Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu chế tạo graphene sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ứng dụng trong cảm biến nhạy khí" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Đình Khải và Lê Vũ Trung, dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Hoàng Trung tại Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 9 năm 2022).
Về bối cảnh thực tiễn, chất lượng không khí trong môi trường sống và làm việc đang chịu tác động lớn bởi các khí độc hại sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và khí thải động cơ, bao gồm CO, HC, SOx và đặc biệt là nitrogen dioxide ($NO_2$). Khí $NO_2$ phát sinh phổ biến từ các thiết bị gia dụng như bếp ga, máy nước nóng, máy sưởi dầu hỏa. Về mặt độc tính sinh học, con người tiếp xúc với không khí có nồng độ $NO_2$ từ 50 đến 100 ppm trong 30 phút có thể bị viêm tiểu phế quản và phù phổi; tiếp xúc ở nồng độ trên 150 ppm từ 30 phút đến 1 giờ có nguy cơ dẫn đến phù phổi cấp, ngạt thở và tử vong. Do đó, nhu cầu chế tạo các cảm biến có khả năng phát hiện nhanh và chính xác khí $NO_2$ ở các mức nồng độ thấp là rất cấp thiết.
Về mặt khoa học vật liệu, graphene là mạng tinh thể hai chiều (2D) gồm các nguyên tử carbon lai hóa $sp^2$ sắp xếp theo cấu trúc tổ ong, sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn ($2630\text{ m}^2\text{/g}$ đối với đơn lớp), độ linh động điện tử tại nhiệt độ phòng vượt quá $15.000\text{ cm}^2\text{/(V}\cdot\text{s)}$, độ dẫn điện cao ($\sim 200\text{ S/m}$), điện trở suất thấp ($\sim 10^{-6}\ \Omega\cdot\text{cm}$) và diện tích bề mặt hấp phụ nhạy với điện tích môi trường xung quanh. Tuy nhiên, việc tổng hợp màng graphene diện tích lớn, độ phủ cao và chuyển màng (transfer) an toàn lên đế cách điện phục vụ chế tạo cảm biến khí dạng biến trở hóa học (chemiresistor) vẫn là một thách thức kỹ thuật.
Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể gồm 3 nội dung:
- Chế tạo thành công graphene trên đế đồng bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) thông qua các phương pháp đo đạc, phân tích hình thái và cấu trúc.
- Tách chuyển (transfer) thành công màng graphene từ đế đồng sang đế cách điện $SiO_2/Si$ có phủ hệ điện cực kim loại Titan (Ti).
- Khảo sát độ nhạy khí của cảm biến màng graphene/Ti/$SiO_2/Si$ thông qua cơ chế thay đổi điện trở khi tiếp xúc với khí $NO_2$ ở các nồng độ khác nhau.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Màng graphene từ 1 đến 3 lớp nguyên tử phủ trên lá đồng và cảm biến nhạy khí $NO_2$ cấu trúc màng graphene trên đế $SiO_2/Si$.
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm quy trình tổng hợp trên hệ thiết bị LP-CVD tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; đo đạc cấu trúc tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng (VAST), Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm (HCMUTE); khảo sát độ nhạy khí $NO_2$ tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai - Khu Công nghệ cao TP.HCM (SHTP Labs). Khảo sát dải nhiệt độ tổng hợp từ $750^\circ\text{C}$ đến $1030^\circ\text{C}$ và khảo sát nhạy khí $NO_2$ ở các dải nồng độ 100 ppm, 120 ppm và 150 ppm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm
Nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng tổ ong của graphene với liên kết cộng hóa trị C-C có độ dài $1,42\text{ \AA}$ hình thành từ các orbital lai hóa $sp^2$, cùng liên kết $\pi$ ngoài mặt phẳng tạo bởi orbital $2p_z$ vuông góc cho phép các điện tử tự do chuyển động. Cấu trúc vùng năng lượng của graphene có độ rộng vùng cấm bằng 0, điện tử ứng xử như các hạt Dirac fermion không khối lượng.
Cơ sở cảm biến chemiresistor dựa trên cơ chế tương tác bề mặt: Graphene trong điều kiện môi trường thông thường thể hiện tính chất bán dẫn loại p (hạt tải đa số là lỗ trống). Khi các phân tử khí nhận điện tử (như $NO_2$) hấp phụ lên bề mặt, chúng hút điện tử từ graphene, làm giảm mức Fermi, gia tăng nồng độ lỗ trống và dẫn tới làm giảm điện trở tổng của màng. Ngược lại, khí cho điện tử (như $NH_3$) sẽ cung cấp điện tử, làm suy giảm lỗ trống và tăng điện trở.
