Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc nano xốp zno

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG CẤU TRÚC NANO XỐP ZnO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC NANO XỐP ZnO Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 62440103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Vũ Ngọc Tước Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, thực hướng dẫn PGS TS Vũ Ngọc Tước Các kết nêu luận án trung thực chưa khác công bố Hà Nội, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn năm Tác giả luận án PGS TS Vũ Ngọc Tước Nguyễn Thị Thảo i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tơi xin tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới người thầy - PGS.TS Vũ Ngọc Tước Trong trình làm việc thực luận án, nhận hướng dẫn tận tình Thầy Thầy động viên, khích lệ tơi vượt qua khó khăn cơng việc, đặt vấn đề nghiên cứu có tính thời cao tạo hứng khởi nghiên cứu để theo đuổi đề tài luận án Tiếp theo xin cảm ơn chân thành giúp đỡ, đóng góp ý kiến mặt khoa học động viên tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi đồng nghiệp, Thầy cô viện Vật lý kỹ thuật Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội quan chủ quản Trường Đại học Hồng Đức Cuối cùng, xin cảm ơn động viên, tạo điều kiện tốt Gia đình tơi, đặc biệt bố mẹ, chồng tơi để tơi tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án Nguyễn Thị Thảo ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN THẤP CHIỀU 1.1 Tổng quan vật liệu cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều 1.1.1 Định nghĩa vật liệu nano 1.1.2 Phân loại vật liệu nano 1.1.3 Chế tạo vật liệu nano 1.2 Tổng quan vật liệu nghiên cứu 12 1.2.1 Sơ lược vật liệu bán dẫn 12 1.2.2 Phân loại vật liệu bán dẫn theo cấu trúc nguyên tử 13 1.2.3 Vật liệu ôxit kẽm (ZnO) 13 1.2.3.1 Đặc điểm cấu trúc thuộc tính: 14 1.2.3.2 Ứng dụng tiềm 18 1.3 Cấu trúc nano xốp 23 1.3.1 Phân loại nano xốp 23 1.3.2 Zeolite - Nano xốp vô 26 1.3.3 Khung kim loại hữu - MOF 27 1.3.4 Siêu vật liệu 28 1.3.5 Các tinh thể Fullerite 31 1.3.6 Các khoáng sét nanoclay 32 1.4 Kết luận 34 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ VÀ GẦN ĐÚNG LIÊN KẾT CHẶT DỰA TRÊN DFT 35 2.1 Phương trình Schrưdinger độc lập thời gian 35 2.2 Gần Born-Oppenheimer 36 2.3 Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT 38 iii 2.3.1 Các Định lý Höhenberg-Kohn 39 2.3.2 Phương trình Kohn-Sham 40 2.3.3 Thế hiệu dụng Kohn-Sham 42 2.3.4 Phiếm hàm trao đổi tương quan 42 2.3.4.1 Gần mật độ cục 43 2.3.4.2 Gần Gradient tổng quát 44 2.3.5 Phương pháp trường tự hợp 45 2.4 Phương pháp phiếm hàm mật độ kết hợp gần liên kết chặt tự hợp điện tích SCC-DFTB 47 2.4.1 Mơ hình gần liên kết chặt 47 2.4.2 Phương pháp SCC-DFTB 48 2.4.2.1 Sắp xếp lại công thức lượng tổng Kohn-Sham 49 2.4.2.2 Các gần SCC-DFTB 50 2.5 Kết luận 54 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP MẬT ĐỘ THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ DƯỚI LÊN 56 3.1 Phương pháp dự đoán cấu trúc cách tiếp cận từ lên 56 3.2 Tính tốn chi tiết 65 3.2.1 Năng lượng liên kết, độ bền vững cấu trúc 65 3.2.2 Cấu trúc vùng lượng điện tử [29] 68 3.2.3 Các thông số cấu trúc 71 3.3 Kết luận 74 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP KÊNH RỖNG DẠNG LỤC GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG 76 4.1 Phương pháp thiết kế cấu trúc phương pháp từ xuống 76 4.2 Chi tiết tính tốn 78 4.2.1 Năng lượng dao động tự 81 4.2.2 Tính mật độ trạng thái phonon lý thuyết DFT 83 4.3 Các cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng lục giác 84 4.3.1 Mô tả cách phân loại cấu trúc 84 4.3.2 Năng lượng liên kết, độ bền vững pha phương trình trạng thái 87 4.3.3 Cấu trúc vùng điện tử 89 4.3.4 Kết thảo luận 94 4.4 Kết luận 101 iv CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP KÊNH RỖNG DẠNG TAM GIÁC VÀ THOI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG 102 5.1 Thiết kế cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng thoi tam giác 102 5.2 Chi tiết tính tốn 105 5.3 Đánh giá độ bền vững cấu trúc 106 5.4 Mô ảnh nhiễu xạ tia X 109 5.5 Tính chất học cấu trúc 111 5.6 Tính chất điện tử 114 5.7 Kết luận 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 138 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KH &CN: Khoa học công nghệ KH: Khoa học CN: Công nghệ KHVL: Khoa học vật liệu TD: Thí dụ WZ: Wurtzite ZB: Zincblende 0D: dimension 1D: dimention 2D: dimension 3D: dimension HW: Half Wall