Khảo sát tính chất của chíp cảm biến làm từ DAN và dải semiconductor graphene phụ thuộc vào độ PH của môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trương Thị Chinh KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHÍP CẢM BIẾN LÀM TỪ DAN VÀ DẢI SEMICONDUCTOR GRAPHENE PHỤ THUỘC VÀO ĐỘ pH CỦA MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trương Thị Chinh KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHÍP CẢM BIẾN LÀM TỪ DAN VÀ DẢI SEMICONDUCTOR GRAPHENE PHỤ THUỘC VÀO ĐỘ pH CỦA MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 60440103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH Nguyễn Ái Việt Hà Nội – Năm 2013 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh Lời Cảm Ơn Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Ái Việt Người thầy ln nhiệt tình cổ vũ động viên, hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm luận văn Em xin cảm ơn thầy cô giáo khoa Vật Lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội, đặc biệt thầy cô chuyên ngành Vật lý lý thuyết Vật lý toán Các thầy cô giảng dạy cho em kiến thức quý báu thời gian học cao học Em xin cảm ơn anh chị thầy cô phòng Sau Đại Học Văn phòng Khoa Vật lý tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành khóa luận Cảm ơn anh chị bạn em lớp cao học Vật lý 2011-2013 giúp đỡ thời gian qua Lời cảm ơn cuối thật sâu sắc em xin gửi tới Cha Mẹ, người nuôi dưỡng khôn lớn tạo điều kiện cho học tập Cám ơn hy sinh, động viên Cha Mẹ giúp hồn thành khóa cao học đạt kết cao Học viên Trương Thị Chinh Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý MỤC LỤC Lời cảm ơn……………………………………………………….……………… Mục lục………………………………………………………………………… Mở đầu………………………………………………………………………… Chương Tổng quan hệ thấp chiều – vật liệu nano Cacbon Exciton…… 1.1 Vật liệu Cacbon …………………………………………… ……… 1.1.1 Đặc điểm phân loại ……………………… ……………… 1.1.2 Sự lai hóa nguyên tử Carbon ………… ……………….13 1.2 Hiệu ứng Exciton bán dẫn ………………………………………15 Chương Semiconductor Graphene Ribbons (SGR) ………………………… 20 2.1 Graphene ………………………………………………… ………… 20 2.2 Phân loại Graphene ………………………………… ……………… 20 2.3 Các phương pháp chế tạo Graphene ……………………………… 23 2.4 Các tính chất vật lý Graphene …………………………………, 26 2.4.1 Tính chất điện ……………………………… ……………….26 2.4.2 Các tính chất khác ……………………… ………………… 28 2.5 Các ứng dụng Graphene ……………………… ……………… 29 2.6 Mơ hình TB (Tight Binding) cho lớp đơn graphene ……… …… 30 2.7 Cấu trúc lượng …………………………………… ………… 32 Chương DeoxyriboNucleic Acid (DNA) …………………………………….34 3.1 DeoxyriboNucleic Acid ……………………………….……………… 34 3.2 Cấu trúc hóa học ………………………………………………………34 3.3 Các tính chất vật lý DNA …………………………… ………… 36 Chương Chíp cảm biến quang học SGR- DNA ………………………………38 4.1 Cảm biến sinh học …………………………………………………….38 4.2 Mơ hình lý thuyết chíp cảm biến SGR- DNA ……… ………… 39 4.3 Năng lượng Exciton Semiconductor Graphene Ribbons … … 41 4.4 Sự dịch chuyển mức lượng Exciton Biosensor SGR-DNA chuyển pha cấu trúc DNA ……………………………… ………… 46 Chương Hoạt động chíp cảm biến SGR-DNA phụ thuộc vào độ pH môi trường ………………………………………………………………… 51 5.1 Sự phụ thuộc số điện môi DNA vào độ pH môi trường ………………………………………………………………… 51 5.2 Sự phụ thuộc lượng Exiton vào độ pH môi trường …… 52 Kết luận ………………………………………………………………………… 56 Tài liệu tham khảo …………………………………………………………… 57 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh Danh mục hình vẽ Hình vẽ Trang Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể kim cương Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể