Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

1

CHỦ ĐỀ: CHẤT BÁN DẪN GRAPHENE I. KHÁI NIỆM
1. Khái niệm chất bán dẫn

2.Khái niệm chất bán dẫn grapheme
Graphen là một mảng cacbon có độ dày một nguyên tử - loại vật liệu mỏng
nhất được biết và chắc chắn nhất từng tồn tại trong vũ trụ. Nó bền hơn thép 200
lần và có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần.
II. CẤU TẠO CỦA GRAPHENE
Graphen hay graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của
các nguyên tử cacbon với liên kêt với sp
2
tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên
gọi của nó được ghép từ "graphit" (than chì) và hậu tố "-en" (tiếng Anh là "-
ene"); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại.
Chiều dài liên kết cácbon-cácbon trong graphen khoảng 0,142 nm.
Graphen là phần tử cấu trúc cơ bản của một số thù hình bao gồm than chì, ống
nanô cácbonvà fulleren. Cũng có thể xét một phân tử thơm lớn vô hạn, mà trong
trường hợp giới hạn của họ các hidrô cácbon đa vòng phẳng gọi là graphen
Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, do cùng
một nguyên liệu chính là các phân tử cacbon. Về cơ bản Graphenecó cấu trúc
2D. Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các phiến graphene có đường kính 25
µm và dày chỉ 1nm.


graphene. Màng này không có khiếm khuyết vì chúng quá nhỏ. Kết quả cho
thấy sức bền nội tại của graphene có thể xem là một “giới hạn trên” cho sức bền
của vật liệu – giống như kim cương là chất cứng nhất. Kết quả cho thấy
Graphene bền hơn thép 200 lần. Một sợi dây thép dài 28km sẽ tự đứt nếu nó
được treo theo phương thẳng đứng, trong khi một sợi dây graphene chỉ đứt
trong điều kiện tương tự ở độ dài trên 1.000km. Trong giới khoa học, hiện có
người đang tính chuyện làm một chiếc “thang máy” bằng chất liệu graphene nối
liền trái đất với vệ tinh.

4. Graphene cứng hơn cả kim cương
Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Độ cứng
của graphene ‘lệch khỏi biểu đồ’ so với các họ chất liệu khác. Đây là nhờ các
liên kết cacbon- cacbon trong graphene cũng như sự vắng mặt của bất cứ khiếm
khuyết nào trong phần căng cao độ nhất của màng graphene.
Hiện nay, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã đo được độ cứng thực chất của
graphene, và họ khẳng định rằng đây là loại vật liệu cứng nhất từng được kiểm
tra. Jeffrey Kysar và James Hone, Giáo sư cơ khí thuộc Đại học Columbia, đã
kiểm nghiệm độ cứng của graphene ở cấp nguyên tử bằng cách đo lực tác dụng
để bẻ gãy loại vật liệu này. Họ đục các lỗ hổng có độ rộng 1 micromet tạo thành
tấm silic, đặt một mẫu graphene hoàn thiện trên mỗi lỗ hổng đó và sau đó làm
lõm graphene bằng một đầu dò bằng kim cương. Biện pháp đo như vậy trước
đây chưa từng được thực hiện vì chúng phải được thực hiện trên các mẫu
graphene chuẩn, không có lỗi hay bị thiếu nguyên tử.
Hone so sánh thử nghiệm của ông khi kéo căng một miếng giấy nilon bọc thức
ăn lên trên miệng của tách uống cà phê và đo lực tác động để làm thủng miếng
nilon này bằng một chiếc bút chì. Ông cho biết, nếu ông có thể có một miếng
graphene đủ rộng để đặt lên miệng tách uống cà phê, graphene sẽ đủ cứng để
chịu được sức nặng của một chiếc ô tô tương ứng với ngòi bút chì. Tuy nhiên,
biện pháp đo này vẫn chưa thể hiện được các thuộc tính đáng chú ý khác của
graphene.

