HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  Cấn Thị Thu Thủy HỆ EXCITON TRONG DẢI BĂNG GRAPHENE Chuyên ngành: Vật lí lí thuyết vật lí toán Mã số: 60 44 01 03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hµ néi, n¨m 2015 Công trình hoàn thành Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Nguyễn Ái Việt Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Hãn – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Vũ Nhân – Học viện Phòng Không – Không Quân Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Giải thưởng Nobel năm 2010, giải thưởng danh giá khoa học tôn vinh hai nhà khoa học Vật lý gốc Nga với công trình nghiên cứu tìm vật liệu Graphene hai chiều Đơn giản, hiểu Graphene than chì cực mỏng, mỏng đến mức độ dày lớp nguyên tử Carbon Điều đặc biệt lớp đơn nguyên tử lại tồn bền vững trạng thái tự Sự tồn loại chuẩn hạt định tính chất quang vật liệu exciton ống carbon nano-tube (được xem graphene cuộn lại) đuợc T Ando tiên đoán lý thuyết lần từ năm 1997 Quan sát thực nghiệm hiệu ứng exciton phổ hấp thụ quang carbon nano-tube khó tính chất giả chiều hệ vật liệu có đỉnh phổ nhọn bờ vùng hấp thụ gần với phổ nhọn exciton Trong hai năm gần đây, loạt thực nghiệm nghiên cứu tính chất quang ống carbon nanotubes đuợc thực hiện, phát thấy có hiệu ứng exciton, đặc biệt quan sát chuyển mức cấm chứng trực tiếp rõ nét tồn exciton carbon nano-tube Kết nghiên cứu tính chất quang Graphene hay dải băng Graphene thông qua lượng liên kết exciton có ý nghĩa lớn nhà thực nghiệm công nghệ Mục đích, đối tượng nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Trong thời gian gần đây, lượng exciton thu hút nhiều ý nghiên cứu nhà vật lý lý thuyết Trong luận văn này, bước đầu nghiên cứu lượng liên kết exciton Graphene 2.2 Đối tượng nghiên cứu Tính chất quang Graphene Phương pháp nghiên cứu Sử dụng học lượng tử phần mềm Origin, Matlab hỗ trợ đồ thị Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, chương, phần kết luận hướng phát triển đề tài Chương 1: Hệ carbon thấp chiều có cấu trúc nano Chương 2: Exciton tính chất quang carbon nanotube (hệ carbon thấp chiều có cấu túc nano điển hình) Chương 3: Mô hình đơn giản nghiên cứu tính chất quang Graphene dải băng Graphene Cuối việc tóm tắt lại kết thu được, kết luận hướng nghiên cứu Chương HỆ CARBON THẤP CHIỀU VÀ CÓ CẤU TRÚC NANO 1.1 Phân loại vật liệu carbon 1.1.1 Kim cương Nó hai dạng thù hình biết đến nhiều nhất, tính phổ biến sử dụng từ lâu lịch sử loại vật liệu cứng tự nhiên có tính chất quang lý thú nên ứng dụng rộng rãi trang điểm, tôn giáo, sản xuất Kim cương vật liệu carbon túy lai hóa sp3, đặc trưng kim cương liên kết tứ diện Nhưng xét theo quan điểm tinh thể học kim cương có cấu trúc lập phương tâm mặt có gốc gồm hai nguyên tử carbon vị trí (0,0,0) (1/4,1/4,1/4) hay xem gồm hai mạng lập phương tâm mặt đặt lệch theo phương đường chéo khoảng 1/4 đường chéo Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể kim cương 1.1.2 Graphite Được sử dụng làm ruột bút chì Tính dẫn điện graphite vô quan trọng ứng dụng điện cực đèn hồ quang điện Graphite tồn túy lai hóa sp2, cấu trúc tinh thể bao gồm mặt phẳng mạng tổ ong lục giác xếp chồng lên Khoảng cách hai mặt phẳng liên tiếp c/2=0.335 (nm) Liên kết mặt phẳng liên kết cộng hóa trị bền vững dạng liên kết mặt với liên kết Van der Walls lỏng lẻo Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể than chì (graphite) 1.1.3 Fullerene Nó phân tử chứa 60 nguyên tử carbon viết tắt C60 Các nhà khoa học phát nguyên tử carbon xếp lục giác túy graphene mà có mô bóng tròn với đường kính vào khoảng 1nm, lục giác xen kẽ hình ngũ giác Ngay sau đời mở nhiều hướng cho phát triển ứng dụng, tạo nên trào lưu mạnh mẽ nghiên cứu Ngày người ta tổng hợp fullerene cao C70, C84, C540…với nhiều ứng dụng thực tế lĩnh vực hóa học, công nghiệp Điều khó khăn giá thành sản xuất fullerene cao hai trăm dollars cho gram C60, mặt khác C60 không hòa tan dung môi khiến cho phạm vi ứng dụng trở nên hạn chế phần Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể Fullerene 1.1.4 Carbon nanotubes Ống nano Carbon (Carbon nanotubes - CNTs), vật liệu coi chiều (1D) với nhiều tính chất đặc biệt điện điều kiện thuận lợi cho ứng dụng thực tế hẳn fullerene có độ bền siêu việt, độ dẫn nhiệt cao nhiều tính chất điện quang thú vị khác Nó tiến sĩ Sumio Iijima công ty NEC (Nhật Bản) phát tình cờ trình nghiên cứu C60 vào năm 1991 CNT có dạng hình trụ rỗng dài tới vài trăm micrometers đường kính cỡ nanometers Hình 1.5 Ống cacrbon nanotubes CNTs chia thành loại chính: Ống nano carbon đơn tường (SWCNTs) ống nano carbon đa tường (MWCNTs) Ngoài số dạng khác Torus (đế hoa), Nanobud (núm hoa) Zigzag Armchair Chiral Hình 1.7 Các cấu trúc CNTs 1.1.5 Graphene Một dạng thù hình mà nhà khoa học đặc biệt quan tâm nay, đối tượng luận văn – Graphene Năm 2010, giải Nobel Vật lý phát cho hai khoa học gia gốc Nga, có công nhận dạng, định rõ đặc điểm chế tạo loại vật chất hai chiều Nó coi loại vật liệu bền mỏng từ xưa tới nay, graphene làm thay đổi mạnh mẽ mặt kỹ nghệ chế tạo năm tới - giống plastics, theo lời ông Geim Chính vai trò đặc biệt quan trọng nên thu hút nhiều quan tâm phòng thí nghiệm công trình nghiên cứu lý thuyết tạp chí khoa học quốc tế Hình 1.8 Mạng lưới Graphene Ngoài dạng nêu Carbon có loại thù hình khác như: Sợi carbon (sử dụng để tổng hợp nên vật liệu composite nhẹ với tính chất học ưu việt); Ceraphit (bề mặt mềm, cấu trúc chưa rõ); Lonsdaleit (sự sai lạc cấu trúc tinh thể kim cương); Carbon vô định hình (có cấu trúc tương tự kim cương, tạo thành lưới tinh thể lục giác)… 1.2 Sự lai hóa nguyên tử carbon Liên kết cộng hóa trị loại liên kết hóa học, nguyên tử chia sẻ electrons dùng chung electrons với nguyên tử khác lân cận để tạo nên cấu trúc phân tử vật chất Đó có xen phủ orbitals nguyên tử nguyên tử Các orbitals trạng thái trạng thái lai hóa Theo hóa học, lai hóa khái niệm dùng để trộn lẫn vào orbitals nguyên tử Sự tạo thành lai hóa thuận tiện cho việc mô tả cách định tính tính chất liên kết nguyên tử Nghiên cứu lai hóa hữu ích cho việc giải thích hình dạng orbitals phân tử phân tử Hình 1.9 Mô hình orbitals s, p orbitals p gồm thành phần theo phương x, y, z tương ứng orbitals px, py, pz Lai hóa sp vật liệu carbon Polyacetylene, (HC=CH-)n Trong lai hóa sp2, orbital 2s hai orbitals 2p giả sử 2px 2py lai hóa với Từ tính toán ta thu kết có ba hàm sóng lai hóa là: (| s  | px  ) | sp 2b   ( | s  | px   | p y  ) | sp