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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Graphen: Vật liệu cứng hơn kim cương và tiềm năng ứng dụng Graphen: Vật liệu cứng hơn kim cương và tiềm năng ứng dụngGraphen – các lớp cacbon xếp chồng lên nhau từng đượcbiết như một vật liệu mới siêu mỏng, siêu bền và siêu dẫnđiện. Các nhà khoa học Đại học London vừa khám phá cơchế 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 từngtồn tại trong vũ trụ.Nó bền hơn thép 200 lần và có thể truyền tải điện năng tốthơn đồng gấp 1 triệu lần.Những đặc tính này tạo cho graphen một số ứng dụng tiềmnăng như chế tạo vi mạch cho máy tính, điện thoại di độngsiêu tốc. Tuy nhiên sản xuất những mảng graphen rất khókhăn và đắt đỏ.Những “đảo” cacbon có kết cấu mái vòm như công trìnhEden Projects ở Cornwall.GS Dario Alfc và TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Tráiđất, Đại học London, là những người đang cố gắng tìm hiểuvà mô tả cơ chế hình thành graphen trong một phương phápsản xuất đặc biệt. Đó là cho các phân tử hydrocacbon điqua bề mặt iridi (Ir) được làm nóng trong khoảng từ 30 độC đến 1000 độ C.Khi tiếp xúc với bề mặt này, những phân tử hydrocacbongiải phóng các nguyên tử H, chỉ còn những nguyên tử Cbám vào bề mặt Ir và tập trung ở đó thành những kết cấunano. Những kết cấu nano này phát triển thành mảnggraphen hoàn chỉnh.GS Alfc cho biết phương pháp phát triển graphen đượcnhiều người biết đến tuy nhiên vẫn chưa giải thích được cơchế thực hiện từ một bề mặt bao phủ cacbon đến một mảnggraphen.Các nhà nghiên cứu cho rằng sự phát triển của graphen bắtđầu từ sự hình thành những “hòn đảo” nhỏ cacbon với mộtkết cấu mái vòm, trong đó chỉ những phân tử ở vòng ngoàimới bám được trên chất nền Iridi trong khi các nguyên tửtrung tâm bị đẩy ra khỏi chất nền khiến “hòn đảo” phồnglên ở trung tâm.Kết cấu này tương tự công trình Eden Projects ở Cornwall.Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy kích thước của nhữngkết cấu mái vòm của mảng cacbon phụ thuộc vào nhiệt độcủa chất nền Iridi và cách thao tác. Điều này mở ra hướngđiều chỉnh kích thước mảng graphen ở mức độ siêu nhỏ.Siêu vật liệuGraphene đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớnvới cấu trúc phân tử phẳng– chỉ dày bằng một nguyên tử vàrất bền vững. Các nhà nghiên cứu đồng thời hướng đến ứngdụng của Graphene vào công nghệ hiển thị bởi tính trongsuốt của nó.Các nhà khoa học ở Đại học Manchester đã chứng minhrằng Graphene có thể được áp dụng vào trong các mạchđiện tử để tạo ra những transistor kích thước phân tử.Tiến sĩ Novoselov cho biết Graphene có nhiều ưu điểm hơnSilicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần.Ông nói “Những transistor này sẽ có thể hoạt động tạinhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điệntử.”Hiện nay, Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng củangành điện tử và bán dẫn bởi nó có tính dẫn điện cao, vàhơn hết theo như phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ,hiệu quả hoạt động của nó càng cao.Tương lai hé mởCác nhà khoa học đã tạo ra một transistor nhỏ nhất thế giớivới độ dày 1 nguyên tử và chiều rộng 10 nguyên tử, làm từmột 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 haycòn gọi là Graphene, chất mà tiềm năng của nó chỉ mớiđược phát hiện cách đây 4 năm.Tiến sĩ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim từTrường vật lý và thiên văn (The School of Physics andAstronomy) thuộc Đại học Manchester đã mở ra hướngnghiên cứu ứng dụng của graphene vào điện tử và là nhữngngười đầu tiên tách lớp Graphene từ than chì.Hiện nay, công nghệ bán dẫn dùng cát để tạo nên các wafersilicon. Những công ty lớn như Intel đã dự tính giảm kíchthước 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 thựchiện các vi mạch với kích thước nhỏ hơn 10 nanomét bởi ởgiới 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 thếsilicon.Đến nay, vật liệu Graphene đã mở ra hi vọng cho ngànhđiện tử vượt qua rào cản này. Thế nhưng, việc sản xuất lớpGraphene đủ lớn để tạo ra wafer vẫn là một thử thách lớn.Tiến sĩ Novoselov cho biết “Chúng tôi có thể điều chỉnhđược quá trình sản xuất ở kích thước 20 nanomét, nhưngvới kích thước 1 nanomét thì yếu tố may mắn vẫn là quyếtđịnh.”Để có thể chế tạo được microchip, wafer tạo ra phải kíchthước vài centimét. Đến nay, tấm wafer từ Graphene lớnnhất được tạo ra chỉ có kích thước 100 micromét.Tiến sĩ Novoselov phát biểu “Chúng tôi tin rằng công nghệđể thực hiện điều này sẽ nhanh chóng được tìm ra. Nếu kểtừ lúc Graphene được phát hiện cách đây 4 năm thì chúngta đã tiến được một bước khá dài.”“Mặc dù công nghệ dùng Graphene để sản xuất vi mạchhoàn toàn tương tự như công nghệ dùng Silicon, nhưng đểđến được ...