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 CƠNG NGHỆ CẤP BỘ 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 Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu Đà Nẵng, 2021 Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NÁNG BÁO CÁO TÓM TẢT ĐẺ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CÁP Bộ NGHIÊN CỨU TÍNH CHÁT ĐIỆN TỦ VÀ TÍNH CHÁT QUANG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU HAI CHIỀU CÓ CÁU TRÚC TƯƠNG Tự GRAPHENE MÃ SỎ: B2019-ĐNA-07 TL GIẤM Đổc Wf'j & MT ^BMGBANĐà Nằng 2021 (ĐẠI HỌC Ỳ ĐÀ NẮNG ’•ì * "TS Trương Lê Bích Trâm Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) I •—UUẪX PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu 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 lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Trường ĐH Sư Phạm - ĐHĐN 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 học Huế Thực 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 học Huế HV cao học Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên người đại diện đơn vị PGS.TS Huỳnh Vĩnh Phúc Họ tên PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị ngồi nước Khoa Vật lý, Trường Đại học Đồng Tháp Phối hợp nghiên cứu Thơng tin chung: THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - 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 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), 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 MoS2, 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 toán 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 vander-Waals, khoảng cách lớp graphene bề mặt M0S2 khoảng 3,34 Ả, lượng liên kết khoảng -25,1 meV/nguyên tử C Dưới ảnh hưởng lớp đế MoS 2, độ rộng vùng cấm graphene hệ GrapheneMoS2 mở khoảng nhỏ cỡ meV Đồng thời, theo lý thuyết Schottky-Mott tương tác Graphene/MoS 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/MoS thay đổi tác động biến dạng điện trường + Các tính tốn tính chất quang-từ đơn lớp MoS 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 Tên sán phẩm: 5.1.Bài báo: [1] Khang D Pham, Vo T T Vi, D V Thuan, Le T T Phuong, Le T Hoa, Nguyen V Hieu, Chuông V Nguyen, Huynh V Phuc, Hamad R Jappor, Nguyen Q Cuong, Bui D Hoi, and Nguyen N Hieu, Tunable electronic properties oflnSe by biaxial strain: from bulk to single-layer, Materials Research Express 6(2019) l_5002(SCI) [2] Hong T T Nguyen, Tuan V Vu, Nguyen T T Binh, D M Hoat, Nguyen V Hieu, Nguyen T T Anh, Chuông V Nguyen, Huynh V Phuc, Hamad R Jappor, Mohammed M Obeid, Nguyen N Hieu, Straintunable 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-Yadrĩ, E Feddi, H Erguig, F Dujardin, Chuông 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: Lowdimensional Systems and Nanostructures 116(2020)113799(SCỊ) [4] Vo Thị Tuyết Vi, Nguyễn Văn Chuong, Nguyễn Văn Hiếu, Nguyễn Ngọc Hiếu, Ánh hưởng biển dạng phắng lên tính chắt điện tứ quang học cùa đơn lớp GaSe, Tạp chí khoa học-Đại học Huế, 129 (1C) (2020) 5.2 Đào tạo sau Đại học: 01 học viên bão vệ thành công nhận bàng ThS 2020 chuyên ngành Hiệu qũậ, phương thức chuyển giao kết quà rà khả áp dụng: - Kết quà nghiện cứu cua đê tài tài liệu tham khảo hưu ích cho cán bộ, sinh viên, cao học viên NCS nghiên cứu vật liệu lớp hai chiều - Phát triền việc nghiên cưu khoa học trường đại học, tạo điều kiện cho nhiều giảng viên tham gia để nâng cao chất lượng dạy học nghiên cứu khoa học - Gop phần làm sáng tò thêm mậtịấ firtb.chat cùa vật liệu hai chiều đon lớp họ di chalcogenide Ngày 02 tháng 03 năm 2021 Chủ nhiệm đề tài Cơ quan (ký, họ tên) (ký, họ têi PHÓ TRƯỞNG BAN Nguyễn Văn Hiếu TS Trương Lê Bích Trâm INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 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 MX (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 MoS 2, 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 MoS 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 MoS 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 MoS is characterized by a weak van- derWaals 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 MoS 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 SchottkyMott 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 + 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, Straintunable 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: Lowdimensional 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 Hosting Institution Principal Investigator Nguyen Van Hieu Lý chọn đề tài Mở đầu 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 toán 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 cơng 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 MX (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 MX (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 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 cịn gặp khó khăn định, nguyên nhân khuyết thiếu vùng cấm điện tử graphene không 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, MoS 2, 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 mơ 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 