Nghiên cứu điều khiển tính chất cơ – lý và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu hai chiều trong cảm biến

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1. Cảm biến áp điện

1.1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện

1.1.2. Một số loại cảm biến áp điện thường gặp

1.2. Cảm biến hình ảnh

1.2.1. Các bộ phận chính của cảm biến và nguyên lý hoạt động

1.2.2. Một số loại cảm biến hình ảnh

1.2.3. Vai trò của cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh trong đời sống

1.3. Vật liệu hai chiều - tiềm năng ứng dụng trong cảm biến

1.4. Động lực nghiên cứu

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu

1.4.2. Phương pháp điều khiển tính chất của vật liệu

1.5. Đóng góp mới của luận văn

1.5.1. Hàm sóng và phương trình Schrödinger

1.5.2. Phương trình Schrödinger

1.5.3. Phương trình Schrödinger cho hệ nhiều hạt

1.5.4. Nguyên lý biến phân

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ - DFT

2.1.1. Khái niệm mật độ trạng thái của electron

2.1.2. Mô hình Thomas-Fermi

2.1.3. Định lý Hohenberg-Kohn

2.1.4. Phương trình Kohn-Sham

2.1.5. Phiếm hàm tương quan trao đổi

2.1.6. Giả thế năng

2.1.7. Vùng không gian đảo – Brilluion

2.1.8. Tối ưu hoá cấu trúc

2.1.9. Phần mềm tính toán

2.2. Tính chất cơ – lý và khả năng hấp thụ ánh sáng

2.2.1. Tính chất cơ học

2.2.2. Tính chất điện tử của một vật liệu

2.2.3. Khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu

3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CẤU TRÚC VẬT LIỆU 1T-NiS2

3.1. Tối ưu hoá cấu trúc và tính ổn định của cấu trúc vật liệu 1T-NiS2

3.1.1. Tối ưu hoá cấu trúc

3.1.2. Tính ổn định của cấu trúc vật liệu 1T-NiS2

3.2. Tính chất cơ – lý của cấu trúc vật liệu 1T-NiS2

3.3. Khả năng hấp thụ ánh sáng của cấu trúc vật liệu 1T-NiS2

4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ KHẢ NĂNG HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CÁC CẤU TRÚC VẬT LIỆU 1H-PbX2

4.1. Tối ưu hoá và tính ổn định của các cấu trúc vật liệu 1H-PbX2

4.1.1. Tối ưu hoá cấu trúc

4.1.2. Tính ổn định của các cấu trúc vật liệu 1H-PbX2

4.2. Tính chất cơ – lý của các cấu trúc vật liệu 1H-PbX2

4.3. Khả năng hấp thụ ánh sáng của các cấu trúc vật liệu 1H-PbX2

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Vật Liệu 2D trong Cảm Biến Cơ Lý Ánh Sáng

Vật liệu hai chiều (2D) đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực cảm biến nhờ các đặc tính vượt trội như diện tích bề mặt lớn, khả năng linh hoạt về cơ học, và đặc biệt là khả năng tương tác mạnh mẽ với ánh sáng. Các vật liệu như graphene, MoS2, WS2, và Black Phosphorus đã chứng minh tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá và điều khiển tính chất cơ lý cũng như khả năng hấp thụ ánh sáng của các vật liệu 2D để tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến. Sự phát triển của kỹ thuật chế tạo vật liệu 2D cũng đóng vai trò then chốt trong việc hiện thực hóa các ứng dụng này. Theo luận văn, “vật liệu hai chiều (2D) đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế như các thiết bị cảm biến, thiết bị quang học, quang hợp nhân tạo, quang xúc tác, … đặc biệt ứng dụng trong các thiết bị cảm biến sử dụng trong hệ thống cơ điện tử.”

