Sự ổn định cấu trúc và tính chất điện tử của dải nano silicon dicarbide ngũ giác biên răng cưa sai hỏng khuyết (DSS-p-SiC2NRs) được nghiên cứu bằng cách tính năng lượng liên kết, phổ phonon, cấu trúc vùng điện tử và hàm sóng bloch bởi phương pháp nguyên lý ban đầu. Mời các bạn cùng tham khảo!
Sự ổn định cấu trúc tính chất điện tử dải nano silicon dicarbide ngũ giác biên cưa sai hỏng khuyết Nguyễn Thành Tiên1*, Lê Nhật Thanh1, Ngô Vũ Hảo1 , Võ Văn Ớn2 Khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Cần Thơ Viện phát triển ứng dụng - Trường Đại học Thủ Dầu Một *Corresponding at nttien@ctu.edu.vn TÓM TẮT Trong báo này, ổn định cấu trúc, tính chất điện tử dãy nano silicon dicarbide (pSiC2) dạng ngũ giác biên cưa sai hỏng khuyết (DSS-p-SiC2NRs) nghiên cứu cách tính lượng liên kết, phổ phonon, cấu trúc vùng điện tử hàm sóng bloch phương pháp nguyên lý ban đầu Bốn kiểu khuyết khảo sát nghiên cứu khuyết đơn nguyên tử C1 (lai hóa sp3), C2 (lai hóa sp2), khuyết đồng thời hai nguyên tử C2 khuyết nguyên tử C1 nguyên tử C2 Hai vị trí khuyết nghiên cứu khuyết biên khuyết lõi cấu trúc Kết nghiên cứu cho thấy DSS-p-SiC2NRs ổn định khuyết tồn bên Cấu trúc vùng điện tử DSS-p-SiC2NRs có tồn trạng thái khuyết vùng cấm thể định xứ mạnh điện tử Kết nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng cho việc hiểu đầy đủ cấu trúc thực để phát triển ứng dụng DSS-p-SiC2NRs lĩnh vực quang điện tử Từ khóa: dải nano silicon dicarbide dạng ngũ giác, nguyên lý ban đầu, sai hỏng, phổ phonon, tính chất điện tử Structural stability and electronic properties of pentagonal SiC2 nanoribbons with defected sawtooth edges Nguyễn Thành Tiên1*, Lê Nhật Thanh1, Ngô Vũ Hảo1, Võ Văn Ớn2 College of Natural Sciences – Can Tho University Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University ABSTRACTS In this paper, structural stability and electronic properties of the pentagonal silicon dicarbide nanoribbons (p-SiC2) with sawtooth edge defected (DSS-p-SiC2NRs) are investigated through 30 the binding energies, phonon spectrum, band structure, and Bloch wavefunction under the firstprinciples calculations The four kinds of defects are studied, including single C1 (sp3 hybridization), C2 (sp2 hybridization), double C2, and C1 and C2 The two points of defects studied are the edge defects and center defects Results show that the DSS-p-SiC2NRs are only stabilized when the defects exist at center sites The electronic band structure of the DSS-pSiC2NRs shows the defected states in the bandgap region, exhibiting the strong localization of electrons The results in this study can provide the full information on the structural and electronic properties of the DSS-p-SiC2NRs that can apply in future optoelectronic properties Keywords: pentagonal SiC2 nanoribbons, DFT, defects, phonon spectrum, and electronic properties Giới thiệu Gần đây, Penta-Graphene (PG), cấu trúc nguyên tử C đơn lớp xếp hình ngũ giác đề xuất Cấu trúc PG tổ hợp nguyên tử C1 (lai hóa sp3) nguyên tử C2 (lai hóa sp2) [1] Các nghiên cứu tiên đoán PG bán dẫn có vùng cấm gián tiếp với độ rộng vùng cấm 3.25 eV [2, 3] Bên cạnh đó, nghiên cứu tiên đốn PG có hệ số Poisson âm bất thường, độ bền siêu cao khả chịu nhiệt cao tới 1000 K, vượt trội so với Graphene Vào năm 2016, Xia cộng sử dụng phương pháp lắng động hóa pha