Nghiên cứu tính toán hiệu năng cao các tính chất cấu trúc và điện tử của vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon

Bài viết Nghiên cứu tính toán hiệu năng cao các tính chất cấu trúc và điện tử của vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon nghiên cứu chi tiết các tính chất cấu trúc và điện tử của GNR hấp phụ Si. Các tính chất cấu trúc và điện tử là được xác định bởi các đại lượng vật lý bao gồm năng lượng hấp phụ, các thông số cấu trúc 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 CẤU TRÚC VÀ ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE 1D HẤP PHỤ NGUYÊN TỬ SILICON Nguyễn Thanh Phương1, Nguyễn Anh Kha1 Nguyễn Duy Khanh1, Mai Thi Tuyến2 Trung tâm Công nghệ thông tin Viện Phát triển Ứng dụng Email: khanhnd@tdmu.edu.vn TĨM TẮT Các tính tốn DFT hiệu cao sử dụng để nghiên cứu tính chất cấu trúc điện tử vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon (Si) Một khung lý thuyết DFT phát triển để xác định tính chất thiết yếu bao gồm lượng hấp phụ, thơng số mạng tối ưu hóa, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử phân bổ mật điện tích khơng gian Các tính tốn DFT tối ưu xác định nguyên tử Si hấp phụ tối ưu vị trí cầu (bridge) AGNR cấu trúc hấp phụ trì dạng lục giác phẳng liên kết σ CC trì mạnh AGNR nguyên sơ sở hữu độ rộng vùng cấm lượng trực tiếp có giá trị 0.9 eV chưa phù hợp cho ứng dụng điện tử cần độ rộng vùng cấm nhỏ Dưới ảnh hưởng hấp phụ Si độ rộng vùng cấm lượng hiệu chỉnh có giá trị 0.49 eV tương thích cho vật liệu kênh dẫn transistor hiệu cao có chuyển dời từ độ rộng vùng cấm trực tiếp sang gián tiếp Cơ chế hiệu chỉnh độ rộng vùng cấm lượng có chuyển dời electron từ nguyên tử Si đến C Sự chuyển dời điện tích tạo mật độ electron cao AGNR xem bán dẫn loại n Tính chất bán dẫn loại n AGNR hấp phụ Si vật liệu bán dẫn 1D tương thích tốt ứng dụng điện tử tiên tiến tương lai Từ khóa: Tính tốn DFT, graphene 1D, tính chất điện tử, chuyển dời điện tích, bán dẫn loại n GIỚI THIỆU Các dãy graphene chiều (GNR) thu hút nhiều nghiên cứu thực nghiệm [Hou nnk., 2017], tính toán [Hoggard nnk., 2013] lý thuyết [Horing nnk., 2010] GNR có cấu trúc mạng tổ Ong đặc biệt, độ dày nguyên tử, độ rộng kích thước hữu hạn giam cầm cấu trúc cạnh khác GNR với tích chất độc đáo thích hợp để khám phá tính chất vật lý, hóa học vật liệu [Sun nnk., 2011] GNR tổng hợp phương pháp từ xuống (top down) từ lên (bottom up) phân tách ống nano carbon nhiều vách [Awasthi nnk., 2015], cắt graphene 2D [Lehtinen nnk., 2011] sử dụng phương pháp hóa học khác [Lehtinen nnk., 2011] Đặc biệt, GNR kỳ vọng có ứng dụng tiềm cao [Brownson nnk., 2010] đặc tính thiết yếu biến đổi dễ dàng yếu tố bên ngoài, chẳng hạn doping nguyên tử [Gierz nnk., 2008], biến dạng học [Chen nnk., 2016], tạo khuyết tật [Thompson nnk., 2015] áp 318 điện trường từ trường [Razmkhah nnk., 2018] Sử dụng tính tốn ngun lý ban đầu, Shan Sheng Yu cộng nghiên cứu tính chất điện tử AGNR thay nguyên tử N B [Yu nnk., 2009] Kết nghiên cứu thay N B tạo cấu vùng điện tử kim loại kiểu p n phụ thuộc vào nguyên tử thay E CruzSilva cộng nghiên cứu tính chất cấu trúc, từ tính vận chuyển điện tử GNR thay đơn nguyên tử B, N P [Cruz-Silva nnk., 2011] Kết nghiên cứu cho thấy nguyên tử