than chì (graphit)và Fullerene 10 Hình 1.3 Ống cacrbon nanotubes 12 Hình 1.4 Mạng lưới Graphene 12 Hình 1.5 Mơ hình orbitals s,p 14 Hình 1.6 Ba hàm lai mơ hình biểu diễn hàm lai lai hóa sp2 15 Hình 1.7 Mơ hình trans–polyacetylene (HC=CH-)n 15 Hình 1.8 Các mức lượng exciton 16 Hình 1.9 Exciton FrenKel Exciton Mott Wannier 17 Hình 1.10 Giản đồ hệ số hấp thụ vật liệu 3D, 2D 1D 17 Hình 1.11 Các giá trị thực nghiệm lượng liên kết exciton E0 tương ứng với lượng dải cấm Eg số chất bán dẫn thơng dụng Hình 2.1 Các phân tử fullerene C60, ống nano carbon, graphite hình thành từ graphene Hình 2.2 Phân loại ZGNR AGNR Hình 2.3 Cấu trúc lượng ứng với AGNR có độ rộng N=4 ( bán dẫn) 19 20 22 22 , N=5 (kim loại) N=6 ( bán dẫn) Hình 2.3 Điện trở suất (dọc) mẫu Graphene ba nhiệt độ khác (5K lục, 7K lam, 300 K cam) 23 Hình 2.4 Quan sát thực nghiệm hiệu ứng Hall lượng tử dị thường Graphene (Trái) Độ dẫn suất Hall (đỏ) điện trở suất dọc (lục) hàm 24 mật độ hạt mang điện Hình 2.5 Phương pháp dùng lực học để tách lớp Graphene đơn Hình 2.6 Năng lượng, E, cho trạng thái kích thích Graphene hàm số sóng, kx ky, chiều x y Hình 2.7 Một mạng Graphene mơ hình lưới Graphene, Sức bền Graphene Hình 2.8 Tấm Graphene trạng thái lai hóa sp2 Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 25 27 28 31 Hình 2.9 Cấu trúc xếp chặt vùng Brillouin thứ mạng đảo gần liên kết mạnh với giá trị t =2.7 eV t’ =-0.2t Hình 2.11 Cấu trúc dải lượng tinh thể biểu diễn phụ thuộc lượng với chuyển động electron 31 32 Hình 3.1 Cấu tạo loại base cấu tạo đơn phân nucleotide 35 Hình 3.2: Cấu trúc khơng gian DNA 35 Hình 3.3 : Ba dạng khác phân tử DNA 36 Hình 4.1 Sự kết hợp mảnh Graphene DNA để tạo cảm biến sinh 39 học Hình 4.2 Mơ hình lý thuyết Biosensor SGR – DNA Hình 4.3 Sự biến thiên lượng liên kết exciton trạng thái (n=0) SGR theo số điện mơi Hình 4.4 Năng lượng khe cấm theo độ rộng SGR Hình 4.5 Sự biến thiên số điện mơi hiệu dụng hệ theo độ 39 45 46 49 rộng với loại B-DNA ( trái) Z-DNA(phải) Hình 4.6 Năng lượng liên kết exciton trạng thái GNR-DNA phụ thuộc vào độ rộng dải hai trường hợp B-DNA (trái) Z- 49 DNA (phải) Hình 4.7 Độ dịch chuyển lượng theo độ rơng SGR có chuyển 50 pha DNA Hình 5.1: Sự thay đổi gia số điện môi thời gian trễ pH thay đổi Hình 5.2: Dữ liệu thực nghiệm hàm fit số gia điện mơi DNA 51 52 phụ thuộc vào pH Hình 5.3: Sự phụ thuộc số điện môi hiệu dụng vào độ pH mơi trường Hình 5.4 Sự phụ thuộc lượng exicton vào độ pH môi trường 53 54 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh Danh sách bảng biểu Bảng Trang Bảng 4.1 Bảng giá trị nồng độ tới hạn số loại ions hai loại DNA Bảng 4.2 Bảng thơng số độ rơng (w), bán kính (r0) chu kỳ (b0 ) 47 48 Bảng ký hiệu chữ viết tắt TT Chữ viết tắt Viết tắt DeoxyriboNucleic Acid DNA Semiconductor Graphene Ribbons SGR Carbon nanotube CNT Graphene nanoribbons GNR Zigzag Graphene Nanoribbons ZGNR Amchair Graphene NaonoRibbons AGNR Single-Wall Carbon Nanotubes SWNT Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý Mở đầu Gần đây, Graphene trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn Đặc biệt sau hai nhà khoa học Andrei Konstantinovich Geim Konstantin Sergeevich Novoselov (ĐH Manchester - Anh) cơng bố tìm cách lập thành cơng Graphene vào năm 2004 trao giải Nobel năm 2010 nghiên cứu mang tính đột phá Sự đời dải Graphene thu hút nhiều nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm nhiều quốc gia nhằm ứng dụng vật liệu vào lĩnh vực khoa học công nghệ đời sống Các nhà khoa