## Tổng quan nghiên cứu

Graphene, một vật liệu 2D được cấu tạo từ một lớp nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng tổ ong, đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật lý và công nghệ vật liệu nhờ các tính chất ưu việt như độ dẫn điện và nhiệt cao, độ bền cơ học vượt trội, và khả năng ứng dụng trong các linh kiện điện tử kích thước nano. Từ khi được chế tạo thành công năm 2004, Graphene đã được xem là vật liệu tiềm năng thay thế cho Silicon trong các thiết bị bán dẫn thế hệ mới. Tuy nhiên, một hạn chế lớn của Graphene nguyên thủy là khe năng lượng bằng không, làm giới hạn ứng dụng trong transistor và các linh kiện bán dẫn.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển khe năng lượng của Graphene thông qua cấu trúc lai Armchair – Zigzag, bao gồm các dạng dải Graphene, cấu trúc dạng góc 90 độ, dải Graphene có đục lỗ và dạng gấp khúc 90 độ. Mục tiêu chính là thiết kế và tính toán các tính chất điện tử, truyền electron và khe năng lượng của các cấu trúc này, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên khe năng lượng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn đến năm 2017 tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, với phạm vi tập trung vào các mô hình lý thuyết và mô phỏng tính chất điện tử của Graphene.

Việc mở khe năng lượng khoảng 0.5 eV là cần thiết để các linh kiện bán dẫn hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng, tuy nhiên kích thước dải Graphene phải nhỏ hơn 5 nm, vượt quá khả năng chế tạo hiện tại. Nghiên cứu này góp phần giải quyết bài toán mở khe năng lượng mà vẫn giữ nguyên các tính chất ưu việt của Graphene, mở ra hướng phát triển mới cho vật liệu bán dẫn nano.

---

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT):** Là công cụ chính để tính toán cấu trúc điện tử và các tính chất vật lý của Graphene. DFT cho phép mô phỏng hệ nhiều hạt bằng cách sử dụng mật độ electron thay vì hàm sóng phức tạp, giúp giảm thiểu độ phức tạp tính toán.
- **Phương pháp hàm Green không cân bằng (Non-equilibrium Green Function - NEGF):** Được kết hợp với DFT để mô phỏng truyền electron trong các cấu trúc Graphene dưới điều kiện không cân bằng, như trong các thiết bị điện tử thực tế.
- **Các khái niệm chính:**
  - **Khe năng lượng (Band gap):** Khoảng năng lượng cấm giữa dải dẫn và dải hóa trị, quyết định tính chất bán dẫn hay kim loại.
  - **Graphene Nanoribbons (GNRs):** Dải Graphene có kích thước nano, gồm hai loại chính là Armchair (AGNRs) và Zigzag (ZGNRs), với tính chất điện tử khác nhau.
  - **Cấu trúc lai Armchair – Zigzag:** Sự kết hợp giữa hai dạng cạnh của GNRs, tạo ra các cấu trúc mới như dạng góc 90 độ, chữ U, hoặc có đục lỗ, ảnh hưởng đến khe năng lượng và truyền electron.
  - **Biến dạng cơ học:** Ảnh hưởng của lực cơ học lên cấu trúc và tính chất điện tử của Graphene.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Dữ liệu mô phỏng được thu thập từ các phép tính toán dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ kết hợp với hàm Green không cân bằng, sử dụng phần mềm OpenMX và TranMain.
- **Phương pháp phân tích:** 
  - Tối ưu hóa các tham số tính toán như basis set, năng lượng cutoff SCF và DFFT, bán kính cutoff để đảm bảo độ chính xác.
  - Tính toán cấu trúc vùng năng lượng, mật độ trạng thái (DOS), phổ truyền electron cho các cấu trúc Graphene khác nhau.
  - Phân tích ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên khe năng lượng và tính chất truyền electron.
- **Timeline nghiên cứu:** Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn đến năm 2017, bao gồm các bước từ tổng quan lý thuyết, thiết kế mô hình, tính toán mô phỏng đến phân tích kết quả.

---

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Phát hiện 1:** Khe năng lượng của các dải Armchair Graphene Nanoribbons (AGNRs) tỷ lệ nghịch với chiều rộng dải. Để đạt khe năng lượng khoảng 0.5 eV, chiều rộng dải phải nhỏ hơn 5 nm, điều này vượt quá khả năng chế tạo hiện tại.
- **Phát hiện 2:** Các dải Zigzag Graphene Nanoribbons (ZGNRs) luôn thể hiện tính kim loại với khe năng lượng bằng 0, bất kể độ rộng dải.
- **Phát hiện 3:** Cấu trúc lai Armchair – Zigzag như dạng chữ U, góc 90 độ và có đục lỗ có khả năng mở khe năng lượng hiệu quả, với tỷ số on/off trong transistor có thể đạt tới 10^5, vượt xa các cấu trúc truyền thống.
- **Phát hiện 4:** Biến dạng cơ học ảnh hưởng rõ rệt đến khe năng lượng và tính chất truyền electron, có thể được sử dụng như một phương pháp điều khiển bổ sung cho các thiết bị điện tử dựa trên Graphene.

### Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng cấu trúc lai Armchair – Zigzag là hướng đi khả thi để mở khe năng lượng cho Graphene mà không làm mất đi các tính chất ưu việt của vật liệu. So với các phương pháp pha tạp nguyên tử, cấu trúc lai giữ được độ linh động cao của hạt tải điện, tránh giảm hiệu suất thiết bị. Các kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm về transistor Graphene dạng chữ U và các thiết bị FET hai lớp với điện trường ngoài lớn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của khe năng lượng vào chiều rộng dải và mức độ biến dạng cơ học, cũng như bảng so sánh tỷ số on/off giữa các cấu trúc khác nhau. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của cấu trúc lai trong việc điều khiển tính chất điện tử.

---

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Phát triển kỹ thuật chế tạo:** Nâng cao độ chính xác của kỹ thuật quang khắc và tập trung chùm ion để tạo ra các dải Graphene có kích thước dưới 5 nm, phục vụ cho việc ứng dụng cấu trúc lai Armchair – Zigzag.
- **Ứng dụng biến dạng cơ học:** Thiết kế các thiết bị có khả năng điều khiển khe năng lượng thông qua biến dạng cơ học, nhằm tăng tính linh hoạt và hiệu suất của linh kiện điện tử.
- **Mở rộng nghiên cứu cấu trúc lai:** Khuyến khích nghiên cứu thêm các dạng cấu trúc lai khác như chữ L, chữ Z, chữ T để tối ưu hóa tính chất điện tử và truyền electron.
- **Phát triển phần mềm mô phỏng:** Cải tiến các công cụ mô phỏng dựa trên DFT và NEGF để mô phỏng chính xác hơn các hệ phức tạp, hỗ trợ thiết kế vật liệu và thiết bị mới.
- **Thời gian thực hiện:** Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 3-5 năm tới, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

---

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu vật liệu nano:** Có thể sử dụng kết quả để phát triển các vật liệu bán dẫn mới dựa trên Graphene với tính chất điều khiển khe năng lượng.
- **Kỹ sư thiết kế linh kiện điện tử:** Áp dụng các cấu trúc lai Armchair – Zigzag để thiết kế transistor và cảm biến hiệu suất cao.
- **Doanh nghiệp công nghệ cao:** Tận dụng các kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm linh kiện điện tử kích thước nano, đặc biệt trong lĩnh vực cảm biến và màn hình uốn dẻo.
- **Giảng viên và sinh viên ngành vật lý, vật liệu:** Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học về vật liệu 2D, lý thuyết tính toán và ứng dụng Graphene.

---

## Câu hỏi thường gặp

1. **Tại sao cần mở khe năng lượng cho Graphene?**  
   Graphene nguyên thủy có khe năng lượng bằng 0, làm cho nó không thể tắt hoàn toàn dòng điện trong transistor, gây khó khăn trong ứng dụng bán dẫn. Mở khe năng lượng giúp thiết bị hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng.

2. **Cấu trúc lai Armchair – Zigzag có ưu điểm gì?**  
   Cấu trúc lai kết hợp tính chất của hai dạng cạnh, cho phép điều khiển khe năng lượng hiệu quả mà không làm giảm độ linh động của hạt tải điện như các phương pháp pha tạp.

3. **Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?**  
   Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) kết hợp với hàm Green không cân bằng (NEGF) được sử dụng để tính toán cấu trúc điện tử và truyền electron trong các cấu trúc Graphene.

4. **Ảnh hưởng của biến dạng cơ học lên Graphene là gì?**  
   Biến dạng cơ học có thể làm thay đổi khe năng lượng và tính chất truyền electron, mở ra khả năng điều khiển linh hoạt các thiết bị điện tử dựa trên Graphene.

5. **Khó khăn lớn nhất trong việc ứng dụng cấu trúc lai là gì?**  
   Khó khăn chính là kỹ thuật chế tạo các dải Graphene có kích thước nano chính xác dưới 5 nm, đòi hỏi công nghệ quang khắc và tập trung chùm ion phát triển hơn nữa.

---

## Kết luận

- Graphene là vật liệu 2D có nhiều tính chất ưu việt nhưng bị giới hạn bởi khe năng lượng bằng 0.  
- Cấu trúc lai Armchair – Zigzag được chứng minh là phương pháp hiệu quả để mở khe năng lượng, phù hợp cho ứng dụng trong transistor và cảm biến.  
- Biến dạng cơ học là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất điện tử, có thể được tận dụng để điều khiển thiết bị.  
- Phương pháp DFT kết hợp NEGF là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và dự đoán tính chất của các cấu trúc Graphene phức tạp.  
- Cần tiếp tục phát triển kỹ thuật chế tạo và mở rộng nghiên cứu cấu trúc lai để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử nano.

**Hành động tiếp theo:** Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ chế tạo dải Graphene nano, đồng thời ứng dụng các kết quả mô phỏng để thiết kế linh kiện mới, thúc đẩy chuyển giao công nghệ và thương mại hóa sản phẩm.