Khảo sát dft các đặc tính cấu trúc và tính chất điện tử của vật liệu silicene nanoribbons khi hấp phụ li

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM *********** BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT DFT CÁC ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU SILICENE NANORIBBONS KHI HẤP PHỤ LI Sinh viên thực : Nguyễn Thanh Hùng Lớp : D17VL01 Khoá : 2017-2021 Ngành : Vật lý học Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Võ Văn Ớn Bình Dương, tháng 12/2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi thực hướng dẫn PGS.TS Võ Văn Ớn Trong q trình làm báo cáo có tham khảo nhiều nguồn khác xin cam đoan có thích phần Các số liệu, kết kết luận nêu khóa luận hồn tồn trung thực Nếu khơng nêu trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm đề tài Sinh viên thực Nguyễn Thanh Hùng i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường Đại Học Thủ Dầu Một, xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc tới thầy cô khoa Công nghệ Thực phẩm hướng dẫn tận tình, truyền đạt kiến thức bổ ích giúp tơi có vốn kiến thức quan trọng cho chuyên ngành sau Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Võ Văn Ớn, người tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến q báu giúp tơi hồn thành tốt báo cáo tốt nghiệp Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến cha mẹ đồng thời nguồn động lực to lớn giúp thêm lượng, ý chí lúc tơi gặp khó khăn, nản lịng Tơi xin cảm ơn bạn bè lớp ln hỗ trợ tơi hết mình, động viên, khích lệ q trình tơi hồn thành báo cáo Tơi xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực Nguyễn Thanh Hùng ii MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 TÍNH THIẾT YẾU CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU NỘI DUNG CHƯƠNG GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ DFT 1.1 KHÁI NIỆM 1.2 LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ 1.3 MẬT ĐỘ ĐIỆN TỬ 1.4 GẦN ĐÚNG THOMAS-FERMI 1.5 ĐỊNH LÝ HOHENBERG-KOHN 1.6 PHƯƠNG TRÌNH KOHN-SHAM 1.7 NĂNG LƯỢNG TƯƠNG QUAN TRAO ĐỔI 11 1.8 GIẢ THẾ (PSEUDOPOTENTIALS) 12 1.9 NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP 13 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SILICENE NANORIBBONS 14 2.1 GIỚI THIỆU VỀ SILICENE NANORIBBONS (SiNRs) 14 2.2 CẤU TRÚC BỀ MẶT VẬT LIỆU SILICENE NANORIBBONS (SiNRs) 16 2.3 ỨNG DỤNG 16 2.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU SILICENE NANORIBBONS 17 2.4.1 Nghiên cứu nước 17 2.4.2 Nghiên cứu nước 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 XÁC ĐỊNH CẤU HÌNH HẤP PHỤ 21 3.2 XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG CẮT ENCUT 25 3.3 XÁC ĐỊNH SỐ ĐIỂM CHIA (K-POINTS) 26 iii 3.4 TỐI ƯU CẤU HÌNH HẤP PHỤ 28 3.4.1 Tối ưu vị trí nguyên tử 28 3.4.2 Tối ưu cấu trúc mạng tinh thể hệ hấp phụ 29 3.5 XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG VÙNG CẤM VÀ MẬT ĐỘ TRẠNG THÁI CỦA HỆ HẤP PHỤ 30 3.6 XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG HẤP PHỤ 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN 34 PHỤ LỤC 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DFT Density Funtional Theory DOS Density of States GGA Generalized Gradient Approximation HPC High Performance Computer LDA Local Density Approximation SiNRs Silicene nanoribbons v DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Cấu trúc silicene nanoribbons có cạnh ghế bành 15 Hình 2.2 Cấu trúc silicene nanoribbons có cạnh ngoằn ngo 15 Hình 2.3 Các vị trí hấp phụ mạng tinh thể SiNRs 16 Hình 3.1 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí bridge (top view) 21 Hình 3.2 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí bridge (side view) 21 Hình 3.3 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí hollow (top view) 22 Hình 3.4 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí hollow (side view) 22 Hình 3.5 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí top (top view) 23 Hình 3.6 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí top (side view) 23 Hình 3.7 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí valley (top view) 24 Hình 3.8 Cấu hình hệ hấp phụ Li vị trí valley (side view) 24 Hình 3.9 Năng lượng cắt hệ silicene hấp phụ Li với ISIF=2 25 Hình 3.10 Năng lượng cắt hệ silicene nanoribbons hấp phụ Li với ISIF=3 26 Hình 3.11 Đồ thị số điểm chia K-points hệ Silicene nanoribbons hấp phụ khí Li mơ với ISIF=2 27 Hình 3.12 Đồ thị số điểm chia K-points hệ Silicene nanoribbons hấp phụ khí Li mơ với ISIF=3 28 Hình 3.13 Khí Li hấp phụ vị trí hollow (top view) 29 Hình 3.14 Khí Li hấp phụ vị trí hollow (side view) 30 Hình 3.15 Đồ thị Band gap hệ hấp phụ 30 Hình 3.16 Hình 3.16 Đồ thị Band gap mật độ trạng thái hệ sau hấp phụ 30 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Năng lượng hấp phụ khí Li hệ đế Si-H mơ với ISIF=2 31 Bảng Năng lượng hấp phụ khí Li hệ đế Si-H mô với ISIF=3 32 vii PHẦN MỞ ĐẦU TÍNH THIẾT YẾU CỦA ĐỀ TÀI Khoa học - công nghệ phát triển mạnh mẽ, mà ưu tiên phát triển 03 lĩnh vực then chốt như: kĩ thuật số, công nghệ sinh học vật lí học Vật lý tính tốn đóng vai trị quan trọng phát triển khoa học vật liệu đại Thứ tính tiên phong việc tìm tính chất vật liệu, sở giải thích tượng cách hệ thống tiên đốn tính chất vật liệu; thứ hai việc tiết kiệm nguồn tài có hạn thiết bị thực nghiệm đắt đỏ, đặc biệt nơi có kinh tế chưa phát triển Do nhu cầu vật lí điện tử mong muốn tăng tốc độ xử lí linh kiện đồng thời phải giảm kích thước linh kiện Ngồi việc cải thiện tính chất linh kiện điện tử, cơng tìm kiếm vật liệu thay cho vật liệu điện tử truyền thống ln địi hỏi cần thiết cấp bách thời đại Năm 2004, Andre Geim cộng tách thành công lớp đơn nguyên tử carbon từ than chì, chứng minh tồn loại vật liệu hai chiều cấu thành từ carbon gọi Graphene Mặc dù silicon dạng khối lượng lớn trì tầm quan trọng ứng dụng thiết bị, silicene dạng 2D bắt đầu thu hút ý nhà nghiên cứu vật liệu Kara cộng sự phát triển biểu mô cấu trúc silicene cách lắng đọng silicon bề mặt Ag [1 0] cách song song ạt Các ứng dụng tiềm tương lai cấu trúc tổ ong silicene nanoribbons bao gồm loạt ứng dụng từ xuất tương lai công nghệ nano dựa silicon đến siêu nhạy cảm biến hóa học coi mũi điện tử, sinh học ung thư đánh dấu, cải tiến công nghệ pin mặt trời lĩnh vực pin nhiên liệu, cụ thể lưu trữ hydro [1] Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) phương pháp đắc lực hiệu Ngày nay, áp dụng rộng rãi nghiên cứu khoa học công nghệ thuộc nhiều lĩnh vực như: vật lý chất đọng, hóa lý, lý sinh, vật lý nano Vì lý tơi chọn đề tài “Khảo sát DFT đặc tính cấu trúc tính chất điện tử vật liệu Silicene nanoribbons hấp phụ Li” MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Khảo sát cấu trúc tính chất điện tử vật liệu Silicene nanoribbons hấp phụ Li phần mềm VASP PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tham khảo tài liệu nghiên cứu liên quan đến phần mềm VASP vật liệu silicene nanoribbons Chạy mơ hình phần mềm VASP máy tính HPC trường Đại học Thủ Dầu Một Xử lý kết chạy phần mềm VESTA, ORIGIN VÀ VASP ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu Silicene nanoribbons hấp phụ Li Phạm vi nghiên cứu: Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT, tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài, vật liệu Silicene nanoribbons NỘI DUNG Gồm chương: Chương 1: Giới thiệu lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT Chương 2: Vật liệu Silicene nanoribbons Chương 3: Kết thảo luận Chương 4: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG KẾT LUẬN Một số kết thu sau trình nghiên cứu trình bày sau:  Năng lượng cắt hệ thực mô ISIF=2 xác định với Encut = 450 eV, giá trị lượng giá trị -71.58 eV Khi mô ISIF=3, lượng cắt xác định Encut=350 eV, giá trị lượng -72.01 eV  Về khảo sát số điểm chia K-points, thực mô ISIF=2, số điểm chia K-points bắt đầu đạt độ ổn định 1×1×14, giá trị lượng vào khoảng -71.987 eV Khi thực mô ISIF=3, số điểm chia Kpoints đạt độ ổn định 1×1×13, giá trị lượng -71.993 eV  Về thực tối ưu cấu hình hấp phụ, thực tối ưu vị trí nguyên tử, vị trí top có lượng thấp với giá trị -71.80159597 eV Khi thực tối ưu cấu trúc hệ hấp phụ, vị trí hollow có lượng thấp với giá trị -72.35884853 eV  Hệ trạng thái ban đầu có mức Fermi vào khoảng 0.27 eV Khảo sát đồ thị Band gap sau tối ưu cấu trúc hấp phụ khí Li, mức Fermi thu hẹp gần 0, vào khoảng 0.08 eV Khảo sát đồ thị DOS, mật độ trạng thái phân tử có dải phân bố từ -5 đến 5.5 (đơn vị states/eV) Hệ hấp phụ sau tối ưu hấp phụ khí thể tính kim loại rõ  Về tính lượng hấp phụ, khảo sát với tham số ISIF=2, lượng hấp phụ đạt cực tiểu vị trí top, giá trị lượng -2.29685741 eV Khi khảo sát với tham số ISIF=3, lượng hấp phụ đạt cực tiểu vị trí hollow, giá trị lượng -1.50486366 eV Ngồi ra, tơi thực số cơng việc:  Tìm hiểu lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT cơng trình nghiên cứu vật liệu Silicene nanoribbons  Tìm hiểu phương pháp mơ DFT phương pháp mô vật liệu phần mềm VASP 34 PHỤ LỤC Hướng dẫn truy cập HPC Chạy MoBaXterm, chuột phải vào “User sessions” chọn “New session”, chọn “SSH”: Remote host: 113.161.166.155 Tick chọn Specify username, điền vào tên tài khoản: onvv Port: 26391 Bấm “OK” sau nhập password vào (kí tự nhập vào khơng hình) Enter (MoBaXterm hỏi có muốn lưu password hay khơng, muốn chương trình nhớ password cho lần đăng nhập sau chọn “Yes”) Tạo thư mục: mkdir Chuyển đến thư mục: cd Tạo thư mục K-points Encut: mkdir K-points mkdir Encut Hướng dẫn copy file hay thư mục qua lại HPC Laptop - Mở phần mềm MobaXterm Điền HOST: 113.161.166.155 Username: onvv Port: 26391 Bấm session, chọn SFTP, điền thông số trên, chọn Password, OK Trên hình: cửa sổ trái ngồi laptop (desktop), hpc Muốn copy qua lại click chuột vào thư mục cần kéo thả vào hpc - Muốn kéo vào thư mục cd vào thư mục đó, sau kéo thả vào - Nếu kéo thả tùy ý vào hpc dung lệnh mv để di chuyển Hương dẫn tính ENCUT hệ vật liệu mô Bước Tạo thư mục Encut thư mục tài khoản bạn: Lệnh: mkdir ENCUT kế bấm Enter Bước 2: copy thư mục file input hệ (ví dụ thư mục CO) từ laptop vào thư mục ENCUT hpc: 35 Lệnh: cd ENCUT, (di chuyển đến ENCUT) Lệnh : ll, ( kiểm tra xem ENCUT có CO chưa) Bước 3: tạo thư mục ENCUT + Tạo thư mục 100: Lệnh: cp –r CO 100 Lệnh: nano 100/INCAR - Dùng dấu mũi tên di chuyển trỏ để thay ENCUT = 100 - Bấm Ctrl + X, kế bấm Y, kế Enter + Tạo thư mục 150: Lệnh: cp –r 100 150 Lệnh: nano 150/INCAR - Dùng dấu mũi tên di chuyển trỏ để thay ENCUT = 150 - Bấm Ctrl + X, kế bấm Y, kế Enter + Tạo thư mục 200: Lệnh: cp –r 100 200 Lệnh: nano 200/INCAR - Dùng dấu mũi tên di chuyển trỏ để thay ENCUT = 200 - Bấm Ctrl+X, kế bấm Y, kế Enter Tương tự tạo thư