Graphene (lá graphite), một chất than mới được khám phá với những tính chất vật lí cơ bản mới lạ, mang đến nhiều ứng dụng thiết thực trong công nghiệp điện tử.
Đặc điểm thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học là những miếng graphene này có độ dày là 1 nguyên tử, là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu hiện có, cấu trúc bền vững ngay cả ở nhiệt độ bình thường. Ở dạng tinh khiết, graphene dẫn điện nhanh hơn bất cứ chất nào khác ở nhiệt độ bình thường. Hơn nữa, các electron đi qua graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt. Bản thân graphene cũng là chất dẫn nhiệt, cho phép nhiệt đi qua và phát tán rất nhanh.
Graphene dễ chế tạo và dễ thay đổi hình dạng, vì thế có thể sử dụng nhiều trong việc chế tạo các vật dụng cần các chất liệu tinh vi, dẻo. Các nhà vật lý đã bắt đầu sử dụng graphene trong phòng thí nghiệm để chế tạo transistor và thử nghiệm các hiện tượng lượng tử ở nhiệt độ bình thường.
Cấu trúc graphene là cấu trúc đơn lớp của các nguyên tử carbon, dưới kính hiển vi điện tử, graphene có hình dáng của một màng lưới, có thể xem graphene như thành phần cơ bản tạo nên các cấu trúc khác nhau của carbon như fullerene, carbon nanotube, graphite.
Sự ra đời của Graphene
Theo thống kê từ CSDL sáng chế, tính từ năm 1992 đến nay đã có gần 400 sáng chế (SC) về graphene được đăng ký bảo hộ ở các quốc gia trên thế giới. Trước khi tìm ra graphene, các nhà khoa học đã nhiều lần thất bại khi cố tách những miếng mỏng graphene từ graphite. Ban đầu, người ta dùng một thủ thuật hóa học gọi là chemical exfoliation – tức là chèn nhiều phân tử hóa học vào giữa những phiến graphene để cậy nó ra. Tuy nhiên cái mà họ có được chỉ là những mảng bầy nhầy như nhọ nồi. Từ đó không ai dùng kĩ thuật này để lấy graphene nữa. Sau đó, các nhà khoa học đã áp dụng một kĩ thuật trực tiếp hơn, gọi là micromechanical cleavage (cắt vi cơ), tách graphite thành những miếng mỏng bằng cách nạo hoặc chà graphite vào một mặt phẳng khác, từ đó có thể gỡ những miếng graphite với độ dày khoảng 100 nguyên tử. Bằng cách này thì năm 1990, các nhà vật lý người Đức ở RWTH Aachen Univrsity đã lấy được những miếng graphite mỏng đến độ trong suốt.
Khoảng 10 năm sau đó, không có một tiến bộ nào đáng kể. Mặc dầu họ có thể lấy được những miếng mỏng khoảng vài mươi nguyên tử, nhưng đó chỉ là những miếng graphite mỏng, không phải graphene. Lúc đó, không ai nghĩ graphene có thể hiện diện được trong thiên nhiên.
Cho đến năm 2004, Andre K. Geim và đồng nghiệp tại đại học Manchester ở Anh tình cờ tìm ra được một cách mới để tạo ra graphene. Họ dán những mảnh vụn graphite trên một miếng băng keo, gập dính nó lại, rồi kéo dật ra, tách miếng graphite làm đôi. Họ cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng graphite trở nên thật mỏng, sau đó dán miếng băng keo lên silicon xốp và ma sát nó. Vài miếng graphite dính trên miếng silicon xốp, và những mảnh đó thường có bề dày là 1 nguyên tử. Một miếng graphite dày 1 nguyên tử thì không thể nhìn thấy được, nhưng tiến sĩ Geim thấy được rằng 1 miếng graphite tạo ra 1 cầu vồng nhiều sắc màu rực rỡ. Đến nay, quan sát bằng kính hiển vi, qua màu sắc, các nhà nghiên cứu có thể biết được độ dày của miếng graphite. Một miếng graphite dày hơn 100 lớp (màu vàng), dày 40 đến 30 lớp (màu xanh dương), dày khoảng 10 lớp (màu hồng) hoặc chỉ là 1 lớp đơn – chính là graphene (màu hồng nhạt, hầu như không thấy được). Tiến sĩ Geim nói ông nghĩ các nhà nghiên cứu trước đây đã sản xuất ra được graphene nhưng đơn giản là không nhìn thấy được graphene mà thôi.
