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 ... tài nghiên cứu luận án chỗ: luận án nghiên cứu thiết kế, dự đoán cấu trúc nano xốp từ vật liệu bán dẫn II-VI chủ yếu ZnO phương pháp mô hình hóa mơ máy tính Về thực chất “thí nghiệm ảo” tiến. .. cấu trúc lớn, hạn chế cơng suất tính tốn thời gian, nghiên cứu luận án giới hạn cấu trúc nano bán dẫn tích hợp thành mạng tuần hồn tinh thể - pha đa hình nano xốp từ bán dẫn ZnO Phương pháp nghiên. .. 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 Chun ngành: Vật lý lý thuyết vật lý toán Mã số: 62440103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