Tài liệu Luận án nghiên cứu tính chất điện tử và hiện tượng truyền dẫn điện tử của một số hệ vật liệu dạng ngũ giác bằng phương pháp mô phỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRẦN YẾN MI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN MÃ SỐ 9440103 NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRẦN YẾN MI MÃ SỐ NCS: P1919002 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN MÃ SỐ 9440103 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS. TS. NGUYỄN THÀNH TIÊN TS. ĐẶNG MINH TRIẾT NĂM 2022 CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Luận án này với tựa đề là “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG”, do nghiên cứu sinh Trần Yến Mi thực hiện theo sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thành Tiên và TS. Đặng Minh Triết. Luận án đã báo cáo và được Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ thông qua ngày: …/…/…. Luận án đã được chỉnh sửa theo góp ý và được Hội đồng đánh giá luận án xem lại. Thư ký Ủy viên Ủy viên Phản biện 3 Phản biện 2 Phản biện 1 Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Chủ tịch Hội đồng i Để có thể hoàn thành quyển luận án NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến: Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ và hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Thành Tiên, cùng TS. Đặng Minh Triết đã giúp tôi định hình hướng nghiên cứu và hoàn thành luận án. Hơn thế nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đúng tiến trình phấn đấu cá nhân. Đồng thời, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các Giảng viên là PGS. TS. Nguyễn Thanh Phong, PGS. TS. Vũ Thanh Trà, TS. Huỳnh Anh Huy, PGS. TS. Phạm Vũ Nhật và học viên cao học Võ Trung Phúc thuộc trường Đại học Cần Thơ đã luôn đồng hành cùng tôi trong mọi khó khăn của nhiệm vụ học tập này. Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa Học Tự Nhiên, bạn bè và gia đình đã tạo cho tôi cơ hội học tập và động lực để thực hiện thành công nhiệm vụ quan trọng và đam mê này. Trên tất cả, tôi kính dâng thành quả này đến người cha quá cố, ông Trần Diêu, người mà suốt đời đã đánh đổi tất cả chỉ vì việc học và tương lai của các con. Cần Thơ, ngày 05 tháng 9 năm 2022 Trần Yến Mi ii TÓM TẮT LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Dựa vào phương pháp mô phỏng DFT (Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử) và phương pháp mô phỏng NEGF-DFT (Hàm Green không cân bằng kết hợp Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử), chúng tôi quan tâm đến tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS có hai biên răng cưa, các liên kết dư tại biên được trung hòa bằng các nguyên tử Hydro (H) và đều có các cấu trúc tiền thân thuộc nhóm đối xứng P-421m. Các kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng ngay cả khi chúng có độ rộng tương đương nhau thì tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của chúng cũng có sự khác nhau tương đối. Một trong các điểm khác khác nhau này được thể hiện ở sự phân bố trạng thái theo không gian ứng với các mức năng lượng lân cận mức Fermi, mức VBM (Valence Band Maximum – mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị) và mức CBM (Conduction Band minimum – mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn). Tuy vậy, chúng vẫn bảo đảm một số đặc trưng chung như: Chúng đều là các chất bán dẫn có vùng cấm vừa phải ( 2,3 eV) và không mang từ tính. Trạng thái điện tử ứng với mức năng lượng CBM luôn xuất hiện đáng kể tại vùng giữa của mỗi dải nano ngũ giác, và có nguồn gốc chủ yếu từ các orbital p của các nguyên tử lai hóa sp2. Tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của chúng chủ yếu được quyết