Điều khiển tính chất cơ lý và khả năng hấp thụ ánh sáng của các cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng trong cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Điều khiển tính chất – lý khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng cảm biến áp điện cảm biến hình ảnh NGUYỄN HỒNG LINH Ngành: Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn : PGS TS Đỗ Văn Trường Trường : Cơ khí HÀ NỘI, 06/2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Điều khiển tính chất – lý khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng cảm biến áp điện cảm biến hình ảnh NGUYỄN HỒNG LINH linh.nh212075M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật điện tử Giảng viên hướng dẫn : PGS TS Đỗ Văn Trường Khoa : Cơ điện tử Trường : Cơ khí HÀ NỘI, 06/2023 Chữ ký GVHD CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Hoàng Linh Đề tài luận văn: Điều khiển tính chất – lý khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng cảm biến áp điện cảm biến hình ảnh Ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số học viên: 20212075M Tác giả, người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 24 tháng 06 năm 2023 với nội dung sau: Điều chỉnh, cân đối bố cục luận văn Bổ sung hạn chế tồn tại, kiến nghị đề xuất luận văn Bổ sung từ viết tắt, kí hiệu sử dụng vào DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Chỉnh sửa, bổ sung tài liệu tham khảo Chỉnh sửa lỗi phương trình tốn học Chỉnh sửa lỗi chế bản, lỗi soạn thảo hiệu chỉnh câu văn: - Đã sửa “… chế điều khiển tính chất quang học đặc thơng qua…” thành “…cơ chế điều khiển đặc trưng quang học thông qua…” trang - Đã sửa “…cơ chế điều khiển lượng kích thích cho ứng dụng…” thành “…cơ chế điều khiển phù hợp cho ứng dụng…” trang - Đã sửa “…chỉ bao gồm lớp nguyên tử phân tử…” thành “…có chiều dày mỏng so với chiều rộng…” trang - Đã sửa “…tín hiệu hình ảnh ” thành “…tín hiệu quang học…” trang - Đã sửa “Cảm biến thể…, khi…” thành “Cảm biến hình ảnh có thể… Trong lĩnh vực giao thơng,…để giúp q trình điều khiển phương tiện giao thơng an tồn.” trang - Đã sửa “…vật liệu mạnh dẻo…” thành “…vật liệu cứng…” trang 13 - Đã thêm “Trong biến dạng kéo ε = 0.12 dọc theo phương y, cấu trúc trở thành vật liệu dẫn điện.” trang 18 - Đã sửa “…các ảnh hưởng biến dạng…được tập trung nghiên cứu” thành “luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng…” trang 19 - Đã sửa “…hệ số hấp thụ ánh sáng tính theo phương trình…” thành “…khả hấp thụ ánh sáng đặc trưng hệ số α tính theo phương trình…” trang 37 - Đã sửa “…sáu nhánh dao động ánh sáng…” thành “…sáu nhánh dao động quang học…” trang 39 - Đã sửa “Nhìn chung, độ bền lý tưởng …” thành “Có thể thấy rằng, độ bền lý tưởng…” trang 40 - Đã sửa “…đường dẫn…” thành “…sự phân bố điểm đối xứng bậc cao theo thứ tự …” trang 40 - Đã thêm “Tương tự tính dẫn điện vật liệu, khả hấp thụ ánh sáng cần quan tâm nghiên cứu tác động biến dạng học.” trang 42 - Đã sửa “…và biến dạng kéo đồng thời theo hai phương x y…” thành “….trong biến dạng kéo đồng thời theo hai phương x y…” trang 50 - Đã sửa “…luận văn tiếp mở rộng…” thành “…luận văn tiếp cận mở rộng…” trang 54 Ngày 29 tháng 06 năm 2023 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS TS Đỗ Văn Trường Nguyễn Hoàng Linh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Lê Giang Nam LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu trình bày luận văn kết lao động nghiên cứu tôi, hướng dẫn PGS TS Đỗ Văn Trường Các thông tin tham khảo bắt nguồn từ nghiên cứu khác, tơi trích dẫn luận văn NGƯỜI THỰC HIỆN NGUYỄN HỒNG LINH LỜI CẢM ƠN Tơi gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy – PGS TS Đỗ Văn Trường đóng góp hỗ trợ Thầy dành cho luận văn thạc sĩ Thầy không người hướng dẫn mà nguồn động lực nguồn cảm hứng vơ quan trọng q trình nghiên cứu tơi Sự tận tâm lịng nhiệt tình Thầy khiến cảm thấy may mắn biết ơn có Thầy làm người hướng dẫn Tơi ln tự hào học làm việc dạy Thầy Một lần nữa, chân thành cảm ơn Thầy tất điều tốt đẹp mà Thầy mang đến cho Tôi trân trọng kiến thức kinh nghiệm mà học từ Thầy Mong tương lai, tơi có hội tiếp tục học hỏi nhận dạy từ Thầy Tôi chân thành cảm ơn TS Trần Thế Quang, anh Nguyễn Minh Sơn nhóm nghiên cứu có trao đổi, góp ý tích cực chia sẻ thực tế vơ q giá để tơi hồn thiện tốt luận văn thạc sĩ Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình thân u, chỗ dựa vững để tới bến bờ thành công, người lặng lẽ âm thầm bên suốt trình học tập nghiên cứu Bách Khoa, 06/2023 i TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn “Điều khiển tính chất – lý khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng cảm biến áp điện cảm biến hình ảnh” trình bày bốn chương phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo Nội dung luận văn làm sáng tỏ nội dung: giới thiệu tổng quan cấu trúc vật liệu hai chiều tiềm ứng dụng thiết bị cảm biến, trình bày sơ lược phương pháp nghiên cứu sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ phương pháp mô cấu trúc vật liệu qua phần mềm Quantum ESPRESSO, quy trình tối ưu hố cấu trúc chứng minh tính ổn định vật liệu hai chiều, đưa số kết nghiên cứu tính chất vật liệu giúp ứng dụng thiết bị cảm biến tốt Luận văn đề xuất chế điều khiển tính chất – lý khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu dựa biến dạng học Kết nghiên cứu luận văn có ý nghĩa quan trọng khoa học thực tiễn, góp phần quan trọng ứng dụng thiết kế chế tạo cảm biến áp điện cảm biến hình ảnh phục vụ hệ thống điện tử Luận văn công trình nghiên cứu có ảnh hưởng lĩnh vực vật liệu hai chiều ứng dụng chúng lĩnh vực điện tử Thông qua phương pháp nghiên cứu kết đạt được, luận văn cung cấp thông tin quý giá cho cộng đồng nghiên cứu nhà khoa học để phát triển thiết bị cảm biến tốt hiệu tương lai NGƯỜI THỰC HIỆN (Ký ghi rõ họ tên) ii MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 1.2 Cảm biến áp điện 1.1.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện 1.1.2 Một số loại cảm biến áp điện thường gặp Cảm biến hình ảnh 1.2.1 Các phận cảm biến nguyên lý hoạt động 1.2.2 Một số loại cảm biến hình ảnh 1.3 Vai trò cảm biến áp điện cảm biến hình ảnh đời sống 1.4 Vật liệu hai chiều - tiềm ứng dụng cảm biến 1.5 Động lực nghiên cứu 14 1.6 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 14 1.5.2 Phương pháp điều khiển tính chất vật liệu 16 Đóng góp luận văn 18 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 2.2 Hàm sóng phương trình Schrưdinger 20 2.1.1 Hàm sóng 21 2.1.2 Phương