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