Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng. Nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã ngành: 9440103 TRẦN YẾN MI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NĂM 2022 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn chính: PGS TS Nguyễn Thành Tiên Người hướng dẫn phụ: TS Đặng Minh Triết Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường Họp tại: Vào lúc: Phản biện 1: Phản biện 2: Xác nhận xem Chủ tịch Hội đồng Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Trung tâm học liệu, Trường Đại học Cần Thơ - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạp chí quốc tế: Mi, T Y., Triet, D M., & Tien, N T (2020) Adsorption of gas molecules on penta-graphene nanoribbon and its implication for nanoscale gas sensor Physics Open, 2, 100014 DOI: 10.1016/j.physo.2020.100014 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 DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.102047 Mi, T Y., Huy, H A., & Tien, N T (2022) A comparison study of the structural, electronic and electronic transport properties of nanoribbons based on Penta-graphene, Penta-P2C and PentaSiC2 Materials Today Communications, 103912 DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103912 Tạp chí nước: Trần Yến Mi, Nguyễn Lê Hoài Phương, Nguyễn Thành Tiên, (2022) Nghiên cứu cấu trúc tính chất điện tử dãy nano P2C dạng ngũ giác biên cưa phương pháp mô phiếm hàm mật độ Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần Thơ, số chuyên đề: Khoa học tự nhiên (2022)(1): 23-28 DOI: 10.22144/ctu.jvn.2022.094 Đề tài nghiên cứu khoa học: Đề tài cấp Trường Đại học Cần Thơ: Khảo sát tượng hấp thụ khí truyền dẫn điện tử hệ vật liệu penta – graphene nanoribbon phương pháp mô MS: T2019-23 Thời gian thực hiện: 06/2019 – 05/2020 Chủ nhiệm đề tài: NCS Trần Yến Mi Thành viên tham gia: HV Lê Võ Phương Thuận; HV Nguyễn Thị Tường Vy Đề tài cấp Trường Đại học Cần Thơ: Khảo sát tính chất điện tử tính chất truyền dẫn điện tử số loại vật liệu nanoribbon ngũ giác MS: T2022-33 Thời gian thực hiện: 05/2022 – 04/2023 Chủ nhiệm đề tài: NCS Trần Yến Mi Thành viên tham gia: TS Huỳnh Anh Huy Đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu tính chất điện tử vận chuyển điện tử penta-graphene nanoribbon MS: B2020-TCT-14 ; 103.01-2020.16 Thời gian thực hiện: 01/2020 – 12/2021 Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Nguyễn Thành Tiên Thành viên tham gia: TS Phạm Thị Bích Thảo (Thành viên chính) NCS Trần Yến Mi (Thành viên chính) NCS Võ Trung Phúc (Thành viên chính) CN Nguyễn Thanh Tùng (Thành viên chính) Th.S Lê Võ Phương Thuận (Thành viên chính) GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Tổ chức International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) đưa cảnh báo giới hạn kích thước chế tạo linh kiện bán dẫn áp dụng kỹ thuật có từ thập kỷ qua Từ định hướng tạo loại linh kiện dựa vào vật liệu với kích thước nano đặc biệt ý Trong trình tìm kiếm vật liệu thấp chiều, nguyên tử Carbon (C) yếu tố ý nhiều khả hình thành đa dạng cấu hình liên kết Một vài vật liệu nano hình thành từ nguyên tử C đạt giải Nobel Buskyball – C60 hay Graphene Trong đó, Graphene vật liệu đơn lớp giới tổng hợp