Nghiên cứu tính chất điện tử của hệ vật liệu ngũ giác qua mô phỏng

Lời cam đoan

MỤC LỤC

Danh mục viết tắt

Danh sách hình

Danh sách bảng

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN LUẬN ÁN

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

1.3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.6. Cấu trúc của luận án

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU DẢI NANO NGŨ GIÁC PG-SS, P-SiC2-SS VÀ P-P2C-SS

2.1. Mô hình PG-SS

2.1.1. Mô hình PG

2.1.2. Mô hình PG-SS

2.2. Mô hình p-SiC2-SS

2.2.1. Mô hình p-SiC2

2.2.2. Mô hình p-SiC2-SS

2.3. Mô hình p-P2C-SS

3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DFT VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NEGF-DFT

3.1. MỤC A: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DFT

3.1.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT).1 Bài toán về hệ nhiều hạt.2 Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT).3 Mô hình Kohn-Sham

3.1.4. Phiếm hàm năng lượng tương quan trao đổi

3.1.5. Hiệu chỉnh tương tác Van der Waals

3.2. Phương pháp mô phỏng DFT

3.2.1. Bộ hàm cơ sở

3.2.4. Cách vận hành chương trình mô phỏng DFT

3.2.5. Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp mô phỏng DFT

3.3. MỤC B: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NEGF-DFT

3.3.1. Cách tiếp cận của Landauer trong vấn đề truyền dẫn điện tử

3.3.2. Năm giả định của Landauer

3.3.3. Ưu điểm và khuyết điểm của cách tiếp cận Landauer

3.3.4. Định lượng lý thuyết Landauer – Hệ số truyền qua T(E)

3.4. Một số đặc trưng của mô hình

3.4.2. Xây dựng biểu thức Hệ số truyền qua

3.4.5. Biểu thức hệ số truyền qua biểu diễn theo hàm Green

3.5. Phương pháp hàm Green cho mô hình đơn hạt

3.6. Biểu thức hàm Green toàn linh kiện

3.7. Biểu diễn T(E) theo hàm Green toàn linh kiện

3.8. Phương pháp mô phỏng NEGF-DFT

3.8.1. Cấu hình linh kiện

3.8.2. Cách vận hành chương trình mô phỏng NEGF-DFT

4. CHƯƠNG 4: THẢO LUẬN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

4.1. MỤC A: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA MÔ HÌNH P-SiC2-SS

4.1.1. Mô hình p-SiC2

4.1.2. Các thông số quan trọng dùng mô phỏng các dải nano ngũ giác p-SiC2

4.1.3. Các mô hình dải nano ngũ giác p-SiC2

4.2. Mô hình p-SiC2-SS

4.2.1. Mức độ ổn định và bền vững của mô hình p-SiC2-SS

4.2.2. Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng

4.2.3. Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái

4.2.4. Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái hướng đối tượng

4.2.5. Trực quan hóa trạng thái điện tử của mô hình p-SiC2-SS

4.2.6. Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu mô hình p-SiC2-SS

4.3. MỤC B: SO SÁNH TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA CÁC MÔ HÌNH PG-SS, P-P2C-SS VÀ P-SiC2-SS

4.3.1. Mô hình p-P2C và mô hình p-P2C-SS

4.3.2. Một số thông số quan trọng dùng mô phỏng mô hình p-P2C-SS

4.3.3. Cấu trúc và mức độ ổn định của mô hình p-P2C-SS

4.3.4. Tính chất điện tử và từ tính của mô hình p-P2C-SS có W = 10

4.4. Các thông số quan trọng dùng mô phỏng các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS

4.4.1. Các thông số dùng mô phỏng cấu trúc hình học, độ ổn định và tính chất điện tử

4.4.2. Các thông số dùng mô phỏng tính chất truyền dẫn điện tử

4.5. Một số đặc tính của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS

4.5.1. Cấu trúc hình học của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS

4.5.2. Khả năng bền vững của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS

4.6. Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS

4.6.1. Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng

4.6.2. Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái

4.6.3. Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái hướng đối tượng

4.6.4. Trực quan hóa tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p- SiC2-SS

4.7. Tính chất truyền dẫn điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2- SS

4.7.1. Các mô hình linh kiện

4.7.2. Hệ số truyền qua T(E) của các mô hình linh kiện

4.7.3. So sánh sự phân bố mật độ điện tử cộng hóa trị của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS trong hai tình huống: cấu trúc tuần hoàn và vùng trung tâm của linh kiện

4.8. Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu nhóm mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS

4.9. MỤC C: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MÔ HÌNH PG-SS

4.9.1. Vấn đề hấp phụ phân tử khí

4.9.2. Tổng quan về hiện tượng hấp phụ phân tử trên các vật liệu thấp chiều

4.10. Cảm biến khí

4.10.2. Lý do lựa chọn mô hình và loại phân tử khí

4.11. Các bước nghiên cứu chính

4.12. Các thông số mô phỏng quan trọng của chương trình

4.12.1. Các thông số dùng mô phỏng cấu trúc hình học và tính chất điện tử

4.12.2. Các thông số dùng mô phỏng tính chất truyền dẫn điện tử

4.13. Cấu trúc hình học và tính chất điện tử của mô hình PG-SS

4.14. Một số vị trí hấp phụ tối ưu của CO, CO2 và NH3 trên PG-SS

4.15. Ảnh hưởng của sự hấp phụ lên tính chất điện tử của mô hình PG-SS

4.15.1. Phân tích theo điện tử trao đổi

4.15.2. Phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng

4.15.3. Phân tích theo mật độ trạng thái

4.15.4. Trực quan hóa sự phân bố trạng thái điện tử trong không gian

4.16. Ảnh hưởng của sự hấp phụ lên tính chất truyền dẫn điện tử của mô hình PG-SS

4.16.1. Cấu hình linh kiện

4.16.2. Sự thay đổi của hệ số truyền qua T(E) của mô hình linh kiện do hiện tượng hấp phụ

4.17. Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu hiện tượng hấp phụ

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT

5.1. Các kết luận quan trọng của luận án

5.2. Vấn đề tồn đọng trong nghiên cứu

5.3. Một số hướng nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo

Danh mục các bài báo đã công bố

I. Giới thiệu về tính chất điện tử của hệ vật liệu ngũ giác

Nghiên cứu tính chất điện tử của các hệ vật liệu ngũ giác là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học. Các vật liệu này thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao, đặc biệt là trong lĩnh vực cảm biến khí. Việc áp dụng phương pháp mô phỏng, đặc biệt là mô phỏng vật liệu bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT) và NEGF-DFT, cho phép phân tích chi tiết về tính chất điện tử của các vật liệu này. Thông qua nghiên cứu, có thể thấy rằng các vật liệu ngũ giác, như PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS, đều có những đặc điểm điện tử tương đối khác nhau mặc dù có độ rộng tương đương nhau. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và hiểu biết sâu về tính chất điện tử của chúng.

1.1. Tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử

Các nghiên cứu cho thấy rằng tính chất điện tử của các vật liệu ngũ giác này không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc mà còn vào sự phân bố trạng thái điện tử. Mức năng lượng cực đại trong vùng hóa trị (VBM) và mức năng lượng cực tiểu trong vùng dẫn (CBM) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng dẫn điện của vật liệu. Cụ thể, các trạng thái điện tử ứng với mức năng lượng CBM thường xuất hiện đáng kể tại vùng giữa của mỗi dải nano ngũ giác, chủ yếu từ các orbital p của các nguyên tử lai hóa sp2. Điều này cho thấy rằng tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của các vật liệu này chủ yếu được quyết định bởi các trạng thái điện tử của các nguyên tử nằm ở lớp ngoài cùng của cấu trúc.

II. Phương pháp mô phỏng và ứng dụng trong nghiên cứu

Phương pháp mô phỏng là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu vật liệu, cho phép các nhà khoa học dự đoán và phân tích các tính chất của vật liệu mà không cần thử nghiệm thực tế. Mô phỏng vật liệu bằng DFT và NEGF-DFT đã được áp dụng để khảo sát tính chất điện tử và truyền dẫn của các mẫu vật liệu ngũ giác. Các kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng các mô hình này có thể được sử dụng để phát triển các thiết bị cảm biến khí hiệu quả. Việc xác định các thông số như độ bền, tính ổn định và khả năng hồi phục của các mô hình là rất quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

2.1. Ứng dụng trong cảm biến khí

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các mô hình vật liệu ngũ giác có khả năng cảm biến tốt đối với các phân tử khí như CO và NH3. Đặc biệt, mô hình PG-SS cho thấy khả năng hồi phục tốt khi tiếp xúc với NH3, do liên kết giữa PG-SS và NH3 chỉ là liên kết vật lý. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển cảm biến khí có hiệu suất cao và khả năng phục hồi tốt. Các nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào lý thuyết về tính chất điện tử mà còn có giá trị thực tiễn trong việc chế tạo các thiết bị cảm biến khí hiện đại.

III. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu về tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của các hệ vật liệu ngũ giác đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu nano. Các kết quả cho thấy rằng nhóm vật liệu này không chỉ có những đặc điểm điện tử đặc biệt mà còn có khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực công nghệ hiện đại. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình vật liệu này sẽ giúp tối ưu hóa các thiết bị cảm biến khí, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của chúng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thiết thực trong đời sống.

3.1. Triển vọng ứng dụng trong công nghệ cảm biến

Với những đặc điểm nổi bật về tính chất điện tử và khả năng dẫn điện, các mô hình vật liệu ngũ giác có thể được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ cảm biến. Việc phát triển các cảm biến khí dựa trên các vật liệu này sẽ không chỉ giúp cải thiện độ nhạy mà còn tăng cường khả năng phục hồi, mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong các lĩnh vực như môi trường, y tế và công nghiệp. Sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tiễn sẽ tạo ra những bước đột phá mới trong công nghệ cảm biến khí.

Luận án tiến sĩ về tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử trong hệ vật liệu ngũ giác