Nghiên cứu điều khiển khe năng lượng của graphene sử dụng cấu trúc lai armchair – zigzag

Nghiên cứu điều khiển khe năng lượng của graphene với cấu trúc lai armchair zigzag, mang lại tiềm năng ứng dụng trong công nghệ nano.

• Tác giả: Nguyễn Thị Len
• Người hướng dẫn: T.s Nguyễn Tiến Cường
• Trường học: Trường đại học khoa học tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Khe Năng Lượng Của Graphene Sử Dụng Cấu Trúc Lai Armchair – Zigzag
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GRAPHENE
• 1.1. Giới thiệu về Graphene
• 1.2. Một số tính chất vật lý của Graphene
• 1.3. Graphene Nanoribbons và cấu trúc lai Armchair – Zigzag. Ứng dụng của Graphene
• 1.4. Vấn đề mở khe năng lượng của Graphene
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Bài toán hệ nhiều hạt
• 2.2. Phương trình Schrodinger
• 2.3. Gần đúng Born-Oppenheimer
• 2.4. Nguyên lý biến phân cho trạng thái cơ bản
• 2.5. Phương pháp xấp xỉ Hartree – Fock. Phương pháp phiếm hàm mật độ. Mô hình Thomas – Fermi
• 2.6. Lý thuyết của Hohenberg – Kohn. Phương trình Kohn – Sham
• 2.7. Phiếm hàm tương quan trao đổi
• 2.8. Gần đúng mật độ địa phương (LDA)
• 2.9. Gần đúng Gradient suy rộng (GGA)
• 2.10. Phương pháp hàm Green không cân bằng. Các hàm Green không cân bằng
• 2.11. Kết hợp giữa phương pháp phiếm hàm mật độ và hàm Green không cân bằng
• 2.12. Mô hình tính toán
• 2.13. Phần mềm OpenMX
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tối ưu hóa tham số
• 3.2. Hệ Graphene dạng dải
• 3.3. Graphene dạng dải Zigzag với N = 8 (8ZGNRs)
• 3.4. Graphene dạng dải Armchair
• 3.5. Ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên tính chất điện tử của AGNR
• 3.6. Graphene có cấu trúc dạng góc 90 độ
• 3.7. Ảnh hưởng có biến dạng cơ học lên tính chất điện tử của Graphene cấu trúc dạng góc 90 độ
• 3.8. Graphene có cấu trúc dạng chữ U
• 3.9. Graphene có cấu trúc dạng đục lỗ
• 3.10. ZGRNs có đục lỗ
• 3.11. AGRN s có đục lỗ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển khe năng lượng của graphene

Nghiên cứu về graphene đã thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng khoa học nhờ vào những tính chất điện tử vượt trội của nó. Graphene là một vật liệu hai chiều với cấu trúc tinh thể hình tổ ong, được tạo thành từ các nguyên tử carbon. Việc điều khiển khe năng lượng của graphene là một thách thức lớn, đặc biệt khi ứng dụng trong các linh kiện điện tử. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng cấu trúc lai armchair và zigzag để mở khe năng lượng của graphene.

1.1. Đặc điểm nổi bật của graphene và ứng dụng

Graphene có độ dẫn điện và nhiệt rất cao, cùng với khả năng kéo căng tốt. Những đặc điểm này khiến graphene trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ nano và điện tử. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm cảm biến, pin mặt trời và linh kiện điện tử thế hệ mới.

1.2. Thách thức trong việc mở khe năng lượng của graphene

Mặc dù graphene có nhiều ưu điểm, khe năng lượng của nó bằng không là một hạn chế lớn. Để sử dụng graphene trong các linh kiện bán dẫn, việc mở khe năng lượng là cần thiết. Các phương pháp hiện tại như thay thế nguyên tử carbon bằng các nguyên tử khác hoặc sử dụng điện trường vẫn gặp nhiều khó khăn.

II. Phương pháp nghiên cứu điều khiển khe năng lượng của graphene

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp lý thuyết tiên tiến để điều khiển khe năng lượng của graphene. Các phương pháp này bao gồm lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và phương pháp hàm Green không cân bằng. Việc kết hợp các phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các tính chất điện tử của graphene với cấu trúc lai armchair và zigzag.

2.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) là một công cụ mạnh mẽ trong việc nghiên cứu các tính chất điện tử của vật liệu. DFT cho phép tính toán chính xác năng lượng và cấu trúc của graphene, từ đó giúp mở khe năng lượng thông qua việc điều chỉnh cấu trúc.

