LỜI CAM ĐOAN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC
Tôi xin cam đoanTRƯỜNG
đây là công
trình CÔNG
nghiênNGHỆ
cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn được trích dẫn lại từ các bài báo đã và sắp
được xuất bản của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2013
NGUYỄN VĂN TÚ
Tác giả
Nguyễn Văn Tú
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP VẬT LIỆU GRAPHENE
ĐA LỚP VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINK KIỆN NANO
HÀ NỘI – 2013
LỜI CẢM ƠN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
Với lòng biết ơnTRƯỜNG
sâu sắc, ĐẠI
tôi xin
lời cảm
ơn chân thành tới TS.
HỌCgửi
CÔNG
NGHỆ
Nguyễn Văn Chúc, người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn tôi
hoàn thiện luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Phan Ngọc Minh, PGS.TS. Trần
Đại Lâm, TS. Ngô Thị Thanh Tâm, Ths. NCS. Nguyễn Hải Bình những người
đã quan tâm hướng dẫn, chỉ bảo những kiến thức quan trọng trong quá trình
nghiên cứu, thực hiện đề tài.
NGUYỄN VĂN TÚ
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các cán bộ của Phòng Vật
liệu các bon nanô và phòng Vật liệu nanô y sinh, Viện Khoa học vật liệu đã
tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị và giúp đỡ tôi nhiệt tình trong quá
trình thực hiện luận văn.
Luận văn này được hỗ trợ từ nguồn kinh phí của đề tài nghiên cứu cơ
bản Nafosted “Nghiên cứu tổng hợp, tính chất của vật liệu graphen đa lớp
định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học điện hóa”, mã số: 103.992012.15
do TS.CỨU
Nguyễn
Văn NGHỆ
Chúc chủ
trì. Tôi
xin VẬT
chân thành
ơn sự giúp
NGHIÊN
CÔNG
TỔNG
HỢP
LIỆUcảm
GRAPHENE
đỡ to lớn này.
ĐA LỚP VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo Trường Đại
học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã chỉ bảo và giảng dạy tôi trong
những năm học qua cũng như hoàn thiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ tình cảm tới những người thân trong gia đình,
bạn bè đã động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tôi về mọi mặt.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
Học viên: Nguyễn Văn Tú
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINK KIỆN NANO
HÀ NỘI – 2013
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE ............................. 3
1.1. Sự phát hiện và cấu trúc của vật liệu graphene ......................................... 3
1.1.1. Sự phát hiện vật liệu graphene ........................................................... 3
1.1.2. Cấu trúc của vật liệu graphene ........................................................... 4
1.2. Một số tính chất của vật liệu graphene ..................................................... 5
1.2.1. Tính chất điện – điện tử ..................................................................... 5
1.2.2. Tính chất nhiệt .................................................................................. 7
1.2.3. Tính chất cơ ...................................................................................... 8
1.2.4. Tính chất quang ................................................................................. 8
1.2.5. Tính chất hóa học.............................................................................. 8
1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphene......................................... 8
1.3.1. Phương pháp cơ học: (Mechanical exfoliation) .................................. 9
1.3.2. Phương pháp Epitaxial trên đế SiC .................................................... 9
1.3.3. Phương pháp tách hóa học: (Chemical exfoliation) .......................... 10
1.3.4. Phương pháp tách mở ống nano cácbon: (Unzipping carbon
nanotubes) ................................................................................................. 11
