Những Điều Bạn Chưa Biết Về Vật Liệu Công Nghệ Graphene

1- Graphene – siêu vật liệu công nghệ trong tương lai

Graphene là một lớp đơn gồm các nguyên tử cacbon được liên kết với nhau bằng các liên kết hạt nhân siêu bền, graphene là một vật liệu có nhiều đặc điểm đáng chú ý, chắc chắn chúng sẽ mang lại ích lợi to lớn đối với nhiều khía cạnh của đời sống xã hội. Từ góc độ điện tử, tính linh động, độ trong suốt quang học và độ bền đáng kinh ngạc của nó đều là những đặc điểm hấp dẫn các nhà nghiên cứu.

Đó là một cái nhìn tổng quan, trong tương lai gần các thuộc tính nổi bật liên quan đến graphene có thể được các kỹ sư điện tử tận dụng để phát triển nhằm đạt được những kỳ tích mới về mặt chức năng cũng như mặt hiệu suất.

2- Nguồn gốc của Graphene

Graphene được đưa ra lý thuyết lần đầu tiên vào khoảng cuối những năm 1940. Trong nhiều thập kỷ sau đó, mặc dù các nỗ lực đã được thực hiện để cô lập vật liệu, nhưng tất cả các việc đó đều thất bại. Sau đó cho đến năm 2004, hai viện sĩ tại Đại học Manchester (Giáo sư Andre Geim và Kostya Novoselov) đã thành công trong việc trở thành người đầu tiên cô lập được một lớp đơn của graphene.

Họ đã tách chúng ra khỏi một mẫu số lượng lớn than chì, do đó họ có thể tạo ra một loại vật liệu chỉ tồn tại trong hai chiều (2D). Geim và Novoselov sau đó đã nhận được giải Nobel Vật lý cho những nỗ lực của mình.

Trong cấu trúc tổ ong đặc biệt của graphene, lớp nguyên tử cacbon có độ dày chỉ 0,34nm. Do đó, vật liệu nano siêu mỏng này thể hiện mức độ linh hoạt rất cao. Mỗi nguyên tử cacbon trong tổ ong được liên kết với ba nguyên tử cacbon lân cận – và chính điều này đã mang lại cho vật liệu này sức mạnh đặc biệt; làm cho các dạng thù hình của nó giống như kim cương.

Sự sắp xếp liên kết có nghĩa là ba trong số bốn electron lớp vỏ ngoài cùng mà mỗi nguyên tử cacbon được sử dụng cho mục đích liên kết. Trong các vật liệu khác dựa trên carbon, electron thứ tư thông thường sẽ đảm nhiệm việc liên kết với các mặt phẳng khác, nhưng vì graphene là vật liệu 2D nên nó không còn cần thiết về mặt đó.

Các electron thừa của tất cả các nguyên tử cacbon trong mạng tinh thể graphene đều được phân phối – đó là lý do tại sao graphene có mức độ linh động của các electron cao hơn đáng kể. Số liệu có thể đạt được là 35.000 cm2V-1s-1 , vượt xa mức 1.000 cm2V-1s-1  thường thấy ở silic, hoặc 4.000 cm2V-1s-1 của gali. Kết quả của tính linh động electron này, có thể coi graphene là vật liệu không dải tần, mang lại độ dẫn nhiệt và dẫn điện chưa từng có.

3-Graphene trong điện tử

Việc sử dụng các transistor dựa trên graphene có nghĩa là giá trị của Định luật Moore có thể kéo dài hơn rất nhiều. Kích thước dải sóng của transistor nhỏ hơn nhiều so với cái nó có thể hỗ trợ (so với transistor silicon thông thường), cùng với tính linh động của electron, sẽ làm cho tốc độ chuyển mạch với gia tốc nhanh. Do đó, về nguyên tắc có thể phát triển các bộ vi xử lý có khả năng chạy ở tần số cao và kích thước nhỏ gọn hơn.

Graphene làm linh kiện smartphone

Hiện tại, màn hình cảm ứng thường dựa vào sự kết tủa của oxit thiếc indium (ITO) trên bề mặt của chúng. Vật liệu trong suốt và dẫn điện này cho phép xác định các điểm tiếp xúc. Tuy nhiên, ITO là vật liệu khan hiếm trong tự nhiên – chất này nằm trong danh sách các nguyên liệu thô quan trọng của Liên minh Châu Âu. ITO rất giòn nên không thể áp dụng cho việc triển khai các thiết bị điện tử linh hoạt hiện đại. Ngoài ra,  ITO là một chất gây ô nhiễm, tác động đến môi trường.

Vì vậy, thay thế ITO bằng graphene sẽ có nghĩa là màn hình có thể được chế tạo với độ dẫn điện và độ trong suốt cao hơn. Nó cũng sẽ cho phép sản xuất màn hình cảm ứng có thể uốn cong. Tương tự như vậy, graphene có khả năng tăng hiệu suất quang điện, nhằm mục đích đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng lớn hơn. Các thử nghiệm trên diện rộng hiện nay, đang được thực hiện trên pin mặt trời perovskite pha tạp graphene. Chúng đã có thể đạt được hiệu suất chuyển đổi trên 26%.