trình Schrưdinger 22 2.1.3 Phương trình Schrưdinger cho hệ nhiều hạt 23 2.1.4 Nguyên lý biến phân 24 Lý thuyết phiếm hàm mật độ - DFT 24 2.2.1 Khái niệm mật độ trạng thái electron 25 2.2.2 Mơ hình Thomas-Fermi 25 2.2.3 Định lý Hohenberg-Kohn 26 2.2.4 Phương trình Kohn-Sham 27 2.2.5 Phiếm hàm tương quan trao đổi 28 2.2.6 Giả 29 2.2.7 Vùng không gian đảo – Brilluion 30 iii 2.3 2.2.8 Tối ưu hoá cấu trúc 31 2.2.9 Phần mềm tính tốn 32 Tính chất – lý khả hấp thụ ánh sáng 33 2.3.1 Tính chất học 33 2.3.2 Tính chất điện tử vật liệu 34 2.3.3 Khả hấp thụ ánh sáng vật liệu 36 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CẤU TRÚC VẬT LIỆU 1T-NiS2 38 3.1 Tối ưu hoá cấu trúc tính ổn định cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 38 3.1.1 Tối ưu hoá cấu trúc 38 3.1.2 Tính ổn định cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 38 3.2 Tính chất – lý cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 40 3.3 Khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 42 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CÁC CẤU TRÚC VẬT LIỆU 1H-PbX2 45 4.1 Tối ưu hoá tính ổn định cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 45 4.1.1 Tối ưu hoá cấu trúc 45 4.1.2 Tính ổn định cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 45 4.2 Tính chất – lý cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 47 4.3 Khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 50 KẾT LUẬN 53 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Từ viết tắt Ý nghĩa ab-initio Phương pháp tính tốn ngun lý đầu BFGS Phương pháp cân lượng cực tiểu BroydenFletcher-Goldfarb-Shanno CBM Điểm có lượng thấp vùng dẫn CCD Thiết bị ghép điện tích CMOS Cảm biến chế tạo cơng nghệ mạch tích hợp DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ GGA Phương pháp xấp xỉ gradient tổng quát h-BN Vật liệu có cấu trúc lục giác Boron Nito PBE Hàm Perdew-Burke-Ernzerhof TMDs Các dichalcogenides kim loại chuyển tiếp USPP Giả cực mềm Vật liệu 2D Vật liệu hai chiều VBM Điểm có lượng cao vùng hoá trị α Hệ số hấp thụ ánh sáng E0 Năng lượng trạng thái cân hệ nguyên tử εbia Biến dạng dọc theo hai phương x y εr Phần thực hàm điện môi εr Phần ảo hàm điện môi εxx Biến dạng dọc theo phương x εyy Biến dạng dọc theo phương y < Hàm sóng v  H r2 Z ẳ c 37 (0.39) CHNG ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CẤU TRÚC VẬT LIỆU 1T-NiS2 3.1 Tối ưu hố cấu trúc tính ổn định cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 3.1.1 Tối ưu hoá cấu trúc Hình 3.1 Cấu trúc nguyên tử vật liệu 1T-NiS2 điểm đối xứng bậc cao vùng khơng gian đảo Hình 3.1 minh hoạ cấu trúc nguyên tử vật liệu 1T-NiS2 bao gồm nguyên tử Ni nằm hai nguyên tử S Tối ưu hoá cấu trúc đơn lớp 1T-NiS2 tính tốn điện tử thực dựa sở lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT [48] thông qua phần mềm Quantum ESPRESSO [60] nhiệt độ 0K Năng lượng tương quan – trao đổi xác định qua hàm Perdew-BurkeErnzehor [61] phương pháp xấp xỉ gradient tổng quát [54] Hàm sóng phẳng lựa chọn với ngưỡng lượng động mật độ điện tích 60 Ry 720 Ry để mô tả tương tác ion-electron Để tránh tương tác lớp theo điều kiện biên chu kì, khoảng chân không 30 Å thiết lập dọc theo phương z [40, 41] Vị trí nguyên tử tìm phương