định bởi các trạng thái điện tử của các nguyên tử lai hóa sp2 nằm tại hai lớp nguyên tử thành phần ngoài cùng của mỗi cấu trúc. Với tất cả các đặc trưng trên, chúng tôi nhận thấy khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu này vào lĩnh vực cảm biến khí. Cụ thể, nghiên cứu của chúng tôi cũng cho thấy tiềm năng cảm biến khí CO, CO2 và NH3 của mô hình PG-SS được chọn làm đại diện, với một số kết quả cụ thể sau: Mô hình PG-SS có khả năng bị thay đổi mạnh tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử khi các phân tử khí được hấp phụ ngay trên liên kết giữa hai nguyên tử lai hóa sp2. Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào loại nguyên tử được hấp phụ. Mô hình PG-SS có khả năng cảm biến tốt phân tử CO và NH3, tuy nhiên không phù hợp để cảm biến phân tử CO2. iii Đặc biệt, việc ứng dụng đế PG-SS trong cảm biến phân tử NH3 còn có ưu điểm vượt trội về khả năng hồi phục linh kiện, do liên kết giữa PG-SS và NH3 chỉ là liên kết vật lý. Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm sáng tỏ tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác xuất phát từ các cấu trúc hai chiều tiền thân có cùng nhóm đối xứng P-421m, có hai biên răng cưa với các liên kết dư tại biên được trung hòa bởi các nguyên tử H, có cấu trúc phẳng, là chất bán dẫn có vùng cấm xiên vừa phải và không mang từ tính, PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS. Dựa vào các đặc tính nổi bật này, chúng tôi tin tưởng rằng chúng có khả năng ứng dụng để chế tạo các cảm biến khí. Về khía cạnh học thuật, luận án góp phần bổ sung vào mảng kiến thức liên quan đến tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu cấu trúc nano. Từ khóa: dải nano ngũ giác, PG-SS, p-P2C-SS, p-SiC2-SS, tính chất điện tử, tính chất truyền dẫn điện tử. iv ABSTRACT RESEARCH ON ELECTRONIC AND ELECTRONIC TRANSPORT PROPERTIES OF SOME PENTAGONAL NANORIBBON MATERIALS BY SIMULATION METHODS Based on DFT and NEGF-DFT simulation methods, we pay attention to the electronic and electronic transport properties of pentagonal nanoribbon samples, PGSS, p-P2C-SS and p-SiC2-SS. These models have sawtooth edges with dangling bond atoms neutralized by H ones and their precursors pose P-421m symmetry. Although having the similar widths, these nanoribbons are quite different in electronic and electronic transmission properties. One of these differences is the spatial distributions of many electronic states which are in Valence Band Maximum (VBM) and Conduction Band minimum (CBM) states. However, they also have many similar characteristics: All of them are moderate indirect band gap and non-magnetic semiconductors. The conduction band maximum (CBM) states of all these samples have a major contribution from the sp2 hybridized atoms in non-edge regions. The outermost layer atoms (sp2-hybridized atoms) in each sample play an important role in both electronic and electronic transport properties. According to these wonderful characteristics, we prove that these pentagonal nanoribbon models could become gas sensors. In details, we make a research on CO, CO and NH3 gas sensing capabilities of the PG-SS model, which is representative. As a result, we get these following conclusions: The electronic and electronic transport properties of PG-SS could be significantly affected of CO, CO2 and NH3 molecules absorbed right above sp2hybridized atom bondings. PG-SS-based sensor is an excellent candidate for detecting CO and NH3 molecules, but it is not suitable for CO2 adsorption. In particular, PG-SS-based gas sensor could be restored in NH3 adsorption, because the interation between them is only physical. In conclusions, these findlings contribute