Graphene vật liệu của kỷ nguyên mới

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm bài tập lớn, em đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình từ thầy TS. Nguyễn Hồng Quảng. Thầy đã giúp đỡ em rất nhiều cả về
kiến thức và phương pháp, để em có thể hồn thành tốt đề tài nghiên cứu của
mình.
Do thời gian hạn hẹp và kiến thức chưa thực sự hồn thiện nên khó có
thể tránh khỏi sự sai sót. Em rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý từ thầy
cũng như bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn thầy. Chúc thầy cùng các thầy cô trong khoa
sức khoẻ và thành công.
Sinh viên thực hiện

SV: MSSV:

0


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

MỞ ĐẦU
1. L ý do chọn đề tài
Trong thế kỷ XX, những tiến bộ vượt bậc trong khoa học vật liệu đã tạo
nên ảnh hưởng sâu rộng đến nỗi quá trình “thịnh suy” của vật liệu cũng bị thúc
đẩy mạnh mẽ. Chính q trình đó đã góp phần định hình cuộc sống hiện đại của
chúng ta.
Những năm gần đây, Graphene đã được nhìn nhận như một vật liệu có
tính cách mạng với các tính chất cấu trúc và điện tử vượt trội so với các chất bán
dẫn và kim loại truyền thống. Từ khi Graphene được nghiên cứu, chế tạo và đem
vào ứng dụng thì người ta thấy: Graphene là loại vật liệu mang lại cho chúng ta

từ ngạc nhiên này đến ngạc nhiên khác.
Với chất lượng tuyệt hảo, Graphene đang được xem như một vật liệu thay
thế trong các cơng nghệ hậu CMOS. Nó cịn được biết đến là vật liệu xanh và là
nguồn vật liệu vơ cùng dồi dào vì ngun tố chính cấu thành nên là carbon- có
mặt phổ biến nhất trên Trái Đất. Nếu vật liệu này được đưa vào sử dụng một
cách phổ biến thì bài tốn tìm những ngun liệu sạch và lớn sẽ có một cách giải
hay.
Các tính chất kỳ diệu của Graphene đã buộc các nhà lý thuyết phải xem
xét lại cơ sở của lý thuyết kim loại. Graphen có nhiều tính chất chưa từng gặp ở
các vật liệu khác, và các số đo tính năng của nó gây chấn động và thu hút trong
giới vật lý, hóa học và đặc biệt điện tử học, chính điều này đã tạo sự khác biệt
giữa Graphene và các vật liệu khác, do vậy Graphene sẽ mở ra một thời đại mới
trong khoa học và trong công nghệ với những hệ quả sâu rộng chưa thể dự đoán.
Nhận thấy tiềm năng của loại vật liệu này trong tương lai nên nghiên cứu về
Graphene là điều rất cần thiết và quan trọng, vì vậy tơi đã chọn “ Graphene Vật liệu của kỷ nguyên mới” là đề tài nghiên cứu chính của mình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu về hồn cảnh ra đời của Graphene và giải th ưởng Nobel 2010
cho tác giả của vật liệu này.
SV: MSSV:

1


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

- Những tính chất vật lý và hoá học tạo nên sự đặc biệt của Graphene .
- Khả năng ứng dụng và phạm vi ứng dụng của Graphene.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu Graphene.
- Tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê.
- Phương pháp phân tích, so sánh.
- Phương pháp thu nhận, tổng hợp và xử lý thông tin.
5. Bố cục đề tài
Phần A: Mở đầu
Phần B: Nội dung
Chương 1: Giới thiệu về vật liệu Graphene.
Chương 2: Các tính chất chung về Graphene.
Chương 3: Khả năng ứng dụng của Graphene.
Phần C: Kết luận
* Tài liệu tham khảo

SV: MSSV:

2


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE
1.1.Hoàn cảnh ra đời
- Graphene đã được P.R. Wallace nghiên cứu trên lí thuyết vào năm 1947
cho các phép tính trong ngành Vật lý chất rắn. Ơng đã dự báo cấu trúc điện tử và
lưu ý đến mối quan hệ khuếch tán tuyến tính.
- Phương trình sóng cho các trạng thái kích thích được J.W McCluke viết
ra vào năm 1956 và sự tương tự với phương trình Dirac được trình bày bởi G.W.
Semenoff vào năm 1984, và cũng được nhìn thấy bởi DiVincenzo và Mele.
- Trước năm 2004, việc tách ra những tấm graphene bền vững được cho là

khơng thể. Do đó, thật hồn tồn bất ngờ khi Andre Geim, Konstantin
Novoselov và các cộng sự của họ ở trường Đại học Manchester (Anh), và Viện
Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã thành công trong việc thực
hiện chính cơng việc này.
- Andre Geim và Konstantin Novoselov đã cơng bố các kết quả của mình
trên tạp chí Science số tháng 10/2004. Trong bài báo này, họ đã mô tả việc chế
tạo, nhận dạng và mô tả đặc trưng đối với Graphene. Họ đã sử dụng một phương
pháp bóc tách cơ học đơn giản bằng “kỹ thuật tách băng ca- rơ” ( scotch taping
technique) để trích ra những lớp mỏng graphite từ một tinh thể graphite bằng
loại băng dính Scotland và sau đó đưa những lớp này lên trên một chất nền
silicon. Sau đó nhóm Manchester đã thành cơng bởi việc sử dụng một phương
pháp quang mà với nó họ có thể nhận ra các mảnh nhỏ cấu tạo gồm chỉ một vài
lớp và điều đặc biệt là bề dày cuả nó chỉ là duy nhất một nguyên tử.

SV: MSSV:

3


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

H.1.1 Lá Graphene
- Sau sự kiện khám phá ra Graphene, không phải ngay lập tức Graphene
đã dành được sự chú ý của các nhà khoa học, vì người ta tin rằng một vật liệu
như vậy khơng thể tồn tại dưới dạng tinh thể. Lĩnh vực nghiên cứu Graphene chỉ
thực sự mở ra vào năm 2005 với các kết quả đo đạc liên quan tới hiệu ứng Hall
kỳ dị được thực hiện bởi nhóm của Geim và Philip Kim tại trường đại học
Comlumbia, Mỹ.
1.2.Tác giả và giải thưởng Nobel vật lý 2010
- Giải Nobel Vật lí 2010 vinh danh hai nhà khoa học đã có những đóng

góp có tính quyết định cho sự phát triển của vật liệu Graphene. Họ là Andre K.
Geim và Konstantin S. Novoselov, cả hai đều đang làm việc tại trường Đại học
Manchester, Anh. Họ đã thành công trong việc chế tạo, tinh lọc, nhận dạng và
mơ tả đặc trưng Graphene.

Hình 1.2: Andre Geim (trái) và Konstantin Novoselov (phải) với một
tấm graphene sóng.
SV: MSSV:

4


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

- Andre Konstatinnovich Geim, sinh ngày 21/10/1958 là một nhà khoa
học người Hà Lan gốc Nga, hiện đang sinh sống ở Anh. Năm 2010, ông
cùng Konstantin Sergeevich novoselov tại đại học Manchester đã được trao Giải
Nobel vật lý cho những thí nghiệm đột phá trong vật liệu hai chiều Graphene.
Ông cũng là Viện sĩ của Hiệp hội Hoàng gia London từ năm 2007. Andre Geim
đã từng được nhận các giải thưởng danh giá với các nghiên cứu thành cơng của
mình: Giải Ig Nobel (2000), giải Mott (2007) vì “phát hiện ra một lớp vật chất
mới – các tinh thể hai chiều tồn tại tự do – cụ thể là graphen”, giải Euro Physics
(2008) cho “ phát hiện và cô lập một lớp nguyên tử cacbon đơn nhất tồn tại tự
do (Graphen) và làm sáng tỏ các thuộc tính điện đáng chú ý của nó”, huy
chương Huyghes (2010) cho “ phát hiện mang tính đột phá ra graphen và làm
sáng tỏ các thuộc tính đáng chú ý của Graphene”, Nobel (2010) và một số giải
thưởng khác.
- Konstantin Novoselov Sergeevich, sinh ngày 23/08/1974, tại Nizhny,
Nga ( Liên Xô cũ), là một Nga - Anh vật lý, đáng chú ý nhất được biết đến với
tác phẩm của ông về Graphene cùng với Andre Geim, mà đã mang lại cho họ

Giải Nobel vật lý năm 2010. Novoselov hiện đang là thành viên của các
mesoscopic vật lý nhóm nghiên cứu tại đại học Manchester. Ông đã phát hành
hơn 60 tài liệu nghiên cứu về các chủ đề như mescopic siêu dẫn, hạ nguyên tử
chuyển động của bức tường miền từ tính, các sáng chế: băng dính và Graphene.
Năm 2008 ơng nhận giải Europhysics cùng đề tài với Andre Geim.
1.3.Những đặc tính nổi bật của Graphene
- Trong bài tóm lược của Geim và Novoselov năm 2007, Graphene được
định nghĩa là: tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon
với liên kết sp 2 , đ ộ dài 0,142 nm, tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong hai chiều
(2D).