thay ưu tiên vị trí cạnh ngoại trừ B ZGNR thay B thể trạng thái donor phụ thuộc spin B thay vị trí cạnh ngược lại thể trạng thái aceptor B thay vị trí xa cạnh ZGNR thay N cho thấy hiệu ứng đối lập với thay B, đó thay P biểu c cỏc trng thỏi donor v aceptor H Sevinỗli, M cộng nghiên cứu tính chất điện tử từ tính AGNR hấp phụ nguyờn t kim loi chuyn tip 3d [Sevinỗli v nnk., 2008] Kết nghiên cứu biểu thị nguyên tử kim loại chuyển tiếp hấp phụ tối ưu vị trí hollow Phụ thuộc vào độ rộng AGNR loại nguyên tử kim loại chuyển tiếp 3d, AGNR ngun sơ thuộc bán dẫn khơng từ tính trở thành kim loại bán dẫn sắt từ phản sắt từ Đặc biệt, hấp phụ Fe Ti dẫn đến đặc tính bán kim loại với phân cực spin hoàn toàn mức Fermi Sử dụng tính toán nguyên lý ban đầu, Na Zheng cộng nghiên cứu GNR hấp phụ nguyên tử Li [Zheng nnk., 2020] Kết nghiên cứu cho thấy nguyên tử Li hấp phụ hóa học vị trí hollow với độ cao lượng hấp phụ tương ứng 1.730 Å -0.807 eV Hấp phụ nguyên tử Si lên AGNR dẫn đến nhiều tính chất Tuy nhiên, nay, chưa có nghiên cứu chi tiết GNR hấp phụ Si Trong nghiên cứu này, sử dụng tính tốn DFT hiệu cao, chúng tơi nghiên cứu chi tiết tính chất cấu trúc điện tử GNR hấp phụ Si Các tính chất cấu trúc điện tử xác định đại lượng vật lý bao gồm lượng hấp phụ, thông số cấu trúc tối ưu, cấu truc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử phân bổ mật độ điện tích khơng gian Các kết dự đốn từ tính tốn DFT nghiên cứu kiểm chứng phép đo thực nghiệm đại kính hiển vi quét đường hầm (STM) [Khandelwal A nnk., 2017], kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [ Singh D nnk., 2016], quang phổ quang phân giải theo góc (ARPES) [Aktürk E nnk., 2016], quét đặc điểm kỹ thuật xuyên hầm (STS) [Moore J E, 2010; Manzeli S, 2017], quang phổ [Ferrari nnk., 2006] quang phổ vận chuyển [Wakabayashi nnk., 2009] PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Các tính cấu trúc tính điện tử AGNR hấp phụ nguyên tử Si nghiên cứu phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT), tích hợp gói mơ Vienna ab Initio (VASP) [Yin nnk., 2016] Phiếm hàm Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) phép xấp xỉ gradient tổng quát sử dụng để tính toán lượng trao đổi tương quan, có nguồn gốc từ tương tác Coulomb nhiều hạt [Zhu nnk., 2021] 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 450 eV Hướng tuần hoàn mạng cấu trúc AGNR 1D dọc theo hướng b Để loại bỏ tương tác van der Walls hai lớp lân cận, khoảng cách chân không đặt dọc theo a c lớn 15 Å Lưới điểm 1x1x12 1x1x100 sử dụng để tối ưu hóa 319 cấu trúc tính toán 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 graphene 1D cạnh ghế bành nguyên sơ (AGNR) hấp phụ nguyên tử Si (Si-AGNR) trình bày Hình Độ rộng dải graphene cạnh ghế bành xác định đường dimer dọc theo hướng b Các nguyên tử hydro sử dụng để loại bỏ tương tác lắc lư Điều dẫn đế cấu cấu trúc AGNR đạt trạng thái ổn định Có vị trí hấp phụ điển hình Si lên dải graphene 1D top, hollow, bridge (cầu), mô tả Hình 1; đó vị trí cầu xác định vị trí hấp phụ tối ưu Để đánh giá độ bền vững cấu trúc ảnh hưởng hấp phụ Si lượng hấp phụ (Eads) tính toán sau: E ads = Etot − E p − nE Si (1) n Etot, Ep ESi lượng AGNR hấp phụ Si, AGNR nguyên sơ nguyên tử Si bị cô lập; n tổng số