Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của sự chiếu xạ quang học lên tính chất nhạy hơi của vật liệu cấu trúc nano pt zno

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ THÚY HẰNG BIẾN TÍNH BỀ MẶT GRAPHITE VÀ GRAPHENE BẰNG MÀNG ĐƠN LỚP VÀ ĐA LỚP CỦA PHÂN TỬ DIAZONIUM ••• LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định - năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ THÚY HẰNG BIẾN TÍNH BỀ MẶT GRAPHITE VÀ GRAPHENE BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BẰNG MÀNG ĐƠN LỚP VÀ ĐA LỚP CỦA PHÂN TỬ DIAZONIUM Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS. PHAN THANH HẢI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Biến tính bề mặt graphite và graphene bằng màng đơn lớp và đa lớp của phân tử diazonium” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nào. LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi hoàn thành tốt luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và tạo điều kiện của các Thầy, Cô khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Quy Nhơn. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn K21 đã luôn động viên, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì còn hạn chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC •• LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 4 1.1. GIỚI THIỆU VỀ GRAPHITE .............................................................. 4 1.2. GIỚI THIỆU VỀ GRAPHENE.............................................................. 5 1.2.1. Khái niệm graphene ........................................................................ 5 1.2.2. Tính chất của graphene ................................................................... 5 1.2.3. Phân loại graphene .......................................................................... 6 1.3. PHÂN TỬ DIAZONIUM ..................................................................... 8 1.4. SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC PHÂN TỬ HỮU CƠ TRÊN BỀ MẶT VẬT RẮN 9 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM...................................................................11 2.1. HÓA CHẤT .......................................................................................... 11 2.2. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ .................................................................... 1 1 2.3. QUY TRÌNH CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-NBD/HOPG, HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-ABD/HOPG, HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,4,5-TMD BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA .................................................. 12 2.3.1. Chuẩn bị dung dịch làm việc .......................................................... 12 2.3.2. Chuẩn bị tế bào điện hóa và điện cực làm việc .............................. 12 2.3.3. Quy trình tạo mẫu bằng phương pháp cấy ghép điện hóa .............. 13 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU .............................. 14 2.4.1. Phương pháp thế quét vòng tuần hoàn (CV) .................................. 14 2.4.1.1. Giới thiệu .................................................................................. 14 2.4.1.2. Nguyên lí hoạt động.................................................................. 15 2.4.2. Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM) .................. 16 2.4.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 16 2.4.2.2. Nguyên lí hoạt động của STM.................................................. 17 2.4.3. Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM).................................... 19 2.4.3.1.......................................................................................................Giới thiệu . ............................................................................................................. 19 2.4.3.2. Nguyên lý hoạt động................................................................. 19 2.4.4. Phương pháp đo Raman .................................................................. 20 2.4.5. Phương pháp thế quét tuyến tính (LSV) ......................................... 22 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 24 3.1. HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-NBD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA ............................................................................... 