1.3.5. Phương pháp phân tách pha lỏng: (Liquid phase exfoliation) ........... 12
1.3.6. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học: (Chemical Vapor
Deposition CVD) ....................................................................................... 13
1.4. Một số ứng dụng của vật liệu graphene .................................................. 16
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU ........ 21
2.1. Lựa chọn phương pháp, thiết bị chế tạo vật liệu graphene ...................... 21
2.2. Lựa chọn vật liệu đế xúc tác ................................................................... 23
2.3. Qui trình chế tạo graphene ..................................................................... 23
2.3.1. Chuẩn bị mẫu ................................................................................... 23
2.3.2. Qui trình CVD ................................................................................. 24
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mọc graphene trên tape Cu ............ 25
2.5. Qui trình chuyển màng graphene sang các đế khác ................................ 26
2.6. Phương pháp phân tích ........................................................................... 27
2.6.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................... 27
2.6.2. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)................................................... 28
2.6.3. Phổ tán xạ Raman ............................................................................ 29
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 30
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ CVD tới quá trình tổng hợp màng graphene .... 30
3.2. Ảnh hưởng của thời gian CVD nhiệt ...................................................... 32
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ khí CH4............................................................ 34
4.1. Cảm biến sinh học .................................................................................. 36
4.1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học ....................................................... 36
4.1.2. Cấu tạo của cảm biến sinh học ......................................................... 36
4.1.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học .................................... 38
4.1.4. Cảm biến theo nguyên lý điện hóa ................................................... 38
4.1.5. Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học [1] ...................................... 39
4.2. Chế tạo cảm sinh học điện hóa sử dụng vật liệu tổ hợp
Pt/PANi/Fe3O4/Gr/Anti- ATZ. ...................................................................... 40
4.3. Kết quả thực nghiệm xác định nồng độ atrazin trong dung dịch ............. 43
KẾT LUẬN ......................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
SEM
AFM
CVD
SWV
RE
WE
CE
CV
PANi
PMMA
Gr
ATZ
Kính hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi lực nguyên tử
Lắng đọng pha hơi hóa học
Kỹ thuật đo sóng vuông
Điện cực so sánh
Điện cực làm việc
Điện cực phụ trợ
Phân cực vòng
Polyanilin
Polymethyl metacrylate
Graphene
Atrazine
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Độ dẫn điện của một số vật liệu
Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Chương 1
Hình 1.1. Cấu trúc của graphit
Hình 1.2. Cấu trúc của kim cương
Hình 1.3. Cấu trúc của fulơren C60
Hình 1. 4. Ảnh HRTEM của MWCNT được Iijima quan sát năm 1991: (a) 5
tường, (b) 2 tường, (c) 7 tường
Hình 1.5. Các liên kết của mỗi nguyên tử các bon trong mạng graphene
Hình 1.6. Kỹ thuật đo đặc tính cơ
Hình 1.7. Phương pháp bóc tách cơ học( Mechanical exfoliation) và kết quả
màng graphene thu được
Hình 1.8. Sự hình thành graphene trên đế SiC
Hình 1.9. Sơ đồ mô tả quá trình tách hóa học graphite thành các lớp
graphene
Hình 1.10. Mô hình mô tả quá trình mở ống nano cácbon
Hình 1.11. Quá trình phân tán graphite thành những tấm mỏng graphene
thực hiện trong dung môi N-methyllpyrrolidone(NMP)
Hình 1.12. Mô hình mô tả quá trình lắng đọng pha hơi hóa học
Hình 1.13. Hình ảnh mô tả sự hình thành lớp màng graphene trên bề mặt kim
loại với tốc độ hạ nhiệt độ CVD khác nhau
Hình 1.14. Hình ảnh mô tả sự hình thành lớp màng graphene trên bề mặt đế
Ni với nguồn khí cácbon là khí CH4
Hình 1.15. Giản đồ pha hệ hai cấu tử (a) Ni-C, (b) Cu-C
Hình 1.16. Cấu trúc của graphene FET
Hình 1.17. Cấu tạo của OLED sử dụng graphene làm lớp điện cực trong suốt
Hình 1.18. Minh họa của thiết bị tinh thể lỏng với các lớp cơ bản. 1) Thủy
tinh; 2) Graphene; 3) Cr/Au; 4) Lớp hiệu chỉnh (polyvinyl alcohol); 5) lớp
tinh thể lỏng; 6) Lớp hiệu chỉnh; 7) ITO; 8) Thủy tinh
Hình 1.19. Phân tử nitrogen dioxide bám trên bề mặt của màng graphene
Chương 2
Hình 2.1. a) Hệ lò CVD nhiệt, b) sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò nhiệt CVD
Hình 2.2. Lò nhiệt UP 150 và hình vẽ bộ phận cài đặt
Hình 2.3. a) Thiết bị điều khiển lưu tốc khí GMC 1200 và flowmeter MFC
SEC – E40; b) màn hình hiển thị số và các nút điều khiển của GMC 1200
Hình 2.4. Qui trình xử lý đế xúc tác
Hình 2.5. Sơ đồ quá trình CVD nhiệt
Hình 2.6. Qui trình chuyển màng
Hình 2.7. (a) sơ đồ nguyên lý và (b) ảnh chụp của kính hiển vi điện tử quét
Hình 2.8. Sơ đồ cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử
Chương 3
Hình 3.1. Ảnh SEM của màng graphene trên đế Cu ở các nhiệt độ CVD (a)
8500C, (b) 9000C, (c) 9500C, (d) 10000C
Hình 3.2. Ảnh phổ Raman được tổng hợp ở 9500C và 10000C
Hình 3.3. Ảnh SEM của màng graphene trên đế Cu ở 10000C với thời gian
CVD là 1phút (a ), 15 phút (b), 30 phút(c) và 45 phút (d)với nguồn khí CH4
Hình 3.4. Phổ Raman của màng graphene trên đế Cu với thời gian CVD khác
nhau
Hình 3.5. Ảnh AFM của mẫu màng graphene
Hình 3.6. Ảnh SEM của màng graphene được tổng hợp ở lưu lượng khí CH4
khác nhau (a)30sccm, (b)20 sccm, (c)10sccm, (d) 5sccm
Hình 3.7. Phổ Raman của màng graphene được tổng hợp với nồng độ khí
CH4 khác nhau: 20sccm, 10sccm, 5sccm
Chương 4
Hình 4.1. Sơ đồ cấu tạo chung của một cảm biến sinh học
Hình 4.2. Sơ đồ một hệ cảm biến điện hóa
Hình 4.3. Sơ đồ tổng quát sự tạo thành polyanilin bằng phương pháp điện
hóa
Hình 4.4. Cấu trúc hóa học phân tử atrazine
Hình 4.5. Phổ trùng hợp điện hóa theo phương pháp CV màng PANi/Fe3O4
có phủ và không phủ màng graphene
Hình 4.6. Phổ CV của màng compozít trước và sau khi gắn Anti-ATZ
Hình 4.7. Xác định hàm lượng atrazine bằng phương pháp SWV sử dụng với
vi điện cực a) Pt/PANi/Fe3O4 và b) Pt/PANi/Fe3O4/Gr
Hình 4.8. Phương trình đường chuẩn của cảm biến
1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Năm 2004 với việc tách thành công những tấm graphene đầu tiên từ bột
graphite, đến năm 2010 giải thưởng Nobel về vật lý đã được trao cho hai nhà
khoa học Konstantin S. Novoselov và Andre K. Geim thuộc trường đại học
Manchester nước Anh đã tách được những đơn lớp graphene đầu tiên và mô tả
đặc trưng của chúng [26]. Sự kiện này đánh dấu mộc mốc quan trọng trong sự
phát triển của khoa học về vật liệu. Đây là một vật liệu mới, có những tính
chất cơ học và vật lý đặc biệt như tính dẫn điện = 10-6 cm (với điện trở suất
nhỏ hơn của Cu đến 35%), dẫn nhiệt = 5300 Wm-1K-1 (gấp 10 lần Cu), độ bền
cao = 42N/m (gấp 100 lần thép), mềm dẻo, tỉ trọng nhẹ = 0,77 mg/m2, gần như
trong suốt (hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng truyền qua)…Dạng vật liệu này đã và
đang thu hút được sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm
nghiên cứu trên thế giới thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm tận dụng triệt
để các ưu việt của dạng vật liệu này.