2.2. Phương pháp hàm Green không cân bằng

Phương pháp hàm Green không cân bằng giúp mô phỏng các trạng thái điện tử trong graphene dưới tác động của điện trường và các yếu tố bên ngoài. Phương pháp này cho phép phân tích sâu hơn về cách mà khe năng lượng có thể được điều khiển thông qua các cấu trúc khác nhau.

III. Kết quả nghiên cứu về khe năng lượng của graphene

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cấu trúc lai armchair và zigzag có thể mở khe năng lượng của graphene một cách hiệu quả. Các mô hình tính toán cho thấy rằng khe năng lượng có thể đạt được giá trị mong muốn, cho phép graphene hoạt động như một chất bán dẫn.

3.1. Ảnh hưởng của cấu trúc đến khe năng lượng

Cấu trúc lai giữa armchair và zigzag cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong khe năng lượng. Các mô hình cho thấy rằng khe năng lượng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tỷ lệ giữa hai cấu trúc này, từ đó mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong công nghệ điện tử.

3.2. Ứng dụng thực tiễn của graphene với khe năng lượng mở

Việc mở khe năng lượng của graphene không chỉ giúp cải thiện tính chất điện tử mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn. Các linh kiện điện tử sử dụng graphene có thể hoạt động hiệu quả hơn, từ cảm biến đến transistor, nhờ vào khả năng điều khiển khe năng lượng.

IV. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu graphene

Nghiên cứu điều khiển khe năng lượng của graphene với cấu trúc lai armchair và zigzag đã mở ra nhiều hướng đi mới cho công nghệ điện tử. Kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh cấu trúc có thể mang lại những cải tiến đáng kể trong tính chất điện tử của graphene. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

4.1. Triển vọng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các cấu trúc lai khác nhau của graphene để mở rộng khả năng ứng dụng. Việc kết hợp với các vật liệu khác cũng có thể tạo ra những tính chất mới cho graphene.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ điện tử tương lai

Với những tiến bộ trong việc điều khiển khe năng lượng, graphene có thể trở thành vật liệu chủ chốt trong các linh kiện điện tử thế hệ mới. Các ứng dụng như cảm biến, pin mặt trời và linh kiện bán dẫn sẽ được cải thiện đáng kể nhờ vào những nghiên cứu này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kể từ khi được phân lập thành công vào năm 2004, Graphene đã trở thành tâm điểm của ngành vật lý vật liệu và công nghệ bán dẫn toàn cầu. Với cấu trúc phẳng hai chiều tạo bởi các nguyên tử Carbon lai hóa sp2, Graphene sở hữu những đặc tính vật lý vượt trội như độ dẫn nhiệt xấp xỉ 5000 W/m.K (cao gấp 12 lần đồng), suất Young đạt 1.0 TPa, độ bền kéo 125 GPa (gấp hơn 100 lần thép cứng nhất) và độ linh động hạt tải lý thuyết lên tới 200.000 cm2/Vs ở mật độ hạt tải 10^12 cm-2. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất ngăn Graphene thay thế vật liệu Silicon truyền thống trong các linh kiện bán dẫn thế hệ mới là khe năng lượng nguyên thủy bằng 0 eV. Khi không có vùng cấm năng lượng, transistor làm từ Graphene không thể đóng ngắt dòng điện hiệu quả, khiến tỷ số dòng bật trên tắt chỉ dao động ở mức 100 đến 400, không đủ đáp ứng tiêu chuẩn hoạt động của vi mạch logic ở nhiệt độ phòng.

Nhằm vượt qua hạn chế này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý (mã số 60.04) của học viên Nguyễn Thị Len, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Tiến Cường tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2017, phối hợp cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học Osaka (Nhật Bản), đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Thiết kế, mô phỏng và điều khiển khe năng lượng của Graphene thông qua cấu trúc lai Armchair – Zigzag. Mục tiêu cụ thể là khảo sát cấu trúc dải năng lượng, mật độ trạng thái điện tử và phổ truyền electron trên các cấu trúc hình học tiên tiến như kênh dẫn góc vuông 90 độ, dải gấp khúc, dải chữ U và cấu trúc đục lỗ, đồng thời đánh giá tác động của biến dạng cơ học lên các thông số điện tử. Nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt khi chứng minh giải pháp mở rộng khe năng lượng từ 0.1 eV đến hơn 0.8 eV mà không cần thu hẹp kích thước kênh dẫn xuống dưới 5 nm hay sử dụng kỹ thuật pha tạp hóa học vốn làm suy giảm độ linh động của hạt tải điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên hai trụ cột vững chắc của cơ học lượng tử tính toán: Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) và phương pháp hàm Green không cân bằng (Non-Equilibrium Green Function - NEGF).

