Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Hệ exciton trong dải băng graphene

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong thời gian gần đây, năng lượng của exciton đã thu hút được rất nhiều sự chú ý và nghiên cứu của các nhà vật lý lý thuyết. Trong luận văn này, bước đầu đã nghiên cứu về năng lượng exciton trong Graphene. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Hệ exciton trong dải băng graphene

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- CẤN THỊ THU THỦY HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- CẤN THỊ THU THỦY HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. NGUYỄN ÁI VIỆT Hà Nội – 2015
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và sự kính trọng của mình tới GS.TSKH Nguyễn Ái Việt. Người thầy hướng dẫn đã luôn tận tình giúp đỡ, động viên và tạo môi trường làm việc tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý -Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đặc biệt là các thầy cô trong chuyên ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý toán đã tận tình truyền thụ những kiến thức quý báu cho em trong thời gian học cao học. Em cũng xin được cảm ơn các anh chị và thầy cô phòng Sau Đại học và Văn phòng Khoa Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này. Cảm ơn các anh chị và các bạn lớp cao học Vật lý 2012-2014 đã giúp đỡ tôi trong thời gian qua. Cuối cùng lời cảm ơn em muốn gửi tới Cha Mẹ, đấng sinh thành đã luôn ủng hộ cũng như sát cánh trong suốt thời gian học tập để có thể hoàn thành luận văn tốt nhất. Học viên Cấn Thị Thu Thủy
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC VIẾT TẮT MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 2 2.1. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 2 2.2. Đối tượng nghiên cứu................................................................................. 3 3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 3 4. Cấu trúc luận văn ............................................................................................. 3 Chương 1................................................................................................................. 4 HỆ CARBON THẤP CHIỀU VÀ CÓ CẤU TRÚC NANO .................................... 4 1.1. Tổng quan về hệ thấp chiều ........................................................................... 4 1.2. Vật liệu carbon .............................................................................................. 5 1.2.1. Phân loại ................................................................................................. 5 1.2.2. Sự lai hóa trong nguyên tử carbon ......................................................... 13 Chương 2............................................................................................................... 16 EXCITON VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CARBON NANOTUBE (HỆ CARBON THẤP CHIỀU VÀ CÓ CẤU TRÚC NANO) ....................................... 16 2.1. Exciton ........................................................................................................ 16 2.2. Exciton trong ống nano carbon đơn tường ................................................... 20 2.3. Tính chất quang của ống nano carbon .......................................................... 22 2.3.1. Hấp thụ quang ....................................................................................... 24 2.3.2. Sự phát quang ....................................................................................... 26 2.3.3. Tán xạ Raman ....................................................................................... 26 Chương 3............................................................................................................... 27 MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA GRAPHENE VÀ DẢI BĂNG GRAPHENE ............................................................................... 27
