quan trọng trong việc giảm kích thước của thiết
bị, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, nâng cao hiệu quả và giảm ảnh hưởng tới môi
trường. Với những ưu điểm nổi bật đó, vật liệu nano (như tấm nano graphene) đã được
tổng hợp và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vưc khác nhau, chẳng hạn như trong
lĩnh vưc điện tử, lĩnh vực quang điện tử, sinh học, môi trường và cảm biến…
Việt Nam là một trong số nhiều quốc gia trên thế giới đang hướng tới viêc làm
chủ cơng nghệ tổng hợp, đặc trưng tính chất và ứng dụng của vật liệu nano vào trong
nhiều lĩnh vưc khác nhau. Trong bối cảnh trên, đề tài luận văn thạc sĩ : “Nghiên cứu
tổng hợp những tấm nano graphene bằng phương pháp khử hóa học” được thành
lập nhằm mục đích chế tạo và nghiên cứu về lĩnh vực mới đầy hứa hẹn này.

3


Luận văn thạc sĩ 2014

1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Tổng hợp được những tấm nano graphene bằng phương pháp hóa học.
Khảo sát và so sánh một số tính chất đặc trưng của những tấm nano
graphene thu được.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Ơxy hóa graphite thành graphite oxít và phân tán graphite oxít trong dung
mơi phân cực để thu được những lớp graphene oxít.

Hình.1.1 Ơxy hóa graphite thành graphite oxít.

4


Luận văn thạc sĩ 2014

Khử graphite oxít để thu được graphene.

Hình.1.2 Khử graphite oxít để thu được graphene.
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.5.1 Quy trình thí nghiệm tổng hợp tấm đa và đơn lớp nano graphene oxít (GO)
bằng phương pháp Hummor sửa đổi
Vật liệu ban đầu: Bột graphite, H2SO4, H3PO4, HCl (5%), KMnO4, H2O2, dung
mơi (CH3)2NC(O)H (DMF), Monohydrazine.

Hình.1.3 Quy trình thí nghiệm tổng hợp tấm nano GO.

5