Giáo trình Graphen & graphen oxit

Chia sẻ: Đỗ Danh Quang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

100
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình thông tin đến các bạn những kiến thức về khái niệm graphene, tính chất graphene, các phương pháp chế tạo graphene, ứng dụng của graphene, ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn graphene; giới thiệu graphen oxit, tổng hợp graphen oxit, ứng dụng của graphen oxit.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Graphen & graphen oxit

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC ----------------------- Graphen & graphen oxit ĐỖ DANH QUANG Ngành Hóa Học Chương trình đào tạo chuẩn Hà Nội – 2019
MỤC LỤC I. Graphene....................................................................................................................................4 1.1. Khái niệm .........................................................................................................4 1.2. Lịch sử ..............................................................................................................4 1.3. Cấu trúc ............................................................................................................5 1.4. Phân loại ..........................................................................................................6 1.4.1. Graphene đơn lớp ........................................................................................ 6 1.4.2. Graphen kép ................................................................................................ 7 1.4.3. Graphene mọc ghép đa lớp (MEG) ............................................................. 7 1.5. Tính chất ..........................................................................................................8 Tính chất vật lý ........................................................................................... 8 Graphene dễ chế tạo và dễ thay đồi hình dạng ........................................... 8 Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua ................................ 9 Graphene cứng hơn cả kìm cương .............................................................. 9 Độ bền của Graphene .................................................................................. 9 Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt ..................................................... 10 Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu .......................... 10 1.6. Các phương pháp chế tạo Graphene ............................................................10 1.6.1. Phương pháp chemical exfoliation ........................................................... 10 1.6.2. Phương pháp micromechanical cleavage .................................................. 11 1.6.3. Phương pháp băng keo Scotch .................................................................. 11 1.6.4. Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp ......................................... 11 1.6.5. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi .................................... 12 1.6.6. Phương pháp tổng hợp graphene trên diện tích lớn .................................. 12 1.6.7. Kết hợp siêu âm tách lớp và ly tâm........................................................... 12 1.6.8. Phương pháp bóc tách ............................................................................... 13 1.6.9. Gắn kết dương cục trên nền thủy tinh ....................................................... 13 1.6.10.Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash ....................................... 13 1.7. Ứng dụng........................................................................................................14
Màn hình cảm ứng .................................................................................... 14 Dây dẫn và điện cực trong suốt: ............................................................... 15 Chíp máy tính ............................................................................................ 15 Pin 16 Cảm biến camera ....................................................................................... 16 FET graphene ............................................................................................ 16 Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vì điện tứ truyền qua (TEM) .................................................................................................................. 17 1.8. Ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn graphene ..................................18 1.8.1. Ưu điểm..................................................................................................... 18 1.8.2. Nhược điểm ............................................................................................... 18 II. Graphene oxit ......................................................................................................................... 19 2.1. Giới thiệu Graphen oxit .................................................................................19 2.2. Tổng hợp graphen oxit ..................................................................................20 2.2.1. Phương pháp brodie .................................................................................. 20 2.2.2. Phương pháp staudenmeier ....................................................................... 20 2.2.3. Phương pháp hummers ............................................................................. 21 2.2.4. Phương pháp tour ...................................................................................... 21 2.3. Ứng dụng........................................................................................................22 2.3.1. Màng lọc nước .......................................................................................... 22 2.3.2. Xử lý môi trường....................................................................................... 22 III. Kết luận.................................................................................................................................... 23
I. Graphene 1.1. Khái niệm  Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), nó được tách ra từ graphite. Graphene là một mạng tinh thể lục giác hình tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử carbon 6 cạnh. Nói cách khác, nó là một dạng thù hình của carbon với cấu trúc phẳng 2D.  Dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng của một màng lưới có bề dày bằng bề dày của một nguyên tử carbon.  Nếu xếp chồng lên nhau phải cần tới 200.000 lớp mới bằng độ dày một sợi tóc.  Có thể xem graphene như thành phần cơ bản tạo nên các cấu trúc khác nhau của carbon như fullerene, carbon nanotube, graphite.  Graphene được hình dung như là một ống nano dàn mỏng, do cùng một nguyên liệu chính là các phân tử carbon.  Trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra các phiến graphene có đường kính 25 µm và dày chỉ 1nm. 1.2. Lịch sử Loại vật liệu nano đầu tiên được khám phá từ carbon là Fullerene được tìm ra vào năm 1985 do một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto và Scan O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley. Fullerene có dạng quả bóng chỉ gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Ban đầu người ta tìm ra mỗi hạt là một phân tử lớn carbon cấu tạo từ 60 nguyên tử carbon C60. Sau đó người ta tìm ra phân tử như vậy nhưng nhiều phân tử carbon hơn C70, C80.
