Chế tạo màng dẫn điện trong suốt từ graphene được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HUỲNH QUANG LÂM

CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT TỪ GRAPHENE
ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
LẮNG ĐỌNG HƠI HÓA HỌC

Ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: TS. TRẦN NĂM TRUNG

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “ Chế tạo màng dẫn điện trong suốt từ graphene
được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học” là cơng trình nghiên
cứu của cá nhân tôi trong thời gian qua. Các số liệu, kết quả trình bày trong đề
án này là hồn tồn trung thực và khơng sao chép hay sử dụng kết quả từ các
đề tài khác. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về tính trung thực trong thơng
tin sử dụng trong cơng trình nghiên cứu này.

Học viên

Huỳnh Quang Lâm

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS. Trần
Năm Trung, Bộ môn Vật lý – Khoa học Vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên,
Trường Đại học Quy Nhơn, người đã tận tình hướng dẫn tơi hồn thiện đề án
này.

Xin trân trọng ghi ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý - Khoa học vật
liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn, đã nhiệt tình truyền
dạy kiến thức, phương pháp nghiên cứu căn bản và những công cụ hỗ trợ đắc
lực cho quá trình làm việc và nghiên cứu hiện tại cũng như trong tương lai của
những người đi sau.
Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu Trường THPT Quang Trung
– An Khê, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người thân yêu đã luôn động
viên, quan tâm, hỗ trợ tơi về mọi mặt trong suốt khố học.
Do giới hạn về thời gian nghiên cứu nên đề án này không tránh khỏi
những thiếu sót trong q trình thực hiện. Rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của
q Thầy Cơ, anh chị, bạn bè để đề án được hoàn thiện tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn tất cả!
Trân trọng.

Học viên

Huỳnh Quang Lâm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1

1. Lý do chọn đề tài........................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 3

4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 3
5. Cấu trúc đề án ............................................................................................ 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE................................ 5
1.1. Cấu trúc của vật liệu graphene................................................................ 5

1.1.1. Sự phát hiện vật liệu graphene.......................................................... 5
1.1.2. Cấu trúc của vật liệu graphene.......................................................... 7
1.1.3. Một số tính chất của vật liệu graphene ............................................. 8
1.2. Các phương pháp chuyển màng graphene ............................................ 11
1.2.1. Chuyển ướt (Wet transfer) .............................................................. 12
1.2.2. Chuyển qua trung gian bong bóng điện hố (Electrochemical
bubble transfer) ......................................................................................... 13
1.2.3. Chuyển khô (Dry transfer) .............................................................. 14
1.2.4. Chuyển cuộn sang cuộn (R2R: Roll-to-roll transfer) ..................... 14
1.3. Ứng dụng của graphene ........................................................................ 15
1.3.1. Pin Lithium Ion ............................................................................... 15
1.3.2. Siêu tụ ............................................................................................. 16
1.3.3. Graphene transistor hiệu ứng trường .............................................. 16
1.3.4. Cảm biến điện hóa và cảm biến sinh học ....................................... 17
1.3.5. Màng dẫn điện trong suốt ............................................................... 17

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .............................................. 19
2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ........................................................... 19
2.1.1. Thiết bị, dụng cụ ............................................................................. 19
2.1.2. Hóa chất .......................................................................................... 21
2.2. Thực nghiệm tách và chuyển màng graphene ...................................... 22
2.2.1. Quy trình tách và chuyển màng graphene ...................................... 22
2.2.2. Thực nghiệm tách và chuyển màng graphene ................................ 24
2.3. Kết quả và thảo luận.............................................................................. 31
2.3.1. Hình thái bề mặt của màng graphene ............................................. 31

2.3.2. Cấu trúc của màng graphene........................................................... 34
2.3.3. Tính chất của điện cực trong suốt graphene ................................... 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 42
KẾT LUẬN.................................................................................................. 42
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO........................................................ 43

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 45
QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