khẳng định họ ni định hướng lớp PG lớn Cu [4] Tiếp theo sau nhiều vật liệu cấu trúc đơn lớp dạng ngũ giác đề xuất tổng hợp thành công, ví dụ như: pentagonal silicon dicarbide (p-SiC2) and pentagonal carbon nitride (p-CN2) [5] Nhằm mục đích giảm kích thước linh kiện, PG cắt thành cấu trúc giả chiều gọi Penta-Graphene nanoribbon (PGNR) PGNR có loại: ZZ, AA, ZA, SS Trong đó, SS loại đáng ý khơng bán dẫn mà cịn cấu trúc bền bốn loại PGNR Sự hấp phụ phân tử khí CO, CO2, NH3 bề mặt cấu trúc nghiên cứu, xác định đặc tính hấp phụ chúng [6] Nghiên cứu tính chất vận chuyển điện tử SSPGNR pha tạp thay (Si, P, N) điều chỉnh biên cấu trúc thực hiện, kết cho thấy cấu trúc vùng lượng đặc trưng I-V N:SSPGNR thay đổi đáng kể so với mẫu nguyên sơ [7, 8] 31 Bằng việc tính tốn dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ, chúng tơi nghiên cứu cách có hệ thống ổn định cấu trúc đặc tính điện tử dãy nano p-SiC2 dạng ngũ giác (pSiC2NRs) Chúng ghi nhận p-SiC2NRs ổn định cấu trúc bị vênh Trong bốn dạng cấu trúc p-SiC2NRs (ZZ, ZA, AA SS) cấu trúc SS-p-SiC2NRs xác định ổn định mặt nhiệt học động lực học có tính bán dẫn [9] Tuy nhiên, ta biết rằng, cấu trúc thấp chiều nói chung dễ bị sai hỏng khuyết tổng hợp chúng [10, 11, 12] Vì thế, việc nghiên cứu ổn định cấu trúc đặc tính điện tử cấu trúc khuyết cần thiết, có thêm thơng tin cấu trúc thực Trong nghiên cứu này, dựa sở lý thuyết phiếm hàm mật độ, tồn đặc tính điện tử SS-p-SiC2NR sai hỏng khuyết nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP Sự ổn định cấu trúc đặc tính điện tử mẫu SS-p-SiC2NR khuyết nghiên cứu phương pháp nguyên lý ban đầu dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT [13] Chúng tơi nghiên cứu mẫu có độ rộng năm chuỗi cắt theo biên cưa Các mẫu SS-p-SiC2NR với vị trí khuyết khác tối ưu cách sử dụng tính tốn DFT phép tính gần gradient tổng quát (GGA) Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [14] gói phần mềm Castep để tìm cấu trúc ổn định Số k-point vùng Brillouin chọn 1x1x5 theo ba phương x, x, z với lượng cutoff 680 eV nhiệt độ động học hệ điện tử 300 K Trong q trình tối ưu, tiêu chí hội tụ lực ứng suất tối đa có giá trị 0,05 eV/Å 0,1 Gpa Tiếp theo tính chất điện tử thực gói phần mềm với máy tính hiệu cao Kết thảo luận 3.1 Sự ổn định cấu trúc-phổ phonon Các mẫu SS-p-SiC2NR có độ rộng năm chuỗi khảo sát hai vị trí khuyết (biên vùng lõi cấu trúc) với bốn kiểu khuyết: i) khuyết đơn nguyên tử lai hóa sp2: nguyên tử C, ii) khuyết đơn nguyên tử lai hóa sp3: nguyên tử Si, iii) khuyết hai nguyên tử C, iv) khuyết đồng thời nguyên tử C Si Hình trình bày kết tối ưu mẫu SS-p-SiC2NR khuyết biên 32 a) b) d) c) Hình Mơ hình SS-p-SiC2NR khuyết biên với hai hướng quan sát: a) C (sp2), b) Si (sp3), c) 2C d) C+Si Kết nghiên cứu xác nhận rằng, khuyết biên tồn với bốn kiểu khuyết cấu trúc giả ổn định thơng qua việc tính lượng liên kết theo cơng thức (1) tính phổ phonon Eb = Etot − N Si ESi − NC EC − N H EH N Si + NC + N H Trong 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 , 𝐸𝑆𝑖 , 𝐸𝐶 𝐸𝐻 tổng lượng hệ, lượng nguyên tử Silic, Carbon, Hydro cô lập NSi, NC NH số nguyên tử Silic, Carbon Hydro hệ Năng lượng liên kết nhỏ cấu hình khuyết tương ứng xem ổn định Kết tính lượng liên kết trình bày Bảng Bảng Năng lượng liên kết cấu trúc SS-p-SiC2NR khuyết biên Kiểu khuyết C (sp2) Si (sp3) 