nguyên tử Si hấp phụ Eads đạt giá trị -1.91731 eV cho thấy cấu trúc hấp phụ bền vững hoàn toàn tổng hợp phương pháp thực nghiệm Các thông số cấu trúc AGNR cầu ghế bành nguyên sơ AGNR hấp thụ nguyên tử Si trình bày bảng Độ dài liên kết C-C cạnh (1st C-C) thứ độ dài liên kết C-C xa cạnh (2nd C-C) có giá trị 1.367 Å 1.471 Å (Bảng 1) Rõ ràng, độ dài liên kết C-C cạnh nhỏ xa cạnh khoảng 0.1 Å nguyên nhân chênh lệch liên kết C-C ảnh hưởng kết thúc cấu trúc cạnh kích thước hữu hạn Đây điểm đặc trưng cấu trúc 1D so với 2D Góc liên kế C-C-C nguyên sơ 121.36 (˚) AGNR hấp phụ Si dẫn đến thay đổi đáng kể thông số cấu trúc Cụ thể, độ dài liên kết C-C cạnh cấu trúc hấp thụ Si nhỏ khoảng 0.049 so với độ dài liên kết C-C xa cạnh ảnh hưởng hình thành liên kết Si-C Điều trái ngược với sai khác độ dài liên kết C-C gần cạnh xa cạnh cấu trúc nguyên sơ Điều chứng minh liên kết Si-C định mạnh đến thay đổi cấu trúc chiếm ưu so với ảnh hưởng thụ động hóa cạnh Độ dài liên kết Si-C tạo thành 1.969 A Điều cho thấy liên kết Si-C yếu so với liên kết C-C Góc liên kết C-C-C hấp thụ Si nhỏ so với cấu trúc nguyên sơ Do liên kết Si-C yếu liên kết C-C liên kết σ mạnh trì liên kết C-C điều nguyên nhân trì cấu trúc lục giác phẳng AGNR hấp phụ Si Bảng 1: Năng lượng hấp phụ [Eb (eV)], độ dài liên kết C-C gần cạnh (1st C-C), độ dài liên kết C-C xa cạnh (2nd C-C), độ dài liên kết Si-C, góc liên kết C-C-C, độ rộng vùng cấm lượng [Eg (eV)] đặc đính độ rộng vùng cấm Configuration Eads (eV) pristine AGNR Si-AGNR X -1.91731 1st C-C (Å) 1.367 1.471 2nd C-C (Å) 1.425 1.422 320 Si-C (Å) X 1.969 C-C-C (˚) 121.36 118.55 Eg(eV) Band feature 0.9 0.49 direct indirect Hình 1: Mơ hình ngun tử (a) AGNR ngun sơ (b) AGNR hấp phụ Si 3.2 Tính chất điện tử Cấu trúc vùng điện tử đại lượng vật lý hữu ích để nghiên cứu tính chất điện tử Thơng qua tính tốn DFT, cấu trúc vùng điện tử 1D AGNR AGNR hấp phụ nguyên tử Si phát triển trình bày Hình 2; đó mức lượng Fermi xác định lượng để phân biệt vùng lượng hóa trị dẫn biểu thị đường màu hồng Hình Cấu trúc vùng điện tử AGNR nguyên sơ Hình 2(a) thể độ rộng vùng cấm lượng trực tiếp 0.9 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 hấp phụ nguyên tử Si cấu trúc vùng lượng AGNR nguyên sơ bị thay đổi đáng kể Cấu trúc vùng lượng AGNR hấp phụ Si Hình 2(b) có độ rộng vùng cấm thu hẹp 0.49 eV so với cấu trúc nguyên sơ (trình bày Bảng 1) Độ rộng vùng cấm thu hẹp trì đặc tính vùng trực tiếp vùng tán sắc yếu bị tách biệt so với cấu trúc nguyên sơ Để kiểm chứng lại đặc tính 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 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 thu hẹp hấp phụ nguyên tử Si vị trí cầu biểu thị Hình 3(b) Phạm vi khơng có mật độ trạng thái thu hẹp có kết từ độ rộng vùng cấm lượng thu hẹp cấu trúc vùng điện tử AGNR hấp phụ Si Hình 2(b) Ngồi ra, đỉnh chiếm ưu Hình 3(b) có cường độ cao Hình 3(a), nguyên nhân có đóng góp bổ sung nguyên tử Si 321 Hình 2: Cấu trúc vùng điện tử (a) AGNR nguyên sơ (b) AGNR hấp phụ Si Hình 3: Mật độ trạng thái điện tử (a) AGNR nguyên sơ (b) AGNR hấp phụ Si Cường độ liên kết hóa học nhận phân bố mật độ điện tích Phân bố mật độ điện tích AGNR nguyên sơ hấp phụ ngun tử Si vị trí cầu trình bày Hình 4; đó cường độ điện tích