CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.5. THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC STM TRÊN MẪU GRAPHENE PHA TẠP NITƠ
Kết quả đo kính hiển vi điện tử xuyên hầm (STM) trên mẫu graphene pha tạp Nitơ đƣợc thể hiện qua hình 3.46. Diện tích quét mẫu trên diện tích 0,6 nm x 0,6 nm. Từ hình ảnh kính hiển vi ta có thể thấy vị trí của các nguyên tử cacbon sắp xếp theo trật tự lục giác. Trong cấu trúc của graphene, mỗi nguyên tử cacbon liên kết với 3 nguyên tử bằng các liên kết xen phủ quỹ đạo lai hoá sp2 và mỗi nguyên tử còn một quỹ đạo pz tạo ra các liên kết π giữa chúng. Do đó các điểm sáng tại vị trí nguyên tử tương ứng với điện tử tại các điểm sáng trên hình kính hiển vi tương ứng với vị trí pha tạp nguyên tử nitơ. Theo nguyên lý hoạt động của STM, vị trí có điểm sáng tương với mật độ điện tích cao. Kết quả tính toán mật độ điện tích của graphene pha tạp một nguyên tử nitơ cho thấy các điện tích tích tụ xung quanh nguyên tử nitơ và cacbon lân cận. Phân tích chi tiết kết quả tính toán giải thích sự tích tụ điện tích là do nguyên tử nitơ nhận điện tích từ các nguyên tử cacbon lân cận. Nhằm làm rõ hơn sự tích tụ điện tích, chúng tôi thực hiện mô phỏng hình ảnh STM ở bias voltage 25 mV ở kích thước 4x4. Hình ảnh mô phỏng được biểu diễn trong hình 3.47. Hình ảnh mô phỏng cho hình ảnh rõ n t hơn về sự chuyển điện tích từ nguyên tử cacbon cho nguyên tử nitơ tại vị trí pha tạp.
52
Hình 3.46. Hình ảnh kính hiển vi điện tử xuyên hầm của mẫu graphene pha tạp nitơ
53
Hình 3.47. Hình ảnh mô phỏng STM của graphene pha tạp nitơ. Vị trí có màu đỏ tương ứng với mật độ điện tích cao do có sự tích tụ của điện tích.
54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu đề tài, chúng tôi đã đạt đƣợc 1 số kết quả sau:
- Đã mô hình hóa đƣợc lớp graphene nguyên chất cũng nhƣ graphene có pha tạp nguyên tố Nitơ và Boron.
+ Chứng minh đƣợc rằng Nitơ hay boron là những nguyên tử có thể thay thế các nguyên tử C từ mạng tinh thể, ngay cả khi quá trình này đƣợc liên kết với hàng rào năng lƣợng kích hoạt lớn.
+ So sánh được hướng quay của phân tử nước vào lớp graphene khi pha tạp N hay B.
- Đã tính đƣợc mật độ trạng thái (DOS) của graphene nguyên chất với 1 phân tử nước cũng như graphene pha tạp N hay B.
+ Tất cả các loại tương tác của H2O với graphene pha tạp đều cho mức Fermi rời khỏi điểm Dirac, chứng tỏ graphene pha tạp có tương tác tốt với phân tử nước.
+ Giải thích đƣợc mức Fermi dịch chuyển lên hay xuống trong thang năng lƣợng.
+ Giải thích đƣợc tính dẫn điện của graphene pha tạp. (Graphene nguyên chất gần nhƣ không có tính chất này)
- Đã biểu diễn được sự phân bố mật độ điện tích của nước tương tác với graphene.
+ Sự phân bố mật độ điện tích của nước tương tác với graphene pha tạp phù hợp với lí thuyết.
- Dựa vào phương pháp vdW – DFT đã tính toán được tương tác của phân tử nước với graphene nguyên chất và graphene pha tạp N, B.
+ Kết quả đo mức độ tương tác của H2O với graphene nguyên chất bằng các hệ nhƣ vdW-DF2C09x, rev-vdW-DF2, rvv10, DFT-D3 đều không khác nhiều so với kết quả đã công bố trước đó.
55
+ Pha tạp N hay B vào graphene thì năng lƣợng đều lớn hơn so với graphene nguyên chất. Điều này chứng tỏ khi pha tạp graphene thì mức độ tương tác của graphene với nước đều mạnh.
+ Trong các loại pha tạp thì pha tạp 2 nguyên tử N ở vị trí AB là lớn nhất.
- Kết quả đo kính hiển vi điện tử xuyên hầm (STM) trên mẫu graphene pha tạp Nitơ hoàn toàn phù hợp với tính toán bằng phương pháp vdW – DFT.
Luận văn đã hoàn thành đƣợc các mục tiêu ban đầu đề ra: Khảo sát phân bố điện tích khi pha tạp nguyên tố nitơ và boron ở nồng độ thấp vào graphene bằng thực nghiệm và tính chất kị nước của hệ vật liệu.
2. Kiến nghị
Luận văn đang dừng ở graphene 4x4 và pha tạp 1, 2 nguyên tử N hay B vào hệ để tương tác với 1 phân tử H2O. Công việc này có thể tiếp tục phát triển ở các khía cạnh khác nhau như: pha tạp nhiều hơn 2 nguyên tử, tương tác giữa graphene với nước nhiều hơn 1 phân tử H2O. Xét tiếp các yếu tố ảnh hưởng lớp nền graphene để tạo ra vật liệu tối ƣu.
56