Tuy nhiên để có thể thực hiện được các ứng dụng, việc tìm kiếm các
điều kiện công nghệ để tổng hợp vật liệu graphene với diện tích lớn và chất
lượng tốt là hết sức cần thiết. Ngoài phương pháp bóc tách cơ học từ graphite
của Geim, còn có một số phương pháp khác để tổng hợp vật liệu graphene như
phương pháp epitaxy, phương pháp bóc tách hóa học, phương pháp khử
graphene oxide, và phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) sử dụng
vật liệu xúc tác kim loại chuyển tiếp. Trong số các phương pháp trên, phương
pháp CVD nhiệt rất thuận lợi cho việc tổng hợp các màng graphene với diện
tích lớn và chất lượng cao. Ngoài ra điều quan trọng là các kim loại chuyển
tiếp có thể được loại bỏ bằng việc ăn mòn hóa học và các màng graphene
được tổng hợp trên những vật liệu này có thể dễ dàng chuyển sang các loại
điện cực vật liệu khác nhau, dễ dàng chức năng hóa để ứng dụng cho chế tạo
cảm biến sinh học. Do đó tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung: “Nghiên
cứu công nghệ tổng hợp vật liệu graphene đa lớp và thử nghiệm ứng
dụng”
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene trên đế Cu bằng phương pháp
CVD nhiệt. Tìm điều kiện công nghệ thích hợp để chế tạo màng graphene chất
lượng cao.
2
Nghiên cứu công nghệ chuyển lớp màng graphene từ đế Cu sang các
loại đế khác.
Khảo sát hình thái học và cấu trúc của vật liệu graphene thông qua các
phép đo: hiển vi điện tử quét SEM, phổ Raman và hiển vi lực nguyên tử AFM.
Nghiên cứu công nghệ chế tạo cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở
màng graphene được chức năng hóa bề mặt.
Thử nghiệm - tối ưu hóa cảm biến sinh học điện hóa sử dụng màng
graphene; thử nghiệm xác định hàm lượng atrazin
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu và tìm ra quy trình công nghệ tối ưu để chế tạo vật liệu
graphene có ý nghĩa hết sức quan trọng, nhằm đáp ứng những yêu cầu cấp
bách về mặt khoa học, làm chủ được công nghệ tiên tiến chế tạo vật liệu. Việc
chế tạo thành công vật liệu graphene có ý nghĩa thực tiễn lớn phục vụ cho các
ứng dụng như nano composite, graphene- FET, cảm biến sinh học điện hóa…
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm
Bố cục của luận văn
Luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về vật liệu graphene, những tính chất nổi bật của
vật liệu, các phương pháp chế tạo vật liệu và các ứng dụng của vật liệu
graphene
Chương 2: Thực nghiệm chế tạo vật liệu graphene, khảo sát các yếu tố
ảnh hưởng quá trình tổng hợp. Tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng
hợp
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Đưa ra các kết quả phân tích ảnh SEM, Raman và AFM để phân tích
cấu trúc và độ dày của vật liệu. Từ đó giải thích các cơ chế của quá trình tổng
hợp vật liệu.