pháp cân lượng cực tiểu Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) với điều kiện hội tụ ứng suất lực nhỏ 5.10-2 GPa, 10-6 Ry/a.u [62, 63] Phương pháp Monkhorst-Pack áp dụng để lựa chọn lưới điểm 15×15×1 cho vùng Brillourin, để đảm bảo hội tụ lượng thời gian tính tốn nghiên cứu [64] 3.1.2 Tính ổn định cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 Trạng thái cân đơn lớp 1T-NiS2 xác định qua phương pháp cân lượng cực tiểu BFGS với mạng tinh thể a = 3.33 38 (Å) phù hợp với kết nghiên cứu trước [35] Ngồi ra, số vật liệu số đàn hồi Cij, môđun đàn hồi E hệ số poisson X vật liệu liệt kê Bảng 3.1 Trong đó, số đàn hồi E hệ số Poisson X tính qua số đàn hồi, dựa theo định luật Hooke: E υ= C11C22  C122 C22 (0.40) C12 C22 (0.41) C12 C11 Bảng 3.1 Hằng số mạng a (Å), chiều dày h (Å), số đàn hồi Cij (N/m), môđun đàn hồi E (N/m) hệ số Poisson X cấu trúc 1T-NiS2 a h C11 = C22 C12 C66 E X 3.33 2.39 56.58 21.31 17.80 50.68 0.38 Nhìn chung, cấu trúc đơn lớp 1T-NiS2 có số đàn hồi nhỏ, đáp ứng điều kiện ổn định học theo tiêu chuẩn Born với C11 > |C12 | > C66 > [65] Môđun đàn hồi cấu trúc 1T-NiS2 tương đồng so với số vật liệu 2D nghiên cứu trước ZrS2 (57.22 N/m), ZrSe2 (52.33 N/m) [66] Hình 3.2 Phổ dao động phonon cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 Hình 3.2 thể phổ dao động mạng phonon cấu trúc 1T-NiS2 Kết cho thấy, phổ dao động mạng gồm chín nhánh dao động Trong có ba nhánh dao động âm tần số thấp sáu nhánh dao động quang học tần số cao Tần số dao động phonon lớn cấu trúc đạt 220 cm-1 Cấu trúc 1T-NiS2 thể tính ổn định cao theo tiêu chuẩn động lực học [67, 68], tồn vùng khơng giản đảo khơng có dao động âm Như vậy, hai tiêu chuẩn ổn 39 định học động lực học, cho thấy mơ hình câu trúc 1T-NiS2 có tính ổn định cao, chế tạo thực tế 3.2 Tính chất – lý cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 Hình 3.3 thể quan hệ ứng suất (V) biến dạng (ɛ) cấu trúc 1TNiS2 dọc theo phương x phương y Biến dạng kéo làm thay đổi kích thước mạng tinh thểđược xác định qua công thức H = (l1 - l0)/l0 với l1 l0 thông số mạng tinh thể trạng thái biến dạng (H z 0) trạng thái cân (H = 0) Do cấu trúc vật liệu dạng đơn lớp nên đơn vị ứng suất nghiên cứu N/m, tính tốn tích ứng suất ban đầu (N/m2) với kích thước vùng chân khơng (30 Å) [69] Kết cho thấy, biến dạng phá hủy học cấu trúc 1TNiS2 dọc theo phương x (Hxx) cao 4% so với biến dạng phá hủy học dọc theo phương y (Hyy) Ứng suất kéo dọc theo phương x 1T-NiS2 đạt giá trị lớn N/m ɛxx = 0.18 Dưới biến dạng kéo dọc theo phương y (Hyy), vật liệu phá hủy biến dạng nhỏ (ɛyy = 0.14) với ứng suất tới hạn 6.45 N/m Nhìn chung, ứng suất tới hạn vật liệu cao so với số vật liệu 2D nghiên cứu trước Germanene (6 N/m), Stanene (4.1 N/m) [70], SiP (4.6 N/m) [71] Có thể thấy rằng, độ bền lý tưởng cấu trúc 1T-NiS2 tốt, ứng dụng chế tạo màng cảm biến Hình 3.3 Đường cong biến dạng - ứng suất cấu trúc 1T-NiS2 kéo dọc theo phương x (εxx) phương y (εyy) Trong nghiên cứu này, tính tốn cấu trúc vùng lượng - đặc tính quan trọng định đến tính dẫn điện vật liệu làm sáng tỏ Thông qua hàm trao đổi PBE phân bố điểm đối xứng bậc cao theo thứ tự M-Γ-M’-K’-Γ-K vùng khơng gian đảo, kết tính tốn cấu trúc vùng lượng cho thấy cấu trúc 1T-NiS2 