Chương 1 “Tổng quan”, trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu thực nghiệm, lý thuyết và mô phỏng đã đạt được về GNRs, về tính chất đặc biệt và tiềm năng ứng dụng của GNRs hiện nay trong nước và thế giới. Qua đó xác định được mục tiêu nghiên cứu và tam quan trọng của việc khảo sát quá trình nóng chảy GNRs. Chương 2 “Tính toán và mô phỏng” giới thiệu về phương pháp mô phỏng động lực học phân tử cổ điển MD, thế tương tác và các phần mềm hỗ trợ tính toán. Chương 3 “Kết quả và thảo luận” trình bày các kết quả về quá trình nóng chảy LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GNR đã đạt được và so sánh với các nghiên cứu trước đây.
Chương 4 “Kết luận” trình bày các kết luận thu được về quá trình nóng chảy của GNR. Sau quá trình khảo sát bằng mô phỏng, đề tài đã thu được một số kết quả như sau: Nhiệt độ bắt đầu nóng chảy ở khoảng 6380 K; Nhiệt độ nóng chảy thu được ở khoảng 7820 K + 100 K, cao hơn kết qua đạt được của GNR trong nghiên cứu trước đây. Các khuyết tật Stone-Wales, single-vacancy, di-vacancies và các vòng lớn hình thành là mầm cho sự nóng chảy GNR. Quá trình nóng chảy GNR xảy ra trước tiên ở cạnh đải và dần nóng chảy vào bên trong dải.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHUONG 1. Graphene nanoribbons (GNRs) - vật liệu một chiều (1D) Graphene là vật liệu hai chiều (2D) dạng tắm, độ dày bằng một lớp nguyên tử carbon với liên kết spˆ tạo thành tỉnh thể hình tổ ong. Graphene đang nhận được ngày càng nhiều sự chú ý trong việc nghiên cứu và ứng dụng vật liệu mới do những tính chất hoá lý đặc biệt như diện tích bề mặt lớn, siêu dẫn điện, siêu nhẹ, độ bền cơ học cao [1-3]. Tuy nhiên, graphene thiếu một thuộc tính quan trọng đó là vùng cấm.
Điều này làm hạn chế ứng dụng của graphene trong lĩnh vực điện tử, ví dụ như không thể sử dụng trực tiếp graphene để làm các transistor hiệu ứng trường (FETs). GNRs với bề rộng dải rất mỏng (nhỏ hơn 50 nm) được tạo ra để bổ sung thiếu sót của graphene, đó là tạo ra được vùng cắm năng lượng. Điều này nghĩa là ngoài khả năng siêu dẫn, GNRs còn có chức năng bán dẫn. Những vật liệu 1D như các loại dây nano và ống nano khác nhau đã và đang thu hút sự chú ý đáng kế nhờ những ứng dụng tiềm năng của chúng trong những thiết bị điện tử và năng lượng [4, 5].
GNRs thừa hưởng hầu như tất cả những đặc tính hấp dẫn của ống nano carbon và graphene. Không những thế, GNRs còn có vùng cắm có thê điều chỉnh được thông qua điều chỉnh bề rộng dải. Năm 1996, GNRs được giới thiệu như mô hình lý thuyết bởi Fujita và các đồng sự để nghiên cứu tác động của cấu trúc cạnh và kích thước nano ở graphene [6-8]. Nghiên cứu của Fujita đã cho thấy sự khác biệt về tính chất điện và từ phụ thuộc rất lớn vào hai cấu trúc cạnh tiêu biểu: armchair và zigzag (hình 1.
Bề rộng của GNRs đạng armchair được định nghĩa là số đường nhị trùng (Na) kéo dài qua dải. Tương tự, bề rộng của GNRs dạng zigzag được định nghĩa bởi số chuỗi zigzag (N) kéo dai qua dai. Vuông góc hướng được định nghĩa bề rộng, GNRs lặp lại những cấu trúc hình học của chúng và tạo thành những cấu trúc tuần hoàn một hướng. TONG QUAN Armchair Zigzag oe Se ° ° o-a e—s sa œ° ợ Y ợ 9 9 9 9 ° @ o-oo > od p E o 2 6 6 6 6 Lb ở pd p> do b—‹ 2 ee ÝY Oe we T s > bø b-s b Đ AI ee ee ee ee LlẰ p-s bs p< b-s 0 ợ 1 ợ Y T Y ợ ọ ¢ bs be >—-d > 3S ggg” >< b6 po-s b—s ö | i s b >—d b-s b ome 2 6 6 ó a2 ó 3S 9 ° Ợ 9 ° ° ợ ° Ð ø bs bo od ö Ôi 6 À2.
