Chương 1: chúng tôi trình bày khái quát tình hình nghiên cứu về graphene trong thời gian vừa qua trong mục 1.1, tiếp đó để có thể nắm rõ về các kiến thức về graphene, chúng tôi hệ thống lại các kiến thức nền tảng trong mục 1. Trong phần kiến thức nền tảng, chúng tôi đã tính toán lại một cách có hệ thống về cấu trúc vùng điện tử của graphene và các dải nano graphene. Toàn bộ các tính toán này được chúng tôi đóng gói lại thành một packages nhỏ được giới thiệu trong mục 1. Các kiến thức nền tảng trong phần này là cơ sở cho chúng tôi mở rộng cho nghiên cứu chính của luận án được đề cập trong chương sau.
Trong chương này chúng tôi cũng có nhưng giới thiệu về việc sử dụng graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử liên quan đến những vấn đề mà nội dung nghiên cứu chính của đề tài đề cập đến, phần này được trình bày trong mục 1. - Chương 2: chương này gồm hai nội dung chính: i) trình bày cấu trúc điện tử của cấu trúc GSLs qua đó thu được phát hiện về sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử; ii) nghiên cứu tính chất quang thông qua việc khảo sát độ dẫn quang, qua việc phân tích cấu trúc điện tử chúng tôi giải thích được sự suy giảm độ dẫn quang trong GIỚI THIỆU CHUNG 7 miền năng lượng photon (0,Ub) và sự phụ thuộc vào trạng thái phân cực của photon. - Chương 3: nội dung chính là trình bày một mô hình hiệu dụng qua đó để tính được điện trở suất hay độ dẫn nội tại cho thấy các ảnh hưởng của các kim loại khác nhau khi tiếp xúc với bề mặt graphene. - Chương 4: trình bày các phát triển và sử dụng packages OPEDEVS do TS.
Đỗ Vân Nam xây dựng để mô phỏng một linh kiện GFETs đã được thực nghiệm nghiên cứu. Các kết quả thu được làm rõ được các ảnh hưởng của các yếu tố vi mô lên các đặc trưng volt-ampe của linh kiện. Ngoài ra chúng tôi cũng bổ sung trong luận án một phần phụ lục để trình bày cụ thể một số tính toán chi tiết và dài dòng. 8 1 TỔNG QUAN 1 TỔNG QUAN Như đã trình bày ở trên, mục tiêu của luận án là tập trung nghiên cứu về một số vấn đề cơ bản của graphene khi xem xét nó cho những ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như làm kênh dẫn trong các cấu trúc transistor hiệu ứng trường (Field-Effect-Transistors – FETs).
Muốn thế, trước tiên cần phải có những hiểu biết cơ bản về loại vật liệu này. Chính vì vậy, trong chương này chúng tôi sẽ cố gắng phác họa một tổng quan ngắn về tình hình nghiên cứu (mục 1.1) cũng như các kiến thức cơ bản về loại vật liệu này, cùng với bài toán cơ bản về cấu trúc vùng năng lượng của các dải nano graphene, làm tiền đề cho các phương pháp nghiên cứu mở rộng sau này của luận án (mục 1.1 Khái quát về câu chuyện graphene Như đã giới thiệu, lĩnh vực công nghệ điện tử hiện đại được xây dựng và phát triển dựa trên nền tảng khoa học và kỹ thuật bán dẫn với vật liệu chủ yếu là chất bán dẫn silicon (Si). Với xu hướng thu nhỏ kích thước (scaling) của các cấu trúc linh kiện nền tảng (các transistors), công nghệ hiện tại đã và ngày càng bộc lộ nhiều những vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt khi đi vào giới hạn kích thước nanomet. Hiện nay, các nhà sản xuất lớn như Intel và/hay IBM đang lên các kế hoạch đưa vào sản xuất các loại thiết bị với kích thước cơ bản của các cấu trúc MOSFET vào khoảng vài chục nanomet, thậm chí là chỉ khoảng 10 nm, hoặc thậm chí ngắn hơn.