Tương lai cho ngành công nghiệp điện tử
Sự ra đời của transistor năm 1947 đã phần nào giải quyết được vấn đề tiêu hao năng lượng trong hầu hết các thiết bị điện tử được thiết kế theo công nghệ bóng chân không. Transistor cũng là những viên gạch làm nên nhân của tất cả các bộ vi xử lý mà chúng ta từng biết. Số lượng transistor trong bộ vi xử lý càng lớn, tốc độ xử lý càng tăng. Năm 1961, hai kỹ sư điện tử người Mỹ là Jack Kilby và Robert Noyce, đã tạo ra chip silicon. Sáng chế này đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ điện tử theo xu hướng “nhỏ” hóa mọi thứ, đồng thời đặt tiền đề cho sự phát triển của ngành máy tính hiện đại, tác động lớn đối với cuộc sống của con người trong hơn nửa thế kỷ qua.
Hiện nay, công nghệ bán dẫn dùng cát để tạo nên các wafer silicon. Những công ty lớn như đã dự tính giảm kích thước của vi mạch điện tử xuống còn khoảng 10 nanomét - nhỏ hơn 10.000 lần so với sợi tóc người. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng, sẽ rất khó thực hiện các vi mạch với kích thước nhỏ hơn 10 nanomét bởi ở giới hạn này đã bắt đầu xuất hiện sự rò rỉ electron. Ngoài ra, tốc độ xử lý dữ liệu của máy tính ngày càng tăng nhưng vẫn chỉ có thể tiến tới một mức nhất định vì những giới hạn của silicon, trong đó có vấn đề tỏa nhiệt. Do đó, các nhà khoa học hi vọng rằng đến năm 2020, con người có thể tạo được được vật liệu có thể thay thế silicon.
Sự xuất hiện của graphene đã mở ra hy vọng cho ngành điện tử vượt qua rào cản này. Với cấu trúc phân tử phẳng - chỉ dày bằng một nguyên tử và rất bền vững, graphene đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn vào trong các mạch điện tử để tạo ra những transistor kích thước phân tử. Graphene có nhiều ưu điểm hơn silicon nhờ tính dẫn điện tốt hơn khoảng 10 lần, và điều quan trọng là những transistor này sẽ có thể hoạt động tại nhiệt độ thường, đó là yêu cầu cơ bản nhất của ngành điện tử.
Theo tiến sĩ De Heer - Đại học Georgia Tech: “Transitor sử dụng silicon có tốc độ xử lý giới hạn tối đa, cố gắng có thể đạt được tốc độ đó nhưng không thể nhanh hơn nữa - hiện nay, đến mức độ gigahertz thì silicon không thể tăng thêm được, nhưng với graphene, tốc độ có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz, và điều đó sẽ rất tuyệt”.
Hiện nay, graphene là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng của ngành điện tử và bán dẫn bởi nó có tính dẫn điện cao, và hơn hết theo như phỏng đoán thì với kích thước càng nhỏ, hiệu quả hoạt động của nó càng cao. Cấu trúc nguyên tử của graphene làm cho nó trở nên độc nhất và có sức cuốn hút không thể cưỡng lại được
Với tiềm lực kinh tế chính trị to lớn, Mỹ luôn là quốc gia có số lượng sáng chế đăng ký bảo hộ lớn nhất với 174 sáng chế. Hiện nay, hầu hết các trường đại học ở Mỹ đều có người nghiên cứu về graphene.
Một số ứng dụng quan trọng khác
Cấu trúc và sự gắn kết của graphene giúp cho nó bền vững và trong suốt như kim cương nhưng cũng có thể tạo ra điện – điều mà các loại kim cương không thể làm được. Chất liệu này thật lý tưởng cho các thiết bị điện.