SW: Single Wall 1.5W: 1.5 Wall DW: Double Wall 2.5W: 2.5 Wall TW: Triple Wall 3.5W: 3.5 Wall QW: Quadruple Wall CMS: Computational Materials Science MD: Molecular Dynamics DFT: Density Functional Theory TB: Tight-Binding DFTB: Density Functional based Tight-Binding SCF: Self- Sonsistent Field SCC-DFTB: Self Consistent Charge Density Functional based Tight-Binding TDDFTB: Time Dependent Density Functional based Tight-Binding VASP: The Vienna Ab initio Simulation Package SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms VESTA: Visualization System of Electronic and Structural Analysic XRD: X Ray Diffraction vi LDA: Local Density Approximation GEA: Geradient Expansion Approximation GGA: Gneralized Gradient Approximation PBE: Perdew-Burke-Ernzerhof PBESol: Perdew-Burke-Ernzerhof Solid HSE: Heyd-Scuseria-Ernzerhof STO: Slater Type Orbitals SK: Slater Koster HF: Hatree Fock BM: Bulk Modulus XC: Exchange Corelational DOS: Densities Of States PDOS: Projected Densities Of States MOF: Metal Organic Framework HOMO: Hightest Occupied Molecular Orbital LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital CBM: Conduction Band Minimum VBM: Valence Band Maximum TEM: Transmission Electron Microscopy SEM: Scanning Electron Microscope AFM: Atomic Force Microscope NEMS: Nano Electric Mechanical System MEMS Micro Electronic Mechanical System CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CVD: Chemical Vapour Deposition PVD: Physical Vapor Deposition MC: Micromechanical Cleavage RNA: Ribo Nucleic Acid DNA: Deoxyribo Nucleic Acid NP: Nano Particle NP-DNA : Nano Particle - DeoxyriboNucleic Acid UV: Ultra Violet IR: Infra Red ITO: Indium Tin Oxide vii FET: Field Effect Transistor TTET: Transparent Thin Film Transistors LED: Light Emitting Diode OLED: Organic LightEmiting Diode LCD: Liquid Crystal Display MR: Member Ring IZA: International Zeolite Association viii KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận án thiết kế, dự đoán lý thuyết số lượng lớn cấu trúc hai cách tiếp cận từ lên từ xuống, kết luận lại bốn điểm sau: 1/ Bằng cách tiếp cận từ lên, xuất phát từ cụm nguyên tử "ma thuật" ZnkOk (k = 9,12,16), chúng tơi dự đốn khả tồn ba ứng cử viên đáng quan tâm cho pha đa hình nano xốp tinh thể dạng lồng rỗng từ vật liệu ZnO So sánh, kiểm nghiệm phương pháp tính tốn với bảy pha đa hình đề xuất thời gian gần Carrasco et al [PRL 99, 235502], Demiroglu et.al [Nanoscale (2014),6, 11181], Spoponza et al [PRB (2015) 91, 075126], Zagorac et al [RSC Adv.(2015), 5, 25929], phân tích chúng tơi cho thấy, ba pha đa hình chúng tơi dự đốn tồn dạng cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà khơng bị phá vỡ cấu hình Chúng khác biệt hồn toàn sánh ngang độ bền vững với bảy cấu trúc tham chiếu đề xuất 2/ Bằng cách tiếp cận từ xuống, chúng tơi dự đốn lý thuyết họ cấu trúc tinh thể nano xốp ZnO dạng kênh rỗng lục giác với hàng loạt kích thước hốc rỗng độ dày vách hốc khác Dựa 44 đại diện họ cấu trúc kênh rỗng lục giác thiết kế với tính đối xứng tương tự pha WZ, phân tích chúng tơi cấu trúc, tính chất cơ, nhiệt điện tử cho thấy kênh rỗng tồn cấu trúc tuần hồn mà khơng làm sụp đổ cấu trúc chúng có khả điều chỉnh đặc tính chẳng hạn module khối - đại lượng phản ánh độ cứng cấu trúc xốp hay độ rộng vùng cấm theo tham số kích thước kênh rỗng, bề dày vách rỗng phân bố hình dạng Đặc biệt đưa phụ thuộc không tuyến tính module khối vào độ xốp với xu giảm nhanh tiến tới bão hòa độ xốp giảm Chúng với mục đích tạo nano xốp kênh rỗng lục giác độ dày vách xốp ba lớp lục giác tối ưu cho việc tiếp cận gần đến đường chuẩn vàng độ cứng-trên-tỷ trọng vật liệu 3/ Bằng cách tiếp cận từ xuống chúng tơi mở rộng nghiên cứu dự đốn/thiết kế thêm ba họ cấu trúc kênh rỗng dạng thoi hai họ tam giác (với tổng cộng 75 cấu trúc) Phân tích chúng tơi cho thấy nhiều tính chất vật lý quan trọng các họ đa tỉ số bề mặt-thể tích, độ xốp, module khối cấu trúc vùng lượng điện tử, điều chỉnh tham số cấu hình dạng, kích thước, dạng topo (hình học nhóm đối xứng) hốc rỗng độ dày vách rỗng Đặc biệt là, khác nhau, dạng topo nano xốp kênh rỗng 124 lại có quy luật biến đổi độ cứng theo độ xốp Chúng tơi gọi quy luật topo tổng quan quy luật lại khác với dạng topo khác 4/ So sánh dạng topo hình học bốn họ nano xốp kênh rỗng cho thấy với độ xốp họ kênh rỗng lục giác (hay tổ ong) có độ cứng lớn nhất, tiếp sau họ tam giác (B), thoi (A) tam giác (C) Kết cho phép dẫn dắt việc chế tạo nano xốp thực nghiệm