Graphene hai lớp là chất cách điện

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học California, Riverside, vừa nhận ra một tính chất của “graphene hai lớp” (BLG) mà theo họ là tương tự với việc tìm thấy boson Higgs trong ngành vật lí hạt cơ bản.

Graphene, chất liệu đàn hồi mỏng nhất của tự nhiên, là một tấm dày một nguyên tử gồm những nguyên tử carbon sắp xếp trong một mạng hình lục giác. Do cấu trúc phẳng và dạng lưới thép của graphene nên những tấm graphene có xu hướng tự xếp thành chồng.

BLG hình thành khi hai tấm graphene chồng lên theo một kiểu đặc biệt. Giống như graphene, BLG có khả năng mang dòng điện cao, còn gọi là độ dẫn điện cao. Khả năng mang dòng điện cao là do vận tốc cực cao mà các electron có thể có trong một tấm graphene.

Các nhà vật lí đã công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, số ra online ngày 22/01 rằng trong khi nghiên cứu các tính chất của BLG họ tìm thấy khi số lượng electron trên tấm BLG gần bằng 0, thì chất liệu trở nên cách điện (nghĩa là cản trở dòng điện đi qua) – một kết quả có những gợi ý sử dụng graphene làm chất liệu điện tử trong ngành công nghiệp chất bán dẫn và điện tử học.

Ảnh minh họa cấu trúc graphene hai lớp. Hạt màu xanh biểu diễn nguyên tử carbon. Ảnh: Lau lab, UC Riverside

“BLG trở nên cách điện và các electron của nó tự tổ chức một cách tự phát khi số lượng của chúng là nhỏ,” phát biểu của Chun Ning (Jeanie) Lau, phó giáo sư vật lí và thiên văn học, tác giả đứng tên đầu của bài báo trên. “Thay vì chuyển động lòng vòng một cách ngẫu nhiên, các electron chuyển động theo một kiểu có trật tự. Đây được gọi là ‘sự phá vỡ đối xứng tự phát’ trong vật lí học, và là một khái niệm rất quan trọng vì chính nguyên lí này đã ‘phú’ khối lượng cho các hạt trong ngành vật lí năng lượng cao.”

Lau giải thích rằng một chất dẫn điện tiêu biểu có số lượng electron rất lớn, chúng chuyển động lòng vòng một cách ngẫu nhiên, na ná như một buổi tiệc có mười nghìn quan khách không được sắp xếp chỗ ngồi tại các bàn ăn. Tuy nhiên, nếu bữa tiệc chỉ có bốn người khách thì các vị khách sẽ phải giao tiếp với nhau và ngồi vào một bàn. Tương tự như vậy, khi BLG chỉ có vài electron thì các tương tác làm cho các electron đó hành xử theo một kiểu có trật tự.

Hạt lượng tử mới

Allan MacDonald ở khoa vật lí, trường Đại học Texas, Austin, đồng tác giả của bài báo trên, lưu ý rằng đội của ông đã đo khối lượng của một loại hạt lượng tử nặng mới chỉ có thể tìm thấy bên trong các tinh thể BLG.

“Cơ sở vật lí mang lại khối lượng cho những hạt này rất gần với cơ sở vật lí làm cho khối lượng của một proton bên trong hạt nhân nguyên tử lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của các quark tạo thành nó,” ông nói. “Tuy nhiên, hạt lượng tử của đội chúng tôi cấu tạo từ electron, chứ không phải các quark.”

Ảnh chụp hiển vi điện tử quét của một tấm graphene (màu đỏ) lơ lửng giữa hai điện cực. Chiều dài của tấm graphene là khoảng 1/100 bề rộng của một sợi tóc người. Ảnh: Lau lab, UC Riverside

MacDonald giải thích rằng thí nghiệm mà đội nghiên cứu đã tiến hành được thúc đẩy bởi công trình lí thuyết dự đoán trước rằng những hạt mới sẽ xuất hiện từ biển electron của một tinh thể BLG.

“Giờ thì những hạt dự đoán ấy đã được tìm thấy, những thí nghiệm trong tương lai sẽ giúp dàn xếp một cuộc tranh cãi lí thuyết đang diễn ra về những tính chất của chúng,” ông nói.

Những ứng dụng thực tế

Một kết quả quan trọng của nghiên cứu là “khe năng lượng” nội tại trong BLG tăng lên khi từ trường tăng lên.

Trong vật lí chất rắn, khe năng lượng (hay dải khe) ám chỉ một vùng năng lượng trong chất rắn không có trạng thái electron nào có thể tồn tại. Nói chung, kích cỡ của khe năng lượng của một chất liệu xác định nó là kim loại (không có khe), chất bán dẫn (khe nhỏ) hay chất cách điện (khe lớn). Sự có mặt của khe năng lượng trong silicon là cái thiết yếu đối với ngành công nghiệp bán dẫn vì, đối với các ứng dụng kĩ thuật số, các kĩ sư cần chỉnh dụng cụ của họ ‘on’ hay dẫn điện, và ‘off’ hay cách điện.

Tuy nhiên, graphene đơn lớp (SLG) thì không có khe năng lượng, và không thể hoàn toàn ngắt điện vì cho dù số electron trên SLG là bao nhiêu, nó luôn luôn giữ tính kim loại và là một chất dẫn điện.

“Đây là nhược điểm rất lớn khi nhìn từ quan điểm điện tử học,” Lau nói. “Mặt khác, BLG thật sự có thể ngắt điện hoàn toàn. Nghiên cứu của chúng tôi mới ở giai đoạn đầu, và, hiện nay, dải khe vẫn còn quá nhỏ cho những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, cái hết sức thu hút là nghiên cứu này đề xuất một lộ trình đầy triển vọng – graphene ba lớp và graphene bốn lớp, chúng có khả năng có những khe năng lượng lớn hơn nhiều có thể dùng cho các công nghệ kĩ thuật số và hồng ngoại. Chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu với những chất liệu này.”

Tham khảo: http://www.nature. … 011.251.html

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: Đại học California - Riverside

Bài trước | Bài kế tiếp