học chứng minh Graphene có đặc tính vượt trội dẫn điện dẫn nhiệt tốt Graphene loại vật liệu mỏng lại có độ bền cao thép khối lượng siêu nhỏ Sự phát triển loại vật liệu mở hướng nghiên cứu ứng dụng tương lai Người ta dự đoán Graphene tạo cách mạng mang tính đột phá lĩnh vực công nghệ thông tin - điện tử - sinh học - vũ trụ nhiều ngành khoa học khác Ngồi ra, ta biết cơng nghệ sinh học nano lĩnh vực quan tâm có nhiều tiềm phát triển tất yếu có xu hướng liên kết, tích hợp với ngành khác tạo nên ngành khoa học liên ngành đa ngành chẳng hạn hóa sinh đặc biệt lý sinh (Biophysics) Một trùng hợp thú vị DNA dải Graphene có kích cỡ nano việc kết hợp với thực cách dễ dàng cho phép ứng dụng vào chế tạo nhiều thiết bị nano khác Trước đây, người ta thường sử dụng carbon nanotube (CNT) thu kết tốt Tuy nhiên, ưu điểm Graphene khiến người ta nghĩ đến kết hợp ưu việt từ DNA Graphene Theo hướng nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhằm tạo nhiều phương tiện có tính ứng dụng cao y học để phòng chống phát điều trị bệnh nguy hiểm Trong phải kể đến vai trò đặc biệt quan trọng chíp cảm biến sinh học (Biosensor) chế tạo dựa công nghệ Nano Do việc nghiên cứu tính chất hệ lý sinh cần thiết Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh Trong vật liệu nano dải Graphene dùng để tạo chíp cảm biến quang học tương tự chip cảm biến quang học làm từ ống nano cacbon đề cập [5] Deoxyribonucleic Acid (DNA) acid nucleic có mang thơng tin gen, dùng để phát triển truyền lại cho hệ sau tất sinh vật sống số loại virut Vai trò DNA lưu giữu thơng tin di truyền Cùng với phát triển công nghệ nano tính chất phân tử độc DNA acid nucleic khác sử dụng để tạo nên thiết bị nano, nano – sensor …và DNA dùng vật liệu cấu trúc phần tử mang thông tin sinh học Một loại Graphene nghiên cứu cách sâu sắc Semiconductor Graphene Ribbons (SGR) Khi DNA phơi nhiễm với ion số nguyên tử Calcium, thủy ngân Natri DNA thay đổi hình dạng khiến cho cấu trúc điện tử SGR xáo trộn chuyển xạ huỳnh quang nano xuống mức lượng thấp [5] Trong tài liệu này, tác giả tìm hiểu lý thuyết hoạt động chip cảm biến SGR-DNA Theo tài liệu [5], tác giả phụ thuộc chíp cảm biến sinh học CNT-DNA vào điều kiện mơi trường: từ mơ hình lý thuyết biosensor lý thuyết exicton ống cacbon [1] giải tích nguyên lý hoạt động loại chíp cảm biến sinh học phụ thuộc vào nồng độ cation dung dịch Hay nói cách khác, thể sống nguyên lý hoạt động chíp cảm biến phụ thuộc vào nồng độ pH Khi SGR bao phủ DNA đưa vào tế bào sống để xác định lượng nhỏ chất độc hại cấp độ mức tế bào Trong thể sống, nồng độ pH thể khác nhau, chí quan khác khác dẫn đến thay đổi nguyên lý hoạt động chíp cảm biến Việc nghiên cứu phụ thuộc chíp cảm biến quang học vào độ pH môi trường hay thể sống đặc biệt quan trọng Những thay đổi hiệu ứng kèm với thay đổi độ pH giúp đưa kết luận quan trọng ứng dụng trọng y học Vì vậy, tơi chọn đề tài “ Khảo sát tính chất chíp cảm biến làm từ DNA dải Semiconductor Graphene phụ thuộc vào độ pH môi trường ” Trong khóa luận, tơi tập trung nghiên cứu tính chất DNA, dải Semiconductor Graphene; lý thuyết hoạt động loại chíp cảm biến Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý quang học làm từ DNA dải Semiconductor Graphene; sở nghiên cứu tính chất chíp cảm biến làm từ DNA Semiconductor Graphene Ribbons phụ thuộc vào độ pH môi trường Từ kết thu rút điều kiện hoạt động môi trường làm việc thích hợp chíp cảm biến Luận văn trình bày theo bố cục sau: Phần mở đầu: Giới thiệu nêu nhận định khái quát