c   ( | s  | px   | p y  ), | sp a   Hình 1.10 Ba hàm lai mô hình biểu diễn hàm lai lai hóa sp2 Chương EXCITON VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CARBON NANOTUBE (HỆ CARBON THẤP CHIỀU VÀ CÓ CẤU TRÚC NANO) Exciton cấu trúc cặp điện tử - lỗ trống bán dẫn giống nguyên tử hydro vật lý nguyên tử Các tính toán cụ thể mức lượng exciton cho thấy xuất rõ chúng quang phổ hấp thụ chất bán dẫn dạng vạch hẹp nằm thấp so với bờ vùng cấm Eg chất bán dẫn khối khoảng Ex (năng lượng liên kết exciton) Sau người ta phát thấy hiệu ứng exciton quang phổ hệ thấp chiều hệ có cấu trúc nanô khác Carbon nanotubes đơn ống bán dẫn, kim loại bán kim phụ thuộc vào đường kính xếp xoắn ốc ống Để nghiên cứu exciton CNTs bán dẫn, ta xét mô hình sau: đặt cấu trúc mạng tổ ong graphite vào từ trường hiệu dụng mạnh Trong từ trường mạnh hạt mang điện chuyển động đường tròn mặt phẳng vuông góc với từ trường Khi đó, theo T.Ando, ta coi có đựợc ống bán dẫn có bán kính độ dài từ Vì bán kính carbon nanotubes nhỏ nên từ trường hiệu dụng lớn Chọn hệ trục toạ độ sau: trục Oz trùng với hướng từ trường, mặt phẳng xOy vuông góc với từ trường Trong gần vùng parabol chuyển sang hệ toạ độ khối tâm, toán tử Hamiltonian chia thành phần: a) Hamiltonian H1 chuyển động khối tâm, cho nghiệm toán hạt tự từ trường mạnh, b) Hamiltonian H2 chuyển động tương đối electron lỗ trống từ trường mạnh có tương tác hút Coulomb Việc giải toán exciton quy việc giải phương trình Schrodinger H2 giống toán nguyên tử hydro từ trường mạnh B Đặt n số vùng lượng ống nanô carbon, ta đưa vào tham số không thứ nguyên phụ thuộc vào số n men, mhn  n khối lượng hiệu dụng thu gọn điện tử lỗ trống:  n  n / 2Rxn  (2axn / L) , với n  eB /  n tần số cyclotron hạt tải chuyển động từ trường, n >> từ trường B mạnh, L chu vi ống nanô Ký hiệu  số điện môi, chọn số Rydberg Rxn   n e / 2  bán kính Bohr a xn    /  n e exciton vùng n CN làm đơn vị lượng độ dài, ta có: H 2n   2   n LZ  n x  y  , Rxn r   (2.1) x, y; r=(x2+y2+z2)1/2; Lz ;  toán tử tọa độ, môment xung lượng gradient không thứ nguyên Ta dùng phương pháp biến phân [9-11] để tính lượng liên kết Chọn hàm thử chuẩn hoá cho trạng thái 1S dạng:  0n   1Sn  2a a   n // n  / 1 /  x2  y z  exp    ,  4a 2 n 4a // n   (2.2) an a//n hai tham số đặc trưng cho chuyển động mặt phẳng {x,y} theo phương 0z (là bán kính chiều dài hiệu dụng ống nanô) exciton vùng n; chúng thỏa mãn hệ phương trình giải số máy tính cho lượng trạng thái liên kết thấp exciton vùng n (trạng thái bản) theo thông số n = an/a//n là: 2 1 1 n n   n   n a2 n E xn  E1Sn   n  1     log 2  2.an  an    n 1 1 n   (2.3) Kết khảo sát cho thấy lượng liên kết exciton phụ thuộc vào tỷ số L/axn, ống nanô CN có chu vi L nhỏ lượng liên kết exciton lớn, ngược lại CN có chu vi lớn lượng liên kết exciton nhỏ Quan sát thực nghiệm hiệu ứng exciton phổ hấp thụ quang carbon nano-tube khó tính chất giả chiều hệ vật liệu có đỉnh phổ nhọn bờ vùng hấp thụ gần với phổ vạch (nhọn) và: (⃗⃗⃗ ) ⃗⃗ ∑⃗ ⃗⃗ (3.15) Để tìm lượng, ta thực chéo hóa: ( ⃗ ) ( ) )( ) (3.16) Để có nghiệm không tầm thường thì: | | (⃗ ) Xét liên kết mạnh gần √ (3.17) (3.18) t '  , ta có: (⃗ ) √ , (3.19) ( ⃗ ), với: (⃗ ) (√ (3.20) √ )+4cos( (3.21) suy ra: (⃗ ) ⃗⃗⃗⃗ , √ (3.22) dấu “+” ứng với dải lượng liên kết π, dấu “-” ứng với dải lượng liên kết phản π Dùng khai triển k p xung quanh điểm K K’ ta thu phổ lượng electron: (⃗ ) ⃗ hay: ( ⃗ ) ( k  k độ lớn vector sóng), vF  3at |⃗ | (3.23) ⃗ (3.24) m  106   vận tốc Fermi s Do cấu trúc điện tử graphene khác hẳn với vật liệu ba chiều, mặt Fermi đặc trưng sáu hình chóp đôi hình 3.14, mức Fermi nằm điểm gặp (điểm Dirac) hình chóp Gần mức Fermi hệ thức tán sắc (tức lượng hàm số hàm số vector sóng ћk) electron lỗ trống hàm tuyến tính 12 Hình 3.14 Cấu trúc dải lượng tinh thể biểu diễn phụ thuộc lượng với chuyển động electron Như graphene dải hóa trị (valence) dải dẫn (conduction) tiếp xúc điểm vùng Brillouin Hệ thức tán sắc lượng–xung lượng trở thành tuyến tính vùng lân cận điểm đó, hệ thức tán sắc mô tả phương trình lượng tương đối tính: E = k / vF , (3.25) vF vận tốc Fermi ћk xung lượng Do electron có khối lượng hiệu dụng không chuyển động photon hạt có khối lượng thông thường với hệ thức tán sắc parabolic Hình 3.15 Cấu trúc dải lượng hệ vật liệu ba chiều (trái) có dạng parabolic, với vùng cấm nằm vùng lượng hóa trị thấp vùng dẫn có lượng cao Cấu trúc dải lượng vật liệu hai chiều graphene (phải) gặp tai điểm Dirac Vì khối lượng gần không vận tốc số giống vận tốc photon c nên học lượng tử graphene đồng với học lượng tử hạt 13 tương đối tính với khối lượng nhỏ Các tính chất tương đối xuất phát từ điều kiện phù hợp với lý thuyết tương đối – hay với bất biến Lorentz – mà đơn giản từ điều kiện đối xứng mạng hình tổ ong Ngoài Hamilton chúng tương tự Hamilton hạt tương đối tính không khối lượng graphene có tính chất mà ta biết từ sách nói lượng tử tương đối tính 3.2 Năng lượng Exciton dải băng Graphene Một nghiên cứu gần [23] lượng dải cấm Amchair Graphene nanoribbons (AGNRs) thay đổi khoảng 0.5-3 eV độ rộng thay đổi khoảng 1.6-0.4 (nm), điều chứng tỏ tồn hiệu ứng exciton AGNRs hứa hẹn nhiều tính chất điện Đồng thời ta thấy lượng lớn nhiều trường hợp Graphit kim cương Sự chênh lệch lớn hệ ảnh hưởng tương tác Colomd hệ thấp chiều Thêm vào đó, chênh lệch lượng tính toán nà cho thấy phụ thuộc lẫn vùng phức tạp lượng mà điều không đơn giản… Sự chênh lệch phụ thuộc vào đặc điểm tính chất điện trạng thái Chính cấu trúc lượng thay đổi theo điều kiện tác động nên vật liệu bán dẫn sử dụng để tạo biosensor, transistor, laser linh kiện khác với tính chất điều chỉnh dễ dàng, nhiều so với vật liệu bán dẫn kinh điển kiểu Si Đồng thời ta biết linh kiện sử dụng tính chất quang, việc tính lượng exciton GNRs cần thiết Trước tiên ta xét công thức tính lượng exciton theo mô hình Wannier cho mạng hai chiều Theo học cổ điển, lượng hệ gồm electron lỗ trống tương tác: p12 p 22   U (r ) , E= me m h (3.26) r khoảng cách hai hạt, p1 xung lượng lỗ trống (h), p2 xung lượng electron (e), U(r) tương tác e-h Hamiltonian tương ứng hệ có dạng: 2 2 1    U (r ) H = 2me 2m h (3.27) Từ xét gần khối lượng hiệu dụng ta có phương trình Schrodinger cho hệ “điện tử - lỗ trống” chuyển động bán dẫn: 2   2      U ( r )    r e , r h  E r e , r h 2mh  2me   14   , (3.28) E= Eexc – Eg Với Eexc Eg lượng exciton lượng vùng cấm Chuyển phương trình sang hệ tọa độ khối tâm chuyển động tương đối hai hạt có dạng:  H =   2  2r   G2  U (r )    E , 2(me  mh )  (3.29) đó: + r xung lượng ứng với chuyển động tương đối hai hạt +  G xung lượng chuyển động khối tâm Khi phương trình trị riêng tách thành hai phương trình trị riêng sau: {  2  r  U (r )} r  E r r , 2 2  G2  G ( R)  EG G ( R) , 2(me  mh ) (3.30) (3.31) E = EG + Er, (3.32) me re  m h rh 1 , r  re -rh ,  , M = me + mh,  me  m h  me m h (3.33) với: R r bán kính vec tơ vạch từ electron đến lỗ trống, R bán kính vector tâm quán tính hai hạt, μ khối lượng hiệu dụng electron – hole Phương trình (3.31) phương trình Schrodinger hạt tự có khối lượng M = m e +mh EG động chuyển động tịnh tiến toàn hệ Bài toán giải phần học lượng tử thu lượng sau: EG = 2K 2M (3.34) Như ta cần xác định nghiệm phương trình chuyển động tương đối (3.30) Đây phương trình Wannier (Wannier equation) Phương trình giải cụ thể cho trường hợp bán dẫn môt chiều, hai chiều ba chiều tài liệu bán dẫn nói chung [11] Trong kết bán dẫn hai chiều thu là: En = - E , với n = 0, 1, … (n  / 2) 15 (3.35) E0 = e4 (năng lượng exciton Rydberg) 2 02  Từ ta lượng liên kết excitons cho bán dẫn hai chiều: e EB =  2 , 2  (n  / 2) với n = 0, 1, 2… (3.36) Kết hợp kết tính mức lượng excitons cho vật liệu hai chiều theo công thức sau: Eexc = Eg  e 2K + , (n= 0, 1, 2, …) 2M 2  02 (n  / 2) (3.37) Khi hệ có chuyển động khối tâm bé xét lượng exciton cao ta có Eexc = Eg – EB Năng lượng bị tác động trường Khi trường tác động vào vật rắn có lượng lớn lượng liên kết trạng thái excitons bị phá vỡ, trường nhiệt độ, điện trường, từ trường… Đối với vật liệu khối lượng liên kết exciton nhỏ nên quan sát nhiệt độ thấp Còn hệ thấp chiều, cụ thể vật liệu hai chiều hiệu ứng excitons quan sát thấy nhiệt độ thường, nhờ giam nhốt lượng tử xen phủ hàm sóng điện tử lỗ trống tăng cường Dẫn đến tương tác Coulomb chúng tăng cường làm tăng lượng liên kết excitons hệ thấp chiều Điều thấy công thức (EB) Và xét trạng thái với n= EB (2D) = 4EB (3D) , giá trị lượng liên kết cực đại điện tử lỗ trống, gọi lượng liên kết excitons cực đại vật liệu 2D lớn gấp lần vật liệu 3D Ở mức lượng cao độ chênh lệch thu hẹp dần Áp dụng tính toán cho lý thuyết mạng hai chiều ta tính lượng liên kết exciton EB vật liệu Graphene nanoribbons (GNRs) Năng lượng exciton cho giả hạt định nghĩa: Eexc = Eg – EB , (3.38) với EB lượng liên kết exciton: EB= , (3.39) đó: μ khối lượng hiệu dụng excitons xác định bởi: , với: khối lượng electron hiệu dụng khối lượng lỗ trống hiệu dụng (trong exciton m0 khối lượng tự electron Từ đó: 16 (3.40) EB= (3.41) 3.3 Mô hình đơn giản lượng liên kết exciton dải băng Graphene Chúng tập trung nghiên cứu lượng liên kết exciton Eb cụ thể với AGRNS vào độ rộng lát cắt w khác thông qua việc tính toán cách sử dụng phương pháp biến phân Để so sánh kết làm bật tính ưu việt nghiên cứu, xin phép trích dẫn từ báo Xi Zhu and Haibin Su công bố năm 2010 [33] đồ thị biểu diễn mối ràng buộc lượng liên kết exciton theo độ rộng ba họ dải băng Graphene ghế bành hình vẽ 3.17 Tiếp theo với lý thuyết thiết lập luận văn kết hợp sử dụng phần mềm Origin dễ dàng thu đồ thị tương ứng với giá trị tính toán báo [33] fit lại với dạng hàm phù hợp Hình 3.17 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs Các điểm