ITO Oxit thiếc indi Indium tin oxide

OLED Diode phát sáng hữu cơ Organic Light Emitting

Diode

OPV Quang điện hữu cơ Organic Photovoltaics

CNTs Ống nano carbon Carbon Nanotubes

OM Kính hiển vi quang học Optical Microscopy

SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron

Microscopy

MWCNT Ống nano cacbon đa tường Multi Wall Carbon Nanotube

SWCNT Ống nano cacbon đơn tường Single Wall Carbon

Nanotube

CVD Lắng đọng hơi hóa học Chemical Vapor Deposition

DI Nước khử ion Deionized Water

FET Transitor hiệu ứng trường Field Effect Transistor

Gr Graphene

Cu Đồng Copper

I-V Đặc trưng dòng điện – điện Curent – Voltage Curves

thế

PET Polyethylene Terephthalate

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu ............................................................ 9
Bảng 1.2. Độ dẫn điện của một số vật liệu ........................................................... 10
Bảng 2.1. Giá trị dòng điện tại điện thế 2,5 V của các mẫu graphene trên đế thủy

tinh và đế PET. ...................................................................................... 41

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cấu trúc của (a) graphite, (b) kim cương và (c) fullerence .................. 5
Hình 1.2. Ảnh HRTEM của MWCNT được Iijima quan sát năm 1991: (a) 5

tường, (b) 2 tường, (c) 7 tường .............................................................. 6
Hình 1.3. Các liên kết của mỗi nguyên tử carbon trong mạng graphene . ............ 7
Hình 1.4. Graphene là vật liệu gốc của các dạng graphite khác ........................... 8
Hình 1.5. Kỹ thuật đo tính chất cơ của graphene ................................................... 9
Hình 1.6. Minh họa sơ đồ quy trình chuyển graphene từ đế Cu lên đế mới bằng

phương pháp chuyển ướt ...................................................................... 12
Hình 1.7. Quy trình chuyển bong bóng điện hố ................................................. 13
Hình 1.8. Quy trình chuyển khơ ............................................................................ 14
Hình 1.9. Quy trình chuyển cuộn sang cuộn ........................................................ 15
Hình 1.10. Cấu trúc của graphene.......................................................................... 17
Hình 1.11. Cấu tạo của OLED sử dụng graphene là lớp điện cực trong suốt .... 18
Hình 2.1. Một số thiết bị được sử dụng làm thí nghiệm: (a) Cân phân tích, (b)

Máy khuấy từ, (c) Máy khuấy từ gia nhiệt, (d) Đồng hồ vạn năng.... 19
Hình 2.2. Tủ sấy Menmert. .................................................................................... 20
Hình 2.3. Lị nung dạng ống Nabertherm.............................................................. 20
Hình 2.4. Ảnh chụp của (a) Graphene trên đế Cu, (b) đế thủy tinh và (c) đế

PET. ............................................................................................................. 21
Hình 2.5. Một số hóa chất sử dụng làm thí nghiệm: (a) FeCl3, (b) (NH4)2S2O8,

(c) Acetone............................................................................................. 21
Hình 2.6. Sơ đồ quy trình chuyển màng graphene lên đế thủy tinh. ................... 22

Hình 2.7. Ảnh chụp quá trình ăn mòn đế Cu bằng dung FeCl3: (a) lúc bắt đầu ăn

mòn, (b) sau khi ăn mòn 20 phút, (c) sau khi ăn mịn 30 phút. .......... 24
Hình 2.8. (a) Ảnh chụp quá trình làm sạch và loại bỏ dung dịch ăn mòn bằng

nước DI. (b) Lớp PMMA/graphene sau quá trình làm sạch, được chỉ
thị bằng mũi tên. .................................................................................... 25

Hình 2.9. Ảnh chụp quá trình chuyển màng PMMA/graphene lên đế thủy tinh:
(a) vớt nhẹ nhàng màng PMMA/graphene lên đế thủy tinh và (b)
màng PMMA/graphene sau khi được chuyển lên đế thủy tinh. ......... 26

Hình 2.10. Ảnh chụp màng PMMA/graphene/thủy tinh sau khi được sấy khô. 26
Hình 2.11. Ảnh chụp các thiết bị sử dụng trong q trình hút chân khơng: (a)

Máy hút chân khơng và (b) hệ đo áp suất. ........................................... 27
Hình 2.12. Quá trình cài đặt nhiệt độ và thời gian nung: (a) thời gian gia nhiệt và

(b) thời gian nung. ................................................................................. 28
Hình 2.13. (a) Hệ thống cung cấp khí Ar, (b) hệ đo áp suất. ............................... 28
Hình 2.14. Lị nung được cài đặt giảm từ 120 oC xuống nhiệt độ phịng............ 29
Hình 2.15. Q trình loại bỏ lớp hỗ trợ PMMA bằng dung dịch acetone........... 29
Hình 2.16. Màng graphene trên đế thủy tinh sau khi được loại bỏ lớp hỗ trợ

PMMA. .................................................................................................. 30
Hình 2.17. Màng graphene trên đế PET sau khi được loại bỏ lớp hỗ trợ PMMA.

