Mô phỏng quá trình tạo graphene từ mô hình carbon lỏng 02 chiều với thế tương tác lcbop i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Hồng Giang

MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO GRAPHENE
TỪ MƠ HÌNH CARBON LỎNG 02 CHIỀU
VỚI THẾ TƯƠNG TÁC LCBOP I

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Thành phố Hồ Chí Minh – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Hồng Giang

MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO GRAPHENE
TỪ MƠ HÌNH CARBON LỎNG 02 CHIỀU
VỚI THẾ TƯƠNG TÁC LCBOP I

Chuyên ngành: VẬT LÍ NGUYÊN TỬ
Mã số: 60 44 01 06
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. VÕ VĂN HỒNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 2015

i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. iv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 4
1.1. Tiềm năng và ứng dụng của vật liệu graphene ..................................................................... 4
1.2. Các nghiên cứu graphene bằng thực nghiệm và mơ phỏng ................................................ 11

CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG .................................................................. 16
2.1. Phương pháp động lực học phân tử .................................................................................... 16
2.2. Tính tốn mơ phỏng cho q trình tinh thể hóa graphene .................................................. 19
2.1.1. Thế tương tác cho hệ graphene ................................................................................... 19
2.1.2. Các chi tiết về mơ hình vật liệu được mơ phỏng ......................................................... 20
2.3. Phương pháp phân tích vịng cấu trúc trong mạng tinh thể graphene ................................ 22

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 25
3.1. Các tính chất nhiệt động lực học của q trình tinh thể hóa ............................................. 25
3.1.1. Sự biến đổi của năng lượng toàn phần theo nhiệt độ cho mỗi nguyên tử ................. 25
3.1.2. Sự biến đổi của nhiệt dung riêng theo nhiệt độ cho mỗi nguyên tử .......................... 26
3.2. Sự thay đổi cấu trúc mơ hình trong q trình tinh thể hóa ............................................... 27
3.2.1. Sự thay đổi của hàm phân bố xuyên tâm................................................................... 27
3.2.2. Sự thay đổi của số phối vị ......................................................................................... 29
3.2.3. Sự thay đổi của phân bố vòng cấu trúc ..................................................................... 32
3.2.4. Sự thay đổi của phân bố góc ..................................................................................... 34
3.3. Cấu trúc chi tiết của mơ hình ở nhiệt độ 300 K ................................................................ 34

3.3.1. Phân bố số phối vị ..................................................................................................... 34
3.3.2. Phân bố vịng ............................................................................................................. 36
3.3.3. Phân bố góc liên kết .................................................................................................. 36
3.3.4. Các dạng khuyết tật cơ bản ....................................................................................... 37
3.4. Cơ chế nguyên tử quá trình chuyển pha ........................................................................... 42
3.4.1. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các nguyên tử tham gia vào vịng 6 và các
ngun tố có Z = 3 ................................................................................................... 42
3.4.2. Thể hiện trực quan sự xuất hiện của các nguyên tử có số phối vị Z = 3 .................... 44


ii

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......................... 48
4.1. Kết luận ............................................................................................................................. 48
4.2. Hướng phát triển của đề tài. .............................................................................................. 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... I
PHỤ LỤC ........................................................................................................................VIII
1. Chiều dài và góc liên kết của nguyên tử Carbon .............................................................. VIII
2. Sự hình thành của dải năng lượng và vùng cấm ................................................................... X


iii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, học viên xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. TS Võ Văn Hoàng đã
tận tình chỉ dẫn về phương pháp học tập và nghiên cứu khoa học trong suốt quá
trình làm luận văn tại phịng thí nghiệm Vật lý tính tốn, Khoa Khoa học ứng dụng,
trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh. Chân thành cảm ơn thầy vì
những định hướng, những tài liệu quý báu và những động viên, khích lệ, giúp học

viên hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ cũng như đi sâu vào nghiên cứu khoa học.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Tô Quý Đông và trường Đại học Paris-Est
(Pháp) đã cho học viên sử dụng hệ máy tính của trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh chị và các bạn trong nhóm Vật lý tính tốn
đã giúp đỡ và hỗ trợ về mặt kiến thức cũng như kinh nghiệm cho học viên hoàn
thành luận văn.
Xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô đã giảng dạy tơi trong suốt q
trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh. Chân thành cảm
ơn PGS. TSKH. Lê Văn Hoàng đã động viên, giúp đỡ, tạo động lực cho học viên
trong suốt thời gian đào tạo cao học tại trường.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người thân trong gia đình,
bạn bè, những người ln quan tâm, động viên khích lệ học viên trong học tập và
trong cuộc sống.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2015
Học viên

Nguyễn Hồng Giang


iv

LỜI CAM ĐOAN
Học viên xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng học
viên dưới sự hướng dẫn của GS. TS Võ Văn Hoàng. Các số liệu, hình vẽ, đồ thị liên
quan đến các kết quả học viên thu được trong luận văn này là hoàn toàn trung thực,
khách quan.

Học viên

Nguyễn Hoàng Giang

v

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nguyên văn

Chú giải

MD

Molecular Dynamics

Động lực học phân tử

2D

Two-dimensional

Hai chiều

3D

Three-dimensional

Ba chiều

CNT

Carbon Nanotubes

Ống nano carbon

DFTB

Density-functional tight-binding

Phiếm hàm mật độ liên kết mạnh

Grain boundary

Biên vùng

GB
REBO

Brenner reactive empirical bond
order

Thế tương tác REBO

Screened Environment
SED-REBO Dependent-Brenner reactive

Thế tương tác SED-REBO

empirical bond order
LCBOP

Long-range reactive Bond-Order
Potential for Carbon

Thế tương tác LCBOP

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng

LDA

Local density approximation

Mật độ xấp xỉ địa phương

RDF

Radial Distribution Function

Hàm phân bố xuyên tâm g(r)

Density-Functional based

Phương pháp MD dựa trên lý

Molecular Dynamics

thuyết phiếm hàm mật độ

SW

Stone-Wales

Sai hỏng Stone - Wales

V2

Di-vacancies

Sai hỏng đôi khoảng trống

Tb

Transition Between Temperature

Nhiệt độ chuyển pha trung gian

Tt

Transition Temperature

Nhiệt độ chuyển pha

DF-MD

TEM
PVA

Transmission electron
microscopy
Polyvinylalcohol

Kính hiển vi điện tử truyền qua
Chất nền Polymer


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, BẢNG BIỂU
Chỉ số

Danh mục

hình
Hình 1.1

Graphene với số vòng R = 6, số phối vị Z = 3 và góc liên kết
θ = 120 o .