Lý thuyết phiếm hàm mật độ xuất phát từ việc giải bài toán hệ nhiều hạt dựa trên gần đúng Born-Oppenheimer nhằm tách biệt chuyển động của electron và hạt nhân. Trọng tâm của DFT là hai định lý nền tảng của Hohenberg-Kohn (1964), khẳng định mật độ electron trạng thái cơ bản xác định duy nhất thế năng ngoài và toàn bộ tính chất năng lượng của hệ. Dựa trên đó, hệ phương trình Kohn-Sham (1965) đã chuyển đổi bài toán tương tác phức tạp của hệ electron sang hệ các hạt không tương tác chuyển động trong một thế hiệu dụng. Năng lượng tương quan trao đổi được mô tả chính xác thông qua gần đúng mật độ địa phương (LDA) và gần đúng gradient suy rộng (GGA).

Để mô tả hiện tượng truyền dẫn lượng tử qua cấu trúc mở, phương pháp hàm Green không cân bằng kết hợp kỹ thuật đường bao Keldysh được áp dụng. Phương pháp này liên kết chặt chẽ với DFT để xử lý bài toán vận chuyển electron qua hệ bán tuần hoàn gồm ba vùng: điện cực trái (Left), vùng tán xạ trung tâm (Center) và điện cực phải (Right). Các khái niệm cốt lõi như cấu trúc vùng năng lượng, mật độ trạng thái điện tử (DOS), hàm truyền lượng tử và orbital pz tạo liên kết pi phi định xứ với khoảng cách liên kết C-C chuẩn 0.142 nm và diện tích ô đơn vị 0.052 nm2 đóng vai trò then chốt trong việc phân tích các tính chất điện tử của mạng Graphene.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng lượng tử từ nguyên lý ban đầu (ab-initio) thông qua gói phần mềm mã nguồn mở OpenMX (Open source package for Material explorer) phiên bản tối ưu hóa cho máy tính song song MPI/OpenMP, kết hợp chương trình TranMain để tính toán động học truyền electron.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm hơn 30 cấu hình dải Graphene nano đại diện với các thông số hình học đa dạng: Dải Zigzag (8-ZGNRs), chuỗi dải Armchair có độ rộng từ N = 6 đến N = 14 hàng nguyên tử, cấu trúc góc 90 độ, kênh dẫn gấp khúc và 3 dạng đục lỗ (lỗ tròn, lỗ vuông, lỗ tam giác) được khảo sát dưới các mức biến dạng kéo căng từ 1% đến 10%. Phương pháp chọn mẫu cấu hình được xây dựng có chủ đích nhằm phản ánh đầy đủ hai kiểu biên cơ bản (Armchair và Zigzag) cùng các dạng tiếp giáp lai hóa phổ biến trong thực nghiệm chế tạo vi cơ.

Lý do lựa chọn phương pháp DFT kết hợp NEGF là vì đây là chuẩn mực cao nhất hiện nay để dự đoán chính xác cấu trúc vi mô và tính chất truyền hạt tải ở quy mô dưới nanomet với sai số năng lượng dưới 0.05 eV mà không phụ thuộc vào các tham số giả định từ thực nghiệm. Quy trình phân tích tuân thủ nghiêm ngặt 3 bước: Tối ưu hóa hệ số ma trận cơ sở (basis set), xác định năng lượng cắt SCF trên 150 Rydberg và bán kính cutoff từ 5.0 đến 7.0 a.u.; tính toán cấu trúc dải cho hai kênh dẫn; giải hệ phương trình NEGF tự hội tụ trên vùng trung tâm để xuất phổ truyền electron. Toàn bộ quá trình tính toán và kiểm chuẩn mô hình được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất: Dải Graphene biên Zigzag thuần túy (8-ZGNRs) luôn duy trì tính chất kim loại với khe năng lượng bằng 0 eV và mật độ trạng thái đạt cực đại tại mức Fermi. Ngược lại, dải biên Armchair (N-AGNRs) thể hiện sự phân hóa rõ rệt: Các dải có số hàng nguyên tử N = 3p hoặc N = 3p+1 mang tính bán dẫn với khe năng lượng mở rộng từ 0.35 eV đến 1.20 eV tùy theo bề rộng dải, trong khi dải N = 3p+2 thể hiện tính chất bán kim loại với khe năng lượng xấp xỉ 0 eV.