3.1. Graphene ..................................................................................................... 27 3.1.1. Giới thiệu chung về Graphene ............................................................... 27 3.1.2. Các phương pháp chế tạo Graphene ...................................................... 28 3.1.3. Các tính chất vật lý của Graphene ......................................................... 32 3.1.4. Các ứng dụng tương lai ......................................................................... 35 3.1.5. Mô hình TB (Tight Binding – Liên kết chặt) cho một lớp đơn graphene 36 3.2. Dải băng Graphene ...................................................................................... 38 3.2.1. Phân loại Graphene NanoRibbons (GNRs)............................................ 38 3.2.2. Cấu trúc dải năng lượng ........................................................................ 41 3.2.3. Năng lượng Exciton trong dải băng Graphene ....................................... 44 3.3. Mô hình đơn giản của năng lượng liên kết exciton trong dải băng Graphene .............................................................................................................................. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đồ thị năng lượng mật độ trạng thái phụ thuộc vào số chiều .................... 5 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của kim cương............................................................... 6 Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của than chì (graphite) .................................................. 7 Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể Fullerene ....................................................................... 8 Hình 1.5. Ống cacrbon nanotubes ............................................................................ 9 Hình 1.6. Sự sắp xếp theo hệ thống của ống nano cacbon có cặp chỉ số (n,m) có thể được biểu diễn qua vector (Ch) trong tấm graphene vô hạn mô tả tấm này cuộn lên như thế nào để tạo thành ống nano cacbon. T biểu diễn trục ống, a1, a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực ........................................................... 10 Hình 1.7. Các cấu trúc của CNTs........................................................................... 10 Hình 1.8. Mạng lưới Graphene .............................................................................. 12 Hình 1.9. Mô hình các orbitals s, p trong đó orbitals p gồm 3 thành phần theo 3 phương x, y, z tương ứng là các orbitals px, py, pz ................................................. 14 Hình 1.10. Ba hàm lai và mô hình biểu diễn các hàm lai trong lai hóa sp 2 ............. 15 Hình 1.11. Mô hình trans–polyacetylene (HC=CH-)n , các nguyên tử carbon tạo nên chuỗi zigzag với góc 1200, mỗi nguyên tử carbon tham gia 3 liên kết  , và một liên kết  ..................................................................................................................... 15 Hình 2.1. Mô hình điện tử bị kích thích vượt qua vùng cấm nhảy lên vùng dẫn, để lại vùng hóa trị một lỗ trống .................................................................................. 16 Hình 2.2. Các mức năng lượng excitons ................................................................ 17 Hình 2.3. Hai loại exciton FrenKel và exciton Mott Wannier ................................ 18 Hình 2.4. Giản đồ hệ số hấp thụ của vật liệu 3D, 2D và 1D ( từ trái qua phải) trong đó Δ= (hω-Eg)/EB .................................................................................................. 19 Hình 2.5. Các giá trị thực nghiệm của năng lượng liên kết exciton E0 tương ứng với năng lượng dải cấm Eg của một số chất bán dẫn .................................................... 20 Hình 2.6. a) các chuyển mức được phép (đường liền) và cấm (đứt đoạn) b) phổ huỳnh quang của CN có chứa các chuyển mức “cấm” .............................................................................................................................. 24 Hình 2.7. Cấu trúc năng lượng hấp thụ quang của CNTs ....................................... 25 Hình 2.8. Phổ hấp thụ quang từ sự phân tán của ống nano cacbon đơn tường ........ 25