4 Á Ì eh á b-đ pd bd > 5 OM ee bs b—< b-s od a i ¢ pd >—d b-đ > Be AS i Se COS éwv$*ẻ Se ee eG b-s 2° b- > ¿. ¿ šX À4 À 3À ä s p> os b-s > Q o ơ o o ° e oo oo oo o-o Ae is «oN, 12 Saks wo N, | | Width Width Hinh 1. GNRs dang armchair va dang zigzag Do những nguyên tử ở cạnh GNRs không bão hòa, nguyên tử hydro được giới thiệu dùng để làm bão hòa những nguyên tử cạnh của GNRs. Hầu hết những nghiên cứu lý thuyết đều sử dụng GNRs bão hòa đề bắt đầu nghiên cứu [9].
GNRs nếu được tạo ra với cấu trúc gần như một chiều với bề rộng hẹp (nhỏ hơn 10 nm) và độ trơn nhẫn của cạnh cỡ nguyên tử được dự đoán sẽ thê hiện những vùng cấm năng lượng có ích cho hoạt động của transistor tại nhiệt độ phòng với tốc độ đóng/mở rất cao và khả năng siêu dẫn [10]. Thuật in thạch bản tắm graphene [11-12] da tao ra GNRs bé rộng khoảng 20 nm nhưng rất khó để đạt cạnh trơn nhẫn (với độ thô nhỏ hon 5 nm) va dat bề rộng dải cỡ nm thực sự. Những phương pháp hóa học có thể tạo ra GNRs với hình dạng và kích thước mong muốn cho những ứng dụng cơ bản và thực tiễn [13-15]. Bằng cách dùng vật liệu graphite dồi đào có sẵn, năm 2008, nhóm nhà hoá học Li ở đại học Stanford, Mỹ đã phát triển phương pháp hoá học đơn giản dé sản xuất GNRs [10].
Các nhà hoá học đã tách graphite thương mại bằng cách nung nóng nhanh (60 giây) tới 1000°C trong khí ga định hình (3% hydro trong Argon). Graphite tách được được CHUONG 1. TONG QUAN phân tán trong dung dich (1, 2 — dichloroethane) bằng siêu âm trong 30 phút để thành thể vân đồng nhất. Luc ly tâm sau đó tách những miếng lớn trên bề mặt.
Các nhà khoa học đã sử dụng kính hién vi lực nguyên tử (AEM) để mô tả những nguyên liệu trong chất nền nỗi trên bề mặt và quan sát thấy rất nhiều GNRs với bề rộng khác nhau từ 50 nm tới nhỏ hơn 10 nm. Bề dày của GNRs (trung bình khoảng 1um) chủ yếu giữa 1 va 1.8 nm, tương ứng với đơn lớp hay vài lớp (chủ yếu là 2 hay 3 lớp). GNRs thu được có cạnh bằng phẳng với độ thô cạnh ít, nhỏ hơn bề rộng dải ngay cả với GNRs bề rộng nhỏ hơn 10 nm. Việc đo chính xác bề rộng GNRs là khó do bán kính đỉnh AFM bị giới hạn (khoảng 10 đến 20 nm), đặc biệt cho những dải quá hẹp.
Đề khắc phục vấn đề, các nhà hoá học đã tìm cách hiệu chỉnh lại đầu đo AFM. Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, sự nhiễu xạ nguyên tử và phổ Raman đã được dùng để mô tả GNRs. Quang phô Raman là một quang phô tán xạ, mang tên của nhà khoa học Án Độ Raman, các loại tần số của quang phổ tán xạ ánh sáng được phân tích để có được rung động phân tử, luân chuyển thông tin, và áp dụng cho nghiên cứu cấu trúc phân tử. Do GNRs thu được tương tự những ống nano carbon đơn lớp (SWNTS) về hình học, các nhà hoá học đã thực hiện những thí nghiệm mở rộng để bảo đảm là GNRs nhỏ hơn 10 nm trong những mẫu thu được không phải là SWNTs.