to clarifying the electronic and electronic transmission properties of pentagonal nanoribbon models which have sawtooth edges with dangling bond atoms neutralized by H ones and their precursors pose P-421m symmetry. Based on these results, we optimistically believe that these models could be used in the manufacture of gas sensors. About the academic aspect, these discoveries contribute to elucidate the physical properties of nanometer-structured materials. v Key-words: pentagonal nanoribbons, PG-SS, p-P2C-SS, p-SiC2-SS, electronic properties, electronic transport properties. vi LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Trần Yến Mi, là NCS ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý toán, khóa 2019. Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Thành Tiên và TS. Đặng Minh Triết. Các thông tin được sử dụng tham khảo trong đề tài luận án được thu thập từ các nguồn đáng tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần Tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện một cách nghiêm túc, trung thực và không trùng lắp với các đề tài khác đã được công bố trước đây. Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này. Cần Thơ, ngày tháng năm Người hướng dẫn chính Người thực hiện Nguyễn Thành Tiên Trần Yến Mi Người hướng dẫn phụ Đặng Minh Triết vii MỤC LỤC Danh mục viết tắt .……………………………………………………………... xiii Danh sách hình ....……………………………………………………………… xiv Danh sách bảng ...……………………………………………………………… xxiii Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN LUẬN ÁN ………………………... 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài…………………………………………………….. 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………………... 3 1.3 Đối tượng và nội dung nghiên cứu…………………………………………. 3 1.4 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………........ 3 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn……………………………………………… 4 1.6 Cấu trúc của luận án………………………………………………………... 4 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU DẢI NANO NGŨ GIÁC PG-SS, P-SiC2-SS VÀ P-P2C-SS………………………………. 6 2.1 Mô hình PG-SS…………………………………………………………….. 6 2.1.1 Mô hình PG………………………………………………………………. 6 2.1.2 Mô hình PG-SS…………………………………………………………... 8 2.2 Mô hình p-SiC2-SS………………………………………………………… 10 2.2.1 Mô hình p-SiC2…………………………………………………………... 10 2.2.2 Mô hình p-SiC2-SS………………………………………………………. 12 2.3 Mô hình p-P2C-SS………………………………………………………….. 14 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DFT VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NEGF-DFT…………………………………………………………. 16 MỤC A: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DFT………………………………… 16 3.1 Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT)...……………………………… 16 3.1.1 Bài toán về hệ nhiều hạt.………………………………………………….. 16 3.1.2 Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT)...…………………………… 17 3.1.3 Mô hình Kohn-Sham…………………………………………………….. 18 3.1.4 Phiếm hàm năng lượng tương quan trao đổi……………………………… 18 3.1.5 Hiệu chỉnh tương tác Van der Waals……………………………………... 21 viii 3.2 Phương pháp mô phỏng DFT………………………………………………. 23 3.2.1 Bộ hàm cơ sở……………………………………………………………... 23 3.2.2 Giả thế……………………………………………………………………. 24 3.2.3 Lưới k-point……………………………………………………………… 26 3.2.4 Cách vận hành chương trình mô phỏng DFT……………………………... 27 3.2.5 Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp mô phỏng DFT……………… 29 MỤC B: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NEGF-DFT………………………... 30 3.3 Cách tiếp cận của Landauer trong vấn đề truyền dẫn điện tử……………….. 30 3.3.1 Năm giả định của Landauer………………………………………………. 30 3.3.2 Ưu điểm và khuyết điểm của cách tiếp cận Landauer…………………….. 