NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA KEM TẢN NHIỆT SILICON CHỨA THÀNH PHẦN GRAPHENE NANOPLATELETS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Mai Thị Phƣợng

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT KEM TẢN
NHIỆT SILICON CHỨA THÀNH PHẦN GRAPHENE
NANOPLATELETS

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: 8440126.01QTD

`

Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Bùi Hùng Thắng
GS.TS. Nguyễn Năng Định

HÀ NỘI – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong luận văn được trích dẫn lại từ bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và
các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

i

LỜI CẢM ƠN
Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Bùi
Hùng Thắng và GS.TS. Nguyễn Năng Định, người đã trực tiếp giao đề tài và tận
tình hướng dẫn tơi hồn thiện luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cán bộ của Phịng nanơ cácbon và
Trung tâm Ứng dụng và Triển khai Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi về trang
thiết bị và giúp đỡ tơi nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo Trường Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã chỉ bảo giảng dạy tơi trong những năm học
qua cũng như hồn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn Đề tài Sở Khoa học Cơng nghệ mã số 01C-0205-2019-3 đã
tài trợ kinh phí thực hiện luận văn này
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ tình cảm với những người thân trong gia đình, bàn
bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tôi về mọi mặt.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Mai Thị Phƣợng

ii

MỤC LỤC

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................. v
1.1.Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano....................................................... 5
1.1.1.Các vật liệu cácbon cấu trúc nano ................................................................... 5
1.1.2.Vật liệu vật liệu Graphene .............................................................................. 7
1.1.3.Tính chất nhiệt của vật liệu graphene.............................................................. 9
1.1.4.Ứng dụng của vật liệu graphene.................................................................... 11
1.2.Tổng quan về kem tản nhiệt............................................................................. 15
1.2.1.Vật liệu tiếp giáp .......................................................................................... 15

1.2.2.Phân loại vật liệu tiếp giáp............................................................................ 17
1.2.3.Thành phần và tính chất kem tản nhiệt.......................................................... 18
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .......................................................................... 29
2.1. Đề xuất ứng dụng graphene trong kem tản nhiệt ............................................. 29
2.2. Các hóa chất và thiết bị sử dụng chế tạo vật liệu............................................. 29
2.2.1. Các hóa chất và vật liệu sử dụng.................................................................. 29
2.2.2. Các trang thiết bị ......................................................................................... 30
2.2. Phương pháp chế tạo....................................................................................... 32
2.2.1. Phương pháp biến tính Gr-COOH................................................................ 32
2.2.2. Quy trình chế tạo kem tản nhiệt graphene .................................................... 33
2.3. Các phương pháp phân tích và khảo sát tính chất vật liệu ............................... 34
2.3.1 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)....................................... 34
2.3.2 Phổ tán xạ Raman ......................................................................................... 35
2.3.3. Phổ hồng ngoại biến đổi fourier................................................................... 35
2.3.4. Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB-100....................................................... 36

iii

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 39
3.1. Kết quả biến tính vật liệu graphene................................................................. 39
3.2. Kết quả phân tán graphene trong nền kem silicon ........................................... 42
3.3. Kết quả khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt............................................. 46
3.3. Kết quả mơ hình tính tốn lý thuyết ................................................................ 48
3.4. Kết quả thử nghiệm tản nhiệt cho bộ xử lý Intel Core i5 ................................. 51
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 54
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ....................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56

iv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu.................................................................10
Bảng 2. Tóm tắt đặc tính các loại vật liệu tiếp giáp.................................................17