Mẫu có thể được uốn cong dễ dàng. .................................................... 31
Hình 2.18. Ảnh chụp và ảnh hiển vi quang học của các mẫu graphene trên đế

thủy tinh khi không xử lý nhiệt (a và d) và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ:
(b và e) 120 oC và (c và g) 180 oC. ....................................................... 32
Hình 2.19. Ảnh chụp và ảnh hiển vi quang học của các mẫu graphene trên đế
PET khi không xử lý nhiệt (a và d) và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ: (b
và e) 120 oC và (c và g) 180 oC............................................................. 33
Hình 2.20. Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi
không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC và 180 oC. ........ 35
Hình 2.21. Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng graphene trên đế PET khi
không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại nhiệt độ 120 oC và 180 oC. ........ 35
Hình 2.22. Phổ truyền qua của các mẫu màng graphene trên đế thủy tinh khi
không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và 180 oC... 37

Hình 2.23. Phổ truyền qua của các mẫu màng graphene trên đế PET khi không
xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và 180 oC. ............. 37

Hình 2.24. Giá trị độ truyền qua (%T) tại bước sóng 550 nm của các mẫu màng
graphene trên đế thủy tinh và đế PET ứng với các điều kiện xử lý
nhiệt khác nhau[35]. .............................................................................. 38

Hình 2.25. Phổ mật độ dịng điện – điện thế của các mẫu màng graphene trên đế
thủy tinh khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC
và 180 oC. ............................................................................................... 40

Hình 2.26. Phổ mật độ dịng điện – điện thế của các mẫu màng graphene trên đế
PET khi không xử lý nhiệt và xử lý nhiệt tại các nhiệt độ 120 oC và
180 oC. .................................................................................................... 40

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, trên thế giới đã và đang nghiên cứu nhiều loại vật liệu mới có

đóng góp mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật, công nghệ cũng
như đời sống. Một trong số đó là vật liệu tiềm năng dựa trên carbon như ống
nano carbon, graphite, kim cương, fullerene, graphene, graphene oxide,…sự
phát triển của khoa học và công nghệ dần trở thành một xu thế mạnh mẽ của
thế giới, điều này đã và đang mang đến cho nền công nghệ điện tử cũng như
cuộc sống con người những diện mạo và thành tựu mới. Cùng với sự phát triển
của công nghệ nano, nhiều loại vật liệu nano mới được ra đời, trong đó graphene
là vật liệu có tính chất ưu việt và thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu.

Đã có nhiều báo cáo về những thành tựu trong nghiên cứu về graphene
kể từ khi dạng hai chiều của nó được hai nhà khoa học là Geim và Novoselov
phân lập thành công trên một chất nền 1. Các đặc điểm thú vị xuất phát từ hình
học hai chiều của nó đã được một số nhà nghiên cứu quan sát thấy. Một số đặc
điểm hấp dẫn bao gồm độ linh động của hạt tải điện cao (200.000 cm2/Vs) 2, độ
trong suốt quang học vượt trội (97,7%) 3, và mô đun Young cao (1,0 TPa) 4.
Những đặc tính thơng thường đặc biệt này của graphene đã khiến người ta quan
tâm đến việc sử dụng nó cho các ứng dụng thực tế.

Trong số nhiều ứng dụng khả thi, graphene đã được nghiên cứu trong
lĩnh vực điện cực trong suốt do khả năng đáp ứng các yêu cầu của các thiết bị
khác nhau. Công nghệ màng mỏng gần đây cho thấy độ dẫn điện trong suốt đã
được phát triển để giải quyết một số vấn đề, là cải thiện độ dẫn điện, giảm chi
phí vật liệu. Indium tin oxide (ITO) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng
dụng vì điện trở bề mặt thấp 10-25 /sq với độ truyền qua 90% và quá trình
chế tạo bằng phương pháp phún xạ. Tuy nhiên, nó có nhiều trở ngại bao gồm
sự khan hiếm của indium trên trái đất, khó khăn trong các bước chế tạo và tính

2

uốn cong về cơ học kém. Bên cạnh đó, khả năng tiếp xúc điện kém giữa ITO
với các vật liệu hữu cơ có thể làm hạn chế hiệu suất của các thiết bị điện tử hữu
cơ như diode phát quang hữu cơ (OLED: Organic Light Emitting Diode), tế
bào quang điện hữu cơ (OPV: Organic Photovoltaics) và bóng bán dẫn hữu cơ
(Organic Transistor) 5.

