Chế tạo thành công graphene áp điện

Trong cái gọi là “kĩ thuật băng dính Scotch”, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã trích xuất ra graphene với một miếng băng dính hồi năm 2004. Graphene là một lớp nguyên tử carbon sắp xếp thành hình lục giác, kiểu tổ ong. Nó trông na ná như lưới thép.

Graphene là một chất liệu thần kì. Nó dẫn điện tốt gấp 100 lần silicon. Nó còn bền hơn cả kim cương. Và, chỉ dày một nguyên tử, nó mỏng đến mức về cơ bản nó là một chất liệu hai chiều. Những tính chất vật lí đầy triển vọng như thế khiến graphene trở thành chất liệu được nghiên cứu nhiều nhất trong thập niên vừa qua, nhất là trong lĩnh vực công nghệ nano. Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên tách ra graphene đã giành về Giải thưởng Nobel vật lí năm 2010.

Nhưng, trong khi graphene có nhiều tính chất lạ, nó lại không có tính áp điện. Áp điện là tính chất của một số chất liệu tạo ra điện tích khi bị bẻ cong, bị nén hoặc bị xoắn. Có lẽ quan trọng hơn, áp điện là có tính thuận nghịch. Khi tác dụng một điện trường, chất áp điện thay đổi hình dạng, mang lại mức độ điều khiển kĩ thuật hấp dẫn.

Tính áp điện có ứng dụng trong vô số dụng cụ từ đồng hồ đeo tay, radio và siêu âm cho đến nút đánh lửa trên vỉ nướng propane, nhưng những ứng dụng này đều đòi hỏi những lượng tương đối lớn, ba chiều của chất liệu áp điện.

Nay trong một bài báo đăng trên tạp chí ACS Nano, hai kĩ sư vật liệu học tại trường Đại học Stanford đã mô tả cách thức họ đưa tính áp điện vào graphene, lần đầu tiên mở rộng sự điều khiển vật lí tinh tế như thế đến cấp bậc nano.

Hình minh họa các nguyên tử lithium (màu đỏ) hút bám vào một lớp graphene để tạo ra điện tích khi graphene bị bẻ cong, bị nén hoặc bị xoắn. (Ảnh: Mitchell Ong, Stanford School of Engineering

Straintronics

“Những biến dạng vật lí chúng tôi có thể tạo ra tỉ lệ thuận với điện trường tác dụng và kết quả này thể hiện một phương thức mới cơ bản để điều khiển cơ sở điện tử học ở thang bậc nano,” phát biểu của Evan Reed, trưởng Nhóm Lí thuyết và Tính toán Vật liệu tại Stanford và là tác giả của nghiên cứu trên. “Hiện tượng này mang đến một hướng phát triển mới cho khái niệm ‘điện tử học sức căng’ (straintronics) sử dụng điện trường làm căng – hoặc làm biến dạng – mạng tinh thể carbon, làm cho nó thay đổi hình dạng theo những kiểu có thể lường trước.”

“Graphene áp điện có thể mang lại một mức độ điều khiển điện, quang, hoặc cơ học không gì sánh kịp cho những ứng dụng đa dạng từ màn hỉnh cảm ứng đến transistor cỡ nano,” phát biểu của Mitchell Ong, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ ở phòng thí nghiệm của Reed và là tác giả đứng tên đầu của bài báo trên.

Sử dụng một ứng dụng mô phỏng phức tạp chạy trên những siêu máy tính hiệu năng cao, các kĩ sư đã mô phỏng sự lắng của các nguyên tử trên một phía của mạng graphene – một quá trình gọi là pha tạp – và đã đo hiệu ứng áp điện đó.

Họ đã mô phỏng graphene pha tạp lithium, hydrogen, potassium và fluorine, cùng với sự kết hợp của hydrogen và fluorine, lithium và fluorine ở mỗi bên của mạng tinh thể. Việc chỉ pha tạp một phía của graphene, hay pha tạp cả hai phía với hai loại nguyên tử khác nhau, là cái thiết yếu đối với quá trình trên vì nó phá vỡ sự đối xứng vật lí hoàn hảo của graphene, cái nếu không sẽ triệt tiêu mất hiệu ứng áp điện.

Các kết quả khiến cả hai kĩ sư đều thấy bất ngờ.

“Chúng tôi đã nghĩ hiệu ứng áp điện sẽ có mặt, nhưng tương đối nhỏ. Nhưng, chúng tôi đã có thể thu được mức độ áp điện có thể sánh với những chất liệu ba chiều truyền thống,” Reed nói.

Kiểu thiết kế áp điện

“Chúng tôi còn có thể điều chỉnh tinh vi hiệu ứng trên bằng cách định hình pha tạp graphene – đặt có chọn lọc các nguyên tử vào những chỗ nhất định và không đặt vào những chỗ khác,” Ong nói. “Chúng tôi gọi nó là kiểu thiết kế áp điện vì nó cho phép chúng tôi điều khiển có chiến lược nơi nào, khi nào và bao nhiêu đối với sự biến dạng graphene bằng cách tác dụng một điện trường với những gợi ý triển vọng cho kĩ thuật chế tạo.”

Trong khi việc thu được graphene áp điện là đáng khích lệ, thì các nhà nghiên cứu tin rằng kĩ thuật của họ còn có thể sử dụng để xử lí tính áp điện ở ống nano và những vật liệu nano khác với những ứng dụng đa dạng từ điện tử học, quang học lượng tử, và khai thác năng lượng cho đến sự cảm biến hóa chất và âm học cao tần.

“Chúng tôi hiện đang khảo sát những dụng cụ áp điện mới dựa trên những chất liệu 2D và thấp chiều khác, hi vọng chúng có thể mở ra những khả năng mới và kịch tính trong lĩnh vực công nghệ nano,” Reed nói.

Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Stanford School of Engineering