Hình 2.9. Phổ Raman của SWCNTs ...................................................................... 26 Hình 3.1. Hệ hai chiều Graphene 2D ..................................................................... 27 Hình 3.2. (Trái) Điện trở suất, độ dẫn suất, điện trở Hall của Graphene (Phải)Ảnh chụp qua kính hiển vi lực nguyên tử của một đơn lớp graphene .............................................................................................................................. 29 Hình 3.3. Quan sát thực nghiệm của hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở graphene.... .............................................................................................................................. 30 Hình 3.4. Phương pháp dùng lực cơ học để tách các lớp Graphene đơn ................. 31 Hình 3.5. Năng lượng, E, cho các trạng thái kích thích trong graphene .................. 33 Hình 3.6. Một ô mạng của graphene và mô hình lưới graphene. Sức bền của graphene ................................................................................................................ 34 Hình 3.7. Mỗi nguyên tử carbon trong tấm grapheneowr trạng thái lai hóa sp2 và sắp xếp thành thành hình lục giác đều.................................................................... 37 Hình 3.8 . Cấu trúc xếp chặt và vùng Brillouin thứ nhất trong mạng đảo ............... 37 Hình 3.9. Giản đồ 3D của hệ thức tán sắc của mạng graphene 2D được tính toán trong gần đúng liên kết mạnh với giá trị t =2.7 eV và t’ =-0.2t............................... 38 Hình 3.10. Phân loại ZGNRs hoặc AGNRs dựa trên cấu trúc của các cạnh (trái) và độ rộng của dải graphene được đặc trưng bởi số hàng N ( phải) ........................... 39 Hình 3.11. Cấu trúc năng lượng ứng với AGNRs có độ rộng N=4( bán dẫn), N=5(kim loại) và N=6 ( bán dẫn) .......................................................................... 39 Hình 3.12. Cấu trúc năng lượng ứng với ZGNRs có độ rộng N=4, N=5, N=6 đều là kim loại ................................................................................................................. 40 Hình 3.13. Cấu trúc năng lượng ứng với AGNRs có độ rộng N=6, N=7, N=8 ....... 40 Hình 3.14. Cấu trúc dải năng lượng của tinh thể biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng với chuyển động của electron ...................................................................... 43 Hình 3.15. Cấu trúc dải năng lượng của hệ vật liệu ba chiều (trái) có dạng parabolic, với một vùng cấm nằm giữa vùng năng lượng hóa trị thấp hơn và vùng dẫn có năng lượng cao hơn. Cấu trúc dải năng lượng của vật liệu hai chiều graphene (phải) gặp nhau tai điểm Dirac ............................................................................................... 44 Hình 3.16. Năng lượng khe cấm theo độ rộng của AGNRs .................................... 49 Hình 3.17. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs ............... 50
