I. Tổng quan về vật liệu và cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều
Luận án tiến sĩ vật lý tập trung vào nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc nano xốp ZnO, một vật liệu có tiềm năng ứng dụng cao trong công nghệ nano. Phần tổng quan giới thiệu về vật liệu nano, phân loại và phương pháp chế tạo. ZnO được nhấn mạnh với đặc điểm cấu trúc và tính chất vật lý độc đáo, cùng với ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như quang điện tử và xúc tác. Các cấu trúc nano xốp như zeolite, MOF, và fullerite cũng được đề cập, làm nền tảng cho nghiên cứu sâu hơn.
1.1. Định nghĩa và phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano được định nghĩa là các vật chất có kích thước từ 1-100 nm, mang lại các tính chất vật lý, hóa học, và sinh học khác biệt so với vật liệu khối. Phân loại vật liệu nano dựa trên cấu trúc và tính chất, bao gồm nano xốp, nano dây, và nano hạt. ZnO là một trong những vật liệu nano bán dẫn được nghiên cứu rộng rãi nhờ tính chất quang học và điện tử đặc biệt.
1.2. Ứng dụng của vật liệu ZnO
ZnO được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quang điện tử, cảm biến, và xúc tác. Cấu trúc nano xốp của ZnO làm tăng diện tích bề mặt, cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng xúc tác và lưu trữ năng lượng. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô hình hóa và mô phỏng để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu.
II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và phương pháp gần đúng liên kết chặt (SCC-DFTB) để nghiên cứu cấu trúc nano xốp ZnO. Các phương pháp này cho phép tính toán chính xác các tính chất vật lý và điện tử của vật liệu. Phần này cũng giới thiệu về phương trình Schrödinger và phương trình Kohn-Sham, làm nền tảng cho các tính toán lượng tử.
2.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT
DFT là phương pháp tính toán lượng tử dựa trên nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử, cho phép dự đoán các tính chất của vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Phương trình Kohn-Sham được sử dụng để giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến cấu trúc điện tử của vật liệu.
2.2. Phương pháp gần đúng liên kết chặt SCC DFTB
SCC-DFTB là phương pháp tính toán hiệu quả, kết hợp giữa DFT và lý thuyết liên kết chặt, giúp giảm thiểu thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Phương pháp này được áp dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của nano xốp ZnO.
III. Nghiên cứu cấu trúc nano xốp ZnO
Phần này trình bày chi tiết về việc mô hình hóa và mô phỏng các cấu trúc nano xốp ZnO bằng phương pháp tiếp cận từ dưới lên và từ trên xuống. Các kết quả tính toán về năng lượng liên kết, độ bền vững, và cấu trúc vùng năng lượng được phân tích để đánh giá tính chất vật lý của vật liệu.
3.1. Phương pháp tiếp cận từ dưới lên
Phương pháp này tập trung vào việc xây dựng cấu trúc nano xốp ZnO từ các đơn vị cơ bản như cụm nguyên tử. Các tính toán chi tiết về năng lượng liên kết và độ bền vững của cấu trúc được thực hiện để đánh giá tính ổn định của vật liệu.
3.2. Phương pháp tiếp cận từ trên xuống
Phương pháp này nghiên cứu cấu trúc nano xốp ZnO bằng cách thiết kế các cấu trúc lớn hơn và phân tích các tính chất cơ học và điện tử. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào kích thước và hình dạng của cấu trúc.
IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn
Luận án đã đạt được các kết quả quan trọng trong việc mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc nano xốp ZnO, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như quang điện tử, xúc tác, và lưu trữ năng lượng. Các kết quả này cũng góp phần vào sự phát triển của công nghệ nano và vật lý ứng dụng.
4.1. Ứng dụng trong quang điện tử
Cấu trúc nano xốp ZnO có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử nhờ tính chất quang học và điện tử đặc biệt. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị này.
4.2. Ứng dụng trong xúc tác và lưu trữ năng lượng
Diện tích bề mặt lớn của nano xốp ZnO làm tăng hiệu suất trong các ứng dụng xúc tác và lưu trữ năng lượng. Các kết quả nghiên cứu góp phần vào việc phát triển các vật liệu mới với hiệu suất cao hơn.