vật liệu bán dẫn Vùng trống lượng 40 cấu trúc 1T-NiS2 xác định 0.49eV với phân bố điểm có mức lượng lớn dải hoá trị (VBM) nằm vùng K’- Γ điểm có mức lượng nhỏ (CBM) dải dẫn nằm điểm Γ Kết phù hợp với nghiên cứu trước [72] Trong q trình ứng dụng chế tạo cấu trúc vật liệu đơn lớp vào thực tế tránh ảnh hưởng biến dạng Để làm sáng tỏ vấn đề này, đây, khảo sát ảnh hưởng biến dạng đến cấu trúc vùng lượng cấu trúc 1T-NiS2 với mức biến dạng lý tưởng ɛ = 0.14 Hình 3.4 thể ảnh hưởng biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx) dọc phương y (ɛyy) đến cấu trúc vùng lượng cấu trúc 1T-NiS2 Kết cho thấy, biến dạng làm thay đổi phân bố điểm VBM CBM Dưới biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx), điểm CBM có xu hướng thay đổi từ vùng K’- Γ sang vùng Γ-M’ mức biến dạng điểm VBM giữ nguyên vị trí điểm Γ, Hình 3.4(a) Tương tự, biến dạng kéo dọc theo phương y (ɛyy) ảnh hưởng điểm CBM thay đổi từ vùng K’- Γ sang M- Γ, Hình 3.4(b) (a) (b) Hình 3.4 Ảnh hưởng biến dạng đến cấu trúc vùng lượng cấu trúc 1TNiS2: (a) biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx); (b) biến dạng kéo dọc theo phương y (ɛyy) Hình 3.5 trình bày ảnh hưởng biến dạng dọc theo phương x (ɛxx) phương y (ɛyy) đến độ rộng vùng cấm cấu trúc 1T-NiS2 Kết thu cho thấy, tác động biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx) dọc theo phương y (ɛyy), độ rộng vùng cấm giảm đáng kể theo xu hướng hàm 41 tuyến tính Dưới biến dạng kéo theo dọc phương x (ɛxx), độ rộng vùng cấm giảm khoảng 84% từ 0.49 eV (ɛ = 0) mức 0.08 eV (ɛxx = 0.14) Với biến dạng kéo dọc theo phương y (ɛyy), độ rộng vùng cấm vật hoàn toàn biến mức biến dạng kéo mức ɛyy = 0.12 Như vậy, biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx) phương y (ɛyy) làm thay đổi phân bố dải điện tử độ rộng vùng cấm lượng, làm cho tính chất dẫn điện vật liệu cải thiện đáng kể So với cấu trúc ZnO [73, 74] sử dụng cảm biến áp điện trước đó, tính chất điện tử cấu trúc 1T-NiS2 nhạy cảm với biến dạng Tuy nhiên, tác động biến dạng độ rộng vùng trống lượng cấu trúc 1T-NiS2 giảm mạnh so với cấu trúc ZnO, làm tăng cường khả dẫn điện vật liệu Nhìn chung, tính chất – lý cấu trúc 1T-NiS2 điều khiển tốt biến dạng học Đồng thời cho thấy khả ứng dụng cấu trúc màng phận chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến Hình 3.5 Độ rộng vùng trống lượng cấu trúc 1T-NiS2 thay đổi biến dạng kéo 3.3 Khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu 1T-NiS2 Tương tự tính dẫn điện vật liệu, khả hấp thụ ánh sáng cần quan tâm nghiên cứu tác động biến dạng học Hình 3.6 mơ tả hệ số hấp thụ ánh sáng cấu trúc 1T-NiS2 tác động vài biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx) dọc theo phương y (ɛyy) Kết thu cho thấy hệ số hấp thụ ánh sáng D //xx (Z ),D //yy (Z ),D Azz (Z ) tương ứng theo phương x, y z cấu trúc 1T-NiS2 có thay đổi biến dạng kéo Trong vùng ánh sáng nhìn thấy (1.61-3.10eV), hệ số hấp thụ ánh sáng mặt phẳng (D //xx (Z ),D //yy (Z )) ln có giá trị lớn hệ số hấp thụ ánh sáng mặt phẳng (D Azz (Z )) Bên cạnh đó, kết cho thấy cấu trúc 1T-NiS2 vật liệu có tính dị hướng, với hệ số hấp thụ không đồng Ở trạng thái cân bằng, hệ số 42 hấp thụ ánh sáng mặt phẳng có giá trị cao D //xx (Z ) D //yy (Z ) ~ 