Nghiên cứu tính chất điện tử và tính chất quang của một số vật liệu hai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ D aN cD ho NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU HAI CHIỀU CÓ CẤU TRÚC TƯƠNG TỰ GRAPHENE MÃ SỐ: B2019-ĐNA-07 g an Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu Đà Nẵng, 2021 g an aN cD ho D DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đơn vị công tác Họ tên lĩnh vực chuyên môn PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Chủ trì TS Dụng Văn Lữ Trường ĐH Sư Phạm – ĐHĐN Thư kí khoa học TS Lê Thị Thu Phương Trường ĐH Sư phạm – Đại Thực học Huế PGS.TS Huỳnh Vĩnh Phúc Trường Đại học Đồng Tháp Thực ThS Lê Thị Phương Thảo Trường ĐH Sư Phạm – ĐHĐN Tham gia Nguyễn Quang Cường Thành viên, Học viên cao học Trường ĐH Sư phạm – Đại HV cao học học Huế D Trường ĐH Sư Phạm – ĐHĐN Họ tên người đại diện đơn vị PGS.TS Huỳnh Vĩnh Phúc g an aN cD ho ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị Nội dung phối hợp nước nghiên cứu Khoa Vật lý, Trường Đại học Phối hợp nghiên cứu Đồng Tháp g an aN cD ho D THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene - Mã số : B2019-DNA-07 - Chủ nhiệm : PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu - Thành viên tham gia: + TS Dụng Văn Lữ + PGS.TS Huỳnh Vĩnh Phúc + TS Lê Thị Thu Phương + ThS Lê Thị Phương Thảo + HVCH Nguyễn Quang Cường - Cơ quan thực hiện: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng - Cơ quan chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: Từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 12 năm 2020 Mục tiêu: Mục tiêu đề tài là: Xác định tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene vật liệu kim loại chuyển tiếp nhóm dichalcogenide MX2 (với M = Mo, W; X = S, Se), GeSe, InSe, GaSe, phosphorene, silicence, germanene arsene Mục tiêu cụ thể: - Xác định cấu trúc vùng lượng, giá trị vùng cấm ảnh hưởng biến dạng điện trường ngồi lên tính chất điện tử vật liệu có cấu trúc tương tự graphene - Xác định biểu thức giải tích hệ số hấp thụ quang độ thay đổi chiết suất vật liệu có cấu trúc tương tự graphene Khảo sát ảnh hưởng đặc trưng vật liệu trường ngồi lên tính chất quang vật liệu nói có mặt từ trường ngồi Tính sáng tạo: Bằng cách sử dụng phương pháp lí thuyết phiếm hàm mật độ DFT (density functional theory), chúng tơi tính tốn đặc điểm cấu trúc, tính chất điện tử ảnh hưởng biến dạng, điện trường ngồi lên tính chất điện tử vật liệu kim loại chuyển tiếp MoS2, SnSe2, GeSe, InSe, GaSe, phosphorene, silicence, germanene arsene Cùng với đó, tính chất quang làm rõ đề tài cách sử dụng phương pháp ma trận mật độ kết hợp Kết nghiên cứu: + Các tính tốn lý thuyết phiếm hàm mật độ rằng, trạng thái cân bằng, đơn lớp MoS2 vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng (direct bandgap) + Biến dạng làm thay đổi lớn cấu trúc vùng lượng đơn lớp MoS 2, đặc biệt, biến dạng dẫn đến dịch chuyển từ bán dẫn có vùng cấm thẳng thành bán dẫn có vùng cấm xiên (direct–indirect transition) đơn lớp MoS2 + Các tính tốn lý thuyết phiếm hàm mật độ rằng, cấu trúc vùng lượng điện tử đơn lớp SnSe2 bị thay đổi cách, đặc biệt vùng dẫn Trong biến dạng nén làm giảm độ rộng vùng cấm đơn lớp SnSe2 biến dạng kéo lại làm tăng độ rộng vùng cấm + Các tính tốn cho thấy tính chất điện GeSe nhạy có ảnh hưởng biến dạng Có chuyển từ vùng cấm gián tiếp sang trực tiếp chuyển pha bán dẫn kim loại xẩy giá trị biến dạng định + Các tính tốn trạng thái cân bằng, đơn lớp InSe bán dẫn gián tiếp với lượng vùng cấm 1.38 eV, giá trị lớn dạng khối InSe gấp lần Khi có ảnh hưởng biến dạng lượng vùng cấm đơn lớp InSe giảm tuyến tính độ biến dạng thay đổi từ -10% đến 10% + Các tính tốn tương tác graphene với MoS2 đặc trưng lực tương tác yếu van-der-Waals, khoảng cách lớp graphene bề mặt MoS2 khoảng 3,34 Å, lượng liên kết khoảng -25,1 meV/nguyên tử C Dưới ảnh hưởng lớp đế MoS2, độ rộng vùng cấm graphene hệ Graphene-MoS2 mở khoảng nhỏ cỡ meV Đồng thời, theo lý thuyết Schottky-Mott tương tác Graphene/MoS2 tồn tiếp xúc Schottky loại n với chiều cao rào Schottky 0,49 eV Nghiên cứu cho thấy, độ rộng vùng cấm graphene chiều cao rào Schottky tương tác Graphene/MoS2 thay đổi tác động biến dạng điện trường ngồi + Các tính tốn tính chất quang-từ đơn lớp MoS2 phosphorene rằng, hệ số hấp thụ thay đổi chiết suất xuất chuỗi đỉnh dịch chuyển lên vùng mức Fermi Cường độ từ trường ảnh hưởng lớn đến hệ số hấp thụ thay đổi chiết suất hệ Kết đề tài viết thành báo có 03 Quốc tế thuộc danh mục ISI 01 nước g an aN cD ho D INFORMATION ON RESEARCH RESULTS g an aN cD ho D General information: Project title: Study of the electronic and optical properties of some two-dimensional graphene-like materials Project number: B2019-DNA-07 Principal Investigator : Assoc Prof Dr Nguyen Van Hieu - Members: + Dr Dung Van Lu + Assoc Prof Dr Huynh Vinh Phuc + Dr Le Thi Thu Phuong + MSc Le Thi Phuong Thao + Mr Nguyen Quang Cuong - Implementing institution: The University of Danang - University of Science and Education - Hosting institution: The University of Danang - Project implementation duration: 01/2019 – 12/2020 Objective(s): The objective of the project are: Determining the electronic and optical properties of some twodimensional (2D) graphene-like materials, such as transition metal dichalcogenides MX2 (M = Mo, W; X = S, Se), GeSe, InSe, GaSe, phosphorene, silicence, germanene and arsene Detailed goals: - Determining the energy band structure, band gap value and the effect of strain and external electric field on the electronic properties of 2D graphene-like materials - Determining the analytical expressions of the optical absorption coefficient and the change of refractive index of 2D graphene-like materials Ilso, the influence of the characteristics of the materials and the external field on the optical properties of the above-mentioned materials in the presence of an external magnetic field has been systematically investigated in the present project Creativeness and innovativeness: By using density functional theory (DFT) calculations, we have calculated the structural and electronic properties of some typical 2D graphene-like nanostructures, such as MoS2, SnSe2, GeSe, InSe, GaSe, phosphorene, silicence, germanene and arsene Influence of strain and external electric field on their electronic properties was also investigated in the present project Also, the optical-magnetic properties of MoS2 were also clarified in this project by using the combined density matrix method The obtained results are new and have potential applications in technology Research results: + By using the DFT calculations, our calculated results demonstrated that the monolayer MoS is a