      Pin mặt trời perovskite pha tạp graphene

Về mặt điều khiển nhiệt trong các hệ thống điện tử, graphene luôn là một đề xuất rất hấp dẫn. Với con số khoảng 4000-5000W/mK, nó có độ dẫn nhiệt lớn hơn đồng một bậc. Do đó, năng lượng nhiệt được tạo ra có thể được phân tán hiệu quả hơn, có nghĩa là cơ chế tản nhiệt sẽ ít hoạt động hơn để tản nhiệt cho không gian bo mạch. Điều này sẽ rất thuận lợi trong các ứng dụng mà phần cứng điện tử được bố trí dày đặc với nhau, chẳng hạn như trong các trung tâm dữ liệu. Cuối cùng, tính linh hoạt vốn có của graphene sẽ mang lại cho vật liệu nano có chỗ đứng trong thị trường phụ kiện điện tử, ví dụ như băng thông minh và hệ thống theo dõi bệnh nhân.

Góp phần tạo ra cho các công nghệ bán dẫn mới, như silicon-carbide (SiC) và gallium-nitride (GaN), graphene dự kiến ​​cũng sẽ có giá trị đáng kể trong việc cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử. Thông qua đó, các thế hệ tiếp theo của các thiết bị tiết kiệm điện sẽ được cải tiến về chức năng (chẳng hạn như MOSFET và IGBT), vì graphene có khả năng hoạt động với ngay cả những điều kiện khắc nghiệt nhất. Việc đưa graphene vào các điện cực của pin sẽ giúp giảm thời gian sạc và cũng cho phép hỗ trợ nhiều chu kỳ sạc hơn.

Sạc điện thoại chỉ mất 7s với công nghệ pin graphene

Mặc dù việc sử dụng graphene có triển vọng cách mạng hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau của kỹ thuật điện tử, những thách thức kỹ thuật lớn vẫn cần phải vượt qua. Vật liệu tổng hợp và lớp phủ có thể được chế tạo từ graphene nhiều lớp, mặc dù chất lượng kém hơn nhưng chúng tương đối dễ chế tạo cũng như đạt được những đặc điểm nổi bật. Tuy nhiên, để đạt được giá trị trong lĩnh vực điện tử, cần phải sản xuất được graphene một lớp chất lượng cao.

Mặc dù điều này có thể thực hiện được với số lượng nhỏ trong các phòng nghiên cứu, nhưng việc thực hiện nó với số lượng lớn vẫn đang gặp khó khăn. Điều này đã kìm hãm graphene, ngăn cản nó vượt ra khỏi thế giới lý thuyết và trở thành hiện thực thương mại. Các quá trình thể tích thường sử dụng một số dạng kết tủa hơi hóa học. Tuy nhiên, điều này còn xa lý tưởng, vì sau khi chế tạo, graphene phải được chuyển lên đế bán dẫn – dẫn đến nhiễm bẩn và các vấn đề về cấu trúc. Các phương pháp tốt hơn phải được tìm ra để chế tạo graphene ở quy mô lớn.

Hiện có rất nhiều tổ chức nghiên cứu khác nhau, cũng như các công ty tư nhân đang cố gắng phát triển các phương pháp hiệu quả để mở rộng quy mô chế tạo graphene, mà vẫn đảm bảo chất lượng của sản phẩm. Hy vọng những quá trình nghiên cứu đó khắc phục được các vấn đề hiện tại.

Với sự hỗ trợ tài chính trực tiếp từ Ủy ban Châu Âu, Graphene Flagship sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ graphene. Tập hợp các viện hàn lâm hàng đầu và các đối tác công nghiệp, cung cấp hỗ trợ cho các dự án nghiên cứu quan trọng với mục tiêu đẩy nhanh quá trình thương mại hóa.

Có nhiều cách khác nhau để chế tạo graphene khối lượng lớn hiện đang được nghiên cứu. Một trong những thứ đang được rất nhiều người chú ý hiện nay là flash graphene. Các phế phẩm có hàm lượng cacbon cao sẽ được tiếp xúc với mức nhiệt cực cao (trên 3000K) trong thời gian rất ngắn (dưới 10ms). Sự ‘flash‘ của nhiệt này làm cho tất cả các liên kết nguyên tử cacbon bị phá vỡ, sau đó làm lạnh nhanh sẽ hình thành thành các đơn lớp graphene riêng biệt.

Một điểm cộng nữa là các lớp này được đặt lệch với nhau nên dễ tách ra hơn. Vẫn còn là những ngày đầu, nhưng nếu quy trình này thành công, nó không chỉ cung cấp một phương tiện để sản xuất graphene quy mô lớn mà còn có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết nhu cầu ngày càng tăng về tái chế nhiều chất thải mà chúng ta tạo ra.

B2bmart.vn vừa giới thiệu đến bạn đọc một số thông tin về siêu vật liệu graphene. Hi vọng qua bài đọc trên sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn và có thể áp dụng chúng vào công việc của mình.