từ thực nghiệm với tính chất điện tử vượt trội Tuy nhiên, lĩnh vực linh kiện bán dẫn Graphene có hạn chế lớn không tồn vùng cấm Từ đây, công tìm kiếm cách thức mở rộng vùng cấm Graphene phát triển mạnh mẽ Các nghiên cứu Olson Van cho thấy mối liên hệ chặt chẽ cấu trúc hình học tính chất vật liệu, từ giúp nhà khoa học tin tưởng việc thay đổi liên kết vòng sáu (hexagonlục giác) Graphene thành liên kết vịng năm (pentagon-ngũ giác) tạo loại vật liệu với tính chất hồn tồn khác biệt Bằng phương pháp mơ Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT), nhóm nghiên cứu Shunlong Zhang Houlong L Zhuang chứng tỏ Penta-graphene (PG) loại vật liệu Vật liệu PG cấu trúc hai chiều có bề mặt nhấp nhơ, thuộc nhóm đối xứng P-421m chịu nhiệt độ lên đến khoảng 1000 K Do cấu trúc nhấp nhơ nên PG xem tạo ba lớp nguyên tử thành phần, với hai lớp thành phần chứa nguyên tử C lai hóa sp2, lớp cịn lại bao gồm nguyên tử C lai hóa sp3 Ngồi ra, PG chất bán dẫn có vùng cấm thẳng ảo, tính chất điện tử vật liệu dễ dàng điều khiển nhiều cách Với mong muốn phát nhiều tính chất hóa học vật lý mới, đặc biệt tính chất điện tử loại vật liệu ngũ giác này, nhóm nghiên cứu cắt PG thành nhiều kiểu dải nano (Penta-graphene nanoribbon – PGNR), PG-AA (PGNR có hai biên dạng ghế bành), PG-ZZ (PGNR có hai biên dạng zigzag), PGZA (PGNR có biên dạng ghế bành biên dạng zigzag) PG-SS (PGNR có hai biên dạng cưa) Đặc biệt, liên kết dư biên trung hòa nguyên tử Hydro (H) độ rộng dải nano tương đương PG-SS cấu trúc bền so với kiểu dải nano cịn lại Ngồi ra, PG-SS cịn cấu trúc phẳng bảo đảm ba lớp thành phần, có thơng số hình học khơng thay đổi nhiều so với PG, khơng mang từ tính dù có khiếm khuyết Bên cạnh đó, bảo đảm điều kiện liên kết dư biên trung hòa ngun tử H PG-SS cịn có phân bố không trùng lặp theo không gian trạng thái có lượng lân cận mức Fermi Ngồi ra, tính chất truyền dẫn điện tử PG-SS phụ thuộc mạnh vào loại nguyên tử nằm biên loại nguyên tử dùng trung hòa liên kết dư hai biên Gần đây, cấu trúc đồng dạng với PG vừa thừa nhận thông qua phương pháp mô DFT với tên gọi Pentasilicene dicarbide (p-SiC2) Vật liệu p-SiC2 chứng minh có độ bền cao chí có tính chất điện tử khác hẳn PG, chúng thuộc nhóm đối xứng P-421m chất bán dẫn có vùng cấm xiên Tương tự PG, p-SiC2 loại vật liệu có ba lớp thành phần, với hai lớp ngồi chứa nguyên tử C lai hóa sp2, lớp lại chứa nguyên tử Si lai hóa sp3 Mơ hình p-SiC2 cắt thành nhiều dải nano (p-SiC2NR) khác Khi liên kết dư biên mô hình p-SiC2NR trung hịa ngun tử H p-SiC2-NR với hai biên cưa (p-SiC2-SS) lại phẳng cấu trúc lại, chất bán dẫn có vùng cấm xiên khơng mang từ tính Tuy nhiên, tại, chi tiết tính chất điện tử mơ hình p-SiC2SS cịn bỏ ngỏ Cho đến có thêm vài kiểu dải nano quan tâm Graphene nanoribbon (GNR), Carbon nanotube (CNT), Silicene nanoribbon, Penta-BN2 nanoribbon BNNR Trong nhóm vật liệu có cấu trúc dải nano, đặc biệt ý đến loại dải nano ngũ giác có hai biên cưa với liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H, PG-SS p-SiC2SS chúng không mang từ tính có cấu trúc tương đổi phẳng, điều giúp chế tạo linh kiện điện tử nhỏ gọn hoạt động tốt mơi trường từ tính Q trình lược khảo cơng bố khoa học liên quan đến