đối tượng nghiên cứu vai trò ý nghĩa mục đích đề tài Chương I : Tổng quanvề đến vật liệu nano Cacbon Exciton Chương II : Nghiên cứu cấu trúc, tính chất, phân loại Graphene Chương III:Nghiên cứu cấu trúc, tính chất DeoxyriboNucleic Acid DNA Chương IV : Mơ hình lý thuyết hoạt động chíp cảm biến quang học làm từ Semiconductor Graphene Ribbons DNA (SGR - DNA) Chương V : Hoạt động chíp cảm biến SGR-DNA phụ thuộc vào độ pH môi trường Cuối phần kết luận hướng nghiên cứu tài liệu tham khảo 10 Luận văn Thạc sĩ R= Trương Thị Chinh m e re + m h rh , me + mh r = re -rh , = + µ me mh , M = me + mh, r bán kính vec tơ vạch từ electron đến lỗ trống, R bán kính vector tâm qn tính hai hạt, µ khối lượng hiệu dụng electron – hole Phương trình (4.18) phương trình Schrodinger hạt tự có khối lượng M = me +mh EG động chuyển động tịnh tiến tồn hệ Bài tốn giải phần học lượng tử thu lượng sau: ℏ2 K EG = 2M (4.20) Như ta cần xác định nghiệm phương trình chuyển động tương đối (4.17) Đây phương trình Wannier (Wannier equation) Phương trình giải cụ thể cho trường hợp bán dẫn chiều, hai chiều ba chiều tài liệu bán dẫn nói chung [15] Trong kết bán dẫn hai chiều thu En = - E Với E0 = , với n = 0, 1, … ( n + / 2) (4.21) e4µ ( lượng exciton Rydberg) ta lượng liên kết 2ε 02 ℏ exciton cho bán dẫn hai chiều: µe4 EB = − 2 , 2ℏ ε (n + 1/ 2)2 với n = 0,1,2… (3.22) Kết hợp kết tính mức lượng exciton cho vật liệu hai chiều theo cơng thức sau: Eexc = Eg µe4 ℏ2 K − 2 + , ( n= 0,1,2,…) 2ℏ ε (n + 1/ 2)2 2M (4.23) 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 exciton bị phá vỡ, trường ngồi nhiệt độ, điện trường, từ trường… Đối với vật liệu khối lượng liên kết exciton nhỏ ( hình 1.12) nên quan sát nhiệt độ thấp Còn hệ thấp chiều, cụ thể vật Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 43 liệu hai chiều hiệu ứng exciton 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 exciton 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 exciton cực đại vật liệu 2D lớn gấp lần vật liệu 3D Ở mức lượng cao độ chênh lệch thu hẹp dần Áp dụng tính tốn cho lý thuyết mạng hai chiều ta tính lượng liên kết exciton EB vật liệu Graphene nanoribbons (SGR) Năng lượng exciton cho giả hạt định nghĩa Eexc = Eg – EB (4.24) với EB lượng liên kết exciton EB = − µ e4 13.6 µ =− (eV) 2 2h ε (n + ) 2 m0ε (n + ) (4.25) 2 -13.6 eV = - m0c α = 0.511(MeV ) ì 2 137 , khối lượng hiệu dụng exciton m0 khối lượng tự electron ε số điện mơi hiệu dụng Như ta tính lượng liên kết exciton SGR theo khối lượng hiệu dụng giá trị số điện môi dựa thực nghiệm cho trường hợp khác Tuy nhiên thực tế chế tạo graphene thường cấy ghép chất nền, kết hợp với cấu tạo nano nên việc tính tốn số điện mơi phù hợp Graphene có phụ thuộc mơi trường vào thân cơng việc phức tạp Tuy nhiên, số điện môi tương ứng thường tính tốn cách chủ quan, dựa giả định lớp Graphene có độ dày mỏng nên khơng đóng góp nhiều vào biểu thức nó, tất nhiên giả định chưa chặt chẽ lắm, việc cho biểu thức lớp Graphene xác định cách lấy trung bình 44 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh biểu thức mơi trường xung quanh Ví dụ, với Graphene chất silicon dioxide (SiO2) đặt khơng khí, trung bình số điện mơi trở thành ε = 2.5 Điều dẫn đến kết khơng mang tính xác tuyệt đối cho số loại Graphene có cấu trúc khác với lớp đơn Graphene (độ dày vào cỡ 0.05 nm) giúp ta thu kết tốt Do lựa chọn chất để chế tạo hay sử dụng Graphene môi trường khác ta cần ý đến phụ thuộc vào số điện mơi (hình 4.3) EB HLLL H eV €€€€€€€€€€€€€€€€€€€ m