Phương pháp thực nghiệm được nhóm tác giả triển khai bao gồm:
- Phương pháp tổng hợp CVD áp suất thấp (LP-CVD): Sử dụng hệ lò nung ống thạch anh OTF-1200X (MTI Corporation), đường kính buồng 80 mm, áp suất chân không đạt $2,3 \times 10^{-3}\text{ Torr}$. Lá đồng (Cu foil, độ dày $25\ \mu\text{m}$, kích thước $6\text{ cm} \times 7\text{ cm}$, độ tinh khiết 99,99%) đóng vai trò là chất xúc tác và đế lắng đọng bề mặt. Tiền chất carbon là khí methane ($CH_4$, độ tinh khiết $\sim 99%$), khí khử hydro ($H_2$) và khí mang argon (Ar).
- Phương pháp bóc tách chuyển màng (Wet Transfer): Sử dụng polymer Poly(methyl methacrylate) (PMMA) phủ quay (spin-coating) làm màng bảo vệ cơ học, dung dịch ăn mòn hóa học để hòa tan đế đồng, sau đó chuyển nổi màng PMMA/graphene sang đế nhận $SiO_2/Si$ và loại bỏ PMMA bằng dung môi hữu cơ (acetone, isopropanol - IPA).
- Các phương pháp phân tích, đặc trưng vật liệu:
- Kính hiển vi quang học (OM) khảo sát độ tương phản màu sắc và độ liên tục của các miền graphene.
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phát xạ trường (FE-SEM) tích hợp đầu dò phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) nhằm đánh giá hình thái bề mặt, mật độ ranh giới hạt và nếp nhăn.
- Quang phổ Raman kích thích bằng nguồn laser bước sóng 532 nm (thiết bị Horiba Scientific) xác định các dao động mạng đặc trưng: đỉnh D ($\sim 1350\text{ cm}^{-1}$), đỉnh G ($\sim 1580\text{ cm}^{-1}$), đỉnh 2D ($\sim 2680\text{ cm}^{-1}$) cùng các tỷ số cường độ $I_{2D}/I_G$, $I_D/I_G$ và độ rộng bán phổ cực đại (FWHM) để định lượng số lớp và khuyết tật mạng tinh thể.
- Phương pháp đo hiệu ứng Hall bốn cực theo cấu hình Van der Pauw xác định mật độ hạt tải và độ linh động của hạt điện tích trên đế cách điện.
- Hệ thống đo điện trở cảm biến khí chuyên dụng tại buồng đo kín để ghi nhận biến thiên điện trở theo thời gian thực khi đóng/xả khí $NO_2$.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về vật liệu graphene
Chương 1 hệ thống hóa lý thuyết tổng quan về vật liệu carbon 2D, bao gồm lịch sử phát hiện từ năm 2004 của Andre Geim và Konstantin Novoselov, cấu hình điện tử $1s^2 2s^2 2p_x^1 2p_y^1 2p_z^0$ và cơ chế hình thành liên kết $\sigma$, $\pi$. Chương này trình bày chi tiết các đặc tính vật lý vượt trội của graphene:
- Tính chất cơ học: Mô đun Young đạt $0,5 - 1,0\text{ TPa}$, độ bền kéo đạt $130,5\text{ GPa}$, hệ số Poisson 0,416.
- Tính chất nhiệt: Độ dẫn nhiệt ở nhiệt độ phòng đạt $\sim 5300\text{ W}/(\text{m}\cdot\text{K})$, gấp khoảng 10 lần kim loại Cu; tuy nhiên khi chuyển lên chất nền $SiO_2$, độ dẫn nhiệt giảm xuống $\sim 600\text{ W}/(\text{m}\cdot\text{K})$.
- Tính chất điện: Độ linh động điện tử $\sim 15.000\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$, gấp hơn 100 lần Si ($1400\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$), điện trở tấm đạt khoảng $31\ \Omega/\text{sq}$.
