Electron trong Graphene có vận tốc lớn gấp 100 lần electron trong silicon

Các nhà vật lý thuộc Đại học Maryland mới đây đã chứng minh rằng giới hạn trong của tính linh động trên vật liệu graphene (tiêu chí để xác định một vật liệu dẫn điện tốt đến mức nào) cao hơn so với bất kì loại vật liệu nào ở nhiệt độ phòng. Vật liệu graphene với cấu tạo là một phiến than chì chỉ có một lớp nguyên tử. Nó là một loại vật liệu mới kết hợp các đặc tính của chất bán dẫn và kim loại.

Kết quả nghiên cứu của họ được đăng tải trực tuyến trên tờ Nature Nanotechnology. Nghiên cứu cho thấy graphene có thể thay thế cho các vật liệu bán dẫn thông thường như silicon trong nhiều ứng dụng, từ sản xuất bộ vi xử lý tốc độ cao đến các cảm biến hóa sinh học.

Nhóm nghiên cứu do giáo sư vật lý Michael S. Fuhrer thuộc trung tâm Vật liệu tiên tiến và vật lý nano – Đại học Maryland chỉ dẫn. Trung tâm nano Maryland cho rằng những phát hiện của nhóm mang lại những tính toán đầu tiên về hiệu quả của dao động nhiệt đến độ dẫn của các electron trong vật liệu graphene; đồng thời nghiên cứu cũng cho thấy dao động nhiệt có ảnh hưởng nhỏ đến khác thường đối với các electron trong graphene.

Ở các vật liệu khác, năng lượng có liên quan đến nhiệt độ của vật liệu đó khiến các nguyên tử của vật liệu dao động tại chỗ. Khi các electron di chuyển trong vật liệu, chúng có thể bật ra khỏi các nguyên tử dao động này làm tăng điện trở. Điện trở này là đặc tính của vật liệu: nó không thể bị loại bỏ trừ phi vật liệu được làm lạnh tuyệt đối xuống còn 0⁰. Do đó điện trở tạo nên giới hạn trên cho phép một vật liệu có thể dẫn điện tốt đến mức nào.

Hình ảnh hiển vi quang học của vật liệu graphene đơn và kép. (Ảnh: Đại học Maryland)

Đối với graphene, các nguyên tử dao động tại nhiệt độ phòng tạo ra một điện trở suất vào khoảng 1.0 microOhm-cm (điện trở suất là đơn vị cụ thể của điện trở, điện trở của một mẩu vật liệu bằng diện tích mặt cắt của mẩu kim loại chia cho tích của điện trở suất với độ dài của nó). 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.

Fuhrer giải thích: “Hiện nay các nguồn bên ngoài trong các mẫu graphene không được sạch đã làm tăng điện trở suất của graphene. Do đó điện trở suất trung bình của graphene không nhỏ bằng điện trở suất của đồng tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên graphene lại có rất ít electron so với đồng, do đó trong graphene dòng điện được vận chuyển bởi một số ít electron có vận tốc nhanh hơn nhiều lần so với các electron của đồng”

Đối với các vật liệu bán dẫn, tiêu chuẩn về tính linh động được sử dụng để xác định các electron chuyển động nhanh ở mức nào. Giới hạn tính linh động của electron trong graphene được xác định nhờ dao động nhiệt của nguyên tử và vào khoảng 200.000 cm²/Vs tại nhiệt độ phòng. Trong khi ở silicon là 1.400 cm²/Vs, ở indium antimonide là 77.000 cm²/Vs. Electron của graphene có độ linh động cao nhất so với các chất bán dẫn thông thường.

Fuhrer cho biết: “Thật thú vị là, trong các ống nano cacbon bán dẫn vốn được cho là vật liệu graphene cuốn tròn thành hình trụ, chúng tôi đã chứng minh được tính linh động tại nhiệt độ phòng vào khoảng trên 100.000 cm²/Vs” (T. Dürkop, S. A. Getty, Enrique Cobas, and M. S. Fuhrer, Nano Letters 4, 35 (2004)).

Tính linh động quy định tốc độ mà các thiết bị điện tử (ví dụ như một cái transitor trường ứng làm nên cơ sở của các con chip máy tính) có thể bật hoặc tắt. Với tính linh động rất cao, graphene rất có triển vọng trong nhiều ứng dụng trong đó các transitor đòi hỏi phải bật tắt cực nhanh ví dụ như trong việc xử lý các tín hiệu tần số cực cao.

Tính linh động cũng có thể được coi như tính dẫn điện của kim loại qua các điện tử mang điện tích. Do đó tính linh động cao cũng rất có lợi cho các ứng dụng cảm biến hóa sinh học trong đó một tín hiệu điện tích từ một phân tử được thu nhận trên thiết bị sẽ được chuyển sang tín hiệu điện tử bằng cách thay đổi độ dẫn điện của thiết bị.

Chính vì thế graphene là một vật liệu hứa hẹn trong các ứng dụng cảm biến hóa học và hóa sinh học. Điện trở suất thấp cùng với đặc điểm siêu mỏng của graphene có thể được ứng dụng trong chế tạo những tấm màng trong suốt, dẫn điện, mỏng và dẻo dai. Những tấm màng như thế vô cùng cần thiết trong một loạt các ứng dụng điện tử từ màn hình cảm ứng cho đến các tế bào quang voltaic.

Fuhrer và các cộng sự của ông đã chứng minh rằng mặc dù giới hạn tính linh động của graphene ở nhiệt độ phòng cao ở mức 200.000 cm²/Vs, các mẫu vật hiện nay lại có tính linh động nhỏ hơn – vào khoảng 10.000 cm²/Vs và cần phải nỗ lực cải tiến rất nhiều. Do graphene có cấu tạo chỉ với một lớp nguyên tử, các mẫu vật hiện nay phải được đặt trong chất nền là silicon đioxit.

Điện tích bị giữ trong chất nền silicon đioxit (một loại chất tỉ lệ nguyên tử) có thể ảnh hưởng đến các electron trong graphene làm giảm tính linh động. Dao động của các nguyên tử silicon đioxit bản thân chúng cũng đã có thể có ảnh hưởng đến graphene thậm chí còn lớn hơn ảnh hưởng từ dao động nguyên tử của chính nó. Cái được gọi là hiệu quả “phân tán phonon mặt phân giới từ xa” là một sợi dây liên kết khá nhỏ đối với tính linh động trong một transistor silicon. Nhưng vì các phonon trong bản thân vật liệu graphene lại không hề có tác dụng trong việc phân tán electron, do đó hiệu quả này trở nên rất quan trọng trong graphene.

Fuhrer cho biết: “Chúng tôi tin rằng nghiên cứu này đã chỉ ra tầm quan trọng của những hiệu quả bên ngoài, từ đó vạch ra được hướng đi cho việc tìm kiếm những chất nền tốt hơn đối với các thiết bị graphene trong tương lai nhằm giảm tác động của việc phân tán tạp chất tích điện cũng như việc phân tán phonon mặt phân giới từ xa”

“Giới hạn hoạt động trong, ngoài của các thiết bị graphene trên chất nền SiO₂” do J. H. Chen, C. Jang, S. Xiao, M. Ishigami, M. S. Fuhrer viết đã được đăng tải trực tuyến trên tờ Nature Nanotechnology ngày 23/03/2008.