Graphene

1. Một họ vật liệu mới Trong thời gian gần đây, các chất liệu kết tinh hai chiều (2D) đã được nhận dạng và phân tích1. Chất liệu đầu tiên thuộc họ hàng mới này là graphene, một lớp đơn nguyên tử của carbon.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Graphene Graphene 1. Một họ vật liệu mới Trong thời gian gần đây, các chất liệu kết tinh hai chiều (2D) đã được nhậndạng và phân tích1. Chất liệu đầu tiên thuộc họ hàng mới này là graphene, một lớpđơn nguyên tử của carbon. Chất liệu mới này có một số tính chất độc nhất vô nhị,khiến nó thật hấp dẫn cho các nghiên cứu cơ bản lẫn các ứng dụng trong tương lai. Các tính chất điện tử của chất liệu 2D này dẫn tới, chẳng hạn, một hiệu ứngHall lượng tử dị thường2,3. Nó là một chất dẫn điện trong suốt4 mỏng một nguyêntử. Nó cũng gây phát sinh những cái tương tự với vật lí hạt cơ bản, bao gồm mộtkiểu chui hầm kì lạ5,6 mà nhà vật lí người Thụy Điễn Oscar Klein đã tiên đoán trướcđây.7 Ngoài ra, graphene còn có một số tính chất cơ và điện nổi bật. Về cơ bản, nócứng hơn thép và rất dễ kéo căng. Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt thì rất cao và nó cóthể dùng làm một chất dẫn dẻo. Giải Nobel Vật lí 2010 vinh danh hai nhà khoa học đã có những đóng góp cótính quyết định cho sự phát triển này. Họ là Andre K. Geim và Konstantin S.Novoselov, cả hai đều đang làm việc tại trường Đại học Manchester, Anh quốc. Họđã thành công trong việc chế tạo, tinh lọc, nhận dạng và mô tả đặc trưnggraphene.1 2. Những dạng khác nhau của carbon Người ta có thể cho rằng carbon là nguyên tố thú vị nhất trong bảng tuầnhoàn hóa học. Nó là cơ sở cho ADN và mọi dạng sống trên trái đất. Carbon có thểtồn tại ở một vài dạng khác nhau. Dạng phổ biến nhất của carbon là graphite, gồmnhững tấm carbon xếp chồng lên với nhau với cấu trúc hình lục giác. Dưới áp suấtcao thì kim cương hình thành, đó là một dạng siêu bền của carbon. Một dạng mới của carbon phân tử là cái gọi là fullerene8. Dạng thông dụngnhất, gọi là C60, gồm 60 nguyên tử carbon và trông tựa như một quả bóng đá cấutạo từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác cho phép bề mặt đó tạo thành một quảcầu. Khám phá ra fullerene đã được trao Giải Nobel Hóa học năm 1996. Một dạng giả-một chiều có liên quan của carbon, ống nano carbon, đã đượcbiết tới trong vài thập niên qua9 và các ống nano đơn thành xuất hiện từ năm199310,11. Những ống này có thể hình thành từ những tấm graphene cuộn lại, và haiđầu của chúng có dạng nửa cầu giống như fullerene. Các tính chất cơ và điện tử củacác 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 xếpchồng lên nhau, nhưng họ lại tin rằng một tấm đơn lẻ như vậy không thể nào chếtạo được ở dạng tách rời. Vì thế, thật bất ngờ đối với cộng đồng vật lí học khi vàonăm 2004, Konstantin Novoselov, Andre Geim cùng các cộng sự của họ1 cho biếtrằng một lớp đơn như vậy có thể tách rời ra được và nó còn bền nữa. Lớp đơncarbon đó là cái chúng ta gọi là graphene. Hình 1. Các phân tử fullerene C60, ống nano carbon, và graphite đều có thể xem là hình thành từ các tấm graphene, tức là những lớp đơn nguyên tử của carbon sắp xếp trong một cấu trúc hình tổ ong.12 Cũng nên nhắc đến là các cấu trúc kiểu graphene đã được biết tới từ tận hồithập niên 1960, nhưng có những khó khăn thực nghiệm trong việc tách ra nhữnglớp đơn13-16, và có những nghi ngờ rằng điều này trên thực tế là không thể. Thật thú vị khi biết rằng mọi người dùng bút chì thông thường có khả năngđã từng tạo ra những cấu trúc kiểu graphene mà bản thân chẳng hề hay biết. Bútchì có chứa graphite, và khi nó di chuyển trên một tờ giấy, graphite bị chẻ thànhnhững lớp mỏng bám lên trên giấy, tạo thành chữ viết hay hình vẽ mà chúng tamuốn có. Một tỉ lệ nhỏ trong những lớp mỏng này sẽ chứa chỉ một vài lớp hoặcthậm chí một lớp graphite, tức là graphene. Như vậy, khó khăn không phải ở chỗ chế tạo các cấu trúc graphene, mà ở chỗtách rời ra từng tấm đủ lớn để nhận dạng và mô tả đặc trưng graphene và để xácnhận các tính chất hai chiều (2D) độc đáo của nó. Đây là cái Geim, Novoselov, vàcác cộng sự của họ đã thành công. 3. Graphene là gì? Graphene là một lớp carbon hợp thành một mạng hình lục giác (ki ểu tổ ong),với khoảng cách carbon-carbon là 0,142 nm. Nó là chất liệu kết tinh hai chiều thậtsự đầu tiên và nó là đại diện của một họ hàng hoàn toàn mới của các chất liệu 2D,bao gồm chẳng hạn các đơn lớp Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulphite(MoS2), cả hai chất đều được chế tạo sau năm 2004.17 Tính chất điện tử của graphene hơi khác với các chất liệu ba chiều thôngthường. Mặt Fermi của nó được đặc trưng bởi sáu hình nón kép, như thể hiện trênhình 2. Trong graphene nguyên chất (chưa pha tạp), mức Fermi nằm ở giao điểmcủa những hình nón này. Vì mật độ các trạng thái của chất liệu bằng không tại điểmđó, nên độ dẫn điện của graphene nguyên chất khá thấp và vào cỡ lượng tử độ dẫns ~ e2/h; hệ số tỉ lệ chính xác thì vẫn còn tranh cãi. Tuy nhiên, mức Fermi đó có thểthay đổi bởi một điện trường để cho chất liệu trở thành hoặc là chất pha tạp loại n(với electron) hoặc pha tạp loại p (với lỗ trống) tùy thuộc vào sự phân cực của điệntrường đặt vào. Graphene còn có thể pha tạp bằng cách cho hấp thụ, chẳng hạn,nước hoặc amonia trên bề mặt của nó. Độ dẫn điện của graphene pha tạp chất cókhả năng khá cao, ở nhiệt độ phòng nó có thể còn cao hơn cả độ dẫn của đồng. Ở gần mức Fermi, quan hệ khuếch tán đối với electron và lỗ trống là tuyếntính. Vì khối lượng hiệu dụng được cho bởi độ cong của các dải năng lượng, nênđiều này tương ứng với khối lượng hiệu dụng bằng không. Phương trình mô tả cáctrạng thái kích thích trong graphene giống hệt phương trình Dirac cho các fermionkhông khối lượng chuyển động ở một tốc độ không đổi. Vì thế, giao điểm của cáchình nón trên được gọi là các điểm Dirac. Điều này làm phát sinh những sự tươngtự thú vị giữa graphene và vật lí hạt cơ bản, chúng đúng cho các năng lượng lên tớixấp xỉ 1 eV, tại đó quan hệ khuếch tán bắt đầu là phi tuyến. Một kết quả của quanhệ khuếch tán đ ...