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 -2- 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 ngồi 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 khơng 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 rò 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 (Densi ty Functional Theory) lý thuyết dùng để mô 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 lrong đó, mật độ electron phụ thuộc vào ba biến tọa độ độc lập với số electron Vì gia tăng s ■ 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 ính hất 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 ' = (1.1) với _ vf(r) = Vxtt(.r)+VHma(n) + V:c\n\n^] (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 Kohn- Sham 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 Kohn- Sham 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 Ảnh hưởng biến dạng liên kết quỹ đạo spin lên tính chất điện tử MoS2 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 MoS2 tương 2.1 2.1.1 -3- 2.6 Hình 2.15: Cấu trúc vùng lượng graphene (a), M0S2 đơn lớp (b), hệ graphene-MoS2 (c) Hình 2.15 mơ 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 grapheneMoS2 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 MoS 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 OB,n = Ec - EF, Ec lượng đáy vùng dẫn bán dẫn M0S 2, EF mức lượng Fermi graphene Tương tự, chiều cao rào Schottky loại p OB,P = EV - EF, EV lượng đỉnh vùng hóa trị bán dẫn MoS2 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 chúng tơi khảo sát cấu trúc hình học tính chất điện tử graphene GaS đơn lớp Kết tính tốn chúng tơi 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 r vùng Brillounin đỉnh vùng hó trị đặt t i vùng r-M Độ rộng vùng cấm GaS đơn lớp 2.56 eV Kết hoàn toàn phù hợp so sánh với kết tính toán 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 hoàn 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 mơ 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 - 13 - 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 r đặc trưng bán dẫn vùng cấm xiên GaS đơn lớp bảo tồn Như phân tích trên, tương tác graphene GaS đơn lớp tương tác yếu vdW, tương tác không 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: Ap = PH - PG - PGas, pH, PG, pGas, 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 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 tốn là: OB.P = EF - EVBM, OB.II = 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 OB.P = 2,04 eV > OB.H = 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 - 14 - 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 - 15 - , MK r M M K r M M K r M M K r M M K r MMK r MMK r MMK r M 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 Để hiểu rõ chất chuyển đổi này, 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 Khi đặt điện trường dương, mức lượng Fermi dị chất graphene/GaS dịch chuyển gần đỉnh (ạ) R = -3V/nm (b) Ế = -1V/nm (ũ) R=ŨWnm ;d) F - *-■'Á'nm (b) E = *2Wnm 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 vùng hóa trị xa đáy vùng dẫn, dẫn tới tăng/giảm tương ứng chiều cao rào OB.II OB.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 ® B,n/®B,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 chúng tơi khảo sát phương pháp chia lưới MonkhorstPack 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/Ả ngưỡng hội tụ lượng toàn phần 10-6 eV Để tránh tương tác có lớp lân cận, chúng tơi sử dụng khoảng cách chân không 20 Ả theo phương vuông góc với bề mặt vật liệu - 16 - Hình 2.20 Cấu trúc ngun tử theo góc nhìn khác (a) phổ phonon (b) đơn lớp GaSe trạng thái cân (Sb = 0) bị biến dạng —10%o +10%o 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 mặt hình học, cấu trúc đơn lớp GaSe thuộc nhóm khơng gian D3h Ơ đơn vị đơn lớp GaSe chứa bốn nguyên tử, bao gồm hai nguyên tử Ga hai nguyên tử Se Ở trạng thái câ n bằng, bề dày đơn lớp GaSe A = 4,814 Ả số mạng a = 3,818 Ả Chiều dài liên kết nguyên tử Ga Se dũa-se = 2,497 Ả nguyên tử Ga với dGa-Ga = 2,468 Ả Kết q-ả tính tốn chúng tơi tương đồng với nghiên cứu DFT trước Trước tiên, chúng tơi 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, r, 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 - 17 - CHƯƠNG 3:TÍNH CHẤT QUANG-TỪ CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU CĨ 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 H = at(ĩ]kxax + kyơy) + (Ã — Ví/z)ff2 + VÍỊÃ, (3.1) a = 3.193 A0, t = 1.1 eV tương ứng số mạng lượng hopping, số vùng T| = ±1 tương ứng với vùng K K', với A = 1.66 eV X = 75 meV tương ứng lượng vùng cấm độ bền liên kết spin quỹ đạo, k = (kx, ky) động lượng hạt tải ơx, ơy ơz 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 Ea cho E; L, SIỊẢ />\ A^, mile),.;- II > (3.2) với n mức Landau từ, ch' số vùng lượng p = ±1 tương ứng vùng dẫn vùng hóa trị faOc = aty/Ĩ.Ịac lượng cyclotron, ac độ dài từ trường, e độ lớn điện tích electron Ứng với n = giá trị lượng cho Bởi hC0c Eost] — — l/ÍA — SẲ) + SẢ Ap/ổ lượng phương trình (3.2) viết lại đơn giản sau (3.3) (3.4) điều mức Landau từ phụ thuộc tuyến tính vào n từ trường B Hàm sóng điểm K (T = 1)