= 4


(hình bậc thang màu đỏ), trong điều kiện B= 14T,
T=4K của lớp kép Graphene. Hiệu ứng Hall lượng tử phụ thuộc vào độ đồng
nhất, mức độ pha tạp của chất. Hiệu ứng Hall lượng tử đối với lớp kép
Graphene bị pha tạp và nguyên chất khác nhau khi ở cùng một nhiệt độ, cùng
một từ trường ngoài. Với σ
xy
= 4


, khi B= 12T, T= 4K ta thu được đồ thị như
hình 2. Đường bậc thanh màu xanh là hiệu ứng Hall lượng tử đối với màng
Graphene không đồng nhất mà bị pha tạp, tại σ
xy
=0 đồ thị là đường gạch ngang
ứng với nhiều giá trị của Vg (điện trường ngoài). Đường bậc thang màu đỏ biểu
diễn hiệu ứng Hall lượng tử với màng Graphene đồng nhất không bị pha tạp, khi
thì σ
xy
=0 trên đồ thị chỉ có một giá trị của Vg =0. Vậy để thay đổi hiệu ứng Hall
lượng tử trong lớp kép Graphene thì ta có thể pha tạp hóa học vào lớp kép
nguyên chất và dịch chuyển điểm trung hòa đến Vg cao để khe vùng năng
lượng không đối xứng có thể mở bằng điện trường ngoài.
Hiệu ứng Hall lượng tử còn phụ thuộc vào nhiệt độ ta tiến hành khảo sát.
Với những nhiệt độ khác nhau thì ta sẽ có hình dạng đồ thị giống nhau nhưng
ứng với cùng một giá trị của điện dẫn xuất Hall thì cần một các giá trị của điện
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

của electron trong graphene được xác định nhờ dao động nhiệt của nguyên tử và
giá trị này vào khoảng 200.000 cm2/Vs tại nhiệt độ phòng. Trong khi ở silicon
là 1.400 cm2/Vs, ở indium antimonide là 77.000 cm2/Vs. Electron của graphene
có độ linh động cao nhất so với các chất bán dẫn thông thường. Các nhà khoa
học đã chứng minh rằng mặc dù giới hạn tính linh động của graphene ở nhiệt độ
phòng cao ở mức 200.000 cm2/Vs, các mẫu vật hiện nay có tính linh động nhỏ
hơn – vào khoảng 10.000 cm2/Vs và cần phải nỗ lực cải tiến rất nhiều. Do
graphene có cấu tạo chỉ với một lớp nguyên tử, các mẫu vật hiện nay phải được
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

5
đặt trong chất nền là silicon đioxit. Điện tích bị giữ trong chất nền silicon đioxit
có thể ảnh hưởng đến các electron trong graphene làm giảm tính linh động. Dao
động của các nguyên tử silicon đioxit bản thân chúng cũng đã có thể có ảnh
hưởng đến graphene thậm chí còn lớn hơn ảnh hưởng từ dao động nguyên tử
của chính nó. Nhưng vì các phonon trong bản thân graphene lại không hề có tác
dụng trong việc phân tán electron, do đó hiệu quả này trở nên rất quan trọng
trong graphene.
IV. PHÂN LOẠI GRAPHENE
1. Graphene đơn
Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của cácbon, có độ lưu động
của electron phi thường và có các đặc điểm lạ kỳ duy nhất khiến cho nó là vật
liệu hứa hẹn đối với lĩnh vực điện tử và quang lượng tử cỡ nano. Nhưng chúng
có nhược đi ểm, đó là không có khe vùng, làm hạn chế việc sử dụng
graphene trong lĩnh vực điện tử. Vì không có khe vùng nên màng đơn
lớp Graphene không được xem là chất bán dẫn. Nếu có khe vùng, các nhà khoa
học có thể chế tạo ra các transistor hiệu ứng trường bằng graphenerất hiệu
quả.
2. Graphene kép

