Năm 2010, Geim và Novoselov đã đoạt giải Nobel vật lý cho công trình nghiên cứu về graphene.Giải thưởng này đã để lại ấn tượng sâu sắc với nhiều người.Xét cho cùng, không phải mọi công cụ thí nghiệm đoạt giải Nobel đều phổ biến như băng dính, và không phải mọi đối tượng nghiên cứu đều kỳ diệu và dễ hiểu như graphene “tinh thể hai chiều”.Tác phẩm năm 2004 có thể được trao giải vào năm 2010, điều hiếm thấy trong kỷ lục giải Nobel những năm gần đây.
Graphene là một loại chất bao gồm một lớp nguyên tử carbon được sắp xếp chặt chẽ thành mạng lục giác hình tổ ong hai chiều.Giống như kim cương, than chì, fullerene, ống nano carbon và carbon vô định hình, nó là một chất (chất đơn giản) được cấu tạo từ các nguyên tố carbon.Như thể hiện trong hình bên dưới, fullerene và ống nano carbon có thể được coi là được cuộn lại theo một cách nào đó từ một lớp graphene duy nhất, được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene.Nghiên cứu lý thuyết về việc sử dụng graphene để mô tả tính chất của các chất đơn giản carbon khác nhau (graphite, ống nano carbon và graphene) đã kéo dài gần 60 năm, nhưng người ta thường tin rằng những vật liệu hai chiều như vậy khó tồn tại ổn định một mình, chỉ được gắn vào bề mặt chất nền ba chiều hoặc bên trong các chất như than chì.Phải đến năm 2004, Andre Geim và học trò Konstantin Novoselov mới tách được một lớp graphene khỏi than chì thông qua các thí nghiệm mà nghiên cứu về graphene mới đạt được bước phát triển mới.
Theo một cách nào đó, cả fullerene (trái) và ống nano carbon (giữa) đều có thể được cuộn lại bởi một lớp graphene, trong khi than chì (phải) được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene thông qua sự kết nối của lực van der Waals.
Ngày nay, graphene có thể thu được bằng nhiều cách và các phương pháp khác nhau đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.Geim và Novoselov thu được graphene theo cách đơn giản.Bằng cách sử dụng băng dính trong suốt có bán ở các siêu thị, họ tách graphene, một tấm than chì chỉ dày một lớp nguyên tử cacbon, ra khỏi một mảnh than chì nhiệt phân bậc cao.Điều này thuận tiện, nhưng khả năng điều khiển không tốt và chỉ có thể thu được graphene có kích thước dưới 100 micron (một phần mười milimét), có thể dùng cho thí nghiệm, nhưng rất khó sử dụng cho thực tế. các ứng dụng.Sự lắng đọng hơi hóa học có thể phát triển các mẫu graphene có kích thước hàng chục cm trên bề mặt kim loại.Mặc dù diện tích có định hướng nhất quán chỉ là 100 micron [3,4] nhưng nó vẫn phù hợp với nhu cầu sản xuất của một số ứng dụng.Một phương pháp phổ biến khác là làm nóng tinh thể cacbua silic (SIC) đến hơn 1100oC trong chân không, để các nguyên tử silicon gần bề mặt bay hơi và các nguyên tử carbon còn lại được sắp xếp lại, cũng có thể thu được các mẫu graphene có đặc tính tốt.
Graphene là một vật liệu mới với những đặc tính độc đáo: độ dẫn điện của nó tuyệt vời như đồng và độ dẫn nhiệt của nó tốt hơn bất kỳ vật liệu nào đã biết.Nó rất minh bạch.Chỉ một phần nhỏ (2,3%) ánh sáng nhìn thấy theo phương thẳng đứng sẽ bị graphene hấp thụ và phần lớn ánh sáng sẽ truyền qua.Nó dày đặc đến mức ngay cả nguyên tử helium (các phân tử khí nhỏ nhất) cũng không thể đi qua.Những đặc tính kỳ diệu này không được kế thừa trực tiếp từ than chì mà từ cơ học lượng tử.Tính chất điện và quang học độc đáo của nó xác định rằng nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi.
Mặc dù graphene chỉ mới xuất hiện chưa đầy mười năm nhưng nó đã cho thấy nhiều ứng dụng kỹ thuật, điều rất hiếm thấy trong lĩnh vực vật lý và khoa học vật liệu.Phải mất hơn mười năm, thậm chí nhiều thập kỷ để các vật liệu thông thường chuyển từ phòng thí nghiệm sang đời sống thực.Công dụng của graphene là gì?Hãy xem xét hai ví dụ.