direct bandgap semiconductor at the equilibrium state + Electronic energy band structures of MoS2 and SnSe2 monolayers depend strongly on the strain, in particular, the strain can lead to the direct – indirect bandgap transition in the MoS2 monolayer + The calculated results demonstrated that electronic properties of GeSe are very sensitive with strain engineering and indirect-direct gap transition and semiconductor-metal phase transition can occur at a certain elongation of the biaxial strain + The calculated results showed that, at the equilibrium state, the InSe monolayer is a semiconductor with the indirect bandgap of 1.38 eV, which is greater than that of the bulk InSe nearly twice In the presence of the biaxial strain, the bandgap of the InSe monolayer decreases almost linearly with the biaxial changing from –10% to 10% + Calculations show that the interaction between graphene and MoS2 is characterized by a weak vander-Waals interaction force, where the distance between the graphene layer and the MoS surface is about 3.34A0, and the binding energy is about - 25.1 meV/C atom Under the influence of MoS2 substrate, the band gap of graphene in the Graphene-MoS2 system opens up to a small space of about meV At the same time, according to the Schottky-Mott theory in the Graphene/MoS2 interaction, there exists an n-type Schottky contact with a Schottky barrier height of 0.49 eV The study also showed that the band gap of graphene and the height of the Schottky barrier in the Graphene/MoS2 interaction can also change under the influence of strain and external electric field Hosting Institution aN cD ho D + The calculation of the magneto-optical properties of the MoS2 and phosphorene monolayer showed that the absorption coefficients and the change in refractive index appeared as a series of peaks in the interband transitions between Landau levels The magnetic field strength greatly influences the absorption coefficient and the change in the index of refractive index The main results of the project are published in 04 articles, including 03 ISI-articles and 01 national article Products: 5.1 Articles: [1] Khang D Pham, Vo T T Vi, D V Thuan, Le T T Phuong, Le T Hoa, Nguyen V Hieu, Chuong V Nguyen, Huynh V Phuc, Hamad R Jappor, Nguyen Q Cuong, Bui D Hoi, and Nguyen N Hieu, Tunable electronic properties of InSe by biaxial strain: from bulk to single-layer, Materials Research Express (2019) 115002 (SCIE) [2] Hong T T Nguyen, Tuan V Vu, Nguyen T T Binh, D M Hoat, Nguyen V Hieu, Nguyen T T Anh, Chuong V Nguyen, Huynh V Phuc, Hamad R Jappor, Mohammed M Obeid, Nguyen N Hieu, Strain-tunable electronic and optical properties of monolayer GeSe: Promising for photocatalytic water splitting applications, Chemical Physics 529 (2020) 110543 (SCI) [3] M Farkous, M Bikerouin, Doan V Thuan, Y Benhouria, M El-Yadri, E Feddi, H Erguig, F Dujardin, Chuong V Nguyen, Nguyen V Hieu, H D Bui, Nguyen N Hieu, Strain-tunable electronic and optical properties of monolayer GeSe: Promising for photocatalytic water splitting applications, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 116 (2020) 113799 (SCI) [4] Vo Thi Tuyet Vi, Nguyen Van Chuong, Nguyen Van Hieu, Nguyen Ngoc Hieu Effect of biaxial strain on electronic and optical properties of GaSe monolayer, Hue University Journal of Sciences: Natural Sciences 129 (1C) (2020) 5.2 Graduated training – Supervising one mater thesis which has successfully defended Effects, transfer alternatives of research results and applicability + The research results of this project are useful reference for undergraduate, graduated, and PhD students in the field of 2D materials + Contributing to building and developing research groups at the hosting institution + Contributing to further clarifying physical properties of 2D transition metal dichalcogenides Principal Investigator an Nguyen Van Hieu g Mở đầu g an aN cD ho D Lý chọn đề tài Kể từ khám phá, graphene đối tượng nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu chúng có nhiều tính chất vật lí đặc biệt Mặc dù vậy, có vùng cấm khơng nên gặp nhiều khó khăn ứng dụng graphene thiết bị điện tử Khác với graphene, vật liệu hai chiều đơn lớp dichalcogenide (có cơng thức hóa học MX2) bán dẫn với vùng cấm tương đối lớn Tính chất điện tử truyền dẫn vật liệu hai chiều monochalcogenide dichalcogenide nhạy với điều kiện bên biến dạng, áp suất cao hay điện trường Đặc biệt, dị cấu trúc van der Waals (vdW) hình thành từ vật liệu monochalcogenide dichalcogenide kỳ vọng có nhiều ứng dụng thiết bị xạ ánh sáng công nghệ bán dẫn Theo hướng nghiên cứu đề tài, bật lên nhóm GS Nguyễn Văn Liễn GS Đỗ Vân Nam Cả hai nhóm tập trung nghiên cứu tính chất vật lý graphene vật liệu có cấu trúc tương tự graphene Nhóm GS Nguyễn Văn Liễn sử dụng phương pháp ma trận dịch chuyển (transfer matrix approach) để tính tốn đặc trưng truyền dẫn chấm lượng tử graphene siêu mạng graphene Nhóm GS Đỗ Vân Nam tập trung nghiên cứu chế truyền dẫn điện tử qua bề mặt tiếp xúc graphene bề mặt kim loại Mới nhất, nhóm GS Đỗ Vân Nam đề xuất phương pháp tính tốn cho phép tiếp cận giải hiệu tốn tính tốn cấu trúc điện tử hệ vật liệu hai chiều Bên cạnh đó, nhóm TS Nguyễn Huy Việt TS Nguyễn Việt Hưng (Viện Vật lí) nghiên cứu tính chất truyền dẫn thiết bị dựa graphene Nhóm PGS Huỳnh Vĩnh Phúc (Trường ĐH Đồng Tháp) TS Nguyễn Văn Chương (HV Kỹ thuật Quân sự) tập trung nghiên cứu loại vật liệu lớp hai chiều có cấu trúc nano Tuy nhiên, nghiên cứu vật liệu có cấu trúc tương tự graphene nước ta chưa thực có nhóm đầu tư nghiên cứu Đồng thời, số lượng công bố quốc tế vấn đề nước ta hạn chế, cần dành nhiều công sức để thực Vì vậy, chúng tơi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene” để nghiên cứu Mục tiêu phương pháp nghiên cứu Mục tiêu đề tài xác định tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene vật liệu kim loại chuyển tiếp nhóm dichalcogenide MX2 (với M = Mo, W; X = S, Se), phosphorene, silicence, germanene arsene Các tính tốn tính chất cấu trúc tính chất điện tử đề tài thực phương pháp lí thuyết phiếm hàm mật độ DFT sử dụng hàm giả trao đổi tương quan khác LDA, GGA, PBE, PBEsol với mã nguồn mở Quantum Espresso Để thu biểu thức hệ số hấp thụ quang-từ có mặt trương tác electron–phonon, chúng tơi sử dụng phương pháp nhiễu loạn Phương pháp cho phép chúng tơi xử lí q trình hấp thụ hai photon, trình thể hiện tượng phi tuyến Khi không xét đến tương tác electron sử dụng phương pháp ma trận mật độ kết hợp để thu biểu thức hệ số hấp thụ quang-từ độ thay đổi chiết suất Nội dung phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu đề ra, đề tài nghiên cứu tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene Tuy nhiên, đề tài tập trung nghiên cứu vật liệu hai chiều đơn lớp có cấu trúc tương tự graphene GeSe, InSe, GaSe, phosphorene, silicence, germanene arsene Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những kết thu đề tài đóng góp phần vào việc hồn thiện lí thuyết tính chất điện tử tính chất quang từ vật liệu hai chiều đơn lớp MX2 (với M = Mo, W; X = S, Se) Các vật liệu tương tự graphene khác, đề tài khảo sát GeSe, InSe, GaSe, phosphoren, silicence, germanene arsene Kết tính tốn thơng tin hữu ích cho định hướng nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực chế tạo thiết bị quang–điện tửNhững kết thu đề tài đóng góp phần vào việc hồn thiện lí thuyết tính chất điện tử tính chất quang từ vật liệu hai chiều đơn lớp MX2 (với M = Mo, W; X = S, Se) Các vật liệu tương tự graphene khác, đề tài khảo sát GeSe, InSe, GaSe, phosphoren, silicence, germanene arsene Kết tính tốn thơng tin hữu ích cho định hướng nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực chế tạo thiết bị quang–điện tử Cấu trúc đề tài Nội dung đề tài phần mở đầu kết luận gồm chương: Chương 1: Tổng quan vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene lí thuyết phiếm hàm mật độ Chương 2: Ảnh hưởng biến dạng điện trường lên tính chất điện tử vật liệu hai chiều tương tự -1- graphene Chương 3: Tính chất quang–từ vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene Kết đề tài viết thành 04 báo đăng tạp chí ngồi nước, bao gồm: 03 báo tạp chí Quốc tế thuộc danh mục ISI, 01 báo tạp chí Đại học sư phạm Huế Ngoài ra, kết đề tài góp phần đào tạo 01 học viên bảo vệ thành công luận văn thạc sĩ năm 2019 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẬT LIỆU HAI CHIỀU CÓ CẤU TRÚC TƯƠNG TỰ GRAPHENE VÀ LÍ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ 1.1 Giới thiệu graphene số vật liệu kim loại có cấu trúc tương tự graphene a) Graphene g an aN cD ho D Hình 1.1: Cấu trúc vùng lượng graphene Về mặt cấu trúc màng graphene tạo thành từ nguyên tử carbon xếp theo cấu trúc lục giác mặt phẳng, hay gọi cấu trúc tổ ong Graphene thực tế suốt Trong vùng quang học, hấp thụ khoảng 2,3% ánh sáng Các tính chất đặc biệt graphene trì nhiệt độ phịng Ngồi ra, graphene cịn vài tính chất hấp dẫn khác Về bản, cứng thép, dễ kéo căng, độ dẫn nhiệt cao bạc Tính chất điện tử graphene đặc trưng mặt Fermi với sáu hình nón kép thể Hình 1.1 Tính chất điện tử đặc trưng quan trọng vật liệu, đặc biệt vật liệu hai chiều, hướng tới ứng dụng thiết bị điện tử quang điện tử hiệu cao Hiểu tính chất vật liệu giúp nhà khoa học tìm nhiều phương pháp để ứng dụng chúng tương lai Graphene xem vật liệu có nhiều tiềm ứng dụng khoa học công nghệ, đặc biệt lĩnh vực điện tử nano Tuy nhiên việc ứng dụng graphene vào thực tiễn đặc biệt lĩnh vực linh kiện điện tử quang điện tử gặp khó khăn định, nguyên nhân khuyết thiếu vùng cấm điện tử graphene khơng tương thích graphene linh kiện điện tử silicon Nhờ vào tính chất đặc biệt nêu trên, graphene vật liệu có nhiều tiềm ứng dụng linh kiện điện tử quang điện tử hiệu cao, transistors hiệu ứng trường, tụ điện, sensors b) Bán dẫn hai chiều GaS cấu trúc tiếp xúc dị thể Hiện vật liệu hai chiều phosphorene, MoS2, GaS mối quan tâm nghiên cứu sâu rộng tính chất lạ ứng dụng bên cạnh vật liệu khối truyền thống chúng Tính chất vật lý đáng ý hệ biểu rõ rệt hiệu ứng giam cầm lượng tử Trong hệ phong phú trạng thái bề mặt, tính chất điện tử lạ hóa học vị trí hoạt tính làm cho chúng ứng viên hứa hẹn nhiều ứng dụng nanô-quang-điện tử Tương tự grapheme, vật liệu hai chiều GaS tạo thành xếp lớp nguyên tố S Ga theo thứ tự S-Ga-Ga-S mô tả Hình 1.2 Ơ sở GaS bao gồm nguyên tử Ga nguyên tử S Hình 1.2: Cấu trúc hình học GaS đơn lớp theo hướng không gian (a) từ xuống, (b) trực diện Đơn lớp GaS gần tổng hợp thành công sử dụng phương pháp ngưng tụ Khác với -2-           Veff (r )  i (r )   i  i Veff (r )  Vext (r )  VHartree (n)  Vxc [n , n ] (1.1) g với an aN cD ho D graphene, GaS đơn lớp bán dẫn vùng cấm xiên với độ rộng vùng cấm khoảng 2,48 eV ÷ 3,19 eV, Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy GaS đơn lớp vật liệu đầy tiềm khả ứng dụng rộng rãi linh kiện điện tử hiệu cao transistor hiệu ứng trường Các nghiên cứu rằng, vật liệu GaS có tính chất điện tử, truyền dẫn quang học thú vị Bên cạnh đó, thay đổi tính chất vật lý chúng tác động biến dạng hay điện trường mang đến ứng dụng tương lai Cùng với bước phát triển đó, bên cạnh việc nghiên cứu vật liệu đơn lớp tương tự graphene, dị cấu trúc hình thành cách ghép vật liệu bán dẫn hai chiều đơn lớp thu hút quan tâm nhà nghiên cứu Trước hết phải kể đến lai ghép thành công graphene loạt vật liệu bán dẫn hai chiều khác graphene/h-BN, graphene/MoS2, graphene/MoSe2, graphene/silicene graphene/germanene nhiều phương pháp khác bao gồm thực nghiệm lý thuyết Tiếp đến lai ghép vật liệu hai chiều khác MoS2/arsenene, SnSe2/MoS2 hay SnS2/MoS2 Trong dị cấu trúc này, nhà nghiên cứu khám phá tính chất lý thú khác biệt mà không tồn vật liệu riêng rẽ Các dị cấu trúc hình thành từ graphene vật liệu bán dẫn khác mở khả ứng dụng lớn công nghệ chế tạo linh kiện tương lai Ngoài ra, tiếp xúc graphene vật liệu hai chiều khác, graphene thường đóng vai trị kênh dẫn đặc trưng kim loại Trong tiếp xúc kim loại – bán dẫn thường tạo rào kiểu Schottky làm ngăn chặn đáng kể rị rỉ điện tích kênh dẫn graphene điện cực cổng bán dẫn Vì vậy, để đưa cấu trúc dị chất graphene với vật liệu bán dẫn hai chiều khác, yêu cầu đặt làm giảm chiều cao rào Schottky xuất kênh dẫn, làm cho chuyển sang dạng tiếp xúc Ohmic Hiện nay, hai phương pháp thường sử dụng thực nghiệm lý thuyết để điều khiển rào Schottky tiếp xúc kim loại – bán dẫn biến dạng học điện trường 1.2 Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) lý thuyết dùng để mơ tả tính chất hệ electron nguyên tử, phân tử, vật rắn, khuôn khổ lý thuyết lượng tử Trong lý thuyết này, mật độ electron sử dụng để mô tả trạng thái hệ thay sử dụng hàm sóng Một hàm sóng mơ tả hệ N electron phải chứa 3N biến tọa độ Trong đó, mật độ electron phụ thuộc vào ba biến tọa độ độc lập với số electron Vì gia tăng số electron hệ, hàm sóng trở nên phức tạp mật độ electron không thay đổi số biến Do vậy, lý thuyết phiếm hàm mật độ có ưu điểm lớn (và sử dụng nhiều nhất) việc tính tốn tính chất vật lý cho hệ cụ thể xuất phát từ phương trình vật lý lượng tử Nhiệm vụ trung tâm tất phương pháp DFT giải hệ phương trình Kohn-Sham cho hạt độc lập (1.2) Vì hiệu dụng xác định thông qua hàm mật độ, thân hàm mật độ suy từ hàm sóng Do ta khơng thể giải phương trình Kohn-Sham phương pháp giải tích thơng thường mà cần phải áp dụng phương pháp vòng lặp tự hợp Đầu tiên hệ sở ban đầu đưa vào để xây dựng mật độ ban đầu