PG, PGSS p-SiC2 cho chúng tơi thấy ngun tử lai hóa sp2 hai lớp nguyên tử thành phần mơ hình định chủ yếu tính chất điện tử chúng Như vậy, loại nguyên tử lai hóa sp2 đóng vai trị quan trọng tính chất điện tử nhóm vật liệu dải nano ngũ giác có hai biên cưa khơng mang từ tính? Từ tính chất truyền dẫn điện tử chúng bị ảnh hưởng nào? Với đặc trưng khả hấp phụ phân tử khí nhóm vật liệu sao? Để giải đáp thắc mắc trên, trọng đến mơ hình hai chiều ngũ giác p-P2C, loại vật liệu bán dẫn có vùng cấm xiên tương tự PG p-SiC2, thuộc nhóm đối xứng P-421m, dự đoán phương pháp mô DFT vào năm 2018, có ba cơng bố quốc tế liên quan đến cấu trúc So sánh cấu trúc PG, p-SiC2 pP2C với nhau, nhận thấy chúng có mối quan hệ chặt chẽ Nếu xem PG cấu trúc gốc, việc thay loại nguyên tử lai hóa sp2 sp3 PG nguyên tử P Si giúp ta thu p-P2C p-SiC2 Do đó, việc so sánh tính chất điện tử truyền dẫn điện tử ba kiểu dải nano có biên cưa, với liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H, PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS, cắt từ PG, p-P2C p-SiC2 giúp chúng tơi thấy rõ vai trị loại ngun tử lai hóa tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu dải nano ngũ giác Trên lý quan trọng dẫn đến mục tiêu nghiên cứu luận án 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Luận án xác định mục tiêu nghiên cứu chính, bao gồm: - Khảo sát tính chất điện tử mơ hình dải nano ngũ giác có hai biên cưa liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H - Khảo sát tính chất truyền dẫn điện tử mơ hình - Khảo sát ảnh hưởng việc hấp phụ phân tử khí lên tính chất điện tử truyền dẫn điện tử mơ hình 1.3 Đối tượng nội dung nghiên cứu Cụ thể, đối tượng nghiên cứu mơ hình dải nano ngũ giác có hai biên cưa, với liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H, cắt từ cấu trúc hai chiều tiền thân PG, p-P2C p-SiC2 Các dải nano gọi tên PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS Trên sở liệu nghiên cứu có trước nhóm PGS TS Nguyễn Thành Tiên, luận án xác định nội dung nghiên cứu bao gồm: - Xây dựng mơ hình khảo sát mức độ ổn định, tính tốn chi tiết tính chất điện tử mẫu p-SiC2-SS - Hình thành cấu trúc p-P2C-SS, từ thực bước so sánh tính chất điện tử truyền dẫn điện tử PG-SS, p-SiC2SS p-P2C-SS, để thấy vai trị loại ngun tử lai hóa lên tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu - Khảo sát khả cảm biến phân tử khí nhóm vật liệu này, với mơ hình PG-SS làm đại diện 1.4 Những đóng góp luận án Luận án khẳng định mơ hình PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS có đặc trưng sau: - Chúng có cấu trúc tiền thân thuộc nhóm đối xứng P421m, phẳng so với kiểu dải nano khác cắt từ mơ hình hai chiều ban đầu - Ứng với khoảng độ rộng mà mơ hình ổn định mặt lượng nhiệt động lực học, đồng thời thể rõ đặc tính điện tử cấu trúc dải nano - Các dải nano chất bán dẫn có vùng cấm xiên với độ rộng vừa phải khơng mang từ tính - Cả tính chất điện tử truyền dẫn điện tử mơ hình dải nano quy định chủ yếu orbital p nguyên tử lai hóa sp2 nằm hai bề mặt cấu trúc Đồng thời, nguyên tử nằm vùng mô hình có vai trị đặc biệt quan trọng so với nguyên tử nằm hai biên Để xét khả cảm biến, chọn khảo sát PG-SS thu kết quan trọng