Do đó, nhiều điện cực trong suốt thay thế đã được phát triển để thay thế
ITO, chẳng hạn như lưới (mesh) kim loại và dây nano (nanowwires) kim loại,
polyme dẫn điện và ống nano carbon (CNTs: Carbon Nanotubes). Trong số các
vật liệu điện cực trong suốt này, màng CNTs thể hiện độ trong suốt cao trên
toàn bộ quang phổ ánh sáng khả kiến. Một trong những yêu cầu quan trọng đối
với màng CNTs là mật độ ống nano phải cao hơn ngưỡng để hình thành mạng
lưới thẩm thấu. Ngoài ra, độ dẫn điện của các ống CNT riêng lẻ là cao, và điện
trở cao tại các điểm nối ống nano-ống nano làm hạn chế sự dẫn điện trong màng
6. Do đó, màng CNTs hiện khơng cạnh tranh được với ITO như các điện cực
trong suốt cho các ứng dụng thực tế. Phát hiện thử nghiệm về graphene đã mang
lại một giải pháp thay thế mới cho các điện cực ITO có sẵn trên thị trường. Mặc
dù nghiên cứu vẫn đang ở giai đoạn đầu, nhưng graphene đã mang lại một số
lợi thế tiềm năng so với các điện cực trong suốt truyền thống. Nhiều nhóm
nghiên cứu đã chứng minh khả năng phục hồi của các thiết bị quang điện hữu
cơ dựa trên graphene. Hiệu suất tuyệt vời của các thiết bị điện tử dựa trên
graphene khác nhau mang lại cho graphene cơ hội thực tế để cạnh tranh trong
các cơng nghệ trong suốt và có thể uốn cong 7. Một số ứng dụng của màng dẫn
điện trong suốt dựa trên graphene chẳng hạn như pin mặt trời, diode phát quang
hữu cơ, màn hình tinh thể lỏng hữu cơ, màn hình cảm ứng, transistor hiệu ứng
trường hữu cơ, thiết bị quang điện hóa,…

Tầm quan trọng của việc sử dụng graphene làm màng dẫn điện trong suốt
để ứng dụng trong các thiết bị điện tử và quang điện tử bắt nguồn từ các tính

3

chất ưu việt của graphene. 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 chế tạo màng dẫn điện trong suốt từ graphene với
hướng nghiên cứu: “Chế tạo màng dẫn điện trong suốt từ graphene được tổng
hợp bằng phương pháp lắng đọng hơi hoá học”.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu chuyển màng graphene từ đế đồng (Cu: copper) lên một số

loại đế trong suốt khác nhau như thủy tinh (glass) và PET (Polyethylene
Terephthalate) và khảo sát hình thái, tính chất của màng graphene chế tạo được
nhằm định hướng ứng dụng làm màng dẫn điện trong suốt.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: màng graphene trên đế Cu (graphene/Cu), màng

graphene trên các đế glass và PET (graphene/glass, graphene/PET).
- Phạm vi nghiên cứu: mẫu màng graphene trên một số loại đế ở phạm vi

phịng thí nghiệm.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu cơ sở lí luận và tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu: phương pháp chuyển ướt (wet

transfer) màng graphene, phương pháp xử lý nhiệt.

- Phương pháp khảo sát đặc trưng và tính chất của vật liệu: Hiển vi quang
học (OM: Optical Microscopy), hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron
Microscopy), phổ tán xạ Raman, phổ truyền qua (T%: Transmittance), đặc
trưng dòng điện – điện thế (I-V: Current - Voltage).