mục 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, … Bước 4: Chạy chương trình thư mục vừa tạo Trở onvv, cd vào thư mục 100: Đánh lệnh: Submitjob –a VASP –x std –i Encut –n –p –w 10, bấm Enter Đánh lệnh: cd /150 Bấm mũi tên lên xuất lại lệnh: Submitjob –a VASP –x std –i Encut –n –p –w 10, bấm Enter Tương tự, đánh lệnh: cd /200 Lại bấm mũi tên tên làm tương tự, … Trở ENCUT Bước 5: thu kết lệnh: 36 Lệnh: tail –n1 */OS* , bấm Enter Trong bảng kết ra: Chọn số K-POINTS E0 tương ứng, dán vào origin hay excel để vẽ Chọn giá trị ENCUT thích hợp chỗ đồ thị bắt đầu nằm ngang Hướng dẫn tính K-POINTS hệ vật liệu mơ Bước Tạo thư mục K-points thư mục tài khoản bạn vd: Hungvl: Lệnh: mkdir K-points, bấm Enter (Chú ý Có dấu cách) Bước 2: thư mục onvv1, copy thư mục 500 thư mục ENCUT vào thư mục K-POINTS: Lệnh: cp –r /home/onvv/onvv1/Encut/500/ /home/onvv/Hungvl/K-POINTS/, bấm Enter Lệnh : ll, ( xem K-POINTS xem có mục 500 chưa?) Bước 3: tạo thư mục K-POINTS + Tạo thư mục 111: Lệnh: cp –r 500 111 Lệnh: nano 111/K-POINTS - Dùng dấu mũi tên di chuyển trỏ để thay K-POINTS thành 111 - Bấm Ctrl+X, kế bấm Y, kế Enter + Tạo thư mục 222: Lệnh: cp –r 500 222 Lệnh: nano 222/K-POINTS - Dùng dấu mũi tên di chuyển trỏ để thay K-POINTS thành 222 - Bấm Ctrl+X, kế bấm Y, kế Enter + Tạo thư mục 333: Lệnh: cp –r 500 333 Lệnh: nano 333/K-POINTS - Dùng dấu mũi tên di chuyển trỏ để thay thành 3 - Bấm Ctrl+X, kế bấm Y, kế Enter 37 Tương tự tạo thư mục 444, 555, 666, … Bước 4: chạy chương trình thư mục vừa tạo - Trở K-POINTS, cd vào thư mục 111: - Đánh lệnh: Submitjob –a VASP –x std –i K-POINTS –n –p –w 10, bấm Enter - Đánh lệnh: cd /222 - Bấm mũi tên lên cho đế xuất lại lệnh: Submitjob –a VASP –x std –i K-POINTS –n –p –w 10, bấm Enter - Tương tự, đánh lệnh: cd /333 - Lại bấm mũi tên tên làm tương tự, ……………………………………… Xong , trở K-POINTS Bước 5: thu kết lệnh: - Lệnh: tail –n1 */OS*, bấm Enter - Trong bảng kết : Chọn số K-POINTS E0 tương ứng, dán vào origin hay excel để vẽ Chọn giá trị K-POINTS thích hợp chổ đồ thị bắt đầu nằm ngang KHẢO SÁT DOS - BAND: Chuyển đến thư mục Hungvl: cd Hungvl +Tạo thư mục dos: mkdir dos-band Chép file thư mục scf vào thư mục dos-band: CHGCAR CONTCAR Chuyển đến thư mục dos: cd dos Chỉnh sửa file INCAR: nano INCAR Ribbon ISMEAR = ENCUT = 400 SIGMA = 0.05 RWIGS = 1.312 0.370 38 CHARG = 11 PREC = Accurate ISPIN = MAGMOM = 17*1 NSW = IBRION = -1 LORBIT = 11 POTIM = 0.3 EDIFFG = -0.01 EMIN = -15 EMAX = 15 NEDOS = 3000 Lưu thoát: bấm Ctrl + X, bấm “Y” Enter Lưu file CONTCAR thư mục dos thành POSCAR: cp CONTCAR POSCAR Gõ lệnh: submitjob -a VASP -x std -i dos –n -p -w 10 Download file vasprun.xml thư mục dos để xử lý vẽ Một số kết số liệu thực qua nhiều lần mô để chọn kết tối ưu nhất: Tối ưu cấu trúc mạng: ISIF=2 Vị trí bridge: energy(sigma->0) = -71.49340725 Vị trí hollow: energy(sigma->0) = -71.63935522 Vị trí top: energy(sigma->0) = -71.80159597 Vị trí valley: energy(sigma->0) = -71.49388291 ISIF = Vị trí bridge: energy(sigma->0) = energy(sigma->0) = -82.47157838 -72.23336007 Vị trí hollow: 39 energy(sigma->0) = -81.83194752 energy(sigma->0) = -72.35884853 Vị trí top: energy(sigma->0) = -72.48145056 energy(sigma->0) = -72.27018397 energy(sigma->0) = -81.06343749 energy(sigma->0) = -71.63499182 Vị trí valley: energy(sigma->0) = -81.04474351 energy(sigma->0) = -73.65570697 energy(sigma->0) = -72.03862580 energy(sigma->0) = -79.00641645 Số liệu Encut: Encut ISIF=2 150/OSZICAR 200/OSZICAR 250/OSZICAR 300/OSZICAR 350/OSZICAR 400/OSZICAR 450/OSZICAR 500/OSZICAR