sau: - PG-SS có khả cảm biến tốt CO NH3 phân tử hấp phụ liên kết hai nguyên tử lai hóa sp2 - Đặc biệt, sau hấp phụ phân tử NH3 PG-SS có khả hồi phục cao, liên kết PG-SS NH3 liên kết vật lý - Mơ hình PG-SS khơng phù hợp để cảm biến phân tử CO2 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Từ nghiên cứu này, luận án mang lại số kết quan trọng: - Luận án tính chất điện tử truyền dẫn điện tử tổng quát nhóm vật liệu dải nano ngũ giác PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS - Luận án cho thấy vai trị hấp phụ phân tử khí tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu - Về mặt thực tiễn, kết nghiên cứu luận án góp phần cung cấp thơng tin hữu ích để định hướng cho nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm THẢO LUẬN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN ÁN MỤC A: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA MƠ HÌNH P-SiC2-SS Bằng phương pháp mơ DFT, mơ hình p-SiC2 phục dựng với thơng số cấu trúc, độ ổn định tính chất điện tử đặc trưng công bố Từ đây, p-SiC2 cắt thành dải nano p-SiC2-ZZ, p-SiC2-ZA, p-SiC2-AA p-SiC2-SS, hay gọi chung p-SiC2-NR, Hình 1: Hình 1: Cấu trúc hình học p-SiC2-NR tối ưu hóa cấu trúc tính chất điện tử Hình (a) p-SiC2-ZZ có độ rộng W = 7, hình (b) p-SiC2-ZA có độ rộng W = 8, hình (c) p-SiC2-AA có độ rộng W = hình (d) p-SiC2-SS có độ rộng W = Mỗi giá trị W tính theo tổng số dải nguyên tử dọc theo chiều tuần hồn mẫu Trong hình, đường màu đỏ gãy khúc đường thẳng màu xanh đại diện cho kiểu dải nguyên tử Mỗi trường hợp có hai hình thành phần, hình thành phần bên trái nhìn theo hướng vng góc hình thành phần bên phải nhìn theo hướng song song với bề mặt mẫu Các ký hiệu a h đại diện cho số mạng độ gồ ghề mơ hình 10 - P-SiC2-SS phẳng p-SiC2-NR cịn lại Mơ hình tạo thành từ ba lớp, với hai lớp ngồi chứa C lai hóa sp2, lớp cịn lại gồm Si lai hóa sp3, Hình (d) Khoảng cách trung bình hai lớp ngồi gọi độ gồ ghề mơ hình - Xét lượng, p-SiC2-NR bền vững Tuy nhiên, p-SiC2-SS bền vững với độ rộng khác nhau, Hình Hình 2: Sự thay đổi lượng hình thành (Eform ) kiểu dải pSiC2-NR theo độ rộng W khác - Khảo sát mức độ ổn định p-SiC2-SS phổ tán xạ phonon, quy luật thay đổi giá trị vùng cấm theo độ rộng cho thấy mơ hình ổn định động lực học, thể rõ tính chất điện tử cấu trúc dải độ rộng thỏa W 14, Hình (d) (a) (b) (c) Hình 3: Phổ tán xạ phonon p-SiC2-SS W = 2, hình (a), W = 4, hình (b) W = 6, hình (c), với đường thẳng màu đỏ đứt nét xác định giá trị tần số Hình (d) quy luật thay đổi độ rộng vùng cấm 11 theo W - Việc trung hòa biên p-SiC2-SS nguyên tử H không giúp mẫu ổn định mà không làm thay đổi đáng kể cấu hình hệ so với p-SiC2 Hằng số mạng liên kết không khác biệt so với trường hợp p-SiC2, ngoại trừ độ gồ ghề Hình 4: So sánh phân bố mật độ trạng thái hướng đối tượng (PDOS) mức lượng lân cận mức Fermi vùng hai rìa pSiC2-SS có độ rộng W = 4, hình (a), W = 8, hình (b), W = 12, hình (c) W = 16, hình (d) Các ký hiệu 2C-p biên, 1Si-p biên, 2C-p 1Si-p orbital p hai nguyên tử C nguyên tử Si biên vùng mơ hình Các đường thẳng màu xanh đứt nét đại diện cho mức lượng Fermi - Về tính chất điện tử, p-SiC2-SS chất bán dẫn có vùng cấm xiên Khi độ rộng tăng lên ảnh hưởng