1.1. Tiềm năng ứng dụng vật liệu 2D trong cảm biến

Vật liệu hai chiều, hay còn gọi là vật liệu nano, có nhiều ưu điểm vượt trội so với vật liệu truyền thống trong ứng dụng cảm biến. Diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng tương tác với môi trường xung quanh, dẫn đến độ nhạy cao hơn cho cảm biến. Độ bền cơ học và độ cứng tốt cho phép cảm biến hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt. Quan trọng hơn, khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu 2D có thể được điều khiển thông qua các yếu tố như biến dạng, mở ra nhiều khả năng mới cho cảm biến hình ảnh. Những tính chất này làm cho vật liệu 2D trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cảm biến tiên tiến.

1.2. Các loại vật liệu 2D phổ biến Graphene TMDs và BP

Graphene, với cấu trúc mạng tinh thể lục giác, nổi bật với độ dẫn điện và độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, việc thiếu khe năng lượng là một hạn chế. TMDs (Transition Metal Dichalcogenides) như MoS2 và WS2 khắc phục nhược điểm này với khe năng lượng có thể điều khiển, mở ra tiềm năng trong các ứng dụng quang điện. Black Phosphorus (BP) cũng là một lựa chọn hấp dẫn với tính dị hướng cao và khả năng hấp thụ quang tốt. Việc lựa chọn vật liệu 2D phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng cảm biến, đặc biệt là độ nhạy cảm biến, tính chọn lọc cảm biến và độ ổn định cảm biến.

II. Thách Thức trong Điều Khiển Tính Chất Cơ Lý Vật Liệu 2D

Mặc dù tiềm năng của vật liệu 2D là rất lớn, việc điều khiển tính chất vật liệu một cách chính xác và ổn định vẫn còn nhiều thách thức. Tính chất cơ lý như độ bền cơ học, module đàn hồi, và biến dạng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cấu trúc nano, bề mặt vật liệu, và các khuyết tật. Tương tự, khả năng hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào khe năng lượng và tương tác ánh sáng vật chất, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các thông số này. Bài toán đặt ra là tìm ra phương pháp điều khiển tính chất hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất cảm biến. Theo luận văn, "Độ chính xác của cảm biến hình ảnh phụ thuộc vào khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu sử dụng. Do vậy, cần có nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế điều khiển mức độ hấp thụ ánh sáng của cảm biến là cần thiết."

2.1. Ảnh hưởng của biến dạng cơ học đến tính chất vật liệu

Biến dạng cơ học, bao gồm biến dạng kéo, biến dạng nén, và biến dạng uốn, có thể thay đổi đáng kể tính chất điện tử và quang học của vật liệu 2D. Ví dụ, biến dạng có thể điều khiển khe năng lượng, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng. Phân tích tính chất cơ lý dưới tác động của biến dạng là rất quan trọng để thiết kế cảm biến có hiệu suất cao và ổn định. Các phương pháp mô phỏng vật liệu như DFT (Density Functional Theory) và MD (Molecular Dynamics) được sử dụng để dự đoán và phân tích các ảnh hưởng này.

2.2. Khó khăn trong kiểm soát cấu trúc nano và khuyết tật

Việc kiểm soát chính xác cấu trúc nano và giảm thiểu khuyết tật trong vật liệu 2D là một thách thức lớn. Khuyết tật có thể làm giảm độ bền cơ học, thay đổi tính chất điện tử, và ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng. Các kỹ thuật chế tạo vật liệu 2D tiên tiến như CVD (Chemical Vapor Deposition) và bóc tách cơ học đang được phát triển để cải thiện chất lượng vật liệu. Tuy nhiên, việc đạt được vật liệu hoàn hảo với cấu trúc đồng nhất và ít khuyết tật vẫn là một mục tiêu quan trọng.