Chương 4: Ứng dụng của vật liệu graphene
Bước đầu ứng dụng thử nghiệm chế tạo cảm biến sinh học điện hóa sử
dụng vật liệu graphene. Đánh giá độ nhạy của cảm biến khi sử dụng vật liệu
graphene
3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GRAPHENE
1.1. Sự phát hiện và cấu trúc của vật liệu graphene
1.1.1. Sự phát hiện vật liệu graphene
Trước năm 1985 người ta vẫn cho rằng trong thực tế các bon chỉ tồn tại
ở ba dạng thù hình. Dạng phổ biến nhất thường gọi là than có màu đen như là
ở cây, gỗ cháy còn lại. Về mặt cấu trúc, đó là dạng vô định hình. Dạng thù
hình thứ hai của các bon hay gặp trong kỹ thuật, đó là graphit (than chì). Cấu
trúc graphit gồm nhiều lớp graphen song song với nhau và sắp xếp thành
mạng lục giác phẳng (hình 1.1). Dạng thù hình thứ ba của các bon là kim
cương. Trong tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử các bon nằm ở tâm của hình
tứ diện và liên kết với bốn nguyên tử các bon cùng loại (hình 1.2) [3].
Hình 1.1. Cấu trúc của graphit [8]
Hình 1.2. Cấu trúc của kim
cương[34]
Hình 1.3. Cấu trúc của fulơren C60
[23]
Hình 1. 4. Ảnh HRTEM của
MWCNT được Iijima quan sát năm
1991: (a) 5 tường, (b) 2 tường, (c)
7 tường [15]
4
Đến năm 1985, Kroto cùng các cộng sự đã tìm ra một dạng thù hình
mới của các bon-fulơren (fullerene) C60 khi quan sát bột than tạo ra do phóng
điện hồ quang giữa hai điện cực graphit bằng kính hiển vi điện tử [23].
Fulơren C60 có dạng hình cầu giống như quả bóng, gồm 60 nguyên tử các
bon nằm ở đỉnh các đa giác (hình 1.3). Năm 1990 Kratschmer đã tìm thấy
trong sản phẩm muội than tạo ra bằng phóng điện hồ quang giữa hai điện cực
graphit ngoài C60 còn có hai dạng thù hình khác của fulơren là C70 và C80
[24].
Năm 1991, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải
cao (HRTEM) trên sản phẩm tạo ra do phóng điện hồ quang giữa hai điện cực
graphit, Iijima S. [15] đã phát hiện ra các tinh thể cực nhỏ, dài bám ở điện cực
catốt. Đó là ống nanô các bon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon
Nanotube) như trên hình 1.4. Hai năm sau, năm 1993, Iijima tiếp tục công bố
kết quả tổng hợp ống nanô các bon đơn tường (SWCNT - Single Wall Carbon
Nanotube), đó là các ống rỗng có đường kính từ 1÷3 nanô mét (nm) và chiều
dài cỡ vài micromet (µm) [16]. Vỏ của ống gồm có các nguyên tử các bon xếp
đều đặn ở đỉnh của các hình lục giác đều.
Như vậy cùng với C60, C70, v.v… ống nanô các bon đơn và đa tường có
thể được coi như là dạng thù hình thứ 4 của vật liệu các bon.
Đến năm 2004 Novoselov và Geim cùng các cộng sự tại trường đại học
Manchester ( Anh quốc) đã tìm ra một phương pháp tạo ra các tấm graphene
mỏng chỉ một vài lớp từ graphite. Họ sử dụng một phương pháp bóc tách cơ
học khá đơn giản đó là sử dụng một loại băng dính “Scotch” để liên tục chia
mỏng các lớp bột graphite và cuối cùng họ đã thu được những đơn lớp rất
mỏng của graphene chỉ vài lớp. Và quan trọng hơn họ đã đưa được những lớp
mỏng graphene này lên chất nền silicon và sau đó sử dụng phương pháp
quang để nhận biết ra graphene chỉ một vài lớp [35].
1.1.2. Cấu trúc của vật liệu graphene
Về mặt cấu trúc màng graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon
sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng, hay còn được gọi là
cấu trúc tổ ong. Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử cácbon
nên chỉ có bốn điện tử phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng
trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau. Các trạng thái 2s và
2p của nguyên tử các bon lai hóa với nhau tạo thành 3 trạng thái sp định
hướng trong một mặt phẳng hướng ra ba phương tạo với nhau một góc 120o.