hiệu ứng giam cầm lượng tử giảm dần, nên giúp tăng độ linh động điện tử hóa trị, làm cho giá trị vùng cấm giảm theo Đây quy luật tìm thấy mơ hình PG-SS - Tiếp tục xét tính chất điện tử p-SiC2-SS theo phân bố mật độ trạng thái khoảng lượng lân cận mức Fermi ứng với độ rộng xác định, kết cho thấy tính chất điện tử mơ hình định nhiều orbital p nguyên 12 tử C Đặc biệt, hiệu ứng giam cầm lượng tử làm cho nguyên tử hai biên khơng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất điện tử pSiC2-SS, Hình - Ngồi ra, khác biệt với PG-SS, p-SiC2-SS có phân bố trùng lặp không gian trạng thái điện tử mức lượng VBM CBM Đây đặc trưng quan trọng giúp phân biệt tính chất điện tử PG-SS p-SiC2-SS, Hình Hình 5: Sự phân bố theo không gian trạng thái ứng với VBM CBM mơ hình p-SiC2-SS với độ rộng W khác Các bóng màu xanh dương xanh đại diện cho trạng thái VBM CBM Từ kết phân tích trên, kết hợp với tính chất khơng từ tính p-SiC2-SS khẳng định cơng bố trước đó, chúng tơi tin tưởng p-SiC2-SS ứng cử viên sáng giá cho việc chế tạo linh kiện điện tử cấp độ nanomet, đặt biệt cảm biến khí 13 MỤC B: SO SÁNH TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA CÁC MƠ HÌNH PG-SS, P-P2C-SS VÀ PSiC2-SS Dựa vào phương pháp mơ DFT để khảo sát cấu trúc hình học, độ ổn định tính chất điện tử mơ hình dải nano ngũ giác p-P2C-SS có hai biên cưa, liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H, khẳng định khả tồn với độ rộng tối thiểu mười dải nguyên tử Đồng thời chất bán dẫn có vùng cấm xiên, cấu trúc phẳng khơng từ tính, Hình (a) (b) (c) :C :P :H Hình 6: Hình (a) (b) ảnh p-P2C-SS có W = 10 nhìn theo hướng vng góc song song bề mặt Hình (c) cấu trúc vùng lượng p-P2C-SS với hai phổ spin up spin dow trùng :C :P :H : Si Hình 7: Cấu trúc hình học mơ hình PG-SS, hình (a), p-P2C-SS, hình (b) p-SiC2-SS, hình (c) Trong trường hợp lại có hai hình thành phần, thành phần bên trái đại diện cho ảnh nhìn theo hướng song song với bề mặt, thành phần bên phải đại diện cho cách nhìn vng góc bề mặt 14 Xét mơ hình PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS có độ rộng gồm mười dải nguyên tử, có cấu trúc tiền thân nhóm đối xứng, có kiểu biên cưa, liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H, có cấu trúc phẳng, chất bán dẫn có vùng cấm xiên khơng mang từ Tuy nhiên, hiệu ứng giam cầm lượng tử nên biên chúng bị méo mó khơng cịn đồng hình dạng, Hình Từ chúng có tính chất điện tử truyền dẫn điện tử đặc trưng sau: - Về tính chất điện tử, orbital p nguyên tử lai hóa sp2 đóng vai trị quan trọng Hình 8: Đồ thị phân bố mật độ trạng thái hướng đối tượng (PDOS) theo lượng PG-SS, hình (a), p-P2C-SS, hình (b) p-SiC2-SS, hình (c) Các ký hiệu C2-p biên, C2-p giữa, P-p biên, P-p giữa, C-p biên, C-p giữa, Si-p biên Si-p orbital p nguyên tử tương ứng chọn nằm vùng biên hay vùng mơ hình - Có thể có phân vùng theo không gian trạng thái điện tử mức lượng mức Fermi (VBM) hay mức Fermi (CBM) Tuy nhiên, orbital p thuộc 15 nguyên tử lai hóa sp2 vùng mơ hình ln đóng góp quan trọng vào mức lượng CBM, Hình - Về tính chất truyền dẫn điện tử, linh kiện điện tử tạo từ p-P2C-SS tạo dòng so với linh kiện tạo mơ hình cịn lại chúng áp vào hiệu điện đủ nhỏ - Đặc biệt, vùng