SV: MSSV:

5


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

(a)

(b)

Hình 1.3: Chiều dài liên kết C-C (a) và dàn tinh thể hình tổ ong của
nguyên tử C trong Graphene(b).
Tên gọi của nó được ghép từ “graphite” than chì và hậu tố “en”(tiếng Anh
là “-ene”); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại. Nó là khối
căn bản cho các vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều. Nó có thể được bọc lại
thành những fullerene 0D, cuộn lại thành ống nano carbon 1D hoặc xếp thành
than chì 3D. (Hình 1.4)
- Trong bài báo đăng trên Tạp chí Nature, Kirill Bolotin, giáo sư Khoa Vật

lý và Thiên văn Vanderbilt, cho biết: “Có hai đặc tính khiến graphene trở nên
đặc biệt.”
+ Thứ nhất, cấu trúc phân tử của nó khó bị khiếm khuyết đến mức các nhà
nghiên cứu phải tự tạo ra chúng để nghiên cứu những hiệu ứng của nó.
+ Thứ hai, các điện tử mang điện tích di chuyển rất nhanh và thường hoạt
động như thể chúng có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với khi ở trong các kim loại
thường hay siêu dẫn.
- Ngồi ra Graphene cịn có đặc tính tuyệt vời khác là: nó hồn tồn
khơng để khơng khí lọt qua, chính điều này đã mang lại lợi ích cho ngành đóng
gói thực phẩm.

SV: MSSV:

6


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

1.4. Các dị hình của Graphene
- Graphene là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than
chì, ống nano carbon và fullerene. Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn,
mà trong trường hợp giới hạn của họ các hydrocarbon đa vịng phẳng gọi là
Graphene.
- Graphene là dị hình cuối cùng được khám phá. Trong khi fullerene và
ống nano carbon lần lượt được khám phá vào những năm 80 và 90, tới tận năm
2004 Graphene mới được khám phá nhóm Andre Geim.
+ Fullerene: Dạng thơng dụng nhất là C60, gồm 60 nguyên tử carbon và
trông tựa như một quả bóng đá cấu tạo từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác
cho phép bề mặt đó tạo thành một quả cầu. Khám phá ra fullerene đã được trao
Giải Nobel Hóa học năm 1996.

+ Ống nano carbon, đã được biết tới trong vài thập niên qua và các ống
nano đơn thành xuất hiện từ năm 1993. Những ống này có thể hình thành từ
những tấm Graphene cuộn lại, và hai đầu của chúng có dạng nửa cầu giống như
fullerene. Các tính chất cơ và điện tử của các ống nano kim loại đơn thành có
nhiều cái tương đồng với Graphene.
+ Người ta đã biết rõ rằng graphite gồm những tấm carbon hình lục giác
xếp chồng lên nhau, nhưng họ lại tin rằng một tấm đơn lẻ như vậy không thể nào
chế tạo được ở dạng tách rời. Vì thế, năm 2004, Konstantin Novoselov, Andre
Geim cùng các cộng sự của họ cho biết rằng một lớp đơn (Graphene )như vậy có
thể tách rời ra được và nó cịn bền nữa đã mang lại bất ngờ lớn trong giới khoa
học.
- Graphene được xem như là “mẹ” của tất cả các dị hình được chỉ ra trong
hình 1.3. Graphite được xếp từ Graphene, các ống nano carbon được cuộn từ
Graphene, các fullerene được uốn cong kín từ Graphene.

SV: MSSV:

7


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

H.1.4 Các dị hình của Graphene (*)
- Trong thực tế, hầu hết các tính chất cấu trúc và điện tử của những dị
hình đó đều có thể thu nhận từ các tính chất cơ bản của Graphene.

