Nghiên cứu tính chất điện tử và quang học của vật liệu graphene

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Khái quát về câu chuyện graphene

1.2. Một số kiến thức nền tảng

1.2.1. Lai hóa sp2 và các kiểu liên kết σ và π

1.2.2. Cấu trúc mạng tinh thể graphene

1.2.3. Các tính chất đối xứng của mạng tinh thể graphene

1.2.4. Cấu trúc vùng năng lượng của điện tử

1.2.5. Hệ thức tán sắc của các trạng thái năng lượng thấp - mô hình Dirac

1.2.6. Hàm sóng của các trạng thái kích thích năng lượng thấp

1.2.7. Mật độ trạng thái điện tử

1.2.8. Bài toán về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene (graphene nanoribbons)

1.2.8.1. Dải nano graphene biên zigzag

1.2.8.2. Dải nano graphene biên armchair (tay vịn)

1.2.8.3. Gói (package) phần mềm mô phỏng về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của các dải nano graphene

1.3. Ứng dụng của graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử

2. CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE

2.1. Mô hình lý thuyết và phương pháp tính

2.1.1. Tính toán cấu trúc vùng năng lượng

2.1.2. Tính toán đặc trưng hấp thụ quang

2.1.3. Kết quả và thảo luận

2.1.3.1. Tính chất điện tử của GSLs: sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử

2.1.3.2. Tính chất quang của cấu trúc GSLs: sự suy giảm độ dẫn quang trong miền năng lượng photon (0,Ub) và sự phụ thuộc vào trạng thái phân cực của photon

2.2. Kết luận chương

3. SỰ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ QUA BỀ MẶT TIẾP XÚC KIM LOẠI-GRAPHENE

3.1. Mô hình lý thuyết và tính toán

3.2. Kết quả và thảo luận

3.3. Kết luận chương

4. MÔ PHỎNG LINH KIỆN GFETs

4.1. Cấu trúc linh kiện, mô hình và phương pháp mô phỏng

4.1.1. Cấu trúc GFETs nghiên cứu

4.1.2. Phương pháp mô phỏng

4.1.2.1. Packages OPEDEVS: Module GFET

4.1.2.2. Kiến thức nền tảng của module GFETs

4.1.2.3. Phát triển module GFETs cho đối tượng nghiên cứu

4.2. Kết quả và thảo luận

4.2.1. Thế năng tĩnh điện và phân bố hạt tải

4.2.2. Đặc trưng truyền dẫn của GFETs

4.3. Kết luận chương

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Graphene Giới Thiệu Tổng Quan Tính Chất Điện Tử Quang Học

Graphene, một lớp nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc tổ ong, đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu nhờ những đặc tính phi thường của nó. Bài viết này sẽ đi sâu vào tính chất điện tử và tính chất quang học độc đáo của vật liệu graphene, mở đường cho các ứng dụng tiềm năng trong điện tử học graphene và quang điện tử học graphene. Từ độ dẫn điện graphene vượt trội đến khả năng hấp thụ quang phổ graphene đặc biệt, graphene hứa hẹn sẽ cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp. Chúng ta sẽ khám phá các khía cạnh khác nhau của cấu trúc graphene, bao gồm nanosheet graphene, graphene oxide, và reduced graphene oxide (rGO), cũng như các phương pháp tổng hợp graphene và kỹ thuật đặc trưng graphene khác nhau.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Tiềm Năng Ứng Dụng Graphene

Kể từ khi được phát hiện vào năm 2004, graphene đã nhanh chóng trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất trên thế giới. Nhờ độ bền, độ dẻo và độ dẫn điện graphene cao, graphene có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, từ linh kiện điện tử graphene và cảm biến graphene đến tế bào quang điện graphene và pin năng lượng mặt trời graphene. Các nhà khoa học và kỹ sư đang nỗ lực khai thác những đặc tính này để tạo ra các thiết bị tiên tiến hơn, hiệu quả hơn và bền vững hơn.

1.2. Cấu Trúc Nguyên Tử và Liên Kết Hóa Học Đặc Biệt của Graphene

Cấu trúc của graphene bao gồm một mạng lưới lục giác hai chiều của các nguyên tử carbon liên kết với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị sp2. Cấu trúc này mang lại cho graphene những tính chất cơ học và điện tử vượt trội. Mỗi nguyên tử carbon góp phần một electron pz vào hệ π, tạo thành các electron dẫn di động tự do trên toàn bộ lớp graphene. Sự di chuyển tự do của các electron này là nguyên nhân chính tạo nên độ dẫn điện graphene cao.