m0 60 50 40 30 20 10 e Hình 4.3 Sự biến thiên lượng liên kết exciton trạng thái (n=0) SGR theo số điện môi Qua đồ thị ta nhận thấy để quan sát hiệu ứng exciton tốt nên xét mơi trường có số điện mơi nhỏ Kết có phù hợp định tính với kết số báo [20] Ngoài ra, hệ khơng chiều (0D) hay chiều (1D) chênh lệch mức lượng theo độ rộng không lớn Vì ta cần ý với hệ khơng chiều 0(D) hay mơt chiều 1D quy tắc 3M-1 (hay 3M+2) khơng Còn đối vật liệu hai chiều SGR mà ta sử dụng mơ hình giả định có độ rộng hữu hạn có độ dài vơ hạn Bởi với độ dài hữu hạn, theo kết thu từ báo (trích dẫn tên tài liệu) ta thấy chênh lệch lượng theo độ rộng ko rõ Còn với loại infinite length (độ dài vơ hạn ) phụ thuộc vào độ rộng rõ nét Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 45 Hình 4.4 Năng lượng khe cấm theo độ rộng SGR [21] Ta thấy với N =5, N =8, N = 11 (loại 3M +2) có lượng vùng cấm nhỏ nên dẫn điện có tính chất kim loại Với NAGNR khác độ rộng vùng cấm lớn nên xếp vào loại bán dẫn (hình 4.4) Nhận thấy độ rộng tăng lên độ rộng vùng cấm bị giảm Như chuyển mạch khơng xác Ngồi với độ rộng nhỏ dễ dàng để chế tạo mảnh lớn, biosensor làm tăng độ nhạy Với độ rộng cỡ 1.2 nm báo gần xác định lượng liên kết SGR vào khoảng 0.8 eV đến 1.4 eV [8], chí xét mơi trường chân khơng lên đến 3.8 eV [9] Vì mơ hình xây dựng luận văn quan tâm đến dải SGR có độ rộng vừa phải (1,2nm-3nm) để thu kết tốt 4.4 Sự dịch chuyển mức lượng exciton chíp cảm biến chuyển pha cấu trúc DNA Chúng ta biết DNA số điều kiện vật lý xảy chuyển pha cấu trúc, chẳng hạn nồng độ muối dung dịch đạt tới giá trị tới hạn xuất chuyển pha cấu trúc DNA dạng B sang dạng Z Nồng độ muối mà xảy chuyển pha cấu trúc DNA gọi nồng độ dung dịch tới hạn Sự chuyển pha cấu trúc giải thích tương tác điện tích âm bề mặt tự nhiên DNA với ion dương có dung dịch Khi tương tác Coulomb ion dương với gốc phosphates DNA lớn đến mức phá vỡ liên kết Hydro bases làm cho chuỗi xoắn kép bị duỗi 46 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh trở trạng thái cân trạng thái Z-DNA , trạng thái mà có mật độ điện tích âm bề mặt nhỏ so với dạng B- DNA Do B-DNA tồn bền vững dung dịch mà nồng độ ion dương khơng cao Và xảy chuyển pha cấu trúc nồng độ dung dịch vượt nồng độ tới hạn Dưới bảng nồng độ dung dịch tới hạn số muối ứng với hai kiểu DNA khác Bảng 4.1 Bảng giá trị nồng độ tới hạn số loại ions hai loại DNA Từ bảng số liệu ta thấy, nồng độ tới hạn khác với loại DNA khác Với loại DNA khác nồng độ tới hạn loại ion chuyển pha B-Z khác hai giá trị chênh lệch Một nhận xét với ion có hóa trị cao nồng độ tới hạn thấp Do với ion hóa trị cao xảy chuyển pha cấu trúc DNA nồng độ thấp Khi xảy chuyển pha cấu trúc DNA làm cho diện tích bề mặt Graphene bị DNA bao phủ thay đổi ( tỉ số f thay đổi ) dẫn đến số điện môi hiệu dụng (ε0) xung quanh Graphene thay đổi → Cấu trúc điện tử DNA thay đổi→ mức lượng phát xạ thay đổi từ tính tốn lý thuyết ta thu kết mức lượng liên kết exciton Graphene dịch chuyển phía lượng thấp tỉ số f giảm xuống Đây sở để ứng dụng vào chế tạo Bionano Sensor – có khả dò tìm nồng độ tương đối thấp ions kim loại hóa trị cao sinh học mức độ mức tế bào, máu, mô, tế bào sinh vật Bây xét dịch chuyển mức lượng exciton xảy chuyển pha DNA từ dạng B sang dạng Z Theo lý thuyết exciton ta tính lượng exciton trạng thái (n=0) dải Graphene theo công thức: Eexc = Eg - EB (4.26) Trong Eg lượng khe cấm Graphene EB đặc trưng cho giá trị lượng liên kết exciton Graphene Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 