5
Mỗi trạng thái sp của nguyên tử các bon này xen phủ với một trạng thái sp của
nguyên tử các bon khác hình thành một liên kết cộng hóa trị dạng sigma bền
vững. Chính các liên kết sigma này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphene
dưới dạng hình tổ ong và lý giải tại sao graphene rất bền vững về mặt hóa học
và trơ về mặt hóa học. Ngoài các liên kết sigma, giữa hai nguyên tử các bon
lân cận còn tồn tại một liên kết pi khác kém bền vững hơn được hình thành do
sự xen phủ của các orbital pz không bị lai hóa với các orbital s. Do liên kết pi
này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các orbital sp nên các
điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định tính chất điện và quang
của graphene.
Hình 1.5. Các liên kết của mỗi nguyên tử các bon trong mạng graphene
Chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) là graphene đã bổ xung đầy
đủ hơn về các dạng thù hình tồn tại trước đó của cácbon là graphite (3D), ống
nano cácbon (1D) và fulleurene (0D). Tuy nhiên vật liệu graphene mới tìm ra
này lại có những tính chất cơ, nhiệt, quang đặc biệt tốt hơn hẳn các dạng thù
hình trước của cácbon điều này đã và đang mở ra những hướng nghiên cứu
đầy tiềm năng hứa hẹn trong tương lai như trong công nghiệp điện tử như tăng
tốc chip điện tử, sử dụng trong vật liệu bán dẫn, vật liệu siêu dẫn, trong chế
tạo sensor điện hóa…
1.2. Một số tính chất của vật liệu graphene
1.2.1. Tính chất điện – điện tử
Graphene có độ linh động điện tử cao (~ 15.000 cm2/ V.s ở nhiệt độ
phòng [28], trong khí đó Si ~ 1400 cm2/ V.s, ống nano các bon ~ 10.000 cm2/
V.s, bán dẫn hữu cơ (polymer, oligomer) < 10 cm2/ V.s
υd= µ.E
(1)
υd vận tốc cuốn (m/s)
6
E cường độ điện trường (V/m)
µ độ linh động m2/(V.s)
Điện trở suất của graphene ~ 10-6 Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc
(Ag), là vật chất có điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng.
Material
Electrical Conductivity (S.m-1)
Silver
6.30×107
Copper
5.96×107
Gold
4.10×107
Aluminum
3.5×107
Calcium
2.98×107
Tungsten
1.79×107
Zinc
1.69×107
Nickel
1.43×107
Lithium
1.08×107
Iron
1.00×107
Platinum
9.43×106
Tin
9.17×106
Carbon steel
1.43×107
Titanium
2.38×106
Manganin
2.07×106
Stainless steel
1.45×106
Nichrome
9.09×105
GaAs
5×10−8 to 103
Carbon (amorphous)
1.25 to 2×103
Carbon (diamond)
~10−13
Germanium
2.17
Sea water
4.8
Drinking water
5×10−4 to 5×10−2
Silicon
1.56×10−3
Wood (damp)
10−4 to 10-3
Deionized water
5.5×10−6
Glass
10−11 to 10−15
Hard rubber
10−14
Air
3×10−15 to 8×10−15
Teflon
10−25 to 10−23
Bảng 1. Độ dẫn điện của một số vật liệu[17]
7
1.2.2. Tính chất nhiệt
Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene được đo ở nhiệt độ phòng ~
5000W/mK [50] cao hơn các dạng cấu trúc khác của các bon là ống nano các
bon, 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. Với
khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các
ứng dụng tương lại.