40x104 (cm-1) mức lượng ánh sáng khoảng 3.1eV Trong đó, hệ số hấp thụ ánh sáng ngồi mặt phẳng có giá trị cao khoảng D Azz (Z ) ~ 50x104 (cm-1) mức lượng ánh sáng 5.8eV (a) (b) Hình 3.6 Hệ số hấp thụ ánh sáng cấu trúc 1T-NiS2 tác động vài biến dạng kéo (a) biến dạng dọc theo phương x (ɛxx), (b) biến dạng dọc theo phương y (ɛyy) Vùng ánh sáng nhìn thấy tơ màu vàng có mức lượng từ 1.61 - 3.10 eV Dưới tác động biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx), hệ số hấp thụ ánh sáng D //xx (Z ) có thay đổi rõ vùng ánh sáng hồng ngoại (3.10eV) Hình 3.6(a) Cụ thể, D //xx (Z ) cải thiện đáng kể vùng ánh sáng hồng ngoại, sau đạt giá trị bão hoà hệ số hấp thụ 43 ánh sáng giảm dần theo mức lượng ánh sáng Trong đó, D //yy (Z ) D Azz (Z ) nhìn chung có xu hướng giảm Đối với biến dạng kéo dọc theo phương y (ɛyy), hệ số hấp thụ ánh sáng D //yy (Z ) có thay đổi rõ ràng cải thiện vùng ánh sáng hồng ngoại, D //xx (Z ) D Azz (Z ) có xu hướng giảm Hình 3.6(b) Nhìn chung, hệ số hấp thụ ánh sáng cấu trúc 1T-NiS2 cải thiện rõ vùng ánh sáng hồng ngoại Hệ số hấp thụ ánh sáng mặt phẳng tốt nhất, nhiên khơng có thay đổi nhiều tác dụng biến dạng Nguyên nhân vùng trống lượng cấu trúc 1T-NiS2 nhỏ, có giảm dần tác động biến dạng, dẫn đến trình hấp thụ photon ánh sáng mức lượng thấp dễ dàng So với số cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng cảm biến hình ảnh GaSe [75], GaSe [75], độ hấp thụ ánh sáng cấu trúc 1T-NiS2 cao Điều cho thấy rằng, độ hấp thụ ánh sáng cấu trúc 1T-NiS2 phù hợp với loại ánh sáng hồng ngoại 44 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CÁC CẤU TRÚC VẬT LIỆU 1H-PbX2 4.1 Tối ưu hố tính ổn định cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 4.1.1 Tối ưu hố cấu trúc Hình 4.1 Cấu trúc nguyên tử vật liệu 1H-PbX2 (X: S Se) điểm đối xứng bậc cao vùng không gian đảo Cấu trúc vật liệu 1H-PbS2 1H-PbSe2 mơ tả Hình 4.1 với ngun tử Pb hai nguyên tử chalcogenide S Se Điều kiện biên chu kỳ áp dụng ba phương x, y, z mơ hình, vùng chân khơng theo phương z thiết lập 30 Å để tránh tương tác lớp nguyên tử [41, 46] Cấu trúc vật liệu cân theo phương pháp lượng cực tiểu BFGS với điều kiện thành phần ứng suất nhỏ 5.10-2 GPa điều kiện lực nhỏ 10-6 Ry/a.u nhiệt độ 0K [62, 63] 4.1.2 Tính ổn định cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 Dựa sở lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT, tính tốn thơng số học vật liệu bao gồm số mạng tinh thể, số đàn hồi Cij liệt kê Bảng 4.1 Kết thu cho thấy số mạng tinh thể tăng dần nguyên tố X chuyển từ S sang Se a = 4.73 (Å) a = 4.88 (Å) Sự tăng dần số mạng tinh thể bán kính nguyên tố chalcogenides tăng dần Các tính tốn modun đàn hồi hệ số Poisson áp dụng tương tự cấu trúc 1T-NiS2 Qua tiêu chuẩn ổn định học cho thấy cấu trúc 1H có tính ổn định cao với C11 > |C12 | > C66 > [65] So với số vật liệu cấu trúc 1H 1HLaBr2 (C11 = 30.338 N/m, C12 = 9.534 N/m) [76], ScI2 (C11 = 42 N/m, C12 = 10 45 N/m, C66 = 16 N/m) [77], ScBr2 (C11 = 50 N/m, C12 = 14 N/m, C66 = 18 N/m) [77] cho thấy số đàn hồi cấu trúc 1H-PbX2 nhỏ hơn, tạo nhiều đột phá tính chất học Bảng 4.1 Hằng số mạng a (Å), chiều dày h (Å), số đàn hồi Cij (N/m), môđun đàn hồi E (N/m) hệ số Poisson υ cấu trúc vật liệu 1H-PbS2, 1H-PbSe2 