47 EB = − 13.6 µ m0 ε ( n + ) 2 (4.27) Chú ý xét hiệu ứng exciton tính chất quang mơ hình nên ta chọn dải Graphene bán dẫn Tức loại Amchair Graphnene nanoribbons (AGNR) với điều kiện để bán dẫn Như độ rộng AGNR mà ta xét phải thỏa mãn điều kiện gián đoạn (3M 3M+1) giá trị liên tục Ta biết có chuyển pha cấu trúc từ dạng B sang dạng Z hai dạng DNA khác dẫn đến thông số cấu trúc hai dạng DNA khác → tỷ lệ diện tích bao phủ DNA lên dải Graphene thay đổi tương ứng fB fZ → Hằng số điện môi hiệu dụng xung quanh DNA thay đổi tương ứng với hai loại DNA εB εZ→ Ta có cơng thức tính dịch chuyển mức lượng liên kết exciton cực đại chuyển pha cấu trúc DNA ( ý dịch chuyển phía lượng thấp hơn) ∆E B→ Z = E exc _ B – E exc _ Z = 13.6 µ 1 ( − ) (eV) me ε Z ε B (4.28) Từ công thức khảo sát biến thiên mức lượng liên kết exciton phụ thuộc vào bề rộng dải Graphene với việc chọn thông số sau: B- DNA Z- DNA 1.8 2.0 r0 (nm) 1.18 0.92 b0 (nm) 3.32 4.56 W (nm) Bảng 4.2 Bảng thông số độ rơng (w), bán kính (r0) chu kỳ (b0 ) Ngoài theo số báo khoa học chun ngành hệ sinh học thường có số điện môi dao động từ 2→5 Ở ta lấy số điện môi DNA 3.0 cố định số điện môi dung dịch (nước) 8.0 Bây ta khảo sát thay đổi số điện môi độ dịch chuyển lượng chuyển pha cấu trúc DNA phụ thuộc vào độ rộng dải Graphene Bằng cách sử dụng phương pháp tính số ta thu biến thiên số điện môi hiệu dụng môi trường xung quanh dải Graphene phụ thuộc vào bề 48 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh rộng dải DNA dạng B, dạng Z Qua ta thấy số điện môi hiệu dụng DNA trạng thái B lớn trạng thái Z (Hình 4.7 ) Hình 4.5 Sự biến thiên số điện môi hiệu dụng hệ theo độ rộng với loại BDNA ( trái) Z-DNA(phải) Vì lượng liên kết exciton SGR trạng thái B lớn trạng thái Z, điều thể hình (4.8 ) Hình 4.6 Năng lượng liên kết exciton trạng thái GNR-DNA phụ thuộc vào độ rộng dải hai trường hợp B-DNA (trái) Z-DNA (phải) Tiếp theo hình 4.9 thể độ dịch chuyển mức lượng Excitons ∆EB→Z hệ có chuyển pha cấu trúc DNA từ dạng B-DNA sang dạng Z-DNA Ta có nhận xét mơ hình cảm biến sinh học xét hoạt động tốt độ rộng dải G nhỏ Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 49 H H LL DEB®Z eV €€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€€ m m0 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 HL W nm 1.25 1.5 1.75 2.25 2.5 2.75 Hình 4.7 Độ dịch chuyển lượng theo độ rông SGR có chuyển pha DNA Như dựa vào kết giúp giải thích chế hoạt động bionano sensor SGR-DNA cách định tính phát thay đổi nồng độ ion môi trường sinh học cần khảo sát, dựa chuyển trạng thái DNA chuyển mức lượng số điện môi Đồng thời lưu ý cảm biến hoạt động tốt với độ rộng định SGR Chương Hoạt động chíp cảm biến SGR – DNA phụ thuộc vào độ pH môi trường Chương trước xây dựng mô hình lý thuyết chíp cảm biến SGRDNA đồng thời giải thích nguyên tắc hoạt động, phụ thuộc vào nồng độ muối chíp cảm biến Chương tiếp tục nghiên cứu phụ thuộc chíp cảm biến vào điều kiện mơi trường, cụ thể phục thuộc vào độ pH môi trường Trong ta xét đến phụ thuộc ba đại lượng số điện mơi DNA, số điện môi xung quanh SGR lượng exicton 5.1 Sự phụ thuộc số điện môi DNA vào độ pH môi trường Sự phụ thuộc số điện môi DNA vào độ pH môi trường liệu [6] [7] Qua hai tài liệu cho thấy thay đổi gia số điện môi thời gian trễ pH thay đổi liệu thực nghiệm [8]; hàm fit gia số điện môi DNA phụ thuộc vào pH 50 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh Hình 5.1: Sự thay đổi gia số điện môi thời gian trễ pH thay đổi Hình 5.2: Dữ liệu thực nghiệm