Tuy nhiên, cái giá mà họ phải trả là việc phải thay đổi công nghệ sản xuất, chẳng hạn từ công nghệ plate-gate (gate phẳng) sang công nghệ Ω-gate (gate bao quanh kênh dẫn) [50, 51], và như thế có nghĩa là các hãng này phải đầu tư một khoản rất lớn. Về mặt cơ bản, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sẽ rất khó tạo ra các vi mạch với kích thước của các linh kiện MOSFET vào khoảng 10 nanomét với công nghệ 2D hiện thời vì các điện cực gate phẳng trở nên có hiệu quả rất kém trong việc điều khiển dòng chuyển dời của các hạt mang điện trong kênh dẫn của linh kiện. Quan trọng hơn là trong giới hạn kích thước như thế vật liệu Si không còn sở hữu các thuộc tính như mong muốn nữa. Sự xuất hiện của graphene cùng với các tính chất đặc biệt của nó đã gần như mở ra hy vọng cho ngành điện tử vượt qua những giới hạn của vật liệu Si và “định luật Moore” có thể sẽ được kéo dài thêm nữa [5, 10].
Khác với các ống nano cacbon, graphene với cấu trúc phẳng và với độ dầy của một nguyên tử nhưng lại hết sức bền vững, đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc thiết kế các linh kiện transistor kích thước rất bé hoạt động với tốc độ cao vượt bậc. Về phương diện dẫn điện, graphene có nhiều ưu điểm hơn Si nhờ tính dẫn điện tốt hơn rất nhiều lần và quan trọng hơn là việc các transistors với kênh dẫn graphene có thể sẽ hoạt động ổn định trong miền nhiệt độ thậm chí cao hơn nhiệt độ phòng. Theo de Heer - Đại học Georgia Tech: “Transitor sử dụng silicon có một tốc độ xử lý giới hạn tối đa và nếu tiếp tục cố gắng thì cũng chỉ có thể đạt được tốc độ đó mà thôi. Hiện nay, các Si-transistors khó có thể đạt đến tốc độ trên 10 gigahertz nhưng với graphene thì tốc độ của transistors có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz”.
Thật vậy, đến giữa năm 2009, các nhà khoa học của IBM đã giới thiệu một mẫu linh kiện transistor có thể hoạt động với tốc độ lên tới 26 GHz. Tuy nhiên, cũng chính nhóm này đã tự phá vỡ kỷ lục này của mình khi đầu năm 2010 đã giới thiệu một bảng thiết kế dưới dạng một mạch tích hợp các cấu trúc linh kiện trên một wafer với độ rộng lên tới 2 x 2 cm2 [147, 149]. Đặc 1 TỔNG QUAN 9 biệt hơn, các khảo sát của họ cho thấy tần số làm việc của các linh kiện đó có thể vượt ngưỡng 100 GHz và các tín hiệu đầu ra gần như không bị biến dạng (nhiễu). Các cố gắng như thế rõ ràng là những động lực thúc đẩy mạnh mẽ không những các nghiên cứu cơ bản mà còn cả các nghiên cứu ứng dụng khai thác các thuộc tính quý giá của loại vật liệu này.
Chính vì thế, graphene hiện nay đang là chủ đề nghiên cứu hấp dẫn của lĩnh vực điện tử.1 Hiệu ứng trường trong vài lớp Hình 1.2 Quan sát thực nghiệm của hiệu ứng Hall graphene [69]. lượng tử dị thường ở graphene [70] Về các nỗ lực tìm ra graphene, do cấu trúc xếp lớp đặc trưng của than chì người ta đã có rất nhiều cố gắng trong việc tạo ra các màng than chì cực mỏng. Năm 1999, nhóm của Ruoff thuộc Đại học Northwestern đưa ra một phương pháp đặc biệt để sản xuất các đĩa mỏng than chì [134, 135] và đề xuất áp dụng phương án này để thu nhận các đơn lớp graphene. Tuy nhiên, họ đã không thể nhận ra bất kì đơn lớp nào.