Từ mật độ ban đầu ta tính tốn hiệu dụng Sau hiệu dụng thay vào để giải phương trình KohnSham Kết việc giải phương trình Kohn-Sham cho hệ hàm sóng mật độ điện tử Mật độ điện tử sử dụng để xây dựng lại hiệu dụng giải lại phương trình KohnSham Quá trình liên tục lặp lại sai khác thu với vòng lặp trước nằm khoảng cho phép Chương 2: ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG VÀ ĐIỆN TRƯỜNG LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU CÓ CẤU TRÚC TƯƠNG TỰ GRAPHENE 2.1 Ảnh hưởng biến dạng liên kết quỹ đạo spin lên tính chất điện tử MoS 2.1.1 Ảnh hưởng biến dạng lên tính chất điện tử MoS2 Molybdenum disulphide (MoS2) vật liệu có cấu trúc lớp tương tự graphite Đây loại vật liệu vơ có cấu trúc lớp với nhiều tính chất lý hóa dị thường nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm ứng dụng Lực tương tác van der Waals lớp vật liệu MoS tương -3- Khi có mặt điện trường ngồi, cấu trúc vùng lượng điện tử đơn lớp SnSe bị thay đổi cách đáng kể, đặc biệt vùng dẫn đơn lớp SnSe2 Trên Hình 2.8, chúng tơi biểu diễn cấu trúc vùng lượng điện tử đơn lớp SnSe2 số giá trị điện trường ngồi Trong Hình 2.8 điện trường khơng làm thay đổi đặc tính đơn lớp SnSe2, đơn lớp SnSe2 chất bán dẫn với vùng cấm xiên điểm cực tiểu vùng dẫn nằm điểm X vùng Brillouin thứ Có thể dự đốn tính chất điện tử đơn lớp SnSe2 phản ứng khác theo hướng khác điện trường phân cực tự phát Đó lí cấu trúc vùng lượng đơn lớp SnSe phụ thuộc vào hướng điện trường trường hợp điện trường mạnh 2.3 Ảnh hưởng biến dạng lên tính chất điện tử GeSe Trong phần nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng lên tính chất điện tử đơn lớp GeSe phương pháp tính tốn ngun lí thứ Đơn lớp GeSe có cấu trúc tổ ong xếp chặt tương tự phosphorene với nguyên tử phosphorus thay nguyên tử Se Ge Hình 2.9 Đơn lớp GeSe chứa hai lớp nguyên tử Ge hai lớp nguyên tử Se chồng lên theo phương z Đơn lớp GeSe có cấu trúc hình học bất đẳng hướng, ngun tử Ge(Se) liên kết với ba nguyên tử Se(Ge) liên kết cộng hóa trị Sự bất đẳng hướng cấu trúc đơn lớp GeSe dẫn đến khác tính chất quang dọc theo hướng armchair zigzag ho D g an aN cD Hình 2.9 (a) nhìn từ đỉnh (b) nhìn từ mặt bên đơn lớp GeSe trạng thái cân Hình 2.10 Cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái đơn lớp GeSe trạng thái cân Ở trạng thái cân bằng, đơn lớp GeSe bán dẫn với vùng cấm gián tiếp lớn 1.13 eV Hình 2.10 Các kết phù hợp tốt với kết nghiên cứu trước phương pháp phiếm hàm mật độ 1.17 eV Từ Hình 2.10 thấy đỉnh vùng hóa trị đáy vùng dẫn tương ứng nằm đường Y X Chúng tơi nhìn thấy đỉnh vùng hóa trị nằm bên phải mức lượng Fermi (EF=0) Các kết phù hợp với nghiên cứu trước Để đánh giá đóng góp orbital việc tạo vùng cấm điện tử đơn lớp, chúng tơi tính tốn mật độ trạng thái orbital ngun tử Hình 2.10 phía bên phải Các kết tính tốn chúng tơi orbital lớp p Ge Se (Ge-p Se-p) đóng góp để tạo cấu trúc vùng lượng đơn lớp GeSe Tuy nhiên, vùng dẫn đóng góp từ orbital Ge-p đóng góp vùng hóa trị từ orbital Se-p Khi có ảnh hưởng biến dạng xoắn trục đặt vào, tính chất điện đơn lớp GeSe thay đổi đáng kể nhiều tính chất thú vị xuất Trong phần thay đổi phạm vi lớn từ 11% đến 11% (dấu trừ cho trường hợp biến dạng nén, dấu cộng cho biến dạng kéo) -8- g an aN cD ho D Hình 2.11 Sự phụ thuộc lượng vùng cấm đơn lớp theo độ biến dạng Biến dạng nén làm giảm nhanh chóng lượng vùng cấm đơn lớp GeSe Nguyên nhân giảm lượng vùng cấm có chuyển pha từ bán dẫn sang kim loại độ biến dạng -10% Sự phụ thuộc lượng vùng cấm đơn lớp GeSe theo độ biến dạng Hình 2.11 Từ Hình 2.11 chúng tơi nhận trường hợp biến dạng kéo, độ rộng vùng cấm đơn lớp GeSe tăng chậm độ biến dạng tăng từ đến 11% Giá trị biến dạng kéo lớn độ rộng vùng cấm tăng chậm Trong trường hợp biến dạng nén độ rộng vùng cấm thay đổi bất thường độ biến dạng nén tăng từ đến 11% Độ rộng vùng cấm giảm chậm với tăng lên biến dạng nén từ đến -6% sau giảm nhanh độ biến nén tiếp tục tăng đạt đến giá trị zero tai -10% Điều có nghĩa có chuyển pha bán dẫn – kim loại độ biến dạng -10% Sự chuyển pha đóng vai trị quan trọng việc ứng dụng linh kiện điện tử nano nano rơ le thiết bị đóng ngắt mạch 2.4 Ảnh hưởng biến dạng lên tính chất điện tử InSe Trong phần tập trung nghiên cứu tính chất cấu trúc điện tử dạng khối đơn lớp InSe phương pháp phiếm hàm mật độ Bằng lí thuyết phiếm hàm mật độ chúng tơi tính tốn bán dẫn khối InSe trạng thái cân bán dẫn có độ rộng vùng cấm gián tiếp Hình 2.12 Cấu trúc vùng lượng đơn lớp InSe có biến dạng trục Hình 2.13 Sự phụ thuộc lượng vùng cấm đơn lớp InSe theo biến dạng trục -9- g an aN cD ho D Cấu trúc vùng lượng đơn lớp InSe có biến dạng mơ tả Hình 2.12 Chúng ta thấy đỉnh vùng hóa trị khơng thay đổi chịu tác dụng biến dạng kéo ảnh hưởng biến dạng kéo lên lượng vùng cấm thay đổi đổi đáy vùng dẫn, điều hy vọng gây dịch chuyển từ vùng cấm gián tiếp sang trực tiếp Tuy nhiên, kết tính tốn chúng tơi khơng có dịch chuyển từ gián tiếp qua trực tiếp đơn lớp InSe có biến dạng Điều thú vị có biến dạng làm cho đỉnh vùng hóa trị di chuyển đến điểm S, lúc làm cho đáy vùng dẫn di chuyển tới điểm  Hình 2.12(a) Ảnh hưởng của biến dạng lên độ rộng vùng cấm mơ tả Hình 2.13 Trong miền biến dạng từ -10% đến 10% dễ dàng thấy phụ thuộc độ rộng vùng cấm lên độ biến dạng tuyến tính Tuy nhiên, xu hướng thay đổi tăng chậm độ biến dạng nén lớn Việc điều chỉnh độ rộng vùng cấm đơn lớp biến dạng kĩ thuật phổ biến vật liệu bán dẫn Đặc biệt vật liệu bán dẫn hai chiều nhạy với biến dạng thiết bị điện tử kích thước nano 2.5 Ảnh hưởng biến dạng điện trường ngồi lên tính chất điện tử hệ Graphene/MoS2 Trong phần này, chúng tơi nghiên cứu tính chất điện tử tương tác Graphene-MoS2 tác động biến dạng trục điện trường sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) Kết nghiên cứu cho thấy tương tác graphene với MoS2 đặc trưng lực tương tác yếu van-der-Waals Dưới ảnh hưởng lớp đế MoS2, độ rộng vùng cấm graphene hệ Graphene-MoS2 mở khoảng nhỏ cỡ meV, hứa hẹn mở ứng dụng cho graphene công nghệ điện tử quang điện tử Đồng thời, theo lý thuyết Schottky-Mott tương tác Graphene/MoS2 tồn tiếp xúc Schottky loại n với chiều cao rào Schottky 0,49 eV Nghiên cứu cho thấy, độ rộng vùng cấm graphene chiều cao rào Schottky tương tác Graphene/MoS2 thay đổi tác động biến dạng điện trường ngồi Đặc biệt, chúng tơi quan sát thấy tượng chuyển tiếp từ tiếp xúc Schottky loại n sang tiếp xúc Schottky loại p với giá trị tới hạn điện trường biến dạng Do sai khác thông số mạng graphene (a = 2,46 Å) với MoS2 đơn lớp (a = 3.18 Å), để ghép chồng chúng với sử dụng hệ gồm siêu mạng (5x5) graphene kết hợp với siêu mạng (4x4) MoS2 đơn lớp Hình 2.14 mơ tả cấu trúc hình học hệ graphene-MoS2 sau tối ưu hóa Hình 2.14: Cấu trúc ghép lớp