Chương 1 cũng tổng quan sâu về cơ chế phản ứng CVD trên đế xúc tác kim loại. Tác giả phân tích rõ sự khác biệt giữa cơ chế kết tủa carbon trong kim loại có độ hòa tan carbon cao như niken (Ni, 0,6% khối lượng ở $1326^\circ\text{C}$) và cơ chế phản ứng tự giới hạn bề mặt trên đồng (Cu, độ hòa tan carbon chỉ 0,008% khối lượng ở $1084^\circ\text{C}$). Nhờ độ hòa tan carbon cực thấp, Cu là chất nền tối ưu để kiểm soát quá trình tạo màng đơn lớp với độ đồng đều lên đến 95%. Chương 1 đồng thời so sánh ba kỹ thuật transfer (transfer ướt, transfer khô dùng PDMS/băng keo nhiệt TRT, và phương pháp bóc tách điện hóa trong dung dịch NaOH), phân tích ưu nhược điểm của các chất ăn mòn kim loại như $FeCl_3$, $HNO_3$, $(NH_4)_2S_2O_8$.
Chương 2: Chế tạo và thảo luận màng graphene trên đế đồng bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học
Chương 2 mô tả quy trình thực nghiệm chi tiết chế tạo màng trên hệ LP-CVD OTF-1200X qua 4 giai đoạn nhiệt:
- Giai đoạn gia nhiệt: Hút chân không buồng đạt $2,3 \times 10^{-3}\text{ Torr}$ trong 8 - 10 giờ nhằm làm sạch oxy và tạp chất; gia nhiệt buồng với tốc độ $10^\circ\text{C/phút}$ dưới dòng khí khử gồm 6 sccm $H_2$ và 35 sccm Ar.
- Giai đoạn ủ nhiệt: Duy trì nhiệt độ ở $1070^\circ\text{C}$ trong 15 phút (chương trình cài đặt dừng 30 phút theo các phân đoạn) nhằm tái sắp xếp tinh thể bề mặt đồng hướng tới định hướng Cu (111), làm mịn bề mặt và tăng kích thước hạt Cu.
- Giai đoạn phản ứng: Hạ nhiệt độ về nhiệt độ khảo sát phản ứng ($750 - 1030^\circ\text{C}$), dẫn dòng khí nguồn $CH_4$ với lưu lượng 35 sccm trong thời gian 90 phút.
- Giai đoạn làm nguội: Ngắt dòng $CH_4$, hạ nhiệt độ nhanh từ nhiệt độ phản ứng xuống $700^\circ\text{C}$ trong 3 phút, sau đó hạ từ $700^\circ\text{C}$ xuống $50^\circ\text{C}$ với tốc độ $10^\circ\text{C/phút}$ dưới dòng bảo vệ $H_2$/Ar trước khi làm mát tự nhiên về nhiệt độ phòng.
Tác giả tiến hành khảo sát bộ mẫu gồm 7 mẫu đại diện ở các nhiệt độ khác nhau nhằm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng:
| Ký hiệu mẫu |
Mã mẫu |
Nhiệt độ tăng trưởng ($^\circ\text{C}$) |
Lưu lượng khí $CH_4/H_2$ (sccm) |
Thời gian phản ứng (phút) |
| #1 |
Gr750 |
750 |
35/6 |
90 |
| #2 |
Gr800 |
800 |
35/6 |
90 |
| #3 |
Gr850 |
850 |
35/6 |
90 |
| #4 |
Gr900 |
900 |
35/6 |
90 |
| #5 |
Gr950 |
950 |
35/6 |
90 |
| #6 |
Gr1000 |
1000 |
35/6 |
90 |
| #7 |
Gr1030 |
1030 |
35/6 |
90 |
Kết quả phân tích OM và SEM cho thấy:
- Ở $750^\circ\text{C}$ (mẫu #1), năng lượng chưa đủ để carbon phân ly hoàn toàn, mầm tinh thể xuất hiện rải rác, không liên tục.
- Từ $800^\circ\text{C}$ đến $900^\circ\text{C}$ (mẫu #2, #3, #4), các mảng lục giác bắt đầu liên kết thành mạng nhưng vẫn tồn tại nhiều ranh giới hạt và tạp chất, màng có dạng đa lớp.
- Ở $950^\circ\text{C}$ (mẫu #5), xuất hiện 5 vùng tương phản màu sắc rõ rệt từ trắng sáng (đơn lớp), vàng (hai lớp), cam nhạt (vài lớp) đến cam đậm (đa lớp).
- Ở $1000^\circ\text{C}$ (mẫu #6), các miền lục giác phát triển lớn, hợp nhất thành màng liên tục có độ tương phản đồng nhất cao, chiếm ưu thế bởi pha đơn lớp.