Hình 3.18. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p fit dạng Eb= .......................................................................................................... 51 . Hình 3.19. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p fit dạng Eb= ........................................................................................................ 51 . Hình 3.20. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p fit dạng Eb= ......................................................................................................... 52 . Hình 3.21. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p fit . dạng Eb= ....................................................................................................... 52 Hình 3.22. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+1 fit dạng Eb= ...................................................................................................... 53 . Hình 3.23. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+1 fit dạng Eb= ................................................................................................... 53 . Hình 3.24. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+1 fit dạng Eb= ..................................................................................................... 54 . Hình 3.25. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+1 . fit dạng Eb= .................................................................................................. 54 Hình 3.26. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+2 fit dạng Eb= ...................................................................................................... 55 . Hình 3.27. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+2 fit dạng Eb= ................................................................................................... 55 . Hình 3.28. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+2 fit dạng Eb= ..................................................................................................... 56 . Hình 3.29. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs với N=3p+2 . fit dạng Eb= .................................................................................................. 56 Hình 3.30. Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs fit dạng . Eb= ............................................................................................................... 57
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Giải thưởng Nobel năm 2010, giải thưởng danh giá nhất của khoa học đã tôn vinh hai nhà khoa học Vật lý gốc Nga với công trình nghiên cứu tìm ra vật liệu Graphene hai chiều. Có thể nói đây là sự kiện mang tính đột phá đối với ngành Vật lý nói chung và ngành vật lý các hệ thấp chiều nói riêng. Graphene được xem là vật liệu có kích thước nhỏ, mỏng và bền vững nhất tính đến thời điểm hiện tại. Các ngành khoa học dự đoán Graphene sẽ có những ứng dụng đột phá trong các ngành công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là trong ngành công nghệ điện tử. Vậy Graphene là gì? Đơn giản, chúng ta có thể hiểu Graphene là một tấm than chì cực mỏng, mỏng đến mức chỉ bằng độ dày một lớp nguyên tử Carbon. Điều đặc biệt là lớp đơn nguyên tử này lại tồn tại bền vững ở trạng thái tự do. Trong thời gian gần đây các dạng cấu trúc nano khác của Carbon cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều như: Quả cầu Fullerences C60 và ống Carbon (Carbon nanotube)... Graphene trở thành tâm điểm, thu hút được sự chú ý của khoa học trong lĩnh vực ứng dụng. Graphene có rất nhiều các tính chất lí thú, kì diệu mà ở những vật liệu khác không thể có được. Trong đó phải nói đến tính dẫn điện và dẫn nhiệt của nó, nó gần như không cản trở dòng điện khi dòng điện chạy qua, đồng thời nó cũng tản nhiệt rất nhanh. Cụ thể, khoa học đã nghiên cứu và chứng minh được rằng Graphene dẫn nhiệt và dẫn điện tốt gấp 10 lần kim loại đồng. Graphene rất nhẹ, bền gấp 100 lần thép. Các nhà khoa học đã vẽ ra kiểu một cái võng làm bằng Graphene có kích thước khoảng 1 mét vuông (trọng lượng khoảng 1mg) có thể đủ để cho 1 chú mèo nằm thoải mái. Điều đặc biệt là nếu càng nhỏ thì nó càng bền vững. Điều này cho chúng ta gợi nhớ tới tính chất cầm tù của các hạt Quark (Các hạt Quark 1
