Bài viết Nghiên cứu tính toán hiệu năng cao các tính chất vật lý thiết yếu của vật liệu germanene 1D thay thế nguyên tử carbon trình bày các đặc tính cấu trúc và điện tử của các AGeNR thay thế nguyên tử C sẽ được nghiên cứu chi tiết thông qua các tính toán DFT. Thông qua các tính toán DFT, một khung lý thuyết tổng quát để xác định các tính chất cấu trúc và điện tử là được phát triển đầy đủ bao gồm năng lượng hình thành, các thông số mạng tinh thể tối ưu, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử và phân bổ mật độ điện tích không gian. Mời các bạn cùng tham khảo!
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN HIỆU NĂNG CAO CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ THIẾT YẾU CỦA VẬT LIỆU GERMANENE 1D THAY THẾNGUYÊN TỬ CARBON Nguyễn Duy Khanh1,Tô Vĩnh Bảo1, Ung Thị Ngọc Nga2 Trung tâm Công nghệ thông tin Viện Phát triển Ứng dụng Email: khanhnd@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Các tính chất cấu trúc điện tử germanene 1D thay nguyên tử carbon (C) nghiên cứu thơng qua tính tốn phiếm hàm mật độ (DFT) hiệu cao Thơng qua các tính toán DFT, các đại lượng vật lý để xác định tính chất cấu trúc điện tử phát triển đầy đủ lượng hình thành, thơng số mạng tối ưu hóa, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử phân bổ mật điện tích khơng gian Năng lượng thay hình thành tính toán đạt giá trị -11.5651 eV lớn Năng lượng hình thành lớn cho thấy AGeNR thay ngun tử C bền hồn tồn tổng hợp các phương pháp thực nghiệm Liên kết C-Ge tạo thành mạnh so với liên kết Ge-Ge dẫn đến độ mấp mô cấu trúc AGeNR thay C giảm so với cấu trúc AGeNR nguyên sơ Cấu trúc vùng điện tử AGeNR nguyên sơ biểu thị độ rộng vùng cấm lượng 0.23 eV hẹp để tương thích cho số ứng dụng yêu cầu độ rộng vùng cấm lớn Khi thay nguyên tử C độ rộng vùng cấm lượng mở rộng 0.60 eV độ rộng vùng cấm mở rộng tương thích tốt cho transistor hiệu ứng trường; AGeNR thay C sử dụng vật liệu kênh dẫn với tỷ số on/off cao Độ rộng vùng cấm mở rộng hình thành liên kết C-Ge mạnh Các liên kết π σ Ge-Ge nguyên sơ bị biến dạng chuyển thành liên kết giả π σ Ge-Ge liên kết C-Ge Các liên kết giả σ mạnh nguyên nhân dẫn đến bền vững cấu trúc AGeNR thay C Các tính chất thiết yếu AGeNR thay C chứng minh vật liệu bán dẫn 1D triển vọng thiết bị điện tử hiệu cao tương lai Từ khóa: Tính toán DFT, germanene, germanene 1D, lượng hình thành, cấu trúc vùng điện tử phân bổ mật độ điện tích GIỚI THIỆU Kể từ đơn lớp graphene hai chiều (2D) nguyên tố cacbon (C) xếp mạng lục giác phẳng tổng hợp thành công Novoselov cộng thông qua phương pháp bóc tách học graphite khối vào năm 2004 [Novoselov nnk., 2004], graphene 2D thu hút nhiều nghiên cứu bao gồm lý thuyết, mô thực nghiệm đặc tính độc đáo graphene nâng cao đáng kể hiệu suất cho ứng dụng so với vật liệu khối truyền thống [Jo nnk., 2012; Liu nnk., 2012] Tiếp theo sau graphene 2D, nhiều vật liệu 2D khác tập trung nghiên cứu silicene, germanene, 311 stanene, nitrogene, phosphorene, tinene bismuthene Germanene vật liệu 2D giống graphene tạo thành từ nguyên tố germani (Ge) xếp mạng lục giác có độ vênh cấu trúc thấp thu hút nhiều nỗ lực nghiên cứu thành phần Ge có khả tương thích tốt với nguyên tố silicon ngành công nghiệp bán dẫn độ vênh cấu trúc thấp germanene có tính ổn định tốt so với graphene phẳng thiết bị [Dávila nnk., 2016] Tuy nhiên, đặc tính không có độ rộng vùng cấm lượng germanene 2D ngăn cản tiềm lớn germanene cho ứng dụng điện tử Vì vậy, nghiên cứu mở rộng độ rộng vùng cấm lượng cho germanene vấn đề cần