- Ở $1030^\circ\text{C}$ (mẫu #7), nhiệt độ tiệm cận điểm nóng chảy của Cu ($1084^\circ\text{C}$) dẫn đến hiện tượng thăng hoa và tái kết tinh mạnh của đồng, màng hình thành nhiều lớp dày và xuất hiện các nếp nhăn bề mặt.
Phân tích quang phổ Raman (laser 532 nm) khẳng định mẫu #6 ($1000^\circ\text{C}$) đạt chất lượng tốt nhất với đỉnh 2D sắc nhọn, tỷ số $I_{2D}/I_G$ đạt giá trị cao đặc trưng cho graphene đơn lớp chất lượng cao và cường độ đỉnh khuyết tật D ở mức rất thấp.
Chương 3: Chế tạo cảm biến khí dựa trên vật liệu graphene và ứng dụng đo nhạy khí NO2
Chương 3 trình bày các bước hoàn thiện linh kiện cảm biến:
- Quy trình transfer màng: Màng graphene tổng hợp ở điều kiện tối ưu ($1000^\circ\text{C}$) được phủ polymer PMMA, ăn mòn lớp đồng nền, làm sạch dư lượng muối etchant bằng nước khử ion (DI), sau đó vớt chuyển lên tấm nền cách điện $SiO_2/Si$ và hòa tan bỏ PMMA bằng acetone/IPA.
- Chế tạo hệ điện cực: Hệ điện cực vi dải xen kẽ (Interdigitated Electrodes - IDE) được thiết kế bằng phần mềm Layout Editor, chế tạo bằng kỹ thuật lắng đọng kim loại Titan (Ti) trên nền $SiO_2/Si$ để tạo tiếp xúc Ohmic bền vững với màng graphene.
- Đo đạc đặc tính điện: Phép đo hiệu ứng Hall theo phương pháp Van der Pauw xác nhận màng graphene sau chuyển đế duy trì tính dẫn điện tốt và nồng độ hạt tải ổn định.
- Khảo sát độ nhạy khí $NO_2$: Linh kiện cảm biến graphene/Ti/$SiO_2/Si$ được đưa vào buồng đo kín tại SHTP Labs. Khí $NO_2$ được nạp vào buồng ở các mức nồng độ 100 ppm, 120 ppm và 150 ppm. Kết quả ghi nhận điện trở của cảm biến giảm nhanh khi tiếp xúc với $NO_2$ (do quá trình nhận điện tử từ graphene làm tăng nồng độ lỗ trống) và tăng dần trở lại trạng thái ban đầu khi ngừng cấp khí và xả buồng. Dữ liệu thực nghiệm xác lập bảng thống kê độ nhạy (%) và khả năng phục hồi (%) tỷ lệ thuận theo nồng độ khí khảo sát.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị hướng phát triển
Chương 4 đúc kết toàn bộ quá trình nghiên cứu từ khâu tối ưu hóa công nghệ CVD, kỹ thuật transfer ướt đến chế tạo thử nghiệm cảm biến chemiresistor nhạy khí $NO_2$. Tác giả đưa ra các kiến nghị kỹ thuật nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ trong các nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã ghi nhận các kết quả thực nghiệm định lượng rõ ràng:
- Xác lập thông số công nghệ chế tạo graphene tối ưu: Mẫu #6 chế tạo ở nhiệt độ $1000^\circ\text{C}$, thời gian phản ứng 90 phút, áp suất nền chân không $2,3 \times 10^{-3}\text{ Torr}$, lưu lượng khí 35 sccm $CH_4$, 6 sccm $H_2$, 35 sccm Ar cho chất lượng màng cao nhất, độ phủ diện tích lớn và ưu thế cấu trúc đơn lớp.
- Đặc trưng phổ Raman: Đã xác định chính xác các dịch chuyển và độ rộng vạch phổ của các đỉnh đặc trưng $D$ ($1335\text{ cm}^{-1}$), $G$ ($1580\text{ cm}^{-1}$), $2D$ ($2680\text{ cm}^{-1}$). Phổ Raman chứng minh tỷ số $I_{2D}/I_G$ tăng dần theo nhiệt độ từ $750^\circ\text{C}$ đến $1000^\circ\text{C}$, trong đó mẫu ở $1000^\circ\text{C}$ đạt đỉnh 2D đối xứng đơn sắc nét và tỷ lệ $I_D/I_G$ thấp.
