Chemistry Labs

Hoá học vật liệu

Ống nano cacbon, graphene, vật liệu 2D

Liên hệ kiểu liên kết cacbon và số chiều với tính chất điện tử, cơ học, quang học của ống nano, graphene và vật liệu mỏng nguyên tử.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácMột lớp cacbon, nhiều chiều cấu trúc

Hãy hình dung mạng lục giác cacbon. Để phẳng, đó là graphene; cuộn thành trụ, ta có ống nano. Độ cong hay cách xếp lớp làm thay đổi hướng truyền electron và nhiệt.

Vectơ chirality (n,m) xác định cách ghép tấm lục giác thành ống; ống đơn vách lý tưởng có thể kim loại hoặc bán dẫn tuỳ các chỉ số.

Phổ thôngCấu trúc và liên kết

Định nghĩa: Graphene

Một lớp nguyên tử cacbon lai hoá sp² trong mạng tổ ong. Liên kết σ tạo khung bền trong mặt phẳng; orbital p tạo các dải π phi định xứ.

Mỗi nguyên tử cacbon có ba láng giềng gần nhất. Trong graphene lý tưởng, các dải π và π* gặp nhau tại điểm Dirac, tạo bán kim loại vùng cấm bằng không chứ không phải bán dẫn thông thường.

Các kiến trúc cacbon
Cấu trúcSố chiều / đặc trưng
Graphene2D; dải Dirac
Ống nanoTruyền tải 1D; vùng cấm phụ thuộc chirality
Chồng vài lớpTương tác liên lớp đáng kể

Ví dụ: Phân loại ống nano

Lời giải

Trong mô hình gấp vùng lân cận gần nhất, nếu n−m chia hết cho 3 thì có giao dải và tính kim loại. Độ cong có thể mở vùng cấm nhỏ, ngoại trừ ống armchair; khuyết tật và tương tác thực cũng làm thay đổi quy tắc.

Đại họcChirality và cấu trúc điện tử

Ch=na1+ma2,qquadd=aπn2+nm+m2\mathbf C_h=n\mathbf a_1+m\mathbf a_2,\\qquad d=\frac{a}{\pi}\sqrt{n^2+nm+m^2}

Vectơ chirality khép mạng graphene quanh chu vi. Với hằng số mạng graphene a≈0,246 nm, đường kính suy ra từ độ lớn vectơ; các vectơ sóng tuần hoàn hoá theo chu vi giao với tán sắc graphene tạo các dải con.

Nâng caoVượt ra ngoài lớp lý tưởng đơn

Sàng lọc của đế, biến dạng, mép, mất trật tự, chất hấp phụ và cách xếp lớp đều làm biến đổi phổ. Siêu mạng moiré ở lớp kép xoắn có thể tạo dải hẹp và pha tương quan, nhưng góc xoắn không đồng nhất và các trật tự cạnh tranh gây khó diễn giải.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

  • Helical Microtubules of Graphitic Carbon · S. Iijima, 1991
  • Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films · K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, 2004
  • The Electronic Properties of Graphene · A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim, 2009
  • Moiré Bands in Twisted Double-Layer Graphene · R. Bistritzer, A. H. MacDonald, 2011