II. Tính Chất Điện Tử Graphene Đột Phá Về Độ Dẫn Điện

Graphene nổi tiếng với độ dẫn điện graphene cực cao, vượt xa các vật liệu dẫn điện truyền thống. Điều này là do cấu trúc vùng năng lượng đặc biệt của graphene, trong đó các electron hoạt động như các hạt Dirac không khối lượng. Do đó, các electron có thể di chuyển với tốc độ cực cao qua màng graphene, làm cho graphene trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử học graphene tốc độ cao. Tuy nhiên, việc kiểm soát độ dẫn điện graphene và tạo ra khoảng cấm năng lượng là một thách thức quan trọng trong việc phát triển các linh kiện điện tử graphene.

2.1. Cấu Trúc Vùng Năng Lượng Dirac và Tính Chất Dẫn Điện Tuyệt Vời

Cấu trúc vùng năng lượng của graphene có các điểm Dirac, nơi các vùng dẫn và vùng hóa trị chạm nhau. Tại các điểm này, các electron hoạt động như các hạt Dirac không khối lượng, cho phép chúng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Điều này dẫn đến độ dẫn điện graphene cực cao và tính linh động cao của các hạt tải điện.

2.2. Ảnh Hưởng Của Tạp Chất và Defects Đến Độ Dẫn Điện Graphene

Sự hiện diện của tạp chất graphene và defects graphene có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn điện graphene. Các tạp chất graphene có thể hoạt động như các trung tâm tán xạ, làm giảm tính linh động của các hạt tải điện. Các defects graphene, chẳng hạn như các khuyết tật điểm hoặc các khuyết tật đường, cũng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc vùng năng lượng và độ dẫn điện graphene.

2.3 Hiệu ứng Hall lượng tử trong graphene

Graphene thể hiện hiệu ứng Hall lượng tử rất đặc biệt, ngay cả ở nhiệt độ phòng, mở ra nhiều tiềm năng trong các ứng dụng đo lường và cảm biến. Hiệu ứng Hall lượng tử cung cấp một phương pháp chính xác để xác định điện trở lượng tử và có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử có độ chính xác cao.

III. Tính Chất Quang Học Graphene Khả Năng Hấp Thụ Ánh Sáng Độc Đáo

Graphene có tính chất quang học độc đáo, bao gồm khả năng hấp thụ quang phổ graphene rộng và hiệu ứng quang điện đáng chú ý. Graphene có thể hấp thụ khoảng 2.3% ánh sáng trên một dải tần số rộng, từ tia cực tím đến hồng ngoại. Điều này làm cho graphene trở thành một vật liệu hấp thụ ánh sáng hiệu quả và có thể được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tử graphene, chẳng hạn như tế bào quang điện graphene và quang điện graphene. Việc điều chỉnh tính chất quang học graphene thông qua các phương pháp hóa học hoặc vật lý mở ra nhiều khả năng mới cho các thiết bị quang học và quang điện tử.

3.1. Phổ Hấp Thụ Graphene và Cơ Chế Hấp Thụ Ánh Sáng

Phổ hấp thụ graphene trải rộng trên một dải tần số rộng, từ tia cực tím đến hồng ngoại, với mức hấp thụ khoảng 2.3%. Cơ chế hấp thụ ánh sáng trong graphene chủ yếu là do sự chuyển tiếp giữa các electron trong vùng hóa trị và vùng dẫn. Sự hấp thụ ánh sáng này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thước, hình dạng hoặc chức năng hóa bề mặt của graphene.

3.2. Ứng Dụng của Graphene trong Quang Điện và Cảm Biến Ánh Sáng

Nhờ tính chất quang học độc đáo, graphene có thể được sử dụng trong các ứng dụng quang điện và cảm biến ánh sáng. Graphene có thể được sử dụng làm vật liệu hấp thụ ánh sáng trong tế bào quang điện graphene, tăng cường hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời. Graphene cũng có thể được sử dụng làm vật liệu cảm biến ánh sáng, phát hiện ánh sáng với độ nhạy cao.

3.3 Graphene quantum dots GQDs Tính chất lượng tử và ứng dụng

Graphene quantum dots (GQDs) là những mảnh graphene có kích thước nano, thể hiện tính chất lượng tử. GQDs có khả năng phát quang mạnh mẽ và có thể được sử dụng trong các ứng dụng hình ảnh sinh học, cảm biến và quang điện tử.