lớn nhỏ tương ứng biểu thị màu đỏ màu xanh thang đo Phân bố mật độ điện tích AGNR nguyên sơ Hình 4(a) cho thấy cường độ điện tích liên kết σ mặt (a,c) mạnh so với liên kết π dọc theo hướng a Dưới ảnh hưởng hấp phụ Si, liên kết π nguyên sơ bị biến dạng hình thành Si-C biểu thị Hình 4(b) Ngồi ra, hấp phụ nguyên tử Si vị trí cầu hình 4(b) mật độ điện tích phân bổ mạnh lân cận nguyên tử C nguyên nhân chuyển dời electron từ nguyên tử Si đến nguyên tử C Sự chuyển dời electron tạo mật độ lỗ trống phạm vi lân cận nguyên tử Si Hình 4: Phân bổ mật độ điện tích (a) AGNR nguyên sơ (b) AGNR hấp phụ Si 322 KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, tính tốn DFT hiệu cao sử dụng để xác định tính chất cấu trúc điện tử giàu đặc tính vật liệu AGNR hấp phụ nguyên tử Si Các đại lương vật lý DFT để xác định tính chất cấu trúc điện tử phát triển đầy đủ thơng qua tính tốn VASP bao gồm lượng hấp phụ, thông số cấu trúc tối ưu, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử phân bố mật độ điện tích khơng gian AGNR nguyên sơ có độ rộng vùng cấm lượng 0.9 eV độ rộng vùng cấm trực tiếp Khi hấp phụ nguyên tử Si, độ rộng vùng cấm hiệu chỉnh có giá trị 0.49 eV, giá trị độ rộng vùng cấm tương thích cho ứng dụng điện tử làm kênh dẫn transistor hiệu cao có chuyển dời từ độ rộng vùng cấm trực tiếp sang gián tiếp Cơ chế hiệu chỉnh độ rộng vùng cấm chuyển dời electron từ nguyên tử Si đến C chuyển dời điện tích làm tăng mật độ electron AGNR xem vận động bán dẫn loại n Bên cạnh đó, AGNR hấp phụ Si có độ bền cấu trúc cao, điều cho thấy vật liệu AGNR hấp phụ Si hồn tồn tổng hợp thành cơng phương pháp thực nghiệm Các tính chất cấu trúc điện tử thiết yếu AGNR hấp phụ Si vật liệu bán dẫn 1D tiềm cho ứng dụng 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO Awasthi, S., Awasthi, K., Ghosh, A K., Srivastava, S K., & Srivastava, O N (2015) Formation of single and multi-walled carbon nanotubes and graphene from Indian bituminous coal Fuel, 147, 35-42 Aktürk E, Aktürk O Ü, and Ciraci S (2016) Single, and bilayer bismuthene: stability at high temperature and mechanical and electronic properties, Phys Rev B 94, 14115 Brownson, D A., & Banks, C E (2010) Graphene electrochemistry: an overview of potential applications Analyst, 135(11), 2768-2778 Chen, P Y., Sodhi, J., Qiu, Y., Valentin, T M., Steinberg, R S., Wang, Z., & Wong, I Y (2016) Multiscale graphene topographies programmed by sequential mechanical deformation Advanced materials, 28(18), 3564-3571 Cruz-Silva, E., Barnett, Z M., Sumpter, B G., & Meunier, V (2011) Structural, magnetic, and transport properties of substitutionally doped graphene nanoribbons from first principles Physical Review B, 83(15), 155445 Ferrari, A C., Meyer, J C., Scardaci, V., Casiraghi, C., Lazzeri, M., Mauri, F., & Geim, A K (2006) Raman spectrum of graphene and graphene layers Physical review letters, 97(18), 187401 Gierz, I., Riedl, C., Starke, U., Ast, C R., & Kern, K (2008) Atomic hole doping of graphene Nano letters, 8(12), 4603-4607 Hou, D., Lu, Z., Li, X., Ma, H., & Li, Z (2017) Reactive molecular dynamics and experimental study of graphene-cement composites: Structure, dynamics and reinforcement mechanisms Carbon, 115, 188-208 