graphene đơn lớp MoS2 đơn lớp nhìn từ xuống (a) nhìn từ bên (b) Màu vàng, xanh tím tương ứng với nguyên tố C, Mo, S Sau tối ưu hóa cấu trúc, khoảng cách graphene lớp MoS2 d Sau trình tối ưu hóa, khoảng cách graphene với lớp (lớp S) MoS d = 3.34 Å Khoảng cách tương tự với hệ graphene với lớp đế khác h-BN, g-GaN Năng lượng liên kết nguyên tử cácbon hệ graphene-MoS2 tính tốn chúng tơi 25,1 meV Kết hồn tồn phù hợp tính tốn lý thuyết trước Đồng thời, lượng liên kết tương đương với lượng liên kết hệ có tương tác yếu vdW graphene/ZnO, graphene/antimonene Điều chứng tỏ tương tác graphene với lớp đế MoS2 tương tác yếu vdW Tương tác yếu khơng làm phá vỡ tính chất nội graphene điểm lân cận Dirac - 10 - g an aN cD ho D Hình 2.15: Cấu trúc vùng lượng graphene (a), MoS2 đơn lớp (b), hệ graphene-MoS2 (c) Hình 2.15 mô tả cấu trúc vùng lượng riêng rẽ graphene MoS2 hệ graphene/MoS2 Có thể thấy rằng, lân cận điểm Dirac graphene đỉnh vùng dẫn đáy vùng hóa trị trùng Khi tương tác với lớp đế MoS2, lân cận điểm Dirac hệ graphene-MoS2 xuất khe cấm hẹp với độ rộng khoảng meV Sự xuất khe cấm graphene mở nhiều ứng dụng linh kiện điện tử graphene Nguyên nhân xuất vùng cấm sai khác thông số mạng graphene MoS2, dẫn tới phá vỡ tính đối xứng mạng A B graphene Đặc biệt, đặc trưng cho tương tác graphene MoS2 tiếp xúc Schottky loại n với chiều cao rào 0,49 eV Chiều cao rào Schottky tính theo nguyên tắc Schottky-Mott Theo quy tắc này, chiều cao rào Schottky loại n B,n = Ec – EF, Ec lượng đáy vùng dẫn bán dẫn MoS2, EF mức lượng Fermi graphene Tương tự, chiều cao rào Schottky loại p B,p = EV – EF, EV lượng đỉnh vùng hóa trị bán dẫn MoS2 2.6 Ảnh hưởng biến dạng điện trường ngồi lên tính chất điện tử Graphene/GaS Để xây dựng cấu trúc nghiên cứu tính chất điện tử dị tiếp xúc vdW graphene GaS đơn lớp, trước hết khảo sát cấu trúc hình học tính chất điện tử graphene GaS đơn lớp Kết tính tốn cho thấy rằng, trạng thái tự do, độ rộng vùng cấm graphene khơng Trong đó, GaS đơn lớp bán dẫn vùng cấm xiên, hình thành kết hợp đáy vùng dẫn đặt điểm  vùng Brillounin đỉnh vùng hóa trị đặt vùng -M Độ rộng vùng cấm GaS đơn lớp 2.56 eV Kết hoàn toàn phù hợp so sánh với kết tính tốn trước Điều cho thấy, phương pháp lý thuyết phiếm hàm DFT việc nghiên cứu cấu trúc tính chất điện tử vật liệu đơn lớp graphene GaS hồn tồn xác phù hợp Trên sở lập luận này, tiến hành nghiên cứu cấu trúc tính chất điện tử hệ lai ghép graphene GaS Hình 2.16: (a) Cấu trúc vùng lượng hệ dị chất graphene/GaS, (b) Mật độ trạng thái orbital nguyên tử hệ dị chất Cấu trúc vùng mật độ trạng thái hai đặc trưng để mô tả tính chất điện tử vật liệu, cho biết tính chất, đặc điểm tiềm ứng dụng vật liệu Vì vậy, phần chúng tơi tiến hành nghiên cứu tính chất điện tử nội hệ dị chất graphene/GaS Hình 2.16 mơ tả cấu trúc vùng lượng mật độ trạng thái orbitals nguyên tử hệ dị chất graphene/GaS Đây sở để khai thác thuộc tính dị chất graphene/GaS ứng dụng điện tử quang điện tử tiên - 11 - tiến tương lai Trong ứng dụng này, graphene đóng vai trị kênh dẫn Trong cấu trúc vùng lượng dị chất graphene/GaS, đường cong tán sắc graphene lân cận điểm Dirac Γ đặc trưng bán dẫn vùng cấm xiên GaS đơn lớp bảo toàn Như phân tích trên, tương tác graphene GaS đơn lớp tương tác yếu vdW, tương tác khơng đủ mạnh để phá vỡ hình thái lượng đặc trưng graphene GaS đơn lớp Để hiểu rõ tương tác graphene GaS dị chất graphene/GaS, chúng tơi tính tốn phân bố điện tích cấu trúc dị chất graphene/GaS, theo công thức: Δρ = ρH − ρG − ρGaS, ρH, ρG, ρGaS, mật độ điện tích dị chất graphene/GaS, graphene, GaS đơn lớp Sự phân bố điện tích cấu trúc dị chất graphene/GaS mơ tả Hình 2.17 (a) Hình 2.17 (b) Theo đó, chúng tơi thấy tích lũy điện tích (màu đỏ) chủ yếu tập trung bề mặt lớp sulfide GaS, phân tán xảy bề mặt lớp graphene Đồng thời, Hình 2.17 (c) mơ tả tĩnh điện graphene GaS đơn lớp cấu trúc dị chất chúng Kết rằng, cấu trúc dị chất, GaS đơn lớp tĩnh điện lớn nhiều so với graphene Điều chứng tỏ khả vận chuyển dễ dàng điện tử qua lớp tiếp xúc graphene bề mặt GaS đơn lớp cD ho D g an aN Hình 2.17: Sự phân bố điện tích dị chất graphene/GaS theo hướng nhìn (a) từ xuống, (b) trực diện Trong phân bố này, màu đỏ màu xanh tương ứng với tích tụ phân tán điện tích (c) Sự chênh lệch tĩnh điện graphene GaS dị chất graphene/GaS Trong tiếp xúc graphene (mang đặc trưng kim loại) GaS (mang đặc trưng bán dẫn) thường tạo rào kiểu Schottky Ohmic Khi đó, hiệu suất hoạt động linh kiện điện tử hay quang điện tử graphene phụ thuộc lớn vào chiều cao rào Schottky hay Ohmic Vì vậy, việc nghiên cứu đặc trưng tiếp xúc Schottky hay Ohmic dị chất graphene/GaS cần thiết Từ cấu trúc vùng lượng dị chất graphene/GaS thấy mức lượng Fermi graphene nằm dải hóa trị dải dẫn bán dẫn GaS Vì vậy, theo quy tắc Schottky-Mott, chiều cao rào Schottky loại p loại n dị chất tính chênh lệch dải dẫn dải hóa trị với mức lượng Fermi Hay nói cách khác, chiều cao rào Schottky loại p n tính toán là: Φ B,p = EF – EVBM, ΦB,n = ECBM – EF Trong đó, EVBM, ECBM EF lượng đỉnh vùng hóa trị, đáy vùng dẫn, lượng Fermi Tại vị trí cân bằng, tính tốn chúng tơi cho thấy ΦB,p = 2,04 eV > ΦB,n = 0,51 eV, chứng tỏ dị chất graphene/GaS hình thành nên rào Schottky loại n, với chiều cao rào 0,51 eV Để có nhìn tổng qt chuyển đổi từ Schottky loại n sang loại p, chúng tơi tiến hành tính tốn cấu trúc vùng lượng dị chất graphene/GaS giá trị khác khoảng cách d, mơ tả Hình 2.18 Có thể dễ dàng thấy rằng, tăng/giảm chiều cao rào Schottky dị chất graphene/GaS liên quan đến dịch chuyển tương ứng mức lượng Fermi Hay nói cách khác liên quan đến vị trí tương ứng dải hóa trị dải dẫn bán dẫn GaS dị chất graphene/GaS Cụ thể, tăng khoảng cách d ta thấy mức lượng Fermi tương ứng dịch chuyển đến gần đến đáy vùng dẫn xa đến đỉnh vùng hóa trị GaS Ngược lại, giá trị khoảng cách d giảm, mức lượng Fermi dịch chuyển gần với đỉnh vùng hóa trị xa so với đáy vùng dẫn Như phân tích trên, chiều cao rào Schottky dị chất tính tốn thơng qua vị trí tương ứng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị mức lượng Fermi Vì vậy, thay đổi khoảng cách d, vị trí mức lượng Fermi thay đổi, đồng thời vị trí tương ứng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị thay đổi Điều dẫn tới thay đổi chiều cao rào Schottky, dịch chuyển từ Schottky loại n sang loại p - 12 - Hình 2.18: Cấu trúc vùng lượng dị chất graphene/GaS giá trị khoảng cách d khác Trong giản đồ cấu trúc vùng lượng mức Fermi chọn gốc lượng eV aN cD ho D Để hiểu rõ chất chuyển đổi này, chúng tơi tiến hành tính tốn cấu trúc vùng lượng dị chất graphene/GaS giá trị điện trường âm dương khác nhau, mơ tả Hình 2.19 an Hình 2.19: Cấu trúc vùng lượng dị chất graphene/GaS giá trị cường độ điện trường khác