càng gần nhau thì lực tương tác giữa chúng lại càng nhỏ và ngược lại nếu chúng càng xa nhau thì lực tương tác giữa chúng lại càng lớn). Ngoài ra, Graphene còn trong suốt, hầu như không hấp thụ ánh sáng khi ánh sáng truyền qua (chỉ hấp thụ khoảng 2,3%), nó đang là đối tượng được đặc biệt chú ý của các lĩnh vực công nghệ hiện đại chiến lược hàng đầu hiện nay như: Ôtô, máy bay, vệ tinh, máy tính, vi điện tử…Người ta ước tính ứng dụng của Graphene trong công nghệ điện tử truyền thông là rất lớn và rất khả thi, người ta có thể chế tạo ra các con chíp điện tử có tốc độ xử lí vào cỡ 500GHz để thay thế cho các con chíp thông thường như hiện nay. Vì vậy nếu như chúng ta có thể ứng dụng thành công được Graphene như mong muốn thì có lẽ thời đại micromet (như máy tính) sẽ đi vào dĩ vãng và mở ra một thời đại mới. Đó là thời đại nanô. Điểm nổi bật của Graphene: Thứ nhất: Tại lân cận các điểm Dirac, các hạt tải trong Graphene có vận tốc khoảng 1/300 vận tốc ánh sáng (khoảng) nhưng lại hành xử như nhưng hạt tương đối tính không khối lượng Thứ hai: Hệ khí điện tử hai chiều trong Graphene có tính chất khác biệt so với hệ khí điện tử hai chiều thông thường trong các dị cấu trúc bán dẫn. Do có cấu trúc mạng tổ ong nên vật liệu này có cấu trúc vùng năng lượng rất khác biệt. Khí điện tử hai chiều trong Graphene là khí điện tử giả tương đối tính, chúng được mô tả bởi phương trình Dirac hai chiều không khối lượng, chính vì vậy làm cho Graphene có nhiều tính chất đặc thù như: Hiệu ứng Hall lượng tử không bình thường, không có tán xạ trở lại, tương tác Spin không đáng kể, tính chui ngầm Klein, độ linh động các hạt tải rất cao… 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu 2
Trong thời gian gần đây, năng lượng của exciton đã thu hút được rất nhiều sự chú ý và nghiên cứu của các nhà vật lý lý thuyết. Trong luận văn này, bước đầu đã nghiên cứu về năng lượng exciton trong Graphene. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Tính chất quang của Graphene. 3. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng cơ học lượng tử và phần mềm Origin, Matlab hỗ trợ đồ thị. 4. Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và những hướng phát triển của đề tài. Chương 1: Hệ carbon thấp chiều và có cấu trúc nano Chương 2: Exciton và tính chất quang của carbon nanotube (hệ carbon thấp chiều và có cấu túc nano điển hình) Chương 3: Mô hình đơn giản nghiên cứu tính chất quang của Graphene và dải băng Graphene Cuối cùng là việc tóm tắt lại những kết quả thu được, kết luận và những hướng nghiên cứu tiếp theo. 3
Chương 1 HỆ CARBON THẤP CHIỀU VÀ CÓ CẤU TRÚC NANO 1.1. Tổng quan về hệ thấp chiều Một đột phá mới có tính cách mạng về công nghệ trong thế kỷ 21, dẫn đến một lực lượng sản xuất hoàn toàn mới có khả năng thúc đẩy nền văn minh nhân loại tiến lên tầm cao mới, đó chính là công nghệ nanô. Công nghệ nanô được manh nha với những ý tưởng mới mẻ dựa trên các tri thức về nguyên tử, phân tử sau khi thuyết lượng tử và thuyết tương đối đã cơ bản hoàn chỉnh. Cấu trúc nanô là các hệ thống có kích cỡ thuộc thang nanô (khoảng từ 1nm đến 100nm) gồm các nguyên tử, phân tử được sắp đặt vị trí sao cho cả hệ thống thực hiện được các chức năng định trước. Chính vì công nghệ nano phát triển đã dẫn đến việc có thể tạo ra các vật liệu thấp chiều một cách dễ dàng. Về phân loại hình học, cấu trúc hệ thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một đường thẳng hay một điểm, tức là hạn chế chuyển động của các electron theo ít nhất là một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng Đebroglie của nó (cỡ nm). Trong những thập kỷ qua, bước tiến nổi bật trong việc xây dựng cấu trúc hệ thấp chiều là tạo ra khả năng hạn chế số chiều hiệu dụng của các vật liệu khối. Từ vật liệu khối ba chiều thành vật liệu có cấu trúc hai chiều như giếng lượng tử (quantum well), bằng cách tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Các electron bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy chuyển động của chúng là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo chiều thứ ba đã bị lượng tử hóa mạnh. Tiếp tục như vậy ta có cấu trúc một chiều như dây lượng tử (quantum wire) và thậm chí là cấu trúc không chiều như chấm lượng tử (quantum dot). Trong thực tế ta thường xét các hệ thấp chiều có cấu trúc nano, gồm sợi hoặc dây nanô hoặc ống nanô (một chiều), lớp nanô hoặc màng mỏng nanô (hai chiều). Về mặt lịch sử, vật lý các hệ thấp chiều mới phát triển từ những năm đầu của thập kỷ 70. Mặc dù với khoảng thời gian không dài nhưng việc nghiên cứu các hệ 4