33 3.4 Định lượng lý thuyết Landauer – Hệ số truyền qua T(E)…………………… 35 3.4.1 Một số đặc trưng của mô hình……………………………………………. 35 3.4.2 Xây dựng biểu thức Hệ số truyền qua…………………………………….. 35 3.5 Biểu thức hệ số truyền qua biểu diễn theo hàm Green……………………… 43 3.5.1 Phương pháp hàm Green cho mô hình đơn hạt…………………………… 43 3.5.2 Biểu thức hàm Green toàn linh kiện……………………………………… 44 3.5.3 Biểu diễn T(E) theo hàm Green toàn linh kiện…………………………… 47 3.6 Phương pháp mô phỏng NEGF-DFT………………………………………. 48 3.6.1 Cấu hình linh kiện………………………………………………………... 49 3.6.2 Cách vận hành chương trình mô phỏng NEGF-DFT……………………... 50 Chương 4: THẢO LUẬN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN ÁN……………………………………………………………………... 52 MỤC A: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA MÔ HÌNH P-SiC2-SS…. 52 4.1 Mô hình p-SiC2…………………………………………………………….. 52 4.2 Các thông số quan trọng dùng mô phỏng các dải nano ngũ giác p-SiC2……. 54 4.3 Các mô hình dải nano ngũ giác p-SiC2……………...……………………... 54 4.4 Mô hình p-SiC2-SS……………………………………………………........ 57 4.4.1 Mức độ ổn định và bền vững của mô hình p-SiC2-SS…………………….. 57 4.4.2 Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng……………………………………………………………….. 59 ix 4.4.3 Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái……………………………………………………………………….. 61 4.4.4 Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái hướng đối tượng………..……………………………………………. 63 4.4.5 Trực quan hóa trạng thái điện tử của mô hình p-SiC2-SS…………………. 65 4.5 Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu mô hình p-SiC2-SS ……… 66 MỤC B: SO SÁNH TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA CÁC MÔ HÌNH PG-SS, P-P2C-SS VÀ P-SiC2-SS………………………. 68 4.6 Mô hình p-P2C và mô hình p-P2C-SS………………………………………. 68 4.6.1 Mô hình p-P2C…………………………………………………………… 68 4.6.2 Một số thông số quan trọng dùng mô phỏng mô hình p-P2C-SS………….. 69 4.6.3 Cấu trúc và mức độ ổn định của mô hình p-P2C-SS………………………. 70 4.6.4 Tính chất điện tử và từ tính của mô hình p-P2C-SS có W = 10…………... 72 4.7 Các thông số quan trọng dùng mô phỏng các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS…………………………………………………………………….... 73 4.7.1 Các thông số dùng mô phỏng cấu trúc hình học, độ ổn định và tính chất điện tử………………………………………………………………………….. 73 4.7.2 Các thông số dùng mô phỏng tính chất truyền dẫn điện tử………………... 74 4.8 Một số đặc tính của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS………….. 74 4.8.1 Cấu trúc hình học của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS….…. 74 4.8.2 Khả năng bền vững của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS…... 76 4.9 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS................ 77 4.9.1 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng…..…………………………………… 77 4.9.2 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái………………………………………………... 78 4.9.3 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái hướng đối tượng…..………………………….. 80 4.9.4 Trực quan hóa tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và pSiC2-SS………………………………………………………………………… 82 4.10 Tính chất truyền dẫn điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2SS……………………………………………………………………………… 83 x 4.10.1 Các mô hình linh kiện…………………………………………………... 83 4.10.2 Hệ số truyền qua T(E) của các mô hình linh kiện………………………... 84 4.10.3 So sánh sự phân bố mật độ điện tử cộng hóa trị của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS trong hai tình huống: cấu trúc tuần hoàn và vùng trung tâm của linh kiện……………………………………………………………….. 85 4.11 Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu nhóm mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS………………………………………………………… 87 MỤC C: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MÔ HÌNH PG-SS……………. 