24 3.1.1. Cấy ghép điện hóa phân tử 4-NBD trên bề mặt HOPG................... 24 3.1.2. Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu..................................... 25 3.1.3. Phổ Raman ...................................................................................... 27 3.1.4. Hình thái học của bề mặt hệ vật liệu............................................... 28 3.1.5. Nghiên cứu tính bền vững của hệ vật liệu 4-NBD/HOPG trong môi trường điện hóa .............................................................................................. 31 3.1.6. Hệ vật liệu màng 4-NBD/Graphene................................................ 32 3.2. HỆ VẬT LIỆU MÀNG 4-ABD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA ............................................................................... 34 3.2.1. Cấy ghép điện hóa phân tử 4-ABD trên bề mặt HOPG................... 34 3.2.2. Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu..................................... 36 3.2.3. Phổ Raman ...................................................................................... 37 3.2.4. Hình thái học của bề mặt hệ vật liệu............................................... 37 3.2.5. Nghiên cứu tính bền vững của hệ vật liệu 4-ABD/HOPG trong môi trường điện hóa .............................................................................................. 39 3.3. HỆ VẬT LIỆU MÀNG 3,4,5-TMD/HOPG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA ................................................................... 40 3.3.1. Cấy ghép điện hóa phân tử 3,4,5-TMD trên bề mặt HOPG ........... 41 3.3.2. Khảo sát tính chất điện hóa của hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG ..... 42 3.3.3. So sánh khả năng dẫn điện của bề mặt HOPG và bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG ở các nồng độ khác nhau ............................................. 43 3.3.4. Nghiên cứu tính bền vững của hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG trong môi trường điện hóa ................................................................................... 43 3.3.5. Kết quả đo Raman........................................................................... 45 3.3.6. Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG ............... 46 3.4. HỆ VẬT LIỆU HOPG-Cu CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT XÚC TÁC CỦA CHÚNG 47 3.4.1. Tính chất điện hóa của hệ vật liệu HOPG-Cu .................................. 48 3.4.2. Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu HOPG-Cu10.........................49 3.4.3. Đặc tính xúc tác của các hệ vật liệu HOPG-Cu...............................50 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................54 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU TÊN TIẾNG ANH TÊN TIẾNG VIỆT 4-ABD 4-aminobenzoic diazonium 4-NBD 4-nitrobenzene diazonium 3,4,5-TMD 3,4,5-trimethoxyl diazonium AFM Atomic force microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử CE Counter Electrode Điện cực đối CV Cyclic voltammetry Thế quét vòng tuần hoàn Graphite nhiệt phân có tính HOPG Highly oriented pyrolytic graphite KPFM Kelvin Probe microscopy LSV Linear sweep voltammetry RE Reference electrode định hướng cao Kính hiển vi đầu dò Kelvin Phương pháp thế quét tuyến tính Điện cực so sánh Kính hiển vi quét xuyên hầm STM Scanning tunneling microscopy WE Working electrode lượng tử Điện cực làm việc DANH MỤC CÁC SƠ ĐÒ, HÌNH VÊ Số hiệu Tên sơ đồ, hình vẽ hình vẽ, đồ Trang thị 1.1 1.2 Ô mạng than chì và cấu trúc graphite 4 Cấu trúc vùng năng lượng của graphene 7 Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép graphene có 1.3 1.4 1.5 cấu trúc (a) đối xứng và (b) không đối xứng Cấu trúc phân tử diazonium Cấu trúc phân tử 3,4,5-TMD, phân tử 4-NBD và phân tử 4-ABD 7 8 9 2.1 Điện cực HOPG 12 2.2 Hệ tế bào điện hóa của phép đo CV 13 2.3 Thiết bị đo CV tại trường đại học Quy Nhơn 13 Nguyên tắc hoạt động của hệ 3 điện cực, CE: điện cực 2.4 phụ trợ, WE: điện cực làm việc, RE: điện cực so sánh 15 Đường cong biểu diễn mối quan hệ i-E có các peak 2.5 đặc trưng, ip,a ứng với Ep,a và ip,c ứng với Ep,c. 16 Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quét