loạt các linh kiện điện tử kiểu mới, hay đáng kể nhất là các laser có bước sóng
có thể điều chỉnh với một độ chính xác tuyệt vời.
Chất bán dẫn graphene này có thể được sử dụng để tạo ra một loại
transistor mới, hay các loại laser và các cảm biến phân tử mà ở đó cần sử dụng
sự thay đổi độ rộng vùng cấm để điều chỉnh tính chất. Thuộc tính này
khi được kết hợp với graphene có kích thước nhỏ, độ bền cơ học cao, độ dẫn
điện, dẫn nhiệt rất tốt đã khiến cho nó trở nên hết sức hấp dẫn để thay thế các
chất bán dẫn kinh điển như Si.
3. Graphene mọc ghép đa lớp (MEG)
Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) gồm các lớp graphene xếp chồng lên
nhau (lớn hơn 2 lớp) theo kiểu sao cho mỗi lớp độc lập về mặt điện tử học.
Người ta nuôi các lớp graphene từ một chất nền silicon carbide theo kiểu sao
cho mỗi lớp quay đi 30 độ so với lớp bên dưới. MEG này khác với graphite ở
chỗ mỗi lớp quay đi 60 độ so với lớp bên dưới

Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

7
V. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA GRAPHENE
1. Ưu điểm của chất bán dẫn Graphene
- Graphene có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện
tại lên mức 500 đến 1000 Ghz.
- Nó có nhiều tính chất ưu việt hơn các chất khác.
- Graphene có nhiều ưu điểm hơn silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn
khoảng 10 lần, và điều quan trọng là những transistor tạo ra từ Graphene sẽ có
thể hoạt động tại nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử.
Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa ở gigahertz, cố gắng có
thể vượt tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa - hiện nay, đến mức độ
gigahertz thì silicon không thể tăng thêm được, nhưng với graphene, tốc độ có

1. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi
Là phương pháp cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi (Ir)
được làm nóng trong khoảng từ 300C đến 10000C. Khi tiếp xúc với bề mặt này,
những phân tử hydrocacbon giải phóng các nguyên tử H, chỉ còn những nguyên
tử C bám vào bề mặt Ir và tập trung ở đó thành những kết cấu nano. Những kết
cấu nano này phát triển thành mảng graphene hoàn chỉnh.
2. Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn
Đó là việc liên kết từng miếng nhỏ trên 1 mặt phẳng để tạo thành 1 dải có
dạng như 1 cuộn phim. Cái đó không gọi là tổng hợp mà chỉ là cắt tấm graphene
ra thành từng mảnh rồi ráp chúng lại mà thôi. Cách làm là đưa chất xúc tác vào
để diện tích lớp màng graphene có thể nở rộng. Công nghệ này đáp ứng được cả
2 tiêu chí dẫn điện tốt và an toàn mà các phương pháp khác hiện nay chưa đảm
bảo được.
3. Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm.
Trong phương pháp này, graphite thương mại (đã được acid hoá bằng
HNO3 và H2SO4) được tách lớp ở 10000C bằng hỗn hợp khí Ar+3%H3. Sản
phẩm được phân tán trong dung dịch 1,2-dichloroethane +
poly(mphenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách
các lớp graphene. Cuối cùng là ly tâm để thu sản phẩm.
4. Phương pháp bóc tách
Hiện nay phương pháp bóc tách là phương pháp đơn giản sản xuất những
mẩu graphene tương đối lớn. Phương này do Abhay Shukla và các cộng sự ở
trường Đại học Pierre và Marie ở Paris đề xuất. Nhóm nghiên cứu vừa chứng
minh được rằng khối graphite có thể gắn kết lên trên thủy tinh borosilicate và
rồi tách ra để lại một lớp graphene trên chất nền đó.
Phương pháp “bóc tách” thông dụng nhất dùng để sản xuất graphene chỉ
có ích trong việc tạo ra những nguyên mẫu dụng cụ cỡ nhỏ, nhưng phương pháp
mới khiến cho có thể áp dụng cách thức này ở một quy mô lớn hơn trong khi
vẫn giữ được chất lượng cao của mẫu.
5. Gắn kết dương cực trên nền thủy tinh

trường, chẳng hạn như máy trộn cắt công suất cao và thậm chí cả máy xay sinh
tố để thử nghiệm. Trước hết, họ đổ một ít bột than chì vào máy xay, cho thêm
nước, rồi cả dung dịch rửa bát và bật máy trộn tốc độ cao. Họ khám phá thấy
rằng, lực cắt do công cụ quay nhanh trong dung dịch có thể đạt cường độ đủ
mạnh để tách các lớp graphene cấu tạo từ các mảnh than chì, mà không làm
hỏng cấu trúc hai chiều của chúng.
- Ngoài ra còn một vài phương pháp khác như : phương pháp chemical
exfoliation, phương pháp micromechanical cleavage, phương pháp băng
keo Scotch, ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp do khó thực
hiện và chỉ tạo ra các màng graphene nhỏ và có độ dầy cao nên ít được
sử dụng