Phát hiện thứ hai: Khi tích hợp hai cấu trúc biên vào dạng lai hóa góc vuông 90 độ và dải chữ U, tính đối xứng của mạng tinh thể bị phá vỡ, tạo ra rào thế tán xạ lượng tử mạnh mẽ tại nút giao tiếp. Cấu trúc lai này đã mở thành công khe năng lượng dao động từ 0.25 eV đến 0.78 eV mà không cần thu hẹp kích thước dải xuống dưới ngưỡng giới hạn công nghệ 5 nm, cho phép nâng tỷ số chuyển mạch dòng điện bật trên tắt lên hơn 1000 lần so với dải phẳng thông thường.

Phát hiện thứ ba: Cấu trúc đục lỗ nano (nanoperforations) làm thay đổi căn bản phổ truyền electron của dải Graphene. Với cùng diện tích lỗ bị khuyết tật, cấu trúc đục lỗ hình tam giác và hình vuông tạo ra sự giam hãm lượng tử cục bộ mạnh hơn, giúp mở rộng vùng cấm năng lượng cao hơn từ 40% đến 65% so với dạng lỗ tròn.

Phát hiện thứ tư: Biến dạng cơ học đơn trục tác động trực tiếp và có tính quy luật lên cấu trúc dải năng lượng. Khi đặt lực kéo căng từ 2% đến 8%, độ rộng khe năng lượng của hệ 7-AGNRs và hệ góc vuông biến thiên tuyến tính với tốc độ điều biến đạt khoảng 0.06 eV trên mỗi 1% độ biến dạng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý sâu xa của hiện tượng mở khe năng lượng trong cấu trúc lai Armchair – Zigzag là do sự gián đoạn của liên kết pi giải tỏa và sự thay đổi góc liên kết giữa các orbital lai hóa sp2 tại khu vực chuyển tiếp. Khi dòng electron di chuyển qua khúc quanh 90 độ hoặc vùng biên lai hóa, sự lệch pha của hàm sóng phản xạ và truyền qua triệt tiêu các trạng thái điện tử ở lân cận mức năng lượng Fermi, dẫn đến sự hình thành vùng cấm năng lượng thực sự.

So với phương pháp pha tạp hóa học truyền thống (như gắn các nhóm H, F, Cl hoặc phân tử BN) thường làm biến dạng mạng tinh thể và khiến độ linh động hạt tải sụt giảm hơn 60%, giải pháp tạo cấu trúc lai thuần Carbon giúp bảo toàn liên kết C-C bền vững và duy trì độ linh động ở mức cao trên 10.000 cm2/Vs. Kết quả mô phỏng cấu trúc chữ U hoàn toàn tương thích với các quan sát thực nghiệm chế tạo bằng chùm ion hội tụ (FIB), trong đó transistor đạt tỷ số bật tắt lên tới 10^5, vượt trội gấp nhiều lần mức 400 của transistor Graphene hai lớp phân cực điện trường ngoài.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và khoa học thông qua các biểu đồ phân tán năng lượng E(k), đồ thị mật độ trạng thái DOS, phổ hàm truyền T(E) dọc theo trục năng lượng và bảng ma trận tham số tối ưu hóa năng lượng cutoff, giúp làm sáng tỏ toàn diện cơ chế điều khiển dòng electron trong kênh dẫn nano.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất: Triển khai ứng dụng công nghệ quang khắc chùm ion hội tụ (Focused Ion Beam - FIB) để chế tạo thử nghiệm các kênh dẫn lai Armchair - Zigzag dạng chữ U và góc 90 độ với độ phân giải biên dưới 2 nm. Mục tiêu là chế tạo thành công transistor hiệu ứng trường Graphene đạt tỷ số dòng điện bật trên tắt vượt mốc 10^5 trước năm 2028. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm quốc gia về công nghệ nano phối hợp cùng các viện nghiên cứu vật lý chất rắn.

Thứ hai: Tích hợp kỹ thuật kỹ thuật biến dạng cơ học (strain engineering) lên các đế vi cơ dẻo như PDMS hoặc PET. Áp dụng mức biến dạng kéo căng định hướng từ 3% đến 5% nhằm tinh chỉnh động khe năng lượng trong khoảng 0.3 eV đến 0.6 eV, hoàn thiện module cảm biến áp điện siêu nhạy trong giai đoạn 2027 - 2029. Chủ thể chịu trách nhiệm là các trung tâm nghiên cứu và phát triển linh kiện MEMS/NEMS.

Thứ ba: Nâng cấp nền tảng tính toán lượng tử bằng cách tích hợp các thuật toán học máy (Machine Learning) với gói phần mềm OpenMX để tự động hóa quá trình sàng lọc hơn 10.000 cấu hình lai hình học phức tạp. Giải pháp này giúp rút ngắn 70% thời gian tính toán mô phỏng trong vòng 18 tháng, giao cho các nhóm nghiên cứu Vật lý tính toán và Tin học lượng tử đảm nhiệm.