Trong giản đồ cấu trúc vùng lượng mức Fermi chọn gốc lượng eV g Khi đặt điện trường dương, mức lượng Fermi dị chất graphene/GaS dịch chuyển gần đỉnh vùng hóa trị xa đáy vùng dẫn, dẫn tới tăng/giảm tương ứng chiều cao rào ΦB,n/ΦB,p Ngược lại, đặt điện trường âm, mức lượng Fermi dịch chuyển phía gần đáy vùng dẫn xa đỉnh vùng hóa trị, dẫn tới giảm/tăng tương ứng chiều cao rào Φ B,n/ΦB,p Khi giá trị điện trường nhỏ -3 V/nm, đáy vùng dẫn thấp mức lượng Fermi, dẫn tới chuyển đổi từ tiếp xúc Schottky loại n sang tiếp xúc Ohmic cấu trúc dị chất graphene/GaS Như vậy, thấy rằng, điện trường ngồi sử dụng để thay đổi chiều cao rào dị chất graphene/GaS chuyển đổi tiếp xúc Schottky từ loại n thành loại p thành tiếp xúc Ohmic Sự chuyển đổi có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để tìm kiếm mở rộng ứng dụng dị chất graphene/GaS linh kiện điện tử Schottky hiệu cao 2.7 Ảnh hưởng biến dạng phẳng lên tính chất điện tử quang học đơn lớp GaSe Trong phần này, tính tốn thực Lý thuyết phiếm hàm mật độ với gói phần mềm mơ Quantum Espresso Phương pháp gần gradient tổng quát Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) sử dụng để mô tả trao đổi tương quan Phương pháp DFT có hiệu chỉnh (DFT-D2) Grimme sử dụng để xem xét lực tương tác yếu van der Waals (vdW) tồn lớp Ga Se cấu trúc GaSe Vùng Brillouin tính tốn khảo sát phương pháp chia lưới Monkhorst–Pack Ngưỡng động sóng phẳng sử dụng cho tính tốn 500 eV Tất cấu trúc nguyên tử đơn lớp GaSe tối ưu hóa với ngưỡng hội tụ lực tác dụng lên nguyên tử 0,01 eV/Å ngưỡng hội tụ lượng toàn phần 10–6 eV Để - 13 - tránh tương tác có lớp lân cận, chúng tơi sử dụng khoảng cách chân không 20 Å theo phương vng góc với bề mặt vật liệu Hình 2.20 Cấu trúc ngun tử theo góc nhìn khác (a) phổ phonon (b) đơn lớp GaSe trạng thái cân (b = 0) bị biến dạng –10% +10% g an aN cD ho D Đơn lớp GaSe có cấu trúc hình lục giác hình thành từ bốn lớp nguyên tử xếp chồng lên theo thứ tự Se–Ga–Ga–Se minh họa Hình 2.20a Về mặt hình học, cấu trúc đơn lớp GaSe thuộc nhóm khơng gian D3h Ô đơn vị đơn lớp GaSe chứa bốn nguyên tử, bao gồm hai nguyên tử Ga hai nguyên tử Se Ở trạng thái cân bằng, bề dày đơn lớp GaSe  = 4,814 Å số mạng a = 3,818 Å Chiều dài liên kết nguyên tử Ga Se dGa–Se = 2,497 Å nguyên tử Ga với dGa–Ga = 2,468 Å Kết tính tốn chúng tơi tương đồng với nghiên cứu DFT trước Trước tiên, thực tính tốn phổ phonon đơn lớp GaSe toàn vùng Brillouin thứ để kiểm tra độ bền động học Ơ đơn vị đơn lớp GaSe chứa bốn nguyên tử, phổ phonon có 12 nhánh dao động Các tính tốn DFT cho phổ phonon đơn lớp GaSe trình bày Hình 2.20b Có thể thấy rằng, có 12 nhánh dao động phổ phonon đơn lớp GaSe, bao gồm chín nhánh quang ba nhánh âm Hình 2.41b cho thấy khơng có khoảng cách nhánh âm nhánh quang Đối với nhánh dao động quang, điểm , có ba nhánh quang khơng suy biến, có đến ba nhánh quang bị suy biến đôi Tần số dao động quang lớn vào khoảng 300 cm–1 Kết tính tốn chúng tơi cho thấy khơng có tần số âm phổ phonon đơn lớp GaSe Điều có nghĩa cấu trúc đơn lớp GaSe ổn định mặt động học - 14 - CHƯƠNG 3:TÍNH CHẤT QUANG-TỪ CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU CÓ CẤU TRÚC TƯƠNG TỰ GRAPHENE 3.1 Tính chất quang-từ MoS2 Sử dụng phương pháp gần ma trận mật độ kết hợp khảo sát hệ số hấp thụ quang thay đổi chiết suất có từ trường đặt vng góc với MoS2 Chúng tơi xem xét điều hàm phụ thuộc vào lượng photon chiếu tới từ trường cho dịch chuyển nội vùng ngoại vùng Chúng xem xét đơn lớp MoS2 nằm mặt phẳng (x,y) Khi có từ trường vng góc B=(0,0,B) đặt dọc theo trục Oz, Hamiltonian hạt tải hệ viết sau (3.1) a = 3.193 A0, t = 1.1 eV tương ứng số mạng lượng hopping, số vùng  = 1 tương ứng với vùng K K’, với  = 1.66 eV  = 75 meV tương ứng lượng vùng cấm độ bền liên kết spin quỹ đạo, k = (kx, ky) động lượng hạt tải x, y z ma trận Pauli, số spin s = 1 tương ứng spin hướng lên xuống Mục đích phần nghiên cứu tính chất quang từ tuyến tính phi tuyến thơng qua việc tính tốn hệ số hấp thụ quang từ thay đổi chiết suất đơn lớp MoS có từ trường ngồi Phổ lượng điện tử E cho (3.2) D Bởi ho với n mức Landau từ, số vùng lượng p = 1 tương ứng vùng dẫn vùng hóa trị lượng cyclotron, ac độ dài từ trường, e độ lớn điện tích electron Ứng với n = giá trị lượng cho (3.3) phổ lượng phương trình (3.2) viết lại đơn giản sau cD (3.4) aN điều mức Landau từ phụ thuộc tuyến tính vào n từ trường B Hàm sóng điểm K ( = 1) an (3.5) g Hàm sóng K’ (=-1) đạt từ phương trình (3.5) cách thay n (x-x0) n-1(x-x0) Sử dụng phương trình (3.5) xác định yếu tố ma trận lưỡng cực (3.6) Từ đây, sử dụng M’’ - M, = để biểu thị hệ số hấp thụ quang tuyến tính phi tuyến cho dịch chuyển hai trạng thái, thu tổng hệ số hấp thụ quang (3.7) (1)() (3)(, I) số hạng tuyến tính phi tuyến bậc ba hệ số hấp thụ quang, cho (3.8) (3.9) - 15 - Ở lượng photon chiếu tới,  độ từ thẩm từ trường, r phần thực số điện môi, ne mật độ hạt tải, 0 yếu tố ma trận tốc độ phục hồi, E’ = E’ - E hiệu lượng hai vùng, I cường độ photon chiếu tới kích thích hệ dẫn tới dịch chuyển quang, c tốc độ ánh sáng, 0 số điện, nr chiết suất Tổng thay đổi chiết suất với lượng photon chiếu tới cường độ xạ quang I viết sau (3.10) thay đổi chiết suất tuyến tính phi tuyến (3.11) (3.12) Hình 3.2 Sự phụ thuộc số hạng tuyến tính, bậc ba phi tuyến tổng hệ số hấp thụ theo lượng photon ba giá trị khác từ trường Hình 3.1 phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc tổng hệ số hấp thụ cho trường hợp dịch chuyển nội vùng theo lượng photon tai B = 10T Sự dịch chuyển tuân theo quy luật n’ = n 1, s = s’ p = p’ = 1, lượng photon hấp thụ thỏa mãn điều kiện g an Hình 3.1 Sự phụ thuộc số hạng tuyến tính, bậc ba phi tuyến hệ số hấp thụ theo lượng photon B = 10T aN cD ho D Chúng tơi tính tốn phân tích tính chất tuyến tính phi tuyến hệ số hấp thụ thay đổi chiết suất hàm lượng photon chiếu đến đơn lớp MoS2 Các tham số sử dụng tính tốn chúng tơi sau: nr = 4.828, I = MW/m2, mật độ hạt tải 2x1012 cm-2, tính tốn chúng tơi cho ky=0, nghĩa x0=0, điều có nghĩa theo phương trình (3.6) quy tắc lọc lựa dịch chuyển thỏa mãn n’ = n 1 Bởi tính chất đối xứng K K’chúng khảo sát cho trường hợp  = ’ = (3.13) Do liên kết spin quỹ đạo lớn, điều orbital d kim loại chuyển tiếp, đỉnh hình thành gây trạng thái spin up down khác Ví dụ, B = 10 T đỉnh hấp thụ 2.362 meV 2.158 meV tương ứng spin up spin down gây Các giá trị tần số photon đỉnh nằm miền THz, giống graphene số vật liệu hai chiều khác Đối với giá trị từ trường, khoảng cách mức Landau từ trì Do đó, tất đỉnh hấp thụ gây xem xét dịch chuyển nội vùng, dẫn đến có đỉnh hấp thụ cho giá trị spin, quan sát Hình 3.1 Tính chất phù hợp với kết đơn lớp phosphoren, ngược với kết graphene Điều giải thích sau, MoS2 phosphoren, mức