tiếp giáp vùng trung tâm hai điện cực mơ hình linh kiện làm thay đổi phân bố mật độ điện tử vùng trung tâm so với trường hợp cấu trúc tuần hoàn Nếu thay đổi diễn nguyên tử lai hóa sp2 khả truyền dẫn linh kiện bị ảnh hưởng mạnh so với thay đổi diễn nguyên tử lai hóa sp3, Hình (a) PG-SS (a’) (b) p-P2C-SS (b’) (c) p-SiC2-SS (c’) Hình 9: So sánh phân bố mật độ điện tử hóa trị trường hợp cấu trúc tuần hoàn (a), (b), (c) vùng trung tâm (a’), (b’), (c’) tương ứng mơ hình PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS Hình (d) minh họa độ lớn mật độ điện tử Tóm lại, nhóm mơ hình trạng thái điện tử nguyên tử lai hóa sp2 định chủ yếu tính chất điện tử truyền dẫn điện tử Kết hợp với cấu trúc phẳng khơng từ tính, chúng tơi tin kết nghiên cứu sé góp phần chế tạo linh kiện điện tử, đặc biệt cảm biến khí có khả hoạt động tốt mơi trường từ tính 16 MỤC C: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MƠ HÌNH PG-SS Sử dụng phương pháp mơ DFT để khảo sát cấu hình hấp phụ thay đổi tính chất điện tử mơ hình PG-SS ảnh hưởng chế hấp phụ, với phương pháp mô NEGFDFT để khảo sát thay đổi hệ số truyền qua T(E) tượng hấp phụ linh kiện chế tạo từ PG-SS chưa có hiệu điện áp vào, thu kết quan trọng: (a) :C (b) (c) :H Hình 10: Cấu trúc hình học tối ưu tính chất điện tử đặc trưng PGSS có W = Hình (a) (b) cách nhìn vng góc song song với bề mặt mơ hình Hình chữ nhật đứt nét màu đỏ siêu ô sở, hình chữ nhật đứt nét màu xanh cho thấy vùng khảo sát tượng hấp phụ Hình (c) cho thấy cấu trúc vùng lượng PG-SS khảo sát theo hướng đối xứng cao -Z vùng Brioulline thứ nhất, mức Fermi chọn làm gốc lượng đại diện đường đứt nét màu đỏ - Mơ hình PG-SS tối ưu có liên kết dư biên trung hòa nguyên tử H có độ rộng gồm sáu dải ngun tử, Hình 10, có thơng số cấu trúc tính chất điện tử đặc trưng hoàn toàn phù hợp với kết nghiên cứu trước - Quan tâm đến việc hấp phụ phân tử PG-SS vị trí khác nhau, chúng tơi nhận thấy PG-SS hấp phụ tất CO, CO2 NH3, với chế khác Đối với CO 17 Z hấp phụ liên kết C2 – C2, trường hợp PG-SS-CO-1, liên kết CO PG-SS liên kết hóa học, Hình 11 (a), CO đặt nguyên tử C3, trường hợp PG-SS-CO-2, liên kết CO đế liên kết vật lý, Hình 11 (b), nên làm cho tính chất điện tử PG-SS thay đổi rõ rệt trường hợp PG-SSCO-1, Hình 12 (a), so với trường hợp PG-SS-CO-2, Hình 12 (b) (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 11: Sự phân bố mật độ điện tử trường hợp hấp phụ tối ưu PG-SS-CO-1, hình (a), PG-SS-CO-2, hình (b), PG-SS-CO2, hình (c), PGSS-NH3-1, hình (d) PG-SS-NH3-2, hình (e) Quy ước độ lớn mật độ điện tử quy định hình (f) - Trong trường hợp hấp phụ phân tử CO2, CO2 hấp phụ liên kết C2 – C2, liên kết CO2 PG-SS liên kết hóa học, Hình 11 (c), tính chất điện tử PG-SS khơng thay đổi đáng kể, Hình 12 (c) Lý điện tử tham gia liên kết CO2 PG-SS không thuộc mức lượng VBM, Hình 13 Do đó, trạng thái điện tử tham gia liên kết phân tử đế đóng vai trị quan trọng thay đổi tính chất điện tử đế, từ làm ảnh hưởng đến khả cảm biến linh kiện - Xét trường hợp PG-SS-CO-1 PG-SS-CO2, Hình 11 (a) Hình 11 (c), liên kết hóa học phân tử PG-SS không thiết làm thay đổi rõ rệt tính chất điện tử PG-SS, Hình 12 (a) Hình 12 (c) Điều cho thấy PG-SS phù hợp để