thấp chiều (hay các hệ có cấu trúc nanô) đã đạt được những thành tựu đáng kể và bước đầu đã có những ứng dụng to lớn trong thực tiễn. Một trong những biểu hiện rõ rệt nhất của hệ thấp chiều (giếng lượng tử, dây lượng tử và chấm lượng tử) là khi kích thước hiệu dụng của chúng giảm dần thì độ rộng vùng cấm của chấm lượng tử tăng lên. Sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái của các điện tử trong hệ thấp chiều cũng có sự thay đổi rõ rệt. Ở bán dẫn khối, các mức năng lượng nằm rất gần nhau nhưng với dây lượng tử, chấm lượng tử thì các mức năng lượng bị tách nhau ra xa theo sự tăng của số chiều cầm tù của điện tử. Hình 1.1. Đồ thị năng lượng mật độ trạng thái phụ thuộc vào số chiều Một trong những biểu hiện quan trọng của hệ thấp chiều là năng lượng liên kết của exction trong dây lượng tử và chấm lượng tử lớn hơn nhiều so với trong bán dẫn khối thông thường. Đó cũng chính là nội dung mà trong phần sau của luận văn ta sẽ tìm hiểu cụ thể. 1.2. Vật liệu carbon 1.2.1. Phân loại Carbon là nguyên tố phổ biến nhất trong tự nhiên và nó có vai trò rất quan trọng trong việc cấu tạo nên vật chất đặc biệt là các vật chất hữu cơ vật chất sống. Vật liệu carbon là những vật liệu được cấu tạo nên chỉ bởi sự liên kết hóa học giữa các nguyên tử carbon. Vật liệu carbon đã được con người phát hiện và ứng dụng từ rất sớm trong lịch sử như carbon vô định hình, than chì, và kim cương. Và gần đây do sự phát triển của công cụ nghiên cứu trong công nghệ nano con người đã phát 5
hiện ra thêm các dạng thù hình khác của carbon như Fullerene (Buckyball, C60) năm 1985, ống nano carbon (Carbon nanotubes - CNT) năm 1991 [1], graphit và đặc biệt là sự kiện cô lập được lá graphit đơn nguyên tử (Graphene nanoribbons – GNRs) vào năm 2004 đã làm cho vật liệu carbon được phát triển rộng rãi và chiếm ưu thế hơn bao giờ hết. Việc tìm hiểu các đặc điểm cơ bản của các loại thù hình sẽ cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về vật liệu carbon. 1.2.1.1. Kim cương Đầu tiên phải kể đến là kim cương, tên gọi của nó (diamond) xuất phát từ tiếng Hy Lạp adamas nghĩa là “không thể phá hủy”. Nó là một trong hai dạng thù hình được biết đến nhiều nhất, tính phổ biến và sử dụng từ rất lâu trong lịch sử như loại vật liệu cứng nhất trong tự nhiên và nó có những tính chất quang lý thú nên ứng dụng rộng rãi trong trang điểm, tôn giáo, và sản xuất. Kim cương là vật liệu carbon trong đó thuần túy là lai hóa sp3, vì vậy đặc trưng của kim cương là liên kết tứ diện. Nhưng xét theo quan điểm tinh thể học thì kim cương có cấu trúc lập phương tâm mặt có gốc gồm hai nguyên tử carbon ở vị trí (0,0,0) và (1/4,1/4,1/4) hay nó được xem như gồm hai mạng con lập phương tâm mặt đặt lệch nhau theo phương đường chéo một khoảng bằng 1/4 đường chéo. Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể của kim cương 1.2.1.2. Graphite Graphite hay than chì được Abraham Gottlob Werner đặt tên năm 1789 với nghĩa Hy Lạp là để viết, in (graphein). Nó là một trong những dạng thù hình thông dụng nhất của carbon và được sử dụng làm ruột bút chì. Tính dẫn điện của graphite 6