thông qua dự đốn, thiết kế trước đặc tính cấu trúc Do độ xốp phụ thuộc vào tham số cấu hình kênh xốp nên có thêm linh hoạt thiết kế cách cân đối việc thay đổi tham số để có đặc tính “may đo” cho ứng dụng thực tế Cuối đa hình nano xốp chúng tơi dự đốn ổn định nhiệt động, lượng có tiềm ứng dụng lớn tương lai Các kết nghiên cứu mà cơng bố hy vọng đóng góp vào việc kiến thức chung vật lý, KHVL loại vật liệu đầy triển vọng ứng dụng lĩnh vực công nghệ cao tương lai Về hướng phát triển tiếp theo: Các nghiên cứu cho thấy phương pháp dự đoán, thiết kế cấu trúc sử dụng lý thuyết DFTB khả thi thực tế nhiều khía cạnh Thứ nhất, hiệu mặt tính tốn, địi hỏi thời lượng tính tốn so với phương pháp dự báo cấu trúc hồn tồn ab initio Thứ hai, nhờ tính tương đồng mặt cấu trúc, từ đa hình ZnO liên tưởng để áp dụng đến vật liệu bán dẫn khác nhóm bán dẫn nhị phân II-VI, chẳng hạn ZnS, CdSe, CdTe chất mà pha đa hình tinh thể khác chúng tìm thấy có giá trị ứng dụng cao 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Góc kiến thức bán dẫn - Semiconductor - web-site công ty Sao đỏ [http:// redstarvietnam.com/goc-kien-thuc.html?page=4] [2] Nguyễn Huyền Tụng (2008) giáo trình “Cơ học lượng tử”, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Vũ Ngọc Tước Thuyết minh ĐT Nafosted 2015-2017 (MS: 103.01-2014-25) TIẾNG ANH [4] A A Sokol, M R Farrow, J Buckeridge, A J Logsdail, C R A Catlow, D O Scanlonab and S M Woodley (2014) Double bubbles: a new structural motif for enhanced electron–hole separation in solids Phys Chem Chem Phys 16, 21098 [5] A Bakin, A El-Shaer, A.C Mofor, M Al-Suleiman, E Schlenker, E A Waag (2007) MgO-ZnO Quantum Wells Embedded in ZnO Nanopillars: Towards Realisation of Nano-LEDs Phys Stat Sol (C) (1), 158–161 [6] A Che Mofor, A El-Shaer, A Bakin, A Waag, H Ahlers, U Siegner, S Sievers, M Albrecht, W Schoch, et al (2005) Magnetic property investigations on Mndoped ZnO Layers on sapphire Appl Phys Lett 87 (6), 062501 [7] A Grbic, G.V Eleftheriades (2004) Overcoming the Diffraction Limit with a Planar Left-handed Transmission-line Lens Phys Rev Lett 92 (11), 117403 [8] A Hernandez Battez, R Gonzalez, J Viesca, J Fernandez, J Diazfernandez, A MacHado, R Chou, J Riba (2008) CuO, ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiwear additive in oil lubricants Wear 265 (3-4), 422-428 [9] A Kołodziejczak - Radzimsk , T Jesionowski (2014) Zinc Oxide—From Synthesis to Application Materials (4), 2833-2881 [10] A Martijn Zwijnenburg, F Illas and S T Bromley (2010) Apparent Scarcity of Low-Density Polymorphs of Inorganic Solids Phys Rev Lett 104 (17), 175503 [11] A Togo, F Oba, and I Tanaka (2008) First-principles calculations of the ferroelastic transition between rutile-type and CaCl2-type SiO2 at high pressures Phys Rev B 78 (13), 134106 [12] Amir Handelman, Peter Beker, Nadav Amdursky and Gil Rosenman (2012) Physics and engineering of peptidesupramolecular nanostructures Phys Chem Chem Phys 14 (18), 6391 126 [13] Bilbao Crystallographic Server [http://www.cryst.ehu.es/] [14] C Dey, T Kundu, BP Biswal, A Mallick, R Banerjee (2013) Crystalline metalorganic frameworks (MOFs): synthesis, structure and function Acta Crystallographica Section B: Structural Science, Crystal Engineering and Materials 70 (1), 3-10 [15] C F Klingshirn, A Waag, A Hoffmann, J Geurts (2010) Zinc Oxide: From Fundamental Properties Towards Novel Applications Springer [16] C H Bennett (1976) Efficient estimation of free energy differences from Monte Carlo data J Comp Phys 22 (2), 245-268 [17] C Klingshirn (2007) ZnO: Material, Physics and Applications Chem Phys Chem 8(6), 782–803 [18] C L Fu and K M Ho (1983) First-principles calculation of the equilibrium ground-state properties of transition metals: Applications to Nb and Mo Phys Rev B 28, 5480 [19] C Lee and X Gonze (1995) Ab initio calculation of the thermodynamic properties and atomic temperature factors of SiO2 α-quartz and stishovite Phys Rev B 51, 8610 [20] D Alfe (2009) PHON: A program to calculate phonons using the small displacement method Computer Physics Communications 180 (12), 2622-2633 [21] D M Ceperley, B J Alder (1980) Ground State of the Electron Gas by a Stochastic Method Phys Rev Lett 45(7), 566 [22] D Zagorac, J C Schön, J Zagorac and M Jansen (2015) Theoretical investigations of novel zinc oxide polytypes and in-depth study of their electronic properties RSC Adv 5, 25929-25935 [23] E Winston Kock (2009) First