- Chế tạo thành công cảm biến nhạy khí $NO_2$: Chế tạo hoàn chỉnh cấu trúc cảm biến graphene/Ti/$SiO_2/Si$. Khảo sát đáp ứng điện trở thực tế ở 3 nồng độ $NO_2$ gồm 100 ppm, 120 ppm và 150 ppm, minh chứng cơ chế chuyển dịch điện tích làm suy giảm điện trở khi hấp phụ chất nhận điện tử.
Đóng góp khoa học và kỹ thuật của đề tài:
- Làm chủ quy trình công nghệ tổng hợp graphene đơn/vài lớp bằng phương pháp LP-CVD trên lá đồng mỏng sử dụng nguồn khí methane nội địa tại phòng thí nghiệm trong nước.
- Xây dựng thành công quy trình transfer ướt sử dụng lớp màng đệm polymer PMMA sang đế $SiO_2/Si$, hạn chế tối đa rách màng và tạp chất bám dính.
- Ứng dụng trực tiếp màng vật liệu tự tổng hợp vào chế tạo linh kiện cảm biến biến trở hóa học (chemiresistor), mở ra khả năng nội địa hóa các cảm biến phát hiện khí độc môi trường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các phân tích trong văn bản và nhận xét của hội đồng phản biện:
- Hạn chế tồn tại:
- Quá trình transfer ướt sử dụng PMMA và muối ăn mòn kim loại vẫn để lại một lượng dư tạp chất và ion kim loại trên bề mặt graphene, gây ra sự suy giảm một phần độ linh động hạt tải so với màng nguyên sinh trên đế đồng.
- Tốc độ phục hồi điện trở của cảm biến sau khi ngừng cấp khí $NO_2$ ở nhiệt độ phòng diễn ra tương đối chậm do liên kết hấp phụ giữa phân tử khí và các tâm khuyết tật trên màng graphene tương đối bền.
- Khóa luận mới khảo sát ở dải nồng độ tương đối cao (100 - 150 ppm) do giới hạn của hệ thống pha khí thực nghiệm, chưa tiến hành đo ở dải nồng độ vết (< 10 ppm).
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Cải tiến quy trình transfer nhằm loại bỏ hoàn toàn dư lượng PMMA (nghiên cứu phương pháp transfer khô hoặc bóc tách điện hóa không phá hủy đế đồng).
- Tích hợp vi điện trở gia nhiệt (micro-heater) hoặc kích thích quang học (tia UV) trên cảm biến để gia tăng tốc độ giải hấp phụ phân tử khí, nâng cao khả năng hồi phục của linh kiện.
- Pha tạp hoặc biến tính bề mặt graphene bằng các hạt nano kim loại/oxit kim loại nhằm cải thiện độ chọn lọc và nâng cao giới hạn phát hiện xuống mức ppb.
Giá trị tham khảo
Khóa luận là tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị cho:
- Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Vật liệu, Vật lý Kỹ thuật, Hóa học: Cung cấp sổ tay thông số thực nghiệm chi tiết về vận hành hệ lò nung CVD áp suất thấp (chương trình cài đặt nhiệt - thời gian, kiểm soát lưu lượng khí MFC, quy trình ủ lá đồng).
- Nghiên cứu viên lĩnh vực cảm biến và linh kiện điện tử nano: Tham khảo quy trình thiết kế điện cực xen kẽ Ti/$SiO_2/Si$ bằng phần mềm Layout Editor và kỹ thuật transfer màng vật liệu hai chiều kích thước lớn.
- Kỹ thuật viên phân tích vật liệu: Cung cấp hướng dẫn nhận diện và đánh giá số lớp graphene thông qua đối sánh trực tiếp giữa ảnh hiển vi quang học (OM), ảnh SEM/FE-SEM và các thông số phổ Raman ($I_{2D}/I_G$, FWHM đỉnh 2D).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồng (Cu) được chọn làm đế xúc tác để tổng hợp graphene đơn lớp thay vì niken (Ni)?
Trả lời: Do độ hòa tan của carbon trong đồng cực kỳ thấp (chỉ $0,008%$ khối lượng ở $1084^\circ\text{C}$), thấp hơn rất nhiều so với niken ($0,6%$ khối lượng ở $1326^\circ\text{C}$). Nhờ đó, sự hình thành graphene trên đồng là một phản ứng xúc tác bề mặt tự giới hạn (self-limiting process), ngăn chặn sự kết tủa carbon ồ ạt khi làm nguội, giúp kiểm soát việc tạo thành màng đơn lớp với độ đồng đều bề mặt đạt trên 95%.