III. Phương Pháp Điều Khiển Tính Chất Biến Dạng Cấu Trúc Hetero

Để vượt qua các thách thức trên, nghiên cứu này tập trung vào hai phương pháp điều khiển tính chất chính: sử dụng biến dạng cơ học và tạo cấu trúc heterostructure. Biến dạng có thể được sử dụng để điều khiển khe năng lượng và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu 2D. Cấu trúc heterostructure, bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu 2D khác nhau, có thể tạo ra các tính chất mới và cải thiện hiệu suất cảm biến. Việc kết hợp hai phương pháp này có thể mang lại những kết quả đột phá. "Luận văn đề xuất cơ chế điều khiển tính chất cơ – lý và khả năng hấp thụ ánh sáng của các cấu trúc vật liệu dựa trên biến dạng cơ học."

3.1. Điều khiển tính chất bằng biến dạng cơ học Lý thuyết và ứng dụng

Biến dạng cơ học là một phương pháp hiệu quả để điều khiển tính chất điện tử và quang học của vật liệu 2D. Tính toán lý thuyết và mô phỏng vật liệu cho thấy rằng biến dạng có thể thay đổi khe năng lượng, ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng, và thậm chí tạo ra các trạng thái điện tử mới. Ứng dụng của biến dạng trong cảm biến bao gồm việc tạo ra các cảm biến áp điện có độ nhạy cao và các cảm biến hình ảnh có khả năng hấp thụ quang tốt hơn.

3.2. Tạo cấu trúc Heterostructure Thiết kế và tối ưu hóa

Cấu trúc heterostructure, được tạo ra bằng cách xếp chồng hai hoặc nhiều lớp vật liệu 2D khác nhau, mở ra nhiều khả năng mới trong việc điều khiển tính chất. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp và tối ưu hóa cấu trúc là rất quan trọng để đạt được tính chất mong muốn. Cấu trúc heterostructure có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng, tăng độ dẫn điện, và tạo ra các hiệu ứng lượng tử độc đáo. Các cảm biến dựa trên cấu trúc heterostructure có thể có hiệu suất cao hơn và tính chọn lọc tốt hơn.

3.3. Kết hợp biến dạng và cấu trúc heterostructure để tối ưu hóa

Việc kết hợp đồng thời biến dạng cơ học và cấu trúc heterostructure mang lại khả năng điều khiển tính chất vật liệu một cách linh hoạt và hiệu quả. Bằng cách áp dụng biến dạng lên cấu trúc heterostructure, có thể điều chỉnh các tính chất điện tử và quang học của vật liệu theo ý muốn. Cách tiếp cận này mở ra tiềm năng to lớn để phát triển các cảm biến có hiệu suất vượt trội, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng tiên tiến. Nghiên cứu sâu hơn về sự tương tác giữa biến dạng và cấu trúc heterostructure là rất quan trọng để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu 2D.

IV. Ứng Dụng Vật Liệu 2D trong Cảm Biến Áp Điện và Hình Ảnh

Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng của vật liệu 2D trong hai loại cảm biến chính: cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh. Cảm biến áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện để chuyển đổi áp suất hoặc lực thành tín hiệu điện. Cảm biến hình ảnh chuyển đổi thông tin quang học thành tín hiệu điện để tạo ra hình ảnh. Việc điều khiển tính chất của vật liệu 2D có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ nhạy của cả hai loại cảm biến. Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất cơ học, quang học và điện tử của vật liệu hai chiều 1T-NiS2, 1H-PbS2 và 1H-PbSe2.

4.1. Cải thiện độ nhạy và độ bền của cảm biến áp điện

Vật liệu 2D có thể cải thiện độ nhạy và độ bền của cảm biến áp điện nhờ vào độ bền cơ học cao và khả năng chịu biến dạng tốt. Việc sử dụng cấu trúc heterostructure cũng có thể tăng cường hiệu ứng áp điện, dẫn đến cảm biến có độ nhạy cao hơn. Ứng dụng của cảm biến áp điện bao gồm đo áp suất, lực, và gia tốc trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến công nghiệp.

4.2. Nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng của cảm biến hình ảnh

Khả năng hấp thụ ánh sáng là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất của cảm biến hình ảnh. Vật liệu 2D có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến hình ảnh có độ nhạy cao hơn và khả năng thu nhận hình ảnh tốt hơn trong điều kiện ánh sáng yếu. Việc điều khiển khe năng lượng và sử dụng cấu trúc heterostructure có thể tối ưu hóa khả năng hấp thụ quang của vật liệu, giúp tạo ra các cảm biến hình ảnh tiên tiến.

