Đồ án HCMUTE: Mô phỏng và khảo sát tính chất điện từ của graphene và vật liệu 2D TMDC

• Tác giả: Phạm Minh Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Tuấn Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Khảo sát tính chất điện từ của graphene và vật liệu 2D TMDC
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU 2D
• 1.1. Sơ lược về vật liệu 2D
• 1.2. Lịch sử ra đời của vật liệu 2D
• 1.3. Vật liệu 2D-TMDCs
• 1.4. Vật liệu graphene
• 1.4.1. Sự ra đời của graphene
• 1.4.2. Tính chất quan trọng của graphene
• 1.4.3. Các dạng khác của graphene
• 1.4.4. Tổng hợp graphene
• 1.5. Vật liệu hai chiều MoS2, MoSe2 và WSe2
• 2. CHƯƠNG 2: NGƯNG TỤ BOSE – EINSTEIN VÀ LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ
• 2.1. Cơ sở lý thuyết ngưng tụ Bose – Einstein, khái niệm về exciton
• 2.2. Cơ sở lý thuyết phiếm hàm mật độ
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU 2D
• 3.1. Cơ sở của hệ mô phỏng
• 3.2. Tính toán cấu trúc vùng năng lượng của nhóm vật liệu graphene
• 3.3. Tính toán cấu trúc vùng năng lượng của nhóm vật liệu 2D-TMDCs
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu 2D

Vật liệu 2D, đặc biệt là graphene và vật liệu 2D-TMDC, đã thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng nghiên cứu vật liệu. Graphene được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2004, đánh dấu một bước ngoặt trong nghiên cứu vật liệu. Vật liệu này có cấu trúc tổ ong, với các nguyên tử cacbon sắp xếp theo hình lục giác, mang lại nhiều tính chất vượt trội như độ dẫn điện cao và độ bền cơ học lớn. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của graphene là không có vùng cấm (band gap), điều này hạn chế khả năng ứng dụng trong các linh kiện điện tử. Ngược lại, vật liệu 2D-TMDC như MoS2 và WSe2 có vùng cấm, cho phép chúng hoạt động như các chất bán dẫn. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này không chỉ mở ra hướng đi mới cho công nghệ điện tử mà còn cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang học và năng lượng.

1.1. Lịch sử ra đời của vật liệu 2D

Sự ra đời của graphene vào năm 2004 đã mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu vật liệu 2D. Trước đó, các nhà khoa học đã nghi ngờ về khả năng tồn tại của vật liệu 2D do các lý thuyết nhiệt động học. Tuy nhiên, việc chế tạo thành công graphene đã chứng minh rằng các vật liệu 2D không chỉ tồn tại mà còn có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo đã dẫn đến sự phát triển của nhiều loại vật liệu 2D khác, trong đó có vật liệu 2D-TMDC. Những vật liệu này không chỉ có cấu trúc tương tự graphene mà còn có các tính chất điện từ độc đáo, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

II. Tính chất điện từ của graphene và vật liệu 2D TMDC

Nghiên cứu về tính chất điện từ của graphene và vật liệu 2D-TMDC cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại vật liệu này. Graphene có khả năng dẫn điện rất tốt, tuy nhiên, do không có vùng cấm, nó không thể hoạt động như một chất bán dẫn. Ngược lại, vật liệu 2D-TMDC như MoS2 và WSe2 có vùng cấm có thể điều chỉnh, cho phép chúng hoạt động như các chất bán dẫn. Việc áp dụng điện trường ngoài lên graphene có thể tạo ra band gap, mở ra khả năng ứng dụng trong các linh kiện điện tử. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh cấu trúc và điều kiện môi trường có thể làm thay đổi đáng kể tính chất điện của các vật liệu này, từ đó tạo ra các ứng dụng mới trong công nghệ nano.

2.1. Tính chất quang học của vật liệu 2D

Tính chất quang học của graphene và vật liệu 2D-TMDC cũng rất đáng chú ý. Graphene cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng cao, trong khi vật liệu 2D-TMDC có thể điều chỉnh khả năng hấp thụ này thông qua việc thay đổi số lớp và cấu trúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu 2D-TMDC có thể được sử dụng trong các ứng dụng quang học như cảm biến và thiết bị quang điện. Sự kết hợp giữa graphene và vật liệu 2D-TMDC có thể tạo ra các thiết bị quang điện hiệu suất cao, mở ra nhiều cơ hội cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.

III. Ứng dụng thực tiễn của graphene và vật liệu 2D TMDC

Các ứng dụng thực tiễn của graphene và vật liệu 2D-TMDC đang ngày càng được mở rộng. Graphene được sử dụng trong các linh kiện điện tử, cảm biến, và pin năng lượng. Tính chất dẫn điện cao và độ bền của nó làm cho graphene trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ nano. Trong khi đó, vật liệu 2D-TMDC đang được nghiên cứu cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang học và điện tử, đặc biệt là trong các thiết bị bán dẫn. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp và chế tạo các vật liệu này sẽ là chìa khóa để hiện thực hóa các ứng dụng trong tương lai.

3.1. Tương lai của nghiên cứu vật liệu 2D

Nghiên cứu về graphene và vật liệu 2D-TMDC đang mở ra nhiều hướng đi mới cho công nghệ vật liệu. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất điện từ và quang học của các vật liệu này, cũng như phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn. Sự kết hợp giữa graphene và vật liệu 2D-TMDC có thể tạo ra các vật liệu mới với tính chất vượt trội, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử, quang học và năng lượng.