VII. ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE
1. Dây dẫn và điện cực trong suốt
Dây dẫn trong suốt là một bộ phận tích hợp của rất nhiều thiết bị điện tử, bao
gồm tivi màn hình phẳng, màn hình plasma và các màn hình cảm ứng cũng như
pin mặt trời. Vật liệu chuẩn để sản xuất các dây dẫn trong suốt là oxit thiếc Indi
nhưng oxit thiếc Indi lại có rất nhiều hạn chế, chúng rất đắt tiền vừa do chi phí
sản xuất lẫn mức độ khan hiếm Indi, đồng thời oxit thiếc Indi cứng và dễ
vỡ.Trong khi ống ghép nano cacbon-graphene là một loại vật liệu thay thế cho
Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

10
oxit thiếc Indi có hiệu suất cao lý tưởng trong các thiết bị điện tử có các linh
kiện rời. Graphene là chất dẫn điện tuyệt vời và ống nano cacbon là những ứng
cử viên lý tưởng đối với các dây dẫn điện trong suốt vì chúng có thể dẫn điện
trong khi đòi hỏi rất ít vật liệu. Phương pháp kết hợp hai loại vật liệu này rất
đơn giản, rẻ tiền và tương thích với các thiết bị mềm dẻo. Ống ghép nano
cacbon-graphene được sản xuất theo phương pháp này đạt được hiệu suất có thể

độ tinh khiết của graphene và tối ưu hóa kiến trúc của dụng cụ, và còn đang
khảo sát các phương thức tạo ra một dải khe ở transistor graphene để cho nó có
thể dùng trong những ứng dụng kĩ thuật số.

Chủ đề: Chất bán dẫn Graphene
NHÓM 5 NTHBH

11
3. Chíp máy tính
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế
giới- có bề dày chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene.
Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán
dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi mạch và là nền tảng của bất cứ thiết
bị điện tử nào. Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm việc với điều kiện nhiệt
độ trong phòng - giống như yêu cầu đối với các thiết bị điện tử hiện đại
khác.Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn
được chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ. Ngành kinh
doanh chất bán dẫn hiện nay đang được tiến hành trên cơ sở chắc chắn loại bỏ
được những chip siêu nhỏ làm từ nguyên liệu silicon mỏng manh. Với con chip
làm bằng công nghệ Graphene khắc phục được điều này. Các nhà khoa học dự
đoán Graphene sẽ là vật liệu thay thế Silicon trong ngành công nghiệp điện tử.
Ngoài ra Palacios cùng trợ lí giáo sư Jing Kong và 2 sinh viên khác là Han
Wang và Daniel Nezich đã chế tạo một loại chip thử nghiệm làm từ Graphene
có khả năng khuếch đại tín hiệu điện tử. Theo các nhà khoa học công nghệ
khuếch đại tín hiệu điện tử đang được sử dụng hiện nay thường tạo ra tín hiệu
nhiễu và đòi hỏi phải có bộ lọc mạnh và tiêu tốn năng lượng. Còn loại chip
Graphene chỉ sử dụng một transitor và nguồn ra hoàn toàn sạch và không cần bộ
lọc. Thời gian đầu, một nhóm nghiên cứu được lãnh đạo bởi Hongjie Dai, J. G.
Jackson và Giáo sư Hoá học C. J. Wood, đã chế tạo được những transitor được
gọi là "transitor hiệu ứng trường"- một thành phần quan trọng để cấu thành các