2. Nhiệt độ tổng hợp ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng màng graphene trong nghiên cứu này?
Trả lời: Khảo sát trong dải nhiệt độ từ $750^\circ\text{C}$ đến $1030^\circ\text{C}$ cho thấy: ở nhiệt độ thấp ($750 - 850^\circ\text{C}$), năng lượng không đủ để phân ly triệt để hydrocarbon, mật độ mầm thấp và màng không liên tục; ở $950^\circ\text{C}$, màng có sự phân bố không đồng đều gồm 5 vùng màu tương ứng từ đơn lớp đến đa lớp; ở $1000^\circ\text{C}$ (mẫu #6), màng đạt chất lượng tối ưu với độ phủ liên tục cao, chiếm ưu thế bởi pha đơn lớp và tỷ số $I_{2D}/I_G$ cao trên phổ Raman; khi lên tới $1030^\circ\text{C}$, lá đồng bị thăng hoa và biến dạng bề mặt khiến màng graphene chuyển thành dạng đa lớp.
3. Cơ chế nhạy khí $NO_2$ của cảm biến graphene/Ti/$SiO_2/Si$ diễn ra như thế nào?
Trả lời: Graphene trong điều kiện môi trường hoạt động như một chất bán dẫn loại p với hạt tải điện đa số là lỗ trống. Khí $NO_2$ là một chất nhận điện tử mạnh (electron acceptor). Khi hấp phụ lên bề mặt graphene, các phân tử $NO_2$ hút điện tử từ màng, làm hạ thấp mức năng lượng Fermi, dẫn đến gia tăng mật độ lỗ trống trong mạng tinh thể. Sự gia tăng nồng độ hạt tải này làm suy giảm điện trở tổng của màng graphene, tạo ra tín hiệu đáp ứng điện trở đo được trên hệ điện cực Ti.
4. Vai trò của lớp polymer PMMA trong kỹ thuật transfer ướt là gì?
Trả lời: PMMA được phủ lên bề mặt graphene bằng phương pháp spin-coating đóng vai trò là giá đỡ cơ học tạm thời, bảo vệ màng graphene 2D mỏng manh không bị rách, tạo nếp gấp hoặc phá hủy cấu trúc trong quá trình dung dịch hóa chất ăn mòn hòa tan lớp đế đồng xúc tác. Sau khi chuyển màng lên đế $SiO_2/Si$, PMMA được hòa tan và loại bỏ bằng các dung môi hữu cơ như acetone và isopropanol.
5. Các đỉnh đặc trưng trong phổ Raman của graphene phản ánh những đặc tính gì của vật liệu?
Trả lời: Phổ Raman của graphene gồm 3 đỉnh chính: đỉnh D ($\sim 1350\text{ cm}^{-1}$) thể hiện sự rối loạn mạng và mật độ khuyết tật (biên hạt, liên kết sai hỏng); đỉnh G ($\sim 1580\text{ cm}^{-1}$) xuất hiện do dao động phonon $E_{2g}$ tại tâm vùng Brillouin; đỉnh 2D ($\sim 2680\text{ cm}^{-1}$) phản ánh quá trình tán xạ hai phonon. Tỷ lệ cường độ $I_{2D}/I_G > 2$ và đỉnh 2D dạng đơn đối xứng xác nhận graphene đơn lớp; tỷ lệ $1 < I_{2D}/I_G < 2$ tương ứng với 2 lớp và $I_{2D}/I_G < 1$ là đa lớp.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đình Khải và Lê Vũ Trung đã nghiên cứu thực nghiệm toàn diện quy trình chế tạo vật liệu graphene diện tích lớn bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp (LP-CVD) trên đế đồng. Nghiên cứu đã xác định được nhiệt độ tổng hợp tối ưu ở $1000^\circ\text{C}$ để thu được màng mỏng liên tục có độ bao phủ đơn lớp cao và khuyết tật mạng thấp. Đồng thời, đề tài đã làm chủ kỹ thuật chuyển màng bằng màng hỗ trợ PMMA lên đế cách điện $SiO_2/Si$ phủ điện cực Titan, chế tạo thành công linh kiện cảm biến biến trở hóa học nhạy khí $NO_2$ với khả năng đáp ứng rõ rệt ở các nồng độ từ 100 ppm đến 150 ppm.