Điện cực mềm trong suốt
Trong nhiều thiết bị điện, vật liệu dẫn điện trong suốt cần được sử dụng làm điện cực.Đồng hồ điện tử, máy tính, tivi, màn hình tinh thể lỏng, màn hình cảm ứng, tấm pin mặt trời và nhiều thiết bị khác không thể rời khỏi sự tồn tại của các điện cực trong suốt.Điện cực trong suốt truyền thống sử dụng oxit thiếc indi (ITO).Do giá cao và nguồn cung indium hạn chế, vật liệu này giòn và thiếu tính linh hoạt, điện cực cần được đặt ở lớp chân không ở giữa và chi phí tương đối cao.Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra chất thay thế nó.Ngoài yêu cầu về độ trong suốt, độ dẫn điện tốt và dễ chuẩn bị, nếu bản thân chất liệu có độ dẻo tốt sẽ phù hợp để chế tạo “giấy điện tử” hay các thiết bị hiển thị có thể gập lại khác.Vì vậy, tính linh hoạt cũng là một khía cạnh rất quan trọng.Graphene là một loại vật liệu rất thích hợp để chế tạo các điện cực trong suốt.
Các nhà nghiên cứu từ Samsung và Đại học chenjunguan ở Hàn Quốc đã thu được graphene có chiều dài đường chéo 30 inch bằng cách lắng đọng hơi hóa học và chuyển nó sang màng polyetylen terephthalate (PET) dày 188 micron để sản xuất màn hình cảm ứng dựa trên graphene [4].Như thể hiện trong hình bên dưới, graphene phát triển trên lá đồng trước tiên được liên kết bằng băng tước nhiệt (phần trong suốt màu xanh), sau đó lá đồng được hòa tan bằng phương pháp hóa học và cuối cùng graphene được chuyển sang màng PET bằng cách nung nóng .
Thiết bị cảm ứng quang điện mới
Graphene có những tính chất quang học rất độc đáo.Mặc dù chỉ có một lớp nguyên tử nhưng nó có thể hấp thụ 2,3% ánh sáng phát ra trong toàn bộ dải bước sóng từ ánh sáng nhìn thấy đến tia hồng ngoại.Con số này không liên quan gì đến các thông số vật liệu khác của graphene và được xác định bằng điện động lực học lượng tử [6].Ánh sáng bị hấp thụ sẽ dẫn đến việc tạo ra các hạt tải điện (electron và lỗ trống).Việc tạo ra và vận chuyển các chất mang trong graphene rất khác so với các chất mang trong chất bán dẫn truyền thống.Điều này làm cho graphene rất phù hợp cho các thiết bị cảm ứng quang điện cực nhanh.Người ta ước tính rằng thiết bị cảm ứng quang điện như vậy có thể hoạt động ở tần số 500ghz.Nếu nó được sử dụng để truyền tín hiệu, nó có thể truyền 500 tỷ số 0 hoặc số 1 mỗi giây và hoàn thành việc truyền nội dung của hai đĩa Blu ray trong một giây.
Các chuyên gia từ Trung tâm nghiên cứu IBM Thomas J. Watson ở Hoa Kỳ đã sử dụng graphene để chế tạo các thiết bị cảm ứng quang điện có thể hoạt động ở tần số 10GHz [8].Đầu tiên, các mảnh graphene được chuẩn bị trên đế silicon phủ silica dày 300nm bằng “phương pháp xé băng”, sau đó chế tạo các điện cực bằng vàng palladium hoặc vàng titan có khoảng cách 1 micron và chiều rộng 250 nm trên đó.Bằng cách này, người ta thu được một thiết bị cảm ứng quang điện dựa trên graphene.
Sơ đồ thiết bị cảm ứng quang điện graphene và ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu thực tế.Đường ngắn màu đen trong hình tương ứng với 5 micron và khoảng cách giữa các đường kim loại là một micron.
Qua thí nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy thiết bị cảm ứng quang điện cấu trúc kim loại graphene kim loại này có thể đạt tần số làm việc tối đa là 16ghz và có thể hoạt động ở tốc độ cao trong dải bước sóng từ 300 nm (gần tia cực tím) đến 6 micron (hồng ngoại), trong khi ống cảm ứng quang điện truyền thống không thể phản ứng với ánh sáng hồng ngoại có bước sóng dài hơn.Tần số làm việc của thiết bị cảm ứng quang điện graphene vẫn còn nhiều cơ hội để cải thiện.Hiệu suất vượt trội của nó khiến nó có nhiều triển vọng ứng dụng, bao gồm truyền thông, điều khiển từ xa và giám sát môi trường.
Là một loại vật liệu mới có những đặc tính độc đáo, nghiên cứu ứng dụng graphene lần lượt xuất hiện.Thật khó để chúng tôi liệt kê chúng ở đây.Trong tương lai, có thể sẽ có các ống hiệu ứng trường làm bằng graphene, các công tắc phân tử làm bằng graphene và các máy dò phân tử làm bằng graphene trong đời sống hàng ngày… Graphene dần ra khỏi phòng thí nghiệm sẽ tỏa sáng trong cuộc sống hàng ngày.
Chúng ta có thể kỳ vọng rằng một số lượng lớn các sản phẩm điện tử sử dụng graphene sẽ xuất hiện trong thời gian tới.Hãy nghĩ xem sẽ thú vị biết bao nếu điện thoại thông minh và netbook của chúng ta có thể cuộn lại, kẹp vào tai, nhét vào túi hoặc quấn quanh cổ tay khi không sử dụng!
Thời gian đăng: Mar-09-2022