xuyên hầm (STM): Ub: điện thế bias; It: dòng điện xuyên 2.6 hầm; Ux và Uy: điện thế theo trục ngang - song song với bề mặt mẫu; Uz: điện thế theo trục dọc - vuông gốc 17 với bề mặt mẫu Chế độ làm việc của STM; a) Dòng điện không đổi; b) 2.7 2.8 Chiều cao không đổi Sơ đồ giải thích nguyên lý làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử 18 20 2.9 Thiết bị đo phổ tán xạ Raman Labram HR800 21 2.10 Sơ đồ nguyên lý hệ đo Raman 22 Thế quét vòng tuần hoàn của hệ vật liệu HOPG trong 3.1 dung dịch 10 mM KCl + 5 mM H2SO4 chứa các phân 24 tử 4-NBD; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s So sánh khả năng trao đổi electron của hệ vật liệu HOPG và 4-NBD/HOPG sử dụng dung dịch thử 1mM 3.2 K4Fe(CN)6 + 0.2 M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 25 50mV/s Hai thế quét vòng tuần hoàn liên tiếp của hệ vật liệu 4NBD/HOPG được đo trong dung dịch 5mM H2SO4 3.3 cho thấy quá trình oxi hóa khử của nhóm chức NO2 26 thành các nhóm NH2 và NHOH tương ứng; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s Phổ Raman của hệ vật liệu HOPG, 4-NBD/HOPG cho 3.4 thấy sự hình thành đỉnh D gây ra bởi các sai hỏng 27 mạng 3.5 3.6 Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu 4-NBD/HOPG ứng với nồng độ 0.1 mM Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu HOPG sau khi 29 30 được cấy ghép điện hóa bởi (a) phân tử 4-NBD và (b) độ mấp mô bề mặt của hệ vật liệu 4-NBD /HOPG; (cd) Độ dày của màng phân tử 4-NBD cấy ghép điện hóa trên bề mặt HOPG đo bằng phương pháp AFM cho thấy chiều dày trung bình khoảng 3 nm; e) Mô hình mô tả quy trình khử phân tử 4-NBD trong dung dịch và sự hình thành màng đa lớp trên bề mặt HOPG sau khi cấy ghép điện hóa 3.7 Hình thái học của bề mặt vật liệu đo bằng phương 31 pháp STM 3.8 Khảo sát phản ứng bay hơi hydro và bay hơi oxy của hệ vật liệu HOPG và 4-NBD/HOPG 32 Hình ảnh AFM mô tả hình thái học bề mặt của hệ vật liệu 4-NBD0.1/G-Cu (a,b) và kết quả đo lineprofile 3.9 cho thấy bề dày của hệ vật liệu cấy ghép vào khoảng 33 3.5 nm (c). Phổ Raman của hệ vật liệu 4-NBD/G-Cu cho thấy đỉnh D xuất hiện tại số sóng 1332 cm -1, nghĩa là trên 3.10 bề mặt hệ vật liệu đã xuất hiện liên kết cộng hóa trị C- 34 C. Thế quét vòng tuần hoàn của hệ vật liệu HOPG trong 3.11 dung dịch 10 mM KCl + 5 mM H2SO4 chứa các phân 35 tử 4-ABD; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s So sánh khả năng trao đổi electron của hệ vật liệu 3.12 HOPG và 4-ABD/HOPG sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0.2 M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 36 50mV/s Phổ Raman của hệ vật liệu 4-ABD/HOPG cho thấy sự 3.13 hình thành đỉnh D gây ra bởi các sai hỏng mạng 37 Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu HOPG sau khi 3.14 được cấy ghép điện hóa bởi (a, b) phân tử 4-ABD và 38 (c) độ mấp mô bề mặt của hệ vật liệu 4-ABD/HOPG 3.15 Hình thái học của bề mặt vật liệu 4-ABD/HOPG đo bằng phương pháp STM 39 Khảo sát phản ứng bay hơi oxy của hệ vật liệu HOPG 3.16 và 4-ABD/HOPG 40 Thế quét vòng tuần hoàn của hệ vật liệu HOPG trong 3.17 dung dịch 10 mM KCl + 5 mM H2SO4 chứa phân tử 41 3,4,5-TMD; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s So sánh khả năng trao đổi electron của hệ vật liệu HOPG và 3,4,5-TMD/HOPG sử dụng dung dịch thử 3.18 1mM K4Fe(CN)6 + 0.2 M Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 42 50mV/s So sánh khả năng trao đổi electron của hệ vật liệu 3.19 HOPG và 3,4,5-TMD/HOPG ở các nồng độ khác nhau sử dụng dung dịch thử 1mM K4Fe(CN)6 + 0.2 M 43 Na2SO4; tốc độ quét dE/dt = 50mV/s Đường cong CV so sánh khả năng bay hơi hydro và 3.20 oxy trên bề mặt hệ vật liệu HOPG và 3,4,5TMD/HOPG 44 3.21 Phổ Raman của hệ vật liệu HOPG và 3,4,5TMD/HOPG 45 3.22 Kết quả đo AFM bề mặt 3,4,5-TMD/HOPG 46 3.23 Kết quả đo STM bề mặt hệ vật liệu 3,4,5-TMD/HOPG 47 CV mô tả tính chất điện hóa của điện cực đồng (Cu 3.24 foil) trong dung dịch 0.1M KOH 48 CV của HOPG (màu đen) và hai hệ vật liệu HOPG-Cu vừa mới chế tạo với thời gian lắng đọng là 10 giây 3.25 (màu đỏ) và 240 giây (màu xanh) trong dung dịch 49 0.1 M KOH (a,b,c) Hình ảnh AFM của hệ vật liệu HOPG-Cu10; 3.26 (d) Lineprofile của CuNP được đo dọc theo đường 49 thẳng màu vàng ở Hình 3.23b LSV của các hệ vật liệu CuNP lắng đọng ở các thời 3.27 gian khác nhau 50 LSV mô tả hoạt tính xúc tác cho quá trình oxy bay hơi 3.28 của các hệ vật liệu CuNP lắng đọng ở các thời gian khác nhau 51 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Graphene là vật liệu hai chiều của carbon lai hóa sp2, đã và đang nhận được sự quan tâm đặc biệt vì graphene sở hữu tính chất nhiệt, điện, quang và cơ vượt trội so với các vật liệu tiên tiến khác [1], [2]. Tuy nhiên, graphene không có vùng cấm năng lượng, dẫn đến làm hạn chế khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao [3]. Biến tính bề mặt ở kích thước nano được cho là có thể mở rộng vùng cấm năng lượng (band gap opening) và/hoặc thay đổi mật độ electron của graphene (doping). Đến thời điểm hiện tại, đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực biến tính graphen và graphite nhằm ứng dụng trong thiết bị vi điện tử, cảm biến và chuyển đổi năng lượng,...[4], [5], [6], [7]. Một cách tổng quát, có hai cách tiếp cận được đề xuất: biến tính vật lý (non-covalent functionalization by physisorption) và biến tính hóa học (covalent functionalization by chemisorption). Biến tính thông qua hấp phụ vật lý: Đây là phương pháp biến tính dựa trên quá trình hấp phụ vật lý của các phân tử hữu cơ gắn các nhóm chức khác nhau, và do đó chỉ có thể làm thay đổi độ dẫn mà không làm thay đổi cấu trúc của graphene/graphite. Các phân tử hấp phụ có thể cho hoặc nhận điện tử (doping) và/hoặc có thể mở rộng vùng cấm năng lượng của graphene (band gap openning). Kết quả đầu tiên của hướng nghiên cứu này do Laufer và đồng nghiệp công bố vào năm 2008 [8]. Trong công trình này, phương pháp hiển vi quét xuyên hầm nhiệt độ thấp (LT-STM) được sử dụng để khảo sát quá trình tự sắp xếp của phân tử PTCDA (perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride) trên CVD graphene-SiC. Sau đó, đã có thêm một số nghiên cứu về cấu trúc bề mặt ở cấp độ phân tử bằng phương pháp hiển vi quét xuyên hầm (STM); và tính chất điện, quang, điện hoa,... bằng phương pháp phổ Raman, phổ huỳnh 2 quang, KPFM của màng đơn lớp tự sắp xếp bởi phân tử hữu cơ trên graphene trong chân không và dung dịch [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]. Tuy nhiên, chưa có công trình nào được công bố về quá trình tự sắp xếp của các phân tử hữu cơ trên graphene trong hệ điện hóa. Biến tính thông qua hấp phụ hóa học: Đây là phương pháp tạo ra các sai hỏng (carbon lai hóa sp3) trong mạng carbon lai hóa sp2 của graphene/graphite thông qua các liên kết cộng hóa trị giữa chất hấp phụ và graphene/graphite, chẳng hạn như quá trình hydro hóa, oxy hóa, florua hóa,... [17], [18]. Đặc biệt, các phân tử diazonium thường được sử dụng để biến tính bề mặt graphene/graphite [19], [20], [21], [22], [23]. Tuy nhiên, vì các gốc alryl tự do hoạt động rất mạnh nên chúng thường cấy ghép ngẫu nhiên trên bề mặt graphene và hình thành các màng đa lớp, do đó làm giảm mật độ phân tử hữu cơ liên kết trực tiếp với graphene, tức là làm giảm hiệu quả biến tính. Gần đây, màng đơn lớp 3,5-terbutyl diazonium (3,5-TBD) trên graphene/graphite đã được nghiên cứu chế tạo thành công bằng phương pháp cấy ghép điện hóa [24]. Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào mang tính hệ thống so sánh ảnh hưởng của bề dày màng diazonium lên tính chất bề mặt của graphene/graphite ở kích thước phân tử. Từ những nhận định khoa học trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Biến tính bề mặt graphite và graphene bằng màng đơn lớp và đa lớp của phân tử diazonium”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tính chất và cấu trúc bề mặt của đơn lớp và đa lớp phân tử diazonium trên nền graphite và graphene. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu 3 Hệ đơn lớp và đa lớp của phân tử diazonium trên nền graphite và graphene. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu Các hệ vật liệu được chế tạo bằng phương pháp cấy ghép điện hóa. Điểm mấu chốt của phương pháp này là điện cực làm việc (graphite và graphene) được áp một điện thế phù hợp, giúp phân tử diazonium có thể hấp phụ hóa học trên bề mặt của chúng. 4.2. Phương pháp đặc trưng vật liệu Tính chất điện hóa của các hệ vật liệu được khảo sát bằng phương pháp thế quét vòng tuần hoàn (CV). Tính chất điện tử được khảo sát bằng phổ Raman. Hình thái học và cấu trúc bề mặt các hệ vật liệu được khảo sát bằng phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) và hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM). 