Trang

4

Hình 1.2

Hình ảnh graphene trong khơng gian 3D.

12

Hình 2.1

Sơ đồ khối các bước tiến hành mơ phỏng MD.

18

Hình 2.2

Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 3.1.

Hình 3.2

Hình 3.3

Các bước tiến hành mơ phỏng hiện tượng tinh thể hóa
graphene.
Graphene với số vịng R = 6, số phối vị Z = 3 và góc liên kết
θ = 120 o .

Tiêu chí Guttman trong số liệu thống kê vòng.
Sự phụ thuộc của tổng năng lượng vào nhiệt độ khi chuyển
pha từ lỏng sang tinh thể của graphene.
Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng vào nhiệt độ của mơ hình
khi làm lạnh.
Các hàm g(r) thu được khi làm lạnh mơ hình từ 7800 K
xuống 300 K.

21

23
24
25

27
28

Hình 3.4

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của số phối vị trung bình.

29

Hình 3.5

Phân bố số phối vị quanh nhiệt độ chuyển pha.

31

Hình 3.6

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của vịng trung bình.

32

Hình 3.7

Phân bố số kích thước vịng quanh nhiệt độ chuyển pha.

33

Hình 3.8

Phân bố góc của mơ hình theo nhiệt độ.

34


vii

Hình 3.9

Phân bố số phối vị thu được tại nhiệt độ 300K.

35

Hình 3.10

Phân bố số kích thước vịng thu được tại nhiệt độ 300K.

36

Hình 3.11

Phân bố góc liên kết của mơ hình tại nhiệt độ 300K.

37

Hình 3.12

Hình minh họa khuyết tật SW.

38

Hình 3.13

Khuyết tật SW của mơ hình tại nhiệt độ T = 300K.

39

Hình 3.14

Hình minh họa khuyết tật di-vacancy.

39

Hình 3.15

Khuyết tật di-vacancy của mơ hình tại nhiệt độ T = 300K.

40

Hình 3.16

Khuyết tật vịng 7 - 5 của mơ hình tạo nên biên Armchair.

40

Hình 3.17
Hình 3.18

Khuyết tật vịng 7 - 5 của mơ hình tạo nên cấu trúc đa tinh
thể.
Thể hiện trực quan cấu trúc mơ hình ở nhiệt độ T = 300 K.

41
42

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các ngun tử tham gia vào
Hình 3.19

vịng 6 và các nguyên tử có số phối Z = 3 trong quá trình

43

làm lạnh.
Hình 3.20
Hình P1
Hình P2

Trực quan 2D sự xuất hiện của các nguyên tử có Z = 3 tại
các nhiệt độ khác nhau (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h).
Cấu trúc liên kết giữa các nguyên tử carbon trong graphene.
Cấu trúc liên kết giữa các nguyên tử carbon trong chuỗi
carbon.

47

IX
IX

Hình P3

Dải năng lượng điện tử.

XI

Hình P4

Dải năng lượng điện tử của graphene.

XII

Bảng P1

Chiều dài và góc liên kết giữa các nguyên tử carbon.

VIII


1

MỞ ĐẦU
Những năm gần đây, dạng vật liệu phẳng dày bằng một lớp nguyên tử thu
hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học và đã xuất hiện nhiều công bố liên
quan đến việc chế tạo thành công những màng chỉ dày có 01 lớp nguyên tử từ các
vật liệu hai chiều khác nhau như graphene, silicene (Si), germanene (Ge),… bằng
thực nghiệm. Song song với các nghiên cứu bằng thực nghiệm, nghiên cứu bằng

phương pháp mô phỏng cũng phát triển rất nhanh và đóng vai trị khá quan trọng vì
cung cấp những thơng tin chi tiết ở mức độ vi mô từng nguyên tử. Graphene là vật
liệu đang được chú ý của giới khoa học bởi các tiềm năng ứng dụng to lớn trong
khoa học kỹ thuật cũng như trong công nghệ vật liệu tương lai [1-41]. Các thiết bị
dùng vật liệu chỉ dày có một lớp nguyên tử sẽ có kích thước rất nhỏ, đây là nhóm
vật liệu sẽ tạo nên một cuộc cách mạng mới trong công nghệ: việc chế tạo thiết bị
bằng vật liệu một lớp nguyên tử sẽ tiêu tốn nguyên vật liệu ít nhất, tiêu tốn năng
lượng ít nhất khi chế tạo, giá thành rẻ và kích thước cực nhỏ của thiết bị sẽ đưa đến
những lợi ích to lớn trong sử dụng hàng ngày. Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu
theo hướng này không những tiếp cận một trong những hướng nghiên cứu nóng
nhất của thế giới, mà cịn góp phần hướng hoạt động nghiên cứu khoa học trong
nước đến những vị trí tiên phong trong cộng đồng khoa học thế giới. Nghiên cứu
quá trình hình thành mạng tinh thể graphene từ trạng thái lỏng góp một phần quan
trọng trong việc nghiên cứu vật liệu chiến lược này. Tuy nhiên, với đặc thù tinh thể
graphene có cấu trúc vi mơ hai chiều (2D) và bề dày bằng 01 lớp nguyên tử nên
việc tiến hành thí nghiệm và đo đạc kết quả trong q trình chuyển pha bằng
phương pháp thực nghiệm vơ cùng phức tạp. Để giải quyết vấn đề nêu trên, nghiên
cứu bằng phương pháp mô phỏng là giải pháp tối ưu. Nhận thấy các nghiên cứu
thực nghiệm và mô phỏng về graphene kể cả trong nước lẫn ngồi nước chưa có
nghiên cứu nào khảo sát quá trình hình thành màng graphene từ trạng thái lỏng nên
học viên quyết định thực hiện nghiên cứu: “Mơ phỏng q trình tạo graphene từ mơ
hình carbon lỏng 02 chiều với thế tương tác LCBOP I”.