thiết cho ứng dụng thực tế mà gần thu hút nhiều ý cộng đồng khoa học [Acun nnk., 2015] Nhiều cách tiếp cận khác sử dụng để mở rộng độ rộng vùng cấm lượng cho germanene, bao gồm chức hóa bề mặt [Monshi nnk., 2017], hấp phụ, thay thế, tạo khuyết tật [Ye nnk., 2014], hình thành cấu hình xếp chồng [Monshi nnk., 2017], áp dụng điện trường từ trường bên [Chegel nnk., 2020] giam giữ kích thước hữu hạn [Matthes nnk., 2014] Trong số phương pháp này, giới hạn kích thước hữu hạn germanene 2D dẫn đến germanene chiều (1D) tạo độ rộng vùng cấm lượng mà không gây biến dạng nghiêm trọng cấu trúc xem phương pháp hiệu để mở độ rộng vùng cấm cho germanene Germanene 1D gọi dải nano germanene (GeNR), đó kết thúc cạnh khác tạo hai dải GeNR điển hình cạnh ghế bành (AGeNR) cạnh zigzag (ZGeNR) [Seixas nnk., 2014] Độ rộng vùng cấm GeNR phụ thuộc nhiều vào độ rộng cấu hình cạnh khác thể vận động điện tử từ tính khác AGeNR chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm trực tiếp thể trạng thái điện tử khơng từ tính Trong đó, ZGeNR chất bán dẫn phản sắt từ với mỗi cạnh zigzag thể trạng thái sắt từ đối lập Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm mở rộng GeNR cịn q hẹp để tương thích tốt với ứng dụng quang điện tử, cần thiết phải mở rộng độ rộng vùng cấm GeNR cho nhiều ứng dụng điện tử khác [Robertson nnk., 2000] Nghiên cứu mở rộng độ rộng vùng cấm lượng GeNR chủ đề cấp bách để triển khai cho ứng dụng điện tử quang điện tử Nhiều phương pháp khác để mở rộng độ rộng vùng cấm cho GeNR nghiên cứu bao gồm tạo khuyết tật mạng [Zhang nnk., 2015], áp điện trường từ trường [Chen nnk., 2017], tạo cấu hình xếp chồng [Sosa nnk., 2021], thay nguyên tử [Pang nnk., 2011], hấp phụ nguyên tử chức hóa cạnh bề mặt [Liu nnk., 2019] Trong số phương pháp này, thay nguyên tử carbon tăng cường đáng kể độ rộng vùng cấm GeNR nguyên sơ Tuy nhiên, nghiên cứu chi tiết GeNR thay nguyên tử C chưa khám phá đầy đủ Trong nghiên cứu này, đặc tính cấu trúc điện tử AGeNR thay nguyên tử C nghiên cứu chi tiết thơng qua tính tốn DFT Thơng qua tính tốn DFT, khung lý thuyết tổng quát để xác định tính chất cấu trúc điện tử phát triển đầy đủ bao gồm lượng hình thành, thơng số mạng tinh thể tối ưu, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử phân bổ mật độ điện tích không gian Các đại lượng DFT phát triển áp dụng cho vật liệu thay nguyên tử khác Các tính chất cấu trúc điện tử nghiên cứu tính tốn DFT hồn tồn kiểm chứng phép đo thực nghiệm đại STM (scanning tunneling microscopy) ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) 312 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Đặc tính cấu trúc tính điện tử AGeNR thay nguyên tử carbon nghiên cứu phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT), tích hợp gói mơ Vienna ab Initio (VASP) [Zhang nnk., 2019] Phiếm hàm Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) phép xấp xỉ gradient tổng quát sử dụng để tính tốn lượng trao đổi tương quan, có nguồn gốc từ tương tác Coulomb nhiều hạt [Bayani nnk., 2016] Tương tác electron-ion tính phương pháp PAW Hàm sóng lượng trạng thái xây dựng từ sở sóng phẳng với mức cắt lượng tối đa 500 eV Hướng tuần hoàn mạng cấu trúc AGeNR 1D dọc theo hướng x Để loại bỏ tương tác van der Walls hai lớp lân cận, khoảng cách chân không đặt dọc theo y z lớn 15 Å Lưới điểm 1x1x12 1x1x100 sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc tính tốn cấu trúc điện tử cách tương ứng Lực Hellmann-Feynman đặt nhỏ 0.01 eVÅ-1 Độ hội tụ lượng đặt 10-5 eV hai bước ion gần KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các tính chất cấu trúc Mơ hình ngun tử xem từ mặt top mặt cạnh dải nano germanene cạnh ghế bành nguyên sơ (AGeNR) thay nguyên tử carbon (C-AGeNR) biểu thị Hình Độ rộng dải germanene 1D cạnh ghế bành nghiên cứu tạo thành đường dimer dọc theo hướng y Để cấu trúc AGeNR ổn định nguyên tử hydro sử dụng để thụ động hóa cạnh Có vị trí thay C điển hình cạnh xa cạnh mô tả Hình 1, đó vị trí cạnh xác định thay ưu tiên vị trí xa cạnh Năng lượng hình thành thơng số cấu trúc AGeNR cạnh ghế bành nguyên sơ AGeNR thay nguyên tử carbon trình bày Bảng 1, đó lượng hình thành để xác định độ bền vững cấu trúc tính từ biểu thức sau: E form = Etot − E pristine + nEGe − nEC (1) Với Etot, Epristine, EGe EC lượng trạng thái hệ AGeNR thay C, AGeNR nguyên sơ nguyên tử C cô lập; n số nguyên tử C thay Năng lượng hình thành tính tốn đạt giá trị -11.5651 eV lớn cho thấy cấu trúc AGeNR thay C bền hồn tồn tổng hợp phương pháp thực nghiệm Độ dài liên kết Ge-Ge cạnh (1st Ge-Ge) độ dài liên kết Ge-Ge xa cạnh (2nd Ge-Ge) có giá trị 2.351 Å 2.352 Å (Bảng 1) Rõ ràng, độ dài liên kết Ge-Ge cạnh nhỏ vị trí xa cạnh khoảng 0.001 Å, nguyên nhân chênh lệch liên kết Ge-Ge ảnh hưởng kết thúc cấu trúc cạnh kích thước hữu hạn Đây điểm đặc trưng cấu trúc 1D so với 2D Góc liên kết Ge-Ge-Ge nguyên sơ 121.5 (0) Thay C vào AGeNR nguyên sơ dẫn đến thay đổi đáng kể thông số cấu trúc trúc Cụ thể, độ dài liên kết GeGe gần cạnh cấu trúc trúc thay C lớn khoảng 0.068 (Å) so với độ dài liên kết Ge-Ge xa cạnh ảnh hưởng hình thành liên kết C-Ge Điều trái ngược với sai khác độ dài liên kết Ge-Ge gần cạnh xa cạnh cấu trúc nguyên sơ Điều chứng minh liên kết C-Ge dẫn đến đến thay đổi cấu trúc chiếm ưu so với ảnh hưởng thụ động hóa cạnh Độ dài liên kết C-Ge tạo thành 1.854 Å Điều 313 cho thấy liên kết C-Ge mạnh so với liên kết Ge-Ge Góc liên kết GeGe-Ge thay C nhỏ so với cấu trúc nguyên sơ Bảng 1: Năng lượng hình thành [Eform (eV)], độ dài liên kết 1st Ge-Ge (Å), độ dài liên kết 2nd Ge-Ge (Å), độ dài liên kết C-Ge (Å), độ mấp mơ cấu trúc (buckling), góc liên kết Ge-Ge-Ge (0), độ rộng vùng cấm lượng Eg( eV) đặc tính độ rộng vùng cấm Configuration pristine AGeNR C-AGeNR Eform (eV) X 1st Ge-Ge (Å) 2.351 2nd Ge-Ge (Å) 2.352 C-Ge (Å) X Ge-Ge -Ge angle (0) 121.5 Buckling (Å) 1.087 Eg (eV) 0.23 Band feature direct -11.5651 2.421 2.353 1.854 101.96 0.861 0.60 direct Hình 1: Mơ hình nguyên tử (a) AGeNR nguyên sơ (b) AGeNR thay nguyên tử carbon vị trí cạnh 3.2 Tính chất điện tử Để phân tích chi tiết tính chất điện tử vật liệu germanene 1D, cấu trúc vùng điện tử 1D AGeNR nguyên sơ thay C phát triển trình bày Hình 2, đó Hình 2(a), 2(b) tương ứng cấu trúc vùng điện tử 1D AGeNR nguyên sơ thay nguyên tử C vị trí cạnh Mức lượng Fermi xác định lượng để phân biệt vùng lượng hóa trị dẫn biểu thị đường màu hồng đứt nét Hình Cấu trúc vùng điện tử AGeNR nguyên sơ Hình 2(a) thể độ rộng vùng cấm lượng trực tiếp 0.23 eV (trình bày Bảng 1) vùng lượng tán sắt yếu không cắt tán sắc vùng dẫn vùng hóa trị khơng đối xứng qua mức Fermi Dưới ảnh hưởng thay nguyên tử C cấu trúc vùng lượng AGeNR nguyên sơ bị thay đổi đáng kể Cấu trúc vùng lượng AGeNR thay C Hình 2(b) có độ rộng vùng cấm mở rộng 0.6 eV so với cấu trúc nguyên sơ (trình bày Bảng 1) Độ rộng vùng cấm mở rộng trì đặc tính vùng trực tiếp vùng tán sắc yếu bị tách biệt so với cấu trúc nguyên sơ 314 Hình 2: Cấu trúc vùng điện tử (a) AGeNR nguyên sơ (b) AGeNR thay nguyên tử carbon vị trí cạnh Hình 3: Mật độ trạng thái điện tử (a) AGeNR nguyên sơ (b) AGeNR thay nguyên tử carbon vị trí cạnh Để kiểm chứng lại đặc điểm cấu trúc vùng điện tử 1D, mật độ trạng thái điện tử phát triển trình bày Hình 3, đó mức lượng Fermi xác định mức lượng để phân biệt vùng dẫn vùng hóa trị biểu thị đường màu hồng đứt nét Phạm vi lân cận mức Fermi không tồn mật độ điện tử Hình 3(a) chứng minh cho độ rộng vùng cấm lượng Hình 2(a) Các đỉnh có mật độ trạng thái cao xuất phát từ vùng tắn sắc yếu Phạm vi không tồn mật độ điện tử mở rộng thay nguyên tử C vị trí cạnh biểu thị Hình 3(b) Phạm vi khơng có mật độ trạng thái mở rộng có kết từ độ rộng vùng cấm lượng tăng cường cấu trúc vùng điện tử AGeNR thay C Hình 2(b) Ngồi ra, đỉnh chiếm ưu Hình 3(b) có cường độ cao Hình 3(a), nguyên nhân có đóng góp từ nguyên tử C Các cường độ liên kết hóa học nhận phân bổ mật độ điện tích khơng gian Phân bổ mật độ điện tích khơng gian AGeNR ngun sơ thay nguyên tử carbon vị trí cạnh trình bày Hình 4; đó, cường độ điện tích lớn nhỏ tương ứng biểu thị màu đỏ màu xanh đậm thang đo Phân bổ mật độ điện tích 315 AGeNR nguyên sơ Hình 4(a) cho thấy cường độ liên kết σ mặt (x,y) mạnh so với liên kết π dọc theo hướng z Dưới ảnh hưởng thay C, liên kết π nguyên sơ bị biến dạng hình thành liên kết giả π C-Ge biểu thị Hình 4(b) Ngồi ra, thay nguyên tử carbon vị trí cạnh Hình 4(b) mật độ điện tích phân bổ mạnh lân cận nguyên tử C, nguyên nhân hình thành liên kết giả σ mạnh liên kết C-Ge Sự hình thành liên kết giả σ mạnh dẫn đến làm phẳng cấu trúc AGeNR thay C Hình 4: Phân bổ mật độ điện tích khơng gian (a) AGeNR nguyên sơ (b) AGeNR thay nguyên tử carbon vị trí cạnh KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tính tốn DFT hiệu cao sử dụng để xác định tính chất cấu trúc điện tử vật liệu AGeNR thay nguyên tử carbon Các đại lương vật lý để xác định tính chất cấu trúc điện tử phát triển đầy đủ thơng qua tính tốn VASP bao gồm lượng hình thành, thơng số cấu trúc tối ưu, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử, phân bổ mật độ điện tích không gian AGeNR nguyên sơ trạng thái có độ rộng vùng cấm lượng 0.23 eV không tương thích cho ứng dụng điện tử Khi thay nguyên tử C, độ rộng vùng cấm AGeNR nguyên sơ mở rộng đáng kể 0.60 eV, giá trị độ rộng vùng cấm phù hợp cho ứng dụng điện tử Bên cạnh đó, AGeNR thay nguyên tử carbon có độ bền cấu trúc cao, điều cho thấy vật liệu AGeNR thay hồn tồn tổng hợp thành công phương pháp thực nghiệm Rõ ràng, tính chất cấu trúc điện tử giàu đặc tính AGeNR thay nguyên tử C vật liệu bán dẫn 1D triển vọng cho thiết bị điện tử hiệu cao tương lai Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Thủ Dầu Một Nghiên cứu sử dụng tài nguyên Hệ thống tính tốn hiệu cao (HPCC) Trường Đại học Thủ Dầu Một 316 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Acun, A., Zhang, L., Bampoulis, P., Farmanbar, M V., van Houselt, A., Rudenko, A N & Zandvliet, H J (2015) Germanene: the germanium analogue of graphene Journal of physics: Condensed matter, 27(44), 443002 Bayani, Amir Hossein, Daryoosh Dideban, and Negin Moezi (2016) Hydrogen sensitive fieldeffect transistor based on germanene nanoribbon and optical properties of hydrogenated germanene Journal of Computational Electronics, 15, 381-388 Chen, S C., Wu, J Y., Lin, C Y., & Lin, M F (2017) Theory of magnetoelectric properties of 2D systems, 2053-2563, IOP Publishing Chegel, Raad, and Somayeh Behzad Tunable electronic, optical, and thermal properties of twodimensional germanene via an external electric field (2020) Scientific Reports, 