89 4.12 Vấn đề hấp phụ phân tử khí……………………………………………….. 89 4.12.1 Tổng quan về hiện tượng hấp phụ phân tử trên các vật liệu thấp chiều…………………………………………………………………………… 89 4.12.2 Cảm biến khí……………………………………………………………. 90 4.12.3 Lý do lựa chọn mô hình và loại phân tử khí……………………………... 90 4.13 Các bước nghiên cứu chính……………………………………………… 91 4.14 Các thông số mô phỏng quan trọng của chương trình……………………... 91 4.14.1 Các thông số dùng mô phỏng cấu trúc hình học và tính chất điện tử…….. 91 4.14.2 Các thông số dùng mô phỏng tính chất truyền dẫn điện tử………………. 92 4.15 Cấu trúc hình học và tính chất điện tử của mô hình PG-SS………………... 92 4.16 Một số vị trí hấp phụ tối ưu của CO, CO2 và NH3 trên PG-SS……………. 93 4.17 Ảnh hưởng của sự hấp phụ lên tính chất điện tử của mô hình PG-SS……… 95 4.17.1 Phân tích theo điện tử trao đổi…………………………………………... 95 4.17.2 Phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng………………………………... 96 4.17.3 Phân tích theo mật độ trạng thái………………………………………… 97 4.17.4 Trực quan hóa sự phân bố trạng thái điện tử trong không gian…………... 98 4.18 Ảnh hưởng của sự hấp phụ lên tính chất truyền dẫn điện tử của mô hình PG-SS………………………………………………………………………….. 99 4.18.1 Cấu hình linh kiện………………………………………………………. 99 4.18.2 Sự thay đổi của hệ số truyền qua T(E) của mô hình linh kiện do hiện tượng hấp phụ………………………………………………………………….. 100 4.19 Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu hiện tượng hấp phụ……... 101 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT…………………………... 104 xi 5.1 Các kết luận quan trọng của luận án………………………………………... 104 5.2 Vấn đề tồn đọng trong nghiên cứu…...……………………………………... 105 5.3 Một số hướng nghiên cứu tiếp theo………………………………………… 106 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………... 107 Danh mục các bài báo đã công bố……………………………………………… 115 xii DANH MỤC VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT GIẢI THÍCH C Nguyên tử Carbon C2 Nguyên tử Carbon lai hóa sp2 C3 Nguyên tử Carbon lai hóa sp3 CBM Năng lượng cực tiểu trong vùng dẫn của cấu trúc vùng năng lượng DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử DOS Mật độ trạng thái Ef Mức năng lượng Fermi H Nguyên tử Hydro KS Kohn-Sham NEGF-DFT Hàm Green không cân bằng kết hợp lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử P Nguyên tử Phosphorus PDOS Mật độ trạng thái hướng đối tượng PG Penta-graphene PGNR Dãy nanomet ngũ giác Penta-graphene nói chung PG-SS Dãy nanomet ngũ giác PGNR có hai biên dạng răng cưa p-P2C-SS Dãy nanomet ngũ giác p-P2C có hai biên dạng răng cưa p-SiC2 Penta-silicene dicarbide p-SiC2-NR Dãy nanomet ngũ giác Penta-silicene dicarbide nói chung p-SiC2-SS Dãy nanomet ngũ giác p-SiC2 có hai biên dạng răng cưa Si Nguyên tử Silicon VBM Năng lượng cực đại trong vùng hóa trị của cấu trúc vùng năng lượng VdW Van der Waals W Độ rộng của dãy, được tính bằng tổng số dãy nguyên tử dọc theo chiều tuần hoàn của mô hình xiii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Cấu trúc hình học của PG. Ô vuông đỏ đứt nét giới hạn một ô cơ sở. Trong ô cơ sở, các quả cầu màu đen và màu vàng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C2 và C1. Các hình ngũ giác với các màu khác nhau nhằm minh họa tính chất không đồng phẳng giữa chúng. Hình bên dưới thể hiện góc nhìn song song bề mặt của mẫu cho thấy PG là cấu trúc nhấp nhô có độ gồ ghề h [6]…………………... 6 Cấu hình điện tử của PG. Hình (a) là cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố mật độ trạng thái điện tử theo năng lượng (DOS). Các hình (b) và (c) tương ứng với các trạng thái điện tử có các mức năng lượng ngay dưới mức Fermi. Các hình (d) và (e) là các trạng thái điện tử có các mức năng lượng ngay trên mức Fermi [6]……... 