Graphene có thể được sử dụng ở các máy tính, đồ điện tử, các thiết bị nano, và các máy cảm ứng nano. Do graphene có tính dẫn điện nên nó rất lý tưởng để chế tạo ra các màn hình cảm ứng, như những gì chúng ta đã chế tạo ra ở nhiều loại điện thoại động. Hiện tại, hầu hết màn hình cảm ứng đều dựa trên lớp màng mỏng ITO (Indium Tin Oxide). Tuy nhiên indium là một nguyên tố rất hiếm có và một số nhà nghiên cứu đã tính toán rằng nguồn cung cấp indium của thế giới có thể bị cạn kiệt trong vòng 10 năm nữa.
Màn hình tinh thể lỏng có thể sẽ là ứng dụng thực tiễn đầu tiên từ vật liệu mới graphene mà chúng ta biết đến. Các nhà nghiên cứu người Anh đã chế tạo ra một màn hình tinh thể lỏng tí hon bằng cách sử dụng một loại chất liệu trong suốt bền vững hơn cả kim cương và chỉ dày bằng một nguyên tử. Màn hình tinh thể lỏng được làm từ chất liệu graphene một ngày nào đó có thể được ứng dụng vào mọi thứ từ màn hình cảm ứng của điện thoại di động đến ti vi. Tuy nhiên, để làm được điều này thì các nhà khoa học cần chế tạo ra một lượng lớn vật liệu graphene chất lượng cao, và phải điều khiển được cấu trúc bề mặt.
Một loại vật liệu mới gọi là “giấy” oxide graphene cũng đã được tạo ra, nó có thể gấp được, vò được và ở một mức độ nào đó có thể co dãn được. Mặc dù có cùng độ dày như giấy thường nhưng nó rất dai và cực kỳ bền. Các nhà khoa học tin rằng loại vật liệu mới này có thể thích hợp cho các ứng dụng như lưu trữ phân tử, các vật dẫn ion và các siêu tụ điện. Một điều quan trọng là, loại giấy này có thể được điều chỉnh thành phần hóa học bằng việc thay đổi lượng oxy trên các lớp. Chẳng hạn, việc giảm lượng oxy sẽ có thể biến nó từ một vật cách điện thành một vật dẫn điện tốt. Hơn nữa, loại giấy này có thể được pha trộn với các polymer, gốm và kim loại để tạo ra các vật liệu tổ hợp mới.
Bằng cách cho khí hydro đi qua một luồng phóng điện, tạo ra các nguyên tử hydro, những nguyên tử này sau đó sẽ lắng về phía một mẫu vật graphene và liên kết với các nguyên tử cacbon của nó, một nhóm các nhà khoa học tại đại học Manchester, Anh đã tạo ra graphane, vật liệu mới có khả năng vừa là một chất dẫn có thể giữ vai trò rất hữu ích để chế tạo ra các linh kiện điện tử dựa trên graphene, vừa có khả năng tích trữ nhiên liệu hydro ở các phương tiện giao thông để giúp các phương tiện chạy bằng hydro có thể chạy lâu hơn trước khi phải nạp lại nhiên liệu. Tuy nhiên, phương pháp này không hề đơn giản. Phức tạp ở chỗ đầu tiên các phân tử hydro phải được phá vỡ thành các nguyên tử và quy trình này thường đòi hỏi nhiệt độ cao, có thể làm biến đổi hoặc phá hủy cấu trúc tinh thể của graphene.
Kết luận
Mặc dù công nghệ dùng graphene để sản xuất vi mạch hoàn toàn tương tự như công nghệ dùng silicon nhưng để đến được sự xuất hiện của graphene trong vi mạch điện tử, chúng ta phải mất khoảng 10 năm nữa. Tuy nhiên, kể từ lúc graphene được phát hiện cách đây không lâu thì các nhà khoa học trên thế giới đã tiến được một bước khá dài.
Với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử và việc nghiên cứu chế tạo graphene, thì các nhà sản xuất các thiết bị vi xử lý như Intel, AMD hy vọng có thể đưa hàng triệu transistor vào trong một chíp đa lõi, đồng thời giá bán của chúng rẻ hơn rất nhiều chỉ bằng một phần triệu giá vào năm 1968.
Hewlett - Packard, IBM, và Intel (hãng tài trợ hoạt động của TS. De Heer) đều đang chuẩn bị để sử dụng graphene cho sản phẩm của mình. Hứa hẹn một cuộc cách mạng mới trong ngành công nghiệp điện tử.