v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của kim cương và graphit ...............................................5
Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của fulleren.......................................................................6
Hình 1.3. Các dạng cấu trúc của CNTs ......................................................................7
Hình 1.4. Graphene - vật liệu có cấu trúc cơ bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác
(0D, 1D, và 3D)...........................................................................................................7
Hình 1.5. Các liên kết của nguyên tử cácbon trong mạng graphene..........................9
Hình 1.6. Cấu trúc transitor FET sử dụng kênh dẫn bằng graphene ........................12
Hình 1.7. (a) Màng dẫn điện trong suốt graphene chế tạo bằng phương pháp CVD
và (b) Ứng dụng màng graphene làm màn hình cảm ứng.........................................13
Hình 1.8. Sự “bám dính” của các phân tử khí trên bề mặt graphene được sử dụng để
chế tạo cảm biến nhạy khí, cảm biến sinh học..........................................................14
Hình 1.9. Bề mặt giao diện của bộ phận nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt.............16
Hình 1.10. Kết quả nghiên cứu của nhóm Qian Wang.............................................20
Hình 1.11. Kết quả nghiên cứu của nhóm Wei Yu và mơ hình dự đốn lý thuyết
của Nan ....................................................................................................................21
Hình 1.12. Kết quả nghiên cứu của nhóm Haixu với dự đốn của mơ hình
Hamiton- Crosser ......................................................................................................21
Hình 1.13. Kết của nghiên cứu nhóm Hongyuan Chen với các loại CNTs khác nhau ..... 22
Hình 1.14. Khảo sát nhiệt độ khi sử dụng kem chứa MWCNTs của nhóm Gou
Yujun ....................................................................................................................23
Hình 1.15. Kết quả nghiên cứu của nhóm Haiping Hong ........................................24
Hình 1.16. Kết quả nghiên cứu của nhóm Wei Yu [41]...........................................25
Hình 1.17. Kết quả nghiên cứu của nhóm Xuhua He...............................................25

Hình 1.18. Kết quả nghiên cứu của nhóm Weijie Liang..........................................26
Hình 1.19. So sánh độ dẫn nhiệt và tăng cường độ dẫn nhiệt của kem nhiệt có và
khơng có graphene của nhóm Wei Yu [40] ..............................................................27

vi

Hình 1.20. Kết quả của nhóm Khan MF Shahil (a) Khảo sát độ dẫn nhiêt của TIM
với nồng độ khác nhau. (b) Xác định thực nghiệm sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt của
TIM vào nhiệt độ.......................................................................................................28
Hình 2.1. Ảnh SEM vật liệu Graphene nanoplatetes sử dụng trong thí nghiệm......29
Hình 2.2. Thiết bị nghiền bi năng lượng cao (8000D Mixer/Mill) ..........................30
Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị nghiền bi năng lượng cao................................................31
Hình 2.4. Quy trình biến tính graphene với nhóm chức –COOH ............................32
Hình 2.5. Quy trình chế tạo kem bằng thiết bị nghiền bi năng lượng cao ...............33
Hình 2.6. Kính hiểu vi điện tử quét phát xạ trường..................................................34
Hình 2.7. Thiết bị đo độ dẫn nhiệt............................................................................36
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống làm mát sử dụng kem nhiệt có chứa Gr-COOH..............38
Hình 3.1. (a) Kết quả FESEM của graphene nanoplatelets, (b) Mặt cắt của graphene 39
Hình 3.2. Kết quả raman Gr-COOH.........................................................................40
Hình 3.3. Kết quả FTIR của graphene và Gr-COOH...............................................41
Hình 3.4. (a) Hình ảnh FESEM của kem silicon, (b) phổ EDS của kem silicon .....42
Hình 3.5. Hình ảnh mẫu kem được chế tạo với thời gian nghiền khác nhau ...........43
Hình 3.6. Ảnh FESEM của kem tản nhiệt chứa Gr-COOH theo thời gian nghiền. .43
Hình 3.7. Ảnh FESEM sự phân tán của graphene trong kem ..................................44
Hình 3.8. Ảnh FESEM sau khi nung cho thấy rõ sự xuất hiện của graphene bên
cạnh các hạt dẫn nhiệt. ..............................................................................................45
Hình 3.9. Kết quả Raman của kem nhiệt chứa 1 % Graphene .................................45
Hình 3.10. Kết quả độ dẫn nhiệt với thời gian nghiền khác nhau............................46
Hình 3.11. Kết qủa đo độ dẫn nhiệt của kem chứa graphene...................................47
Hình 3.12. Kết quả đo độ dẫn nhiệt của kem khi chứa dầu và khơng dầu...............47

Hình 3.13. Mơ hình tính tốn Nan............................................................................50
Hình 3.14. Mơ hình tính tốn của Murshed .............................................................51
Hình 3.15. Kết quả khảo sát nhiệt độ bộ vi xử lý theo thời gian hoạt động trong
trường hợp sử dụng kem nhiệt ..................................................................................52
Hình 3.16. Kết quả độ tăng tuổi thọ của kem tản nhiệt graphene so với kem silicon .. 53

vii

PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của kem tản nhiệt
Silicon chứa thành phần graphene nanoplatelets”