7 Các cấu trúc hình học của PGNR. Hình (a) minh họa các hướng cắt đối với PG. Các hình (b), (c), (d) và (e) lần lượt là các cấu trúc PG-ZZ, PG-ZA, PG-AA và PG-SS. Ký hiệu w đặc trưng cho độ rộng của mỗi dải. Các quả cầu màu xám và màu trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và H. Các quả cầu với các màu sắc còn lại ở các dải nano tượng trưng cho các hướng cắt ở hình (a). Các hình chữ nhật màu đỏ đứt nét cho thấy một siêu ô cơ sở của mỗi dải nano [15]……………………………………………………… 8 Tính chất điện tử đặc trưng của PG-SS. Hình (a) là cấu trúc vùng năng lượng cho thấy PG-SS là chất bán dẫn có vùng cấm xiên, và sự phân bố trong không gian của các orbital ứng với các mức năng lượng lân cận mức Fermi. Hình (b) là đồ thị DOS cho thấy các nguyên tử C tại biên có vai trò quan trọng đối với tính chất điện tử của PG-SS [15]…………………………………………………… 9 Cấu trúc hình học của p-SiC2. Hình (a) đại diện cho một ô cơ sở với giá trị của các góc liên kết. Hình (b) cho thấy bề mặt của pSiC2. Hình (c) minh hoạt độ gồ ghề h của mẫu khi được nhìn theo hướng song song bề mặt. Các quả cầu màu đen và màu vàng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và Si [25]……………………… 11 Đặc tính điện tử của p-SiC2. Hình (a) cho thấy cấu trúc vùng năng lượng. Hình (b) và (c) thể hiện sự phân bố trạng thái (DOS) theo năng lượng. Các Hình (d) và (f) chỉ rõ sự phân bố của các trạng thái điện tử trong không gian (các quả bóng màu tím) lần lượt theo mức năng lượng CBM và VBM. Hình (e) cho thấy nơi điện tích xiv Hình 2.7: đang chiếm giữ (màu đỏ) và nơi thiếu hụt điện tích (màu xanh lá cây). Các quả cầu màu vàng và xám lần lượt đại diện cho các nguyên tử Si và C [26]……………………………………………. 12 Một số cấu trúc hình học của dải nano được cắt ra từ p-SiC2. Trong đó, hình (a) là buckle-SiC2-pentagon-CH, hình (b) là buckledSiC2-pentagon-CH2, hình (c) là buckled-SiC2-pentagon-SiH và hình (d) là buckled-SiC2-pentagon-SiH2. Các quả cầu màu xám, màu vàng và màu trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C, Si và H. Trong mỗi hình, từng mẫu được nhìn theo ba hướng khác nhau [26]…………………………………………………………. 13 Hình 2.8: Một số cấu trúc hình học của dải nano được cắt ra từ p-SiC2. Trong đó, (a) là SiC2-SS (luận án gọi là p-SiC2-SS), (b) là SiC2-AA và (c) là SiC2-ZZ. Các quả cầu màu xanh, màu tím và màu trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C, Si và H. Mỗi hình (b) và (c) cho thấy mỗi cấu trúc được nhìn theo hai hướng khác nhau [27]……………………………………………………………….. 13 Hình 2.9: Cấu trúc hình học của mẫu p-P2C. Hình (a) và (c) lần lượt là ảnh theo hướng vuông góc và song song bề mặt của vật liệu. Các ký hiệu α, β và γ đại diện cho các góc liên kết đặc trưng. Hình (b) minh hoạt cấu trúc của ô cơ sở. Các quả cầu màu tím và màu xanh lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và P [34]…………………… 14 Cấu trúc điện tử của mẫu p-P2C. Hình (a) thể hiện cấu trúc vùng năng lượng được tính theo phiếm hàm năng lượng tương quan trao đổi GGA/PBE (đường màu xanh dương) và HSE06 (đường màu đỏ). Hình (b) cho thấy sự phân bố của DOS được tính theo HSE06. Các đường màu đỏ và màu xanh trong hình (b) lần lượt đại diện cho orbital s và p của loại nguyên tử P (hình trên) và loại nguyên tử C (hình dưới) [34]……………………………………………… 15 Vai trò quan trọng của bổ đính tương tác Van der Waals vào năng lượng tổng của hệ nhiều hạt. Đường cong màu xanh lá là năng lượng tổng của hệ khi chưa có năng lượng bổ đính VdW. Các đường cong màu đỏ là năng lượng bổ đính VdW khi chưa có hàm tắt dần fdmp (đường đứt nét màu đỏ) và khi có hàm tắt dần fdmp (đường liền nét màu đỏ). Đường cong màu tím là năng lượng tổng của hệ nhiều hạt