TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Đề tài:
CHẤT BÁN DẪN GRAPHENE
GVHD: GS. Võ Văn Hoàng

Danh sách nhóm:
1 Nguyễn Ngọc Quỳnh
2 Trần Diễm Trúc
3 Nguyễn An Duy

K1303314
K1304474
K1300579

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4/2016


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

MỤC LỤC

2


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

DANH MỤC CÁC HÌNH VE

3


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

MỞ ĐẦU
Graphene là vật liệu mới xuất hiện trong những năm gần đây và đang thu hút được sư
quan tâm rất lớn từ giới khoa học. Được ca ngợi như một “siêu vật liệu” của tương lai,
graphene có thể tạo ra các tấm vật liệu không những vô cùng mỏng, nhẹ, gần như trong
suốt mà còn siêu bền và đặc biệt là siêu dẫn. Đồng thời, Graphene còn được công nhận là
linh hoạt hơn rất nhiều so với silicon. Tốt hơn silicon, độ linh hoạt cao trong khi còn bền
hơn thép và dẫn nhiệt tốt, graphene hiện đang được coi là loại chất liệu lý tưởng cho các
thiết bị đeo trên người. Tuy nhiên, cũng vì những đặc tính hiếm có như vậy mà loạt vật
chất này có giá thành sản xuất rất đắt đỏ. Do đó nhóm chúng em quyết định chọn đề tài
này với mục đích đặt ra như sau:
- Hiểu và nắm được cấu trúc, tính chất, ứng dụng của Graphene.
- Nắm được vai trò quan trọng của Graphene
- Có cái nhìn tổng quát hơn về việc nghiên cứu tạo ra vật liệu mới.
- Biết trào lưu chế tạo ra các vật liệu mới ngày nay.
- Hiểu được sư có ích của Graphene đối với cuộc sống con người.

4



Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ CHẤT BÁN DẪN
1.1.

KHÁI NIỆM
Chất bán dẫn (Semiconductor) là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất
dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt
độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là "bán dẫn" vì chất này có thể
dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện.
Điện trở suất của:
Kim loại (chất dẫn điện): ρ = 10-8 – 10-6 Ωm
Bán dẫn: ρ = 10-6 – 1010 Ωm
Điện môi (chất cách điện): ρ > 1010 Ωm
Ngược với chất dẫn điện, khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo.
Nghĩa là điện trở suất của chất bán dẫn nghịch biến với nhiệt độ. Ta nói chất bán
dẫn có hệ số nhiệt độ âm.

1.2.

VÙNG NĂNG LƯỢNG TRONG CHẤT BÁN DẪN
Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng
lượng. Như ta biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián
đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại
với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành

các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính, đó là:
- Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng
-

lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động.
Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà
điện tử sẽ linh động (như các điện tử tư do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử
dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng

-

dẫn. Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn,
không có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm.
Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm
(mức pha tạp). Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ
rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap). Tùy theo độ rộng vùng
cấm lớn hay nhỏ mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện.
5


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

Hình 1.1: Vùng năng lượng trong chất bán dẫn
Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải
một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:
- Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó

-

luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện.
Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định. Ở không độ tuyệt đối
(0 ⁰K), mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở
vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện. Khi tăng dần nhiệt độ, các
điện tử sẽ nhận được năng lượng nhiệt (k B.T với kB là hằng số Boltzmann)
nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở
vùng hóa trị. Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được
năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất
rắn trở thành dẫn điện. Khi nhiệt độ càng tăng lên, mật độ điện tử trên vùng dẫn
sẽ càng tăng lên, do đó, tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ
(hay điện trở suất giảm dần theo nhiệt độ). Một cách gần đúng, có thể viết sư
phụ thuộc của điện trở chất bán dẫn vào nhiệt độ như sau:

với: R0 là hằng số, ∆Eg là độ rộng vùng cấm.
6


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

Ngoài ra, tính dẫn của chất bán dẫn có thể thay đổi nhờ các kích thích năng lượng
khác, ví dụ như ánh sáng. Khi chiếu sáng, các điện tử sẽ hấp thu năng lượng từ
photon, và có thể nhảy lên vùng dẫn nếu năng lượng đủ lớn. Đây chính là nguyên
nhân dẫn đến sư thay đổi về tính chất của chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng
(quang-bán dẫn).
1.3.