Landau từ phụ thuộc tuyến tính theo n, trong graphene, mức Landau từ tỉ lệ với n1/2 Hình 3.2 mơ tả phụ thuộc số hạng tuyến tính, bậc ba phi tuyến, tổng hệ số hấp thụ theo lượng photon ba giá trị khác từ trường Hệ số hấp thụ tính tốn tổng cho hai trường - 16 - hợp spin up down Bởi dấu trái ngược hệ số hấp thụ tuyến tính bậc ba phi tuyến, tổng hệ số hấp thụ nhỏ lại đóng góp số hạng phi tuyến Từ hình vẽ ta thấy lượng cyclotron phụ thuộc vào từ trường ngồi B Do đó, tăng từ trường ngồi hệ số hấp thụ làm xuất blue-shift Bên cạnh hệ số hấp thụ tuyến tính bậc ba phi tuyến giảm, tổng chúng tăng từ trường tăng Các kết giải thích phụ thuộc phần tử ma trận lưỡng cực lên từ trường (3.6) Khi từ trường tăng, yếu tố ma trận lưỡng cực M’ giảm giảm khoảng cách hai cực từ ac, dẫn đến giảm hệ số hấp thụ tuyến tính phi tuyến bậc ba Hơn nữa, nhìn thấy từ phương trình (3.8) (3.9) phần tuyến tính hệ số hấp thụ tỉ lệ với phần phi tuyến phụ thuộc vào , phần sau giảm nhanh phần trước từ trường tăng, điều dẫn đến tăng tổng hệ số hấp thụ từ từ trường tăng Hình 3.2 Kết phù hợp với kết nghiên cứu trước D ho Hình 3.3 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, bậc ba phi tuyến thay đổi chiết suất lên lượng photon B = 10 T Hình 3.4 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, bậc ba phi tuyến thay đổi chiết suất theo lượng photon giá trị khác từ trường g an aN cD Hình 3.3 mơ tả phụ thuộc số hạng tuyến tính, phi tuyến bậc ba thay đổi chiết suất tổng dịch chuyển nội vùng theo lượng Các kết tính cho hai trường hợp spin lên xuống Tương tự trường hợp hệ số hấp thụ, lượng dịch chuyển gây spin lên lớn chút so với spin xuống, dẫn đến lượng photon hấp thụ lớn rõ ràng lớn trường hợp spin lên Hình 3.4 phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba thay đổi chiết suất cho dịch chuyển nội vùng theo lượng photon giá trị khác từ trường Kết tính tốn tổng spin lên xuống Từ hình vẽ nhìn thấy từ trường tăng, thay đổi chiết suất làm xuất dịch chuyển ánh sáng màu xanh giảm độ lớn Tính chất dịch chuyển ánh sáng màu xanh giải thích tăng lên dịch chuyển lượng, độ lớn giảm giảm yếu tố ma trận lưỡng cực từ trường tăng Như vậy, bàn luận tính chất quang từ cho dịch chuyển nội vùng, tiếp tục tập trung cho khảo sát dịch chuyển ngoại vùng Hình 3.5 Sự phụ thuộc thừa số tuyến tính, bậc ba phi tuyến tổng hệ số hấp thụ quang-từ theo lượng photon cho dịch chuyển liên vùng B = 10 T Hình 3.5, mơ tả phụ hệ số hấp thụ quang từ dịch chuyển liên vùng theo lượng photon B = 10 T cho trạng thái spin lên xuống Rõ ràng, liên kết spin quỹ đạo lớn nguyên nhân làm tách mức Landau từ MoS2 dẫn đến tách mức dịch chuyển lượng cho trạng thái spin lên xuống, Hình 3.5(a) 3.5(b) Kết hoàn toàn khác với kết graphene, - 17 - phosphoren số hệ hai chiều khác, phù hợp với kết trước thực đơn lớp MoS2 tương tác electron-phonon xem xét Bên cạnh đó, vùng cấm MoS2 lớn dẫn đến quan sát miền tần số ánh sáng nhìn thấy dịch chuyển lượng ngoại vùng Kết phù hợp tốt với nghiên cứu trước Bên cạnh so sánh với dịch chuyển nội vùng, thấy: (1) dịch chuyển ngoại vùng làm xuất loạt đỉnh tương ứng từ vùng hóa trị lấp đầy đến vùng dẫn trống rỗng; (2) Các đỉnh dịch chuyển ngoại vùng xuất miền ánh sáng nhìn thấy, điều độ rộng vùng cấm đơn lớp MoS2 lớn Hơn nữa, ngược với kết nghiên cứu trước đơn lớp phosphorene đơn lớp WSe2, đây, biên độ đỉnh dịch chuyển ngoại vùng lớn so với dịch chuyển nội vùng Chúng hy vọng hạn chế giải thời gian tới có kết thực nghiệm xác Sự ảnh hưởng từ trường lên hệ số hấp thụ mơ tả Hình 3.6, phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng hệ số hấp thụ vào lượng photon ba giá trị khác từ trường Do dịch chuyển quang gây spin lên xuống giống nhau, xét cho trường hợp spin lên, kết cho trường hợp khác Tương tự giống dịch chuyển nội vùng (Hình 3.2), giảm xuống hệ số hấp thụ từ trường tăng tiếp tục giữ cho dịch chuyển ngoại vùng cD ho D g an aN Hình 3.6 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng hệ số hấp thụ vào lượng photon giá trị khác từ trường cho trường hợp spin lên Hình 3.7 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng thay đổi chiết suất vào lượng photon B=10T dịch chuyển liên vùng cho trường hợp spin lên - 18 - g an aN cD ho D Hình 3.8 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng thay đổi chiết suất vào lượng photon gía trị khác từ trường cho dịch chuyển liên vùng, trường hợp spin lên Hình 3.7 mơ tả phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng thay đổi chiết suất theo lượng photon dịch chuyển liên vùng B = 10T cho trường hợp spin lên Tương tự hệ số hấp thụ, thay đổi chiết suất theo lượng photon xuất loạt đỉnh, độ lớn thay đổi chiết suất dịch chuyển liên vùng nhỏ so với dịch chuyển nội vùng Bên cạnh đó, độ lớn thay đổi chiết suất tăng theo số mức Landau từ Kết phù hợp với kết nghiên cứu trước phosphoren graphene giải thích cách định tính sau: Từ phương trình (3.11) (3.12), nhìn thấy biên độ thay đổi chiết suất tăng theo số mức Landau thông qua yếu tố matran phân cực M’ Do đó, độ lớn thay đổi chiết suất lớn tăng số mức Landau Hình 3.8 phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng thay đổi chiết suất cho dịch chuyển liên vùng giá trị khác từ trường Thông qua hệ số hấp thụ photon, thông qua hấp thụ photon, thay đổi chiết suất dịch chuyển liên vùng dịch chuyển phía vùng mà photon có lượng cao cường độ RIC giảm từ trường tăng 3.2 Tính chất quang-từ phosphoren Trong phần chúng tơi đánh giá hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba, tổng hệ số hấp thụ thay đổi chiết suất tương đối hàm lượng photon từ trường Biên độ đỉnh dịch chuyển nội vùng lớn dịch chuyển liên vùng Đỉnh cộng hưởng dịch chuyển phía ánh sáng màu xanh lam có từ trường Kết đơn lớp phosphorene loại vật liệu hai chiều hứa hẹn ứng dụng thiết bị quang điện tử thay cho graphene Phosphorene đơn lớp photpho đen (black phosphorus), vật liệu hai chiều có tiềm ứng dụng cao thiết bị nano quang điện tử bán dẫn có vùng cấm trực tiếp, độ linh động cao nhạy có biến dạng Khi số lớp giảm xuống, độ rộng vùng cấm photpho đen tiên đoán tăng lên Đối với đơn lớp phosphorene, lượng vùng cấm tính tốn phương pháp liên kết mạnh, ngun lí thứ lý thuyết nhiễu loạn k.p Do độ rộng vùng cấm hẹp độ linh động hạt dẫn cao, phosphorene vật liệu có vùng cấm trung gian graphene loại vật liệu khác có vùng cấm lớn ứng cử viên thiết bị quang điện tử cho vùng hồng ngoại Chúng xem xét hệ chiều phosphorene, hạt tải chuyển động tự mặt phẳng (xy) từ trường có độ lớn B theo phương z Hamiltonian có dạng sau (3.14) Hàm riêng trị riêng tương ứng với Hamiltonian (3.14) (3.15) (3.16) Sử dụng phương pháp ma trận mật độ kết hợp, hệ số hấp thụ quang tuyến tính phi tuyến có dịch chuyển hai