2

Để nghiên cứu quá trình hình thành màng tinh thể graphene, học viên sử
dụng phương pháp mô phỏng Động lực học cổ điển (MD) khảo sát quá trình chuyển
pha từ trạng thái lỏng sang rắn của graphene. Trong đó, trọng tâm của đề tài là mô
phỏng hiện tượng chuyển pha từ lỏng sang tinh thể của mơ hình carbon gồm 10000

nguyên tử. Dựa trên các kết quả thu được, đề tài đã tính tốn các đại lượng vật lý
đặc trưng của cấu trúc, khảo sát sự thay đổi cấu trúc trong quá trình làm lạnh và tìm
hiểu cơ chế nguyên tử của q trình đơng đặc.
Luận văn bao gồm bốn chương chính: Chương 1 “ Tổng quan ”, trình bày
tổng quan các nghiên cứu về vật liệu graphene bằng thực nghiệm, mô phỏng và
tiềm năng ứng dụng trong khoa học cơng nghệ. Từ đó nêu lên tầm quan trọng của
việc nghiên cứu quá trình hình thành tinh thể graphene từ trạng thái lỏng. Chương 2
“ Tính tốn và mơ phỏng ”, giới thiệu về phương pháp mô phỏng MD, thế tương
tác và các kỹ thuật tính tốn của mơ hình. Chương 3 “ Kết quả và thảo luận ”,
trình bày các kết quả về q trình chuyển pha, các tính chất liên quan đến cấu trúc
trong quá trình làm lạnh và cơ chế ngun tử trong q trình đơng đặc. Chương 4 “
Kết luận và hướng phát triển đề tài”, chương này gồm các kết luận thu được và
hướng phát triển đề tài.
Thơng qua việc tính tốn và phân tích các đại lượng, đề tài thu được một số
kết quả nổi bật. Nhiệt độ đông đặc của graphene trong không gian 2D được xác
định vào khoảng 6100K, sau quá trình làm lạnh thì chúng tơi thu được màng
graphene với cấu trúc đa tinh thể dưới dạng là graphene nanoribbon chứa 1 vài
khuyết tật cơ bản như Stone – Wave (SV), khuyết tật mất nguyên tử di-vacancy
(V2). Kết quả phân tích hàm nhiệt dung riêng theo nhiệt độ cho thấy có sự xuất hiện
2 đỉnh đặc trưng, điều này chứng tỏ sự hiện diện pha trung gian trong quá trình tinh
thể hóa mơ hình. Kết quả này thể hiện đặc trưng của vật liệu graphene trong quá
trình chuyển pha và phù hợp với q trình nóng chảy của vật liệu này.
Dựa trên các kết quả thu được từ đề tài, học viên dưới sự hướng dẫn của thầy
GS. TS. Võ Văn Hồng, đã tiến hành phân tích chi tiết hơn và đã có hai báo cáo
đăng ký tham gia hội nghị:


3

- “Mơ phỏng q trình hình thành graphene từ trạng thái lỏng”, đã đăng ký

tham gia Hội nghị Khoa học và Công nghệ lần thứ 14 tại Đại học Bách khoa
(30/10/2015).
- “Sự hình thành cấu trúc của graphene nanoribon khi làm lạnh từ mơ hình
carbon lỏng hai chiều”, đã đăng ký tham gia Hội thảo quốc tế lần thứ 5 về Công
nghệ nano và ứng dụng tại thành phố Vũng Tàu (11-14/11/2015).


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Graphene là một lớp carbon hợp thành một mạng lục giác dạng tổ ong, với
khoảng cách carbon – carbon là 0,142 nm. Nó là vật liệu kết tinh hai chiều thật sự
đầu tiên và nó là đại diện của một họ hàng hoàn toàn mới của vật liệu 2D, được
Andre Geim, Konstantin Novoselov và cộng sự của họ ở trường Đại học
Manchester (Anh) và viện công nghệ vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) chế tạo
thành cơng.

0
120
1200

R=6

0.142
0.142

Hình 1. Graphene với số vòng R = 6, số phối vị Z = 3 và góc liên kết θ = 120 o .
1.1.

Tiềm năng và ứng dụng của vật liệu graphene

Sự thành công của Geim và Novoselov trong việc chế tạo graphene có ý

nghĩa vơ cùng quan trọng trong cả lý thuyết và ứng dụng. Về mặt lý thuyết,
graphene đã làm thay đổi những suy luận trước đó về việc chứng minh có hay
khơng về sự tồn tại vật liệu 2D trong vũ trụ. Trên lĩnh vực khoa học thực nghiệm,
graphene được xem là một ứng cử viên vô cùng sáng giá cho các ứng dụng vi điện
tử, pin năng lượng mặt trời, các thiết bị quang điện tử,…


5

Graphene có một số tính chất vật lý xuất sắc. Vì vậy, cực kỳ hấp dẫn cho các
ứng dụng trong ngành điện tử và ứng dụng đầu tiên của graphene trong lĩnh vực này
có thể kể đến đó là transistor. Kết quả thí nghiệm transistor graphene trong báo cáo
của nhóm Geim và Novoselov [1], cho thấy graphene với độ dày của một vài lớp
ngun tử có thể kích thích được sự linh động của electron trong điện trường. Đo
được độ linh động của electron và lỗ trống (hole) có tích điện dương trong chiếc
transistor "thô sơ" là 10000 cm2/V.s là nhanh hơn bảy lần trong transistor silicon
(1500 cm2/V.s). Trên mặt phẳng graphene tinh khiết không tạp chất độ linh động
đạt đến 100000 – 200000 cm2/V.s hay là 70 - 140 lần nhanh hơn trong silicon. Báo
cáo này đã thu hút sự chú ý đặc biệt của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Khả năng
chế tạo transistor với độ dày một nguyên tử, hay nói một cách khác - độ mỏng tận
cùng của vật chất với độ linh động cao hơn silicon đã mang nhiều hứng khởi đến
cộng đồng khoa học điện tử. Cũng nhờ vào các đặc điểm này mà transistor graphene
phát xạ trường rất có triển vọng cho các ứng dụng liên quan đến tần số cao [2].
Những lợi ích bổ sung nổi bật trên là nhờ vào tính chất tĩnh điện của màng mỏng
2D và vận tốc Fermi cao. Độ linh động càng nhanh thì tần số hoạt động của
transistor càng cao và nhờ thế có thể đạt đến GHz. Ngay cả khi sử dụng graphene
với độ linh động khá khiêm tốn (103 cm2/V.s) thì đã đạt được tần số cao 100 GHz
cho cổng transistor có chiều dài 240 nm (công suất đạt được cho các thiết bị tương