tương ứng với số liệu tính toán Các đường màu tương ứng fit hàm Eb = 17 TN(3p) Fitting Coulomb 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.18 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đen tương ứng hàm fit dạng Eb= 1/(a*w) (a=0.91) TN(3p) Fitting Pade[0,1] 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.19 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đen tương ứng hàm fit dạng Eb= (a0=1.35; a=0.61; b=0.38) 18 TN(3p) Fitting Coulomb Screening 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.20 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đen tương ứng hàm fit dạng Coulomb Eb= (a=0.91; c=3.38*1021) TN(3p) Fitting GPade[0,1,c] 2.2 2.0 1.8 Eb (eV) 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 w (nm) Hình 3.21 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đen tương ứng hàm fit dạng Eb= ( =28.22; a=12.78; b=8.04; c=-6.1*1025) 19 3.0 TN (3p+1) Fitting Coulomb 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.22 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+1 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đỏ tương ứng hàm fit dạng Eb= 1/(a*w) (a=0.65) TN (3p+1) Fitting Pade[0,1] 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.23 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+1 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đỏ tương ứng hàm fit dạng Eb= ( =1.32; a=0.57; b=0.22) 20 TN (3p+1) Fitting Coulomb Screening 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.24 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+1 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đỏ tương ứng hàm fit dạng Coulomb Eb= (a=0.65; c=1.05*1017) TN (3p+1) Fitting GPade[0,1,c] 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.25 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+1 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đỏ tương ứng hàm fit dạng Eb= (a0 =1.53; a=0.49; b=0.32; c=10.23) 21 TN (3p+2) Fitting Coulomb 2.4 Eb (eV) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.22 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+2 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu đỏ tương ứng hàm fit dạng Eb= 1/(a*w) (a=1.22) TN (3p+2) Fitting Pade[0,1] 1.2 1.1 Eb (eV) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.27 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+2 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu xanh tương ứng hàm fit dạng Eb= ( =2.78*1018; a=1.55*1018; b=1.61*1018) 22 TN (3p+2) Fitting Coulomb Screening 1.2 1.1 Eb (eV) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.28 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+2 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu xanh tương ứng hàm fit dạng Coulomb Eb= (a=1.22; c=5.85*1014) TN (3p+2) Fitting GPade[0,1,c] 1.2 1.1 Eb (eV) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 w (nm) Hình 3.29 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs với N=3p+2 Đường màu tím nối điểm tính toán Đường trơn màu xanh tương ứng hàm fit dạng Eb= ( =1.09; a=0.61; b=0.63; c=3.33*1021) Từ đồ thị, thu kết hoàn toàn phù hợp với công bố tác giả trước mà sử dụng phương pháp phức tạp khác Cụ thể, điều dễ nhận thấy 23 lượng liên kết exciton