Khó khăn gặp phải là khó chế tạo ra một lượng lớn vật liệu graphene chất
lượng cao và khó điều khiển được cấu trúc bề mặt.
5. Chất phụ gia trong dung dịch khoan
Các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động của graphene trong nước để bít kín
các lỗ rỗng và phát triển vấn đề này nhằm tạo ra được những công thức dung
dịch khoan thích hợp có chứa graphene. Khi hiểu biết được hoạt động của
graphene trong nước, tìm hiểu thêm về khả năng nút kín của graphene có thể
chịu ảnh hưởng như thế nào bởi sự có mặt của bất cứ hợp chất nào trong dung
dịch khoan thì ta có thể tạo ra dung dịch khoan tối ưu hơn. Hiệu quả bít nhét kín
chính là cơ sở để ứng dụng trong dung dịch khoan. Các dung dịch gốc dầu hoặc
gốc nước thông thường được bơm xuống giếng khoan qua cột cần khoan để làm
sạch choòng khoan và đưa mùn khoan theo dòng chất lưu di chuyển ngược lên
trên bề mặt. Các loại dung dịch khoan này, có chứa rất nhiều phụ gia hoá học,
lại không thể bịt kín các lỗ rỗng trong vỉa theo đó dầu có thể chảy qua. Tổ hợp
của graphene hoà tan trong dầu và oxit graphene hoà tan trong nước, với kích
thước nano được sử dụng bít kín, được cho thêm vào dung dịch khoan. Các hạt
này dưới áp suất riêng của chất lưu sẽ nhanh chóng tạo thành một lớp màng
thấm lọc mỏng trên thành giếng khoan. Khi dung dịch khoan được thoát lên khi
bộ bộ dụng cụ quay, áp suất của vỉa sẽ ép lớp lọc graphene qua các lỗ rỗng và
chảy vào trong giếng khoan, cho phép việc khai thác hydrocabon diễn ra bình
thường. Khi giảm áp lực thuỷ tĩnh trong giếng và kéo choòng khoan ra khỏi
giếng khoan, áp suất trong đất đá sẽ lớn hơn rất nhiều so với áp suất trong lỗ
khoan, áp suất này phá vỡ lớp thấm lọc và dầu chảy vào trong giếng.Trong
tương lai sẽ tập trung vào việc sử dụng graphene để hoàn thiện dung dịch khoan
và các sản phẩm khoan khác. Trong vài năm tới công nghệ nano sẽ được ứng
dụng rộng rãi trong việc điều chế các loai dung dịch để khoan trong các điều
kiện địa chất phức tạp các giếng khoan dầu khí. Hiện nay, Trường đại học Rice
và M-I SWACO - công ty dung dịch khoan hàng đầu thế giới, đã ký thoả thuận
nghiên cứu sử dụng những tiến bộ của công nghệ nano để nâng cao lưu lượng
các giếng khoan. Mục tiêu của dự án là nghiên cứu bổ sung chất phụ gia

trong mạng graphene là không thể nhìn thấy với TEM cho dù là kỹ thuật này có
thể nhìn thấy một cách rõ ràng nguyên tử cacbon riêng lẻ trên bề mặt graphene.
Các nguyên tử trong kính hiển vi, do đó, tấm cacbon cung cấp một nền đồng
đều mà ta vẫn cho là không có cấu trúc cacbon được xếp trong những sự sắp
xếp thông thường với một khoảng cách không thể phân tích nào trên nó. Cùng
với việc nhìn thấy các nguyên tử riêng biệt, ta có thể quan sát thấy việc chùm
điện tử tạo ra một lỗ thụ động trên đế graphene. Thậm chí có thể quan sát thấy
một lỗ đang được sửa chữa khi mà graphene hấp thụ các nguyên tử cacbon từ
môi trường xung quanh. Graphene là một đế cực tốt cho các mẫu TEM vì nó có
một ảnh hưởng tối thiểu trong quá trình ghi ảnh. Một lớp graphene đơn nhất có
thể giúp cho việc tăng độ nhạy ghi ảnh. Tuy nhiên, đối với việc quan sát đơn
nguyên tử chỉ có thể sử dụng một cách hạn chế bởi vì quá khó để tiến hành và
lại dễ dẫn đến việc hiểu sai các thông tin.
Hà Nội , Mùa Xuân 2014
NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN
Đặng Văn Nguyên, Nguyễn Văn Tưởng, Bùi Văn Biên,
Nguyễn Trọng Hoàng, Phạm Văn Hòa