tự dưới 14 GHz) [2]. Điều đó chứng tỏ transistor phát xạ trường làm bằng graphene
tốt hơn transistor phát xạ trường làm bằng oxide kim loại của bán dẫn Si khi có
cùng một chiều dài cổng transistor. Như vậy, nhờ vào graphene mà có thể chế tạo
được các transistor có tần số cao, đáp ứng được các địi hỏi ứng dụng hiện đại như
điện thoại di động, những máy phát thu sóng tivi và các dụng cụ nano điện tử cần
đạt đến tốc độ GHz cho sự chuyển tải nhanh chóng. Theo dự đốn của các chun
gia thì graphene sẽ dần dần thay thế các chất bán dẫn truyền thống trong transistor
tần số cao và xu hướng này sẽ thấy rõ vào năm 2021 [3].
Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của graphene hiện nay là làm thiết
bị cảm biến khí và cảm biến sinh học. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến khí và
cảm biến sinh học là dựa trên việc thay đổi độ dẫn điện (σ) của graphene do hấp thụ


6

các phân tử trên bề mặt graphene [4]. Sự thay đổi độ dẫn điện có thể là do sự thay
đổi nồng độ hạt tải điện của graphene vì lúc này hấp thụ các phân tử khí hoạt động
tương tự như là chất cho hoặc chất nhận. Hơn nữa, một số tính chất thú vị của
graphene có thể làm tăng độ nhạy cảm của cảm biến lên. Vì vậy, có thể phát hiện ở
mức độ đơn nguyên tử hoặc phân tử. Cảm biến khí graphene đầu tiên được chế tạo
bởi Schedin và cộng sự [5]. Thành công này chứng minh được graphene cảm biến
tốt đối với NO 2 , NH 3 , H 2 O và CO. Hơn thế nữa, tính chất cảm biến của graphene sẽ
hoàn toàn phục hồi sau khi ủ chân không ở 150◦C hoặc chiếu sáng UV trong thời
gian ngắn. Ngồi cảm biến khí, Shan và cộng sự [6] đã chứng minh graphene thể
hiện tiềm năng ứng dụng chế tạo các bộ cảm biến glucose và kết quả cảm biến được
quan sát thấy lên đến 14 mM glucose. Ngoài ứng dụng cảm ứng sinh học để phát
hiện glucose, gần đây Alwarappan và cộng sự [7] đã chứng minh rằng cảm biến
sinh học dùng để phát hiện dopamine và serotonin dựa trên graphene có hiệu quả
hơn các ống nano carbon (CNT). Họ đã chứng minh rằng các điện cực graphene có
hiệu suất cao hơn so với cảm biến sinh học sử dụng điện cực CNT về mặt phát hiện

dopamine khi có sự hiện diện của nhiều tác nhân gây nhiễu, chẳng hạn như axit
ascorbic và serotonin [7]. Ngoài ra, đã có rất nhiều lý thuyết nghiên cứu tính chất
cảm biến của graphene [8 - 11]. Hầu hết các nghiên cứu cung cấp một sự hiểu biết
về ảnh hưởng của q trình hấp thụ chất khí và phân tử sinh học hoặc ảnh hưởng
của chúng đến độ linh động của graphene cũng như việc chuyển điện tích giữa các
phân tử và bề mặt graphene. Hơn nữa, một số nghiên cứu lý thuyết cũng phân tích
ảnh hưởng của việc pha tạp graphene cho các ứng dụng cảm biến [12].
Graphene được kỳ vọng là một trong những vật liệu chủ yếu cho thiết bị
quang điện tử trong tương lai, bao gồm cả điện cực trong suốt cho các tế bào năng
lượng mặt trời và màn hình hiển thị LCD [13-15]. Các tính chất nhiệt đặc biệt, tính
ổn định hóa học và cơ học kết hợp với tính chất trong suốt và độ dày đơn lớp, làm
cho graphene trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho ứng dụng làm điện cực trong
suốt dẫn điện. Bên cạnh đó, tính linh động cao của lỗ trống (hole), diện tích bề mặt
lớn, có khả năng chống oxy hóa cao và trơ về mặt tương tác với nước cũng giúp cho
graphene là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng quang điện. Đơn lớp


7

graphene có độ trong suốt rất cao (hấp thụ chỉ có 2,3% ánh sáng trắng); K. Kim và
cộng sự báo cáo độ truyền qua có thể đạt đến 80% khi graphene phát triển trên chất
nền niken, lúc này màng mỏng graphene có bề dày khoảng 6-10 lớp [13]. Độ truyền
qua tăng lên đến 93% bằng cách giảm thời gian tăng trưởng của graphene và giảm
độ dày niken, dẫn đến sự hình thành của màng graphene mỏng hơn. Graphene tổng
hợp trên chất nền Ni thông qua các phương pháp khác nhau đang được chú ý cho
các ứng dụng điện cực trong suốt. Tuy nhiên, phương pháp có thể phù hợp làm các
điện cực nhỏ với mục đích nghiên cứu khoa học và những thách thức của việc tổng
hợp graphene có diện tích lớn để ứng dụng vào điện cực trong suốt vẫn còn tồn tại.
Nhờ vào hoạt động quang dị thường [16-18] và hệ số hấp thụ ánh sáng tương
đối nhỏ chỉ khoảng 2,3% ánh sáng trắng làm cho vật liệu graphene hấp dẫn cho các