Vật liệu a h C11 = C22 C12 C66 E υ 1H-PbS2 4.73 2.15 28.70 26.87 0.86 3.54 0.94 1H-PbSe2 4.88 2.42 25.90 24.63 0.64 2.48 0.95 (a) (b) Hình 4.2 Phổ dao động phonon cấu trúc 1H-PbS2 (a) 1H-PbSe2 (b) Hình 4.2 minh hoạ phổ dao động mạng phonon hai cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 Kết cho thấy hai cấu trúc có tính ổn định cao với tần số dao động lớn 255 cm-1 cho cấu trúc 1H-PbS2 152 cm-1 cho cấu trúc 1H-PbSe2 Bên cạnh đó, kết tính tốn dao động cho thấy hai cấu trúc khơng có dao động âm vùng không gian đảo, thể tính ổn định cao theo tiêu chuẩn ổn định động lực học [46, 57] Qua hai phương pháp kiểm tra tính ổn định, kết chứng minh hai cấu trúc có tính ổn định cao, đủ điều kiện cho q trình nghiên cứu 46 4.2 Tính chất – lý cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 (a) (b) (c) Hình 4.3 Đường cong biến dạng - ứng suất cấu trúc 1T-NiS2 (a) kéo dọc theo phương x (εxx), (b) phương y (εyy), (c) dọc theo hai phương x y (εbia) Hình 4.3 thể mối quan hệ ứng suất - biến dạng dọc theo phương x (εxx), dọc theo phương y (εyy), dọc theo hai phương x y (εbia) Nhìn chung, quan hệ ứng suất – biến dạng hai cấu trúc có tương đồng theo ba loại biến dạng Biến dạng phá huỷ học vật liệu 1H-PbS2 cao so với vật liệu 1HPbSe2 phương kéo Giá trị ứng suất theo phương x 1H-PbS2 (Hình 4.3(a)) đạt giá trị lớn 0.15 N/m lớn so với 1H-PbSe2 khoảng 0.04 N/m (tại εxx = 0.07) Dưới biến dạng kéo theo phương y (ɛyy), hai vật liệu phá huỷ biến dạng tương đối lớn (εyy = 0.22) với ứng suất tới hạn 1.03 N/m cho vật liệu 1H-PbS2, 1H-PbSe2 0.88 N/m (Hình 4.3(b)) Cuối cùng, ứng suất tới hạn biến dạng phá hủy kéo theo dọc teo hai phương x y (εbia = 0.19) 1H-PbSe2 3.48 N/m 1H-PbS2 3.68 N/m (Hình 4.3(c)) Nguyên nhân độ bền 1HPbS2 cao 1H-PbSe2 độ âm điện S (χ = 2.58) lớn Se (χ = 2.55), làm cho liên kết Pb-S khó phá huỷ so với Pb-Se 47 Để hiểu thêm ảnh hưởng biến dạng đến tính chất điện tử hai vật liệu 1H-PbS2 1H-PbSe2, cấu trúc vùng lượng trình bày vài biến dạng từ trạng thái cân đến trạng thái phá hủy Khi mơ hình đạt đến giá trị biến dạng phá hủy, cấu trúc vật liệu dần tính ổn định tính tốn cấu trúc vùng lượng khơng cịn thích hợp Hình 4.4 Cấu trúc vùng lượng 1H-PbS2 vài biến dạng kéo dọc theo phương x (εxx) dọc theo phương y (εyy) Hình 4.5 Cấu trúc vùng lượng 1H-PbSe2 vài biến dạng kéo dọc theo phương x (εxx) dọc theo phương y (εyy) Hai cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 sở hữu độ rộng vùng cấm trạng thái cân (H = 0) tương ứng 2.30 eV 1.90 eV, hai vật liệu mang tính bán dẫn trực tiếp với giá trị thấp dải dẫn (CBM) giá trị lớn dải hoá trị (VBM) nằm điểm Γ Hình 4.4 thể ảnh hưởng biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx) phương y (ɛyy) đến độ rộng vùng cấm vật liệu PbS2 Dưới biến dạng theo phương x, độ rộng vùng cấm không thay đổi nhiều từ trạng thái cân (ε = 0.0) đến trạng thái phá hủy (εxx = 0.07) suốt trình biến dạng vật liệu mang tính bán dẫn trực tiếp Dưới biến dạng kéo theo phương y độ rộng vùng cấm có xu hướng giảm dần đến trạng thái phá hủy (εyy = 0.22) mức lượng lớn dải hóa trị điểm Γ, mức lượng thấp dải dẫn lại dịch chuyển từ điểm Γ điểm K’, vật liệu chuyển từ tính bán dẫn trực tiếp sang tính bán dẫn gián tiếp Tương tự cấu