vùng tính tốn sau (3.17) - 19 - (3.18) Từ phương trình (3.15) tính yếu tố ma trận phân cực sau (3.19) (3.20) tổng hệ số hấp thụ Sự thay đổi tuyến tính phi tuyến bậc ba chiết suất tương đối theo lượng photon tới cường độ xạ xác định sau D (3.21) ho Tổng thay đổi chiết suất tương đối viết sau aN cD (3.22) (3.23) an g Bởi vì, có khác biệt Es lượng cyclotron vùng dẫn vùng hóa trị, lượng hai vùng phương trình (3.16) khác Có thể nhìn thấy lượng cyclotron nhỏ Es, dịch chuyển quang nội vùng liên vùng hai miền khác nhau: thứ miền sóng điện từ tới THz thứ hai miền ánh sáng nhìn thấy Điều hồn tồn ngược với hệ 2D thơng thường phosphorene B = 0, đặc trưng quang xảy tương ứng miền THz miền hồng ngoại tới gần miền hồng ngoại Hình 3.9 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng hệ số hấp thụ theo lượng photon cho trường hợp dịch chuyển nội vùng giá trị khác từ trường - 20 - Sự dịch chuyển hấp thụ quang từ xảy dịch chuyển điện tử từ mức Landau từ thấp lấp đầy lên vùng cao trống rỗng Trong Hình 3.9, hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng hệ số hấp thụ cho dịch chuyển nội vùng biểu diễn theo lượng photon giá trị khác từ trường Sự dịch chuyển tuân theo quy luật n’ = n  s = s’ Trong trình dịch chuyển, lượng photon hấp thụ thỏa mãn điều kiện tăng theo từ trường Do phổ lượng độc lập với vector sóng (trong mặt phẳng xy lớp phosphorene) mơ tả phương trình (3.16) nên dẫn đến phụ thuộc vào từ trường mức Landau tuyến tính, đồng lượng cách nên tất đỉnh hấp thụ quang dịch chuyển nội vùng có vị trí Đó lí quan sát đỉnh cộng hưởng tương ứng với giá trị từ trường Hơn nữa, thấy độ lớn hệ số hấp thụ quang tuyến tính phi tuyến bậc ba giảm từ trường tăng, dẫn đến tổng hệ số hấp thụ tăng Khi từ trường tăng, tất dịch chuyển màu xanh dương tăng lên lượng cyclotron theo từ trường Các đỉnh xuất vùng tần số THz phù hợp với graphene, silicone hệ hai chiều khác, đặc trưng quang có miền THz ho D Hình 3.11 Tổng hệ số hấp thụ quang cho dịch chuyển liên vùng phụ thuộc vào lượng photon giá trị khác từ trường aN cD Hình 3.10 Sự phụ thuộc hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba tổng thay đổi chiết suất tương đối theo lượng photon cho trường hợp dịch chuyển nội vùng giá trị khác từ trường g an Hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba thay đổi chiết suất tương đối (n/nr) khảo sát theo lượng photon giá trị khác từ trường Hình 3.10 Tương tự hệ số hấp thụ, thay đổi tuyến tính phi tuyến có dấu ngược nhau, tổng thay đổi chiết suất giảm đóng góp số hạng phi tuyến Hình vẽ đỉnh cộng hưởng thay đổi chiết suất giảm dịch chuyển phía photon có lượng cao (dịch màu xanh lam) Lí dịch chuyển vùng lượng cao tăng lượng cyclotron với việc tăng từ trường Các kết Hình 3.10 thể rõ yếu tố ma trận phân cực giảm theo từ trường Trong trường hợp hệ số hấp thụ, yếu tố ma trận giảm tăng lượng dịch chuyển lí sao, độ lớn đỉnh cộng hưởng phần tuyến tính giảm theo từ trường Các kết phù hợp với nghiên cứu trước Hình 3.11, mơ tả phụ thuộc tổng hệ số hấp thụ cho trường hợp dịch chuyển liên vùng theo lượng photon ba giá trị khác từ trường Tương tự kết trước đây, thấy biên độ đỉnh dịch chuyển liên vùng nhỏ so với dịch chuyển nội vùng Hình 3.9 Một đặc trưng quan trọng khác độ rộng đỉnh tăng theo từ trường Kết tăng hiệu mức lượng từ trường tăng Những kết hữu ích cho thực nghiệm tương lai - 21 - KẾT LUẬN g an aN cD ho D Bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ phương pháp ma trận mật độ kết hợp, chúng tơi nghiên cứu tính chất điện tử, tính chất quang ảnh hưởng biến dạng, điện trường ngoài, liên kết spin quỹ đạo lên tính chất điện tử khảo sát hệ số tuyến tính, phi tuyến bậc ba, tổng hệ số hấp thụ quang từ số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene Các kết đề tài tóm tắt sau Nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng lên tính chất điện tử MoS2 đơn lớp Các tính tốn chúng tơi cho thấy rằng, biến dạng trục làm cho MoS2 đơn lớp chuyển từ bán dẫn có vùng cấm trực tiếp sang bán dẫn có vùng cấm gián tiếp Đối với SnSe2 tính tốn lý thuyết phiếm hàm mật độ rằng, cấu trúc vùng lượng điện tử đơn lớp SnSe2 bị thay đổi cách, đặc biệt vùng dẫn Trong biến dạng nén làm giảm độ rộng vùng cấm đơn lớp SnSe2 biến dạng kéo lại làm tăng độ rộng vùng cấm Nghiên cứu ảnh hưởng liên kết spin quỹ đạo lên tính chất điện tử MoS đơn lớp có mặt điện trường ngồi Các tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ rằng, hiệu ứng liên kết spin quỹ đạo làm thay đổi độ rộng vùng cấm MoS2 đơn lớp mà làm xuất tách vùng lượng lân cận mức Fermi Sự chuyển pha bán dẫn-kim loại tìm thấy MoS2 đơn lớp giá trị ngưỡng điện trường cho chuyển pha xác định Nghiên cứu tính chất điện tử dị cấu trúc graphene MoS2 đơn lớp sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ Kết nghiên cứu rằng, đặc trưng tương tác graphene MoS tương tác yếu vdW Khi tương tác với MoS2, lân cận điểm Dirac graphene xuất khe cấm hẹp Sự xuất khe cấm mở nhiều tiềm cho ứng dụng graphene việc chế tạo linh kiện điện tử hiệu cao Ngoài ra, tương tác graphene-MoS2 đặc trưng tiếp xúc Schottky loại n Chiều cao rào tiếp xúc graphene-MoS2 thay đổi tác động biến dạng điện trường Tại giá trị tới hạn xảy tưởng chuyển đổi từ tiếp xúc Schottky loại n sang tiếp xúc Schottky loại p Ảnh hưởng biến dạng lên tính chất điện tử quang học đơn lớp GaSe nghiên cứu Lý thuyết phiếm hàm mật độ Các tính chất điện tử đơn lớp GaSe phụ thuộc lớn vào biến dạng dễ dàng điều khiển độ rộng vùng cấm biến dạng Phổ hấp thụ quang đơn lớp kích hoạt miền ánh sáng nhìn thấy cường độ hấp thụ đạt cực đại miền ánh sáng tử ngoại gần Biến dạng không làm thay đổi cách đáng kể cường độ hấp thụ quang đơn lớp GaSe mà làm dịch chuyển vị trí đỉnh hấp thụ Bằng phương pháp gần ma trận mật độ kết hợp, chúng tơi nghiên cứu tính chất quang từ tuyến tính phi tuyến đơn lớp MoS2 phosphoren thông qua việc khảo sát hệ số hấp thụ thay đổi hệ số khúc xạ Các kết cho thấy phụ thuộc lên lượng photon từ trường ngồi Kết chúng tơi hệ số hấp thụ hệ số khúc xạ xuất nhiều đỉnh dịch chuyển ngoại vùng mức Landau từ, kết dịch chuyển nội vùng xuất đỉnh - 22 - ... tài ? ?Nghiên cứu tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene” để nghiên cứu Mục tiêu phương pháp nghiên cứu Mục tiêu đề tài xác định tính chất điện tử tính. .. độ trạng thái hai đặc trưng để mơ tả tính chất điện tử vật liệu, cho biết tính chất, đặc điểm tiềm ứng dụng vật liệu Vì vậy, phần tiến hành nghiên cứu tính chất điện tử nội hệ dị chất graphene/GaS... để thu biểu thức hệ số hấp thụ quang- từ độ thay đổi chiết suất Nội dung phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu đề ra, đề tài nghiên cứu tính chất điện tử tính chất quang số vật liệu hai chiều có cấu trúc