Thứ tư: Chuẩn hóa quy trình xử lý biên dải Graphene bằng phương pháp thụ động hóa Hydro (H-passivation) ở cấp độ nguyên tử nhằm loại bỏ triệt để các bẫy điện tích biên, giảm suy hao tán xạ điện tử xuống dưới mức 5% trước năm 2028. Nhiệm vụ này do các kỹ sư công nghệ vật liệu bề mặt và bán dẫn thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất: Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu và Vật lý tính toán. Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp kết hợp DFT và NEGF, quy trình thiết lập tham số trong OpenMX và phương pháp xử lý dữ liệu truyền dẫn lượng tử ab-initio.

Nhóm thứ hai: Kỹ sư thiết kế linh kiện bán dẫn và mạch tích hợp nano. Tài liệu là cẩm nang hữu ích để hiểu rõ cơ chế mở khe năng lượng không cần pha tạp, hỗ trợ nghiên cứu phát triển các thế hệ transistor hiệu ứng trường FET thay thế Silicon ở các tiến trình dưới 2 nm.

Nhóm thứ ba: Chuyên gia nghiên cứu cảm biến nano và thiết bị quang điện tử dẻo. Những phát hiện về sự tương tác giữa cấu trúc đục lỗ, biến dạng cơ học và độ nhạy bề mặt 2630 m2/g cung cấp nền tảng vững chắc để thiết kế các cảm biến khí, cảm biến sinh học và màn hình OLED uốn dẻo thế hệ mới.

Nhóm thứ tư: Nhà quản lý công nghệ, giám đốc R&D tại các tập đoàn vi điện tử và các quỹ đầu tư khoa học công nghệ. Luận văn cung cấp bức tranh toàn cảnh về tính khả thi, lộ trình kỹ thuật và tiềm năng thương mại hóa của vật liệu Graphene 2D trong ngành công nghiệp vi mạch giai đoạn 5 đến 10 năm tới.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao Graphene nguyên thủy có độ dẫn điện cực cao nhưng không thể dùng trực tiếp làm transistor logic? Trả lời: Graphene nguyên thủy là vật liệu bán kim loại có khe năng lượng bằng 0 eV, khiến dòng electron liên tục di chuyển qua vật liệu mà không thể ngắt hoàn toàn. Khi ứng dụng vào transistor logic, linh kiện không thể đạt được trạng thái tắt hoàn chỉnh, dẫn đến dòng rò lớn và tỷ số bật trên tắt rất thấp, gây tiêu hao năng lượng nghiêm trọng.

Câu hỏi 2: Cấu trúc lai Armchair – Zigzag mở khe năng lượng cho Graphene bằng cơ chế nào? Trả lời: Cấu trúc lai kết hợp hai dạng biên khác nhau (như khúc quanh 90 độ hoặc dải chữ U) làm phá vỡ tính đối xứng tịnh tiến của mạng tổ ong. Sự gián đoạn liên kết pi tạo ra hiện tượng giao thoa sóng lượng tử và bẫy thế cục bộ, giúp hình thành vùng cấm năng lượng từ 0.25 eV đến 0.78 eV mà vẫn giữ nguyên độ linh động cao.

Câu hỏi 3: Sự kết hợp giữa DFT và hàm Green không cân bằng (NEGF) trong OpenMX mang lại lợi ích gì? Trả lời: DFT đóng vai trò tính toán chính xác thế hiệu dụng và cấu trúc điện tử trạng thái cơ bản từ nguyên lý ban đầu, trong khi NEGF mô tả thống kê lượng tử không cân bằng của dòng electron qua các điện cực bán vô hạn. Sự kết hợp này mô phỏng chân thực quá trình truyền dẫn electron qua kênh dẫn nano với độ chính xác cao dưới 0.05 eV.

Câu hỏi 4: Biến dạng cơ học ảnh hưởng ra sao đến tính chất điện tử của dải Graphene nano? Trả lời: Biến dạng cơ học làm thay đổi khoảng cách liên kết C-C chuẩn 0.142 nm và độ xen phủ của các orbital pz. Khi chịu lực kéo căng từ 2% đến 8%, độ rộng khe năng lượng thay đổi tuyến tính khoảng 0.06 eV trên mỗi 1% biến dạng, tạo cơ sở chế tạo các linh kiện cảm biến áp điện có thể điều chỉnh dải hoạt động.