SV: MSSV:

8

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

CHƯƠNG 2: CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA GRAPHENE
2.1 Cấu trúc nguyên tử của Graphene
- Các cấu trúc nguyên tử của Graphene đơn lớp cách ly đã được nghiên
cứu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trên tấm Graphene lơ lửng giữa
thanh của một lưới kim loại. Các mẫu nhiễu xạ điện tử cho thấy : phân tử phẳng
được cấu tạo từ các nguyên tử cacbon sắp xếp theo các vịng lục giác hình tổ ong
của Graphene và "gợn sóng" của tấm bằng phẳng, với biên độ trong khoảng
1nm. Những gợn sóng của Graphene thực chất là kết quả của sự bất ổn của tinh
thể hai chiều được nhìn thấy trong tất cả các hình ảnh TEM của Graphene.
- Nguyên tử có độ phân giải thực khơng gian hình ảnh của Graphene đơn
lớp cơ lập trên nền SiO 2 đã thu được bằng kính hiển vi quét đường
ngầm. Graphene được chế biến bằng cách sử dụng kỹ thuật in thạch bản được
bao phủ bởi quang dư, mà cần phải được làm sạch để có được ngun tử có độ
phân giải hình ảnh. Như vậy dư lượng có thể là "adsobates "quan sát trong hình
ảnh TEM, và có thể giải thích những gợn sóng của graphene treo.
- Graphene tấm ở dạng rắn (mật độ> 1 g / cm

3)

thường thấy bằng chứng

trong nhiễu xạ cho 0,34 nm của graphite (002) phân lớp. Điều này đúng ngay cả
của một số vách cấu trúc nano carbon duy nhất.
- Người ta thấy trong Graphene, electron chuyển động linh hoạt hơn trong
silic, có nhiều cách chuyển động dị th ường theo kiểu đạn đạo (ballistic).
2.2 Tính chất vật lý của Graphene
2.2.1 Tính chất cơ học

- Đến năm 2009, Graphene dường như là một trong những vật liệu mạnh
nhất đã từng thử nghiệm. Mặc dù Graphene có độ dày chỉ là một nguyên tử,
chuỗi cacbon nối tiếp nhau nên nó cực kỳ mỏng nhưng lại rất bền về mặt cơ học
nên nó còn được gọi là vật liệu siêu bền và siêu mỏng khiến nhiều người thực sự
bất ngờ.
- Các phép đo đã chỉ ra rằng: Graphene có sức bền 42N/m. Thép có sức
bền trong ngưỡng 250-1200 MPa = 0,25-1,2.10 9N/m2. Với một màng thép giả
SV: MSSV:

9


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng
0

thuyết có cùng bề dày như Graphene (có thể lấy bằng 3,35 A = 3,35.10-10m, tức
là bề dày lớp trong graphite), giá trị này sẽ tương ứng với sức bền 2D 0,084 0,40N/m. Như vậy, Graphene bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần. Người ta tính
tốn, dưới tác dụng của một 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.
- Các nhà nghiên cứu đã làm thí nghiệm: Trong cái võng 1m 2 của chúng ta
mắc giữa hai cái cây, chúng ta có thể đặt một gia trọng xấp xỉ 4kg trước khi nó
bị rách vỡ. Như vậy, người ta có thể chế tạo một cái võng hầu như vơ hình từ
Graphene có thể chịu sức nặng của một con mèo mà không bị hỏng. Cái võng sẽ
cân nặng chưa tới một mg, tương ứng với trọng lượng của một sợi râu mép của
con mèo.
2.2.2 Tính chất nhiệt
- Sự dẫn nhiệt của Graphene bị chi phối bởi các phonon và đã được đo
xấp xỉ là 5000 Wm-1K-1. Đồng ở nhiệt độ phịng có độ dẫn nhiệt 401 Wm-1K-1.
Như thế, Graphene dẫn nhiệt tốt hơn đồng 10 lần.
- . Trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn, Graphene

vẫn duy trì các tính chất 2D của nó ở nhiệt độ phịng. Độ dẫn nhiệt của nó cao
hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của bạc. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ thăng hoa
của carbon cao nhất trong mọi nguyên tố, cỡ 3500 0 C, trong khi silic n óng ch ảy
t ại 1700 0 C.
2.2.3 Tính chất điện
- Độ dẫn bản của một chất liệu 2D được cho bởi s = enm. Độ linh động
trên lí thuyết bị giới hạn đến m = 200.000 cm 2V-1s-1 bởi các phonon âm học ở
mật độ hạt mang n = 10 12cm-2. Điện trở tấm 2D, còn gọi là điện trở trên bình
phương, khi đó là 31W.Cái võng viễn tưởng 1m 2 của chúng ta sẽ có điện trở
31W.
- Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96.10 -6 W-1m-1 cho Graphene.
Giá trị này có phần cao hơn độ dẫn của đồng là 0,60. 10-6 W-1m-1.

