Năm 2010, Geim và Novoselov đã đoạt giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu về graphene. Giải thưởng này đã để lại ấn tượng sâu sắc trong lòng nhiều người. Bởi lẽ, không phải mọi công cụ thí nghiệm đoạt giải Nobel đều phổ biến như băng dính, và không phải mọi đối tượng nghiên cứu đều kỳ diệu và dễ hiểu như “tinh thể hai chiều” graphene. Một công trình nghiên cứu năm 2004 lại được trao giải năm 2010, điều này rất hiếm trong lịch sử giải Nobel những năm gần đây.
Graphene là một loại vật liệu bao gồm một lớp nguyên tử carbon duy nhất được sắp xếp chặt chẽ thành mạng lưới lục giác hình tổ ong hai chiều. Giống như kim cương, than chì, fullerene, ống nano carbon và carbon vô định hình, nó là một chất (chất đơn giản) được cấu tạo từ các nguyên tố carbon. Như hình dưới đây cho thấy, fullerene và ống nano carbon có thể được xem như được cuộn lại theo một cách nào đó từ một lớp graphene duy nhất, được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene. Nghiên cứu lý thuyết về việc sử dụng graphene để mô tả các tính chất của các chất đơn giản carbon khác nhau (than chì, ống nano carbon và graphene) đã kéo dài gần 60 năm, nhưng người ta thường tin rằng các vật liệu hai chiều như vậy khó có thể tồn tại ổn định một mình, chỉ có thể gắn vào bề mặt chất nền ba chiều hoặc bên trong các chất như than chì. Mãi đến năm 2004, khi Andre Geim và học trò của ông, Konstantin Novoselov, tách được một lớp graphene duy nhất từ than chì thông qua các thí nghiệm, nghiên cứu về graphene mới đạt được bước phát triển mới.
Cả fullerene (bên trái) và ống nano carbon (ở giữa) đều có thể được coi là được cuộn lại bởi một lớp graphene duy nhất theo một cách nào đó, trong khi than chì (bên phải) được xếp chồng lên nhau bởi nhiều lớp graphene thông qua liên kết lực van der Waals.
Ngày nay, graphene có thể được thu được bằng nhiều cách, và mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Geim và Novoselov đã thu được graphene theo một cách đơn giản. Sử dụng băng dính trong suốt có bán ở siêu thị, họ đã tách graphene, một tấm than chì chỉ dày một lớp nguyên tử carbon, từ một mảnh than chì nhiệt phân bậc cao. Điều này thuận tiện, nhưng khả năng kiểm soát không tốt, và chỉ có thể thu được graphene có kích thước nhỏ hơn 100 micron (một phần mười milimét), có thể dùng cho thí nghiệm, nhưng khó sử dụng cho các ứng dụng thực tế. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học có thể nuôi cấy các mẫu graphene có kích thước hàng chục centimet trên bề mặt kim loại. Mặc dù diện tích có định hướng nhất quán chỉ là 100 micron [3,4], nhưng nó đã phù hợp với nhu cầu sản xuất của một số ứng dụng. Một phương pháp phổ biến khác là nung nóng tinh thể silicon carbide (SIC) đến hơn 1100 ℃ trong chân không, để các nguyên tử silicon gần bề mặt bay hơi, và các nguyên tử carbon còn lại được sắp xếp lại, điều này cũng có thể thu được các mẫu graphene có tính chất tốt.
Graphene là một vật liệu mới với những đặc tính độc đáo: độ dẫn điện của nó tuyệt vời như đồng, và độ dẫn nhiệt tốt hơn bất kỳ vật liệu nào đã biết. Nó rất trong suốt. Chỉ một phần nhỏ (2,3%) ánh sáng nhìn thấy chiếu thẳng đứng sẽ bị graphene hấp thụ, và hầu hết ánh sáng sẽ xuyên qua. Nó đặc đến mức ngay cả các nguyên tử heli (phân tử khí nhỏ nhất) cũng không thể xuyên qua. Những đặc tính kỳ diệu này không phải được thừa hưởng trực tiếp từ than chì, mà từ cơ học lượng tử. Các đặc tính điện và quang học độc đáo của nó quyết định triển vọng ứng dụng rộng rãi của nó.
Mặc dù graphene chỉ mới xuất hiện chưa đầy mười năm, nhưng nó đã thể hiện nhiều ứng dụng kỹ thuật, điều rất hiếm thấy trong lĩnh vực vật lý và khoa học vật liệu. Thông thường, phải mất hơn mười năm, thậm chí hàng thập kỷ, để các vật liệu khác chuyển từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế. Vậy graphene có những ứng dụng gì? Hãy cùng xem xét hai ví dụ.
