Electron sống bao lâu trong graphene?

Cùng với các đồng sự quốc tế, các nhà khoa học tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) đã vừa bổ sung thêm một thành phần quan trọng nữa hướng tới việc hiểu rõ chất liệu graphene; một chất liệu hiện nay nhận được rất nhiều sự chú ý: Họ đã xác định thời gian sống của các electron trong graphene ở những ngưỡng năng lượng thấp. Thời gian sống này có liên quan mật thiết với sự phát triển tương lai của những bộ phận điện tử và quang điện tử hoạt động nhanh. Kết quả công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Nghiên cứu graphene thực hiện với Laser Electron Tự do tại HZDR. Ảnh: AlexanderAIUS / HZDR

Sau khi khám phá ra graphene giành nó sắp xếp thành hình lục giác kiểu như tổ ong – cũng rất hấp dẫn đối với ứng dụng làm điện cực trong suốt cho màn hình phẳng và pin mặt trời. Theo nhà nghiên cứu HZDR, tiến sĩ Stephan Winnerl, graphene có thể thay thế kim loại hiếm công nghệ cao indium trong lĩnh vực này.

Với những khoản tài trợ từ Chương trình Ưu tiên “Graphene” của Quỹ Nghiên cứu Đức và từ Liên minh châu Âu, Stephan Winnerl và các đồng sự của ông tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), cùng với các nhà khoa học ở Technische Universität (TU) Berlin, Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Grenoble, và Viện Công nghệ Georgia ở Mĩ, đã xác định thành công “thời gian sống” của các electron trong graphenen ở những ngưỡng năng lượng thấp chưa từng được nghiên cứu trước đây.

Hành trạng đặc trưng của các electron ở những ngưỡng năng lượng nhất định thường được tìm thấy trong chất rắn là một trong nhiều tính chất vật lí trong đó graphene khác về cơ bản với đa số những chất liệu khác. Thông thường, các electron chỉ có thể nhận những mức năng lượng nhất định (những mức này được gọi là dải năng lượng), chứ không nhận những mức khác (những mức này gọi là khe năng lượng). Nguyên lí này được sử dụng, chẳng hạn, cho những bộ phận quang điện tử như diode phát quang phát ra ánh sáng ở những bước sóng rất đặc biệt. Đây là năng lượng giải phóng khi các electron “nhảy” qua các khe năng lượng.

Nhưng hành trạng của graphene khác với những chất bán dẫn khác. Dải năng lượng của chúng xếp sít nhau mà không có khe trống nào. Thay vì phát ra ánh sáng, graphene có khả năng hấp thụ bức xạ thuộc năng lượng thấp dưới vùng phổ nhìn thấy, ví dụ như ánh sáng terahertz và ánh sáng hồng ngoại, khiến nó là chất liệu tuyệt vời cho các máy dò.

Để có thể phát triển những bộ phận điện tử và quang điện tử hoạt động nhanh dựa trên graphene, người ta phải biết chính xác các electron “nấn ná” bao lâu ở những mức năng lượng nhất định. Việc khảo sát những quá trình như thế, xảy ra trong ngưỡng pico giây, tức là cỡ thời gian một phần triệu của một phần triệu của một giây, đòi hỏi những phương pháp quan sát cực nhanh. Nét độc đáo của các thí nghiệm tiến hành tại Helmholtz-Zentrum ở Dresden là phơi mẩu graphene trước ánh sáng có bước sóng dài hơn trước đây. Công việc này được thực hiện qua những xung bức xạ ngắn của Laser Electron Tự do (FEL) của HZDR. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể khảo sát thời gian sống của các electron ở gần điểm tiếp xúc của các dải năng lượng vốn là tính chất vật lí đặc trưng của graphene.

FEL kích thích mẩu graphene với ánh sáng có những bước sóng khác nhau trong vùng hồng ngoại. Các nhà nghiên cứu phát hiện thấy năng lượng của các hạt ánh sáng kích thích các electron đồng thời kích thích các dao động của mạng nguyên tử ảnh hưởng đến thời gian sống của các electron. Nếu năng lượng của các hạt ánh sáng lớn hơn năng lượng của các dao động mạng, thì các electron sẽ thay đổi trạng thái năng lượng của chúng nhanh hơn và có thời gian sống ngắn hơn. Ngược lại, các electron sẽ nấn ná lâu hơn ở một mức năng lượng nhất định nếu năng lượng kích thích thấp hơn năng lượng của các dao động mạng.

Kiến thức thu từ những thí nghiệm trên được chứng minh bằng những phép tính trên mô hình ở trường TU Berlin. Những phép tính này cho phép gán rõ ràng dữ liệu thực nghiệm cho các cơ chế vật lí trong graphene. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một đóng góp có giá trị hướng đến hiểu rõ hơn các tính chất điện tử và quang học của graphene.

Tham khảo: Winnerl, S.; Orlita, M.; Plochocka, P; Kossacki, P.; Potemski, M.; Winzer,T.; Malic, E.; Knorr, A.; Sprinkle, M.; Berger, C.; de Heer, W. A.; Schneider, H.; & Helm, M. (2011). Carrier dynamics in epitaxial graphene close to the Dirac point. Physical Review Letters 107, 237401, DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.237401

Nguồn: Hội Helmholtz – Trung tâm Nghiên cứu Đức