4

5. Cấu trúc đề án
Đề án được chia làm các phần chính:
Mở đầu
Nội dung
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phần nội dung được chia thành hai chương gồm:
Chương 1. Tổng quan về vật liệu graphene
Trình bày về cấu trúc, tính chất, các phương pháp chuyển màng

graphene và ứng dụng của graphene.
Chương 2. Thực nghiệm và kết quả
Trình bày về kỹ thuật thực nghiệm chế tạo mẫu, quy trình chuyển

màng graphene lên các loại đế trong suốt (thủy tinh, PET) và kết quả khảo sát
hình thái và tính chất của màng graphene nhằm ứng dụng làm điện cực trong
suốt.

5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE

1.1. Cấu trúc của vật liệu graphene
1.1.1. Sự phát hiện vật liệu graphene

Trước năm 1985 người ta vẫn cho rằng trong thực tế carbon chỉ tồn tại ở ba
dạng thù hình. Dạng phổ biến nhất thường gọi là than có màu đen như là ở cây,
gỗ cháy cịn lại. Về mặt cấu trúc, đó là dạng vơ định hình. Dạng thù hình thứ
hai của carbon hay gặp trong kỹ thuật, đó là graphite (than chì). Cấu trúc
graphite gồm nhiều lớp graphenee song song với nhau và sắp xếp thành mạng
lục giác phẳng (Hình 1.1.a) 8. Dạng thù hình thứ ba của carbon là kim cương.
Trong tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử carbon nằm ở tâm của hình tứ diện
và liên kết với bốn nguyên tử carbon cùng loại ( Hình 1.1.b) 9.

Hình 1.1. Cấu trúc của (a) graphite, (b) kim cương và (c) fullerence 10.

Đến năm 1985, Kroto cùng các cộng sự đã tìm ra một dạng thù hình mới
của carbon-fullerene C60 khi quan sát bột than tạo ra do phóng điện hồ quang
giữa hai điện cực graphite bằng kính hiển vi điện tử 11. fullerene C60 có dạng
hình cầu giống như quả bóng, gồm 60 nguyên tử carbon nằm ở đỉnh các đa giác
(Hình 1.1.c) 11. Năm 1990 Kratschmer đã tìm thấy trong sản phẩm muội than
tạo ra bằng phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphite ngồi C60 cịn có
hai dạng thù hình khác của fullerene là C70 và C80 12.

Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

6
(HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit,
Iijima 13, đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực catốt. Đó là ống
nanô carbon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube) . Hai năm sau,
năm 1993, Iijima tiếp tục công bố kết quả tổng hợp ống nano carbon đơn tường
(SWCNT - Single Wall Carbon Nanotube), đó là các ống rỗng có đường kính từ

1÷3 nanơ mét (nm) và chiều dài cỡ vài micromet (µm) 14. Vỏ của ống gồm có các
ngun tử carbon xếp đều đặn ở đỉnh của các hình lục giác đều. Như vậy cùng với
C60, C70, v.v… ống nano carbon đơn tường và đa tường có thể được coi như là
dạng thù của vật liệu carbon (Hình 1.2).

Hình 1.2. Ảnh HRTEM của MWCNT được Iijima quan sát năm 1991: (a) 5 tường,
(b) 2 tường, (c) 7 tường 10.

Đến năm 2004, Geim và Novoselov cùng các cộng sự tại trường Đại học
Manchester (Anh quốc) đã tìm ra một phương pháp tạo ra các tấm graphene
mỏng chỉ một vài lớp từ graphite. Họ sử dụng một phương pháp bóc tách cơ
học khá đơn giản đó là sử dụng một loại băng dính “Scotch” để liên tục chia
mỏng các lớp bột graphite và cuối cùng họ đã thu được những đơn lớp rất mỏng
của graphene chỉ vài lớp. Và quan trọng hơn họ đã đưa được những lớp mỏng
graphene này lên chất nền silicon và sau đó sử dụng phương pháp quang để
nhận biết ra graphene chỉ một vài lớp 1.

7

1.1.2. Cấu trúc của vật liệu graphene
Graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc

lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay cịn được gọi là cấu trúc tổ ong. Do chỉ
có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử carbon 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. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử carbon lai hóa
với nhau tạo thành 3 trạng thái sp định hướng trong một mặt phẳng hướng ra
ba phương tạo với nhau một góc 120o. Mỗi trạng thái sp của nguyên tử carbon
này xen phủ với một trạng thái sp của ngun tử carbon khác hình thành một
liên kết cộng hóa trị dạng sigma (σ) bền vững. Chính các liên kết (σ) này quy

định cấu trúc mạng tinh thể graphene dưới dạng hình tổ ong và lý giải tại sao
graphene rất bền vững về mặt hóa học và trơ về mặt hóa học. Ngồi các liên
kết (σ), giữa hai ngun tử carbon lân cận còn tồn tại một liên kết pi (π) khác
kém bền vững hơn được hình thành do sự xen phủ của các orbital pz khơng bị
lai hóa với các orbital s (Hình 1.3). 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, quy định tính chất điện và quang của graphene 2.