Hơn nữa, tất cả GNRs nhỏ hơn 10 nm thu được đều mang tính bán dẫn, khác với SWNTSs với một phần ba mang tính kim loại [16]. Bên cạnh GNRs hình dáng cân đối, các nhà hoá học đã quan sát thấy những cấu trúc GNRs không sắp xếp cân đối, như hình nêm, GNRs với chỗ cong và nút (hình A, B và E), và những dải tạo thành miếng lớn graphene với bề rộng thay đổi dọc theo chiều dài đải. Những kết quả này gợi ý GNRs có thể được hình thành bằng cách tách từ tắm graphene lớn hơn bằng sóng âm. Tuy nhiên, các nhà hoá học tìm ra rằng sóng âm liên tục không làm tăng hiệu suất của GNRs và cấp độ sóng âm cần phải được kiểm soát để có GNRs với hiệu suất tối ưu.
Hình ảnh với AFM chỉ ra rằng hầu như không có dải nano nhỏ hơn 10 nm nào đạt được nếu sóng âm quá lâu (vài giờ) vì sự cắt và đứt gãy liên tục dai dẫn tới những cấu trúc nhỏ như phân tử. GNRs quan sát được giảm bề rộng thành CHUONG 1. TONG QUAN một điểm (hình C và D) chỉ ra rằng GNRs đạt những kích thước nanomet thực sự với kích thước nguyên tử có thê được tạo ra. GNRs gồm những phần với bề rộng khác nhau có thể được dùng cho những thiết bị điện tử phân tir graphene voi ving cam thay déi dọc theo dải.
Thú vị là, những mẫu nối GNRs tạo góc 120° đã được quan sát như là sự nối của hai GNRs với cạnh nối dọc theo mạng lục giác của graphene (như cạnh zigzag). GNRs đơn lớp thê hiện sự mềm dẻo cơ học và sự đàn hồi đáng chú ý, với sự uốn và gấp không có sự đứt gãy rõ ràng. ONRs với những hình thái học khác nhau Tiếp theo, các nhà hoá học đã tạo ra những transistor hiệu ứng trường (FET) với GNRs đạt được (bề rộng từ nhỏ hơn 10 nn đến 55 nm). Quan sat thay tốc độ đóng/mở tại nhiệt độ phòng tăng nhanh khi giảm bề rộng GNRs, với tốc độ đóng/mở ở các giá trị 1; 5; 100 và lớn hơn 10 tương ứng với bề rộng 50 nm, 20 nm, 10 nm và nhỏ hơn 10 nm.
Quan trọng hơn nữa là, tất cả GNRs bề rộng nhỏ hơn 10 nm mô tả trong thí nghiệm này (khoảng 40 dai) đều có thê dùng đề chế tạo những transistor bán dẫn với tốc độ đóng/mở CHUONG 1. TONG QUAN đạt tới 105, và mật độ dòng điện tĩnh cao khoảng 2000 uA/um [17]. Như vậy, những GNRs được tạo ra theo phương pháp hoá học này thích hợp dé chế tạo những transistor graphene với tỷ số chuyên đổi đóng/mở tại nhiệt độ phòng rất cao. Các nhà khoa học đã so sánh với những nghiên cứu trên GNRs bề rộng 20 nm trước đây, GNRSFETs với GNRs bề rộng nhỏ hơn 10 nm thể hiện tốc độ đóng/mở cao gấp 10° lần tại nhiệt độ thường, mật độ dòng điện cao hơn khoảng 20 lần (tại điện thế Vas = 1V) va độ dẫn điện cao hơn khoảng 100 lần trên 1 im, nhờ có vùng cấm lớn hơn, chất lượng GNRs cao với cạnh đều hơn, công oxit mỏng và chiều dài công GNRs ngắn [17].
GNRSFETs bề rộng nhỏ hơn 10 nm được so sánh với FET ống nano carbon đường kính nhỏ (d nhỏ hơn hoặc bằng 1.