Giải Nobel về hóa học 1996 được trao cho hai nhà khoa học đã tìm ra Fullerene là Smalley và Kroto. Rồi từ quả bóng tròn, năm 1991 người ta tìm cách “cuộn” những phân tử carbon này thành hình ống gọi là “nanotube”, tức ống nano carbon. Tiến sĩ Sumio Iijima phát hiện Carbon nanotube trong muội than của điện cực âm trong quá trình phóng điện hồ quang. Bắt đầu thập niên 1970, các nhà khoa học đã phát triển lớp graphene trong phòng thí nghiệm. Từ năm 2004, các nhà nghiên cứu ở Anh dẫn đầu là Andre Gein đã tìm ra một cách đơn giản để bóc những lớp đơn nguyên tử của các nguyên tử carbon khỏi các khoanh graphite. Năm 2010, Andre Gein và Konstantin nhận giải Nobel vật lý. Hiện nay, graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn bởi nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết như phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả của nó càng cao. Ông Nano cacbon Hình ảnh màng Graphene qua kính hiển vi điện tử 1.3. Cấu trúc
• Graphene là dạng carbon hai chiều, có cấu trúc lục giác ( giống cấu trúc tổ ong) với mỗi nguyên tử C hình thành 3 liên kết σ với mỗi nguyên tử C lân cận gần nhất từ 3 điện tử hóa trị. Những liên kết cộng hóa trị carbon – carbon gần giống với liên kết trong kim cương làm cho graphene có những tính chất cơ và nhiệt giống như của kim cương. Electron hóa trị thứ tư không tham gia liên kết cộng hóa trị, nó ở trạng thái 2pz định hướng vuông góc với tấm graphene và hình thành vùng π dẫn. Những đặc tính điện đáng chú ý của carbon nanotubes là hệ quả trực tiếp của cấu trúc vùng đặc biệt của graphene- một chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm bằng không. Graphite rắn đã được nghiên cứu trong nhiều thập niên (Kelly 1981), nhưng cho đến những năm gần đây mới có những thí nghiệm trên graphene. Điều này là do những khó khăn trong việc tách biệt và cô lập các đơn lớp graphene để nghiên cứu. • Màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng (còn được gọi là cấu trúc tổ ong) do sự lai hoá sp2. Trong đó, mỗi nguyên tử C liên kết với ba nguyên tử C gần nhất bằng liên kết tạo bởi sự xen phủ của các vân đạo lai s-p, tương ứng với trạng thái lai hoá sp2 . Khoảng cách giữa các nguyên tử C gần nhất là a = 0,142 nm. Khoảng cách giữa hai lớp graphene là 3- 4 Ȧ. Chiều dày mỗi tấm graphene là 0.35 – 1,0 nm. Vân đạo 2pz định hướng vuông góc với tấm graphene không tham gia vào quá trình lai hóa mà sẽ xen phủ bên với nhau hình thành nên liên kết π, các liên kết này không định xứ nên hình thành vùng π dẫn và tạo nên các tính chất điện khác thường của graphene. 1.4. Phân loại 1.4.1. Graphene đơn lớp  Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của carbon, 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 điểm, 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 graphene rất hiệu quả.  Lá graphene này chỉ dày 1 nguyên tử. Nó mang đặc tính của chất bán dẫn và kim loại. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của nó có độ rộng vùng cấm bằng 0. Đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn trùng nhau.