V. Nghiên Cứu Cụ Thể 1T NiS2 và 1H PbX2 cho Cảm Biến

Nghiên cứu này đi sâu vào phân tích tính chất cơ lý và khả năng hấp thụ ánh sáng của hai loại vật liệu 2D cụ thể: 1T-NiS2 và 1H-PbX2 (X = S, Se). Mục tiêu là đánh giá tiềm năng ứng dụng của các vật liệu này trong cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh. Việc mô phỏng và tính toán sử dụng DFT được thực hiện để dự đoán và phân tích các tính chất của vật liệu dưới các điều kiện khác nhau. "Luận văn tập trung nghiên cứu tính chất cơ học, quang học và điện tử của vật liệu hai chiều 1T-NiS2, 1H-PbS2 và 1H-PbSe2."

5.1. Phân tích tính chất của 1T NiS2 Độ bền và hấp thụ quang

1T-NiS2 là một vật liệu 2D đầy hứa hẹn với độ bền cơ học cao và khả năng hấp thụ quang tốt. Nghiên cứu này phân tích ảnh hưởng của biến dạng đến tính chất điện tử và quang học của 1T-NiS2. Kết quả cho thấy rằng biến dạng có thể điều khiển khe năng lượng và khả năng hấp thụ ánh sáng, mở ra tiềm năng ứng dụng trong cảm biến hình ảnh.

5.2. Nghiên cứu 1H PbX2 X S Se Điều khiển khe năng lượng bằng biến dạng

1H-PbX2 (X = S, Se) là các vật liệu 2D khác với tính chất điện tử và quang học độc đáo. Nghiên cứu này tập trung vào việc điều khiển khe năng lượng của 1H-PbX2 bằng cách áp dụng biến dạng. Kết quả cho thấy rằng biến dạng có thể làm thay đổi khe năng lượng và khả năng hấp thụ ánh sáng, tạo ra các cảm biến có độ nhạy và tính chọn lọc cao.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Vật Liệu 2D cho Cảm Biến

Nghiên cứu này đã trình bày tổng quan về tiềm năng ứng dụng của vật liệu 2D trong cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh. Việc điều khiển tính chất cơ lý và khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu 2D thông qua biến dạng và cấu trúc heterostructure là một hướng đi đầy hứa hẹn. Các kết quả nghiên cứu về 1T-NiS2 và 1H-PbX2 cung cấp những thông tin quan trọng cho việc thiết kế và chế tạo các cảm biến tiên tiến. Luận văn đã tiếp cận và mở rộng..."

6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính

Nghiên cứu đã thành công trong việc phân tích và điều khiển tính chất của vật liệu 2D cho các ứng dụng cảm biến. Việc sử dụng biến dạng và cấu trúc heterostructure đã được chứng minh là các phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất cảm biến. Các kết quả về 1T-NiS2 và 1H-PbX2 cung cấp những dữ liệu quý giá cho việc phát triển các cảm biến có độ nhạy cao và tính chọn lọc tốt.

6.2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo

Trong tương lai, cần tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật chế tạo vật liệu 2D tiên tiến hơn để cải thiện chất lượng và giảm thiểu khuyết tật. Nghiên cứu sâu hơn về sự tương tác giữa biến dạng, cấu trúc heterostructure, và tính chất vật liệu là rất quan trọng để khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu 2D. Ngoài ra, cần đẩy mạnh việc ứng dụng vật liệu 2D trong các cảm biến thực tế, từ đó đánh giá và cải thiện hiệu suất của các thiết bị này.

Nghiên cứu điều khiển tính chất cơ – lý và khả năng hấp thụ ánh sáng của các cấu trúc vật liệu hai chiều ứng dụng trong cảm biến áp điện và cảm biến hình ảnh