Demonstration of a Working Invisibility Cloak Office of News & Communications Duke University [24] F D Murnaghan (1944) The Compressibility of Media under Extreme Pressures Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 30 (9), 244-247 [25] F Porter (1991) Zinc Handbook: Properties, Processing, and Use in Design CRC Press [26] Ferré Borrull Jossep, Josep Pallarès, Gerard Macías and Lluis F Marsal (2014) Nanostructural Engineering of Nanoporous Anodic Alumina for Biosensing Applications Materials, (7), 5225-5253 127 [27] Francesco Bonaccorso, Antonio Lombardo, Tawfique Hasan, Zhipei Sun, Luigi Colombo, C Andrea Ferrari (2012) Production and processing of graphene and 2d crystals Materialstoday 15 (12), 564-589 [28] Fred John Harding (2007) Breast Cancer: Cause – Prevention – Cure Tekline Publishing [29] From Wikipedia, the free encyclopedia - Accessible surface area [https://en wikipedia.org/wiki/Accessible_surface_area] [30] From Wikipedia, the free encyclopedia - Birch - Murnaghan equation of state [https: //en.wikipedia.org/wiki/Birch-Murnaghan_equation_of_state] [31] From Wikipedia, the free encyclopedia - Electronic band structure [https://en wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure] [32] From Wikipedia, the free encyclopedia - Zeolite [https://en.wikipedia.org/wiki /Zeolite] [33] From Wikipedia, the free encyclopedia - Zinc oxide [https://en.wikipedia.org /wiki/Zinc_oxide] [34] G J Ackland (2002) Calculation of free energies from ab initio calculation Journal of Physics: Condensed Matter 14 (11), 2975 [35] G Konstantatos and E H Sargent (2010) Review: Nanostructured materials for photon detection Nature Nanotechnology 5, 391 - 400 [36] G Kresse and J Furthmüller (1996) Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set J Comput Mater Sci (1), 15-50 [37] G Kresse and J Furthmüller (1996) Efficient iterative schemes for ab initio totalenergy calculations using a plane-wave basis set Phys Rev B 54, 11169 [38] G Kresse (1993) Ab intio molecular dynamic fur flussige metalle (Ph.D.thesis), Tech-nische Universitat Wien [39] G Kresse, J Hafner (1993) Ab initio molecular dynamics for liquid metals Phys Rev B 47, 558 [40] Gary Meek (2008) New Small-scale Generator Produces Alternating Current By Stretching Zinc Oxide Wires Science Daily November 10 [41] Guomin Hua, Ye Zhang, Junxi Zhang, Lide Zhang (2008) Fabrication of ZnO nanowire arrays by cycle growth in surfactantless aqueous solution and their applications on dye-sensitized solar cells Materials Letters 62 (25), 4109-4111 128 [42] H D Tran, M Amsler, S Botti, M A L Marques, and S Goedecker (2014) Firstprinciples predicted low-energy structures of NaSc(BH4)4 J Chem Phys 140, 124708 [43] H Kuhn, H D Försterling, and D H Waldeck (2009) Principles of Physical Chemistry, ed (John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA) [44] H Sharma, V Sharma, and T D Huan (2015) Evaluation of crystal free energy with lattice dynamics Phys Chem Chem Phys 17, 18146 [45] H T Wang, B S Kang, F Ren, L C Tien, P WSadik, D PNorton, S J Pearton, Lin, Jenshan (2005) Hydrogen-selective sensing at room temperature with ZnO nanorods Appl Phys Lett 86 (24), 243503 [46] Humberto Terrones and Mauricio Terrones (2003) Curved nanostructured materials New Journal of Physics, 5(1), 126 [47] Ilker Demiroglu, Sergio Tosoni, Francesc Illasa and T.Stefan Bromley (2014) Bandgap engineering through nanoporosity Nanoscale, 6(2), 1181-1187 [48] J Bauer, A Schroer, R Schwaiger and O Kraft (2016) Approaching theoretical strength in glassy carbon nanolattices Nature Materials, 15, 438-443 [49] J C.Slater (1930) Atomic Shielding Constants Phys Rev 36, 57 [50] Javier Carrasco, Francesc Illas, and Stefan T Bromley (2007) Ultralow-Density Nanocage-Based Metal-Oxide Polymorphs Phys Rev Lett 99, 235502 [51] Jawaid, Mohammad, Qaiss, Abou el Kacem, Bouhfid, Rachid (2016) Nanoclay Reinforced Polymer Composites - Nanocomposites and Bionanocomposites Springer [52] Jian-Hong Lee, Yi-Wen Chung, Min-Hsiung Hon, Ing-Chi Leu (2009) Densitycontrolled growth and field emission property of aligned ZnO nanorod arrays Appl Phys A, 97(2), 403–408 [53] J H Lee, J P Singer, and E L Thomas (2012) Micro/Nanostructured Mechanical Metamaterials Adv Mater 24(36), 4782-4810 [54] J Heyd, G E Scuseria, and M M Ernzerhof (2006) Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential J Chem Phys 124(21), 219906 [55] J L G.Fierro (2006) Metal Oxides: Chemistry & Applications CRC Press [56] J M Soler, E Artacho, J D Gale, A García, J Junquera, P Ordejón, and D SánchezPortal (2002) The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation J Phys Condens Matter 14, 2745-2779 129 [57] J P Perdew, A Zunger (1981) Self-interaction correction to densityfunctional approximations for many-electron systems Phys Rev B 23, 5048- 5079 [58] J P Perdew, K Burke, and M Ernzerhof (1996) Generalized Gradient Approximation Made Simple Phys Rev Lett 77, 3865 [59] J Paier, M Marsman, K Hummer, G Kress (2006) Screened hybrid density functionals applied to solids J Chem Phys 124 (15), 154709 [60] J R Nelson, R J Needs, and C J Pickard (2015) Calcium peroxide from ambient to high pressures Phys Chem Chem Phys 17(10), 6889-6895 [61] Jens Bauer, Stefan Hengsbach, Iwiza Tesari, Ruth Schwaiger, Oliver Kraft (2014) High-strength cellular ceramic composites with3D microarchitecture PNAS 111 (7), 2453-2458 [62] John P Perdew, Adrienn Ruzsinszky, Gábor I Csonka, Oleg A Vydrov, Gustavo E Scuseria, Lucian A Constantin, Xiaolan Zhou, and Kieron Burke (2008) Restoring the Density-Gradient Expansion for Exchange in Solids and Surfaces Phys Rev Lett 100, 136406 [63] K Elen, et al (2009) Hydrothermal synthesis of ZnO nanorods: a statistical determination of the significant parameters in view of reducing the diameter Nanotechnology, 20 (5), 055608 [64] K Jimura and S Hayashi (2012) Reorientational Motion of BH4 Ions in Alkali Borohydrides MBH4 (M = Li, Na, K) as Studied by Solid-State NMR J Phys Chem C, 116 (7), 4883–4891 [65] K Parlinski, Z Q Li and Y Kawazoe (1997) First-Principles Determination of the Soft Mode in Cubic ZrO2 Phys Rev Lett 78 (21), 4063 [66] K S Novoselov and A K Geim (2004) Electric field effect in atomically thin carbon films Science 306, 666 [67] K S Novoselov, V I Falko, L Colombo, P R Gellert, M G Schwab & K Kim (2004) A roadmap for graphenne Nature 490, 192–200 [68] KIT On-line press release 014/2014 [http://www.kit.edu/kit/english/pi_2014 _14594.php] [69] Keim Brandon (2008) Piezoelectric Nanowires Turn Fabric Into Power Source Wired News [70] L C.Tien, P W Sadik, D P Norton, L F Voss, S J Pearton, et al (2005) Hydrogen sensing at room temperature with Pt-coated ZnO thin films and nanorods Appl Phys Lett 87 (22), 222106 130 [71] Linked in slide share hosting service for lecture's notes, presentation - Mesoporous materials [https://www.slideshare.net/VijayMarakatti/mesoporous-materials] [72] Lukas Schmidt - Mende, L Judith MacManus - Driscoll (2007) ZnOnanostructures, defects, and devices Materials Today 10 (5), 40–48 [73] L E Greene, M Law, D H Tan, M Montano, J Goldberger, G Somorjai, P Yang (2005) General Route to Vertical ZnO Nanowire Arrays Using Textured ZnO Seeds Nano Letters (7), 1231–1236 [74] L Sponza, J Goniakowski, and C Noguera (2015) Structural, electronic, and spectral properties of six ZnO bulk polymorphs Phys Rev B 91(7), 075126 [75] Lin Wang, Bingbing Liu, Hui Li, Wenge Yang, Yang Ding (2012) Long-Range Ordered Carbon Clusters: A Crystalline Material with Amorphous Building Blocks Science 337(6096), 825-828 [76] Lorenzo Mino, Giovanni Agostini, Elisa Borfecchia, Diego Gianolio, Andrea Piovano, Erik Gallo, and Carlo Lamberti (2013) Low dimensional systems investigated by X-ray absorption spectroscopy: a selection of 2D, 1D and 0D cases J Phys D – Appl Phys 46(42), 423001 [77] Magnus Willander (2014) Zinc Oxide Nanostructures Advance and Applications Pan Stanford Publisher [78] Marius Millot, Ramon Tena-Zaera, Vicente Munoz-Sanjose, Jean-Marc Broto and Jesus Gonzalez (2010) Anharmonic effects in ZnO optical phonons probed by Raman spectroscopy Applied Physics Letters 96(15), 152103 [79] M A Zwijnenburg and S T Bromley (2011) Structure direction in zinc oxide and related materials bycation substitution: an analogy with zeolites J Mater Chem 21(39), 15255-15261 [80] M Born and K Huang (1954) Dynamical Theory of Crystal Lattices 1st ed Oxford University Press, Oxford, UK [81] M Born, R Oppenheimer (1927) Zur Quantentheorie der Molekeln Annalen der physick 389(20), 457-484 [82] M Elstner, D Porezag, G Jungnickel, J Elsner, M Haugk, Th Frauenheim, S Suha, G Seifert (1998) Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties Phys Rev B 58(11), 7260 [83] M. G Kanatzidis (2007) Beyond Silica: Nonoxidic Mesostructured Advanced Materials 19 (9), 1165-1181 131 Materials [84] M Law, J Goldberger, P Yang (2004) Semiconductor Nanowires and Nanotubes Annual Review of Material Research 34, 83–122 [85] M Lorenz, M S Ramachandra Rao, T Venkatesan, E Fortunato, P Barquinha, R Branquinho, D Salgueiro, R Martins, E Carlos, A Liu, F K Shan, M Grundmann, H Boschker, J Mukherjee, M Priyadarshini… (2016) Topical Review: The 2016 oxide electronic materials and oxide interfaces roadmap J Phys D: Appl Phys 49, 433001 [86] M L Curri, R Comparelli, M Striccolia and A Agostiano (2010) Emerging methods for fabricating functional structures by patterning and assembling engineered nanocrystals Phys Chem Chem Phys 12(37), 11197–11207 [87] N H Moreira, G Dolgonos, B Aradi, A L da Rosa, and Th Frauenheim (2009) Toward an Accurate Density-Functional Tight-Binding Description of ZincContaining Compounds J Chem Theory Comput 5(3), 605-614 [88] N.W Ashcroft, N.D Mermin (1976) Solid State Physics Publishing by Holt, Rinehart and Winston [89] Oficial web-site of the Density Functional based Tight Binding (DFTB) community [https://www.dftb.org] [90] Oficial web-site of the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) community [https://www.vasp.at/] [91] Oh Byeong-Yun, Jeong Min-Chang, Moon Tae-Hyoung, Seo Dae-Shik (2006) Transparent conductive Al-doped ZnO films for liquid crystal displays J Appl Phys 99 (12), 124505 [92] P Giannozzi, S Baroni, N Bonini, M Calandra, R Car, C Cavazzoni, D Ceresoli, G L Chiarotti, M Cococcioni, I Dabo, A D Corso, S d Gironcoli, S Fabris, G Fratesi, R Gebauer, U Gerstmann, C Gougoussis, A Kokalj, M Lazzeri, L Martin-Samos, N Marzari, F Mauri, R Mazzarello, S Paolini, A Pasquarello, L Paulatto, C Sbraccia, S Scandolo, G Sclauzero, A P Seitsonen, A Smogunov, P Umari, and R M Wentzcovitch (2009) QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials J Phys.: Condens Matter 21, 395502 [93] P Hohenber, W.Kohn (1964) Inhomogeneous Electron Gas Phys Rev 136, B864 132 [94] P T Ford and R E Richards (1995) Proton magnetic resonance spectra of crystalline borohydrides of sodium, potassium and rubidium Discuss Faraday Soc.19, 230-238 [95] P Wagner, R.Helbig (1974) Hall effect and anisotropy of the mobility of the electrons in ZnO Journal of Physics and Chemistry of Solids 35(3), 327–335 [96] Peng Guo, Jiho Shin, A G Greenaway, J G Min, J Su, H J Choi, L Liu, P A Cox,S B Hong, P A Wright & X Zou (2015) A Zeolite Family with Expanding Structural Complexity and Embedded Isoreticular Structures Nature 524(7563), 74-78 [97] R G Parr, W Yang (1989) Density Functional Theory of Atoms and Molecules Oxford University Press, New York [98] R K Pathria and P D Beale (2011) Statistical Mechanics (3rd Edition) Academic Press, MA, USA [99] R L Cowan (2001) BWR water chemistry delicate balance Nuclear Energy 40(4), 245-252 [100] R M Martin (2004) Electronic Structure: Basic Theory and Practical Method Cambridge University Press [101] R Maria Lukatskaya, Bruce Dunn & Yury Gogotsi (2016) Multidimensional materials and device architectures for future hybrid energy storage Nature Communications 7, 12647 [102] R P Feynman (1939) Forces in Molecules Phys Rev 56(4), 340 [103] R Sanchez-Pescador, JT Brown, M Roberts, MS.Urdea (1988) The nucleotide sequence of the tetracycline resistance determinant tetM from Ureaplasma urealyticum Nucleic Acids Research 16 (3), 1216-1217 [104] R V Lapshin (2016) STM observation of a box-shaped graphene nanostructure appeared after mechanical cleavage of pyrolytic graphite Appl Surf Sci 360 B, 451-460 [105] Revolvy knowledge database - Zinc oxide [https://www.revolvy.com/main/index php?s=Zinc%20oxide&item_type=topic] [106] Roadmap at 2015 on Nanotechnology application in the sectors of: Materiasl, Health & medical, energy [http://ec.europa.eu/research/industrial_technologie/ pdf/ec] [107] Robert Rüger, Erik van Lenthe, Thomas Heine, and Lucas Visscher (2016) Tight-binding approximations to time-dependent density functional theory - A fast 133 approach for the calculation of electronically excited states J Chem Phys 144, 184103 [108] Ruren Xu, Wenqin Pang, Jihong Yu, Qisheng Huo, Jiesheng Chen (2007) Chemistry of Zeolites and Related PorousMaterials: Synthesis and Structure John Wiley & Sons (Asia), Singapore [109] Scott M Woodley and Richard Catlow (2008) Crystal structure prediction from first principles Nature Materials 7, 937 – 946 [110] Stefano Baroni, Stefano de Gironcoli, Andrea Dal Corso and Paolo