Cấu trúc vùng năng lượng của Hình ảnh hiến vi quang học của Graphene đơn lớp Graphene đơn 1.4.2. Graphen kép  Gồm 2 lá graphene đơn xếp chồng lên nhau có chiều dày bằng kích thước 2 lớp nguyên tử.  Khi xếp 2 lớp graphene chồng lên nhau sẽ xảy ra hai trường hợp:  Đối xứng: các nguyên tử carbon ở hai màng đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp.  Không đối xứng: các nguyên tử carbon ở hai màng không đối xứng nhau qua mặt phẳng phân cách giữa hai lớp.  Lớp kép này là chất bán dẫn vùng cấm thẳng, khác với đơn lớp, lớp kép có khe vùng năng lượng. 1.4.3. 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. Cấu trúc dải của một mẫu graphene mọc ghép đa lớp (ba lớp)
 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. Graphene xếp tầng trên bề mặt một chất nền silicone carbide được chụp với kính hiển vi lực nguyên tử 1.5. Tính chất Tính chất vật lý  Ưa dầu – kỵ nước Graphene có cấu trúc đơn lớp nguyên tử, có dạng tấm bao gồm các nguyên tử cacbon sp² liên kết với nhau tạo thành mạng lưới tổ ong 2D. Điều này quyết định nên tính chất của graphene là vật liệu kỵ nước – thân dầu.  Tỉ trọng thấp Ô đơn vị (lục giác) của graphene gồm mỗi cạnh là 2 nguyên tử sẽ có diện tích là 0.052nm² => Tỉ trọng của graphene là 0.77mg/m². Với tỉ trọng thấp, graphene nếu có cấu trúc xốp 3D sẽ là một trong những vật liệu nhẹ nhất giúp chúng dễ dàng nổi trên bề mặt chất lỏng.  Diện tích bề mặt Diện tích bề mặt graphen khoảng 2600 m²/g, cao hơn diện tích bề mặt của than hoạt tính và của ống nano cacbon, nên khả năng hấp phụ của graphen rất lớn. Graphene dễ chế tạo và dễ thay đồi hình dạng Graphene có cấu trúc mềm dẻo nhu màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộn lại. Nó có nhiều đặc tính của ống nano, nhung graphene dễ chế tạo và
dễ thay đổi hơn ống nano; vì thế có thể đuợc sử dụng nhiều hơn trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn nắn. Các nhà Vật Lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo chất dẫn và để thủ nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường. Graphene hoàn toàn không để cho không khí lọt qua Lớp màng graphene ngăn cản đuợc cả nhũng phân tủ khí nhỏ nhất, không cho chứng lọt qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạo thành lớp vảy cỡ nguyên tử dừng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử. Chỉ với một luợng rất nhỏ, graphene cũng có một khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc. Các nhà khoa học đã phát triển thành công khoang cầu mỏng nhất thế giới có lớp màng không cho bất kỳ phân tử nhỏ nhất nào của không khí lọt qua, kể cả hê-li. Graphene cứng hơn cả kìm 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. Độ bền của Graphene 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 l.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. Ảnh minh họa vết lõm của một tẩm graphene đơn nguyên tử chụp qua đầu mút kim cương của kính hiển vì lực nguyên tử.
Graphene có tính dẫn điện và nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường. Graphene có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần. Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt. Bản thân graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh. Graphene là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu Graphene có bề dày chỉ bằng một phần triệu của loại giấy in báo thông thường và bằng 1/200000 sợi tóc. Theo Geim, mắt người không thể nhìn thấy màng graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân nhất mới nhận ra độ dày này. Dưới kính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử cacbon có màu vàng, 30- 40 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có màu hồng và graphene thì mang màu hồng rất nhạt, một màng Graphene trong suốt chỉ dày một nguyên tử. 1.6. Các phương pháp chế tạo Graphene Có nhiều cách để chế tạo Graphene nhung rất khó khăn và chi phí cao. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra phuơng pháp chế tạo Graphene đơn giản, ít tốn kém, có thể tạo ra trên diện tích lớn và có thể đua vào sản xuất hàng loạt trong công nghiệp. Trong tiểu luận này tôi chỉ trình bày sơ luợc một số phuơng pháp đuợc các nhà khoa học dừng để tạo ra Graphene từ khi nó mới đuợc khám phá cho đến nhũng phuơng pháp mới nhất hiện nay. 1.6.1. Phương pháp chemical exfoliation Trước khi tìm ra graphene, các nhà khoa học đã nhiều lần thất bại khi cố tách những miếng mỏng graphene từ graphite. Ban đầu, nguời ta dừng một thủ thuật hóa học gọi là chemical exfoliation - tức là chèn nhiều phân tử hóa học vào giũa nhũng phiến graphene để tách nó ra. Tuy nhiên cái mà họ có đuợc chỉ là nhũng mảng nhu nhọ nồi. Từ đó không ai dùng kĩ thuật này để lấy graphene nữa.
1.6.2. Phương pháp micromechanical cleavage Sau khi thất bại với phuơng pháp chemical exfoliation các nhà khoa học đã áp dụng một kĩ thuật trục tiếp hơn, gọi là micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành những miếng mỏng bằng cách nạo hoặc chà graphite vào một mặt phẳng khác, từ đó có thể gỡ những miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử. Bằng cách này thì năm 1990, các nhà vật lý nguời Đức ở RWTH Aachen Univrsity đã lấy được những miếng graphite mỏng đến độ trong suốt. Khoảng 10 năm sau đó, không có một tiến bộ nào đáng kể. Mặc dầu họ có thể lấy được những miếng mỏng khoảng vài mươi nguyên tử, nhưng đó chỉ là những miếng graphite mỏng, không phải graphene. Lúc đó, không ai nghĩ graphene có thể hiện diện được trong thiên nhiên. 1.6.3. Phương pháp băng keo Scotch Graphene được nhóm của giáo sư Geim tổng hợp từ graphite năm 2004. Việc khám phá ra cách chế tạo graphene là câu chuyện hy hữu trong lịch sử khoa học, bởi nó xuất phát từ một cuộn băng keo. Tiến sĩ Geim đặt mảnh graphite lên một miếng băng keo đặc biệt, dán hai đầu lại với nhau, rồi mở băng keo ra... Cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphite trở nên thật mỏng. Qua đó, mảnh graphite được tách ra từng lớp một, ngày càng mỏng, sau đó người ta hòa chứng vào acetone. Trong hỗn hợp thu được có cả những đơn lớp cacbon chỉ dày 1 nguyên tử. Một miếng graphite dày 1 nguyên tử thì không thể nhìn thấy được, nhưng tiến sĩ Geim thấy được rằng 1 miếng graphite tạo ra 1 cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ. Đen nay, quan sát bằng kính hiển vi, qua màu sắc, các nhà nghiên cứu có thể biết được độ dày của miếng graphite. 1.6.4. Ma sát các cột graphite lên bề mặt silicon xốp Nhóm các nhà nghiên cứu dẫn đầu là Rodney Ruoff, giáo sư về kỹ thuật nano hiện ở Đại học Northwestern, báo cáo rằng ông có thể ma sát các cột graphite nhỏ bé lên bề mặt silicon xốp, khiến chúng trải dài như một chồng bài. Ồng đề nghị kỹ thuật này có thể sản sinh ra graphene đơn lớp, nhưng ông không thể xác định