trúc 1H-PbS2, Hình 4.5 biểu diễn cấu trúc vùng lưọng biến dạng kéo theo dọc phương x (ɛxx), dọc theo phương y (ɛyy) cấu trúc 1HPbSe2 Kết thu cho thấy, độ rộng vùng cấm 1H-PbSe2 thay đổi không đáng kể biến dạng kéo theo phương x (ɛxx) Bên cạnh đó, thay đổi từ bán dẫn trực tiếp sang bán dẫn gián tiếp chịu kéo dọc theo phương y (ɛyy) cấu trúc 1H-PbS2 thể tương tự với 1H-PbSe2 εyy = 0.22 48 (a) (b) Hình 4.6 Cấu trúc vùng lượng vài biên dạng kéo dọc theo hai phương x y (εbia): (a) 1H-PbS2; (b) 1H-PbSe2 Thú vị hơn, tác dụng biến dạng kéo dọc theo phương hai phương x y (εbia), cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 thể tính chất bán dẫn trực tiếp xuyên suốt trình kéo tới bị phá hủy giá trị độ rộng vùng cấm thay đổi đáng kể theo mức biến dạng Hình 4.6 Tại trạng thái cân (ε = 0) cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 có giá trị độ rộng vùng cấm 2.3eV 1.9eV Tuy nhiên, giá trị biến dạng phá hủy (εbia = 0.19 ) độ rộng vùng cấm 1H-PbS2 giảm a2.5 lần độ rộng vùng cấm 1H-PbSe2 giảm nửa so với giá trị trạng thái cân Kết cho thấy rằng, hai cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 giá trị độ rộng vùng cấm tính chất bán dẫn trực tiếp, gián tiếp bị thay đổi thơng qua biến dạng học dọc theo phương x (εxx), dọc theo phương y (εyy), dọc theo hai phương x y (εbia) Tính chất tương tự với cấu trúc Janus TMDs MoSSe, WSTe, WSeTe [46] Kết ảnh hưởng biến dạng kéo đến độ rộng vùng cấm trình bày Hình 4.7 Nhìn chung, tác dụng biến dạng kéo theo phương, độ rộng vùng cấm cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 thay đổi Dưới biến dạng kéo dọc theo phương x (ɛxx) độ rộng vùng cấm hai cấu trúc thay đổi tương đồng giảm khơng đáng kể, Hình 4.7(a) Dưới tác động biến dạng kéo dọc theo phương y (ɛyy), độ rộng vùng cấm cấu trúc trúc 1H-PbS2 giảm từ từ, độ rộng vùng cấm cấu trúc 1H-PbSe2 có giảm mạnh Độ rộng vùng cấm hai cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 có giá trị nhỏ 1.71 eV (giảm 25.5 %) 1.6 eV (giảm 16%) ε = 0.22, Hình 4.7(b) Dưới tác động biến dạng kéo theo phương hai phương x y (εbia) độ rộng vùng cấm hai cấu trúc 1H49 PbS2 1H-PbSe2 giảm mạnh mức biến dạng tới hạn (εbia = 0.19) so với biến dạng theo kéo theo phương x phương y Tóm lại, độ rộng vùng cấm hàm biến dạng học Ở mức độ biến dạng, loại biến dạng có kết vùng trống lượng Trong đó, độ rộng vùng cấm biến dạng kéo theo phương x thay đổi không đáng kể, độ rộng vùng cấm biến dạng kéo dọc theo phương y biến dạng kéo đồng thời hai phương x y (εbia) giảm mạnh tới biến dạng phá hủy hai cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 Kết chứng minh tính chất – lý vật liệu cấu trúc 1H-PbX2 điều khiển biến dạng, biến dạng kéo đồng thời theo hai phương x y (εbia) lựa chọn tốt để thay đổi tính chất vật liệu (a) (b) (c) Hình 4.7 Độ rộng vùng trống lượng cấu trúc 1H-PbS2 1H-PbSe2 tác động vài biến dạng kéo:(a) dọc theo phương x (εxx); (b) dọc theo phương y (εyy) (c) dọc theo hai phương x y (εbia) 4.3 Khả hấp thụ ánh sáng cấu trúc vật liệu 1H-PbX2 Từ tính tốn độ bền lý tưởng vùng trống lượng cấu trúc 1H-PbX2, thấy biến dạng dọc theo hai phương x y (εbia) có tác động ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc mạng tinh thể Biến dạng dọc theo 50