2. Lý do chọn đề tài:

Sự phát triển của công nghệ vi điện tử, nano điện tử ngày nay cho phép các
linh kiện điện tử và quang điện tử tăng mạnh cả về mật độ linh kiện, công suất và
tốc độ hoạt động. Tuy nhiên các linh kiện điện tử, nhất là các linh kiện điện tử công
suất cao như điốt phát quang công suất cao High Brightness LED (HB-LED) hay vi
xử lý máy tính (CPU) khi hoạt động trong một thời gian đủ dài sẽ tiêu tốn năng
lượng và giải phóng nhiệt lượng lớn. Do vậy việc cải tiến nâng cao hiệu quả tản
nhiệt sẽ giúp kéo dài tuổi thọ, tăng hiệu suất và công suất phát quang của LED,
nâng cao tốc độ hoạt động của CPU nói riêng và các linh kiện điện tử cơng suất
khác nói chung. Do bề mặt nguồn nhiệt và bộ phận tản nhiệt có độ mấp mơ, khơng
tiếp xúc hồn tồn với nhau nên hiệu quả tản nhiệt bị giảm đi đáng kể tại lớp tiếp
giáp, để khắc phục vấn đề này, người ta bổ sung một lớp kem ở giữa bề mặt nguồn
nhiệt và bộ phận tản nhiệt. Độ dẫn nhiệt của lớp kem trở thành yếu tố then chốt
quyết định hiệu suất tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất lớn như điốt phát
quang (LED), vi xử lý máy tính (CPU), thiết bị Laser…. Vì vậy, tăng độ dẫn nhiệt
cho kem tản nhiệt là vấn đề được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm phát triển.

Do kem tản nhiệt thông thường có chứa rất nhiều chất kết dính với độ dẫn
nhiệt thấp làm ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của toàn bộ kem tản nhiệt. Để tăng hệ
số dẫn nhiệt của kem các vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao như oxit kim loại, các chất
vô cơ... được đưa vào nền kem. Tuy nhiên, vật liệu này khơng có sự phân tán hồn
tồn trong kem, chúng có xu hướng tụ đám trở thành một hạt có đường kính lớn và
gây ra các ảnh hưởng xấu trong việc tản nhiệt các linh kiện cơng suất cao, do đó ảnh
hưởng đến hiệu suất dẫn nhiệt của kem tản nhiệt. Để khắc phục vấn đề này, chúng
tôi đề xuất đến phương pháp nghiền bi năng lượng cao để phân tán graphene như
chất phụ gia cho kem tản nhiệt trong quá trình làm mát cho các thiết bị điện tử công
suất cao như CPU, LED, Laser ...

1

Cùng với sự phát triển của công nghệ nanô, nhiều loại vật liệu nanơ mới ra
đời, trong đó graphene là vật liệu có nhiều tính chất cơ lý ưu việt, đặc biệt chúng có
độ dẫn nhiệt lớn kGraphene ~ 5000 W/m.K (so với độ dẫn nhiệt của Ag là 419
W/m.K). Vì vậy, vật liệu này đã mở ra khả năng ứng dụng trong lĩnh vực tản nhiệt
cho các linh kiện và thiết bị điện tử công suất lớn.

Dựa vào những kết quả nghiên cứu chế tạo thành công vật liệu graphene và
những thành tựu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới, chúng tơi đặt mục tiêu ứng
dụng graphene trong kem tản nhiệt cho các linh kiện điện tử, thiết bị công suất lớn.
Do đó tơi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát
tính chất của kem tản nhiệt Silicon chứa thành phần graphene nanoplatelets” là
đề tài nghiên cứu.

3. Nội dung nghiên cứu

Để thực hiện mục tiêu đề ra, luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu chính

sau đây:

- Biến tính vật liệu graphene với nhóm –COOH, khảo sát sự biến đổi của cấu
trúc và xác định các liên kết của nhóm chức thơng qua các phéo đo phổ Raman và
phổ FTIR.

- Nghiên cứu khảo sát sự phân tán của graphene trong nền silicon theo nồng độ
(0,25%-1%) và thời gian nghiền từ (0,5h đến 4h) bằng thiết bị nghiền bi năng lượng
cao (8000D Mixer/Mill). Xác định điều kiện tối ưu để phân tán vật liệu graphene
trong nền kem tản nhiệt.