Điện cực mềm trong suốt
Trong nhiều thiết bị điện, vật liệu dẫn điện trong suốt cần được sử dụng làm điện cực. Đồng hồ điện tử, máy tính, tivi, màn hình tinh thể lỏng, màn hình cảm ứng, tấm pin mặt trời và nhiều thiết bị khác không thể thiếu điện cực trong suốt. Điện cực trong suốt truyền thống sử dụng oxit thiếc indium (ITO). Do giá thành cao và nguồn cung hạn chế của indium, vật liệu này giòn và thiếu tính linh hoạt, điện cực cần được lắng đọng trong lớp giữa chân không, và chi phí tương đối cao. Từ lâu, các nhà khoa học đã cố gắng tìm kiếm chất thay thế. Ngoài các yêu cầu về độ trong suốt, khả năng dẫn điện tốt và dễ chế tạo, nếu bản thân vật liệu có tính linh hoạt tốt, nó sẽ phù hợp để chế tạo "giấy điện tử" hoặc các thiết bị hiển thị có thể gập lại khác. Do đó, tính linh hoạt cũng là một khía cạnh rất quan trọng. Graphene là một vật liệu như vậy, rất phù hợp cho điện cực trong suốt.
Các nhà nghiên cứu từ Samsung và Đại học Chengjunguan ở Hàn Quốc đã thu được graphene có chiều dài đường chéo 30 inch bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học và chuyển nó sang màng polyetylen terephthalate (PET) dày 188 micron để tạo ra màn hình cảm ứng dựa trên graphene [4]. Như hình dưới đây, graphene được trồng trên lá đồng trước tiên được liên kết với băng dính bóc nhiệt (phần trong suốt màu xanh), sau đó lá đồng được hòa tan bằng phương pháp hóa học, và cuối cùng graphene được chuyển sang màng PET bằng cách gia nhiệt.
Thiết bị cảm ứng quang điện mới
Graphene có các đặc tính quang học rất độc đáo. Mặc dù chỉ có một lớp nguyên tử, nó có thể hấp thụ 2,3% ánh sáng phát ra trong toàn bộ dải bước sóng từ ánh sáng nhìn thấy đến tia hồng ngoại. Con số này không liên quan đến các thông số vật liệu khác của graphene và được xác định bởi điện động lực học lượng tử [6]. Ánh sáng được hấp thụ sẽ dẫn đến sự tạo ra các hạt tải điện (electron và lỗ trống). Sự tạo ra và vận chuyển các hạt tải điện trong graphene rất khác so với trong các chất bán dẫn truyền thống. Điều này làm cho graphene rất phù hợp cho thiết bị cảm ứng quang điện siêu nhanh. Người ta ước tính rằng thiết bị cảm ứng quang điện như vậy có thể hoạt động ở tần số 500GHz. Nếu được sử dụng để truyền tín hiệu, nó có thể truyền 500 tỷ số 0 hoặc 1 mỗi giây và hoàn thành việc truyền nội dung của hai đĩa Blu-ray trong một giây.
Các chuyên gia từ Trung tâm Nghiên cứu IBM Thomas J. Watson tại Hoa Kỳ đã sử dụng graphene để chế tạo các thiết bị cảm ứng quang điện có thể hoạt động ở tần số 10GHz [8]. Đầu tiên, các mảnh graphene được chuẩn bị trên chất nền silicon được phủ silica dày 300 nm bằng “phương pháp xé băng keo”, sau đó các điện cực vàng palladium hoặc vàng titan với khoảng cách 1 micron và chiều rộng 250 nm được tạo ra trên đó. Bằng cách này, một thiết bị cảm ứng quang điện dựa trên graphene đã được tạo ra.
Sơ đồ cấu tạo thiết bị cảm ứng quang điện graphene và ảnh chụp hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu thực tế. Đường kẻ ngắn màu đen trong hình tương ứng với 5 micromet, và khoảng cách giữa các đường kim loại là một micromet.
Thông qua các thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng thiết bị cảm ứng quang điện cấu trúc kim loại graphene này có thể đạt tần số hoạt động tối đa 16GHz và hoạt động với tốc độ cao trong dải bước sóng từ 300 nm (gần tia cực tím) đến 6 micromet (tia hồng ngoại), trong khi ống cảm ứng quang điện truyền thống không thể phản ứng với ánh sáng hồng ngoại có bước sóng dài hơn. Tần số hoạt động của thiết bị cảm ứng quang điện graphene vẫn còn nhiều tiềm năng để cải thiện. Hiệu suất vượt trội của nó mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi, bao gồm truyền thông, điều khiển từ xa và giám sát môi trường.
Là một vật liệu mới với những đặc tính độc đáo, các nghiên cứu về ứng dụng của graphene đang liên tục xuất hiện. Thật khó để liệt kê hết chúng ở đây. Trong tương lai, có thể sẽ có các ống hiệu ứng trường làm từ graphene, các công tắc phân tử làm từ graphene và các bộ dò phân tử làm từ graphene trong cuộc sống hàng ngày… Graphene dần dần được ứng dụng rộng rãi từ phòng thí nghiệm và sẽ tỏa sáng trong cuộc sống thường nhật.
Chúng ta có thể kỳ vọng rằng một lượng lớn các sản phẩm điện tử sử dụng graphene sẽ xuất hiện trong tương lai gần. Hãy tưởng tượng xem sẽ thú vị như thế nào nếu điện thoại thông minh và máy tính xách tay của chúng ta có thể cuộn lại, kẹp vào tai, nhét vào túi quần hoặc quấn quanh cổ tay khi không sử dụng!
Thời gian đăng bài: 09/03/2022