Khoá luận - Vũ Thị Hương Giang in quyen

Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh LỜI CẢM ƠN ===**=== Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Minh Huệ tận tình hướng dẫn, động viên tạo điều kiện thuận lợi để em thực hồn thành khố luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình anh Nguyễn Văn Tráng - Học viên cao học K23 - Khoa Hóa học, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội thời gian em hoàn thành khố luận Em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc chân thành đến toàn thể Thầy, Cơ giáo trong tổ mơn Hóa học lý thuyết Hóa lý Trung tâm Khoa học tính toán, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho em trình thực đề tài Cuối cùng em xin cảm ơn anh chị bạn bè ở bên cạnh động viên giúp đỡ em hoàn thành khoá luận Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2015 Sinh viên Vũ Thị Hương Giang – K61A Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh Vũ Thị Hương GiangMỤC LỤC Vũ Thị Hương Giang – K61A Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh HOMO Hightest Occupied Molecular Tiếng Việt Obitan phân tử bị chiếm cao LUMO Orbital Lowest Unoccupied Molecular Obitan phân tử không bị chiếm AO MO LCAO Orbital Atomic Orbital Molecular Orbital Linear Combination of Atomic thấp Obitan nguyên tử Obitan phân tử Tổ hợp tuyến tính obitan DFT TD-DFT Orbital nguyên tử Density Functional Theory Thuyết phiếm hàm mật độ Time – dependent density functional Phiếm hàm mật độ phụ thuộc LDA GGA STO GTO CGF thời gian Local Density Approximation Sự gần mật độ địa phương Generalised Gradient Approximation Sự gần gradient suy rộng Slater Type Orbital Orbital dạng Slater Gauss Type Orbital Orbital dạng Gauss Contracted Gaussian Function Hàm Gauss thu gọn ZPE Zero Point Energy Vũ Thị Hương Giang – K61A Năng lượng điểm khơng Khố luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Vũ Thị Hương Giang – K61A Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh MỞ ĐẦU I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI [2, 9] Nếu kỉ 20 coi cách mạng cơng nghệ thơng tin kỉ 21 thuộc công nghệ nano Bước vào kỉ 21, quốc gia phát triển tăng ngân sách đáng kể cho phát triển công nghệ nano Cơng nghệ nano góp phần lớn giúp thay đổi mặt khoa học công nghệ nay, ứng dụng rộng rãi từ vật liệu, xây dựng, sản phẩm tiêu dùng đến y tế, điện tử, chất diệt khuẩn khử mùi máy lạnh…Ngành Hoá học vật liệu nano trở thành mối quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học phương diện lý thuyết thực nghiệm Khi vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số ngun tử Chính hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối Chẳng hạn nano silica vật liệu vơ cùng quan trọng bởi kích thước nhỏ hạt, diện tích bề mặt lớn, hấp phụ mạnh mẽ, lượng bề mặt, độ tinh khiết hóa học cao, tính chất phân tán, khả chịu nhiệt tốt [8]… Nano silica, thường gọi "silica siêu mịn", sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa dầu, chất tẩy trắng, đại lý thảm, cao su, chất độn cách nhiệt, mỹ phẩm cao cấp đóng gói lĩnh vực khác phun vật liệu, y học Các phân tử hợp chất có kích thước nano mở hội tiềm cho lĩnh vực hóa học xúc tác Do có nhiều trạng thái oxy hóa nên kim loại chuyển tiếp xem vật liệu hồn hảo cho q trình xúc tác chúng dễ dàng cho nhận electron trình chuyển hóa hóa học Các chất xúc tác nano cải thiện hoạt tính, độ chọn lọc khả thu hồi so với chất xúc tác truyền thống Sở dĩ phân tử nano có hoạt tính xúc tác cao bởi lẽ chúng sỡ hữu tính chất khác biệt xuất phát từ cấu trúc nano, (i) hệ số thể tích bề mặt