Phương pháp phân tách pha lỏng

28 
Hình 1.12: Quá trình phân tách graphit thành những tấm mỏng graphen thực hiện 
trong dung môi N-methylpyrrolidon [37]. 
2.3.4. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) 
Việc tổng hợp vật liệu graphen đa lớp đã được thực hiện trên một số kim loại 
chuyển tiếp cách đây khoảng gần 50 năm. Thực tế, khái niệm cacbon kết hợp với 
các vật liệu khác và quá trình lắng đọng cacbon trên bề mặt kim loại để hình thành 
cấu trúc graphit lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1896. Các lớp graphit đầu tiên 
được quan sát trên bề mặt của đế Ni. Theo đó một loạt các kim loại chuyển tiếp như 
Ru, Ir, Co, Re, Pt, Pd và Cu cũng đã được sử dụng như là vật liệu xúc tác để tổng 
hợp vật liệu graphen. Lớp màng graphen được tổng hợp sẽ lắng đọng lên trên bề 
mặt của các kim loại thông qua sự phân ly hydrocacbon và sự lắng đọng cacbon trên 
bề mặt của kim loại. Gần đây rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tập trung tổng 
hợp vật liệu graphen với vật liệu xúc tác là Ni và Cu. Đối với Ni, nguồn 
hydrocacbon sau khi bị phân huỷ và lượng cacbon thâm nhập cũng như bám trên bề 
mặt đế dễ dàng hơn. Chính vì vậy khả năng để tổng hợp lớp màng graphen trên bề 
mặt Ni cũng thuận lợi. Tuy nhiên, giới hạn của xúc tác Ni đó là các lớp màng 
graphen được tổng hợp trên bề mặt đế Ni không đồng đều, có chỗ màng graphen 
đơn lớp, có chỗ màng graphen đa lớp, cũng như diện tích các lớp màng to nhỏ khác 

29 
nhau và diện tích lớp màng graphen không lớn (thường thường từ vài đến vài chục 
micromat). Do đó việc kiểm soát cấu trúc cũng như số lớp graphen với vật liệu xúc 
tác Ni là rất khó khăn. Việc kiểm soát quá trình hình thành và số lớp graphen trên 
bề mặt đế Ni phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ hạ nhiệt độ nhanh hay chậm sau quá 
trình CVD nhiệt.
Hình 1.13: Mô hình mô tả quá trình lắng đọng pha hơi hóa học [37]. 
Hình 1.13 là hình ảnh mô tả sự hình thành lớp màng graphen trên bề mặt 
đế kim loại với tốc độ hạ nhiệt độ sau quá trình CVD khác nhau. Trong suốt quá 
trình CVD, các nguyên tử cacbon có thể thâm nhập vào trong mạng nền Ni và quá 
trình hình thành cấu trúc graphen trên bề mặt Ni khi kết thúc quá trình CVD và hạ 
nhiệt độ. Tuỳ thuộc vào tốc độ hạ nhiệt sau khi kết thúc quá trình CVD mà chúng ta 
có thể tổng hợp được màng graphen với số lớp khác nhau. Nếu tốc độ hạ nhiệt rất 
nhanh, khi đó thời gian không đủ để các nguyên tử cacbon ngưng tụ quay trở lại bề 
mặt đế Ni và hình thành cấu trúc graphen. Nếu tốc độ hạ nhiệt trung bình, khi đó 
thời gian vừa đủ để các nguyên tử cacbon ngưng tụ quay trở lại bề mặt đế và hình 
thành cấu trúc graphen trên bề mặt đế Ni. Nếu tốc độ làm lạnh quá chậm, khi đó hầu 
như lượng nguyên tử cacbon không bám trên bề mặt mà thâm nhập sâu vào trong 
mạng nền kim loại.

30 
Trong khi đó đối với kim loại Cu, nếu so sánh với Ni và các kim loại khác 
như Co thì lượng các nguyên tử cacbon thâm nhập vào trong mạng nền Cu là thấp 
hơn rất nhiều. Ở nhiệt độ ~1084 
o
C, chỉ có 0.001-0.008 wt.% nguyên tử cacbon 
thâm nhập vào trong mạng nền Cu. Trong khi đó ở nhiệt độ ~1326 
o
C, lượng 
nguyen tử C thâm nhập vào trong mạng nền Ni là 0.6 wt.%. 
Hình 1.14: Mô tả sự thình thành màng graphen trên bề mặt kim loại với tốc độ hạ 
nhiệt CVD khác nhau. 
Hỉnh 1.15: Mô tả sự hình thành màng graphen trên mặt đế Ni với nguồn khí CH
4
. 
Tuy nhiên những nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp màng graphen tổng hợp trên 
đế Cu có chất lượng tốt hơn rất nhiều so với các lớp màng graphen tổng hợp trên đế 
Ni. Các màng graphen đơn lớp chất lượng cao với diện tích lớp màng lên tới 30 in 
có thể tổng hợp được trên đế Cu. Việc tổng hợp lớp màng graphen đơn lớp không 

31 
phụ thuộc vào thời gian mọc, tốc độ nâng và hạ nhiệt. Mặt khác nếu xét về khía 
cạnh kinh tế thì kim loại Cu dễ kiếm và rẻ hơn so với Ni. 
Hình 1.16: Giản đồ pha hệ cấu tử a- Ni-C; b- Cu-C [29]. 
Đây là phương pháp có nhiều ưu điểm có thể tạo ra những lớp mỏng 
graphen với diện tích lớn, độ đồng đều của màng cao, và đặc biệt có thể khống chế 
được chiều dày hay số lớp graphen, việc tách màng graphen để chuyển lên bề mặt 
chất nền khác là tương đối dễ dàng [6, 13, 26, 30, 37].

tải về 4.21 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: