Graphen: Vật liệu cứng hơn kim cương và tiềm năng ứng dụng potx

Graphen: Vật liệu cứng hơn kim cương
và tiềm năng ứng dụng

Graphen – các lớp cacbon xếp chồng lên nhau từng được
biết như một vật liệu mới siêu mỏng, siêu bền và siêu dẫn
điện. Các nhà khoa học Đại học London vừa khám phá cơ
chế hình thành nên loại vật liệu này.
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.
Những đặc tính này tạo cho graphen một số ứng dụng tiềm
năng như chế tạo vi mạch cho máy tính, điện thoại di động
siêu tốc. Tuy nhiên sản xuất những mảng graphen rất khó
khăn và đắt đỏ.

Những “đảo” cacbon có kết cấu mái vòm như công trình
Eden Projects ở Cornwall.
GS Dario Alfc và TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Trái
đất, Đại học London, là những người đang cố gắng tìm hiểu
và mô tả cơ chế hình thành graphen trong một phương pháp
sản xuất đặc biệt. Đó là cho các phân tử hydrocacbon đi
qua bề mặt iridi (Ir) được làm nóng trong khoảng từ 30 độ
C đến 1000 độ C.
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
graphen hoàn chỉnh.
GS Alfc cho biết phương pháp phát triển graphen được

nhiều người biết đến tuy nhiên vẫn chưa giải thích được cơ
chế thực hiện từ một bề mặt bao phủ cacbon đến một mảng
graphen.
Các nhà nghiên cứu cho rằng sự phát triển của graphen bắt
đầu từ sự hình thành những “hòn đảo” nhỏ cacbon với một
kết cấu mái vòm, trong đó chỉ những phân tử ở vòng ngoài
mới bám được trên chất nền Iridi trong khi các nguyên tử
trung tâm bị đẩy ra khỏi chất nền khiến “hòn đảo” phồng
lên ở trung tâm.
Kết cấu này tương tự công trình Eden Projects ở Cornwall.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy kích thước của những
kết cấu mái vòm của mảng cacbon phụ thuộc vào nhiệt độ
của chất nền Iridi và cách thao tác. Điều này mở ra hướng
điều chỉnh kích thước mảng graphen ở mức độ siêu nhỏ.
Siêu vật liệu
Graphene đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn
với cấu trúc phân tử phẳng– chỉ dày bằng một nguyên tử và
rất bền vững. Các nhà nghiên cứu đồng thời hướng đến ứng
dụng của Graphene vào công nghệ hiển thị bởi tính trong
suốt của nó.
Các nhà khoa học ở Đại học Manchester đã chứng minh
rằng Graphene có thể được áp dụng vào trong các mạch
điện tử để tạo ra những transistor kích thước phân tử.
Tiến sĩ Novoselov cho biết Graphene có nhiều ưu điểm hơn
Silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần.
Ông nói “Những transistor này sẽ có thể hoạt động tại
nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện
tử.”
Hiện nay, Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của
ngành điện tử và bán dẫn bởi 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.
Tương lai hé mở
Các nhà khoa học đã tạo ra một transistor nhỏ nhất thế giới
với độ dày 1 nguyên tử và chiều rộng 10 nguyên tử, làm từ
một chất có thể thay thế silicon trong nay mai.
Chiếc transistor, hay đúng ra là một công tắc đóng/mở
(on/off switch), được tạo ra từ than chì ở dạng đơn lớp hay
còn gọi là Graphene, chất mà tiềm năng của nó chỉ mới
được phát hiện cách đây 4 năm.
Tiến sĩ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim từ
Trường vật lý và thiên văn (The School of Physics and
Astronomy) thuộc Đại học Manchester đã mở ra hướng
nghiên cứu ứng dụng của graphene vào điện tử và là những
người đầu tiên tách lớp Graphene từ than chì.
Hiện nay, công nghệ bán dẫn dùng cát để tạo nên các wafer
silicon. Những công ty lớn như Intel đã dự tính giảm kích
thước của vi mạch điện tử xuống còn khoảng 10 nanomét–
nhỏ hơn 10 000 lần so với sợi tóc người.
Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, sẽ rất khó thực
hiện các vi mạch với kích thước nhỏ hơn 10 nanomét bởi ở
giới hạn này đã bắt đầu xuất hiện sự rò rỉ electron. Do đó,
các nhà khoa học hi vọng rằng từ bây giờ đến năm 2020,
con người có thể tìm thấy được vật liệu có thể thay thế
silicon.
Đến nay, vật liệu Graphene đã mở ra hi vọng cho ngành
điện tử vượt qua rào cản này. Thế nhưng, việc sản xuất lớp
Graphene đủ lớn để tạo ra wafer vẫn là một thử thách lớn.
Tiến sĩ Novoselov cho biết “Chúng tôi có thể điều chỉnh
được quá trình sản xuất ở kích thước 20 nanomét, nhưng

với kích thước 1 nanomét thì yếu tố may mắn vẫn là quyết
định.”
Để có thể chế tạo được microchip, wafer tạo ra phải kích
thước vài centimét. Đến nay, tấm wafer từ Graphene lớn
nhất được tạo ra chỉ có kích thước 100 micromét.
Tiến sĩ Novoselov phát biểu “Chúng tôi tin rằng công nghệ
để thực hiện điều này sẽ nhanh chóng được tìm ra. Nếu kể
từ lúc Graphene được phát hiện cách đây 4 năm thì chúng
ta đã tiến được một bước khá dài.”
“Mặc dù công nghệ dùng Graphene để sản xuất vi mạch
hoàn toàn tương tự như công nghệ dùng Silicon, nhưng để
đến được sự xuất hiện của Graphene trong vi mạch điện tử,
chúng ta phải mất khoảng 10 năm nữa.” Ông nói.
Trong tương lai, vật liệu này có thể được dùng để chế tạo
các vi mạch điện tử thế hệ mới, khiến máy tính hoặc điện
thoại di động truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn rất nhiều.
Graphen có nguồn gốc từ graphit (than chì) được nhà vật
lý Andre Konstantin Geim tạo ra vào năm 2004. Hiện vẫn
chưa được xếp vào các vật liệu hiện hành bởi những đặc
tính vật lí kì lạ và tuyệt vời của nó.
Graphen có cấu trúc “phi lập thể” bởi bề dày chỉ bằng một
nguyên tử cacbon; tuy không phải là kim loại hay chất bán
dẫn nhưng lại có thể dẫn điện và nhiệt cực tốt. Graphen
còn cứng hơn cả kim cương.
Các nhà khoa học tính toán, dưới tác dụng trọng lực, giả
sử một sợi thép dài 28km treo thẳng đứng sẽ tự đứt trong
khi sợi graphene có thể dài đến 1000km mới bị đứt.