Bài giảng cấu trúc graphen

1. Giới thiệu chung


Cũng như than đá và kim cương, fullerene và than chì đã hiện hữu xung quanh ta từ
ngàn xưa. Trong dòng họ carbon, kim cương và than chì là vật liệu có dạng 3 chiều, ống
than nano có dạng 1 chiều và quả cầu fullerene có dạng zero chiều. Theo sự suy nghĩ
lơgic, phải có sự tồn tại của vật thể carbon 2 chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn
bộ dạng thể carbon từ zero đến 3 chiều. Than chì là tập hợp của những lớp graphene .
Những lớp này giống như mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi những liên kết
yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một lực tác động từ ngồi.



Trong thời gian gần đây, tiếp nối quả bóng C60 và ống than nano, sự ra đời của graphene
thuộc dòng họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học một niềm kích động và
các doanh nghiệp một niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến tương lai. Năm 2010,
Andre Geim và Konstantin Novoselov đoạt giải Nobel Vật lý cho các công trình
graphene càng làm cho cao trào nghiên cứu graphene thêm sôi động.



Graphene là vật liệu trong suốt dẫn điện đặc biệt, rất khác so với các vật liệu đã từng
được nghiên cứu trước đây. Chất liệu mới này có một số tính chất độc nhất vơ nhị. Với
bề dày ở mức độ một nguyên tử, có độ truyền qua cao và kết hợp với độ dẫn điện tốt,
nó là một định hướng nghiên cứu hoàn toàn mới so với khuynh hướng nghiên cứu cũ là
oxide kim loại có độ rộng vùng cấm lớn được pha tạp.


 Con người dùng bút chì cũng đã có vài trăm năm nhưng không ai nghĩ động tác viết lên
giấy là dùng sức để phá vỡ những liên kết giữa các lớp graphene. Những đường viết

bám trên giấy chẳng qua là tập hợp những lớp bong than chì chứa vài trăm, vài mươi
lớp graphene và lẩn vào đó có thể là những mảnh graphene chỉ mỏng một vài lớp.

Hình 1: (a) Than chì trong lõi bút chì. (b) Than chì là tập hợp của các mặt phẳng
graphene hình lục giác. Trong mặt phẳng là liên kết cộng hóa trị carbon-carbon
rất bền và giữa các mặt phẳng là các liên kết yếu


2. Định nghĩa


Graphen là dạng carbon 2 chiều có cấu trúc lục giác, dày bằng một lớp nguyên tử
carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Chiều dài liên kết
carbon-carbon trong graphen khoảng 0,142 nm.

Hình 1.Cấu trúc Graphene




Graphene là khối kết cấu cơ bản của nhiều cấu trúc nano khác làm bằng
cacbon như cacbon nanotube, fullerene, graphite.
2D
Graphene

0D
Fullerene

1D
Nanotub

e

3D
Graphite


3. Những đặc trưng cấu trúc của graphen


Trong cấu trúc graphen, mỗi nguyên tử C liên kết với 3 nguyên tử C gần
nhất bằng liên kết σ, tương ứng với trạng thái lai hố sp2. Các vân đạo p
khơng tham gia vào q trình lai hóa mà sẽ xen phủ bên với nhau hình
thành nên liên kết π, các liên kết này khơng định xứ nên hình thành vùng
π dẫn và tạo nên các tính chất điện khác thường của graphene (hình 2).

Hình 2.Các liên kết của các nguyên tử
Carbon trong mạng Graphen




Mặc dù có sự đối xứng cao trong cấu trúc, ô lục giác trong lá graphene không được
chọn làm ô đơn vị, do các nguyên tử C liền kề không có vai trị tương đương nhau
Điều này được thể hiện trong hình 3, khi vai trị của các ngun tử Carbon lân cận
trong mạng các nguyên tử ở vị trí A và vị trí B là khơng tương đương trong hệ toạ
độ Dercates.



Tuy nhiên, một cách tổng quát, có thể xem mạng Graphene là sự tổ hợp của các

mạng con gồm tồn các ngun tử carbon ở vị trí A và các ngun tử ở vị trí B,
trong đó các nguyên tử lân cận hoàn toàn tương đương nhau về mặt cấu trúc và tính
chất.Điều này có nghĩa là cấu trúc mạng tinh thể của graphene có thể được mơ tả
bằng các vector đơn vị của các mạng con này.
y

Nguyên tử C ở vị trí A
Nguyên tử C ở vị trí B

Hình 3


4. Một số tính chất của graphene
a. Tỉ trọng của graphene


Ơ đơn vị lục giác của grapheme gờm hai ngun ử carbon và có diện tích
0,052nm2. Như vậy, chúng ta có thể tính ra tỉ trọng của nó là 0,77mg/m2.