Giannozzi (2001) Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory Rev Mod Phys 73(2), 515 [111] Sunandan Baruah and Joydeep Dutta (2009) Hydrothermal growth of ZnO nanostructures Sci Technol Adv Mater 10(1), 013001 [112] S M Woodley and R Catlow (2008) Crystal structure prediction from first principles Nature Materials 7, 937-946 [113] Sagadevan Suresh (2013) Semiconductor Nanomaterials, Methods and Applications A Review Nanoscience and Nanotechnology 3(3), 62-74 [114] S Singh, P Thiyagarajan, K M Kant, D Anita, S Thirupathiah, N Rama, B Tiwari, M Kottaisamy, M S R Rao (2007) Structure, microstructure and physical properties of ZnO based materials in various forms: bulk, thin film and nano J Phys D: Appl Phys 40, 6312–6327 [115] Takeshi Ohgaki, Naoki Ohashi, Shigeaki Sugimura, Haruki Ryoken, Isao Sakaguchi, Yutaka Adachi, Hajime Haneda (2008) Positive Hall coefficients obtained from contact misplacement on evident n-type ZnO films and crystals Journal of Materials Research 23(9), 2293–2295 [116] Tanja van Mourik, Michael Bühl and Marie-Pierre Gaigeot (2014) Density functional tight binding Phil Trans R Soc A 372, 20120483 [117] The Semiconductor-information web-site [http://www.semiconductors.co.uk/propii vi 5410.htm] [118] Tran Doan Huan, Vinit Sharma, George A Rossetti, Rampi Ramprasad (2014) Pathways towards ferroelectricity in hafnia Phys Rev B 90(6), 064111 [119] Tran Doan Huan, Vu Ngoc Tuoc, Nam Ba Le, Nguyen Viet Minh and Lilia M Woods (2016) High-pressure phases of Mg2Si from first principles Phys Rev B93(9), 094109 134 [120] Tran Doan Huan, Vu Ngoc Tuoc, Nguyen Viet Minh (2016) Layered structures of organic/inorganic hybrid halide perovskites Phys Rev B 93(9), 094105 [121] Tran Doan Huan (2015) Evaluation of crystal free energy with lattice dynamics arXiv: 1506.09189 [cond-mat.mtrl-sci] [122] T Koschny, M Kafesaki, E N Economou, and C M Soukoulis (2004) Effective Medium Theory of Left-Handed Materials Phys Rev Lett 93(10), 107402 [123] T S Gates, G M Odegard, S J V Frankland, T C Clancy (2005) Computational materials: Multi-scale modeling and simulation of nanostructured materials Composites Science and Technology 65(15-16), 2416-2434 [124] Thomas Frauenheim, Gotthard Seifert, Marcus Elstner, Thomas Niehaus, Christof Köhler, Marc Amkreutz, Michael Carlo and Sándor Suhai (2002) Sternberg, Zoltán Hajnal, Aldo Di Atomistic simulations of complex materials: ground-state and excited-state properties J Phys Cond Matt 14(11), 3015-3047 [125] Ü Özgür, I Ya Alivov, C Liu, A Teke, M A Reshchikov, S Doan, V Avrutin, S-J Cho, H Morkoỗ (2005) A comprehensive review of ZnO materials and devices J Appl Phys 98(4), 041301 [126] U Rössler (ed) (1999) Landolt-Börnstein, New Series, Group III Vol 17B, 22, 41B Springer, Heidelberg [127] V.N.Tuoc, T.D.Huan and L.T.H.Lien (2014) Impact of Surface on the d0 Ferromagnetism of Lithium-Doped Zinc Oxide Nanowires IEEE Transactions on Magnetics 50(6), 317-326 [128] VESTA is a 3D visualization program for structural models, volumetric data such as electron/nuclear densities, and crystal morphologies [http://jp- minerals.org/vesta/en/] [129] Vijaykumar Marakatti (2013) Mesoporous materials PPISR, Bangalore [130] Vikrant Thakur, Dhruva Chaudhary (2014) Metamaterials: A Leading Edge of Science and Technology International Journal of Computer Applications 98(9) [131] W Martienssen (ed.) and U Rössler (2011) Landolt-Börnstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology New Series Group III, Vol 44, Semiconductors, Subvolume D, New Data and Updates for IV-IV, III-V, IIVI, I-VII Compounds, their Mixed Crystals and Diluted Magnetic Semiconductors Zinc oxide (ZnO) elastic moduli and compliances, bulk modulus, compressibility and related parameters Springer Heidelberg 135 [132] W J Roth, P Nachtigall, R E Morris, P S Wheatley, V R Seymour, S E Ashbrook, P.Chlubná, L Grajciar, M Polozij, A Zukal, O, Shvets & J Cejka (2013) A family of zeolites with controlled pore size prepared using a top-down method Nature Chemistry 5(7), 628-633 [133] W Koch, M.C Holthausen (2001) A Chemist’s Guide to Density Functional Theory 2nd Ed, Willey-VCH, Weinheim, [134] W Kohn and L J Sham (1965) Self-consistent equations including exchange and correlation effects Phys Rev 140(4A), A1133-A1138 [135] Wan-Yu Wu, Chun-Ching Yeh, Jyh-Ming Ting (2009) Effects of Seed Layer Characteristics on the Synthesis of ZnO Nanowires Journal