- Nghiên cứu khảo sát độ dẫn nhiệt của kem với nồng độ Gr-COOH và thời
gian nghiền

- bằng thiết bị đo nhiệt THB.
- Áp dụng mơ hình tính tốn Nan và mơ hình Murshed với kết quả thử nghiệm
xác định các yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến việc tăng cường độ dẫn nhiệt hiệu quả
TBR và Ki.
- Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của kem tản nhiệt graphene cho vi xử lý Intel
Come i5 bằng cách sử dụng phần mềm chuyên dụng Core Temp 1.10.2-64 bit và
cảm biến nhiệt độ tích hợp bên trong bộ vi xử lý để đo nhiệt độ của bộ vi xử lý.

2

4. Ý nghĩa thực tiễn đề tài
Việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp, điều kiện tối ưu để chế tạo kem tản
nhiệt chứa thành phần graphene có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng
những yêu cầu về mặt khoa học, làm chủ được quy trình và cơng nghệ chế tạo vật
liệu, để chế tạo ra kem tản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt cao cho các thiếu bị điện tử công
suất lớn. Việc chế tạo thành công kem tản nhiệt có kệ số dẫn nhiệt cao với thành

phần rất nhỏ của graphene có ứng dụng lớn trong thực tiễn, tính thời sự cao và tiềm
năng ứng dụng trong quản lý nhiệt cho các thiết bị điện tử công suất lớn.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp tính tốn lý
thuyết

6. Bố cục luận văn
Luận văn có 3 chương:
Chƣơng 1: Giới thiệu về vật liệu graphene, những tính chất ưu việt và các ứng
dụng của vật liệu graphene. Tổng quan về các vật liệu giao diện nhiệt, kem tản
nhiệt, thành phần, tình hình nghiên cứu trên thế giới về kem tản nhiệt.
Chƣơng 2: Trình bày thực nghiệm chế tạo kem tản nhiệt chứa thành phần
graphene và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng quá trình chế tạo kem. Hình thái học và
cấu trúc của kem tản nhiệt được khảo sát bằng phương pháp FESEM và Raman.
Chúng tôi sử dụng phương pháp đo FTIR để kiểm tra liên kết hóa học graphene sau
khi gắn nhóm chức –COOH. Phương pháp đo độ dẫn nhiệt THB và tính tốn lý
thuyết được sử dụng để khảo sát độ dẫn nhiệt của kem tản nhiệt. Để kiểm tra hiệu
quả tản nhiệt của kem chúng tôi thử nghiệm ứng dụng trong tản nhiệt cho vi xử lý
Intel Core i5.
Chƣơng 3: Đánh giá các kết quả về graphene biến tính nhóm –COOH, độ phân
tán graphene trong kem silicon và độ dẫn nhiệt graphene được đánh giá qua các
phép phân tích FESEM, Raman, FTIR, đo độ dẫn nhiệt THB. Kết quả mơ hình tính
tốn lý thuyết được so sánh với kết quả thực nghiệm để xác định các yếu tố TBR và

3

Ki. Kết quả thử nghiệm ứng dụng kem tản nhiệt graphene cho vi xử lý Intel Core i5
cho thấy hiệu quả cũng như tiềm năng ứng dụng lớn trong tản cho CPU nói riêng và
các linh kiện, thiết bị điện tử cơng suất lớn nói chung.

4

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về vật liệu cácbon cấu trúc nano
1.1.1. Các vật liệu cácbon cấu trúc nano