Hình 1.3. Các liên kết của mỗi nguyên tử carbon trong mạng graphene 15.

Graphene là vật liệu đơn lớp carbon được sắp xếp thành một mạng tinh
thể hình tổ ong hai chiều (mạng hình lục giác), với khoảng cách liên kết carbon-
carbon là 0,142 nm. Nếu cuộn graphene lại ta thu được dạng thù hình fullerence
(0D), nếu quấn lại sẽ tạo nên dạng thù hình carbon nanotube (1D) hoặc nếu xếp

8
chồng lên nhau sẽ thu được dạng thù hình graphite (3D) (Hình 1.4). Graphene
là vật liệu gốc của các dạng graphite khác 16.

Hình 1.4. Graphene là vật liệu gốc của các dạng graphite khác 16.

1.1.3. Một số tính chất của vật liệu graphene
Việc tìm ra graphene đã bổ sung đầy đủ các dạng thù hình của carbon. Tuy

nhiên, vật liệu mới này lại có những tính chất vượt trội hơn các dạng thù hình
tồn tại trước đó. Điều này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu tiềm năng
cho nền công nghiệp thế giới như tăng tốc chip điện tử, làm điện cực dẫn điện,
điện cực trong suốt,…
1.1.3.1. Tính chất cơ

Để đo được độ bền của vật liệu graphene các nhà khoa học đã sử dụng một
kỹ thuật đó là kính hiển vi lực ngun tử. Một đầu típ có đường kính 2 nm bằng
kim cương làm lõm một tấm graphene đơn lớp (Hình 1.5). Kết quả đo và tính tốn
cho thấy graphene (Young’s modulus ~1.100 GPa, độ bền kéo 125 GPa) là vật
liệu rất cứng (cứng hơn kim cương và cứng hơn 300 lần so với thép). Trong khi
đó tỉ trọng của graphene tương đối nhỏ 0,77 mg/m2 4.

9

Hình 1.5. Kỹ thuật đo tính chất cơ của graphene 17.

1.1.3.2. Tính chất nhiệt
Kể từ khi được phát hiện, vật liệu graphene đã thu hút nhiều sự quan tâm

nghiên cứu của các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ những
tính chất vật lý, hóa học siêu việt của chúng. Trong đó, tính chất nhiệt của vật
liệu graphene là một trong những tính chất nổi bật so với những loại vật liệu
khác.

Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene được đo ở nhiệt độ phòng ~5000W/mK
18 cao hơn các dạng cấu trúc khác của carbon là ống nano carbon, than chì và
kim cương. Graphene dẫn nhiệt theo các hướng là như nhau. 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 tương lại.

Bảng 1.1. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu 19.

Vật liệu Độ dẫn nhiệt (W/mK)
Aluminum 247

Gold 315
Copper 389
Gold 314
Lead 30
Molybdenum 142

Vật liệu 10
Tungsten
Invar Độ dẫn nhiệt (W/mK)
Kovar 155
Diamond 10
Beryllium oxide 17
Aluminum nitride 2000
Silicon carbide 260
320
270

1.1.3.3. Tính dẫn điện

Graphene có độ linh động điện tử cao (~ 15.000 cm2/ V.s ở nhiệt độ
phịng 2, trong khí đó Si ~ 1400 cm2/ V.s, ống nano carbon ~ 10.000 cm2/V.s,
bán dẫn hữu cơ (polymer, oligomer) < 10 cm2/V.s

Điện trở suất của graphene ~ 10-6 Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc
(Ag), là vật chất có điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng.

Bảng 1.2. Độ dẫn điện của một số vật liệu 20.

Vật liệu Độ dẫn điện (S.m-1)
6.30×107

Silver 6.96×107
Copper 4.10×107
Gold 3.5×107
Aluminum 2.98×107
Calcium 1.79×107
Tungsten 1.69×107
Zinc 1.43×107
Nickel 1.08×107
Lithium