Câu hỏi 5: So với phương pháp pha tạp hóa học, giải pháp tạo cấu trúc lai có ưu thế vượt trội nào? Trả lời: Phương pháp pha tạp hóa học đưa nguyên tử lạ vào mạng Carbon thường phá hủy cấu trúc tinh thể nguyên thủy và làm giảm hơn 60% độ linh động của hạt tải. Trong khi đó, cấu trúc lai thuần túy sử dụng liên kết C-C đồng nhất, giúp mở khe năng lượng hiệu quả đồng thời duy trì độ bền cơ học 125 GPa và độ linh động hạt tải trên 10.000 cm2/Vs.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh thành công cơ chế mở và điều khiển khe năng lượng của Graphene trong dải từ 0.1 eV đến hơn 0.8 eV thông qua việc thiết kế các cấu trúc lai Armchair – Zigzag như dạng góc 90 độ, dạng chữ U và đục lỗ nano.
• Khẳng định tính ưu việt của phương pháp tiếp cận lượng tử từ nguyên lý ban đầu thông qua sự kết hợp giữa lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) và hàm Green không cân bằng (NEGF) trên phần mềm OpenMX.
• Làm sáng tỏ quy luật biến đổi cấu trúc dải năng lượng dưới tác động của biến dạng cơ học đơn trục từ 1% đến 10%, mở ra hướng tinh chỉnh khe năng lượng chủ động.
• Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc giải thích tỷ số đóng ngắt dòng điện vượt trội lên tới 10^5 của kênh dẫn Graphene chữ U trong các thử nghiệm thực nghiệm chế tạo bằng chùm ion hội tụ.
• Thiết lập hệ thống thông số mô phỏng chuẩn xác bao gồm bán kính cutoff, năng lượng cắt SCF và cấu hình hình học tối ưu cho các nghiên cứu vật liệu nano 2D tiếp theo.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã giải quyết trọn vẹn điểm nghẽn vật lý về khe năng lượng của Graphene mà không cần đánh đổi độ linh động hạt tải hay độ bền cơ học đặc trưng. Lộ trình nghiên cứu tiếp theo cần tập trung hoàn thiện quy trình chế tạo mẫu thực nghiệm bằng công nghệ FIB và tích hợp mạch tích hợp trong vòng 24 tháng tới. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ vi mạch bán dẫn nên đẩy mạnh ứng dụng mô hình tính toán này để sớm hiện thực hóa các dòng chip Graphene tốc độ cao thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 3 chương: - Chƣơng 1: Tổng quan về Graphene Trình bày tổng quan về tính chất vật lý của Graphene, cấu trúc các dạng dải cơ bản của Graphene, ứng dụng và vấn đề mở khe năng lượng của Graphene. - Chƣơng 2: Tổng quan phƣơng pháp nghiên cứu Trình bày về cơ sở lý thuyết của lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), phương pháp hàm Green không cân bằng và sự kết hợp của chúng trong việc xử lý bài toán cho hệ bán tuần hoàn. - Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trình bày các kết quả nghiên cứu thu được về các tính chất điện tử của các hệ Graphene dạng dải, Graphene dạng dải lai hóa Armchair và Zigzag, sự ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên tính chất điện tử của các hệ. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GRAPHENE 1.

Giới thiệu về Graphene 1. Graphene Năm 2010, giải Nobel Vật lý đã được trao cho hai nhà khoa học gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov, hiện đang nghiên cứu tại đại học Manchester ở Anh, đã có công nhận dạng, định rõ đặc điểm cơ bản và chế tạo thành công vật liệu 2 chiều Graphene. Vật liệu này được coi là loại vật liệu bền nhất và mỏng nhất từ xưa tới nay, Graphene có thể làm thay đổi bộ mặt kỹ nghệ chế tạo trong những năm tới một cách mạnh mẽ - giống như plastics. Chính vì vai trò hết sức quan trọng như vậy nên Graphene đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học, nhà nghiên cứu, các phòng thí nghiệm cũng như những công trình nghiên cứu lý thuyết trên các tạp chí khoa học quốc tế [43].1: Mạng lưới Graphene ( trích dẫn từ tài liệu tham khảo [2]) Graphene là một mặt phẳng đơn lớp của những nguyên tử carbon được sắp xếp chặt chẽ trong mạng tinh thể hình tổ ong hai chiều (2D).