chế tạo cảm biến khí CO, không phù hợp cho CO2 bắt giữ CO2 18 (a) (b) (d) (c) (e) Hình 12: So sánh mật độ trạng thái cấu hình tối ưu chưa hấp phụ hấp phụ theo trường hợp PG-SS-CO-1, hình (a), PG-SS-CO2, hình (b), PG-SS-CO2, hình (c), PG-SS-NH3-1, hình (d) PG-SS-NH32, hình (e) Các đường màu xanh đứt nét đại diện cho mức Fermi, đồng thời gốc lượng mơ hình (a) (b) (c) Hình 16: Sự phân bố theo không gian trạng thái điện tử mức lượng VBM ba cấu trúc hấp phụ PG-SS-CO-1, hình (a), PG-SS-NH3-1, hình (b) PG-SS-CO2, hình (c) - Khảo sát thay đổi tính chất điện tử truyền dẫn điện tử PG-SS hấp phụ phân tử NH3 liên kết C2 – C2, kết cho thấy liên kết chúng liên kết vật lý, Hình 11 (d), mà thay đổi hệ số truyền qua T(E) PG-SS diễn mạnh mẽ, Hình 14 Các dấu hiệu cho thấy PG-SS cảm biến tốt NH3 có khả tái sử dụng cao 19 Các trường hợp hấp phụ PG-SS-CO-1 PG-SS-NH3-1 cho thấy chìa khóa quan trọng để làm thay đổi tính chất điện tử truyền dẫn điện tử PG-SS tác động lên trạng thái điện tử nguyên tử lai hóa sp2 Do đó, xem ví dụ chứng tỏ vai trị ngun tử lai hóa sp2 tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS (a) (b) (a’) (b’) Hình 14: Ảnh hưởng chế hấp phụ phân tử lên hệ số truyền quan T(E) trường hợp PG-SS-CO-1, hình (a), PG-SS-NH3-1, hình (b) Các hình chèn (a’) (b’) phóng to khoảng lượng có thay đổi rõ rệt T(E) trường hợp hấp phụ Trên toàn nội dung liên quan đến kết nghiên cứu luận án tính chất điện tử truyền dẫn điện tử mơ hình dải nano ngũ giác PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS 20 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT Từ kết nghiên cứu tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS, chúng tơi thu kết luận quan trọng mang tính chất đặc trưng Đồng thời, có vấn đề cịn bỏ ngõ liên quan đến việc bổ đính tương tác Van der Waals vào thuật tốn mơ Hơn nữa, số hướng nghiên cứu liên quan đến mạch nghiên cứu luận án triển khai thời gian ngắn tới Tất vấn đề quan trọng trình bày 5.1 Các kết luận quan trọng luận án Bằng việc sử dụng phương pháp mô DFT để khảo sát mức độ ổn định, cấu trúc hình học tính chất điện tử, với phương pháp mơ NEGF-DFT để khảo sát tính chất truyền dẫn điện tử mơ hình dải nano ngũ giác PG-SS, p-SiC2-SS p-P2C-SS, luận án thu kết quan trọng sau: - Xuất phát từ mơ hình ngũ giác hai chiều p-SiC2 thuộc nhóm đối xứng P-421m, ta thu nhiều kiểu dải nano ngũ giác với biên khác Khi trung hòa liên kết dư biên nguyên tử H dải nano ngũ giác có hai biên cưa, pSiC2-SS, có cấu trúc bền so sánh sở dải nano có độ rộng tương đương Tính chất tìm thấy nghiên cứu PG-SS kiểu dải nano ngũ giác cắt từ PG - Chúng chứng minh khả tồn mơ hình pP2C-SS cắt từ p-P2C thuộc nhóm đối xứng P-421m, với độ rộng tối thiểu mười dải nguyên tử Đây mơ hình có cấu trúc tương tự PG-SS p-SiC2-SS, cấu trúc phẳng, chất bán dẫn có độ rộng vừa phải, khơng mang từ tính Tuy nhiên, chi 21 tiết mơ hình có biên méo mó khác hiệu ứng giam cầm lượng tử - Chính khác biệt mà tính chất điện tử dải nano khác khác Chẳng hạn phân bố trạng thái điện tử không gian ứng với hai mức lượng VBM CBM mơ hình: Mơ hình PG-SS có tách biệt rõ rệt theo không gian hai trạng thái này, VBM tập trung vùng biên CBM lại xuất dầy đặc vùng dải nano