thiết bị quang điện tử. Hệ số hấp thụ của graphene hơn đáng kể so với hệ số hấp thụ
điển hình của vật liệu phủ dẫn trong suốt truyền thống [19]. Kết hợp với các tính
chất như điện trở thấp, ổn định hóa học cao và có sức bền cơ học cao, hệ số hấp thụ
này làm cho vật liệu graphene ứng dụng tốt cho các thiết bị quang điện tử. Trong
đó, dây dẫn trong suốt là một phần thiết yếu của nhiều thiết bị quang học gồm các tế
bào năng lượng mặt trời, màn hình tinh thể lỏng và màn hình cảm ứng. Thơng
thường oxit kim loại và màng mỏng kim loại được sử dụng để làm vật liệu phủ dẫn
trong suốt [19], nhưng với công nghệ hiện tại thường phức tạp (màng kim loại
mỏng yêu cầu lớp phủ chống phản chiếu chẳng hạn) và đắt (thường sử dụng kim
loại quý và hiếm). Hơn nữa, rất nhiều các oxit kim loại sử dụng rộng rãi thể hiện sự
không đồng đều về sự hấp thụ trong phổ khả kiến và khơng ổn định về mặt hóa học
chẳng hạn như ITO (indium tin oxide). Graphene khắc phục được những nhược
điểm nêu trên. Các mẫu thiết bị đầu tiên (pin năng lượng mặt trời và màn hình tinh
thể lỏng) sử dụng graphene như một lớp phủ dẫn điện trong suốt đã được chế tạo
thành cơng [15, 20].
Một tính chất quang học hữu ích nữa của graphene có thể kể đến đó là hấp
thụ bão hịa. Hấp thụ bão hòa nghĩa là hấp thụ ánh sáng giảm khi cường độ ánh sáng
tăng. Hầu hết các vật liệu đều thể hiện tính chất hấp thụ bão hịa, nhưng thơng
thường ở những cường độ ánh sáng rất cao. Hấp thụ bão hòa được sử dụng trong


8

buồng cộng hưởng laser nhằm mục đích chuyển đổi sóng liên tục ở đầu ra của một
tia laser thành một chuỗi các xung ánh sáng siêu ngắn. Graphene với khả năng hấp
thụ trong phạm vi rộng, phát xạ nhanh chóng và tính ổn định cao rất thích hợp cho
ứng dụng này và thực sự nó đã được sử dụng thành cơng để sản xuất các xung laser
pico giây [21]. Ngồi ra, Jigang Wang cùng đồng sự tại Phịng thí nghiệm Ames và
trường Đại học Iowa [22] đã tìm thấy rằng sự khuếch đại quang học xảy ra trong
graphene có thể quan sát trên một ngưỡng năng lượng rộng - lên tới hàng trăm mV

dưới mức năng lượng photon bơm. Sự khuếch đại quang học rộng như thế có lẽ là
độc nhất vô nhị ở graphene và liên quan đến các electron bị quang kích thích trong
chất liệu tán xạ cực nhanh. Ngoài ra, một xung cực ngắn chỉ kéo dài 35 fs là đủ để
tạo ra sự khuếch đại băng rộng này - điều này chưa từng được tìm thấy trước đây ở
bất kì chất liệu nào. Sự nghịch đảo mật độ và sự khuếch đại quang thu được trong
vùng hồng ngoại của phổ điện từ chứng minh tiềm năng của graphene trong những
ứng dụng như máy khuếch đại quang băng rộng, laser và trong lĩnh vực viễn thông.
Gần đây, với vai trò là một bộ phận của những dụng cụ gọi là quang detector
(máy dò sáng), nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng graphene có thể biến đổi
hiệu quả ánh sáng hồng ngoại thành tín hiệu điện [23-25]. Các quang detector
graphene là những bộ phiên dịch dữ liệu quang học nhanh và chính xác. Vì vậy có
thể tăng tốc máy vi tính và giảm đáng kể cơng suất tiêu hao của chúng. Quang
detector thông thường được làm bằng vật liệu germanium. Tuy nhiên, vật liệu này
chỉ có thể phát hiện những photon có đủ năng lượng để đẩy các electron băng qua
một hàng rào năng lượng, cho phép điện tích chuyển động tự do trong khối chất bán
dẫn. Theo Thomas Mueller, graphene có thể thay thế germanium vì có khả năng
phát hiện bước sóng bất kì do khơng có khe năng lượng [24]. Hơn thế nữa,
graphene cịn có giá thành rẻ hơn germanium và dễ tích hợp vào chip silicon. Ngoài
ra, Xiaomu Wang và các cộng sự cũng chứng minh được một quang detector
graphene có thể phát hiện ra bước sóng ánh sáng dài hơn, trong vùng hồng ngoại
trung của quang phổ [25]. Thêm vào đó, nó có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng,
trong khi các detector trước nay phát hiện được những bước sóng này cần được làm
lạnh tới nhiệt độ của nitrogen lỏng. Điều đó khiến nó đặc biệt hữu ích trong các ứng


9

dụng đo phản ứng của phân tử trước ánh sáng hồng ngoại để nhận biết những hóa
chất nhất định trong môi trường hay trong mẫu xét nghiệm.
Các nhà khoa học cũng nghiên cứu rằng graphene có thể ứng dụng tốt trong

lĩnh vực thiết bị điện tử và quang điện tử hoạt động ở dải tần số tetrahertz [26,27].
Thực vậy, plasmon hai chiều trong graphene biểu hiện tính chất quang điện độc đáo
và tính chất dị thường khi tương tác với ánh sáng - vật chất. Về mặt lý thuyết, khi
mật độ cư trú của fermionic Dirac mang điện trong graphene được đảo ngược bởi
bơm quang học hoặc bơm điện, các kích thích của plasmon graphene bằng photon
terahertz trong việc lan truyền sự phân cực plasmon bề mặt kết quả làm thu được
một dải tần số terahertz rất rộng. Hơn nữa, khi các graphene nanoribbon với hai
cạnh biên được ghép với vật liệu kim loại có thể làm tăng lên sự khuếch đại
plasmon terahertz và cung cấp một sự phát laser siêu bức xạ plasmon. Những phát
hiện mới có thể dẫn đến việc tạo ra các nguồn phát THz plasmon và laser mới hoạt
động ngay cả ở nhiệt độ phịng. Ngồi ra, phổ năng lượng khơng có độ rộng vùng
cấm và quan hệ tán xạ tuyến tính của electron và lỗ trống trong graphene dẫn đến
các tính năng dị thường như là độ linh động cao của các hạt mang điện và khả năng
đáp ứng quang học ở dải rộng. Như vậy, graphene được xem là thích hợp làm vật
liệu nền cho các thiết bị hoạt động ở dải tần số terahertz [27].
Đối với các thiết bị như siêu tụ điện và pin thì khả năng lưu trữ, chuyển đổi
năng lượng và thời gian sử dụng đặc biệt được quan tâm và chú ý [28]. Do những
tính chất độc đáo mà graphene thích hợp cho các ứng dụng trong siêu tụ điện và pin
có hiệu suất cao. Siêu tụ điện là các thiết bị điện có khả năng lưu trữ và phát ra năng
lượng với cơng suất và mật độ dịng điện cao trong một khoảng thời gian ngắn.
Graphene với diện tích bề mặt riêng theo lý thuyết là 2.63×106 m2/kg, cùng với khả
năng dẫn điện tốt, tính chất ổn định nhiệt và cơ học tuyệt vời, hứa hẹn ứng dụng
trong làm điện cực siêu tụ. Sử dụng phương pháp hóa học khử điện cực graphene
oxide, Stoller và cộng sự [29,30] thu được điện dung riêng trong dung dịch điện
phân nước và chất hữu cơ lần lượt là 135000 F/kg và 99000 F/kg. Mặt khác, Wang
và cộng sự [31] đã nghiên cứu rằng các siêu tụ điện dựa trên chất nền graphene có
thể đạt đến điện dung tối đa 205000 F/kg với công suất được tạo ra từ một đơn vị