bề dày các lớp. Philip Kim, một giáo sư vật lý ở Columbia, cũng đạt được kết quả tương tự khi làm “viết chì nano”, gắn 1 tinh thể graphite lên đỉnh của kính hiển vi lực nguyên tử và di chuyển nó theo bề mặt. Ồng cũng tìm ra cách tách graphite thành từng mảnh nhỏ. Nhưng các mảnh đó, mỏng khoảng 5 phần tỷ của 1 mét, tuy vậy, có thể bao gồm ít nhất 10 lớp nguyên tử. 1.6.5. Cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi Giáo sư Dario Alfc và TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Trái đất, Đại học London, là những người đang cố gắng tìm hiểu và mô tả cơ chế hình thành graphene trong một phương pháp sản xuất đặc biệt. Đó là cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi (Ir) được làm nóng trong khoảng từ 30°C đến 1000°C. 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. Giáo sư Alfc cho biết phương pháp phát triển graphene được nhiều người biết đến tuy nhiên vẫn chưa giải thích được cơ chế thực hiện từ một bề mặt bao phủ cacbon đến một mảng graphene. 1.6.6. 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 chứng 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. 1.6.7. 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 1000°C bằng hỗn hợp khí Ar+3%IỈ3. Sản phẩm được phân tán trong dung dịch 1,2-dichloroethane + poly(m- phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene), siêu âm tách các lớp
graphene. Cuối cùng là ly tâm để thu sản phẩm. 1.6.8. 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 dừng 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. 1.6.9. Gắn kết dương cục trên nền thủy tinh Gắn kết dương cực là gắn dính một chất dẫn hoặc chất bán dẫn lên trên một chất nền thủy tinh, sử dụng lực tĩnh điện lớn phát sinh từ sự dẫn ion của chất nền. Điều này có nghĩa là không cần đến chất kết dính nào cả. Phương pháp đó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử để gắn kết các bánh xốp silicon với thủy tinh. Kĩ thuật này chưa từng được thử nghiệm trên các chất nền phân lớp, kiểu như graphene, vì chúng không bám dính mà bị tách ra. Chỉ có lớp đầu tiên hoặc vài ba lớp nguyên tử đầu tiên gắn kết với chất nền, còn khối chất có thể bóc tách ra. Vì các mẩu được gắn kết với một chất nền thủy tinh rắn chắc, cho nên cách này tạo ra được các mẩu diện tích bề mặt lớn hơn có chất lượng cao theo kiểu hiệu quả và đơn giản. Phương pháp cũng có thể sử dụng cho các chất phân lớp khác. Từ trước đến nay, các nhà nghiên cứu đã sản xuất được các mẩu kích cỡ milimét, nhng họ nói họ có thể cải thiện tỉ lệ này. 1.6.10. Chế tạo graphene trong một lóe sáng đèn flash Khi chiếu một camera flash vào graphite oxit đủ để tạo ra graphene. Quá trình này còn có thể sử dụng để những khuôn graphene phức tạp có thể tích hợp
vào các mạch điện tử gốc cacbon nhanh và linh hoạt. Một sự bừng phát ngắn ngủi của ánh sáng có thể thục hiện phản ứng trong một milli giây. Điều then chốt đối với tiến trình là hiệu ứng quang nhiệt: camera flash phân phối một xung năng luợng biến đổi thành nhiệt trong graphite oxit. Xung năng luợng phát ra từ camera flash này gây cảm ứng một “vụ nổ nano” trong màng graphite-oxit. Sụ biến đổi xảy ra nhanh đến mức màng chất phồng lên và giãn ra đến hai bậc độ lớn. Các tấm graphite oxit xám, trong suốt, bị đen đi và nở ra, đi cùng là một tiếng bốp to. Vật liệu màu đen thu được - nó thủng kiểu tổ ong và chỉ là một phần khối luợng riêng của graphite. Phân tích thêm cho thấy vật liệu đó cấu thành từ các tấm graphene mất trật tự và các giá cách