hàm fit số gia điện môi DNA phụ thuộc vào pH Sau fit số liệu thực nghiệm hàm bậc ba ta thu hàm số điện môi theo độ pH sau: (5.1) 5.2 Sự phụ thuộc lượng exicton vào pH môi trường Trong chương trước ta xây dựng công thức tính lượng exciton theo mơ hình Wannier cho mạng hai chiều biến thiên lượng liên kết exciton có chuyển pha từ loại B-DNA sang Z-DNA Hằng số điện môi Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 51 DNA dung dịch bao quanh SGN thay đổi độ pH thay đổi Tương tự chíp cảm biến DNA – CNT ta có phụ thuộc số điện môi hiệu dụng biểu diễn sau: (5.2) f tỷ lệ diện tích bề mặt DNA bao phủ tổng diện tích bề mặt SGR Trong : f = al 2bW Với l chiều dài đoạn DNA: l=2 b2 +W Tính tốn cụ thể cho trường hợp B-DNA Z-DNA ta thu được: a f = 2W 4π r02 + b02 4π r02 + b02 − 4π r0W Thay vào công thức (5.2) ta được: 52 Luận văn Thạc sĩ ε ( pH ) = Trương Thị Chinh 4π ro2 + bo2 a 0, 044 pH − 0,89 pH + 5,93 pH − 6, 24 ) + ( 2 2W 4π ro + bo − 4π ro W  a  4π ro2 + bo2 Aoε o + 1  2  2W 4π ro + bo − 4π ro W  K   ( Ad − Ap ) − ( npH )p + Ap 10 + Kp (5.3) Thực tính tốn số với hai trường hợp B-DNA Z-DNA ta thu được: Hình 5.3: Sự phụ thuộc số điện môi hiệu dụng vào độ pH môi trường Dựa vào tài liệu [3] lượng liên kết exicton SGR dung dịch là: Và lượng exicton trung hòa là: Từ ta có: Ta lại có: Eexc = E g − Ebind Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 53 Vì phương trình viết thành: Cũng thực tính tốn số cho cơng thức ta thu kết phụ thuộc lượng exicton vào độ pH mơi trường sau: Hình 5.4 Sự phụ thuộc lượng exicton vào độ pH mơi trường Trong tính tốn đây, giả thiết nồng độ muối ổn định để DNA tồn trạng thái pH thay đổi Qua kết tính tốn số cho thấy, mơi trường hoạt động tốt cho chíp cảm biến mơi trường có độ pH khoảng từ đến Ngoài khoảng pH này, DNA bị biến tính 54 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh Kết Luận Mơ hình Biosensor quang sử dụng Graphene bắt đầu quan tâm ưu điểm graphene so với carbon nanotubes nghiên cứu từ năm 2009 Theo hướng này, từ mơ hình biosensor sử dụng ống nano carbon cải tiến đưa mơ hình Biosensor chế tạo từ graphene DNA Dựa kết từ mơ hình Biosensor quang sử dụng ống nano carbon kết hợp với nghiên cứu Graphene, xây dựng thành cơng mơ hình Biosensor quang sử dụng graphene thu kết sau: Xây dựng mơ hình lý thuyết cảm biến sinh học Biosensor SGRDNA tìm biến đổi số điện mơi hiệu dụng mơ hình theo độ rộng dải SGR ứng với hai loại DNA khác Tìm phụ thuộc lượng liên kết exciton biosensor theo độ rộng SGR biến thiên lượng liên kết exciton có chuyển pha từ loại B-DNA sang Z-DNA Xây dựng cơng thức giải tích biểu diễn phụ thuộc số điện môi lượng exicton vào độ pH mơi trường chíp cảm biến làm từ Semiconductor Graphene Ribbonsvà DNA Từ điều kiện mơi trường làm việc thích hợp chíp cảm biến SGR-DNA Trên kết sơ lược ban đầu, để tìm lượng exciton Graphene xác mơ hình biosensor hồn thiện cần tiến hành tính tốn đo đạc thực nghiệm Trên tính tốn lý thuyết, để đưa mơ hình lý thuyết biosensor SGR-DNA ứng dụng thực tế, cần trình nghiên cứu sâu thực nghiệm Hy vọng thời gian tới, nghiên cứu lĩnh vực chế tạo thành cơng biosensor ứng dụng tìm chữa bệnh Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Đỗ Phi Hùng (2007) , “ Hiệu ứng exicton SWNT-DNA ”, Luận văn Thạc sỹ, Viện vật lý – Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Vũ Văn Hùng (2006), “ Cơ học lượng tử”, NXB Đại học Sư Phạm Hà Nội Vũ Thúy Hường (2008., “ Khảo sát tính chất chíp cảm biến làm từ DNA ống Cacbon phụ thuộc vào độ pH môi