Graphen: Vật liệu cứng hơn kim cương và tiềm năng ứng dụng

Graphen – các lớp cacbon xếp chồng lên nhau từng được biết như một vật liệu mới siêu mỏng, siêu bền và siêu dẫn điện. Các nhà khoa học Đại học London vừa khám phá cơ chế hình thành nên loại vật liệu này.

Graphen là một mảng cacbon có độ dày một nguyên tử – loại vật liệu mỏng nhất được biết và chắc chắn nhất từng tồn tại trong vũ trụ.

Nó bền hơn thép 200 lần và có thể truyền tải điện năng tốt hơn đồng gấp 1 triệu lần.

Những đặc tính này tạo cho graphen một số ứng dụng tiềm năng như chế tạo vi mạch cho máy tính, điện thoại di động siêu tốc. Tuy nhiên sản xuất những mảng graphen rất khó khăn và đắt đỏ.

Những “đảo” cacbon có kết cấu mái vòm như công trình Eden Projects ở Cornwall.

GS Dario Alfc và TS Monica Pozzo, Khoa Khoa học Trái đất, Đại học London, là những người đang cố gắng tìm hiểu và mô tả cơ chế hình thành graphen trong một phương pháp sản xuất đặc biệt. Đó là cho các phân tử hydrocacbon đi qua bề mặt iridi (Ir) được làm nóng trong khoảng từ 30 độ C đến 1000 độ C.

Khi tiếp xúc với bề mặt này, những phân tử hydrocacbon giải phóng các nguyên tử H, chỉ còn những nguyên tử C bám vào bề mặt Ir và tập trung ở đó thành những kết cấu nano. Những kết cấu nano này phát triển thành mảng graphen hoàn chỉnh.

GS Alfc cho biết phương pháp phát triển graphen được nhiều người biết đến tuy nhiên vẫn chưa giải thích được cơ chế thực hiện từ một bề mặt bao phủ cacbon đến một mảng graphen.

Các nhà nghiên cứu cho rằng sự phát triển của graphen bắt đầu từ sự hình thành những “hòn đảo” nhỏ cacbon với một kết cấu mái vòm, trong đó chỉ những phân tử ở vòng ngoài mới bám được trên chất nền Iridi trong khi các nguyên tử trung tâm bị đẩy ra khỏi chất nền khiến “hòn đảo” phồng lên ở trung tâm.

Kết cấu này tương tự công trình Eden Projects ở Cornwall. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy kích thước của những kết cấu mái vòm của mảng cacbon phụ thuộc vào nhiệt độ của chất nền Iridi và cách thao tác. Điều này mở ra hướng điều chỉnh kích thước mảng graphen ở mức độ siêu nhỏ.

Siêu vật liệu

Graphene đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn với cấu trúc phân tử phẳng– chỉ dày bằng một nguyên tử và rất bền vững. Các nhà nghiên cứu đồng thời hướng đến ứng dụng của Graphene vào công nghệ hiển thị bởi tính trong suốt của nó.

Các nhà khoa học ở Đại học Manchester đã chứng minh rằng Graphene có thể được áp dụng vào trong các mạch điện tử để tạo ra những transistor kích thước phân tử.

Tiến sĩ Novoselov cho biết Graphene có nhiều ưu điểm hơn Silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần.

Ông nói “Những transistor này sẽ có thể hoạt động tại nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử.”

Hiện nay, Graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn bởi nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết theo như phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao.

Tương lai hé mở

Các nhà khoa học đã tạo ra một transistor nhỏ nhất thế giới với độ dày 1 nguyên tử và chiều rộng 10 nguyên tử, làm từ một chất có thể thay thế silicon trong nay mai.

Chiếc transistor, hay đúng ra là một công tắc đóng/mở (on/off switch), được tạo ra từ than chì ở dạng đơn lớp hay còn gọi là Graphene, chất mà tiềm năng của nó chỉ mới được phát hiện cách đây 4 năm.

Tiến sĩ Kostya Novoselov và giáo sư Andre Geim từ Trường vật lý và thiên văn (The School of Physics and Astronomy) thuộc Đại học Manchester đã mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng của graphene vào điện tử và là những người đầu tiên tách lớp Graphene từ than chì.

Hiện nay, công nghệ bán dẫn dùng cát để tạo nên các wafer silicon. Những công ty lớn như Intel đã dự tính giảm kích thước của vi mạch điện tử xuống còn khoảng 10 nanomét– nhỏ hơn 10 000 lần so với sợi tóc người.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, sẽ rất khó thực hiện các vi mạch với kích thước nhỏ hơn 10 nanomét bởi ở giới hạn này đã bắt đầu xuất hiện sự rò rỉ electron. Do đó, các nhà khoa học hi vọng rằng từ bây giờ đến năm 2020, con người có thể tìm thấy được vật liệu có thể thay thế silicon.

Đến nay, vật liệu Graphene đã mở ra hi vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản này. Thế nhưng, việc sản xuất lớp Graphene đủ lớn để tạo ra wafer vẫn là một thử thách lớn.

Tiến sĩ Novoselov cho biết “Chúng tôi có thể điều chỉnh được quá trình sản xuất ở kích thước 20 nanomét, nhưng với kích thước 1 nanomét thì yếu tố may mắn vẫn là quyết định.”

Để có thể chế tạo được microchip, wafer tạo ra phải kích thước vài centimét. Đến nay, tấm wafer từ Graphene lớn nhất được tạo ra chỉ có kích thước 100 micromét.

Tiến sĩ Novoselov phát biểu “Chúng tôi tin rằng công nghệ để thực hiện điều này sẽ nhanh chóng được tìm ra. Nếu kể từ lúc Graphene được phát hiện cách đây 4 năm thì chúng ta đã tiến được một bước khá dài.”

“Mặc dù công nghệ dùng Graphene để sản xuất vi mạch hoàn toàn tương tự như công nghệ dùng Silicon, nhưng để đến được sự xuất hiện của Graphene trong vi mạch điện tử, chúng ta phải mất khoảng 10 năm nữa.” Ông nói.

Trong tương lai, vật liệu này có thể được dùng để chế tạo các vi mạch điện tử thế hệ mới, khiến máy tính hoặc điện thoại di động truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn rất nhiều.

Graphen có nguồn gốc từ graphit (than chì) được nhà vật lý Andre Konstantin Geim tạo ra vào năm 2004. Hiện vẫn chưa được xếp vào các vật liệu hiện hành bởi những đặc tính vật lí kì lạ và tuyệt vời của nó.

Các nhà khoa học tính toán, dưới tác dụng trọng lực, giả sử một sợi thép dài 28km treo thẳng đứng sẽ tự đứt trong khi sợi graphene có thể dài đến 1000km mới bị đứt.

Theo ScienceDaily/Vietnamnet