Nghiên cứu về chất bán dẫn graphene

Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

1

CHỦ ĐỀ: CHẤT BÁN DẪN GRAPHENE


I. KHÁI NIỆM
1. Khái niệm chất bán dẫn

2.Khái niệm chất bán dẫn grapheme
Graphen là một mảng cacbon có độ dày một nguyên tử - loại vật liệu mỏng
nhất được biết và chắc chắn nhất từng tồn tại trong vũ trụ. Nó bền hơn thép 200
lần và có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần.
II. CẤU TẠO CỦA GRAPHENE
Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của
các nguyên tử cacbon với liên kêt với sp
2
tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên
gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-
ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại.
Chiều dài liên kết cácbon-cácbon trong graphen khoảng 0,142 nm.
Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống
nanô cácbonvà fulleren. Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn, mà trong
trường hợp giới hạn của họ các hidrô cácbon đa vòng phẳng gọi là graphen
Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, do cùng
một nguyên liệu chính là các phân tử cacbon. Về cơ bản Graphenecó cấu trúc
2D. Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các phiến graphene có đường kính 25
µm và dày chỉ 1nm.

III. TÍNH CHẤT CỦA GRAPHEN
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 và 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.
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.
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

2
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 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.

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.
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.

5. Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

3
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.
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.
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 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 1 sơ đồ hiệu ứng Hall lượng tử ứng với
điện dẫn xuất Hall σ
xy

= 4


(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 σ
xy
= 4


, khi B= 12T, T= 4K ta thu được đồ thị như
hình 2. Đường bậc thanh màu xanh là hiệu ứng Hall lượng tử đối với màng
Graphene không đồng nhất mà bị pha tạp, tại σ
xy
=0 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
thì σ
xy
=0 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.
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
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

4
trường ngoài khác nhau. Nhưng tất cả sẽ đi qua điểm trung hòa điện (điểm ứng
với σ
xy
=0).


Hình 1: Hình 2 Hình 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 micro Ohm-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.
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
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

5
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.
IV. PHÂN LOẠI GRAPHENE
1. Graphene đơn
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 đi ểm, 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 graphenerất hiệu
quả.
2. Graphene kép

Gồm 2 lá graphene đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích
thước 2 lớp nguyên tử.
- Trường hợp đối xứng
Các nguyên tử cacbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân
cách giữa hai lớp.
- Trường hợp không đối xứng
Các nguyên tử cacbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân
cách giữa hai lớp.
Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có
khe vùng năng lượng. Đặc biệt loại graphene này có 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 rộngvùng
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

6
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 trênPhysical Review Letters. Đây là loại vật liệu bán
dẫn đầu tiên có độ rộng vùng cấmcó thể thay đổi. Khe vùng này được kiểm
soát một cách chính xác từ 0 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 thểđiều chỉnh cực kỳ dễ dàng, hơn rất nhiều
so với cácvật liệu bán dẫnnhư 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 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. 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.
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

Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

7
V. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA GRAPHENE
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.
2. Nhược điểm của chất bán dẫn Graphene
- Sản xuất những màng graphene rất khó khăn và đắt đỏ.
- 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.
VI. 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. Sau đây là một vài phương pháp phổ biến
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

8

1. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi
Là phương pháp 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.
2. 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. 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(mphenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách
các lớp graphene. Cuối cùng là ly tâm để thu sản phẩm.
4. Phương pháp bóc tách
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.
5. 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
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

9
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.
6. 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.
7. Chế tạo graphene bằng máy xay sinh tố và than chì
Giáo sư vật lý - hóa học Jonathan Coleman đến từ trường Trinity College
Dublin và các cộng sự đã sử dụng những thiết bị thông dụng, sẵn có trên thị

trường, chẳng hạn như máy trộn cắt công suất cao và thậm chí cả máy xay sinh
tố để thử nghiệm. Trước hết, họ đổ một ít bột than chì vào máy xay, cho thêm
nước, rồi cả dung dịch rửa bát và bật máy trộn tốc độ cao. Họ khám phá thấy
rằng, lực cắt do công cụ quay nhanh trong dung dịch có thể đạt cường độ đủ
mạnh để tách các lớp graphene cấu tạo từ các mảnh than chì, mà không làm
hỏng cấu trúc hai chiều của chúng.
- Ngoài ra còn một vài phương pháp khác như : phương pháp chemical
exfoliation, phương pháp micromechanical cleavage, phương pháp băng
keo Scotch, ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp do khó thực
hiện và chỉ tạo ra các màng graphene nhỏ và có độ dầy cao nên ít được
sử dụng

VII. ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE
1. Dây dẫn và điện cực trong suốt
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.Trong khi ống ghép nano cacbon-graphene là một loại vật liệu thay thế cho
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

10
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 một thành phần 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 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
2. FET graphene
Transistor hiệu ứng trường (FETs) 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 polyhydroxystrene 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 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 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.

Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

11
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. 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 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.
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 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
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

12
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.
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 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.
6. Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) ()
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

13
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 nguyên tử
Hydro 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. 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 Thang chia độ dài là 2 nm 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 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 trong kính hiển vi, do đó, tấm cacbon cung cấp một nền đồng
đều mà ta vẫn cho là không có cấu trúc cacbon được xếp trong những sự sắp
xếp thông thường với một khoảng cách không thể phân tích 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.
Hà Nội , Mùa Xuân 2014
NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN
Đặng Văn Nguyên, Nguyễn Văn Tưởng, Bùi Văn Biên,
Nguyễn Trọng Hoàng, Phạm Văn Hòa