Tại Đại học Columbia, nhóm nghiên cứu của Kim cũng đã phát triển một phương pháp để tạo ra các lớp cacbon mỏng. Cụ thể, nhóm này đã gắn một tinh thể than chì lên đầu nhọn của một kính hiển vi lực nguyên tử và kéo lê nó trên bề mặt của một lớp đế. Với cách này, họ có thể tạo ra những lớp than chì mỏng với độ dày chỉ vào khoảng mười lớp graphene [143]. Tuy nhiên, phải đến năm 2004 khi Geim, Novoselov và các cộng sự ở trường Đại học Manchester (Anh quốc) và Viện Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã tìm ra một cách thức vô cùng đơn giản để bóc tách và quan sát được sự tồn tại của một đơn lớp graphene.
Khác với các phương pháp phức tạp khác, nhóm này đơn giản dùng loại băng dính giấy để bóc tách các lớp than chì. Nhưng như họ giải thích sau này, điều quan trọng là họ đã thành công trong việc nhận biết ra sự tồn tại của các đơn lớp nguyên tử than chì. Phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Science số tháng 10/2004 [69]. Trong bài báo này, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và nêu ra các đặc điểm của graphene.
Phương pháp của họ đã nhanh chóng được ghi nhận và phổ biến rộng rãi. Nhưng quan trọng hơn là ngay sau đó nhóm này cùng với các nhóm khác trên thế giới đã có những bước đi dài hơn trong việc làm chủ được các kỹ thuật tạo ra các mẫu graphene với các điện cực thích hợp cho việc khảo sát các tính chất dẫn điện của loại vật liệu này. Một trong những kết quả quan trọng là họ đã chứng tỏ được hiệu ứng trường đối với các màng graphene, trong đó điện trở suất được thấy là thay đổi theo giá trị điện áp đặt vào lớp đế điện môi của mẫu đo.1 thể hiện rõ ràng các kết quả thực nghiệm này.1(B) mô tả sự thay đổi độ dẫn suất σ = 1/ρ(VG) theo VG tại nhiệt độ 70K.1(C) mô tả sự phụ thuộc của hệ số Hall RH vào VG. Đáng chú ý là điện trở suất có một cực đại rõ 10 1 TỔNG QUAN ràng, và giảm dần ở cả hai phía của cực đại đó.
Các số liệu này đã cho thấy nồng độ điện tử sẽ tăng dần nếu tăng điện áp dương đặt vào điện cực đế và nồng độ lỗ trống cũng sẽ tăng nếu tăng điện áp âm. Điều thú vị là tồn tại một giá trị cực tiểu của độ dẫn hay một giá trị cực đại của điện trở suất với giá trị vào khoảng 9kΩ cùng bậc với giá trị điện trở lượng tử (RQ=h/4e2). Một kết quả khác của nhóm này là đã đo được hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở ngay ở nhiệt độ phòng [70].2 thể hiện kết quả đo độ dẫn suất Hall (đỏ) và điện trở suất dọc (lục) là hàm của mật độ hạt mang điện, khung hình nhỏ thể hiện độ dẫn suất Hall đối với graphene hai lớp, lưu ý khoảng cách giữa các vùng bằng phẳng đối với graphene là 4e2/h, tức là lớn hơn so với hiệu ứng Hall lượng tử thông thường và các bậc dốc xuất hiện tại những bội bán nguyên của giá trị này, đối với một lớp đôi graphene thì chiều cao bậc dốc là như nhau, nhưng các bậc xuất hiện tại các bội nguyên của 4e2/h nhưng không có bậc nào tại mật độ bằng không.