10

khối lượng 10 kW/kg và năng lượng được tạo ra từ một đơn vị khối lượng 28,5
Wh/kg. Bên cạnh đó, siêu tụ điện này có tuổi thọ dài, chu kỳ sử dụng lâu dài và có
thể giữ lại 90% điện dung ban đầu sau 1200 chu kỳ. Đối với pin, tính chất và vi cấu
trúc của vật liệu điện làm cực là rất quan trọng. Điện cực không chỉ quyết định khả
năng lưu trữ năng lượng và công suất của pin mà mà cịn ảnh hưởng đến độ an tồn
và chu kỳ sử dụng của pin. So với than chì được sử dụng rộng rãi trong các điện cực
thì graphene có diện tích bề mặt riêng lớn hơn và có khả năng lưu trữ gấp đôi so với
Li [32]. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng graphene có dạng phẳng hai chiều có
thể hỗ trợ pin Li-ion hấp thụ và khuếch tán, dẫn đến thời gian sạc giảm và tăng công
suất lên. Pan và cộng sự [33] thực hiện nghiên cứu các tấm điện cực graphene trên
pin Li-ion và đạt được công suất 540 Ah/kg cao hơn so với than chì. Ngồi ra, vì
khơng có độ rộng vùng cấm, graphene còn được xem là một ứng cử viên đầy hy
vọng trong việc chế tạo pin mặt trời. Hiện nay, silicon là một vật liệu thông dụng
làm pin mặt trời. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành điện
năng của pin silicon khơng cao vì silicon có vùng cấm chỉ bao phủ một phần của
quang phổ mặt trời [34]. Bằng các nỗ lực, các nhà nghiên cứu đã thành công khi
ứng dụng graphene vào trong pin năng lượng mặt trời để đạt được hiệu suất chuyển
đổi cao hơn [35]. Từ đó, mở ra một tương lai mới cho graphene trong ứng dụng pin
năng lượng mặt trời.
Bên cạnh đó, nhờ vào các tính chất vật lý ưu việt như siêu cứng, siêu bền và
siêu nhẹ, graphene được xem là vật liệu tiềm năng cho nghiên cứu gia cường vật
liệu tổng hợp. Graphene là vật liệu cứng nhất được biết đến với độ cứng (mô đun
Young - mô tả đàn hồi dạng kéo) 1 Tpa. Vì vậy, rất lý tưởng cho việc sử dụng như
một vật liệu gia cố trong vật liệu tổng hợp có độ bền cao [36]. Thêm vào đó, việc sử
dụng các dẫn xuất hóa học của graphene không chỉ mở rộng phạm vi của mạng tinh
thể mà cịn mở rộng các tính chất có thể của vật liệu tổng hợp. Chẳng hạn như
fluorographene có sức bền cơ khí nhỏ hơn so với graphene tinh khiết [37]. Tuy
nhiên vẫn có thể tổng hợp được vật liệu với tính chất cơ học tương tự nhưng tồn tại
một loạt các đặc điểm khác như từ trong suốt đến mờ đục và từ dẫn điện đến cách

điện.


11

Ngoài ra, phổ Raman của graphene thay đổi đáng kể với lực căng [38-40]. Vì
vậy, những biến dạng cơ học dù chỉ là một phần rất nhỏ cũng có thể dễ dàng phát
hiện. Bởi thế nên, kết hợp graphene và polymer đem lại nhiều ứng dụng thiết thực
[36], tín hiệu Raman của graphene rất mạnh (các đỉnh phổ mạnh trong phổ Raman
của graphene là do các quá trình cộng hưởng đơn hoặc đơi). Do đó, có thể dễ dàng
phát hiện rạn nứt tích tụ trong các vật liệu composite được kiểm tra bằng cách giám
sát vị trí của các đỉnh phổ Raman. Các tính chất siêu bền và siêu dai của graphene
cũng được xem xét để gia cường cho các vật liệu composite. Từ kinh nghiệm kéo
sợi ống nano carbon và graphene, một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Úc, Mỹ và Hàn
Quốc đã nghĩ ra một cách tiếp cận mới là tạo ra một hỗn hợp ống nano carbon và
graphene trong chất nền polymer (polyvinylalcohol) (PVA) rồi kéo thành sợi [41].
Kết quả vượt qua sự mong đợi của nhóm là độ dai của sợi composite là 2000
MJ/cm3 lớn nhất từ trước đến nay, lớn hơn gần 10 lần tơ nhện (214 MJ/cm3) và 13
lần sợi Kevlar (150 MJ/cm3). Ngoài ra, nguyên tắc chính trong việc kéo sợi là sự
sắp thẳng hàng theo trục kéo, khi đó những mảnh graphene hành xử như một tấm
chắn ngăn chặn và làm cùn mũi nhọn vết nứt ngay từ thang phân tử. Phương pháp
làm cùn vết nứt là một cơ chế gia tăng độ dai của vật liệu. Tuy nhiên, sợi làm từ
graphene, ống nano carbon hay hỗn hợp giữa graphene và ống nano carbon trong
dung dịch PVA chỉ có giá trị hàn lâm, chứng tỏ tiềm năng nhưng khơng có giá trị
thực tế bởi PVA là một chất dính có thể hịa tan trong nước. Việc thay thế PVA
bằng một polymer không hòa tan trong nước cho đến nay vẫn chưa được thực hiện
thành cơng. Thêm vào đó, sản xuất graphene có diện tích lớn theo phương pháp
cơng nghiệp vẫn cịn nhiều hạn chế. Nếu khắc phục được các nhược điểm nêu trên
nano composite chứa graphene sẽ xuất hiện trong tương lai không xa.
1.2.