Một cái võng giả thuyết làm bằng grapheme với diện tích 1m2 sẽ cân bằng 0,77mg.
Minh họa (cái võng): Airi lliste

b. 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 pa, trong đó a là hằng số
cấu trúc tinh tế. Như vậy, miếng graphene lơ lửng khơng có màu sắc.

c. Sức bền của graphene
 Graphene có sức bền 42N/m. Thép có sức bền trong ngưỡng 0,25-1,2.10 9N/m2. Với một màng
thép giả thuyết có cùng bề dày như graphene, giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,0840,40N/m. Như vậy, graphene bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần.
 Trong cái võng 1m2 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 vơ 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.
d. Độ dẫn điện của graphene
 Độ dẫn bản của một chất liệu 2D được cho bởi s = enm. Độ linh động trên lí thuyết bị giới hạn
đến m = 200.000 cm2V-1s-1 bởi các phonon âm học ở mật độ hạt mang n = 1012cm-2. Điện trở
tấm 2D, còn gọi là điện trở trên bình phương, khi đó là 31W.
 Cái võng viễn tưởng 1m2 của chúng ta sẽ có điện trở 31W.
 Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96.10-6 W-1m-1 cho graphene. Giá trị này có phần
cao hơn độ dẫn của đồng là 0,60. 10-6 W-1m-1.
e. Độ dẫn nhiệt của graphene
 Sự dẫn nhiệt của graphene bị chi phối bởi các phonon và đã được đo xấp xỉ là 5000 Wm-1K-1.
Đồng ở nhiệt độ phịng có độ dẫn nhiệt 401 Wm-1K-1. Như thế, graphene dẫn nhiệt tốt hơn
đồng 10 lần.


f. Tính chất điện-điện tử của graphen
*Tính chất điện và điện tử của một vật liệu nào đó thường được
đặc trưng bởi cấu trúc vùng năng lượng và đặc điểm của quá
trình truyền điện tử của vật liệu ấy. Tính chất điện tử của
graphene hơi khác với các chất liệu ba chiều thơng thường.
Mặt Fermi của nó được đặc trưng bởi sáu hình nón kép, như
thể hiện trên hình 4. Trong graphene nguyên chất, mức Fermi
nằm ở giao điểm của những hình nón này. 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
khơng.
*Phương trình mơ 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 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

Hình 4


4. Ưu điểm của Graphene


Không giống như các vật liệu khác được sử dụng trong công nghiệp điện tử,
graphene không chỉ là vật liệu mỏng nhất có thể, mà nó cịn cứng hơn thép gấp
10 lần và dẫn điện tốt hơn bất kỳ vật liệu nào được biết ở nhiệt độ thường. Kết
quả là, khi công nghệ silic hiện nay chạm tới ngưỡng giới hạn về thu nhỏ kích
cỡ trong những năm tới, graphene có thể là vật liệu thay thế hồn hảo.



Có hai đặc tính khiến graphene trở nên đặc biệt. Thứ nhất, cấu trúc phân tử
của nó khó bị khiếm khuyết đến mức các nhà nghiên cứu phải tự tạo ra chúng
để nghiên cứu những hiệu ứng của nó. Thứ hai, các điện tử mang điện tích di
chuyển rất nhanh và thường hoạt động như thể chúng có khối lượng nhỏ hơn

nhiều so với khi ở trong các kim loại thường hay siêu dẫn.


5. Ứng dụng
Graphene được xem như là vật liệu nhiều hứa hẹn của tương lai. Sau giải Nobel
(2010) số bài báo cáo đã tăng vọt qua ngưỡng mười ngàn bài mỗi năm và số đăng
ký phát minh cũng tăng theo hàm luỹ thừa. Danh sách ứng dụng của graphene rất
dài, bao gồm mọi ngành khoa học từ sinh y học đến điện tử học với những áp
dụng mang tính đột phá trong dân dụng cũng như quốc phòng.


Độ linh động của graphene là rất cao khiến chất liệu rất hấp dẫn cho các ứng
dụng điện tử cao tần.



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.



Những loại chất liệu hỗn hợp mới dựa trên graphene với sức bền lớn cịn có
thể trở nên hấp dẫn trong các công dụng trong chế tạo phi thuyền và máy bay.



Người ta có thể dùng graphene trong các transistor dùng cho công cụ điện tử
vô tuyến hoạt động ở tần số radio ở MHz (106 Hz) đến GHz (109 Hz),
transistor tần số radio là nhân tố trung tâm điều hành các công cụ vô tuyến
viễn thông.



Một đặc tính khác của graphene là có cường độ tác động rất cao với sóng
terahertz. Sóng terahertz có thể nhìn xun thấu qua vải vóc, plastic nhưng bị
hấp thụ bởi kim loại và hợp chất vô cơ nên là một loại sóng dùng để phát hiện
vũ khí, chất nổ dấu trong người hay hành lý. Sự tương tác giữa graphene và
sóng terahertz cho thấy tiềm năng dùng graphene trong các bộ cảm ứng
terahertz chống khủng bố trong tương lai.



Hiệu ứng Hall lượng tử ở graphene có thể cịn có khả năng góp phần cho một
chuẩn điện trở cịn chính xác hơn nữa trong đo lường học.



Graphene phân tán hay nối kết với chất nền polymer tạo các dung dịch huyền
phù cho mực in dùng để in các mạch điện vi mơ. Mảnh graphene có thể dùng
trong điện cực của pin lithium nhằm gia tăng tuổi thọ của pin.



Các thiết bị điện tử dẻo và các bộ cảm biến chất khí là những ứng dụng tiềm
năng khác.