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của kim cương và graphit
Trước năm 1985 cácbon được biết đến với ba dạng thù hình chính là cácbon vơ
định hình, kim cương và graphit. Trong đó, cácbon dạng vơ định hình là dạng phổ
biến nhất, ở dạng này cácbon tự do trong trạng thái phi tinh thể, khơng có quy luật.
Cácbon chủ yếu có cấu trúc tinh thể của graphit nhưng không liên kết lại thành dạng
tinh thể lớn. Chủ yếu có màu đen, dễ cháy, xuất hiện nhiều dạng khác nhau trong tự
nhiên như than đá, than cốc, than gỗ [10].
Kim cương và graphit là hai dạng thù hình có cấu trúc tinh thể 3 chiều phổ biến
của cácbon (hình 1.3). Cấu trúc của kim cương có thể được mơ tả bằng hai mạng
lập phương tâm mặt dịch chuyển đối với nhau theo đường chéo chính một đoạn
bằng ¼ đường chéo đó. Kim cương tồn tại ở hai cấu trúc tinh thể cơ bản (lập
phương và lục giác) với nhiều tính chất cơ lý ưu việt. Trong dạng cấu trúc lập
phương, mỗi nguyên tử cácbon liên kết với bốn nguyên tử cácbon khác ở xung
quanh gần nhất bởi bốn liên kết σ ở trạng thái lai hóa sp3, các liên kết này đều là các
liên kết cộng hóa trị [27, 28]. Khoảng cách giữa các nguyên tử cácbon trong tinh thể
kim cương là 1,544 Å. Vì năng lượng liên kết giữa các nguyên tử cácbon trong tinh
thể kim cương là rất lớn nên kim cương rất cứng và bền. Graphit (hay còn gọi than
chì) có cấu trúc lớp, các ngun tử cácbon ở trạng thái lai hoá sp2 sắp xếp thành các

5

lớp mạng lục giác song song. Liên kết giữa các lớp mạng liên kết với nhau bằng
một lực liên kết liên kết Van Der Waals do khoảng cách giữa các lớp là 3,354 Å.

Tuy nhiên lực Van Der Waals khá yếu nên các lớp graphit dễ trượt lên nhau. Bên
trong mỗi lớp mỗi một nguyên tử cácbon liên kiết phẳng với ba nguyên tử cácbon
khác bên cạnh bằng liên kết cộng hóa trị với góc liên kết là 1200. Khoảng cách giữa
các nguyên tử cácbon trong cùng một lớp mạng là 1,42 Å [13].

Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản của fulleren
Đến năm 1985, trong khi nghiên cứu về cácbon Kroto và đồng nghiệp đã khám
phá ra một tập hợp lớn các nguyên tử cácbon kết tinh dưới dạng phân tử có dạng
hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình này được gọi là Fulleren C60 [22].
Fulleren là tập hợp các nguyên tử cácbon phân bố khép kín dưới dạng hình lục giác,
ngũ giác với sắp xếp thành một mặt cầu hoặc mặt elip. Liên kết chủ yếu giữa các
nguyên tử cácbon là liên kết sp2. Ngoài ra có xen lẫn với một vài liên kết sp3, do
vậy các ngun tử cácbon khơng có tọa độ phẳng mà có dạng mặt cầu hoặc elip.
Năm 1990, Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than tạo ra do sự phóng
điện hồ quang giữa 2 điện cực graphit có chứa C60 và các dạng fulleren khác như
C70, C80 [8].
Năm 1991, trong quá trình chế tạo fulleren S. Iijima đã khám phá ra một cấu
trúc mới của cácbon với kích thước cỡ nanomet và có dạng hình ống, cấu trúc này
được gọi là ống nanô cácbon đa tường (MWCNTs) [25]. Hai năm sau, Iijima và
Bethune tiếp tục khám phá ra ống nanơ cácbon đơn tường (SWCNT) có đường kính

6

1,4 nm và chiều dài cỡ micromét. Kể từ đó đến nay, có hai loại ống nanơ cácbon
(CNTs) được biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNT) và CNTs đa tường
(MWCNTs).

Hình 1.3. Các dạng cấu trúc của CNTs
1.1.2. Vật liệu vật liệu Graphene

Hình 1.4. Graphene - vật liệu có cấu trúc cơ bản (2D) cho các vật liệu cacbon khác
(0D, 1D, và 3D)

Graphene là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử cacbon được sắp xếp
chặt chẽ trong mạng tinh thể hình tổ ong 2 chiều (2D). Graphene được cuộn lại sẽ
tạo nên dạng thù hình fulleren 0D, được quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình ống nanơ