khi tính đến năng lượng bổ đính VdW [51]……… 22 Hình 2.10: Hình 3.1: Hình 3.2: Sự khác biệt giữa giả thế (UPP) và giả hàm sóng (ΨPP) so với thế tĩnh điện (UAE) do cấu trúc thực sinh ra và hàm sóng thực (Ψ𝐴E) của các điện tử trong nguyên tử. Trong hình, trục hoành thể hiện xv Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 3.8: Hình 3.9: Hình 3.10: Hình 3.11: Hình 3.12: Hình 4.1: khoảng cách tương đối giữa điện tử và hạt nhân, trục tung thể hiện giá trị thế năng. Đường đứt nét song song trục tung chỉ ra bán kính của cấu trúc lõi [43]………………………………………………. 26 Sơ đồ hoạt động đặc trưng của một chương trình mô phỏng dựa vào phương pháp mô phỏng DFT.................................................... 28 Mô hình của linh kiện điện tử có cấu trúc ở cấp độ nanomet. Tập hợp các quả cầu đại diện cho vùng trung tâm, hai hình khối chữ nhật đặc trưng cho các điện cực [76]……………………………… 30 Mô hình cấu trúc linh kiện được vẽ lại khi áp dụng giả định 1 của Landauer. Mỗi điện tử được đại diện bằng bó sóng [76]………….. 31 Mô hình đơn giản của linh kiện. Hệ điện tử trong toàn linh kiện được xem là hệ kín và có hiện tượng tán xạ tại hai biên ở xa vô cùng. Hệ điện tử trong vùng trung tâm được xem là hệ mở……….. 32 Bức tranh toàn cảnh về sự vận chuyển điện tử trong linh kiện điện tử có cấu trúc nano theo cách tiếp cận của Landauer [76]…………. 33 Cơ chế hình thành điện trở cục bộ và điện trường cục bộ. Tạm thời trong hình chỉ xét dòng hạt tải đi từ điện cực trái sang điện cực phải. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra cho dòng điện đi theo chiều ngược lại………………………………………………………….. 34 Hướng truyền (x) và các hướng bị giam cầm (y,z) của điện tử trong mỗi điện cực. Vùng trung tâm ở giữa hai điện cực có cấu trúc nano………………………………………………………………. 36 Cấu trúc của linh kiện theo phương pháp hàm Green. Tại đây, các thế VLC và VCR đặc trưng cho sự tương tác giữa vùng trung tâm và mỗi điện cực……………………………………………………… 45 Cấu trúc của linh kiện theo chương trình mô phỏng. Hình chữ nhật màu đỏ đứt nét giới hạn vùng được dùng để tính toán tính chất truyền dẫn điện tử, vùng L – C – R. Các hình chữ nhật màu xanh cho thấy vùng xảy ra sự tương tác giữa mỗi điện cực và vùng trung tâm. Các VLC và VCR đại diện cho các thế tương tác xảy ra trong hai vùng tiếp giáp này…………………………………………….. 49 Cách vận hành chương trình mô phỏng NEGF-DFT để tính các tính chất truyền dẫn điện tử trong linh kiện cấu trúc nano ở nhiệt độ 0 K và chưa có hiệu điện thế áp vào……………………………. 51 Hình (a) và (b) là cấu trúc hình học của p-SiC2 lần lượt được nhìn theo hướng vuông góc và song song với bề mặt của mẫu, tam giác 53 xvi màu xanh nhạt -X-M đại diện cho vùng Brioulline thứ nhất tối giản tương ứng với cấu trúc hình học này, các điểm , X, và M là các điểm đối xứng cao được chọn trong vùng Brioulline thứ nhất. Hình vuông đứt nét màu đỏ trong (a) giới hạn một ô cơ sở của mô hình. Các quả cầu màu xám và màu vàng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và Si. Các hình (c) và (d ) lần lượt là phổ tán xạ phonon và cấu trúc vùng năng lượng của mô hình p-SiC2 được vẽ tương ứng với vùng Brioulline thứ nhất tối giản -X-M. Các đường đứt nét màu đỏ trong hình (c) và (d) lần lượt đại diện cho mức dao động có tần số bằng 0 và mức năng lượng Fermi được chọn là gốc năng lượng…………………………………………… Hình 4.2: Hình 4.3: Hình 4.4: Hình 4.5: Hình 4.6: Cấu trúc hình học của các kiểu p-SiC2-NR đã được tối ưu hóa cấu trúc và tính chất điện tử. Hình (a) là p-SiC2-ZZ có độ rộng W = 7, hình (b) là p-SiC2-ZA có độ rộng W = 8, hình (c) là p-SiC2-AA có độ rộng W = 9 và hình (d) là p-SiC2-SS có độ rộng W = 6. Mỗi giá trị của W được tính theo tổng số dải nguyên tử dọc theo chiều tuần hoàn trong mẫu. Trong mỗi hình, đường màu đỏ gãy khúc và đường thẳng màu xanh lá đại diện cho các kiểu dải nguyên tử. Mỗi trường hợp có hai hình thành phần, hình thành phần bên trái được nhìn theo hướng vuông góc và hình thành phần bên phải được nhìn theo hướng song song với bề mặt của mẫu. Các ký hiệu a và h đại diện cho hằng số mạng và độ gồ ghề của mỗi mô hình. Các quả cầu màu xám, cam và trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C, Si và H……………………………………………………………. 