Các nhà vật lý khám phá ra cách thay đổi cấu trúc tinh thể của graphene

Ba lớp graphene có thể được xếp chồng lên nhau theo hai cấu hình khác nhau, có thể xảy ra một cách tự nhiên trong cùng một lớp vật liệu và được phân cách bởi một biên giới rõ ràng.

Một nhóm các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cách thay đổi cấu trúc tinh thể của graphene, một phát hiện có thể đưa đến các bộ vi xử lý nhỏ hơn và nhanh hơn.

Một nhóm nghiên cứu do các nhà vật lý Ttrường Đại học Arizona (UA) đứng đầu đã phát hiện ra cách thay đổi cấu trúc tinh thể của graphene, được biết phổ biến hơn dưới dạng ruột bút chì, bằng một điện trường, một bước quan trọng hướng tới tiềm năng sử dụng graphene trong chế tạo các bộ vi xử lý nhỏ hơn và nhanh hơn so với công nghệ silic hiện nay.

Graphene bao gồm các lớp than chì cực mỏng: khi viết bằng bút chì, các lớp graphene bong ra khỏi ruột than chì của bút chì và bám vào giấy. Nếu đặt dưới kính hiển vi điện tử mạnh, graphene có cấu trúc giống như tấm các nguyên tử cacbon liên kết chéo, giống lưới thép mỏng.

Các nhà vật lý UA phát hiện ra rằng khi một điện trường được đưa vào, các phần của vật liệu chuyển đổi từ hành vi của một kim loại sang hành vi của một chất bán dẫn.

Graphene là vật liệu mỏng nhất thế giới (300.000 lớp graphene xếp chồng lên nhau có độ dày bằng một sợi tóc người hoặc một tờ giấy). Các nhà khoa học quan tâm đến loại vật liệu này vì các khả năng ứng dụng của nó trong các thiết bị vi điện tử, với hy vọng sẽ thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ thời đại silic sang thời đại graphene. Một khó khăn là việc kiểm soát dòng chảy của các điện tử trong vật liệu này, một điều kiện tiên quyết cần thiết để nó hoạt động trong bất kỳ loại mạch điện tử nào.

Sử dụng đầu nhọn bằng kim loại của kính hiển vi quét đường hầm, LeRoy và các cộng sự đã có thể di chuyển biên giới miền giữa hai cấu hình của graphene. Ảnh: Pablo San-Jose ICMM-CSI

Sử dụng đầu nhọn bằng kim loại của kính hiển vi quét đường hầm, LeRoy và các cộng sự đã có thể di chuyển biên giới miền giữa hai cấu hình của graphene.

Brian LeRoy, Phó Giáo sư Vật lý của UA và các cộng sự đã khắc phục được trở ngại đối với mục tiêu trên bằng cách tìm ra rằng một điện trường có khả năng kiểm soát cấu trúc tinh thể của graphene ba lớp.

Hầu hết các vật liệu cần đến nhiệt độ hay áp suất cao hoặc cả hai để thay đổi cấu trúc tinh thể của chúng, đó là lý do tại sao than chì không tự biến đổi thành kim cương hay ngược lại.

Ba lớp của Graphene có thể được xếp chồng lên nhau theo hai cách duy nhất. Điều này tương tự như việc xếp chồng các lớp bóng bi-a trong một mạng tam giác, với các quả bóng tượng trưng cho các nguyên tử cacbon.

“Khi bạn xếp chồng hai lớp bóng bi-a, “cấu trúc tinh thể” của chúng cố định vì lớp bóng trên phải nằm trên các lỗ hổng được hình thành bởi các hình tam giác của lớp bóng dưới,” Matthew Yankowitz, tác giả đầu tiên của nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Nature Materials, giải thích. “Lớp bóng thứ ba có thể được xếp chồng lên theo cách mà các quả bóng của lớp này nằm thẳng trên các quả bóng ở lớp dưới, hoặc nó có thể dịch chuyển một chút để các quả bóng của lớp này nằm trên các lỗ hổng được hình thành bởi các hình tam giác của lớp dưới”.

Hai kiểu xếp chồng lên nhau này có thể tồn tại một cách tự nhiên trong cùng một lớp mỏng graphene. Hai miền này được phân cách bởi một biên giới rõ ràng, ở đó các hình lục giác cacbon bị biến dạng để thích ứng với quá trình chuyển đổi từ mô hình xếp chồng này sang mô hình xếp chồng khác.

“Do các hình dạng xếp chồng khác nhau ở hai mặt của vách miền nên một mặt của vật liệu hoạt động như một kim loại, trong khi mặt bên kia hoạt động như một chất bán dẫn”, LeRoy giải thích.

Trong khi thăm dò vách miền bằng một điện trường, được đưa vào qua đầu nhọn bằng kim loại của kính hiển vi quét đường hầm, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể di chuyển vị trí của vách miền trong lớp màng này của graphene. Và khi họ di chuyển vách miền, cấu trúc tinh thể của graphene 3 lớp thay đổi theo vết sóng của nó.

Bằng cách đưa vào một điện trường để di chuyển biên giới miền, các nhà khoa học có thể lần đầu tiên thay đổi cấu trúc tinh thể của graphene một cách có kiểm soát.

Trong khi cần nghiên cứu thêm trước khi graphene có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ trên quy mô công nghiệp, các nhà nghiên cứu cần xem cách thức loại vậy liệu này có thể được sử dụng.

Bóng bán dẫn là một yếu tố chính của các mạch điện tử vì chúng kiểm soát dòng chảy của các điện tử. Không giống như các bóng bán dẫn silic hiện nay, bóng bán dẫn graphene có thể rất mỏng, làm cho các thiết bị nhỏ hơn nhiều, và vì các điện tử chuyển động trong bóng bán dẫn bằng graphene nhanh hơn nhiều so với chuyển động trong bóng bán dẫn bằng silic, các thiết bị này sẽ cho phép máy tính tính toán nhanh hơn. Ngoài ra, bóng bán dẫn silic đang được sản xuất hoạt động theo một trong hai loại - loại p hay loại n - trong khi bóng bán dẫn graphene có thể hoạt động theo cả hai loại. Điều này sẽ làm cho chúng có giá thành thấp hơn và linh hoạt hơn trong các ứng dụng.

Theo Vista.gov.vn