of the American Ceramic Society 92 (11), 2718-2723 [136] Wei Lu, Charles M Lieber (2006) Semiconductor nanowires J Phys D: Appl Phys 39 [137] X Gonze, B Amadon, P.M Anglade, J.M Beuken, F Bottin, P Boulanger, F Bruneval, D Caliste, R Caracas, M Côté, T Deutsch, L Genovese, Ph Ghosez, M Giantomassi, S Goedecker, D.R Hamann, P Hermet, F Jollet, G Jomard, S Leroux, M Mancini, et al (2009) ABINIT: First-principles approach to material and nanosystem properties Computer Physics Communications 180(12), 25822615 [138] X Wang, J Song and Z L Wang (2007) Nanowire and nanobelt arrays of zinc oxide from synthesis to properties and to novel devices J Mater Chem 17, 711– 720 [139] X Zhao, M C Nguyen, C.Z Wang, and K.M Ho (2014) Exploring the Structural Complexity of Intermetallic Compounds by an Adaptive Genetic Algorithm Phys Rev Lett 112(4), 045502 [140] Y Alexey Ganin, Yasuhiro Takabayashi, Z Yaroslav Khimyak, Serena Margadonna, Anna Tamai, J Matthew Rosseinsky & Kosmas Prassides (2008) Bulk superconductivity at 38K in a molecular system Nature Materials 7, 367-371 [141] Y B Li, Y Bando, D Golberg (2004) ZnO nanoneedles with tip surface perturbations: Excellent field emitters Appl Phys Lett 84(18), 3603 [142] Y Qin, X Wang, Z L.Wang (2008) Microfibre-nanowire hybrid structure for energy scavenging Nature 451 (7180), 809–813 [143] Y R Ryu, T S Lee, H W White (2003) Properties of arsenic-doped p-type ZnO grown by hybrid beam deposition Appl Phys Lett 83(1), 87 136 [144] Yongliang Yong, Bin Song and Pimo He (2011) Growth Pattern and Electronic Properties of Cluster-Assembled Material Based on Zn12O12: A Density-Functional Study J Phys Chem C, 115(14), 6455−6461 [145] Y.W Heo, L C Tien, Y Kwon, D P Norton, S J Pearton, B S Kang, F Ren (2004) Depletion-mode ZnO nanowire field-effect transistor Appl Phys Lett 85(12), 2274 [146] Ye Tian, Yugang Zhang, Tong Wang, Huolin L Xin, Huilin Li and Oleg Gang (2016) Lattice engineering through nanoparticle - DNA frameworks Nature Materials 15, 654–661 [147] Yongliang Yong, Xiaohong Li, Xiping Hao, Jingxiao Cao and Tongwei Li (2014) Theoretical prediction of low-density nanoporous frameworks of zinc sulfide based on ZnnSn (n = 12, 16) nanocaged clusters RSC Adv., 2014, 4, 37333-37341 [148] Zhifeng Liu, Xinqiang Wang, Jiangtao Cai, Gaobin Liu, Ping Zhou, Kan Wang, and Hengjiang Zhu (2013) From the ZnO Hollow Cage Clusters to ZnO Nanoporous Phases: A First-Principles Bottom-Up Prediction J Phys Chem C, 117(34), 17633-17643 [149] Z Q Zheng, J D Yao, B Wang, G WYang (2015) Light-controlling, flexible and transparent ethanol gas sensor based on ZnO nanoparticles for wearable devices Scientific Reports 5, 11070 [150] Zhen Xu, Min Yin, Jing Sun, Guqiao Ding, Linfeng Lu, Paichun Chang, Xiaoyuan Chen and Dongdong Li (2016) 3D periodic multiscale TiO2 architecture: a platform decorated with graphene quantum dots for enhanced photoelectrochemical water splitting Nanotechnology 27(11), 115401 [151] Zhi Li, Rong Yu, Jinglu Huang, Yusheng Shi, Diyang Zhang, Xiaoyan Zhong, Dingsheng Wang, Yuen Wu & Yadong Li (2015) Platinum–nickel frame within metal-organic framework fabricated in situ for hydrogen enrichment and molecular sieving Nature Communications 6, 8248 [152] Zhong Lin Wang (2004) Features: Nanostructures of zinc oxide Materials Today 7(6), 26–33 137 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Vu Ngoc Tuoc, Tran Doan Huan, Nguyen Viet Minh, Nguyen Thi Thao (2016) Density functional theory based tight binding study on theoretical prediction of low-density nanoporous phases ZnO semiconductor materials Journal of Physics: Conference Series 726 012022, doi:10.1088/17426596/726/1/012022 Vu Ngoc Tuoc, Tran Doan Huan, Nguyen Thi Thao, and Le Manh Tuan (2016) Theoretical prediction of low-density hexagonal ZnO hollow structures Journal of Applied Physics 120, 142105; doi: 10.1063/1.4961716 Nguyen Thi Thao and Vu Ngoc Tuoc (2016) Theoretical Prediction of ZnO Nanoporous Allotropes with Triangular Hollow VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, Vol 32, No (2016) 1-10 Vu Ngoc Tuoc, Tran Doan Huan, Nguyen Thi Thao (2017) Computational predictions of zinc oxide hollow structures Physica B: Physics of Condensed Matter xxx (2017) xxx-xxx Received 15 December 2016; Received in revised form 23 December 2016; Accepted March 2017, View online March 2017: http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2017.03.003 138