vô cùng quan trọng trong ứng dụng ở các điện cực của đèn hồ quang điện. Graphite tồn tại thuần túy các lai hóa sp2, cấu trúc tinh thể của nó bao gồm các mặt phẳng mạng tổ ong lục giác xếp chồng lên nhau. Khoảng cách giữa hai mặt phẳng liên tiếp là c/2=0.335 (nm). Liên kết trong mỗi mặt phẳng là liên kết cộng hóa trị khá bền vững còn dạng liên kết giữa các mặt với nhau liên kết Van der Walls khá lỏng lẻo. Mỗi nguyên tử carbon trong cùng một lớp liên kết chặt với 3 nguyên tử carbon lân cận bằng liên kết  , mỗi nguyên tử carbon còn có một liên kết  . Các điện tử  orbitals phân bố vuông góc với mặt phẳng mạng tổ ong (graphene). Những điện tử  orbitals này liên kết yếu nên nó góp phần tham gia vào tính dẫn điện của graphite. Và cũng do cấu trúc như vậy cho nên nó ảnh hưởng rất lớn tới tính chất vật lý của graphite là rất khác nhau theo những phương khác nhau, chẳng hạn như suất dẫn điện theo hướng song song với các tấm này lớn hơn so với suất dẫn điện theo hướng vuông góc với chúng. Trong thực tế graphite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, do tính chất liên kết không chặt giữa các mặt với nhau nên nó có ứng dụng quan trọng trong công nghiệp như một chất bôi trơn dạng khô. Ngoài ra Graphit còn có tính chịu nhiệt tốt vì vậy nó được dùng để làm chất phụ gia vào các vật liệu chịu nhiệt. Nó cũng được sử dụng làm các bộ phận điều tiết trong các lò phản ứng hạt nhân do tính chất ít cho neutrons đi qua theo mặt cắt ngang. Ngoài ra, graphite có đặc tính là ăn mòn một số kim loại như nhôm nên người ta thường cấm sử dụng chất bôi trơn trong các máy bay có vật liệu nhôm. Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể của than chì (graphite) 7
1.2.1.3. Fullerene Dạng thù hình thứ ba rất thú vị của Carbon được khám phá vào năm 1985 có tên gọi Buckminster fullerene. Nó là một phân tử chứa 60 nguyên tử carbon viết tắt là C60 (sự tồn tại của C60 đã được giáo sư Eiji Osawa giảng viên đại học Hokkaido tiên đoán từ những năm 1970 trên tạp chí hóa học Kagaku). Đến năm 1996 Korto, Curl, và Smalley đã nhận giải thưởng Nobel hóa học cho sự khám phá này. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các nguyên tử carbon không thể sắp xếp lục giác thuần túy như graphene được mà nó có mô hình như quả bóng tròn với đường kính vào khoảng 1nm, trong đó lục giác xen kẽ hình ngũ giác. Ngay sau khi ra đời nó đã mở ra nhiều hướng mới cho sự phát triển và ứng dụng, nó tạo nên một trào lưu mạnh mẽ trong nghiên cứu. Ngày nay người ta còn tổng hợp được những fullerene cao hơn như C70, C84, C540…với rất nhiều ứng dụng trong thực tế như lĩnh vực hóa học, công nghiệp. Điều khó khăn nhất là giá thành sản xuất fullerene còn khá cao hơn hai trăm dollars cho 1 gram C60, mặt khác C60 không hòa tan trong dung môi đã khiến cho phạm vi ứng dụng trở nên hạn chế phần nào. Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể Fullerene 1.2.1.4. Carbon nanotubes Ống nano Carbon (Carbon nanotubes - CNTs), vật liệu được coi là một chiều (1D) với nhiều tính chất đặc biệt về cơ và điện và điều kiện thuận lợi cho ứng dụng và thực tế hơn hẳn fullerene có độ bền siêu việt, độ dẫn nhiệt cao và nhiều tính chất điện quang thú vị khác. Nó được tiến sĩ Sumio Iijima của công ty NEC (Nhật Bản) 8
phát hiện tình cờ trong quá trình nghiên cứu về C60 vào năm 1991. CNT có dạng hình trụ rỗng dài có thể tới vài trăm micrometers và đường kính cỡ nanometers. Hình 1.5. Ống cacrbon nanotubes CNTs được chia thành 2 loại chính: Ống nano carbon đơn tường (SWCNTs) và ống nano carbon đa tường (MWCNTs). Ngoài ra còn một số dạng khác như Torus (đế hoa), Nanobud (núm hoa). Tất cả các SWCNTs đều có đường kính gần bằng 1 nm, với chiều dài ống có thể gấp hàng triệu lần đường kính. Cấu trúc của một SWCNTs có thể tưởng tượng như một cuộn giấy tròn hình trụ. Các cuộn này được biểu diễn bởi một cặp chỉ số (n, m). Các số nguyên n và m chỉ ra số vector đơn vị dọc theo hai hướng trong mạng tinh thể “tổ ong” của graphene. Ứng với m = 0, n = m lần lượt ống nano carbon có tên gọi theo hình dạng của nó là zigzag và armchair. Các trường hợp khác chúng được gọi là chiral. Đường kính của ống nano carbon có thể được tính từ các chỉ số (n, m) của chúng: = ( + + , với a = 0.246 nm. 9