7

cácbon 1D, hoặc được xếp chồng lên nhau sẽ tạo nên dạng thù hình graphit 3D
(hình 1.5). Vì đặc điểm trên mà những lý thuyết về graphene đã bắt đầu được
nghiên cứu từ những năm 1940. Năm 1946, P.R. Wallace là người đầu tiên viết về
cấu trúc vùng năng lượng của graphene [4], và đã nêu lên những đặc tính dị thường
của loại vật liệu này. Còn những nghiên cứu về thực nghiệm thì chưa được phát
triển bởi vì các nhà khoa học cho rằng cấu trúc tinh thể 2 chiều với bề dày chỉ bằng
1 nguyên tử không tồn tại và các thiết bị kỹ thuật lúc bấy giờ cũng không thể quan
sát thấy các cấu trúc này

Đến năm 2004, hai nhà khoa học A. Geim và K. Novoselov (Đại học
Manchester, Vương quốc Anh) đã tách thành công đơn lớp graphene với số lượng
lớn từ than chì khối. Đơn lớp graphene được chuyển lên một đế SiO2 bằng q trình
“tách vi cơ” hoặc cịn gọi là “Kỹ thuật băng keo Scotch” [30]. Lớp SiO2 tương tác
yếu và có thể coi như cơ lập điện với graphene, do vậy mà lớp graphene được coi là
trung lập và mang những tính chất đặc trưng riêng của chính bản thân nó. Từ đó vật
liệu này đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới bởi các
đặc tính vượt trội của nó. Những đóng góp của A. Geim và K. Novoselov đã mang
lại giải Nobel Vật lý cho họ vào năm 2010 [24].

1.1.2.1. Cấu trúc của vật liệu graphene

Về mặt cấu trúc, màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử cácbon sắp
xếp theo hình lục giác ở trên một mặt phẳng, đây còn được gọi là cấu trúc tổ ong.
Trong đó mỗi nguyên tử liên kết bởi ba nguyên tử cácbon gần nhất bằng liên kết
cộng hóa trị sigma (σ) bền vững tạo thành sự xen phủ của các trạng thái sp, tương
ứng với trạng thái lai hóa sp2.

Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử cácbon nên chỉ có bốn điện
tử phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trị quan trọng trong việc liên kết hóa học
giữa các nguyên tử với nhau [9]. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử cácbon lai
hóa với nhau tạo thành 3 trạng thái sp, các trạng thái này định hướng theo ba
phương tạo với nhau một góc 120o. Mỗi trạng thái sp của nguyên tử cácbon này xen
phủ với một trạng thái sp của nguyên tử cácbon khác hình thành nên liên kết cộng
hóa trị sigma (σ) bền vững. Chính các liên kết σ này quy định cấu trúc mạng tinh

8

thể graphene ở hình dạng tổ ong và lý giải tại sao graphene rất bền vững về mặt cơ
học và trơ về mặt hóa học trong mặt phẳng mạng. Ngồi các liên kết sigma, giữa hai
nguyên tử cácbon lân cận còn tồn tại một liên kết pi (π) khác kém bền vững hơn
hình thành do sự xen phủ của các orbital pz khơng bị lai hóa với các orbital s. Do
liên kết π này yếu và có định hướng khơng gian vng góc với các orbital sp nên
các điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang
của graphene. Hình 1.7 mơ hình hóa các liên kết của một ngun tử cácbon trong
mạng graphene.

Hình 1.5. Các liên kết của nguyên tử cácbon trong mạng graphene
Việc chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) graphene đã bổ sung đầy đủ hơn
về các dạng thù hình tồn tại trước đó của cácbon là than chì ba chiều (3D), ống nanơ
cácbon một chiều (1D) và fulleren khơng chiều (0D). Ngồi ra, vật liệu graphene
cịn có những tính chất cơ, nhiệt, quang tốt hơn hẳn các dạng thù hình trước điều

này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu đầy tiềm năng hứa hẹn trong tương
lai.
1.1.3. Tính chất nhiệt của vật liệu graphene
Vật liệu graphene kể từ khi được phát hiện đã thu hút được sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực khác nhau do chúng có những tính chất vật
lý, hóa học đặc biệt ưu việt [11,32]. Đặc biệt tính chất nhiệt của graphene vượt trội
hơn các vật liệu các ở nhiệt độ bình thường

9

Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn nhiệt nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt
độ thường. Bản thân graphene là chất dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt của graphene được đo
ở nhiệt độ phòng ~ 5000W/mK cao hơn các dạng cấu trúc khác của cácbon là ống
nano cácbon [34], than chì và kim cương. Graphene dẫn nhiệt theo các hướng là
như nhau trên mặt phẳng. Khi mà các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ và
mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện càng
quan trọng. Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm
năng cho các ứng dụng trong tương lai. Bảng 1 thống kê độ dẫn nhiệt của một số
vật liệu.