giảm độ rộng lát cắt AGRNs tăng qua việc quan sát độ dốc xuống đồ thị Một điều đặc biệt với dạng hàm fit hai hàm Pade[0;1] Gpade[0;1;c] trùng khớp với số liệu tính toán tác giả báo sử dụng Tuy nhiên để dễ dàng so sánh có nhìn khái quát độ giảm lượng liên kết exciton với trị số p ba họ AGRNs (3p, 3p+1, 3p+2) sử dụng chương trình Matlab sau fit số liệu tính toán với hàm cụ thể Pade: Eb= kết hình đây: Hình 3.30 Đồ thị lượng liên kết exciton theo độ rộng AGNRs Các điểm tương ứng với số liệu tính toán Các đường màu tương ứng fit hàm Pade: Eb= 24 KẾT LUẬN Những nghiên cứu graphene đề tài nay, có hiệu ứng excitons ứng dụng vào toán cụ thể Đây vấn đề quan trọng cần tìm hiểu, nhiên giai đoạn ban đầu số lượng nghiên cứu vấn đề hạn chế đa phần lĩnh vực lý thuyết Với đối tượng nghiên cứu graphene dải băng Grphene, luận văn thu kết là: Bản luận văn cung cấp tổng quan graphene dải băng graphene, carbon nanotube hệ nano carbon thấp chiều quan tâm nhiều ứng dụng công nghệ nano công nghệ bionano Luận văn đưa mô hình đơn giản dải băng graphene; cách xây dựng lý thuyết hiệu dụng mô tả hiệu ứng exciton cấu trúc vùng lượng tính chất quang ống carbon nano-tube đơn tường (SWCN) Từ việc sử dụng hai chương trình Origin Matlab để vẽ fit đồ thị vô hiệu luận văn đưa hai dạng hàm Pade[0,1] Gpade[0,1,c] phù hợp phạm vi nghiên cứu hợp lý mặt ý nghĩa vật lý mối quan hệ lượng liên kết exciton độ rộng lát cắt dải băng Graphene Các kết lý thuyết luận văn ý nghĩa cho nhà nghiên cứu thực nghiệm công nghệ liên quan tới tính chất quang dải băng graphene Họ dễ dàng có thông số quan trọng tính chất quang dải băng graphene mà không cần hiểu biết nhiều lý thuyết phức tạp hệ carbon thấp chiều 25 26 [...]... và đa phần là trong lĩnh vực lý thuyết Với đối tượng nghiên cứu chính là graphene và dải băng Grphene, trong bản luận văn này tôi thu được những kết quả chính là: 1 Bản luận văn cung cấp tổng quan về graphene và các dải băng graphene, carbon nanotube là những hệ nano carbon thấp chiều đang được quan tâm nhiều hiện nay do những ứng dụng trong công nghệ nano và công nghệ bionano 2 Luận văn cũng đã đưa... trong mối quan hệ giữa năng lượng liên kết exciton và độ rộng lát cắt dải băng Graphene Các kết quả lý thuyết này của luận văn rất ý nghĩa cho những nhà nghiên cứu thực nghiệm và công nghệ liên quan tới tính chất quang của dải băng graphene Họ dễ dàng có được các thông số quan trọng nhất về tính chất quang của dải băng graphene mà không cần hiểu biết nhiều về lý thuyết phức tạp của các hệ carbon thấp... QUANG CỦA GRAPHENE VÀ DẢI BĂNG GRAPHENE 3.1 Cấu trúc dải năng lượng Khi nghiên cứu về Graphene, năng lượng là vấn đề rất quan trọng, không thể thiếu Trong phần này sẽ trình bày về cấu trúc vùng năng lượng của Graphene Cấu trúc vùng năng lượng của Graphene là chủ đề thu hút được sự nghiên cứu khá chi tiết bằng việc tính toán với gần đúng liên kết mạnh Hamiltonian của electron (điện tử) trong Graphene: ... lượng Exciton trong dải băng Graphene Một nghiên cứu gần đây [23] đã chỉ ra rằng năng lượng của dải cấm đối với Amchair Graphene nanoribbons (AGNRs) có thể thay đổi trong khoảng 0.5-3 eV khi độ rộng thay đổi trong khoảng 1.6-0.4 (nm), điều đó chứng tỏ sự tồn tại của hiệu ứng