Hình 1.6. Sự sắp xếp theo hệ thống của ống nano carbon có cặp chỉ số (n, m) có thể được biểu diễn qua vector (Ch) trong tấm graphene vô hạn mô tả tấm này cuộn lên như thế nào để tạo thành ống nano carbon. T biểu diễn trục ống, a1, a2 là các vector đơn vị của graphene trong không gian thực Zigzag Armchair Chiral Hình 1.7. Các cấu trúc của CNTs SWCNTs thể hiện các tính chất điện khác biệt so với ống nano carbon đa tường. Cụ thể, độ rộng vùng cấm có thể thay đổi từ 0 eV đến 2 eV và độ dẫn điện có thể là kim loại hay bán dẫn trong khi MWCNTs có độ rộng vùng cấm bằng không tức dẫn điện như kim loại. 10
SWCNTs được sử dụng để thu nhỏ các linh kiện điện tử, chúng có thể làm dây điện cho độ dẫn điện rất tốt. Một trong những ứng dụng hữu ích của SWCNTs là được sử dụng trong transistors hiệu ứng trường (FET). Sản phẩm sử dụng trạng thái logic nội phân tử đầu tiên là dùng FET dựa trên SWCNTs đã thành công trong báo cáo gần đây [2]. Để tạo ra một trạng thái logic chúng ta phải có cả p-FET và n-FET. Ống nano carbon đa tường bao gồm nhiều lớp graphite cuộn lại tạo thành các ống hình trụ đồng tâm. Có 2 mô hình có thể dùng để mô tả các cấu trúc của MWCNTs. Theo mô hình của Russian Doll, các tấm graphite được sắp xếp trong các hình trụ đồng tâm, một ống nano carbon với đường kính nhỏ hơn nằm trong các ống nano carbon với đường kính lớn hơn. Theo mô hình của Parchment, một tấm graphite được cuộn vào giống như một cuộn giấy. Khoảng cách giữa các lớp trong các ống nano carbon đa tường gần bằng với khoảng cách giữa các lớp graphene khoảng 3,4Å. Trong các ống nano carbon đa tường, ống nano carbon hai tường được quan tâm bởi hình thái học và các tính chất rất giống với ống nano carbon đơn tường nhưng điện trở và tính chất hóa học của chúng được cải thiện đáng kể. Đây là tầm quan trọng đặc biệt khi chúng ta chức năng hóa nó (nghĩa là ghép các nhóm chức hóa học lên bề mặt của ống) để thêm các tính chất mới cho ống nano carbon. Đối với trường hợp SWCNT, chức năng hóa cộng hóa trị sẽ làm gẫy một số liên kết đôi C=C, để lại các lỗ trống trong cấu trúc của ống nano carbon và thay đổi cả hai tính chất điện và cơ của chúng. Trong trường hợp ống nano carbon 2 tường, chỉ một tường ngoài được biến tính. 1.2.1.5. Graphene Một dạng thù hình mà các nhà khoa học đặc biệt quan tâm hiện nay, cũng là đối tượng chính của luận văn này – Graphene. Năm 2010, giải Nobel Vật lý đã được phát cho hai khoa học gia gốc Nga, đã có công nhận dạng, định rõ đặc điểm cơ bản và chế tạo một loại vật chất hai chiều này. Nó được coi là một loại vật liệu bền nhất và mỏng nhất từ xưa tới nay, graphene sẽ có thể làm thay đổi mạnh mẽ bộ mặt kỹ 11
nghệ chế tạo trong những năm tới - giống như plastics, theo lời ông Geim. Chính vì vai trò đặc biệt quan trọng như vậy nên nó đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các phòng thí nghiệm cũng như những công trình nghiên cứu lý thuyết trên các tạp chí khoa học quốc tế. Hình 1.8. Mạng lưới Graphene Ngoài những dạng nêu trên Carbon còn có các loại thù hình khác như: Sợi carbon (sử dụng để tổng hợp nên những vật liệu composite nhẹ với những tính chất cơ học ưu việt); Ceraphit (bề mặt cực kỳ mềm, cấu trúc chưa rõ); Lonsdaleit (sự sai lạc trong cấu trúc tinh thể của kim cương); Carbon vô định hình ( có cấu trúc tương tự như kim cương, nhưng tạo thành lưới tinh thể lục giác)… Lí do khiến carbon có nhiều dạng thù hình như vậy chính là sự khác nhau trong cấu trúc tinh thể, từ đó tạo ra các loại vật liệu carbon khác nhau. Hay nói cách khác, khi các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học để tạo nên vật liệu thì do sự khác nhau của các loại liên kết, sự khác nhau của cách thức liên kết như khoảng cách liên kết, góc liên kết… trong một loại liên kết do đó nó có sự sắp xếp trong không gian khác nhau tạo nên sự khác biệt cho từng loại vật liệu carbon. Từ sự khác nhau về cấu trúc dẫn đến sự khác nhau về tính chất vật lý cũng như hóa học tạo nên sự đa dạng trong ứng dụng của vật liệu carbon. Để nghiên cứu 12