lớn, (ii) nhiều tâm phản ứng hấp thụ hoạt động, (iii) số phối trí đa dạng Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh (iv) khả chuyển đổi xếp lại nguyên tử dễ dàng để tạo điều kiện cho việc hình thành phá vỡ liên kết hóa học [2] Trong số vật liệu có kích thước nano, cluster chiếm vị trí quan trọng chúng khối xây dựng nên khoa học nano Các cluster định nghĩa tập hợp nguyên tử liên kết với có kích cỡ nm nhỏ Ví dụ, ngun tử Cacbon Bo hình thành nên dạng cluster fulleren boran Các cluster có tính chất vật lý hóa học khác biệt với ở dạng khối Có lẽ minh chứng rõ ràng cho tượng việc khám phá cluster kim loại vàng, vật liệu biết đến với thụ động hóa học ở dạng khối, lại hoạt động hóa học mạnh trở thành vật liệu xúc tác tuyệt vời cho nhiều phản ứng oxy hóa CO, khử NO [16, 19] Walter Knight cộng [22] mở kỉ nguyên lĩnh vực nghiên cứu clusters điều chế phát cluster kim loại kiềm có đến 100 nguyên tử cách cho bay kim loại natri dẫn kim loại qua ống phun siêu âm Các nghiên cứu mở rộng với cluster kim loại có kích thước lớn hơn, có lớp vỏ electron giống với cluster kim loại kiềm cluster thuộc nhóm kim loại quý: Cu, Ag, Au… kim loại chuyển tiếp có phân lớp d chưa bão hòa Những electron ở orbitan d chưa bão hịa đóng vai trị quan trọng q trình hình thành liên kết hóa học dự đốn tạo đặc tính khác biệt cluster Hơn nữa, cluster kim loại tương tác với ánh sáng, chúng trải qua chuyển mức lượng, hệ xảy tượng hấp thụ, phát xạ ánh sáng tượng cộng hưởng bề mặt Tính chất quang học hạt có kích thước nm kim loại nghiên cứu năm gần đưa vào ứng dụng có hiệu cao công nghiệp đại nghiên cứu y học, vật liệu bán dẫn [1]… Vì có nhiều tính chất đặc biệt khả ứng dụng cao nên clusters bán dẫn thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu Sợi nano tạo từ nguyên tố germani, có đặc tính hố học giống thiếc [6] Họ tạo vật liệu Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh bề mặt phủ tinh thể nano vàng, cho phép germani cấu tạo hạt nhân phát triển Sau thử nghiệm, họ nhận thấy bị bẻ cong kéo căng sợi nano tạo trước Các chuyên gia cho biết sợi dây nano sử dụng làm thiết bị điện tử học máy cảm ứng môi trường hay đồng hồ siêu xác Các cấu trúc nano cịn có tiềm ứng dụng làm thành phần chủ chốt dụng cụ thông tin kỹ thuật có chức mà truớc chưa có Những thiết bị sử dụng hạt kích cỡ nano không cho khả lưu trữ cao hơn, linh hoạt mà tiết kiệm lượng thiết bị cũ từ trước Chúng đuợc lắp ráp vật liệu trung tâm cho điện từ quang Những vi cấu trúc trạng thái độc vật chất có hứa hẹn đặc biệt cho sản phẩm hữu dụng Silicon vật liệu bán dẫn quan trọng ngành công nghiệp vi điện tử Đặc biệt vài thập niên gần đây, nhiều nhà khoa học nghiên cứu chế tạo cấu trúc silicon với kích thước nano Năm 2007, nhóm nghiên cứu silicon IBM công bố kết quan trọng ứng dụng quang tử nano silicon, sử dụng ánh sáng thay cho sợi đồng cho việc truyền tải thông tin "não" chip [5] Bộ điều chế nhà nghiên cứu sử dụng điện - quang Mach - Zehnder silicon, để biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu xung ánh sáng Điều đáng ý điều chế có kích thước nhỏ 100 (và có khả thu nhỏ tới 1000 lần) so với thiết bị điều chế Đây thiết bị sau cùng hệ thống tích hợp cần silicon hóa, để xây dựng chíp hồn tồn silicon Cơng nghệ silicon ứng cử viên sáng giá, so với công nghệ sử dụng vật liệu khác Germanium, hay Gallium Arsenide, Cadmium Sulfide Gallium Nitride Các nhà khoa học Đại học Kỹ thuật Khoa học Vật liệu Wisconsin Madison phương pháp ứng dụng rộng rãi thiết bị điện tử nano nhớ hệ bán dẫn nhỏ [3] Nghiên cứu đăng tải tờ Nature Communications