Materials
Thermal conductivity (W/mK)
Diamond
1000
Silver
406.0
Copper
385.0
Gold
314
Brass
109.0
Aluminum
205.0
Iron
79.5
Steel
50.2
Lead
34.7
Mercury
8.3
Ice
1.6
Glass,ordinary
0.8
Concrete
0.8
Water at 20° C
0.6
Asbestos
0.08
Fiberglass
0.04
Brick,insulating
0.15
Brick, red
0.6
Cork board
0.04
Wool felt
0.04
Rock wool
0.04
Polystyrene
0.033
Polyurethane
0.02
Wood
0.12-0.04
Air at 0° C
0.024
Silica aerogel
0.003
Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu[18]
8
1.2.3. 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 típ có đường kính 2nm
bằng kim cương làm lõm một tấm graphene đơn lớp. Kết quả đo và tính toán
cho thấy graphene (Young’s modulus ~ 1.100 GPa, độ bền kéo 125 GPa) là
vật liệu rất cứng (hơn kim cương và cứng hơn 300 lần so với thép). Trong khi
đó tỉ trọng của graphene tương đối nhỏ 0,77 mg/m2 [51].
Hình 1.6. Kỹ thuật đo đặc tính cơ [47]
1.2.4. Tính chất quang
Graphene hầu như trong suốt, nó hấp thụ chỉ 2,3% cường độ ánh sáng
[52], độc lập với bước sóng trong vùng quang học. Như vậy, miếng graphene
lơ lửng không có màu sắc.
1.2.5. Tính chất 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, K và OH). Các chất hấp
thụ liên kết yếu thể hiện vai trò như các 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.
1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu graphene
Cho đến nay đã có nhiều phương pháp vật lý, hóa học để chế tạo ra vật
liệu graphene. Dưới đây là một số phương pháp:
9
1.3.1. Phương pháp cơ học: (Mechanical exfoliation)
Năm 2004 Novoselov và Geim tiến hành thử nghiệm tách graphene từ
những tấm graphite nhiệt phân định hướng cao (Highly Oriented Pyrolytic
Graphene -HOPG) [35]. Nguyên tắc của phương pháp là phá hủy lực liên kết
Van Der Waals tương đối yếu giữa các lớp graphite để tách thành các lớp
mỏng một vài đơn lớp cácbon ta sẽ thu được graphene.
Để thu được vật liệu graphene, tấm graphite được nghiền thành những
mảng nhỏ, sau đó được gắn lên một băng dính “scotch” (hình a), việc này
được lặp đi lặp lại nhiều lần nhằm mục đích chia mỏng những lớp graphite
còn lại chỉ vài lớp chính là cấu trúc graphene (hình b). Sau đó những lớp này
được chuyển lên bề mặt SiO2 (hình c và d) để có thể tiến hành một số phương
pháp quang xác định độ dày các mảng graphene thông qua độ tương phản của
hình ảnh quang học (hình e).
e
Hình 1.7. Phương pháp bóc tách cơ họcvà kết quả màng graphene thu
được
Tuy nhiên phương pháp này tồn tại một hạn chế đó là chất lượng màng
không đồng đều nên ảnh hưởng đến tính chất điện tử của màng, đồng thời
không phù hợp cho yêu cầu tạo những màng graphene diện tích lớn.
1.3.2. Phương pháp Epitaxial trên đế SiC
Trước tiên người ta phải sử dụng một vật liệu nguồn, một cấu trúc mọc
ghép giữa Si và cácbon là silicon carbide (SiC) thực hiện ở một nhiệt độ cao
10
12500C và trong điều kiện chân không siêu cao (UHV) hoặc trong môi trường
khí Argon. Do nhiệt độ cao Silicon bốc hơi khỏi bề mặt kéo theo sự phá vỡ
cấu trúc SiC ở hai bên, kết quả còn lại đơn lớp graphene bên trong ( cấu trúc
lục giác còn lại của những nguyên tử cácbon mầu đen chính là cấu trúc của
graphene).
Hình 1.8. Sự hình thành graphene trên đế SiC[53]
Khó khăn của phương pháp này là chi phí cơ sở vật chất cao và sự
tương tác mạnh mẽ giữa graphene và SiC làm cho nó khó trong việc chuyển
lên bề mặt khác và do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau cũng ảnh hưởng đến
chính xác phép đo về điện [42].