Hoggard, A., Wang, L Y., Ma, L., Fang, Y., You, G., Olson, J., & Link, S (2013) Using the plasmon linewidth to calculate the time and efficiency of electron transfer between gold nanorods and graphene ACS nano, 7(12), 11209-11217 323 10 Horing, N J M (2010) Aspects of the theory of graphene Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 368(1932), 5525-5556 11 Khandelwal A, Mani K, Karigerasi M H, and Lahiri I (2017) Phosphorene-the two-dimensional black phosphorous: properties, synthesis, and applications, Mater Sci Eng B 221, 17–34 12 Lehtinen, O., Kotakoski, J., Krasheninnikov, A V., & Keinonen, J (2011) Cutting and controlled modification of graphene with ion beams Nanotechnology, 22(17), 175306 13 Manzeli S, Ovchinnikov D, Pasquier D, Yazyev O V and Kis A (2017) 2D transition metal dichalcogenides, Nat Rev Mater 2, 17033 14 Moore J E (2010) The birth of topological insulators, Nature 464, 194–8 15 Razmkhah, M., Mosavian, M T H., Moosavi, F., & Ahmadpour, A (2018) CO2 gas adsorption into graphene oxide framework: Effect of electric and magnetic field Applied Surface Science, 456, 318-327 16 Sevinỗli, H., Topsakal, M., Durgun, E., & Ciraci, S (2008) Electronic and magnetic properties of d transition-metal atom adsorbed graphene and graphene nanoribbons Physical Review B, 77(19), 195434 17 Singh D, Gupta S K, Sonvane Y and Lukačević I (2016) Antimonene: a monolayer material for ultraviolet optical nanodevices, J Mater Chem C 4, 6386–90 18 Sun, Y., Wu, Q., & Shi, G (2011) Graphene based new energy materials Energy & Environmental Science, 4(4), 1113-1132 19 Thompson, B C., Murray, E., & Wallace, G G (2015) Graphite oxide to graphene Biomaterials to bionics Advanced Materials, 27(46), 7563-7582 20 Wakabayashi, K., Takane, Y., Yamamoto, M., & Sigrist, M (2009) Electronic transport properties of graphene nanoribbons New Journal of Physics, 11(9), 095016 21 Yin, L C., Liang, J., Zhou, G M., Li, F., Saito, R., & Cheng, H M (2016) Understanding the interactions between lithium polysulfides and N-doped graphene using density functional theory calculations Nano Energy, 25, 203-210 22 Yu, S S., Zheng, W T., & Jiang, Q (2009) Electronic properties of nitrogen-/boron-doped graphene nanoribbons with armchair edges IEEE transactions on nanotechnology, 9(1), 78-81 23 Zheng, N., Yang, S., Xu, H., Lan, Z., Wang, Z., & Gu, H (2020) A DFT study of the enhanced hydrogen storage performance of the Li-decorated graphene nanoribbons Vacuum, 171, 109011 24 Zhu, T., Antezza, M., & Wang, J S (2021) Dynamical polarizability of graphene with spatial dispersion Physical Review B, 103(12), 125421 324 ... có nghiên cứu chi tiết GNR hấp phụ Si Trong nghiên cứu này, sử dụng tính tốn DFT hiệu cao, chúng tơi nghiên cứu chi tiết tính chất cấu trúc điện tử GNR hấp phụ Si Các tính chất cấu trúc điện tử. .. ngun tử (a) AGNR ngun sơ (b) AGNR hấp phụ Si 3.2 Tính chất điện tử Cấu trúc vùng điện tử đại lượng vật lý hữu ích để nghiên cứu tính chất điện tử Thơng qua tính tốn DFT, cấu trúc vùng điện tử 1D. .. đặc tính vật liệu AGNR hấp phụ nguyên tử Si Các đại lương vật lý DFT để xác định tính chất cấu trúc điện tử phát triển đầy đủ thơng qua tính tốn VASP bao gồm lượng hấp phụ, thông số cấu trúc