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của đề tài nghiên cứu gồm ba chương: Chương 1. Tổng quan Chương 2. Thực nghiệm Chương 3. Kết quả và thảo luận CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ GRAPHITE Than chì hay graphite (được đặt tên bởi Abraham Gottlob Werner năm 1789) là một dạng thù hình của carbon. Than chì có kiến trúc lớp, trong đó mỗi nguyên tử carbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử carbon bao quanh cùng năm trong một lớp tạo thành vòng 6 cạnh; những vòng này liên kết với nhau thành một lớp vô tận. Các lớp này liên kết với nhau bằng liên kết Van der Waals do đó các lớp than chì rất dễ trượt đối với nhau [15], [16]. Đó chính là nguyên nhân của đặc điểm dễ tách lớp, có tính bôi trơn khô mà ta thấy ở lõi bút chì, chổi than. Hình 1.1. Ô mạng than chì và cấu trúc graphite Tùy theo cách sắp xếp của các lớp đối với nhau, than chì có hai dạng tinh thể: Lục phương và mặt thoi. Trong tinh thể than chì lục phương, mỗi nguyên tử carbon của lớp trên không nằm đúng ở trên nguyên tử carbon của lớp dưới mà nằm đúng ở trên nguyên tử carbon lớp dưới nữa, nghĩa là lớp thứ nhất trùng với lớp thứ 3, thứ 5... Và lớp thứ 2 trùng với lớp thứ 4, lớp thứ 6,... Trong tinh thể than chì mặt thoi nguyên tử carbon của lớp thứ nhất nằm đúng trên nguyên tử carbon của lớp thứ 4, lớp thứ 7,... Kích thước của một đơn vị tinh thể là a = b = 245,6 pm, c = 669,4 pm. Độ dài liên kết carbon-carbon là 141,8 pm, và khoảng cách giữa các lớp là c = 334,7 pm. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ GRAPHENE 1.2.1. Khái niệm graphene Graphene có nguồn gốc từ graphite (than chì), nó được tách ra từ graphite. Graphene là một mạng tinh thể dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ các nguyên tử carbon 6 cạnh. 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 200000 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. Về cơ bản graphene có cấu trúc 2D. 1.2.2. Tính ch ấ t c ủa graphene * Tính chất nhiệt và điện Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene được đo ở nhiệt độ phòng ~5000W/mK cao hơn các dạng cấu trúc khác của carbon là ống nano carbon, than chì và kim cương. Graphene dẫn nhiệt theo các hướng là như nhau. Khi mà các thiết bị điện tử ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện càng quan trọng. 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. Với khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng tương lai. * Tính chất cơ Để đo được độ bền của vật liệu graphene các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật đó là kính hiển vi lực nguyên tử. Một đầu dò có đường kính 2nm bằng kim cương làm lõm một tấm graphene đơn lớp. Kết quả đo và tính toán cho thấy graphene là vật liệu rất cứng (cứng hơn kim cương và cứng hơn 300 lần so với thép). Trong khi đó tỉ trọng của graphene tương đối nhỏ 0,77mg/m2. * Tính chấ t quang Graphene hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng, độc lập với bước sóng trong vùng quang học. Như vậy, miếng graphene lơ lửng không có màu sắc. * Tính chấ t hóa học Tương tự như bề mặt graphite, graphene có thể hấp thụ và giải hấp thụ các nguyên tử và phân tử khác nhau (ví dụ NO2, NH3). Các chất hấp thụ liên kết yếu thể hiện vai trò như donor và acceptor và làm thay đổi nồng độ các hạt tải vì thế graphene có tính dẫn điện cao. Điều này có thể được khai thác cho các ứng dụng làm cảm biến hóa chất [6]. 1.2.3. Phân loại graphene * Graphene đơn lớp Graphene đơn lớp là một dạng tinh thể hai chiều của carbon, có độ lưu động của electron cao và có các tính chất hóa lý nổi bật 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 vùng cấm năng lượng, làm hạn chế việc sử dụng graphene trong lĩnh vực điện tử. Vì không có vùng cấm năng lượng nên màng đơn lớp graphene không được xem là chất bán dẫn. Biến tính bề mặt được cho là có thể mở rộng vùng cấm năng lượng và thay đổi mật độ electron của graphene. Hình 1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của graphene * Graphene lớp 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 vùng cấm năng lượng. Hình 1.3. Cấu trúc vùng năng lượng của lớp kép graphene có cấu trúc (a) đối xứng và (b) không đối xứng 1.3. PHÂN TỬ DIAZONIUM Các muối diazonium là các hợp chất hữu cơ trong đó có các tương tác ion giữa nhóm azo (-N2+) và anion X- (Cl-, F-, CH3COO-,...). Công thức hóa học