1.3.3. Phương pháp tách hóa học: (Chemical exfoliation)
Đây là phương pháp được nghiên cứu từ rất sớm từ những năm 1940
bởi Hummer. Nguyên tắc của phương pháp này là oxi hóa những tấm lớn
graphite bằng cách sử dụng các axit mạnh oxi hóa chèn các phân tử oxi vào
khoảng giữa của các lớp graphite tạo thành nhiều lớp graphene oxide xen kẽ
nhau, sau đó đem rung siêu âm ta sẽ thu được các tấm graphene oxide riêng
biệt. Nếu sự oxi hóa đủ mạnh ta sẽ thu được đơn lớp graphene ngược lại ta sẽ
thu được graphene một vài lớp. Kết thúc quá trình đem ủ nhiệt hoặc sử dụng
phương pháp hóa học loại bỏ oxi đi và kết quả thu được các tấm graphene
riêng biệt.
11
Phương pháp này không thể tạo ra những tấm graphene có kích thước
lớn, và cấu trúc của graphene tạo ra có chất lượng không cao do bị ảnh hưởng
bởi sự oxi hóa của axit mạnh.
Hình 1.9. Sơ đồ mô tả quá trình tách hóa học graphite thành các lớp
graphene [45]
1.3.4. Phương pháp tách mở ống nano cácbon: (Unzipping carbon
nanotubes)
Phương pháp này được thực hiện bằng cách mở ống nano cácbon đơn
vách (SWCNT) theo hướng dọc tạo thành băng nano graphene.
Cho ống nano cácbon tiếp xúc với môi trường “plasma etchant” mở trên
dọc thân ống nano cácbon tạo thành nanoribbons graphene hay các băng
graphene. Phương pháp này có một số ưu điểm như độ tinh khiết của graphene
rất cao do không lẫn bất kỳ dư lượng dung môi hay chất nào khác. Nguồn ống
nano cácbon nhiều và tương đối rẻ, quy trình thực hiện nhanh và tạo ra một
lượng sản phẩm các băng nano graphene lớn trên một lần thực hiện [21].
Ngoài ra việc mở ống nano cácbon còn có thể thực hiện theo phương
pháp khác do Novoselov đề xuất là oxi hóa ống nano các bon bởi KMnO4
12
trong môi trường H2SO4. Cơ chế này là quá trình oxi hóa anken bởi
manganate trong axit [25].
Hình 1.10. Mô hình mô tả quá trình mở ống nano cácbon
1.3.5. Phương pháp phân tách pha lỏng: (Liquid phase exfoliation)
Phương pháp này được thực hiện đầu tiên bởi Hernandez khi nghiên
cứu sự tác động của dung môi lên graphene, ông cho một phần nhỏ graphite
vào dung môi thích hợp N-methylpyrrolidone, do sự tương tác về năng lượng
giữa bề mặt graphene và dung môi, năng lượng này đủ lớn để thắng được lực
liên kết Van Der Waals từ đó phân tách graphite thành các tấm mỏng
graphene và tạo ra một dung dịch, các tấm graphene sẽ phân tán trong dung
môi. Sau đó dung dịch sẽ được đem ly tâm để lắng đọng những mảng lớn
graphitic mà không bị phân tán sẽ được loại bỏ và ta được dung dịch có chứa
những tấm graphene [13,14].
Các thí nghiệm tương tự cũng được tiến hành bởi Colerman khi ông tiến
hành phân tán graphene trong các dung môi khác nhau như: N,NDimethylacetamide (DMA), Butyrolacetone (GBL), 1,3-dimethyl-2imidazolidinone ( DMEU), dimetyl sulfoxide (DMSO), Benzyl Benzonate, 1Vinyl-2-pyrrolidinone (NVP), 1-Đoecyl-2-pyrrolidinone (N12P)…
- Xem thêm -