2C C+Si Năng lượng liên kết (Eb) -6,02 -6,05 -6,06 -6,12 Kết tính tốn cho thấy mẫu khuyết đồng thời hai nguyên tử C Si biên có lượng liên kết thấp nhất, tức ổn định Tuy nhiên, kết tính phổ phonon thấy 33 phổ phonon (hình 2) có tồn dãy vùng lượng âm (tần số âm) Vì chúng tơi xác nhận cấu trúc khuyết biên giả ổn định a) b) c) d) Hình Phổ phonon cấu trúc SS-p-SiC2NR khuyết biên: a) C (sp2), b) Si (sp3), c) 2C d) C+Si Tương tự, tiến hành khảo sát mẫu khuyết vùng lõi với cấu trúc sau tối ưu thể hình a) b) c) Hình Mơ hình SS-p-SiC2NR vùng lõi với hai hướng quan sát: a) khuyết C, b) khuyết Si, c) khuyết đồng thời 2C 34 Với cấu trúc khuyết vùng lõi, xác nhận có ba mẫu tồn tại: khuyết C, khuyết Si, khuyết đồng thời 2C Đặc tính topo xung quanh vị trí khuyết khác với kiểu khuyết khác Mẫu khuyết Si C không tồn Với mẫu tồn chúng tơi xác nhận ổn định, lượng liên kết trình bày bảng phổ phonon trình bày hình 5, không tồn tần số dao động âm Bảng Năng lượng liên kết cấu trúc SS-p-SiC2NR khuyết biên Kiểu khuyết C (sp2) Si (sp3) 2C Năng lượng liên kết (Eb) -7,01 -6,92 -7,06 a) b) c) d) Hình Phổ phonon cấu trúc SS-p-SiC2NR: a) không khuyết khuyết lõi: b) C (sp2), c) Si (sp3), d) 2C 3.2 Tính chất điện tử Để đánh giá ảnh hưởng loại khuyết khác lên đặc tính điện tử SS-p-SiC2NR khuyết lõi, khảo sát cấu trúc vùng lượng DSS-p-SiC2NRs Hình mơ tả cấu trúc vùng lượng mẫu p-SiC2NR khuyết lõi 35 Hình Cấu trúc vùng lượng cấu trúc DSS-p-SiC2NR: (a) C (sp2), b) Si (sp3), c) 2C Đường không liền nét biểu diễn mức lượng Fermi Kết cho thấy cấu trúc vùng lượng mẫu khuyết có tồn mức lượng khuyết vùng cấm Điều định xứ điện tử xung quanh vị trí khuyết Các kết thu tương tự mẫu khuyết hai chiều [12] Tuy nhiên, với ribbon giả chiểu định xứ điện tử mạnh Một đặc điểm đáng ý, vùng mẫu khuyết quanh mức Fermi có dạng thẳng, điều thể hiệu ứng giam cầm điện tử định xứ quanh vị trí khuyết, điện tử có lượng thể đặc tính giả khơng chiều Vậy đặc tính động học điện tử khoảng lượng lân cận lượng Fermi mẫu khuyết có tính chất giả khơng chiều Điều hứa hẹn số tính chất vật lý mẫu khuyết so với mẫu không khuyết Để minh họa tượng này, chúng tơi tính vẽ Bloch state điểm Г điểm Z tương ứng với cự đại vùng dẫn cực tiểu vùng hóa trị cho cấu trúc nguyên sơ cấu trúc khuyết hình Rõ ràng rằng, với cấu trúc khơng khuyết, khơng nhìn thấy tượng định xứ điện tử Ngược lại, định xứ xảy với cấu trúc khuyết Hơn dạng hàm bloch state hai điểm Г Z cấu trúc khuyết hoàn toàn đồng dạng Điều chứng tỏ ổn định trạng thái từ điểm Г đến Z thể giam cầm điện tử mạnh 36 Hình Bloch state cấu trúc SS-p-SiC2NR cấu trúc DSS-p-SiC2NR: (a) C (sp2), b) Si (sp3), c) 2C Đẳng trị biểu thị 0.0005 Kết luận Tóm lại, thơng qua việc đánh giá ổn định cấu trúc đặc tính điện tử cấu trúc DSS-pSiC2NR khuyết vị khác loại khác phương pháp nguyên lý ban đầu, dựa lý thuyết phiếm hàm mật độ, tính máy tính hiệu cao Kết cho thấy DSSp-SiC2NR khuyết lõi tồn ổn định Độ dài liên kết góc liên kết tất mẫu có thay đổi đáng kể xung quanh vị trí khuyết, hình thành topo khuyết khác Độ rộng vùng cấm mẫu DSS-p-SiC2NR giảm so với mẫu không khuyết Đặc biệt, xuất vùng điện tử dạng thẳng vùng cấm lân cận mức Fermi Kết nghiên cứu định hướng quan trọng cho việc xác định tính chất điện tử cấu trúc SSPGNR khơng hồn hảo; từ đó, định hướng cho việc phát triển linh kiện quang điện