đều với nhau. Có thể thêm các hạt nano plastic vào khối graphite oxit đó, sao cho khi hỗn hợp bị chiếu ánh sáng flash, thì các hạt của nó hợp nhất với nhau kiểu nhu các giọt chất lỏng, khóa miếng graphene thành một vật liệu composite dai. Vì quá trình sản xuất sạch, nhanh và đơn giản, nên việc sản xuất graphene ở quy mô công nghiệp qua quá trình này là có thể. Một thách thức hiện tồn tại là gắn graphene lên trên các bề mặt silicon hoặc thủy tinh cho thiết kế vi mạch. Nguời ta cũng có thể sử dụng graphite oxit cách điện để chế tạo mạch điện sau đó biến đổi nó thành graphene dẫn điện với một lóe sáng đèn flash. Ngoài ra, các mặt nạ cản sáng có thể đuợc sử dụng để tạo ra nhũng khuôn mẫu graphene phức tạp. Đe phát triển nghiên cứu này, các nhà khoa học đang có kế hoạch sử dụng quá trình trên chế tạo một mạch điện cấp độ nano, nhung tiến trình không đơn giản khi nó có liên quan đến những luợng nhỏ vật liệu vì nhiệt phát sinh bởi xung sáng có thể tiêu tan quá nhanh để kích ngòi cho một phản ứng. 1.7. Ứng dụng Màn hình cảm ứng ✘ Vì graphen gần như trong suốt hoàn toàn, nó có thể được phủ lên kính nhằm tăng độ bền cho màn hình cảm ứng của smartphone.
✘ Graphen cứng hơn kim cương, do đó một màn hình phủ graphen gần như không thể bị phá hủy, hoặc chí ít sẽ không vỡ khi bạn trượt tay. Kính phủ graphen cũng có thể dùng cho kính chắn gió, cửa sổ,.. Màn hình uốn cong sử dụng graphen cũng sẽ khó vỡ hơn. Dây dẫn và điện cực trong suốt: • Graphene là vật liệu trong suốt và có tính dẫn điện tốt nên nó có tiềm năng dùng làm dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. • Các dây dẫn hoặc điện cực graphene này sẽ là vật liệu thay thế rẻ hơn và mềm dẻo hơn nhiều so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử dẻo khác. Chíp máy tính  Các nhà nghiên cứu đã tạo ra chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất thế giới – bề dày chỉ bằng 1 nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene.  Chiếc bóng bán dẫn này, về bản chất là một công tắc bật tắt.  Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại Tiến sỹ Leonid Ponomarenko càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn được chế giới thiệu một thiết bị với chiếc tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch bóng bán dẫn nhúng bên trong
điện siêu nhỏ. Chiếc bóng bán dẫn đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester ( TS. Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim). Pin  Những viên pin này sẽ có thời lượng sử dụng gấp 5 lần pin Li-ion dung lượng tương đương và có thể sạc rất nhanh. Thêm vào đó chúng không độc hại và không có nguy cơ cháy nổ.  Với các siêu tụ graphen, smartphone có thể chạy trong một tuần với chỉ một lần sạc, đồng thời khi sạc bạn sẽ chỉ mất vài phút thay vì vài giờ (hiện thời gian sạc vẫn là một thử thách đối với các phương tiện dùng điện). Cảm biến camera  Graphen nhạy sáng hơn loại silicon đang được sử dụng trong các cảm biến camera hiện nay. Điều này mở ra cơ hội hoạt động tốt hơn trong điều kiện thiếu sáng cho camera. (Nokia được cho là đang sản xuất môt loại smartphone có camera dùng cảm biến graphen hứa hẹn tốn ít năng lượng hơn và rẻ hơn các camera hiện tại).  Tính trong suốt của graphen (cho phép 97,7% ánh sáng đi qua) cũng mang lại tiềm năng cho camera 3D lẫn các camera lấy nét sau. Các lớp graphen có thể được sắp xếp sao cho ảnh chụp có thể lấy nét ở các vị trí khác nhau, kể cả sau khi chụp. FET graphene Transistor hiệu ứng trường (FET) được chế tạo bằng cách làm nóng một bánh xốp silicon carbide (SiC) để tạo ra một lớp mặt gồm những nguyên tử cacbon ở dạng graphene. Các cực phát và thu song song được cho lắng lên trên graphene, để lại những rãnh graphene bị bóc trần ở giữa chứng. Tiếp theo, cho lắng một màng mỏng cách điện lên trên graphene bị bóc trần mà không làm ảnh hưởng bất lợi đến những tính chất điện tử của nó. Đổ làm như vậy, trước tiên ta đặt thêm một lớp poly- hydroxystrene 10 nm để bảo vệ graphene. Sau đó, một lớp oxit bình thường được cho lắng lên, tiếp theo là một điện cực cổng kim loại. Chiều dài cổng tương đối lớn, đến 240 nm, nhưng nó có thể thu nhỏ xuống trong tương lai để cải thiện hơn nữa hiệu suất của dụng cụ. Transistor graphene vừa chế tạo có tần số ngưỡng cao hơn MOSFET silicon tốt nhất có cùng chiều dài cổng (tần số ngưỡng là tần số mà trên đó một transistor sẽ chịu sự suy giảm đáng kể hiệu suất của nó). Không giống như đa so FET graphene khác, chế tạo từ những giàn graphene, dụng cụ này được chế tạo bằng những kĩ thuật sử dụng trong công nghiệp chất bán dẫn. Tuy nhiên, một thiếu sót
của những dụng cụ graphene là chứng không thể sử dụng trong các mạch kĩ thuật số. Đây là vì graphene có khe năng lượng bằng 0 giữa các electron dẫn và electron hóa trị của nó - và chính “dải khe” này cho phép các chất bán dẫn truyền thống chuyển mạch dòng điện từ ngắt sang đóng. Các nhà nghiên cứu IBM hiện có kế hoạch thu nhỏ transistor của họ, cải thiện 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. Giản đồ FET graphene của IBM: dụng cụ mọc trên một chất nền silicon carbide (khối màu đen) và bao gồm các điện cực phát và thu (bằng vàng), graphene (mạng lưới màu đen), lớp cách điện (màu xanh lá) và các diện cực cổng (bằng bạc). Làm đế cho các mẫu nghiên cứu trong kính hiển vì điện tứ truyền qua (TEM) Các nhà vật lý Mỹ vừa khẳng định họ đã sử dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát một đơn nguyên tử Hydro, một nguyên tử rất nhẹ. Bước đột phá này được tạo ra bằng cách đưa nguyên tử trên một tấm graphene. Ta có thể nhìn thấy các chuỗi hydrocacbon di động trên bề mặt tấm graphene, và giả thiết rằng kỹ thuật này có thê được sử dụng đê nghiên cứu các quá trình động học trong các phân tử sinh học. Hình ảnh đơn nguyên tử Hydro
1.8. Ưu điểm và nhược điểm của chất bán dẫn graphene 1.8.1. Ưu điểm  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. Transistor 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. Còn đối với graphene tốc độ có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz.  Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn vì nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết theo phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao.  Cấu trúc và sự gắn kết của graphene giúp cho nó bền vững và trong suốt như kim cương nhưng cũng có thể tạo ra điện – điều mà kim cương không thể làm được. Chất liệu này thật lý tưởng cho các thiết bị điện.  Graphene có nhiều tính chất hấp dẫn các nhà vật lý hơn ông nano cách đây 1 thập niên, nhưng nó dễ làm và dễ thao tác hơn, đem lại nhiều hy vọng có thể chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế. Các nhà vật lý đã làm transistor bên ngoài graphene và dùng khảo sát hiện tượng lượng tử trống ở nhiệt độ phòng. 1.8.2. Nhược điểm  Sản xuất những màng graphene rất khó khan và đắt đỏ.  Do khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng graphene trong cuộc sống hàng ngày vẫn còn hạn chế.  Các nhà vật lý cũng cho biết khả năng nghiên cứu các tính chất điện động lượng tử của graphene là rất sáng sủa. Tuy nhiên, những tiến độ dường như bị giới hạn bởi chất lượng điện tử không đủ trong cấu trúc graphene nhân tạo.  Ngoài ra, chất nền của graphene và môi trường xung quanh có xu hướng hủy hoại tính chất điện tử của các mẫu graphene.
