Nghiên cứu các tính chất điện của graphene ở cấp nguyên tử

  Mới đây, lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu từ Đại học Pennsylvania đã sử dụng một kính hiển vi tiên tiến để nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc hình học nguyên tử của một dải graphene và tính chất điện của nó.

Sự hiểu biết sâu sắc hơn về mối quan hệ này sẽ cần cho việc thiết kế mạch tích hợp dựa trên graphene, chip máy tính và các thiết bị điện tử khác.

Các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền điều chỉnh quang sai của Brookhaven, hay AC-TEM (aberration-corrected transmission electron microscope). Bằng cách tập trung chùm tia điện tử của kính hiển vi, các nhà nghiên cứu có thể cắt có kiểm soát tấm graphene thành các dải ruy băng có chiều rộng chỉ 10 nanomet, trong khi vẫn để chúng kết nối với nguồn điện bên ngoài kính hiển vi. Sau đó, họ có thể sử dụng độ phân giải cấp nano của AC-TEM để phân biệt các nguyên tử carbon đơn lẻ trong các dải ruy băng đó. Mức độ chính xác là cần thiết để xác định các nguyên tử carbon trên các cạnh của dải ruy băng nano được định hướng như thế nào.

"Chúng tôi liên hệ cấu trúc của graphene - sắp xếp nguyên tử của nó - với các tính chất truyền điện của nó", Drndic, nhà nghiên cứu chính, nói. "Đặc biệt, chúng tôi kiểm tra các cạnh để có thể xác định cấu trúc hình học của nó".

"Graphene giống như lưới mắt cáo và ta có thể cắt mạng các nguyên tử carbon hình lục giác này theo nhiều cách khác nhau, tạo ra các hình dạng khác nhau ở các cạnh", cô nói. "Nhưng nếu bạn cắt nó theo một cách, nó có thể hành xử giống như một kim loại, và nếu bạn cắt một cách khác, nó có thể giống với một chất bán dẫn hơn".

Đối với miếng graphene, mép của nó có thể là đỉnh nhọn hoặc cạnh phẳng của hình lục giác carbon. Trường hợp bên đỉnh quay ra ngoài, cạnh của nó có hình "zig-zag". Còn phẳng tạo ra hình "ghế bành" khi chúng ở trên mép. Một mép bất kỳ cũng có thể hiển thị một sự kết hợp hai hình, tùy thuộc vào cách mảnh graphene được cắt lúc đầu và cách mép đó làm giảm áp lực ra sao.

Do các dải băng nano graphene được kết nối với một nguồn điện khi ở trong AC-TEM, nên các nhà nghiên cứu có thể đồng thời theo dõi hình dạng của băng và đo độ dẫn điện của chúng. Điều này cho phép tạo ra mối tương quan giữa hai đại lượng.

"Ví dụ, nếu muốn sử dụng dải nano graphene trong chip máy tính, ta tuyệt nhiên cần phải có thông tin này", Johnson, một tác giả nghiên cứu khác, nói. "Người ta đã xem xét các dải băng dưới kính hiển vi, và có người đã đo các tính chất điện của chúng, nhưng chưa bao giờ cả hai thao tác này được thực hiện cùng một lúc".

Sau khi nghiên cứu các dải nano với các mức dòng điện tử tương đối thấp, các nhà nghiên cứu đã tăng dần mật độ, giống như điều chỉnh ánh sáng tăng dần cho bóng đèn. Kết hợp sự bắn phá điện tử từ kính hiển vi và số lượng lớn các điện tử đi qua các dải nano đã làm cho các cấu trúc của chúng dần dần suy giảm. Khi các liên kết carbon trong phạm vi dải nano bị phá vỡ, chúng trở nên mỏng hơn và hình dạng các cạnh của chúng thay đổi, cung cấp các dữ liệu bổ sung.

"Bằng cách làm mọi thứ trong kính hiển vi", Rodríguez-Manzo cho biết, "chúng tôi có thể dõi theo sự biến đổi này cho đến cùng, đo các dòng điện cho dải nano ngay cả khi chiều ngang của chúng nhỏ hơn 1 nanomet. Tức là chiều rộng bằng năm nguyên tử".

Loại thử nghiệm sức chịu đựng này là rất quan trọng cho thiết kế thiết bị điện tử graphene trong tương lai.

"Chúng ta phải xem dòng điện bao nhiêu có thể được truyền đi trước khi các dải nano tan vỡ. Dữ liệu của chúng tôi cho thấy rằng con số này cao so với đồng", Rodríguez-Manzo nói. Điều kiện khắc nghiệt cũng làm cho một số băng cuộn lại, tạo ra các vòng graphene cấp nano. Tình cờ, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các vòng này có các tính chất mong muốn.

"Khi các mép cuộn tròn lại và tạo thành các vòng", Johnson nói, "nó giúp giữ cấu trúc với nhau, và nó làm cho mật độ dòng điện cao hơn một nghìn lần so với các kết quả mới nhất đạt được. Cấu trúc đó có thể hữu ích trong việc làm các kết nối [là những đường dẫn điện kết nối các transistor với nhau trong mạch tích hợp]".

Nghiên cứu tương lai trong lĩnh vực này sẽ liên quan đến so sánh trực tiếp các tính chất điện của dải ruy băng nano graphene với chiều rộng và hình dạng mép khác nhau.

Khi có thể cắt các dải nano này theo từng nguyên tử một thì ta có thể làm được nhiều thứ hơn nữa, Drndic nhận xét.