CÁC LOẠI BÁN DẪN
1.3.1. Bán dẫn thuần

Các bán dẫn không chứa tạp chất và có một số lượng không đáng kể các khuyết tật
hoặc sai hỏng về mặt tinh thể thì gọi là bán dẫn thuần.
Bán dẫn thuần gồm 2 loại: bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất

Hình 1.2: Bán dẫn loại P

Hình 1.3: Bán dẫn loại N

1.3.2. Bán dẫn pha tạp chất

Bán dẫn trong thưc tế không hoàn toàn tinh khiết mà luôn chứa các nguyên tử tạp
chất. Các tạp chất trong bán dẫn gây ra các mức năng lượng riêng biệt gọi là mức
tạp chất.

7


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

CHƯƠNG 2: CHẤT BÁN DẪN GRAPHENE
2.1. KHÁI NIỆM GRAPHENE
Grapheme có nguồn gốc từ graphite (than chì), có cấu trúc 2D, nó được tách ra từ
Graphite. Graphene là một dạng tinh thể dạng tổ ong có kích thước nguyên tử tạo thành từ
các nguyên tử cacbon 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 cacbon, nếu xếp chồng lên nhau phải
cần tới 200,000 lớp mới bằng độ dày một sợ tóc.

Hình 2.1: Cấu trúc 2 chiều tổ ong của Graphene
2.2. LỊCH SỬ RA ĐỜI GRAPHENE
Trải qua nhiều thế kỉ khai thác, sử dụng và nghiên cứu các sản phẩm của thiên nhiên
con người biết được nhiều nguyên tố hóa học và hợp chất của nó. Người ta nhận thấy rằng
tất cả các hợp chất hữu cơ đều chứa cacbon và cacbon thường chiếm hàm lượng lớn.
Cacbon có vai trò quan trọng trong cuộc sống con người. Đặc biệt trong công nghệ nano
đã tìm ra dạng rất đặc biệt của cacbon.
8


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

Năm 2004, hai nhà khoa học Andrei Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov cùng
các đồng nghiệp của họ khám phá ra Graphene bằng một phương pháp rất khiêm tốn. Họ
lấy một miếng băng dính và dán nó lên một miếng graphite, chất liệu dùng làm ruột bút
chì. Băng dính làm tróc ra những mảng cacbon dày nhiều lớp. Nhưng bằng cách dùng đi
dùng lại miếng băng dính, các mảng cacbon ngày một mỏng hơn có thể được bóc ra, trong
đó có một số mảng cuối cùng chỉ dày có một lớp. Các ảnh chụp hiển vi đã xác nhận cái
mắt người không thể nhìn thấy. Andrei Geim và Konstantin Sergeevich Novoselov đã
được trao Giải Nobel Vật lý năm 2010.
2.3. TÍNH CHẤT CỦA GRAPHENE
2.3.1. Graphene có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt
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 grapheme hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt.
2.3.2. Graphene là vật liệu mỏng nhất trong số các vật liệu
Grapheme có bề dày chỉ bằng một lớp nguyên tử cacbon, bằng 1/200,000 sợ tóc. Theo
Geim, mắt người không thể nhìn thấy màng Graphene và chỉ có kính hiển vi điện tử tối tân
nhất mới nhận ra độ dày này. Dưới kính hiển vi, mảnh graphite dày gấp 100 lần nguyên tử
cacbon có màu vàng, 30-40 lớp màu xanh lơ, 10 lớp có màu hồng và Graphene mang màu
hông rất nhạt.