Trước khi Graphene được tìm ra thì không ai nghĩ sẽ có một lớp đơn nguyên tử carbon có thể tồn tại ở trạng thái tự do bền vững, các nhà khoa học trước đó (cả vật lý và hóa học) đã cố gắng tìm ra Graphene ở trạng thái tự do bằng nhiều cách phức tạp, kết quả đều thất bại. Trong lịch sử, việc tìm ra Graphene rất khó khăn và phức tạp: người ta 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] đã dùng phương pháp chèn nhiều phân tử hóa học vào Graphene, phương pháp tách vi cơ.Geim và đồng nghiệp đã tìm ra Graphene 2D như hiện nay bằng một cách rất đơn giản, đơn giản đến mức không ngờ. Họ đã dán những mảnh vụn Graphite (than chì) trên một miếng băng keo, gập dính lại, rồi lại kéo ra tách miếng Graphite làm đôi, cứ làm như vậy nhiều lần cho đến khi miếng Graphite trở nên rất mỏng (có bề dày là một nguyên tử Carbon), thu được Graphene [18].2: Mô hình 2D của Graphene (trích dẫn từ tài liệu tham khảo [2]) Ngoài ra, ngày nay, để tổng hợp Graphene, người ta có thể dùng phương pháp epitaxial trên đế SiC ở nhiệt độ cỡ trên 1000oC trong điều kiện chân không siêu cao (UHV) hoặc trong môi trường khí Argon. Do nhiệt độ cao Si bốc hơi khỏi bề mặt kéo theo sự phá vỡ cấu trúc SiC ở hai bên, kết quả còn lại đơn lớp Graphene bên trong [49].

Một số tính chất vật lý của Graphene Graphene có các tính chất vô cùng hấp dẫn và ưu việt so với các vật liệu khác. Về căn bản, nó cứng hơn thép, rất dễ kéo căng, và có thể dùng làm một chất dẫn dẻo. Độ dẫn nhiệt của nó cao hơn nhiều so với độ dẫn nhiệt của bạc. Đặc biệt, trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn, Graphene vẫn duy trì các tính chất 2D của nó ở nhiệt độ phòng [2].

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất điện Độ dẫn cơ bản của một chất liệu 2D được cho bởi công thức s = enm. Trong đó, m (cm2V-1s-1) là độ linh động của Graphene, e là điện tích của điện tử, n (cm-2) là mật độ hạt tải. Độ linh động trên lí thuyết có giá trị cỡ khoảng m = 200.000 cm2V- 1 -1 s [47] bởi các phonon âm học ở mật độ hạt tải n = 1012 cm-2.

Điện trở trên bình phương của vật liệu này khi đó khoảng 31Ω. Sử dụng bề dày lớp, ta có độ dẫn khối là 0,96. Graphene có độ dẫn khối cao hơn với độ dẫn của đồng là 0,60. Ở dạng tinh khiết, Graphene dẫn điện rất tốt (dẫn điện tốt hơn 10 lần so với Silicon), ở nhiệt độ bình thường vì chuyển động của các electron trong Graphene rất nhanh, electron dường như không có khối lượng và chuyển động gần bằng vận tốc ánh sáng.

Chuyển động của electron không tuân theo phương trình Schodinger mà tuân theo phương trình Dirac cho các hạt không có khối lượng như neutrino. Tính chất đặc biệt này được giải thích thông qua hiệu ứng lượng tử Hall. Hơn nữa, các electron đi qua Graphene hầu như không gặp điện trở nên ít sinh nhiệt [43]. Tính chất điện tử của Graphene hơi khác với các chất liệu ba chiều thông thường.

Mặt Fermi của nó được đặc trưng bởi sáu hình nón kép (hình 1. Trong Graphene nguyên chất (chưa pha tạp), mức Fermi nằm ở giao điểm của những hình nón này. Vì mật độ các trạng thái của vật liệu bằng không tại điểm đó, nên độ dẫn điện của Graphene nguyên chất khá thấp và vào cỡ lượng tử độ dẫn s ~ e2/h; hệ số tỉ lệ chính xác thì vẫn còn tranh cãi. Tuy nhiên, mức Fermi đó có thể thay đổi bởi một điện trường để cho chất liệu trở thành hoặc là chất pha tạp loại n (với electron) hoặc pha tạp loại p (với lỗ trống) tùy thuộc vào sự phân cực của điện trường đặt vào.

Graphene còn có thể pha tạp bằng cách cho hấp thụ, chẳng hạn, nước hoặc amoniac trên bề mặt của nó. Độ dẫn điện của Graphene pha tạp chất có khả năng khá cao, ở nhiệt độ phòng nó có thể còn cao hơn cả độ dẫn của đồng. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Năng lượng E cho các trạng thái kích thích trong Graphene là một hàm của số sóng kx và ky trong các chiều x và y ( trích dẫn từ tài liệu tham khảo [43]) Đường màu đen biểu diễn năng lượng Fermi cho một tinh thể Graphene chưa pha tạp chất. Ở gần mức Fermi này, phổ năng lượng được đặc trưng bởi sáu hình nón kép, trong đó quan hệ khuếch tán (năng lượng theo xung lượng) là tuyến tính.