10, 1-12 Dávila, M E., & Le Lay, G (2016) Few layer epitaxial germanene: a novel two-dimensional Dirac material Scientific reports, 6, 1-9 Jo, Gunho, et al (2012) The application of graphene as electrodes in electrical and optical devices." Nanotechnology, 23, 112001 Jo, G., Choe, M., Lee, S., Park, W., Kahng, Y H., & Lee, T (2012) The application of graphene as electrodes in electrical and optical devices Nanotechnology, 23(11), 112001 Liu, Qian, Jianbo Shi, and Guibin Jiang (2012) Application of graphene in analytical sample preparation TrAC Trends in Analytical Chemistry 37: 1-11 Liu, N., Bo, G., Liu, Y., Xu, X., Du, Y., & Dou, S X (2019) Recent progress on germanene and functionalized germanene: Preparation, characterizations, applications, and challenges Small, 15(32), 1805147 Monshi, M M., S M Aghaei, and I Calizo (2017) Edge functionalized germanene nanoribbons: impact on electronic and magnetic properties RSC advances, 7, 18900-18908 Monshi, Md Monirojjaman, Sadegh Mehdi Aghaei, and Irene Calizo (2017) Doping and defect-induced germanene: A superior media for sensing H2S, SO2, and CO2 gas molecules Surface Science, 665, 96-102 Matthes, L., & Bechstedt, F (2014) Influence of edge and field effects on topological states of germanene nanoribbons from self-consistent calculations Physical Review B, 90(16), 165431 Novoselov, K S., Geim, A K., Morozov, S V., Dubonos, S V., Zhang, Y., & Jiang, D (2004) Room-temperature electric field effect and carrier-type inversion in graphene films arXiv preprint cond-mat/0410631 Robertson, John (2000) Band offsets of wide-band-gap oxides and implications for future electronic devices Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 18, 1785-1791 Seixas, L., Padilha, J E., & Fazzio, A (2014) Quantum spin Hall effect on germanene nanorod embedded in completely hydrogenated germanene Physical Review B, 89(19), 195403 Sosa, A N., de Santiago, F., Miranda, Á., Trejo, A., Salazar, F., Pérez, L A., & Cruz-Irisson, M (2021) Alkali and transition metal atom-functionalized germanene for hydrogen storage: A DFT investigation International Journal of Hydrogen Energy, 46(38), 20245-20256 Pang, Qing, et al (2011) Electronic and magnetic properties of pristine and chemically functionalized germanene nanoribbons Nanoscale, 3, 4330-4338 Zhang, L., Bampoulis, P., van Houselt, A., & Zandvliet, H J (2015) Two-dimensional Dirac signature of germanene Applied physics letters, 107(11), 111605 Zhang, Lili, et al (2019) Mono-elemental properties of 2D black phosphorus ensure extended charge carrier lifetimes under oxidation: time-domain ab initio analysis The Journal of Physical Chemistry Letters, 10, 1083-1091 Ye, M., Quhe, R., Zheng, J., Ni, Z., Wang, Y., Yuan, Y & Lu, J (2014) Tunable band gap in germanene by surface adsorption Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 59, 60-65 317 ... AGeNR nguyên sơ (b) AGeNR thay nguyên tử carbon vị trí cạnh KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tính tốn DFT hiệu cao sử dụng để xác định tính chất cấu trúc điện tử vật liệu AGeNR thay nguyên tử carbon. .. ngun tử (a) AGeNR ngun sơ (b) AGeNR thay nguyên tử carbon vị trí cạnh 3.2 Tính chất điện tử Để phân tích chi tiết tính chất điện tử vật liệu germanene 1D, cấu trúc vùng điện tử 1D AGeNR nguyên. .. nhiên, nghiên cứu chi tiết GeNR thay nguyên tử C chưa khám phá đầy đủ Trong nghiên cứu này, đặc tính cấu trúc điện tử AGeNR thay nguyên tử C nghiên cứu chi tiết thơng qua tính tốn DFT Thơng qua tính