9


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

Hình 2.2: Tính mỏng của Graphene
2.3.3. Graphene là chất rất bền
Các nhà nghiên cứu đã đo sức bền nội tại của chất – nghĩa là sức căng lớn nhất mà một
chất nguyên khôi (hoặc không có khiếm khuyết) có thể chịu được ngay trước khi tất cả các
nguyên tử trong một tiết diện cho trước bị kéo ra khỏi nhau đồng thời. Về cơ bản thì mọi
chất liệu đều chứa những khiếm khuyết, như các vết nứt hay xước vi mô, chúng “yếu hơn”
chất liệu xung quanh. Kết quả là sức căng nghỉ của một chất liệu vĩ mô phụ thuộc chủ yếu
vào số lượng và kích cỡ các khiếm khuyết mà nó chứa, chứ không phụ thuộc sức bền nội
tại của nó.
Theo những thí nghiệm mới được thưc hiện bởi các nhà nghiên cứu tại trường đại học
Columbia ở Mĩ, Graphene bền hơn thép 200 lần và một sợ dây Graphene chỉ đứt khi treo
nó theo phương thẳng đứng với độ dài trên 1,000km.
2.3.4. Graphene cứng hơn cả kim cương
Graphene có cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Độ cứng của Graphene

“lệch khỏi biểu đồ” so với các họ chất liệu khác. Đây là nhờ các lien kết cacbon-cacbon

10


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

trong Graphene cũng như không có bất kỳ khuyết điểm nào khi màng Graphene căng cao
độ nhất
2.3.5. Graphene hoàn toàn không cho không khí đi qua
Lớp màng Graphene ngăn cản được cả những phân tử khí nhỏ nhất, không cho chúng lọt
qua. Phiến màng đơn ở cấp độ phân tử này có thể kết hợp với những cấu trúc giả vi mô tạn
thành lớp vảy cỡ nguyên tử dùng làm lớp màng che phủ thiết bị điện tử. Graphene còn có
khả năng bịt kín chặt các lỗ thấm lọc.
2.3.6. Graphene có tính dẻo dai
Graphene có cấu trúc mềm dẻo như màng chất dẻo và có thể bẻ cong, gập hay cuộc lại.

Hình 2.3: Tính dẻo của Graphene
2.3.7. Hiệu ứng Hall lượng tử trong Graphene
Hiệu ứng Hall lượng tử thường chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp trong các bán dẫn, nhưng nó
lại xuất hiện trong Graphene ở nhiệt độ phòng. Theo nguyên tắc vật lý, vật liệu mới này
không thể tồn tại ổn định và dễ bị hủy hoại bởi nhiệt độ, nhưng nó có thể tồn tại ổn định là
do chúng không ở trạng thái tĩnh mà rung động nhẹ theo dạng sóng.
2.3.8. Chuyển động của điện tử trong Graphene

11



Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

Electron trong Graphene chuyển động rất nhanh, gần bằng vận tốc ánh sáng, gấp 100 lần
electron trong silicon. Chuyển động của electron không tuân theo phương trình
Schodinger mà tuân theo phương trình Dirac cho các hạt không có khối lượng như
neutrino.
Điện trở suất của Graphene nhỏ hơn điện trở suất của đồng đến 35% và là điện trở suất
thấp nhất được biết đến tại nhiệt độ phòng.
2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP GRAPHENE
- Phương pháp cắt vi cơ (micromechanical cleavage): phương pháp này tách graphite
thành những miếng mỏng bằng cách nạo hoặc chà graphite vào một mặt phẳng khác, từ đó
có thể gỡ những miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử để được Graphene.
- Phương pháp sử dụng băng keo: Phương pháp này sử dụng băng keo để tách các lớp
graphite thành graphene. Tấm graphite được gắn lên một miếng băng keo đặc biệt, dán hai
đầu lại với nhau, rồi mở băng keo ra... Cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng
graphite trở nên thật mỏng. Qua đó, mảnh graphite được tách ra từng lớp một, ngày càng
mỏng, sau đó người ta hòa chúng vào acetone. Trong hỗn hợp thu được có cả những đơn
lớp carbon chỉ dày 1 nguyên tử. Phương pháp này được Geim và các đồng nghiệp sử dụng
để tạo ra graphene vào năm 2004.
- Phương pháp bóc tách pha lỏng: Các phương pháp trên dùng để tạo graphene trong môi
trường chân không hoặc môi trường khí trơ. Ở đây, chúng ta có thể sử dụng năng lượng
hóa học để tách các lớp graphene từ graphite. Quá trình bóc tách pha lỏng bao gồm ba
bước: (1) phân tán graphite trong dung môi, (2) bóc tách, (3) lọc lấy sản phẩm.
- Phương pháp Epitaxy chùm phân tử: lá phương pháp sử dụng năng lượng của chùm phân
tử tạo ra hơi carbon và lắng đọng chúng trên đơn tinh thể trong chân không siêu cao. Đây
là một phương pháp đầy hứa hẹn dùng để chế tạo graphene với độ tinh khiết cao trên