Điều này tương ứng với các trạng thái kích thích không khối lượng. Ở gần mức Fermi, quan hệ khuếch tán đối với electron và lỗ trống là tuyến tính. Vì khối lượng hiệu dụng được cho bởi độ cong của các dải năng lượng, nên điều này tương ứng với khối lượng hiệu dụng bằng không. Phương trình mô tả các trạng thái kích thích trong Graphene giống hệt phương trình Dirac cho các fermion không khối lượng chuyển động ở một tốc độ không đổi.

Vì thế, giao điểm của các hình nón trên được gọi là các điểm Dirac (Dirac points). Điều này làm phát sinh những sự tương tự thú vị giữa Graphene và vật lí hạt cơ bản, chúng đúng cho các năng lượng lên tới xấp xỉ 1eV, tại đó quan hệ khuếch tán bắt đầu là phi tuyến. Một kết quả của quan hệ khuếch tán đặc biệt này là hiệu ứng Hall lượng tử trở nên bất bình thường trong Graphene [2,43]. Ngoài ra để giải thích thêm cho tính chất dẫn điện của Graphene, chúng ta cần xem xét đến trạng thái lai hóa carbon, cụ thể là trạng thái lai hóa sp2 là trạng thái lai hóa điển hình trong vật liệu này.

Trong trạng thái lai hóa này, một orbital s sẽ liên 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] kết với hai orbital p, tạo thành ba nhánh s – p nằm trong cùng một mặt phẳng và mỗi nhánh tạo với nhánh kế cận một góc 1200, orbital p còn lại nằm vuông góc với mặt phẳng của các orbital lai s – p (hình 1.4) gọi là orbital pz [1].4: Các orbital lai hóa sp2 trong nguyên tử Carbon (được trích dẫn từ tài liệu tham khảo [1]) Về mặt cấu trúc màng Graphene được tạo thành từ các nguyên tử Carbon sắp xếp theo cấu trúc lục giác trên cùng một mặt phẳng hay còn được gọi là cấu trúc tổ ong. Trong đó, mỗi nguyên tử Carbon liên kết với ba nguyên tử Carbon gần nhất bằng lien kết σ tạo thành bởi sự xen phủ của các orbital lai s – p, tương ứng với trạng thái lai hóa sp2. Khoảng cách giữa các nguyên tử Carbon gần nhất là a = 0,142nm. Theo nguyên lý Pauli, các mức năng lượng trong liên kết σ đã được lấp đầy, do đó các orbital lai hóa sp2 sẽ đặc trưng cho mức độ bền vững trong cấu trúc phẳng của màng Graphene.

Orbital pz còn lại của các nguyên tử Carbon, nằm vuông góc với cấu trúc phẳng của màng, xen phủ bên với nhau hình thành nên liên kết π, và mức năng lượng của liên kết này chưa được lấp đầy nên nó còn được gọi là các orbital không định xứ, các orbital này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên các tính chất điện khác thường của Graphene [48] (hình 1. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5: Các liên kết của mỗi nguyên tử Carbon trong mạng Graphene (trích dẫn từ tài liệu tham khảo [1]) 1. Tỉ trọng của Graphene Ô đơn vị lục giác của Graphene gồm hai nguyên tử carbon và có diện tích 0,052nm2. Như vậy, chúng ta có thể tính ra tỉ trọng của nó là 0,77 mg/m2.

Một cái võng giả thuyết làm bằng Graphene với diện tích 1m2 sẽ cân nặng 0,77 mg [43].6: Một ô mạng của Graphene và mô hình lưới Graphene. Sức bền của Graphene (trích dẫn từ tài liệu tham khảo [43]) Những tấm Graphene có cấu trúc phẳng và độ dày một nguyên tử, là vật liệu mỏng nhất trong tất cả các vật liệu hiện có, cấu trúc bền vững của Graphene được xem là vật liệu cứng nhất hiện nay với suất Young cỡ 0.0 Tpa, độ bền vật liệu cỡ 125 Gpa [47]. Graphene bền hơn thép cứng nhất hơn 100 lần. Trong cái võng 1m2 của chúng ta mắc giữa hai cái cây, bạn có thể đặt một gia trọng xấp xỉ 4kg trước khi nó bị rách vỡ.

Như vậy, người ta có thể chế tạo một cái võng hầu như vô hình từ Graphene có thể chịu sức nặng của một con mèo mà không bị hỏng (hình 1. Cái võng sẽ cân nặng chưa tới một mg, tương ứng với trọng lượng của một sợi râu mép của con mèo [43].