55 Sự thay đổi năng lượng hình thành (Eform) của từng kiểu dải pSiC2-NR theo các độ rộng W khác nhau…………….……………. 57 Vùng Brioulline thứ nhất (hình hộp chữ nhật màu xanh) của pSiC2-SS có W = 6. Đường đối xứng cao -Z (đường thẳng màu đỏ) chỉ phương khảo sát tần số dao động mạng tinh thể để hình thành phổ tán xạ phonon, và cũng là cơ sở để hình thành cấu trúc vùng năng lượng của mô hình…………………………………….. 57 Các phổ tán xạ phonon của p-SiC2-SS khi W = 2, hình (a), khi W = 4, hình (b) và khi W = 6, hình (c), với các đường thẳng màu đỏ đứt nét xác định giá trị tần số 0 của dao động mạng tinh thể………………………………………………………………… 58 Khảo sát năng lượng dùng trung hòa các liên kết dư tại hai biên bằng các nguyên tử H theo các độ rộng khác nhau của mô hình pSiC2-SS…………………………………………………………... 59 xvii Hình 4.7: Hình 4.8: Hình 4.9: Hình 4.10: Hình 4.11: Hình 4.12: Hình 4.13: Cấu trúc vùng năng lượng của mô hình p-SiC2-SS với các độ rộng lần lượt là W = 4, hình (a), W = 8, hình (b), W = 12, hình (c) và W = 16, hình (d). Hai đường cong màu cam trong mỗi trường hợp đại diện cho hai mức năng lượng lân cận mức Fermi. Các đường màu đỏ đứt nét đại diện gốc năng lượng, đồng thời cũng là mức năng lượng Fermi của mẫu.  và Z là các điểm đối xứng cao trong vùng Brioulline thứ nhất được chọn dọc theo chiều tuần hoàn của dải………………………………………………………………... 60 Mối quan hệ giữa giá trị vùng cấm xiên và độ rộng W của dải nano p-SiC2-SS………………………………………………………… 61 Khảo sát sự phân bố mật độ trạng thái (DOS) theo năng lượng của các mô hình p-SiC2-SS có độ rộng lần lượt là W = 4, hình (a), W = 8, hình (b), W = 12, hình (c) và W = 16, hình (d). Các đường thẳng màu đỏ đứt nét đại diện cho mức Fermi được chọn làm gốc năng lượng của mỗi mô hình……………………………………… 62 Các nguyên tử được chọn để khảo sát mật độ trạng thái hướng đối tượng (PDOS). Tại đây, các nguyên tử ở biên (đại diện bởi các vòng tròn liền nét) và tại vùng giữa (đại diện bởi các đường tròn đứt nét) được chọn để so sánh mức độ đóng góp của chúng vào các trạng thái điện tử lân cận mức Fermi. Các đường tròn màu xanh dương và màu đỏ lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và Si được chọn. Mô hình đại diện này là p-SiC2-SS có W = 6……… 63 So sánh sự phân bố mật độ trạng thái hướng đối tượng (PDOS) tại các mức năng lượng lân cận mức Fermi giữa vùng giữa và hai rìa của mô hình p-SiC2-SS có độ rộng lần lượt là W = 4, hình (a), W = 8, hình (b), W = 12, hình (c) và W = 16, hình (d). Các ký hiệu 2C-p biên, 1Si-p biên, 2C-p giữa và 1Si-p giữa nói về trạng thái ứng với các orbital p của mỗi hai nguyên tử C và một nguyên tử Si ở biên và ở vùng giữa của mỗi mô hình. Các đường thẳng màu xanh lá đứt nét đại diện cho mức năng lượng Fermi (cũng là gốc năng lượng) trong mỗi mô hình…………………………………... 64 Sự phân bố theo không gian của các trạng thái ứng với VBM và CBM của mô hình p-SiC2-SS với các độ rộng W khác nhau. Các quả bóng màu xanh dương và xanh lá cây lần lượt đại diện cho các trạng thái tại VBM và CBM………………………………………. 65 Hình (a) và (b) là cấu trúc hình học của p-P2C lần lượt được nhìn theo hướng vuông góc và song song với bề mặt của mẫu, tam giác màu xanh nhạt -X-M đại diện cho vùng Brioulline thứ nhất tối 68 xviii