Trong p-P2C-SS lại có phân bố trùng lặp có xu hướng tập trung cao vùng mơ hình hai trạng thái Ngoài ra, p-SiC2-SS có phân bố trùng lặp hai trạng thái này, nhiên chúng lại có xu hướng dàn trãi, bị hạn chế hai biên mơ hình - Tính chất điện tử truyền dẫn điện tử dải nano phụ thuộc mạnh mẽ vào trạng thái điện tử ngun tử lai hóa sp2 nằm hai lớp ngồi cùng, so với trạng thái điện tử lai hóa sp3 thuộc nguyên tử nằm lớp cấu trúc - Khảo sát khả cảm biến nhóm vật liều vài phân tử khí, chẳng hạn NH3, CO CO2, với PG-SS có độ rộng gồm sáu dải nguyên tử chọn làm đại diện, nhận thấy: Khi phân tử khí hấp phụ liên kết hai ngun tử lai hóa sp2 khả bắt giữ phát (phát tín hiệu thơng qua thay đổi trạng thái truyền dẫn điện tử) đế PG-SS tốt Tuy nhiên, PG-SS phù hợp để cảm biến phân tử CO NH3 Chúng nhận thấy điện tử tham gia liên kết phân tử đế có mức lượng VBM khả phát phân tử PG-SS thể rõ nét 22 Đặc biệt, trường hợp cảm biến NH3 PG-SS cịn có ưu điểm bật khả phục hồi, liên kết phân tử NH3 đế PG-SS liên kết vật lý Trên kết luận quan trọng mà luận án thu suốt trình nghiên cứu tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu dải nano ngũ giác, có hai biên cưa, liên kết dư biên trung hịa ngun tử H, có cấu trúc phẳng, có cấu trúc tiền thân thuộc nhóm đối xứng P-421m, chất bán dẫn có vùng cấm vừa phải khơng mang từ tính 5.2 Vấn đề tồn đọng nghiên cứu Trên sở dựa vào lý thuyết phiếm hàm mật độ, cách tiếp cận Landauer để khảo sát tính chất điện tử truyền dẫn điện tử mơ hình dải nano này, chúng tơi nhận thấy vấn đề cịn bõ ngõ mạch nghiên cứu luận án Trong số nghiên cứu chúng tơi chưa quan tâm đến việc bổ đính tương tác Van der Waals, nghiên cứu khác,việc bổ đính lại quan tâm Tại đây, chúng tơi nhận thấy tương tác bổ đính không làm thay đổi thông số cấu trúc mơ hình, lại ảnh hưởng đến tính chất điện tử chúng Cụ thể, so sánh vùng cấm mơ hình PG-SS p-SiC2-SS, chúng tơi thu kết sau, bảng 5.1: Bảng 1: So sánh giá trị vùng cấm PG-SS p-SiC2-SS khơng có có bổ đính tương tác Van der Waals phương pháp mô Không Van der Có Van der Waals Waals PG-SS (W = 10) 2,29 eV 1,89 eV p-SiC2-SS (W = 10) 1, 58 eV 1,60 eV Tuy nhiên, chưa trả lời thỏa đáng vấn đề 23 5.3 Một số hướng nghiên cứu Từ kết luận quan trọng mà luận án thu việc nghiên cứu tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm mơ hình dải nano ngũ giác này, với vấn đề tồn đọng liên quan đến việc bổ đính tương tác Van der Waals, luận án xác định hai hướng nghiên cứu quan trọng tiếp theo: Do khác biệt phân bố trạng thái điện tử không gian thuộc mức lượng lân cận mức Fermi kiểu dải nano khác nhau, nên chắn dẫn đến khả cảm biến khác loại phân tử khí, chẳng hạn CO, CO2 NH3, kiểu đế ứng với dải nano Do đó, chúng tơi dự định so sánh khả cảm biến mơ hình PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS tạo từ báo phân tử khí quen thuộc mà chúng tơi quan tâm, bao gồm CO, CO2 NH3 Ngoài ra, nhận định việc khảo sát chi tiết mức độ ảnh hưởng tương tác Van der Waals vào tính chất điện tử truyền dẫn điện tử nhóm vật liệu PG-SS, p-P2C-SS p-SiC2-SS mục tiêu quan trọng mà cần đạt thời gian ngắn tới Trên toàn vấn đề cốt lõi, tồn đọng hướng nghiên cứu quan trọng mà tiếp tục triển khai thời gian tới 24