SV: MSSV:

10


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

- Graphene còn thể hiển hiện tượng điện lạ được gọi là hiệu ứng một phần
lượng tử Hall, khi các điện tử cùng nhau hành động để tạo ra các hạt mới với các
điện tích là một phần của những điện tử riêng lẻ. Nó dẫn điện tử nhanh hơn bất
cứ vật liệu nào đã biết, giống như chuyển động của một hạt không trọng lượng
của thuyết tương đối (massless relativistic particle) là photon.
- Hiểu biết các tính chất điện của graphene là rất quan trọng bởi, không
giống như các vật liệu khác được sử dụng trong cơng nghiệp điện tử, nó có khả
năng bền và dẫn điện ở cấp phân tử. Nên khi công nghệ silic hiện nay chạm tới
ngưỡng giới hạn về thu nhỏ kích cỡ trong những năm tới, Graphene có thể là vật
liệu thay thế hồn hảo.

2.2.4 Tính chất quang
- Graphene trên thực tế là trong suốt vì Graphene chỉ này 1 nguyên tử nên
nó rất mỏng và trong suốt. Trong vùng quang học, nó chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng.
Con số này được đo bởi pa, trong đó a là hằng số cấu trúc tinh thể xác lập cường
độ của lực điện trường. Như vậy, miếng Graphene lơ lửng khơng có màu sắc.

Hình 2.1 Tính trong suốt của Graphene
2.3. Tính chất hoá học
- Như ta đã nghiên cứu ở trên, Graphen là những tấm phẳng, đơn lớp 2
chiều, trên đó cacbon nối với nhau thành một mạng lưới hình tổ ong (lục giác
đều) bằng liên kết sp 2 , độ dài 0,142 nm. Nếu là một nhà hóa học, người ta coi
Graphen là một dạng đặc biệt của hydrocacbon thơm đa vòng phẳng nên

SV: MSSV:

11


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

Graphene sẽ có những tính nhất hố họctương tự như của hidrocacbon thơm đa
vịng phẳng như: phản ứng thế electronphin, phản ứng oxi hoá, phản ứng khử.
- Sử dụng những chất hoá học đ ể tham gia quá trình phản ứng với
Graphene nhằm tạo ra những tính chất mong muốn của Graphene để có lợi trong
việc chế tạo vật liệu và ứng dụng. Như: để tạo ra vùng cấm trên Graphene,
người ta kích thích nguyên t ử kim loại liên kết với Graphene để tạo ra lỗi trong
nó.
- Một trong những khía cạnh thú vị của hoá học cacbon là trạng thái điện
tử của chúng được mơ tả tốt hơn dưới trạng thái q trình lai của các trạng thái
tương tự của hidro s và p tinh khiết. Những quỹ đạo lai này hình thành nên các

liên kết đồng hoá trị định hướng mạnh dẫn đến một số lớn các cấu trúc tinh thể
khác nhau.

SV: MSSV:

12


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

CHƯƠNG 3: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE
3.1 Giới thiệu chung về khả năng ứng dụng của Graphene
- Từ những tính chất đặc biệt của Graphene như: là chất cực kỳ cứng, hơn
cả kim cương, độ bền cao hơn thép trên 200 lần, những ở dạng đơn lớp lại dẻo
như một miếng nhựa, có thể bẻ cong, gấp hoặc cuộn lại thành ống, nó trong suốt
cho phép tối thiểu 90% ánh sáng đi qua, điện trở thấp hơn chất dẫn điện trong
suốt tiêu chuẩn là indi-thiếc oxit,… nên mở ra một ứng dụng rộng rãi trong việc
sản xuất màn hình cảm ứng chất lượng cao, pin mặt trời, thiết bị lưu trữ năng
lượng, điện thoại di động và nhiều ứng dụng khác trong khoa học vật liệu, cơng
nghiệp điện tử,… Dần dần Graphene có thể thay thế silicon trong lĩnh vực sản
xuất chip máy tính tốc độ cao.