tử dựa cấu trúc nghiên cứu Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Thủ Dầu Một khuôn khổ đề tài mã số DT.20.2-048 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 [1] Zhang, S., Zhou, J., Wang, Q., Chen, X., Kawazoe, Y., & Jena, P (2015) Penta-graphene: A new carbon allotrope Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(8), 2372-2377 [2] Wang, Z., Dong, F., Shen, B., Zhang, R J., Zheng, Y X., Chen, L Y., & Su, W S (2016) Electronic and optical properties of novel carbon allotropes Carbon, 101, 77-85 [3] Yu, Z G., Zhang, Y W (2015) A comparative density functional study on electrical properties of layered penta-graphene Journal of Applied Physics, 118 (16), 165706 [4] Xia K L, Artyukhov V I, Sun L F, Zheng J Y, Jiao L Y, Yakobson B I and Zhang Y Y, (2016) Growth of large-area aligned pentagonal graphene domains on high-index copper surfaces, Nano Research, 9, 2182–9 [5] Berdiyorov, G R., & Madjet, M E A (2016) First-principles study of electronic transport and optical properties of penta-graphene, penta-SiC2 and penta-CN2 Rsc Advances, 6(56), 50867-50873 [6] Nguyễn Thành Tiên & Trần Yến Mi (2020) Nghiên cứu tượng hấp phụ phân tử khí dãy nano Penta-graphene dạng cưa Can Tho University Journal of Science, 56(2), 21-29 [7] Tien, N T., Thao, P T B., Phuc, V T., & Ahuja, R (2019) Electronic and transport features of sawtooth penta-graphene nanoribbons via substitutional doping Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 114, 113572 [8] Tien, N T., Thao, P T B., Phuc, V T., & Ahuja, R (2020) Influence of edge termination on the electronic and transport properties of sawtooth penta-graphene nanoribbons Journal of Physics and Chemistry of Solids, 146, 109528 [9] Mi, T Y., Khanh, N D., Ahuja, R., & Tien, N T (2021) Diverse structural and electronic properties of pentagonal SiC2 nanoribbons: A first-principles study Materials Today Communications, 26, 102047 [10] Banhart, F., Kotakoski, J., & Krasheninnikov, A V (2011) Structural defects in graphene ACS nano, 5(1), 26-41 [11] Han, T., Wang, X., Zhang, X., Scarpa, F., & Tang, C (2021) Mechanics of penta-graphene with vacancy defects under large amplitude tensile and shear loading Nanotechnology, 32(27), 275706 [12] Lima, K A L., Júnior, M L P., Monteiro, F F., Roncaratti, L F., & Júnior, L A R (2021) O2 adsorption on defective Penta-Graphene lattices: A DFT study Chemical Physics Letters, 763, 138229 [13] Kohn, W., & Sham, L J (1965) Self-consistent equations including exchange and correlation effects Physical review, 140 (4A), A1133 [14] Perdew, J P., Burke, K., & Ernzerhof, M (1996) Generalized gradient approximation made simple Physical review letters, 77(18), 3865 38 ... thống ổn định cấu trúc đặc tính điện tử dãy nano p-SiC2 dạng ngũ giác (pSiC2NRs) Chúng ghi nhận p-SiC2NRs ổn định cấu trúc bị vênh Trong bốn dạng cấu trúc p-SiC2NRs (ZZ, ZA, AA SS) cấu trúc SS-p-SiC2NRs... ổn định cấu trúc đặc tính điện tử cấu trúc khuyết cần thiết, có thêm thơng tin cấu trúc thực Trong nghiên cứu này, dựa sở lý thuyết phiếm hàm mật độ, tồn đặc tính điện tử SS-p-SiC2NR sai hỏng khuyết. .. tiểu vùng hóa trị cho cấu trúc nguyên sơ cấu trúc khuyết hình Rõ ràng rằng, với cấu trúc khơng khuyết, khơng nhìn thấy tượng định xứ điện tử Ngược lại, định xứ xảy với cấu trúc khuyết Hơn dạng hàm