Nhóm nghiên cứu phát triển kỹ thuật cho phép chế tạo cấu trúc tảng oxit điện tử có khả tích hợp chất Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh silicon – tảng thiết bị điện tử phổ biến Những cấu trúc có vai trò quan trọng ứng dụng điện tử nano tích hợp với silicon Hình 1.1: Cấu trúc oxit tích hợp silicon Một ứng dụng tiêu biểu phải nhắc đến hạt nano silicon làm tăng hiệu suất kéo dài tuổi thọ pin mặt trời Đặc biệt dây nano silic thu hút quan tâm đặc biệt giới khoa học, tính chất vật lý lạ chúng tiềm ứng dụng việc thực hóa thiết bị nano đa chức năng, như: phát sóng ánh sáng với bước sóng vùng ánh sáng xanh, cảm biến quang học với độ nhạy sáng cao… Nhóm nghiên cứu Nguyễn Thị Thúy, Vương Xuân Anh, Hà Việt Anh, Nguyễn Đức Chiến, Nguyễn Hữu Lâm, Trường đại học bách khoa Hà Nội [7] nghiên cứu chế tạo dây nano silic phương pháp bốc bay nhiệt phương pháp phun xạ catot Đáng ý, phương pháp chưa đề cập tài liệu nghiên cứu dây nano Si giới Hóa học lượng tử cho phép tiến hành nghiên cứu lí thuyết cấu trúc phân tử khả phản ứng, giúp tiên đoán khả phản ứng trước tiến hành thí nghiệm [9] Đặc biệt, cùng với tiến công nghệ số, máy tính tính tốn cách nhanh chóng phép tính phức tạp nhờ có Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh nhiều phần mềm tính tốn hóa học lượng tử đời Gaussian, Molcas, ADF, Turbomole, VASP… Áp dụng phần mềm để tính tốn khơng cung cấp thông tin chế phản ứng, bề mặt năng, thơng số động học… mà cịn cho biết thông tin phổ hồng ngoại, phổ cộng hưởng từ hạt nhân… Như vậy, phương pháp hóa học lượng tử trở thành cơng cụ đắc lực việc nghiên cứu, khảo sát phản ứng hóa học điều kiện khác mà đơi thực nghiệm khó thực khơng thể thực Với lý chọn đề tài: “Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc tính chất số cluster silicon” II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Khảo sát cấu trúc tính chất số cluster silicon bền, từ định hướng giúp nhà khoa học nghiên cứu thực nghiệm làm tư liệu tham khảo cho nhà lý thuyết nghiên cứu sâu III NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Tìm hiểu sở lý thuyết, phương pháp tính tốn phần mềm liên quan hóa học lượng tử Tham khảo thông tin cluster silicon báo tài liệu liên quan đến hệ chất nghiên cứu Lựa chọn phương pháp tính toán tốt để khảo sát hệ chất nghiên cứu Từ thông số thu cấu trúc, lượng so sánh kết để tìm quy luật biến đổi tần số, lượng tương đối (∆E), độ chênh lệch lượng LUMO-HOMO IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chúng sử dụng phần mềm Gaussian 2009 phần mềm hỗ trợ GaussView , Chemcraft, Chemoffice để khảo sát sơ chọn phương pháp Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh phiếm hàm mật độ thích hợp cho hệ nghiên cứu Sau để thu kết tốt chúng tơi tiếp tục tối ưu hố cấu trúc phương pháp phiếm hàm mật độ chọn với hàm sở mở rộng dần từ Lanl2dz, cc-pvdz, cc-pvtz Cuối cùng sử dụng kết tính ở mức tốt để cơng bố kết nghiên cứu Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang 10 .. .Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh Vũ Thị Hương GiangMỤC LỤC Vũ Thị Hương Giang – K61A Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh DANH MỤC KÍ HIỆU... Zero Point Energy Vũ Thị Hương Giang – K61A Năng lượng điểm khơng Khố luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Vũ Thị Hương Giang – K61A Khoá luận tốt... khác : SYO-3G, 3-2 1G(d), 3-2 1G(d,p), -3 1+G(d), 6311+G(d,p) I.2.2.2 Bộ sở kiểu Dunning – Huzinaga Vũ Thị Hương Giang – K61A Trang 24 Khoá luận tốt nghiệp Huệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Minh Các hàm