nhiều loại đế khác nhau. Graphene chế tạo theo phương pháp này phù hợp cho các thiết bị
có yêu cầu cao về chất lượng và độ tinh khiết
Ngoài ra còn nhiều phương pháp tổng hợp Graphene khác. Tuy nhiên hầu hết đều mang
tính thủ công , tốn thời gian chi phí và rất khó sản xuất với số lượng lớn.
12


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

2.5. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHẤT BÁN DẪN GRAPHENE
2.5.1. Ưu điểm:
Có khả năng làm tăng tốc độ xử lý của chip máy tính hiện tại lên mức 500-1000 GHz
Nó có nhiều tính chất ưu việt hơn so với các chất khác
Cấu trúc và sư gắn kết của Graphene giúp nó bền vững và trong suốt như kim cương
nhưng lại có thể tạo ra điện-điều mà kim cương không làm được.
Kích thước càng nhỏ hiệu quả hoạt động càng cao
2.5.2. Nhược điểm:
Sản xuất màng Graphene rất khó khăn và đắt đỏ
Khó chế tạo với diện tích lớn nên ứng dụng Graphene vào cuộc sống còn hạn chế
Chất nền của Graphene và môi trường xung quanh có xu hướng hủy hoại tính chất điện tử
của mẫu Graphene.

13


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE


.

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA GRAPHENE VÀO CUỘC SỐNG
"Siêu vật liệu" này hiện chưa thể sản xuất số lượng lớn, tuy nhiên nó sẽ mang tới
tương lai tuyệt vời cho ngành công nghệ.
3.1. DÂY DẪN VÀ ĐIỆN CỰC TRONG SUỐT
Graphene là vật liệu trong suốt và có tính dẫn điện tốt nên nó có tiềm năng dùng làm
dây dẫn trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử gia dụng khác. Các
dây dẫn hoặc điện cưc graphene này sẽ là vật liệu thay thế rẻ hơn và mềm dẻo hơn nhiều
so với các loại vật liệu hiện đang được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị
điện tử dẻo khác.

Hình 3.1: Sơ đồ và cơ chế dẫn điện của Graphene trong pin mặt trời.
3.2. CHIP MÁY TÍNH
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được chiếc bóng bán dẫn nhỏ nhất trên thế giới- có bề dày
chỉ bằng một nguyên tử và rộng 10 nguyên tử từ Graphene. Chiếc bóng bán dẫn này, về
bản chất là một công tắc bật tắt. Chiếc bóng bán dẫn là thiết bị quan trọng của một bảng vi
mạch và là nền tảng của bất cứ thiết bị điện tử nào. Những chiếc bóng bán dẫn này sẽ làm
việc với điều kiện nhiệt độ trong phòng - giống như yêu cầu đối với các thiết bị điện tử
hiện đại khác. Bóng bán dẫn Graphene càng nhỏ lại càng hoạt động tốt. Bóng bán dẫn
được chế tạo bằng cách lắp Graphene vào một mạch điện siêu nhỏ. Chiếc bóng bán dẫn
14


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.