II. Graphene oxit 2.1. Giới thiệu Graphen oxit Vì có cấu trúc dạng màng rất linh hoạt, graphen có khả năng thay đổi hoặc chức hóa khung cacbon để hình thành vật liệu composit mới có nhiều ứng dụng. Khi các nguyên tử cacbon lai hóa sp2 trong các lớp graphen bị oxi hóa lên cacbon sp3, xuất hiện các nhóm chức bề mặt như -COOH, -OH, -C-O-C-, -C=O, …  Đó là một dạng biến đổi của graphen, được gọi là oxit graphen (kí hiệu là GO). GO là một chất rắn màu nâu xám với tỉ lệ C:O trong khoảng 2:1 và 2:9 có khả năng phân tán tốt trong nước và nhiều dung môi khác.  Do đó, nó là một tiền chất để sản xuất các vật liệu tổng hợp dựa trên graphen. Graphen oxide (GO) hay còn gọi là acid graphen, được Brodie tổng hợp lần đầu vào năm 1859, bằng cách xử lý graphite với hỗn hợp KClO3 và HNO3 đậm đặc và tách thành các lớp graphen oxide riêng rẽ. Về sau các phương pháp tổng hợp GO đều dựa trên hỗn hợp oxi hoá mạnh mà Brodie đã đưa ra – hỗn hợp chứa một hoặc nhiều acid mạnh và chất oxide hoá đậm đặc. Oxit graphen với tính chất cơ bản giống như graphen nên đã được nhiều nhóm nghiên cứu làm chất hấp phụ để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước.
2.2. Tổng hợp graphen oxit Để oxi hóa graphit, sử dụng các chất oxi hóa mạnh với điều kiện, thời gian tiến hành phản ứng thích hợp, graphite có thể bị oxi hóa ở các mức độ khác nhau. Khi graphite bị oxi hóa, các nối đôi C=C dần bị thay thế bởi các nhóm chức phân cực như –OH, -COOH, -CHO, nhóm epoxy… Hệ liên hợp của graphit bị phá hủy nên graphit có màu nhạt hơn graphit ban đầu. Tùy theo phương pháp và loại graphit sử dụng mà màu sắc graphit oxit khác nhau (tỉ lệ C/O lớn dung dịch có màu đen nâu, tỉ lệ C/O nhỏ dung dịch có màu vàng). Sau khi oxi hóa, các tính chất của graphit giảm đáng kể như tính dẫn điện, dẫn nhiệt…Các tác nhân oxi hóa thường dùng là H2SO4 đặc, HNO3, KMnO4, KNO3,…Có ba phương pháp chủ yếu để điều chế graphit oxit: phương pháp Brodie, phương pháp Staudenmeier, phương pháp Hummers. Trong đó phương pháp Hummers được dùng khá phổ biến. 2.2.1. Phương pháp brodie  Đây là phương pháp cổ điển ra đời sớm nhất vào năm 1859 bằng cách thêm kali clorat để tạo dạng bùn của than chì với axit nitric đậm đặc.  Ưu điểm: đơn giản dễ thực hiện.  Nhược điểm: hao tốn nhiều hóa chất để rửa sản phẩm. 2.2.2. Phương pháp staudenmeier  Năm 1898, Staudenmeier đã cải thiện phương pháp trên bằng cách sử dụng hỗn hợp axit sulfuric đặc và axít nitric đặc. Sau đó thêm từ từ kali clorat vào hỗn hợp. Sự thay đổi này trong quy trình đã khiến cho GO có mức oxy hóa cao hơn.  Ưu điểm: đơn giản.  Nhược điểm: thời gian phản ứng lâu, hệ không an toàn với người làm thí nghiệm.