Hình 3.1 Những tính năng kỳ diệu đã tạo cho graphen khả năng ứng
dụng đặc biệt. Ảnh: Internet.
3.2 Ứng dụng trong công nghiệp 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 với kích thước càng nhỏ thì
hiệu quả hoạt động của nó càng cao. Nên thích hợp cho việc sản xuất màn hình
cảm ứng chất lượng cao, thiết bị lưu trữ năng lượng, điện thoại di động một
cách rộng rãi. TS. Novoselov và GS. Andre Geim là người đầu tiên tách lớp

Graphene từ than chì và mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng vào điện tử.
- Trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị vi điện tử, nhờ tính chất độc đáo của
mình, các transistor graphen đã tạo ra những linh kiện rất đa dạng và ưu việt,
đáp ứng nhu cầu của nhiều thiết bị mà nếu không phải nhà chuyên môn, người ta
SV: MSSV:

13


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

khó hình dung được. Geim đã chế tạo được bóng bán dẫn làm từ Graphene, có
độ dày 1/10nm và chỉ bằng 1/4 kích thước bóng bán dẫn nhỏ nhất làm bằng vật
liệu silic. Những bóng bán dẫn này có tốc độ đóng/mở nhanh gấp 100 lần loại
bóng bán dẫn nhạy nhất hiện nay. Điều này đồng nghĩa với việc máy tính điện tử
dùng bóng bán dẫn Graphene sẽ có tốc độ xử lý nhanh gấp bội các loại siêu máy
tính dùng bóng bán dẫn silic.

Hình 3.2 Bóng bán dẫn Graphene đơn nguyên tử được sử dụng để
chế tạo trong ngành công nghiệp điện tử.
- Những mạch tích hợp (IC) dùng graphen đã thu nhỏ được kích thước
đến tối đa mà vẫn bảo đảm (và nâng cao) tính năng các thiết bị vi điện tử - một
hướng tiểu hình hóa (micronisation) thiết bị đang diễn ra.
- Các nhà nghiên cứu ở Mỹ vừa chế tạo thành công một siêu tụ điện dựa
trên Graphene có khả năng tích trữ điện năng không thua kém so với các loại
thông thường như pin Niken hidrua, nhưng quá trình sạc hay phóng điện của sản
phẩm mới này chỉ diễn ra trong vài phút, thậm chí vài giây.
3.3 Ứng dụng trong khoa học vật liệu
- Graphene là vật liệu sạch, có mặt phổ biến trên Trái Đất ; có khả năng
ứng dụng cao và phổ biến trong nhiều ngành. Với tính năng ưu việt, tương lai

Graphene dần là vật liệu chủ đạo trong nghiên cứu khoa học vật liệu.

SV: MSSV:

14


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

- Một ứng dụng của Graphene trong khoa học vật liệu là: Tạo tế bào năng
lượng mặt trời hồn hảo từ dị hình của Graphene (tức là một tế bào của cả hai:
hiệu quả và rẻ tiền sản xuất)

Hình 3.3: Sử dụng ống nano carbon để chế tạo ra tế bào năng lượng
mặt trời
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell là những người đi tiên phong
trong nghiên cứu: thủ công các tế bào năng lượng mặt trời từ các ống nano
carbon. Mặc dù vẫn còn trong giai đoạn đầu rất phát triển, nếu hoàn thiện, các tế
bào dựa trên ống nano carbon có thể cung cấp một phương pháp hiệu quả hơn
chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng điện.
- Dùng lá Graphene làm cảm biến khí: Vì Graphene có thể hấp thụ một số
phân tử khí cho nên có thể pha tạp những chất đặc biệt vào Graphene điện trở
có thể theo dõi biết được nồng độ khí.
- Đài nano carbon - một ứng dụng mới của một dị hình của Graphene, đó
là ống nano carbon.
3.4 Ứng dụng khác
- Ngành Sinh học gần đây cũng nghiên cứu đến Graphen. Người ta đang
thiết kế những thiết bị điện tử trên cơ sở những linh kiện chế tạo từ Graphen để
phân tích ADN và bộ gen người và các động thực vật với hy vọng sẽ có năng

SV: MSSV:

15


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

suất cao hơn và chính xác hơn. Viện Hàn lâm khoa học Trung quốc cũng phát
hiện những tấm ơxit graphen có tính sát khuẩn cao và có khả năng dùng làm
dụng cụ đựng thực phẩm có tác dụng bảo quản lâu dài.
- Chính những thành cơng trong nghiên cứu ứng dụng, người ta triển khai
rất nhanh chóng các kết quả vào thực tế. Ngành cơng nghiệp Graphen đã khai
thác các phương pháp tổng hợp vật liệu này trên quy mơ cơng nghiệp (ở đây,
phương pháp hóa học có vai trị quan trọng) và giá thành sản xuất ngày càng
giảm.
Ví dụ: Năm 2008, Graphen được coi là một trong những sản phẩm đắt
nhất xưa nay, một “miếng” Graphen có diện tích bằng thiết diện một sợi tóc giá
1.000 USD (tương đương 100.000.000 USD/cm 2 ) thì nay một số cơng ty hóa
chất đã sản xuất được trên quy mô công nghiệp hàng tấn, và giá thành khi phủ
trên nền cacbua silic chỉ còn 100 USD/cm 2 .
- Một đặc tính tuyệt vời của Graphene là nó hồn tồn khơng để cho
khơng khí lọt qua, nhờ đó loại vật liệu này sẽ được nhiều hơn trong ngành đóng
gói thực phẩm và rất nhiều ngành khác.

SV: MSSV:

16


GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

KẾT LUẬN
Nghiên cứu Graphene là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất
của khoa học nhưng đó vẫn cịn là một lĩnh vực non trẻ. Cho đến ngày nay, vẫn
còn tồn tại nhiều thách thức và nhiều cơ hội đối với việc nghiên cứu, vì
Graphene không phải là một vật liệu rắn tiêu chuẩn. Các electron trong
Graphene không ứng xử theo cùng một cách như trong kim loại và bán dẫn
thơng thường, vì mối quan hệ năng lượng - xung lượng khơng bình thường của
nó. Từ triển vọng này, lý thuyết kim loại cần phải được viết lại cho Graphene.
Graphene cũng là một màng kim loại và bản chất mềm của nó ảnh hưởng trực
tiếp đến các điện tử. Tài liệu về các màng kim loại cho đến ngày nay hoàn toàn
thiếu vắng.
Sự phát triển của chất liệu mới này đã mở ra những hướng đi mới. Nó là
chất liệu 2D kết tinh đầu tiên và nó có các tính chất độc nhất vơ nhị, khiến nó
thật hấp dẫn cho cả nghiên cứu khoa học cơ bản lẫn cho các ứng dụng trong
tương lai. Hy vọng rằng vật liệu này đang mở ra bình minh của một kỷ nguyên
mới, trong đó carbon- một nguyên tố của sự sống cũng trở thành một nguyên tố
của sự tiến bộ và phát triển.
Về mặt cá nhân, khi nghiên cứu về đề tài này tôi đã học được và thu
nhận được rất nhiều điều, không những về kiến thức mới mà còn về cách làm
một bài nghiên cứu khoa học như thế nào cho có hiệu quả, cách xử lý, chọn lọc
và thu nhận thông
tin. Quan trọng hơn là nó tạo cho tơi thêm niềm đam mê tìm hiểu và khám
phá khoa học.

SV: MSSV:

17

GVHD: TS. Nguyễn Hồng Quảng

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Xuân Chánh, “Fullerene, ống nano carbon, lá grapheme”, Tạp
chí Vật lý và Tuổi trẻ, số 64, T12/2008.
2. Nguyễn Xuân Chánh, “Đài nano - một ứng dụng mới của ống nano
carbon”, số 74, T10/2009.
3. Nguyễn Trí Lân, “Vật lý và vật liệu mới”, Tạp chí Vật lý và Tuổi trẻ, Số
87, T7/2010, Tr. 21.
4. “Graphene – mạng nguyên tử hoàn hảo”, Nobelprize. Org,
www.thuvienvatly.com
5. Belle Dume “ Siêu tụ Graphene phá vỡ kỷ lực lưu giữ”,
Physcisworld.com, www.thuvienvatly.com
6. “Khám phá tính chất điện kỳ lạ của Graphene”, www.hoahocngaynay.com
7. “ Graphene”, www.Wikipedia.vn
8. Parsons Sarah, “ Các ống nano carbon có thể tạo các tế bào năng lượng
mặt trời tốt hơn”, replacesilicon-cells/

SV: MSSV:

18