“Chất liệu thần kì” graphene có lẽ sắp có đối thủ cạnh tranh từ một nhóm chất liệu mới gọi là graphyne – theo những mô phỏng máy tính được thực hiện ở Đức. Giống như graphene, graphyne là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Nhưng trong khi graphene chỉ có thể tồn tại với cấu trúc mạng tổ ong, thì graphyne có thể có một số cấu trúc 2D khác nhau.
Bốn dạng carbon 2D khác nhau: (a) graphene, (b) α-graphyne, (c) β-graphyne và (d) 6,6,12-graphyne. (Ảnh: American Physical Society)
Nghiên cứu mới nhất này cho thấy graphyne có những tính chất điện tử khác lạ và có khả năng hữu ích được đặc trưng bởi những “hình nón Dirac”, cái từng được xem là chỉ có ở graphene. Thật vậy, một loại graphyne với cấu trúc mạng hình chữ nhật là đặc biệt hấp dẫn vì tác dụng của hình dạng của nó đối với các hình nón Dirac – cái có khả năng hữu ích trong việc phát triển những loại dụng cụ điện tử gốc carbon mới.
Kể từ khi graphene lần đầu tiên được tạo ra hồi năm 2004, các tính chất cơ điện độc đáo của nó liên tục khiến các nhà nghiên cứu thấy bất ngờ. Thật vậy, nhiều người khẳng định rằng graphene có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng, thậm chí còn thay thế silicon làm chất liệu điện tử học được chọn cho tương lai.
Những chi tiết hình nón kép
Những tính chất điện tử ngoại hạng của graphene có được là nhờ cấu trúc dải đặc trưng của nó với những chi tiết gọi là hình nón Dirac. Đây là những chi tiết hình nón kép trong cấu trúc dải của chất liệu 2D này trong đó dải dẫn và dải hóa trị gặp nhau tại một điểm ở mức Fermi. Hai dải tiến tới điểm này theo kiểu tuyến tính. Hệ quả là động năng hiệu dụng của các electron dẫn (và lỗ trống) tỉ lệ thuận với xung lượng của chúng.
Mối liên hệ khác lạ này thường chỉ nhìn thấy ở các photon, những hạt không có khối lượng, vì năng lượng của các electron và những hạt vật chất khác ở những vận tốc phi tương đối tính thường thể hiện một mối liên hệ căn bậc hai với xung lượng – nghĩa là năng lượng của chúng phụ thuộc vào bình phương của xung lượng của chúng. Kết quả là các electron trong graphene hành xử như thể chúng là những hạt tương đối tính không có khối lượng, và vì thế có đi xuyên qua chất liệu ở những tốc độ cực cao. Tính chất này có thể khai thác để chế tạo những transistor nhanh hơn bất kì transistor nào hiện có.
Chỉ có ở graphene ư?
Các nhà nghiên cứu từng nghĩ rằng hình nón Dirac chỉ có thể tồn tại ở graphene, nhờ cấu trúc tổ ong hình lục giác của nó. Nhưng nay Andreas Görling và các đồng sự tại trường Đại học Erlangen-Nürnberg vừa làm quan niệm này quay đầu 180 độ với việc tính được những tính chất điện tử của một nhóm chất liệu mới gọi là graphyne.
Graphyne là những miếng carbon 2D giống cấu trúc với graphene nhưng được tạo ra từ những nguyên tử carbon liên kết đôi và liên kết ba thay vì chỉ từ những liên kết đôi như ở graphene. Sự có mặt của liên kết ba có nghĩa là graphyne có thể tồn tại ở những dạng hình học khác với mạng lục giác của graphene. Trong công trình của họ, Görling và các đồng sự đã nghiên cứu cấu trúc dải của ba graphyne – α-graphene, β-graphene và 6,6,12-graphyne (xem hình) – sử dụng những phép tính lí thuyết hàm mật độ. Hai graphyne đầu có cấu trúc hình lục giác và graphyne thứ ba có hình chữ nhật, nhưng các kết quả cho thấy rõ ràng rằng cả ba graphyne đều có hình nón Dirac.
Theo Görling, 6,6,12-graphyne có thể còn bất ngờ hơn cả graphene vì hai lí do sau đây. Thứ nhất, nhờ hình dạng chữ nhật của nó, nên nó có những tính chất điện tử phụ thuộc hướng – nghĩa là chúng sẽ khác nhau theo những hướng khác nhau trong mặt phẳng chất liệu. Chẳng hạn, tính chất này có thể đưa đến một độ dẫn phụ thuộc vào hướng của dòng điện. Tính chất này không thấy có ở graphene, chất liệu (hầu như) là đẳng hướng trong mặt phẳng chất liệu. Sự phụ thuộc hướng như thế này có thể mang lại công dụng hữu ích trong các dụng cụ điện tử học nano trong tương lai.
Hai hình nón thì tốt hơn một
Thứ hai, graphyne dường như có hình nón Dirac khác nhau nằm phía trên và phía dưới mức Fermi một chút. “Điều này có nghĩa là graphyne ‘tự pha tạp’,” Görling nói, “và tự nhiên có chứa những hạt dẫn điện (electron và lỗ trống) mà không cần pha tạp chất ngoài – không giống như graphene.” Hệ quả là nó có thể dùng như một chất bán dẫn trong các dụng cụ điện tử.
Các nhà nghiên cứu hi vọng những tính toán của họ sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu khác chế tạo ra graphyne và nghiên cứu tính chất của nó trong phòng thí nghiệm. “Về lâu dài, nếu các chất liệu khác ngoài graphene có hình nón Dirac có thể được tạo ra, thì những chất liệu này có thể dùng trong các dụng cụ điện tử nano gốc carbon,” Görling bổ sung thêm. Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ mới có những mẩu cực kì nhỏ của graphyne từng được tạo ra trong phòng thí nghiệm.
Về phần mình, đội khoa học Erlangen-Nürnberg đang tiếp tục nghiên cứu những chất liệu thay thế graphene và đã sẵn sàng hợp tác với các nhà hóa học hữu cơ và nhà hóa lí với mục tiêu tạo ra những lượng lớn graphyne và những miếng carbon 2D mới khác.
Andre Geim thuộc trường Đại học Manchester ở Anh, người giành giải Nobel Vật lí 2010 cho việc khám phá ra graphene, phát biểu rằng graphyne là “một chất liệu cực kì hấp dẫn” và “nghiên cứu mới này làm tăng thêm hào hứng [cho các nhà nghiên cứu graphene]”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