exciton đối với AGNRs và nó cũng hứa hẹn nhiều tính chất điện Đồng thời ta cũng thấy rằng năng lượng này lớn hơn rất nhiều trong. .. của exciton: EB= , (3.39) trong đó: μ là khối lượng hiệu dụng của excitons được xác định bởi: , với: là khối lượng electron hiệu dụng là khối lượng lỗ trống hiệu dụng (trong exciton m0 là khối lượng tự do của electron Từ đó: 16 (3.40) EB= (3.41) 3.3 Mô hình đơn giản của năng lượng liên kết exciton trong dải băng Graphene Chúng tôi đã tập trung nghiên cứu năng lượng liên kết exciton Eb cụ thể với AGRNS... ràng buộc giữa năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của ba họ dải băng Graphene ghế bành trong hình vẽ 3.17 Tiếp theo với lý thuyết được thiết lập trong luận văn kết hợp sử dụng phần mềm Origin chúng tôi dễ dàng thu được đồ thị tương ứng với các giá trị tính toán trong bài báo [33] và lần lượt fit lại với 4 dạng hàm phù hợp nhất Hình 3.17 Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs Các... của dải băng graphene; cách xây dựng một lý thuyết hiệu dụng mô tả hiệu ứng exciton trong cấu trúc vùng năng lượng và các tính chất quang của ống carbon nano-tube đơn tường (SWCN) 3 Từ việc sử dụng hai chương trình Origin và Matlab để vẽ và fit đồ thị vô cùng hiệu quả luận văn đã đưa ra hai dạng hàm Pade[0,1] và Gpade[0,1,c] phù hợp nhất trong phạm vi nghiên cứu cũng như hợp lý về mặt ý nghĩa vật lý trong. .. liên kết excitons cực đại trong vật liệu 2D thì lớn gấp 4 lần trong vật liệu 3D Ở các mức năng lượng cao hơn thì độ chênh lệch sẽ được thu hẹp dần Áp dụng các tính toán cho lý thuyết mạng hai chiều ta tính được năng lượng liên kết exciton EB đối với vật liệu Graphene nanoribbons (GNRs) Năng lượng exciton cho giả hạt được định nghĩa: Eexc = Eg – EB , (3.38) với EB là năng lượng liên kết của exciton: ... thuộc của năng lượng với chuyển động của electron Như vậy trong graphene dải hóa trị (valence) và dải dẫn (conduction) tiếp xúc nhau tại những điểm của vùng Brillouin Hệ thức tán sắc năng lượng–xung lượng trở thành tuyến tính ở vùng lân cận các điểm đó, hệ thức tán sắc được mô tả bởi phương trình năng lượng tương đối tính: E = k / vF , (3.25) trong đó vF là vận tốc Fermi còn ћk là xung lượng Do đó một... kết quả trong hình dưới đây: Hình 3.30 Đồ thị năng lượng liên kết exciton theo độ rộng của AGNRs Các điểm tương ứng với số liệu tính toán Các đường màu tương ứng được fit hàm Pade: Eb= 24 KẾT LUẬN Những nghiên cứu về graphene đều là những đề tài rất mới hiện nay, trong đó có hiệu ứng excitons và những ứng dụng của nó vào bài toán cụ thể Đây là một vấn đề quan trọng cần tìm hiểu, tuy nhiên trong giai ... nghiên cứu graphene dải băng Grphene, luận văn thu kết là: Bản luận văn cung cấp tổng quan graphene dải băng graphene, carbon nanotube hệ nano carbon thấp chiều quan tâm nhiều ứng dụng công nghệ nano... QUANG CỦA GRAPHENE VÀ DẢI BĂNG GRAPHENE 3.1 Cấu trúc dải lượng Khi nghiên cứu Graphene, lượng vấn đề quan trọng, thiếu Trong phần trình bày cấu trúc vùng lượng Graphene Cấu trúc vùng lượng Graphene. .. nghiệm công nghệ liên quan tới tính chất quang dải băng graphene Họ dễ dàng có thông số quan trọng tính chất quang dải băng graphene mà không cần hiểu biết nhiều lý thuyết phức tạp hệ carbon thấp