trường”, Luận văn Thạc sỹ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Nguyễn Thế Khơi (1992), Nguyễn Hữu Mình, “ Vật lý chất rắn”, NXB Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Thị Thảo (2010), “ Hiệu ứng exicton Graphene biosensor AGNRs-DNA ”, Luận văn Thạc sỹ Vật lý , Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tiếng Anh Anderson, J E (1985), "The Relative Inefficiency of Quota, The Cheese Case", American Economic Review, 75(1), PP 178-190 A H Castro Neto , F Guinea, N M R Peres, K S Novoselov, A K Geim (2009), “ The electronic properties of graphene”, Rev Mod Phys 81, 109 Alexander Mattausch, Oleg Pankratov (2007) , “Ab initio Study of Graphene on SiC”, Phys Rev Lett 99.076802 Barone, Verónica; Hod, Oded; Scuseria, Gustavo E (2006), “Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons”, Nano Letters, vol 6, No.12, pp 2748-2754 10 B Gerlach, J Wuesthoff (Uni Dortmund), M O Dzero, M A Smondyrev (JINR, Dubna) (1998), “On the exciton binding energy in a quantum well”, Phys.Rev.B.58,10568 11 Cheol-Hwan Park and Steven G Louie (2010), “Tunable Excitons in Biased Bilayer Graphene”, Nano Lett., 10 (2), pp 426–431 12 Chun-Xu Zhang, Guo-Zhu Liu, Ming-Qiu Huang (2011), “Dynamical fermion mass generation and exciton spectra in graphene”, Phys Rev B 83,115438 56 Luận văn Thạc sĩ Trương Thị Chinh 13 C.R Dean, A.F Young, P Cadden-Zimansky, L Wang, H Ren, K Watanabe, T Taniguchi, P Kim, J Hone, K.L Shepard (2007), “Multicomponent fractional quantum Hall effect in graphene”, arXiv:1010.1179v1 14 Cyrille Barreteau, Daniel Spanjaard, Marie-Catherine Desjonqueres, Andrzej Oles (2004), “Effects of inter-site Coulomb interactions on ferromagnetism: Application to Fe, Co and Ni”, Phys Rev B.69, 064432 15 D P Hung (2007), “ On the new type of optical Bio-sensor from DNA-wrapped carbon nanotubes”, Thesis 16 Ezawa, Motohiko (2007), “Graphene Nanoribbon and Graphene Nanodisk”, J.physe.09.031 17 Hartmut Haug, Stephan W Koch (2004), “ Quantum theory of the Optical and Electronic properties of Semicondctors”, World Scientific 18 Huaixiu Zheng, Zhengfei Wang, Tao Luo, Qinwei Shi, Jie Chen ,( 2006), “ Analytical Study of Electronic Structure in Armchair Graphene Nanoribbons”, arXiv:cond- mat/0612378v2 19 H.Y He, Y Zhang, B.C Pan (2010), “Tuning electronic structure of graphene via tailoring structure- theoretical study”, J Appl Phys 107, 114322 20 J H Grönqvist, T Stroucken, G Berghäuser, S.W Koch (2011), “Excitons in Graphene and the Influence of the Dielectric Environment”, 21 Joaquín E Drut, Timo A Lähde (2009), “Lattice field theory simulations of graphene”, Phys Rev B.79,165425 22 P Blake, A N Grigorenko, K S Novoselov, T J Booth, T Stauber, N M R Peres, A K Geim1 (2008), “Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene”, Science, 1156965 Đại học Khoa học Tự nhiên – Khoa Vật lý 57 ... GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trương Thị Chinh KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA CHÍP CẢM BIẾN LÀM TỪ DAN VÀ DẢI SEMICONDUCTOR GRAPHENE PH THUỘC VÀO ĐỘ pH CỦA MÔI TRƯỜNG Chuyên... nghiệm hàm fit số gia điện môi DNA 51 52 ph thuộc vào pH Hình 5.3: Sự ph thuộc số điện môi hiệu dụng vào độ pH mơi trường Hình 5.4 Sự ph thuộc lượng exicton vào độ pH môi trường 53 54 Luận văn... Khảo sát tính chất chíp cảm biến làm từ DNA dải Semiconductor Graphene ph thuộc vào độ pH môi trường ” Trong khóa luận, tơi tập trung nghiên cứu tính chất DNA, dải Semiconductor Graphene; lý thuyết