Bảng 1. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu [14]

Vật liệu Độ dẫn nhiệt (W/mK)

Kim cương 1000

Bạc 406,0

Đồng 385,0

Vàng 314

Đồng thau 109,0

Nhôm 205,0

Sắt 79,5

Thép 50,2

Chì 34,7

Thủy ngân 8,3

Đá bang 1,6

Thủy tinh 0,8

Bê tông 0,8

Nước ở 200C 0,6

10

Amiăng 0,08
Sợi thủy tinh 0,04
Gạch chịu nhiệt 0,15
Gạch thô 0,6
Tấm xốp gỗ 0,04
Gỗ rỉ 0,04

Bông khoáng 0,04
Nhựa PE 0,033
Nhựa PU 0,02
Gỗ 0,12-0,04
Khơng khí ở 00C 0,024
Silica aerogel 0,003

1.1.4. Ứng dụng của vật liệu graphene

Mặc dù chỉ mới bắt đầu phát triển từ năm 2004, nhưng với những tính chất ưu việt
như đã nêu trên, vật liệu graphene đã trở thành tâm điểm cho những nghiên cứu khoa
học trên thế giới và đã được ứng dụng bước đầu trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ
tính trong vịng khoảng 10 năm trở lại đây, số lượng các công bố về graphene đã tăng
vọt. Không chỉ giới khoa học trong các trường đại học, viện nghiên cứu quan tâm mà
các tập đồn cơng nghệ cũng để ý và có nhiều phát minh sáng chế về lĩnh vực này. Độ
dẫn điện, dẫn nhiệt cực tốt, kết hợp với khả năng thay đổi tính chất dẫn điện uyển
chuyển (loại n/loại p, bán dẫn / kim loại), do đó graphene được kỳ vọng là vật liệu điện
tử cho nhiều linh kiện như transitor đóng mở nhanh, mạch tích hợp, làm điện cực cho
pin mặt trời, mạch dẫn điện, v.v... Kết hợp với diện tích bề mặt lớn, graphene có thể sử
dụng làm điện cực trong siêu tụ điện, cảm biến hóa học, pin nhiên liệu. Độ bền cơ học
cao, độ đàn hồi tốt, khả năng hấp thụ ánh sáng nhỏ, graphene cũng đang được tập trung
nghiên cứu trong lĩnh vực màng dẫn điện trong suốt. Màng graphene vừa có độ trong

11

suốt cao, dẫn điện tốt và khả năng biến đổi hình dạng dễ dàng, hơn hẳn những tính chất
của màng ITO (Indium-tin-oxide) truyền thống và sắp bị cạn kiệt. Sau đây là một số
khái quát những ứng dụng tiêu biểu, có khả năng thương mại hóa cao của vật liệu
graphene [4].

 Graphene- transistor hiệu ứng trƣờng
Khi mà cơng nghệ mạch tích hợp trên nền vật liệu Si đang đi tới giới hạn theo định
luật Moore, việc tìm ra một loại vật liệu mới để bổ sung, thay thế Si trở thành một điều
bức thiết. Kể từ khi được tìm ra vào năm 2004, graphene thu hút sự quan tâm mạnh mẽ
của các nhà khoa học trên thế giới. Với độ dẫn điện cao, độ bền cơ học lớn, graphene
đang được tập trung nghiên cứu với mục tiêu ứng dụng trong các linh kiện điện tử, tiêu
biểu là chế tạo các transistor hiệu ứng trường (FET). Transistor hiệu ứng trường (FET)
được chế tạo bằng cách làm nóng bánh xốp SiC để tạo ra một lớp mặt gồm những
nguyên tử cácbon ở dạng graphene. Các cực phát và thu song song được phủ lên trên bề
mặt vật liệu graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chúng. Tiếp theo,
phủ một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà khơng làm ảnh hưởng
bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Để làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một
lớp poly-hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường
được phủ lên trên bề mặt, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại. Chiều dài cổng tương
đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa
hiệu suất của dụng cụ.

Hình 1.6. Cấu trúc transitor FET sử dụng kênh dẫn bằng graphene

12