Các nghiên cứu graphene bằng thực nghiệm và mô phỏng
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu hai chiều là một đề tài vô

cùng thú vị. Theo nghiên cứu của hai nhà vật lý nổi tiếng Peierls [42] và Landau
[43], việc tồn tại vật liệu 2D là mâu thuẫn với lý thuyết bền vững về mặt nhiệt động
lực học. Quá trình dao động nhiệt của các nguyên tử trong mạng 2D sẽ gây ra sự tan
chảy mạng tinh thể khiến cho sự hiện hữu của một vật liệu 2D không thể nào xảy ra


12

và đưa đến việc tìm kiếm là trở nên vơ vọng. Các kết quả thực nghiệm [44] cũng
chứng minh được độ bền vững nhiệt động học của màng mỏng sẽ giảm dần theo sự
giảm bề dày của màng và khi màng đạt đến độ dày tương ứng với vài chục lớp
ngun tử thì lúc này sẽ tự suy thối và co cụm lại thành vật liệu 3D. Như vậy,
trong lý thuyết vật lý chất rắn và thực nghiệm lúc bấy giờ đều đưa ra các kết luận
quan trọng là quy luật vật lý không cho phép sự hiện hữu của vật liệu 2D. Khi đó,
việc chứng minh và tìm kiếm sự tồn tại của vật liệu 2D thực sự đi vào ngõ cụt và
làm đau đầu các nhà nghiên cứu khoa học. Năm 2004, sự thành cơng của nhóm các
nhà khoa học Geim và Novoselov [1] trong việc chế tạo ra vật liệu 2D graphene đã
làm thay đổi những tính toán trong vật lý lý thuyết trước đây. Tuy nhiên, sự khám
phá ra graphene của Geim và Novoselov không bác bỏ lại những nghiên cứu trước
đây của những bậc lý thuyết gia nổi tiếng như Peierls và Landau. Mặc dù lý thuyết
không chấp nhận một mạng lưới tinh thể tồn tại trong không gian 2D trên một mặt
phẳng tuyệt đối, nhưng điều đó khơng có nghĩa là mạng lưới 2D nương tựa trên một
khối 3D hay tự thân hiện hữu trong không gian 3D là không thể tồn tại. Điều này
đúng với sự quan sát của Geim, Novoselov và cộng sự [45]. Dưới kính hiển vi đã
quan sát được những mảng graphene lơ lửng trong trạng thái tự do không phẳng mà
lồi lõm như mặt sóng vi mơ trong khơng gian 3D (hình 1.2).

Hình 1.2: Hình ảnh graphene trong khơng gian 3D. Nguồn internet


13

Q trình nghiên cứu vật liệu kì diệu graphene khơng những được chú ý đến
trong thời điểm hiện tại mà còn được nghiên cứu bởi các nhà khoa học trước đó.
Lịch sử nghiên cứu khoa học đã ghi nhận khơng ít những nỗ lực để tìm ra loại vật
liệu 2D đầu tiên với chiều dày chỉ bằng một lớp nguyên tử. Năm 1859, bằng cách
cho graphite vào axit mạnh nhà hóa học Benjamin Brodie [46] quan sát một dạng
oxit của graphene mà ơng tin rằng mình đã tìm được “graphon”, một dạng thù hình
mới của cacbon với khối lượng nguyên tử là 33.
Nhưng với kỹ thuật ngày nay đã khẳng định “graphon” chính là graphene
oxit được cấu tạo từ các tinh thể nhỏ graphene có mật độ cao được bao phủ bởi
nhóm hydroxyl và epoxide [47]. Trong lĩnh vực vật lý lý thuyết, Phil Wallace dựa
trên nghiên cứu về cấu trúc dải của graphene [48] đã đề cập đến sự tồn tại của vật
liệu 2D kì diệu vào năm 1947. Lý thuyết này dường như đóng băng cho đến khi
graphene thực sự ra đời thì nó nhanh chóng trở thành ánh đuốc soi đường cho các
nghiên cứu sau này. Năm 1948, G.Ruess và F.Vogt sử dụng kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM) quan sát mẫu sau khi làm khô một giọt graphene oxide, kết quả
cho thấy một số mảnh có độ dày vài nanomet [49]. Vào năm 1962, hai nhà khoa học
Ulrich Hofmann và Hanns-Peter Boehm đã cố gắng tìm kiếm các mảnh vỡ mỏng
nhất có thể có của các mảnh graphite oxide và xác định một số trong số chúng gần
như có cấu trúc đơn lớp [50].
Từ khi Geim và Novoselov cùng các đồng nghiệp phát hiện ra sự tồn tại của
vật liệu graphene năm 2004 [1], số bài báo cáo về graphene trên các tạp chí hàn lâm
gia tăng đột biến [51] và từ đây vật liệu graphene được chế tạo bằng nhiều phương
pháp thực nghiệm khác nhau.
Tại đại học Manchester (Anh Quốc) nhóm nghiên cứu của Geim và

Novoselov dùng một phương pháp đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để
tách ra một lớp than chì mỏng hơn, rồi lại lặp lại thao tác trên lớp than này để có thể
thu được một lớp than mỏng hơn nữa. Làm nhiều lần như vậy thì ta có thể nhận
được những mảnh graphene, một vật liệu 2 chiều với độ dày của một nguyên tử [1].
Nhưng sự thành công hay thất bại trong ứng dụng của một vật liệu tùy thuộc vào
khả năng tổng hợp để sản xuất số lượng lớn ở mức công nghiệp, phẩm chất đồng


