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

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Nghiên cứu các tính chất điện tử quang học và truyền dẫn của vật liệu graphene hướng tới các ứng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

Trường đại học

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chuyên ngành

Vật lý kỹ thuật

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án

2015

134
13
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

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

Tóm tắt

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 tửtính chất quang học độc đáo của vật liệu graphene, mở đường cho các ứng dụng tiềm năng trong điện tử học graphenequang 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 graphenekỹ 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 graphenecảm biến graphene đến tế bào quang điện graphenepin 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 graphenedefects 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

Graphenetính 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 graphenequang 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 điệncảm 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 graphenequang điện tử học graphene đến năng lượng graphenecảm 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 graphenequang 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 tửtính 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 tửtính 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.

24/05/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên cứu tính chất điện tử và quang học của vật liệu graphene" cung cấp cái nhìn sâu sắc về các đặc tính điện tử và quang học của graphene, một vật liệu nổi bật trong lĩnh vực vật lý và công nghệ hiện đại. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ các cơ chế hoạt động của graphene mà còn chỉ ra tiềm năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực như điện tử, quang học và năng lượng. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách graphene có thể cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử và quang học, từ đó mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển vật liệu.

Để mở rộng thêm kiến thức về các vật liệu tương tự và ứng dụng của chúng, bạn có thể tham khảo tài liệu Hcmute ảnh hưởng góc lượn của đầu vết nứt đến cường độ phá hủy của vật liệu graphene dùng phương pháp mô phỏng động học phân tử molecular dynamic, nơi nghiên cứu về độ bền của graphene. Ngoài ra, tài liệu Luận án tiến sĩ vật lý học nghiên cứu các tính chất điện và nhiệt động của sắt và các hợp kim ở áp suất cao cũng sẽ cung cấp thêm thông tin về các vật liệu kim loại và hợp kim, giúp bạn có cái nhìn tổng quát hơn về tính chất vật liệu. Cuối cùng, tài liệu Luận án tiến sĩ vật lý học nghiên cứu một số tính chất vật lý của vật liệu perovskite ca1 xaxmn1 ybyo3 a nd fe pr b ru có hiệu ứng nhiệt điện lớn sẽ giúp bạn khám phá thêm về các vật liệu tiên tiến khác có ứng dụng trong công nghệ năng lượng. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng hiểu biết và khám phá sâu hơn về lĩnh vực vật liệu học.