IV. Tổng Hợp và Đặc Trưng Vật Liệu Graphene Phương Pháp Hiện Đại

Việc tổng hợp graphene với chất lượng cao và chi phí thấp là rất quan trọng để thúc đẩy các ứng dụng thương mại của graphene. Hiện có nhiều phương pháp tổng hợp graphene khác nhau, bao gồm bóc tách cơ học, lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và khử graphene oxide. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các kỹ thuật đặc trưng graphene, chẳng hạn như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) và quang phổ Raman, được sử dụng để xác định cấu trúc, độ tinh khiết và tính chất của vật liệu graphene.

4.1. Các Phương Pháp Tổng Hợp Graphene Phổ Biến Hiện Nay

Bóc tách cơ học là phương pháp đơn giản nhất để tạo ra graphene, nhưng nó thường tạo ra các mảnh graphene có kích thước nhỏ và không đồng đều. CVD là một phương pháp hiệu quả để sản xuất màng graphene lớn với chất lượng cao, nhưng nó đòi hỏi thiết bị phức tạp và nhiệt độ cao. Khử graphene oxide là một phương pháp chi phí thấp để sản xuất reduced graphene oxide (rGO), nhưng rGO thường có nhiều khuyết tật và độ dẫn điện thấp hơn so với graphene.

4.2. Kỹ Thuật Đặc Trưng Cấu Trúc và Tính Chất Vật Liệu Graphene

TEM được sử dụng để hình ảnh trực tiếp cấu trúc nguyên tử của graphene, xác định số lớp và các khuyết tật. AFM được sử dụng để đo độ dày và độ nhám bề mặt của graphene. Quang phổ Raman cung cấp thông tin về cấu trúc rung động của graphene, cho phép xác định chất lượng và độ tinh khiết của graphene.

V. Ứng Dụng Graphene Điện Tử Quang Điện Năng Lượng Cảm Biến

Graphene đang cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điện tử học graphene và quang điện tử học graphene đến năng lượng graphene và cảm biến graphene. Trong điện tử học graphene, graphene được sử dụng để tạo ra các transistor nhanh hơn và hiệu quả hơn. Trong quang điện graphene, graphene được sử dụng trong tế bào quang điện graphene và quang điện graphene. Trong năng lượng graphene, graphene được sử dụng trong pin năng lượng mặt trời graphene và các thiết bị lưu trữ năng lượng. Trong cảm biến graphene, graphene được sử dụng để phát hiện các chất hóa học và sinh học với độ nhạy cao.

5.1. Graphene trong Linh Kiện Điện Tử Tốc Độ Cao và Siêu Nhỏ

Nhờ độ dẫn điện graphene cao, graphene có thể được sử dụng để tạo ra các transistor nhanh hơn và hiệu quả hơn so với các transistor silicon truyền thống. Các transistor graphene có thể hoạt động ở tần số cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn, mở đường cho các thiết bị điện tử tốc độ cao và siêu nhỏ.

5.2. Graphene trong Tế Bào Quang Điện Thế Hệ Mới

Graphene có thể được sử dụng làm vật liệu hấp thụ ánh sáng trong tế bào quang điện graphene, tăng cường hiệu quả chuyển đổi năng lượng mặt trời. Graphene cũng có thể được sử dụng làm lớp dẫn điện trong tế bào quang điện graphene, giảm điện trở và tăng hiệu suất.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Graphene Thách Thức và Cơ Hội Phát Triển

Mặc dù graphene đã đạt được những tiến bộ đáng kể, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua trước khi graphene có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Các thách thức này bao gồm việc sản xuất graphene với chất lượng cao và chi phí thấp, kiểm soát tính chất điện tử và tính chất quang học của graphene, và tích hợp graphene vào các thiết bị hiện có. Tuy nhiên, những nỗ lực nghiên cứu và phát triển liên tục đang mở ra những cơ hội mới cho vật liệu graphene và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho graphene trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

6.1. Các Thách Thức Trong Sản Xuất và Ứng Dụng Graphene

Việc sản xuất graphene với chất lượng cao và chi phí thấp vẫn là một thách thức lớn. Các phương pháp tổng hợp hiện tại thường tạo ra graphene có nhiều khuyết tật hoặc đòi hỏi chi phí cao. Việc kiểm soát tính chất điện tử và tính chất quang học của graphene cũng là một thách thức, vì các tính chất này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, chẳng hạn như kích thước, hình dạng và chức năng hóa bề mặt.

6.2. Triển Vọng và Cơ Hội Phát Triển Vật Liệu Graphene Trong Tương Lai

Mặc dù có nhiều thách thức, graphene vẫn là một vật liệu đầy hứa hẹn với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Những nỗ lực nghiên cứu và phát triển liên tục đang mở ra những cơ hội mới cho vật liệu graphene và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho graphene.

Nghiên cứu các tính chất điện tử và quang học của vật liệu graphene tại Đại học Bách Khoa Hà Nội