14

nhất và giá cả hợp lý. Với phương pháp thủ cơng “dán bóc” được lặp đi lặp lại
nhiều lần thì cũng tạo được vài mảnh li ti graphene trong một vài giờ, nhưng với
việc sản xuất đại trà thì khơng thể theo thủ thuật “dán bóc” của Geim và Novoselov.
Một phương pháp khác là “ ngưng đọng hơi hóa học” dùng lò nhiệt độ cao
giống như phương pháp tổng hợp ống than nano. Đồng được dùng như là chất nền
đun nóng lên ở nhiệt độ 800 – 1.0000C và nguồn carbon được thổi qua chất nền, cấu
tạo của graphene sẽ được hình thành trên mặt đồng [52]. Đại học Sungkyunkwan
(Hàn Quốc) dùng những thiết bị “ ngưng đọng hơi hóa học” cao cấp để chế tạo
những mảng phim graphene chất lượng cao trong suốt có chiều rộng 76 cm trên
chất nền đồng. Sau đó đồng được khử đi để lộ ra màng graphene tự do [53].
Phương pháp tạo mạng graphene trên chất nền SiC có lẽ là một phương pháp
nhiều hứa hẹn để chế tạo dụng cụ điện tử và transistor. SiC cũng là vật liệu thông
dụng trong công nghiệp điện tử. SiC vừa là nguyên liệu tạo graphene vừa là chất
nền cho vi mạch. Trong lò nhiệt độ cao (1.0000C), nguyên tố Si bị bốc hơi để lại
phía sau mạng graphene chất lượng cao có cấu trúc với kích cỡ vài trăm micromet
không khuyết tật. Nếu độ lớn của transistor là vài mươi nanomet ta có thể tạo ra một
vi mạch chứa vài chục ngàn transistor graphene ngay trên chất nền SiC. Nhược
điểm của phương pháp này là giá cả của SiC quá cao, và lát SiC quá nhỏ nên chỉ có
thể áp dụng vào cơng nghệ cao như chế tạo transistor hoạt động ở băng tần GHz,
THz [54,55].

Thay vì dùng động tác cơ học “bóc dán”, than chì được tách bằng cách oxit
hóa than chì biến graphene thành graphene oxide. Nguyên tử oxygen như một vật
chêm chen vào khoảng cách giữa hai lớp graphene và khi khoảng cách lớp được nới
rộng thì lực hút giữa hai lớp sẽ bị giảm nhanh chóng. Những động tác cơ học như
siêu âm sẽ dễ dàng tách than chì thành mảnh graphene oxide dưới dạng huyền phù.
Graphene oxide sẽ được khử để đưa trở lại dạng graphene. Phương pháp này có
tiềm năng sản xuất đại trà do việc sử dụng nước trong q trình sản xuất. Tuy nhiên,
oxide hố có thể hủy hoại mạng graphene hay gây khuyết tật. Dù rằng graphene có
khuyết tật khơng thể đáp ứng những u cầu gần như tuyệt đối trong các ứng dụng


15

điện tử nhưng chúng có thể dùng trong việc gia cường độ cảm ứng, tụ điện hay điện
cực pin [56-59].
Từ các kết quả trên cho ta thấy phần lớn các nghiên cứu thực nghiệm hướng
đến sản xuất màng graphene (thử nghiệm các phương pháp chế tạo khác nhau để
nâng cao sự thuận tiện trong chế tạo, nâng cao độ rộng của màng graphene hay tăng
năng suất chế tạo…) và khảo sát một số tính chất vật lý cũng như thử nghiệm một
số khả năng ứng dụng màng graphene ở cấp độ vĩ mô chứ chưa nghiên cứu chi tiết
cơ chế nguyên tử xảy ra khi hình thành cấu trúc tinh thể vật liệu hai chiều cũng như
sự thay đổi cấu trúc từ cấu từ vơ định hình sang tinh thể. Như khẳng định bởi Geim
là cho đến nay, sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc và các tính chất của graphene
là rất hạn chế [60]. Để nghiên cứu chi tiết hơn cơ chế nguyên tử xảy ra trong quá
trình hình thành mạng tinh thể vật liệu hai chiều thì việc nghiên cứu sự chuyển pha
là một trong những đối tượng quan trọng. Vì vậy, mơ phỏng hiện tượng hình thành
màng tinh thể graphene là một khảo sát có tính chất mới để tìm hiểu sự thay đổi cấu
trúc, tính chất nhiệt động học, cơ chế nguyên tử và q trình chuyển pha. Học viên
thực hiện đề tài “Mơ phỏng q trình tạo graphene từ mơ hình carbon lỏng 02
chiều với thế tương tác LCBOP I” để đáp ứng các đòi hỏi khoa học được nêu bên

trên và làm cơ sở phát triển các đề tài tiếp theo về hiện tượng này ở các vật liệu có
cấu trúc hai chiều tương tự.


16

CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG
2.1.

Phương pháp động lực học phân tử
Phương pháp mô phỏng Động lực học phân tử cổ điển (Molecular Dynamics

Simulation, thường gọi tắt là mô phỏng MD) mô phỏng tốt các cấu trúc (lỏng,
rắn,…), khảo sát rõ hiện tượng chuyển pha (nóng chảy, đơng đặc,…), cho thấy sự
ổn định nhiệt động lực học của các đối tượng (màng mỏng, hạt nano,…), đồng thời
phương pháp này đã được sử dụng khảo sát tốt q trình nóng chảy graphene tinh
thể [61]. Vì vậy, đề tài sử dụng phương pháp mơ phỏng MD để khảo sát q trình
tinh thể hóa graphene. Mơ phỏng MD là kỹ thuật dùng để tính các tính chất cân
bằng và tính chất chuyển dời của hệ cổ điển nhiều hạt thơng qua tính tốn số học
các tích phân của phương trình chuyển động Newton [62,63]. Nghĩa là, một hạt
nguyên tử thứ i có khối lượng m i và chịu lực tương tác F ij từ các nguyên tử xung
quanh nó sẽ chuyển động tuân theo phương trình sau:
mi .

d 2 ri
= ∑ F( rij )
dt 2 i ≠ j

(2.1)

Đối với hệ có N hạt thì sẽ có N phương trình tương tự và chuyển động của N
hạt này tương tác lẫn nhau thông qua các lực giữa các hạt. Phương pháp mô phỏng
MD tính gần đúng rất tốt cho một dải rộng các loại vật liệu. Vì vậy, có thể thực hiện
tốt đối với mơ hình tinh thể hóa graphene. Thực hiện giải các phương trình chuyển
động của hạt trong hệ cho bởi (2.1) để áp dụng phương pháp mô phỏng MD vào mơ
hình cần khảo sát. Thuật tốn Verlet [64] được sử dụng trong mơ phỏng và có thể
tóm lược như sau:
- Các hạt được gán tọa độ r 0 và vận tốc ban đầu v 0 .
- Tổng các lực tác dụng lên nguyên tử thứ i được tính theo biểu thức:
N

Fi =
−∑ ∇U ij ( r ) .
i =1

(2.2)