đầu tiên được chế tạo bởi các nhà khoa học tại Manchester (Tiến sỹ Kostya Novoselov và
giáo sư Andre Geim).

Hình 3.2: Chip bằng Graphene
3.3. MÀN HÌNH TI VI CẢM ỨNG
Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách
sử dụng Graphene. Một ngày nào đó màn hình này có thể được ứng dụng vào mọi thứ từ
màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi. Để tạo ra các màn hình tinh thể lỏng
bằng graphene, các nhà nghiên cứu đã phân hủy các mảnh graphite thành graphene, và
phun xịt các thể vẩn thu được lên một bề mặt thủy tinh. Khi bề mặt hòa tan được sấy khô,
các nhà nghiên cứu đã lưa ra những mảnh nhỏ và sử dụng chúng như các cưc điện cho
màn hình tinh thể lỏng nhỏ.Màn hình tinh thể lỏng này rất nhỏ bé, chỉ bằng một độ phân
giải pixel và kích cỡ khoảng bằng 1 micromet. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết,
nếu như con số này được nâng cấp thì độ phân giải sẽ gần giống như màn hình điện thoại
di động.
15


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

16


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.


3.4. ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN
Một trong những ứng dụng hứa hẹn của graphene là trong các cảm biến khí, cảm
biến sinh học. Nguyên lý hoạt động của các cảm biến dưa trên sư thay đổi độ dẫn của
graphene khi hấp thụ các nguyên tử, phân tử lên bề mặt của nó. Các cảm biến sử dụng
graphene có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện nhỏ.
3.5. CÁC ỨNG DỤNG MÔ SỐNG
Gần đây giáo sư Aravind Vijaraghavan của trường đại học Manchester lại cho rằng
graphene có thể tương tác tới các hệ thống sinh học của người – hay "giao tiếp với các tế
bào của người" như cách ông miêu tả – mà cuối cùng có thể đưa " Internet of Things " lên
một tầm cao mới. Graphene sẽ được sử dụng dưới các lớp phospholipid tổng hợp, và tính
linh hoạt giúp nó hoạt động tốt với các hệ thống sinh học trong cơ thể.
Bên cạnh các thiết bị điện tử tiêu dùng, phạm vi ứng dụng của graphene thưc tế là vô
tận. Vì các đặc tính của graphene chỉ được khai thác khi nó được kết hợp với các thành
phần khác như gas, kim loại hoặc các nguồn carbon khác, các nhà nghiên cứu đã thử
nghiệm graphene để tạo nên anten, bộ lọc nước biển, cửa sổ, sơn, các cánh máy bay, vợt
tennis, các thiết bị chuỗi DNA, mưc và nhiều hơn nữa.

17


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

KẾT LUẬN
Với cấu trúc một màng mỏng có bề dày một nguyên tử, Graphene có nhiều tính chất gây
bất ngờ và thú vị. Graphene mở ra một tiềm năng nghiên cứu khoa học mới cho vật lý bán
dẫn. Chất bán dẫn Graphene ra đời mở ra hy vọng mới cho ngành công nghệ điện tử để

thay thế cho Silic

18


Đề tài: CHẤT BÁN DẪN
GRAPHENE

.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Võ Văn Hoàng, Vật lý kim loại, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2006.
[2] Nguyễn Quang Báu, Lý thuyết bán dẫn, NXB ĐHQG Hà Nội, 2004.
[3] Đào Trần Cao, Cơ sở Vật lý chất rắn, NXB ĐHQG Hà Nội, 2007.
[4] Nguyễn Xuân Chánh –Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học và công nghệ hiện đại,
Nhà xuất bản giáo dục, 2003.
[5] Trương Văn Tân, Vật liệu tiên tiến, Nhà xuất bản trẻ, 2008.

19